水/沼液一体化不同灌溉方式对番茄生长及产量品质的影响研究

2022-01-24何世智

中国农村水利水电 2022年1期

何世智，郑健

（1.临夏回族自治州水利科学研究院，甘肃临夏 731100；2.兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州 730050）

0 引言

沼液作为沼气生产的副产物，富含大量的水解酶（纤维素酶、淀粉酶等）、有机、无机盐类（铵盐、磷酸盐等）以及大量的营养元素（N、P、K 等），有助于促进作物生长发育，且相比于化肥更容易被作物吸收利用，被认为是一种高效有机肥，广泛地应用于农业生产中［1，2］。同时，沼液施用还有助于作物增产提质、促进种子萌发、提升土壤肥力以及增强作物抗病虫害等能力［3，4］。但因沼液具有高水低肥的特性，目前农田施用的方式以喷施和地表灌溉为主，水肥利用效率低，需要新施用方式的探索。根系是作物主要吸收水分和养分的器官［5，6］，如果能将沼液直接作用于作物根区，是否就能有效促进作物生长，提高沼液的利用效率？

分根区交替灌溉（Alternate Partial Rootzone Irrigation，APRI）技术，采用人为保持根系土壤在水平或垂直剖面的某一个区域干燥使作物根系始终有一部分生长在干燥或较为干燥的土壤区域中，限制该部分的根系吸水，同时通过人工控制使根系在水平或垂直剖面的干燥区域交替出现，使干燥区的根系尤其是根尖产生水分胁迫信号（ABA）传递到保卫细胞，从而有效地调节气孔关闭，进而减少无效蒸发和灌溉水量，提高作物对水分、养分的利用效率［7-9］。Kusakabe 等［10］在2013-2014 和2014-2015 通过两季柚子的灌溉试验发现，分根区交替灌溉延缓了树木的开花期但没有降低树木的开花潜力，节水效率为各处理中最高，而水果的产量和果汁的品质与各处理相似。Iqbal等［11］通过对棉花的研究表明，分根交替灌溉的植株高度、光合作用、叶水势等均为各处理最优，作物体内的脯氨酸含量及抗氧化酶活性均显著高于对照处理。Conesa等［12］通过3年的葡萄园试验发现分根区交替灌溉能够更好地诱导根系发育获得更高的根系密度。Hajar 等［13］在对苹果树灌溉试验中发现，分根交替灌溉具有激活抗氧化防御机制、激素信号通路和抗旱性基因表达的潜力，在维持作物产量的同时提高水分利用效率。Qi等［14］在沟灌玉米中应用分根交替灌溉结果表明，该技术能够提高15N 的吸收速率，降低15N 的损失率。上述研究表明分根区交替灌溉在作物节水调质方面具有良好的效果，但相关研究中采用介质都是水，且灌溉方式主要为地表灌溉，对于水肥一体化条件下不同灌溉方式对作物生理生态指标、产量品质和水分利用效率响应规律的研究还显欠缺，尤其是分根交替灌溉条件下水∕沼液一体化不同灌溉方式的研究。

基于此，本文在2018年春季和秋季开展了两季番茄盆栽试验，应用分根交替灌溉技术，采用地表灌溉和穴孔灌溉两种方式，研究番茄生理生态指标、干物质质量分配、产量品质及水分利用效率对不同灌溉方式的响应规律，以期为沼液的高效施用提供新方法，也为化肥减施和健康农业生产提供新思路。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究共开展两季盆栽试验，分别于2018年3月至7月及2018年9月至12月在甘肃省兰州市七里河区魏岭乡设施蔬菜水肥一体化示范点的温室大棚内进行（36°01′N，103°46′E）。该试验点海拔高度1 835.7 m，属于温带大陆性气候，常年干旱少雨，日照充足，年平均气温10.3 ℃，年平均降水量327 mm（多集中在7-9月），年平均蒸发量1 158.0 mm，无霜期150 d 左右，昼夜温差为12～18 ℃。试验温室大棚结构为屋脊型，长、宽、高分别为50、10.5和4 m。温室内配置有小型自动气象站，可在试验进行期间不间断测定常规气象数据。

