張 軍, 范興科

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水保所,陜西 楊凌 712100; 3.國(guó)家節(jié)水灌溉楊凌工程技術(shù)研究中心, 陜西 楊凌 712100)

?

溫室番茄開花結(jié)果期根系與土壤水分變化關(guān)系

張 軍1,3, 范興科1,2,3

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水保所,陜西 楊凌 712100; 3.國(guó)家節(jié)水灌溉楊凌工程技術(shù)研究中心, 陜西 楊凌 712100)

對(duì)番茄開花結(jié)果期初、中、后期三個(gè)階段根系變化進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)及長(zhǎng)度測(cè)定，研究了番茄開花結(jié)果期不同生長(zhǎng)階段根系生長(zhǎng)分布規(guī)律。同時(shí)對(duì)番茄根系層空間不同位置土壤含水率進(jìn)行測(cè)定，分析了根系生長(zhǎng)發(fā)育與對(duì)應(yīng)區(qū)域土壤含水率變化規(guī)律和關(guān)系，從而為溫室番茄種植提供指導(dǎo)。結(jié)果表明：開花結(jié)果初期到后期，隨著時(shí)間推移，總根數(shù)及最長(zhǎng)根長(zhǎng)度均有明顯增加。番茄主要根系長(zhǎng)度從0～5 cm生長(zhǎng)為5～15 cm。開花結(jié)果期初期根系在水平及垂直方向伸長(zhǎng)生長(zhǎng)均較明顯，開花結(jié)果期后期根系以垂直生長(zhǎng)為主，水平方向生長(zhǎng)相對(duì)減弱。土壤含水率的變化與主根系分布表現(xiàn)為較高的一致性，在整個(gè)開花結(jié)果期，土壤含水率的主要變化區(qū)域?yàn)閺较?—20 cm，縱向0—30 cm，并表現(xiàn)為距植株水平距離越大，變幅越小。隨土層深度增加，根系層含水率變幅遞減的規(guī)律。由此得出番茄開花結(jié)果期的土壤水分敏感區(qū)域?yàn)閺较蚓嘀仓?—20 cm，縱向地表以下5—30 cm深度土層，距植株水平距離5 cm處10—20 cm土層土壤含水率可作為指導(dǎo)開花結(jié)果期番茄灌溉的指標(biāo)。

番茄; 根系層; 開花結(jié)果期; 土壤含水率

番茄開花坐果期是番茄生長(zhǎng)最旺盛的時(shí)期，水肥消耗量相對(duì)較大，需要大量的水肥作為支撐，以保證番茄植株的旺盛生長(zhǎng)、開花和有效坐果。目前有關(guān)番茄的研究較多，主要集中在番茄最佳需水量的研究[1-3]，番茄耗水規(guī)律的研究，肥對(duì)番茄根系分布的影響[4-7]等。前人研究指出番茄根系主要集中在0—40 cm土層，根系生物量在0—40 cm的土層中累計(jì)百分比達(dá)85%以上，番茄根系生物量隨土壤深度增加而減少。

了解溫室番茄開花結(jié)果期根系的生長(zhǎng)發(fā)育與根層區(qū)域內(nèi)土壤含水率的變化關(guān)系，對(duì)正確的指導(dǎo)土壤缺水診斷區(qū)域、確定合理的灌溉用水量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效灌溉有重要意義。

1　材料及方法

1.1試驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)于2014年在陜西楊凌節(jié)水示范園日光溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，溫室面積為8 m×60 m，番茄品種為“金鵬1號(hào)”。0—20 cm土層土壤容重為1.40 g/cm3，田間持水量為31.43%(體積含水率)，有機(jī)質(zhì)含量14 g/kg，堿解氮63 mg/kg，速效磷58.5 mg/kg，速效鉀146.8 mg/kg。定植前施腐熟的雞糞1 125 g/m2，三元復(fù)合肥(N，P2O5和K2O的含量分別為12%，18%和15%)67.5 g/m2，磷酸二銨105 g/m2。第一層花序開花時(shí)追施尿素1次，施肥量為30 g/m2。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先育苗，等幼苗長(zhǎng)到3葉1心以后，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗定植于日光溫室，采取覆膜栽植方法。經(jīng)過一周左右的緩苗期。待幼苗成活后到第一層花序開花定為苗期)，第一層花序開花至第五層花序開花定為開花坐果期，然后打尖，從第五層花序開花到收獲定為果實(shí)膨大期。為了避免取土測(cè)定水分對(duì)根層和土壤結(jié)構(gòu)的影響，采用TRIME土壤水分傳感器定位觀測(cè)，根據(jù)番茄根系的主要分布區(qū)域埋設(shè)測(cè)定管。研究表明：番茄根系主要分布在0—40 cm土層，0—20 cm深度土層根系最為密集[8]，在番茄種植行中間分別選擇3株番茄作為三個(gè)重復(fù)測(cè)定對(duì)象，沿垂直于種植行方向在距觀測(cè)番茄植株水平距離5，15，25 cm處分別垂直埋設(shè)長(zhǎng)60 cm的TRIME管3根，用于土壤含水率的測(cè)定，三個(gè)重復(fù)水分處理一致，兩邊設(shè)有保護(hù)行，保護(hù)行與試驗(yàn)株水分處理一致。供水采用人工不定期澆水，灌水量根據(jù)淺層土壤含水率的變化，結(jié)合番茄生長(zhǎng)和長(zhǎng)勢(shì)需要，逐漸增加。

