基于土壤含水量的灌溉制度对番茄生理、产量及水分利用效率的影响

黄 媛，于景鑫，杜亚茹，康艺凡，杜鹏飞，田国英

（1.石家庄市农业信息感知与智能控制重点实验室·石家庄市农业信息化工程技术研究中心·河北省都市农业技术创新中心·石家庄市农林科学研究院 石家庄 050041；2.北京市农林科学院智能装备技术研究中心 北京 100097）

河北省是蔬菜产销大省，2020 年蔬菜产量5 198.2 万t，位居全国第4 位，设施蔬菜快速发展，设施蔬菜产量1 258.2 万t，占蔬菜总产量24.2%，2020 年河北省农业用水量为107.7 亿m3，是全省总用水量的58.93%[1]，随着资源环境约束日益加剧，农业节水提质增效成为河北省农业高质量发展的重中之重，2020 年河北省喷滴灌面积达25.9 万hm2[2]，滴灌是有效减少渗漏蒸发，实现节水增效的有效途径。目前，利用土壤水分传感器实现土壤含水量监测从而制定精准的灌水制度，提高水分利用效率，是现代设施农业种植管理的重要手段。

依据灌水量、灌溉频次或土壤水分开展节水灌溉制度研究是国内设施番茄栽培的重要研究方向。其中，张坤[3]在干旱、半干旱地区从节约水资源方面考虑，研究发现75%ET0处理的灌水量可作为番茄节水灌溉制度。郭彬等[4]研究表明，番茄在覆膜条件下，设置80%FC 灌水上限可获得较高产量和较好的品质。李旭峰等[5]研究表明，番茄苗期减少50%灌水量，在保证产量的同时节约了灌水量18%。刘晓奇等[6]在番茄第一穗果坐住时（果实直径1 cm）进行不同程度水分亏缺灌溉处理，结果显示，中度水分亏缺即60%灌水量可作为日光温室基质栽培高品质番茄的灌溉制度。

大量研究结果表明，在灌溉管理中，以适当的土壤水分含水量为灌溉开启条件可增加番茄产量，提高品质和水分利用效率[7]。但研究结论不尽相同，这可能与不同地区土壤、气候条件，不同种植管理制度相关。因此，笔者立足河北省设施番茄种植环境，在典型生产型日光温室中，利用土壤水分多剖面立体监测设备，开展以不同土壤相对含水量为灌溉开启条件的灌水试验，以期通过对番茄生理、品质、产量及水分利用率的分析研究，获得高效节水的设施番茄滴灌控制制度。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及材料

试验地点为石家庄市农林科学研究院赵县农业科技园区，试验温室为钢架结构，长度90.0 m、宽度8.0 m、顶高度4.5 m，后墙为厚度0.5 m 的砖墙，覆盖材料为聚乙烯膜，种植面积489.0 m2。试验地土质为壤土，0～40 cm 深土壤的物理性质及养分含量情况见表1。

表1 土壤理化性质

番茄材料为盛丰5 号（海泽拉启明种业北京有限公司），该品种为有限生长型，中型果，粉红果色，综合抗逆性强。苗长至5 叶1 心、苗高10～12 cm进行定植。

1.2 试验设计

试验设置4 个处理，灌水上限均为土壤的田间持水量（100% FC），下限分别为50% FC、60% FC、70% FC、80% FC，分别记为T1、T2、T3、T4，对照CK 依据本地常用滴灌灌溉制度[8]进行灌溉。灌水湿润层为深度0～40 cm 土层，即依据0～40 cm 土壤的平均含水量作为灌水依据。

利用土壤水分多剖面立体监测设备（农芯科技，中国）对土壤水分含量（体积分数）进行监测，设备埋设至各小区南北距离正中部，垄上距番茄植株15 cm 处。依据NY∕T 3678—2020（土壤田间持水量的测定围框淹灌仪器法）技术要求，对供试土壤最大持水量（体积分数）进行计算。定植后每5 min 对所在小区土壤水分进行一次测量，试验处理见表2。

表2 试验处理

1.3 方法

小区面积3.0 m×6.7 m，每个处理设置3 次重复，各小区之间留2 行保护行。采用高畦单行栽培，畦高20 cm，畦底宽约50 cm，畦面宽40 cm，过道宽50 cm，株距0.33 m。采用滴灌灌溉，孔距0.30 m，1 行番茄布置1 条滴灌带。

定植前按照5000 kg 目标产量，底肥施用有机肥（活菌数2 亿·g-1，有机质40%，w，后同）1 022.49 kg·hm-2，磷酸二铵（氮18%，磷46%，）141.10 kg·hm-2，硝酸钾（钾52%）274.85 kg·hm-2，史丹利优肽氮（氮46%）216.77 kg·hm-2。番茄每穗果膨大至直径1.5 cm 时进行追肥，每次追复合肥（氮13%，磷6%，钾40%）12.45 kg·hm-2，农用硫酸钾（钾50%）9.75 kg·hm-2，恩乐施（氮32%）21.90 kg·hm-2。每次追肥确保各小区在7 d 内完成追肥，各小区总施肥量一致。

