辐射累积量控制的灌溉模式下温室番茄生长与水肥利用研究

魏晓然，程瑞锋，杨其长，和永康，张晨



辐射累积量控制的灌溉模式下温室番茄生长与水肥利用研究

魏晓然，程瑞锋，杨其长，和永康，张晨

（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081）

【目的】在辐射累积量控制的灌溉模式下，探讨不同灌溉量对番茄开花坐果期生长和水肥利用效能的影响，为日光温室番茄高效生产提供科学依据。【方法】在内嵌基质土垄栽培条件下，以番茄“丰收”杂交种为供试品种，采用营养液滴灌。灌溉模式分为常规时间间隔灌溉（以下称“常规灌溉”，CK）和辐射累积量控制灌溉两种，其中辐射累积量控制的灌溉模式分为低灌溉量（T1）、中灌溉量（T2）和高灌溉量（T3），研究不同灌溉模式和灌溉量的番茄开花坐果期生长和水肥利用效能的差异。【结果】相比于处理CK，处理T1、T2和T3的灌溉量分别减少了39.3%、30.3%和14.0%，而且灌溉量越大，基质水分含量越高，处理CK>T3>T2>T1。辐射累积量控制的灌溉模式有利于番茄营养和生殖生长，显著提高了番茄生物量，相比于处理CK，处理T1、T2和T3的番茄生物量分别提高了57.1%、75.3%和32.7%；其中，处理T2的番茄生物量达到102.9 g/株，也显著高于处理T1和T3。辐射累积量控制的灌溉模式晴天的灌溉量多于阴天，而且中午的灌溉量多于早晨和下午，与植株对水肥的需求相匹配；此外，该灌溉模式有效节约了水肥，避免了水肥的浪费，相比于处理CK，在晴天和阴天时，处理T3的废液排出率分别减少了62.5%和72.6%。该灌溉模式下的适宜灌溉量也显著提高了番茄产量和灌溉水分利用效率，相比于处理CK，处理T2的产量增加了14.2%，达到61.3 t·hm-2，灌溉水分利用效率提高了34.1%，灌溉量过少则抑制了植株产量的提高。【结论】辐射累积量控制的灌溉模式能够促进番茄的生长，有效节约了水肥。其中处理T2灌溉量533.0 m3·hm-2，可作为日光温室番茄开花坐果期的参考营养液灌溉量。

辐射累积量；灌溉量；水肥利用；开花坐果期；番茄

0 引言

【研究意义】番茄是我国广泛栽培的蔬菜种类之一，温室栽培主要在冬季和春季种植，因为其口感好，富含很多对人体有益的营养物质，如番茄红素、维生素A等，还具有抗癌及预防早期癌细胞扩散的功能[1-2]。水肥是影响番茄生长的重要物质基础，但长期以来，设施番茄土壤栽培一直采用“粪大水勤，不用问人”的水肥管理模式，不但造成水肥的大量浪费，而且对番茄生长不利[3-6]。无土栽培在日光温室番茄栽培中应用越来越普遍，合理的灌溉模式和灌溉量不但能够确保根区有充足的水肥供应，促进番茄的生长，而且能减少水肥的浪费，防止基质盐分过多，是获得日光温室番茄优质高产的重要保证[4-9]。因此，日光温室中番茄无土栽培的营养液灌溉模式和灌溉量研究具有重要意义。【前人研究进展】在国内外设施栽培过程中，灌溉模式和灌溉量对番茄生长和水肥利用的影响已有大量研究。蒸发皿水面蒸发量Epan（Ep）为参数估算灌溉量的模式，在温室中已经广泛应用，而用能量平衡法估算参考作物蒸发蒸腾量ET0是以能量平衡方程为基础，当用波纹（Bowen，1926）比β表示显热与潜热之间的比例关系时，参考作物蒸发蒸腾量公式为：