1.3測(cè)試內(nèi)容與方法

試驗(yàn)于2014年4月9日移苗栽植，5月4日第一層花序開花，5月30日第五層花序開花。在5月4日至5月30日(開花結(jié)果期)不同時(shí)段(始、中和末期)對(duì)長(zhǎng)勢(shì)與觀測(cè)番茄相近的植株根系生長(zhǎng)情況進(jìn)行了測(cè)定，表土層含水率用TRIME-EZ水分傳感器測(cè)定，不同深度土層水分用TRIME-IPH水分傳感器測(cè)定，測(cè)定距地表垂直距離分別為5，10，20，30，40，50 cm處的土壤體積含水率，為了保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)位置通過旋轉(zhuǎn)傳感器方位，重復(fù)測(cè)定3次，測(cè)定頻率為每天一次，灌水當(dāng)天測(cè)兩次，灌前、灌后(1 h)各測(cè)一次。開花坐果期始、中、末，分別對(duì)對(duì)照行番茄植株進(jìn)行破壞性取樣，將整根挖掘，采用洗根法將根清洗，用鋼尺測(cè)量各根的長(zhǎng)度，觀察根系在土層分布位置，所測(cè)根系為用水沖洗后所保留的根長(zhǎng)大于3 cm的部分，不包括末端比較脆弱、且較細(xì)已被水沖掉的毛細(xì)根，統(tǒng)計(jì)不同生長(zhǎng)階段不同長(zhǎng)度范圍根的數(shù)目、根干重(烘箱140℃下烘干24 h)及根直徑(游標(biāo)卡尺測(cè)得)。所測(cè)數(shù)據(jù)用Excel和Sigmaplot做圖并分析。

2　結(jié)果與分析

2.1根系分布特征

水洗根不可避免會(huì)破壞部分較細(xì)的根，而細(xì)根(直徑小于1 mm)是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要根，具有重要意義，作者在試驗(yàn)時(shí)取根周圍盡可能大的范圍挖掘去根，小心洗根，對(duì)細(xì)根的破壞做到最小。

從圖1可以看出，隨時(shí)間推移和地上番茄植株的生長(zhǎng)，番茄的株高從45 cm左右生長(zhǎng)到100 cm左右，總根數(shù)目近乎翻倍增加，開花結(jié)果始、中和末期總根數(shù)目分別為101條、236條和398條。根干重呈線性增大，從開花結(jié)果期初的0.39 g增加到開花結(jié)果期中的0.85 g，到開花結(jié)果期末時(shí)根干重達(dá)到1.21 g。研究發(fā)現(xiàn)番茄根系生物量的垂直分布隨土壤深度的增加呈遞減趨勢(shì)，開花結(jié)果期直徑小于1 mm的根長(zhǎng)占總根長(zhǎng)的96%以上。

