不同供水模式對番茄生長及聲發射的影響

余禮根+衛如雪+白紅武+姚遠方+張佳+郭文忠

摘要：以番茄品種佳麗14為試材，于2016/2017年秋冬季在溫室內開展番茄盆栽試驗。試驗設置2種供水模式，負水頭灌溉（NI）和稱質量法灌溉（WI），負水頭灌溉采用負水頭供水控水盆栽裝置，其吸力值分別設定為50 hPa（T1）、60 hPa（T2）、70 hPa（T3）和80 hPa（T4）。通過測定番茄全生育期內株高、莖粗、葉片數、產量、水分利用效率和聲發射信號，比較分析不同供水模式對番茄生長及聲發射的影響。結果表明，NI處理下T1、T2、T3和T4的番茄生育期內總產量分別為1.01、0.89、0.80、0.69 kg/盆，其水分利用效率比WI高出1.74、1.81、2.47、2.16倍；不同供水模式、不同吸力值下的番茄聲發射特征參數差異顯著（P<0.05），供水吸力值為60 hPa的番茄聲發射活動較強，峰值頻率和聲發射計數分別達到514、526 kHz?？偨Y表明，負水頭灌溉以恒定持續的供水能力滿足番茄實時用水需求，優于稱質量法灌溉，更為適合應用于溫室番茄栽培。

關鍵詞：番茄；供水模式；聲發射；負水頭灌溉；水分利用效率

中圖分類號：S641.201文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0105-04

收稿日期：2017-06-27

基金項目：國家星火計劃重點項目（編號：2015GA600005）；國家自然科學基金青年科學基金（編號：51509005）；北京市農林科學院設施園藝科技創新團隊項目（編號：JNKST201615）。

作者簡介：余禮根（1985—），男，安徽岳西人，博士，助理研究員，主要從事動植物聲信息感知技術研究。Tel：（010）51503504；E-mail：yulg@nercita.org.cn。

通信作者：郭文忠，博士，研究員，主要從事設施蔬菜高產高效栽培技術研究。Tel：（010）51503675；E-mail：guowz@nercita.org.cn。我國是農業大國，農業用水量約占總用水量的70%。近年來，農業用水逐步被工業用水和城鎮用水所擠占，即使在保持今后農業用水零增長的前提下，2030年我國農業缺水將達到500億～700億m3。因此，通過實施工程、農藝和管理節水措施，發展實施節水灌溉，提高灌溉水利用效率[1-3]。

作物生理需水與用水、精確控制灌溉等方向成為節水農業的研究熱點。薛緒掌等提出了負水頭灌溉技術，即一種利用負壓的控水裝置，通過將供水源壓力控制為負壓值進行灌溉，實現不同土壤含水量的精確控制，進而達到適時適量灌溉[4-5]。與傳統的供水控水技術相比，負水頭灌溉條件下的土壤呈非飽和狀態，可以抑制土表濕潤導致的無效蒸發和地下滲漏導致的無效灌溉和養分流失，也不會破壞土壤結構，大大提高了水分利用效率，已廣泛應用于番茄[6-7]、黃瓜[8]和茄子[9]等蔬菜栽培。近年來，對植物水分生理與水分脅迫的研究表明，植物一直以自己的“語言”在時刻向我們傳達著缺水信號，即“會說話的植物”[10-12]。植物的“語言”是指發生在植物水流通路上由于缺水而造成水流斷裂時發出的爆裂聲，或稱為“尖叫聲”，即植物“聲發射”（acoustic emissions，AE）現象。已有的研究結果表明，聲發射信號主頻位于100～500 kHz，AE信號可作為一個特殊的聲學響應用于番茄長勢及水分狀態的評價與測控[13-15]。但在其廣泛應用之前，需要進一步明確番茄在不同水分條件下聲發射響應特征參數與生長差異。

本試驗以番茄品種佳麗14為試材，通過溫室小區盆栽試驗，采用負水頭灌溉和稱質量法灌溉分別實現恒定供水、變量供水，比較2種供水模式下番茄植株生長、節水耗水和聲發射信號的差異，為進一步建立日光溫室蔬菜生產科學的灌溉管理模式提供技術支持。

1材料與方法

1.1試驗地點與材料

試驗于2016年8月至2017年1月在北京市農林科學院試驗溫室內進行（39°56′32″N，116°16′53″E）。供試作物為番茄，品種為佳麗14。在育苗室內培養至5葉1心移栽于試驗溫室的塑料花盆中，盆的上口直徑34.2 cm、底直徑 18.5 cm、深22.3 cm，采用盆栽土壤栽培，每盆裝種植土壤11.0 kg（種植土壤為有機肥與自然土按質量比為1 ∶80的比例混合并用微生物菌劑和敵百蟲作滅菌、殺蟲處理），施復合肥25 g。經測定，供試土壤基本理化性質為，土壤容重為1.48 g/m3，最大田間持水量為25.1%（即體積含水量為 37.1%），EC為 0.49 mS/cm，有機質含量為24.48%，有效磷含量為 91.7 mg/kg，速效鉀含量為310.6 mg/kg。試驗于2016年8月26日定植，每盆定植長勢一致的番茄植株1株，對所有供試番茄澆透水緩苗10 d后，用保鮮膜進行覆蓋密封盆栽土壤處理，期間進行正常管理。至9月5日起進行供水控水處理，于2017年1月17日試驗結束，全生育期為145 d。為方便試驗管理與數據分析，將番茄生育期劃分為苗期、花期、結果期和采收期。

