水分虧缺對(duì)溫室覆膜滴灌番茄根系生長(zhǎng)及吸水量的影響.pdf

2022 年 3 月 灌溉排水學(xué)報(bào) 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 文章編號(hào) 1672 3317 2022 03 0001 09 水分虧缺對(duì)溫室覆膜滴灌番茄 根系 生長(zhǎng)及吸水量的影響 葛建坤 1 平盈璐 1 龔雪文 1 王 玲 2 辛清聰 1 張 磊 1 劉歡歡 1 1 華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院 鄭州 450045 2 黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 鄭州 450003 摘 要 目的 探討水分脅迫和覆膜對(duì)溫室滴灌番茄根系生長(zhǎng)和根系吸水狀況的影響 方法 以 20 cm 標(biāo)準(zhǔn)蒸 發(fā)皿的累計(jì)蒸發(fā)量 Ep 為依據(jù) 結(jié)合地膜覆蓋情況 設(shè)置 3 個(gè)處理 無(wú)膜高水處理 WM 0 9 水面蒸發(fā)系數(shù)為 0 9 有膜高水處理 FM 0 9 和有膜低水處理 FM 0 5 水面蒸發(fā)系數(shù)為 0 5 系統(tǒng)研究水分脅迫和覆膜雙因素影響下 的溫室番茄根系分布特征 利用 HYDRUS 1D 軟件模擬了根系吸水量 在此 基礎(chǔ)上 闡明了不同根系吸水量對(duì)番茄 產(chǎn)量和水分利用效率的影響機(jī)理 結(jié)果 WM 0 9 FM 0 9 處理和 FM 0 5 處理在 20 cm 土層內(nèi)的根長(zhǎng) 分別占總根 長(zhǎng) 的 58 6 56 2 和 78 9 HYDRUS 1D 模擬的各土層土壤含水率的均方根誤差在 0 010 cm3 cm3以內(nèi) 回歸系數(shù) 在 0 867 1 076 左右 各處理蒸騰量與根系吸水量的均方根誤差均在 0 581 mm d 以內(nèi) 回歸系數(shù)在 0 890 以上 說(shuō)明 模擬值和實(shí)測(cè)值具有較好的一致性 FM 0 9 處理的根系吸水量最多 達(dá) 240 9 mm 比 WM 0 9 處理和 FM 0 5 處理 分別高 24 4 和 26 7 其中 0 40 cm 土層為番茄根系的主要吸水層 WM 0 9 FM 0 9 處理和 FM 0 5 處理在該層 的根系吸水量分別占總吸水量的 84 2 85 7 和 83 2 同時(shí) WM 0 9 處理和 FM 0 5 處理在土層 20 40 cm 的根系 吸水量迅速下降 FM 0 9 處理則仍可保持較高的根系吸水量 FM 0 5 處理的水分利用效率和灌溉水利用效率分別為 59 0 kg m3和 70 3 kg m3 比 WM 0 9 處理高 34 4 和 55 5 比 FM 0 9 處理高 11 3 和 30 4 FM 0 9 處理的產(chǎn)量 最高 為 147 7 t hm2 較 WM 0 9 處理和 FM 0 5 處理高 19 3 和 23 6 結(jié)論 依據(jù)番茄根系對(duì)水分反應(yīng)的差異 在 0 9Ep的灌溉定額下 結(jié)合覆膜栽培技術(shù) 可提高深層土壤水分的吸收和利用 關(guān) 鍵 詞 日光溫室 膜下滴灌 HYDRUS 1D 根長(zhǎng)密度 根系吸水 中圖分類號(hào) S274 1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A doi 10 13522 ki ggps 2021392 OSID 葛建坤 平盈璐 龔雪文 等 水分虧缺對(duì)溫室覆膜滴灌番茄根系生長(zhǎng)及吸水量的影響 J 灌溉排水學(xué)報(bào) 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 研究意義 設(shè)施農(nóng)業(yè)因具有產(chǎn)量高 效益好 容易集約生產(chǎn)等特點(diǎn) 近些年來(lái)在國(guó)內(nèi)外飛速發(fā)展 1 我國(guó) 2020 年的經(jīng)濟(jì)與園藝作物種植面積約為 6 6 億 畝 總產(chǎn)值達(dá)到 4 09萬(wàn)億元 占種植業(yè)總產(chǎn)值的 79 9 番茄是我國(guó)種植面積排名第 4 的蔬菜品種 番茄產(chǎn)業(yè) 已成為我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)的重要組成部分 尤其是 設(shè)施 番 茄種植面積居于蔬菜種類的首位 2 然而目前多數(shù)地 區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)仍以經(jīng)驗(yàn)灌溉為主 