加气灌溉对番茄植株生长、产量和果实品质的影响

朱 艳 蔡焕杰 宋利兵 陈 慧

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室， 陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院， 陕西杨凌 712100)

加气灌溉对番茄植株生长、产量和果实品质的影响

朱 艳1,2蔡焕杰1,2宋利兵1,2陈 慧1,2

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室， 陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院， 陕西杨凌 712100)

试验设置了作物-皿系数kcp为0.6(W1)和1.0(W2)2个灌水水平、15 cm(D1)和25 cm(D2)2种滴头埋深和加气灌溉(O)、地下滴灌(S，不加气灌溉作为对照)2种灌水方式，采用3因素完全随机设计，共8个处理，以揭示加气灌溉不同灌水水平和滴头埋深对温室番茄根区土壤通气性、植株生长发育、产量和果实品质的影响。结果表明：加气灌溉有效改善了土壤通气性，与不加气地下滴灌相比，土壤氧气含量增大了6.42%(P<0.05)，0～40 cm土层土壤体积含水率下降了5.29%。同时，加气灌溉下番茄植株茎粗和叶面积分别显著增大了4.55%和16.21%，开花日期推后了2 d左右，开花时长存在延长的趋势，果实干质量显著增大了23.57%，单株产量、单果质量和水分利用效率分别显著增大了29.04%、23.93%和28.11%。加气灌溉下番茄果实中番茄红素、维生素C、可溶性糖的含量和糖酸比分别显著增大了37.73%、31.43%、32.30%和45.64%。因此，加气灌溉在促进植株生长发育、提高番茄产量的同时有效提高了果实品质，改善了果实风味。灌水水平由0.6增大到1.0也明显促进了番茄植株的生长发育、提高了果实产量，虽然随果实中番茄红素、可溶性糖含量的下降，果实品质有所降低，但灌水水平对果实品质的影响效应低于加气灌溉，且灌水水平的提高和加气灌溉对番茄产量产生显著的交叉影响效应。因此考虑各处理对番茄生长发育、产量和果实品质的综合影响，kcp为1.0灌水水平下加气灌溉是本试验条件下较优的加气灌溉模式。

番茄； 加气灌溉； 土壤通气性; 生长； 产量； 果实品质

引言

番茄可以在多种土壤类型中生长，但也是对含水量较高、通气性较差的土壤最敏感的作物之一[1]。虽然地下滴灌灌水效率高[2-4]，但地下滴灌也易受多种因素影响导致作物根区缺氧。地下滴灌滴头埋设在地下，灌水比较集中[5-6]，易在灌水时甚至灌水后一段时间在滴头附近形成持续的饱和湿润区[7-8]，进而导致滴头附近土壤缺氧。尤其是滴头埋深较大时，滴头附近土壤得不到有效的翻耕[9]，更易导致滴头附近土壤缺氧。MAROUELLI等[10]和MACHADO等[11]的研究表明，与埋深20 cm处理相比，滴头埋深为40 cm时，番茄产量分别下降了32%和2.5%。而且作物根系优先生长在滴头附近[11]，更加剧了滴头附近土壤缺氧对作物根系的危害。另一方面，地下滴灌灌水频率较高[3]，会间断导致土壤含水率增大。土壤含水率过高会增大土壤氧气运输路径的曲折程度[12]，降低土壤氧气的可利用性和扩散性[13]；另外较高的土壤含水率也增大了对土壤氧气的需求量，因为土壤微生物的生长繁殖很大程度上依赖于土壤含水率的增大[14]，而且由于土壤中大部分氧气是以气态形态存在[15]，因此土壤含水率的增大也会减少土壤中氧气的储存量。加气灌溉利用文丘里加气设备，在地下滴灌的基础上，将水气混合液和微型气泡输送到作物根区土壤[5,9]，因此加气灌溉可调控土壤中的水气比，进而有效改善地下滴灌下作物根区缺氧状况。

