李旭峰，孫西歡,2，馬娟娟，石小虎，郭向紅

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.晉中學院，山西 晉中 030619)

0 引 言

番茄作為最受人們歡迎的蔬菜之一，在溫室種植的發(fā)展速度較快，然而過量灌水現(xiàn)象較為嚴重，這不僅不利于番茄產量的提高，還降低了水分利用率，造成水資源浪費[1]。膜下滴灌有較高的經濟、社會、環(huán)境效益，與傳統(tǒng)溝灌相比，可以減少地面蒸發(fā)，增加土壤貯水，調節(jié)土壤溫度，保持土壤肥力，增加作物產量，提高水分利用率，同時也為作物的生長發(fā)育創(chuàng)造了適宜的土壤環(huán)境[2,3]。水分作為作物生長發(fā)育的必備條件之一，直接或間接影響著作物的根系活力進而影響作物的產量[4]。張學科等通過對不同灌溉方式的研究表明，隨著生育期進行，不同灌溉方式以100 cm為界土壤上下層含水率之間差異較大[5]。根系是作物吸收水分及養(yǎng)分的重要渠道，同時也是作物新陳代謝的重要指標之一，作物產量的高低與根系活力有密切關系[6,7]。在番茄不同生育階段適當控制灌水量不僅可以提高番茄產量，還大大節(jié)約用水量[8]。目前，已有很多學者在膜下滴灌條件下不同深埋秸稈量、灌水量和施肥量對番茄的產量、品質和水分利用率等方面進行研究[9,11]，但在膜下滴灌條件下，根系活力以及水分利用率對不同生育期減少灌水量的響應研究甚少。本文考慮到番茄在不同生育期對水分需求不同，并結合膜下滴灌的諸多優(yōu)點，通過在不同生育期減少灌水量，分析番茄各生育期不同土層含水率以及根系活力，并比較在全生育期充分灌水及在不同生育期減少灌水量番茄產量及水分利用率的大小，最終在本試驗條件下確定一種合理的灌水方案，為我國半干旱地區(qū)溫室番茄節(jié)水灌溉提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年5月到9月在山西省農業(yè)科學院旱地農業(yè)研究中心陽曲縣河村試驗基地溫室內進行，該地屬于典型的半干旱區(qū)，海拔1 248.5 m，年均降水量459.0 mm，降水集中在6-9月，年均蒸發(fā)量1 546.9 mm，年均溫度5～7 ℃，全年無霜期144 d，10 ℃以上的積溫2 840.6 ℃，試驗地地勢平坦，土壤為黃土質淡褐土。試驗溫室內0～60 cm土壤剖面平均容重1.43 g/cm3，田間持水率(體積含水率)為0.31 cm3/cm3，耕作層(0～20 cm)土壤有機質15.32 g/kg、全氮1.12 g/kg、堿解氮52.21 mg/kg、速效磷22.31 mg/kg 和速效鉀120.32 mg/kg。試驗溫室為非加熱型自然通風溫室，主體為鋼架結構，用塑料薄膜覆蓋，東西走向(長×寬×高，50 m×7.6 m×4.6 m)，溫室頂部和底部各設1 m寬通風口，并配置手動啟閉裝置，當溫室內溫度>35 ℃或<10 ℃時，通過開啟或關閉通風口來調節(jié)溫室內溫度。

1.2 試驗方法與設計

番茄于2018年5月19日定植，2018年9月15日拉秧，種植品種為“番茄1702”，生育期劃分為緩苗期(2018-05-19到2018-06-01)、苗期(2018-06-02到2018-06-13)、開花坐果期(2018-06-14到2018-08-14)、成熟期(2018-08-15到2018-09-15)。本實驗以集雨設備收集起來的雨水作為水源，從苗期開始通過膜下滴灌每隔9～11 d灌一次水，共設4個水處理，分別為全生育期充分灌水(灌水至田間持水量的90%)(W1)；苗期減少50% 灌水量，開花坐果期、成熟期復水(W2)；苗期開花期連續(xù)減少50% 灌水量成熟期復水(W3)和全生育期減少50% 灌水量(W4)，每個處理設3個重復。定植后為保證其成活率，地面灌定值水20 mm,直到苗期開始灌水處理。

