负水头供液施肥对温室番茄水分利用效率的影响

李银坤，徐 凡，薛绪掌，王利春，陈 菲，郭文忠

(北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097)

水肥是影响温室番茄生长发育及其产量形成的关键因素[1,2]。众多研究表明，适宜的水肥管理是温室番茄高产、优质与高效的重要保证[1,3]。目前，日光温室蔬菜栽培的灌溉施肥过程多是基于漫灌、沟灌、喷灌、渗灌以及滴灌技术进行的，存在水肥用量过高、灌水施肥不同步以及灌溉施肥时间不适宜等问题[3-4]。负水头灌溉技术是将一种透水不透气的供水器埋入土壤，利用植物本身的水分生理特征以及土壤张力学性质，实现作物主动吸水的过程，该技术能够实现土壤水分的精确与持续控制，可以避免土壤干湿交替的影响[5]。目前研究中，基于负水头灌溉技术在无土蔬菜栽培或盆栽试验中的应用较为广泛，且多是利用其对土壤水分持续恒定控制的功能，研究作物的耗水过程与水分调控优化方案[2,6]。但基于负水头供液系统如何实现水肥的一体化管理在当前研究中较为少见，尤其是针对日光温室蔬菜土壤栽培的研究更为少见。本研究基于负水头供液系统探讨了不同施肥模式对日光温室番茄蒸散特征及其水分利用效率的影响，以期明确日光温室番茄合理的灌溉施肥模式，为负水头供液系统下日光温室蔬菜生产科学水肥管理模式的建立提供理论依据和技术支撑。

1 试验方法

1.1 试验区基本情况

试验于2014年3月至2014年7月在北京市国家精准农业研究示范基地日光温室内进行。供试温室长29 m，宽8 m，试验前0～20 cm土壤密度1.39 g/cm3，土壤有机质质量分数23.3 g/kg，全氮质量分数1.57 mg/kg，田间持水率26.3%。试验小区长5 m，宽1.4 m，每区种植番茄2行，栽培方式为畦栽，行距60 cm，株距35 cm。小区之间用50 cm深PVC板隔离。供试番茄品种为仙客8号，于2014年3月21日定植，当年7月18日拉秧。

1.2 试验设计

基于负水头供液条件下设3种施肥模式(表1)：常规施肥处理(F1)、按EC值调配的施肥处理(F2)和营养液配方处理(F3)，每处理3次重复。处理F1和F2所用肥料为尿素(N，46.7%)、磷酸二氢铵(N∶P=1∶2.2)、硫酸钾(K2O，54%)。其中处理F1的施肥量根据目标产量、土壤养分含量及肥料利用率计算得到[7]，并按常规的基施和追施方式进行施肥。处理F2将肥料溶于水，以营养液的形式施入土壤，N∶P∶K按照番茄苗期1∶0.4∶1.4、开花坐果期11∶0.2∶1.7、成熟采摘期1∶0.3∶1.6调配[8]；处理F3按山崎大量元素配方进行施肥。其中处理F2和F3的营养液浓度按EC值调配，具体是：番茄苗期1.0 mS/cm、开花坐果期1.8 mS/cm、成熟采摘期2.5 mS/cm。

表1 日光温室番茄生长期间各处理施肥量 kg/hm2

1.3 负水头供液系统

利用负水头供液系统对试验小区进行灌溉和施肥。该系统主要由供液桶、恒液桶、控压管、集气瓶和多个盘式供水器组成，各部件之间由管道连接，形成了一个密闭系统(图1)。每套系统为单独小区供液，共计9套负水头供液系统。其中盘式供水器直径为20 cm，竖埋于25 cm深土壤中，上覆5 cm土壤，番茄种植在盘式供水器两侧。有关负水头供液系统结构及其工作原理详见邹朝望[5]和李邵[2]等文献。本试验中负水头供液系统的运行过程为：作物从土壤中获取水分，而干燥的土壤则从供水器中吸水，引起集气瓶中液位下降，导致集气瓶中的真空度增加；此时控压管中的空气将通过连接管道进入集气瓶，以弥补集气瓶中变化的真空度。由于控压管中真空度增加，将与外界大气压强形成一个气压差，此时恒液桶中的水将依次通过控压管、集气瓶和盘式供水器进入到土壤。恒液桶内安装有浮球装置，当恒液桶液位下降时，供液桶中的水(或营养液)将进入恒液桶。每天定时读取供液桶中液位下降的高度，即可得到作物在该时段内的耗液量。由于负水头系统供液吸力的大小决定了土壤含水量的高低，根据已有研究结果[2]，本试验中日光温室番茄的负水头供液吸力设定为5 kPa。

