膜下滴灌水氮耦合对加工番茄耗水强度及氮素吸收分配的影响

雷成霞，李文昊

(1 山西水利职业技术学院，山西 运城 044004；2 石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832003)

农业是新疆的第一产业，截止2018年底新疆作物覆盖面积达到6.52×106hm2，其中加工番茄面积为6.872万hm2。新疆番茄酱出口市场主要集中在亚洲，约占番茄酱出口总额的54%[1]。番茄维生素含量较丰富，可以满足人类身体对维生素C含量的日常需求[2]，种植纬度在30°～40° N，白天茎叶果适宜生长温度在25 ℃左右，夜间适宜生长温度在18 ℃左右，开花坐果后50 d左右成熟采收[3]。新疆地区由于气温高、蒸发大的特殊地理条件，近年来开始大力发展膜下滴灌技术。膜下滴灌技术具有节水、保墒的明显优势[4-5]，已经在棉花、玉米、加工番茄等作物的种植上广泛应用[6-8]。李玉义等[9]和李青军等[10]对灌溉模式和施肥方式对加工番茄生长的影响研究结果表明，采用膜下滴灌并在加工番茄不同生育期随水追肥有利于肥料利用率以及加工番茄品质和产量的提高；颉君丽等[11]和HELYES L等[12]对加工番茄调亏灌溉机理的研究结果表明，在加工番茄苗期进行调亏灌溉，一定程度上可以保证产量的同时还可以提高水分利用效率。滴灌施肥是将施肥与滴灌相结合的农业创新技术，利用滴灌灌水器，不仅将植物所需的水分养分输送到植物根区，还可以降低水分及肥料的流失，在提高作物的水肥利用效率时也显著提高了作物的产量及品质[13-14]。

以往对于膜下滴灌加工番茄的研究多集中在灌水定额或施肥量单因素影响下的作物产量或水肥利用效率上，而对于水分耦合作用下的加工番茄耗水强度变化以及加工番茄不同部位对氮素的吸收分配的影响研究很少，本文试验设置灌溉水平与施氮梯度完全组合的田间试验，分析不同水氮水平下土壤含水率、作物耗水和加工番茄各器官对氮素吸收分配的变化，从而为水氮耦合作用下的膜下滴灌加工番茄的水氮吸收变化规律提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年5月―2018年8月在新疆石河子大学现代节水灌溉兵团重点试验室的室外大田(86°03′47″E，44°18′28″N)进行。

该地区属典型的温带大陆性气候，海拔450 m，年日照时数2 950 h，年降水量在220 mm左右，年平均风速1.5 m/s，加工番茄生育期间气象数据通过当地气象部门获得。

试验田地下水埋深8 m以下，土壤质地为中壤土，物理粘粒含量(粒径<0.01 mm)大于21%，0～40 cm土壤年平均容重为1.54 g/cm3。

1.2 试验设计

供试材料加工番茄品种为金番3166(新疆石河子)，2年试验均在5月3日进行移苗定植，8月26日进行成熟期采获，全生育期116 d。

种植模式为1膜2管4行膜下滴灌，覆膜为1.45 m聚乙烯普通塑料地膜；单翼迷宫式滴灌，毛管间距0.70 m，滴头间距0.30 m，滴头设计流量1.8 L/h，加工番茄株距0.30 m，行距0.35 m。

滴灌施肥设备主要由蓄水池、水泵、回流管、施肥罐、旋翼式水表及输水管道系统组成。

试验设置水、氮二因素。参考当地生产实践及文献[15-16]确定2017年大田加工番茄种植的灌溉、施肥量以及灌溉、施肥次数,见表1。具体如下：

试验设置4个灌溉水平，分别为5 250(W1)、3 938(W2)、2 625(W3)、4 500 m3/hm2(W4)；设置3个N-P2O5-K2O施氮水平，分别为N1(300-188-188)、N2(225-188-188)和N3(150-188-188)kg/hm2，组合设计，2017年共计12个处理，2018年增加1个灌溉水平4 500 m3/hm2(V1)，共计15个处理；每个处理设置3个重复，试验小区面积为27 m2(18 m×1.5 m)，前茬种植作物分别为棉花和加工番茄，作物沿南向北种植，采用深层地下水进行灌溉，灌溉水矿化度约1.35 g/L。

