不同灌水量與灌水頻率對加工番茄根系生長和產(chǎn)量的影響

張坤，刁明*，景博，張?bào)丬?，萬文亮，郭鵬飛，韓文

(1. 石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832003； 2. 石河子大學(xué)特色果蔬栽培生理與種質(zhì)資源利用兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子832003)

加工番茄作為新疆的紅色產(chǎn)業(yè)，是中國北方干旱區(qū)種植的特色經(jīng)濟(jì)作物[1].但近年來水資源短缺已成為限制加工番茄產(chǎn)量提高的重要因子，也是制約干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善的瓶頸，因此如何充分利用有限灌水達(dá)到作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)是亟待解決的問題.而加工番茄達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)需要合理的灌水量和灌水頻率，其組合的優(yōu)劣直接影響土壤中水分運(yùn)移及植物根系對水分的吸收利用，左右著作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成[2].

灌水量和灌水頻率是作物灌溉制度的核心內(nèi)涵，目前國內(nèi)外學(xué)者就灌水量、灌水頻率分別對作物根系生長及產(chǎn)量效應(yīng)已有較多研究.郭琳[3]通過研究灌水量對日光溫室番茄產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)隨著灌水量的減少，番茄平均單果質(zhì)量、畝產(chǎn)量均呈降低的趨勢.王新元等[4]通過研究黃瓜產(chǎn)量和灌水量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)黃瓜產(chǎn)量隨著灌水量的增加而增加，超量灌溉下產(chǎn)量最高，但水分利用效率下降.在灌溉頻率方面，胡宏偉[5]通過對膜下滴灌棉花灌溉頻率研究，發(fā)現(xiàn)高灌水頻率處理時，土壤含水層相對較淺，相應(yīng)的根系向下生長較慢.EL-HENDAWY等[6]利用作物系數(shù)和參考作物蒸發(fā)蒸騰量確定灌水量，發(fā)現(xiàn)每2 d 或3 d灌水1次，玉米產(chǎn)量最高；隋娟等[7]通過灌水下限確定灌水量和灌水頻率，發(fā)現(xiàn)灌水頻率對夏玉米的產(chǎn)量存在顯著影響，中頻灌水更利于玉米產(chǎn)量和水分利用效率的提高.

目前，眾多研究中，針對加工番茄根系生長及產(chǎn)量效應(yīng)研究尚未涉足，且目前加工番茄灌水量和灌水頻率確定是依據(jù)常規(guī)灌水的需水規(guī)律和灌水經(jīng)驗(yàn)而定，存在灌水方式不盡合理，水肥利用率不高等問題.文中基于參考作物蒸發(fā)蒸騰量，通過大田試驗(yàn)分析不同灌水量和灌水頻率對加工番茄植株生長、根系分布、根系干物質(zhì)量和產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)，對優(yōu)化加工番茄生產(chǎn)水資源的管理，發(fā)揮膜下滴灌節(jié)水高產(chǎn)高效的潛力具有重要意義.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2017年4—9月在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行.試驗(yàn)地區(qū)位于86.0°E,45.3°N，海拔468 m，年平均日照時間2 865 h，無霜期約160 d，多年平均降水量 208 mm，平均蒸發(fā)量1 660 mm，屬溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫6.6 ℃.室外設(shè)有自動氣象站TAWS1000-SW，可自動記錄每天空氣溫濕度最大值和最小值、水汽壓最大值、風(fēng)速平均值、風(fēng)向采樣值、降雨累加值、總輻射及光和有效輻射平均值和日照時數(shù)累加值.

供試品種為中熟品種亨氏H1015(中糧屯河種業(yè)有限公司育成)，種植方式為大田栽培，4月1日育苗，5月12日定植，在開花坐果期防治病蟲害，及時補(bǔ)充微肥，其他農(nóng)藝措施按大田管理.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用雙因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，灌水定額設(shè)置3個水平，分別為高水(100%ET0)，W1；適水(75%ET0)，W2；低水(50%ET0)，W3.其中ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，根據(jù)TAWS1000-SW室外自動氣象站每天所自動記錄的最高溫度、最低溫度、平均風(fēng)速、平均相對濕度和日照時數(shù)，利用ET0Calculator計(jì)算獲得；灌水頻率設(shè)置2個水平，分別為高頻(每周3次)，F(xiàn)1；常規(guī)(每周1次)，F(xiàn)2.共18個小區(qū)，小區(qū)長11.92 m、寬6.21 m、面積74.02 m2，各3次重復(fù).采用膜下滴灌栽培技術(shù)，株行距配置為30 cm×60 cm，滴頭間距30 cm，配置模式為“一膜雙行雙管”，即1條地膜種植2行加工番茄，1條毛管控制1行加工番茄.具體試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)為F1W1(高水高頻)、F2W1(高水低頻)、F1W2(適水高頻)、F2W2(適水低頻)、F1W3(低水高頻)、F2W3(低水低頻).