ET0=Rn/（1+β）

式中，Rn为太阳辐射累积量（kJ·m­-2）[10-14]。研究认为，水肥灌溉量要与日光温室番茄生长的需求量相匹配，生长过程中水肥需求量呈先升高后降低的变化趋势，开花坐果阶段是水肥需求的旺盛期，充足的供给是番茄健康生长的重要保证。而在番茄无土栽培中，灌水上限在85%—90%间有利于番茄的生长，是较为理想的温室番茄开花坐果期灌溉上限指标，水分过高或过低都对番茄生长不利，同时不利于水分利用效率的提高[15-20]。当前研究大多是基于环境因子的灌溉模式，这些环境因子都与番茄的蒸腾作用密切联系，如光辐射、饱和蒸汽压差、基质电导率等[12-13,21-22]，而且研究表明，影响蒸腾作用的主要环境因子是光辐射，占到70%[13]，其在很大程度上影响甚至直接决定日光温室内光温环境，还会引起番茄养分吸收量的改变，光辐射与养分之间存在“光肥平衡”关系[23]。因而辐射累积量控制的灌溉模式更加符合番茄对水分和养分的需求规律。【本研究切入点】内嵌基质土垄栽培（图1）是日光温室中一种新型无土栽培方法[24]，这种栽培方法能限制根系空间，减少水肥资源投入，同时结合滴灌系统使用，能有效提高水肥利用率，而且冬季保温性能优越。但是此种栽培方法底部铺有地膜，且日光温室中多采用常规灌溉，水肥的供给与番茄的需求不匹配，多余的水肥容易淤积在基质里，造成作物根部的腐烂。目前，在内嵌基质土垄栽培条件下，日光温室中合理的灌溉模式和灌溉量尚需进一步研究，尤其是与常规灌溉模式相比，采用辐射累积量控制的灌溉模式，对促进番茄的生长以及水肥利用效能的影响尚不明确。【拟解决的关键问题】本试验采用辐射累积量控制的灌溉模式，在内嵌基质土垄栽培条件下，利用水肥一体机进行自动化营养液滴灌。针对番茄花期和坐果期采取不同的灌溉量，研究了其对番茄生长以及水肥利用的影响，以探讨日光温室番茄生产的营养液灌溉模式和灌溉量，并为进一步建立日光温室中合理的灌溉制度提供技术理论支持。

1 材料及方法

1.1 试验地点及材料

试验在北京市顺义区大孙各庄镇的节能型日光温室（40°13′N，116°65′E）中进行，温室长60 m，跨度8 m，脊高3.8 m，前屋面选用防水无滴膜覆盖，后墙为砖墙。试验区在日光温室东半侧进行，供试番茄品种为“丰收”杂交种，由瑞克斯旺（中国）种业提供。栽培基质为配制的复合基质，前期育苗和后期定植为同一配方，体积比为草炭﹕蛭石﹕珍珠岩=1﹕1﹕1；基质袋为无土栽培专用袋，规格为100 cm×20 cm×12 cm，材质为外白内黑的PE薄膜。

1.2 试验设计

试验于2017年8月20日进行番茄育苗，9月7日当番茄处于“两叶一心”时开始定植，双行栽培，试验区两侧分别有两垄保护行。根据番茄的生育特点，将番茄分为苗期（2017年9月7日至10月20日）、花期（2017年10月21日至11月13日）、坐果期（2017年11月14日至12月11日）和采收期（2017年12月12日至2018年2月5日），试验时段为番茄花期和坐果期，采收期留4穗果后打顶。

1.2.1 栽培方式 试验选定内嵌基质土垄栽培，垄距为1.6 m，垄下宽80 cm，上宽25 cm，高20 cm；内嵌基质袋长1 m，宽20 cm，高12 cm，每个基质袋定植4株，株距25 cm，每垄5个基质袋，共定植20株苗，种植密度为25 000株/hm2。基质袋下方开孔，有废液回收槽，回收槽的长度为5.5 m，用于回收废液，废液回收槽从北往南有一定坡度，且最南端连接收集桶，具体栽培方式如下图1。

图1 内嵌基质土垄栽培示意图

1.2.2 灌溉模式 试验灌溉模式设常规灌溉（CK）和辐射累积量控制的灌溉（T1、T2、T3），共4个处理，3次重复，其中处理T1、T2和T3在番茄不同生育期采取不同的灌溉量。常规灌溉采用传统的滴灌设备，按照时间间隔定时进行灌溉。