表1 溫室番茄試驗設計Tab.1 Greenhouse tomato experiment design

注：W為各生育期每次的灌水量，W=(0.9θFc-θv) ×Zr×S×0.6，單位為m3；式中，θFc為田間持水量，cm3/cm3；θv為灌水前的土壤含水量，cm3/cm3；Zr為計劃濕潤層深度m，本文取0.6 m；0.6為濕潤比；S指每個處理的灌水面積為25.2 m2。

1.3 溫室管理與農藝措施

定植前在溫室內均勻施入等量的磷肥200 kg/hm2和鉀肥300 kg/hm2，并將全部有機肥、鈣、鎂、硼微量元素(過磷酸鈣：225 kg/hm2，硼和鎂：3 kg/hm2)做基肥均勻施入耕作層；氮肥分期施入，共400 kg/hm2，定植前施入3/5，在第一果實膨大期與第三果實膨大期等量追施1/5。溫室共分為14個小區(qū)，用于試驗處理的有12個小區(qū)，南北各一個保護小區(qū)，每小區(qū)設3溝3壟，植株間寬行距為80 cm，窄行距為40 cm，株距為50 cm，在壟上對番茄進行管理、噴藥、采收等農務。試驗小區(qū)之間埋設塑料薄膜，以防止各處理間相互干擾。定植時，番茄幼苗按單穴單株定植在壟兩側，提前3～4 d鋪設黑色塑料地膜。全生育期內，每株番茄在4穗果后摘心，每穗留5～6個番茄。其他噴藥等措施均按當?shù)爻Ｒ?guī)進行。

1.4 測定指標與方法

本試驗測試的指標為土壤體積含水率、番茄根系活力、產量以及水分利用率。土壤體積含水率從苗期開始，每隔9～11 d在灌水前測定一次，在距離番茄植株水平方向5 cm處取土，垂向每隔15 cm為一層，取土范圍為0～60 cm，采用烘干法測量。于番茄各生育期內測定一次根系活力，整根取樣采用挖掘法，開挖的范圍是以番茄植株為中心形成的40 cm×40 cm的正方形區(qū)域，挖掘深度為0～60 cm，以15 cm為一層，根系活力的測定采用TTC法，測定儀器為紫外分光光度計。番茄留4穗果后摘心，用電子天平測量各處理番茄的產量。水分利用率為每公頃地番茄產量與灌水量的比值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel處理數(shù)據(jù)并作圖，用SPSS17.0軟件進行顯著性檢驗(P=0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同處理灌水前土壤含水率的變化

2.1.1 不同處理下土壤水分時間動態(tài)變化

圖1為不同處理每次灌水前土壤體積含水率隨時間的變化規(guī)律，從圖1中可以看出各處理土壤含水率隨時間的變化趨勢基本一致。苗期番茄耗水量較小，所以土壤含水率較大；在開花坐果前期番茄植株生長旺盛，耗水量較大，含水率較低；當進入坐果期時，番茄植株長勢基本穩(wěn)定，耗水量減?。浑S之進入果實膨大期，耗水量增加，達到需水高峰期，對應的土壤含水率減小；最后進入成熟期，番茄生長減緩，耗水量減小，土壤含水率增大；此外，在整個生育期隨著灌水量減少，土壤含水率也減小，處理W1在全生育期與處理W2含水率較接近，而與處理W3、W4差異顯著；一般情況下，當土壤含水率占田持60%以上時認為能滿足作物的需水要求[12]，處理W2土壤含水率占田持(0.31 cm3/cm3)的63%～81%，能滿足番茄生長需要。

