水分脅迫條件下西紅柿耗水規(guī)律及產量研究

李木子，杜秋月，孫書洪,2，葉瀾濤,2

(1.天津農學院水利工程學院，天津 300384；2.天津市農業(yè)水利技術工程中心，天津 300384)

0 引 言

開展國家農業(yè)節(jié)水行動，推進農業(yè)綠色發(fā)展，是踐行黨的十九大提出的實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要舉措。在農業(yè)生產中如何通過科學用水，使有限的水資源發(fā)揮更大的經濟效益，是當前需要解決的一個重大課題。設施農業(yè)作為中國現階段農業(yè)中最具特色和優(yōu)勢的主導產業(yè)，是解決我國人多地少問題、實現可持續(xù)發(fā)展最有效的技術工程。中國設施農業(yè)包括設施蔬菜、花卉、畜牧等產業(yè)，其中以設施蔬菜的規(guī)模最大，2013年設施蔬菜占中國設施農業(yè)總面積的79.4%。近年來，國內學者對設施蔬菜耗水規(guī)律和產量做了大量的研究[1-5]，為優(yōu)化灌溉制度提供了重要的理論依據，但大多未考慮地下水上升通量對作物耗水規(guī)律的影響，對地下水埋深較淺的濱海地區(qū)設施蔬菜耗水規(guī)律的研究較少。

西紅柿是我國重要的設施蔬菜作物之一。以天津市為例，截止到2010年底，天津市設施蔬菜種植面積達到天津市設施種植業(yè)面積的90%以上，其中設施西紅柿播種面積占設施果菜總面積的40%以上[6]。在不同水分脅迫條件下，對設施種植條件下的西紅柿進行耗水規(guī)律及其產量研究不僅是制定合理精確灌溉制度的基礎，對提高農民收入、發(fā)展設施農業(yè)都具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗受到天津農學院水利工程學院和中國科學院地理科學與資源研究所聯(lián)合承擔的天津市農業(yè)科技推廣項目的支持。試驗于2017年9月至2018年3月在天津市北辰區(qū)雙街鎮(zhèn)青水源設施農業(yè)現代節(jié)水灌溉新技術示范區(qū)進行。北辰區(qū)位于東經116°56′-117°24′，北緯39°10′-39°21′，地處海河流域永定河和北運河下游沖積平原，屬暖溫帶大陸性季風氣候，年平均日照時數為2 639.1 h，年平均氣溫為12.2 ℃，全年平均無霜期為227 d，年日照率為60%；多年平均降水量550.3mm，地下水埋深為1～1.5 m。本區(qū)土壤分布自西向東依次為普通潮土、鹽化潮土及濕潮土。從土質上看：京山鐵路西以砂質、砂壤質潮土、輕壤、中壤、重壤質潮土為主；京山鐵路東以鹽化潮土、脫水鹽化菜園潮土為主，并有部分重質潮土和黏質菜園潮土。試驗區(qū)土壤為中壤土，土壤密度為1.55 g/cm3，土壤的基本性狀見表1。試驗溫室為天津市政府推廣的新型節(jié)能日光溫室，溫室大棚寬8 m，長80 m。滴灌設備主要有水源、水泵、管道系統(tǒng)、施肥罐等，滴灌帶選用φ16 mm，滴頭量2.7 L/h，滴頭距30 cm，壓力0.1 MPa。

表1 土壤的基本性狀

1.2 試驗設計

本試驗以西紅柿品種“粉如意”為研究對象，定植時間為2017年9月，全生育期分為苗期(9月8日至10月10日)、開花坐果期(10月10日至11月20日)、果實采摘初期(11月20日至1月8日)、果實采摘盛期(1月8日至3月6日)、果實采摘末期(3月6日至4月5日)。按《灌溉試驗規(guī)范》 SLB-90的要求開展試驗，選擇5個大棚進行試驗，每個大棚分為3個小區(qū)，由1.5 m寬的緩沖帶隔離以限制相鄰地塊之間水分的側滲，小區(qū)面積為15 m×5 m，壟寬70 cm，溝寬40 cm，株行距為30 cm×40 cm，每壟布置一條滴灌帶。設置不同的水分脅迫條件進行試驗，共設5個處理，每個棚為1個處理，每個處理3次重復，試驗期間各處理都采用統(tǒng)一的施肥、除草等田間管理措施。通過滴管灌溉西紅柿根部，用水表記錄各小區(qū)灌水量。定植前將15個小區(qū)灌溉至相同的土壤含水量，以保證能滿足西紅柿緩苗期所需水分。本文在國內外學者對西紅柿灌溉制度的研究基礎上[7-10]，結合天津市設施農業(yè)精準灌溉項目制定灌水方案如表2，其中：CK為充分灌溉；M1屬于重度水分脅迫(田間持水量的45%)；M2、M3和M4是均屬于中度水分脅迫(田間持水量的50%、55%和60%)。

表2 設施種植條件下不同灌水處理情況

1.3 數據測定方法

(1)土壤含水量。在不同的生育期，用土鉆分別在植株附近滴頭下0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm深度采取土樣，每7～10 d測一次，灌水前后加測，采取烘干法測定土壤含水率， 如式(1)：

