余禮根+衛(wèi)如雪+白紅武+姚遠(yuǎn)方+張佳+郭文忠

摘要：以番茄品種佳麗14為試材，于2016/2017年秋冬季在溫室內(nèi)開展番茄盆栽試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置2種供水模式，負(fù)水頭灌溉（NI）和稱質(zhì)量法灌溉（WI），負(fù)水頭灌溉采用負(fù)水頭供水控水盆栽裝置，其吸力值分別設(shè)定為50 hPa（T1）、60 hPa（T2）、70 hPa（T3）和80 hPa（T4）。通過測定番茄全生育期內(nèi)株高、莖粗、葉片數(shù)、產(chǎn)量、水分利用效率和聲發(fā)射信號(hào)，比較分析不同供水模式對番茄生長及聲發(fā)射的影響。結(jié)果表明，NI處理下T1、T2、T3和T4的番茄生育期內(nèi)總產(chǎn)量分別為1.01、0.89、0.80、0.69 kg/盆，其水分利用效率比WI高出1.74、1.81、2.47、2.16倍；不同供水模式、不同吸力值下的番茄聲發(fā)射特征參數(shù)差異顯著（P<0.05），供水吸力值為60 hPa的番茄聲發(fā)射活動(dòng)較強(qiáng)，峰值頻率和聲發(fā)射計(jì)數(shù)分別達(dá)到514、526 kHz?？偨Y(jié)表明，負(fù)水頭灌溉以恒定持續(xù)的供水能力滿足番茄實(shí)時(shí)用水需求，優(yōu)于稱質(zhì)量法灌溉，更為適合應(yīng)用于溫室番茄栽培。

關(guān)鍵詞：番茄；供水模式；聲發(fā)射；負(fù)水頭灌溉；水分利用效率

中圖分類號(hào)：S641.201文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）17-0105-04

收稿日期：2017-06-27

基金項(xiàng)目：國家星火計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：2015GA600005）；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（編號(hào)：51509005）；北京市農(nóng)林科學(xué)院設(shè)施園藝科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（編號(hào)：JNKST201615）。

作者簡介：余禮根（1985—），男，安徽岳西人，博士，助理研究員，主要從事動(dòng)植物聲信息感知技術(shù)研究。Tel：（010）51503504；E-mail：yulg@nercita.org.cn。

通信作者：郭文忠，博士，研究員，主要從事設(shè)施蔬菜高產(chǎn)高效栽培技術(shù)研究。Tel：（010）51503675；E-mail：guowz@nercita.org.cn。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的70%。近年來，農(nóng)業(yè)用水逐步被工業(yè)用水和城鎮(zhèn)用水所擠占，即使在保持今后農(nóng)業(yè)用水零增長的前提下，2030年我國農(nóng)業(yè)缺水將達(dá)到500億～700億m3。因此，通過實(shí)施工程、農(nóng)藝和管理節(jié)水措施，發(fā)展實(shí)施節(jié)水灌溉，提高灌溉水利用效率[1-3]。

作物生理需水與用水、精確控制灌溉等方向成為節(jié)水農(nóng)業(yè)的研究熱點(diǎn)。薛緒掌等提出了負(fù)水頭灌溉技術(shù)，即一種利用負(fù)壓的控水裝置，通過將供水源壓力控制為負(fù)壓值進(jìn)行灌溉，實(shí)現(xiàn)不同土壤含水量的精確控制，進(jìn)而達(dá)到適時(shí)適量灌溉[4-5]。與傳統(tǒng)的供水控水技術(shù)相比，負(fù)水頭灌溉條件下的土壤呈非飽和狀態(tài)，可以抑制土表濕潤導(dǎo)致的無效蒸發(fā)和地下滲漏導(dǎo)致的無效灌溉和養(yǎng)分流失，也不會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，大大提高了水分利用效率，已廣泛應(yīng)用于番茄[6-7]、黃瓜[8]和茄子[9]等蔬菜栽培。近年來，對植物水分生理與水分脅迫的研究表明，植物一直以自己的“語言”在時(shí)刻向我們傳達(dá)著缺水信號(hào)，即“會(huì)說話的植物”[10-12]。植物的“語言”是指發(fā)生在植物水流通路上由于缺水而造成水流斷裂時(shí)發(fā)出的爆裂聲，或稱為“尖叫聲”，即植物“聲發(fā)射”（acoustic emissions，AE）現(xiàn)象。已有的研究結(jié)果表明，聲發(fā)射信號(hào)主頻位于100～500 kHz，AE信號(hào)可作為一個(gè)特殊的聲學(xué)響應(yīng)用于番茄長勢及水分狀態(tài)的評價(jià)與測控[13-15]。但在其廣泛應(yīng)用之前，需要進(jìn)一步明確番茄在不同水分條件下聲發(fā)射響應(yīng)特征參數(shù)與生長差異。

