不同施氮量對滴灌加工番茄根系構(gòu)型的影響

景博，牛寧，張文龍, 刁明*

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

加工番茄(LycopersiconesculentumMill)是普通番茄的一種栽培類型，主要以制作番茄醬為主[1].新疆得天獨厚的自然條件，十分有利于加工番茄可溶性固形物含量的提高和番茄紅素的生成.近年來，隨著膜下滴灌技術(shù)在新疆的迅速發(fā)展，加工番茄產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為新疆的“紅色產(chǎn)業(yè)”.

氮元素通常被認(rèn)為是促進(jìn)作物植株生長和提高產(chǎn)量的主要因素，作物對氮的反應(yīng)通常比磷或鉀更靈敏，過量施用氮肥可能會對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響[2].作物可以從土壤、微生物以及肥料等多種渠道獲得氮素[3-4]，根系則是養(yǎng)分獲取最直接的器官，其構(gòu)型變化能增加養(yǎng)分吸收的生物學(xué)潛力[5].水肥是番茄生長的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，保證足夠的水氮供給是番茄高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的條件[6-7]，但現(xiàn)實生產(chǎn)中，以水肥高投入為代價的滴灌加工番茄高產(chǎn)田在新疆不斷涌現(xiàn)，如何立足當(dāng)?shù)赝寥罈l件，利用節(jié)水滴灌施肥技術(shù)，按照作物需肥特性科學(xué)精準(zhǔn)投入氮素，減少過多氮素對環(huán)境的污染，從而實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、提質(zhì)增效，這是干旱區(qū)加工番茄生產(chǎn)亟待解決的問題.

臨界氮濃度是指作物在一定的生長時期內(nèi)獲得最大生物量時的最小氮濃度值.TEI等[8]構(gòu)建了加工番茄臨界氮濃度稀釋曲線及氮素吸收模型，基于該模型可以計算出滿足加工番茄最快生長的臨界需氮量.HARTZ 等[9]與FARNESELLI等[10]研究表明基于臨界氮濃度稀釋模型，可以對滴灌加工番茄的供氮狀況是否充足合理進(jìn)行動態(tài)診斷.目前，加工番茄基于臨界氮濃度的氮素營養(yǎng)診斷是基于經(jīng)驗施肥比例得出的，而以氮濃度指數(shù)函數(shù)作為施氮依據(jù)的施肥方案還鮮有研究.文中基于前人提出的臨界氮濃度模型[11]，根據(jù)干物質(zhì)量推算各生育期的施氮比例，結(jié)合最佳灌水方案[12]，按照施氮量和施氮比例在各生育期進(jìn)行追肥，探究在基于臨界氮濃度模型施氮比例下不同施氮量對加工番茄各生育期根系的影響，以期為提高氮素的有效利用、維持土壤氮素平衡和加工番茄持續(xù)高產(chǎn)提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2019年在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗站(86.0° E，45.3° N)進(jìn)行.試驗站海拔468 m，屬溫帶大陸性干旱氣候，試驗地土壤理化性質(zhì)：2018年 pH值7.7，有機(jī)質(zhì)10.12 g/kg，全氮0.85 g/kg，堿解氮65.13 mg/kg，速效磷15.95 mg/kg，速效鉀342.00 mg/kg；2019年pH值7.5，有機(jī)質(zhì)12.35 g/kg，全氮0.76 g/kg，堿解氮54.96 mg/kg，速效磷17.47 mg/kg，速效鉀256.00 mg/kg.

1.2 試驗設(shè)定

供試加工番茄品種為里格爾 87-5，育苗移栽，分別于2018年4月29日和2019年4月26日定植.試驗小區(qū)采用膜下滴灌的種植方式，灌水量按照75%ET0[12]，通過水表控制灌溉，灌水周期設(shè)定為7～10 d，全生育期總灌水量為4 700 m3/hm2.

