基于土壤含水量的灌溉制度對番茄生理、產量及水分利用效率的影響

黃 媛，于景鑫，杜亞茹，康藝凡，杜鵬飛，田國英

（1.石家莊市農業信息感知與智能控制重點實驗室·石家莊市農業信息化工程技術研究中心·河北省都市農業技術創新中心·石家莊市農林科學研究院 石家莊 050041；2.北京市農林科學院智能裝備技術研究中心 北京 100097）

河北省是蔬菜產銷大省，2020 年蔬菜產量5 198.2 萬t，位居全國第4 位，設施蔬菜快速發展，設施蔬菜產量1 258.2 萬t，占蔬菜總產量24.2%，2020 年河北省農業用水量為107.7 億m3，是全省總用水量的58.93%[1]，隨著資源環境約束日益加劇，農業節水提質增效成為河北省農業高質量發展的重中之重，2020 年河北省噴滴灌面積達25.9 萬hm2[2]，滴灌是有效減少滲漏蒸發，實現節水增效的有效途徑。目前，利用土壤水分傳感器實現土壤含水量監測從而制定精準的灌水制度，提高水分利用效率，是現代設施農業種植管理的重要手段。

依據灌水量、灌溉頻次或土壤水分開展節水灌溉制度研究是國內設施番茄栽培的重要研究方向。其中，張坤[3]在干旱、半干旱地區從節約水資源方面考慮，研究發現75%ET0處理的灌水量可作為番茄節水灌溉制度。郭彬等[4]研究表明，番茄在覆膜條件下，設置80%FC 灌水上限可獲得較高產量和較好的品質。李旭峰等[5]研究表明，番茄苗期減少50%灌水量，在保證產量的同時節約了灌水量18%。劉曉奇等[6]在番茄第一穗果坐住時（果實直徑1 cm）進行不同程度水分虧缺灌溉處理，結果顯示，中度水分虧缺即60%灌水量可作為日光溫室基質栽培高品質番茄的灌溉制度。

大量研究結果表明，在灌溉管理中，以適當的土壤水分含水量為灌溉開啟條件可增加番茄產量，提高品質和水分利用效率[7]。但研究結論不盡相同，這可能與不同地區土壤、氣候條件，不同種植管理制度相關。因此，筆者立足河北省設施番茄種植環境，在典型生產型日光溫室中，利用土壤水分多剖面立體監測設備，開展以不同土壤相對含水量為灌溉開啟條件的灌水試驗，以期通過對番茄生理、品質、產量及水分利用率的分析研究，獲得高效節水的設施番茄滴灌控制制度。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及材料

試驗地點為石家莊市農林科學研究院趙縣農業科技園區，試驗溫室為鋼架結構，長度90.0 m、寬度8.0 m、頂高度4.5 m，后墻為厚度0.5 m 的磚墻，覆蓋材料為聚乙烯膜，種植面積489.0 m2。試驗地土質為壤土，0～40 cm 深土壤的物理性質及養分含量情況見表1。

表1 土壤理化性質

番茄材料為盛豐5 號（海澤拉啟明種業北京有限公司），該品種為有限生長型，中型果，粉紅果色，綜合抗逆性強。苗長至5 葉1 心、苗高10～12 cm進行定植。

1.2 試驗設計

試驗設置4 個處理，灌水上限均為土壤的田間持水量（100% FC），下限分別為50% FC、60% FC、70% FC、80% FC，分別記為T1、T2、T3、T4，對照CK 依據本地常用滴灌灌溉制度[8]進行灌溉。灌水濕潤層為深度0～40 cm 土層，即依據0～40 cm 土壤的平均含水量作為灌水依據。

利用土壤水分多剖面立體監測設備（農芯科技，中國）對土壤水分含量（體積分數）進行監測，設備埋設至各小區南北距離正中部，壟上距番茄植株15 cm 處。依據NY∕T 3678—2020（土壤田間持水量的測定圍框淹灌儀器法）技術要求，對供試土壤最大持水量（體積分數）進行計算。定植后每5 min 對所在小區土壤水分進行一次測量，試驗處理見表2。

表2 試驗處理

1.3 方法

小區面積3.0 m×6.7 m，每個處理設置3 次重復，各小區之間留2 行保護行。采用高畦單行栽培，畦高20 cm，畦底寬約50 cm，畦面寬40 cm，過道寬50 cm，株距0.33 m。采用滴灌灌溉，孔距0.30 m，1 行番茄布置1 條滴灌帶。

定植前按照5000 kg 目標產量，底肥施用有機肥（活菌數2 億?g-1，有機質40%，w，后同）1 022.49 kg?hm-2，磷酸二銨（氮18%，磷46%，）141.10 kg?hm-2，硝酸鉀（鉀52%）274.85 kg?hm-2，史丹利優肽氮（氮46%）216.77 kg?hm-2。番茄每穗果膨大至直徑1.5 cm 時進行追肥，每次追復合肥（氮13%，磷6%，鉀40%）12.45 kg?hm-2，農用硫酸鉀（鉀50%）9.75 kg?hm-2，恩樂施（氮32%）21.90 kg?hm-2。每次追肥確保各小區在7 d 內完成追肥，各小區總施肥量一致。

