负水头供水源位置对番茄生长和水分利用率的影响.pdf

第4 3卷第3期2 0 2 3年6月水土保持通报B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.4 3,N o.3J u n.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 2 修回日期:2 0 2 3-0 1-2 8 资助项目:河南省自然科学基金资助项目“负水头调控下灌水器出水通量曲线动态响应机制”(2 2 2 3 0 0 4 2 0 2 3 7);河南省高等学校重点科研项目计划“负水头灌溉下土壤水分空间分布及其对番茄耗水规律的影响研究”(2 0 B 4 1 6 0 0 2);开封市黄河流域生态保护和高质量发展创新专项计划项目(2 0 1 9 0 1 3);河南省科技攻关项目(G G 2 0 2 2 5 8)第一作者:张芳(1 9 8 4),女(汉族),河南省开封市人,博士,讲师,主要从事农业节水灌溉方向的研究。E m a i l:z f 2 0 0 6 1 2 9 1 51 2 6.c o m。负水头供水源位置对番茄生长和水分利用率的影响张 芳1,高子乐2,冯跃华2,孙晋锴2,姜 楠1,冯 峰1,薛绪掌3(1.黄河水利职业技术学院 水利工程学院,河南 开封4 7 5 0 0 4;2.河南省豫东水利工程管理局,河南 开封4 7 5 0 0 2;3.北京市农林科学院智能装备技术研究中心,北京1 0 0 0 9 7)摘 要:目的研究负水头灌溉对番茄生长、灌水方式和水分利用率等的具体影响,旨在为完善负水头灌溉技术体系和提高水资源高效利用等提供科学依据。方法采用单盆单株的盆栽试验方法,利用负水头灌溉技术,研究了供水源位置对番茄长势、灌水量、产量和水分利用率的影响。结果负水头供水源位置对于番茄的生长和水分利用率有显著影响。与双盘埋设于根系两侧并交替供水相比,单盘竖向埋设于根系一侧供水和供水盘水平埋放于根系底部供水的单株产量分别增产1 4.3%和0.5%;根系两侧并交替供水的番茄植株生长趋势和地上部植株干物质量相对较小,但与其他两种供水位置相比其根冠比均提高3 3.3%;另外,根系两侧并交替供水的单株番茄总灌水量可降低2 4.7%和1 7.4%,较其他两种供水源位置的单侏水分利用率分别提高4 3.8%和1 4.8%;根系趋向供水源处生长。结论不同的负水头灌溉水源埋设位置显著影响番茄生长的参数是不同的,就设计的试验组次而言,在有效利用水资源,促进番茄植株生长和提高番茄产量等方面,双盘埋设于根系两侧并交替供水的方式最优,能有效降低灌水量,提高水分利用率,是最优处理,可以在实践中予以推广。关键词:负水头灌溉;水分利用率;番茄;水分利用率;长势文献标识码:A 文章编号:1 0 0 0-2 8 8 X(2 0 2 3)0 3-0 0 8 0-0 6 中图分类号:S 2 7 5,S 1 5 2.7文献参数:张芳,高子乐,冯跃华,等.负水头供水源位置对番茄生长和水分利用率的影响J.水土保持通报,2 0 2 3,4 3(3):8 0-8 5.D O I:1 0.1 3 9 6 1/j.c n k i.s t b c t b.2 0 2 3.0 3.0 1 1;Z h a n gF a n g,G a oZ i l e,F e n gY u e h u a,e t a l.E f f e c t so fw a t e rs u p p l yl o c a t i o ni na n e g a t i v ep r e s s u r e i r r i g a t i o ns y s t e mo nt o m a t og r o w t ha n dw a t e ru s ee f f i c i e n c yJ.B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,4 3(3):8 0-8 5.E f f e c t so fW a t e rS u p p l yL o c a t i o ni nA n e g a t i v eP r e s s u r e I r r i g a t i o nS y s t e mo nT o m a t oG r o w t ha n dW a t e rU s eE f f i c i e n c yZ h a n gF a n g1,G a oZ i l e2,F e n gY u e h u a2,S u nJ i n k a i2,J i a n gN a n1,F e n gF e n g1,X u eX u z h a n g3(1.D e p a r t m e n t o fH y d r a u l i cE n g i n e e r i n g,Y e l l o wR i v e rC o n s e r v a n c yT e c h n i c a l I n s t i t u t e,K a i f e n g,H e n a n4 7 5 0 0 4,C h i n a;2.H e n a nE a s tW a t e rC