試驗設(shè)置不施氮(N0)、施氮200 kg/hm2(N1)、施氮300 kg/hm2(N2)和施氮400 kg/hm2(N3)4個處理，小區(qū)面積為7.2 m×12.0 m，各重復(fù)3次，共12個小區(qū)，各試驗小區(qū)隨機(jī)排列.不同施氮量的氮素運籌按照以下方案實施：

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是基于臨界氮濃度稀釋曲線模型所得，其加工番茄臨界氮濃度稀釋曲線模型和臨界氮吸收模型[11]可表示為

臨界氮濃度稀釋曲線模型

Nc=4.352DW-0.274，

(1)

臨界氮吸收模型

(2)

式中：Nc為臨界氮濃度值，%；Nuptc為臨界氮吸收量，kg/hm2；DWmax為加工番茄地上部干質(zhì)量的最大值.根據(jù)加工番茄干質(zhì)量增長量獲得Nuptc在各生育期所占比例，得出各處理在不同生育期的施氮比例：定值-開花22%、坐果期24%、紅熟期45%和拉秧期9%.施肥時不同處理的尿素全部用作追肥按比例在各生育期隨水滴施，磷肥和鉀肥全部一次性施入土壤做基肥，施入純養(yǎng)分量：P2O5210 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2.

2 測定項目與方法

2.1 根系取樣及分析

分別于加工番茄定植-開花、坐果期、紅熟期、拉秧期在植株周圍30 cm×60 cm ×60 cm的土柱中分層([0,20)cm,[20,40)cm, [40,60] cm)收集根系，利用根系專用掃描儀(Epson7500)進(jìn)行掃描，采用Win Rhizo Pro Vision 5.0 分析程序?qū)D像進(jìn)行分析.測定后用吸水紙吸干根系，將其置于105 ℃烘箱中殺青，80 ℃烘干至恒重后稱重，即可得到根系干質(zhì)量.

2.2 產(chǎn)量和品質(zhì)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，于拉秧期在每個處理小區(qū)選取 2.0 m×1.2 m 面積測定劃定區(qū)域的產(chǎn)量，從而折合出公頃產(chǎn)量，并在成熟期每小區(qū)選取10個果實，測定加工番茄品質(zhì).番茄紅素、可溶性固形物、可滴定酸、可溶性糖含量分別采用可見分光光度法、手持折光儀測定法、酸堿滴定法、硫酸-蒽銅法測定.

2.3 統(tǒng)計分析及作圖

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行方差分析，Origin 9.0軟件繪圖.

3 結(jié)果分析

3.1 施氮量對根系干質(zhì)量的影響

圖1為2018年和2019年0—60 cm土層內(nèi)加工番茄的根系總干質(zhì)量TRD和平均增長速率GRTRD.2 a間各處理加工番茄根系總干質(zhì)量均隨生育期推進(jìn)呈先增加后緩慢降低的變化趨勢，且最大值出現(xiàn)在紅熟期.根系干質(zhì)量平均增長速率隨生育期推進(jìn)呈先增加后降低的變化趨勢，坐果期最大，且各處理間存在差異.

圖1 基于臨界氮濃度的施氮量對加工番茄根系總干質(zhì)量及平均增長速率的動態(tài)變化

在加工番茄定植-開花階段，由于植株需氮量較小，各處理間加工番茄根系總干質(zhì)量差異不明顯；在開花后，處理N0的根系干質(zhì)量顯著低于其他處理，處理N2促進(jìn)了根系干質(zhì)量的增加，2018年在紅熟期根系干質(zhì)量為31.36 g，較處理N3的根系總干質(zhì)量增加了21.08%，較處理N1增加了66.26%，且2019年有同樣增長趨勢.在拉秧期處理N2的平均增長速率出現(xiàn)負(fù)值，而處理N1在紅熟期后的根系干質(zhì)量的增長趨于平穩(wěn).

