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        負水頭供水盤埋設方式對番茄生長和水分利用率的影響

        2016-04-25 01:16:43薛緒掌張建豐王利春李銀坤
        干旱地區(qū)農業(yè)研究 2016年2期
        關鍵詞:產量

        張 芳,薛緒掌,張建豐,王利春,李銀坤

        (1.西安理工大學水利水電學院, 陜西 西安 710048; 2.國家農業(yè)智能裝備工程技術研究中心, 北京 100097)

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        負水頭供水盤埋設方式對番茄生長和水分利用率的影響

        張芳1,2,薛緒掌2,張建豐1,王利春2,李銀坤2

        (1.西安理工大學水利水電學院, 陜西 西安 710048; 2.國家農業(yè)智能裝備工程技術研究中心, 北京 100097)

        摘要:以番茄為材料,于溫室內采用負水頭供水盆栽裝置進行試驗,研究了供水盤不同埋設方式對番茄生長和水分利用率的影響,旨在為負水頭灌溉技術應用于蔬菜栽培提供依據。試驗設置3個處理,單盤傾角9°埋設于根系底部(處理Ⅰ)、單盤豎向埋設于根系一側(處理Ⅱ)和雙盤埋設于根系兩側(處理Ⅲ)。結果表明:處理Ⅱ控制的土壤含水量有利于控制植株長勢、增加莖粗和葉片數量、降低番茄植株耗水量,顯著提高水分利用率;處理Ⅱ分別與處理Ⅰ和Ⅲ相比,單株番茄增產12.70%和15.45%,節(jié)水18.14%和13.70%。結果表明,單盤豎向埋設于根系一側為最佳供水盤埋設方式,可獲得高產、節(jié)水的效果。

        關鍵詞:負水頭供水盆栽裝置;供水盤;番茄;水分利用率;產量

        近年來,中國農業(yè)用水占國民經濟用水的65%左右,灌溉用水占農業(yè)用水的80%以上,但是我國灌溉水有效利用率較低,大約低于50%,所以我國投入大量精力對節(jié)水灌溉方式進行積極探索和研究。目前,滴灌、噴灌、滲灌等節(jié)水灌溉方式已有效地應用于我國廣大種植區(qū)域,同時一些新技術也在不斷發(fā)展中。負水頭灌溉技術是目前節(jié)水灌溉方式中較新穎的技術之一。

        2006年,解迎革[1]將負水頭灌溉技術表述為將供水壓力控制為負水頭進行灌溉,實現土壤含水量精確和持續(xù)控制的技術,具有節(jié)約水資源,持續(xù)、穩(wěn)定和精確等優(yōu)點[2]?;谪撍^灌溉技術的成熟,一些研究人員[3-12]利用薛緒掌等研制出的負水頭灌溉系統和負水頭供水控水盆栽裝置,進行了水分精確控制下的小麥、大豆、黃瓜、豆角、菠菜、番茄等試驗,分析了不同供水吸力對各種作物生長、生理等指標的影響,確定了各種作物在不同生育期對水分的需求,明確了最適宜這些作物生長的供水吸力值,其中,李邵通過試驗得出適宜番茄生長的最佳吸力范圍為4~7 kPa[13],為負水頭灌溉技術提供了應用依據。

        試驗過程中,研究人員將負水頭裝置中的單個供水盤分別采用水平方式和豎向方式埋設于植株根系附近,發(fā)現供水盤豎向埋設后可減少植株耗水量,并且植株長勢較好,這說明供水盤埋設方式對植株生長發(fā)育、產量和水分利用率有影響。但負水頭供水盤埋設方式對這些指標的具體影響情況一直未有定性和量化分析的研究報道。

        因此,本研究針對負水頭供水盤埋設方式進行了試驗,比較了3個處理對番茄生長指標、產量和水分利用率的影響,以探討負水頭供水盤不同埋設方式條件下番茄的節(jié)水效果,尋求提高負水頭供水盆栽裝置應用中水分利用率的方法,并為負水頭灌溉技術應用于蔬菜栽培體系提供依據。

        1材料與方法

        1.1試驗材料

        試驗材料為番茄(菲騰)。試驗采用改進的負水頭供水盆栽裝置[14],由供水盤、供水桶、控壓管和導氣管組成,如圖1所示。供水盤為多孔陶瓷材質,直徑為19 cm,厚1.5 cm,內部為空腔,當空腔內儲滿水時,供水盤透水不透氣。種植番茄的盆栽容器直徑為25 cm,高為25 cm。