加工番茄每次灌溉量、施肥量依据试验小区面积、番茄生育期、作物需水规律等因素进行划分。CK取当地灌溉量4 500 m3/hm2，施肥全生育期为N300 kg/hm2、P2O5375 kg/hm2、K2O120 kg/hm2，年均产量120 t/hm2，其余经济指标相同。其中，试验肥料依次为尿素CO(NH2)2(N质量分数46.4%)，磷酸一铵NH4H2PO4(P2O5质量分数60.5%)和氯化钾KCl(K2O质量分数57%)。

试验区的除草、打药等田间农艺管理措施一致。

表1 加工番茄生育期灌溉制度

1.3 项目测定与方法

在加工番茄的生长过程中，于苗期(5月23日)、花期(6月13日)、果实膨大一期(7月3日)、果实膨大二期(7月23日)、成熟期(8月13日)进行5次植株采样，每个小区随机选择5株加工番茄，按加工番茄不同的生殖器官进行分开称重后，置于烘箱中，先在105 ℃杀菌30 min，然后在75 ℃下烘干至恒重，称重。对各个生育期烘干的各器官干物质用小型粉碎机粉碎过筛后装袋，样品消煮采用浓硫酸和双氧水结合法，测定植株叶、茎全氮含量采用奈氏比色法。

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2016、Origin 2017、SPSS Statistics 22(单因素方差分析方法)等统计软件处理和分析，选用Origin 2017作图。

2 结果与分析

2.1 水氮耦合对加工番茄土壤含水率的影响

图1为不同水氮处理下番茄生长阶段内土壤质量含水率的影响。

图1 不同生育期水氮处理土壤含水率变化

由图1可知：

(1)在加工番茄花期，不同深度不同灌水量处理下土壤质量含水率数值比较集中，W4处理土壤含水率数值较大，处理W3的较小；W1处理各土层土壤质量含水率随土层深度的增加而增大，其中，在W1处理下灌水量满足植物生长所需耗水量，有多余的水分下渗，W2、W4处理下土壤质量含水率先增大后减小，均在20 cm处达到峰值，W3处理下各处理不同深度土壤质量含水率变化较小。在10～20 cm土层各处理间土壤含水率的波动最大，这是由于花期根系集中在土层10～20 cm处。

(2)在果实膨大期，各处理不同深度的土壤含水率数值波动较大，W3处理下不同深度的土壤质量含水率数值较小，较低的灌水量，不利于土壤含水率的提高，不能满足植物生长所需的水分，进而影响产量及品质。在相同的灌水量W1、W2、W4下，土壤质量含水率N3>N1>N2，较高、较低的施氮量下，加工番茄的土壤质量含水率较高，这是由于在果实膨大期，随着果实膨大，灌水量一定、施氮量适中的情况下，加工番茄对水分的吸收更敏感。在40 cm以下，W1、W2和W4处理含水率差值较小。

(3)在成熟期，各处理在10 cm以上，含水率数值差异较小且数值较小。各处理在10 cm以上土壤质量含水率数值比较集中，这是由于加工番茄成熟期枝繁叶茂，在植株周边环境及作物根系在10 cm范围内影响不活跃造成。各处理在10 cm以下含水率变化较大，其中W1处理30 cm以下，土壤含水率数值较大，W2、W4各处理下不同深度的含水率数值比较集中，W3处理含水率数值一致较低。从整个生育期来看，深度0～10 cm各处理的含水率数值比较集中，而深度20～40 cm各生育期各处理的含水率数值皆波动较大。

