古 君, 牛文全,**, 呂 望, 李 元, 梁博惠, 郭麗麗

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灌水下限與毛管埋深對溫室番茄生長的影響*

古 君1, 牛文全1,2**, 呂 望2, 李 元1, 梁博惠2, 郭麗麗2

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所 楊凌 712100; 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院 楊凌 712100)

為探明番茄根系生長與水分分布之間的互反饋機(jī)制, 通過日光溫室地下滴灌試驗(yàn), 設(shè)置了4種毛管埋深(0 cm、10 cm、20 cm和30 cm)和3種灌水下限(保持土壤含水量為50%、60%和75%田間持水量), 研究了不同灌水下限與毛管埋深對番茄根系生長及干物質(zhì)分配的影響。研究結(jié)果表明, 輕度、中輕度水分虧缺(灌水下限為75%和60%田間持水量)時, 毛管埋深對番茄耗水量有顯著影響, 10~20 cm毛管埋深提高番茄耗水量。毛管埋深增加會減少0~20 cm土層根系分布, 促進(jìn)20~60 cm土層根系生長; 毛管埋深對0~10 cm、20~30 cm、30~40 cm土層根系生長影響顯著, 對50~60 cm土層根系生長無顯著影響。灌水下限對細(xì)根(<1 mm)、粗根(>1 mm)的根長與根表面積影響顯著, 毛管埋深對細(xì)根的根長與根表面積有顯著影響; 輕度水分虧缺及20 cm毛管埋深有利于細(xì)根根長和根表面積生長, 減少粗根比例。本研究結(jié)果表明, 輕度水分虧缺及毛管埋深為20 cm更有利于全株干物質(zhì)積累, 灌水下限為75%田間持水量能夠增加根系干物質(zhì)分配比例, 而20 cm毛管埋深則能促進(jìn)干物質(zhì)向莖葉轉(zhuǎn)移且減少根系干物質(zhì)的分配比例。

地下滴灌; 毛管埋深; 灌水下限; 根系分布; 干物質(zhì)分配; 番茄

根系具有吸收土壤水分與養(yǎng)分的功能, 同時起固定與支撐植株的作用, 是作物最活躍的吸收器官。作物對水分、養(yǎng)分吸收能力以及產(chǎn)量的形成與根系生長關(guān)系密切, 同時土壤水分能夠影響到植株根系的形態(tài)、分布及植株的根冠比[1-2]。前人研究表明, 根系分布與土壤水分存在一定的互反饋關(guān)系[3], 高土壤水分能夠抑制根系的生長, 降低根系活力, 引起根系提前衰亡[4]; 而水分虧缺在一定程度上促進(jìn)了根系向下生長, 但引起初、次生根量下降, 無法滿足植株需水要求[5]。水分供給不僅在于多少, 還取決于其在土壤剖面的分布狀況。水分集中分布于表層土壤會造成根系呈寬淺型分布[6], 不利于根系對深層土壤水分及養(yǎng)分的吸收利用; 深層土壤水分過多, 根系雖在向水特性的驅(qū)使下向下生長, 但根系消耗干物質(zhì)量會增加, 不利于產(chǎn)量的形成[7]。因此, 田間土壤水分分布狀態(tài)與含量的研究對作物生長及產(chǎn)量的形成具有重要意義。

地下滴灌是通過埋于地下的毛管將水分直接輸送至作物根區(qū)的一種精準(zhǔn)灌溉方式, 該灌溉方式能夠有效降低地表無效蒸發(fā)并提高植株水分利用效率, 是一種高效節(jié)水的灌溉新技術(shù)。毛管埋深(供水深度)是影響地下滴灌土壤水分運(yùn)移與分布的重要因素之一, 適宜的毛管埋深能夠營造出根區(qū)適宜的水、肥、氣、熱環(huán)境[8], 顯著影響植株根系形態(tài)與分布, 合理分配干物質(zhì), 達(dá)到最優(yōu)根冠比, 提高植株水分利用效率[9]。劉玉春等[10-11]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 毛管埋深能顯著影響番茄(Miller)最大根長密度出現(xiàn)的深度, 隨毛管埋深的增加, 深層根系比例也隨之增加, 但番茄干物質(zhì)質(zhì)量與吸氮量卻隨毛管增加呈減少趨勢。Patel等[12]研究表明, 沙壤土條件下10 cm毛管埋深時充分灌溉是最優(yōu)的灌溉方式, 能夠獲取最大收益比。Machado等[13]對番茄研究表明, 在一定灌水下, 毛管埋深對根系根長密度無顯著影響, 但根系會在毛管所在位置聚集。對不同毛管埋深及多種水分灌溉條件下土壤水分變化與作物根系生長發(fā)育互反饋機(jī)制進(jìn)行深入研究有助于地下滴灌系統(tǒng)的精確設(shè)計(jì)與水分管理。

