輻射累積量控制的灌溉模式下溫室番茄生長與水肥利用研究

魏曉然，程瑞鋒，楊其長，和永康，張晨

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輻射累積量控制的灌溉模式下溫室番茄生長與水肥利用研究

魏曉然，程瑞鋒，楊其長，和永康，張晨

（中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所/農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081）

【目的】在輻射累積量控制的灌溉模式下，探討不同灌溉量對番茄開花坐果期生長和水肥利用效能的影響，為日光溫室番茄高效生產提供科學依據。【方法】在內嵌基質土壟栽培條件下，以番茄“豐收”雜交種為供試品種，采用營養液滴灌。灌溉模式分為常規時間間隔灌溉（以下稱“常規灌溉”，CK）和輻射累積量控制灌溉兩種，其中輻射累積量控制的灌溉模式分為低灌溉量（T1）、中灌溉量（T2）和高灌溉量（T3），研究不同灌溉模式和灌溉量的番茄開花坐果期生長和水肥利用效能的差異。【結果】相比于處理CK，處理T1、T2和T3的灌溉量分別減少了39.3%、30.3%和14.0%，而且灌溉量越大，基質水分含量越高，處理CK>T3>T2>T1。輻射累積量控制的灌溉模式有利于番茄營養和生殖生長，顯著提高了番茄生物量，相比于處理CK，處理T1、T2和T3的番茄生物量分別提高了57.1%、75.3%和32.7%；其中，處理T2的番茄生物量達到102.9 g/株，也顯著高于處理T1和T3。輻射累積量控制的灌溉模式晴天的灌溉量多于陰天，而且中午的灌溉量多于早晨和下午，與植株對水肥的需求相匹配；此外，該灌溉模式有效節約了水肥，避免了水肥的浪費，相比于處理CK，在晴天和陰天時，處理T3的廢液排出率分別減少了62.5%和72.6%。該灌溉模式下的適宜灌溉量也顯著提高了番茄產量和灌溉水分利用效率，相比于處理CK，處理T2的產量增加了14.2%，達到61.3 t·hm-2，灌溉水分利用效率提高了34.1%，灌溉量過少則抑制了植株產量的提高。【結論】輻射累積量控制的灌溉模式能夠促進番茄的生長，有效節約了水肥。其中處理T2灌溉量533.0 m3·hm-2，可作為日光溫室番茄開花坐果期的參考營養液灌溉量。

輻射累積量；灌溉量；水肥利用；開花坐果期；番茄

0 引言

【研究意義】番茄是我國廣泛栽培的蔬菜種類之一，溫室栽培主要在冬季和春季種植，因為其口感好，富含很多對人體有益的營養物質，如番茄紅素、維生素A等，還具有抗癌及預防早期癌細胞擴散的功能[1-2]。水肥是影響番茄生長的重要物質基礎，但長期以來，設施番茄土壤栽培一直采用“糞大水勤，不用問人”的水肥管理模式，不但造成水肥的大量浪費，而且對番茄生長不利[3-6]。無土栽培在日光溫室番茄栽培中應用越來越普遍，合理的灌溉模式和灌溉量不但能夠確保根區有充足的水肥供應，促進番茄的生長，而且能減少水肥的浪費，防止基質鹽分過多，是獲得日光溫室番茄優質高產的重要保證[4-9]。因此，日光溫室中番茄無土栽培的營養液灌溉模式和灌溉量研究具有重要意義。【前人研究進展】在國內外設施栽培過程中，灌溉模式和灌溉量對番茄生長和水肥利用的影響已有大量研究。蒸發皿水面蒸發量Epan（Ep）為參數估算灌溉量的模式，在溫室中已經廣泛應用，而用能量平衡法估算參考作物蒸發蒸騰量ET0是以能量平衡方程為基礎，當用波紋（Bowen，1926）比β表示顯熱與潛熱之間的比例關系時，參考作物蒸發蒸騰量公式為：

