李木子，杜秋月，孫書洪,2，葉瀾濤,2

(1.天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300384；2.天津市農(nóng)業(yè)水利技術(shù)工程中心，天津 300384)

0 引 言

開(kāi)展國(guó)家農(nóng)業(yè)節(jié)水行動(dòng)，推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，是踐行黨的十九大提出的實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要舉措。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中如何通過(guò)科學(xué)用水，使有限的水資源發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)前需要解決的一個(gè)重大課題。設(shè)施農(nóng)業(yè)作為中國(guó)現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)中最具特色和優(yōu)勢(shì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，是解決我國(guó)人多地少問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展最有效的技術(shù)工程。中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)包括設(shè)施蔬菜、花卉、畜牧等產(chǎn)業(yè)，其中以設(shè)施蔬菜的規(guī)模最大，2013年設(shè)施蔬菜占中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積的79.4%。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)設(shè)施蔬菜耗水規(guī)律和產(chǎn)量做了大量的研究[1-5]，為優(yōu)化灌溉制度提供了重要的理論依據(jù)，但大多未考慮地下水上升通量對(duì)作物耗水規(guī)律的影響，對(duì)地下水埋深較淺的濱海地區(qū)設(shè)施蔬菜耗水規(guī)律的研究較少。

西紅柿是我國(guó)重要的設(shè)施蔬菜作物之一。以天津市為例，截止到2010年底，天津市設(shè)施蔬菜種植面積達(dá)到天津市設(shè)施種植業(yè)面積的90%以上，其中設(shè)施西紅柿播種面積占設(shè)施果菜總面積的40%以上[6]。在不同水分脅迫條件下，對(duì)設(shè)施種植條件下的西紅柿進(jìn)行耗水規(guī)律及其產(chǎn)量研究不僅是制定合理精確灌溉制度的基礎(chǔ)，對(duì)提高農(nóng)民收入、發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)都具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)受到天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院和中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所聯(lián)合承擔(dān)的天津市農(nóng)業(yè)科技推廣項(xiàng)目的支持。試驗(yàn)于2017年9月至2018年3月在天津市北辰區(qū)雙街鎮(zhèn)青水源設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代節(jié)水灌溉新技術(shù)示范區(qū)進(jìn)行。北辰區(qū)位于東經(jīng)116°56′-117°24′，北緯39°10′-39°21′，地處海河流域永定河和北運(yùn)河下游沖積平原，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均日照時(shí)數(shù)為2 639.1 h，年平均氣溫為12.2 ℃，全年平均無(wú)霜期為227 d，年日照率為60%；多年平均降水量550.3mm，地下水埋深為1～1.5 m。本區(qū)土壤分布自西向東依次為普通潮土、鹽化潮土及濕潮土。從土質(zhì)上看：京山鐵路西以砂質(zhì)、砂壤質(zhì)潮土、輕壤、中壤、重壤質(zhì)潮土為主；京山鐵路東以鹽化潮土、脫水鹽化菜園潮土為主，并有部分重質(zhì)潮土和黏質(zhì)菜園潮土。試驗(yàn)區(qū)土壤為中壤土，土壤密度為1.55 g/cm3，土壤的基本性狀見(jiàn)表1。試驗(yàn)溫室為天津市政府推廣的新型節(jié)能日光溫室，溫室大棚寬8 m，長(zhǎng)80 m。滴灌設(shè)備主要有水源、水泵、管道系統(tǒng)、施肥罐等，滴灌帶選用φ16 mm，滴頭量2.7 L/h，滴頭距30 cm，壓力0.1 MPa。

表1 土壤的基本性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以西紅柿品種“粉如意”為研究對(duì)象，定植時(shí)間為2017年9月，全生育期分為苗期(9月8日至10月10日)、開(kāi)花坐果期(10月10日至11月20日)、果實(shí)采摘初期(11月20日至1月8日)、果實(shí)采摘盛期(1月8日至3月6日)、果實(shí)采摘末期(3月6日至4月5日)。按《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》 SLB-90的要求開(kāi)展試驗(yàn)，選擇5個(gè)大棚進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)大棚分為3個(gè)小區(qū)，由1.5 m寬的緩沖帶隔離以限制相鄰地塊之間水分的側(cè)滲，小區(qū)面積為15 m×5 m，壟寬70 cm，溝寬40 cm，株行距為30 cm×40 cm，每壟布置一條滴灌帶。設(shè)置不同的水分脅迫條件進(jìn)行試驗(yàn)，共設(shè)5個(gè)處理，每個(gè)棚為1個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，試驗(yàn)期間各處理都采用統(tǒng)一的施肥、除草等田間管理措施。通過(guò)滴管灌溉西紅柿根部，用水表記錄各小區(qū)灌水量。定植前將15個(gè)小區(qū)灌溉至相同的土壤含水量，以保證能滿足西紅柿緩苗期所需水分。本文在國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)西紅柿灌溉制度的研究基礎(chǔ)上[7-10]，結(jié)合天津市設(shè)施農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)灌溉項(xiàng)目制定灌水方案如表2，其中：CK為充分灌溉；M1屬于重度水分脅迫(田間持水量的45%)；M2、M3和M4是均屬于中度水分脅迫(田間持水量的50%、55%和60%)。