圖1 番茄生育期內灌水前不同處理土壤含水率Fig.1 Soil moisture content under different treatments during irrigation in tomato growing period

注：小寫字母表示差異顯著(P=0.05)，下同圖2 各時期不同處理灌水前土壤含水率垂向分布情況Fig.2 Vertical distribution of soil moisture content before irrigation in different treatment periods

2.1.2 各時期不同處理土壤含水率的垂向變化

圖2為各時期不同處理沿土壤深度含水率分布情況，由圖2(a)可知在苗期(6月13日)，各處理在0～15 cm土層中含水率最低，這是由于在生長初期番茄的主根分布在0～15 cm土層中，而且W1的土壤含水率均顯著高于W2、W3、W4，處理W2、W3、W4在此時期為同一處理，表明在苗期減少灌水量會顯著降低土壤的含水率；如圖2(b)在開花坐果期(7月20日)，含水率最低值下移到30～45 cm土層，這是由于隨著番茄植株的生長，番茄根系逐漸向下深扎，增加對下層土壤中水分的吸收，此外，上層土壤(0～30 cm)含水率處理W1最高，W2次之，W3、W4最小，處理W1、W2差異不顯著，而與處理W3、W4差異顯著，下層土壤(30～45 cm)含水率則仍表現(xiàn)為W1最高，W2次之，W3、W4最小，但處理W1與W2、W3、W4差異均顯著，處理W2與W3、W4差異顯著，處理W3與W4在開花坐果期為同一處理，差異不顯著，這表明在開花坐果期，充分灌水會使土壤含水率保持最高，而在苗期減少灌水量，開花期復水后會使根系充分吸收底層(30～45 cm)水分，顯著降低該層土壤含水率；如圖2(c)在成熟期(9月12日),含水率最小值繼續(xù)下移，各處理含水率表現(xiàn)為W1>W2>W3>W4，表明隨著灌水量減少土壤含水率減小，在苗期減少灌水量復水后(處理W2)可使土壤保持較高含水率，而在全生育期減少灌水量(處理W4)會顯著降低土壤含水率。

因此，應當在適當?shù)臅r期減少灌水量，這樣既不影響番茄的正常生長，又節(jié)約灌水。而處理W2在整個生育期不僅能滿足番茄的需水要求，同時還減少了灌水量，使得番茄在全生育期的含水率保持較高值。

2.2 不同處理下番茄各生育期根系活力變化情況

2.2.1 不同土壤深度番茄根系活力值

圖3為不同時期各處理在不同土壤深度的番茄根系活力值。由圖3(a)在苗期，0～30 cm土層中處理W1顯著大于其他處理，而在30～45 cm土層中W1處理顯著小于其他處理，表明減少灌水量可以提高番茄下層根系活力值。在開花坐果期[圖3(b)]，上層土壤中(0～30 cm)處理W1根系活力值最大，W2次之，處理W3、W4為最小值，在下層土壤中(30～60 cm)，W2處理的根系活力值顯著高于其他處理，W4處理根系活力顯著低于其他處理，這表明充分灌水使番茄上層根系活力保持最高值，而在苗期減少灌水量在開花坐果期恢復灌水后可顯著提高番茄下層根系活力值。由圖3(c)知在成熟期，隨土層深度增加，根系活力逐漸降低，上層土壤中(0～30 cm)根系活力表現(xiàn)為W2>W1>W3>W4，表明在苗期減少灌水量，且開花坐果期、成熟期復水后能顯著提高番茄上層根系活力值，在下層土壤中(30～60 cm)，根系活力值表現(xiàn)為W2>W3>W4>W1，表明減少灌水量可延緩番茄下層根系衰老，且隨著復水時間的延長，這種作用越明顯，處理W2下層根系活力分別比處理W3、W4高16%～32%、20%～36%。

