滴灌灌水均勻系數對溫室番茄生長的影響

梁博惠，牛文全，郭麗麗，楊小坤，李學凱

(1.寧夏水利科學研究院，寧夏銀川750021;2.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌712100;3.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌712100;4.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100)

滴灌技術已成為解決目前農業生產中水肥利用效率低和降低面源污染風險的一種重要措施［1］，其中滴灌灌水均勻度是灌水器流量分布的量化衡量指標［2］，是衡量土壤水分在田間分布均勻程度的重要指標［3］，它通過影響水分在土壤中的分布均勻程度對作物生長情況產生影響。現行《微灌工程技術規范》中規定微灌系統灌水均勻系數(Cu)不宜小于0.8［4］，朱德蘭等［5］，陳渠昌等［6］指出滴灌均勻系數的增加會導致工程造價的增加，因此尋找既滿足實際應用又滿足經濟性要求的灌水均勻系數非常重要。

番茄是一種喜溫性蔬菜，溫室番茄在我國北方地區的栽培緩解了北方地區冬季蔬菜的淡季供應［7］，其種植比例在西北地區逐年上升，所以研究溫室番茄的灌溉方式對于促進溫室番茄的種植有重要意義。對日光溫室番茄的滴灌技術應用研究也在逐漸深入，提出了許多切實有效的技術應用方式［8-10］。

本試驗將灌水量與滴灌均勻系數結合起來考慮，設定3種不同的灌水量與灌水均勻系數，對溫室番茄的生長、品質等進行研究，以期得到滿足不同要求的灌水量與灌水均勻系數組合，篩選最適宜的灌水均勻系數，達到實用性與經濟性雙贏的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗區基本情況及試驗設計

滴灌試驗于2016年10月5日在陜西楊凌大寨鄉生產用日光溫室內進行，試驗地位于108°02＇E，34°02＇N，屬于暖溫帶半濕潤氣候帶，年降雨量650 mm左右，年蒸發量為1 400 mm。試驗日光溫室全長190 m，寬5.5 m，為南北走向，棚內無取暖設施，越冬時期夜間加蓋棉被以達到保溫效果。試驗溫室前茬作物為番茄，溫室內土壤為塿土，其中砂礫占25%，粉粒占44%，黏粒占31%，田間體積持水量為32.96%。供試番茄品種為“美卡利亞”，日光溫室內穴盤育苗，2016年10月1日定植，在定植與緩苗期間采用溝灌的方式，灌水量不計入生育期總灌水量。采用一管一行種植模式，每個小區之間用埋深1 m的建筑防水膜隔開，防止每個小區之間水分運移而產生干擾。滴灌系統由干管、分干管、滴灌帶、水表、壓力表、閥門組成(見圖1)。供水壓力水頭通過壓力表控制為10 m。

試驗采用裂區試驗法，主處理(A區)為灌水量設置，A區總灌水量為190 mm(I1)、220 mm(I2)和250 mm(I3)3個水平，副處理(B區)為滴灌灌水，均勻系數設65%(C1)、75%(C2)、85%(C3)3個水平，其中滴灌灌水均勻系數用克里斯琴森均勻系數(Cu)［11］計算，見公式(1)。每 3條滴灌帶，即 3行番茄為一個處理小區，試驗共9個處理，每個處理設置3個重復，共27個小區。每個小區長5.5 m，寬2.4 m，各種植39株番茄。所有小區的農藝管理措施統一進行，試驗小區分布圖見圖1。

每個試驗小區安裝從南至北3根深度為100 cm的 Trime管，距離分干管依次為 100、260、420 cm，采用Field TDR200對土壤各個深度的水分進行測定，并且每個處理增加1處取樣點，以打土鉆法取樣，以增加土壤含水率樣本數量。

圖1 試驗小區平面示意圖Fig.1 Plane of experimental plot

式中，qi為第i個灌水器的流量(L·h-1);為灌水器的平均流量(L·h-1);n為所測灌水器的個數。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 株高與莖粗 定植20 d后進行測定，直至4層果打頂時結束。每個小區每個重復選擇5株長勢相近的植株進行測定，每個處理3個重復，共取135株植株。株高采用卷尺進行測量，莖粗采用電子游標卡尺進行測量，最后將5株植株的數據取均值。

1.2.2 品質 在果實成熟期，每個小區均勻選擇5個生長情況差異較小的果實，進行品質測定，設置3個重復，共15個果實。果實可溶性固形物用RHBO-90型手持折射儀測定;有機酸用0.1 mol·L-1NaOH滴定法;可溶性糖用蒽酮比色法測定，并計算糖酸比=可溶性糖/有機酸;維生素C用鉬藍比色法測定。