圖1　番茄開花結(jié)果期始、中、末根總數(shù)及根干重

由圖2可以看出，番茄開花結(jié)果期初期，根系中可測(cè)根長(zhǎng)以小于5 cm為主，比重可達(dá)68.69%，長(zhǎng)度5～10 cm的根所占比重次之，為27.83%，長(zhǎng)度10 cm以上根所占比重不到10%，根據(jù)根系在土壤中呈發(fā)散狀傾斜向下生長(zhǎng)和分布特點(diǎn)，表明開花結(jié)果期初番茄可測(cè)根系主要集中分布在徑向0—10 cm，縱向0—15 cm范圍內(nèi)的土層。且中心部位根系密度較大，外圍根系密度減小。說明在此階段，根系主要分布在淺層土壤中。開花結(jié)果期中期根長(zhǎng)在5 cm以內(nèi)根的數(shù)目有所減少，5～10 cm和10～15 cm根的數(shù)目有所增加，根長(zhǎng)在5 cm以內(nèi)根的數(shù)目占總根數(shù)目的比重下降為62.49%，5～10 cm及10～15 cm根的數(shù)目所占比重分別為31.63%和4.24%，分別比開花結(jié)果期初期增加3.80%和2.25%，15 cm以上根系比重只有0.63%。開花結(jié)果中期可測(cè)根長(zhǎng)以0～10 cm為主。開花結(jié)果期末長(zhǎng)度0～5 cm的番茄根系所占比重明顯下降，僅為21.06%，這一時(shí)期以5～15 cm長(zhǎng)度根系為主。番茄根系長(zhǎng)度在5～10 cm的比重可達(dá)31.89%，長(zhǎng)度為10～15 cm的根所占比重為27.78%，長(zhǎng)度為15～20 cm的根所占比重只有12.87%。表明番茄開花結(jié)果初期到中期和末期，隨著番茄植株的生長(zhǎng)，番茄根系不僅總量在增加，而且根的長(zhǎng)度也迅速增加，且有明顯的縱深生長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖2　番茄不同長(zhǎng)度根數(shù)目所占比重

2.2土壤含水率的時(shí)空變化

2.2.1土壤含水率在水平方向的變化規(guī)律從圖3可以看出，每次灌水后受入滲、蒸發(fā)蒸騰和番茄根系吸水的作用，表土層的土壤含水率變化最劇烈，10，20 cm深度土層土壤含水率變異幅度次之，30 cm及以下土層土壤含水率變幅很小。另外從圖中還可以看出番茄開花結(jié)果初期灌水頻率較高，往后逐漸減少，說明初期淺層土壤耗水量較大，到中后期，淺層土壤耗水量逐漸減少。其原因一方面與表層的土壤蒸發(fā)有關(guān)，另一方面也與番茄的根系生長(zhǎng)發(fā)育有關(guān)。

圖3　距植株15 cm處不同深度土壤含水率變化規(guī)律

由圖4可以看出，同一土層深度，距植株不同水平距離處土壤含水率變化有所差異，距番茄植株較近的位置，其土壤含水率變化幅度較大，距離番茄植株較遠(yuǎn)處，其土壤含水率變化幅度較小，即三個(gè)層次土壤含水率變化幅度均表現(xiàn)為5 cm處大于15 cm處，15 cm處大于25 cm處。而且總體表現(xiàn)為淺層土壤含水率的變幅大于深層，從圖中可以看出0—10 cm深處的土壤含水率的最大變幅為19%，10—20 cm深處的土壤含水率的最大變幅為15%，20—30 cm深處的土壤含水率的最大變幅為10%。但各層土壤含水率的變化過程略有不同，0—10 cm深處的土壤含水率在整個(gè)開花結(jié)果期始終變化較大，10—20 cm土層深處含水率在開花結(jié)果前期土壤含水率的變幅相對(duì)較小，到了后期土壤含水率的變幅則相對(duì)較大，特別是距番茄植株較近的5 cm測(cè)點(diǎn)處較為明顯，而20—30 cm深處的土壤含水率變幅相對(duì)則很小。引起土壤含水率在水平方向變化因素除過與灌水、入滲、地表蒸發(fā)有關(guān)外，還與番茄生長(zhǎng)過程中的根系吸水和蒸騰有關(guān)。

2.2.2土壤含水率在垂直方向的變化規(guī)律受重力和番茄根系吸水的影響，每次灌水后隨著時(shí)間的推移，土壤含水率在垂直方向的分布狀況也將發(fā)生變化。圖5為番茄開花結(jié)果中期在灌水后不同時(shí)間段，距觀測(cè)番茄植株5，15，25 cm處不同深度處土壤水分垂直分布曲線。

圖4　不同深度土層距植株不同水平距離土壤含水率的變化規(guī)律

從圖5可以看出，灌水后隨時(shí)間的推移，距植株不同水平距離處的土壤含水率在垂直方向其大小和變化幅度不同?？傮w表現(xiàn)為20 cm 以上土層含水率變幅較大，20 cm土層以下變幅較小。在灌水后的當(dāng)天，距植株水平距離5 cm處在5 cm土層深處灌后最大土壤體積含水率可達(dá)35%，此后幾天內(nèi)迅速減小，降至19.37%，20 cm土層深度處開始最小，也說明前期土壤水分消耗較多較大，后逐漸增大并穩(wěn)定，30 cm土層以下含水率比較穩(wěn)定。距植株15 cm處土壤含水率變幅次之，距植株25 cm處土壤含水率變幅最小?？傮w表現(xiàn)為隨距植株水平距離的增大表層土壤含水率變幅逐漸減小。

