调亏灌溉对温室番茄生长发育及其产量和品质的影响

龚雪文，刘 浩，孙景生，张 昊，吴晓磊，陈新国，汪海明

(1.中国农业科学院农田灌溉研究所/农业部作物需水与调控重点开放实验室，河南 新乡 453003；2. 中国农业科学院研究生院，北京 100081；3. 河南农业大学农学院，郑州 450000)

0 引 言

近年来，日光温室在我国华北地区发展迅猛，凭借高产、优质和早熟的特点，日光温室受到广大农户的青睐，然而受传统灌水经验的影响，灌溉不合理导致的水肥利用效率低下、土壤盐碱化和病虫害等严重制约着我国日光温室的发展[1]。20世纪70年代中期澳大利亚持续灌溉农业研究所Tatura中心首次提出调亏灌溉技术(Regulated Deficit Irrigation, RDI)，即在作物生长发育某些阶段(主要是营养生长阶段)主动施加一定的水分胁迫，促使作物光合产物分配向人们需要的组织器官倾斜，以提高其经济产量[2]。

RDI对温室作物产量及品质的影响研究已屡见不鲜，崔宁博[3]等认为温室梨枣在果实成熟期实施中度水分亏缺可显著改善品质；常莉飞[4]等认为不同时期的水分亏缺有利于增强黄瓜植株的抗旱能力，在结果期适度的水分亏缺可提高水分利用效率；郑健[5]等认为RDI技术可合理调节温室小型西瓜光合产物在根冠间的分配，并改善果实品质，提高水分利用效率。RDI不仅可以改善果实品质，提高水分利用效率，而且可使作物某些生理期缩短，如枇杷树在展叶期进行水分亏缺可提前3周开花[6]，RDI可使晚熟品种的桃子提前一周成熟，亦可改善果实内外品质[7]。可见，RDI在节约灌溉用水和提高果实品质方面效果显著，在一定程度上提高了果实商品价值，具有重要意义。然而，针对华北地区日光温室番茄，采用滴灌技术在关键生育期进行调亏灌溉，能否能实现以水调质、节水增效的效果还有待探讨。因此，本文针对RDI条件下温室番茄生长变化以及产量和品质展开研究，旨在为华北地区温室滴灌番茄发展节水优质高效灌水技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与试验设计

1.1.1试验区概况

试验于2015年3-7月在中国农业科学院新乡综合试验基地(35°9′ N，113°47′ E，海拔78.7 m)的日光温室中进行。年均降雨量548.3 mm，年均蒸发量1908.7 mm，多年平均气温14.1 ℃，日照时数达2398.8 h，无霜期200.5 d，属暖温带大陆性季风气候区。试验所用温室占地510 m2(长60 m、宽8.5 m)，下挖0.5 m，东西走向，坐北朝南，覆盖0.2 mm厚的聚乙烯薄膜，在塑料薄膜上铺设了5 cm厚的保温棉被，侧墙和后墙的墙体内镶嵌有60 cm厚的保温材料，以确保温室内气温不低于20 ℃。日光温室共设置3处通风口，分别位于温室顶部(60 m×30 cm)、南侧(60 m×1.5 m)和北侧(2 cm×2 cm，N=19)。试验区土壤为壤土类，0～100 cm土壤的理化性质见表1。

表1 日光温室土壤理化性质

1.1.2试验设计

试验供试番茄品种为“金顶新星”，于2015年1月5日育苗，3月8日移栽。畦长8 m，宽1.1 m，采用宽窄行种植方式，宽行65 cm，窄行45 cm，株距33 cm。采用滴灌的灌水方式，滴头间距与株距相同，在每条番茄带上铺设一根滴灌带(1.1 L/h)，参考20 cm蒸发皿累计蒸发量(Epam)进行灌水，蒸发皿放置于冠层上方20 cm处，随着番茄冠层位置调整高度，当累计蒸发量达到20 cm ± 2时，开始灌水。设置3种水面蒸发系数，分别是0.9、0.7和0.5，然后划分3个生育阶段，即苗期、开花坐果期和成熟采摘期，苗期不设水分处理(由于要蹲苗)，开花坐果期和成熟采摘期分别设置3种不同的灌水量，主要以蒸发皿系数的大小确定每次的灌溉水量(表2)。为防止水分侧渗，各小区之间埋设60 cm深的塑料薄膜，为确保幼苗的成活率并加强其长势，移栽后以滴灌方式补充灌水20 mm。每个试验小区设置3次重复。