o n s e r v a n c yE n g i n e e r i n gA d m i n i s t r a t i o n,K a i f e n g,H e n a n4 7 5 0 0 2,C h i n a;3.R e s e a r c hC e n t e r o fI n t e l l i g e n tE q u i p m e n t s,B e i j i n gA c a d e m yo fA g r i c u l t u r ea n dF o r e s t r yS c i e n c e s,B e i j i n g1 0 0 0 9 7,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h es p e c i f i ce f f e c t so fn e g a t i v eh e a di r r i g a t i o ns y s t e mo nt o m a t og r o w t h,i r r i g a t i o nm e t h o d,a n dw a t e ru t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yw e r es t u d i e di no r d e rt op r o v i d es c i e n t i f i cr e f e r e n c e sf o r i m p r o v i n gt h e t e c h n i c a l s y s t e mo fn e g a t i v eh e a d i r r i g a t i o na n df o r i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n tu t i l i z a t i o no fw a t e r r e s o u r c e s.M e t h o d sAp o t e x p e r i m e n tw a s c o n d u c t e dt os t u d yt h ee f f e c t so fw a t e r s u p p l y l o c a t i o no nt o m a t og r o w t h,w a t e rr e q u i r e m e n t,y i e l d,a n d w a t e r u s ee f f i c i e n c y b y u s i n g n e g a t i v e p r e s s u r ei r r i g a t i o nt e c h n o l o g y.R e s u l t sT h e l o c a t i o no f t h en e g a t i v ep r e s s u r ew a t e rs u p p l yl o c a t i o nh a das i g n i f i c a n te f f e c to nt h eg r o w t ha n dw a t e ru s ee f f i c i e n c yo f t o m a t o.T h ey i e l d so fp l a n t s i r r i g a t e dw i t has i n g l ew a t e r-s u p p l y i n gd i s cb u r i e dv e r t i c a l l yo no n es i d eo ft h er o o ts y s t e ma n dw i t has i n g l ew a t e r-s u p p l y i n gd i s cb u r i e dh o r i z o n t a l l ya tt h eb o t t o mo f t h er o o t s y s t e m w e r e1 4.3%a n d0.5%,r e s p e c t i v e l y,l o w e r t h a nt h ey i e l dp e rp l a n t i r r i g a t e dw i t haw a t e r-s u p p l y i n gd i s cb u r i e do ne a c hs i d eo f t h er o o ts y s t e ma n da l t e r n a t e l ys u p p l y i n gw a t e r.T h eg r o w t ha n dd r yw e i g h t t r e n d s o f a b o v eg r o u n dp a r t s o f t o m a t op l a n t sw i t ha l t e r n a t ew a t e r s u p p l yo nb o t hs i d e s o f t h er o o t s y s t e m w e r er e