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2022 年 3 月 灌溉排水学报 第 41 卷 第 3 期 Mar 2022 Journal of Irrigation and Drainage No 3 Vol 41 1 作物水肥高效利用 文章编号 1672 3317 2022 03 0001 09 水分亏缺对温室覆膜滴灌番茄 根系 生长及吸水量的影响 葛建坤 1 平盈璐 1 龚雪文 1 王 玲 2 辛清聪 1 张 磊 1 刘欢欢 1 1 华北水利水电大学 水利学院 郑州 450045 2 黄河勘测规划设计研究院有限公司 郑州 450003 摘 要 目的 探讨水分胁迫和覆膜对温室滴灌番茄根系生长和根系吸水状况的影响 方法 以 20 cm 标准蒸 发皿的累计蒸发量 Ep 为依据 结合地膜覆盖情况 设置 3 个处理 无膜高水处理 WM 0 9 水面蒸发系数为 0 9 有膜高水处理 FM 0 9 和有膜低水处理 FM 0 5 水面蒸发系数为 0 5 系统研究水分胁迫和覆膜双因素影响下 的温室番茄根系分布特征 利用 HYDRUS 1D 软件模拟了根系吸水量 在此 基础上 阐明了不同根系吸水量对番茄 产量和水分利用效率的影响机理 结果 WM 0 9 FM 0 9 处理和 FM 0 5 处理在 20 cm 土层内的根长 分别占总根 长 的 58 6 56 2 和 78 9 HYDRUS 1D 模拟的各土层土壤含水率的均方根误差在 0 010 cm3 cm3以内 回归系数 在 0 867 1 076 左右 各处理蒸腾量与根系吸水量的均方根误差均在 0 581 mm d 以内 回归系数在 0 890 以上 说明 模拟值和实测值具有较好的一致性 FM 0 9 处理的根系吸水量最多 达 240 9 mm 比 WM 0 9 处理和 FM 0 5 处理 分别高 24 4 和 26 7 其中 0 40 cm 土层为番茄根系的主要吸水层 WM 0 9 FM 0 9 处理和 FM 0 5 处理在该层 的根系吸水量分别占总吸水量的 84 2 85 7 和 83 2 同时 WM 0 9 处理和 FM 0 5 处理在土层 20 40 cm 的根系 吸水量迅速下降 FM 0 9 处理则仍可保持较高的根系吸水量 FM 0 5 处理的水分利用效率和灌溉水利用效率分别为 59 0 kg m3和 70 3 kg m3 比 WM 0 9 处理高 34 4 和 55 5 比 FM 0 9 处理高 11 3 和 30 4 FM 0 9 处理的产量 最高 为 147 7 t hm2 较 WM 0 9 处理和 FM 0 5 处理高 19 3 和 23 6 结论 依据番茄根系对水分反应的差异 在 0 9Ep的灌溉定额下 结合覆膜栽培技术 可提高深层土壤水分的吸收和利用 关 键 词 日光温室 膜下滴灌 HYDRUS 1D 根长密度 根系吸水 中图分类号 S274 1 文献标志码 A doi 10 13522 ki ggps 2021392 OSID 葛建坤 平盈璐 龚雪文 等 水分亏缺对温室覆膜滴灌番茄根系生长及吸水量的影响 J 灌溉排水学报 2022 41 3 1 9 GE Jiankun PING Yinglu GONG Xuewen et al The Effects of Water Deficit on Root Growth and Water Uptake of Mulched Greenhouse Tomato under Drip Irrigation J Journal of Irrigation and Drainage 2022 41 3 1 9 0 引 言 1 研究意义 设施农业因具有产量高 效益好 容易集约生产等特点 近些年来在国内外飞速发展 1 我国 2020 年的经济与园艺作物种植面积约为 6 6 亿 亩 总产值达到 4 09万亿元 占种植业总产值的 79 9 番茄是我国种植面积排名第 4 的蔬菜品种 番茄产业 已成为我国蔬菜产业的重要组成部分 尤其是 设施 番 茄种植面积居于蔬菜种类的首位 2 然而目前多数地 区设施农业仍以经验灌溉为主 导致水分利用效率不 高 造成了水资源浪费 且产量并未得到提升 3 根 收稿日期 2021 08 22 基金项目 国家自然科学基金项目 51709110 51809094 51779093 