表2 設(shè)施種植條件下不同灌水處理情況

1.3 數(shù)據(jù)測(cè)定方法

(1)土壤含水量。在不同的生育期，用土鉆分別在植株附近滴頭下0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm深度采取土樣，每7～10 d測(cè)一次，灌水前后加測(cè)，采取烘干法測(cè)定土壤含水率， 如式(1)：

W=100%×(a2-a3)/(a2-a1)

(1)

式中：W為土壤含水率；a1為鋁盒重量，g；a2為烘干前鋁盒和土樣的質(zhì)量，g；a3為烘干后鋁盒和土樣的質(zhì)量，g。

(2)產(chǎn)量。產(chǎn)量測(cè)定包括對(duì)開(kāi)花坐果期和果實(shí)采摘期的植株干重和果實(shí)鮮重進(jìn)行測(cè)定，每7～10 d測(cè)定一次。根據(jù)式(2)計(jì)算干物質(zhì)增長(zhǎng)速率，根據(jù)式(3)計(jì)算水分利用效率。

v=(m2-m1)/Δt

(2)

式中：m1為時(shí)段初干重，t/hm2；m2為時(shí)段末干重，t/hm2；Δt為時(shí)段天數(shù)，d；v為干物質(zhì)增長(zhǎng)速率，t/(hm2·d)。

WUE=m/ET

(3)

式中：m為時(shí)段內(nèi)果實(shí)在自然狀態(tài)下的質(zhì)量，t/hm2；ET為時(shí)段內(nèi)的總耗水量，mm。

(3)地下水上升通量及作物耗水量的計(jì)算。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下水上升通量進(jìn)行了大量研究[11,12]，根系層下界面水分通量是指通過(guò)根系層下界面向上或向下運(yùn)移的土壤含水量。試驗(yàn)區(qū)屬濱海地區(qū)，地下水埋深較淺，為1.0～1.5 m，因此在對(duì)西紅柿耗水規(guī)律進(jìn)行研究時(shí)，必須考慮根系層地下水上升通量對(duì)耗水量的影響。應(yīng)用水量平衡方程計(jì)算作物耗水量，如式(4)：

Q=Q0-ET+q+I

(4)

式中：Q和Q0為時(shí)段末和時(shí)段初的根系層土壤儲(chǔ)水量，mm；ET為時(shí)段內(nèi)的植株蒸發(fā)蒸騰量即耗水量，mm；I為時(shí)段內(nèi)灌水量，mm；q為時(shí)段內(nèi)的根系層下界面水分通量，mm，應(yīng)用以下模型表示根系層下界面水分通量q與土壤含水量W的關(guān)系，本文取根系層深度為1.0 m。

(5)

(6)

式中：a、b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，本文根據(jù)孫書洪等[13]研究結(jié)果，取a=0.068，b=3.406；Qf為根系層土壤田間持水量，mm；hw為地下水埋深，m；QC為根系層臨界土壤儲(chǔ)水量，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫條件下西紅柿耗水規(guī)律

圖1為在不同水分脅迫下，西紅柿日耗水量在不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的變化過(guò)程，圖2為在充分灌溉CK處理下和在M1處理下西紅柿日耗水量的差值隨著作物生長(zhǎng)發(fā)育的變化過(guò)程，表3為不同水分脅迫條件下西紅柿耗水量情況。

圖1 不同水分脅迫條件下西紅柿日耗水量隨生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的變化過(guò)程