l a t i v e l ys m a l l,b u t t h er o o t-s h o o t r a t i ow a s3 3.3%g r e a t e r t h a no b s e r v e dw i t ht h eo t h e rt w ow a t e rs u p p l yl o c a t i o n s.M o r e o v e r,t h et o t a lw a t e rr e q u i r e m e n to fp e rp l a n t f o rt o m a t op l a n t s i r r i g a t e dw i t ht h ea l t e r n a t ew a t e r s u p p l yo nb o t hs i d e so f t h e r o o t s y s t e mw a s2 4.7%a n d1 7.4%,r e s p e c t i v e l y,l o w e rt h a nw i t ht h eo t h e rt w ow a t e rs u p p l yl o c a t i o n s,a n dw a t e ru s ee f f i c i e n c yo fs i n g l ep l a n tw a s4 3.8%a n d1 4.8%g r e a t e r,r e s p e c t i v e l y.R o o t s t e n d e dt og r o w m o r ea t t h ew a t e rs u p p l ys o u r c e.C o n c l u s i o nD i f f e r e n tn e g a t i v ew a t e rh e a db u r i e d i r r i g a t i o nw a t e r s o u r c e l o c a t i o n s s i g n i f i c a n t l ya f f e c t e dt o m a t og r o w t hp a r a m e t e r s.I nt e r m so fe f f e c t i v eu t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s,p r o m o t i o no ft o m a t op l a n tg r o w t h,a n di n c r e a s eo ft o m a t oy i e l d,t h eo p t i m a l t r e a t m e n tw a st h es y s t e mo fd i s k sb u r i e do nb o t hs i d e so ft h er o o ts y s t e ma n ds u p p l y i n gw a t e ra l t e r n a t e l y.T h i ss y s t e mc a ne f f e c t i v e l yr e d u c ei r r i g a t i o nw a t e ra m o u n ta n di m p r o v ew a t e ru t i l i z a t i o nr a t e,a n ds h o u l db ep r o m o t e da sa ne f f e c t i v ep r o d u c t i o np r a c t i c e.K e y w o r d s:n e g a t i v ep r e s s u r e i r r i g a t i o n;w a t e ru s e e f f i c i e n c y;t o m a t o;w a t e r r e q u i r e m e n t;g r o w t h 目前,中国较为普遍采用的灌溉技术主要有滴灌和喷灌等。随着人们对水资源节约集约高效利用的不断重视,一些新的节水技术也在不断发展中,负水头灌溉技术就是新的技术之一1。负水头灌溉技术可以依靠土壤物理特性和植物吸水特性,让植物根据自身所处的环境和生育期在缺水时主动及时地吸取水分,减少了地表蒸发和水分渗漏。随着负水头灌溉技术在设备材料和安装方法等方面的日趋成熟,先后有不少研究者开展相关试验,分析了负水头对番茄、黄瓜、豆角、菠菜、小油菜生长、生理等指标的影响,明确了负水头对各种作物的耗水量、产量、品质和水分利用率等指标的影响机制,以及最适宜菠菜2-3、大豆4、黄瓜5-6、番茄7-1 1、小油菜1 2等作物生长的供水水头相关参数1 3。李霞等7-1 1提出有利于番茄生长的供水水头为-4-7k P a,为负水头灌溉技术的完善与推广提供了理论和实践依据。另外,有相关文献提出,在交替供水情况下,当一半根系交替处于干燥状态会发出信号“提示”叶片闭合气孔,减少蒸发,降低对水分和养分的吸收,从而可能会导致植株生长相对较慢1 3-1 7。