ET0=Rn/（1+β）

式中，Rn為太陽輻射累積量（kJ·m--2）[10-14]。研究認為，水肥灌溉量要與日光溫室番茄生長的需求量相匹配，生長過程中水肥需求量呈先升高后降低的變化趨勢，開花坐果階段是水肥需求的旺盛期，充足的供給是番茄健康生長的重要保證。而在番茄無土栽培中，灌水上限在85%—90%間有利于番茄的生長，是較為理想的溫室番茄開花坐果期灌溉上限指標，水分過高或過低都對番茄生長不利，同時不利于水分利用效率的提高[15-20]。當前研究大多是基于環境因子的灌溉模式，這些環境因子都與番茄的蒸騰作用密切聯系，如光輻射、飽和蒸汽壓差、基質電導率等[12-13,21-22]，而且研究表明，影響蒸騰作用的主要環境因子是光輻射，占到70%[13]，其在很大程度上影響甚至直接決定日光溫室內光溫環境，還會引起番茄養分吸收量的改變，光輻射與養分之間存在“光肥平衡”關系[23]。因而輻射累積量控制的灌溉模式更加符合番茄對水分和養分的需求規律。【本研究切入點】內嵌基質土壟栽培（圖1）是日光溫室中一種新型無土栽培方法[24]，這種栽培方法能限制根系空間，減少水肥資源投入，同時結合滴灌系統使用，能有效提高水肥利用率，而且冬季保溫性能優越。但是此種栽培方法底部鋪有地膜，且日光溫室中多采用常規灌溉，水肥的供給與番茄的需求不匹配，多余的水肥容易淤積在基質里，造成作物根部的腐爛。目前，在內嵌基質土壟栽培條件下，日光溫室中合理的灌溉模式和灌溉量尚需進一步研究，尤其是與常規灌溉模式相比，采用輻射累積量控制的灌溉模式，對促進番茄的生長以及水肥利用效能的影響尚不明確。【擬解決的關鍵問題】本試驗采用輻射累積量控制的灌溉模式，在內嵌基質土壟栽培條件下，利用水肥一體機進行自動化營養液滴灌。針對番茄花期和坐果期采取不同的灌溉量，研究了其對番茄生長以及水肥利用的影響，以探討日光溫室番茄生產的營養液灌溉模式和灌溉量，并為進一步建立日光溫室中合理的灌溉制度提供技術理論支持。

1 材料及方法

1.1 試驗地點及材料

試驗在北京市順義區大孫各莊鎮的節能型日光溫室（40°13′N，116°65′E）中進行，溫室長60 m，跨度8 m，脊高3.8 m，前屋面選用防水無滴膜覆蓋，后墻為磚墻。試驗區在日光溫室東半側進行，供試番茄品種為“豐收”雜交種，由瑞克斯旺（中國）種業提供。栽培基質為配制的復合基質，前期育苗和后期定植為同一配方，體積比為草炭﹕蛭石﹕珍珠巖=1﹕1﹕1；基質袋為無土栽培專用袋，規格為100 cm×20 cm×12 cm，材質為外白內黑的PE薄膜。

1.2 試驗設計

試驗于2017年8月20日進行番茄育苗，9月7日當番茄處于“兩葉一心”時開始定植，雙行栽培，試驗區兩側分別有兩壟保護行。根據番茄的生育特點，將番茄分為苗期（2017年9月7日至10月20日）、花期（2017年10月21日至11月13日）、坐果期（2017年11月14日至12月11日）和采收期（2017年12月12日至2018年2月5日），試驗時段為番茄花期和坐果期，采收期留4穗果后打頂。

1.2.1 栽培方式 試驗選定內嵌基質土壟栽培，壟距為1.6 m，壟下寬80 cm，上寬25 cm，高20 cm；內嵌基質袋長1 m，寬20 cm，高12 cm，每個基質袋定植4株，株距25 cm，每壟5個基質袋，共定植20株苗，種植密度為25 000株/hm2。基質袋下方開孔，有廢液回收槽，回收槽的長度為5.5 m，用于回收廢液，廢液回收槽從北往南有一定坡度，且最南端連接收集桶，具體栽培方式如下圖1。