導(dǎo)致水分利用效率不 高 造成了水資源浪費(fèi) 且產(chǎn)量并未得到提升 3 根 收稿日期 2021 08 22 基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 51709110 51809094 51779093 河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目 2020GGJS100 河南省重 點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng) 192102110090 作者簡(jiǎn)介 葛建坤 1983 男 河北保定人 副教授 博士 主要從 事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究 E mail 54012012 通 信 作者 龔雪文 1987 男 河南安陽(yáng)人 講師 博士 主要從事 作物水分生理與高效利用等方 面的研究 E mail gxw068 系作為 植物吸收 水分和養(yǎng)分 的主要器官 其生長(zhǎng)發(fā)育 直接關(guān)系到地上部的生長(zhǎng)發(fā)育 也會(huì)影響到作物的產(chǎn) 量和水分利用效率 因此 明確作物的根系生長(zhǎng)狀況 和吸水特性 達(dá)到促進(jìn)作物生長(zhǎng) 提高產(chǎn)量的效果 對(duì)研究溫室高效節(jié)水灌溉具有重要意義 研究進(jìn)展 土壤濕熱狀況直接影響著根系的生 長(zhǎng)發(fā)育 地膜覆蓋和調(diào)控灌水定額是調(diào) 節(jié)土壤濕熱環(huán) 境的常用手段 其中 地膜覆蓋 因具有優(yōu)化根區(qū)微域環(huán) 境 增強(qiáng) 土壤 微生物及酶 根系 之間交互作用 節(jié)水保溫增產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn) 得到大面積普及 4 6 根系 是 土壤 植物系統(tǒng) 的 重要媒介 作物依靠根系吸收土壤 中的水分以滿足自身生長(zhǎng)需求 因此在土壤 植物系 統(tǒng)的水分運(yùn)移規(guī)律分析中 根系吸水特性研究至關(guān)重 要 7 目前根系吸水速率還無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)手段準(zhǔn)確獲 取 通常采用數(shù)值模擬計(jì)算獲得 因此構(gòu)建根系吸水 模型就顯得尤為重要 根系吸水模型研究大致分為 2 灌溉排水學(xué)報(bào) 2 種 微觀方法和宏觀方法 微觀方法考慮了根系和根 系附近土壤的水分通量 描述了水分通過(guò)單個(gè)根系的 運(yùn)動(dòng) 宏觀方法將根系視為一個(gè)單匯項(xiàng) 代表了單個(gè) 根系吸水的總和 8 宏觀方法簡(jiǎn)單方便 應(yīng)用較為廣 泛 9 其中 HYDRUS軟件內(nèi)嵌 van Genuchten Gardner 等水分運(yùn)移模型 可對(duì) 非飽和土壤中水 熱及溶質(zhì)的 一維運(yùn)動(dòng) 進(jìn)行模擬 HYDRUS 軟件模擬的土壤水分 運(yùn)移結(jié)果較好 如向友珍 10 利用 HYDRUS 模擬了溫 室滴灌甜椒果實(shí)膨大期的根系吸水和土壤水分運(yùn)移 結(jié)果表明 模型精度較好 證實(shí)了 HYDRUS 模型可 用于 作物 灌 溉策略的評(píng)價(jià) 切入點(diǎn) 目前 HYDRUS 主要用于土壤水分動(dòng)態(tài)運(yùn)移和溶質(zhì)運(yùn)移的研究和預(yù) 測(cè) 其模擬根系吸水量的功能使用較少 李會(huì)杰等 11 丁超明等 12 利用 HYDRUS 對(duì)玉米的根系吸水進(jìn)行了 模擬 但通過(guò) HYDRUS 模擬番茄根系吸水量的研究 鮮見(jiàn) 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 基于此 本研究以溫室 滴灌番茄為研究對(duì)象 針對(duì)覆膜虧水條件下根系的生 長(zhǎng)和吸水特性進(jìn)行深入研究 利用 HYDRUS 1D 模型 模擬根系層土壤水分動(dòng)態(tài)變化 在此基礎(chǔ)上探討不同 處理下的番茄產(chǎn)量 耗水量和水分利用效率 旨在為 優(yōu)化設(shè)施番茄栽培制度提供參考 1 材料與方法 1 1 試驗(yàn)區(qū)概況 試驗(yàn)于 2020 年在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)試驗(yàn)基地 