雷 濤, 郭向紅, 畢遠杰, 呂棚棚, 馬娟娟, 孫西歡, 張 勇, 雷 震

(1.有機旱作山西省重點實驗室，太原 030031; 2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

番茄具有色澤鮮艷、口味獨特、營養(yǎng)物質(zhì)豐富等優(yōu)點，成為廣受消費者喜愛的蔬菜品種之一[1]。土壤水分是顯著影響番茄生長生理、產(chǎn)量及品質(zhì)的重要因子[2]。沸石是一種具有高比表面積、吸附性能較強的多孔介質(zhì)材料，能夠用于改善土壤保水性能及提高作物水分利用效率[3]。如何科學(xué)合理設(shè)置水分-沸石量-埋深最優(yōu)組合，施用在番茄生產(chǎn)實踐并充分發(fā)揮節(jié)水保水作用，對于實現(xiàn)番茄優(yōu)質(zhì)生長及水分高效利用具有重要現(xiàn)實意義。

前人主要揭示了沸石量對番茄幼苗莖粗、葉面積、干物質(zhì)量和壯苗指數(shù)的影響[4]，以及對番茄地上部生物量和產(chǎn)量的影響[5, 6]，但對番茄全生育期株高生長動力學(xué)特性影響尚不清楚。穴施是沸石常見施用方式之一，但現(xiàn)有研究并未考慮不同穴施深度是否會對作物生長產(chǎn)生影響[7, 8]，尚待進一步探究。不同水分條件對番茄株高等生長特性[9, 10]、光合等生理特性[11, 12]、產(chǎn)量及營養(yǎng)品質(zhì)影響研究報道較多[13, 14]。通過探明水分、埋深及沸石量因素對番茄生長作用效果及主次大小，能夠為番茄種植及水分調(diào)控提供重要依據(jù)，但這方面研究報道較少。前人構(gòu)建了基于番茄株高及莖粗等指標(biāo)的Logistic模型[2, 9, 15-20]，探究了不同水分條件對番茄株高及莖粗[9]、葉面積指數(shù)[2]、干物質(zhì)量[17]及單果重[19]的最大線性生長速率MGR及物候期參數(shù)(線性生長起點t1、線性生長終點t2、線性生長期LGD)影響。但不同水分條件對番茄株高平均線性生長速率LGR及線性生長量TLG、不同沸石量及埋深因素對番茄生長參數(shù)(MGR、LGR、TLG)及物候期參數(shù)(t1、t2、LGD)影響尚不清楚，有待進一步探究。

本文依據(jù)不同水分-沸石量-埋深條件下番茄田間種植試驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建番茄株高生長動力學(xué)Logistic模型，探究水分-沸石量-埋深因素及水平對番茄生長指標(biāo)和物候期指標(biāo)的影響，為番茄田間種植及水分調(diào)控提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2019年在山西省農(nóng)科院河村試驗基地完成。試驗區(qū)地理坐標(biāo)：東經(jīng)112°12′～113°09′，北緯37°56′～38°09′。試驗區(qū)年平均降水量為459.0 mm，年均溫度5～7 ℃，無霜期約為144 d。土壤質(zhì)地為沙壤土，容重為1.43 g/cm3，平均田間持水率為0.31 cm3/cm3。土壤pH為8.43，全氮含量1.12 g/kg，堿解氮含量52.21 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計及測定方法

本試驗采用3因素3水平L9(34) 正交設(shè)計進行水分(W)-沸石量(Z)-埋深(H)耦合條件下番茄生長動態(tài)特征研究。其中，水分設(shè)置W50-70、W60-80、W70-903個水平，分別代表土壤水分條件控制在50%～70%、60%～80%、70%～90%田間持水量；沸石量設(shè)置Z3、Z6、Z93個水平，分別代表沸石量為3、6、9 t/hm2；沸石埋深設(shè)H15、H30、H453個水平，分別代表15、30和45 cm。共9個試驗小區(qū)，各試驗小區(qū)間采用深埋防水布的方法進行隔斷。番茄行株距為40 cm×50 cm。按照當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣進行施肥和管理。試驗期間，需定期采用取土烘干法對土壤水分狀況進行測定，并及時補充灌溉，保證含水率維持在設(shè)計水平。定期選取3株番茄苗株，采用刻度尺對株高指標(biāo)進行測定記錄。