河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目 2020GGJS100 河南省重 点研发与推广专项 192102110090 作者简介 葛建坤 1983 男 河北保定人 副教授 博士 主要从 事节水灌溉理论与技术研究 E mail 54012012 通 信 作者 龚雪文 1987 男 河南安阳人 讲师 博士 主要从事 作物水分生理与高效利用等方 面的研究 E mail gxw068 系作为 植物吸收 水分和养分 的主要器官 其生长发育 直接关系到地上部的生长发育 也会影响到作物的产 量和水分利用效率 因此 明确作物的根系生长状况 和吸水特性 达到促进作物生长 提高产量的效果 对研究温室高效节水灌溉具有重要意义 研究进展 土壤湿热状况直接影响着根系的生 长发育 地膜覆盖和调控灌水定额是调 节土壤湿热环 境的常用手段 其中 地膜覆盖 因具有优化根区微域环 境 增强 土壤 微生物及酶 根系 之间交互作用 节水保温增产等优点 得到大面积普及 4 6 根系 是 土壤 植物系统 的 重要媒介 作物依靠根系吸收土壤 中的水分以满足自身生长需求 因此在土壤 植物系 统的水分运移规律分析中 根系吸水特性研究至关重 要 7 目前根系吸水速率还无法通过试验手段准确获 取 通常采用数值模拟计算获得 因此构建根系吸水 模型就显得尤为重要 根系吸水模型研究大致分为 2 灌溉排水学报 2 种 微观方法和宏观方法 微观方法考虑了根系和根 系附近土壤的水分通量 描述了水分通过单个根系的 运动 宏观方法将根系视为一个单汇项 代表了单个 根系吸水的总和 8 宏观方法简单方便 应用较为广 泛 9 其中 HYDRUS软件内嵌 van Genuchten Gardner 等水分运移模型 可对 非饱和土壤中水 热及溶质的 一维运动 进行模拟 HYDRUS 软件模拟的土壤水分 运移结果较好 如向友珍 10 利用 HYDRUS 模拟了温 室滴灌甜椒果实膨大期的根系吸水和土壤水分运移 结果表明 模型精度较好 证实了 HYDRUS 模型可 用于 作物 灌 溉策略的评价 切入点 目前 HYDRUS 主要用于土壤水分动态运移和溶质运移的研究和预 测 其模拟根系吸水量的功能使用较少 李会杰等 11 丁超明等 12 利用 HYDRUS 对玉米的根系吸水进行了 模拟 但通过 HYDRUS 模拟番茄根系吸水量的研究 鲜见 拟解决的关键问题 基于此 本研究以温室 滴灌番茄为研究对象 针对覆膜亏水条件下根系的生 长和吸水特性进行深入研究 利用 HYDRUS 1D 模型 模拟根系层土壤水分动态变化 在此基础上探讨不同 处理下的番茄产量 耗水量和水分利用效率 旨在为 优化设施番茄栽培制度提供参考 1 材料与方法 1 1 试验区概况 试验于 2020 年在中国农业科学院新乡试验基地 35 9 N 113 5 E 海拔 78 7 m 的日光温室中进 行 试验日光温室为东西走向 坐北朝南 占地面积 达 510 m2 长 60 m 宽 8 5 m 温室顶部覆盖材料 有无滴聚乙烯薄膜 厚 0 2 mm 和保温棉被 厚 5 cm 温室墙体厚 60 cm 为更好地发挥温室的保温作用 墙内均嵌有保温材料 室内无其他增温设施 试验区 0 60 cm 土壤质地为壤土 土壤基本理化性质如表 1 所示 表 1 土壤基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of soil 土层 深度 cm 颗粒组成 土壤体积质量 g cm 3 田间持水率 cm3 cm 3 黏粒 粉粒 砂粒 0 20 20 6 78 4 0 1 47 0 31 20 40 21 4 78 6 0 1 44 0 28 40 60 20 8 78 0 1 2 1 52 0 32 1 2 试验设计 试验以 20 cm 标准蒸发皿的累计蒸发量 Ep 为 依据 结合地膜覆盖情况 设置 3 种处理 无膜高水 处理 WM 0 9 水面蒸发系数为 0 9 有膜高水处 理 FM 0 9 和有膜低水处理 FM 0 5 水面蒸发系 数为 0 5 其中 FM 0 9 为对照 番茄品种 为 金鹏 M6 于 2020 年 1 月 5 日育苗 番茄长至 5 叶 1 心 时 3 月 4 日 进行移栽 移栽后 FM 0 9 和 FM 0 5 处理铺设黑色地膜 材料为聚乙烯 厚度为 0 008 mm 试验小区长 8 m 宽 2 2 m 所有处理均采用宽窄行 交替种植 宽行 65 cm 窄行 