圖2 充分灌溉與最大水分脅迫下西紅柿日耗水量的差值隨生長(zhǎng)發(fā)育日期的變化過(guò)程

表3 不同水分脅迫條件下西紅柿階段耗水量情況

2.1.1 水分脅迫對(duì)不同生育期耗水量的影響

由圖1得知，西紅柿進(jìn)入苗期后，CK日耗水量變化范圍為0.5～1.5 mm。分析其原因：植株在此階段的葉片數(shù)量少，葉面積較小，所以該時(shí)期的耗水量明顯低于開(kāi)花結(jié)果期和果實(shí)采摘期。10月中旬，西紅柿進(jìn)入開(kāi)花坐果期，CK日耗水量變化范圍為0.6～1.5 mm，M4耗水量較CK降低 11.7%，在該階段的日耗水量出現(xiàn)一個(gè)高峰，主要因?yàn)殚_(kāi)花坐果期的植株蒸騰作用增強(qiáng)，對(duì)水分的需求量大大提高，所以日耗水量急速增加且變化幅度較大。M1所對(duì)應(yīng)的耗水量可代表植株在水分脅迫下的耗水量最小值，其處理下的作物日耗水量在開(kāi)花坐果期沒(méi)有明顯增加，主要是由于在苗期灌水量較少，土壤水分不能滿足植株正常生理發(fā)育的需要，導(dǎo)致在開(kāi)花坐果期植株發(fā)育不良，耗水能力較低。

在果實(shí)采摘初期，CK日耗水量變化范圍為0.9～5.2 mm，M4日耗水量變化范圍為0.8～4.8 mm，進(jìn)入果實(shí)采摘盛期后，CK日耗水量變化范圍為1.6～4.3 mm，M4日耗水量變化范圍1.5～4 mm，M4處理下的植株在這兩個(gè)時(shí)期的日耗水變化幅度與充分灌溉相比相差不大。果實(shí)采摘末期的CK日耗水量變化相對(duì)前兩個(gè)階段而言，幅度略小，變化范圍為0.5～0.8 mm，M4日耗水量變化范圍為0.4～0.7 mm。在果實(shí)采摘前期(果實(shí)采摘初期和盛期)日耗水量達(dá)到全生育期的最大值，主要因?yàn)樵摃r(shí)期植株生長(zhǎng)最茂盛，隨著植株體的增大，蒸騰力增強(qiáng)，在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)共同作用的條件下，植株的需水動(dòng)力變大。在生長(zhǎng)發(fā)育后期，日耗水量大于中前期，主要因?yàn)榇罅康墓麑?shí)在此期趨向成熟，故需水量增大，隨著果實(shí)的不斷采摘，植株生理活動(dòng)減緩，需水強(qiáng)度開(kāi)始下降，日耗水量隨之降低。

2.1.2 各生育期對(duì)水分脅迫的響應(yīng)

西紅柿對(duì)水分脅迫的響應(yīng)程度與其耗水規(guī)律有關(guān)。西紅柿在苗期主要以營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)為主，充分灌溉與最大脅迫條件下西紅柿耗水量差值相差為0.3 mm左右，M4在此期的灌水量較CK降低14.3%，耗水量下降7%。此階段植株耗水量小，對(duì)水分脅迫的響應(yīng)程度較低。西紅柿在開(kāi)花坐果期以生殖生長(zhǎng)為主，耗水量持續(xù)增加，充分灌溉與最大脅迫M4處理下西紅柿耗水量差值變化范圍為0.3～0.7 mm，M4灌水量較CK減少25%，耗水量降低11.7%，該階段的日耗水量對(duì)水分脅迫程度的響應(yīng)較為強(qiáng)烈。在果實(shí)采摘初期，CK日耗水量變化幅度大，充分灌溉與最大脅迫M4處理下西紅柿耗水量差值變化范圍為0.5～1.2 mm，進(jìn)入果實(shí)采摘盛期后，充分灌溉與最大脅迫條件M4處理下西紅柿耗水量差值變化范圍為0.8～2.1 mm，此階段對(duì)水分脅迫程度反應(yīng)最為強(qiáng)烈。隨著植株生命活動(dòng)的衰退，植株在果實(shí)采摘末期對(duì)水分脅迫的響應(yīng)程度也變小，充分灌溉與最大脅迫條件M4處理下西紅柿耗水量差值變化范圍降低到0.4～0.5 mm。

2.2 不同水分脅迫條件對(duì)產(chǎn)量的影響

圖3表示水分脅迫對(duì)鮮重的影響。通過(guò)對(duì)不同水分脅迫下西紅柿開(kāi)花坐果期和果實(shí)采摘期的植株干重進(jìn)行測(cè)量，得到圖4。表4為不同水分脅迫條件下西紅柿的產(chǎn)量情況。