1.3 灌水與施肥

為保證灌水均勻，每次灌水量通過水表和閥門控制.每個小區(qū)設(shè)置施氮量為N300(300 kg/hm2)，供試氮肥為尿素(含N，46%)、磷肥為重過磷酸鈣(含P2O5，46%)、鉀肥為氯化鉀(含K2O，50%)，N∶P∶K的比例為1∶0.8∶0.2，移栽前將磷肥、鉀肥作基肥一次性施入，氮肥作追肥隨水施入.

在施純氮量300 kg/hm2條件下，加工番茄各生長階段追肥比例是由該生長階段臨界氮吸收量Nuptc所占比例確定，而臨界氮吸收量Nuptc所占比例是基于臨界氮濃度稀釋曲線模型所得[8]，其與累積的地上部最大生物量(DW，t/hm2)之間的關(guān)系為

(1)

式中：Nuptc為臨界氮吸收量，kg/hm2；DWmax為加工番茄地上部生物量的最大值.其中供試品種累積地上部最大生物量根據(jù)前期加工番茄水分試驗(yàn)確定，各生長階段Nuptc所占比例由臨界氮吸收模型獲得，即：苗期(定植后12 d)2.93%、苗期—開花期(定植后12～22 d)15.26%、開花期—坐果期(定植后23～35 d)27.46%、坐果期—幼果期(定植后36～53 d)14.41%、幼果期—果實(shí)膨大期(定植后54～66 d)28.52%、果實(shí)膨大期—成熟前期(定植后67～82 d)3.87%、成熟前期—拉秧期(定植后83～91 d)7.56%.而各生育期追肥比例由Nuptc所占比例獲得，即：苗期(8.85 kg/hm2)、開花期(45.78 kg/hm2)、坐果期(82.38 kg/hm2)、幼果期(43.23 kg/hm2)、果實(shí)膨大期(85.56 kg/hm2)、成熟前期(11.61 kg/hm2)、拉秧期(22.68 kg/hm2).

1.4 測定項(xiàng)目及方法

1.4.1 土壤體積含水量的測定

土壤體積含水量均由PR2土壤剖面水分分析儀(Delta-T Devices，US)測定，測定在前安裝與PR2配套的探管于測定小區(qū)位置，測深為0.8m，共分為4層，分別在每個處理的 (0,10], (10,20],(20,40],(40,80] cm 測定各土層土壤體積含水量，每3 d測定 1 次.

1.4.2 葉面積指數(shù)及單株干物質(zhì)積累量的測定

葉面積指數(shù)(LAI)為作物綠色葉面積總和與相應(yīng)土地面積之比，用LI-3000葉面積儀(LI-COR公司，NE，美國)測定葉面積.

每小區(qū)選取3株番茄進(jìn)行破壞性取樣，于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，以單株為單位，計(jì)算單株干物質(zhì)積累量.

1.4.3 產(chǎn)量以及單果質(zhì)量的測定

番茄成熟后采用面積測產(chǎn)法進(jìn)行產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，于2017年8月15號在每個處理小區(qū)選取2.0 m×0.6 m面積，摘取果實(shí)，稱重，從而估算出整個小區(qū)的產(chǎn)量.單果質(zhì)量用電子臺秤(精確度 0.01g )測定，按照求平均值法計(jì)算果實(shí)單果質(zhì)量.

1.4.4 根系生長、根系活力的測定

在加工番茄定植之前，于每個小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取4點(diǎn)鋪埋鐵皮箱(長×寬×高：60 cm×30 cm×80 cm)，對加工番茄生長苗期(定植后22 d)、開花結(jié)果期(定植后50 d)、成熟期(定植后80 d)及拉秧期(定植后104 d)的根系分層(0,10],(10,20],(20,40],(40，60]，(60,80]cm進(jìn)行迅速收集根系，放在自封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室用自來水沖洗，并去除死根.將根樣擺放于盛滿水的透明玻璃盒中，利用根系專用掃描儀(Epson V500，USA)掃描成黑白對照的 Tif 圖像文件.掃描好的 Tif 文件用圖像分析軟件(WinRHIZO，Canada)計(jì)算各土層總根長(cm)、總根表面積(cm2)、總根體積(cm3)，最后將各層根系分別裝入紙袋85 ℃烘干至恒重，測定根質(zhì)量(g).

