负水头供水盘埋设方式对番茄生长和水分利用率的影响

张　芳，薛绪掌，张建丰，王利春，李银坤

(1.西安理工大学水利水电学院， 陕西 西安 710048； 2.国家农业智能装备工程技术研究中心， 北京 100097)



负水头供水盘埋设方式对番茄生长和水分利用率的影响

张芳1，2，薛绪掌2，张建丰1，王利春2，李银坤2

(1.西安理工大学水利水电学院， 陕西 西安 710048； 2.国家农业智能装备工程技术研究中心， 北京 100097)

摘要：以番茄为材料，于温室内采用负水头供水盆栽装置进行试验，研究了供水盘不同埋设方式对番茄生长和水分利用率的影响，旨在为负水头灌溉技术应用于蔬菜栽培提供依据。试验设置3个处理，单盘倾角9°埋设于根系底部(处理Ⅰ)、单盘竖向埋设于根系一侧(处理Ⅱ)和双盘埋设于根系两侧(处理Ⅲ)。结果表明：处理Ⅱ控制的土壤含水量有利于控制植株长势、增加茎粗和叶片数量、降低番茄植株耗水量，显著提高水分利用率；处理Ⅱ分别与处理Ⅰ和Ⅲ相比，单株番茄增产12.70%和15.45%，节水18.14%和13.70%。结果表明，单盘竖向埋设于根系一侧为最佳供水盘埋设方式，可获得高产、节水的效果。

关键词：负水头供水盆栽装置；供水盘；番茄；水分利用率；产量

近年来，中国农业用水占国民经济用水的65%左右，灌溉用水占农业用水的80%以上，但是我国灌溉水有效利用率较低，大约低于50%，所以我国投入大量精力对节水灌溉方式进行积极探索和研究。目前，滴灌、喷灌、渗灌等节水灌溉方式已有效地应用于我国广大种植区域，同时一些新技术也在不断发展中。负水头灌溉技术是目前节水灌溉方式中较新颖的技术之一。

2006年，解迎革[1]将负水头灌溉技术表述为将供水压力控制为负水头进行灌溉，实现土壤含水量精确和持续控制的技术，具有节约水资源，持续、稳定和精确等优点[2]。基于负水头灌溉技术的成熟，一些研究人员[3-12]利用薛绪掌等研制出的负水头灌溉系统和负水头供水控水盆栽装置，进行了水分精确控制下的小麦、大豆、黄瓜、豆角、菠菜、番茄等试验，分析了不同供水吸力对各种作物生长、生理等指标的影响，确定了各种作物在不同生育期对水分的需求，明确了最适宜这些作物生长的供水吸力值，其中，李邵通过试验得出适宜番茄生长的最佳吸力范围为4～7 kPa[13]，为负水头灌溉技术提供了应用依据。

试验过程中，研究人员将负水头装置中的单个供水盘分别采用水平方式和竖向方式埋设于植株根系附近，发现供水盘竖向埋设后可减少植株耗水量，并且植株长势较好，这说明供水盘埋设方式对植株生长发育、产量和水分利用率有影响。但负水头供水盘埋设方式对这些指标的具体影响情况一直未有定性和量化分析的研究报道。

因此，本研究针对负水头供水盘埋设方式进行了试验，比较了3个处理对番茄生长指标、产量和水分利用率的影响，以探讨负水头供水盘不同埋设方式条件下番茄的节水效果，寻求提高负水头供水盆栽装置应用中水分利用率的方法，并为负水头灌溉技术应用于蔬菜栽培体系提供依据。

1材料与方法

1.1试验材料

试验材料为番茄(菲腾)。试验采用改进的负水头供水盆栽装置[14]，由供水盘、供水桶、控压管和导气管组成，如图1所示。供水盘为多孔陶瓷材质，直径为19 cm，厚1.5 cm，内部为空腔，当空腔内储满水时，供水盘透水不透气。种植番茄的盆栽容器直径为25 cm，高为25 cm。

1.2供试土壤条件

供试土壤为砂壤土，每个盆栽容器内装土容重为1.24 g·cm-3，田间持水率为29.32%(占土体体积)，土壤粘粒、粉粒和砂粒分别为2.49%、35.57%和61.94%，试验前土壤有机质含量19.97 g·kg-1全氮0. 53 g·kg-1，全磷0.83 g·kg-1，全钾18.33 g·kg-1。每个盆栽容器内施基肥，尿素8.33 g·盆-1，磷酸二铵8.33 g·盆-1，硫酸钾5 g·盆-1，6月22日施用尿素4.16 g·盆-1作追肥。

