調虧灌溉對溫室番茄生長發育及其產量和品質的影響

龔雪文，劉 浩，孫景生，張 昊，吳曉磊，陳新國，汪海明

(1.中國農業科學院農田灌溉研究所/農業部作物需水與調控重點開放實驗室，河南 新鄉 453003；2. 中國農業科學院研究生院，北京 100081；3. 河南農業大學農學院，鄭州 450000)

0 引 言

近年來，日光溫室在我國華北地區發展迅猛，憑借高產、優質和早熟的特點，日光溫室受到廣大農戶的青睞，然而受傳統灌水經驗的影響，灌溉不合理導致的水肥利用效率低下、土壤鹽堿化和病蟲害等嚴重制約著我國日光溫室的發展[1]。20世紀70年代中期澳大利亞持續灌溉農業研究所Tatura中心首次提出調虧灌溉技術(Regulated Deficit Irrigation, RDI)，即在作物生長發育某些階段(主要是營養生長階段)主動施加一定的水分脅迫，促使作物光合產物分配向人們需要的組織器官傾斜，以提高其經濟產量[2]。

RDI對溫室作物產量及品質的影響研究已屢見不鮮，崔寧博[3]等認為溫室梨棗在果實成熟期實施中度水分虧缺可顯著改善品質；常莉飛[4]等認為不同時期的水分虧缺有利于增強黃瓜植株的抗旱能力，在結果期適度的水分虧缺可提高水分利用效率；鄭健[5]等認為RDI技術可合理調節溫室小型西瓜光合產物在根冠間的分配，并改善果實品質，提高水分利用效率。RDI不僅可以改善果實品質，提高水分利用效率，而且可使作物某些生理期縮短，如枇杷樹在展葉期進行水分虧缺可提前3周開花[6]，RDI可使晚熟品種的桃子提前一周成熟，亦可改善果實內外品質[7]。可見，RDI在節約灌溉用水和提高果實品質方面效果顯著，在一定程度上提高了果實商品價值，具有重要意義。然而，針對華北地區日光溫室番茄，采用滴灌技術在關鍵生育期進行調虧灌溉，能否能實現以水調質、節水增效的效果還有待探討。因此，本文針對RDI條件下溫室番茄生長變化以及產量和品質展開研究，旨在為華北地區溫室滴灌番茄發展節水優質高效灌水技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況與試驗設計

1.1.1試驗區概況

試驗于2015年3-7月在中國農業科學院新鄉綜合試驗基地(35°9′ N，113°47′ E，海拔78.7 m)的日光溫室中進行。年均降雨量548.3 mm，年均蒸發量1908.7 mm，多年平均氣溫14.1 ℃，日照時數達2398.8 h，無霜期200.5 d，屬暖溫帶大陸性季風氣候區。試驗所用溫室占地510 m2(長60 m、寬8.5 m)，下挖0.5 m，東西走向，坐北朝南，覆蓋0.2 mm厚的聚乙烯薄膜，在塑料薄膜上鋪設了5 cm厚的保溫棉被，側墻和后墻的墻體內鑲嵌有60 cm厚的保溫材料，以確保溫室內氣溫不低于20 ℃。日光溫室共設置3處通風口，分別位于溫室頂部(60 m×30 cm)、南側(60 m×1.5 m)和北側(2 cm×2 cm，N=19)。試驗區土壤為壤土類，0～100 cm土壤的理化性質見表1。

表1 日光溫室土壤理化性質

1.1.2試驗設計

試驗供試番茄品種為“金頂新星”，于2015年1月5日育苗，3月8日移栽。畦長8 m，寬1.1 m，采用寬窄行種植方式，寬行65 cm，窄行45 cm，株距33 cm。采用滴灌的灌水方式，滴頭間距與株距相同，在每條番茄帶上鋪設一根滴灌帶(1.1 L/h)，參考20 cm蒸發皿累計蒸發量(Epam)進行灌水，蒸發皿放置于冠層上方20 cm處，隨著番茄冠層位置調整高度，當累計蒸發量達到20 cm ± 2時，開始灌水。設置3種水面蒸發系數，分別是0.9、0.7和0.5，然后劃分3個生育階段，即苗期、開花坐果期和成熟采摘期，苗期不設水分處理(由于要蹲苗)，開花坐果期和成熟采摘期分別設置3種不同的灌水量，主要以蒸發皿系數的大小確定每次的灌溉水量(表2)。為防止水分側滲，各小區之間埋設60 cm深的塑料薄膜，為確保幼苗的成活率并加強其長勢，移栽后以滴灌方式補充灌水20 mm。每個試驗小區設置3次重復。