1.2.3 光合色素 在番茄結果后期對植株的葉綠素進行測定，每個處理選擇3株植株，重復3次，共9株植株。帶回實驗室采用丙酮法提取色素，用分光光度計比色法測定665、649 nm和447 nm處的葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素的吸光值，其中葉綠素a/b=葉綠素a/葉綠素b。

1.2.4 植株根系分析 在番茄果實成熟后，27個處理小區中每個小區隨機選擇1株番茄植株，將選擇的番茄植株的地下根系部分，以40 cm×30 cm×50 cm的立方體區域對根系整體進行挖掘取樣。將根系帶回實驗室整體進行清洗，用Epson Expression 1600 pro雙面掃描儀對根系進行掃描，用WinRHIZO Pro2004b對根系進行分析，分析結束后將根系烘干稱量干重。

1.3 數據處理

本試驗原始數據用Microsoft Excel 2010軟件進行整理，用SPSS 22.0 Duncan新復極差法對試驗數據進行交互作用方差和顯著性檢驗分析，用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 番茄生長要素

2.1.1 番茄株高和莖粗 在番茄的苗期、開花坐果期和結果期對番茄的株高、莖粗進行測量，各個生育階段的株高、莖粗變化如圖2所示，各個處理株高的生長速率(相鄰兩次生育期的株高生長量與前一生育期株高的比值)在開花坐果期I3處理增長速率最高，各個處理生長速率范圍為81.44%～112.58%，其中C3I3處理株高生長速率最高，隨著番茄生長，番茄株高生長速率降低，各個處理生長速率下降至19.54%～28.36%，各個處理莖粗的兩次生長速率范圍由21.53%～31.11%降至0.81%～20.03%。當灌水量相同時，不同灌水均勻系數處理的株高、莖粗無顯著性差異(P＞0.05)，且隨著灌水進行，在番茄結果期C3I3處理的株高、莖粗值最大。將番茄整個生育期內的株高、莖粗增長量進行方差分析比較，見表1。從結果中看出，僅灌水量對莖粗的增長量有顯著影響(P＜0.05)，而灌水均勻系數及二者的交互作用對植株的株高、莖粗增長量無顯著影響(P＞0.05)。

2.1.2 番茄的根系生長 番茄根系生長情況表明(表2)，C1I1處理的各個根系生長值為最小值，其中C3I3處理的根長與根系分叉數為最大值，與C1I1處理相比根長與根系分叉數分別提高了42.72%和71.41%，C1I2處理的根面積和根體積值最大，與C1I1處理相比分別提高了47.73%和45.65%。

圖2 灌水量和滴灌灌水均勻系數對番茄株高、莖粗的影響Fig.2 Effects of irrigation amount and drip fertigation uniformity coefficient on plant height and stem of tomato

2.1.3 結果期番茄葉片光合色素含量 在番茄的結果期對各個處理番茄葉片的光合色素葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素進行測定，結果見圖3。C3I3處理的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素最高，比最低值分別高51.41%、64.27%、42.09%(P＞0.05)，但是葉綠素 a/b值卻較低，比最高值低 12.36%(P＞0.05)。整體來看，當灌水均勻系數一致時，光合色素值隨灌水量的增加而增加(P＞0.05)，當灌水量一致時，光合色素值隨灌水均勻系數的增加變化不明顯(P＞0.05)。

表1 番茄株高、徑粗生育期增長量方差分析Table 1 Analysis of variance on plant height and stem of tomato growth period

2.2 番茄品質及果實形態

2.2.1 單項品質指標 表3是不同處理對番茄品質的影響，可溶性糖屬于番茄的營養品質，番茄紅素和維生素C屬于番茄的保健品質，這幾個指標含量的高低對蔬菜營養價值和口味有重要影響，進而關系到蔬菜的商品價值［12-13］。本研究表明灌水量為190 mm時可溶性固形物、維生素C、番茄紅素含量最大，灌水量為250 mm時有機酸和可溶性糖最大，維生素C和番茄紅素含量最小，這是因為灌溉水量較少，會使可溶性固形物、維生素C、番茄紅素相對累積而增加，而灌溉水量的增加對維生素C和番茄紅素產生了稀釋作用，使其含量較低［14］。