35 9 N 113 5 E 海拔 78 7 m 的日光溫室中進(jìn) 行 試驗(yàn)日光溫室為東西走向 坐北朝南 占地面積 達(dá) 510 m2 長(zhǎng) 60 m 寬 8 5 m 溫室頂部覆蓋材料 有無(wú)滴聚乙烯薄膜 厚 0 2 mm 和保溫棉被 厚 5 cm 溫室墻體厚 60 cm 為更好地發(fā)揮溫室的保溫作用 墻內(nèi)均嵌有保溫材料 室內(nèi)無(wú)其他增溫設(shè)施 試驗(yàn)區(qū) 0 60 cm 土壤質(zhì)地為壤土 土壤基本理化性質(zhì)如表 1 所示 表 1 土壤基本理化性質(zhì) Table 1 Basic physical and chemical properties of soil 土層 深度 cm 顆粒組成 土壤體積質(zhì)量 g cm 3 田間持水率 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 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)以 20 cm 標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿的累計(jì)蒸發(fā)量 Ep 為 依據(jù) 結(jié)合地膜覆蓋情況 設(shè)置 3 種處理 無(wú)膜高水 處理 WM 0 9 水面蒸發(fā)系數(shù)為 0 9 有膜高水處 理 FM 0 9 和有膜低水處理 FM 0 5 水面蒸發(fā)系 數(shù)為 0 5 其中 FM 0 9 為對(duì)照 番茄品種 為 金鵬 M6 于 2020 年 1 月 5 日育苗 番茄長(zhǎng)至 5 葉 1 心 時(shí) 3 月 4 日 進(jìn)行移栽 移栽后 FM 0 9 和 FM 0 5 處理鋪設(shè)黑色地膜 材料為聚乙烯 厚度為 0 008 mm 試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng) 8 m 寬 2 2 m 所有處理均采用寬窄行 交替種植 寬行 65 cm 窄行 45 cm 株距 30 cm 每 個(gè)處理 3 次重復(fù) 采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì) 各小區(qū)之間埋 設(shè)塑料薄膜 深 60 cm 避免水分側(cè)滲 試驗(yàn)供水 方式為滴灌 滴頭流量 1 1 L h 間距 30 cm 滴頭與 植株對(duì)應(yīng) 蒸發(fā)皿保持高度在冠層上方 30 cm 根據(jù) 番茄生長(zhǎng)情況及時(shí)調(diào)整高度 并 于 每日 07 30 08 00 用精度為 0 1 mm 成套配備的量筒測(cè)定 蒸發(fā)量 測(cè)量 后 再次添加 20 mm 蒸餾水 避免水中出現(xiàn)雜質(zhì) 通 過(guò)標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿 直徑 20 cm 深 11 cm 的累積蒸發(fā) 量 Ep 確定灌水定額和時(shí)間 灌溉時(shí)間由 Ep確定 當(dāng) Ep為 20 2 mm 時(shí)進(jìn)行灌溉 灌水定額 Ir 按 式 1 計(jì)算 Ir Ep K c 1 式中 Ir 為灌水定額 mm Kc 為水面蒸發(fā)系數(shù) Ep為 累計(jì)蒸發(fā)量 mm 番茄移栽后補(bǔ)水 20 mm 進(jìn)行保苗 在苗期不進(jìn) 行灌水施肥 進(jìn)入快速生長(zhǎng)期且 0 60 cm 土壤含水 率降至 75 田間持水率時(shí)開始進(jìn)行水分處理 試驗(yàn)底 肥為 112 kg hm2尿素 含 46 N 150 kg hm2硫酸 鉀 含 50 K2O 和 120 kg hm2過(guò)磷酸鈣 含 14 P2O5 水分處理開始后 分別在第 2 4 6 8 10 次灌水 時(shí) 采用水肥一體化系統(tǒng)隨水追肥 每次追肥量為 18 8 kg hm2尿素和 25 kg hm2硫酸鉀 番茄坐果后 留 5 層果 每層留 4 果 所有小區(qū)的農(nóng)藝措施 如打 頂 噴藥等 與當(dāng)?shù)匾恢?1 3 測(cè)定項(xiàng)目與方法 1 3 1 土壤含水率 選擇具有代表性的 2 棵植株中間位置測(cè)量土壤 含水率 土壤剖面含水率由 TRIME IPH 時(shí)域反射儀 Micromodultechnik GmbH Germany 進(jìn)行測(cè)定 測(cè)量深度為 20 40 60 80 和 100 cm 全生育期內(nèi) 每隔 7 d 測(cè) 1 次 灌水后加測(cè) 每個(gè)處理 3 次重復(fù) 計(jì)算時(shí)取平均值 