W=100%×(a2-a3)/(a2-a1)

(1)

式中：W為土壤含水率；a1為鋁盒重量，g；a2為烘干前鋁盒和土樣的質量，g；a3為烘干后鋁盒和土樣的質量，g。

(2)產量。產量測定包括對開花坐果期和果實采摘期的植株干重和果實鮮重進行測定，每7～10 d測定一次。根據式(2)計算干物質增長速率，根據式(3)計算水分利用效率。

v=(m2-m1)/Δt

(2)

式中：m1為時段初干重，t/hm2；m2為時段末干重，t/hm2；Δt為時段天數，d；v為干物質增長速率，t/(hm2·d)。

WUE=m/ET

(3)

式中：m為時段內果實在自然狀態(tài)下的質量，t/hm2；ET為時段內的總耗水量，mm。

(3)地下水上升通量及作物耗水量的計算。國內外學者對地下水上升通量進行了大量研究[11,12]，根系層下界面水分通量是指通過根系層下界面向上或向下運移的土壤含水量。試驗區(qū)屬濱海地區(qū)，地下水埋深較淺，為1.0～1.5 m，因此在對西紅柿耗水規(guī)律進行研究時，必須考慮根系層地下水上升通量對耗水量的影響。應用水量平衡方程計算作物耗水量，如式(4)：

Q=Q0-ET+q+I

(4)

式中：Q和Q0為時段末和時段初的根系層土壤儲水量，mm；ET為時段內的植株蒸發(fā)蒸騰量即耗水量，mm；I為時段內灌水量，mm；q為時段內的根系層下界面水分通量，mm，應用以下模型表示根系層下界面水分通量q與土壤含水量W的關系，本文取根系層深度為1.0 m。

(5)

(6)

式中：a、b為經驗常數，本文根據孫書洪等[13]研究結果，取a=0.068，b=3.406；Qf為根系層土壤田間持水量，mm；hw為地下水埋深，m；QC為根系層臨界土壤儲水量，mm。

2 結果與分析

2.1 水分脅迫條件下西紅柿耗水規(guī)律

圖1為在不同水分脅迫下，西紅柿日耗水量在不同生長發(fā)育時期的變化過程，圖2為在充分灌溉CK處理下和在M1處理下西紅柿日耗水量的差值隨著作物生長發(fā)育的變化過程，表3為不同水分脅迫條件下西紅柿耗水量情況。

圖1 不同水分脅迫條件下西紅柿日耗水量隨生長發(fā)育時期的變化過程

圖2 充分灌溉與最大水分脅迫下西紅柿日耗水量的差值隨生長發(fā)育日期的變化過程

表3 不同水分脅迫條件下西紅柿階段耗水量情況

2.1.1 水分脅迫對不同生育期耗水量的影響

由圖1得知，西紅柿進入苗期后，CK日耗水量變化范圍為0.5～1.5 mm。分析其原因：植株在此階段的葉片數量少，葉面積較小，所以該時期的耗水量明顯低于開花結果期和果實采摘期。10月中旬，西紅柿進入開花坐果期，CK日耗水量變化范圍為0.6～1.5 mm，M4耗水量較CK降低 11.7%，在該階段的日耗水量出現一個高峰，主要因為開花坐果期的植株蒸騰作用增強，對水分的需求量大大提高，所以日耗水量急速增加且變化幅度較大。M1所對應的耗水量可代表植株在水分脅迫下的耗水量最小值，其處理下的作物日耗水量在開花坐果期沒有明顯增加，主要是由于在苗期灌水量較少，土壤水分不能滿足植株正常生理發(fā)育的需要，導致在開花坐果期植株發(fā)育不良，耗水能力較低。

在果實采摘初期，CK日耗水量變化范圍為0.9～5.2 mm，M4日耗水量變化范圍為0.8～4.8 mm，進入果實采摘盛期后，CK日耗水量變化范圍為1.6～4.3 mm，M4日耗水量變化范圍1.5～4 mm，M4處理下的植株在這兩個時期的日耗水變化幅度與充分灌溉相比相差不大。果實采摘末期的CK日耗水量變化相對前兩個階段而言，幅度略小，變化范圍為0.5～0.8 mm，M4日耗水量變化范圍為0.4～0.7 mm。在果實采摘前期(果實采摘初期和盛期)日耗水量達到全生育期的最大值，主要因為該時期植株生長最茂盛，隨著植株體的增大，蒸騰力增強，在營養(yǎng)生長和生殖生長共同作用的條件下，植株的需水動力變大。在生長發(fā)育后期，日耗水量大于中前期，主要因為大量的果實在此期趨向成熟，故需水量增大，隨著果實的不斷采摘，植株生理活動減緩，需水強度開始下降，日耗水量隨之降低。