        1.2供試土壤條件

        供試土壤為砂壤土,每個盆栽容器內裝土容重為1.24 g·cm-3,田間持水率為29.32%(占土體體積),土壤粘粒、粉粒和砂粒分別為2.49%、35.57%和61.94%,試驗前土壤有機質含量19.97 g·kg-1全氮0. 53 g·kg-1,全磷0.83 g·kg-1,全鉀18.33 g·kg-1。每個盆栽容器內施基肥,尿素8.33 g·盆-1,磷酸二銨8.33 g·盆-1,硫酸鉀5 g·盆-1,6月22日施用尿素4.16 g·盆-1作追肥。

        1.3試驗地點及時間

        2014年6月—8月于北京市小湯山國家精準農業(yè)研究基地日光溫室內進行。6月4日定植,生理苗齡6葉1心,6月12日開始進行處理,留四穗果后去生長點,8月28日結束試驗。

        1.4負水頭供水盆栽裝置基本原理

        基于能量守恒原理,地表蒸發(fā)和植株蒸騰消耗土壤中一定水分后,供水盤周圍土壤水勢減小,且小于供水盤內水勢,土壤毛管便從供水盤中吸取水分補給消耗的水量,其負壓值為h=h1-h2,其中h1為控壓管內水位高度,h2為供水桶進氣口與供水盤中心的高度差,如圖1所示,負壓值的絕對值為吸力;當土壤水勢等于供水盤內水勢,系統達到平衡,供水盤內水分不再運動,使土壤含水量維持穩(wěn)定。由于供水盤內水量減少,供水桶內水便進入供水盤,其內部水位降低,壓強減小?;谶B通器原理,大氣依次通過導氣管和控壓管內一定高度的水體后進入供水桶,平衡供水桶內壓強。一定時段內供水桶內水位變化量即為此時段植物耗水量。

        1.5試驗設計

        根據供水盤的埋設方式設3種處理,如圖1所示:① 將1個供水盤以傾角9°埋設于根系底部(處理Ⅰ),供水盤進水口高于盤底端3 cm,便于水分注滿供水盤空腔;② 將1個供水盤豎向埋設于根系一側(處理Ⅱ);③ 將2個供水盤分別豎向埋設于根系兩側(處理Ⅲ),如圖1所示。每個處理設5個重復,每個栽培容器內居中種植1株番茄。試驗過程中處理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的吸力均設為5 kPa,整個供水過程中維持穩(wěn)定。定植后,各處理土壤表面覆膜,防止土壤蒸發(fā)。

        1.6測試內容及方法

        每天早上8時觀測1次供水桶內水位,鄰近2次的水位差即為前1 d單株番茄的耗水高度,再根據供水桶內徑換算出前1 d單株番茄的耗水量。試驗過程中無蒸發(fā)和滲漏情況。按照番茄苗期、開花坐果期和盛果期,分別計算各生育期內單株耗水量,采用累積法計算全生育期總耗水量。

        利用美國CID公司生產CI-340手持式光合作用測量系統于晴天條件下8時~18時(間隔2 h測定一次)采用輪換法測定各處理每株番茄第5片新葉的凈光合速率。

        注:1.導氣管;2.控壓管;3.供水桶;4.供水盤;5.盆栽容器;6.植株莖;7.土壤含水量取樣點;①~⑧. 劃分的根系象限

        Note:1. Airway tube; 2. Tube of controlling pressure; 3. Water supplying bucket; 4. Water supplying disc; 5. Potted container; 6. Plant stem; 7. Sampling location of soil moisture content; ①~⑧. Quadrants of roots distribution

        圖1負水頭供水盆栽裝置和試驗設計(立體圖和俯視圖)示意圖

        Fig.1Schematic diagram of water supplying device with negative pressure and experiment design(stereoscopic diagram and overlook view)

        處理開始后,每間隔10 d用卷尺測量株高(土面至植株生長點),用游標卡尺測量莖粗(土面以上1 cm處)和觀測葉片數。

        番茄在成熟時定期采摘,并記錄鮮重,最后采用累積法計算各處理總產量。

        試驗結束前,以土壤表面的植株莖為始點,向右5 cm處(如圖1所示)沿土壤縱剖面方向每5 cm取土,用土鉆取土樣后立即裝入鋁盒,105℃烘干至恒重,計算土壤含水量,由下式計算:

        (1)

        式中,θv為體積含水量(cm3·cm-3);ΔVw為所取土壤體積內水分占有的體積(cm3·cm-3);ΔV為所取土壤體積(cm3)。

        試驗結束后,將盆栽容器內土壤分為上下兩層,每層以主根為原點劃分四個象限(如圖1所示),第一層(深度0~10 cm)和第二層(深度10~20 cm)土壤及其內部根系按照象限分布依次編號為①~④和⑤~⑧,然后將8塊土樣裝入尼龍網在水中浸泡,之后用自來水沖凈,用鑷子去除雜質,分別得到每個象限土壤中的根。將每個處理中每個象限內的根在恒溫65℃條件下烘至恒重,計算各象限根重密度,由下式計算:

        (2)

        式中,DRWD為每個象限的根重密度(g×10-4·cm-3);M為各象限根系干重(g×10-4);V為每個象限的土壤體積(cm3)。

        根冠比用每個處理每株番茄根的總干重與地上部(恒溫65℃條件下烘至恒重)的比值表示。

        每個處理分別計算兩種水分利用率,一是用單株產量與單株總耗水量的比值表示,WUEy;二是用單株干物質量(根+莖+葉)與單株總耗水量的比值表示,WUEb。由下式計算:

        (3)

        (4)

        式中:y為單株產量(kg·株-1);W為單株總耗水量(kg·株-1);Wd為單株干物質量(g·株-1)。

        采用Microsoft Excel2007進行數據整理,利用統計軟件SPSS16.0中 Duncan比較法進行差異顯著性分析(P≤0.05)。

        2結果與分析

        2.1不同處理對耗水量的影響

        不同處理的番茄苗期、開花坐果期、盛果期和全生育期單株耗水量如圖2所示,單株番茄耗水量隨番茄生育進程呈增加趨勢,變化趨勢符合隨番茄植株生長耗水強度增大的規(guī)律。苗期,單株番茄耗水量較小,處理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ之間單株耗水量無顯著差異,開花坐果期、盛果期和全生育期3個處理單株番茄耗水量排序為Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ,盛果期3個處理單株耗水量之間均有顯著性差異(P≤ 0.05),全生育期單株總耗水量無顯著性差異(P≥0.05)。

        圖2不同處理對不同生育期和全生育期的

        單株番茄耗水量的影響

        Fig.2Effects of different treatments on water consumption of

        individual plant at different stages and total stages

        2.2不同處理對不同深度土壤含水量的影響

        圖3表示處理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ在土壤深度0~5、5~10、10~15 cm和15~20 cm的含水量變化。土壤含水量范圍排序為處理Ⅲ>處理Ⅱ>處理Ⅰ。隨土壤深度增加,處理Ⅰ土壤含水量變化趨勢呈“S”型,深度15 cm左右土壤含水量達到最大值。處理Ⅱ和Ⅲ的縱剖面土壤含水量變化趨勢一致,即低→高→低,其中處理Ⅱ和Ⅲ分別在深度5~10 cm和10~15 cm處土壤含水量最高。3個處理的負水頭供水盆栽裝置所設吸力值相同,但控制的土壤含水量卻不同,說明供水盤埋設方式對土壤水分分布有一定影響。

        圖3不同處理不同深度土壤含水量變化

        Fig.3Changes of soil water content by different

        treatments at different depths

        2.3不同處理對株高、莖粗與葉片數的影響

        由圖4看出,隨生育進程增長,各處理的株高、莖粗和葉片數基本一致,無明顯差異(P≥0.05)。處理Ⅲ株高和葉片數處于優(yōu)勢,而莖粗相對于處理Ⅱ卻較小;處理Ⅰ限制了植株生長發(fā)育,這些情況說明土壤含水量較高或較低均不利于莖粗增加。處理Ⅱ使植株健壯生長,適當降低株高,協調植株營養(yǎng)生長與生殖生長間的矛盾,可達到高產、優(yōu)質、高效、節(jié)水的目的。

        圖4不同處理對番茄生長發(fā)育的影響

        Fig.4Effects of different treatments on growth and development

        2.4不同處理對凈光合速率和時段耗水量的影響

        不同處理植株葉片凈光合速率和番茄時段耗水量的日變化數據列入表1。表1數據表明3個處理的凈光合速率在各時刻均出現顯著性差異。各處理番茄葉片凈光合速率日變化均出現雙峰,兩個峰值分別在12時和16時,處理Ⅰ和Ⅲ中16時的峰值高于12時的峰值,而處理Ⅱ中情況相反。說明供水盤埋設方式對植株凈光合速率有影響。