定期采用取土烘干法校正以確保數(shù) 據(jù)準(zhǔn)確性 實(shí)際作物蒸散量 ETc 由水量平衡法 13 計(jì)算 ETc P Ir U Dw R S 2 式中 ETc為實(shí)際作物蒸散量 mm P 為 降雨量 mm Ir為灌水量 mm U 為 地下水補(bǔ)給量 mm Dw 為 深層滲漏量 mm R 為 地表徑流 mm S 為 土壤 深度 0 100 cm 的儲(chǔ)水 變化 量 mm 試驗(yàn)在 溫室中進(jìn)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 因單次 灌水量 較 少 最大 葛建坤 等 水分虧缺對(duì)溫室覆膜滴灌番茄根系生長(zhǎng)及吸水量的影響 3 為 22 mm 灌溉不產(chǎn)生深層滲漏和地表徑流 故 Dw 0 R 0 1 3 2 植株蒸騰 試驗(yàn)于 2020 年 5 月 10 日 6 月 27 日采用包裹 式 莖流計(jì) Flow32 1 k system Dynamax Houston TX USA 測(cè)定植株莖稈 液流速率 Qm 各 小區(qū) 隨機(jī)選取 6 株長(zhǎng)勢(shì)良好且形態(tài)相似的 植株 探頭安裝 位置為植株第 3與第 4側(cè)枝之間 且高度距地表 20 cm 以防止土壤熱量造成干擾 在 莖干處 涂抹植物油后進(jìn) 行安裝以 確保傳感器探頭與植株接觸 良好 為 防止太 陽(yáng)輻射對(duì)傳感器造成影響 在外部裹 2 3 層泡沫錫箔 同時(shí)使用保鮮膜膠帶封口 探頭型號(hào)為 SGB9 5 s 收集 1 次數(shù)據(jù) 每 15 min 計(jì)算平均值并保存在 DT80 數(shù)據(jù)采集器 Data Taker Australia 中 莖流計(jì)安 裝好后 測(cè)定探頭以上的植株葉面積 作物蒸騰量 T 14 計(jì)算式為 T 101n QmLA m LAInm 1 3 式中 T 為作物蒸騰量 mm d n 為植株樣本總數(shù) 6 Qm為第 m 個(gè)樣本植株的莖流 g d LAm為第 m 個(gè)樣本植株的葉面積 cm2 為水的密度 g cm3 LAI 為葉面積指數(shù) cm2 cm2 1 3 3 土壤蒸發(fā) 各小區(qū)于 2020 年 3 月 7 日 6 月 30 日依次在植 株棵間和行間布置 2 套微型蒸滲儀測(cè)定蒸發(fā)量 微型 蒸滲儀 由材質(zhì)為鍍鋅鐵皮的內(nèi)筒和外筒組成 直徑分 別為 10 0 cm 和 11 4 cm 高度均為 9 6 cm 外筒埋設(shè) 于土壤內(nèi) 上邊沿和地表齊平 取土樣時(shí)將內(nèi)筒緩緩 壓入土壤至充滿筒體 取出內(nèi)筒后將外表和底面多余 土壤拭去 并用塑料薄膜包裹底部 每隔 1 d 和灌水 后將土樣更換 每日 08 00 稱取內(nèi)筒質(zhì)量 要求天平 精度至少為 0 1 g 2 d 測(cè)量差值即為前 1 天的土壤 蒸發(fā)量 每日土壤蒸發(fā)量 E 計(jì)算式為 E 10N MiS Nk 1 4 式中 E 為土壤蒸發(fā) mm d N 為微型蒸滲 儀總樣 本數(shù) k 為樣 本個(gè)體 Mi為第 i 1 日和 i 日的微型蒸 滲 儀 質(zhì)量差值 g S為微型蒸滲 儀 的橫截面積 cm2 1 3 4 根系 試驗(yàn)結(jié)束 各小區(qū)選 5 棵具有代表性的植株 用 直徑為 7 cm的根鉆在棵間和行間各取根 1 次 取根深 度為 60 cm 每 10 cm 為 1 層 所取根系放入網(wǎng)袋沖 洗后 由雙面掃描儀 Epson Expression 1600 pro Japan 掃描成黑白圖片文件 用圖像分析系統(tǒng) WinRHIZO Pro2004 b Canada 分析根系形態(tài)特征指標(biāo)如根長(zhǎng) 根表面積 平均根系直徑 根體積等 1 3 5 產(chǎn)量 Y 水分利用效率 WUE 和灌溉水利 用效率 IWUE 每行選取中間 20 棵植株作為測(cè)產(chǎn)植株 各小區(qū) 果實(shí)成熟采摘時(shí) 采用精度為 0 005 kg 的電子秤稱取 番茄質(zhì)量并記錄個(gè)數(shù) 計(jì)算產(chǎn)量 WUE 和 IWUE 的計(jì)算式為 WUE YET c 100 5 IWUE YI 100 6 式中 WUE 為水分利用效率 kg m3 ETc 為實(shí)際 作物蒸散量 mm IWUE 為灌溉水利用效率 kg m3 Y 為產(chǎn)量 t hm2 I 為灌水量 mm 1 3 6 根系吸水 HYDRUS 1D 軟件可對(duì) 非飽和土壤中水 熱及溶 質(zhì)的一維運(yùn)動(dòng) 進(jìn)行模擬 15 本研究主要利用 HYDRUS 1D 模擬試驗(yàn)的土壤水分狀況和根系吸水 