龔雪文，劉 浩，孫景生，張 昊，吳曉磊，陳新國，汪海明

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/農(nóng)業(yè)部作物需水與調(diào)控重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453003；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081；3. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，鄭州 450000)

0 引 言

近年來，日光溫室在我國華北地區(qū)發(fā)展迅猛，憑借高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和早熟的特點(diǎn)，日光溫室受到廣大農(nóng)戶的青睞，然而受傳統(tǒng)灌水經(jīng)驗(yàn)的影響，灌溉不合理導(dǎo)致的水肥利用效率低下、土壤鹽堿化和病蟲害等嚴(yán)重制約著我國日光溫室的發(fā)展[1]。20世紀(jì)70年代中期澳大利亞持續(xù)灌溉農(nóng)業(yè)研究所Tatura中心首次提出調(diào)虧灌溉技術(shù)(Regulated Deficit Irrigation, RDI)，即在作物生長發(fā)育某些階段(主要是營養(yǎng)生長階段)主動(dòng)施加一定的水分脅迫，促使作物光合產(chǎn)物分配向人們需要的組織器官傾斜，以提高其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[2]。

RDI對(duì)溫室作物產(chǎn)量及品質(zhì)的影響研究已屢見不鮮，崔寧博[3]等認(rèn)為溫室梨棗在果實(shí)成熟期實(shí)施中度水分虧缺可顯著改善品質(zhì)；常莉飛[4]等認(rèn)為不同時(shí)期的水分虧缺有利于增強(qiáng)黃瓜植株的抗旱能力，在結(jié)果期適度的水分虧缺可提高水分利用效率；鄭健[5]等認(rèn)為RDI技術(shù)可合理調(diào)節(jié)溫室小型西瓜光合產(chǎn)物在根冠間的分配，并改善果實(shí)品質(zhì)，提高水分利用效率。RDI不僅可以改善果實(shí)品質(zhì)，提高水分利用效率，而且可使作物某些生理期縮短，如枇杷樹在展葉期進(jìn)行水分虧缺可提前3周開花[6]，RDI可使晚熟品種的桃子提前一周成熟，亦可改善果實(shí)內(nèi)外品質(zhì)[7]?？梢?，RDI在節(jié)約灌溉用水和提高果實(shí)品質(zhì)方面效果顯著，在一定程度上提高了果實(shí)商品價(jià)值，具有重要意義。然而，針對(duì)華北地區(qū)日光溫室番茄，采用滴灌技術(shù)在關(guān)鍵生育期進(jìn)行調(diào)虧灌溉，能否能實(shí)現(xiàn)以水調(diào)質(zhì)、節(jié)水增效的效果還有待探討。因此，本文針對(duì)RDI條件下溫室番茄生長變化以及產(chǎn)量和品質(zhì)展開研究，旨在為華北地區(qū)溫室滴灌番茄發(fā)展節(jié)水優(yōu)質(zhì)高效灌水技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年3-7月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)綜合試驗(yàn)基地(35°9′ N，113°47′ E，海拔78.7 m)的日光溫室中進(jìn)行。年均降雨量548.3 mm，年均蒸發(fā)量1908.7 mm，多年平均氣溫14.1 ℃，日照時(shí)數(shù)達(dá)2398.8 h，無霜期200.5 d，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。試驗(yàn)所用溫室占地510 m2(長60 m、寬8.5 m)，下挖0.5 m，東西走向，坐北朝南，覆蓋0.2 mm厚的聚乙烯薄膜，在塑料薄膜上鋪設(shè)了5 cm厚的保溫棉被，側(cè)墻和后墻的墻體內(nèi)鑲嵌有60 cm厚的保溫材料，以確保溫室內(nèi)氣溫不低于20 ℃。日光溫室共設(shè)置3處通風(fēng)口，分別位于溫室頂部(60 m×30 cm)、南側(cè)(60 m×1.5 m)和北側(cè)(2 cm×2 cm，N=19)。試驗(yàn)區(qū)土壤為壤土類，0～100 cm土壤的理化性質(zhì)見表1。

表1 日光溫室土壤理化性質(zhì)