圖3 不同水分脅迫對(duì)植株鮮重的影響

圖4 不同水分脅迫對(duì)植株干重的影響

表4 不同水分脅迫條件下西紅柿產(chǎn)量情況

2.2.1 對(duì)植株干重的影響

CK 條件下，雖開(kāi)花坐果期干物質(zhì)總量大，根莖葉干重變化范圍為4.5～6 t/hm2，但干物質(zhì)增長(zhǎng)速率較小，分別為1.23% 和1.39%。M1條件下，水分脅迫程度最嚴(yán)重，灌水量較CK減少40%，但僅達(dá)到充分灌溉產(chǎn)量的87.3%，總干重達(dá)37%。在開(kāi)花坐果期和果實(shí)采摘期的根莖葉干重變化范圍為1.5～4 t/hm2，低于其他水分脅迫條件下的干重，但干物質(zhì)增長(zhǎng)速率最高，在開(kāi)花坐果期和果實(shí)采摘期達(dá)到2.05%。M2、M3、M4的干物質(zhì)增加速率分別為1.72%、1.56 %、1.97%，干重分別達(dá)到充分灌溉的50%、60%、65%，較CK條件下灌水量減少33.3%、23.3%、10%，由此可見(jiàn)，水分脅迫程度與植株干重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(|R|=0.98<1且R<0)，水分脅迫程度越大，同一發(fā)育期的干重越小，越不利于植株生長(zhǎng)。

2.2.2 對(duì)植株鮮重的影響

充分灌溉條件下，植株鮮重在各階段均較高，且果實(shí)總鮮重最高，平均為52.64 kg/hm2，但水分利用效率較低，僅為16.98%。M1處理下，植株總鮮重在各階段均為最低，且果實(shí)總鮮重最低，僅達(dá)到充分灌溉的75.9%，但水分利用效率最高。 M2、M3、M4的水分脅迫程度依次減小，果實(shí)總鮮重依次增大，分別達(dá)到充分灌溉產(chǎn)量的81%、85%、96.7%，水分脅迫程度與果實(shí)總鮮重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(|R|=0.94<1且R<0)。M2處理下的水分利用效率最大，但其果實(shí)總鮮重較低，因此僅使用水分利用效率或僅使用產(chǎn)量來(lái)衡量水分脅迫程度是否合理是不全面的，恰當(dāng)?shù)乃置{迫應(yīng)該在保證果實(shí)產(chǎn)量的前提下，實(shí)現(xiàn)水分利用效率最大化。 M4的水分利用效率較CK提高了8.72%，鮮重達(dá)到充分灌溉的96.7%，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量和水分利用效率的雙贏，對(duì)實(shí)踐應(yīng)用來(lái)說(shuō)，其水分脅迫程度是可以接受的。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)在灌水量為270 mm的水分脅迫條件下，設(shè)施西紅柿在苗期的日耗水量變化范圍為0.4～1.2 mm，此階段耗水量較小，為14 mm；在開(kāi)花坐果期，日耗水量急速增加，日耗水量變化范圍為0.5～1.25 mm，此階段耗水量為16 mm；進(jìn)入果實(shí)采摘期后，日耗水量逐漸增大，日耗水量變化范圍為0.8～4.8 mm，進(jìn)入果實(shí)采摘末期后，日耗水量降低，但總量依然比苗期和開(kāi)花坐果期大。

(2)西紅柿在苗期耗水強(qiáng)度小，對(duì)水分脅迫的響應(yīng)程度較低，可進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃置{迫；在開(kāi)花坐果期，耗水強(qiáng)度變大，植株對(duì)水分較為敏感，只能進(jìn)行對(duì)其輕微的水分脅迫；進(jìn)入果實(shí)采摘期后，耗水強(qiáng)度增大，植株對(duì)水分脅迫程度反應(yīng)強(qiáng)烈，認(rèn)為此階段不可進(jìn)行過(guò)度的節(jié)水灌溉。

(3)對(duì)作物進(jìn)行恰當(dāng)?shù)乃置{迫，可提高植株的干物質(zhì)增加速率，可促進(jìn)植株生長(zhǎng)發(fā)育。充分灌溉、過(guò)量灌溉和過(guò)度的水分脅迫均不能對(duì)植株生長(zhǎng)起到促進(jìn)作用。

設(shè)施種植條件下的西紅柿對(duì)水分脅迫的響應(yīng)程度與其耗水強(qiáng)度有關(guān)，耗水強(qiáng)度越大，則對(duì)水分脅迫的響應(yīng)程度越大；植株干重、果實(shí)鮮重與水分脅迫程度有關(guān)，脅迫程度越大，果實(shí)產(chǎn)量越低。因此，在進(jìn)行設(shè)施農(nóng)業(yè)精確灌溉時(shí)，應(yīng)以掌握作物的耗水規(guī)律為前提，綜合考慮果實(shí)鮮重和水分利用效率。