水分亏缺对温室覆膜滴灌番茄根系生长及吸水量的影响

葛建坤，平盈璐，龚雪文*，王玲，辛清聪，张磊，刘欢欢

▪作物水肥高效利用▪

水分亏缺对温室覆膜滴灌番茄根系生长及吸水量的影响

葛建坤1，平盈璐1，龚雪文1*，王玲2，辛清聪1，张磊1，刘欢欢1

（1.华北水利水电大学 水利学院，郑州 450045；2.黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州 450003）

【】探讨水分胁迫和覆膜对温室滴灌番茄根系生长和根系吸水状况的影响。以20 cm标准蒸发皿的累计蒸发量（p）为依据，结合地膜覆盖情况，设置3个处理：无膜高水处理（WM-0.9，水面蒸发系数为0.9）、有膜高水处理（FM-0.9）和有膜低水处理（FM-0.5，水面蒸发系数为0.5）。系统研究水分胁迫和覆膜双因素影响下的温室番茄根系分布特征，利用HYDRUS-1D软件模拟了根系吸水量，在此基础上，阐明了不同根系吸水量对番茄产量和水分利用效率的影响机理。WM-0.9、FM-0.9处理和FM-0.5处理在20 cm土层内的根长分别占总根长的58.6%、56.2%和78.9%。HYDRUS-1D模拟的各土层土壤含水率的均方根误差在0.010 cm3/cm3以内，回归系数在0.867～1.076左右，各处理蒸腾量与根系吸水量的均方根误差均在0.581 mm/d以内，回归系数在0.890以上，说明模拟值和实测值具有较好的一致性。FM-0.9处理的根系吸水量最多，达240.9 mm，比WM-0.9处理和FM-0.5处理分别高24.4%和26.7%，其中0～40 cm土层为番茄根系的主要吸水层，WM-0.9、FM-0.9处理和FM-0.5处理在该层的根系吸水量分别占总吸水量的84.2%、85.7%和83.2%，同时WM-0.9处理和FM-0.5处理在土层20～40 cm的根系吸水量迅速下降，FM-0.9处理则仍可保持较高的根系吸水量。FM-0.5处理的水分利用效率和灌溉水利用效率分别为59.0 kg/m3和70.3 kg/m3，比WM-0.9处理高34.4%和55.5%，比FM-0.9处理高11.3%和30.4%；FM-0.9处理的产量最高，为147.7 t/hm2，较WM-0.9处理和FM-0.5处理高19.3%和23.6%。依据番茄根系对水分反应的差异，在0.9p的灌溉定额下，结合覆膜栽培技术，可提高深层土壤水分的吸收和利用。

日光温室；膜下滴灌；HYDRUS-1D；根长密度；根系吸水

0 引言

【研究意义】设施农业因具有产量高、效益好、容易集约生产等特点，近些年来在国内外飞速发展[1]。我国2020年的经济与园艺作物种植面积约为6.6亿亩，总产值达到4.09万亿元，占种植业总产值的79.9%。番茄是我国种植面积排名第4的蔬菜品种，番茄产业已成为我国蔬菜产业的重要组成部分，尤其是设施番茄种植面积居于蔬菜种类的首位[2]。然而目前多数地区设施农业仍以经验灌溉为主，导致水分利用效率不高，造成了水资源浪费，且产量并未得到提升[3]。根系作为植物吸收水分和养分的主要器官，其生长发育直接关系到地上部的生长发育，也会影响到作物的产量和水分利用效率。因此，明确作物的根系生长状况和吸水特性，达到促进作物生长、提高产量的效果，对研究温室高效节水灌溉具有重要意义。