目前毛管埋深對番茄的研究側(cè)重于對產(chǎn)量與水分效率的影響[14-15], 且多是針對某單項(xiàng)機(jī)理進(jìn)行研究, 對番茄根系分布以及干物質(zhì)分配影響的研究相對不足。本研究通過設(shè)置3種不同灌水下限及毛管埋深, 探討了兩因素對水分分布、消耗、根系垂直分布與干物質(zhì)分配的影響, 旨在探明根系分布與水分分布之間的互反饋機(jī)制, 為日光溫室番茄的水分管理提供有力的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及供試材料

試驗(yàn)于2015年10月8日至2016年4月19日在陜西楊凌大寨鄉(xiāng)日光大棚內(nèi)進(jìn)行, 試驗(yàn)地位于108°02′E, 34°02′N, 海拔高度506 m, 年平均溫度約為16.1 ℃, 年日照時數(shù)2 164.8 h, 無霜期210 d, 屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。試驗(yàn)大棚長108 m, 寬8 m, 覆蓋半無滴聚乙烯棚膜。試驗(yàn)用土為楊凌土, 土壤容重1.39 g·cm-3, 質(zhì)量含水率為23.63%, 孔隙度為45.83%。壤中砂礫(0.02~2 mm)占25.4%, 粉粒(0.002~0.02 mm)占44.1%, 黏粒(≤0.002 mm)占30.5%。

番茄品種為‘海地’, 幼苗于10月2日進(jìn)行移栽, 定植后各小區(qū)灌水30 mm, 以保證幼苗存活。試驗(yàn)小區(qū)長5.5 m、寬1 m, 相鄰小區(qū)間操作行寬50 cm, 以防小區(qū)間水分相互滲透。每小區(qū)定植番茄幼苗28株, 采用雙行種植, 番茄株距0.4 m, 行距0.5 m。定植后覆膜。每個小區(qū)中間鋪設(shè)1條滴灌帶, 距番茄植株25 cm, 滴頭間距為0.3 m, 滴頭流量2.8 L·h-1, 同時在小區(qū)中間距毛管5 cm處安裝1根長度為1 m的水分監(jiān)測管, 采用Field TDR 200探測儀以測量小區(qū)的水分狀況。全生育期內(nèi)各處理的其他農(nóng)藝技術(shù)及施肥管理措施均一致。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)3個灌水下限: 田間持水率的50%(重度水分虧缺, I50)、田間持水率的60%(中輕度水分虧缺, I60)、田間持水率的75%(輕度水分虧缺, I75), 灌水上限統(tǒng)一設(shè)定為田間持水量的90%。毛管埋深(D)設(shè)4個水平, 分別為0 cm(D0)、10 cm(D10)、20 cm(D20)和30 cm(D30)。試驗(yàn)采用全面試驗(yàn)設(shè)計(jì), 共12個處理, 每個處理重復(fù)3次, 共36個試驗(yàn)小區(qū)。全生育期內(nèi)各小區(qū)計(jì)劃濕潤層深度為40 cm, 當(dāng)土壤含水率達(dá)到設(shè)定值時, 即對該小區(qū)進(jìn)行灌水, 灌水量通過水表記錄。由于在實(shí)際操作過程中, 很難控制灌水下限, 故各處理均設(shè)±2%范圍值(占田間持水率的百分比)。灌水量計(jì)算公式為:

=′′′′θ′(1-2)/(1)

式中:為灌水量, m3;為計(jì)劃濕潤層面積, 取5.5 m2;為土壤容重, 取1.39 g·cm-3;為濕潤比, 取100%;為濕潤層深度, 取0.4 cm;θ為田間持水量(體積含水率), %;1、2為灌水上限、土壤下限(以相對田間持水率的百分比表示), %;為水分利用效率, 地下滴灌取0.95。

全生育期內(nèi), 各小區(qū)次灌水定額、總灌水量見表1。

表1 各處理番茄生育期內(nèi)灌水定額、總灌水量

I50、I60、I75分別表示灌水下限為田間持水量的50%、60%、75%; D0、D10、D20、D30分別表示毛管埋深0 cm、10 cm、20 cm、30cm。I50, I60, I75mean irrigation thresholds of 50%, 60%, 75% of field capacity. D0, D10, D20, D30mean that the depths of lateral are 0 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm, respectively.