1.2 測定項目與研究方法

1.2.1氣象資料

溫室內外氣象因子由小氣候自動監測系統記錄，觀測內容主要包括：輻射、氣溫、相對濕度、土壤溫度和濕度、風速等。

表2 日光溫室滴灌番茄灌溉試驗設計

1.2.2土壤含水率

土壤含水率采用取土烘干法測定，100 cm以上的含水率每隔7～10 d測量1次，灌水前后加測；每隔3～5 d測量1次計劃濕潤層(苗期為20 cm、開花坐果期為40 cm、果實成熟期為60 cm)含水率。

1.2.3冠層水面蒸發

使用天津氣象儀器廠生產的ADM7型蒸發器測量大氣1日內的水分蒸發量。蒸發皿置于溫室中間位置，位于冠層上方20 cm處。每天上午8∶00定時測量，每次測量后為蒸發皿添加夠20 mm蒸餾水。

1.2.4作物生長指標及LAI估算模型

試驗處理開始后，每個小區選取有代表性植株3株，每隔5 d對株高和葉面積測量1次，株高采用卷尺測量，葉面積=長×寬×0.685。開花期間統計各小區的開花數、坐果數和坐果時間，并對同一天開花坐果的植株進行掛牌標定。

LAI的測量比較繁瑣，Rouphael[8]提出用有效積溫間接估算LAI的方法，有效積溫可用公式(1)表示：

THT=∑[(Tmax+Tmin)/2-TB]

(1)

式中：Tmax為日最大溫度，當Tmax>32 ℃，則Tmax=[32-2(Tmax-32)]；Tmin為日最小溫度，當Tmin

1.2.5產量和品質

果實成熟后，每個處理隨機挑選6個果實(為同1天開花坐果)測量品質，可溶性固形物(TTS)采用手持測糖儀測定，VC含量采用2,6-二氯酚靛酚滴定法測定，可滴定酸采用堿滴定法測量，可溶性蛋白質用紫外可見光分光光度計法測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定。

1.2.6耗水量和蒸發蒸騰量水分生產率

溫室番茄的耗水量采用水量平衡法計算，其計算公式為：

ET=Ir+U-D+(W0-W)

(2)

式中：ET為番茄的耗水量，mm；Ir為灌水量，mm；U為地下水補給量，mm；D為深層滲漏量，mm；W0、Wt分別為時段初和時段末100 cm土層內的土壤儲水量，mm。

由于地下水位較深(在5.0 m以下)，作物無法吸收利用，故地下水補給量可忽略，即U=0；試驗中各處理灌水定額較小(最大為22 mm)，灌溉基本上不會產生深層滲漏，因此深層滲漏量D亦可忽略，即D=0。

蒸發蒸騰量水分生產率(WUE)和灌溉水利用系數(IWUE)分別采用公式(3)和公式(4)計算：

WUE=Ya/ET

(3)

IWUE=(Ya-YD)/Ir

(4)

式中：WUE為蒸發蒸騰量水分生產率，kg/m3；IWUE為灌溉水利用系數，kg/m3；Ya為番茄產量，kg/hm2；ET為番茄耗水量，m3/hm2；Ir為灌水總量，m3/hm2。

YD為不灌溉時的番茄產量，溫室中無降雨補給，不灌溉番茄無法生存，故YD為0。

1.2.7數據處理

試驗數據統一采用Excel軟件進行處理、分析并繪制圖表。采用DPS數據處理軟件進行方差分析，采用Duncan method(鄧肯新復極差法)進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 調虧灌溉條件下溫室番茄的生長變化趨勢