45 cm 株距 30 cm 每 个处理 3 次重复 采用随机区组设计 各小区之间埋 设塑料薄膜 深 60 cm 避免水分侧渗 试验供水 方式为滴灌 滴头流量 1 1 L h 间距 30 cm 滴头与 植株对应 蒸发皿保持高度在冠层上方 30 cm 根据 番茄生长情况及时调整高度 并 于 每日 07 30 08 00 用精度为 0 1 mm 成套配备的量筒测定 蒸发量 测量 后 再次添加 20 mm 蒸馏水 避免水中出现杂质 通 过标准蒸发皿 直径 20 cm 深 11 cm 的累积蒸发 量 Ep 确定灌水定额和时间 灌溉时间由 Ep确定 当 Ep为 20 2 mm 时进行灌溉 灌水定额 Ir 按 式 1 计算 Ir Ep K c 1 式中 Ir 为灌水定额 mm Kc 为水面蒸发系数 Ep为 累计蒸发量 mm 番茄移栽后补水 20 mm 进行保苗 在苗期不进 行灌水施肥 进入快速生长期且 0 60 cm 土壤含水 率降至 75 田间持水率时开始进行水分处理 试验底 肥为 112 kg hm2尿素 含 46 N 150 kg hm2硫酸 钾 含 50 K2O 和 120 kg hm2过磷酸钙 含 14 P2O5 水分处理开始后 分别在第 2 4 6 8 10 次灌水 时 采用水肥一体化系统随水追肥 每次追肥量为 18 8 kg hm2尿素和 25 kg hm2硫酸钾 番茄坐果后 留 5 层果 每层留 4 果 所有小区的农艺措施 如打 顶 喷药等 与当地一致 1 3 测定项目与方法 1 3 1 土壤含水率 选择具有代表性的 2 棵植株中间位置测量土壤 含水率 土壤剖面含水率由 TRIME IPH 时域反射仪 Micromodultechnik GmbH Germany 进行测定 测量深度为 20 40 60 80 和 100 cm 全生育期内 每隔 7 d 测 1 次 灌水后加测 每个处理 3 次重复 计算时取平均值 定期采用取土烘干法校正以确保数 据准确性 实际作物蒸散量 ETc 由水量平衡法 13 计算 ETc P Ir U Dw R S 2 式中 ETc为实际作物蒸散量 mm P 为 降雨量 mm Ir为灌水量 mm U 为 地下水补给量 mm Dw 为 深层渗漏量 mm R 为 地表径流 mm S 为 土壤 深度 0 100 cm 的储水 变化 量 mm 试验在 温室中进行 故 P 0 地下水埋深在 5 0 m 以下 番 茄不能 吸收利用 即 U 0 因单次 灌水量 较 少 最大 葛建坤 等 水分亏缺对温室覆膜滴灌番茄根系生长及吸水量的影响 3 为 22 mm 灌溉不产生深层渗漏和地表径流 故 Dw 0 R 0 1 3 2 植株蒸腾 试验于 2020 年 5 月 10 日 6 月 27 日采用包裹 式 茎流计 Flow32 1 k system Dynamax Houston TX USA 测定植株茎秆 液流速率 Qm 各 小区 随机选取 6 株长势良好且形态相似的 植株 探头安装 位置为植株第 3与第 4侧枝之间 且高度距地表 20 cm 以防止土壤热量造成干扰 在 茎干处 涂抹植物油后进 行安装以 确保传感器探头与植株接触 良好 为 防止太 阳辐射对传感器造成影响 在外部裹 2 3 层泡沫锡箔 同时使用保鲜膜胶带封口 探头型号为 SGB9 5 s 收集 1 次数据 每 15 min 计算平均值并保存在 DT80 数据采集器 Data Taker Australia 中 茎流计安 装好后 测定探头以上的植株叶面积 作物蒸腾量 T 14 计算式为 T 101n QmLA m LAInm 1 3 式中 T 为作物蒸腾量 mm d n 为植株样本总数 6 Qm为第 m 个样本植株的茎流 g d LAm为第 m 个样本植株的叶面积 cm2 为水的密度 g cm3 LAI 为叶面积指数 cm2 cm2 1 3 3 土壤蒸发 各小区于 2020 年 3 月 7 日 6 月 30 日依次在植 株棵间和行间布置 2 套微型蒸渗仪测定蒸发量 微型 蒸渗仪 由材质为镀锌铁皮的内筒和外筒组成 直径分 别为 10 0 cm 和 11 4 cm 高度均为 9 6 cm 外筒埋设 于土壤内 上边沿和地表齐平 取土样时将内筒缓缓 压入土壤至充满筒体 取出内筒后将外表和底面多余 土壤拭去 并用塑料薄膜包裹底部 每隔 1 d 和灌水 后将土样更换 每日 08 00 称取内筒质量 要求天平 精度至少为 0 1 g 2 d 测量差值即为前 