辐射累积量控制的灌溉采用水肥一体机进行，水肥一体机连接有太阳辐射传感器，太阳辐射传感器距离温室地面2.0 m，距离后墙4.5 m。试验根据文献[25]和温室光照情况设定辐射累积阈值1 600 kJ·m­-2，达到阈值时水肥一体机开始启动。

试验各处理均采用营养液滴灌，每垄布置一条滴灌管，滴灌管直径20 mm，滴箭间距25 cm，每个处理的滴灌管和滴箭规格相同，滴箭都位于植株根区附近，具体试验布置如下图2。

1.2.3 灌溉量 试验为确保幼苗的成活率，定植后各处理均进行一次灌溉，使基质完全浸湿。苗期和采收期各处理采用相同的灌溉量，每天灌溉量分别为4.3和12.5 m3·hm-2，总灌溉量为179.3和700.0 m3·hm-2。试验开始后，处理CK从8：00—16：00，每隔1 h灌溉一次，花期和坐果期每次灌溉量分别为1.3和2.3 m3·hm-2，总灌溉量为319.3和445.8 m3·hm-2。处理T1为低灌溉量，处理T2为中灌溉量，处理T3为高灌溉量，3个处理花期每次灌溉量分别为2.0、2.3和2.5 m3·hm-2，总灌溉量为199.8、229.0 和258.3 m3·hm-2；坐果期每次灌溉量分别为2.3、2.5和3.5 m3·hm-2，总灌溉量为264.8、304.0和399.8 m3·hm-2。

营养液浓度按照日光温室传统经验配方管理，EC=2.2 dS·m-1，pH=5.8。相比于处理CK，处理T1、T2、T3营养液灌溉量分别减少了39.3%、30.3%、14.0%，具体灌溉量及养分用量如下表1。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 基质水分含量测定 采用国产基质专用高精度湿度传感器（TM-JZ01）测量基质水分含量，插在根区附近，距离滴箭10 cm。基质水分含量采用多点数据记录仪（YM-T16）记录，每隔10 min记录一次。

1.3.2 番茄生长指标测定 株高和茎粗：从花期开始，每个处理标记12株，每隔7 d测量基质表面到最顶部叶片叶腋处的长度，记为株高；用精度为0.01 mm的游标卡尺测量第一穗果下方3 cm处直径，记为茎粗。

1.3.3 番茄生物量 在坐果期末期（12月4日）开展破坏性测量，每个处理选取4株植株，然后在电热鼓风干燥箱（DHG-9620-A）105℃杀青30 min，在80℃烘至恒重，记录植株干重。

1.3.4 番茄产量和灌溉水分利用效率

图2 试验布置示意图

表1 灌溉量及养分用量

产量：番茄成熟时，每隔7 d采收一次，记录每个处理的植株总产量。

灌溉量：每个处理滴灌灌溉的管路上都连接有旋翼式水表（LXS-25E），用于记录每个处理的灌溉量。

灌溉水分利用效率：灌溉水分利用效率的计算公式为：

IWUE=Y/I

式中，IWUE（irrigation water use efficiency）为灌溉水分利用效率（kg·m-3）；Y为植株产量（kg）；I为灌溉量（m3）。

1.4 数据处理及统计分析

方差分析采用SPSS 18数据处理软件，不同处理间的多重比较采用Duncan法，图表中不同小写字母表示在α=0.05水平下差异显著（=0.05），数据统计和作图采用Excel 2010和GraphPad软件。

2 结果

2.1 不同处理的基质水分含量变化

图3和图4分别为连续阴天和晴天基质水分含量变化情况，11月13日灌溉量增加导致基质水分含量增加。由图可知，不同处理的基质水分含量都有差异，处理CK>T3>T2>T1，表明灌溉量越多，基质水分含量越高。阴天时处理CK基质水分含量一直在90%以上，晴天时相对较低。在一天内，基质水分含量会随灌溉的响应呈现波动，辐射累积量控制的灌溉模式变化幅度更大，处理T2基质水分含量在80%上下波动。

