不同供水模式对番茄生长及声发射的影响

余礼根+卫如雪+白红武+姚远方+张佳+郭文忠

摘要：以番茄品种佳丽14为试材，于2016/2017年秋冬季在温室内开展番茄盆栽试验。试验设置2种供水模式，负水头灌溉（NI）和称质量法灌溉（WI），负水头灌溉采用负水头供水控水盆栽装置，其吸力值分别设定为50 hPa（T1）、60 hPa（T2）、70 hPa（T3）和80 hPa（T4）。通过测定番茄全生育期内株高、茎粗、叶片数、产量、水分利用效率和声发射信号，比较分析不同供水模式对番茄生长及声发射的影响。结果表明，NI处理下T1、T2、T3和T4的番茄生育期内总产量分别为1.01、0.89、0.80、0.69 kg/盆，其水分利用效率比WI高出1.74、1.81、2.47、2.16倍；不同供水模式、不同吸力值下的番茄声发射特征参数差异显著（P<0.05），供水吸力值为60 hPa的番茄声发射活动较强，峰值频率和声发射计数分别达到514、526 kHz。总结表明，负水头灌溉以恒定持续的供水能力满足番茄实时用水需求，优于称质量法灌溉，更为适合应用于温室番茄栽培。

关键词：番茄；供水模式；声发射；负水头灌溉；水分利用效率

中图分类号：S641.201文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）17-0105-04

收稿日期：2017-06-27

基金项目：国家星火计划重点项目（编号：2015GA600005）；国家自然科学基金青年科学基金（编号：51509005）；北京市农林科学院设施园艺科技创新团队项目（编号：JNKST201615）。

作者简介：余礼根（1985—），男，安徽岳西人，博士，助理研究员，主要从事动植物声信息感知技术研究。Tel：（010）51503504；E-mail：yulg@nercita.org.cn。

通信作者：郭文忠，博士，研究员，主要从事设施蔬菜高产高效栽培技术研究。Tel：（010）51503675；E-mail：guowz@nercita.org.cn。我国是农业大国，农业用水量约占总用水量的70%。近年来，农业用水逐步被工业用水和城镇用水所挤占，即使在保持今后农业用水零增长的前提下，2030年我国农业缺水将达到500亿～700亿m3。因此，通过实施工程、农艺和管理节水措施，发展实施节水灌溉，提高灌溉水利用效率[1-3]。

作物生理需水与用水、精确控制灌溉等方向成为节水农业的研究热点。薛绪掌等提出了负水头灌溉技术，即一种利用负压的控水装置，通过将供水源压力控制为负压值进行灌溉，实现不同土壤含水量的精确控制，进而达到适时适量灌溉[4-5]。与传统的供水控水技术相比，负水头灌溉条件下的土壤呈非饱和状态，可以抑制土表湿润导致的无效蒸发和地下渗漏导致的无效灌溉和养分流失，也不会破坏土壤结构，大大提高了水分利用效率，已广泛应用于番茄[6-7]、黄瓜[8]和茄子[9]等蔬菜栽培。近年来，对植物水分生理与水分胁迫的研究表明，植物一直以自己的“语言”在时刻向我们传达着缺水信号，即“会说话的植物”[10-12]。植物的“语言”是指发生在植物水流通路上由于缺水而造成水流断裂时发出的爆裂声，或称为“尖叫声”，即植物“声发射”（acoustic emissions，AE）现象。已有的研究结果表明，声发射信号主频位于100～500 kHz，AE信号可作为一个特殊的声学响应用于番茄长势及水分状态的评价与测控[13-15]。但在其广泛应用之前，需要进一步明确番茄在不同水分条件下声发射响应特征参数与生长差异。

本试验以番茄品种佳丽14为试材，通过温室小区盆栽试验，采用负水头灌溉和称质量法灌溉分别实现恒定供水、变量供水，比较2种供水模式下番茄植株生长、节水耗水和声发射信号的差异，为进一步建立日光温室蔬菜生产科学的灌溉管理模式提供技术支持。

1材料与方法

1.1试验地点与材料

试验于2016年8月至2017年1月在北京市农林科学院试验温室内进行（39°56′32″N，116°16′53″E）。供试作物为番茄，品种为佳丽14。在育苗室内培养至5叶1心移栽于试验温室的塑料花盆中，盆的上口直径34.2 cm、底直径 18.5 cm、深22.3 cm，采用盆栽土壤栽培，每盆装种植土壤11.0 kg（种植土壤为有机肥与自然土按质量比为1 ∶80的比例混合并用微生物菌剂和敌百虫作灭菌、杀虫处理），施复合肥25 g。经测定，供试土壤基本理化性质为，土壤容重为1.48 g/m3，最大田間持水量为25.1%（即体积含水量为 37.1%），EC为 0.49 mS/cm，有机质含量为24.48%，有效磷含量为 91.7 mg/kg，速效钾含量为310.6 mg/kg。试验于2016年8月26日定植，每盆定植长势一致的番茄植株1株，对所有供试番茄浇透水缓苗10 d后，用保鲜膜进行覆盖密封盆栽土壤处理，期间进行正常管理。至9月5日起进行供水控水处理，于2017年1月17日试验结束，全生育期为145 d。为方便试验管理与数据分析，将番茄生育期划分为苗期、花期、结果期和采收期。