1.2 试验材料

供试土壤类型为粉质壤土，其中粒径0.02～2 mm 的砂粒占质量比的2.8%，粒径0.002～0.02 mm 的粉砂颗粒占质量比的94.2%，粒径小于0.002 mm 的黏粒占质量比的3%。供试作物为番茄，品种为中研958F1。供试沼液取自于甘肃省荷斯坦良种奶牛繁育中心正常发酵运行的沼气池中，理化性质稳定，该沼气工程以牛粪为发酵原料。经曝气静置2 个月，待其理化性质稳定后，采用物理方法对所得沼液过滤、杀菌。沼液中全氮、全磷及有机质含量分别为1.038、0.553、10.65 g∕L。

1.3 试验设计

试验采用盆栽方式，塑料盆直径17 cm，深度30 cm，装土容重1.35 g∕cm3。灌溉技术为分根交替灌溉（APRI），应用沼液浓度为20%（体积比），灌溉方式为地表灌溉（B）和穴孔灌溉（X），灌溉频次设置为2 d-1，水沼灌溉频次为4 d-1，间隔灌溉清水。灌溉量为：W=Kp×S×Ep，其中Kp 为作物-蒸发皿系数，本试验取0.6；S 为控制面积，本试验取π×172cm2；Ep 为φ20 cm 标准蒸发皿两次灌水间隔的累计蒸发量，蒸发皿放置在与作物冠层同高的位置。两季试验分别开始于2018年3月20日和2018年9月1日，结束于2018年7月26日和2018年12月30日。

为保证试验结果更加准确，用塑料薄膜将试验盆从中部分开，以防止盆内两侧水分相互渗透，并在薄膜上中部裁剪出一“V”字形缺口，以便于定植番茄幼苗。幼苗移栽时人为将根系均匀的分布于试验盆中部薄膜“V”形缺口的左右两侧，以确保根系在初始状态下分布均匀，提高试验精度。在穴灌方式下，分根区交替灌溉及均匀灌溉的穴孔对称设置在塑料薄膜两侧穴孔中心距离植株根部5 cm，直径和深度分别为5 cm、7 cm（如图1所示）。

图1 盆栽试验情况Fig.1 The pot experiment layout

1.4 测定指标及方法

株高及茎粗：定植后第1 d 开始测定，株高用米尺从番茄植株茎杆的基部开始测取；采用精度0.001 的电子游标卡尺通过十字交叉法在植株茎秆基部测得茎粗，两指标每4 d 天进行观测1次。

干物质量：采用烘干法测定。试验结束后，每处理分别随机取样（3 株），根、茎、叶和果分别分开称重，然后放入105 ℃的烘箱中杀青2 h，于75 ℃恒温烘干用电子秤（精度值为0.01 g）称得其干物质量。

光合速率测定：采用YT-FS831 型植物光合作用测量系统测定，在果实膨大期的晴天从8∶00-18∶00，每2 h 测定一次，每处理选取3 株测定，选择植株顶部完全展开的成熟叶片进行测定，取均值作为结果进行分析。

番茄果实品质及产量：果实硬度用硬度计测量；可溶性固形物用WAY-2S 型阿贝折射仪测定；维生素C 由钼蓝比色法测定；可溶性糖由蒽酮法测定；有机酸由酸碱滴定法测定；可溶性蛋白由考马斯亮兰G-250染色法测定［15，16］。每个处理选取有代表性的3 株计算番茄果实产量，单果质量用电子秤（精度值为0.01 g）测量，一穗至五穗果分开累计测定，最终以累计总量采收量计。

数据处理及图表制作分别通过Excel2010和Origin 9.0软件来完成，各处理间的显著性差异分析通过SPSS 19.0软件实现。

2 结果与分析

2.1 株高茎粗

图2 为不同灌溉处理番茄株高和茎粗的变化。从图2 中可以看出，水∕沼一体分根交替地表灌溉（APRI-B）和穴孔灌溉（APRI-X）对番茄株高和茎粗的生长有一定影响。以移栽后71 d 的数据来看，APRI-X 处理能够增加番茄的株高和茎粗，与APRI-B 处理相比，春季试验（Spring）中番茄株高和茎粗平均增加了4.67%和4.60%，秋季试验（Autumn）中株高和茎粗平均增加了2.81%和5.43%。说明水∕沼液一体分根交替灌溉采用穴孔灌溉的方式更有利于促进番茄植株健康旺盛地生长。