1.3试验地点及时间

2014年6月—8月于北京市小汤山国家精准农业研究基地日光温室内进行。6月4日定植，生理苗龄6叶1心，6月12日开始进行处理，留四穗果后去生长点，8月28日结束试验。

1.4负水头供水盆栽装置基本原理

基于能量守恒原理，地表蒸发和植株蒸腾消耗土壤中一定水分后，供水盘周围土壤水势减小，且小于供水盘内水势，土壤毛管便从供水盘中吸取水分补给消耗的水量，其负压值为h=h1-h2，其中h1为控压管内水位高度，h2为供水桶进气口与供水盘中心的高度差，如图1所示，负压值的绝对值为吸力；当土壤水势等于供水盘内水势，系统达到平衡，供水盘内水分不再运动，使土壤含水量维持稳定。由于供水盘内水量减少，供水桶内水便进入供水盘，其内部水位降低，压强减小。基于连通器原理，大气依次通过导气管和控压管内一定高度的水体后进入供水桶，平衡供水桶内压强。一定时段内供水桶内水位变化量即为此时段植物耗水量。

1.5试验设计

根据供水盘的埋设方式设3种处理，如图1所示：① 将1个供水盘以倾角9°埋设于根系底部(处理Ⅰ)，供水盘进水口高于盘底端3 cm，便于水分注满供水盘空腔；② 将1个供水盘竖向埋设于根系一侧(处理Ⅱ)；③ 将2个供水盘分别竖向埋设于根系两侧(处理Ⅲ)，如图1所示。每个处理设5个重复，每个栽培容器内居中种植1株番茄。试验过程中处理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的吸力均设为5 kPa，整个供水过程中维持稳定。定植后，各处理土壤表面覆膜，防止土壤蒸发。

1.6测试内容及方法

每天早上8时观测1次供水桶内水位，邻近2次的水位差即为前1 d单株番茄的耗水高度，再根据供水桶内径换算出前1 d单株番茄的耗水量。试验过程中无蒸发和渗漏情况。按照番茄苗期、开花坐果期和盛果期，分别计算各生育期内单株耗水量，采用累积法计算全生育期总耗水量。

利用美国CID公司生产CI-340手持式光合作用测量系统于晴天条件下8时～18时(间隔2 h测定一次)采用轮换法测定各处理每株番茄第5片新叶的净光合速率。

注：1.导气管；2.控压管；3.供水桶；4.供水盘；5.盆栽容器；6.植株茎；7.土壤含水量取样点；①～⑧. 划分的根系象限

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

图1负水头供水盆栽装置和试验设计(立体图和俯视图)示意图

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

处理开始后，每间隔10 d用卷尺测量株高(土面至植株生长点)，用游标卡尺测量茎粗(土面以上1 cm处)和观测叶片数。

番茄在成熟时定期采摘，并记录鲜重，最后采用累积法计算各处理总产量。

试验结束前，以土壤表面的植株茎为始点，向右5 cm处(如图1所示)沿土壤纵剖面方向每5 cm取土，用土钻取土样后立即装入铝盒，105℃烘干至恒重，计算土壤含水量，由下式计算：

(1)

式中，θv为体积含水量(cm3·cm-3)；ΔVw为所取土壤体积内水分占有的体积(cm3·cm-3)；ΔV为所取土壤体积(cm3)。

试验结束后，将盆栽容器内土壤分为上下两层，每层以主根为原点划分四个象限(如图1所示)，第一层(深度0～10 cm)和第二层(深度10～20 cm)土壤及其内部根系按照象限分布依次编号为①～④和⑤～⑧，然后将8块土样装入尼龙网在水中浸泡，之后用自来水冲净，用镊子去除杂质，分别得到每个象限土壤中的根。将每个处理中每个象限内的根在恒温65℃条件下烘至恒重，计算各象限根重密度，由下式计算：

(2)

式中，DRWD为每个象限的根重密度(g×10-4·cm-3)；M为各象限根系干重(g×10-4)；V为每个象限的土壤体积(cm3)。

根冠比用每个处理每株番茄根的总干重与地上部(恒温65℃条件下烘至恒重)的比值表示。

每个处理分别计算两种水分利用率，一是用单株产量与单株总耗水量的比值表示，WUEy；二是用单株干物质量(根+茎+叶)与单株总耗水量的比值表示，WUEb。由下式计算：

(3)

(4)