1 天的土壤 蒸发量 每日土壤蒸发量 E 计算式为 E 10N MiS Nk 1 4 式中 E 为土壤蒸发 mm d N 为微型蒸渗 仪总样 本数 k 为样 本个体 Mi为第 i 1 日和 i 日的微型蒸 渗 仪 质量差值 g S为微型蒸渗 仪 的横截面积 cm2 1 3 4 根系 试验结束 各小区选 5 棵具有代表性的植株 用 直径为 7 cm的根钻在棵间和行间各取根 1 次 取根深 度为 60 cm 每 10 cm 为 1 层 所取根系放入网袋冲 洗后 由双面扫描仪 Epson Expression 1600 pro Japan 扫描成黑白图片文件 用图像分析系统 WinRHIZO Pro2004 b Canada 分析根系形态特征指标如根长 根表面积 平均根系直径 根体积等 1 3 5 产量 Y 水分利用效率 WUE 和灌溉水利 用效率 IWUE 每行选取中间 20 棵植株作为测产植株 各小区 果实成熟采摘时 采用精度为 0 005 kg 的电子秤称取 番茄质量并记录个数 计算产量 WUE 和 IWUE 的计算式为 WUE YET c 100 5 IWUE YI 100 6 式中 WUE 为水分利用效率 kg m3 ETc 为实际 作物蒸散量 mm IWUE 为灌溉水利用效率 kg m3 Y 为产量 t hm2 I 为灌水量 mm 1 3 6 根系吸水 HYDRUS 1D 软件可对 非饱和土壤中水 热及溶 质的一维运动 进行模拟 15 本研究主要利用 HYDRUS 1D 模拟试验的土壤水分状况和根系吸水 情况 利用 van Genuchten 模型拟合土壤水分特征曲 线 即 h r s r 1 h n m h 0 7 K h Ks r s r l 1 1 r s r 1 m n 2 8 式中 为土壤体积含水率 cm3 cm3 h 为压力水 头 cm 当土壤处于饱和状态时 h 0 r 为残余 含水率 cm3 cm3 s为饱和含水率 cm3 cm3 n m 为模型参数 m 1 1 n K 为非饱和导水率 cm d Ks为饱和导水率 cm d l 为经验拟合参数 通常 取平均值 0 5 土壤水分运动方程中 源汇项 S h 为根系吸水 可用 Feddes 模型 16 描述为 S h h S 9 式中 S 为潜在根系吸水量 1 d h 为表示土壤 水势对根系吸水的影响函数 h 的表达式为 h 0 h h1或 h h4 h h1 h2 h1 h2 h h1 1 h3 h h2 h h4 h3 h4 h4WM 0 9 处理 FM 0 5 处理 FM 0 9 处 理在 20 40 60 cm 位置的 平均 土壤含水率分别为 0 189 0 219 和 0 249 cm3 cm3 相同深度处较 WM 0 9 处理高 8 0 5 8 和 8 7 这是因为覆膜措施可以 减少土壤蒸发 与 FM 0 9 处理相比 FM 0 5 处理减 少了 44 4 的灌溉定额 因此在 20 40 60 cm 位置 的土壤含水率分别降低 14 3 18 4 和 12 8 各 处理不同土层的土壤含水率在整个生育期均随着土 壤深度的增加而增加 且由于根系分布主要集 中在表 层 因此土壤含水率在 20 cm 的波动幅度较大 在 40 cm 和 60 cm 处则变化相对平稳 在快速生长期和生 长中期 植株生长需要大量水分 各层土壤的含水率 总体呈现降低趋势 进入生育后期后 浅层土壤含水 率都有所增加 各土层土壤含水率趋近平稳或相同 差异减小 这是因为植株进入生理成熟期后 自身生 理机理衰退 叶片逐渐黄化 需水量减少导致的 这 与之前的研究 19 类似 a 0 20 b 20 40 cm c 40 60 cm d WM 0 9 e FM 0 9 f FM 0 5 图 1 土壤含水率变化曲线 Fig 1 Curves of soil moisture content at different soil depths 2 2 根系形态分布 2 2 1 相同地膜覆盖不同水分处理下的根系特征 表 3 为各处理不同土壤深度的根长 根表面积 平均根系直径 根体积变化特征 FM 0 9 处理和 FM 0 5 处理的根长 有随土壤深度的增加逐渐减少的 趋势 且均主要集中在 0 20 cm 处 FM 0 9 处理和 FM 0 5 处理在该土层的根长 分别占土层 0 60 cm 总 根长 的 56 2 和 78 9 FM 0 5 处理在表层 0 10 cm 0 0 1 