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤水分測定

采用Field TDR 200探測儀測量土壤水分, 每隔10 cm采集1個數(shù)據(jù), 最大深度為90 cm。全生育期每5 d測定1次, 栽種前、收獲后各測1次, 灌前各小區(qū)加密測量2次。

1.3.2 番茄耗水量

根據(jù)試驗(yàn)場地條件(無地下水和降水補(bǔ)給), 番茄耗水量計(jì)算公式為:

W=I+W-1?W(2)

式中:為番茄耗水量, mm;為灌水量, mm;W-1和W分別為測定前期與末期0~60 cm土壤蓄水量, mm。

1.3.3 根系指標(biāo)測定

成熟末期每個小區(qū)隨機(jī)選取3株番茄, 除去地上部分, 采用直徑為6 cm根鉆緊貼主根進(jìn)行取根, 每隔10 cm取樣1次, 取樣至60 cm深。采集到的樣品用水浸泡使其松散后再用緩慢水流沖洗并過0.5 mm篩獲得根樣。根樣用EPSON PerfectionV700掃描儀進(jìn)行掃描, 掃出的圖像用WinRHIZO Pro軟件分析, 得到根長數(shù)據(jù)。各土層根長密度=各土層總根長/根鉆取土體積。

1.3.4 番茄植株各器官干重占比

至成熟期, 每小區(qū)隨機(jī)選取3株長勢一致的番茄植株。采樣完成后立即進(jìn)行根、莖、葉果分離, 然后將樣品放入烘箱中于105 ℃殺青15 min, 隨后調(diào)至70 ℃烘干至恒重。烘干待冷卻后, 用精度0.01 g天平測定各器官干重, 并計(jì)算各植株器官干重占比。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel軟件進(jìn)行整理, 用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和交互作用方差分析, 用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水下限與毛管埋深對土壤水分變化的影響

圖1分別為成熟期一次灌水周期內(nèi)灌水24 h后與下一次灌水前土壤水分分布情況。地表滴灌與地下滴灌由于灌水深度的不同, 導(dǎo)致水分在土壤剖面分布有較大差異。由圖1可知, 不同深度土壤含水率總體隨毛管埋深深度的增加呈先增大后減小趨勢。0 cm、10 cm、20 cm、30 cm埋深最大土壤含水率出現(xiàn)位置分別為0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm土層范圍, 說明毛管埋深增加會使土壤最大含水率出現(xiàn)位置呈下移現(xiàn)象。至下一次灌水前, 各處理在60 cm以下土層的土壤水分變化較小, 幅度為0.52%~1.72%。I50與I60處理0~60 cm土層內(nèi)土壤平均含水率為18.03%、20.43%, 較I75處理分別減少12.94%、23.19%, 經(jīng)方差分析表明各灌水處理平均含水率達(dá)到顯著性差異(<0.05)。同一灌水處理下, 各埋深土壤含水率在0 cm、20 cm、30 cm、40 cm深度差異較大, 分別為0.86%~4.94%、0.62%~5.29%、0.94%~5.75%和0.12%~4.75%, 而10 cm、50 cm、60 cm深度各埋深差異均低于3.50%。由此可知, 不同水分虧缺程度是影響平均含水率的主要因素, 毛管埋深對地表及20~40 cm土層含水率影響較大, 對50~60 cm土層含水率影響較小。

I50、I60、I75分別表示灌水下限為田間持水量的50%、60%、75%; D0、D10、D20、D30分別表示毛管埋深0 cm、10 cm、20 cm、30cm。I50, I60, I75mean irrigation thresholds of 50%, 60%, 75% of field capacity, respectively. D0, D10, D20, D30mean the depths of lateral of 0 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm, respectively.