式中：y为单株产量(kg·株-1)；W为单株总耗水量(kg·株-1)；Wd为单株干物质量(g·株-1)。

采用Microsoft Excel2007进行数据整理，利用统计软件SPSS16.0中 Duncan比较法进行差异显著性分析(P≤0.05)。

2结果与分析

2.1不同处理对耗水量的影响

不同处理的番茄苗期、开花坐果期、盛果期和全生育期单株耗水量如图2所示，单株番茄耗水量随番茄生育进程呈增加趋势，变化趋势符合随番茄植株生长耗水强度增大的规律。苗期，单株番茄耗水量较小，处理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ之间单株耗水量无显著差异，开花坐果期、盛果期和全生育期3个处理单株番茄耗水量排序为Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ，盛果期3个处理单株耗水量之间均有显著性差异(P≤ 0.05)，全生育期单株总耗水量无显著性差异(P≥0.05)。

图2不同处理对不同生育期和全生育期的

单株番茄耗水量的影响

Fig.2Effects of different treatments on water consumption of

individual plant at different stages and total stages

2.2不同处理对不同深度土壤含水量的影响

图3表示处理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ在土壤深度0～5、5～10、10～15 cm和15～20 cm的含水量变化。土壤含水量范围排序为处理Ⅲ>处理Ⅱ>处理Ⅰ。随土壤深度增加，处理Ⅰ土壤含水量变化趋势呈“S”型，深度15 cm左右土壤含水量达到最大值。处理Ⅱ和Ⅲ的纵剖面土壤含水量变化趋势一致，即低→高→低，其中处理Ⅱ和Ⅲ分别在深度5～10 cm和10～15 cm处土壤含水量最高。3个处理的负水头供水盆栽装置所设吸力值相同，但控制的土壤含水量却不同，说明供水盘埋设方式对土壤水分分布有一定影响。

图3不同处理不同深度土壤含水量变化

Fig.3Changes of soil water content by different

treatments at different depths

2.3不同处理对株高、茎粗与叶片数的影响

由图4看出，随生育进程增长，各处理的株高、茎粗和叶片数基本一致，无明显差异(P≥0.05)。处理Ⅲ株高和叶片数处于优势，而茎粗相对于处理Ⅱ却较小；处理Ⅰ限制了植株生长发育，这些情况说明土壤含水量较高或较低均不利于茎粗增加。处理Ⅱ使植株健壮生长，适当降低株高，协调植株营养生长与生殖生长间的矛盾，可达到高产、优质、高效、节水的目的。

图4不同处理对番茄生长发育的影响

Fig.4Effects of different treatments on growth and development

2.4不同处理对净光合速率和时段耗水量的影响

不同处理植株叶片净光合速率和番茄时段耗水量的日变化数据列入表1。表1数据表明3个处理的净光合速率在各时刻均出现显著性差异。各处理番茄叶片净光合速率日变化均出现双峰，两个峰值分别在12时和16时，处理Ⅰ和Ⅲ中16时的峰值高于12时的峰值，而处理Ⅱ中情况相反。说明供水盘埋设方式对植株净光合速率有影响。

3个处理每2 h的植株耗水量日变化呈现早上较低，午后最高，下午较低的相同趋势。每时段中各处理的植株耗水量无显著性差异，但从数值上比较，处理Ⅰ供水量均为最高，处理Ⅲ次之，处理Ⅱ最低。各处理在12～14时供水量均出现最高值。

2.5不同处理对根重密度分布和根冠比的影响

表2所示，处理Ⅰ中供水盘倾角9°埋放于10～20 cm土层的⑤、⑥、⑦和⑧象限内，此土层的含水量较高，其根重密度分别是处理Ⅱ和Ⅲ同土层的2.98和2.06倍。处理Ⅱ为1个供水盘竖向埋设于土壤①、②、⑤和⑥象限内，这4个象限内土壤含水量较高，①、②象限和⑤、⑥象限的根重密度分别是③、④象限和⑦、⑧象限的2.13倍和4.86倍。处理Ⅲ为2个供水盘竖向分别埋设于土壤①、②、⑤、⑥象限和③、④、⑦、⑧象限内，①～④和⑤～⑧象限内根系分布均匀，①、②象限和⑤、⑥象限的根重密度分别是③、④象限和⑦、⑧象限的1.01倍和0.93倍。结果说明根系主要集中于供水盘附近生长，供水盘的埋设方式对根系分布有影响。

表1　不同处理对番茄净光合速率和时段耗水量的影响

注：同一列不同小写字母表示P≤0.05水平差异显著。

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

表3数据反映出植株地上部干物质量处理Ⅰ>处理Ⅲ>处理Ⅱ；根系干物质量处理Ⅲ>处理Ⅰ>处理Ⅱ；根冠比处理Ⅲ>处理Ⅰ>处理Ⅱ。表明处理Ⅲ的土壤含水量状况有利于增加植株根系生物量，根冠比最大。