由圖2可知，2 a間4種處理下在各生育期的根干質(zhì)量RD隨土層深度SD的下移而減小，不同土層間的變化存在差異，根系主要分布在0—20 cm土層中.在定植-開花階段，根系不發(fā)達(dá)，在0—20 cm土層中的根系干質(zhì)量占總干質(zhì)量的85% 以上，N0顯著低于N1，N2和N3；在20—60 cm土層中，各處理下的根系干質(zhì)量差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.說明在坐果期前，氮素主要影響表層根系的生長，且處理N1即可滿足根系干物質(zhì)的增長.在加工番茄坐果期，各處理對土層中根系干質(zhì)量的影響出現(xiàn)差異，在紅熟期，處理N2下的根系干質(zhì)量在各土層中均大于其他處理，且在0—20 cm土層中差異顯著，說明處理N2可以促進(jìn)根系的生長，2018年此階段處理N0,N1,N2和N3下的根系干質(zhì)量在0—20 cm土層中分別占總根系干質(zhì)量的72.24%，65.21%，72.15% 和73.61%，2019年分別占總根系干質(zhì)量的73.74%，70.99%，73.46%和76.74%，說明處理N3使根系更趨于表層分布；在20—40 cm土層中，處理N2下的根系干質(zhì)量大于或顯著大于其他處理；而40—60 cm土層中，各施氮處理間的根干質(zhì)量差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義，說明在基于75%ET0灌水下，深土層中施氮對根系干質(zhì)量影響不大.在拉秧期，根系開始衰亡，各土層中的根系干質(zhì)量逐漸降低.

圖2 基于臨界氮濃度的施氮量對加工番茄根系干質(zhì)量時空分布的影響

3.2 施氮量對根系長度的影響

由圖3可以看出，各處理下0—60 cm土層內(nèi)加工番茄的根系總長度TRL和平均增長速率GRTRL均隨生育期呈先增加后降低的趨勢，各處理下的根系總長度在紅熟期最大，根長平均增長速率在坐果期最大.2 a間處理N0和N1下的根系總長度在坐果后顯著小于處理N2和N3，處理N2和N3間基本無差異，2018年處理N2和N3下的根系總長度在拉秧期分別為3 913.13 cm和3 437.70 cm，且2019年有同樣的變化趨勢，根據(jù)根長平均增長速率，拉秧期各處理下的根系總長度快速減小，根系開始衰亡.

圖3 基于臨界氮濃度的施氮量對加工番茄根系總長度及平均增長速率的動態(tài)變化

由圖4可以看出，2 a間4種處理在各土層中的根系長度RL存在差異，在同一生育期隨土層的下移而減小，且各處理差異主要體現(xiàn)在0—20 cm土層中.定植-開花階段，在0—20 cm土層中的根系長度占總根系長度的25%以上，在開花后這個比例將縮小.在坐果期、紅熟期和拉秧期，各處理根系長度在0—20 cm土層中存在差異，從大到小基本表現(xiàn)為N3，N2，N1，N0；但在拉秧期階段，處理N2下的根系長度在20—40 cm土層中顯著大于其他處理，2018年根長可達(dá)到752.65 cm，較處理N1增加了24.33%，較處理N3增加了39.73%，且2019年具有相同的增長趨勢.

圖4 基于臨界氮濃度的施氮量對加工番茄根系長度時空分布的影響

3.3 施氮量對根系表面積和體積的影響

各處理下不同生育期基于臨界氮濃度的施氮量對加工番茄根系表面積TRS和體積TRV的影響如表1所示.

表1 基于臨界氮濃度的施氮量對加工番茄根系表面積和體積的影響

由表1可以看出，2 a間4種施氮量下的加工番茄根系總表面積TRS和總體積TRV具有相似性，均隨生育期呈先增加后下降的變化趨勢，且峰值均出現(xiàn)在紅熟期，紅熟期后均呈下降趨勢.

2 a間各生育期的根系總表面積和根系總體積隨施氮量的增加基本呈先增加后下降的變化趨勢，且處理N2大于或顯著大于其他處理.紅熟期是植株吸收養(yǎng)分的關(guān)鍵時期，2018年紅熟期處理N1的根系總表面積和總體積較處理N2分別降低了38.60%和38.54%，且差異顯著，2019年有同樣的變化趨勢，而處理N2和N3間差異不明顯.