2.2 加工番茄耗水量的变化

结果(图2)显示：

图2 水氮耦合对各处理不同生育期耗水量及耗水强度的影响

(1)在整个生育期内加工番茄耗水量在苗期和膨大一期较大，在加工番茄的不同生长阶段耗水规律一致，耗水量随着灌水的增大而增大，作物吸收水分受施氮量的影响较小。加工番茄耗水量在苗期最大，膨大一期次之，花期最少，这是因为在加工番茄的苗期，降雨量较大，导致最终耗水量较大；在果实膨大一期，随着灌水量的增大，作物进入果实膨大一期坐果阶段，作物耗水量较大；加工番茄果实膨大二期，果实需吸收大量的水分，但受田间温度较高和降雨较少的影响，耗水量降低；在加工番茄成熟期，由于成熟期对果实的积累较大，成熟期时间持续较短，作物耗水量加大；在加工番茄苗期，由于较低的灌水量及作物根系不够发达，最终导致花期耗水量较低。

(2)在降雨量及生理期的影响下，加工番茄苗期植株耗水强度大于花期；相同的灌水量处理下，加工番茄各处理耗水强度在生育期先降低后增大，均在果实膨大一期达到最大值，这是因为加工番茄进入开花坐果，果实迅速积累时期，对水分吸收比较敏感；W3处理耗水量持续降低，这是持续较低的灌水量下加工番茄各器官发育不全面。

(3)各处理的耗水强度随灌水量的增加而增加，随施氮量增大的变化不明显，较低的灌水量下耗水强度较低，加工番茄生长受到胁迫；在整个生育期，加工番茄耗水强度先降低后升高，在加工番茄果实膨大一期达到最大值然后再降低。

由表2可知：在整个生育期加工番茄耗水量、耗水强度W1>W4>W2>W3，作物耗水量和耗水强度与灌水量正相关；相同灌水量下，随着施氮量的增加，作物耗水量和耗水强度变化不大；加工番茄耗水量在W1N1处达到最大值767.42 mm，在W3N3处为最小值499.32 mm，最大值较最小值增加53.71%；耗水强度在W1N3处达到最大值为7.24 mm/d，在W3N3处为最小值3.19 mm/d，最大值较最小值增加126.96 %；加工番茄的产量在W4N2处达到最大值，且加工番茄产量W4>W2>W1>W3，耗水量和耗水强度都达到最大时，加工番茄产量不一定达到最大值；灌溉水利用效率在W2N2处达到最大值，耗水量、耗水强度最大时，加工番茄的灌溉水利用效率不一定达到最大值，耗水量、耗水强度较小时，加工番茄产量及灌溉水利用效率均较低，表明过低的灌水量不利于加工番茄耗水量及耗水强度的提高。

表2 水氮耦合对加工番茄耗水量及耗水强度的影响

2.3 水氮耦合对加工番茄各器官全氮含量的影响

结果(表3)显示：

(1)灌水量和水氮耦合对加工番茄茎全氮含量影响均极显著(P<0.01)，施氮量对茎全氮含量影响显著(P<0.05)。水氮耦合各处理下，生育期加工番茄茎全氮含量先上升后下降，在果实膨大期达到最大值，在12～30 g/kg范围内变化。

表3 水氮耦合对加工番茄单株茎全氮含量的影响

(2)各生育期在相同灌水量下，各处理的茎全氮含量均在N2处达到最大值，N2>N1>N3，表明较低的施氮量不利于植株茎全氮的累积，适宜的施氮量有助于加工番茄茎全氮含量的累积吸收。在加工番茄苗期、花期、果实膨大期、成熟期，植株茎全氮含量最大值较最小值分别提高了72.35%、63.23%、38.84%、49.83%，在果实膨大期W2N2处理茎全氮含量达到最大值为29.49 g/kg，在苗期W3N3处理为最小值。

(3)各生育期的茎全氮含量均在W3处理为最小值，增加灌水量可以提高茎对氮的吸收。果实膨大期到加工番茄成熟期，茎全氮含量均降低，这是因为在加工番茄成熟期更多的氮分配到果实中。