        3個處理每2 h的植株耗水量日變化呈現早上較低,午后最高,下午較低的相同趨勢。每時段中各處理的植株耗水量無顯著性差異,但從數值上比較,處理Ⅰ供水量均為最高,處理Ⅲ次之,處理Ⅱ最低。各處理在12~14時供水量均出現最高值。

        2.5不同處理對根重密度分布和根冠比的影響

        表2所示,處理Ⅰ中供水盤傾角9°埋放于10~20 cm土層的⑤、⑥、⑦和⑧象限內,此土層的含水量較高,其根重密度分別是處理Ⅱ和Ⅲ同土層的2.98和2.06倍。處理Ⅱ為1個供水盤豎向埋設于土壤①、②、⑤和⑥象限內,這4個象限內土壤含水量較高,①、②象限和⑤、⑥象限的根重密度分別是③、④象限和⑦、⑧象限的2.13倍和4.86倍。處理Ⅲ為2個供水盤豎向分別埋設于土壤①、②、⑤、⑥象限和③、④、⑦、⑧象限內,①~④和⑤~⑧象限內根系分布均勻,①、②象限和⑤、⑥象限的根重密度分別是③、④象限和⑦、⑧象限的1.01倍和0.93倍。結果說明根系主要集中于供水盤附近生長,供水盤的埋設方式對根系分布有影響。

        表1 不同處理對番茄凈光合速率和時段耗水量的影響

        注:同一列不同小寫字母表示P≤0.05水平差異顯著。

        Note: Means within the same column followed by the different small letters are significantly different atP≤0.05 level.

        表3數據反映出植株地上部干物質量處理Ⅰ>處理Ⅲ>處理Ⅱ;根系干物質量處理Ⅲ>處理Ⅰ>處理Ⅱ;根冠比處理Ⅲ>處理Ⅰ>處理Ⅱ。表明處理Ⅲ的土壤含水量狀況有利于增加植株根系生物量,根冠比最大。

        表2 不同處理對土壤各深度和象限中根重密度的影響

        表3 不同處理對番茄植株干物質分配和根冠比的影響

        2.6不同處理對產量和水分利用率的影響

        3個處理的番茄產量、干物質量、全生育期總耗水量和2個水分利用率WUEy和WUEb分別列于表4。由表4數據看出,處理Ⅱ與處理Ⅰ、Ⅲ相比,單株番茄總耗水量為最低,單株產量卻最高,處理Ⅱ相較于處理Ⅰ和Ⅲ分別節(jié)水18.14%和13.70%,分別增產12.70%和15.45%,處理Ⅱ水分利用率WUEy顯著高于處理Ⅲ和處理Ⅰ。說明單個供水盤豎向埋設于根系一側有利于提高產量和水分利用率,降低耗水量。

        表4 不同處理對番茄單株產量、干物質量、總耗水量和水分利用率的影響

        注:同一列不同小寫字母表示P≤0.05水平差異顯著。

        Note: Means within the same column followed by the different small letters are significantly different atP≤0.05 level.

        3討論與結論

        試驗結果表明,3個處理的總耗水量之間無顯著性差異,說明供水盤數量和埋設方式對全生育期內供水盤總流量影響較?。坏珡臄抵瞪媳容^,處理Ⅱ的總耗水量低于處理Ⅰ和Ⅲ,分別節(jié)水18.14%和13.70%。

        本試驗中,相同吸力條件下,負水頭供水盆栽裝置供水盤的不同埋設方式對其周圍土壤含水量有一定影響,這與供水盤的埋設位置和數量有關。處理Ⅰ單個供水盤以傾角9°埋設于盆栽容器底部,土壤水分在水勢梯度作用下向土壤上層擴散,含水量逐漸減??;在光照條件下,盆栽容器表面的膜下溫度升高使土壤水分蒸發(fā),則膜內表面結成水珠后濕潤表層土壤,因此,相對于5~10 cm,0~5 cm的土壤含水量較高,則土壤縱剖面含水量呈“S”型。單盤和雙盤豎向埋設于盆栽容器一側和雙側,其內部的水分在土壤水基質勢和重力勢作用下向土壤擴散,則土壤縱剖面含水量基本相同。處理Ⅲ的土壤含水量高于處理Ⅰ和Ⅱ,可能由于此處理由雙盤供水,存在濕潤鋒交匯情況,而土壤含水量取樣點在濕潤鋒交匯附近。

