节水减氮对温室番茄生长及水氮利用率的影响

李旭峰，马娟娟*，孙西欢,2，石小虎，郭向红，雷涛,3

(1. 太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024； 2. 晋中学院院长办公室，山西 晋中 030619；3.有机旱作山西省重点实验室，山西 太原 030031)

水肥利用率低是制约农民增产增收的主要因素，灌水、施氮过多或不足会造成水肥资源浪费或重度亏缺，甚至直接或间接造成土壤污染[1].近年来，膜下滴灌作为干旱半干旱地区一种高效灌溉方法，集覆膜与滴灌优点于一体，在现代农业生产中应用广泛.研究表明，与常规灌溉相比，膜下滴灌节水效果显著，可提高水分利用率5%～29%，提高肥料利用率约21%[2-4].因此，研究膜下滴灌条件下节水减氮对设施番茄高产高效生产具有重大意义.

张燕等[5]和DU等[6]研究表明：在一定范围内，番茄产量及水肥利用率随着水氮用量的增加而提高，当超过某一阈值时，番茄产量并没有显著增加，且水肥利用率出现下降的趋势.根系是作物吸收并运输水分和养分的主要器官，一般直径小于2 mm的根为细根，细根具有较大的吸收面积，是植物吸收水分和养分的主要根系级配[7], 刘世全等[8]在田间进行不同水氮处理试验，研究结果表明小南瓜产量与细根根长之间均有显著的线性关系.

目前研究主要集中在不同灌水量和施氮量梯度对番茄生长及水氮利用率方面的影响[9]，而在番茄生长和产量对节水后复水效果以及节水减氮敏感性等方面的研究相对较少[10].基于此，文中通过在番茄不同生育期减少灌水量，与在全生育期充分灌水对比，并在常规施氮水平的基础上减少施氮量，探索节水减氮对番茄生长规律与水氮利用率的影响.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验场地位于山西省农业科学院旱地农业研究中心河村试验基地日光温室，试验地位于112°90′E，38°05′N，海拔1 248.5 m，试验温室为非加热型自然通风温室，东西走向(长×宽×高，50.4 m×7.6 m×4.6 m).试验地年均降水量459.0 mm，年均蒸发量1 546.9 mm，年均温度5～7 ℃，全年无霜期144 d，10 ℃以上的积温2 840.6 ℃，试验地地势平坦，土壤为黄土质淡褐土.试验前0～15 cm土壤平均容重为1.43 g/cm3，田间持水量为0.31 cm3/cm3，全氮为1.12 g/kg，碱解氮为52.21 mg/kg，速效磷为22.31 mg/kg，速效钾为120.32 mg/kg.

1.2 试验方法与设计

番茄于2018年5月19日定植，9月15日拉秧，供试品种为“番茄1702”，生育期划分为缓苗期(2018-05-19—2018-06-01)、苗期(2018-06-02—2018-06-13)、开花坐果期(2018-06-14—2018-08-14)、成熟期(2018-08-15—2018-09-15)，滴灌施肥采用的氮、磷、钾肥分别为尿素(wN≥46.4%)、钙镁磷肥(wP2O5≥15.0%)、氯化钾(wK2O≥57%).

本试验设计灌水和施氮2个因素，灌水设计4个水平，施氮设计3个水平，试验处理设计详见表1，表中W为各处理灌水定额，W=(0.9θFc-θv) ×Zr×S×0.6，单位为m3.其中，θFc为田间持水量,cm3/cm3；θv为灌水前的土壤含水量,cm3/cm3；Zr为计划湿润层深度，取0.6 m；0.6为湿润比；S为每个处理的灌水面积，S=25.2 m2.常规施氮量mN为400 kg/hm2，较常规施氮减少25%为300 kg/hm2，较常规施氮减少50%为200 kg/hm2.其中W1的灌水下限为60%～65%θf，其他3个水平与W1同时灌水；氮肥分期施入，定植前基施总量的3/5，在第一穗果实膨大期(2018年7月13日)与第三穗果实膨大期(2018年8月3日)分别等量追施1/5.试验采用完全随机区组设计，共12个处理，每个处理设3个重复.定植后为保证其成活率，采用地面灌溉定植水20 mm，从苗期开始灌水处理.