情況 利用 van Genuchten 模型擬合土壤水分特征曲 線 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 為土壤體積含水率 cm3 cm3 h 為壓力水 頭 cm 當(dāng)土壤處于飽和狀態(tài)時(shí) h 0 r 為殘余 含水率 cm3 cm3 s為飽和含水率 cm3 cm3 n m 為模型參數(shù) m 1 1 n K 為非飽和導(dǎo)水率 cm d Ks為飽和導(dǎo)水率 cm d l 為經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù) 通常 取平均值 0 5 土壤水分運(yùn)動(dòng)方程中 源匯項(xiàng) S h 為根系吸水 可用 Feddes 模型 16 描述為 S h h S 9 式中 S 為潛在根系吸水量 1 d h 為表示土壤 水勢(shì)對(duì)根系吸水的影響函數(shù) h 的表達(dá)式為 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 處理 FM 0 5 處理 FM 0 9 處 理在 20 40 60 cm 位置的 平均 土壤含水率分別為 0 189 0 219 和 0 249 cm3 cm3 相同深度處較 WM 0 9 處理高 8 0 5 8 和 8 7 這是因?yàn)楦材ご胧┛梢?減少土壤蒸發(fā) 與 FM 0 9 處理相比 FM 0 5 處理減 少了 44 4 的灌溉定額 因此在 20 40 60 cm 位置 的土壤含水率分別降低 14 3 18 4 和 12 8 各 處理不同土層的土壤含水率在整個(gè)生育期均隨著土 壤深度的增加而增加 且由于根系分布主要集 中在表 層 因此土壤含水率在 20 cm 的波動(dòng)幅度較大 在 40 cm 和 60 cm 處則變化相對(duì)平穩(wěn) 在快速生長(zhǎng)期和生 長(zhǎng)中期 植株生長(zhǎng)需要大量水分 各層土壤的含水率 總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì) 進(jìn)入生育后期后 淺層土壤含水 率都有所增加 各土層土壤含水率趨近平穩(wěn)或相同 差異減小 這是因?yàn)橹仓赀M(jìn)入生理成熟期后 自身生 理機(jī)理衰退 葉片逐漸黃化 需水量減少導(dǎo)致的 這 與之前的研究 19 類似 a 0 20 b 20 40 cm c 40 60 cm d WM 0 9 e FM 0 9 f FM 0 5 圖 1 土壤含水率變化曲線 Fig 1 Curves of soil moisture content at different soil depths 2 2 根系形態(tài)分布 2 2 1 相同地膜覆蓋不同水分處理下的根系特征 表 3 為各處理不同土壤深度的根長(zhǎng) 根表面積 平均根系直徑 根體積變化特征 FM 0 9 處理和 FM 0 5 處理的根長(zhǎng) 有隨土壤深度的增加逐漸減少的 趨勢(shì) 且均主要集中在 0 20 cm 處 FM 0 9 處理和 FM 0 5 處理在該土層的根長(zhǎng) 分別占土層 0 60 cm 總 根長(zhǎng) 的 56 2 和 78 9 FM 0 5 處理在表層 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 移栽后時(shí)間 d 處理 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 移栽后時(shí)間 d 處理 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 移栽后時(shí)間 d 處理 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 移栽后時(shí)間 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 移栽后時(shí)間 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 移栽后時(shí)間 d 土壤深度 0 20cm 20 40cm 40 60cm 葛建坤 等 水分虧缺對(duì)溫室覆膜滴灌番茄根系生長(zhǎng)及吸水量的影響 5 的根長(zhǎng)密度 4 5 cm cm3 比 FM 0 9 處理 2 04 cm cm3 增加了 120 6 但在 20 50 cm 土層 FM 0 5 處理的 根長(zhǎng)密度要略低于 FM 0 9 處理 在其他土層中 根 長(zhǎng)密度相近 同一處理的根表面積和根體積的變化規(guī) 律相同 但不同處理的根表面積和根體積隨深度的變 化規(guī)律不同 高水 FM 0 9 