株高和葉面積指數(LAI)是體現作物生長變化的兩項重要指標，圖1給出了不同水分處理溫室番茄株高和LAI的變化過程。由于前期番茄處于緩苗期，2項指標從移栽后24 d開始測量，將番茄的生長發育分為3個階段，可表示為快速生長期-平穩期-衰老期。平均株高方面，k0.9k0.9最高，為0.96 m，k0.9k0.5最低，為0.89 m，說明在結果期減少水分供應抑制了番茄植株的生長。從株高生長速率來看，移栽后24～48 d內，k0.7k0.9的生長速率最大，為104.7%，栽后55～105 d內，k0.9k0.9的株高生長速率最大，為100.58%。

LAI方面，全生育期k0.9k0.9、k0.9k0.7、k0.9k0.5、k0.7k0.9和k0.5k0.9的平均值分別為2.44、2.37、2.22、2.19和1.97 cm2/cm2。不同階段水分調控對LAI影響程度不同，后期水分虧缺對LAI的影響差異較小，k0.9k0.7和k0.9k0.5分別較k0.9k0.9低2.9%和9%，而前期水分虧缺對LAI的影響差異較大，k0.7k0.9和k0.5k0.9分別較k0.9k0.9低10.2%和19.3%，生殖生長時期水分虧缺抑制了LAI。采用有效積溫(THT)擬合LAI可得到較好的估算結果，本文將兩者擬合后得到較好的二次曲線關系(圖2)，決定系數(R2)達到了0.98，2者呈極顯著相關關系。

圖1 不同水分處理番茄株高和LAI的變化趨勢

圖2 用THT估算LAI的擬合結果

2.2 調虧灌溉對溫室番茄產量和蒸發蒸騰量水分生產率的影響

2.2.1灌水量和耗水量

本試驗依據20 cm蒸發皿的累計蒸發量控制灌水時間和灌水量，各試驗小區灌水時間同步，灌水量不同。苗期灌水2次，灌水周期約為10 d，開花坐果期灌水6次，平均灌水周期為5～6 d，成熟采摘期灌水7次，平均灌水周期為3～4 d。試驗在開始做水分處理之前灌水量一致，均為40 mm，前期0.9Epam灌水處理的總灌水量分別為113.67、88.41和63.15 mm，后期0.9Epam灌水處理的總灌水量分別為130.77、101.71和72.65 mm，不同水分處理的總灌水量在175.65～284.17 mm之間變化，總耗水量在217.62～293.97 mm之間變化(表3)。不同階段水分虧缺改變了作物的總耗水量，如k0.7k0.9的灌水量較k0.9k0.7高3.74 mm，耗水量升高18.39 mm，k0.5k0.9的灌水量較k0.9k0.5高7.48 mm，耗水量升高37.43 mm。日耗水強度隨著生育期的推進呈現先增大后減小的變化趨勢，日耗水強度與灌水量呈正比，全生育期k0.9k0.9的日耗水強度分別較k0.9k0.7和k0.9k0.5高9.8%和21.4%，(圖3)。可見不同程度的水分虧缺對耗水量和日耗水強度影響顯著。

表3 2015年度不同灌溉處理月耗水量和總耗水量

圖3 2015年度不同月份不同水分處理的日耗水強度

2.2.2產量和蒸發蒸騰量水分生產率

表4給出了不同水分處理對番茄產量和蒸發蒸騰量水分生產率(WUE)等指標的影響，灌水量對番茄產量和WUE等指標影響顯著。k0.9k0.9處理的產量最高，達到141.07 t/hm2，k0.5k0.9處理的產量最低，僅為128.24 t/hm2，最大產量相比最小產量高9.1%。開花坐果時期水分虧缺嚴重影響了番茄產量構成，如k0.9k0.7處理的產量較k0.7k0.9高1.41 t/hm2，k0.9k0.5處理的產量較k0.5k0.9高1.51 t/hm2。WUE隨著灌水定額的增加而減小，其中k0.9k0.5的WUE最高，為54.73 kg/m3，不同階段水分虧缺同樣影響了WUE，如k0.9k0.7灌水量較k0.7k0.9低3.74 mm，WUE提高7.3%，k0.9k0.5灌水量較k0.5k0.9低7.48 mm，WUE提高14.64%。灌溉水補償率(Irc)是指灌溉水對作物后期耗水量的補償效應，是反應灌溉水利用系數的有效指標。k0.9k0.9的Irc最高，為96.67%，k0.5k0.9的Irc最低，僅為85.12%，Irc隨著灌水量的增加有明顯上升趨勢，灌水量越多，水分無效損耗也就越大。

