水-肥-鹽耦合對滴灌加工番茄生長和產(chǎn)量的影響

李宣志,張金珠,王振華,劉 健,譚明東

(1. 石河子大學水利建筑工程學院,新疆 石河子 832000;2. 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室,新疆 石河子 832000;3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北綠洲節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室,新疆 石河子 832000)

新疆地區(qū)太陽輻射強、日照時間長、有效積溫高,有利于加工番茄的生長,是我國加工番茄種植面積、加工規(guī)模和出口量最大的生產(chǎn)基地之一,加工番茄產(chǎn)業(yè)成為新疆經(jīng)濟增長的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。2019年,新疆地區(qū)加工番茄的種植面積達到了3.34萬hm2,產(chǎn)量達到389.37萬t[2],占全國總產(chǎn)量的90%以上。新疆綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分依賴灌溉,是典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū),然而新疆氣候干旱,年蒸發(fā)量巨大,淡水資源極度匱乏,水資源短缺是該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要限制因素。2011年中央一號文件確立水資源開發(fā)利用控制紅線,到2030年全國用水總量需控制在7 000億 m3以內(nèi)。因此合理開發(fā)利用新疆農(nóng)業(yè)水資源,提高水資源利用效率至關重要。

微咸水是指礦化度為2～5 g·L-1的含鹽水,據(jù)統(tǒng)計,新疆區(qū)域內(nèi)的河流、湖泊以及地下水都存在豐富的咸水資源,大于3 g·L-1的咸水資源約100億m3[3]。合理開發(fā)利用微咸水資源可作為微咸水分布地區(qū)解決水資源短缺問題的有效途徑之一[4]。前人研究表明,長期進行微咸水灌溉后,土壤會出現(xiàn)一定程度的鹽分積累,影響作物生長并降低產(chǎn)量[5];此外,土壤鹽分增加會抑制作物根系對土壤養(yǎng)分的吸收[6],導致氮肥利用效率顯著降低。膜下滴灌技術可使根區(qū)維持適量的土壤水分,且能夠緩解土壤鹽分積累對作物產(chǎn)生的不利影響,被認為是一種合適的微咸水灌溉方式[7];同時,合理的水氮調(diào)控能夠減輕長期微咸水灌溉所帶來的抑制作用[8]。侯森等[9]研究表明,進行微咸水滴灌時,充足的灌水量和施氮量能顯著增加棉花的生物量;馬韜等[10]在氮鹽交互作用對向日葵生長與輻射影響的研究中發(fā)現(xiàn),增施氮肥可減輕鹽分脅迫效應,促進葉片生長和光合作用,重度鹽分脅迫時,增加施氮量還能提高產(chǎn)量;王麗英等[11]研究發(fā)現(xiàn)滴灌條件下,施氮量優(yōu)化處理不僅保證了黃瓜番茄產(chǎn)量,氮肥用量及微咸水灌溉導致的土壤鹽分積累也大大降低。

此外,科學合理的水肥配比對加工番茄的高效生產(chǎn)以及水肥利用有著重要影響。Singandhupe等[12]研究表明在滴灌條件下合理的灌水量和施氮量配比能夠提高水分和氮素的利用效率。張艷珍等[13]研究發(fā)現(xiàn),施氮可以增加蘋果果實中的果膠酸鈣含量,對其品質(zhì)影響較大;楊玉珍等[14]研究發(fā)現(xiàn),施氮有助于提高膜下滴灌番茄總酸含量,且一定程度上可增加單果重、番茄紅素、可溶性固形物含量,進而提高番茄品質(zhì);王振華等[15]研究表明,增加施氮量后,加工番茄中可溶性糖、維生素C和可溶性固形物含量呈先增加后降低趨勢,各指標隨著灌水量的增加而有所減小。