圖1 內嵌基質土壟栽培示意圖

1.2.2 灌溉模式 試驗灌溉模式設常規灌溉（CK）和輻射累積量控制的灌溉（T1、T2、T3），共4個處理，3次重復，其中處理T1、T2和T3在番茄不同生育期采取不同的灌溉量。常規灌溉采用傳統的滴灌設備，按照時間間隔定時進行灌溉。

輻射累積量控制的灌溉采用水肥一體機進行，水肥一體機連接有太陽輻射傳感器，太陽輻射傳感器距離溫室地面2.0 m，距離后墻4.5 m。試驗根據文獻[25]和溫室光照情況設定輻射累積閾值1 600 kJ·m--2，達到閾值時水肥一體機開始啟動。

試驗各處理均采用營養液滴灌，每壟布置一條滴灌管，滴灌管直徑20 mm，滴箭間距25 cm，每個處理的滴灌管和滴箭規格相同，滴箭都位于植株根區附近，具體試驗布置如下圖2。

1.2.3 灌溉量 試驗為確保幼苗的成活率，定植后各處理均進行一次灌溉，使基質完全浸濕。苗期和采收期各處理采用相同的灌溉量，每天灌溉量分別為4.3和12.5 m3·hm-2，總灌溉量為179.3和700.0 m3·hm-2。試驗開始后，處理CK從8：00—16：00，每隔1 h灌溉一次，花期和坐果期每次灌溉量分別為1.3和2.3 m3·hm-2，總灌溉量為319.3和445.8 m3·hm-2。處理T1為低灌溉量，處理T2為中灌溉量，處理T3為高灌溉量，3個處理花期每次灌溉量分別為2.0、2.3和2.5 m3·hm-2，總灌溉量為199.8、229.0 和258.3 m3·hm-2；坐果期每次灌溉量分別為2.3、2.5和3.5 m3·hm-2，總灌溉量為264.8、304.0和399.8 m3·hm-2。

營養液濃度按照日光溫室傳統經驗配方管理，EC=2.2 dS·m-1，pH=5.8。相比于處理CK，處理T1、T2、T3營養液灌溉量分別減少了39.3%、30.3%、14.0%，具體灌溉量及養分用量如下表1。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 基質水分含量測定 采用國產基質專用高精度濕度傳感器（TM-JZ01）測量基質水分含量，插在根區附近，距離滴箭10 cm。基質水分含量采用多點數據記錄儀（YM-T16）記錄，每隔10 min記錄一次。

1.3.2 番茄生長指標測定 株高和莖粗：從花期開始，每個處理標記12株，每隔7 d測量基質表面到最頂部葉片葉腋處的長度，記為株高；用精度為0.01 mm的游標卡尺測量第一穗果下方3 cm處直徑，記為莖粗。

1.3.3 番茄生物量 在坐果期末期（12月4日）開展破壞性測量，每個處理選取4株植株，然后在電熱鼓風干燥箱（DHG-9620-A）105℃殺青30 min，在80℃烘至恒重，記錄植株干重。

1.3.4 番茄產量和灌溉水分利用效率

圖2 試驗布置示意圖

表1 灌溉量及養分用量

產量：番茄成熟時，每隔7 d采收一次，記錄每個處理的植株總產量。

灌溉量：每個處理滴灌灌溉的管路上都連接有旋翼式水表（LXS-25E），用于記錄每個處理的灌溉量。

灌溉水分利用效率：灌溉水分利用效率的計算公式為：

IWUE=Y/I

式中，IWUE（irrigation water use efficiency）為灌溉水分利用效率（kg·m-3）；Y為植株產量（kg）；I為灌溉量（m3）。

1.4 數據處理及統計分析

方差分析采用SPSS 18數據處理軟件，不同處理間的多重比較采用Duncan法，圖表中不同小寫字母表示在α=0.05水平下差異顯著（=0.05），數據統計和作圖采用Excel 2010和GraphPad軟件。

2 結果

2.1 不同處理的基質水分含量變化

圖3和圖4分別為連續陰天和晴天基質水分含量變化情況，11月13日灌溉量增加導致基質水分含量增加。由圖可知，不同處理的基質水分含量都有差異，處理CK>T3>T2>T1，表明灌溉量越多，基質水分含量越高。陰天時處理CK基質水分含量一直在90%以上，晴天時相對較低。在一天內，基質水分含量會隨灌溉的響應呈現波動，輻射累積量控制的灌溉模式變化幅度更大，處理T2基質水分含量在80%上下波動。