處理的根表面積和根體積 隨土壤深度的增加先增大后減少 在土層 30 cm 達(dá)到 最大值 83 5 cm2 1 84 cm3 FM 0 5 處理的根表 面積 根體積則隨深度的增加逐漸減小 在土壤表層 0 10 cm 達(dá)到最大值 119 5 cm2 0 67 cm3 較 FM 0 9 處理分別高 62 1 15 5 50 60 cm 土層中的根表 面積略高于 FM 0 9 處理 但在其他土層中都低于 FM 0 9 處理 而在土壤 0 60 cm 內(nèi)的根表面積和根 體積 FM 0 9處理較 FM 0 5處理分別增加了 27 5 166 2 各處理的平均根系直徑隨土壤深度呈先增大 后減小的規(guī)律 FM 0 9 處理和 FM 0 5 處理均在土層 30 cm 處達(dá)到最大值 1 11 mm 和 0 69 mm FM 0 5 處理在各土層的平均根系直徑 均低于 FM 0 9 處理 這可能是因?yàn)楣嗨啃?在水分脅迫的作用下 根系 盡可能地減小根系直徑增大根表面積以獲取更多的 土壤水分 2 2 2 相同水分不同地膜覆蓋處理下的根系特征 無(wú)膜 WM 0 9 處理和覆膜 FM 0 9 處理的根長(zhǎng)隨 深度的變化規(guī)律不同 FM 0 9 處理隨土壤深度的增 加逐漸減少 而 WM 0 9 處理隨土壤深度的增加先增 大后減少 在土層 20 cm 處達(dá)到最大值 3 76 cm cm3 WM 0 9 處理在 0 20 cm 的根長(zhǎng) 比 FM 0 9 處理多了 106 0 但與 FM 0 9 處理相似 在該土層的根長(zhǎng) WM 0 9 處理占土層 0 60 cm 總根長(zhǎng) 的 58 6 而在 各土層中 WM 0 9 處理的根長(zhǎng)密度要高于 FM 0 9 處 理 其總根長(zhǎng) 比 FM 0 9 處理多了 97 7 同一處理 的根表面積和根體積的變化規(guī)律相同 且 WM 0 9 處 理和 FM 0 9 處理的規(guī)律相似 均是隨土壤深度先增 大后減少 WM 0 9 處理的根表面積 根體積在土層 20 cm 處達(dá)到最大值 140 3 cm2 1 51 cm3 FM 0 9 處理則在土層 30 cm 達(dá)到最大值 83 5 cm2 1 84 cm3 50 60 cm土層中的根表面積和根體積略高于 WM 0 9 處理 但在其他土層低于 WM 0 9 處理 其總根表面 積和根體積較 WM 0 9 處理減少了 37 2 14 4 與其他處理相似 WM 0 9 處理的平均根系直徑隨深 度呈先增大后減小 在土層 30 cm 處達(dá)到最大值 0 82 mm 但其各土層的平均根系直徑變化不大 根系 較粗 均在 0 6 0 8 mm 左右 而 FM 0 9 處理則變化 較大 平均根系直徑由土層 60 cm 的 0 63 mm 到最大 值 1 11 mm 差值是 WM 0 9 處理的 2 0 倍 整體來(lái) 看 FM 0 9 處理的平均根系直徑 較大 這可能是因 為覆膜后土壤水分較多 刺激了根系的生長(zhǎng) 表 3 不同土壤深度的根長(zhǎng) 根表面積 根體積 平均根系直徑 Table 3 Root length density root surface area root volume average root diameter at different soil depth 根系形態(tài)指標(biāo) 處理 土層深度 cm 0 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 60 根長(zhǎng)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 根表面積 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 根體積 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 平均根系直徑 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 表中數(shù)據(jù)均為平均值 標(biāo)準(zhǔn)誤 同根系形態(tài)指標(biāo)同深度不同字母代表不同處理之間差異顯著 P 0 05 2 3 產(chǎn)量 水分利用效率和灌溉水利用效率 表 4 為不同處理的產(chǎn)量 Y 水分利用效率 WUE 和灌溉水利用效率 IWUE 由表 4 可知 與 FM 0 9 處理的產(chǎn)量相比 147 7 t hm2 WM 0 9 處理顯著 降低了產(chǎn)量 16 2 123 8 t hm2 P 0 05 FM 0 5 處理降低灌水量后 其產(chǎn)量也大幅度減少 P 0 01 為 119 5 t hm2 比 FM 0 9 處理少了 19 1 與 WM 0 9 處理相比 FM 0 9 處理的 WUE 和 