水-肥-盐耦合对滴灌加工番茄生长和产量的影响

李宣志,张金珠,王振华,刘 健,谭明东

(1. 石河子大学水利建筑工程学院,新疆 石河子 832000;2. 现代节水灌溉兵团重点实验室,新疆 石河子 832000;3. 农业农村部西北绿洲节水农业重点实验室,新疆 石河子 832000)

新疆地区太阳辐射强、日照时间长、有效积温高,有利于加工番茄的生长,是我国加工番茄种植面积、加工规模和出口量最大的生产基地之一,加工番茄产业成为新疆经济增长的支柱产业[1]。2019年,新疆地区加工番茄的种植面积达到了3.34万hm2,产量达到389.37万t[2],占全国总产量的90%以上。新疆绿洲农业生产十分依赖灌溉,是典型的灌溉农业区,然而新疆气候干旱,年蒸发量巨大,淡水资源极度匮乏,水资源短缺是该地区农业发展的主要限制因素。2011年中央一号文件确立水资源开发利用控制红线,到2030年全国用水总量需控制在7 000亿 m3以内。因此合理开发利用新疆农业水资源,提高水资源利用效率至关重要。

微咸水是指矿化度为2～5 g·L-1的含盐水,据统计,新疆区域内的河流、湖泊以及地下水都存在丰富的咸水资源,大于3 g·L-1的咸水资源约100亿m3[3]。合理开发利用微咸水资源可作为微咸水分布地区解决水资源短缺问题的有效途径之一[4]。前人研究表明,长期进行微咸水灌溉后,土壤会出现一定程度的盐分积累,影响作物生长并降低产量[5];此外,土壤盐分增加会抑制作物根系对土壤养分的吸收[6],导致氮肥利用效率显著降低。膜下滴灌技术可使根区维持适量的土壤水分,且能够缓解土壤盐分积累对作物产生的不利影响,被认为是一种合适的微咸水灌溉方式[7];同时,合理的水氮调控能够减轻长期微咸水灌溉所带来的抑制作用[8]。侯森等[9]研究表明,进行微咸水滴灌时,充足的灌水量和施氮量能显著增加棉花的生物量;马韬等[10]在氮盐交互作用对向日葵生长与辐射影响的研究中发现,增施氮肥可减轻盐分胁迫效应,促进叶片生长和光合作用,重度盐分胁迫时,增加施氮量还能提高产量;王丽英等[11]研究发现滴灌条件下,施氮量优化处理不仅保证了黄瓜番茄产量,氮肥用量及微咸水灌溉导致的土壤盐分积累也大大降低。

此外,科学合理的水肥配比对加工番茄的高效生产以及水肥利用有着重要影响。Singandhupe等[12]研究表明在滴灌条件下合理的灌水量和施氮量配比能够提高水分和氮素的利用效率。张艳珍等[13]研究发现,施氮可以增加苹果果实中的果胶酸钙含量,对其品质影响较大;杨玉珍等[14]研究发现,施氮有助于提高膜下滴灌番茄总酸含量,且一定程度上可增加单果重、番茄红素、可溶性固形物含量,进而提高番茄品质;王振华等[15]研究表明,增加施氮量后,加工番茄中可溶性糖、维生素C和可溶性固形物含量呈先增加后降低趋势,各指标随着灌水量的增加而有所减小。

目前,滴灌加工番茄的水肥耦合研究大多以淡水灌溉为主,对微咸水滴灌条件下加工番茄的水肥耦合研究较少。本文以北疆地区滴灌加工番茄水肥盐协同调控高效生产为目标,研究灌水量、灌水矿化度、施氮量耦合对滴灌加工番茄的生长、产量及水肥利用效率的影响,旨在为新疆地区合理利用微咸水和提高微咸水膜下滴灌加工番茄水肥利用效率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年5—8月在新疆石河子市现代节水灌溉兵团重点实验室暨石河子大学节水灌溉试验站(86°03′47″E,44°18′28″N,海拔450 m)进行,该地区年均日照时数2 950 h,年降水量220 mm,加工番茄生长期间逐日气温和降水量如图1所示。试验田地下水埋深超过9 m,土壤中砂粒、粉粒、黏粒含量占比分别为47.3%、36.9%、15.8%,1 m土层内平均土壤容重为1.52 g·cm-3,田间持水率为18%。

