降解膜覆盖下磁化水滴灌对加工番茄产量和水分利用效率的影响

周振鹏,叶含春*,王振华,宋利兵

(1. 石河子大学水利建筑工程学院,新疆 石河子 832000;2. 现代节水灌溉兵团重点实验室,新疆 石河子 832000;3. 农业农村部西北绿洲节水农业重点实验室,新疆 石河子 832000)

新疆地区具有降雨量小、蒸发强烈的特点,加之当地农业灌溉方法不当,农业水资源短缺和水分利用效率低等原因制约当地加工番茄产业的发展.地膜覆盖已被证实可有效减少土壤水分蒸发,而由于残膜回收措施不够完善,残膜污染问题逐渐暴露出来.残膜会对土壤理化性质产生一系列不利影响,如土壤容重上升、土壤透气性和透水性减弱,最终导致作物减产[1].可降解膜可在较短时间内降解,被认为是普通地膜的可靠替代品[2].相关研究表明,降解膜覆盖蒸发抑制率为15.69%,相对于不覆膜可明显减少水分向空气中蒸发[3].同时,降解膜覆盖也能提高植株对氮素的吸收利用率[4-5].相对于普通地膜,可降解膜覆盖会使作物小幅度减产.大量研究表明,磁化水灌溉可明显提高作物产量,因此探究磁化水灌溉技术能否解决这一减产问题是目前的研究热点.

目前磁化水灌溉研究主要集中在棉花、玉米、水稻、甜菜等大田作物,而对大田加工番茄的研究较少,且多数研究局限于单一的磁化水灌溉技术方面.此外,针对新疆地区残膜污染日益加重的现状,探究降解膜覆盖技术与磁化水灌溉技术相结合在农田上的应用效果具有实际意义,但此类研究鲜有报道.文中通过设置2种磁化灌水方式和3种地膜类型进行完全随机组合设计,研究磁化水滴灌和降解膜覆盖对加工番茄土壤水热、叶面积指数、地上干物质量、光合特性、产量和水分利用效率的调控效应,探究磁化水滴灌条件下适宜的降解膜类型,为保障新疆农业可持续发展、加工番茄增产提质和农田高效节水提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年5—9月在新疆生产建设兵团第十二师五一农场灌溉中心试验站(87°19′—87°27′E,43°55′—44°03′N)进行.该地区位于乌鲁木齐市西郊.其年平均温度为6.3 ℃,年平均降雨量为194 mm,潜在蒸发量为2 647 mm.试验地土壤为壤土,0～60 cm土层平均容重为1.32 g/cm3,常规水与磁化水灌水矿化度均为1.2 g/L[6].该地气象要素如图1所示,图中T,Tave,Tmax,Tmin,P分别为气温、平均气温、最高气温、最低气温、降雨量.

图1 2021年加工番茄生育期气温及降雨量

1.2 试验设计

试验设置2种灌水方式,3.0×106A/m磁化水滴灌(T)和常规水滴灌(N);3种地膜类型分别为普通地膜(M1,厚度为0.01 mm),黑白2种氧化生物双降解膜(M2和M3,诱导期均为100 d,膜厚0.01 mm)进行完全随机组合设计.试验小区随机排列,共6个处理,每个处理设置3次重复.施肥为尿素(w(N)=46%)、磷酸一铵(w(P2O5)=61%)和硫酸钾(w(K2O)=52%),施肥量分别为200,180,180 kg/hm2,试验小区的农艺措施与当地生产实践一致.加工番茄品种选用当地常规的“亨氏1015”,于5月6日进行移苗定植,8月30日进行成熟期收获.全生育期各处理灌溉、施肥次数均为8次,灌水量4 500 m3/hm2.

1.3 测定项目及方法

1) 土壤质量含水率的测定:使用土钻于加工番茄苗期、花期、果实膨大一期(果一期)、果实膨大二期(果二期)和成熟期采集宽行、窄行和膜间0～60 cm深度土样,每10 cm取1个土样,每小区 3 次重复,采用烘干法测定土壤质量含水率.

2) 土壤温度的测定:使用曲管水银温度计对加工番茄每个生育期5,10,15,20 cm深度的土壤温度进行监测,记录8:00—20:00的土壤温度,每2 h监测1次,选取每个生育期具有代表性的连续5 d进行测温,以5 d的平均土壤温度作为该生育期的代表土壤温度.