图2 不同灌溉处理番茄株高和茎粗的变化Fig.2 The plant height and stem diameter of tomato under different irrigation treatments

2.2 光合速率

图3 为不同灌溉处理下番茄光合速率的日变化。由图3 中可以看出，两季试验中不同灌溉方式下番茄的光合速率日变化规律相似，均呈“双峰”曲线变化，两个峰值分别出现在上午10∶00 和下午14∶20 左右，而在中午12∶00 左右出现波谷，说明番茄光合速率日变化存在“午休”现象。比较不同处理间的差异，可以发现早晨8∶00 时两处理间的光合速率差异较小，随着光照强度的增加，不同处理间的光合速率差异逐渐增大，在第一波峰上午10∶00 时APRI-X 处理的光合速率较APRI-B 处理得高0.35 μmol∕（m2·s）（春季）和0.48 μmol∕（m2·s）（秋季）；在波谷时APRI-X处理的光合速率较APRI-B处理在春、秋两季试验中分别高出0.97 和1.17 μmol∕（m2·s）；由于午后太阳辐射强度降低，两种灌溉方式下番茄的气孔开度增加，导致光合速率增加，在14∶00左右出现第二波峰，但两种处理引起的光合速率差异较中午12∶00 小，分别为0.70 μmol∕（m2·s）（春季）和1.00 μmol∕（m2·s）（秋季）；此后随着太阳辐射强度减弱，光合速率逐渐减小，不同灌溉方式引起的番茄光合速率差异也逐渐减小。从光合速率日变化规律来看，穴孔灌溉处理较地表灌溉处理的番茄植株能获得更好的光合作用，更有利于作物光合产物的形成。

图3 不同灌溉处理光合速率日变化Fig.3 Diurnal variation of photosynthetic rate of tomato under different irrigation treatments

2.3 干物质量、根质量分布及根冠比

表1 为不同水∕沼液一体灌溉方式对番茄干物质及根的影响。由表1 中可以看出，APRI-X 处理的番茄总干物质质量、地上部分干质量、根系干质量和果实干质量均高于APRI-B 处理，说明沼液分根交替灌溉穴孔灌溉较地表灌溉更有利于番茄植株干物质质量的形成；从番茄植株的根冠比来看，春、秋两季试验数据均表现出APRI-X处理高于APRI-B处理，说明沼液分根交替穴孔灌溉较高地表灌溉更有利于番茄根系的生长。同时，以盆栽土体表面为起点，将土体分成上、下两层，研究不同灌溉方式对番茄根系分布的影响。从总根系干质量和上、下层根系干质质量来看，APRI-X 处理根系总干质量和上、下层根系干质量较APRI-B 处理均有所增加，2018年春季试验分别高出24.28%（总根干物质质量）、11.97%（上层）和53.3%（下层），2018年秋季试验23.53%（总根干质量）、10.61%（上层）和51.95%（下层），说明APRI-X 处理较APRI-B 处理更有利于番茄根系干质量的形成；从上、下层根系干质量的比值来看，APRI-X 处理分别为1.63（春季）和1.70（秋季），APRI-B 处理为2.23（春季）和2.33（秋季），APRI-B 处理的番茄根系干质量主要集中在上层，而APRI-X 处理上下层的根系干质量分布更均匀。说明APRI-X 处理能够有效驱动番茄根系向更深的土层生长，有利于作物生深层根系的形成，对于作物的抗旱和抗倾倒能力均有所增强。

表1 不同水/沼液一体灌溉方式对番茄干物质及根的影响Tab.1 Effect of different irrigation methods on the plant and roots dry biomass of tomato

2.4 产量、品质及水分利用效率

表2 为沼液不同灌溉方式对番茄品质、产量和水分利用效率的影响。从表2中可以看出，相同处理条件下，秋季试验处理获得的番茄产量高于春季，说明番茄产量的形成除受到水肥供给条件的影响外还受到温室内环境条件的影响；APRI-X 处理的产量和单株水分利用效率都明显高于APRI-B 处理，分别高4.55%（春季）和10.29%（秋季），表明沼液分根交替穴孔灌溉处理更有利于番茄产量的形成。