2.1.2 各生育期對水分脅迫的響應

西紅柿對水分脅迫的響應程度與其耗水規(guī)律有關。西紅柿在苗期主要以營養(yǎng)生長為主，充分灌溉與最大脅迫條件下西紅柿耗水量差值相差為0.3 mm左右，M4在此期的灌水量較CK降低14.3%，耗水量下降7%。此階段植株耗水量小，對水分脅迫的響應程度較低。西紅柿在開花坐果期以生殖生長為主，耗水量持續(xù)增加，充分灌溉與最大脅迫M4處理下西紅柿耗水量差值變化范圍為0.3～0.7 mm，M4灌水量較CK減少25%，耗水量降低11.7%，該階段的日耗水量對水分脅迫程度的響應較為強烈。在果實采摘初期，CK日耗水量變化幅度大，充分灌溉與最大脅迫M4處理下西紅柿耗水量差值變化范圍為0.5～1.2 mm，進入果實采摘盛期后，充分灌溉與最大脅迫條件M4處理下西紅柿耗水量差值變化范圍為0.8～2.1 mm，此階段對水分脅迫程度反應最為強烈。隨著植株生命活動的衰退，植株在果實采摘末期對水分脅迫的響應程度也變小，充分灌溉與最大脅迫條件M4處理下西紅柿耗水量差值變化范圍降低到0.4～0.5 mm。

2.2 不同水分脅迫條件對產量的影響

圖3表示水分脅迫對鮮重的影響。通過對不同水分脅迫下西紅柿開花坐果期和果實采摘期的植株干重進行測量，得到圖4。表4為不同水分脅迫條件下西紅柿的產量情況。

圖3 不同水分脅迫對植株鮮重的影響

圖4 不同水分脅迫對植株干重的影響

表4 不同水分脅迫條件下西紅柿產量情況

2.2.1 對植株干重的影響

CK 條件下，雖開花坐果期干物質總量大，根莖葉干重變化范圍為4.5～6 t/hm2，但干物質增長速率較小，分別為1.23% 和1.39%。M1條件下，水分脅迫程度最嚴重，灌水量較CK減少40%，但僅達到充分灌溉產量的87.3%，總干重達37%。在開花坐果期和果實采摘期的根莖葉干重變化范圍為1.5～4 t/hm2，低于其他水分脅迫條件下的干重，但干物質增長速率最高，在開花坐果期和果實采摘期達到2.05%。M2、M3、M4的干物質增加速率分別為1.72%、1.56 %、1.97%，干重分別達到充分灌溉的50%、60%、65%，較CK條件下灌水量減少33.3%、23.3%、10%，由此可見，水分脅迫程度與植株干重呈負相關關系(|R|=0.98<1且R<0)，水分脅迫程度越大，同一發(fā)育期的干重越小，越不利于植株生長。

2.2.2 對植株鮮重的影響

充分灌溉條件下，植株鮮重在各階段均較高，且果實總鮮重最高，平均為52.64 kg/hm2，但水分利用效率較低，僅為16.98%。M1處理下，植株總鮮重在各階段均為最低，且果實總鮮重最低，僅達到充分灌溉的75.9%，但水分利用效率最高。 M2、M3、M4的水分脅迫程度依次減小，果實總鮮重依次增大，分別達到充分灌溉產量的81%、85%、96.7%，水分脅迫程度與果實總鮮重呈負相關關系(|R|=0.94<1且R<0)。M2處理下的水分利用效率最大，但其果實總鮮重較低，因此僅使用水分利用效率或僅使用產量來衡量水分脅迫程度是否合理是不全面的，恰當的水分脅迫應該在保證果實產量的前提下，實現水分利用效率最大化。 M4的水分利用效率較CK提高了8.72%，鮮重達到充分灌溉的96.7%，實現了產量和水分利用效率的雙贏，對實踐應用來說，其水分脅迫程度是可以接受的。

3 結 語

(1)在灌水量為270 mm的水分脅迫條件下，設施西紅柿在苗期的日耗水量變化范圍為0.4～1.2 mm，此階段耗水量較小，為14 mm；在開花坐果期，日耗水量急速增加，日耗水量變化范圍為0.5～1.25 mm，此階段耗水量為16 mm；進入果實采摘期后，日耗水量逐漸增大，日耗水量變化范圍為0.8～4.8 mm，進入果實采摘末期后，日耗水量降低，但總量依然比苗期和開花坐果期大。

(2)西紅柿在苗期耗水強度小，對水分脅迫的響應程度較低，可進行適當的水分脅迫；在開花坐果期，耗水強度變大，植株對水分較為敏感，只能進行對其輕微的水分脅迫；進入果實采摘期后，耗水強度增大，植株對水分脅迫程度反應強烈，認為此階段不可進行過度的節(jié)水灌溉。

(3)對作物進行恰當的水分脅迫，可提高植株的干物質增加速率，可促進植株生長發(fā)育。充分灌溉、過量灌溉和過度的水分脅迫均不能對植株生長起到促進作用。

設施種植條件下的西紅柿對水分脅迫的響應程度與其耗水強度有關，耗水強度越大，則對水分脅迫的響應程度越大；植株干重、果實鮮重與水分脅迫程度有關，脅迫程度越大，果實產量越低。因此，在進行設施農業(yè)精確灌溉時，應以掌握作物的耗水規(guī)律為前提，綜合考慮果實鮮重和水分利用效率。