表1 番茄节水减氮调控试验方案

1.3 温室管理与农艺措施

定植前在温室内各小区按试验设计施入基施氮肥，并将全部的磷肥(200 kg/hm2)、钾肥(300 kg/hm2)和有机肥(20 000 kg/hm2)做基肥均匀施入耕作层.温室共分为14个小区，小区长7.0 m，宽3.6 m，面积为25.2 m2，用于试验处理的有12个小区，其他用作保护小区，每小区设3沟3垄，采用“一膜双行双管”配置模式，行距为0.6 m，株距为0.5 m，在垄上对番茄进行管理、喷药、采收等农务.试验小区之间埋设塑料薄膜，以防止各处理间相互干扰.定植时，番茄幼苗按单穴单株定植在垄两侧，提前3～4 d铺设黑色塑料地膜.全生育期内，每株番茄在4穗果后摘心，每穗留5～6个番茄.其他喷药等措施均按当地常规进行.

1.4 测定指标与方法

本试验测试的指标为番茄株高、茎粗、根系形态及水氮利用率.

1.4.1 番茄株高、茎粗

从苗期开始，每隔6～11 d测定1次，株高从植株基部到生长点，利用卷尺测量；茎粗在植株第1片真叶下部，沿2个垂直的方向各测1次，利用电子游标卡尺测量.

1.4.2 根系形态指标

于番茄生育期末测定1次根系形态，整根取样采用挖掘法，开挖的范围是以番茄植株为中心形成的40 cm×40 cm的正方形区域，挖掘深度为0～60 cm，以15 cm为1层，取样后用孔隙直径为0.5 mm的筛子冲洗，用Epson Perfection进行根系扫描，采用根系分析软件(WinRHI ZO version 5.0) 进行分析.

1.4.3 产量及水氮利用率

用精度为0.05 kg的电子天平测量各处理番茄的产量，水氮利用率计算公式:

灌溉水利用效率=番茄产量/灌水量，

氮肥偏生产力=番茄产量/氮肥用量.

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel处理数据并作图，用SPSS17.0软件进行数据分析.

2 结果与分析

2.1 节水减氮对地上部分生长的影响

表2 番茄株高茎粗的实测值及最大生长速率

由表2可知，当灌水量一定时，减少施氮量对番茄株高、茎粗有显著影响，在W1，W2水平下，N1与N2水平之间差异不具有统计学意义(P>0.05)，但显著高于N3水平；而在W3，W4水平下，N1，N2，N3水平之间差异均具有统计学意义，表明与W1，W2水平相比，在W3水平下番茄植株生长对施氮量的响应更敏感；各灌水水平下，N1水平的番茄株高、茎粗值均比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，随着灌水量的减少，番茄株高、茎粗值逐渐降低，W1水平株高、茎粗值与W2差异不具有统计学意义，但显著高于W3，W4水平，表明在苗期减少灌水量并且开花坐果期复水，对番茄植株生长的影响不具有统计学意义(P>0.05).番茄在处理W1N1下株高、茎粗及各自MGR均达到最大值，分别为156.50 cm，1.71 cm，3.90 cm/d和0.06 cm/d，分别较处理W4N3高21.5 cm,0.30 cm,0.89 cm/d,0.02 cm/d.各处理番茄株高最大生长速率在定植后34～54 d,茎粗最大生长速率在定植后25～34 d.

2.2 节水减氮对番茄根系生长的影响

2.2.1 对番茄整根特征参数的影响

根系是作物吸收并运输水分和养分的主要器官，表3为各处理对温室番茄整根特征参数的影响，其中lt为总根长,l为直径小于2 mm 的根长，s为表面积，v为根体积.由表可知，各整根特征参数随不同水氮处理表现出相似规律，同一灌水水平下，各参数随着施氮量的减少先增大后减小.以细根为例，各施氮水平下细根总根长从大到小顺序为N2，N3，N1，表明减少25%施氮量会促进细根的生长，有助于对水分和养分吸收；在同一施氮水平下，番茄各整根特征参数随着灌水量的减小先增大后减小，W2水平的整根特征参数均高于其他灌水水平，表明在苗期减少灌水量，之后复水会促进番茄根系的发育.在处理W2N2下，番茄总根长，细根总根长最长，分别为17 989.70，16 417.72 cm，总表面积及总体积最大分别为7 289.11，40.31 cm3，分别较W1N1高33%，34%，46%和67%，是本试验条件下根系较发达的节水减氮组合.

表3 各处理对番茄整根特征参数的影响

2.2.2 温室番茄细根垂直分布规律

作物主要通过细根从土壤中吸收水分和养分，图1为不同水氮条件下番茄各层细根根长密度占总细根根长密度的比值ε.由图可知，当灌水量一定时，0～30 cm细根根长密度占比随着施氮量的减少而减少，而30～60 cm的根长密度占比则相反；当施氮量一定时，随着灌水量的减少，30～60 cm的根长密度占比逐渐增大，0～30 cm的占比则相反.表明常规灌水施氮会促进表层(0～30 cm)根系的发育，使番茄植株根系变浅，而节水减氮会使根系深扎，有利于细根吸收下层(30～60 cm)的水分和养分.

