水/沼液一體化不同灌溉方式對番茄生長及產(chǎn)量品質(zhì)的影響研究

何世智，鄭 健

（1.臨夏回族自治州水利科學(xué)研究院，甘肅臨夏 731100；2.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

0 引 言

沼液作為沼氣生產(chǎn)的副產(chǎn)物，富含大量的水解酶（纖維素酶、淀粉酶等）、有機(jī)、無機(jī)鹽類（銨鹽、磷酸鹽等）以及大量的營養(yǎng)元素（N、P、K 等），有助于促進(jìn)作物生長發(fā)育，且相比于化肥更容易被作物吸收利用，被認(rèn)為是一種高效有機(jī)肥，廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中［1，2］。同時，沼液施用還有助于作物增產(chǎn)提質(zhì)、促進(jìn)種子萌發(fā)、提升土壤肥力以及增強(qiáng)作物抗病蟲害等能力［3，4］。但因沼液具有高水低肥的特性，目前農(nóng)田施用的方式以噴施和地表灌溉為主，水肥利用效率低，需要新施用方式的探索。根系是作物主要吸收水分和養(yǎng)分的器官［5，6］，如果能將沼液直接作用于作物根區(qū)，是否就能有效促進(jìn)作物生長，提高沼液的利用效率？

分根區(qū)交替灌溉（Alternate Partial Rootzone Irrigation，APRI）技術(shù)，采用人為保持根系土壤在水平或垂直剖面的某一個區(qū)域干燥使作物根系始終有一部分生長在干燥或較為干燥的土壤區(qū)域中，限制該部分的根系吸水，同時通過人工控制使根系在水平或垂直剖面的干燥區(qū)域交替出現(xiàn)，使干燥區(qū)的根系尤其是根尖產(chǎn)生水分脅迫信號（ABA）傳遞到保衛(wèi)細(xì)胞，從而有效地調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉，進(jìn)而減少無效蒸發(fā)和灌溉水量，提高作物對水分、養(yǎng)分的利用效率［7-9］。Kusakabe 等［10］在2013-2014 和2014-2015 通過兩季柚子的灌溉試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，分根區(qū)交替灌溉延緩了樹木的開花期但沒有降低樹木的開花潛力，節(jié)水效率為各處理中最高，而水果的產(chǎn)量和果汁的品質(zhì)與各處理相似。Iqbal等［11］通過對棉花的研究表明，分根交替灌溉的植株高度、光合作用、葉水勢等均為各處理最優(yōu)，作物體內(nèi)的脯氨酸含量及抗氧化酶活性均顯著高于對照處理。Conesa等［12］通過3年的葡萄園試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分根區(qū)交替灌溉能夠更好地誘導(dǎo)根系發(fā)育獲得更高的根系密度。Hajar 等［13］在對蘋果樹灌溉試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，分根交替灌溉具有激活抗氧化防御機(jī)制、激素信號通路和抗旱性基因表達(dá)的潛力，在維持作物產(chǎn)量的同時提高水分利用效率。Qi等［14］在溝灌玉米中應(yīng)用分根交替灌溉結(jié)果表明，該技術(shù)能夠提高15N 的吸收速率，降低15N 的損失率。上述研究表明分根區(qū)交替灌溉在作物節(jié)水調(diào)質(zhì)方面具有良好的效果，但相關(guān)研究中采用介質(zhì)都是水，且灌溉方式主要為地表灌溉，對于水肥一體化條件下不同灌溉方式對作物生理生態(tài)指標(biāo)、產(chǎn)量品質(zhì)和水分利用效率響應(yīng)規(guī)律的研究還顯欠缺，尤其是分根交替灌溉條件下水∕沼液一體化不同灌溉方式的研究。