3.4 施氮量對加工番茄品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

氮是作物體內(nèi)許多重要化合物的組分，是遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)，在實際生產(chǎn)中可顯著影響加工番茄的品質(zhì)與產(chǎn)量.由表2可以看出，可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)SS與可滴定酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)TA均隨著施氮量的增加而增加.處理N2顯著提高了番茄紅素Lyc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和總可溶性固形物TSS的質(zhì)量分?jǐn)?shù).施氮影響了可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)和可滴定酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，使糖酸比表現(xiàn)為隨施氮量的增加而減小.氮肥的使用量會影響作物對氮素的吸收以及產(chǎn)量Y，合理施氮可顯著提高加工番茄的產(chǎn)量，處理N2下的產(chǎn)量可達(dá)到120 t/hm2以上，2018年處理N1和N3相比處理N2分別減產(chǎn)了21.61%和12.00%，且2019年有同樣趨勢.

表2 不同施氮量對加工番茄品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

4 討論

4.1 不同施氮量對根系時空分布的影響

膜下滴灌的種植模式可以促進(jìn)加工番茄對養(yǎng)分和干物質(zhì)的積累，且積累量呈“S”形增長，到盛果期時達(dá)到高峰.本試驗的根系總干質(zhì)量及根系總長度在0—60 cm土層中的分布規(guī)律與地上部生物量具有相關(guān)性，說明也具有“S”形增長趨勢.

石小虎等[13]研究表明，施氮過低或過高均可導(dǎo)致番茄根系長度減小.本試驗結(jié)果表明，在加工番茄開花后，施氮300 kg/hm2促進(jìn)了根系干質(zhì)量、根系長度、表面積和體積的增加，而施氮200 kg/hm2和400 kg/hm2均會抑制根系干質(zhì)量、根系長度、表面積和體積的增加.

姜麗娜等[14]研究表明在小麥的抽穗期和灌漿期，隨著施氮量的增加，0—40 cm土層根長密度和根質(zhì)量密度均隨之增加，當(dāng)施氮達(dá)到一定量時，根長密度和根質(zhì)量密度均有所下降.根長和根質(zhì)量主要分布在土壤表層，隨著土層深度增加，各處理的根長密度和根質(zhì)量密度總體上逐漸降低.本試驗結(jié)果顯示在紅熟期與以上結(jié)果具有相似性，不同氮處理下的根干質(zhì)量和根長隨土層深度的增加而依次減小，施氮400 kg/hm2的處理使根系趨于表層分布，施氮200 kg/hm2的處理促進(jìn)了深層土壤中的根系生長.在20—40 cm土層中，施氮300 kg/hm2處理大于或顯著大于其他處理.

4.2 不同施氮量對品質(zhì)產(chǎn)量的影響

氮素是公認(rèn)的對產(chǎn)量影響最大的元素，WANG等[15]研究表明合理施用氮肥可以提高加工番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)，過量施肥會對產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響.本試驗結(jié)果與其基本一致，在施氮300 kg/hm2處理下，產(chǎn)量可達(dá)到120 t/hm2以上，且顯著提高了可溶性固形物與番茄紅素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而施氮200 kg/hm2和施氮400 kg/hm2的處理抑制了產(chǎn)量與品質(zhì)的提高.

5 結(jié) 論

在基于加工番茄臨界氮濃度模型的氮素運籌方案下，本試驗得出以下結(jié)論：

1) 加工番茄的根系在坐果期生長速度最快，在紅熟期最發(fā)達(dá).開花后，處理N2促進(jìn)了根系的生長，延緩了表層根系的衰亡，同時顯著提高了產(chǎn)量.

2) 各施氮處理對加工番茄定植至開花階段的根系生長無明顯影響，在生產(chǎn)中可按處理N1施44 kg/hm2減氮施肥，在加工番茄開花后，根系的生長對施氮量有明顯的響應(yīng)，施氮按處理N2施234 kg/hm2的氮運籌可使根系達(dá)到最佳生長狀態(tài)，且保證了較高的產(chǎn)量和品質(zhì).