1.4.5 作物水分利用效率

作物生育期耗水量通過水量平衡法計(jì)算[9]，即

ET=Pr+I+U-R-D-ΔW，

(2)

式中：Pr為有效降雨量，mm；I為灌水量，mm；U為地下水補(bǔ)給量，mm；R為徑流量，mm；D為深層滲漏量，mm；ΔW為試驗(yàn)?zāi)┢谕寥篮颗c初期土壤含水量之差，mm.

Pr的數(shù)值由室外安裝的美國Compbell scientific公司 TAWS1000-SW室外自動氣象站觀察數(shù)據(jù)獲得，R和D由于每次滴灌的灌水定額較少可以忽略不計(jì)，地下水位在50 m以下，故U也可忽略不計(jì).可將式(2)簡化為

ET=Pr+I-ΔW.

(3)

水分利用效率計(jì)算公式為

WUE=Y/ET，

(4)

式中：WUE為作物水分利用效率，kg/(mm·hm2)；Y為單位面積的作物產(chǎn)量，kg/hm2.

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析，Origin9軟件繪圖，采用Duncan 法進(jìn)行多重比較(α=0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1 對不同土層土壤水分動態(tài)的影響

圖1為不同灌水量和灌水頻率下土壤水分動態(tài)變化，圖中t為天數(shù).

圖1 不同灌水量和灌水頻率下不同土層土壤水分動態(tài)的變化

Fig.1 Variation of soil moisture in soil layers under different irrigation quotas and frequencies

由圖1可以看出，整個生育期內(nèi)土壤體積含水量的波動變化主要體現(xiàn)在(10,40] cm土層.(10,40] cm土層中，各處理下不同時期的平均土壤含水量變化大小依次為苗期，開花結(jié)果期，成熟后期，成熟前期.(40,80] cm土層中，各灌水處理下土壤體積含水量波動幅度較小，處理F1W1，F(xiàn)1W2，F(xiàn)1W3下土壤體積含水量變化依次為40.0%～48.7%，37.0%～43.3%，35.3%～42.3%；處理F2W1，F(xiàn)2W2，F(xiàn)3W3下土壤體積含水量變化依次為36.1%～44.6%，30.4%～40.8%，28.1%～38.4%.從苗期到拉秧期內(nèi)(定植后13～90 d)，各處理?xiàng)l件下平均土壤體積含水量大小依次為F1W1(35.6%)，F(xiàn)1W2(33.7%)，F(xiàn)1W3(31.3%)，F(xiàn)2W1(32.9%)，F(xiàn)2W2(29.8%)，F(xiàn)3W3(26.8%)，且隨著灌水量的增加，(0,10]，(10,20] ，(10,40]，(40,80] cm處的土壤體積含水量也逐漸增加，相同灌水量下，高頻灌溉下土壤體積含水量大于常規(guī)頻率處理，且高頻灌溉處理下土壤平均含水量波動幅度較小，土壤水分能保持在一個比較穩(wěn)定的范圍.

2.2 對番茄葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量的影響

圖2反映了不同灌水量和灌水頻率處理下，加工番茄葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量隨生育期的變化，不同小寫字母表示不同處理之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05).灌水頻率相同時，灌水定額越大，加工番茄葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量越大；灌水定額相同時，灌水頻率高的灌溉定額大，從而導(dǎo)致高頻灌溉的葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量大.

圖2 不同灌水量和灌水頻率下植株葉面積指數(shù)和單株干物質(zhì)積累的變化

Fig.2 Variation of leaf area index and dry matter accumulation under different irrigation quotas and frequencies

不同處理下加工番茄葉面積均隨著生長期的推移先增大后減少.在植株苗期到結(jié)果期(定植后19～55 d)，各處理間葉面積指數(shù)差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).此后，不同處理間葉面積指數(shù)逐漸表現(xiàn)出差異性，且在植株的各個生長階段，高頻灌溉的葉面積指數(shù)均大于常規(guī)頻率處理，處理F2W3下葉面積指數(shù)最小.成熟初期時(定植后87 d)，處理F1W1葉面積指數(shù)達(dá)到最大值；果實(shí)膨大期時(定植后79 d)，處理F2W1葉面積達(dá)到最大值.

