負水頭供液施肥對溫室番茄水分利用效率的影響

李銀坤，徐 凡，薛緒掌，王利春，陳 菲，郭文忠

(北京農業(yè)智能裝備技術研究中心，北京 100097)

水肥是影響溫室番茄生長發(fā)育及其產量形成的關鍵因素[1,2]。眾多研究表明，適宜的水肥管理是溫室番茄高產、優(yōu)質與高效的重要保證[1,3]。目前，日光溫室蔬菜栽培的灌溉施肥過程多是基于漫灌、溝灌、噴灌、滲灌以及滴灌技術進行的，存在水肥用量過高、灌水施肥不同步以及灌溉施肥時間不適宜等問題[3-4]。負水頭灌溉技術是將一種透水不透氣的供水器埋入土壤，利用植物本身的水分生理特征以及土壤張力學性質，實現作物主動吸水的過程，該技術能夠實現土壤水分的精確與持續(xù)控制，可以避免土壤干濕交替的影響[5]。目前研究中，基于負水頭灌溉技術在無土蔬菜栽培或盆栽試驗中的應用較為廣泛，且多是利用其對土壤水分持續(xù)恒定控制的功能，研究作物的耗水過程與水分調控優(yōu)化方案[2,6]。但基于負水頭供液系統(tǒng)如何實現水肥的一體化管理在當前研究中較為少見，尤其是針對日光溫室蔬菜土壤栽培的研究更為少見。本研究基于負水頭供液系統(tǒng)探討了不同施肥模式對日光溫室番茄蒸散特征及其水分利用效率的影響，以期明確日光溫室番茄合理的灌溉施肥模式，為負水頭供液系統(tǒng)下日光溫室蔬菜生產科學水肥管理模式的建立提供理論依據和技術支撐。

1 試驗方法

1.1 試驗區(qū)基本情況

試驗于2014年3月至2014年7月在北京市國家精準農業(yè)研究示范基地日光溫室內進行。供試溫室長29 m，寬8 m，試驗前0～20 cm土壤密度1.39 g/cm3，土壤有機質質量分數23.3 g/kg，全氮質量分數1.57 mg/kg，田間持水率26.3%。試驗小區(qū)長5 m，寬1.4 m，每區(qū)種植番茄2行，栽培方式為畦栽，行距60 cm，株距35 cm。小區(qū)之間用50 cm深PVC板隔離。供試番茄品種為仙客8號，于2014年3月21日定植，當年7月18日拉秧。

1.2 試驗設計

基于負水頭供液條件下設3種施肥模式(表1)：常規(guī)施肥處理(F1)、按EC值調配的施肥處理(F2)和營養(yǎng)液配方處理(F3)，每處理3次重復。處理F1和F2所用肥料為尿素(N，46.7%)、磷酸二氫銨(N∶P=1∶2.2)、硫酸鉀(K2O，54%)。其中處理F1的施肥量根據目標產量、土壤養(yǎng)分含量及肥料利用率計算得到[7]，并按常規(guī)的基施和追施方式進行施肥。處理F2將肥料溶于水，以營養(yǎng)液的形式施入土壤，N∶P∶K按照番茄苗期1∶0.4∶1.4、開花坐果期11∶0.2∶1.7、成熟采摘期1∶0.3∶1.6調配[8]；處理F3按山崎大量元素配方進行施肥。其中處理F2和F3的營養(yǎng)液濃度按EC值調配，具體是：番茄苗期1.0 mS/cm、開花坐果期1.8 mS/cm、成熟采摘期2.5 mS/cm。

表1 日光溫室番茄生長期間各處理施肥量 kg/hm2

1.3 負水頭供液系統(tǒng)

利用負水頭供液系統(tǒng)對試驗小區(qū)進行灌溉和施肥。該系統(tǒng)主要由供液桶、恒液桶、控壓管、集氣瓶和多個盤式供水器組成，各部件之間由管道連接，形成了一個密閉系統(tǒng)(圖1)。每套系統(tǒng)為單獨小區(qū)供液，共計9套負水頭供液系統(tǒng)。其中盤式供水器直徑為20 cm，豎埋于25 cm深土壤中，上覆5 cm土壤，番茄種植在盤式供水器兩側。有關負水頭供液系統(tǒng)結構及其工作原理詳見鄒朝望[5]和李邵[2]等文獻。本試驗中負水頭供液系統(tǒng)的運行過程為：作物從土壤中獲取水分，而干燥的土壤則從供水器中吸水，引起集氣瓶中液位下降，導致集氣瓶中的真空度增加；此時控壓管中的空氣將通過連接管道進入集氣瓶，以彌補集氣瓶中變化的真空度。由于控壓管中真空度增加，將與外界大氣壓強形成一個氣壓差，此時恒液桶中的水將依次通過控壓管、集氣瓶和盤式供水器進入到土壤。恒液桶內安裝有浮球裝置，當恒液桶液位下降時，供液桶中的水(或營養(yǎng)液)將進入恒液桶。每天定時讀取供液桶中液位下降的高度，即可得到作物在該時段內的耗液量。由于負水頭系統(tǒng)供液吸力的大小決定了土壤含水量的高低，根據已有研究結果[2]，本試驗中日光溫室番茄的負水頭供液吸力設定為5 kPa。