        植株株高、莖粗和葉片數等指標不僅取決于自身遺傳特性,還受到土壤水分、養(yǎng)分等環(huán)境條件的影響[15-16]。王淑紅等(2003)[17],齊紅巖等(2004)[18],高方勝等(2005)[19]研究表明,較高的土壤含水量有利于番茄株高、莖粗及各器官重量增加,但土壤含水量過高反而不利于坐果[19]。本試驗中,處理Ⅱ與處理Ⅰ、Ⅲ相比,可使番茄植株根系周圍的土壤含水量處于適宜范圍,有利于控制植株長勢,增加莖粗和葉片數量,提高產量。

        研究表明,根系空間分布和數量影響著土壤水分分布和根系吸水速率,同時土壤含水量的分布又制約著根系空間的分布和多少[16]。Asher等(1992)[20],Gallardo等(1994)[21],馮廣龍等(1996)[22]等認為根系傾向于水分含量高的區(qū)域增殖。本試驗中,處理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的植株品種統一、栽種深度一致,其根系均主要集中于供水盤附近生長分布,與上述觀點一致。3個處理中,雖然供水盤埋設方式不同,但根系均會穿過供水盤與盆栽容器的縫隙延伸至供水盤另一側生長,所以供水盤的埋設方式對根系生長沒有阻隔;另外,相對于處理Ⅰ和Ⅱ,處理Ⅲ的根系干物質量最大,表明土壤體積雖略小一些,但并不影響根系生長。

        在以后應用負水頭供水盆栽裝置的生產實踐中,應采用1個供水盤豎向埋設于根系一側,可保證供水效果和效益。為了充分發(fā)揮負水頭供水盆栽裝置對番茄的生理調控作用,使土壤處于更適宜的含水量范圍,還需要對供水吸力的設定做進一步研究,才能更好發(fā)揮這種供水方法和裝置的節(jié)水高產效果。

        參 考 文 獻:

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        Effects of embedding methods on water supplying device with negative pressure toward the growth of tomatoes and their water use efficiency

        ZHANG Fang1,2, XUE Xu-zhang2, ZHANG Jian-feng1, WANG Li-chun2, LI Yin-kun2

        (1.DepartmentofHydraulicandHydropowerEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China;2.NationalResearchCenterofIntelligentEquipmentforAgriculture,Beijing100097,China)

        Abstract:Based on a pot experiment, the effects of embedding methods on water supplying device with negative pressure toward the growth of tomatoes and their water use efficient were studied in the green house, which could provide the theoretical basis for vegetable cultivation with the negative pressure irrigation technology. There were three treatments in this study including a water-supplying disc embedded at the roots of tomato with the angle of 9°(treatment I), a disc embedded only at one side of plant roots vertically (treatment II), and two parallel discs embedded at two sides of plant roots vertically (treatment III). The results showed that soil moisture content by treatment II was helpful to control plant growth, increase the stem diameter, accelerate the leaf numbers, and reduce the water volume consumption, which had a significantly improvement in water use efficiency. Compared with treatments I and III, the yield per plant with treatment II became increased by 12.70% and 15.45%, causing 18.14% and 13.70% savings of water, respectively. Therefore, embedding the water-supplying disc at one side of roots of tomato vertically (Treatment II) is the best way for high yield and water saving.

        Keywords:water supplying device with negative pressure; water-supplying disc; tomato; water use efficiency; yield

        中圖分類號:S275.9

        文獻標志碼:A

        作者簡介:張芳(1984—),女,河南開封人,博士生,主要從事農業(yè)水土工程研究。 E-mail:zf200612915@126.com。通信作者:張建豐(1962—),男,教授,博士生導師,主要從事土壤水分運動與灌區(qū)自動化等研究。 E-mail:jfzhang@mail.xaut.edu.cn。

        基金項目:北京市自然科學基金資助項目(6142008);國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2012AA101903-1);北京市農林科學院科技創(chuàng)新能力建設專項資助項目(KJCX20140415)

        收稿日期:2015-01-20

        doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.38

        文章編號:1000-7601(2016)02-0239-06

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