本試驗(yàn)以番茄品種佳麗14為試材，通過溫室小區(qū)盆栽試驗(yàn)，采用負(fù)水頭灌溉和稱質(zhì)量法灌溉分別實(shí)現(xiàn)恒定供水、變量供水，比較2種供水模式下番茄植株生長、節(jié)水耗水和聲發(fā)射信號(hào)的差異，為進(jìn)一步建立日光溫室蔬菜生產(chǎn)科學(xué)的灌溉管理模式提供技術(shù)支持。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)于2016年8月至2017年1月在北京市農(nóng)林科學(xué)院試驗(yàn)溫室內(nèi)進(jìn)行（39°56′32″N，116°16′53″E）。供試作物為番茄，品種為佳麗14。在育苗室內(nèi)培養(yǎng)至5葉1心移栽于試驗(yàn)溫室的塑料花盆中，盆的上口直徑34.2 cm、底直徑 18.5 cm、深22.3 cm，采用盆栽土壤栽培，每盆裝種植土壤11.0 kg（種植土壤為有機(jī)肥與自然土按質(zhì)量比為1 ∶80的比例混合并用微生物菌劑和敵百蟲作滅菌、殺蟲處理），施復(fù)合肥25 g。經(jīng)測定，供試土壤基本理化性質(zhì)為，土壤容重為1.48 g/m3，最大田間持水量為25.1%（即體積含水量為 37.1%），EC為 0.49 mS/cm，有機(jī)質(zhì)含量為24.48%，有效磷含量為 91.7 mg/kg，速效鉀含量為310.6 mg/kg。試驗(yàn)于2016年8月26日定植，每盆定植長勢一致的番茄植株1株，對所有供試番茄澆透水緩苗10 d后，用保鮮膜進(jìn)行覆蓋密封盆栽土壤處理，期間進(jìn)行正常管理。至9月5日起進(jìn)行供水控水處理，于2017年1月17日試驗(yàn)結(jié)束，全生育期為145 d。為方便試驗(yàn)管理與數(shù)據(jù)分析，將番茄生育期劃分為苗期、花期、結(jié)果期和采收期。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照供水方式不同，試驗(yàn)設(shè)置負(fù)水頭灌溉（negative irrigation，NI）和稱重法灌溉（weight irrigation，WI）。其中，負(fù)水頭灌溉采用負(fù)水頭供水控水盆栽試驗(yàn)裝置，供水吸力值分別設(shè)置為50 hPa（T1）、60 hPa（T2）、70 hPa（T3）和80 hPa（T4），對應(yīng)的供試土壤含水量分別為24.6%、19.7%、13.3%和12.5%；對照組采用稱質(zhì)量法灌溉。共計(jì)5個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.3試驗(yàn)裝置

負(fù)水頭灌溉采用負(fù)水頭供水控水盆栽裝置，其由盛土盆、陶瓷盤、供水桶、控壓管與導(dǎo)氣管構(gòu)成（圖1）?；谪?fù)壓入滲的原理，由于土壤基質(zhì)勢的存在，受到土壤張力作用，陶瓷盤供水器里的水緩慢滲入土壤，由于壓差關(guān)系，供水桶內(nèi)的水經(jīng)進(jìn)水管流入陶瓷盤，水位下降，空氣體積增大，壓強(qiáng)減小，整個(gè)裝置氣壓失衡，控壓管經(jīng)由導(dǎo)氣管與大氣連通吸入空氣，平衡供水桶內(nèi)氣壓，整套裝置以此循環(huán)運(yùn)行。供水桶內(nèi)水分不斷輸送至盆栽裝置內(nèi)供給土壤蒸發(fā)和番茄蒸騰產(chǎn)生的耗水。endprint

1.4測定內(nèi)容與方法

耗水量：負(fù)水頭灌溉（定植至試驗(yàn)結(jié)束）使用非接觸式管道液位紅外傳感器（WS03A，CAEA electrical appliance Co.，ltd，Beijing，China）讀取負(fù)水頭供水控水盆栽裝置供水桶內(nèi)的水位高度，當(dāng)日的水位高度值h2（cm）減去前一日水位高度值h1（cm）即為前一日番茄植株總耗水高度Δh（cm），負(fù)水頭灌溉控水裝置的日耗水量（cm3）為Δh和試驗(yàn)裝置供水桶內(nèi)徑對應(yīng)的截面積A（本試驗(yàn)為201.1 cm2）的乘積，總耗水量為

