不同施氮量对滴灌加工番茄根系构型的影响

2021-12-28景博牛宁张文龙刁明

排灌机械工程学报 2021年12期

景博，牛宁，张文龙, 刁明*

(1. 石河子大学农学院，新疆石河子 832003； 2. 特色果蔬栽培生理与种质资源利用兵团重点实验室，新疆石河子 832003)

加工番茄(LycopersiconesculentumMill)是普通番茄的一种栽培类型，主要以制作番茄酱为主[1].新疆得天独厚的自然条件，十分有利于加工番茄可溶性固形物含量的提高和番茄红素的生成.近年来，随着膜下滴灌技术在新疆的迅速发展，加工番茄产业已经发展成为新疆的“红色产业”.

氮元素通常被认为是促进作物植株生长和提高产量的主要因素，作物对氮的反应通常比磷或钾更灵敏，过量施用氮肥可能会对作物的产量和品质产生负面影响[2].作物可以从土壤、微生物以及肥料等多种渠道获得氮素[3-4]，根系则是养分获取最直接的器官，其构型变化能增加养分吸收的生物学潜力[5].水肥是番茄生长的重要物质基础，保证足够的水氮供给是番茄高产稳产的条件[6-7]，但现实生产中，以水肥高投入为代价的滴灌加工番茄高产田在新疆不断涌现，如何立足当地土壤条件，利用节水滴灌施肥技术，按照作物需肥特性科学精准投入氮素，减少过多氮素对环境的污染，从而实现高产稳产、提质增效，这是干旱区加工番茄生产亟待解决的问题.

临界氮浓度是指作物在一定的生长时期内获得最大生物量时的最小氮浓度值.TEI等[8]构建了加工番茄临界氮浓度稀释曲线及氮素吸收模型，基于该模型可以计算出满足加工番茄最快生长的临界需氮量.HARTZ 等[9]与FARNESELLI等[10]研究表明基于临界氮浓度稀释模型，可以对滴灌加工番茄的供氮状况是否充足合理进行动态诊断.目前，加工番茄基于临界氮浓度的氮素营养诊断是基于经验施肥比例得出的，而以氮浓度指数函数作为施氮依据的施肥方案还鲜有研究.文中基于前人提出的临界氮浓度模型[11]，根据干物质量推算各生育期的施氮比例，结合最佳灌水方案[12]，按照施氮量和施氮比例在各生育期进行追肥，探究在基于临界氮浓度模型施氮比例下不同施氮量对加工番茄各生育期根系的影响，以期为提高氮素的有效利用、维持土壤氮素平衡和加工番茄持续高产提供技术支撑.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2019年在石河子大学农学院试验站(86.0° E，45.3° N)进行.试验站海拔468 m，属温带大陆性干旱气候，试验地土壤理化性质：2018年 pH值7.7，有机质10.12 g/kg，全氮0.85 g/kg，碱解氮65.13 mg/kg，速效磷15.95 mg/kg，速效钾342.00 mg/kg；2019年pH值7.5，有机质12.35 g/kg，全氮0.76 g/kg，碱解氮54.96 mg/kg，速效磷17.47 mg/kg，速效钾256.00 mg/kg.

1.2 试验设定

供试加工番茄品种为里格尔 87-5，育苗移栽，分别于2018年4月29日和2019年4月26日定植.试验小区采用膜下滴灌的种植方式，灌水量按照75%ET0[12]，通过水表控制灌溉，灌水周期设定为7～10 d，全生育期总灌水量为4 700 m3/hm2.

试验设置不施氮(N0)、施氮200 kg/hm2(N1)、施氮300 kg/hm2(N2)和施氮400 kg/hm2(N3)4个处理，小区面积为7.2 m×12.0 m，各重复3次，共12个小区，各试验小区随机排列.不同施氮量的氮素运筹按照以下方案实施：

在施纯氮量300 kg/hm2条件下，加工番茄各生长阶段追肥比例是由该生长阶段临界氮吸收量Nuptc所占比例确定，而临界氮吸收量Nuptc是基于临界氮浓度稀释曲线模型所得，其加工番茄临界氮浓度稀释曲线模型和临界氮吸收模型[11]可表示为

临界氮浓度稀释曲线模型

Nc=4.352DW-0.274，

(1)

临界氮吸收模型

(2)

式中：Nc为临界氮浓度值，%；Nuptc为临界氮吸收量，kg/hm2；DWmax为加工番茄地上部干质量的最大值.根据加工番茄干质量增长量获得Nuptc在各生育期所占比例，得出各处理在不同生育期的施氮比例：定值-开花22%、坐果期24%、红熟期45%和拉秧期9%.施肥时不同处理的尿素全部用作追肥按比例在各生育期随水滴施，磷肥和钾肥全部一次性施入土壤做基肥，施入纯养分量：P2O5210 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2.