2021 年8 月27 日番茄苗定植，定植后27 d 进入花期，10 月16 日第一穗果开始膨大进行灌水试验，将试验时期划分为3 个时期：结果前期（10 月16 日至11 月15 日）、转色期（11 月16 日至12 月9 日）、采收期（12 月10－31 日）。试验至12 月31 日结束。各处理全生育期灌水量、灌水次数和灌水周期见表3。

表3 各处理灌溉情况

1.4 项目测定及方法

1.4.1 用水量 各小区分别安装水表，记录全生育期灌水量，根据种植密度计算单株耗水量（m3·株-1）。

1.4.2 作物生长、生理和果实产量、品质指标 在结果前期、转色期、采收期，利用Li-6400 便携式光合测量仪（LI-COR，美国）测定净光合速率、气孔导度、蒸腾速率，测量位置为生长点向下第3 片完全展开的功能叶，测量时段为光照条件较好的09：00－12：00；采收期随机选取3 株植株将根、茎、叶、鲜果105 ℃杀青后转80 ℃烘至恒质量，采用精度0.01 g 天平称取全株生物量（kg·株-1）。

采收期各处理选取5 株长势较为一致的番茄植株采摘一穗果称量果实质量（kg），计算单株平均产量（kg·株-1）；依据果实质量进行商品等级分级，大果质量≥150 g，100 g＞中果质量≥149 g，50 g＞小果质量≥99 g，特小果质量≤50 g，统计各等级番茄果实数量，计算各等级果占比（%）；各处理选取5 个成熟度较为一致的果实，采用分光光度计法[9]测定番茄红素含量，采用2，6-二氯酚靛酚钠滴定法[10]测定维生素C 含量，采用蒽酮比色法[10]测定可溶性总糖含量，采用NaOH 滴定法[10]测定可滴定酸含量。

1.4.3 经济指标 根据产量和耗水量计算水分利用效率：WUEy=Y/ET，根据干物质总量和灌水量计算生物量水分利用效率：WUEb=B/ET，式中Y为单株产量（kg·株-1），B为干物质总量（kg·株-1），ET为单株耗水量（m3·株-1）[11]。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2007 软件进行试验数据整理及图表绘制，采用IBM SPSS Statistics 23 软件进行统计学分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉下限对番茄光合参数的影响

由表4 可以看出，结果前期，所有处理的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均大于对照，说明这一时期以土壤含水量为灌溉依据的灌溉制度优于以灌溉量为依据的灌溉制度，其中T3 表现最优，且与T1、T4、CK 差异达到显著性水平，净光合速率较CK 提高了170.84%，气孔导度提高了474.15%，蒸腾速率提高65.83%。转色期，T3 处理叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率显著高于CK，其中净光合 速 率 较T1、T2、T4、CK 分 别 提 高70.45%、10.17%、26.73%、59.68%，气孔导度分别提高了61.05%、32.22%、44.50%、112.10%，蒸腾速率分别提高了110.61%、45.05%、19.04%、51.03%。进入采收期，T2 处理的光合能力增强，但净光合速率与T1、T3、T4 无显著差异；T2 处理气孔导度分别较T1、T3、T4、CK 显著提高109.13%、34.65%、113.16%、212.78%；T2 处理蒸腾速率与T3 无显著差异，较T1和CK 分别显著提高了230.95%和128.26%。由此可见，以70%FC 为灌溉开启条件的处理在结果前期和转色期有利于叶片提高净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，进入果实采收期，以60%FC 为灌溉开启下限的灌溉制度利于提高叶片气孔导度和净光合速率，从而促进有机质的转化和积累。

表4 不同灌溉下限对叶片光合参数的影响

2.2 不同灌溉下限对果实品质和分级的影响

由表5 可以看出，T3 处理番茄红素含量显著高于其他处理，可滴定酸含量显著低于其他处理，其中番茄红素含量分别较T1、T2、T4、CK 提高了232.20%、121.05%、254.22%、222.19%，可滴定酸含量分别较T1、T2、T4、CK 降低了27.78%、25.71%、38.10%、29.73%，但T3 处理大果占比为38.89%，在各处理中最低；特小果占比5.56%，在各处理中最高。T1 处理维生素C 含量和总糖含量均显著高于其他处理，其中维生素C 含量分别较T2、T3、T4、CK 提高了91.96%、55.46%、62.82%、29.26%，总糖含量分别较T2、T3、T4、CK 提高了22.43%、51.13%、76.98%、28.53%，同时T1 处理大果占比50.00%，特小果占比为0。可见，较高的土壤水分含量可提高番茄红素含量，但不利于番茄果实膨大，以50% FC 为灌水开启条件可显著提高番茄维生素C 和总糖含量，同时促进了大果生产。