生育期內(nèi)每天耗水量之和；稱質(zhì)量法灌溉的番茄在全生育期內(nèi)，每天上午09：00用GS1土壤水分傳感器結(jié)合手持式ProCheck多功能讀表（Decagon Devices，Inc.，Pullman，USA）實(shí)時(shí)測定土壤含水量。當(dāng)水分下限達(dá)到田間持水量的600%（土壤含水量為22.3%）時(shí)人工補(bǔ)水，補(bǔ)至田間持水量（土壤含水量為37.1%），總耗水量為人工補(bǔ)水灌溉量的總和。

農(nóng)藝性狀測定：番茄定植后12 d開始測量株高（最高點(diǎn)到莖基部）、莖粗（距基部15.0 cm處）、葉片數(shù)，至定植后 71 d（摘心）結(jié)束，每隔9 d測量1次；分別使用皮尺（150.0 cm，0.1 cm）和數(shù)顯游標(biāo)卡尺（150.00 mm，0.01 mm）測量。

生物量測定[16]：收獲期（定植后145 d）不同處理隨機(jī)選取番茄3株，將根、莖、葉、果分開，根系用清水沖洗干凈，稱鮮質(zhì)量后放入烘箱，在105 ℃殺青30 min，然后于75 ℃烘至恒質(zhì)量，冷卻后用電子天平（1 000 g，0.01 g）稱質(zhì)量。地上部鮮質(zhì)量為莖、葉、果的鮮質(zhì)量之和；地上部干質(zhì)量為莖、葉、果烘干后的干質(zhì)量之和；地下部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量：根部鮮質(zhì)量與干質(zhì)量；根冠比為地下部鮮質(zhì)量與地上部鮮質(zhì)量的比值；水分利用效率（water use efficiency，WUE）為各個(gè)處理組總耗水量與總產(chǎn)量的比值。

聲發(fā)射信號(hào)測定：聲發(fā)射信號(hào)采集選用性能穩(wěn)定可長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的MICRO Ⅱ監(jiān)測系統(tǒng)（Physical Acoustic Corporation，Princeton，NJ，USA）、配備的聲發(fā)射采集卡為 PCI-2（8通道同步采集、18位A/D分辨率、40 Mb/s采樣率、1～3 MHz 頻率范圍）、聲發(fā)射傳感器選用Nano30[響應(yīng)頻率為125～750 kHz、靈敏度為62～72 dB ref.1 V/（m·s）]、放大器選用2/4/6型（20～1 200 kHz，20/40/60 dB可選），實(shí)行24 h連續(xù)采集，每隔1 d存儲(chǔ)為1個(gè)數(shù)據(jù)文件。其中，聲發(fā)射傳感器固定在番茄植株倒五葉位置的莖部，并在傳感器與莖稈之間涂上凡士林。選用配套的聲發(fā)射分析軟件AE win-2（Physical Acoustic Corporation，Princeton，NJ，USA），從有效的聲發(fā)射信號(hào)中提取出典型聲發(fā)射特征參數(shù)。為了研究不同吸力值下番茄聲發(fā)射信號(hào)隨生育期的變化規(guī)律，試驗(yàn)選取番茄花期、結(jié)果期和結(jié)果后期的聲發(fā)射信號(hào)，統(tǒng)計(jì)分析3個(gè)生長階段的聲發(fā)射信號(hào)幅值（包括最大值、最小值和平均值）和撞擊數(shù)；針對番茄花期，分析比較不同土壤水分條件下的番茄聲發(fā)射信號(hào)（幅值>40 dB）特征差異，包括幅值、計(jì)數(shù)、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和峰值頻率。

1.4數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算；用SPSS 15.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析，采用單因素方差分析各處理差異的顯著性水平，最小顯著差數(shù)法（α=0.05）進(jìn)行不同處理間均值的顯著性差異比較。

2結(jié)果與分析

2.1不同供水模式對番茄植株生長的影響

負(fù)水頭灌溉和稱質(zhì)量法灌溉的盆栽番茄生長情況對比結(jié)果見圖2。由圖2可知，2種供水模式下的番茄株高、葉片數(shù)和莖粗隨著生育期進(jìn)程一直增加，但其生長規(guī)律有著顯著差異（P<0.05）。采用負(fù)水頭灌溉種植的番茄株高與葉片數(shù)在生長前期的生長速度較稱質(zhì)量法灌溉種植的番茄變化緩慢，而NI處理在定植36 d后番茄株高增長量超過WI處理，至定植71 d后番茄摘心時(shí)，NI處理的T1、T2、T3和T4的番茄株高增長率分別達(dá)到29.5%、31.5%、29.6%和29.4%，葉片數(shù)比WI多出3～4張。NI處理的番茄植株莖粗略高于WI，兩者無顯著差異。分析結(jié)果表明，負(fù)水頭灌溉通過在種植花盆底部埋置陶瓷盤基于土壤張力實(shí)現(xiàn)負(fù)壓供水，有著良好的穩(wěn)定性和持續(xù)性，與稱質(zhì)量法灌溉正向供水相比，更為適合番茄生長。