3) 叶面积指数和地上干物质量的测定:加工番茄每个生育期末,每个小区随机选择具有代表性的3株植株测量叶面积,用直尺测量叶片长(叶基至叶尖)和宽(以叶基为中心垂直于叶长);茎、叶、果分开后称量各部分鲜质量,随后105 ℃杀青30 min,于75 ℃下烘干至恒量,称量植物各器官的生物量.

叶面积指数(LAI)计算公式为

LAI=Aρ/S,

(1)

式中:A为单株叶面积,cm2;ρ为单位土地面积总株数,株;S为单位土地面积,cm2.

4) 光合特性的测定:在加工番茄果实膨大期使用Li-6800便携式测定仪进行加工番茄净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)的测定.测定时间自10:00开始至 18:00 结束,每间隔2 h测定1次.每个处理随机选取3 株长势均匀的加工番茄测定中上部完全成熟叶片,并对所测定叶片进行标记.

5) 产量和水分利用效率的测定:在加工番茄成熟期末于每个小区选择6 株长势均匀的植株测其产量,包括单果质量和果实数目.由于地下水位低于8 m,试验区地势平坦且有边界,因此深层渗漏、地下水补给和径流忽略不计.

作物全生育期内总耗水量(ET)的计算式为

ET=P+I+W0-W1,

(2)

式中:ET为作物全生育期内总耗水量,mm;P为有效降雨量,mm;I为有效灌溉量,mm;W0和W1分为移苗前和收获后土壤贮水量,mm.

水分利用效率(WUE)的计算式为

WUE=Y/ET,

(3)

式中:WUE为水分利用效率,t/(hm2·mm-1);Y为加工番茄产量,t/hm2.

1.4 TOPSIS分析

1) 构建标准化矩阵为

(4)

式中:xij为矩阵内原始值;Zij为标准化数值;i=1,2,3,…,n,n为评价对象的数量;j=1,2,3,…,m,其中m为评价指标数量.

2) 计算各评价指标与最优及最劣向量间距离为

(5)

(6)

3) 评价对象与最优方案的接近程度为

(7)

式中:Di为第i个评价对象的综合得分.

1.5 数据处理

TOPSIS分析采用 Microsoft Excel 2018计算,利用SPSS Statistics 24进行显著性分析,利用Origin 2018作图.

2 试验结果与分析

2.1 土壤含水率

图2为不同处理下不同深度土层土壤质量含水率θ.如图2a所示,在常规水滴灌处理下,处理M2和处理M3土壤质量含水率较处理M1分别降低2.72%～13.79%和7.09%～17.21%;在磁化水滴灌处理下,与处理M1相比,处理M2和M3土壤质量含水率分别降低2.26%～12.26%和5.85%～15.57%.在相同地膜处理下,磁化水处理较不磁化处理提高了土壤质量含水率19.21%～21.41%,各生育期内磁化水滴灌处理土壤质量含水率大于常规水滴灌处理.图2b为0～60 cm土层土壤质量含水率,全生育期内各处理土壤质量含水率均高于0～40 cm土层,这是因为磁化水滴灌湿润锋深度基本维持在40～50 cm.果二期至成熟期,0～60 cm土层土壤质量含水率略有上升.在整个生育期内,土壤质量含水率按处理排序从大到小依次为M1,M2,M3,磁化水滴灌处理土壤质量含水率大于常规水滴灌处理.

注:不同小写字母表示各处理间差异具有统计学意义(P<0.05),下同

2.2 各生育期0～20 cm土层土壤温度

图3为不同处理对不同土层土壤温度T的影响.磁化水滴灌对土壤温度的影响在P=0.05水平下不具有统计学意义,而覆膜对土壤温度的影响在P=0.05水平下具有统计学意义.在苗期,叶面积较小,大部分光线直射到地膜上,黑色降解膜表现出对光线更好的吸收能力.处理M2较处理M3在(0,10]和(10,20] cm土层土壤平均温度分别高0.60 ℃和0.75 ℃(P<0.05),不同地膜保温性能由高到低依次为M1,M2,M3.在花期,处理M2与M3覆盖下(0,10] cm和(10,20] cm土层土壤平均温度分别较处理M1低4.43,7.03 ℃和4.66,6.34 ℃(P<0.01).在果二期,处理M2和M3覆盖下(0,10] cm和(10,20] cm土层平均土壤温度分别为28.19,27.73 ℃和27.61,26.91 ℃,普通地膜平均土壤温度分别为28.81,28.14 ℃.成熟期,各降解膜因出现裂缝而温度下降,下降幅度明显高于普通地膜,但黑色降解膜的保温性能较优于白色降解膜.