基于此，本文在2018年春季和秋季開展了兩季番茄盆栽試驗(yàn)，應(yīng)用分根交替灌溉技術(shù)，采用地表灌溉和穴孔灌溉兩種方式，研究番茄生理生態(tài)指標(biāo)、干物質(zhì)質(zhì)量分配、產(chǎn)量品質(zhì)及水分利用效率對不同灌溉方式的響應(yīng)規(guī)律，以期為沼液的高效施用提供新方法，也為化肥減施和健康農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究共開展兩季盆栽試驗(yàn)，分別于2018年3月至7月及2018年9月至12月在甘肅省蘭州市七里河區(qū)魏嶺鄉(xiāng)設(shè)施蔬菜水肥一體化示范點(diǎn)的溫室大棚內(nèi)進(jìn)行（36°01′N，103°46′E）。該試驗(yàn)點(diǎn)海拔高度1 835.7 m，屬于溫帶大陸性氣候，常年干旱少雨，日照充足，年平均氣溫10.3 ℃，年平均降水量327 mm（多集中在7-9月），年平均蒸發(fā)量1 158.0 mm，無霜期150 d 左右，晝夜溫差為12～18 ℃。試驗(yàn)溫室大棚結(jié)構(gòu)為屋脊型，長、寬、高分別為50、10.5和4 m。溫室內(nèi)配置有小型自動氣象站，可在試驗(yàn)進(jìn)行期間不間斷測定常規(guī)氣象數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)材料

供試土壤類型為粉質(zhì)壤土，其中粒徑0.02～2 mm 的砂粒占質(zhì)量比的2.8%，粒徑0.002～0.02 mm 的粉砂顆粒占質(zhì)量比的94.2%，粒徑小于0.002 mm 的黏粒占質(zhì)量比的3%。供試作物為番茄，品種為中研958F1。供試沼液取自于甘肅省荷斯坦良種奶牛繁育中心正常發(fā)酵運(yùn)行的沼氣池中，理化性質(zhì)穩(wěn)定，該沼氣工程以牛糞為發(fā)酵原料。經(jīng)曝氣靜置2 個月，待其理化性質(zhì)穩(wěn)定后，采用物理方法對所得沼液過濾、殺菌。沼液中全氮、全磷及有機(jī)質(zhì)含量分別為1.038、0.553、10.65 g∕L。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用盆栽方式，塑料盆直徑17 cm，深度30 cm，裝土容重1.35 g∕cm3。灌溉技術(shù)為分根交替灌溉（APRI），應(yīng)用沼液濃度為20%（體積比），灌溉方式為地表灌溉（B）和穴孔灌溉（X），灌溉頻次設(shè)置為2 d-1，水沼灌溉頻次為4 d-1，間隔灌溉清水。灌溉量為：W=Kp×S×Ep，其中Kp 為作物-蒸發(fā)皿系數(shù)，本試驗(yàn)取0.6；S 為控制面積，本試驗(yàn)取π×172cm2；Ep 為φ20 cm 標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿兩次灌水間隔的累計(jì)蒸發(fā)量，蒸發(fā)皿放置在與作物冠層同高的位置。兩季試驗(yàn)分別開始于2018年3月20日和2018年9月1日，結(jié)束于2018年7月26日和2018年12月30日。

為保證試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，用塑料薄膜將試驗(yàn)盆從中部分開，以防止盆內(nèi)兩側(cè)水分相互滲透，并在薄膜上中部裁剪出一“V”字形缺口，以便于定植番茄幼苗。幼苗移栽時人為將根系均勻的分布于試驗(yàn)盆中部薄膜“V”形缺口的左右兩側(cè)，以確保根系在初始狀態(tài)下分布均勻，提高試驗(yàn)精度。在穴灌方式下，分根區(qū)交替灌溉及均勻灌溉的穴孔對稱設(shè)置在塑料薄膜兩側(cè)穴孔中心距離植株根部5 cm，直徑和深度分別為5 cm、7 cm（如圖1所示）。

圖1 盆栽試驗(yàn)情況Fig.1 The pot experiment layout

1.4 測定指標(biāo)及方法

株高及莖粗：定植后第1 d 開始測定，株高用米尺從番茄植株莖桿的基部開始測??；采用精度0.001 的電子游標(biāo)卡尺通過十字交叉法在植株莖稈基部測得莖粗，兩指標(biāo)每4 d 天進(jìn)行觀測1次。

干物質(zhì)量：采用烘干法測定。試驗(yàn)結(jié)束后，每處理分別隨機(jī)取樣（3 株），根、莖、葉和果分別分開稱重，然后放入105 ℃的烘箱中殺青2 h，于75 ℃恒溫烘干用電子秤（精度值為0.01 g）稱得其干物質(zhì)量。