1.2试验设计

按照供水方式不同，试验设置负水头灌溉（negative irrigation，NI）和称重法灌溉（weight irrigation，WI）。其中，负水头灌溉采用负水头供水控水盆栽试验装置，供水吸力值分别设置为50 hPa（T1）、60 hPa（T2）、70 hPa（T3）和80 hPa（T4），对应的供试土壤含水量分别为24.6%、19.7%、13.3%和12.5%；对照组采用称质量法灌溉。共计5个处理，每个处理3次重复。

1.3试验装置

负水头灌溉采用负水头供水控水盆栽装置，其由盛土盆、陶瓷盘、供水桶、控压管与导气管构成（图1）。基于负压入渗的原理，由于土壤基质势的存在，受到土壤张力作用，陶瓷盘供水器里的水缓慢渗入土壤，由于压差关系，供水桶内的水经进水管流入陶瓷盘，水位下降，空气体积增大，压强减小，整个装置气压失衡，控压管经由导气管与大气连通吸入空气，平衡供水桶内气压，整套装置以此循环运行。供水桶内水分不断输送至盆栽装置内供给土壤蒸发和番茄蒸腾产生的耗水。endprint

1.4测定内容与方法

耗水量：负水头灌溉（定植至试验结束）使用非接触式管道液位红外传感器（WS03A，CAEA electrical appliance Co.，ltd，Beijing，China）读取负水头供水控水盆栽装置供水桶内的水位高度，当日的水位高度值h2（cm）减去前一日水位高度值h1（cm）即为前一日番茄植株总耗水高度Δh（cm），负水头灌溉控水装置的日耗水量（cm3）为Δh和试验装置供水桶内径对应的截面积A（本试验为201.1 cm2）的乘积，总耗水量为

生育期内每天耗水量之和；称质量法灌溉的番茄在全生育期内，每天上午09：00用GS1土壤水分传感器结合手持式ProCheck多功能读表（Decagon Devices，Inc.，Pullman，USA）实时测定土壤含水量。当水分下限达到田间持水量的600%（土壤含水量为22.3%）时人工补水，补至田间持水量（土壤含水量为37.1%），总耗水量为人工补水灌溉量的总和。

农艺性状测定：番茄定植后12 d开始测量株高（最高点到茎基部）、茎粗（距基部15.0 cm处）、叶片数，至定植后 71 d（摘心）结束，每隔9 d测量1次；分别使用皮尺（150.0 cm，0.1 cm）和数显游标卡尺（150.00 mm，0.01 mm）测量。

生物量测定[16]：收获期（定植后145 d）不同处理随机选取番茄3株，将根、茎、叶、果分开，根系用清水冲洗干净，称鲜质量后放入烘箱，在105 ℃杀青30 min，然后于75 ℃烘至恒质量，冷却后用电子天平（1 000 g，0.01 g）称质量。地上部鲜质量为茎、叶、果的鲜质量之和；地上部干质量为茎、叶、果烘干后的干质量之和；地下部鲜质量和干质量：根部鲜质量与干质量；根冠比为地下部鲜质量与地上部鲜质量的比值；水分利用效率（water use efficiency，WUE）为各个处理组总耗水量与总产量的比值。

声发射信号测定：声发射信号采集选用性能稳定可长时间连续运行的MICRO Ⅱ监测系统（Physical Acoustic Corporation，Princeton，NJ，USA）、配备的声发射采集卡为 PCI-2（8通道同步采集、18位A/D分辨率、40 Mb/s采样率、1～3 MHz 频率范围）、声发射传感器选用Nano30[响应频率为125～750 kHz、灵敏度为62～72 dB ref.1 V/（m·s）]、放大器选用2/4/6型（20～1 200 kHz，20/40/60 dB可选），实行24 h连续采集，每隔1 d存储为1个数据文件。其中，声发射传感器固定在番茄植株倒五叶位置的茎部，并在传感器与茎秆之间涂上凡士林。选用配套的声发射分析软件AE win-2（Physical Acoustic Corporation，Princeton，NJ，USA），从有效的声发射信号中提取出典型声发射特征参数。为了研究不同吸力值下番茄声发射信号随生育期的变化规律，试验选取番茄花期、结果期和结果后期的声发射信号，统计分析3个生长阶段的声发射信号幅值（包括最大值、最小值和平均值）和撞击数；针对番茄花期，分析比较不同土壤水分条件下的番茄声发射信号（幅值>40 dB）特征差异，包括幅值、计数、上升时间、持续时间和峰值频率。