IWUE 也有明顯的 提高 分別從 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 處理最高 分別為 59 0 kg m3和 70 3 kg m3 WM 0 9 處理和 FM 0 9 處理的 WUE IWUE 差值相差較小 而 FM 0 5 處理的 WUE IWUE 差值較大 這主要是因?yàn)?FM 0 5 處理的灌水 量小 只能從初始土壤儲(chǔ)水量中汲取水分 補(bǔ)償植株 灌溉排水學(xué)報(bào) 6 生長(zhǎng)所需 因此整個(gè)生育期內(nèi)的土壤儲(chǔ)水量變化大 為 32 5 mm 表 6 遠(yuǎn)大于 WM 0 9 處理的 4 4 mm 和 FM 0 9 處理的 4 7 mm 導(dǎo)致 WUE 和 IWUE 相差 較大 說(shuō)明 覆膜可提高 WUE IWUE 降低灌水量 不利于產(chǎn)量的形成 而灌水量較大的 FM 0 9 處理可 保持較大 WUE IWUE 的同時(shí) 顯著提高產(chǎn)量 表 4 產(chǎn)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 處理 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 表中數(shù)據(jù)均為平均值 標(biāo)準(zhǔn)誤 同指標(biāo)不同字母代表不同處理間差 異顯著 PWM 0 9 處理 FM 0 5 處理 FM 0 9 處 理和 WM 0 9 處理的灌水量相同 均為 274 mm 但 整個(gè)模擬期內(nèi) 2 個(gè)處理的 RWU 分別為 240 9 mm 和 193 7 mm IWUE 分別為 53 9 kg m3和 45 2 kg m3 覆 膜減少了表層土壤水分蒸發(fā) 抑制了土壤水分消耗 促使根系吸收土壤水分增多 FM 0 9 處理比 WM 0 9 處理可以更有效地利用灌溉水 與 FM 0 9 處理相比 FM 0 5 處理灌水量減少 植株受到水分脅迫 促進(jìn)根 系盡可能地多吸收土壤中的有效水分 導(dǎo)致土壤儲(chǔ)水 量變化大 但受到灌水量和土壤水分的限制 FM 0 5 處理的 RWU為 190 2 mm 比 FM 0 9處理減少了 21 0 因此 FM 0 9 處理有利于促進(jìn) RWU 的吸收 圖 2 RWU 日變化曲線 Fig 2 Diurnal variation curve of RWU 圖 3 為 RWU 隨深度的變化曲線 由圖 3 可知 0 40 cm 是根系主要的水分吸收區(qū)域 WM 0 9 FM 0 9 FM 0 5 處理分別 占總 RWU 的 84 2 85 7 和 83 2 WM 0 9 處理和 FM 0 9 處理的 RWU 在表 層 0 20 cm接近 均達(dá)到最大值 6 0 mm 在土壤 20 40 cm 差異明顯 WM 0 9 處理在 20 25 cm 迅速減小 在 25 cm 略有升高 而 FM 0 9 處理在 20 40 cm 平穩(wěn) 減少 在土壤 40 60 cm 的 RWU 與 WM 0 9 處理趨近 相同 這與根系密度的分布相同 與 FM 0 9 處理相 比 FM 0 5 處理的番茄植株受到水分脅迫 根系進(jìn) 行自我調(diào)節(jié) 表層 0 10 cm 的根長(zhǎng)密度和根表面積分 別增加 120 6 和 62 1 導(dǎo)致 FM 0 5在表層 0 15 cm 的 RWU 最高 為 7 9 mm 而總 RWU 較低 隨著深 度的增加 土壤含水率增加 根系分布趨近相同 各 處理的 RWU 也漸漸相近 說(shuō)明 FM 0 9 處理有利于 土壤 20 cm 以下土壤水分的吸收和利用 圖 3 RWU 的深度變化曲線 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 時(shí)間 d 處理 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 處理 WM 0 9 FM 0 9 FM 0 5 葛建坤 等 水分虧缺對(duì)溫室覆膜滴灌番茄根系生長(zhǎng)及吸水量的影響 7 3 討 論 植株生長(zhǎng)所需水分主要由根系輸送 根系在土壤 水分和植株中起著不可或缺的作用 在土壤表層 10 cm FM 0 9 處理的根長(zhǎng)密度 2 04 cm cm3 明顯小于 FM 0 5 處理 4 5 cm cm3 但 FM 0 9 處理的 RWU 高于 FM 0 5處理 灌水量的增加促進(jìn)了 RWU的吸收 當(dāng)番茄受到水分脅迫后 引起了水分和離子運(yùn)輸?shù)馁|(zhì) 外體阻力的形成 徑向途徑上的傳輸阻力增加 水通 道蛋白的活性降低 大大減小了根系水力傳導(dǎo)度 20 此外 水分脅迫導(dǎo)致土壤水勢(shì)降低 