图3 不同处理下不同土层土壤温度

2.3 叶面积指数和地上干物质量

图4为不同处理下加工番茄叶面积指数LAI和地上干物质量d.如图4a所示,各处理下加工番茄叶面积指数LAI随着生育期的推进而快速增长.苗期至果二期,LAI指数的促进效果按处理排序由高到低依次为M1,M2,M3,且磁化水处理下LAI显著高于常规水滴灌(P<0.05).在成熟期,LAI趋于稳定并达到最大,3.0×106A/m磁化水处理显著高于常规水处理(P<0.01),处理TM1,TM2和TM3分别较常规水处理增加了2.80%,2.84%和3.40%,各处理LAI由大到小依次为TM1,TM2,TM3,NM1,NM2,NM3.如图4b所示,在苗期,各处理间地上干物质量差异不具有统计学意义.在花期,磁化水处理下,处理M3较M1和M2地上干物质量分别减小了5.39%和2.86%(P<0.05);常规水滴灌处理下,处理M3较M1地上干物质量减小了10.48%.在果一期至果二期,地上干物质量快速增长.在成熟期,磁化水滴灌处理地上干物质量显著增加了36.09%～37.29%(P<0.01).

图4 不同处理下加工番茄叶面积指数和地上干物质量

2.4 光合特性

图5为不同处理对果实膨大期加工番茄光合特性的影响.不同处理下加工番茄净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)的变化规律基本一致,磁化水滴灌处理均高于常规水滴灌处理,且在同一滴灌处理下,各光合指标按覆膜排序由大到小依次为M1,M2,M3.磁化水滴灌处理Pn,Tr,Gs和Ci较常规水滴灌处理增加13.06%～16.08%,8.74%～10.99%,7.14%～18.03%和11.24%～18.41%(P<0.05),与处理M1相比,处理M2的Pn,Tr,Gs和Ci降低了 2.87%,8.77%,9.53%和3.22%(P>0.05),处理M3的Pn,Tr,Gs和Ci降低了5.17%,12.02%,15.46%和5.43%(P<0.05).

图5 不同处理下加工番茄光合特性

2.5 产量及灌溉水分利用效率

不同处理下加工番茄的单果质量(Md)、单株结果数(N)、产量(Y)及水分利用效率(WUE)如表1所示.与普通地膜覆盖处理M1相比,降解膜覆盖处理M2和M3单果质量分别平均降低了0.94%和3.88%,单株结果数降低0.14%和0.24%,产量降低1.14%和3.56%,WUE降低1.16%和3.52%.磁化水滴灌可明显提高加工番茄产量和水分利用效率.与常规水滴灌处理相比,磁化水滴灌处理单果质量平均增加了30.40%(P<0.01),单株结果数增加2.58%,产量增加31.61%(P<0.01),WUE增加31.70%(P<0.01).

表1 不同处理下加工番茄的产量及水分利用效率

2.6 基于TOPSIS法对应用效果的综合评价

表2 标准化矩阵及不同处理的综合得分

3 讨 论

覆盖地膜可有效减少土壤水分蒸发并平衡土壤温度[7],使用降解膜覆盖可以解决残膜污染.此外,滴灌适宜磁化强度的磁化水也可缓解干旱胁迫[8].JIA等[9]研究表明,降解膜覆盖对0～40 cm土层土壤含水率影响具有统计学意义(P<0.05);降解膜整个生育期的土壤平均温度较普通地膜覆盖低0.52～0.88 ℃(P<0.05).文中发现,在常规水滴灌处理下,整个生育期0～40 cm土层和0～60 cm土层土壤质量含水率均表现为M2的大于M3,保温性能也是如此,这是因为黑膜透射系数低,可吸收大部分可见光,从而增加净辐射,提高土壤温度,这与JIA等[9]研究结果基本一致.文中发现磁化水处理较常规水处理土壤质量含水率提高了19.21%～21.41%(P<0.01),说明磁化水灌溉可显著提高土壤含水量,这与盛统民等[5]研究结果基本一致.这是因为磁场改变了水的分子结构,从而提高了水分在土壤中的浸润能力,增强了土壤的持水性.