图3 连续阴天基质水分含量变化情况（2017年11月10—16日）

图4 连续晴天基质水分含量变化情况（2017年12月5—11日）

2.2 不同处理对番茄株高和茎粗的影响

由图5可知，随着生育时期的推进，番茄株高和茎粗逐渐增大，但是不同处理间的增长率不同。在10月21日至11月10日番茄花期，处理CK、T1、T2、T3的株高增长率分别为67.3%、52.8%、75.4%、69.2%，茎粗增长率分别为47.0%、35.7%、55.3%、46.1%。在11月17日至12月15日番茄坐果期，处理CK、T1、T2、T3的株高增长率分别为46.8%、39.6%、26.3%、35.3%，茎粗增长率分别为12.7%、25.5%、13.5%、10.8%。由此可知，不同处理间的株高和茎粗增长率有差异，在花期，处理T2株高和茎粗增长率最大；在坐果期，处理CK株高增长率最大，茎粗增长率较小，而辐射累积量控制的灌溉模式株高增长率相对降低，表明这个阶段番茄的生长主要集中在果实部位。

图5 不同处理对番茄株高和茎粗的影响

2.3 不同处理对番茄生物量的影响

由图6可知，与处理CK相比，辐射累积量控制的灌溉模式显著提高了番茄生物量，处理T1、T2和T3分别提高了57.1%、75.3%和32.7%，其中处理T2达到102.9 g/株，显著高于其他处理。可见，相比于常规灌溉，辐射累积量控制的灌溉模式显著提高了番茄的生物量，而且过多或过少的灌溉量都会抑制番茄生物量的积累。

2.4 不同处理对水肥利用的影响

图7为辐射累积量控制的连续6 d灌溉模式图，12月1—3日为阴天，12月4—6日为晴天。由图可知，辐射累积阈值为1 600 kJ·m-2，每天的灌溉次数取决于一天中的总辐射值，晴天的总辐射值多于阴天，则灌溉次数多于阴天。此外，晴天时灌溉间隔的大小取决于辐射值的高低。在早晨和下午，太阳辐射较低，需要约2 h达到阈值，灌溉间隔较大，灌溉量少；在中午，太阳辐射较高，需要约1 h达到阈值，灌溉间隔较小，灌溉量大。

图6 不同处理对番茄生物量的影响

表2为连续6 d不同处理水肥灌溉量和废液排出量情况，由表可知，辐射累积量控制的灌溉模式在不同天气的灌溉量有差异，晴天的灌溉量多于阴天，而常规灌溉无差异。常规灌溉废液排出量多于辐射累积量控制的灌溉，在晴天和阴天时，处理CK的废液排出率平均值分别为28.5%和50.0%，处理T3分别为10.7%和13.7%，处理T1和T2废液排出量很少；相比于处理CK，在晴天和阴天时，处理T3的废液排出率分别减少了62.5%和72.6%。可见，相比于常规灌溉，辐射累积量控制的灌溉模式有效节约了水肥，避免了水肥的浪费。

虚线为光辐射累积阈值 The dotted line is cumulative solar radiation threshold

表2 不同灌溉模式下番茄灌溉量和废液排出量情况

2.5 不同处理对产量和灌溉水分利用效率的影响

由图8可知，与处理CK相比，处理T2的产量增加了14.2%，达到61.3 t·hm-2，处理T1的产量没有显著增加。从灌溉水分利用效率的角度分析，相比于处理CK，处理T1、T2和T3分别增加了26.4%、34.1%和24.3%，处理T2达到57.3 kg·m-3。可见，相比于常规灌溉，辐射累积量控制的灌溉模式有利于番茄产量和灌溉水分利用效率的提高。