【研究进展】土壤湿热状况直接影响着根系的生长发育，地膜覆盖和调控灌水定额是调节土壤湿热环境的常用手段，其中地膜覆盖因具有优化根区微域环境、增强“土壤－微生物及酶－根系”之间交互作用，节水保温增产等优点，得到大面积普及[4-6]。根系是土壤-植物系统的重要媒介，作物依靠根系吸收土壤中的水分以满足自身生长需求，因此在土壤－植物系统的水分运移规律分析中，根系吸水特性研究至关重要[7]。目前根系吸水速率还无法通过试验手段准确获取，通常采用数值模拟计算获得，因此构建根系吸水模型就显得尤为重要，根系吸水模型研究大致分为2种：微观方法和宏观方法。微观方法考虑了根系和根系附近土壤的水分通量，描述了水分通过单个根系的运动；宏观方法将根系视为一个单汇项，代表了单个根系吸水的总和[8]。宏观方法简单方便，应用较为广泛[9]。其中HYDRUS软件内嵌van Genuchten、Gardner等水分运移模型，可对非饱和土壤中水、热及溶质的一维运动进行模拟。HYDRUS软件模拟的土壤水分运移结果较好，如向友珍[10]利用HYDRUS模拟了温室滴灌甜椒果实膨大期的根系吸水和土壤水分运移，结果表明，模型精度较好，证实了HYDRUS模型可用于作物灌溉策略的评价。【切入点】目前HYDRUS主要用于土壤水分动态运移和溶质运移的研究和预测，其模拟根系吸水量的功能使用较少，李会杰等[11]、丁超明等[12]利用HYDRUS对玉米的根系吸水进行了模拟，但通过HYDRUS模拟番茄根系吸水量的研究鲜见。【拟解决的关键问题】基于此，本研究以温室滴灌番茄为研究对象，针对覆膜亏水条件下根系的生长和吸水特性进行深入研究，利用HYDRUS-1D模型模拟根系层土壤水分动态变化，在此基础上探讨不同处理下的番茄产量、耗水量和水分利用效率，旨在为优化设施番茄栽培制度提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年在中国农业科学院新乡试验基地（35°9' N，113°5' E，海拔78.7 m）的日光温室中进行。试验日光温室为东西走向，坐北朝南，占地面积达510 m2（长60 m×宽8.5 m）。温室顶部覆盖材料有无滴聚乙烯薄膜（厚0.2 mm）和保温棉被（厚5 cm）。温室墙体厚60 cm，为更好地发挥温室的保温作用，墙内均嵌有保温材料，室内无其他增温设施。试验区0～60 cm土壤质地为壤土，土壤基本理化性质如表1所示。

表1 土壤基本理化性质

1.2 试验设计

试验以20 cm标准蒸发皿的累计蒸发量（p）为依据，结合地膜覆盖情况，设置3种处理：无膜高水处理（WM-0.9，水面蒸发系数为0.9）、有膜高水处理（FM-0.9）和有膜低水处理（FM-0.5，水面蒸发系数为0.5），其中FM-0.9为对照。番茄品种为“金鹏M6”，于2020年1月5日育苗，番茄长至5叶1心时（3月4日）进行移栽，移栽后FM-0.9和FM-0.5处理铺设黑色地膜（材料为聚乙烯，厚度为0.008 mm）。试验小区长8 m，宽2.2 m，所有处理均采用宽窄行交替种植，宽行65 cm，窄行45 cm，株距30 cm。每个处理3次重复，采用随机区组设计。各小区之间埋设塑料薄膜（深60 cm），避免水分侧渗。试验供水方式为滴灌，滴头流量1.1 L/h，间距30 cm，滴头与植株对应。蒸发皿保持高度在冠层上方30 cm，根据番茄生长情况及时调整高度，并于每日07:30—08:00用精度为0.1 mm成套配备的量筒测定蒸发量，测量后再次添加20 mm蒸馏水，避免水中出现杂质。通过标准蒸发皿（直径20 cm，深11 cm）的累积蒸发量（p）确定灌水定额和时间，灌溉时间由p确定，当p为（20±2）mm时进行灌溉，灌水定额（r）按式（1）计算：

rpc， （1）

式中：r为灌水定额（mm）；c为水面蒸发系数；p为累计蒸发量（mm）。

番茄移栽后补水20 mm进行保苗，在苗期不进行灌水施肥，进入快速生长期且0～60 cm土壤含水率降至75%田间持水率时开始进行水分处理。试验底肥为112 kg/hm2尿素（含46%N）、150 kg/hm2硫酸钾（含50%K2O）和120 kg/hm2过磷酸钙（含14%P2O5），水分处理开始后，分别在第2、4、6、8、10次灌水时，采用水肥一体化系统随水追肥，每次追肥量为18.8 kg/hm2尿素和25 kg/hm2硫酸钾。番茄坐果后，留5层果，每层留4果。所有小区的农艺措施（如打顶、喷药等）与当地一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水率