表2 番茄根系生長情況Table 2 Root root growth characteristics

圖3 番茄結果期不同處理的光合色素含量Fig.3 Photosynthetic pigment content of tomato at fruiting stage in different treatments

表3 灌水量和滴灌灌水均勻系數對番茄品質的影響Table 3 Effects of irrigation uniformity coefficient and irrigation amount on fruit quality of tomato

從顯著性分析中可以看出，不同的灌水量對有機酸無顯著影響，對其他指標均有極顯著影響，灌水均勻系數僅對可溶性糖和維生素C有極顯著影響，對其他指標無顯著影響，二者交互作用下對可溶性固形物和有機酸影響不顯著，對其他3項指標影響極其顯著，這可能是由于灌水均勻系數通過影響土壤水分分布從而間接影響了番茄的品質，或者為受番茄坐果期光照、溫度等其他因素影響而造成的結果。其中灌溉量相同條件下C2處理中可溶性糖和維生素C含量最高。

2.2.2 綜合品質指標 由于單項指標具有局限性，無法綜合反映番茄品質的整體情況，因此進一步采用主成分分析法對番茄的可溶性糖(X1)、有機酸(X2)、維生素C(X3)、番茄紅素(X4)和可溶性固形物(X5)5項指標進行綜合評價分析，見表4。由表4可知可溶性糖、有機酸和維生素C可作為評價的綜合指標，累積貢獻率為90.249%，以這3項指標的貢獻率作為權重系數，可得綜合值Z值，表達式如下:

綜合評價指標Z值(見表5)的大小，該指標反映了番茄綜合品質的大小。可以看出C2I1處理番茄的綜合品質最好，同一灌水量處理下C2處理的番茄綜合品質最高，同一灌水均勻系數下I1處理的綜合品質最好。所以綜合考慮，選擇最優處理灌水均勻系數75%，總灌水量為190 mm。

對番茄的第四層果的果實形態進行分析，從表6中可以看出，當總灌水量相同時，C2(灌水量為I1、I2)和C1(灌水量為I3)處理的果實形態各個指標相對最優，但是C2與C1處理結果相差不大。當灌水均勻系數相同時，總灌水量最大I3處理的果實形態各指標相對最優，其中C1I3處理的果實橫徑、縱徑、果形指數、平均單果質量和平均單果體積最大。

總體來說，番茄果實形態指數隨灌水量的增加而增加，但增長幅度不大，隨著灌水均勻系數變化，果實形態影響無明顯變化趨勢。灌水量、灌水均勻系數及二者的交互作用對果實形態指數均無顯著影響(P＞0.05)。

表4 主成分分析中番茄各品質的貢獻率及累積貢獻率Table 4 Contribution amount and cumulative contribution amounts of tomato quality under principle component

表5 番茄品質綜合評價指標Table 5 Comprehensive evaluation results of tomato quality

表6 灌水量和滴灌灌水均勻系數對番茄果實形態的影響Table 6 Effects of irrigation uniformity coefficient and irrigation amount on fruit shape of tomato

2.3 番茄生育期內土壤含水率均勻系數變化

將番茄整個生育期內不同灌水均勻系數及灌水量對土壤含水率能均勻系數的影響變化進行分析，見圖4，結果表明土層深度0～20 cm的土壤含水率均勻系數最低，50～60 cm土層的最高，其他土層均勻系數均值差異較小。土壤含水率均勻系數隨著灌水量的增加有所增加，但無顯著性影響(P＞0.05)，隨灌水均勻系數增加無顯著性變化(P＞0.05)。這與關紅杰等［15］研究結果一致，灌水量與灌水均勻系數對土壤含水率均勻系數的影響不顯著(P＞0.05)。

農業部發布《水肥一體化技術指導意見》［16］中指出，蔬菜類適宜濕潤深度為20～30 cm，且番茄的根系主要分布在20～30 cm深度。從圖4中看出土層深度在20～30 cm時，番茄整個生育期內各個處理土壤含水率均勻系數介于85%～95%之間，均高于現行《微灌工程技術規范》中建議的均勻系數85%［4］，說明當灌水均勻系數為65%～85%、灌水量190～250 mm時能滿足番茄正常生長所需要的土壤環境。

圖4 不同土層深度下各處理土壤含水率均勻系數的全生育期均值Fig.4 Mean value of soil moisture uniformity coefficient in the whole growth period under different soil layers