表2　不同处理对土壤各深度和象限中根重密度的影响

表3　不同处理对番茄植株干物质分配和根冠比的影响

2.6不同处理对产量和水分利用率的影响

3个处理的番茄产量、干物质量、全生育期总耗水量和2个水分利用率WUEy和WUEb分别列于表4。由表4数据看出，处理Ⅱ与处理Ⅰ、Ⅲ相比，单株番茄总耗水量为最低，单株产量却最高，处理Ⅱ相较于处理Ⅰ和Ⅲ分别节水18.14%和13.70%，分别增产12.70%和15.45%，处理Ⅱ水分利用率WUEy显著高于处理Ⅲ和处理Ⅰ。说明单个供水盘竖向埋设于根系一侧有利于提高产量和水分利用率，降低耗水量。

表4　不同处理对番茄单株产量、干物质量、总耗水量和水分利用率的影响

注：同一列不同小写字母表示P≤0.05水平差异显著。

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

3讨论与结论

试验结果表明，3个处理的总耗水量之间无显著性差异，说明供水盘数量和埋设方式对全生育期内供水盘总流量影响较小；但从数值上比较，处理Ⅱ的总耗水量低于处理Ⅰ和Ⅲ，分别节水18.14%和13.70%。

本试验中，相同吸力条件下，负水头供水盆栽装置供水盘的不同埋设方式对其周围土壤含水量有一定影响，这与供水盘的埋设位置和数量有关。处理Ⅰ单个供水盘以倾角9°埋设于盆栽容器底部，土壤水分在水势梯度作用下向土壤上层扩散，含水量逐渐减小；在光照条件下，盆栽容器表面的膜下温度升高使土壤水分蒸发，则膜内表面结成水珠后湿润表层土壤，因此，相对于5～10 cm，0～5 cm的土壤含水量较高，则土壤纵剖面含水量呈“S”型。单盘和双盘竖向埋设于盆栽容器一侧和双侧，其内部的水分在土壤水基质势和重力势作用下向土壤扩散，则土壤纵剖面含水量基本相同。处理Ⅲ的土壤含水量高于处理Ⅰ和Ⅱ，可能由于此处理由双盘供水，存在湿润锋交汇情况，而土壤含水量取样点在湿润锋交汇附近。

植株株高、茎粗和叶片数等指标不仅取决于自身遗传特性，还受到土壤水分、养分等环境条件的影响[15-16]。王淑红等(2003)[17]，齐红岩等(2004)[18]，高方胜等(2005)[19]研究表明，较高的土壤含水量有利于番茄株高、茎粗及各器官重量增加，但土壤含水量过高反而不利于坐果[19]。本试验中，处理Ⅱ与处理Ⅰ、Ⅲ相比，可使番茄植株根系周围的土壤含水量处于适宜范围，有利于控制植株长势，增加茎粗和叶片数量，提高产量。

研究表明，根系空间分布和数量影响着土壤水分分布和根系吸水速率，同时土壤含水量的分布又制约着根系空间的分布和多少[16]。Asher等(1992)[20]，Gallardo等(1994)[21]，冯广龙等(1996)[22]等认为根系倾向于水分含量高的区域增殖。本试验中，处理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的植株品种统一、栽种深度一致，其根系均主要集中于供水盘附近生长分布，与上述观点一致。3个处理中，虽然供水盘埋设方式不同，但根系均会穿过供水盘与盆栽容器的缝隙延伸至供水盘另一侧生长，所以供水盘的埋设方式对根系生长没有阻隔；另外，相对于处理Ⅰ和Ⅱ，处理Ⅲ的根系干物质量最大，表明土壤体积虽略小一些，但并不影响根系生长。

在以后应用负水头供水盆栽装置的生产实践中，应采用1个供水盘竖向埋设于根系一侧，可保证供水效果和效益。为了充分发挥负水头供水盆栽装置对番茄的生理调控作用，使土壤处于更适宜的含水量范围，还需要对供水吸力的设定做进一步研究，才能更好发挥这种供水方法和装置的节水高产效果。

参 考 文 献：

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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

中图分类号：S275.9

文献标志码：A

作者简介：张芳(1984—)，女，河南开封人，博士生，主要从事农业水土工程研究。 E-mail:zf200612915@126.com。通信作者：张建丰(1962—)，男，教授，博士生导师，主要从事土壤水分运动与灌区自动化等研究。 E-mail:jfzhang@mail.xaut.edu.cn。

基金项目：北京市自然科学基金资助项目(6142008)；国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AA101903-1)；北京市农林科学院科技创新能力建设专项资助项目(KJCX20140415)

收稿日期：2015-01-20

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.38

文章编号：1000-7601(2016)02-0239-06