选择具有代表性的2棵植株中间位置测量土壤含水率。土壤剖面含水率由TRIME-IPH时域反射仪（Micromodultechnik GmbH，Germany）进行测定，测量深度为20、40、60、80和100 cm，全生育期内每隔7 d测1次，灌水后加测，每个处理3次重复，计算时取平均值。定期采用取土烘干法校正以确保数据准确性。

实际作物蒸散量（c）由水量平衡法[13]计算：

式中：c为实际作物蒸散量（mm）；为降雨量（mm）；r为灌水量（mm）；为地下水补给量（mm）；w为深层渗漏量（mm）；为地表径流（mm）；Δ为土壤深度0～100 cm的储水变化量（mm）。试验在温室中进行，故=0；地下水埋深在5.0 m以下，番茄不能吸收利用，即=0；因单次灌水量较少（最大为22 mm），灌溉不产生深层渗漏和地表径流，故w=0、0。

1.3.2 植株蒸腾

试验于2020年5月10日—6月27日采用包裹式茎流计（Flow32-1 k system，Dynamax，Houston，TX，USA）测定植株茎秆液流速率（）。各小区随机选取6株长势良好且形态相似的植株，探头安装位置为植株第3与第4侧枝之间，且高度距地表20 cm，以防止土壤热量造成干扰。在茎干处涂抹植物油后进行安装以确保传感器探头与植株接触良好。为防止太阳辐射对传感器造成影响，在外部裹2～3层泡沫锡箔，同时使用保鲜膜胶带封口。探头型号为SGB9，5 s收集1次数据，每15 min计算平均值并保存在DT80数据采集器（Data Taker，Australia）中。茎流计安装好后，测定探头以上的植株叶面积。作物蒸腾量（）[14]计算式为：

式中：为作物蒸腾量（mm/d）；为植株样本总数，6；为第个样本植株的茎流（g/d）；LA为第个样本植株的叶面积（cm2）；为水的密度（g/cm3）；为叶面积指数（cm2/cm2）。

1.3.3 土壤蒸发

各小区于2020年3月7日—6月30日依次在植株棵间和行间布置2套微型蒸渗仪测定蒸发量。微型蒸渗仪由材质为镀锌铁皮的内筒和外筒组成，直径分别为10.0 cm和11.4 cm，高度均为9.6 cm。外筒埋设于土壤内，上边沿和地表齐平。取土样时将内筒缓缓压入土壤至充满筒体，取出内筒后将外表和底面多余土壤拭去，并用塑料薄膜包裹底部，每隔1 d和灌水后将土样更换。每日08:00称取内筒质量（要求天平精度至少为0.1 g），2 d测量差值即为前1天的土壤蒸发量。每日土壤蒸发量（）计算式为：

式中：为土壤蒸发（mm/d）；为微型蒸渗仪总样本数，为样本个体；Δ为第+1日和日的微型蒸渗仪质量差值（g）；为微型蒸渗仪的横截面积（cm2）。

1.3.4 根系

试验结束，各小区选5棵具有代表性的植株，用直径为7 cm的根钻在棵间和行间各取根1次，取根深度为60 cm，每10 cm为1层。所取根系放入网袋冲洗后，由双面扫描仪（Epson Expression 1600 pro，Japan）扫描成黑白图片文件，用图像分析系统（WinRHIZO Pro2004 b，Canada）分析根系形态特征指标如根长、根表面积、平均根系直径、根体积等。