圖1 負水頭供液系統(tǒng)結構圖

1.4 觀測內容與方法

每天上午8∶00讀取負水頭供液桶內的液面下降高度，然后根據供液桶的內徑換算出日蒸散量，日蒸散量的累加值即為番茄季的總耗水量。

在番茄關鍵生育期取0～20 cm土壤，具體取樣位置在垂直距供水器20 cm處，利用烘干法測定土壤含水率。

在番茄成熟采摘期期，每處理隨機取3株番茄，按根、莖、葉和果實等植株部位在105 ℃殺青30 min，然后在75 ℃烘至恒重，測定干物質量。

番茄采摘期，用電子天平(精度為0.01 g)記錄每次采摘量，并統(tǒng)計各小區(qū)產量。

日光溫室內的氣象數據由美國CAMPBELL公司的AG1000小氣候監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測。

2 結果與分析

2.1 日光溫室內環(huán)境因子變化

圖2為日光溫室內的日均氣溫和日均濕度的動態(tài)變化圖，日均氣溫和日均濕度的變化幅度分別為16.4～37.8 ℃和29.6%～91.1%。隨著番茄生長季節(jié)的延長，溫室內的氣溫和濕度均呈波動式升高。由于春季氣候的不穩(wěn)定性，氣溫在苗期的波動較大，濕度則處于相對較低的水平(低于30%)。在番茄定植40 d后，氣溫和濕度上升趨勢明顯，而至番茄定植100 d時(番茄成熟采摘后期)，氣溫和濕度均出現了較大波動，這與日光溫室通風口打開等因素有關。整體而言，本試驗中較為適宜的溫室環(huán)境為番茄的正常生長提供了保證。

圖2 日溫室內氣溫和濕度動態(tài)變化

2.2 0～20 cm土壤含水率動態(tài)變化

由圖3可知，隨著番茄生育期的推進，負水頭供液條件下各處理0～20 cm土壤含水率呈先降低后升高的變化趨勢，變動幅度為19.0%～24.9%。從番茄生育期的0～20 cm土壤含水率均值看，處理F1的最高，為23.3%，但僅比處理F2和F3分別增加了6.19%(P>0.05)和5.39%(P>0.05)。說明各處理在0～20 cm的土壤含水率差異較小。統(tǒng)計分析表明，處理F1、F2和F3的0～20 cm土壤含水率的變異系數(CV)分別為5.92%、8.33%和11.9%，變異程度均相對較低。由此可見，負水頭供液系統(tǒng)可以保持日光溫室番茄生長季內0～20 cm土壤含水率的相對穩(wěn)定性。

圖3 負水頭供液條件下土壤含水率動態(tài)變化

2.3 日光溫室番茄蒸散量動態(tài)變化

由日光溫室番茄全生育期日蒸散量的動態(tài)變化圖(圖4)可知，各處理日蒸散量的變化規(guī)律相似，隨著番茄生育期的推進均呈單峰曲線，其變化幅度為0.43～5.90 mm/d。番茄定植后，隨著溫度的升高以及植株生長的加快，日蒸散量呈快速增長趨勢，并在定植61 d時達到最高峰值，此時為番茄的坐果盛期。這與坐果期植株對水分的需求旺盛，增加了從土壤中獲取水分的速率有關[9]。日蒸散量的最高峰值出現后，呈波動下降趨勢。至定植102 d時日蒸散量已低于1 mm/d。

圖4 日光溫室番茄日蒸散強度的動態(tài)變化

由表2可知，開花坐果期的蒸散量為175.3～181.6 mm，可占到全生育期的60%以上，該時期內的蒸散強度為3.65～3.78 mm，是苗期的1.88～2.11倍、成熟采摘期的2.03～2.16倍。說明日光溫室番茄的蒸散量主要集中于開花坐果期。各處理的全生育期蒸散量及蒸散強度如表2所示，其中處理F3具有最高的生育期蒸散強度，與處理F2和F1相比，分別增加了2.09%和3.72%(P>0.05)。說明在相同的負水頭供液吸力下，各施肥模式并未顯著影響到當季日光溫室番茄的蒸散量和蒸散強度。

表2 日光溫室番茄蒸散量的生育期變化

2.4 日光溫室番茄產量與水分利用效率

由表3可以看出，處理F3具有最高的生物量和生物量水分利用效率。與處理F1相比，處理F2和F3的生物量分別增加了7.32%和29.0%，生物量水分利用效率分別增加了5.52%和24.1%。番茄產量和產量水分利用效率也均以處理F3為最高，分別達95 462.0 kg/hm2和32.1 kg/(hm2·m3)，比處理F1分別提高了13.2%和9.84%。由此可見，基于負水頭供液系統(tǒng)采用山崎番茄大量元素配方的施肥模式(F3)具有最高的產量和水分利用效率。

表3 日光溫室番茄產量及水分利用效率

3 結 語

(1)負水頭供液系統(tǒng)可以實現0～20 cm土壤含水率的精確控制。本試驗中，日光溫室番茄生長季0～20 cm土壤含水率的變異程度較低，變異系數(CV)僅為5.92%～11.9%。

(2)日光溫室番茄生育期的日蒸散量變化呈單峰曲線，變化幅度為0.43～5.90 mm/d。日蒸散量最高峰值出現在定植后61 d，即開花坐果期，該時期的日均蒸散量為3.65～3.78 mm，蒸散量可占到全生育期的60%以上。

(3)采用山崎番茄大量元素配方的施肥處理(F3)具有最高的生育期蒸散強度，與處理F2和F1相比，分別增加了2.09%和3.72%。

(4)本試驗條件下，處理F3的生物量和產量以及生物量水分利用效率和產量水分利用效率均為最高，與處理F1相比，分別提高了29.0%和13.2%以及24.1%和9.84%。

綜合分析，采用山崎番茄大量元素配方的施肥處理(F3)為供試條件下最優(yōu)水肥管理模式。

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