圖3 不同處理下番茄各生育期根系活力變化情況Fig.3 Changes in root activity of tomato at different growth stages under different treatments

因此，應選取在苗期適當減小灌水量，這樣使得番茄能保持較高的根系活力值，同時可以延緩番茄根系的衰老速度，而處理W2使得番茄在全生育期內各層土壤中有較高的根系活力值。不同水處理對根系活力的影響可能是通過水分對作物體內酶的作用進而影響的[13]，有待在今后的研究中對其進行深入探討。

2.2.2 根系活力與土壤含水率之間的關系

在開花坐果期根系活力與土壤含水率之間相關性最明顯，其擬合線性方程為：

y=7 100.1x-1 161.6R2=0.979 1

(1)

式中：y為開花坐果期根系活力平均值，μg/(g·h)；x為開花坐果期土壤含水率平均值，cm3/cm3；R2為根系活力與土壤含水率之間的決定系數(shù)。

番茄根區(qū)土壤水分狀況與其活力狀況相互影響。在一定時期內土壤含水率越高，番茄根系活力值越大；而在苗期、成熟期番茄根系活力值可能還受其他因素的影響。

2.3 不同處理對番茄產量及水分利用率的影響

由表2可以看出，處理W1的產量最高，W2次之，處理W4產量最低，表明隨著灌水量的減小，番茄產量逐漸減小，不同處理下灌水量表現(xiàn)為W1>W2> W3>W4，處理W2較處理W1減少灌水量18%，較高產量和較低的灌水量導致處理W2的水分利用率最高，為48.80 kg/m3，而W1雖然產量最高但灌水量也最大，導致其水分利用率極低，處理W2的水分利用率較處理W1提高約12%，表明苗期適當減少灌水量(處理W2)在不顯著影響產量同時還大大節(jié)約了用水量。表2說明較高的灌水量可以使番茄產量保持較高值，但是會導致水分利用率降低，在實際生產中應該根據(jù)作物需求進行合理灌溉，既不能造成水分的浪費，也不能因為水分不足而造成產量大幅下降。

2.4 產量與番茄根系活力之間的關系

番茄產量與根系活力呈正相關，且在開花坐果期相關性最強，其擬合線性方程為：

表2 不同水處理對番茄產量與水分利用率的影響Tab.2 Effects of different water treatments on tomato yield and water use efficiency

z=400.45y+4 048.4R2=0.943 6

(2)

式中：z為番茄產量，kg/hm2；y為開花坐果期根系活力平均值，μg/(g·h)；R2為產量與番茄根系活力之間的決定系數(shù)。

根系活力是根系吸收并輸送水分、養(yǎng)分等性能的綜合表現(xiàn)，番茄根系活力高說明番茄根系吸收輸送水分、養(yǎng)分的綜合表現(xiàn)好，為番茄高產奠定了基礎。所以番茄根系活力越高，番茄產量也越高。

3 結 論

通過研究溫室膜下滴灌條件下，不同水分處理對番茄根系活力和水分利用率的影響，得出以下結論：

(1)土壤含水率隨灌水量的減少而減小；隨著生育期的推進，土壤含水率最低值逐漸下移，在苗期減少灌水量而后復水(W2)可以使番茄在整個生育期保持較高的含水率；

(2)隨著灌水量減少，根系活力先增大后減小，在開花坐果期以及成熟期，處理W2在下層(30～60 cm)的根系活力最大；且番茄根系活力與土壤含水率在開花坐果期呈顯著的正相關；

(3)番茄產量隨灌水量減小逐漸減小，處理W1番茄產量最高，與處理W2差異不顯著，而處理W2水分利用率最大；且番茄產量與根系活力在開花坐果期呈顯著的正相關關系。

綜上所述，處理W2在本試驗條件下是較適宜的灌水方案，可為我國干旱地區(qū)溫室番茄節(jié)水灌溉提供參考。