1.3.5 产量（）、水分利用效率（）和灌溉水利用效率（）

每行选取中间20棵植株作为测产植株，各小区果实成熟采摘时，采用精度为0.005 kg的电子秤称取番茄质量并记录个数，计算产量。

和的计算式为：

式中：为水分利用效率（kg/m3）；c为实际作物蒸散量（mm）；为灌溉水利用效率（kg/m3）；为产量（t/hm2）；为灌水量（mm）。

1.3.6 根系吸水

HYDRUS-1D软件可对非饱和土壤中水、热及溶质的一维运动进行模拟[15]。本研究主要利用HYDRUS-1D模拟试验的土壤水分状况和根系吸水情况。利用van Genuchten模型拟合土壤水分特征曲线，即：

式中：为土壤体积含水率（cm3/cm3）；为压力水头（cm），当土壤处于饱和状态时，=0；r为残余含水率（cm3/cm3）；s为饱和含水率（cm3/cm3）；、、为模型参数，=1-1/；为非饱和导水率（cm/d）；s为饱和导水率（cm/d）；为经验拟合参数，通常取平均值0.5。

土壤水分运动方程中，源汇项()为根系吸水，可用Feddes模型[16]描述为：

()()， （9）

式中：为潜在根系吸水量（1/d）；()为表示土壤水势对根系吸水的影响函数。()的表达式为：

式中：1为植物厌氧生活点的压力水头（cm）；2和3为植物最优生长点的压力水头（cm）；4为植物生长凋萎点的压力水头（cm）。具体参数采用Li等[17]给出的番茄推荐值，1=-10 cm；2=-25 cm；3=-300 cm；4=-15 000 cm。

1.3.7 模型参数设置

土壤颗粒组成及体积质量参数已通过试验获得，其他土壤水力参数参考模型土壤水力参数数据库确定初始值，经与实测值校准优化得到参数，如表2所示。HYDRUS-1D模拟周期为2020年4月5日—6月21日，共78 d。假设模拟区域为一维剖面，土壤深度为60 cm，有限均分为61个节点网格。WM-0.9处理的上边界设为地表与大气相接，FM-0.9处理和FM-0.5处理因为铺设不透水地膜切断了大气和地表的水分传输路径，设为零通量边界条件。所有处理下边界均设为自由排水边界，初始条件选择“含水率”，忽略滞后效应。根系吸水函数有Feddes和S-Shape（van Genuchten）函数，有研究发现Feddes函数的模拟结果应更趋合理、切合实际[18]，因此根系吸水函数选用Feddes分段函数。各处理通过和计算，将和作为时变边界条件。

表2 土壤特性参数表

1.3.8 数据分析

数据分析和图表绘制分别选用SPSS 26.0和Microsoft Excel 2010。采用单因素ANOVA 的Duncan分析法进行多重比较。采用均方根误差（Root mean square error，）和回归系数（regression coefficient，0）评价模型精度。

2 结果与分析

2.1 土壤含水率变化特征

由图1可知，0～60 cm的平均含水率表现为FM-0.9处理>WM-0.9处理>FM-0.5处理。FM-0.9处理在20、40、60 cm位置的平均土壤含水率分别为0.189、0.219和0.249 cm3/cm3，相同深度处较WM-0.9处理高8.0%、5.8%和8.7%，这是因为覆膜措施可以减少土壤蒸发。与FM-0.9处理相比，FM-0.5处理减少了44.4%的灌溉定额，因此在20、40、60 cm位置的土壤含水率分别降低14.3%、18.4%和12.8%。各处理不同土层的土壤含水率在整个生育期均随着土壤深度的增加而增加，且由于根系分布主要集中在表层，因此土壤含水率在20 cm的波动幅度较大，在40 cm和60 cm处则变化相对平稳。在快速生长期和生长中期，植株生长需要大量水分，各层土壤的含水率总体呈现降低趋势。进入生育后期后，浅层土壤含水率都有所增加，各土层土壤含水率趋近平稳或相同，差异减小。这是因为植株进入生理成熟期后，自身生理机理衰退，叶片逐渐黄化，需水量减少导致的，这与之前的研究[19]类似。