1.1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)供試番茄品種為“金頂新星”，于2015年1月5日育苗，3月8日移栽。畦長8 m，寬1.1 m，采用寬窄行種植方式，寬行65 cm，窄行45 cm，株距33 cm。采用滴灌的灌水方式，滴頭間距與株距相同，在每條番茄帶上鋪設(shè)一根滴灌帶(1.1 L/h)，參考20 cm蒸發(fā)皿累計(jì)蒸發(fā)量(Epam)進(jìn)行灌水，蒸發(fā)皿放置于冠層上方20 cm處，隨著番茄冠層位置調(diào)整高度，當(dāng)累計(jì)蒸發(fā)量達(dá)到20 cm ± 2時(shí)，開始灌水。設(shè)置3種水面蒸發(fā)系數(shù)，分別是0.9、0.7和0.5，然后劃分3個(gè)生育階段，即苗期、開花坐果期和成熟采摘期，苗期不設(shè)水分處理(由于要蹲苗)，開花坐果期和成熟采摘期分別設(shè)置3種不同的灌水量，主要以蒸發(fā)皿系數(shù)的大小確定每次的灌溉水量(表2)。為防止水分側(cè)滲，各小區(qū)之間埋設(shè)60 cm深的塑料薄膜，為確保幼苗的成活率并加強(qiáng)其長勢(shì)，移栽后以滴灌方式補(bǔ)充灌水20 mm。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)設(shè)置3次重復(fù)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與研究方法

1.2.1氣象資料

溫室內(nèi)外氣象因子由小氣候自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄，觀測(cè)內(nèi)容主要包括：輻射、氣溫、相對(duì)濕度、土壤溫度和濕度、風(fēng)速等。

表2 日光溫室滴灌番茄灌溉試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.2土壤含水率

土壤含水率采用取土烘干法測(cè)定，100 cm以上的含水率每隔7～10 d測(cè)量1次，灌水前后加測(cè)；每隔3～5 d測(cè)量1次計(jì)劃濕潤層(苗期為20 cm、開花坐果期為40 cm、果實(shí)成熟期為60 cm)含水率。

1.2.3冠層水面蒸發(fā)

使用天津氣象儀器廠生產(chǎn)的ADM7型蒸發(fā)器測(cè)量大氣1日內(nèi)的水分蒸發(fā)量。蒸發(fā)皿置于溫室中間位置，位于冠層上方20 cm處。每天上午8∶00定時(shí)測(cè)量，每次測(cè)量后為蒸發(fā)皿添加夠20 mm蒸餾水。

1.2.4作物生長指標(biāo)及LAI估算模型

試驗(yàn)處理開始后，每個(gè)小區(qū)選取有代表性植株3株，每隔5 d對(duì)株高和葉面積測(cè)量1次，株高采用卷尺測(cè)量，葉面積=長×寬×0.685。開花期間統(tǒng)計(jì)各小區(qū)的開花數(shù)、坐果數(shù)和坐果時(shí)間，并對(duì)同一天開花坐果的植株進(jìn)行掛牌標(biāo)定。

LAI的測(cè)量比較繁瑣，Rouphael[8]提出用有效積溫間接估算LAI的方法，有效積溫可用公式(1)表示：

THT=∑[(Tmax+Tmin)/2-TB]

(1)

式中：Tmax為日最大溫度，當(dāng)Tmax>32 ℃，則Tmax=[32-2(Tmax-32)]；Tmin為日最小溫度，當(dāng)Tmin

1.2.5產(chǎn)量和品質(zhì)

果實(shí)成熟后，每個(gè)處理隨機(jī)挑選6個(gè)果實(shí)(為同1天開花坐果)測(cè)量品質(zhì)，可溶性固形物(TTS)采用手持測(cè)糖儀測(cè)定，VC含量采用2,6-二氯酚靛酚滴定法測(cè)定，可滴定酸采用堿滴定法測(cè)量，可溶性蛋白質(zhì)用紫外可見光分光光度計(jì)法測(cè)定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定。

1.2.6耗水量和蒸發(fā)蒸騰量水分生產(chǎn)率

溫室番茄的耗水量采用水量平衡法計(jì)算，其計(jì)算公式為：

ET=Ir+U-D+(W0-W)