1.4数据处理

用Microsoft Excel 2010进行數据计算；用SPSS 15.0统计软件进行方差分析，采用单因素方差分析各处理差异的显著性水平，最小显著差数法（α=0.05）进行不同处理间均值的显著性差异比较。

2结果与分析

2.1不同供水模式对番茄植株生长的影响

负水头灌溉和称质量法灌溉的盆栽番茄生长情况对比结果见图2。由图2可知，2种供水模式下的番茄株高、叶片数和茎粗随着生育期进程一直增加，但其生长规律有着显著差异（P<0.05）。采用负水头灌溉种植的番茄株高与叶片数在生长前期的生长速度较称质量法灌溉种植的番茄变化缓慢，而NI处理在定植36 d后番茄株高增长量超过WI处理，至定植71 d后番茄摘心时，NI处理的T1、T2、T3和T4的番茄株高增长率分别达到29.5%、31.5%、29.6%和29.4%，叶片数比WI多出3～4张。NI处理的番茄植株茎粗略高于WI，两者无显著差异。分析结果表明，负水头灌溉通过在种植花盆底部埋置陶瓷盘基于土壤张力实现负压供水，有着良好的稳定性和持续性，与称质量法灌溉正向供水相比，更为适合番茄生长。

2.2不同供水模式对番茄干物质积累量、产量和水分利用效率的影响

负水头灌溉和称质量法灌溉对盆栽番茄干物质积累量、产量和水分利用效率的影响见表1。结果表明，NI处理的番茄地上部干物质（茎秆、叶片和果实干质量之和）质量与WI相比分别增加39.4%、33.2%、48.1%和43.3%；除根系鲜质量外，地上部鲜质量、根系干质量、根冠比和番茄总产量受2种供水模式的影响显著（P<0.05）。其中，T1和T2处理下的番茄产量较为理想，分别达到1.01、0.89 kg/盆；番茄全生育期内NI处理的T1、T2、T3和T4的总耗水量分别为38.2、33.2、31.4、33.1 kg/盆，而WI处理的总耗水量为 40.2 kg/盆，两者间存在显著差异（P<0.05）；WUE主要由耗表1不同供水模式对番茄植株干物质积累量、产2.3不同供水模式下番茄声发射特征的差异

负水头灌溉下不同吸力值的番茄不同生育期的声发射信号分析结果见表2。结果表明，同一吸力值下番茄声发射幅值和撞击数随着生育期进程逐渐减小，4个处理组T1、T2、T3和T4的番茄声发射信号幅值与撞击数变化规律上具有极大的相似性。其中T2（60 hPa）处理组的番茄声发射信号幅值平均值与撞击数最大，各生育期幅值平均值分别为49.4、43.3 、43.2 dB，声发射撞击数分别为72、29、2次，与“2.1”节中适合番茄生长的最优吸力值的结论相吻合。对比番茄不同生育期的声发射信号特征参数，番茄花期的声发射活动比结果期和结果后期活跃，且差异显著（P<0.05），说明番茄茎秆endprint

3讨论与结论

负水头灌溉和称质量法灌溉2种供水模式下的番茄植株生长规律一致，但植株株高、叶片数、茎粗及地上部干鲜质量均表明负水头灌溉的番茄优于称质量法灌溉，这是因为负水头灌溉避免了土壤干湿交替的影响，土壤水分过分饱和、干燥都不利于作物生长，而负水头灌溉持续恒定的供水能力可以满足番茄水分消耗，有利于番茄生长，而且有效抑制无效地表蒸发。

产量和水分利用效率是评价作物灌溉水平的重要评价指标[17-19]。负水头灌溉有效提高灌溉水分利用效率和产量，其原因有以下2个方面：一是负水头灌溉通过埋置于种植盆底的陶瓷盘供水，属于被动供水，减少田间水分散失，提高根系的吸水功能、促进根系发育；二是负水头灌溉一直维持在较为恒定的吸力值，土壤含水量维持在相对稳定的状态，植株生长与养分供应处于一个相对平衡的理想状态，有利于增加同化物含量。实际生产中，通过调节适合于番茄生长的最优吸力值，进而减少总耗水量、提高作物产量，实现最大限度提高水分利用效率。

声发射信号作为一种表征作物水分与胁迫状态的特殊响应与测控指标。试验研究表明，负水头灌溉不同吸力值下番茄的声发射特征差异显著，声发射计数、上升时间、持续时间以及峰值频率分别达到526次、598 μs、610 μs和514 kHz。通过不同供水模式与水分条件下的盆栽番茄生长指标、产量、水分利用效率和声发射特征的比较分析，盆栽番茄供水控水模式中，负水头灌溉优于称质量法灌溉，其中以60 hPa的吸力值为最优土壤水分测控指标。参考文献：

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