光合速率測定：采用YT-FS831 型植物光合作用測量系統(tǒng)測定，在果實(shí)膨大期的晴天從8∶00-18∶00，每2 h 測定一次，每處理選取3 株測定，選擇植株頂部完全展開的成熟葉片進(jìn)行測定，取均值作為結(jié)果進(jìn)行分析。

番茄果實(shí)品質(zhì)及產(chǎn)量：果實(shí)硬度用硬度計(jì)測量；可溶性固形物用WAY-2S 型阿貝折射儀測定；維生素C 由鉬藍(lán)比色法測定；可溶性糖由蒽酮法測定；有機(jī)酸由酸堿滴定法測定；可溶性蛋白由考馬斯亮蘭G-250染色法測定［15，16］。每個處理選取有代表性的3 株計(jì)算番茄果實(shí)產(chǎn)量，單果質(zhì)量用電子秤（精度值為0.01 g）測量，一穗至五穗果分開累計(jì)測定，最終以累計(jì)總量采收量計(jì)。

數(shù)據(jù)處理及圖表制作分別通過Excel2010和Origin 9.0軟件來完成，各處理間的顯著性差異分析通過SPSS 19.0軟件實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 株高莖粗

圖2 為不同灌溉處理番茄株高和莖粗的變化。從圖2 中可以看出，水∕沼一體分根交替地表灌溉（APRI-B）和穴孔灌溉（APRI-X）對番茄株高和莖粗的生長有一定影響。以移栽后71 d 的數(shù)據(jù)來看，APRI-X 處理能夠增加番茄的株高和莖粗，與APRI-B 處理相比，春季試驗(yàn)（Spring）中番茄株高和莖粗平均增加了4.67%和4.60%，秋季試驗(yàn)（Autumn）中株高和莖粗平均增加了2.81%和5.43%。說明水∕沼液一體分根交替灌溉采用穴孔灌溉的方式更有利于促進(jìn)番茄植株健康旺盛地生長。

圖2 不同灌溉處理番茄株高和莖粗的變化Fig.2 The plant height and stem diameter of tomato under different irrigation treatments

2.2 光合速率

圖3 為不同灌溉處理下番茄光合速率的日變化。由圖3 中可以看出，兩季試驗(yàn)中不同灌溉方式下番茄的光合速率日變化規(guī)律相似，均呈“雙峰”曲線變化，兩個峰值分別出現(xiàn)在上午10∶00 和下午14∶20 左右，而在中午12∶00 左右出現(xiàn)波谷，說明番茄光合速率日變化存在“午休”現(xiàn)象。比較不同處理間的差異，可以發(fā)現(xiàn)早晨8∶00 時兩處理間的光合速率差異較小，隨著光照強(qiáng)度的增加，不同處理間的光合速率差異逐漸增大，在第一波峰上午10∶00 時APRI-X 處理的光合速率較APRI-B 處理得高0.35 μmol∕（m2·s）（春季）和0.48 μmol∕（m2·s）（秋季）；在波谷時APRI-X處理的光合速率較APRI-B處理在春、秋兩季試驗(yàn)中分別高出0.97 和1.17 μmol∕（m2·s）；由于午后太陽輻射強(qiáng)度降低，兩種灌溉方式下番茄的氣孔開度增加，導(dǎo)致光合速率增加，在14∶00左右出現(xiàn)第二波峰，但兩種處理引起的光合速率差異較中午12∶00 小，分別為0.70 μmol∕（m2·s）（春季）和1.00 μmol∕（m2·s）（秋季）；此后隨著太陽輻射強(qiáng)度減弱，光合速率逐漸減小，不同灌溉方式引起的番茄光合速率差異也逐漸減小。從光合速率日變化規(guī)律來看，穴孔灌溉處理較地表灌溉處理的番茄植株能獲得更好的光合作用，更有利于作物光合產(chǎn)物的形成。

圖3 不同灌溉處理光合速率日變化Fig.3 Diurnal variation of photosynthetic rate of tomato under different irrigation treatments