圖3 連續陰天基質水分含量變化情況（2017年11月10—16日）

圖4 連續晴天基質水分含量變化情況（2017年12月5—11日）

2.2 不同處理對番茄株高和莖粗的影響

由圖5可知，隨著生育時期的推進，番茄株高和莖粗逐漸增大，但是不同處理間的增長率不同。在10月21日至11月10日番茄花期，處理CK、T1、T2、T3的株高增長率分別為67.3%、52.8%、75.4%、69.2%，莖粗增長率分別為47.0%、35.7%、55.3%、46.1%。在11月17日至12月15日番茄坐果期，處理CK、T1、T2、T3的株高增長率分別為46.8%、39.6%、26.3%、35.3%，莖粗增長率分別為12.7%、25.5%、13.5%、10.8%。由此可知，不同處理間的株高和莖粗增長率有差異，在花期，處理T2株高和莖粗增長率最大；在坐果期，處理CK株高增長率最大，莖粗增長率較小，而輻射累積量控制的灌溉模式株高增長率相對降低，表明這個階段番茄的生長主要集中在果實部位。

圖5 不同處理對番茄株高和莖粗的影響

2.3 不同處理對番茄生物量的影響

由圖6可知，與處理CK相比，輻射累積量控制的灌溉模式顯著提高了番茄生物量，處理T1、T2和T3分別提高了57.1%、75.3%和32.7%，其中處理T2達到102.9 g/株，顯著高于其他處理。可見，相比于常規灌溉，輻射累積量控制的灌溉模式顯著提高了番茄的生物量，而且過多或過少的灌溉量都會抑制番茄生物量的積累。

2.4 不同處理對水肥利用的影響

圖7為輻射累積量控制的連續6 d灌溉模式圖，12月1—3日為陰天，12月4—6日為晴天。由圖可知，輻射累積閾值為1 600 kJ·m-2，每天的灌溉次數取決于一天中的總輻射值，晴天的總輻射值多于陰天，則灌溉次數多于陰天。此外，晴天時灌溉間隔的大小取決于輻射值的高低。在早晨和下午，太陽輻射較低，需要約2 h達到閾值，灌溉間隔較大，灌溉量少；在中午，太陽輻射較高，需要約1 h達到閾值，灌溉間隔較小，灌溉量大。

圖6 不同處理對番茄生物量的影響

表2為連續6 d不同處理水肥灌溉量和廢液排出量情況，由表可知，輻射累積量控制的灌溉模式在不同天氣的灌溉量有差異，晴天的灌溉量多于陰天，而常規灌溉無差異。常規灌溉廢液排出量多于輻射累積量控制的灌溉，在晴天和陰天時，處理CK的廢液排出率平均值分別為28.5%和50.0%，處理T3分別為10.7%和13.7%，處理T1和T2廢液排出量很少；相比于處理CK，在晴天和陰天時，處理T3的廢液排出率分別減少了62.5%和72.6%。可見，相比于常規灌溉，輻射累積量控制的灌溉模式有效節約了水肥，避免了水肥的浪費。

虛線為光輻射累積閾值 The dotted line is cumulative solar radiation threshold

表2 不同灌溉模式下番茄灌溉量和廢液排出量情況

2.5 不同處理對產量和灌溉水分利用效率的影響

由圖8可知，與處理CK相比，處理T2的產量增加了14.2%，達到61.3 t·hm-2，處理T1的產量沒有顯著增加。從灌溉水分利用效率的角度分析，相比于處理CK，處理T1、T2和T3分別增加了26.4%、34.1%和24.3%，處理T2達到57.3 kg·m-3。可見，相比于常規灌溉，輻射累積量控制的灌溉模式有利于番茄產量和灌溉水分利用效率的提高。

