李旭峰，馬娟娟*，孫西歡,2，石小虎，郭向紅，雷濤,3

(1. 太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024； 2. 晉中學(xué)院院長(zhǎng)辦公室，山西 晉中 030619；3.有機(jī)旱作山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030031)

水肥利用率低是制約農(nóng)民增產(chǎn)增收的主要因素，灌水、施氮過多或不足會(huì)造成水肥資源浪費(fèi)或重度虧缺，甚至直接或間接造成土壤污染[1].近年來，膜下滴灌作為干旱半干旱地區(qū)一種高效灌溉方法，集覆膜與滴灌優(yōu)點(diǎn)于一體，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛.研究表明，與常規(guī)灌溉相比，膜下滴灌節(jié)水效果顯著，可提高水分利用率5%～29%，提高肥料利用率約21%[2-4].因此，研究膜下滴灌條件下節(jié)水減氮對(duì)設(shè)施番茄高產(chǎn)高效生產(chǎn)具有重大意義.

張燕等[5]和DU等[6]研究表明：在一定范圍內(nèi)，番茄產(chǎn)量及水肥利用率隨著水氮用量的增加而提高，當(dāng)超過某一閾值時(shí)，番茄產(chǎn)量并沒有顯著增加，且水肥利用率出現(xiàn)下降的趨勢(shì).根系是作物吸收并運(yùn)輸水分和養(yǎng)分的主要器官，一般直徑小于2 mm的根為細(xì)根，細(xì)根具有較大的吸收面積，是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要根系級(jí)配[7], 劉世全等[8]在田間進(jìn)行不同水氮處理試驗(yàn)，研究結(jié)果表明小南瓜產(chǎn)量與細(xì)根根長(zhǎng)之間均有顯著的線性關(guān)系.

目前研究主要集中在不同灌水量和施氮量梯度對(duì)番茄生長(zhǎng)及水氮利用率方面的影響[9]，而在番茄生長(zhǎng)和產(chǎn)量對(duì)節(jié)水后復(fù)水效果以及節(jié)水減氮敏感性等方面的研究相對(duì)較少[10].基于此，文中通過在番茄不同生育期減少灌水量，與在全生育期充分灌水對(duì)比，并在常規(guī)施氮水平的基礎(chǔ)上減少施氮量，探索節(jié)水減氮對(duì)番茄生長(zhǎng)規(guī)律與水氮利用率的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究中心河村試驗(yàn)基地日光溫室，試驗(yàn)地位于112°90′E，38°05′N，海拔1 248.5 m，試驗(yàn)溫室為非加熱型自然通風(fēng)溫室，東西走向(長(zhǎng)×寬×高，50.4 m×7.6 m×4.6 m).試驗(yàn)地年均降水量459.0 mm，年均蒸發(fā)量1 546.9 mm，年均溫度5～7 ℃，全年無霜期144 d，10 ℃以上的積溫2 840.6 ℃，試驗(yàn)地地勢(shì)平坦，土壤為黃土質(zhì)淡褐土.試驗(yàn)前0～15 cm土壤平均容重為1.43 g/cm3，田間持水量為0.31 cm3/cm3，全氮為1.12 g/kg，堿解氮為52.21 mg/kg，速效磷為22.31 mg/kg，速效鉀為120.32 mg/kg.

1.2 試驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

番茄于2018年5月19日定植，9月15日拉秧，供試品種為“番茄1702”，生育期劃分為緩苗期(2018-05-19—2018-06-01)、苗期(2018-06-02—2018-06-13)、開花坐果期(2018-06-14—2018-08-14)、成熟期(2018-08-15—2018-09-15)，滴灌施肥采用的氮、磷、鉀肥分別為尿素(wN≥46.4%)、鈣鎂磷肥(wP2O5≥15.0%)、氯化鉀(wK2O≥57%).