3 讨论

3.1 辐射累积量控制的灌溉模式对基质水分含量的影响

日光温室番茄无土栽培过程中，基质水分含量对植株的生长有显著影响，所以选择合理的灌溉模式和灌溉量尤为必要。在本试验中，阴天时处理CK基质水分含量一直在90%以上，分析原因主要是阴天植株蒸腾作用较弱，需水量较少，而且基质水分传感器与滴箭距离过近造成的，晴天时植株蒸腾作用较强，需水量较多，基质水分含量显著降低。DUNWELL和夏秀波等研究表明，基质水分含量为80%时最适宜无土栽培中番茄生长[26-27]。辐射累积量控制的灌溉模式基质水分含量低于常规灌溉，在一天内随灌溉的响应呈现波动，处理T2基质水分含量一直在80%左右。

图8 不同处理对产量和灌溉水分利用效率的影响

3.2 辐射累积量控制的灌溉模式对番茄株高、茎粗和生物量的影响

基质水分含量是影响株高和茎粗增长率的关键因素，而灌溉模式和灌溉量对基质水分含量有直接影响。侯加林和张燕等认为，在番茄营养生长旺盛期，过多和过少的灌溉量会抑制株高和茎粗的增长[28-30]；WANG 等研究结果证实，在番茄坐果期过多的灌溉量会使植株越来越“瘦高”[31]。在本试验中，花期处理CK因过多的灌溉量基质水分含量过高，株高和茎粗增长缓慢，而坐果期植株形成“徒长现象”，生殖生长则减弱。处理T1因过少的灌溉量营养生长受到抑制，而花期处理T2有最高的株高和茎粗增长率，坐果期营养生长减弱，生殖生长增强，有利于果实中营养物质的积累，表明辐射累积量控制的灌溉模式对番茄营养和生殖生长有利，处理T2灌溉量最适宜。

番茄生物量的积累与基质水分含量有密切联系。WAN等[21]研究表明，基质水分过多，降低了根区氧的浓度，影响了植株酶的活性，进而影响光合作用，使植株合成有机物的能力减弱。在本试验的结果中，与处理CK相比，辐射累积量控制的灌溉模式显著提高了番茄生物量。处理CK和T3基质水分含量过高，处理T1过低，都不利于番茄生物量的积累，而处理T2基质水分含量适宜，番茄生物量最高。

3.3 辐射累积量控制的灌溉模式对水肥利用的影响

番茄在不同的天气下对水肥需求状况不同，灌溉量多少受灌溉模式直接影响。HUNG等[20]研究表明，辐射累积量控制的灌溉模式能满足番茄变化的水肥需求，废液的排出量较少。在本试验中，处理T3的废液排出量显著少于处理CK，处理T1和T2废液排出量很少。ALBERTO 等[8]研究表明，常规灌溉在早晨和下午时灌溉量较多，超出了番茄的水肥需求，导致大量的废液排出；中午番茄蒸腾作用较强，灌溉量不变，番茄可能遭受水压，对其生长不利。相比于晴天，阴天番茄蒸腾作用较弱，灌溉量也应该较少，而常规灌溉没有考虑天气状况，灌溉量超出了番茄的需求。本试验研究结果表明，辐射累积量控制的灌溉量取决于不同的天气状况，晴天的灌溉量显著多于阴天，而常规灌溉的灌溉量保持不变。此外，在晴天的不同时间段，辐射累积量控制的灌溉量也不同，中午的灌溉量多于早晨和下午，而常规灌溉在一天的不同时间段灌溉量相同。可见，相比于常规灌溉，辐射累积量控制的灌溉模式与番茄对水肥的需求相匹配，而且节水节肥效果明显。

3.4 辐射累积量控制的灌溉模式对产量和灌溉水分利用效率的影响

灌溉模式和灌溉量对产量和灌溉水分利用效率有显著影响，前人研究认为，亏缺灌溉会抑制番茄产量的提高[32]。处理T1番茄产量显著小于处理T2和T3，表明灌溉量过少降低了番茄的产量。而蔡东升等[33]研究表明，营养液供应量的增加，会导致灌溉水分利用效率的降低。本试验中处理T1、T2和T3灌溉水分利用效率显著高于处理CK，而处理T3相比于处理T2灌溉水分利用效率显著降低，产量却没有显著增加，表明辐射累积量控制的灌溉模式下处理T2是适宜灌溉量。