目前有关负水头灌溉应用基础与关键技术的试验研究,基本上都是根据试验场地大小、盆栽容器尺寸、供水盘尺寸或安装简便程度等,主观地将供水盘埋设于根系附近,却忽略了供水盘作为供水源,其埋放位置对植物耗水量的影响,较少考虑供水盘对根系吸收水分的位置、范围、均匀性和速率等方面的影响,以及对植物的耗水规律、生长生理性状、产量、品质和节水效果的作用机制。显然,为深化认识负水头灌溉对作物生长及水分利用效率的影响机制,实现农业节水高产,开展基于负水头灌溉的供水位置对作物生长和节水的影响作用是非常必要的。为此,本研究围绕负水头供水源空间位置的影响效应,开展番茄栽培试验,分析负水头供水源埋设位置对番茄生长、灌水量、产量和水分利用率的影响作用,寻求负水头技术应用中提高水分利用率的方法,认识负水头供水源空间埋设位置对番茄生长的节水效果,并为负水头灌溉技术的实践应用提供一定的数据参考。1 材料与方法1.1 试验地点及时间负水头灌溉供水源空间埋设位置对番茄生长的影响试验于2 0 2 0年71 0月在豫东水利工程管理局惠北水利科学试验站的大棚内开展。番茄定植于7月2 0日,苗龄5叶1心,8d后试验开始处理,第四穗果后摘去植株生长点,1 0月1 1日结束试验。试验期间大棚内的日均温度约为2 8。1.2 试验材料试验采用番茄(品名京番4 0 2)为试验对象。采用负水头供水盆栽装置1 8进行供水,此装置由储水桶、控压管、导气管和供水盘组成。供水盘为圆盘状,直径为1 9c m,厚度为1.5c m,内部具有空腔通道,多孔硅藻土陶瓷材质。番茄栽种由直径3 2c m,高2 5c m的容器盛装(图1)。1.3 土壤条件试验采用的土壤由黏壤土和珍珠岩组成,其体积比为41,容重为1.2 5g/c m3,田间持水率f(占土体的体积)为2 7.6%。试验前土壤有机质含量2 1.5 6g/k g,全氮0.4 6g/k g,全磷0.8 9g/k g,全钾1 7.3 8g/k g。每个盆栽容器内施基肥,尿素8.5 0g/盆,磷酸二铵8.5 0g/盆,硫酸钾5g/盆,追肥施用尿素4.2 0g/盆,鸡粪2 0g/盆。1.4 负水头供水盆栽装置节水原理将负水头供水盆栽装置和土壤看作一个整体系统,基于能量守恒原理,当供水盘周围土壤水势因地表蒸发和植株蒸腾导致减小时,若其小于供水盘内水势,供水盘中的水会通过盘的多孔表面渗入土壤孔隙,补给土壤消耗的水量。当供水盘内部与其外部周18第3期 张芳等:负水头供水源位置对番茄生长和水分利用率的影响围土壤水势一致时,供水盘内水分不再运动,土壤含水量维持稳定。由于供水盘内水量减少,储水桶内水会进入供水盘,此时储水桶内水位降低,压强下降。基于连通器原理,大气依次经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1。维持供水盘内外水势一致的负压值等于控压管内水位高度减去储水桶进气口与供水盘中心高度差的差值。负压可以维持土壤含水量处于一个变化幅度极小的范围内,只要控制适宜的负压,就可以及时补充土壤含水量的减少量,所以一定时段内储水桶内水位变化量就是对应时段植物的灌水量。因此,负水头供水转变了传统灌溉的理念,将根系的“被动灌水”变成“主动吸水”,“浇地”变为“浇根”,有效减少渗漏和蒸发,从而节约了水资源。1.5 试验设计根据供水源埋设位置设3种处理:将单个供水盘水平埋放于根系底部(处理);将单个供水盘于根系一侧竖向埋设(处理);将2个供水盘分别竖向埋设于根系两侧,每周交替供水(处理),两供水盘中间用塑料板作为隔档(图1),每个处理5个重复,每个重复种植1株番茄。处理,和的负水头均设为-5k P a。处理在盆栽容器内装土时放置一块厚0.5c m的塑料隔板,塑料隔板通过盆栽容器中心 且与双盘平行,并与盆栽 容器边壁贴合,不能过水,高度低于土壤表面2c m,便于定植植株。试验初期在土壤表面覆有一层透明薄膜。注:土壤分为上下两层,以植株茎秆为圆心,把土壤分为4个象限,第在土壤上层,在土壤下层;处理具体含义见1.5试验设计具体内容。下同。图1 负水头供水装置及试验示意图F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fw a t e r s u p p l y i n gd e v i c ew i t hn e g a t i v ep r e s s u r ea n de x p e r i m e n td e s i g n1.6 测试内容及方法本试验观测灌水量、植株生长、土壤含水量、水分利用率等参数。每日8时观测1次水位,根据两次观测的水位下降高度和装置内径,换算出前一天的植株灌水量。试验过程中无渗漏情况,蒸发量不计,采用累积法计算番茄各生育期灌水量和总灌水量。处理开始后,每间隔7d测量株高、茎粗和叶片总数。番茄各处理记录鲜果重量,总产量采用累积法计算。结束试验前,在植株茎旁侧沿土壤纵剖面向下每5c m取土,采用烘干法计算土壤含水量。试验结束后,将容器内土壤由上向下均分为两层,土壤表面向下01 0c m和1 02 0c m分别为第一层和第二层,每层以主根为原点,在水平方向划分4个象限。按照先上层后下层顺序和象限分布,将两个分层中包含的土壤部分和根系部分依次编号为和部分。采用水洗法测取每个象限中的根密度。