不同處理下加工番茄干物質(zhì)積累量隨著生長期的推移逐漸增大.開花坐果期(定植后39～55 d)，處理F1W2,F2W2和F1W3,F2W3下其干物質(zhì)積累量之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；幼果期到拉秧期(定植后66～94 d)，同一灌水頻率下，高水、適水和低水條件下其干物質(zhì)積累量之間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05).拉秧期(定植后94 d)，處理F1W1下加工番茄干物質(zhì)積累達(dá)到最大值.

2.3 對加工番茄根系生長的影響

表1為整個生育期內(nèi)不同處理各根層根總長占總根層根總長百分比，表中RL為根層，L為(0,80]cm根層根系總長度，θ為處理土層根總長所占百分比.由表中可以看出，各生育期根系主要集中在(10,40] cm土層，占總根系的百分比為63.20%～85.67%.苗期(定植后22 d)(10,40] cm土層根系占總根系的比例達(dá)83.19%～85.67%，(60,80] cm土層沒有根系，處理W2F2的根層根總長達(dá)到最大(5 514.98 cm)，與其他處理差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；開花結(jié)果期(定植后50 d)和成熟期(定植后80 d)，灌水頻率一定時，根層根總長隨灌水定額降低而降低，低水與高水處理差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，但高頻灌溉下，高水與適水之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，即W1F1與W2F1差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，在適水條件下，高頻灌溉的根層根總長高于常規(guī)頻率處理，到成熟期這種趨勢更加明顯，表明適當(dāng)加快灌水頻率，可促進(jìn)根系生長；拉秧期時(定植后104 d)，處理F1W2下的根總長最大(23 416.62 cm)，表明F1W2在后期可維持較高水平的根量.

另外在處理F1W1下，從苗期到拉秧期其(10,40] cm根層根系所占總根系的百分比均在81.73%～84.39%；(40,80] cm土層的根系在苗期高水、適水處理下占比差異不大，但在開花結(jié)果期至拉秧期，適水處理較高水處理根系占百分比高，表明適水相比高水更能促進(jìn)(40,80] cm土層根系生長，有利于根系吸收深層土壤的養(yǎng)分，故根總長較大.根系總體積、根系總表面積和根系干物質(zhì)量百分比趨勢與上述分析相似.

表1 不同處理各根層根總長占總根層根總長百分比

2.4 對番茄產(chǎn)量以及水分利用效率的影響

表2為不同灌水量與灌水頻率對番茄產(chǎn)量以及水分利用效率的影響.

由表2可以看出，同一灌水頻率下，灌水量越高，越有利于加工番茄單果質(zhì)量的增加，且在相同灌水量下，高頻灌溉的加工番茄平均單果質(zhì)量高于常規(guī)頻率處理.處理F1W1加工番茄單果質(zhì)量最高，處理F2W3最低.

產(chǎn)量是重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，高水、適水和低水條件下，常規(guī)頻率處理的產(chǎn)量比高頻灌溉分別降低了6.85%，5.84%，13.28%，高水、適水與低水處理之間產(chǎn)量差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，同一灌水頻率下高水和適水處理之間的產(chǎn)量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).水分利用效率反映作物對水分的吸收和利用過程.在同一灌水定額下，常規(guī)頻率處理較高頻灌溉其水分利用效率均呈增加的趨勢.在同一灌水頻率下，高水、適水處理下的水分利用效率均小于低水處理，各處理中，處理F1W3的WUE最高.

表2 不同灌水量和灌水頻率下對加工番茄產(chǎn)量以及水分利用效率的影響

Tab.2 Effects of different irrigation quotas and frequency on yield and water use efficiency

灌水頻率灌水水平I/mmW單果量/gET/mmY/(t·hm-2)WUE/(kg·mm-1·hm-2 )F1W1444.5103.99±1.74a444.53a140.90±4.56a318.83±21.91bcW2333.494.50±1.68b308.93b126.70±5.80ab421.18±56.16abW3222.352.44±0.78d166.71c87.30±0.60c529.46±40.02aF2W1478.493.73±1.33b467.16a131.30±6.50ab281.41±16.43c W2358.875.09±1.36c339.17b119.30±10.60b355.88±43.49bcW3239.249.93±0.59d197.85c75.70±1.20c386.72±30.60bc

3 討 論

3.1 對番茄植株生長和產(chǎn)量的影響

葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量是反映植物群體生長狀況的一個重要指標(biāo)[10]，其大小與最終產(chǎn)量高低密切相關(guān)，研究表明灌水量和灌水頻率的高低與番茄的株高和葉面積指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系[11].在加工番茄幼果期前，各處理間葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，其原因可能是低溫抑制了番茄生長，此后，各處理間差異逐漸顯現(xiàn).隨著灌水量和灌溉頻率的增加，加工番茄葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量也逐漸增加.