图1 2021 年加工番茄生育期间逐日气温与降水量

1.2 试验设计

供试加工番茄品种为‘金番3166’,幼苗从当地苗圃商处采购,于4月30日进行移苗定植,8月26日进行成熟期采收,全生育期116 d。种植模式为“1膜2管4行”,行距30 cm,株距35 cm。覆膜为宽145 cm的聚乙烯普通塑料地膜。试验小区内采用直径16 mm、滴头间距0.3 m的滴灌带(单翼迷宫式,Netafim,以色列),滴灌带间距0.70 m,滴头设计流量1.3 L·h-1。

调研当地生产实践及其他学者[14,16]研究,加工番茄常规灌溉定额为4 500 m3·hm-2,常规施氮量为240 kg·hm-2。本试验以灌水量、施氮量、灌水矿化度因素为变量,设置3个灌溉水平:5 200(W1)、4 500(W2/CK)、3 800 m3·hm-2(W3),3个施氮水平:300(N1)、240(N2/CK)、180 kg·hm-2(N3),3个灌水矿化度水平:1(S1)、3(S2)、5 g·L-1(S3/CK),采用L9(33)正交试验设计,共9个处理,具体设置如表1所示。每个处理设3个重复,共27个小区,小区面积为21.6 m2(6.0 m×3.6 m)。灌水采用试验站井水,矿化度为0.85 g·L-1,灌溉施肥制度如表2所示。氮肥采用尿素CH4N2O(N:46.4%);磷肥和钾肥采用复合肥磷酸二氢钾KH2PO4(K:28.72%,P:22.75%),施用量为188 kg·hm-2;不同矿化度的微咸水由工业盐(NaCl含量大于96%)配制而成。田间管理措施与当地保持一致。

表1 试验设计

表2 加工番茄生育期灌溉制度

1.3 项目测定及方法

1.3.1 地上部干物质积累量 在果实膨大期(7月16日—8月4日),每个小区随机选择6株长势均匀的加工番茄,按茎、叶、果分开称重,置于烘箱中,105℃条件下杀青30 min后75℃条件下烘干至恒重,用电子计重秤(BWS-SN-30,佰伦斯,厦门)称重。

1.3.2 产量及品质 产量测定:加工番茄成熟后,每个小区选择6株长势有代表性的植株进行测定,以单株计,测定指标包括单株产量、单果质量和果实数目。

品质测定:加工番茄成熟后进行品质测定,采用手持折射仪(Master-3M,爱宕,日本)测定可溶性固形物含量;采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量;采用滴定法测定维生素C含量;采用碱滴定指示剂法测定有机酸含量[15,17]。

1.3.3 灌溉水利用效率及氮肥偏生产力 灌溉水利用效率(Irrigation water use efficiency,IWUE)的计算[18]如式(1)所示:

IWUE=Y/I

(1)

式中,Y为加工番茄产量(kg·hm-2);I为灌水量(m3·hm-2)。

氮肥偏生产力(Nitrogen partial factor productivity,PFPN)的计算[19]如式(2)所示:

PFPN=Y/N

(2)

式中,Y为加工番茄产量(kg·hm-2);N为施氮量(kg·hm-2)。

1.4 综合评分法

以加工番茄的地上部干物质积累量、产量、糖酸比、灌溉水利用效率和氮肥偏生产力为评价指标,采用变异系数法计算各评价指标的权重,运用综合评分法分析试验结果。变异系数法是衡量数据差异的统计指标,根据各指标在所有被评价对象上观测值的变异程度大小来对其赋权。为避免指标的量纲和数量级不同带来的影响,用变异系数归一化处理后的数值作为各指标的权数。

各指标的变异系数vj计算[20]如式(3)所示:

(3)

各指标的权重wj计算[20]如式(4)所示:

(4)

式中,m为评价指标的个数。

1.5 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2016计算,使用Origin 2021b绘图,SPSS Statistics 26进行数据统计和分析,Duncan法进行显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 水肥盐耦合对滴灌加工番茄地上部干物质积累量的影响

如图2所示,在果实膨大期,W1水平下,施氮量和矿化度的变化对滴灌加工番茄茎、叶、果的干物质积累量影响并不显著。W2水平下,茎、叶、果的干物质积累量随施氮量的增加先减小后增大,茎和叶的干物质积累量随矿化度的增加先增大后减小。与W1、W2水平相比,W3水平下茎、叶、果的干物质积累量均显著降低。在W1N1S1、W1N2S2和W1N3S3处理下,茎的干物质积累量达到较高水平,分别为58.20、56.86、55.31 g·株-1,分别较W2N2S3处理增加31.11%、28.09%、24.60%(P<0.05);在W1N1S1、W1N2S2和W2N1S2处理下,叶的干物质积累量达到较高水平,分别为56.44、53.81、52.60 g·株-1,分别较W2N2S3处理增加43.54%、36.85%、33.77%(P<0.05);在W1N1S1、W1N2S2和W1N3S3处理下,果的干物质积累量达到较高水平,分别为88.72、84.86、82.30 g·株-1,分别较W2N2S3处理增加24.64%、19.22%、15.62%(P<0.05)。总体而言,W1N1S1和W1N2S2处理的地上部干物质积累量最大,说明增加灌水量和施肥量、同时降低灌水矿化度能够促进加工番茄的生长。