目前,滴灌加工番茄的水肥耦合研究大多以淡水灌溉為主,對微咸水滴灌條件下加工番茄的水肥耦合研究較少。本文以北疆地區(qū)滴灌加工番茄水肥鹽協(xié)同調(diào)控高效生產(chǎn)為目標,研究灌水量、灌水礦化度、施氮量耦合對滴灌加工番茄的生長、產(chǎn)量及水肥利用效率的影響,旨在為新疆地區(qū)合理利用微咸水和提高微咸水膜下滴灌加工番茄水肥利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年5—8月在新疆石河子市現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室暨石河子大學節(jié)水灌溉試驗站(86°03′47″E,44°18′28″N,海拔450 m)進行,該地區(qū)年均日照時數(shù)2 950 h,年降水量220 mm,加工番茄生長期間逐日氣溫和降水量如圖1所示。試驗田地下水埋深超過9 m,土壤中砂粒、粉粒、黏粒含量占比分別為47.3%、36.9%、15.8%,1 m土層內(nèi)平均土壤容重為1.52 g·cm-3,田間持水率為18%。

圖1 2021 年加工番茄生育期間逐日氣溫與降水量

1.2 試驗設計

供試加工番茄品種為‘金番3166’,幼苗從當?shù)孛缙陨烫幉少?于4月30日進行移苗定植,8月26日進行成熟期采收,全生育期116 d。種植模式為“1膜2管4行”,行距30 cm,株距35 cm。覆膜為寬145 cm的聚乙烯普通塑料地膜。試驗小區(qū)內(nèi)采用直徑16 mm、滴頭間距0.3 m的滴灌帶(單翼迷宮式,Netafim,以色列),滴灌帶間距0.70 m,滴頭設計流量1.3 L·h-1。

調(diào)研當?shù)厣a(chǎn)實踐及其他學者[14,16]研究,加工番茄常規(guī)灌溉定額為4 500 m3·hm-2,常規(guī)施氮量為240 kg·hm-2。本試驗以灌水量、施氮量、灌水礦化度因素為變量,設置3個灌溉水平:5 200(W1)、4 500(W2/CK)、3 800 m3·hm-2(W3),3個施氮水平:300(N1)、240(N2/CK)、180 kg·hm-2(N3),3個灌水礦化度水平:1(S1)、3(S2)、5 g·L-1(S3/CK),采用L9(33)正交試驗設計,共9個處理,具體設置如表1所示。每個處理設3個重復,共27個小區(qū),小區(qū)面積為21.6 m2(6.0 m×3.6 m)。灌水采用試驗站井水,礦化度為0.85 g·L-1,灌溉施肥制度如表2所示。氮肥采用尿素CH4N2O(N:46.4%);磷肥和鉀肥采用復合肥磷酸二氫鉀KH2PO4(K:28.72%,P:22.75%),施用量為188 kg·hm-2;不同礦化度的微咸水由工業(yè)鹽(NaCl含量大于96%)配制而成。田間管理措施與當?shù)乇３忠恢隆?/p>

表1 試驗設計

表2 加工番茄生育期灌溉制度

1.3 項目測定及方法

1.3.1 地上部干物質(zhì)積累量 在果實膨大期(7月16日—8月4日),每個小區(qū)隨機選擇6株長勢均勻的加工番茄,按莖、葉、果分開稱重,置于烘箱中,105℃條件下殺青30 min后75℃條件下烘干至恒重,用電子計重秤(BWS-SN-30,佰倫斯,廈門)稱重。

1.3.2 產(chǎn)量及品質(zhì) 產(chǎn)量測定:加工番茄成熟后,每個小區(qū)選擇6株長勢有代表性的植株進行測定,以單株計,測定指標包括單株產(chǎn)量、單果質(zhì)量和果實數(shù)目。

品質(zhì)測定:加工番茄成熟后進行品質(zhì)測定,采用手持折射儀(Master-3M,愛宕,日本)測定可溶性固形物含量;采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量;采用滴定法測定維生素C含量;采用堿滴定指示劑法測定有機酸含量[15,17]。

1.3.3 灌溉水利用效率及氮肥偏生產(chǎn)力 灌溉水利用效率(Irrigation water use efficiency,IWUE)的計算[18]如式(1)所示:

IWUE=Y/I

(1)