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)灌水和施氮2個(gè)因素，灌水設(shè)計(jì)4個(gè)水平，施氮設(shè)計(jì)3個(gè)水平，試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)詳見表1，表中W為各處理灌水定額，W=(0.9θFc-θv) ×Zr×S×0.6，單位為m3.其中，θFc為田間持水量,cm3/cm3；θv為灌水前的土壤含水量,cm3/cm3；Zr為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，取0.6 m；0.6為濕潤(rùn)比；S為每個(gè)處理的灌水面積，S=25.2 m2.常規(guī)施氮量mN為400 kg/hm2，較常規(guī)施氮減少25%為300 kg/hm2，較常規(guī)施氮減少50%為200 kg/hm2.其中W1的灌水下限為60%～65%θf，其他3個(gè)水平與W1同時(shí)灌水；氮肥分期施入，定植前基施總量的3/5，在第一穗果實(shí)膨大期(2018年7月13日)與第三穗果實(shí)膨大期(2018年8月3日)分別等量追施1/5.試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共12個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù).定植后為保證其成活率，采用地面灌溉定植水20 mm，從苗期開始灌水處理.

表1 番茄節(jié)水減氮調(diào)控試驗(yàn)方案

1.3 溫室管理與農(nóng)藝措施

定植前在溫室內(nèi)各小區(qū)按試驗(yàn)設(shè)計(jì)施入基施氮肥，并將全部的磷肥(200 kg/hm2)、鉀肥(300 kg/hm2)和有機(jī)肥(20 000 kg/hm2)做基肥均勻施入耕作層.溫室共分為14個(gè)小區(qū)，小區(qū)長(zhǎng)7.0 m，寬3.6 m，面積為25.2 m2，用于試驗(yàn)處理的有12個(gè)小區(qū)，其他用作保護(hù)小區(qū)，每小區(qū)設(shè)3溝3壟，采用“一膜雙行雙管”配置模式，行距為0.6 m，株距為0.5 m，在壟上對(duì)番茄進(jìn)行管理、噴藥、采收等農(nóng)務(wù).試驗(yàn)小區(qū)之間埋設(shè)塑料薄膜，以防止各處理間相互干擾.定植時(shí)，番茄幼苗按單穴單株定植在壟兩側(cè)，提前3～4 d鋪設(shè)黑色塑料地膜.全生育期內(nèi)，每株番茄在4穗果后摘心，每穗留5～6個(gè)番茄.其他噴藥等措施均按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)進(jìn)行.

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

本試驗(yàn)測(cè)試的指標(biāo)為番茄株高、莖粗、根系形態(tài)及水氮利用率.

1.4.1 番茄株高、莖粗

從苗期開始，每隔6～11 d測(cè)定1次，株高從植株基部到生長(zhǎng)點(diǎn)，利用卷尺測(cè)量；莖粗在植株第1片真葉下部，沿2個(gè)垂直的方向各測(cè)1次，利用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量.

1.4.2 根系形態(tài)指標(biāo)

于番茄生育期末測(cè)定1次根系形態(tài)，整根取樣采用挖掘法，開挖的范圍是以番茄植株為中心形成的40 cm×40 cm的正方形區(qū)域，挖掘深度為0～60 cm，以15 cm為1層，取樣后用孔隙直徑為0.5 mm的篩子沖洗，用Epson Perfection進(jìn)行根系掃描，采用根系分析軟件(WinRHI ZO version 5.0) 進(jìn)行分析.

1.4.3 產(chǎn)量及水氮利用率

用精度為0.05 kg的電子天平測(cè)量各處理番茄的產(chǎn)量，水氮利用率計(jì)算公式:

灌溉水利用效率=番茄產(chǎn)量/灌水量，

氮肥偏生產(chǎn)力=番茄產(chǎn)量/氮肥用量.

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel處理數(shù)據(jù)并作圖，用SPSS17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 節(jié)水減氮對(duì)地上部分生長(zhǎng)的影響

表2 番茄株高莖粗的實(shí)測(cè)值及最大生長(zhǎng)速率

由表2可知，當(dāng)灌水量一定時(shí)，減少施氮量對(duì)番茄株高、莖粗有顯著影響，在W1，W2水平下，N1與N2水平之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，但顯著高于N3水平；而在W3，W4水平下，N1，N2，N3水平之間差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明與W1，W2水平相比，在W3水平下番茄植株生長(zhǎng)對(duì)施氮量的響應(yīng)更敏感；各灌水水平下，N1水平的番茄株高、莖粗值均比N2，N3水平高0.85～17.50 cm，0.02～0.09 cm.在同一施氮水平下，除W3N1和W4N1外，隨著灌水量的減少，番茄株高、莖粗值逐漸降低，W1水平株高、莖粗值與W2差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但顯著高于W3，W4水平，表明在苗期減少灌水量并且開花坐果期復(fù)水，對(duì)番茄植株生長(zhǎng)的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).番茄在處理W1N1下株高、莖粗及各自MGR均達(dá)到最大值，分別為156.50 cm，1.71 cm，3.90 cm/d和0.06 cm/d，分別較處理W4N3高21.5 cm,0.30 cm,0.89 cm/d,0.02 cm/d.各處理番茄株高最大生長(zhǎng)速率在定植后34～54 d,莖粗最大生長(zhǎng)速率在定植后25～34 d.