(2)

式中：ET為番茄的耗水量，mm；Ir為灌水量，mm；U為地下水補(bǔ)給量，mm；D為深層滲漏量，mm；W0、Wt分別為時(shí)段初和時(shí)段末100 cm土層內(nèi)的土壤儲(chǔ)水量，mm。

由于地下水位較深(在5.0 m以下)，作物無法吸收利用，故地下水補(bǔ)給量可忽略，即U=0；試驗(yàn)中各處理灌水定額較小(最大為22 mm)，灌溉基本上不會(huì)產(chǎn)生深層滲漏，因此深層滲漏量D亦可忽略，即D=0。

蒸發(fā)蒸騰量水分生產(chǎn)率(WUE)和灌溉水利用系數(shù)(IWUE)分別采用公式(3)和公式(4)計(jì)算：

WUE=Ya/ET

(3)

IWUE=(Ya-YD)/Ir

(4)

式中：WUE為蒸發(fā)蒸騰量水分生產(chǎn)率，kg/m3；IWUE為灌溉水利用系數(shù)，kg/m3；Ya為番茄產(chǎn)量，kg/hm2；ET為番茄耗水量，m3/hm2；Ir為灌水總量，m3/hm2。

YD為不灌溉時(shí)的番茄產(chǎn)量，溫室中無降雨補(bǔ)給，不灌溉番茄無法生存，故YD為0。

1.2.7數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用Excel軟件進(jìn)行處理、分析并繪制圖表。采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行方差分析，采用Duncan method(鄧肯新復(fù)極差法)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)虧灌溉條件下溫室番茄的生長變化趨勢(shì)

株高和葉面積指數(shù)(LAI)是體現(xiàn)作物生長變化的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，圖1給出了不同水分處理溫室番茄株高和LAI的變化過程。由于前期番茄處于緩苗期，2項(xiàng)指標(biāo)從移栽后24 d開始測(cè)量，將番茄的生長發(fā)育分為3個(gè)階段，可表示為快速生長期-平穩(wěn)期-衰老期。平均株高方面，k0.9k0.9最高，為0.96 m，k0.9k0.5最低，為0.89 m，說明在結(jié)果期減少水分供應(yīng)抑制了番茄植株的生長。從株高生長速率來看，移栽后24～48 d內(nèi)，k0.7k0.9的生長速率最大，為104.7%，栽后55～105 d內(nèi)，k0.9k0.9的株高生長速率最大，為100.58%。

LAI方面，全生育期k0.9k0.9、k0.9k0.7、k0.9k0.5、k0.7k0.9和k0.5k0.9的平均值分別為2.44、2.37、2.22、2.19和1.97 cm2/cm2。不同階段水分調(diào)控對(duì)LAI影響程度不同，后期水分虧缺對(duì)LAI的影響差異較小，k0.9k0.7和k0.9k0.5分別較k0.9k0.9低2.9%和9%，而前期水分虧缺對(duì)LAI的影響差異較大，k0.7k0.9和k0.5k0.9分別較k0.9k0.9低10.2%和19.3%，生殖生長時(shí)期水分虧缺抑制了LAI。采用有效積溫(THT)擬合LAI可得到較好的估算結(jié)果，本文將兩者擬合后得到較好的二次曲線關(guān)系(圖2)，決定系數(shù)(R2)達(dá)到了0.98，2者呈極顯著相關(guān)關(guān)系。

圖1 不同水分處理番茄株高和LAI的變化趨勢(shì)