一次灌水周期內(nèi), 0~60 cm土層內(nèi)番茄耗水量隨灌水下限增加呈顯著增加趨勢(表2), I50、I60處理番茄耗水量是I75處理的2.02倍、2.72倍。I60與I75時, 0~60 cm土層內(nèi)番茄耗水量隨毛管埋深增加呈先增加后減小趨勢。I75的10 cm、20 cm耗水量與0 cm、30 cm埋深差異顯著, I60的20 cm埋深耗水量較0 cm、10 cm、30 cm埋深處理增加13.55%、6.20%、3.24%, 且與0 cm埋深處理耗水量達(dá)到顯著性差異。I50處理下, 毛管埋深對0~60 cm土層內(nèi)番茄耗水量無顯著影響, 10 cm、20 cm埋深處理耗水量較30 cm埋深分別增加12.94%、12.30%。由此可知, 番茄耗水量主要受灌水下限影響, 在輕度與中輕度水分虧缺時, 10~20 cm毛管埋深提高番茄耗水量。

2.2 不同灌水下限與毛管埋深下番茄根長密度在土壤剖面的分布

圖2表示不同灌水下限下毛管埋深對根長密度的影響。從圖2可知, 番茄根長密度隨土壤深度增加總體呈減小趨勢, 番茄根系主要集中在0~30 cm土層。不同灌溉處理下0~30 cm土層深度內(nèi)根長密度占總根長密度的比例為72.35%~90.23%。各灌水處理下, 0~20 cm土層根長密度隨毛管埋深增加而減小, 與0 cm埋深相比, 埋深為20 cm、30 cm處理平均根長密度所占比分別降低14.81%、18.09%, 埋深為10 cm處理降低7.26%。在20~60 cm土壤深度范圍內(nèi), 番茄根長密度占比隨毛管埋深增加而增加, 與30 cm埋深相比, 0 cm、10 cm埋深平均根長密度減幅嚴(yán)重, 分別達(dá)35.21%、21.22%, 而20 cm埋深僅減小6.42%。由此可見, 隨毛管埋深增加會導(dǎo)致表層根系分布減小, 促進(jìn)根系向下生長, 同時根系在毛管埋深位置有集中分布。

表2 不同灌水下限與毛管埋深下番茄在0~60 cm土層耗水量

I50、I60、I75分別表示灌水下限為田間持水量的50%、60%、75%; D0、D10、D20、D30分別表示毛管埋深0 cm、10 cm、20 cm、30cm。表中不同小寫字母表示相同灌水下限下不同毛管埋深間差異達(dá)顯著水平(<0.05)。I50, I60, I75mean irrigation thresholds of 50%, 60%, 75% of field capacity, respectively. D0, D10, D20, D30mean the depths of lateral of 0 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm, respectively. Different lowercase letters mean significant differences among different lateral depths under the same irrigation threshold (< 0.05).

I50、I60、I75分別表示灌水下限為田間持水量的50%、60%、75%; D0、D10、D20、D30分別表示毛管埋深0 cm、10 cm、20 cm、30cm。表中不同小寫字母表示同一土壤深度不同毛管埋深間差異達(dá)顯著水平(<0.05)。I50, I60, I75mean irrigation thresholds of 50%, 60%, 75% of field capacity, respectively. D0, D10, D20, D30mean the depths of lateral of 0 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm, respectively. Different lowercase letters mean significant differences among differentirrigation lateral depths for the same soil depth (< 0.05).