图1 节水减氮下番茄番茄根系垂直分布规律

2.3 不同处理对产量及水氮利用率的影响

水氮利用率是衡量作物水肥利用效率的指标，表4为不同水氮处理对温室番茄产量及水氮利用率的影响，其中y为产量，p为灌水量，WUE为灌溉水利用效率，PFPN为氮肥偏生产力.由表可知，番茄产量随着灌水量和施氮量的降低而减小，同一灌水、施氮水平下，当施氮量、灌水量减半时，产量均分别降低5%～12%，47%～51%，表明在本试验条件下灌水量对产量的影响大于施氮量.同一施氮水平下，W1与W2差异不具有统计学意义，W2，W3，W4之间差异具有统计学意义；同一灌水水平下，N1与N2差异不具有统计学意义，除W4水平外N2与N3差异均具有统计学意义，表明全生育期减少灌水量时，增加氮肥对产量影响不具有统计学意义；而减少50%施氮量时，增加灌水量对产量影响均具有统计学意义，可能是由于全生育期亏水使番茄植株对氮素吸收起到了制约作用.

表4 不同水氮条件下番茄水氮利用率

当灌水量一定时，除W2N2外灌溉水利用效率随着施氮量的降低而减小，氮肥偏生产力随着施氮量的降低而增大；同一施氮水平下，灌溉水利用效率随着灌水量减小呈先增大后减小的趋势，氮肥偏生产力随着灌水量的减少而减小，处理W2N2的灌溉水利用效率最大为49.31 kg/m3，较处理W1N3(最低值)高18%,处理W1N3的氮肥偏生产力最大为414.51 kg/kg，较处理W4N1(最低值)高72%.由于灌水对产量的影响大于施氮，且处理W1N3没有达到节水效果，所以处理W2N2为本试验条件下的最佳节水减氮处理.

3 讨 论

本研究结果表明随着灌水量及施氮量的减少，番茄株高、茎粗值逐渐减小，在处理W1N1下，番茄植株的株高、茎粗值最大，且生长速率也最快，王虎兵等[12]通过设置不同灌水施肥水平，测得番茄的株高、茎粗变化规律与本试验结果一致.但番茄地下部分的生长对灌水量及施氮量的响应则不然，石小虎等[9]通过在膜下沟灌条件下改变灌水量和施氮量，得出过于充裕的水氮不利于根系潜力的挖掘，文中也得出适当节水减氮(处理W2N2)可促进番茄根系生长的类似结论，且苗期节水后，复水对根系生长具有补偿效应.这是由于适度节水减氮会使番茄根系对水分和养分亏缺作出适应性反应，根系不断增多并向更远处延伸，寻求土壤水分和养分[12].

文中得出处理W1N1番茄产量高于W2N2，但同一施氮水平下，W1与W2水平产量差异不具有统计学意义，而处理W2N2的水氮利用率显著高于W1N1，这可能是由于产量对苗期节水的敏感程度小，且节水减氮会抑制叶片光合速率，降低光合产物的形成及向叶片的运移和转换，植株蒸腾面积相应减小，从而减少了植株耗水量所致[13].

4 结 论

1) 番茄在全生育期充分灌水且常规施氮水平下(W1N1)下株高、茎粗以及各自最大增长速率达到最大值，分别为156.50 cm，1.71 cm，3.90 cm/d和0.06 cm/d；番茄产量随灌水量、施氮量的减少而减少，其在处理W1N1下达到最大为94 207.35 kg/hm2.

2) 番茄整根特征参数均有随灌水量和施氮量减少呈先增大后减小的趋势，处理W2N2是本试验条件下根系最发达的水氮组合，番茄总根长、细根总根长、总表面积及总体积最大，分别为17 989.70 cm，16 417.72 cm，7 289.11 cm2，40.31 cm3；番茄0～30 cm细根根长密度占总根长密度的比例随着灌水量、施氮量的减少而减小，30～60 cm的比例则相反，节水减氮有助于番茄吸收下层水分和养分.

3) 在处理W1N1下，番茄株高、茎粗以及产量均高于处理W2N2，但整根特征参数则相反.且处理W2N2灌溉水利用效率最高，产量及氮肥偏生产力较优，其在略有减产的条件下具有明显的节水减肥效果，是本试验条件下的最佳节水减氮处理.