2.3番茄根系層空間分布與土壤含水率變化的關(guān)系

土壤水分是植物生長(zhǎng)所需水分的主要來源，根系是植物吸收水肥等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要器官，植物根層內(nèi)土壤含水率的變化與根系層空間分布密切相關(guān)，盡管土壤水分的消耗不完全是由植物根系吸水產(chǎn)生的。植物根層內(nèi)的土壤含水率的時(shí)空變化可以間接反映植物根系的時(shí)空分布。圖6分別為5月5日，5月12日及5月30日三次灌水前根系層區(qū)域土壤含水率等值線圖，反映了番茄開花結(jié)果期前期，中期及后期三個(gè)時(shí)期根系層土壤含水率的變化特征。

圖5　距植株不同水平距離處灌水后土壤水分垂直分布

分析圖6可以看出，番茄開花結(jié)果前期根系層土壤含水率的最小值出現(xiàn)在豎直方向10—20 cm深度范圍內(nèi)，水平方向出現(xiàn)在距植株0—7 cm處。中期土壤含水率最小值出現(xiàn)區(qū)域較前期豎直方向和水平方向均有擴(kuò)大的趨勢(shì)，豎直方向變?yōu)?0—30 cm土層,水平方向?yàn)榫嘀仓?—10 cm處，表明根長(zhǎng)在豎直方向及水平方向均有增長(zhǎng)，但缺水峰值出現(xiàn)在20 cm深度處，較前期有所下移。后期土壤含水率最小值出現(xiàn)區(qū)域在豎直方向變化不大，水平方向繼續(xù)擴(kuò)展到0—17 cm處。根據(jù)前面對(duì)番茄開花結(jié)果期不同時(shí)段根系生長(zhǎng)發(fā)育測(cè)定結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)番茄根層內(nèi)土壤水分消耗較大的區(qū)域略大于番茄根系層的空間分布，如果再加上番茄根系末端還有大量用沖洗法無(wú)法獲得的微細(xì)根，則番茄根層內(nèi)土壤水分消耗較大的區(qū)域與番茄根系層的生長(zhǎng)發(fā)育有很好的一致性。從根層區(qū)域土壤水分的時(shí)空變化表明開花結(jié)果期初期根系在水平及垂直方向均伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，后期根系逐漸以水平生長(zhǎng)為主，垂直方向生長(zhǎng)相對(duì)減弱。這與前人相關(guān)研究結(jié)果基本一致[9-10]。上述結(jié)果也表明，在番茄開花結(jié)果期深度為5—30 cm，徑向距植株0—20 cm區(qū)域內(nèi)土壤水分的虧缺對(duì)番茄生長(zhǎng)影響較為敏感。

圖6　開花結(jié)果期不同階段土壤含水率分布等值線

3　結(jié) 論

(1) 番茄根系在開花結(jié)果期初期，可測(cè)根長(zhǎng)以0～5 cm為主。到開花結(jié)果期中期，0～5 cm長(zhǎng)度根系所占比重下降，5～10 cm長(zhǎng)度根系所占比重上升。開花結(jié)果期末期5～15 cm長(zhǎng)度根系占主導(dǎo)地位。同時(shí)，根總數(shù)及最長(zhǎng)根的長(zhǎng)度均呈明顯線性增長(zhǎng)，隨時(shí)間推移，根系伸長(zhǎng)生長(zhǎng)明顯，且根總量明顯增加。

(2) 根層區(qū)域內(nèi)土壤含水率的變化規(guī)律表現(xiàn)為在開花結(jié)果初期，土壤含水率的變化區(qū)域較小，在中后期，土壤含水率的變化區(qū)域逐漸增大?？傮w表現(xiàn)為距植株中心水平距離越大，土壤含水率變幅越小。隨土層深度增加，根系層含水率變幅遞減，0—30 cm深度土壤含水率變幅較大，30 cm以下土層土壤含水率趨于穩(wěn)定，變幅較小。

(3) 開花結(jié)果期初期根系在水平及垂直方向伸長(zhǎng)生長(zhǎng)均較明顯，開花結(jié)果期后期根系以垂直生長(zhǎng)為主，水平方向生長(zhǎng)相對(duì)減弱。根系主要分布在縱向5—30 cm深度土層，徑向向距植株0—20 cm區(qū)域內(nèi)，且該區(qū)域土壤含水率變幅較大，說明在番茄開花結(jié)果期，該區(qū)域的土壤水分虧缺對(duì)番茄生長(zhǎng)影響較大，為番茄的土壤水分敏感區(qū)。