式中,Y為加工番茄產(chǎn)量(kg·hm-2);I為灌水量(m3·hm-2)。

氮肥偏生產(chǎn)力(Nitrogen partial factor productivity,PFPN)的計算[19]如式(2)所示:

PFPN=Y/N

(2)

式中,Y為加工番茄產(chǎn)量(kg·hm-2);N為施氮量(kg·hm-2)。

1.4 綜合評分法

以加工番茄的地上部干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量、糖酸比、灌溉水利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力為評價指標,采用變異系數(shù)法計算各評價指標的權重,運用綜合評分法分析試驗結果。變異系數(shù)法是衡量數(shù)據(jù)差異的統(tǒng)計指標,根據(jù)各指標在所有被評價對象上觀測值的變異程度大小來對其賦權。為避免指標的量綱和數(shù)量級不同帶來的影響,用變異系數(shù)歸一化處理后的數(shù)值作為各指標的權數(shù)。

各指標的變異系數(shù)vj計算[20]如式(3)所示:

(3)

各指標的權重wj計算[20]如式(4)所示:

(4)

式中,m為評價指標的個數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016計算,使用Origin 2021b繪圖,SPSS Statistics 26進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析,Duncan法進行顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 水肥鹽耦合對滴灌加工番茄地上部干物質(zhì)積累量的影響

如圖2所示,在果實膨大期,W1水平下,施氮量和礦化度的變化對滴灌加工番茄莖、葉、果的干物質(zhì)積累量影響并不顯著。W2水平下,莖、葉、果的干物質(zhì)積累量隨施氮量的增加先減小后增大,莖和葉的干物質(zhì)積累量隨礦化度的增加先增大后減小。與W1、W2水平相比,W3水平下莖、葉、果的干物質(zhì)積累量均顯著降低。在W1N1S1、W1N2S2和W1N3S3處理下,莖的干物質(zhì)積累量達到較高水平,分別為58.20、56.86、55.31 g·株-1,分別較W2N2S3處理增加31.11%、28.09%、24.60%(P<0.05);在W1N1S1、W1N2S2和W2N1S2處理下,葉的干物質(zhì)積累量達到較高水平,分別為56.44、53.81、52.60 g·株-1,分別較W2N2S3處理增加43.54%、36.85%、33.77%(P<0.05);在W1N1S1、W1N2S2和W1N3S3處理下,果的干物質(zhì)積累量達到較高水平,分別為88.72、84.86、82.30 g·株-1,分別較W2N2S3處理增加24.64%、19.22%、15.62%(P<0.05)。總體而言,W1N1S1和W1N2S2處理的地上部干物質(zhì)積累量最大,說明增加灌水量和施肥量、同時降低灌水礦化度能夠促進加工番茄的生長。

圖2 水肥鹽耦合對加工番茄果實膨大期地上部干物質(zhì)積累量的影響

2.2 水肥鹽耦合對滴灌加工番茄品質(zhì)的影響

從表3看出,隨著灌水量的增加,加工番茄的總糖含量逐漸減小,總酸和維生素C含量表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,可溶性固形物含量則逐漸減小;隨著礦化度的增加,可溶性固形物和維生素C含量呈逐漸增大的趨勢,在S3水平下,增加施氮量有利于加工番茄總糖含量積累,適量施氮(N2)對可溶性固形物和維生素C含量的增加有促進作用。與W2N2S3相比,W1N1S1、W1N2S2、W1N3S3處理可溶性固形物和維生素C含量分別降低12.37%和34.61%(P<0.05)、9.77%和19.3%(P<0.05)、4.43%和4.4%;W3N1S3處理總糖含量最高(7.6%),較W2N2S3處理增加5.56%(P<0.05);W2N2S3處理可溶性固形物(7.68%)和維生素C(19.33 mg·100g-1)含量最大。