1.2試驗設計

按照供水方式不同，試驗設置負水頭灌溉（negative irrigation，NI）和稱重法灌溉（weight irrigation，WI）。其中，負水頭灌溉采用負水頭供水控水盆栽試驗裝置，供水吸力值分別設置為50 hPa（T1）、60 hPa（T2）、70 hPa（T3）和80 hPa（T4），對應的供試土壤含水量分別為24.6%、19.7%、13.3%和12.5%；對照組采用稱質量法灌溉。共計5個處理，每個處理3次重復。

1.3試驗裝置

負水頭灌溉采用負水頭供水控水盆栽裝置，其由盛土盆、陶瓷盤、供水桶、控壓管與導氣管構成（圖1）?；谪搲喝霛B的原理，由于土壤基質勢的存在，受到土壤張力作用，陶瓷盤供水器里的水緩慢滲入土壤，由于壓差關系，供水桶內的水經進水管流入陶瓷盤，水位下降，空氣體積增大，壓強減小，整個裝置氣壓失衡，控壓管經由導氣管與大氣連通吸入空氣，平衡供水桶內氣壓，整套裝置以此循環運行。供水桶內水分不斷輸送至盆栽裝置內供給土壤蒸發和番茄蒸騰產生的耗水。endprint

1.4測定內容與方法

耗水量：負水頭灌溉（定植至試驗結束）使用非接觸式管道液位紅外傳感器（WS03A，CAEA electrical appliance Co.，ltd，Beijing，China）讀取負水頭供水控水盆栽裝置供水桶內的水位高度，當日的水位高度值h2（cm）減去前一日水位高度值h1（cm）即為前一日番茄植株總耗水高度Δh（cm），負水頭灌溉控水裝置的日耗水量（cm3）為Δh和試驗裝置供水桶內徑對應的截面積A（本試驗為201.1 cm2）的乘積，總耗水量為

生育期內每天耗水量之和；稱質量法灌溉的番茄在全生育期內，每天上午09：00用GS1土壤水分傳感器結合手持式ProCheck多功能讀表（Decagon Devices，Inc.，Pullman，USA）實時測定土壤含水量。當水分下限達到田間持水量的600%（土壤含水量為22.3%）時人工補水，補至田間持水量（土壤含水量為37.1%），總耗水量為人工補水灌溉量的總和。

農藝性狀測定：番茄定植后12 d開始測量株高（最高點到莖基部）、莖粗（距基部15.0 cm處）、葉片數，至定植后 71 d（摘心）結束，每隔9 d測量1次；分別使用皮尺（150.0 cm，0.1 cm）和數顯游標卡尺（150.00 mm，0.01 mm）測量。

生物量測定[16]：收獲期（定植后145 d）不同處理隨機選取番茄3株，將根、莖、葉、果分開，根系用清水沖洗干凈，稱鮮質量后放入烘箱，在105 ℃殺青30 min，然后于75 ℃烘至恒質量，冷卻后用電子天平（1 000 g，0.01 g）稱質量。地上部鮮質量為莖、葉、果的鮮質量之和；地上部干質量為莖、葉、果烘干后的干質量之和；地下部鮮質量和干質量：根部鮮質量與干質量；根冠比為地下部鮮質量與地上部鮮質量的比值；水分利用效率（water use efficiency，WUE）為各個處理組總耗水量與總產量的比值。

聲發射信號測定：聲發射信號采集選用性能穩定可長時間連續運行的MICRO Ⅱ監測系統（Physical Acoustic Corporation，Princeton，NJ，USA）、配備的聲發射采集卡為 PCI-2（8通道同步采集、18位A/D分辨率、40 Mb/s采樣率、1～3 MHz 頻率范圍）、聲發射傳感器選用Nano30[響應頻率為125～750 kHz、靈敏度為62～72 dB ref.1 V/（m·s）]、放大器選用2/4/6型（20～1 200 kHz，20/40/60 dB可選），實行24 h連續采集，每隔1 d存儲為1個數據文件。其中，聲發射傳感器固定在番茄植株倒五葉位置的莖部，并在傳感器與莖稈之間涂上凡士林。選用配套的聲發射分析軟件AE win-2（Physical Acoustic Corporation，Princeton，NJ，USA），從有效的聲發射信號中提取出典型聲發射特征參數。為了研究不同吸力值下番茄聲發射信號隨生育期的變化規律，試驗選取番茄花期、結果期和結果后期的聲發射信號，統計分析3個生長階段的聲發射信號幅值（包括最大值、最小值和平均值）和撞擊數；針對番茄花期，分析比較不同土壤水分條件下的番茄聲發射信號（幅值>40 dB）特征差異，包括幅值、計數、上升時間、持續時間和峰值頻率。