不同毛管埋深造成根系在土壤剖面分布的差異。各灌水處理下, 0~10 cm、30~40 cm土層內(nèi)毛管埋深對番茄根長密度有顯著性影響, 0~10 cm土層根長密度隨毛管埋深增加而顯著降低, 0 cm埋深根長密度與20 cm、30 cm埋深處理達(dá)到顯著性差異; 30~40 cm土層內(nèi), I50、I75處理下20 cm、30 cm埋深番茄根長密度顯著高于0 cm和10 cm埋深處理, 埋深0 cm處理根長密度與10 cm埋深無顯著性差異; I60下 30 cm埋深較其他埋深能顯著增加根長密度, 0 cm、10 cm與20 cm埋深番茄根長密度無差異。在10~20 cm土層內(nèi), 除I75處理外, 10 cm、20 cm埋深較0 cm與30 cm埋深處理能顯著提高番茄根長密度, 10 cm埋深根長密度與20 cm埋深無顯著性差異。在20~30 cm土層內(nèi), I50、I75處理下毛管埋深對番茄根長密度有顯著影響, 而在I60處理下無顯著差異。各灌水條件下毛管埋深為20 cm處理的根長密度最大, 且與0 cm埋深處理在40~50 cm土層內(nèi)達(dá)到顯著性差異; I50、I60處理下20 cm埋深的根長密度顯著高于其他埋深處理, I75處理下20 cm、30 cm埋深番茄根長密度顯著高于0 cm、10 cm, 而0 cm與10 cm埋深番茄根長密度無顯著差異。在土層50~60 cm內(nèi), 0 cm、30 cm埋深根長密度低于埋深為10 cm、20 cm處理, 毛管埋深對番茄根長密度無顯著性影響。由此可知, 根長密度最大值隨毛管埋深增加總體呈下移現(xiàn)象; 0~10 cm、20~30 cm、30~40 cm土層范圍內(nèi)毛管埋深造成水分差異使根系生長受到顯著影響, 而50~60 cm土層水分對根系生長影響較弱。

2.3 不同灌水下限與毛管埋深對不同直徑根系的影響

表3為各處理不同直徑根系的特征參數(shù)。由表3可知, 不同直徑根長隨灌水下限增加均呈先增加后減小趨勢。I60、I75處理<1 mm根長較I50分別增加16.60%、10.30%, I75處理能顯著增加<1 mm根長比例, 分別較I50、I60處理提高4.68%、3.19%。I60處理>1 mm根長較灌水I50、I75顯著增加33.15%、73.27%, 同時能提高>1 mm比例, I50、I75較其降低11.13%、36.00%。說明輕度水分脅迫促進(jìn)細(xì)根生長, 減少粗根比例, 而中輕度水分脅迫表現(xiàn)相反。>1 mm根長隨毛管埋深增加呈先增加后減小趨勢, 而<1 mm根長隨毛管埋深增加總體呈先減小后增加趨勢。與其余埋深比較, 20 cm埋深提高<1 mm根長比例, 降低>1 mm根長比例。

對<1 mm根, 根表面積隨灌水下限增加呈顯著增加趨勢, 20 cm埋深根表面積較其余處理顯著增加。>1 mm時, I60處理根表面積達(dá)最大值, 除I50外, 其余處理10~20 cm埋深的根表面積低于0 cm、30 cm毛管埋深。與I50、I60處理相比, I75處理提高<1 mm的根表面積比例, 減小>1 mm的根表面積比例, 而I60根徑為>1 mm的根表面積比例最大。與0 cm、10 cm、30 cm埋深相比, 20 cm埋深增加<1 mm的根表面比例分別為10.65%、4.89%和12.51%, 減少>1 mm根表面比例為21.91%、10.07%和25.75%。說明20 cm毛管埋深有利于細(xì)根系生長發(fā)育, 減少粗根系。

方差分析表明, 灌水下限與毛管埋深對<1 mm根長、根表面積的影響達(dá)極顯著水平, 且灌水下限作用大于毛管埋深作用。灌水下限對>1 mm根長、根表面積的影響也達(dá)極顯著水平, 而毛管埋深對>1 mm根長與根表面積的影響均不顯著, 兩者交互作用對不同直徑根長與根表面積影響極顯著。說明水分脅迫是影響根系生長的主要影響因素, 毛管埋深主要是影響細(xì)根系生長。綜上所述, 灌水下限對細(xì)根、粗根的根長和根表面積均有顯著影響, 毛管埋深僅對細(xì)根生長產(chǎn)生影響。輕度水分虧缺和20 cm毛管埋深有利于細(xì)根系根長與根表面積生長, 減少粗根系比例。

表3 不同灌水下限與毛管埋深番茄不同直徑(d)根系的根長與根表面積

I50、I60、I75分別表示灌水下限為田間持水量的50%、60%、75%; D0、D10、D20、D30分別表示毛管埋深0 cm、10 cm、20 cm、30cm。表中不同小寫字母表示同一灌水下限下不同毛管埋深間差異達(dá)顯著水平(<0.05)。NS和*, **分別表示差異不顯著和在5%、1%水平顯著。I50, I60, I75mean irrigation thresholds of 50%, 60%, 75% of field capacity, respectively. D0, D10, D20, D30mean the depths of lateral of 0 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm, respectively. Different lowercase letters mean significant differences among different lateral depths under the same irrigation threshold (< 0.05). NS and *, ** mean not significant difference and significant differences at 5%, 1% levels, respectively.