表5 不同灌溉下限对果实品质及分级的影响

2.3 不同灌溉下限对经济指标的影响

由表6 可以看出，T1 平均每株耗水量为0.060 4 m3，分别较T2、T3、T4、CK 节水37.86%、58.06%、58.37%、14.81%；不同灌溉处理下单株产量有一定差异，T2 产量为2.007 kg·株-1，分别较T1、T3、T4、CK 提 高 了43.15%、41.24%、23.13%、44.28%；利用平均单株耗水量与产量计算水分利用效率，其中以50%FC 为灌水开启条件的T1 处理下的水分利用效率最高，分别较T2、T3、T4、CK 提高了12.42%、135.22%、106.59%、18.36%；各处理的生物量之间无显著差异，T1 处理生物量水分利用效率方面同样表现最优，分别较T2、T3、T4、CK 提高了42.67%、139.21%、105.24%、2.06%。由此证明，土壤保持较高的土壤含水量导致灌溉量增加，单株耗水量提高，水分利用效率和生物量水分利用效率降低，以50% FC 为灌水开启条件可达到较高的水分利用效率和生物量利用效率。

表6 不同灌溉下限对植株水分利用效率的影响

3 讨论与结论

番茄的光合能力受水分影响显著。土壤水分含量过低导致植物体内水分含量下降，使得叶绿素活性降低，表现为净光合速率下降，同时水分胁迫导致番茄功能叶气孔导度显著降低，作物蒸腾作用下降以减少水分蒸发，导致养分运输能力降低[12]。T1 和T2 处理以50%FC 和60%FC 为灌溉下限，在结果前期、转色期以及采收期，叶片的光合能力随土壤含水量下降而下降，这一结论与前人研究结论一致；土壤水分过高则导致土壤通气性下降，根系呼吸作用受阻，从而抑制了根系水分和养分的吸收[13]，笔者试验中T4 处理以80%FC 为灌溉开启条件，其叶片光合能力在各个生育期均低于T3 处理。

雷成霞等[14]对地下滴灌研究表明，轻度水分亏缺可以提高作物耐旱性和节水性。菅毅等[15]对不同节水灌溉方式的研究中发现，灌水下限为65%～75%时，综合效益评价最高。在笔者的研究中，番茄结果前期和转色期，70%FC 为灌溉下限可使番茄叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率最强，采收期，60% FC 为灌溉下限的光合能力进一步提高。由此可见，适度的土壤水分亏缺不仅不会抑制番茄生长，反而随着生育期推进使植株的耐旱性逐渐增强[16]，同时导致底部叶片老化速度较快，进而促进了顶部功能叶的光合能力。

不同灌溉制度下番茄果实番茄红素、维生素C、总糖、可滴定酸含量具有一定差异。刘亭亭等[17]研究显示，始花结果期、果实生长初期、果实快速膨大期和品质形成期水分充足有利于番茄红素含量增加。笔者的研究印证了这一结论，T3 处理番茄红素显著高于其他处理121.05%～254.22%。有学者研究显示，番茄果实中可溶性固形物、维生素C 含量随灌水量减少而增加[18-20]。笔者的研究结果与前人结论基本一致，其中以50%FC 为灌溉下限的T1 处理获得了较高的维生素C 和总糖含量，可滴定酸含量适中，果实营养含量及风味最佳。大果较中小果更具经济价值，T1 和对照组大果占比均超过50%，且特小果率为0，T3 处理虽然果实番茄红素较高，但大果率仅为38.89%，且特小果率最高，由此证明，适度较低的土壤水分含量可促进大果生长，减少特小果的出现。

番茄坐果期营养生长与生殖生长同时进行，适当的水分胁迫有利于营养生长向生殖生长的转化，因此番茄植株处于一定的水分亏缺状态，水分利用效率更高[21]。张国新等[22]在对不同土壤基质势对产量及水分利用效率影响的研究中发现，随着基质势降低，灌水频次减少，水分利用效率明显提高。张辉等[23]在探讨温室膜下滴灌不同生育时期灌水控制下限与番茄产量、水分利用效率的关系时发现，水分利用效率随番茄产量增加呈抛物线型变化，产量低于9.69×104kg·hm-2时生产单位质量番茄用水较少。在笔者的研究中不同灌水制度可影响番茄产量，综合用水量以50%FC 为灌水开启条件水分利用效率和生物量利用效率最高，可有效实现设施番茄生产节水。

在设施番茄花果期栽培管理中，不同灌溉制度对番茄植株生长、产量、品质、水分利用效率等方面均具有一定影响。综合果实品质、经济价值和水分利用效率，以50%FC 为开启条件的灌溉制度可获得优良的果实品质和较高的经济价值，同时有效实现节水增效目标。