根系產(chǎn)生信號(hào) 物質(zhì)輸送到植株地上部分 造成了氣孔的閉合和蒸 騰拉力的減小 也使得水力傳導(dǎo)度降低 根系形態(tài) 和生理特性較正常供水條件下變化較大 導(dǎo)致了 RWU 減少 21 22 雖然 下層土壤 含水率 較高 但番茄 吸收的 深層水分較少 這可能是因?yàn)楦递^少 本研 究無(wú)法證明是其他原因引起的 如根系下扎深度 吸 水持續(xù)時(shí)間或根系吸水功能 等 WM 0 9 處理與 FM 0 9 處理灌水量一致 但 WM 0 9 處理的根長(zhǎng)密度 大 RWU 較少 這是因?yàn)楦L(zhǎng)密度大僅表明根系吸 水能力大 并不能表明根系消耗的水量多 23 而且 覆膜具有保水保溫作用 能 大大 減少 土壤水分 的 蒸發(fā) 使 土壤長(zhǎng)期 保持濕潤(rùn) 狀態(tài) 有益 于 土壤微生物 的 繁殖 加 快 腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)鹽 更有利于根系的 吸收 因 此 FM 0 9 處理的 RWU 產(chǎn)量分別比 WM 0 9 處理 高 24 4 19 3 根 系長(zhǎng)度 是限制 RWU 的重要因素 而 RWU 是 否足夠供給作物的蒸騰需水量則直接影響到衡量作 物是否受到水分脅迫及脅迫程度 24 從表 3 和圖 5 可以看出 WM 0 9 FM 0 9 處理和 FM 0 5 處理在土 壤 0 40 cm 的根長(zhǎng) 分別占土壤 0 60 cm 總根長(zhǎng) 的 85 7 84 1 和 88 4 而在土壤 0 40 cm 的 RWU 分別占總 RWU 的 84 2 85 7 和 83 2 WM 0 9 處理的根長(zhǎng)密度和 RWU 在 10 20 cm 達(dá)到最大值 而 FM 0 9 處理和 FM 0 5 處理的根長(zhǎng)密度則均呈隨深度 不斷減 小的趨勢(shì) RWU 在土壤表層 10 cm 最高 各 處理的根長(zhǎng)密度分布規(guī)律與其根系吸水分布規(guī)律相 似 二者之間有著密切聯(lián)系 康紹忠等 25 對(duì)冬小麥根 系吸水的研究表明 土壤均勻濕潤(rùn)時(shí)根系吸水速率和 根系密度的分布相同 因此認(rèn)為土壤充分濕潤(rùn)時(shí)的根 系吸水速率分布與根系密度分布成正比例關(guān)系 這對(duì) 于本研究中的水分虧缺試驗(yàn)有一定的借鑒價(jià)值 但本 研究并未對(duì)不同水分處理之間根長(zhǎng)密度與 RWU 的聯(lián) 系進(jìn)行探討 在今后的研究中可以進(jìn)一步考慮不同水 分虧缺條件下根長(zhǎng)密度和 RWU 之間的關(guān)系 4 結(jié) 論 1 同一灌溉制度下 覆膜抑制了表層根系的生 長(zhǎng) 無(wú)膜 WM 0 9 處理 在 0 20 cm 的根長(zhǎng) 比有膜 FM 0 9 處理增加 106 0 WM 0 9 處理的總根長(zhǎng) 總根體積 總根表面積等均高于覆膜處理 但覆膜有 助于根系吸水速率的提高 覆膜處理的根系吸水量增 加了 24 4 同時(shí)減少了土壤蒸發(fā) 有助于水分利用 效率和灌溉水利用效率的提高 分別從 43 9 kg m3和 45 2 kg m3提高到了 53 0 kg m3和 53 9 kg m3 2 覆膜條件下 根 系 分布較淺 主要集中在 0 20 cm 處 FM 0 5 處理在水分脅迫的作用下 根系盡可 能地減小根系直徑增大根表面積以獲取更多的土壤 水分 但在土壤 0 60 cm 內(nèi) FM 0 9 處理的根表面 積和根體積仍分別比 FM 0 5處理高了 27 5 166 2 而 FM 0 5 處理的根系吸水量為 190 2 mm 比 FM 0 9 處理減少了 21 0 FM 0 9 處理更有利于根系吸水量 的增加 3 土層 0 40 cm 是根系主要的水分吸收區(qū)域 WM 0 9 FM 0 9 FM 0 5 處理分別在該層的根系吸 水量占總 根系吸水量 的 84 2 85 7 和 83 2 WM 0 9 處理和 FM 0 5 處理在土層 20 40 cm 的根系 吸水量迅速下降 而 FM 0 9 處理仍可保持較高的根 系吸水量 有利于深層土壤水分的吸收和利用 參考文獻(xiàn) 1 孫治貴 王元?jiǎng)?張祿 等 北方設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警智能服 務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 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 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