1.2 测定项目与研究方法

1.2.1气象资料

温室内外气象因子由小气候自动监测系统记录，观测内容主要包括：辐射、气温、相对湿度、土壤温度和湿度、风速等。

表2 日光温室滴灌番茄灌溉试验设计

1.2.2土壤含水率

土壤含水率采用取土烘干法测定，100 cm以上的含水率每隔7～10 d测量1次，灌水前后加测；每隔3～5 d测量1次计划湿润层(苗期为20 cm、开花坐果期为40 cm、果实成熟期为60 cm)含水率。

1.2.3冠层水面蒸发

使用天津气象仪器厂生产的ADM7型蒸发器测量大气1日内的水分蒸发量。蒸发皿置于温室中间位置，位于冠层上方20 cm处。每天上午8∶00定时测量，每次测量后为蒸发皿添加够20 mm蒸馏水。

1.2.4作物生长指标及LAI估算模型

试验处理开始后，每个小区选取有代表性植株3株，每隔5 d对株高和叶面积测量1次，株高采用卷尺测量，叶面积=长×宽×0.685。开花期间统计各小区的开花数、坐果数和坐果时间，并对同一天开花坐果的植株进行挂牌标定。

LAI的测量比较繁琐，Rouphael[8]提出用有效积温间接估算LAI的方法，有效积温可用公式(1)表示：

THT=∑[(Tmax+Tmin)/2-TB]

(1)

式中：Tmax为日最大温度，当Tmax>32 ℃，则Tmax=[32-2(Tmax-32)]；Tmin为日最小温度，当Tmin

1.2.5产量和品质

果实成熟后，每个处理随机挑选6个果实(为同1天开花坐果)测量品质，可溶性固形物(TTS)采用手持测糖仪测定，VC含量采用2,6-二氯酚靛酚滴定法测定，可滴定酸采用碱滴定法测量，可溶性蛋白质用紫外可见光分光光度计法测定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定。

1.2.6耗水量和蒸发蒸腾量水分生产率

温室番茄的耗水量采用水量平衡法计算，其计算公式为：

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

(2)

式中：ET为番茄的耗水量，mm；Ir为灌水量，mm；U为地下水补给量，mm；D为深层渗漏量，mm；W0、Wt分别为时段初和时段末100 cm土层内的土壤储水量，mm。

由于地下水位较深(在5.0 m以下)，作物无法吸收利用，故地下水补给量可忽略，即U=0；试验中各处理灌水定额较小(最大为22 mm)，灌溉基本上不会产生深层渗漏，因此深层渗漏量D亦可忽略，即D=0。

蒸发蒸腾量水分生产率(WUE)和灌溉水利用系数(IWUE)分别采用公式(3)和公式(4)计算：

WUE=Ya/ET

(3)

IWUE=(Ya-YD)/Ir

(4)

式中：WUE为蒸发蒸腾量水分生产率，kg/m3；IWUE为灌溉水利用系数，kg/m3；Ya为番茄产量，kg/hm2；ET为番茄耗水量，m3/hm2；Ir为灌水总量，m3/hm2。

YD为不灌溉时的番茄产量，温室中无降雨补给，不灌溉番茄无法生存，故YD为0。

1.2.7数据处理

试验数据统一采用Excel软件进行处理、分析并绘制图表。采用DPS数据处理软件进行方差分析，采用Duncan method(邓肯新复极差法)进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 调亏灌溉条件下温室番茄的生长变化趋势