1.3 模型建立與參數(shù)計算

本文采用logistic模型[式(1)]對不同處理下番茄株高動態(tài)變化特征進行描述。某時段內(nèi)番茄株高平均生長速率可由式(2)進行計算。番茄物候期參數(shù)包括：線性生長起點(t1)、線性生長終點(t2)和線性生長期(LGD)。番茄生長參數(shù)包括：最大線性生長速率(MGR)、平均線性生長速率(LGR)和線性生長量(TLG)。番茄物候期參數(shù)及生長參數(shù)計算方法參照前人研究報道[21]，具體如式(3)～(8)所示。不同處理條件下番茄生長動態(tài)模擬效果主要通過決定系數(shù)R2和殘差平方和SSR兩統(tǒng)計學(xué)指標(biāo)進行評價，計算式如式(9)～(10)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

LGD=t2-t1

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：y為番茄株高，cm；t為番茄定植后天數(shù)，d；a、b和c為模型系數(shù)；WLi為番茄株高預(yù)測值，cm；WRi為番茄株高實測值，cm；W為番茄株高實測值的平均值，cm；N為樣本個數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office 2019軟件進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果以3組重復(fù)樣本均值體現(xiàn)。數(shù)據(jù)樣本差異顯著性等統(tǒng)計學(xué)分析由IBM SPSS Statistics 19軟件進行，顯著水平為0.05。西葫蘆株高Logistic量化模型建立由1stopt 8.0軟件完成。數(shù)據(jù)樣本繪圖由Origin 2020軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄生長模型建立

圖1為不同水分-沸石量-埋深處理下番茄生長動力學(xué)過程。其中，散點和線條分別代表番茄株高樣本實測值和擬合值。由圖1可知，不同處理下番茄株高隨生育期表現(xiàn)為緩慢增長、快速線性增長、逐步趨于穩(wěn)定的S型變化趨勢，可考慮采用常見的Logistic模型進行量化描述。由圖1可知，不同處理下番茄株高樣本實測值均勻分布在Logistic擬合曲線附近，說明株高預(yù)測值和實測值具有較好的一致性。表1為番茄Logistic生長動力學(xué)模型參數(shù)。由表1可知，不同處理下Logistic模型決定系數(shù)R2均介于0.999 1～0.999 8之間，殘差和介于6.189～15.860之間，說明Logistic模型具有較高的模擬精度。

圖1 不同處理下番茄生長動力學(xué)過程Fig.1 Tomato growth kinetics process under different treatments

表1 番茄Logistic生長動力學(xué)模型參數(shù)Tab.1 Tomato Logistic growth kinetic model parameters

在Logistic模型中，參數(shù)a能夠代表番茄株高極大值。經(jīng)計算，不同處理下株高實測極大值和模型參數(shù)a值大小排序均表現(xiàn)為：W50-70Z9H45

2.2 番茄生長階段劃分

圖2為不同水分-沸石量-埋深條件下番茄生長三階段劃分結(jié)果。根據(jù)Logistic模型特點及番茄物候期參數(shù)計算結(jié)果，可將番茄生長過程劃分為3個階段：漸增期(0～t1)、線性生長期(t1～t2)、緩增期(t2～生育期末)。由圖2可知，番茄定植后0～(19.4～21.3) d處于漸增期，各處理番茄增長速率為0.66～1.10 cm/d，均值為0.87 cm/d，說明該階段番茄苗株較小，不同處理下番茄生長速率較為緩慢。定植后19.4～21.3 d左右番茄生長進入線性生長期階段，各處理番茄增長速率為1.21～2.09 cm/d，均值為1.64 cm/d，該階段苗株開始加速生長，單位時間內(nèi)株高增幅比漸增期平均高出88.5%。定植后62.6～75.6 d左右達到線性生長期終點，整個線性生長期共持續(xù)42.6～54.3 d。當(dāng)線性增長期結(jié)束后，苗株緊接著進入緩增期[(62.6～75.6)～123 d]。該階段番茄增長速率為0.44～0.55 cm/d，均值為0.49 cm/d，生長速率較線性生長期減緩，并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 不同處理下番茄生長三階段劃分結(jié)果Fig.2 Division results of three stages of tomato growth under different treatments

