负水头灌溉对番茄不同生育期生长特性的影响

张佳，秦渊渊，郭文忠，余礼根，李灵芝，李海平*

(1.山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801；2.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097)

番茄作为我国主要设施蔬菜之一，属喜温作物，其营养丰富，口感极佳。土壤水分条件对番茄植株生长影响较大[1]，当土壤水分亏缺时，水势降低，造成番茄植株水分供应减少，破坏植株体内的水分代谢平衡，直接影响番茄植株的生长发育[2,3]、光合特性[4,5]、根系活力[6]、叶片蒸腾[7]等，进而影响番茄植株的产量和品质[8]。因此，研究不同土壤含水量对番茄生长的影响有重要意义。负水头灌溉装置通过调节吸力值使土壤含水量维持在一个稳定范围内，可避免土壤的干湿交替[9]。余礼根等[10]研究不同供水模式对番茄生长、光合特性、耗水量等的影响，结果表明，与称重法灌溉相比，负水头灌溉显著促进番茄植株的生长，且负水头灌溉下番茄耗水量降低，产量显著增加。目前关于番茄不同生育期的研究多为番茄光合特性变化[11]、番茄抗病性[12]、矿质元素含量[13]等，而对于负水头灌溉下番茄不同生育期耗水量及光合特性的研究较少，本文以“佳丽14号”番茄为试验材料，采用负水头灌溉，设置4个不同吸力值，研究不同处理下番茄不同生育期耗水量、光合特性、及植株水分利用效率和产量的变化，可为负水头灌溉在番茄生长生产中的合理应用提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　试验材料

试验于2017年3-7月在北京市农林科学院试验温室内进行(39°56′32.60″N，116°16′53.73″E)。以“佳丽14号”番茄为试验材料，采用温室盆栽技术，每盆装供试土壤11.0 kg(供试土壤为有机肥与原状土按质量比1∶33混合)，施氮磷钾复合肥0.983 kg。供试土壤基本理化性质为：土壤容重1.5 g·m-3，最大田间持水量25%(即体积含水率为37.5%)，土壤电导率0.5 ms·cm-1。

1.2　试验设计

番茄幼苗于育苗室内培养至五叶一心，2017年3月15日定植于试验温室塑料花盆中，盆的上口直径为34.2 cm，底直径18.5 cm、盆高22.3 cm，每盆定植长势一致的番茄幼苗1株，共定植20株，对所有供试番茄浇透水缓苗15 d，至4月2日起设置吸力值分别为5 kPa(T1)、6 kPa(T2)、7 kPa(T3)、8 kPa(T4)进行供水控水处理，对应的土壤含水率分别为22.7%、19.7%、14.4%、11.9%。为研究不同生育期耗水量和光合特性的变化规律，将番茄生育期划分为幼苗期(3月15日-4月1日)、开花期(4月2日-4月14日)、初果期(4月15日-5月15日)和盛果期(5月16日-6月20日)。

1.3　试验主要仪器与设备

负水头灌溉盆栽试验装置如图1所示。该装置主要由塑料盆、陶瓷盘、首部、控压管和导气管构成。当装置运行时，控压管及首部上的阀门属于关闭状态，进水管阀门打开，首部内水分进入陶瓷盘，陶瓷盘空腔内的气体全部排到首部。由于土壤基质势的作用，陶瓷盘内水分缓慢进入土壤，致使陶瓷盘内压强逐渐减小，首部内水分再次进入陶瓷盘，如此不断循环，使首部内水分在负压控制下连续不断进入土壤以供土壤蒸发及番茄植株生长发育[14]。

图1　负水头灌溉盆栽试验装置Fig.1　Pot experiment device with negative pressure irrigation　　注：1.番茄 2.土壤 3.陶瓷盘 4.进水管 5.首部 6.控压管 7.导气管 8.阀门　　Note：1.Tomato 2.Soil 3.Ceramic plate 4.Inlet pipe 5.Water supply barrel 6.Pressure control tube 7.Windpipe 8.Valve

2　测定指标及方法

2.1　耗水量测定

在番茄生育期内每天9:00使用非接触式管道液位红外传感器(WS03 A, CAEA electrical appliance co.,ltd, Beijing, China)读取首部内的水位高度h。

日耗水量计算公式为：

V=A×(h2-h1)

(1)