另外分别测定根冠比、鲜果水分生产率、干物质水分生产率、灌水量。采用两种方法计算水分利用率,一是用单株产量与单株总需水量的比值表示,WU Ey;二是用单株干物质量(根+茎+叶)与单株总需水量的比值表示,WU Eb,即 WU E=yW1 0 0%,WU Eb=WdW28 水土保持通报 第4 3卷式中:y为单株产量,k g/株;Wd为单株干物质量(根+茎+叶,g/株);W为单株总需水量,k g/株。采用M i c r o s o f tE x c e l 2 0 1 9和S P S S2 0整理分析试验数据。2 结果与分析2.1 供水源埋设位置对株高、茎粗与叶片数的影响植株株高、茎粗和叶片总数受自身特性和所处土壤水分等环境要素的影响,所以是体现番茄长势的重要指标1 5。由图2可知,定植后第82 2d之间3个处理的株高、茎粗和叶片数长势基本一致,差异较小(p0.0 5),茎粗分别增长了1 5.9%和1 7.6%(p0.0 5),叶片数分别增长了1 3.8%和2 1.0%(p处理处理;但就根系干物质量而言,处理处理处理;处理的根冠比与处理情况相同,均,盛果期是灌水量最大的时期,与处理和相比,处理的单株番茄灌水量可节水2 2.4%和1 1.5%。由表4可知,处理的单株产量最高,与处理,相比,处理的单株产量分别增产1 4.3%和0.5%。处理的植株干物质量与处理,相比,分别提高0.9%和0.8%。虽然处理的产量和植株干物质量不是最高,但是单株总灌水量是最低,水分利用率WU Ey和WU Eb均为最高。与处理和相比,处理分别节水2 4.7%和1 7.4%,水分利用率WU Ey分别提高4 3.8%和1 4.8%,水分利用率WU Eb是其1.2 3倍和1.2 2倍。说明供水源交替给根系供水,总体来说可在不降低产量的条件下,有效降低灌水量,明显提高水分利用率。图3 苗期、开花坐果期和盛果期的单株番茄灌水量F i g.3 I r r i g a t i o na m o u n t o fp e r t o m a t op l a n t i ns e e d i n g,b l o o m i n g-s e t t i n ga n df u l lp r o d u c t i v e s t a g e s s表4 不同处理对番茄单株产量、植株干物质量、总灌水量和水分利用率的影响T a b l e4 E f f e c t so fd i f f e r e n t t r e a t m e n t so np e rp l a n t y i e l d,d r ym a t t e r,t o t a l i r r i g a t i o na m o u n t a n dw a t e ru s e e f f i c i e n c yo f t o m a t o处理产量(k g/株)植株干物质量(g/株)总灌水量(k g/株)WU Ey/%WU Eb1.6 80.1 56 5.9 22 7.6 33 8.6 24.2 14 3.5 03.7 41.7 10.1 81.9 20.1 26 0.5 62 9.5 43 5.2 33.9 55 4.5 04.7 11.7 20.2 51.8 20.1 46 1.0 02 3.7 62 9.1 03.8 76 2.5 45.3 42.1 00.2 1 由于试验结束相对较早,第4穗果的果实发育不足,对产量具有一定影响。在本试验中,为了能精准测量到番茄的耗水量,在土壤表面覆膜,由于前期大棚白天晚上温度差较小,处理的供水盘平放可满足水分需求,植株生长较好,在后期早午温差较大,土壤表面的膜内蒸发水量较大,膜内集聚的水分很多,水分又进入土壤,致使土壤水分较高,进而影响果实的生长。为了缓解此种情况,揭膜后,处理供水盘竖放促进了植株和果实增长。同时,但也不排除供水盘对土壤水分湿润度的影响问题。所以本试验还要进一步研究土壤水分再分布、大棚温度和供水盘的出水速率等方面对番茄生长的影响。48 水土保持通报 第4 3卷3 结 论(1)负水头灌溉水源供水位置对番茄生长有显著影响,但不同埋设位置对番茄生长的影响参数是不同的,有的对长势影响大,有的对产量影响大,有的则对水分利用率影响大,即影响对象具有不一致性。在试验组次内,与处理,相比,处理可使提高番茄植株生长趋势,增加地上部植株干物质量,在三维空间内相对均匀地控制土壤含水量分布;而处理较处理可提高单株产量,增加1 4.3%,处理的增产却不明显。(2)负水头灌溉水源供水位置对水分利用效率也有显著影响。与处理,相比,处理的根冠比均提高了3 3.3%,单株番茄总灌水量可降低2 4.7%和1 7.4%,水 分 利 用 率WU Ey分 别 提 高4 3.8%和1 4.8%,水分利用率WU Eb是其1.2 3倍和1.2 2倍。(3)综合评价,在本项研究的试验组次内,处理可在不降低产量的条件下,能有效降低灌水量,提高水分利用率,是最优处理。参考文献1 张芳,薛绪掌,张建丰,等.负水头供水盘埋设方式对番茄生长和水分利用率的影响J.干旱地区农业研究,2 0 1 6,3 4(2):2 3 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