结果(表4)显示：

(1)灌水量和水氮耦合对加工番茄叶片全氮含量影响均极显著(P<0.01)，施氮量对茎全氮含量影响显著(P<0.05)，在花期对茎全氮含量影响极显著(P<0.01)。水氮耦合各处理下，加工番茄叶片全氮含量先上升后下降，最大值出现在每个处理的果实膨大期，叶片全氮含量在18～46 g/kg范围内变化。

(2)在每个生长期，相同灌水量下各处理的叶片全氮含量均在N1处达到最大值，N1>N2>N3，随着施氮量的增加，植株叶片全氮含量显著增加。在加工番茄苗期、花期、果实膨大期、成熟期，植株叶片全氮含量最大值较最小值分别提高46.96%、26.67%、40.53%、63.97%，在果实膨大期W4N1处理叶片全氮含量达到最大值为45.80 g/kg，在成熟期W3N3处理为最小值为10.08 g/kg。

(3)各生育期的叶片全氮含量均在W3处理为最小值，增加灌水量，有助于叶片对氮素的吸收利用。在果实膨大期到加工番茄成熟期，叶片全氮含量均降低，在相同生长阶段内达到最小值，这是因为随着加工番茄的成熟，更多的氮分配到果实中。

表4 水氮耦合对加工番茄单株叶片全氮含量的影响

2.4 水氮耦合下加工番茄各器官全氮含量分配及吸收

结果(图3)显示：

(1)不同的生长阶段加工番茄茎和叶全氮累积量均呈现先上升后下降的趋势。全氮累积量在果实膨大期达到最大值，在成熟期全氮累积量降低；茎干物质积累量均在番茄成熟期达到最小值，花期到果实膨大期茎全氮累积量速度最大，随着施氮的增加，茎全氮累积量增加，在N2达到最大值，且W3处理下植株茎全氮累积量最低，表明较低的灌水量不利于茎全氮累积量的提高。

(2)在相同生育期加工番茄的叶片全氮累积量大于茎全氮累积量；相同灌水量下植株叶片全氮累积量N1>N2>N3，表明增加施氮量有助于茎、叶干物质的积累；叶片全氮累积量均在果实成熟期达到最小值，这是因为随着果实成熟，更多的氮分配到植物果实中。

图3 加工番茄成熟期干物质积累量及各器官分配比

加工番茄全氮累积吸收量及吸收速率结果如图4所示。

图4 加工番茄全氮累积吸收量及吸收速率

由图4可知：

(1)水氮耦合下各处理加工番茄全氮累积吸收量在果实膨大期达到最大值，W4N1处最大值为71.97 g/kg，在成熟期W3N3处全氮累积量达到最小值32.75 g/kg，最大值较最小值提高119.76%；在苗期、果实膨大期植株全氮累积吸收量W4>W2>W1>W3，表明灌水量过高和过低都不利于加工番茄全氮的累积吸收；在花期、收获期植株全氮累积吸收量W4>W1>W2>W3，表明适宜的灌水量有利于加工番茄植株全氮的累积及吸收。

(2)苗期到花期加工番茄吸收速率呈现小幅度的增加，全氮吸收速率W4>W2>W1>W3，吸收速率在2.03～2.61 g/kg·d范围内；花期到果实膨大期加工番茄全氮吸收速率继续增大，且W4>W1>W2>W3，吸收速率在2.43～2.92 g/kg·d范围内；在果实膨大期加工番茄全氮吸收速率达到最大值，全氮吸收速率W4>W2>W1>W3，吸收速率在2.93～3.45 g/kg·d范围内；在膨大期到成熟期各水氮耦合处理下加工番茄全氮吸收速率皆降低，其中W1>W2>W4>W3，吸收速率在0.87～1.12 g/kg·d范围内。