表2 沼液灌溉方式对番茄品质、产量和水分利用效率的影响Tab.2 Effects of different irrigation methods on the yield，quality and water use efficiency of tomato

从番茄的各项品质指标来看，APRI-X 处理的糖酸比在两季试验中均高于APRI-B 处理，APRI-X 处理分别为10.043（春季）和9.582（秋季），APRI-B 处理分别为10.017（春季）和9.469（秋季），表明从口感上来说APRI-X 处理的番茄会更甜一些；维生素C、可溶性蛋白和可溶性固形物是番茄营养指标的反映，从数据分析APRI-X处理均高于APRI-B处理，在春季和秋季试验中分别高出6.36%、6.58%、3.07%和6.13%、6.45%和3.20%，说明APRI-X 处理能够获得更好的番茄营养品质；硬度是番茄运输和储存的重要指标，APRI-X 处理的硬度指标在两季试验中分别高于APRI-B 处理4.93%和4.90%，说明APRI-X 处理的番茄更有利于运输和储存。

3 讨论

沼液作为一种高效有机肥在农业生产中得到了一定的应用和推广［17，18］。但传统的随水施用的漫灌方式使得本来就具有高水低肥特性的沼液，在施用过程中养分更得不到有效利用［19，20］。从本文采用的水∕沼液穴孔灌溉和地表灌溉两种方式的试验结果来看，水∕沼液一体化直接作用于番茄的根系层更有利于促进番茄植株的生长。光合作用是绿色植物获取生物学产量和经济产量的主要源泉，从番茄光合速率日变化情况来看，水∕沼液一体化穴孔灌溉较地表灌溉能获得更好的光合速率，能提高番茄光合产物的形成。从番茄总干物质质量、地上干物质和质量、地下干物质质量和根冠比来看，相同灌溉量条件下，水∕沼液一体化穴孔灌溉能够促进番茄深层根系的生长和干物质形成，也验证了光合速率变化的合理性。从根系形态的角度来说，深层根系的增多对于作物抗旱能力和水分利用效率的提高具有积极作用，本文中水∕沼液一体分根交替穴孔灌溉处理在深层根系的干物质量、产量及水分利用效率方面都较水∕沼液一体分根交替地表灌溉明显提高，表明了穴孔灌溉相对于地表灌溉所具有明显的优势。这主要是由于穴孔能够直接地将水肥输送到植株根区土壤，利于根系对水肥的吸收［21］，避免了地表灌溉条件下沼液中大量养分被滞留在表层土壤，使得表层土壤中养分浓度过高，抑制作物根系的吸收利用，而穴孔灌溉是基于穴孔结构的水肥输送，更大程度上缓解了根区土壤缺水缺肥的情况，平衡了根区土壤的水养分布，促进了植株根系的生长，增大了根系表面积，提高了根系对水肥的吸收能力［22］。陈慧等［23］在肥料减量深施的研究中也发现肥料深施能提高冬油菜的产量及肥料利用效率，与本文所获结果基本一致。

随着生活水平的提高，人们对农产品的关注点已经逐渐地从产量和外观进入到了品质阶段，高品质的农产品更能够获得人们的青睐。沼液中富含有氨基酸类、植物激素类、B族维生素类等一些具有生物活性的物质能有效促进作物果实的提质［24］。乐素菊等［25］认为番茄是否美味可口主要取决于可溶性糖和可滴定酸的绝对含量的大小。在本研究中沼液分根交替穴孔灌溉处理获得了较高的可溶性糖和可滴定酸的绝对含量，表明适宜的灌溉方式可以改善番茄的口感。同时从维生素C、可溶性蛋白、可溶性固形物和果实硬度指标来看，沼液分根交替穴孔灌溉较地表灌溉能够明显提高番茄的营养品质和运输储存品质。这主要是由于穴孔灌溉可将沼液直接作用的番茄根部，而穴施能有效促进番茄根系的生长［21，26］，更有利于番茄对水分及营养物质的吸收利用，同时分根交替灌溉技术可以有效促进营养物质向作物的果实运输［27］，进一步促进了番茄果实品质的改善。