1.4數據處理

用Microsoft Excel 2010進行數據計算；用SPSS 15.0統計軟件進行方差分析，采用單因素方差分析各處理差異的顯著性水平，最小顯著差數法（α=0.05）進行不同處理間均值的顯著性差異比較。

2結果與分析

2.1不同供水模式對番茄植株生長的影響

負水頭灌溉和稱質量法灌溉的盆栽番茄生長情況對比結果見圖2。由圖2可知，2種供水模式下的番茄株高、葉片數和莖粗隨著生育期進程一直增加，但其生長規律有著顯著差異（P<0.05）。采用負水頭灌溉種植的番茄株高與葉片數在生長前期的生長速度較稱質量法灌溉種植的番茄變化緩慢，而NI處理在定植36 d后番茄株高增長量超過WI處理，至定植71 d后番茄摘心時，NI處理的T1、T2、T3和T4的番茄株高增長率分別達到29.5%、31.5%、29.6%和29.4%，葉片數比WI多出3～4張。NI處理的番茄植株莖粗略高于WI，兩者無顯著差異。分析結果表明，負水頭灌溉通過在種植花盆底部埋置陶瓷盤基于土壤張力實現負壓供水，有著良好的穩定性和持續性，與稱質量法灌溉正向供水相比，更為適合番茄生長。

2.2不同供水模式對番茄干物質積累量、產量和水分利用效率的影響

負水頭灌溉和稱質量法灌溉對盆栽番茄干物質積累量、產量和水分利用效率的影響見表1。結果表明，NI處理的番茄地上部干物質（莖稈、葉片和果實干質量之和）質量與WI相比分別增加39.4%、33.2%、48.1%和43.3%；除根系鮮質量外，地上部鮮質量、根系干質量、根冠比和番茄總產量受2種供水模式的影響顯著（P<0.05）。其中，T1和T2處理下的番茄產量較為理想，分別達到1.01、0.89 kg/盆；番茄全生育期內NI處理的T1、T2、T3和T4的總耗水量分別為38.2、33.2、31.4、33.1 kg/盆，而WI處理的總耗水量為 40.2 kg/盆，兩者間存在顯著差異（P<0.05）；WUE主要由耗表1不同供水模式對番茄植株干物質積累量、產2.3不同供水模式下番茄聲發射特征的差異

負水頭灌溉下不同吸力值的番茄不同生育期的聲發射信號分析結果見表2。結果表明，同一吸力值下番茄聲發射幅值和撞擊數隨著生育期進程逐漸減小，4個處理組T1、T2、T3和T4的番茄聲發射信號幅值與撞擊數變化規律上具有極大的相似性。其中T2（60 hPa）處理組的番茄聲發射信號幅值平均值與撞擊數最大，各生育期幅值平均值分別為49.4、43.3 、43.2 dB，聲發射撞擊數分別為72、29、2次，與“2.1”節中適合番茄生長的最優吸力值的結論相吻合。對比番茄不同生育期的聲發射信號特征參數，番茄花期的聲發射活動比結果期和結果后期活躍，且差異顯著（P<0.05），說明番茄莖稈endprint

3討論與結論

負水頭灌溉和稱質量法灌溉2種供水模式下的番茄植株生長規律一致，但植株株高、葉片數、莖粗及地上部干鮮質量均表明負水頭灌溉的番茄優于稱質量法灌溉，這是因為負水頭灌溉避免了土壤干濕交替的影響，土壤水分過分飽和、干燥都不利于作物生長，而負水頭灌溉持續恒定的供水能力可以滿足番茄水分消耗，有利于番茄生長，而且有效抑制無效地表蒸發。

產量和水分利用效率是評價作物灌溉水平的重要評價指標[17-19]。負水頭灌溉有效提高灌溉水分利用效率和產量，其原因有以下2個方面：一是負水頭灌溉通過埋置于種植盆底的陶瓷盤供水，屬于被動供水，減少田間水分散失，提高根系的吸水功能、促進根系發育；二是負水頭灌溉一直維持在較為恒定的吸力值，土壤含水量維持在相對穩定的狀態，植株生長與養分供應處于一個相對平衡的理想狀態，有利于增加同化物含量。實際生產中，通過調節適合于番茄生長的最優吸力值，進而減少總耗水量、提高作物產量，實現最大限度提高水分利用效率。

聲發射信號作為一種表征作物水分與脅迫狀態的特殊響應與測控指標。試驗研究表明，負水頭灌溉不同吸力值下番茄的聲發射特征差異顯著，聲發射計數、上升時間、持續時間以及峰值頻率分別達到526次、598 μs、610 μs和514 kHz。通過不同供水模式與水分條件下的盆栽番茄生長指標、產量、水分利用效率和聲發射特征的比較分析，盆栽番茄供水控水模式中，負水頭灌溉優于稱質量法灌溉，其中以60 hPa的吸力值為最優土壤水分測控指標。參考文獻：

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