株高和叶面积指数(LAI)是体现作物生长变化的两项重要指标，图1给出了不同水分处理温室番茄株高和LAI的变化过程。由于前期番茄处于缓苗期，2项指标从移栽后24 d开始测量，将番茄的生长发育分为3个阶段，可表示为快速生长期-平稳期-衰老期。平均株高方面，k0.9k0.9最高，为0.96 m，k0.9k0.5最低，为0.89 m，说明在结果期减少水分供应抑制了番茄植株的生长。从株高生长速率来看，移栽后24～48 d内，k0.7k0.9的生长速率最大，为104.7%，栽后55～105 d内，k0.9k0.9的株高生长速率最大，为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的平均值分别为2.44、2.37、2.22、2.19和1.97 cm2/cm2。不同阶段水分调控对LAI影响程度不同，后期水分亏缺对LAI的影响差异较小，k0.9k0.7和k0.9k0.5分别较k0.9k0.9低2.9%和9%，而前期水分亏缺对LAI的影响差异较大，k0.7k0.9和k0.5k0.9分别较k0.9k0.9低10.2%和19.3%，生殖生长时期水分亏缺抑制了LAI。采用有效积温(THT)拟合LAI可得到较好的估算结果，本文将两者拟合后得到较好的二次曲线关系(图2)，决定系数(R2)达到了0.98，2者呈极显著相关关系。

图1 不同水分处理番茄株高和LAI的变化趋势

图2 用THT估算LAI的拟合结果

2.2 调亏灌溉对温室番茄产量和蒸发蒸腾量水分生产率的影响

2.2.1灌水量和耗水量

本试验依据20 cm蒸发皿的累计蒸发量控制灌水时间和灌水量，各试验小区灌水时间同步，灌水量不同。苗期灌水2次，灌水周期约为10 d，开花坐果期灌水6次，平均灌水周期为5～6 d，成熟采摘期灌水7次，平均灌水周期为3～4 d。试验在开始做水分处理之前灌水量一致，均为40 mm，前期0.9Epam灌水处理的总灌水量分别为113.67、88.41和63.15 mm，后期0.9Epam灌水处理的总灌水量分别为130.77、101.71和72.65 mm，不同水分处理的总灌水量在175.65～284.17 mm之间变化，总耗水量在217.62～293.97 mm之间变化(表3)。不同阶段水分亏缺改变了作物的总耗水量，如k0.7k0.9的灌水量较k0.9k0.7高3.74 mm，耗水量升高18.39 mm，k0.5k0.9的灌水量较k0.9k0.5高7.48 mm，耗水量升高37.43 mm。日耗水强度随着生育期的推进呈现先增大后减小的变化趋势，日耗水强度与灌水量呈正比，全生育期k0.9k0.9的日耗水强度分别较k0.9k0.7和k0.9k0.5高9.8%和21.4%，(图3)。可见不同程度的水分亏缺对耗水量和日耗水强度影响显著。

表3 2015年度不同灌溉处理月耗水量和总耗水量

图3 2015年度不同月份不同水分处理的日耗水强度

2.2.2产量和蒸发蒸腾量水分生产率

表4给出了不同水分处理对番茄产量和蒸发蒸腾量水分生产率(WUE)等指标的影响，灌水量对番茄产量和WUE等指标影响显著。k0.9k0.9处理的产量最高，达到141.07 t/hm2，k0.5k0.9处理的产量最低，仅为128.24 t/hm2，最大产量相比最小产量高9.1%。开花坐果时期水分亏缺严重影响了番茄产量构成，如k0.9k0.7处理的产量较k0.7k0.9高1.41 t/hm2，k0.9k0.5处理的产量较k0.5k0.9高1.51 t/hm2。WUE随着灌水定额的增加而减小，其中k0.9k0.5的WUE最高，为54.73 kg/m3，不同阶段水分亏缺同样影响了WUE，如k0.9k0.7灌水量较k0.7k0.9低3.74 mm，WUE提高7.3%，k0.9k0.5灌水量较k0.5k0.9低7.48 mm，WUE提高14.64%。灌溉水补偿率(Irc)是指灌溉水对作物后期耗水量的补偿效应，是反应灌溉水利用系数的有效指标。k0.9k0.9的Irc最高，为96.67%，k0.5k0.9的Irc最低，仅为85.12%，Irc随着灌水量的增加有明显上升趋势，灌水量越多，水分无效损耗也就越大。