2.2 節(jié)水減氮對(duì)番茄根系生長(zhǎng)的影響

2.2.1 對(duì)番茄整根特征參數(shù)的影響

根系是作物吸收并運(yùn)輸水分和養(yǎng)分的主要器官，表3為各處理對(duì)溫室番茄整根特征參數(shù)的影響，其中l(wèi)t為總根長(zhǎng),l為直徑小于2 mm 的根長(zhǎng)，s為表面積，v為根體積.由表可知，各整根特征參數(shù)隨不同水氮處理表現(xiàn)出相似規(guī)律，同一灌水水平下，各參數(shù)隨著施氮量的減少先增大后減小.以細(xì)根為例，各施氮水平下細(xì)根總根長(zhǎng)從大到小順序?yàn)镹2，N3，N1，表明減少25%施氮量會(huì)促進(jìn)細(xì)根的生長(zhǎng)，有助于對(duì)水分和養(yǎng)分吸收；在同一施氮水平下，番茄各整根特征參數(shù)隨著灌水量的減小先增大后減小，W2水平的整根特征參數(shù)均高于其他灌水水平，表明在苗期減少灌水量，之后復(fù)水會(huì)促進(jìn)番茄根系的發(fā)育.在處理W2N2下，番茄總根長(zhǎng)，細(xì)根總根長(zhǎng)最長(zhǎng)，分別為17 989.70，16 417.72 cm，總表面積及總體積最大分別為7 289.11，40.31 cm3，分別較W1N1高33%，34%，46%和67%，是本試驗(yàn)條件下根系較發(fā)達(dá)的節(jié)水減氮組合.

表3 各處理對(duì)番茄整根特征參數(shù)的影響

2.2.2 溫室番茄細(xì)根垂直分布規(guī)律

作物主要通過細(xì)根從土壤中吸收水分和養(yǎng)分，圖1為不同水氮條件下番茄各層細(xì)根根長(zhǎng)密度占總細(xì)根根長(zhǎng)密度的比值ε.由圖可知，當(dāng)灌水量一定時(shí)，0～30 cm細(xì)根根長(zhǎng)密度占比隨著施氮量的減少而減少，而30～60 cm的根長(zhǎng)密度占比則相反；當(dāng)施氮量一定時(shí)，隨著灌水量的減少，30～60 cm的根長(zhǎng)密度占比逐漸增大，0～30 cm的占比則相反.表明常規(guī)灌水施氮會(huì)促進(jìn)表層(0～30 cm)根系的發(fā)育，使番茄植株根系變淺，而節(jié)水減氮會(huì)使根系深扎，有利于細(xì)根吸收下層(30～60 cm)的水分和養(yǎng)分.

圖1 節(jié)水減氮下番茄番茄根系垂直分布規(guī)律

2.3 不同處理對(duì)產(chǎn)量及水氮利用率的影響

水氮利用率是衡量作物水肥利用效率的指標(biāo)，表4為不同水氮處理對(duì)溫室番茄產(chǎn)量及水氮利用率的影響，其中y為產(chǎn)量，p為灌水量，WUE為灌溉水利用效率，PFPN為氮肥偏生產(chǎn)力.由表可知，番茄產(chǎn)量隨著灌水量和施氮量的降低而減小，同一灌水、施氮水平下，當(dāng)施氮量、灌水量減半時(shí)，產(chǎn)量均分別降低5%～12%，47%～51%，表明在本試驗(yàn)條件下灌水量對(duì)產(chǎn)量的影響大于施氮量.同一施氮水平下，W1與W2差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，W2，W3，W4之間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；同一灌水水平下，N1與N2差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，除W4水平外N2與N3差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明全生育期減少灌水量時(shí)，增加氮肥對(duì)產(chǎn)量影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；而減少50%施氮量時(shí)，增加灌水量對(duì)產(chǎn)量影響均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能是由于全生育期虧水使番茄植株對(duì)氮素吸收起到了制約作用.