2021 年8 月27 日番茄苗定植，定植后27 d 進入花期，10 月16 日第一穗果開始膨大進行灌水試驗，將試驗時期劃分為3 個時期：結果前期（10 月16 日至11 月15 日）、轉色期（11 月16 日至12 月9 日）、采收期（12 月10－31 日）。試驗至12 月31 日結束。各處理全生育期灌水量、灌水次數和灌水周期見表3。

表3 各處理灌溉情況

1.4 項目測定及方法

1.4.1 用水量 各小區分別安裝水表，記錄全生育期灌水量，根據種植密度計算單株耗水量（m3·株-1）。

1.4.2 作物生長、生理和果實產量、品質指標 在結果前期、轉色期、采收期，利用Li-6400 便攜式光合測量儀（LI-COR，美國）測定凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率，測量位置為生長點向下第3 片完全展開的功能葉，測量時段為光照條件較好的09：00－12：00；采收期隨機選取3 株植株將根、莖、葉、鮮果105 ℃殺青后轉80 ℃烘至恒質量，采用精度0.01 g 天平稱取全株生物量（kg·株-1）。

采收期各處理選取5 株長勢較為一致的番茄植株采摘一穗果稱量果實質量（kg），計算單株平均產量（kg·株-1）；依據果實質量進行商品等級分級，大果質量≥150 g，100 g＞中果質量≥149 g，50 g＞小果質量≥99 g，特小果質量≤50 g，統計各等級番茄果實數量，計算各等級果占比（%）；各處理選取5 個成熟度較為一致的果實，采用分光光度計法[9]測定番茄紅素含量，采用2，6-二氯酚靛酚鈉滴定法[10]測定維生素C 含量，采用蒽酮比色法[10]測定可溶性總糖含量，采用NaOH 滴定法[10]測定可滴定酸含量。

1.4.3 經濟指標 根據產量和耗水量計算水分利用效率：WUEy=Y/ET，根據干物質總量和灌水量計算生物量水分利用效率：WUEb=B/ET，式中Y為單株產量（kg·株-1），B為干物質總量（kg·株-1），ET為單株耗水量（m3·株-1）[11]。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2007 軟件進行試驗數據整理及圖表繪制，采用IBM SPSS Statistics 23 軟件進行統計學分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉下限對番茄光合參數的影響

由表4 可以看出，結果前期，所有處理的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率均大于對照，說明這一時期以土壤含水量為灌溉依據的灌溉制度優于以灌溉量為依據的灌溉制度，其中T3 表現最優，且與T1、T4、CK 差異達到顯著性水平，凈光合速率較CK 提高了170.84%，氣孔導度提高了474.15%，蒸騰速率提高65.83%。轉色期，T3 處理葉片凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率顯著高于CK，其中凈光合 速 率 較T1、T2、T4、CK 分 別 提 高70.45%、10.17%、26.73%、59.68%，氣孔導度分別提高了61.05%、32.22%、44.50%、112.10%，蒸騰速率分別提高了110.61%、45.05%、19.04%、51.03%。進入采收期，T2 處理的光合能力增強，但凈光合速率與T1、T3、T4 無顯著差異；T2 處理氣孔導度分別較T1、T3、T4、CK 顯著提高109.13%、34.65%、113.16%、212.78%；T2 處理蒸騰速率與T3 無顯著差異，較T1和CK 分別顯著提高了230.95%和128.26%。由此可見，以70%FC 為灌溉開啟條件的處理在結果前期和轉色期有利于葉片提高凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率，進入果實采收期，以60%FC 為灌溉開啟下限的灌溉制度利于提高葉片氣孔導度和凈光合速率，從而促進有機質的轉化和積累。

表4 不同灌溉下限對葉片光合參數的影響

2.2 不同灌溉下限對果實品質和分級的影響

由表5 可以看出，T3 處理番茄紅素含量顯著高于其他處理，可滴定酸含量顯著低于其他處理，其中番茄紅素含量分別較T1、T2、T4、CK 提高了232.20%、121.05%、254.22%、222.19%，可滴定酸含量分別較T1、T2、T4、CK 降低了27.78%、25.71%、38.10%、29.73%，但T3 處理大果占比為38.89%，在各處理中最低；特小果占比5.56%，在各處理中最高。T1 處理維生素C 含量和總糖含量均顯著高于其他處理，其中維生素C 含量分別較T2、T3、T4、CK 提高了91.96%、55.46%、62.82%、29.26%，總糖含量分別較T2、T3、T4、CK 提高了22.43%、51.13%、76.98%、28.53%，同時T1 處理大果占比50.00%，特小果占比為0。可見，較高的土壤水分含量可提高番茄紅素含量，但不利于番茄果實膨大，以50% FC 為灌水開啟條件可顯著提高番茄維生素C 和總糖含量，同時促進了大果生產。