叶面积指数和地上干物质量是衡量作物生长发育状况是否正常的重要指标[7,10].孟玉等[7]研究表明,与普通地膜覆盖相比,降解膜覆盖下作物叶面积指数及地上干物质量在苗期至抽雄期差异不具有统计学意义(P>0.05).文中结果表明,在整个生育期内降解膜覆盖下两者均小于普通地膜覆盖,黑色降解膜优于白色降解膜,这与以上研究结果相似,这可能是因为黑色降解膜对土壤温度的提升效果好,提高了土壤中酶活性,其次黑色降解膜的保水效果也优于白色降解膜,利于加工番茄根系充分吸水,保证生长发育.文中发现成熟期磁化水滴灌处理较常规水滴灌处理叶面积指数增加了2.80%～3.40%,地上干物质量增加了36.09%～37.29%(P<0.01),这与张莹莹等[11]研究相一致,产生这一结果可能是因为磁化水滴灌提高了土壤含水率,保证了加工番茄的根系充分吸收水分及营养物质,并促进了加工番茄叶片数的增多,这有利于提高光合效率,从而提高番茄有机物的积累量.

光合作用是作物生长发育和产量形成的重要生理代谢过程.文中结果表明,于加工番茄果实膨大期同一滴灌处理下,加工番茄光合指标按处理排序由高到低依次为M1,M2,M3,这与吴梅等[12]研究结果一致.这是因为地膜覆盖有利于提高土壤温度和土壤含水量,两者的提高均有利于加工番茄根系的生长和对营养物质的吸收,在一定温度范围内,随着温度的提高,加工番茄光合作用强度也会随之增强.与常规水滴灌处理相比,磁化水滴灌处理Pn,Tr,Gs和Ci分别增加了13.06%～16.08%,8.74%～10.99%,7.14%～18.03%和11.24%～18.41%(P<0.05),这与蔡明蕾等[13]、王晓帆等[14]研究结果一致,产生这一结果的主要原因是磁化水滴灌可有效提高土壤含水量,从而提高气孔导度,充足的水分供给会促进光合产物输出,加快光合速率.

文中发现,与普通地膜覆盖相比,黑色降解膜和白色降解膜覆盖下总产量平均降低了4.12%和3.70%,WUE降低2.01%和1.98%,这与丁宏伟等[15]研究一致,这是因为材质问题使得降解膜在加工番茄生育前期的增温保水性能略低于普通地膜,而到了生育后期降解膜开始裂解,增温保水效果大幅降低,导致加工番茄产量和WUE略低于普通地膜覆盖.磁化水滴灌处理较常规水滴灌处理提高了产量,平均增加了31.61%(P<0.01),WUE增加了36.70%(P<0.01),这与前人结果一致.磁化水的表面张力系数和黏度系数较低,而浸润能力较强,这增加了土壤的持水能力,也加快了根系对水分的吸收利用,保证了加工番茄对水分的需求,从而提高了加工番茄产量和WUE.综上所述,基于TOPSIS法对加工番茄生长、产量和WUE指标进行综合评价,结合高效生产和农业可持续发展的理念,认为滴灌磁化强度为3.0×106A/m磁化水并覆盖黑色降解膜(TM2)可以替代普通膜下滴灌,在北疆地区用于加工番茄生产实践.

4 结 论

1) 处理M2与M3在生育前期保水效果相近,0～60 cm土层土壤质量含水率按处理排序由大到小依次为M1,M2,M3.从全生育期看,黑色降解膜保温性能优于白色降解膜.磁化水滴灌能显著提高0～60 cm土层土壤含水率,但对土壤温度没有显著影响.

2) 与普通地膜相比,降解膜覆盖下加工番茄LAI和地上干物质量在果实膨大一期至成熟期差异不显著,黑色降解膜较白色降解膜促进发育效果好.各磁化水滴灌处理较常规水滴灌处理的叶面积指数和地上干物质量均有显著增加.

3) 加工番茄净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)按处理排序由大到小依次为M1,M2,M3.与常规水滴灌处理相比,磁化水滴灌处理Pn,Tr,Gs和Ci分别增加了13.06%～16.08%,8.74%～10.99%,7.14%～18.03%和11.24%～18.41%(P<0.05),磁化水滴灌对加工番茄的光合作用有很好的促进效果.

4) 与处理M1相比,处理M2和M3产量平均降低3.70%和4.12%,WUE降低1.98%和2.01%.磁化水处理较常规水处理产量平均增加了30.68%,WUE增加了30.96%.基于TOPSIS分析对各指标进行综合评价,研究认为磁化水滴灌可弥补降解膜覆盖造成的产量和WUE损失,黑色降解膜在提高产量和水分利用效率方面则表现更优.

此研究可为北疆膜下滴灌加工番茄增产与节水提供理论参考.