2.4 不同灌水下限與毛管埋深對番茄干物質(zhì)的影響

表4為成熟期不同水分虧缺下毛管埋深對番茄干物質(zhì)分配的影響。由表4可知, 20 cm埋深處理全株干重顯著高于其他處理, 0 cm埋深與30 cm埋深的全株干重?zé)o顯著差異。同等埋深下, 番茄全株干重隨灌水下限增加呈顯著增加趨勢。說明20 cm毛管埋深下, 與實(shí)施輕度水分虧缺灌溉(灌水下限為I75)時有利于番茄干物質(zhì)積累。

方差分析表明, 灌水下限對番茄根、莖葉、果干重影響極顯著。I60處理的根平均干重高于灌水下限I50與I75, 較I50、I75增加36.01%、13.30%; 莖葉、果干重隨灌水下限增加而增加, I60、I75處理莖葉、果干重顯著高于I50處理, I60莖葉重與I75無顯著差異, 0 cm、20 cm埋深時I60果干重顯著低于I75處理。毛管埋深對番茄根、果干重影響不顯著, 對莖葉干重的影響達(dá)極顯著水平。I75時, 各器官干重隨毛管埋深增加呈先增加后減小趨勢, 20 cm埋深根干重占干物質(zhì)總重比例最低, 莖葉干重占干物質(zhì)總重比例較大。I60處理下, 20 cm埋深莖葉、果干重及莖葉干重占干物質(zhì)總重比例高于其余處理, 而果干重占干物質(zhì)總重比例最低但較其余處理差異較小;埋深30 cm根干重所占比例最大, 較0 cm、10 cm與20 cm埋深分別增加16.01%、5.84%、7.55%。I50處理下10 cm埋深根、果干重占干物質(zhì)總重比例最高。與10 cm、30 cm埋深處理相比, 0 cm、20 cm埋深根干重與葉干重占干物質(zhì)總重比例較低, 而莖葉干重占比較高。灌水下限與毛管埋深交互作用對全株干重、莖葉干重與果干重顯著影響, 對根干重及根冠比影響不顯著。

根冠比是反映植物根系與地上部分生長協(xié)調(diào)性的重要指標(biāo)。在各水分處理下, I60的根冠比顯著高于I50處理。而I75處理下, 各毛管埋深平均根冠比與I50、I60并無顯著差異。毛管埋深對番茄根冠比無顯著性影響, 20 cm毛管埋深處理番茄根冠比低于其余毛管埋深處理, I50和I60處理下, 10 cm、30 cm毛管埋深根冠比高于其余埋深下的根冠比。綜上所述, 輕度水分虧缺有利于干物質(zhì)向根系運(yùn)移, 而20 cm毛管埋深能減小干物質(zhì)向根系運(yùn)移, 促進(jìn)干物質(zhì)在莖葉上積累。

表4 不同灌水下限和毛管埋深對番茄干物質(zhì)分配的影響

I50、I60、I75分別表示灌水下限為田間持水量的50%、60%、75%; D0、D10、D20、D30分別表示毛管埋深0 cm、10 cm、20 cm、30cm。表中不同小寫字母表示不同處理間差異達(dá)顯著水平(<0.05)。NS和*, **分別表示差異不顯著和在5%、1%水平顯著。I50, I60, I75mean irrigation thresholds of 50%, 60%, 75% of field capacity, respectively. D0, D10, D20, D30mean the depths of lateral of 0 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm, respectively. Different lowercase letters mean significant differences among differenttreatments (< 0.05). NS and *, ** mean not significant difference and significant differences at 5%, 1% levels, respectively.