2.3 干物質(zhì)量、根質(zhì)量分布及根冠比

表1 為不同水∕沼液一體灌溉方式對番茄干物質(zhì)及根的影響。由表1 中可以看出，APRI-X 處理的番茄總干物質(zhì)質(zhì)量、地上部分干質(zhì)量、根系干質(zhì)量和果實(shí)干質(zhì)量均高于APRI-B 處理，說明沼液分根交替灌溉穴孔灌溉較地表灌溉更有利于番茄植株干物質(zhì)質(zhì)量的形成；從番茄植株的根冠比來看，春、秋兩季試驗(yàn)數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出APRI-X處理高于APRI-B處理，說明沼液分根交替穴孔灌溉較高地表灌溉更有利于番茄根系的生長。同時，以盆栽土體表面為起點(diǎn)，將土體分成上、下兩層，研究不同灌溉方式對番茄根系分布的影響。從總根系干質(zhì)量和上、下層根系干質(zhì)質(zhì)量來看，APRI-X 處理根系總干質(zhì)量和上、下層根系干質(zhì)量較APRI-B 處理均有所增加，2018年春季試驗(yàn)分別高出24.28%（總根干物質(zhì)質(zhì)量）、11.97%（上層）和53.3%（下層），2018年秋季試驗(yàn)23.53%（總根干質(zhì)量）、10.61%（上層）和51.95%（下層），說明APRI-X 處理較APRI-B 處理更有利于番茄根系干質(zhì)量的形成；從上、下層根系干質(zhì)量的比值來看，APRI-X 處理分別為1.63（春季）和1.70（秋季），APRI-B 處理為2.23（春季）和2.33（秋季），APRI-B 處理的番茄根系干質(zhì)量主要集中在上層，而APRI-X 處理上下層的根系干質(zhì)量分布更均勻。說明APRI-X 處理能夠有效驅(qū)動番茄根系向更深的土層生長，有利于作物生深層根系的形成，對于作物的抗旱和抗傾倒能力均有所增強(qiáng)。

表1 不同水/沼液一體灌溉方式對番茄干物質(zhì)及根的影響Tab.1 Effect of different irrigation methods on the plant and roots dry biomass of tomato

2.4 產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率

表2 為沼液不同灌溉方式對番茄品質(zhì)、產(chǎn)量和水分利用效率的影響。從表2中可以看出，相同處理?xiàng)l件下，秋季試驗(yàn)處理獲得的番茄產(chǎn)量高于春季，說明番茄產(chǎn)量的形成除受到水肥供給條件的影響外還受到溫室內(nèi)環(huán)境條件的影響；APRI-X 處理的產(chǎn)量和單株水分利用效率都明顯高于APRI-B 處理，分別高4.55%（春季）和10.29%（秋季），表明沼液分根交替穴孔灌溉處理更有利于番茄產(chǎn)量的形成。

表2 沼液灌溉方式對番茄品質(zhì)、產(chǎn)量和水分利用效率的影響Tab.2 Effects of different irrigation methods on the yield，quality and water use efficiency of tomato

從番茄的各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)來看，APRI-X 處理的糖酸比在兩季試驗(yàn)中均高于APRI-B 處理，APRI-X 處理分別為10.043（春季）和9.582（秋季），APRI-B 處理分別為10.017（春季）和9.469（秋季），表明從口感上來說APRI-X 處理的番茄會更甜一些；維生素C、可溶性蛋白和可溶性固形物是番茄營養(yǎng)指標(biāo)的反映，從數(shù)據(jù)分析APRI-X處理均高于APRI-B處理，在春季和秋季試驗(yàn)中分別高出6.36%、6.58%、3.07%和6.13%、6.45%和3.20%，說明APRI-X 處理能夠獲得更好的番茄營養(yǎng)品質(zhì)；硬度是番茄運(yùn)輸和儲存的重要指標(biāo)，APRI-X 處理的硬度指標(biāo)在兩季試驗(yàn)中分別高于APRI-B 處理4.93%和4.90%，說明APRI-X 處理的番茄更有利于運(yùn)輸和儲存。