圖2 用THT估算LAI的擬合結(jié)果

2.2 調(diào)虧灌溉對(duì)溫室番茄產(chǎn)量和蒸發(fā)蒸騰量水分生產(chǎn)率的影響

2.2.1灌水量和耗水量

本試驗(yàn)依據(jù)20 cm蒸發(fā)皿的累計(jì)蒸發(fā)量控制灌水時(shí)間和灌水量，各試驗(yàn)小區(qū)灌水時(shí)間同步，灌水量不同。苗期灌水2次，灌水周期約為10 d，開花坐果期灌水6次，平均灌水周期為5～6 d，成熟采摘期灌水7次，平均灌水周期為3～4 d。試驗(yàn)在開始做水分處理之前灌水量一致，均為40 mm，前期0.9Epam灌水處理的總灌水量分別為113.67、88.41和63.15 mm，后期0.9Epam灌水處理的總灌水量分別為130.77、101.71和72.65 mm，不同水分處理的總灌水量在175.65～284.17 mm之間變化，總耗水量在217.62～293.97 mm之間變化(表3)。不同階段水分虧缺改變了作物的總耗水量，如k0.7k0.9的灌水量較k0.9k0.7高3.74 mm，耗水量升高18.39 mm，k0.5k0.9的灌水量較k0.9k0.5高7.48 mm，耗水量升高37.43 mm。日耗水強(qiáng)度隨著生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，日耗水強(qiáng)度與灌水量呈正比，全生育期k0.9k0.9的日耗水強(qiáng)度分別較k0.9k0.7和k0.9k0.5高9.8%和21.4%，(圖3)?？梢姴煌潭鹊乃痔澣睂?duì)耗水量和日耗水強(qiáng)度影響顯著。

表3 2015年度不同灌溉處理月耗水量和總耗水量

圖3 2015年度不同月份不同水分處理的日耗水強(qiáng)度

2.2.2產(chǎn)量和蒸發(fā)蒸騰量水分生產(chǎn)率

表4給出了不同水分處理對(duì)番茄產(chǎn)量和蒸發(fā)蒸騰量水分生產(chǎn)率(WUE)等指標(biāo)的影響，灌水量對(duì)番茄產(chǎn)量和WUE等指標(biāo)影響顯著。k0.9k0.9處理的產(chǎn)量最高，達(dá)到141.07 t/hm2，k0.5k0.9處理的產(chǎn)量最低，僅為128.24 t/hm2，最大產(chǎn)量相比最小產(chǎn)量高9.1%。開花坐果時(shí)期水分虧缺嚴(yán)重影響了番茄產(chǎn)量構(gòu)成，如k0.9k0.7處理的產(chǎn)量較k0.7k0.9高1.41 t/hm2，k0.9k0.5處理的產(chǎn)量較k0.5k0.9高1.51 t/hm2。WUE隨著灌水定額的增加而減小，其中k0.9k0.5的WUE最高，為54.73 kg/m3，不同階段水分虧缺同樣影響了WUE，如k0.9k0.7灌水量較k0.7k0.9低3.74 mm，WUE提高7.3%，k0.9k0.5灌水量較k0.5k0.9低7.48 mm，WUE提高14.64%。灌溉水補(bǔ)償率(Irc)是指灌溉水對(duì)作物后期耗水量的補(bǔ)償效應(yīng)，是反應(yīng)灌溉水利用系數(shù)的有效指標(biāo)。k0.9k0.9的Irc最高，為96.67%，k0.5k0.9的Irc最低，僅為85.12%，Irc隨著灌水量的增加有明顯上升趨勢(shì)，灌水量越多，水分無效損耗也就越大。

表4 2015年不同處理番茄的產(chǎn)量和蒸發(fā)蒸騰量水分生產(chǎn)率

2.3 調(diào)虧灌溉對(duì)溫室番茄品質(zhì)指標(biāo)的影響

茄果類蔬菜的營養(yǎng)品質(zhì)主要指果實(shí)中的營養(yǎng)成分，如維生素C(VC)、可溶性固形物(TTS)、有機(jī)酸、可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖等，這些也是衡量果實(shí)綜合品質(zhì)的重要指標(biāo)。

圖4為不同水分處理?xiàng)l件下番茄果實(shí)的各項(xiàng)營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)。低水分條件下果實(shí)的營養(yǎng)品質(zhì)顯著提高，其中可溶性酸、VC和TTS均表現(xiàn)為k0.9k0.5最大，分別為0.5%、124.86 mg/kg和4.7%，而可溶性糖、糖酸比和硬度均表現(xiàn)為k0.5k0.9處理最大，分別為1.9%、4.2%和2.97 kg/cm2，k0.9k0.9的所有品質(zhì)指標(biāo)均較小，且與k0.9k0.7和k0.7k0.9各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)之間無顯著性差異?？梢?，對(duì)于溫室番茄，當(dāng)水分虧缺達(dá)到50%以上時(shí)，才可以有效提高果實(shí)品質(zhì)。