3 討論

本研究得出輕度與中輕度水分虧缺時10~20 cm毛管埋深更有利于番茄對土壤水分的吸收利用。其原因可能是適度水分虧缺可增加深層土壤根系量, 提高根系活力與深層土壤貯水的吸收利用量[16], 再加上番茄根系主要集中分布于地下30 cm范圍內(nèi), 這與10~20 cm埋深形成濕潤體的位置大小密切相關(guān), 兩者相匹配能使根系生長處于最佳環(huán)境, 更利于根系對土壤剖面水分吸收利用[17]。

前人研究表明, 深層土壤水分可誘導(dǎo)根系向下深扎, 致使表土層根系分布相對減少[18]。本研究表明, 隨地下滴灌毛管埋深的增加, 土壤最大含水率出現(xiàn)位置呈下移趨勢, 導(dǎo)致深土層根系分布增加和表土層根系分布相對較少, 且在毛管埋深所在的位置尤為顯著。各層土壤含水量與根系分布存在正相關(guān)關(guān)系[19], 因此土壤含水量的差異必然影響根系分布的數(shù)量。本試驗(yàn)毛管埋深對0~10 cm、20~30 cm、30~40 cm土層根長密度有顯著性影響, 而對50~60 cm土層深度內(nèi)根系影響相對較弱。這可能是由于隨毛管埋深的增加, 運(yùn)移至表層和深層土壤水分含量差異較大[12], 毛管埋深淺會使表層水分含量高, 由于根系生長具有向水性, 造成根系集中分布于表層土壤; 而毛管埋深較深會使深層水分增加, 促使表層根系減少而深土層根系分布增加[20], 從而對表層及深層土壤根系生長影響程度大。當(dāng)達(dá)到一定土層深度時, 超出根系集中分布范圍, 對深層貯存水分消耗強(qiáng)度較小, 因此對根系生長影響程度也較小[21]。

細(xì)根(直徑小于1 mm根系)是作物主要的吸水根, 其數(shù)量與分布影響作物對水分的吸收利用, 是引起產(chǎn)量差異的原因之一[3]。前人研究表明, 灌水量對番茄細(xì)根系生長的影響達(dá)到顯著水平, 灌水過少不利于細(xì)根根系生長[22]。本研究結(jié)果同樣也表明, 不同灌溉下限引起灌水量差異對不同直徑根長與根表面積的影響達(dá)到顯著水平, 重度水分虧缺會抑制不同直徑根系的生長。有研究表明, 透氣性好的土壤會使一級側(cè)根根系長度和根系平均直徑減小, 細(xì)根量顯著增加[23]。本試驗(yàn)研究還表明, 20 cm毛管埋深有利于細(xì)根系生長, 減少粗根系生長比例。這可能是由于20 cm埋深能形成適宜的水、肥、氣、熱生長環(huán)境, 使土壤保持良好的透氣性, 能及時補(bǔ)充根系活動所需的氧氣, 進(jìn)而促進(jìn)細(xì)根生長, 提高細(xì)根表面積與吸收面積。

土壤水分能夠影響到植株各部分干物質(zhì)的分配比例, 控制在最佳的根冠比范圍內(nèi)是實(shí)現(xiàn)水分高效利用與提高產(chǎn)量的基礎(chǔ)[24]。前人對番茄、小麥等作物研究表明, 適度水分虧缺能促進(jìn)番茄植株干物質(zhì)積累, 利于根系干物質(zhì)積累[25-26]。本試驗(yàn)表明, 在中輕度水分虧缺條件下有利于番茄干物質(zhì)積累并促進(jìn)干物質(zhì)向根系的轉(zhuǎn)移。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn), 毛管埋深為20 cm能夠促進(jìn)干物質(zhì)積累, 并提高葉片干重在總干重中所占的比例, 但減少了根系的干物質(zhì)分配比例。可能是由于20 cm毛管埋深導(dǎo)致濕潤體總體下移, 減小了表土層土壤水分的無效蒸發(fā), 提高了植株的光合作用[27]。同時20 cm毛管埋深還能夠減少表層土壤根系的分布, 降低植株對土壤干旱和根化學(xué)信號的敏感性, 這會減少干物質(zhì)量向根系的過度分配, 促進(jìn)植株地上部分的生長[28]。

本研究通過溫室滴灌試驗(yàn)研究了不同灌水方式對土壤水分、土壤根系生長及干物質(zhì)分配的影響, 對溫室番茄的水分管理具有重要的指導(dǎo)意義。由于本試驗(yàn)在溫室大棚內(nèi)進(jìn)行, 對于更為復(fù)雜的田間試驗(yàn)條件下, 需進(jìn)一步研究關(guān)注。