2 测定项目与方法

2.1 根系取样及分析

分别于加工番茄定植-开花、坐果期、红熟期、拉秧期在植株周围30 cm×60 cm ×60 cm的土柱中分层([0,20)cm,[20,40)cm, [40,60] cm)收集根系，利用根系专用扫描仪(Epson7500)进行扫描，采用Win Rhizo Pro Vision 5.0 分析程序对图像进行分析.测定后用吸水纸吸干根系，将其置于105 ℃烘箱中杀青，80 ℃烘干至恒重后称重，即可得到根系干质量.

2.2 产量和品质的测定

番茄成熟后采用面积测产法进行产量统计，于拉秧期在每个处理小区选取 2.0 m×1.2 m 面积测定划定区域的产量，从而折合出公顷产量，并在成熟期每小区选取10个果实，测定加工番茄品质.番茄红素、可溶性固形物、可滴定酸、可溶性糖含量分别采用可见分光光度法、手持折光仪测定法、酸碱滴定法、硫酸-蒽铜法测定.

2.3 统计分析及作图

采用Excel 2007进行数据处理，SPSS 17.0统计分析软件进行方差分析，Origin 9.0软件绘图.

3 结果分析

3.1 施氮量对根系干质量的影响

图1为2018年和2019年0—60 cm土层内加工番茄的根系总干质量TRD和平均增长速率GRTRD.2 a间各处理加工番茄根系总干质量均随生育期推进呈先增加后缓慢降低的变化趋势，且最大值出现在红熟期.根系干质量平均增长速率随生育期推进呈先增加后降低的变化趋势，坐果期最大，且各处理间存在差异.

图1 基于临界氮浓度的施氮量对加工番茄根系总干质量及平均增长速率的动态变化

在加工番茄定植-开花阶段，由于植株需氮量较小，各处理间加工番茄根系总干质量差异不明显；在开花后，处理N0的根系干质量显著低于其他处理，处理N2促进了根系干质量的增加，2018年在红熟期根系干质量为31.36 g，较处理N3的根系总干质量增加了21.08%，较处理N1增加了66.26%，且2019年有同样增长趋势.在拉秧期处理N2的平均增长速率出现负值，而处理N1在红熟期后的根系干质量的增长趋于平稳.

由图2可知，2 a间4种处理下在各生育期的根干质量RD随土层深度SD的下移而减小，不同土层间的变化存在差异，根系主要分布在0—20 cm土层中.在定植-开花阶段，根系不发达，在0—20 cm土层中的根系干质量占总干质量的85% 以上，N0显著低于N1，N2和N3；在20—60 cm土层中，各处理下的根系干质量差异不具有统计学意义.说明在坐果期前，氮素主要影响表层根系的生长，且处理N1即可满足根系干物质的增长.在加工番茄坐果期，各处理对土层中根系干质量的影响出现差异，在红熟期，处理N2下的根系干质量在各土层中均大于其他处理，且在0—20 cm土层中差异显著，说明处理N2可以促进根系的生长，2018年此阶段处理N0,N1,N2和N3下的根系干质量在0—20 cm土层中分别占总根系干质量的72.24%，65.21%，72.15% 和73.61%，2019年分别占总根系干质量的73.74%，70.99%，73.46%和76.74%，说明处理N3使根系更趋于表层分布；在20—40 cm土层中，处理N2下的根系干质量大于或显著大于其他处理；而40—60 cm土层中，各施氮处理间的根干质量差异不具有统计学意义，说明在基于75%ET0灌水下，深土层中施氮对根系干质量影响不大.在拉秧期，根系开始衰亡，各土层中的根系干质量逐渐降低.

图2 基于临界氮浓度的施氮量对加工番茄根系干质量时空分布的影响

3.2 施氮量对根系长度的影响

由图3可以看出，各处理下0—60 cm土层内加工番茄的根系总长度TRL和平均增长速率GRTRL均随生育期呈先增加后降低的趋势，各处理下的根系总长度在红熟期最大，根长平均增长速率在坐果期最大.2 a间处理N0和N1下的根系总长度在坐果后显著小于处理N2和N3，处理N2和N3间基本无差异，2018年处理N2和N3下的根系总长度在拉秧期分别为3 913.13 cm和3 437.70 cm，且2019年有同样的变化趋势，根据根长平均增长速率，拉秧期各处理下的根系总长度快速减小，根系开始衰亡.