图1 土壤含水率变化曲线

2.2 根系形态分布

2.2.1 相同地膜覆盖不同水分处理下的根系特征

表3为各处理不同土壤深度的根长、根表面积、平均根系直径、根体积变化特征。FM-0.9处理和FM-0.5处理的根长有随土壤深度的增加逐渐减少的趋势，且均主要集中在0～20 cm处，FM-0.9处理和FM-0.5处理在该土层的根长分别占土层0～60 cm总根长的56.2%和78.9%。FM-0.5处理在表层0～10 cm的根长密度（4.5 cm/cm3）比FM-0.9处理（2.04 cm/cm3）增加了120.6%，但在20～50 cm土层，FM-0.5处理的根长密度要略低于FM-0.9处理，在其他土层中，根长密度相近；同一处理的根表面积和根体积的变化规律相同，但不同处理的根表面积和根体积随深度的变化规律不同，高水FM-0.9处理的根表面积和根体积随土壤深度的增加先增大后减少，在土层30 cm达到最大值（83.5 cm2、1.84 cm3），FM-0.5处理的根表面积、根体积则随深度的增加逐渐减小，在土壤表层0～10 cm达到最大值（119.5 cm2、0.67 cm3），较FM-0.9处理分别高62.1%、15.5%，50～60 cm土层中的根表面积略高于FM-0.9处理，但在其他土层中都低于FM-0.9处理，而在土壤0～60 cm内的根表面积和根体积，FM-0.9处理较FM-0.5处理分别增加了27.5%、166.2%；各处理的平均根系直径随土壤深度呈先增大后减小的规律，FM-0.9处理和FM-0.5处理均在土层30 cm处达到最大值（1.11 mm和0.69 mm）。FM-0.5处理在各土层的平均根系直径均低于FM-0.9处理，这可能是因为灌水量小，在水分胁迫的作用下，根系尽可能地减小根系直径增大根表面积以获取更多的土壤水分。

2.2.2 相同水分不同地膜覆盖处理下的根系特征

无膜WM-0.9处理和覆膜FM-0.9处理的根长随深度的变化规律不同，FM-0.9处理随土壤深度的增加逐渐减少，而WM-0.9处理随土壤深度的增加先增大后减少，在土层20 cm处达到最大值3.76 cm/cm3，WM-0.9处理在0～20 cm的根长比FM-0.9处理多了106.0%，但与FM-0.9处理相似，在该土层的根长，WM-0.9处理占土层0～60 cm总根长的58.6%，而在各土层中WM-0.9处理的根长密度要高于FM-0.9处理，其总根长比FM-0.9处理多了97.7%。同一处理的根表面积和根体积的变化规律相同，且WM-0.9处理和FM-0.9处理的规律相似，均是随土壤深度先增大后减少，WM-0.9处理的根表面积、根体积在土层20 cm处达到最大值（140.3 cm2、1.51 cm3），FM-0.9处理则在土层30 cm达到最大值（83.5 cm2、1.84 cm3），50～60 cm土层中的根表面积和根体积略高于WM-0.9处理，但在其他土层低于WM-0.9处理，其总根表面积和根体积较WM-0.9处理减少了37.2%、14.4%；与其他处理相似，WM-0.9处理的平均根系直径随深度呈先增大后减小，在土层30 cm处达到最大值（0.82 mm），但其各土层的平均根系直径变化不大，根系较粗，均在0.6～0.8 mm左右，而FM-0.9处理则变化较大，平均根系直径由土层60 cm的0.63 mm到最大值1.11 mm，差值是WM-0.9处理的2.0倍。整体来看，FM-0.9处理的平均根系直径较大，这可能是因为覆膜后土壤水分较多，刺激了根系的生长。