表4 2015年不同處理番茄的產量和蒸發蒸騰量水分生產率

2.3 調虧灌溉對溫室番茄品質指標的影響

茄果類蔬菜的營養品質主要指果實中的營養成分，如維生素C(VC)、可溶性固形物(TTS)、有機酸、可溶性蛋白質和可溶性糖等，這些也是衡量果實綜合品質的重要指標。

圖4為不同水分處理條件下番茄果實的各項營養品質指標。低水分條件下果實的營養品質顯著提高，其中可溶性酸、VC和TTS均表現為k0.9k0.5最大，分別為0.5%、124.86 mg/kg和4.7%，而可溶性糖、糖酸比和硬度均表現為k0.5k0.9處理最大，分別為1.9%、4.2%和2.97 kg/cm2，k0.9k0.9的所有品質指標均較小，且與k0.9k0.7和k0.7k0.9各項品質指標之間無顯著性差異。可見，對于溫室番茄，當水分虧缺達到50%以上時，才可以有效提高果實品質。

從不同生育階段水分虧缺對番茄營養品質的影響程度來看，階段水分虧缺程度為0.5Epam的果實營養品質顯著高于0.7Epam。0.5Epam的水分虧缺程度對番茄營養品質影響最大，如可溶性酸、糖酸比、TTS和VC等指標，開花坐果期水分虧缺與成熟采摘期水分虧缺差異明顯，而0.7Epam水分虧缺并不能達到同樣效果。

圖4 不同水分處理番茄果實品質指標

2.4 溫室滴灌番茄經濟耗水指標的篩選

溫室番茄總產量、WUE與ET采用線性方程進行擬合后可以看出(圖5)，產量達到最大值時對應的ET為293.97 mm，WUE為47.99 kg/m3，此時番茄產量、ET和WUE之間并不能達到一個理想平衡狀態。圖5橢圓中分布的4個點對應2個水分處理，即k0.9k0.7(上面2個點)和k0.5k0.9(下面2個點)，2個處理對應的ET幾乎相同，均在273 mm附近，但產量和WUE卻有較大差異，k0.9k0.7產量和WUE分別較k0.5k0.9高8.5%和9.3%，說明成熟采摘期較開花坐果期適度水分虧缺不僅能提高產量，亦可提高WUE。

理想狀況下，通常選擇WUE曲線與產量曲線交匯點作為作物理想耗水狀態，通過分析圖5可知，2條曲線交點所對應的番茄產量約為134 t/hm2，ET約為265 mm，WUE約為50.8 kg/m3。當耗水量低于此值時，供水過少，番茄遭受水分脅迫而不能正常發育，產量隨灌水量的增加而增加；當耗水量高于此值，供水過多，番茄植株營養生長會抑制生殖生長，導致落花落果，產量有減小趨勢。因此，當溫室番茄全生育期ET處于265 mm (灌水量約為230 mm)左右時，可在不影響產量的同時，可提高WUE，獲得節水高產高效的統一。

圖5 產量、蒸發蒸騰量水分生產率與耗水量的關系

3 結 語

本文以溫室番茄為研究對象，探討了調虧灌溉對番茄生長發育、產量、品質、ET和WUE等方面的影響，提出了溫室滴灌番茄經濟耗水指標。從試驗分析結果來看，溫室番茄在開花坐果期出現水分虧缺會減緩后期植株的生殖生長，導致產量和WUE降低，而可溶性糖、糖酸比和硬度有所提高，但對可溶性酸、VC和TTS影響不顯著；在番茄結果期適度水分虧缺，對植株生長發育未造成顯著影響，產量和WUE得到顯著提高，灌水量減少3%，產量提高1.2%左右；從溫室滴灌番茄經濟耗水指標分析，認為灌水量在230 mm左右時，可實現產量與WUE的平衡，最終實現節水高產高效的統一。

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