(4) 開花結(jié)果期距植株水平距離5 cm的10—20 cm土層能很好地代表番茄根系層土壤缺水狀況，該位置土層處在表土層之下，受土壤蒸發(fā)失水影響較小，同時(shí)該位置處根系分布密集，土壤含水率變化受根系影響較大。故距植株水平距離5 cm處10—20 cm土層土壤含水率可作為指導(dǎo)開花結(jié)果期番茄灌溉的指標(biāo)，當(dāng)該位置土壤含水率達(dá)到設(shè)定下限時(shí)進(jìn)行灌溉。

[1]劉浩,段愛旺,孫景生,等.溫室滴灌條件下土壤水分虧缺對(duì)番茄產(chǎn)量及其形成過程的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2009,20(11):2699-704.

[2]孫磊,孫景生,劉浩,等.日光溫室滴灌條件下番茄需水規(guī)律研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2008,27(2):51-54.

[3]鄭江坤,魏天興,陳致富,等.陜北生態(tài)退耕區(qū)植被群落土壤貯水量與入滲特性[J].水土保持研究,2010,17(4):162-165.

[4]郭占奎,劉洪祿,吳文勇,等.日光溫室覆膜滴灌條件下櫻桃西紅柿耗水規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(9):53-58.

[5]李波,任樹梅,楊培嶺,等.供水條件對(duì)溫室番茄根系分布及產(chǎn)量影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(9):39-44.

[6]栗巖峰,李久生,饒敏杰.滴灌施肥時(shí)水肥順序?qū)Ψ迅捣植己彤a(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)2006，22(7):205-207.

[7]陳煒,鄧西平,聶朝娟,等.不同栽培模式下兩個(gè)旱地小麥品種籽粒灌漿特性與產(chǎn)量構(gòu)成分析[J].水土保持研究,2010，17(3):240-244.

[8]齊廣平,張恩和.膜下滴灌條件下不同灌溉量對(duì)番茄根系分布和產(chǎn)量的影響[J].中國(guó)沙漠,2009,29(3):463-467.

[9]王淑芬,張喜英,裴冬.不同供水條件對(duì)冬小麥根系分布,產(chǎn)量及水分利用效率的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(2):27-32.

[10]陳新明,蔡煥杰,單志杰,等.無(wú)壓地下灌溉對(duì)番茄根系分布特征的調(diào)控效應(yīng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(3):10-15.

Relationship Between Soil Water and Tomato Roots During Blossom Period in Greenhouse

ZHANG Jun1,3, FAN Xingke1,2,3

(1.Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;3.NationalEngineeringResearchCenterforWaterSavingIrrigationatYangling,Yangling,Shaanxi712100,China)

We have conducted research on the amount as well as the length of tomato roots at different stages of blossom period so as to study its growth and distribution patterns at different growing stages. Meanwhile measurements of different points in tomato root system in soil layer were also conducted. We have analyzed transformation rules in both horizontal and vertical directions, so as to provide guidance to future tomato planting in greenhouses. Results have shown that the length of majority tomato roots grew from less than 5 cm to 5～15 cm from beginning to the end during blossom period. With time passing by, the amount of tomato roots and the length of the longest root increased significantly. The longer the distance is to the plant, the fewer the fluctuation range of soil moisture is. With the increase of soil depth, the fluctuation range of soil moisture decreased. The soil moisture fluctuated significantly in 30 centimeters underground, however in soil layers under 30 cm underground, the fluctuation was not obvious. At the beginning of blossom period, tomato roots grew apparently in both horizontal and vertical directions. At the end of blossom period, root growth in vertical direction took a dominant role and growth in horizontal direction became relatively slower. The sensitive area of soil moisture during blossom period was 5—30 cm underground in vertical direction and 0—20 cm to the plant in diameter direction. Soil moisture in 10—20 cm soil layer and 5 cm from the plant in horizontal direction can be used to guide irrigation of tomato plant in blossom period.

tomato; root layer; blossom period; soil moisture

2015-04-30

2015-11-30

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)項(xiàng)目“作物需水信息采集與智能控制灌溉技術(shù)”(2011AA100509)

張軍(1992—),女,山西呂梁人,在讀碩士,主要從事節(jié)水灌溉新技術(shù)研究。E-mail:1992zhangjun.love@163.com

范興科(1964—),男,陜西岐山人,研究員,主要從事節(jié)水灌溉新技術(shù)和灌溉產(chǎn)品開發(fā)。E-mail:gjzfxk@vip.sina.com

S152.7

A

1005-3409(2016)02-0034-05