表3 不同土壤深度的根长、根表面积、根体积、平均根系直径

注 表中数据均为平均值±标准误，同根系形态指标同深度不同字母代表不同处理之间差异显著（<0.05）。

2.3 产量、水分利用效率和灌溉水利用效率

表4为不同处理的产量（）、水分利用效率（）和灌溉水利用效率（）。由表4可知，与FM-0.9处理的产量相比（147.7 t/hm2），WM-0.9处理显著降低了产量16.2%（123.8 t/hm2）（<0.05），FM-0.5处理降低灌水量后，其产量也大幅度减少（<0.01），为119.5 t/hm2，比FM-0.9处理少了19.1%。与WM-0.9处理相比，FM-0.9处理的和也有明显的提高，分别从43.9 kg/m3和45.2 kg/m3提高到了53.0 kg/m3和53.9 kg/m3，而FM-0.5处理最高，分别为59.0 kg/m3和70.3 kg/m3。WM-0.9处理和FM-0.9处理的、差值相差较小，而FM-0.5处理的、差值较大，这主要是因为FM-0.5处理的灌水量小，只能从初始土壤储水量中汲取水分，补偿植株生长所需，因此整个生育期内的土壤储水量变化大，为32.5 mm（表6），远大于WM-0.9处理的4.4 mm和FM-0.9处理的4.7 mm，导致和相差较大。说明，覆膜可提高、，降低灌水量不利于产量的形成，而灌水量较大的FM-0.9处理可保持较大、的同时，显著提高产量。

表4 产量（Y）、水分利用效率（WUE）和灌溉水利用效率（IWUE）

注 表中数据均为平均值±标准误，同指标不同字母代表不同处理间差异显著（<0.05）。

2.4 根系吸水

2.4.1 模型验证

植物根系吸收的水分约99%被用于蒸腾作用，根系吸水量（）和蒸腾量（）有着密切的联系。利用土壤水分实测数据和式（3）计算的蒸腾量对模型可靠性进行验证。由表5可以看出，各土层土壤含水率的模拟值与实测值在0.010 cm3/cm3以内，0在0.867～1.076左右，WM-0.9、FM-0.9处理和FM-0.5处理与的分别为0.515、0.581、0.488 mm/d，0分别为0.890、0.920、0.934，表明模型可靠，HYDRUS-1D能够很好地模拟番茄的水分运移过程。

表5 土壤含水率、RWU模拟误差分析

表6 番茄根区土壤水分平衡

Table.6 Soil water balance in tomato root zone

2.4.2 根系吸水

图2为HYDRUS-1D模拟的，可以看出，移栽31 d后的每日在3～5 mm左右。随着土壤有效水分的增加（图1），相应增加，表现为FM-0.9处理>WM-0.9处理>FM-0.5处理。FM-0.9处理和WM-0.9处理的灌水量相同，均为274 mm，但整个模拟期内2个处理的分别为240.9 mm和193.7 mm，分别为53.9 kg/m3和45.2 kg/m3，覆膜减少了表层土壤水分蒸发，抑制了土壤水分消耗，促使根系吸收土壤水分增多，FM-0.9处理比WM-0.9处理可以更有效地利用灌溉水。与FM-0.9处理相比，FM-0.5处理灌水量减少，植株受到水分胁迫，促进根系尽可能地多吸收土壤中的有效水分，导致土壤储水量变化大，但受到灌水量和土壤水分的限制，FM-0.5处理的为190.2 mm，比FM-0.9处理减少了21.0%。因此，FM-0.9处理有利于促进的吸收。

图2 RWU日变化曲线

图3为随深度的变化曲线。由图3可知，0～40 cm是根系主要的水分吸收区域，WM-0.9、FM-0.9、FM-0.5处理分别占总的84.2%、85.7%和83.2%。WM-0.9处理和FM-0.9处理的在表层0～20 cm接近，均达到最大值6.0 mm，在土壤20～40 cm差异明显，WM-0.9处理在20～25 cm迅速减小，在25 cm略有升高，而FM-0.9处理在20～40 cm平稳减少，在土壤40～60 cm的与WM-0.9处理趋近相同，这与根系密度的分布相同。与FM-0.9处理相比，FM-0.5处理的番茄植株受到水分胁迫，根系进行自我调节，表层0～10 cm的根长密度和根表面积分别增加120.6%和62.1%，导致FM-0.5在表层0～15 cm的最高，为7.9 mm，而总较低。随着深度的增加，土壤含水率增加，根系分布趋近相同，各处理的也渐渐相近。说明，FM-0.9处理有利于土壤20 cm以下土壤水分的吸收和利用。