表5 不同灌溉下限對果實品質及分級的影響

2.3 不同灌溉下限對經濟指標的影響

由表6 可以看出，T1 平均每株耗水量為0.060 4 m3，分別較T2、T3、T4、CK 節水37.86%、58.06%、58.37%、14.81%；不同灌溉處理下單株產量有一定差異，T2 產量為2.007 kg?株-1，分別較T1、T3、T4、CK 提 高 了43.15%、41.24%、23.13%、44.28%；利用平均單株耗水量與產量計算水分利用效率，其中以50%FC 為灌水開啟條件的T1 處理下的水分利用效率最高，分別較T2、T3、T4、CK 提高了12.42%、135.22%、106.59%、18.36%；各處理的生物量之間無顯著差異，T1 處理生物量水分利用效率方面同樣表現最優，分別較T2、T3、T4、CK 提高了42.67%、139.21%、105.24%、2.06%。由此證明，土壤保持較高的土壤含水量導致灌溉量增加，單株耗水量提高，水分利用效率和生物量水分利用效率降低，以50% FC 為灌水開啟條件可達到較高的水分利用效率和生物量利用效率。

表6 不同灌溉下限對植株水分利用效率的影響

3 討論與結論

番茄的光合能力受水分影響顯著。土壤水分含量過低導致植物體內水分含量下降，使得葉綠素活性降低，表現為凈光合速率下降，同時水分脅迫導致番茄功能葉氣孔導度顯著降低，作物蒸騰作用下降以減少水分蒸發，導致養分運輸能力降低[12]。T1 和T2 處理以50%FC 和60%FC 為灌溉下限，在結果前期、轉色期以及采收期，葉片的光合能力隨土壤含水量下降而下降，這一結論與前人研究結論一致；土壤水分過高則導致土壤通氣性下降，根系呼吸作用受阻，從而抑制了根系水分和養分的吸收[13]，筆者試驗中T4 處理以80%FC 為灌溉開啟條件，其葉片光合能力在各個生育期均低于T3 處理。

雷成霞等[14]對地下滴灌研究表明，輕度水分虧缺可以提高作物耐旱性和節水性。菅毅等[15]對不同節水灌溉方式的研究中發現，灌水下限為65%～75%時，綜合效益評價最高。在筆者的研究中，番茄結果前期和轉色期，70%FC 為灌溉下限可使番茄葉片的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率最強，采收期，60% FC 為灌溉下限的光合能力進一步提高。由此可見，適度的土壤水分虧缺不僅不會抑制番茄生長，反而隨著生育期推進使植株的耐旱性逐漸增強[16]，同時導致底部葉片老化速度較快，進而促進了頂部功能葉的光合能力。

不同灌溉制度下番茄果實番茄紅素、維生素C、總糖、可滴定酸含量具有一定差異。劉亭亭等[17]研究顯示，始花結果期、果實生長初期、果實快速膨大期和品質形成期水分充足有利于番茄紅素含量增加。筆者的研究印證了這一結論，T3 處理番茄紅素顯著高于其他處理121.05%～254.22%。有學者研究顯示，番茄果實中可溶性固形物、維生素C 含量隨灌水量減少而增加[18-20]。筆者的研究結果與前人結論基本一致，其中以50%FC 為灌溉下限的T1 處理獲得了較高的維生素C 和總糖含量，可滴定酸含量適中，果實營養含量及風味最佳。大果較中小果更具經濟價值，T1 和對照組大果占比均超過50%，且特小果率為0，T3 處理雖然果實番茄紅素較高，但大果率僅為38.89%，且特小果率最高，由此證明，適度較低的土壤水分含量可促進大果生長，減少特小果的出現。

番茄坐果期營養生長與生殖生長同時進行，適當的水分脅迫有利于營養生長向生殖生長的轉化，因此番茄植株處于一定的水分虧缺狀態，水分利用效率更高[21]。張國新等[22]在對不同土壤基質勢對產量及水分利用效率影響的研究中發現，隨著基質勢降低，灌水頻次減少，水分利用效率明顯提高。張輝等[23]在探討溫室膜下滴灌不同生育時期灌水控制下限與番茄產量、水分利用效率的關系時發現，水分利用效率隨番茄產量增加呈拋物線型變化，產量低于9.69×104kg?hm-2時生產單位質量番茄用水較少。在筆者的研究中不同灌水制度可影響番茄產量，綜合用水量以50%FC 為灌水開啟條件水分利用效率和生物量利用效率最高，可有效實現設施番茄生產節水。

在設施番茄花果期栽培管理中，不同灌溉制度對番茄植株生長、產量、品質、水分利用效率等方面均具有一定影響。綜合果實品質、經濟價值和水分利用效率，以50%FC 為開啟條件的灌溉制度可獲得優良的果實品質和較高的經濟價值，同時有效實現節水增效目標。