0 2 0 3 36 42 49 56 64 69 76 83 92 99 106 113 土壤含水率 cm 3 cm 3 移栽后时间 d 处理 WM 0 9 FM 0 9 FM 0 5 0 0 1 0 2 0 3 36 42 49 56 64 69 76 83 92 99 106 113 土壤含水率 c m3 cm 3 移栽后时间 d 处理 WM 0 9 FM 0 9 FM 0 5 0 0 1 0 2 0 3 36 42 49 56 64 69 76 83 92 99 106 113 土壤含水率 c m3 cm 3 移栽后时间 d 处理 WM 0 9 FM 0 9 FM 0 5 0 0 1 0 2 0 3 36 42 49 56 64 69 76 83 92 99 106 113 土壤含水率 cm 3 cm 3 移栽后时间 d 土壤深度 0 20cm 20 40cm 40 60cm 0 0 1 0 2 0 3 36 42 49 56 64 69 76 83 92 99 106 113 土壤含水率 c m3 cm 3 移栽后时间 d 土壤深度 0 20cm 20 40cm 40 60cm 0 0 1 0 2 0 3 36 42 49 56 64 69 76 83 92 99 106 113 土壤含水率 c m3 cm 3 移栽后时间 d 土壤深度 0 20cm 20 40cm 40 60cm 葛建坤 等 水分亏缺对温室覆膜滴灌番茄根系生长及吸水量的影响 5 的根长密度 4 5 cm cm3 比 FM 0 9 处理 2 04 cm cm3 增加了 120 6 但在 20 50 cm 土层 FM 0 5 处理的 根长密度要略低于 FM 0 9 处理 在其他土层中 根 长密度相近 同一处理的根表面积和根体积的变化规 律相同 但不同处理的根表面积和根体积随深度的变 化规律不同 高水 FM 0 9 处理的根表面积和根体积 随土壤深度的增加先增大后减少 在土层 30 cm 达到 最大值 83 5 cm2 1 84 cm3 FM 0 5 处理的根表 面积 根体积则随深度的增加逐渐减小 在土壤表层 0 10 cm 达到最大值 119 5 cm2 0 67 cm3 较 FM 0 9 处理分别高 62 1 15 5 50 60 cm 土层中的根表 面积略高于 FM 0 9 处理 但在其他土层中都低于 FM 0 9 处理 而在土壤 0 60 cm 内的根表面积和根 体积 FM 0 9处理较 FM 0 5处理分别增加了 27 5 166 2 各处理的平均根系直径随土壤深度呈先增大 后减小的规律 FM 0 9 处理和 FM 0 5 处理均在土层 30 cm 处达到最大值 1 11 mm 和 0 69 mm FM 0 5 处理在各土层的平均根系直径 均低于 FM 0 9 处理 这可能是因为灌水量小 在水分胁迫的作用下 根系 尽可能地减小根系直径增大根表面积以获取更多的 土壤水分 2 2 2 相同水分不同地膜覆盖处理下的根系特征 无膜 WM 0 9 处理和覆膜 FM 0 9 处理的根长随 深度的变化规律不同 FM 0 9 处理随土壤深度的增 加逐渐减少 而 WM 0 9 处理随土壤深度的增加先增 大后减少 在土层 20 cm 处达到最大值 3 76 cm cm3 WM 0 9 处理在 0 20 cm 的根长 比 FM 0 9 处理多了 106 0 但与 FM 0 9 处理相似 在该土层的根长 WM 0 9 处理占土层 0 60 cm 总根长 的 58 6 而在 各土层中 WM 0 9 处理的根长密度要高于 FM 0 9 处 理 其总根长 比 FM 0 9 处理多了 97 7 同一处理 的根表面积和根体积的变化规律相同 且 WM 0 9 处 理和 FM 0 9 处理的规律相似 均是随土壤深度先增 大后减少 WM 0 9 处理的根表面积 根体积在土层 20 cm 处达到最大值 140 3 cm2 1 51 cm3 FM 0 9 处理则在土层 30 cm 达到最大值 83 5 cm2 1 84 cm3 50 60 cm土层中的根表面积和根体积略高于 WM 0 9 处理 但在其他土层低于 WM 0 9 处理 其总根表面 积和根体积较 WM 0 9 处理减少了 37 2 14 4 与其他处理相似 WM 0 9 处理的平均根系直径随深 度呈先增大后减小 在土层 30 cm 处达到最大值 0 82 mm 但其各土层的平均根系直径变化不大 根系 较粗 