有關(guān)灌水量和灌溉頻率對作物產(chǎn)量影響的研究表明，合理的水分調(diào)控可以提高加工番茄產(chǎn)量，且隨著灌水量的增大，番茄產(chǎn)量及構(gòu)成要素均呈不同程度的增加趨勢[12]，且高頻灌溉有利于植物根系對水分的吸收，提高水分利用率，增加作物產(chǎn)量[13].文中研究表明，高水、高頻灌溉可使產(chǎn)量達(dá)到峰值，與適水處理相比，高水處理雖然能夠提高單果質(zhì)量和產(chǎn)量，但產(chǎn)量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，且高水處理水分利用效率較低.因此在干旱、半干旱地區(qū)從節(jié)約水資源方面考慮可以推薦使用適水處理.

3.2 對番茄根系生長的影響

根系作為加工番茄吸收土壤水分和養(yǎng)分的重要器官，對加工番茄各器官的生長發(fā)育具有重要影響[14].前人研究結(jié)果表明，水分過多或過少均不利于番茄根系生長，適當(dāng)虧缺有利于下層根系的生長[15]；而低頻灌溉有助于棉花苗期根系的發(fā)育；高頻灌溉會顯著促進(jìn)春玉米在上層土壤(10,40] cm中根系的生長.文中研究結(jié)果表明，加工番茄根系主要分布在(10,40] cm土層，(0,20] cm 土層根系最為密集，隨著土壤深度的增加，根系生長和干物質(zhì)量逐漸減小，且各處理根系生長和干物質(zhì)積累量在成熟期內(nèi)達(dá)到最大.

在苗期時，(10,40] cm 根層根總長占總根層根總長的比例均在80%以上，處理W2F2下根系發(fā)育明顯加快，有助于根系迅速建成；(40,80] cm土層根系占比差異不大，且分布較少，這種現(xiàn)象的原因可能是苗期天氣冷涼，氣溫不高，蒸騰蒸發(fā)量少，根系分布較淺造成的.

在開花坐果期和成熟期時，灌水頻率相同下，隨著灌水量的降低，不同處理對(10,40] cm根系生長呈逐漸降低的趨勢，而適水處理下高頻灌溉可促進(jìn)新根生長發(fā)育，有利于充分利用土壤上層中的水分，促進(jìn)根系生長；處理W2F2更能促進(jìn)(40,80] cm土層根系生長，造成這種現(xiàn)象的原因可能是適當(dāng)水分脅迫將會促使根系向土壤下層延伸，相應(yīng)地加大深層根系生物量的分配比例，從而誘導(dǎo)根系產(chǎn)生更多數(shù)量側(cè)根去吸收土壤分布不均的水分，而高頻灌水相比常規(guī)頻率灌水而言，其少量多次的特點(diǎn)使土壤水分向深層土壤運(yùn)移的能力減弱，減少深層根系的分布范圍.

拉秧期，處理W2F1下，(10,40] cm根系生長最好，且后期可維持較高水平的根生長量，其原因可能是高頻適水灌溉下上層土壤水分能保持一個穩(wěn)定的范圍，進(jìn)而促進(jìn)根系在上層土壤的分布生長；(40,80] cm土層根系生長與開花結(jié)果期和成熟期(40,80] cm土層根系生長變化趨勢相一致.

因此加工番茄灌水頻率在苗期推薦采用常規(guī)頻率處理，開花結(jié)果期至拉秧期采用高頻灌溉處理，通過灌溉頻率的變化，能夠有效促進(jìn)根層根系生長.

4 結(jié) 論

1) 整個生育期內(nèi)土壤體積含水量的波動變化主要體現(xiàn)在(10,40] cm土層.高頻處理下各土層的平均含水量波動幅度較小，并能保持在一個比較穩(wěn)定的范圍內(nèi).

2) 高水和高頻灌溉處理顯著提高了加工番茄葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量.高水和適水處理之間產(chǎn)量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但相比低水處理顯著提高單果質(zhì)量和產(chǎn)量.

3) 用75%ET0的灌水定額，在苗期采用常規(guī)頻率處理，開花結(jié)果期至拉秧期采用高頻灌溉，通過灌溉頻率變化，促使根層根系生長明顯加快.