2.3 水肥鹽耦合對滴灌加工番茄產(chǎn)量和水肥利用效率的影響

由表4可知,單株果數(shù)隨著灌水量減少和礦化度增加呈顯著減小的趨勢。在相同施氮量水平下,增加灌水量和降低礦化度均能提高產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力;在W1灌溉水平下,隨礦化度的增加和施氮量的減少,灌溉水利用效率和產(chǎn)量逐漸減小,而氮肥偏生產(chǎn)力逐漸增大。與W2N2S3相比,W1N3S3處理加工番茄產(chǎn)量、灌溉水利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力分別顯著增加51.72%、31.30%和102.30%(P<0.05)。W1N1S1處理的產(chǎn)量(188 t·hm-2)和灌溉水利用效率(36.15 kg·m-3)均為最大,W1N3S3處理的氮肥偏生產(chǎn)力(760.50 kg·kg-1)最大。在相同灌溉水平下,與W1N1S1相比,W1N2S2和W1N3S3處理的加工番茄產(chǎn)量分別降低17.85%和27.19%(P<0.05),灌溉水利用效率分別降低17.84%和27.16%(P<0.05),氮肥偏生產(chǎn)力分別增加6.11%和25.4%(P<0.05)。

表3 水肥鹽耦合對加工番茄品質(zhì)的影響

表4 水肥鹽耦合對加工番茄產(chǎn)量、灌溉水利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力的影響

2.4 水肥鹽耦合下滴灌加工番茄綜合評價分析

綜合考慮加工番茄的生長、產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用效率,以滴灌加工番茄的地上部干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量、糖酸比、灌溉水利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力為評價指標,采用變異系數(shù)法計算各評價指標的權重,將各項指標進行歸一化數(shù)據(jù)處理,運用綜合評分方法篩選得分較高的水肥鹽耦合模式。地上部干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量、糖酸比、灌溉水利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力的權重系數(shù)分別為0.155、0.271、0.081、0.193和0.300。

不同水、肥、鹽組合下各處理的各項指標的綜合得分如表5所示,綜合得分較高的處理由高到低依次為W1N1S1、W1N3S3、W1N2S2。灌水量、施氮量、灌水礦化度3個試驗因素中,各因素的極差值分別為1.397、0.137、0.602。因此在進行微咸水灌溉時,各因素的影響表現(xiàn)為:灌水量>灌水礦化度>施氮量。由表5可知,灌水量和施氮量和灌水礦化度3因素中得分最高的水平分別是W1(灌水量5 200 m3·hm-2,K1=2.205)、N3(施氮量180 kg·hm-2,K3=1.438)、S1(礦化度1 g·L-1,K1=1.597)。綜上所述,在進行微咸水灌溉時,隨著礦化度的增加,適當增加灌水量和減小施氮量,能夠在確保加工番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的同時提高水肥利用效率。

3 討 論

研究發(fā)現(xiàn),隨著灌水量的減小,土壤水分有效性降低,導致土壤中養(yǎng)分溶解量減少,從而影響作物對養(yǎng)分的吸收,作物生物量積累減小[21]。只有在合適的水分區(qū)間,才能使土壤保持充足的養(yǎng)分含量,同時利于作物吸收,進而提高水肥利用效率。邢英英等[22]研究表明,在充足的灌水條件下,溫室番茄果實的干物質(zhì)量隨施肥量的增加而增大,而莖的干物質(zhì)量隨著施肥量的增加先增大后減小。本研究中,當灌水量在W1水平(灌溉量較高)時,滴灌加工番茄的生長受灌水礦化度的影響并不顯著;而隨著施氮量增加,加工番茄地上部干物質(zhì)積累量逐漸增大。分析認為,一方面是因為增加灌水量有利于對加工番茄根區(qū)土壤鹽分的淋洗[23],減小了鹽分積累及其帶來的負面影響,使作物根區(qū)的土壤滲透勢升高,蒸騰作用加強;另一方面增加施氮量促進了作物根系的生長和冠層發(fā)育,使作物能更好地吸收土壤中的水分和養(yǎng)分[24],提高自身生物量的積累,Zhang等[25]的研究也得出相似結論。