图3 基于临界氮浓度的施氮量对加工番茄根系总长度及平均增长速率的动态变化

由图4可以看出，2 a间4种处理在各土层中的根系长度RL存在差异，在同一生育期随土层的下移而减小，且各处理差异主要体现在0—20 cm土层中.定植-开花阶段，在0—20 cm土层中的根系长度占总根系长度的25%以上，在开花后这个比例将缩小.在坐果期、红熟期和拉秧期，各处理根系长度在0—20 cm土层中存在差异，从大到小基本表现为N3，N2，N1，N0；但在拉秧期阶段，处理N2下的根系长度在20—40 cm土层中显著大于其他处理，2018年根长可达到752.65 cm，较处理N1增加了24.33%，较处理N3增加了39.73%，且2019年具有相同的增长趋势.

图4 基于临界氮浓度的施氮量对加工番茄根系长度时空分布的影响

3.3 施氮量对根系表面积和体积的影响

各处理下不同生育期基于临界氮浓度的施氮量对加工番茄根系表面积TRS和体积TRV的影响如表1所示.

表1 基于临界氮浓度的施氮量对加工番茄根系表面积和体积的影响

由表1可以看出，2 a间4种施氮量下的加工番茄根系总表面积TRS和总体积TRV具有相似性，均随生育期呈先增加后下降的变化趋势，且峰值均出现在红熟期，红熟期后均呈下降趋势.

2 a间各生育期的根系总表面积和根系总体积随施氮量的增加基本呈先增加后下降的变化趋势，且处理N2大于或显著大于其他处理.红熟期是植株吸收养分的关键时期，2018年红熟期处理N1的根系总表面积和总体积较处理N2分别降低了38.60%和38.54%，且差异显著，2019年有同样的变化趋势，而处理N2和N3间差异不明显.

3.4 施氮量对加工番茄品质和产量的影响

氮是作物体内许多重要化合物的组分，是遗传物质的基础，在实际生产中可显著影响加工番茄的品质与产量.由表2可以看出，可溶性糖质量分数SS与可滴定酸质量分数TA均随着施氮量的增加而增加.处理N2显著提高了番茄红素Lyc的质量分数和总可溶性固形物TSS的质量分数.施氮影响了可溶性糖质量分数和可滴定酸质量分数，使糖酸比表现为随施氮量的增加而减小.氮肥的使用量会影响作物对氮素的吸收以及产量Y，合理施氮可显著提高加工番茄的产量，处理N2下的产量可达到120 t/hm2以上，2018年处理N1和N3相比处理N2分别减产了21.61%和12.00%，且2019年有同样趋势.

表2 不同施氮量对加工番茄品质和产量的影响

4 讨论

4.1 不同施氮量对根系时空分布的影响

膜下滴灌的种植模式可以促进加工番茄对养分和干物质的积累，且积累量呈“S”形增长，到盛果期时达到高峰.本试验的根系总干质量及根系总长度在0—60 cm土层中的分布规律与地上部生物量具有相关性，说明也具有“S”形增长趋势.

石小虎等[13]研究表明，施氮过低或过高均可导致番茄根系长度减小.本试验结果表明，在加工番茄开花后，施氮300 kg/hm2促进了根系干质量、根系长度、表面积和体积的增加，而施氮200 kg/hm2和400 kg/hm2均会抑制根系干质量、根系长度、表面积和体积的增加.

姜丽娜等[14]研究表明在小麦的抽穗期和灌浆期，随着施氮量的增加，0—40 cm土层根长密度和根质量密度均随之增加，当施氮达到一定量时，根长密度和根质量密度均有所下降.根长和根质量主要分布在土壤表层，随着土层深度增加，各处理的根长密度和根质量密度总体上逐渐降低.本试验结果显示在红熟期与以上结果具有相似性，不同氮处理下的根干质量和根长随土层深度的增加而依次减小，施氮400 kg/hm2的处理使根系趋于表层分布，施氮200 kg/hm2的处理促进了深层土壤中的根系生长.在20—40 cm土层中，施氮300 kg/hm2处理大于或显著大于其他处理.

4.2 不同施氮量对品质产量的影响

氮素是公认的对产量影响最大的元素，WANG等[15]研究表明合理施用氮肥可以提高加工番茄的产量和品质，过量施肥会对产量和品质产生负面影响.本试验结果与其基本一致，在施氮300 kg/hm2处理下，产量可达到120 t/hm2以上，且显著提高了可溶性固形物与番茄红素的质量分数，而施氮200 kg/hm2和施氮400 kg/hm2的处理抑制了产量与品质的提高.