均在 0 6 0 8 mm 左右 而 FM 0 9 处理则变化 较大 平均根系直径由土层 60 cm 的 0 63 mm 到最大 值 1 11 mm 差值是 WM 0 9 处理的 2 0 倍 整体来 看 FM 0 9 处理的平均根系直径 较大 这可能是因 为覆膜后土壤水分较多 刺激了根系的生长 表 3 不同土壤深度的根长 根表面积 根体积 平均根系直径 Table 3 Root length density root surface area root volume average root diameter at different soil depth 根系形态指标 处理 土层深度 cm 0 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 60 根长密度 cm cm 3 WM 0 9 2 77 0 19b 3 76 0 27a 1 84 0 11a 1 19 0 13a 1 18 0 05a 0 41 0 07a FM 0 9 2 04 0 12b 1 13 0 18b 1 05 0 06b 0 53 0 08b 0 47 0 01b 0 42 0 03a FM 0 5 4 5 0 66a 1 34 0 28b 0 33 0 08c 0 39 0 17b 0 32 0 07b 0 52 0 19a 根表面积 cm2 WM 0 9 102 8 6 1ab 140 3 5 6a 75 3 8 6a 57 2 8 2a 38 1 2 9a 13 2 0 4a FM 0 9 73 7 5 8b 50 4 7 2b 83 5 6 6a 23 9 0 5b 21 3 3 1b 15 1 2 2a FM 0 5 119 5 4 5a 37 2 9 5b 13 8 3 5b 12 6 4 8b 11 2 6c 16 1 6 1a 根体积 cm3 WM 0 9 0 83 0 13a 1 51 0 38a 0 71 0 04b 0 62 0 12a 0 27 0 02a 0 1 0 02a FM 0 9 0 58 0 04a 0 47 0 06b 1 84 0 09a 0 24 0 02b 0 21 0 06a 0 12 0 03a FM 0 5 0 67 0 06a 0 23 0 07b 0 13 0 03c 0 09 0 03b 0 08 0 02b 0 1 0 04a 平均根系直径 mm WM 0 9 0 6 0 02b 0 8 0 05a 0 82 0 04b 0 8 0 02a 0 61 0 01a 0 58 0 12a FM 0 9 0 72 0 03a 0 72 0 02a 1 11 0 07a 0 79 0 1a 0 73 0 13a 0 63 0 06a FM 0 5 0 47 0 02c 0 47 0 04b 0 69 0 03c 0 67 0 07a 0 55 0 01a 0 58 0 01a 注 表中数据均为平均值 标准误 同根系形态指标同深度不同字母代表不同处理之间差异显著 P 0 05 2 3 产量 水分利用效率和灌溉水利用效率 表 4 为不同处理的产量 Y 水分利用效率 WUE 和灌溉水利用效率 IWUE 由表 4 可知 与 FM 0 9 处理的产量相比 147 7 t hm2 WM 0 9 处理显著 降低了产量 16 2 123 8 t hm2 P 0 05 FM 0 5 处理降低灌水量后 其产量也大幅度减少 P 0 01 为 119 5 t hm2 比 FM 0 9 处理少了 19 1 与 WM 0 9 处理相比 FM 0 9 处理的 WUE 和 IWUE 也有明显的 提高 分别从 43 9 kg m3和 45 2 kg m3提高到了 53 0 kg m3和 53 9 kg m3 而 FM 0 5 处理最高 分别为 59 0 kg m3和 70 3 kg m3 WM 0 9 处理和 FM 0 9 处理的 WUE IWUE 差值相差较小 而 FM 0 5 处理的 WUE IWUE 差值较大 这主要是因为 FM 0 5 处理的灌水 量小 只能从初始土壤储水量中汲取水分 补偿植株 灌溉排水学报 6 生长所需 因此整个生育期内的土壤储水量变化大 为 32 5 mm 表 6 远大于 WM 0 9 处理的 4 4 mm 和 FM 0 9 处理的 4 7 mm 导致 WUE 和 IWUE 相差 较大 说明 覆膜可提高 WUE IWUE 