(3)在各生育期，相同灌水量下各处理加工番茄的全氮吸收量比较接近，随着施氮量的增加，没有显著性关系；加工番茄日全氮吸收速率最大值出现在膨大期W4N1处为3.60 g/kg·d，较加工番茄成熟期W3N3最小值0.819 g/kg·d提高259.9%；在果实膨大期植株全氮累积、吸收速率皆最大，表明保证加工番茄膨大期的灌水量有助于加工番茄的增产、增益。

3 讨论

(1)土壤水分的多少直接影响植物的生长过程，养分随水分运输到植物的各个器官中。不同深度土壤含水率的数值变化可以直接反映出植物生长根部对深层水分的吸收变化。本文研究结果表明，在花期水氮各处理对含水率的数值影响不大，各深度含水率数值比较集中，W3处理出现含水率较小的趋势。在果实膨大期、成熟期W3处理含水率依旧较低，对照植物的生长情况，表现出生理缺水情况越发严重，这可能是由于加工番茄是喜水作物，随着生育期的推进，作物的生长对水量的要求也越来越大。

(2)张坤等[17]研究表明，整个生育期内加工番茄的根系主要集中在0～40 cm内，土壤含水率的主要变化范围在0～40 cm内，本文研究结果与其一致,这与方志刚[18]研究得出的土壤含水率在花期到膨大期先增大、果实成熟期土壤含水率降低的结果也一致。本文研究表明水氮耦合效应下加工番茄的株高、茎粗影响极显著，水氮效应直接影响作物的生长指标，从而影响作物的产量以及品质，这与马国礼[19]研究水氮处理下温室栽培辣椒生长生理的结果一致。

(3)本文研究结果表明，加工番茄耗水量和耗水强度随着灌水量的增加而增加，灌水量相同时与施氮量的增加不具有统计学意义，谷晓博[20]研究结果表明二者的灌水量与生长阶段内的耗水量影响显著，当施氮量在120～290 kg/hm2时，施氮量对耗水量影响不显著，本文与文献[20]的研究结果相似；本文研究结果表明耗水强度在果实膨大期达到最大值，这与刘洪波等[21]研究葡萄耗水特征的结果一致，且呈现先增大后减小的趋势；本文研究结果表明加工番茄果实膨大期耗水强度在W1N3处达到最大值为7.24 mm/d，这与李波[22]研究加工番茄灌溉制度试验的结果相差8%，这可能是由于灌溉方式、地理位置的不同而使试验结果稍有差异。本文研究结果表明，加工番茄在苗期、花期只需灌水量保证植株正常生长，在果实膨大期应注意水量补给。全氮累积量及全氮吸收速率均在在果实膨大期达到最大值，因此作为氮营养诊断的最佳时期[23]；本文叶片含氮量大于相同生育期同处理茎全氮含量的结果与于铁峰[24]在研究氮素对紫花苜蓿根茎叶全氮含量分布的结果一致；相同灌水量下随着施氮量的增加，植株全氮累积量增大，分析由于增加施氮量可以有效降低叶绿素分解、缓解叶片衰老[25]。

4 结论

(1)在加工番茄花期，水氮耦合对含水率的影响不大，土壤含水率变化主要集中在20～40 cm，其中膨大期对水氮作用的响应更加显著。加工番茄耗水量、耗水强度随着灌水量的增大而增大，各处理均在果实膨大期耗水强度达到最大值。

(2)在不同水氮耦合处理下，加工番茄茎叶全氮含量在不同的生长阶段整体先增加后减少，全氮累积量、全氮吸收速率均在在果实膨大期达到最大值，果实膨大期可作为氮营养诊断的最佳时期，在此阶段应保证生育期内植株所需的各种元素值，有利于加工番茄的增产、增益的提高；叶片含氮量大于相同生育期同处理茎全氮含量，相同灌水量下随着施氮量的增加，植株全氮累积量增大。

(3)当灌水量为3 938～4 500 m3/hm2、施氮量在225～300 kg/hm2范围内，加工番茄的生长状况较好，耗水强度、植株全氮累积吸收量、叶果比、灌溉水利用效率及产量均能达到最大值，这可作为北疆地区种植加工番茄的灌溉施肥制度。