图2 水肥盐耦合对加工番茄果实膨大期地上部干物质积累量的影响

2.2 水肥盐耦合对滴灌加工番茄品质的影响

从表3看出,随着灌水量的增加,加工番茄的总糖含量逐渐减小,总酸和维生素C含量表现出先增大后减小的趋势,可溶性固形物含量则逐渐减小;随着矿化度的增加,可溶性固形物和维生素C含量呈逐渐增大的趋势,在S3水平下,增加施氮量有利于加工番茄总糖含量积累,适量施氮(N2)对可溶性固形物和维生素C含量的增加有促进作用。与W2N2S3相比,W1N1S1、W1N2S2、W1N3S3处理可溶性固形物和维生素C含量分别降低12.37%和34.61%(P<0.05)、9.77%和19.3%(P<0.05)、4.43%和4.4%;W3N1S3处理总糖含量最高(7.6%),较W2N2S3处理增加5.56%(P<0.05);W2N2S3处理可溶性固形物(7.68%)和维生素C(19.33 mg·100g-1)含量最大。

2.3 水肥盐耦合对滴灌加工番茄产量和水肥利用效率的影响

由表4可知,单株果数随着灌水量减少和矿化度增加呈显著减小的趋势。在相同施氮量水平下,增加灌水量和降低矿化度均能提高产量和氮肥偏生产力;在W1灌溉水平下,随矿化度的增加和施氮量的减少,灌溉水利用效率和产量逐渐减小,而氮肥偏生产力逐渐增大。与W2N2S3相比,W1N3S3处理加工番茄产量、灌溉水利用效率和氮肥偏生产力分别显著增加51.72%、31.30%和102.30%(P<0.05)。W1N1S1处理的产量(188 t·hm-2)和灌溉水利用效率(36.15 kg·m-3)均为最大,W1N3S3处理的氮肥偏生产力(760.50 kg·kg-1)最大。在相同灌溉水平下,与W1N1S1相比,W1N2S2和W1N3S3处理的加工番茄产量分别降低17.85%和27.19%(P<0.05),灌溉水利用效率分别降低17.84%和27.16%(P<0.05),氮肥偏生产力分别增加6.11%和25.4%(P<0.05)。

表3 水肥盐耦合对加工番茄品质的影响

表4 水肥盐耦合对加工番茄产量、灌溉水利用效率和氮肥偏生产力的影响

2.4 水肥盐耦合下滴灌加工番茄综合评价分析

综合考虑加工番茄的生长、产量、品质和水肥利用效率,以滴灌加工番茄的地上部干物质积累量、产量、糖酸比、灌溉水利用效率和氮肥偏生产力为评价指标,采用变异系数法计算各评价指标的权重,将各项指标进行归一化数据处理,运用综合评分方法筛选得分较高的水肥盐耦合模式。地上部干物质积累量、产量、糖酸比、灌溉水利用效率和氮肥偏生产力的权重系数分别为0.155、0.271、0.081、0.193和0.300。

不同水、肥、盐组合下各处理的各项指标的综合得分如表5所示,综合得分较高的处理由高到低依次为W1N1S1、W1N3S3、W1N2S2。灌水量、施氮量、灌水矿化度3个试验因素中,各因素的极差值分别为1.397、0.137、0.602。因此在进行微咸水灌溉时,各因素的影响表现为:灌水量>灌水矿化度>施氮量。由表5可知,灌水量和施氮量和灌水矿化度3因素中得分最高的水平分别是W1(灌水量5 200 m3·hm-2,K1=2.205)、N3(施氮量180 kg·hm-2,K3=1.438)、S1(矿化度1 g·L-1,K1=1.597)。综上所述,在进行微咸水灌溉时,随着矿化度的增加,适当增加灌水量和减小施氮量,能够在确保加工番茄产量和品质的同时提高水肥利用效率。