图1 负水头供液系统结构图

1.4 观测内容与方法

每天上午8∶00读取负水头供液桶内的液面下降高度，然后根据供液桶的内径换算出日蒸散量，日蒸散量的累加值即为番茄季的总耗水量。

在番茄关键生育期取0～20 cm土壤，具体取样位置在垂直距供水器20 cm处，利用烘干法测定土壤含水率。

在番茄成熟采摘期期，每处理随机取3株番茄，按根、茎、叶和果实等植株部位在105 ℃杀青30 min，然后在75 ℃烘至恒重，测定干物质量。

番茄采摘期，用电子天平(精度为0.01 g)记录每次采摘量，并统计各小区产量。

日光温室内的气象数据由美国CAMPBELL公司的AG1000小气候监测系统监测。

2 结果与分析

2.1 日光温室内环境因子变化

图2为日光温室内的日均气温和日均湿度的动态变化图，日均气温和日均湿度的变化幅度分别为16.4～37.8 ℃和29.6%～91.1%。随着番茄生长季节的延长，温室内的气温和湿度均呈波动式升高。由于春季气候的不稳定性，气温在苗期的波动较大，湿度则处于相对较低的水平(低于30%)。在番茄定植40 d后，气温和湿度上升趋势明显，而至番茄定植100 d时(番茄成熟采摘后期)，气温和湿度均出现了较大波动，这与日光温室通风口打开等因素有关。整体而言，本试验中较为适宜的温室环境为番茄的正常生长提供了保证。

图2 日温室内气温和湿度动态变化

2.2 0～20 cm土壤含水率动态变化

由图3可知，随着番茄生育期的推进，负水头供液条件下各处理0～20 cm土壤含水率呈先降低后升高的变化趋势，变动幅度为19.0%～24.9%。从番茄生育期的0～20 cm土壤含水率均值看，处理F1的最高，为23.3%，但仅比处理F2和F3分别增加了6.19%(P>0.05)和5.39%(P>0.05)。说明各处理在0～20 cm的土壤含水率差异较小。统计分析表明，处理F1、F2和F3的0～20 cm土壤含水率的变异系数(CV)分别为5.92%、8.33%和11.9%，变异程度均相对较低。由此可见，负水头供液系统可以保持日光温室番茄生长季内0～20 cm土壤含水率的相对稳定性。

图3 负水头供液条件下土壤含水率动态变化

2.3 日光温室番茄蒸散量动态变化

由日光温室番茄全生育期日蒸散量的动态变化图(图4)可知，各处理日蒸散量的变化规律相似，随着番茄生育期的推进均呈单峰曲线，其变化幅度为0.43～5.90 mm/d。番茄定植后，随着温度的升高以及植株生长的加快，日蒸散量呈快速增长趋势，并在定植61 d时达到最高峰值，此时为番茄的坐果盛期。这与坐果期植株对水分的需求旺盛，增加了从土壤中获取水分的速率有关[9]。日蒸散量的最高峰值出现后，呈波动下降趋势。至定植102 d时日蒸散量已低于1 mm/d。

图4 日光温室番茄日蒸散强度的动态变化

由表2可知，开花坐果期的蒸散量为175.3～181.6 mm，可占到全生育期的60%以上，该时期内的蒸散强度为3.65～3.78 mm，是苗期的1.88～2.11倍、成熟采摘期的2.03～2.16倍。说明日光温室番茄的蒸散量主要集中于开花坐果期。各处理的全生育期蒸散量及蒸散强度如表2所示，其中处理F3具有最高的生育期蒸散强度，与处理F2和F1相比，分别增加了2.09%和3.72%(P>0.05)。说明在相同的负水头供液吸力下，各施肥模式并未显著影响到当季日光温室番茄的蒸散量和蒸散强度。

表2 日光温室番茄蒸散量的生育期变化

2.4 日光温室番茄产量与水分利用效率

由表3可以看出，处理F3具有最高的生物量和生物量水分利用效率。与处理F1相比，处理F2和F3的生物量分别增加了7.32%和29.0%，生物量水分利用效率分别增加了5.52%和24.1%。番茄产量和产量水分利用效率也均以处理F3为最高，分别达95 462.0 kg/hm2和32.1 kg/(hm2·m3)，比处理F1分别提高了13.2%和9.84%。由此可见，基于负水头供液系统采用山崎番茄大量元素配方的施肥模式(F3)具有最高的产量和水分利用效率。

表3 日光温室番茄产量及水分利用效率

3 结 语

(1)负水头供液系统可以实现0～20 cm土壤含水率的精确控制。本试验中，日光温室番茄生长季0～20 cm土壤含水率的变异程度较低，变异系数(CV)仅为5.92%～11.9%。

(2)日光温室番茄生育期的日蒸散量变化呈单峰曲线，变化幅度为0.43～5.90 mm/d。日蒸散量最高峰值出现在定植后61 d，即开花坐果期，该时期的日均蒸散量为3.65～3.78 mm，蒸散量可占到全生育期的60%以上。

(3)采用山崎番茄大量元素配方的施肥处理(F3)具有最高的生育期蒸散强度，与处理F2和F1相比，分别增加了2.09%和3.72%。

(4)本试验条件下，处理F3的生物量和产量以及生物量水分利用效率和产量水分利用效率均为最高，与处理F1相比，分别提高了29.0%和13.2%以及24.1%和9.84%。

综合分析，采用山崎番茄大量元素配方的施肥处理(F3)为供试条件下最优水肥管理模式。

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