式中：V为日耗水量/cm3；A为负水头灌溉盆栽试验装置首部内径对应的横截面积/cm2；h1为测量前一天水位高度值/cm；h2为测量当天的水位高度值/cm；各生育期耗水量为各生育期内每日耗水量之和。

2.2　光合特性测定

选取番茄各生育期中的3个晴天9:00-11:00测定[15]，采用LI-6400XT光合作用测量系统(LI-COR Biotechnology, Nebraska, USA)测定番茄叶片净光合速率和蒸腾速率等参数。每个处理3个重复，选取生长点下第4片叶片为所测量的叶片。

2.3　产量测定

从果实成熟开始，每2 d采摘1次，每次采摘完后，分别称出不同处理当天采摘的番茄质量。产量统计用15 kg电子称称量，保留两位小数。

2.4　数据处理

采用Excel2017计算番茄不同生育期耗水量、叶片净光合速率和蒸腾速率等光合特性、植株水分利用效率及产量并绘制图表；采用SPSS19.0进行显著性分析。

3　结果与分析

3.1　不同生育期番茄耗水量变化

不同负水头吸力值下番茄各生育期耗水量变化如图2所示。由图2可知，番茄不同生育期耗水量有显著差异(P<0.05)，随番茄生育进程的变化，各处理的生育期耗水量均表现为初果期>盛果期>开花期>幼苗期，T1、T2、T3、T4处理的番茄初果期耗水量分别为22.05、18.89、21.11、18.46 kg·pot-1；与番茄初果期耗水量相比，T1、T2、T3、T4处理的番茄盛果期耗水量分别减少了21.5%、31.3%、48.4%和11.9%；与番茄初果期和盛果期耗水量相比，T1、T2、T3、T4处理的番茄幼苗期和开花期耗水量明显减少，幼苗期与开花期各处理间的耗水量相差较小；番茄初果期和盛果期是番茄生长的重要时期，需同时满足植株营养生长与生殖生长的需水要求；番茄幼苗期和开花期植株需水较少，因此。番茄初果期和盛果期耗水量明显高于幼苗期和开花期。

图2　不同生育期番茄耗水量的变化Fig.2　Changes of water consumption of tomato in different growth stages注：不同字母表示处理间差异达5%显著水平。　　Note: Different letters above bars are significantly different among treatments at 5%.

3.2　不同生育期番茄光合特性变化

图3为不同负水头吸力值下各生育期番茄叶片净光合速率的变化情况。由图3可知，各处理的番茄叶片净光合速率随番茄植株的生长呈先增大后减小的趋势；T1处理的番茄叶片净光合速率在番茄开花期达到最大，为17.09 μmol·m-2·s-1，T2、T3、T4处理的番茄叶片净光合速率在番茄初果期达到最大，分别为14.80、14.42、15.53 μmol·m-2·s-1；在番茄幼苗期和盛果期，各处理的番茄净光合速率相差较小。

图3　不同生育期番茄叶片净光合速率的变化Fig.3　Changes of photosynthetic rate of tomato leaf in different growth stages

不同负水头吸力值下各生育期番茄叶片气孔导度的变化情况如图4所示。由图4可知，T1和T4处理的番茄叶片气孔导度变化趋势一致，在番茄初果期达到最大，分别为0.83、0.76 mol·m-2·s-1；T2处理的番茄叶片气孔导度随番茄生育期变化逐渐减小，在幼苗期和开花期均高于其它处理；T3处理的番茄叶片气孔导度随番茄生育期变化表现为开花期>幼苗期>初果期>盛果期，开花期叶片气孔导度达到0.74 mol·m-2·s-1。

图4　不同生育期番茄叶片气孔导度的变化Fig.4　Changes of conductance of tomato leaf in different growth stages

图5是不同负水头吸力值下各生育期番茄叶片胞间CO2浓度的变化情况。由图5可知，各处理的番茄叶片胞间CO2浓度随番茄植株的生长变化趋势基本一致；在番茄幼苗期、初果期、盛果期，T1处理的番茄叶片胞间CO2浓度均高于其它处理，分别为432.18、358.10和182.88 μmol·mol-1；在番茄开花期T2处理的番茄叶片胞间CO2浓度均高于其它处理，达到360.95 μmol·mol-1。

图5　不同生育期番茄叶片胞间CO2浓度的变化Fig.5　Changes of intercellular CO2 concentration of tomato leaf in different growth stages