降低灌水量 不利于产量的形成 而灌水量较大的 FM 0 9 处理可 保持较大 WUE IWUE 的同时 显著提高产量 表 4 产量 Y 水分利用效率 WUE 和灌溉水利用效率 IWUE Table 4 Yield Y water use efficiency WUE and irrigation water use efficiency IWUE 处理 Y t hm 2 WUE kg m 3 IWUE kg m 3 WM 0 9 123 8 7 5b 43 9 2 6b 45 2 2 6c FM 0 9 147 7 2 5a 53 0 4a 53 9 1 4b FM 0 5 119 5 4 2b 59 1 5a 70 3 1 5a 注 表中数据均为平均值 标准误 同指标不同字母代表不同处理间差 异显著 PWM 0 9 处理 FM 0 5 处理 FM 0 9 处 理和 WM 0 9 处理的灌水量相同 均为 274 mm 但 整个模拟期内 2 个处理的 RWU 分别为 240 9 mm 和 193 7 mm IWUE 分别为 53 9 kg m3和 45 2 kg m3 覆 膜减少了表层土壤水分蒸发 抑制了土壤水分消耗 促使根系吸收土壤水分增多 FM 0 9 处理比 WM 0 9 处理可以更有效地利用灌溉水 与 FM 0 9 处理相比 FM 0 5 处理灌水量减少 植株受到水分胁迫 促进根 系尽可能地多吸收土壤中的有效水分 导致土壤储水 量变化大 但受到灌水量和土壤水分的限制 FM 0 5 处理的 RWU为 190 2 mm 比 FM 0 9处理减少了 21 0 因此 FM 0 9 处理有利于促进 RWU 的吸收 图 2 RWU 日变化曲线 Fig 2 Diurnal variation curve of RWU 图 3 为 RWU 随深度的变化曲线 由图 3 可知 0 40 cm 是根系主要的水分吸收区域 WM 0 9 FM 0 9 FM 0 5 处理分别 占总 RWU 的 84 2 85 7 和 83 2 WM 0 9 处理和 FM 0 9 处理的 RWU 在表 层 0 20 cm接近 均达到最大值 6 0 mm 在土壤 20 40 cm 差异明显 WM 0 9 处理在 20 25 cm 迅速减小 在 25 cm 略有升高 而 FM 0 9 处理在 20 40 cm 平稳 减少 在土壤 40 60 cm 的 RWU 与 WM 0 9 处理趋近 相同 这与根系密度的分布相同 与 FM 0 9 处理相 比 FM 0 5 处理的番茄植株受到水分胁迫 根系进 行自我调节 表层 0 10 cm 的根长密度和根表面积分 别增加 120 6 和 62 1 导致 FM 0 5在表层 0 15 cm 的 RWU 最高 为 7 9 mm 而总 RWU 较低 随着深 度的增加 土壤含水率增加 根系分布趋近相同 各 处理的 RWU 也渐渐相近 说明 FM 0 9 处理有利于 土壤 20 cm 以下土壤水分的吸收和利用 图 3 RWU 的深度变化曲线 Fig 3 Curve of RWU changing with depth 0 2 4 6 8 31 38 45 52 59 66 73 80 87 94 101 108 RWU mm d 1 移栽后 时间 d 处理 WM 0 9 FM 0 9 FM 0 5 60 40 20 0 0 2 4 6 8 土壤深度 cm RWU mm 处理 WM 0 9 FM 0 9 FM 0 5 葛建坤 等 水分亏缺对温室覆膜滴灌番茄根系生长及吸水量的影响 7 3 讨 论 植株生长所需水分主要由根系输送 根系在土壤 水分和植株中起着不可或缺的作用 在土壤表层 10 cm FM 0 9 处理的根长密度 2 04 cm cm3 明显小于 FM 0 5 处理 4 5 cm cm3 但 FM 0 9 处理的 RWU 高于 FM 0 5处理 灌水量的增加促进了 RWU的吸收 当番茄受到水分胁迫后 引起了水分和离子运输的质 外体阻力的形成 径向途径上的传输阻力增加 水通 道蛋白的活性降低 大大减小了根系水力传导度 20 此外 水分胁迫导致土壤水势降低 根系产生信号 物质输送到植株地上部分 造成了气孔的闭合和蒸 腾拉力的减小 也使得水力传导度降低 根系形态 和生理特性较正常供水条件下变化较大 导致了 RWU 减少 21 22 虽然 下层土壤 含水率 较高 但番茄 吸收的 深层水分较少 这可能是因为根系较少 本研 