3 讨 论

研究发现,随着灌水量的减小,土壤水分有效性降低,导致土壤中养分溶解量减少,从而影响作物对养分的吸收,作物生物量积累减小[21]。只有在合适的水分区间,才能使土壤保持充足的养分含量,同时利于作物吸收,进而提高水肥利用效率。邢英英等[22]研究表明,在充足的灌水条件下,温室番茄果实的干物质量随施肥量的增加而增大,而茎的干物质量随着施肥量的增加先增大后减小。本研究中,当灌水量在W1水平(灌溉量较高)时,滴灌加工番茄的生长受灌水矿化度的影响并不显著;而随着施氮量增加,加工番茄地上部干物质积累量逐渐增大。分析认为,一方面是因为增加灌水量有利于对加工番茄根区土壤盐分的淋洗[23],减小了盐分积累及其带来的负面影响,使作物根区的土壤渗透势升高,蒸腾作用加强;另一方面增加施氮量促进了作物根系的生长和冠层发育,使作物能更好地吸收土壤中的水分和养分[24],提高自身生物量的积累,Zhang等[25]的研究也得出相似结论。

表5 综合评分法分析正交试验结果

加工番茄的品质主要包括总糖、总酸、可溶性固形物和维生素C含量等指标,这些均易受盐分影响[26]。灌水量对加工番茄的维生素C和总糖含量影响程度大于施氮量,灌水量增加会导致加工番茄的总糖、总酸、可溶性固形物和维生素C含量下降,这可能是因为灌水量增加后,番茄果实含水量相应增加,各品质指标的浓度随之降低[27]。本研究还发现,随着灌水矿化度的增加,土壤中的含盐量也增大,而一定的盐分胁迫有利于番茄品质的提高[28],可溶性固形物、维生素C和总酸也逐渐增大;Eltez等[29]研究也得到相似结果。这可能是由于一定的盐胁迫下,植物细胞内的一些大分子物质趋向于水解,使细胞内果糖和蔗糖等可溶性糖含量升高,从而改善细胞的渗透调节能力和原生质保护能力[30];有机酸含量的积累能够调节作物生长发育需要的细胞膨压,一定程度上缓解了盐分胁迫带来的不利影响[31]。

本研究表明,在进行微咸水灌溉时,随着灌水量的增加,加工番茄根区的土壤盐分含量降低,加工番茄生长受到的影响减小;增加灌溉量能提高加工番茄产量和氮肥偏生产力,降低灌水矿化度对其生长的抑制作用,但灌溉水利用效率会降低,而在灌水量充足和灌水矿化度为5 g·L-1时,加工番茄的氮肥偏生产力达到最大。这可能是因为适当的盐分能够增强作物根系的氮素吸收速率,降低土壤硝酸盐的含量,使作物的光合作用增强,进而提高番茄的产量和氮肥偏生产力[32]。此外,当土壤盐分含量较低时,较高的施氮水平能够使加工番茄的产量达到最大[33]。

为合理利用微咸水,确保作物产量并提高水肥利用效率,本研究以综合提高加工番茄品质、产量、灌溉水利用效率和氮肥偏生产力为目标,运用综合评价方法得出适宜的水肥盐组合,即W1N1S1、W1N3S3、W1N2S2。由于在W1N1S1处理下,氮肥的施用量增大,且1 g·L-1趋近于淡水矿化度,为了提高氮肥利用效率,同时更充分地利用微咸水(矿化度为2～5 g·L-1),因此推荐W1N3S3和W1N2S2组合。水、肥、盐交互作用对作物影响的规律比较复杂,在微咸水灌溉条件下,影响作物品质及产量的水肥调控区间以及内在机理还需进一步探究。

4 结 论

1)利用微咸水进行灌溉时,增加灌水量可以促进滴灌加工番茄的地上部干物质量积累,且不会导致加工番茄产量显著降低。W1N1S1处理的加工番茄产量(188 t·hm-2)和灌溉水利用效率(36.15 kg·m-3)最大,W1N3S3处理的氮肥偏生产力(760.50 kg·kg-1)最大;与W1N1S1相比,W1N2S2和W1N3S3处理的加工番茄产量分别降低17.85%和27.19%(P<0.05),灌溉水利用效率分别降低17.84%和27.16%(P<0.05),氮肥偏生产力分别增加6.11%和25.4%(P<0.05)。

2)基于综合评分法,综合考虑加工番茄品质、产量和水肥利用效率,各因素的影响表现为:灌水量>矿化度>施氮量。在微咸水灌溉条件下,推荐较优的水肥盐耦合模式为W1N3S3(灌溉量5 200 m3·hm-2+施氮量180 kg·hm-2+灌水矿化度5 g·L-1)和W1N2S2(灌溉量5 200 m3·hm-2+施氮量240 kg·hm-2+灌水矿化度3 g·L-1)。