表4 2015年不同处理番茄的产量和蒸发蒸腾量水分生产率

2.3 调亏灌溉对温室番茄品质指标的影响

茄果类蔬菜的营养品质主要指果实中的营养成分，如维生素C(VC)、可溶性固形物(TTS)、有机酸、可溶性蛋白质和可溶性糖等，这些也是衡量果实综合品质的重要指标。

图4为不同水分处理条件下番茄果实的各项营养品质指标。低水分条件下果实的营养品质显著提高，其中可溶性酸、VC和TTS均表现为k0.9k0.5最大，分别为0.5%、124.86 mg/kg和4.7%，而可溶性糖、糖酸比和硬度均表现为k0.5k0.9处理最大，分别为1.9%、4.2%和2.97 kg/cm2，k0.9k0.9的所有品质指标均较小，且与k0.9k0.7和k0.7k0.9各项品质指标之间无显著性差异。可见，对于温室番茄，当水分亏缺达到50%以上时，才可以有效提高果实品质。

从不同生育阶段水分亏缺对番茄营养品质的影响程度来看，阶段水分亏缺程度为0.5Epam的果实营养品质显著高于0.7Epam。0.5Epam的水分亏缺程度对番茄营养品质影响最大，如可溶性酸、糖酸比、TTS和VC等指标，开花坐果期水分亏缺与成熟采摘期水分亏缺差异明显，而0.7Epam水分亏缺并不能达到同样效果。

图4 不同水分处理番茄果实品质指标

2.4 温室滴灌番茄经济耗水指标的筛选

温室番茄总产量、WUE与ET采用线性方程进行拟合后可以看出(图5)，产量达到最大值时对应的ET为293.97 mm，WUE为47.99 kg/m3，此时番茄产量、ET和WUE之间并不能达到一个理想平衡状态。图5椭圆中分布的4个点对应2个水分处理，即k0.9k0.7(上面2个点)和k0.5k0.9(下面2个点)，2个处理对应的ET几乎相同，均在273 mm附近，但产量和WUE却有较大差异，k0.9k0.7产量和WUE分别较k0.5k0.9高8.5%和9.3%，说明成熟采摘期较开花坐果期适度水分亏缺不仅能提高产量，亦可提高WUE。

理想状况下，通常选择WUE曲线与产量曲线交汇点作为作物理想耗水状态，通过分析图5可知，2条曲线交点所对应的番茄产量约为134 t/hm2，ET约为265 mm，WUE约为50.8 kg/m3。当耗水量低于此值时，供水过少，番茄遭受水分胁迫而不能正常发育，产量随灌水量的增加而增加；当耗水量高于此值，供水过多，番茄植株营养生长会抑制生殖生长，导致落花落果，产量有减小趋势。因此，当温室番茄全生育期ET处于265 mm (灌水量约为230 mm)左右时，可在不影响产量的同时，可提高WUE，获得节水高产高效的统一。

图5 产量、蒸发蒸腾量水分生产率与耗水量的关系

3 结 语

本文以温室番茄为研究对象，探讨了调亏灌溉对番茄生长发育、产量、品质、ET和WUE等方面的影响，提出了温室滴灌番茄经济耗水指标。从试验分析结果来看，温室番茄在开花坐果期出现水分亏缺会减缓后期植株的生殖生长，导致产量和WUE降低，而可溶性糖、糖酸比和硬度有所提高，但对可溶性酸、VC和TTS影响不显著；在番茄结果期适度水分亏缺，对植株生长发育未造成显著影响，产量和WUE得到显著提高，灌水量减少3%，产量提高1.2%左右；从温室滴灌番茄经济耗水指标分析，认为灌水量在230 mm左右时，可实现产量与WUE的平衡，最终实现节水高产高效的统一。

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