究无法证明是其他原因引起的 如根系下扎深度 吸 水持续时间或根系吸水功能 等 WM 0 9 处理与 FM 0 9 处理灌水量一致 但 WM 0 9 处理的根长密度 大 RWU 较少 这是因为根长密度大仅表明根系吸 水能力大 并不能表明根系消耗的水量多 23 而且 覆膜具有保水保温作用 能 大大 减少 土壤水分 的 蒸发 使 土壤长期 保持湿润 状态 有益 于 土壤微生物 的 繁殖 加 快 腐殖质转化成无机盐 更有利于根系的 吸收 因 此 FM 0 9 处理的 RWU 产量分别比 WM 0 9 处理 高 24 4 19 3 根 系长度 是限制 RWU 的重要因素 而 RWU 是 否足够供给作物的蒸腾需水量则直接影响到衡量作 物是否受到水分胁迫及胁迫程度 24 从表 3 和图 5 可以看出 WM 0 9 FM 0 9 处理和 FM 0 5 处理在土 壤 0 40 cm 的根长 分别占土壤 0 60 cm 总根长 的 85 7 84 1 和 88 4 而在土壤 0 40 cm 的 RWU 分别占总 RWU 的 84 2 85 7 和 83 2 WM 0 9 处理的根长密度和 RWU 在 10 20 cm 达到最大值 而 FM 0 9 处理和 FM 0 5 处理的根长密度则均呈随深度 不断减 小的趋势 RWU 在土壤表层 10 cm 最高 各 处理的根长密度分布规律与其根系吸水分布规律相 似 二者之间有着密切联系 康绍忠等 25 对冬小麦根 系吸水的研究表明 土壤均匀湿润时根系吸水速率和 根系密度的分布相同 因此认为土壤充分湿润时的根 系吸水速率分布与根系密度分布成正比例关系 这对 于本研究中的水分亏缺试验有一定的借鉴价值 但本 研究并未对不同水分处理之间根长密度与 RWU 的联 系进行探讨 在今后的研究中可以进一步考虑不同水 分亏缺条件下根长密度和 RWU 之间的关系 4 结 论 1 同一灌溉制度下 覆膜抑制了表层根系的生 长 无膜 WM 0 9 处理 在 0 20 cm 的根长 比有膜 FM 0 9 处理增加 106 0 WM 0 9 处理的总根长 总根体积 总根表面积等均高于覆膜处理 但覆膜有 助于根系吸水速率的提高 覆膜处理的根系吸水量增 加了 24 4 同时减少了土壤蒸发 有助于水分利用 效率和灌溉水利用效率的提高 分别从 43 9 kg m3和 45 2 kg m3提高到了 53 0 kg m3和 53 9 kg m3 2 覆膜条件下 根 系 分布较浅 主要集中在 0 20 cm 处 FM 0 5 处理在水分胁迫的作用下 根系尽可 能地减小根系直径增大根表面积以获取更多的土壤 水分 但在土壤 0 60 cm 内 FM 0 9 处理的根表面 积和根体积仍分别比 FM 0 5处理高了 27 5 166 2 而 FM 0 5 处理的根系吸水量为 190 2 mm 比 FM 0 9 处理减少了 21 0 FM 0 9 处理更有利于根系吸水量 的增加 3 土层 0 40 cm 是根系主要的水分吸收区域 WM 0 9 FM 0 9 FM 0 5 处理分别在该层的根系吸 水量占总 根系吸水量 的 84 2 85 7 和 83 2 WM 0 9 处理和 FM 0 5 处理在土层 20 40 cm 的根系 吸水量迅速下降 而 FM 0 9 处理仍可保持较高的根 系吸水量 有利于深层土壤水分的吸收和利用 参考文献 1 孙治贵 王元胜 张禄 等 北方设施农业气象灾害监测预警智能服 务系统设计与实现 J 农业工程学报 2018 34 23 149 156 SUN Zhigui WANG Yuansheng ZHANG Lu et al Design and realization of intelligent service system for monitoring and warning of meteorological disasters in facility agriculture in North China J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2018 34 23 149 156 2 李云洲 闫见敏 须文 等 番茄种质资源主要植物学性状的遗传多 样性及相关性 J 贵州农业科学 2019 47 2 68 74 LI Yunzhou YAN Jianmin XU Wen et al Genetic Diversity and Correlation A