图3 RWU的深度变化曲线

3 讨论

植株生长所需水分主要由根系输送，根系在土壤水分和植株中起着不可或缺的作用。在土壤表层10 cm，FM-0.9处理的根长密度（2.04 cm/cm3）明显小于FM-0.5处理（4.5 cm/cm3），但FM-0.9处理的高于FM-0.5处理。灌水量的增加促进了的吸收，当番茄受到水分胁迫后，引起了水分和离子运输的质外体阻力的形成，径向途径上的传输阻力增加，水通道蛋白的活性降低，大大减小了根系水力传导度[20]，此外，水分胁迫导致土壤水势降低，根系产生信号物质输送到植株地上部分，造成了气孔的闭合和蒸腾拉力的减小，也使得水力传导度降低，根系形态和生理特性较正常供水条件下变化较大，导致了减少[21-22]。虽然下层土壤含水率较高，但番茄吸收的深层水分较少，这可能是因为根系较少，本研究无法证明是其他原因引起的，如根系下扎深度、吸水持续时间或根系吸水功能等。WM-0.9处理与FM-0.9处理灌水量一致，但WM-0.9处理的根长密度大，较少。这是因为根长密度大仅表明根系吸水能力大，并不能表明根系消耗的水量多[23]。而且，覆膜具有保水保温作用，能大大减少土壤水分的蒸发，使土壤长期保持湿润状态，有益于土壤微生物的繁殖，加快腐殖质转化成无机盐，更有利于根系的吸收。因此，FM-0.9处理的、产量分别比WM-0.9处理高24.4%、19.3%。

根系长度是限制的重要因素，而是否足够供给作物的蒸腾需水量则直接影响到衡量作物是否受到水分胁迫及胁迫程度[24]。从表3和图5可以看出，WM-0.9、FM-0.9处理和FM-0.5处理在土壤0～40 cm的根长分别占土壤0～60 cm总根长的85.7%、84.1%和88.4%，而在土壤0～40 cm的分别占总的84.2%、85.7%和83.2%。WM-0.9处理的根长密度和在10～20 cm达到最大值，而FM-0.9处理和FM-0.5处理的根长密度则均呈随深度不断减小的趋势，在土壤表层10 cm最高，各处理的根长密度分布规律与其根系吸水分布规律相似，二者之间有着密切联系。康绍忠等[25]对冬小麦根系吸水的研究表明，土壤均匀湿润时根系吸水速率和根系密度的分布相同，因此认为土壤充分湿润时的根系吸水速率分布与根系密度分布成正比例关系。这对于本研究中的水分亏缺试验有一定的借鉴价值。但本研究并未对不同水分处理之间根长密度与的联系进行探讨，在今后的研究中可以进一步考虑不同水分亏缺条件下根长密度和之间的关系。

4 结论

1）同一灌溉制度下，覆膜抑制了表层根系的生长，无膜WM-0.9处理在0～20 cm的根长比有膜FM-0.9处理增加106.0%，WM-0.9处理的总根长、总根体积、总根表面积等均高于覆膜处理，但覆膜有助于根系吸水速率的提高，覆膜处理的根系吸水量增加了24.4%，同时减少了土壤蒸发，有助于水分利用效率和灌溉水利用效率的提高，分别从43.9 kg/m3和45.2 kg/m3提高到了53.0 kg/m3和53.9 kg/m3。