综合考虑番茄生长和水肥利用情况，推荐辐射累积量控制的灌溉模式下，处理T2为番茄开花坐果期的参考灌溉量，灌溉量为533.0 m3·hm-2。

4 结论

本研究表明，在日光温室内嵌基质土垄栽培条件下，与常规灌溉相比，辐射累积量控制的灌溉模式有利于番茄营养和生殖生长，显著提高了番茄生物量、产量和灌溉水分利用效率；辐射累积量控制的灌溉模式有效节约了水肥，避免了水肥的浪费，水肥的供给与植株的需求相匹配。其中，处理T2番茄生物量、产量、灌溉水分利用效率分别达到102.9 g/株、61.3 t·hm-2和57.3 kg·m-3，灌溉量为533.0 m3·hm-2，可作为日光温室番茄开花坐果期的参考营养液灌溉量。

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（责任编辑 李云霞）

Research of the Irrigation Mode Controlled by Cumulative Radiation on Tomato Growth and Water and Fertilizer Utilization in Greenhouse

WEI XiaoRan, CHENG RuiFeng, YANG QiChang, HE YongKang, ZHANG Chen

(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081)

【Objective】Under the irrigation mode controlled by cumulative radiation, the objective of this paper was to study on the effects of different irrigation amount on tomato growth, water and fertilizer utilization in tomato flowering and fruit-set stage, so as to provide the scientific basis for tomato efficient production in Chinese solar greenhouse. 【Method】Under the condition of soil ridge substrate embedded cultivation to test “harvest” hybrid tomato by the nutrient solution drip irrigation, irrigation mode was divided into regular time interval irrigation (hereinafter referred to as “normal irrigation”, CK) and irrigation controlled by cumulative radiation, which was divided into low irrigation (T1), middle irrigation (T2) and high irrigation (T3). It researched on the irrigation modes and amount difference of growth, development, and water and fertilizer utilization in tomato flowering and fruit-set stage. 【Result】Compared with CK, the irrigation amount of T1, T2 and T3 reduced by 39.3%, 30.3% and 14.0%, respectively. The greater irrigation amount was, the higher substrate moisture content was, as follow: CK > T3 > T2 > T1. Irrigation mode controlled by cumulative radiation was better for tomato vegetative and reproductive growth, and significantly improved tomato biomass. Compared with treatment CK, the tomato biomass of T1, T2 and T3 had increased by 57.1%, 75.3% and 32.7%, respectively. Among them, the tomato biomass of treatment T2 was 102.9 g·plant-1, which was also significantly higher than that of T1 and T3. Controlled by cumulative radiation, irrigation amount on sunny day was more than that on cloudy day, and irrigation amount on noon time was more than that on morning and afternoon, which was more consistent with the plant's demand for water and fertilizer. Besides, it saved the water and fertilizer and avoided the waste of water and fertilizer. Compared with CK, the drainage rate of T3 on sunny and cloudy day reduced by 62.5% and 72.6%, respectively. The suitable irrigation amount controlled by cumulative radiation also significantly improved tomato yield and irrigation water utilization efficiency. Compared with CK, the tomato yield of T2 was improved by 14.2%, reached to 61.3 t·hm-2, and the irrigation water utilization efficiency was improved by 34.1%. Too little irrigation amount inhibited the production of plants. 【Conclusion】Irrigation mode controlled by cumulative radiation could promote growth and effectively save water and fertilizer. Among them, the irrigation amount of T2 was 533.0 m3·hm-2, which could be used as a referenced nutrient solution for tomato flowering and fruit-set stage in Chinese solar greenhouse.

cumulative radiation; irrigation amount; water and fertilizer utilization; flowering and fruit-set stage; tomato

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.18.009

2018-03-08；

2018-05-16

国家“863”计划（2013AA103004）、科研院所基本科研业务费（Y2018PT85、BSRF201602）

魏晓然，E-mail：weixiaoran199216@163.com。通信作者程瑞锋，E-mail：chengruifeng@caas.cn