2.3 番茄物候期參數(shù)分析

為了進一步明確各因素及水平對番茄物候期參數(shù)影響，對數(shù)據(jù)樣本進行了方差分析和極差分析。表2和表3分別為番茄物候期參數(shù)極差分析結(jié)果和方差分析結(jié)果。結(jié)合表2和表3分析可知，經(jīng)不同水分處理的線性生長起點t1大小表現(xiàn)為：W60-80>W50-70>W70-90，水分因素對t1影響表現(xiàn)為先促后抑，但各水分處理的t1差異不顯著。土壤水分條件與線性生長終點t2和線性生長期LGD呈負相關(guān)，當(dāng)土壤水分增高時，會顯著加速(p<0.05)番茄提早結(jié)束線性增長期，并明顯縮短(p<0.05)整個線性增長期長度。當(dāng)沸石量由Z3增加到Z6時，t2和LGD會分別增加1.1%和2.7%，t1會降低2.6%；當(dāng)沸石量由Z6增加到Z9時，t2和LGD會分別降低1.0%和2.9%，t1會增加3.7%。說明沸石量增加對t2和LGD影響表現(xiàn)為先促進后抑制，對t1影響表現(xiàn)為先抑制后促進，但這種影響差異均未達到顯著性水平。埋深因素對t2和LGD影響表現(xiàn)為：H45>H30>H15，對t1影響表現(xiàn)為：H45>H15>H30，統(tǒng)計學(xué)檢驗結(jié)果表明埋深對番茄生長物候期參數(shù)無顯著影響。根據(jù)極差分析結(jié)果，不同因素對t2和LGD影響表現(xiàn)為：W>H>Z，但對t1影響表現(xiàn)為：Z>W>H。

2.4 番茄生長參數(shù)分析

為了進一步明確各因素及水平對番茄生長參數(shù)影響，對數(shù)據(jù)樣本進行了方差分析和極差分析。表4和表5分別為番茄生長參數(shù)極差分析結(jié)果和方差分析結(jié)果。結(jié)合表4和表5分析可知，當(dāng)土壤水分由W50-70分別增加到W60-80和W70-90時，最大線性生長速率MGR會分別增加23.0%和52.4%，平均線性生長速率LGR會分別增加23.0%和52.5%，線性生長量TLG會分別增加13.9%和28.4%，由此說明土壤水分增加對MGR、LGR和TLG存在顯著的促進作用(p<0.05)。當(dāng)沸石量由Z3增加到Z6時，MGR和LGR均會降低0.4%，TLG會增加1.1%；當(dāng)沸石量由Z6增加到Z9時，MGR和LGR均會增加3.1%，TLG會降低0.5%。沸石量增加對MGR和LGR影響表現(xiàn)為先抑制后促進，對TLG影響表現(xiàn)為先促進后抑制，但這種影響差異均未達到顯著性水平。由表4和表5還可知，埋深與生長期參數(shù)MGR、LGR和TLG之間呈負相關(guān)，埋深增加能夠顯著影響(p<0.05)對物候期參數(shù)產(chǎn)生抑制作用。根據(jù)極差分析結(jié)果，不同因素對MGR、LGR和TLG影響均表現(xiàn)為：W>H>Z。

表2 番茄物候期參數(shù)極差分析結(jié)果Tab.2 Range analysis results of tomato phenological parameters

表3 番茄物候期參數(shù)方差分析結(jié)果Tab.3 ANOVA analysis results of tomato phenological parameters

表4 番茄生長參數(shù)極差分析結(jié)果Tab.4 Range analysis results of tomato growth parameters

表5 番茄生長參數(shù)方差分析結(jié)果Tab.5 ANOVA analysis results of tomato growth parameters

3 結(jié) 論

(1)不同水分-沸石量-埋深耦合條件下番茄生長呈“慢-快-慢”S型變化趨勢，可采用Logistic模型進行量化描述。

(2)不同水分-沸石量-埋深處理下番茄生長過程可劃分為3個階段：漸增期[0～(19.4～21.3)d]、線性生長期[(19.4～21.3) ～ (62.6～75.6)d]、緩增期[(62.6～75.6) ～ 123d]。

(3)t2和LGD對水分存在顯著的負響應(yīng)(p<0.05)，對埋深存在正響應(yīng)。水分增加對t1以及沸石量增加對t2和LGD影響表現(xiàn)為先促進后抑制，埋深及沸石量增加對t1影響均表現(xiàn)為先抑制后促進。三因素對t2和LGD影響表現(xiàn)為W>H>Z，對t1影響表現(xiàn)為Z>W>H。

(4)增加水分或降低埋深會對MGR、LGR和TLG產(chǎn)生顯著促進作用(p<0.05)。沸石量增加對MGR和LGR影響表現(xiàn)為先抑制后促進，對TLG影響表現(xiàn)為先促進后抑制。三因素對MGR、LGR和TLG影響均表現(xiàn)為：W>H>Z。