不同负水头吸力值下各生育期番茄叶片蒸腾速率的变化情况如图6所示。由图6可知，各处理的番茄叶片蒸腾速率随番茄植株生育期进程的变化先增大后减小，T1、T2、T3、T4处理的番茄初果期叶片蒸腾速率达到最大，分别为11.12、11.46、10.06和12.20 mmol·m-2·s-1；在番茄幼苗期，T2处理的番茄叶片蒸腾速率高于其它处理，为6.92 mmol·m-2·s-1；在番茄开花期，T2、T3处理的番茄叶片蒸腾速率相差较小，分别为8.76 mmol·m-2·s-1、8.80 mmol·m-2·s-1。

图6　不同生育期番茄叶片蒸腾速率的变化Fig.6　Changes of Transpiration rate of tomato leaf in different growth stages

3.3　不同处理的番茄水分利用效率和产量变化

不同处理对番茄水分利用效率和产量的影响见表1。由表1可知，各处理的番茄水分利用效率呈先增大后减小的趋势，T2处理的番茄水分利用效率最高，为17.8 g·kg-1；与T2处理的番茄水分效率相比，T1、T3、T4处理的番茄水分利用效率分别减少17.4%、12.9%、34.8%。T1、T2、T3、T4处理的番茄产量表现为T2>T1>T3>T4，T2处理的番茄产量最高，达0.71 kg·pot-1，与T1、T3、T4处理相比，增加幅度分别为4.3%、14.4%、30.1%。

表1不同处理对番茄水分利用效率和产量的影响

Table1Effects of different treatments on plant water use efficiency and yield of tomatoes

处理Treatments水分利用效率/g·kg-1Water use efficiency产量/kg·pot-1YieldT114.7±2.8b0.68±0.07aT217.8±1.4a0.71±0.05aT315.5±2.5ab0.62±0.08abT411.6±2.1c0.55±0.03b

注：不同字母表示处理间差异达5%显著水平。

Note: Different letters above bars are significantly different among treatments at 5%.

4　讨论与结论

负水头灌溉作为一种新型节水灌溉方式，主要通过设置不同的吸力值控制土壤的不同含水量，实现对土壤含水量的精准和持续控制[16，17]；负水头灌溉技术可有效减少土壤表面水分蒸发和地下渗漏等形式的水分流失，提高水分利用率[18]。本试验结果表明，不同负水头吸力值下番茄各生育期耗水量有一定差异，随番茄生育期进程的变化，各处理的番茄耗水量均表现为初果期>盛果期>开花期>幼苗期，幼苗期和开花期耗水量明显低于初果期和盛果期，由于初果期是番茄植株生长的重要时期，需同时满足番茄果实生长和叶片花序发育对水分的需求[19]，因此，初果期和盛果期耗水量明显高于幼苗期和开花期。

卫如雪等[20]研究表明，番茄叶片在上午10:00净光合速率和蒸腾速率随吸力值的增加先减小后增大。本试验结果表明在番茄开花期叶片净光合速率和蒸腾速率随吸力值的增加先减小后增大，与卫如雪等[20]的研究结果基本一致。5、6、7、8 kPa处理的番茄叶片净光合速率和蒸腾速率随番茄植株的生长呈现先增大后减小的趋势，与番茄各生育期耗水量的变化趋势基本相同，说明番茄各生育期耗水量与番茄叶片净光合速率和蒸腾速率之间有一定的相关性。余礼根等[10]研究表明，6 kPa吸力值处理的番茄株高增长率最高为31.5%，5 kPa和6 kPa处理的番茄产量较高。本试验结果表明，5 kPa、6 kPa处理的番茄产量高于7 kPa和8 kPa处理，分别达到0.68、0.71 kg·pot-1，与余礼根[11]等的研究结果基本一致。同时，各处理间番茄水分利用效率有显著差异(P<0.05)，且6 kPa处理的番茄水分利用效率最高，因此，负水头吸力值为6 kPa的土壤含水量及其灌溉量更适合温室番茄植株的生长发育。

综上，采用负水头灌溉技术能有效控制水分供应，值得推广。综合分析不同处理的番茄耗水量、光合特性、水分利用效率和产量可知，负水头吸力值为6 kPa的土壤含水量及其灌溉量更适合温室番茄植株的生长发育，为负水头灌溉技术合理应用提供理论依据。