3 討論

3.1 輻射累積量控制的灌溉模式對基質水分含量的影響

日光溫室番茄無土栽培過程中，基質水分含量對植株的生長有顯著影響，所以選擇合理的灌溉模式和灌溉量尤為必要。在本試驗中，陰天時處理CK基質水分含量一直在90%以上，分析原因主要是陰天植株蒸騰作用較弱，需水量較少，而且基質水分傳感器與滴箭距離過近造成的，晴天時植株蒸騰作用較強，需水量較多，基質水分含量顯著降低。DUNWELL和夏秀波等研究表明，基質水分含量為80%時最適宜無土栽培中番茄生長[26-27]。輻射累積量控制的灌溉模式基質水分含量低于常規灌溉，在一天內隨灌溉的響應呈現波動，處理T2基質水分含量一直在80%左右。

圖8 不同處理對產量和灌溉水分利用效率的影響

3.2 輻射累積量控制的灌溉模式對番茄株高、莖粗和生物量的影響

基質水分含量是影響株高和莖粗增長率的關鍵因素，而灌溉模式和灌溉量對基質水分含量有直接影響。侯加林和張燕等認為，在番茄營養生長旺盛期，過多和過少的灌溉量會抑制株高和莖粗的增長[28-30]；WANG 等研究結果證實，在番茄坐果期過多的灌溉量會使植株越來越“瘦高”[31]。在本試驗中，花期處理CK因過多的灌溉量基質水分含量過高，株高和莖粗增長緩慢，而坐果期植株形成“徒長現象”，生殖生長則減弱。處理T1因過少的灌溉量營養生長受到抑制，而花期處理T2有最高的株高和莖粗增長率，坐果期營養生長減弱，生殖生長增強，有利于果實中營養物質的積累，表明輻射累積量控制的灌溉模式對番茄營養和生殖生長有利，處理T2灌溉量最適宜。

番茄生物量的積累與基質水分含量有密切聯系。WAN等[21]研究表明，基質水分過多，降低了根區氧的濃度，影響了植株酶的活性，進而影響光合作用，使植株合成有機物的能力減弱。在本試驗的結果中，與處理CK相比，輻射累積量控制的灌溉模式顯著提高了番茄生物量。處理CK和T3基質水分含量過高，處理T1過低，都不利于番茄生物量的積累，而處理T2基質水分含量適宜，番茄生物量最高。

3.3 輻射累積量控制的灌溉模式對水肥利用的影響

番茄在不同的天氣下對水肥需求狀況不同，灌溉量多少受灌溉模式直接影響。HUNG等[20]研究表明，輻射累積量控制的灌溉模式能滿足番茄變化的水肥需求，廢液的排出量較少。在本試驗中，處理T3的廢液排出量顯著少于處理CK，處理T1和T2廢液排出量很少。ALBERTO 等[8]研究表明，常規灌溉在早晨和下午時灌溉量較多，超出了番茄的水肥需求，導致大量的廢液排出；中午番茄蒸騰作用較強，灌溉量不變，番茄可能遭受水壓，對其生長不利。相比于晴天，陰天番茄蒸騰作用較弱，灌溉量也應該較少，而常規灌溉沒有考慮天氣狀況，灌溉量超出了番茄的需求。本試驗研究結果表明，輻射累積量控制的灌溉量取決于不同的天氣狀況，晴天的灌溉量顯著多于陰天，而常規灌溉的灌溉量保持不變。此外，在晴天的不同時間段，輻射累積量控制的灌溉量也不同，中午的灌溉量多于早晨和下午，而常規灌溉在一天的不同時間段灌溉量相同。可見，相比于常規灌溉，輻射累積量控制的灌溉模式與番茄對水肥的需求相匹配，而且節水節肥效果明顯。

3.4 輻射累積量控制的灌溉模式對產量和灌溉水分利用效率的影響

灌溉模式和灌溉量對產量和灌溉水分利用效率有顯著影響，前人研究認為，虧缺灌溉會抑制番茄產量的提高[32]。處理T1番茄產量顯著小于處理T2和T3，表明灌溉量過少降低了番茄的產量。而蔡東升等[33]研究表明，營養液供應量的增加，會導致灌溉水分利用效率的降低。本試驗中處理T1、T2和T3灌溉水分利用效率顯著高于處理CK，而處理T3相比于處理T2灌溉水分利用效率顯著降低，產量卻沒有顯著增加，表明輻射累積量控制的灌溉模式下處理T2是適宜灌溉量。