4 結(jié)論

1)毛管埋深增加會使土壤最大含水率出現(xiàn)位置呈下移現(xiàn)象, 對地表及20~40 cm土層含水率影響較大, 對50~60 cm土層含水率影響較小。輕度、中輕度水分虧缺時, 毛管埋深對番茄耗水量有顯著影響, 10~20 cm毛管埋深提高番茄耗水量。

2)毛管埋深增加會減少0~20 cm土層根系分布, 促進(jìn)20~60 cm土層根系生長, 且在毛管埋深位置有集中分布的特征。毛管埋深對0~10 cm、20~30 cm、30~40 cm土層根系生長顯著影響, 對50~60 cm土層根系生長無顯著影響。

3)灌水下限對細(xì)根、粗根的根長和根表面積均有顯著影響, 毛管埋深對細(xì)根生長影響顯著。灌水下限為75%田間持水量和20 cm毛管埋深有利于細(xì)根根長和根表面積生長, 減少粗根系比例。

4)灌水下限為75%田間持水量及毛管埋深為20 cm更有利于全株干物質(zhì)積累, 灌水下限為75%田間持水量能夠增加根系干物質(zhì)分配比例, 20 cm毛管埋深能促進(jìn)干物質(zhì)向葉片轉(zhuǎn)移且減少根系干物質(zhì)的分配比例。

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Effects of irrigation threshold and lateral depth on tomato growth in greenhouse*

GU Jun1, NIU Wenquan1,2**, LYU Wang2, LI Yuan1, LIANG Bohui2, GUO Lili2

(1. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Soil water is critical for crop growth, yield and water use efficiency. In order to study mutual responsive mechanism between root growth and different irrigation methods (e.g., deficit and lateral irrigation) on soil water distribution, root distribution and dry matter distribution in tomato, a test of subsurface drip irrigation was conducted in a sunlit greenhouse in Dazhai Villiage, Dazhai Town, Yangling City, Shaanxi Province. The study was designed as a 2-factor experiment — lateral depth (D) and irrigation threshold (I). The lateral depth was divided into 4 levels (0 cm, 10 cm, 20 cm and 30 cm) below the surface of ridges and the irrigation threshold set at 50%, 60% and 75% of field capacity. Each treatment was repeated 3 times. The results showed that lateral depth had a significant effect on water consumption of tomato under mild water deficit (75% of field capacity) and moderate-mild water deficit (60% of field capacity) conditions, while lateral depth of 10–20 cm was much better for root water uptake than other treatments. Increase in lateral depth reduced the distribution of roots in the 0–20 cm soil layer, but promoted the growth of roots in the 20–60 cm soil layer. Lateral depth had a significant effect on root growth in the 0–10 cm, 20–30 cm and 30–40 cm soil layers, but had no significant effect on root growth in the 50–60 cm soil layer. Root length and root surface area of fine roots (with diameter less than 1 mm) and coarse roots (diameter greater than 1 mm) of tomato were significantly affected by irrigation threshold. However, lateral depth only had a significantly effect on root length and root surface area of fine roots. Then mild water deficit and lateral depth of 20 cm favored root length and surface area growth of fine roots, but reduced the growth of coarse roots. Mild water deficit and lateral depth of 20 cm better favored total dry matter accumulation, while the 75% of field capacity treatment increased root dry matter allocation. Then lateral depth of 20 cm promoted dry matter accumulation of stems and leaves, but reduced the distribution ratio of root dry matter. For the observed responses, information on how root distribution and dry matter allocation in tomato adapted to different irrigation methods provided a useful guide for field production practices and possible indicator mechanisms for high quality/yield.

Subsurface drip irrigation; Lateral depth; Irrigation threshold; Root distribution; Dry matter distribution; Tomato

S275

A

1671-3990(2017)05-0698-10

10.13930/j.cnki.cjea.161051

* 國家自然科學(xué)基金(51679205)資助

**通訊作者:牛文全, 主要從事灌溉理論與節(jié)水技術(shù)研究。E-mail: nwq@nwafu.edu.cn

古君, 主要從事水土資源高效利用方向研究。E-mail: 1522773053@qq.com

2016-11-21

2016-12-17

* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (51679205).

** Corresponding author, E-mail: nwq@nwafu.edu.cn

Nov. 21, 2016; accepted Dec. 17, 2016

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