從不同生育階段水分虧缺對(duì)番茄營養(yǎng)品質(zhì)的影響程度來看，階段水分虧缺程度為0.5Epam的果實(shí)營養(yǎng)品質(zhì)顯著高于0.7Epam。0.5Epam的水分虧缺程度對(duì)番茄營養(yǎng)品質(zhì)影響最大，如可溶性酸、糖酸比、TTS和VC等指標(biāo)，開花坐果期水分虧缺與成熟采摘期水分虧缺差異明顯，而0.7Epam水分虧缺并不能達(dá)到同樣效果。

圖4 不同水分處理番茄果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)

2.4 溫室滴灌番茄經(jīng)濟(jì)耗水指標(biāo)的篩選

溫室番茄總產(chǎn)量、WUE與ET采用線性方程進(jìn)行擬合后可以看出(圖5)，產(chǎn)量達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的ET為293.97 mm，WUE為47.99 kg/m3，此時(shí)番茄產(chǎn)量、ET和WUE之間并不能達(dá)到一個(gè)理想平衡狀態(tài)。圖5橢圓中分布的4個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)2個(gè)水分處理，即k0.9k0.7(上面2個(gè)點(diǎn))和k0.5k0.9(下面2個(gè)點(diǎn))，2個(gè)處理對(duì)應(yīng)的ET幾乎相同，均在273 mm附近，但產(chǎn)量和WUE卻有較大差異，k0.9k0.7產(chǎn)量和WUE分別較k0.5k0.9高8.5%和9.3%，說明成熟采摘期較開花坐果期適度水分虧缺不僅能提高產(chǎn)量，亦可提高WUE。

理想狀況下，通常選擇WUE曲線與產(chǎn)量曲線交匯點(diǎn)作為作物理想耗水狀態(tài)，通過分析圖5可知，2條曲線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的番茄產(chǎn)量約為134 t/hm2，ET約為265 mm，WUE約為50.8 kg/m3。當(dāng)耗水量低于此值時(shí)，供水過少，番茄遭受水分脅迫而不能正常發(fā)育，產(chǎn)量隨灌水量的增加而增加；當(dāng)耗水量高于此值，供水過多，番茄植株?duì)I養(yǎng)生長會(huì)抑制生殖生長，導(dǎo)致落花落果，產(chǎn)量有減小趨勢(shì)。因此，當(dāng)溫室番茄全生育期ET處于265 mm (灌水量約為230 mm)左右時(shí)，可在不影響產(chǎn)量的同時(shí)，可提高WUE，獲得節(jié)水高產(chǎn)高效的統(tǒng)一。

圖5 產(chǎn)量、蒸發(fā)蒸騰量水分生產(chǎn)率與耗水量的關(guān)系

3 結(jié) 語

本文以溫室番茄為研究對(duì)象，探討了調(diào)虧灌溉對(duì)番茄生長發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)、ET和WUE等方面的影響，提出了溫室滴灌番茄經(jīng)濟(jì)耗水指標(biāo)。從試驗(yàn)分析結(jié)果來看，溫室番茄在開花坐果期出現(xiàn)水分虧缺會(huì)減緩后期植株的生殖生長，導(dǎo)致產(chǎn)量和WUE降低，而可溶性糖、糖酸比和硬度有所提高，但對(duì)可溶性酸、VC和TTS影響不顯著；在番茄結(jié)果期適度水分虧缺，對(duì)植株生長發(fā)育未造成顯著影響，產(chǎn)量和WUE得到顯著提高，灌水量減少3%，產(chǎn)量提高1.2%左右；從溫室滴灌番茄經(jīng)濟(jì)耗水指標(biāo)分析，認(rèn)為灌水量在230 mm左右時(shí)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與WUE的平衡，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)水高產(chǎn)高效的統(tǒng)一。

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