2）覆膜条件下，根系分布较浅，主要集中在0～20 cm处，FM-0.5处理在水分胁迫的作用下，根系尽可能地减小根系直径增大根表面积以获取更多的土壤水分，但在土壤0～60 cm内，FM-0.9处理的根表面积和根体积仍分别比FM-0.5处理高了27.5%、166.2%，而FM-0.5处理的根系吸水量为190.2 mm，比FM-0.9处理减少了21.0%，FM-0.9处理更有利于根系吸水量的增加。

3）土层0～40 cm是根系主要的水分吸收区域，WM-0.9、FM-0.9、FM-0.5处理分别在该层的根系吸水量占总根系吸水量的84.2%、85.7%和83.2%。WM-0.9处理和FM-0.5处理在土层20～40 cm的根系吸水量迅速下降，而FM-0.9处理仍可保持较高的根系吸水量，有利于深层土壤水分的吸收和利用。

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The Effects of Water Deficit on Root Growth and Water Uptake of Mulched Greenhouse Tomato under Drip Irrigation

GE Jiankun1, PING Yinglu1, GONG Xuewen1*, WANG Ling2, XIN Qingcong1, ZHANG Lei1, LIU Huanhuan1

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China 2. Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd, Zhengzhou 450003, China)

【】Facility vegetable production in China relies on drip irrigation with the seedbed mulched. How roots grow and its consequence for water uptake is an issue that is not fully understood. The aim of this paper is to investigate the change in root traits and water uptake of tomato under deficit irrigation, as well as the effect of initial soil water on demand of the crop for water.【】The experiment was conducted in a solar greenhouse, and the irrigation amount in each treatment was calculated based on the cumulative evaporation (P) measured from a 20 cm standard evaporation pan installed inside the greenhouse. There were three treatments: irrigating 90% ofPwith the soil mulched (FM-0.9) and not mulched (WM-0.9) by plastic film, and irrigating 50% ofPwith the soil mulched (FM-0.5). In each treatment, we measured root distribution and change in soil water content. The root water uptake was calculated inversely using HYDRUS-1D, from which we analyzed the factors which impacted root water uptake as well as the consequence for fruit yield.【】Root length in the top 20 cm soil in WM-0.9, FM-0.9 and FM-0.5 accounted for 58.6%, 56.2% and 78.9% of their total root length, respectively. The mean root square error of the soil moisture content simulated by HYDRUS-1D was less than 0.010 cm3/cm3, and the regression coefficient between the measured and simulated soil water content was in the range of 0.867～1.076. The mean root square error of the measured transpiration and the simulated total root water uptake was less than 0.581 mm/d, and the regression coefficient between them was higher than 0.890. The largest root water uptake was in FM-0.9, totaling 240.9 mm, 24.4% and 26.7% more than that in WM-0.9 and FM-0.5, respectively. Roots took most of the water the crop transpired from the 0～40 cm of soil, accounting for 84.2%, 85.7% and 83.2% of the total transpiration for WM-0.9, FM-0.9 and FM-0.5, respectively. Water use efficiency and irrigation water use efficiency of FM-0.5 were 59.0 and 70.3 kg/m3, 34.4% and 55.5% above that of WM-0.9, and 11.3% and 30.4% higher than that of FM-0.9, respectively. FM-0.9 gave the highest fruit yield at 147.7 t/hm2, 19.3% and 23.6% higher that of WM-0.9 and FM-0.5, respectively. 【】Our experimental results showed that irrigating 90% ofPcombined with film mulching is optimal to increase the use of deep soil water for greenhouse tomato production.

solar greenhouse; mulched drip irrigation; HYDRUS-1D; root length density; root water uptake

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S274.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021392

1672 - 3317（2022）03 - 0001 - 09

2021-08-22

国家自然科学基金项目（51709110，51809094，51779093）；河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目（2020GGJS100）；河南省重点研发与推广专项（192102110090）

葛建坤（1983-），男，河北保定人。副教授，博士，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail: 54012012@qq.com

龚雪文（1987-），男，河南安阳人。讲师，博士，主要从事作物水分生理与高效利用等方面的研究。E-mail: gxw068@126.com

责任编辑：韩 洋