3 討 論

沼液作為一種高效有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了一定的應(yīng)用和推廣［17，18］。但傳統(tǒng)的隨水施用的漫灌方式使得本來就具有高水低肥特性的沼液，在施用過程中養(yǎng)分更得不到有效利用［19，20］。從本文采用的水∕沼液穴孔灌溉和地表灌溉兩種方式的試驗(yàn)結(jié)果來看，水∕沼液一體化直接作用于番茄的根系層更有利于促進(jìn)番茄植株的生長。光合作用是綠色植物獲取生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的主要源泉，從番茄光合速率日變化情況來看，水∕沼液一體化穴孔灌溉較地表灌溉能獲得更好的光合速率，能提高番茄光合產(chǎn)物的形成。從番茄總干物質(zhì)質(zhì)量、地上干物質(zhì)和質(zhì)量、地下干物質(zhì)質(zhì)量和根冠比來看，相同灌溉量條件下，水∕沼液一體化穴孔灌溉能夠促進(jìn)番茄深層根系的生長和干物質(zhì)形成，也驗(yàn)證了光合速率變化的合理性。從根系形態(tài)的角度來說，深層根系的增多對于作物抗旱能力和水分利用效率的提高具有積極作用，本文中水∕沼液一體分根交替穴孔灌溉處理在深層根系的干物質(zhì)量、產(chǎn)量及水分利用效率方面都較水∕沼液一體分根交替地表灌溉明顯提高，表明了穴孔灌溉相對于地表灌溉所具有明顯的優(yōu)勢。這主要是由于穴孔能夠直接地將水肥輸送到植株根區(qū)土壤，利于根系對水肥的吸收［21］，避免了地表灌溉條件下沼液中大量養(yǎng)分被滯留在表層土壤，使得表層土壤中養(yǎng)分濃度過高，抑制作物根系的吸收利用，而穴孔灌溉是基于穴孔結(jié)構(gòu)的水肥輸送，更大程度上緩解了根區(qū)土壤缺水缺肥的情況，平衡了根區(qū)土壤的水養(yǎng)分布，促進(jìn)了植株根系的生長，增大了根系表面積，提高了根系對水肥的吸收能力［22］。陳慧等［23］在肥料減量深施的研究中也發(fā)現(xiàn)肥料深施能提高冬油菜的產(chǎn)量及肥料利用效率，與本文所獲結(jié)果基本一致。

隨著生活水平的提高，人們對農(nóng)產(chǎn)品的關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)逐漸地從產(chǎn)量和外觀進(jìn)入到了品質(zhì)階段，高品質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品更能夠獲得人們的青睞。沼液中富含有氨基酸類、植物激素類、B族維生素類等一些具有生物活性的物質(zhì)能有效促進(jìn)作物果實(shí)的提質(zhì)［24］。樂素菊等［25］認(rèn)為番茄是否美味可口主要取決于可溶性糖和可滴定酸的絕對含量的大小。在本研究中沼液分根交替穴孔灌溉處理獲得了較高的可溶性糖和可滴定酸的絕對含量，表明適宜的灌溉方式可以改善番茄的口感。同時從維生素C、可溶性蛋白、可溶性固形物和果實(shí)硬度指標(biāo)來看，沼液分根交替穴孔灌溉較地表灌溉能夠明顯提高番茄的營養(yǎng)品質(zhì)和運(yùn)輸儲存品質(zhì)。這主要是由于穴孔灌溉可將沼液直接作用的番茄根部，而穴施能有效促進(jìn)番茄根系的生長［21，26］，更有利于番茄對水分及營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，同時分根交替灌溉技術(shù)可以有效促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)向作物的果實(shí)運(yùn)輸［27］，進(jìn)一步促進(jìn)了番茄果實(shí)品質(zhì)的改善。

4 結(jié) 論

（1）分根交替灌溉條件下，水∕沼液一體化穴孔灌溉能夠促進(jìn)番茄的生長，獲得較好的光合速率，有助于番茄光合產(chǎn)物的形成，同時水∕沼液一體化穴孔灌溉還可以獲得較高的產(chǎn)量、水分利用效率和干物質(zhì)質(zhì)量。

（2）水∕沼液一體化地表灌溉處理的作物根系主要集中在根層的上部，而穴孔灌溉處理的作物根系分布更加均勻，更有利于作物抗旱能力和水分利用效率的提高。

（3）分根交替灌溉條件下，水∕沼液一體化穴孔灌溉能夠更有效的調(diào)節(jié)番茄的口感，改善番茄營養(yǎng)品質(zhì)，提高番茄的儲存和長途運(yùn)輸能力。 □