2.2不同供水模式對番茄干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量和水分利用效率的影響

負(fù)水頭灌溉和稱質(zhì)量法灌溉對盆栽番茄干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量和水分利用效率的影響見表1。結(jié)果表明，NI處理的番茄地上部干物質(zhì)（莖稈、葉片和果實(shí)干質(zhì)量之和）質(zhì)量與WI相比分別增加39.4%、33.2%、48.1%和43.3%；除根系鮮質(zhì)量外，地上部鮮質(zhì)量、根系干質(zhì)量、根冠比和番茄總產(chǎn)量受2種供水模式的影響顯著（P<0.05）。其中，T1和T2處理下的番茄產(chǎn)量較為理想，分別達(dá)到1.01、0.89 kg/盆；番茄全生育期內(nèi)NI處理的T1、T2、T3和T4的總耗水量分別為38.2、33.2、31.4、33.1 kg/盆，而WI處理的總耗水量為 40.2 kg/盆，兩者間存在顯著差異（P<0.05）；WUE主要由耗表1不同供水模式對番茄植株干物質(zhì)積累量、產(chǎn)2.3不同供水模式下番茄聲發(fā)射特征的差異

負(fù)水頭灌溉下不同吸力值的番茄不同生育期的聲發(fā)射信號(hào)分析結(jié)果見表2。結(jié)果表明，同一吸力值下番茄聲發(fā)射幅值和撞擊數(shù)隨著生育期進(jìn)程逐漸減小，4個(gè)處理組T1、T2、T3和T4的番茄聲發(fā)射信號(hào)幅值與撞擊數(shù)變化規(guī)律上具有極大的相似性。其中T2（60 hPa）處理組的番茄聲發(fā)射信號(hào)幅值平均值與撞擊數(shù)最大，各生育期幅值平均值分別為49.4、43.3 、43.2 dB，聲發(fā)射撞擊數(shù)分別為72、29、2次，與“2.1”節(jié)中適合番茄生長的最優(yōu)吸力值的結(jié)論相吻合。對比番茄不同生育期的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)，番茄花期的聲發(fā)射活動(dòng)比結(jié)果期和結(jié)果后期活躍，且差異顯著（P<0.05），說明番茄莖稈endprint

3討論與結(jié)論

負(fù)水頭灌溉和稱質(zhì)量法灌溉2種供水模式下的番茄植株生長規(guī)律一致，但植株株高、葉片數(shù)、莖粗及地上部干鮮質(zhì)量均表明負(fù)水頭灌溉的番茄優(yōu)于稱質(zhì)量法灌溉，這是因?yàn)樨?fù)水頭灌溉避免了土壤干濕交替的影響，土壤水分過分飽和、干燥都不利于作物生長，而負(fù)水頭灌溉持續(xù)恒定的供水能力可以滿足番茄水分消耗，有利于番茄生長，而且有效抑制無效地表蒸發(fā)。

產(chǎn)量和水分利用效率是評價(jià)作物灌溉水平的重要評價(jià)指標(biāo)[17-19]。負(fù)水頭灌溉有效提高灌溉水分利用效率和產(chǎn)量，其原因有以下2個(gè)方面：一是負(fù)水頭灌溉通過埋置于種植盆底的陶瓷盤供水，屬于被動(dòng)供水，減少田間水分散失，提高根系的吸水功能、促進(jìn)根系發(fā)育；二是負(fù)水頭灌溉一直維持在較為恒定的吸力值，土壤含水量維持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)，植株生長與養(yǎng)分供應(yīng)處于一個(gè)相對平衡的理想狀態(tài)，有利于增加同化物含量。實(shí)際生產(chǎn)中，通過調(diào)節(jié)適合于番茄生長的最優(yōu)吸力值，進(jìn)而減少總耗水量、提高作物產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)最大限度提高水分利用效率。

聲發(fā)射信號(hào)作為一種表征作物水分與脅迫狀態(tài)的特殊響應(yīng)與測控指標(biāo)。試驗(yàn)研究表明，負(fù)水頭灌溉不同吸力值下番茄的聲發(fā)射特征差異顯著，聲發(fā)射計(jì)數(shù)、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間以及峰值頻率分別達(dá)到526次、598 μs、610 μs和514 kHz。通過不同供水模式與水分條件下的盆栽番茄生長指標(biāo)、產(chǎn)量、水分利用效率和聲發(fā)射特征的比較分析，盆栽番茄供水控水模式中，負(fù)水頭灌溉優(yōu)于稱質(zhì)量法灌溉，其中以60 hPa的吸力值為最優(yōu)土壤水分測控指標(biāo)。參考文獻(xiàn)：

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