表4 不同水氮條件下番茄水氮利用率

當(dāng)灌水量一定時(shí)，除W2N2外灌溉水利用效率隨著施氮量的降低而減小，氮肥偏生產(chǎn)力隨著施氮量的降低而增大；同一施氮水平下，灌溉水利用效率隨著灌水量減小呈先增大后減小的趨勢(shì)，氮肥偏生產(chǎn)力隨著灌水量的減少而減小，處理W2N2的灌溉水利用效率最大為49.31 kg/m3，較處理W1N3(最低值)高18%,處理W1N3的氮肥偏生產(chǎn)力最大為414.51 kg/kg，較處理W4N1(最低值)高72%.由于灌水對(duì)產(chǎn)量的影響大于施氮，且處理W1N3沒有達(dá)到節(jié)水效果，所以處理W2N2為本試驗(yàn)條件下的最佳節(jié)水減氮處理.

3 討 論

本研究結(jié)果表明隨著灌水量及施氮量的減少，番茄株高、莖粗值逐漸減小，在處理W1N1下，番茄植株的株高、莖粗值最大，且生長(zhǎng)速率也最快，王虎兵等[12]通過設(shè)置不同灌水施肥水平，測(cè)得番茄的株高、莖粗變化規(guī)律與本試驗(yàn)結(jié)果一致.但番茄地下部分的生長(zhǎng)對(duì)灌水量及施氮量的響應(yīng)則不然，石小虎等[9]通過在膜下溝灌條件下改變灌水量和施氮量，得出過于充裕的水氮不利于根系潛力的挖掘，文中也得出適當(dāng)節(jié)水減氮(處理W2N2)可促進(jìn)番茄根系生長(zhǎng)的類似結(jié)論，且苗期節(jié)水后，復(fù)水對(duì)根系生長(zhǎng)具有補(bǔ)償效應(yīng).這是由于適度節(jié)水減氮會(huì)使番茄根系對(duì)水分和養(yǎng)分虧缺作出適應(yīng)性反應(yīng)，根系不斷增多并向更遠(yuǎn)處延伸，尋求土壤水分和養(yǎng)分[12].

文中得出處理W1N1番茄產(chǎn)量高于W2N2，但同一施氮水平下，W1與W2水平產(chǎn)量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而處理W2N2的水氮利用率顯著高于W1N1，這可能是由于產(chǎn)量對(duì)苗期節(jié)水的敏感程度小，且節(jié)水減氮會(huì)抑制葉片光合速率，降低光合產(chǎn)物的形成及向葉片的運(yùn)移和轉(zhuǎn)換，植株蒸騰面積相應(yīng)減小，從而減少了植株耗水量所致[13].

4 結(jié) 論

1) 番茄在全生育期充分灌水且常規(guī)施氮水平下(W1N1)下株高、莖粗以及各自最大增長(zhǎng)速率達(dá)到最大值，分別為156.50 cm，1.71 cm，3.90 cm/d和0.06 cm/d；番茄產(chǎn)量隨灌水量、施氮量的減少而減少，其在處理W1N1下達(dá)到最大為94 207.35 kg/hm2.

2) 番茄整根特征參數(shù)均有隨灌水量和施氮量減少呈先增大后減小的趨勢(shì)，處理W2N2是本試驗(yàn)條件下根系最發(fā)達(dá)的水氮組合，番茄總根長(zhǎng)、細(xì)根總根長(zhǎng)、總表面積及總體積最大，分別為17 989.70 cm，16 417.72 cm，7 289.11 cm2，40.31 cm3；番茄0～30 cm細(xì)根根長(zhǎng)密度占總根長(zhǎng)密度的比例隨著灌水量、施氮量的減少而減小，30～60 cm的比例則相反，節(jié)水減氮有助于番茄吸收下層水分和養(yǎng)分.

3) 在處理W1N1下，番茄株高、莖粗以及產(chǎn)量均高于處理W2N2，但整根特征參數(shù)則相反.且處理W2N2灌溉水利用效率最高，產(chǎn)量及氮肥偏生產(chǎn)力較優(yōu)，其在略有減產(chǎn)的條件下具有明顯的節(jié)水減肥效果，是本試驗(yàn)條件下的最佳節(jié)水減氮處理.