綜合考慮番茄生長和水肥利用情況，推薦輻射累積量控制的灌溉模式下，處理T2為番茄開花坐果期的參考灌溉量，灌溉量為533.0 m3·hm-2。

4 結論

本研究表明，在日光溫室內嵌基質土壟栽培條件下，與常規灌溉相比，輻射累積量控制的灌溉模式有利于番茄營養和生殖生長，顯著提高了番茄生物量、產量和灌溉水分利用效率；輻射累積量控制的灌溉模式有效節約了水肥，避免了水肥的浪費，水肥的供給與植株的需求相匹配。其中，處理T2番茄生物量、產量、灌溉水分利用效率分別達到102.9 g/株、61.3 t·hm-2和57.3 kg·m-3，灌溉量為533.0 m3·hm-2，可作為日光溫室番茄開花坐果期的參考營養液灌溉量。

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（責任編輯 李云霞）

Research of the Irrigation Mode Controlled by Cumulative Radiation on Tomato Growth and Water and Fertilizer Utilization in Greenhouse

WEI XiaoRan, CHENG RuiFeng, YANG QiChang, HE YongKang, ZHANG Chen

(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081)

【Objective】Under the irrigation mode controlled by cumulative radiation, the objective of this paper was to study on the effects of different irrigation amount on tomato growth, water and fertilizer utilization in tomato flowering and fruit-set stage, so as to provide the scientific basis for tomato efficient production in Chinese solar greenhouse. 【Method】Under the condition of soil ridge substrate embedded cultivation to test “harvest” hybrid tomato by the nutrient solution drip irrigation, irrigation mode was divided into regular time interval irrigation (hereinafter referred to as “normal irrigation”, CK) and irrigation controlled by cumulative radiation, which was divided into low irrigation (T1), middle irrigation (T2) and high irrigation (T3). It researched on the irrigation modes and amount difference of growth, development, and water and fertilizer utilization in tomato flowering and fruit-set stage. 【Result】Compared with CK, the irrigation amount of T1, T2 and T3 reduced by 39.3%, 30.3% and 14.0%, respectively. The greater irrigation amount was, the higher substrate moisture content was, as follow: CK > T3 > T2 > T1. Irrigation mode controlled by cumulative radiation was better for tomato vegetative and reproductive growth, and significantly improved tomato biomass. Compared with treatment CK, the tomato biomass of T1, T2 and T3 had increased by 57.1%, 75.3% and 32.7%, respectively. Among them, the tomato biomass of treatment T2 was 102.9 g·plant-1, which was also significantly higher than that of T1 and T3. Controlled by cumulative radiation, irrigation amount on sunny day was more than that on cloudy day, and irrigation amount on noon time was more than that on morning and afternoon, which was more consistent with the plant's demand for water and fertilizer. Besides, it saved the water and fertilizer and avoided the waste of water and fertilizer. Compared with CK, the drainage rate of T3 on sunny and cloudy day reduced by 62.5% and 72.6%, respectively. The suitable irrigation amount controlled by cumulative radiation also significantly improved tomato yield and irrigation water utilization efficiency. Compared with CK, the tomato yield of T2 was improved by 14.2%, reached to 61.3 t·hm-2, and the irrigation water utilization efficiency was improved by 34.1%. Too little irrigation amount inhibited the production of plants. 【Conclusion】Irrigation mode controlled by cumulative radiation could promote growth and effectively save water and fertilizer. Among them, the irrigation amount of T2 was 533.0 m3·hm-2, which could be used as a referenced nutrient solution for tomato flowering and fruit-set stage in Chinese solar greenhouse.

cumulative radiation; irrigation amount; water and fertilizer utilization; flowering and fruit-set stage; tomato

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.18.009

2018-03-08；

2018-05-16

國家“863”計劃（2013AA103004）、科研院所基本科研業務費（Y2018PT85、BSRF201602）

魏曉然，E-mail：weixiaoran199216@163.com。通信作者程瑞鋒，E-mail：chengruifeng@caas.cn