表5 綜合評分法分析正交試驗結果

加工番茄的品質(zhì)主要包括總糖、總酸、可溶性固形物和維生素C含量等指標,這些均易受鹽分影響[26]。灌水量對加工番茄的維生素C和總糖含量影響程度大于施氮量,灌水量增加會導致加工番茄的總糖、總酸、可溶性固形物和維生素C含量下降,這可能是因為灌水量增加后,番茄果實含水量相應增加,各品質(zhì)指標的濃度隨之降低[27]。本研究還發(fā)現(xiàn),隨著灌水礦化度的增加,土壤中的含鹽量也增大,而一定的鹽分脅迫有利于番茄品質(zhì)的提高[28],可溶性固形物、維生素C和總酸也逐漸增大;Eltez等[29]研究也得到相似結果。這可能是由于一定的鹽脅迫下,植物細胞內(nèi)的一些大分子物質(zhì)趨向于水解,使細胞內(nèi)果糖和蔗糖等可溶性糖含量升高,從而改善細胞的滲透調(diào)節(jié)能力和原生質(zhì)保護能力[30];有機酸含量的積累能夠調(diào)節(jié)作物生長發(fā)育需要的細胞膨壓,一定程度上緩解了鹽分脅迫帶來的不利影響[31]。

本研究表明,在進行微咸水灌溉時,隨著灌水量的增加,加工番茄根區(qū)的土壤鹽分含量降低,加工番茄生長受到的影響減小;增加灌溉量能提高加工番茄產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力,降低灌水礦化度對其生長的抑制作用,但灌溉水利用效率會降低,而在灌水量充足和灌水礦化度為5 g·L-1時,加工番茄的氮肥偏生產(chǎn)力達到最大。這可能是因為適當?shù)柠}分能夠增強作物根系的氮素吸收速率,降低土壤硝酸鹽的含量,使作物的光合作用增強,進而提高番茄的產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力[32]。此外,當土壤鹽分含量較低時,較高的施氮水平能夠使加工番茄的產(chǎn)量達到最大[33]。

為合理利用微咸水,確保作物產(chǎn)量并提高水肥利用效率,本研究以綜合提高加工番茄品質(zhì)、產(chǎn)量、灌溉水利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力為目標,運用綜合評價方法得出適宜的水肥鹽組合,即W1N1S1、W1N3S3、W1N2S2。由于在W1N1S1處理下,氮肥的施用量增大,且1 g·L-1趨近于淡水礦化度,為了提高氮肥利用效率,同時更充分地利用微咸水(礦化度為2～5 g·L-1),因此推薦W1N3S3和W1N2S2組合。水、肥、鹽交互作用對作物影響的規(guī)律比較復雜,在微咸水灌溉條件下,影響作物品質(zhì)及產(chǎn)量的水肥調(diào)控區(qū)間以及內(nèi)在機理還需進一步探究。

4 結 論

1)利用微咸水進行灌溉時,增加灌水量可以促進滴灌加工番茄的地上部干物質(zhì)量積累,且不會導致加工番茄產(chǎn)量顯著降低。W1N1S1處理的加工番茄產(chǎn)量(188 t·hm-2)和灌溉水利用效率(36.15 kg·m-3)最大,W1N3S3處理的氮肥偏生產(chǎn)力(760.50 kg·kg-1)最大;與W1N1S1相比,W1N2S2和W1N3S3處理的加工番茄產(chǎn)量分別降低17.85%和27.19%(P<0.05),灌溉水利用效率分別降低17.84%和27.16%(P<0.05),氮肥偏生產(chǎn)力分別增加6.11%和25.4%(P<0.05)。

2)基于綜合評分法,綜合考慮加工番茄品質(zhì)、產(chǎn)量和水肥利用效率,各因素的影響表現(xiàn)為:灌水量>礦化度>施氮量。在微咸水灌溉條件下,推薦較優(yōu)的水肥鹽耦合模式為W1N3S3(灌溉量5 200 m3·hm-2+施氮量180 kg·hm-2+灌水礦化度5 g·L-1)和W1N2S2(灌溉量5 200 m3·hm-2+施氮量240 kg·hm-2+灌水礦化度3 g·L-1)。