3 討論

試驗結果表明，不同的灌水量與灌水均勻系數對于番茄生長與品質有不同的影響。

株高、莖粗反映了番茄的長勢，是番茄生長的重要衡量指標，番茄的株高、莖粗不僅受到其品種的影響，還會受到生長環境的影響。張航等［17］認為滴灌均勻系數與灌水量對春玉米株高均值無顯著影響，本試驗表明，隨著灌水量的增加，番茄的株高、莖粗也隨之增加，但是變化并不明顯。在番茄整個生育期內，灌水均勻系數對株高增長量無顯著影響(P＞0.05)，而與莖粗極顯著相關(P＜0.01)，這可能與番茄對水分的吸收利用影響營養物質的沉積有關。結果表明，高水高均勻系數(C3I3)番茄長勢最好，但是65%低均勻系數(C1I3)的番茄生長情況與之差異極小，結合番茄生長情況及滴灌系統的造價經濟性，可以考慮將現行灌水均勻系數標準降低。

果實形態指數是評價番茄外在品質的重要指標，也是決定番茄市場價值的重要指標之一，同時，果實形態指數與番茄產量之間也密不可分。本次試驗結果表明，隨著灌水量的增加，番茄果實形態指數如單果體積、單果重量等有所增加，但是各個不同處理之間的差異極小，而滴灌均勻系數對于番茄果形指數無顯著影響，品質是除產量外決定果蔬經濟效益的又一重要因素，隨著人們日常生活水平的提高，在追求果形、質量等外在品質指標的同時，營養品質等指標也受到越來越多的關注［18］。本試驗結果發現，隨著灌水量的減少，番茄的可溶性固形物、維生素C、番茄紅素含量增加，產生這一結果的原因是番茄果實中干物質量積累相對增加的緣故［19］。而在同一灌水量下不同灌水均勻系數對于番茄的品質并無顯著影響。結合番茄品質綜合分析的結果，因此優先選擇C2I1處理組合。

綜合考慮番茄株高、莖粗、果實形態與品質，C3I3處理株高、莖粗最高，但是果實形態指數較低，平均單果質量(151.37 g)為最低，綜合品質(排序第9)也為最低。C1I3處理株高、莖粗雖低于C3I3，但是并未達到顯著水平，平均單果質量(181.63 g)為最高，但是綜合品質較低(排序第8)，這個可能是由于灌水量過高造成。C2I1處理綜合品質最高(排序第1)，平均單果質量(172.93 g)中等偏上，株高、莖粗與其他處理并無顯著差異。

由于土壤中水分運移等變化，滴灌帶灌水均勻系數與土壤含水率均勻系數有較大差異，由于過高的滴灌灌水均勻系數會造成工程造價過高，不利于滴灌系統的普及應用，因此將滴灌系統的灌水均勻系數進行下調具有很高的實際應用價值。本研究對番茄整個生育期的土壤含水率均勻系數進行監測，結果表明低(65%)、中(75%)、高(85%)灌水均勻系數處理下番茄整個生育期土層深度0～60 cm的土壤含水率均勻系數均高于85%，滿足番茄生長所需的土壤含水率均勻系數標準，這一結果也表明目前的滴灌灌水均勻系數可以下調，與張航［17］等、關紅杰［20］等結論一致。

本研究通過溫室滴灌灌水試驗研究了灌水量、灌水均勻系數對番茄生長情況及土壤含水率均勻系數的影響，對于降低西北地區溫室番茄工程造價、推廣滴灌系統的應用具有重要的指導意義。由于本試驗基于西北地區設施作物，對于西北地區大田作物條件下是否適用仍需進一步探究。

4 結論

1)滴灌灌水均勻度對番茄株高增長量無顯著性影響(P＞0.05)，對莖粗增長量有顯著性影響(P＜0.01)。灌水量及灌水量與灌水均勻系數的交互作用對株高、莖粗增長量無顯著性影響(P＞0.05)。

2)灌水量對番茄品質指標可溶性糖、番茄紅素、維生素C、可溶性固形物(除有機酸)均有極顯著影響(P＜0.01)，灌水均勻系數及其與灌水量的交互作用對番茄品質指標無顯著性影響(P＞0.05)，灌水量、灌水均勻系數及二者的交互作用對果實形態指數均無顯著影響(P＞0.05)。在灌水均勻系數為75%、灌水量為190 mm條件下番茄品質最佳。

3)整個生育期內滴灌灌水均勻系數65%～85%處理下，土壤含水率均勻系數為85%～95%，滿足番茄生長需要，因此可以考慮下調西北地區溫室作物現行滴灌灌水均勻系數標準。