因地下滴灌根区土壤缺氧限制作物根系生长、根系呼吸和土壤微生物呼吸，会进一步阻碍离子吸收、养分运输等，进而影响作物新陈代谢和生长发育[5-6,16]。BHATTARAI等[7,9]研究表明加气灌溉下土壤氧气含量显著增大，灌水时加气灌溉下土壤氧气含量的下降(25%)也明显低于不加气灌溉(45%)。CHEN等[17]的研究表明加气灌溉下土壤呼吸显著增大了42%～100%。因此加气灌溉在保留地下滴灌灌水效率高等优点的基础上，又有效增大了土壤氧气含量，缓解了灌水时土壤湿润区造成的土壤缺氧，改善了作物根系土壤微环境，进而促进作物生长、提高作物产量[5,8-9,18-19]。本文针对不同灌水水平和滴头埋深条件，以不加气地下滴灌为对照，研究加气灌溉对温室番茄根区土壤通气性、植株生长发育、产量和果实品质的影响，进而探索较优的加气灌溉模式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室(北纬34°20′、东经108°24′，海拔高度为521 m)的日光温室内进行。温室内土壤类型为塿土，土壤质地为粉砂质粘壤土。土壤中砂粒、粉粒和黏粒的质量分数分别为26.0%、33.0%、41.0%；0～40 cm土层每10 cm为一个划分层的土壤干容重分别为1.27、1.34、1.42、1.37 g/cm3；0～60 cm土层内的田间持水量为32.1%(体积含水率)。试验地年平均日照时长为2 163.8 h，无霜期为210 d。

1.2 试验方法与设计

试验番茄品种为金鹏10号，属中早熟品种。试验地内每垄垄长4 m、垄宽0.8 m，垄中间水平埋设管径16 mm的地下滴灌管，滴头流量为4 L/h，间距为35 cm，距离作物茎秆10 cm。每垄移植11株番茄苗，株距35 cm。临近的两垄之间用埋深100 cm的塑料膜隔开，防止侧渗。1垄即为1个试验小区。于2016年4月4日进行移植，移植时保证番茄幼苗为3叶1心至4叶1心，移植当天浇透底水，以保证番茄幼苗的成活。一般7～10 d缓苗，试验于2016年4月11日正式开始。三穗时打顶，其他试验日常管理措施，如整枝、覆膜等，均按照当地管理措施进行。番茄全生育期时长89 d，生育期划分为苗期(04-11—04-19)、开花期(04-20—04-25)、结果期(04-26—06-03)和成熟期(06-04—07-02)。

通过放置在番茄冠层20 cm处的E601型标准蒸发皿测得的蒸发量控制灌水量。灌水在08:00—12:00之间进行，周期为3 d或4 d一次，灌水量以灌水间隔内每天08:00测定的蒸发量为依据，计算公式[20]为

W=AEpankcp

(1)

式中W——灌溉水量，LA——单个滴头控制的小区面积，取0.14 m2(0.35 m×0.4 m)

Epan——2次灌水时间间隔内的蒸发量，mm

kcp——作物-皿系数

试验采用3因素完全随机设计，设计2种灌水方式、2个灌水水平和2种滴头埋深。2种灌水方式分别为加气灌溉(O)和地下滴灌(S，不加气灌溉作为对照处理)；2个灌水水平(W)依据kcp取值0.6、1.0，分别表示为W1和W2；2种滴头埋深(D)分别为15 cm(D1)和25 cm(D2)。试验共8个处理，分别为W1D1O、W1D1S、W2D1O、W2D1S、W1D2O、W1D2S、W2D2O和W2D2S，每个处理3次重复，1次重复即为1个小区，试验共24个小区。

加气灌溉试验中，Mazzei287型文丘里加气设备安装在地下滴灌管道的首端，在管道的进出水口均装有压力表，通过调节管道调节阀，保证灌水时每垄进口压力为0.1 MPa，出口压力为0.02 MPa，灌水管道中多余的水回流到供水水桶中，由排气法测得进气量占灌溉水量的17%[21]。加气灌溉在灌水的同时吸入空气，因此在相同灌水量下，加气灌溉的灌水时间相比于不加气灌溉会相对延长[7,9]。本试验条件下每灌1 L水，加气灌溉下的灌水时间比不加气灌溉延长约3 min[22]。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 番茄根系土壤通气性的测定

(1)土壤氧气含量(Os)：利用光纤式氧气测量仪连接氧气敏感探针测定。选择每垄靠近中间的一株植株提前插入探针，探针插入深度为10 cm，距离作物茎秆5 cm，插入探针时造成的土壤孔洞用湿土封实后，重新覆盖好塑料薄膜，尽可能避免大气对土壤空气的扰动。1个氧气测量仪可同时连接2个氧气敏感探针。本试验中有1个氧气测量仪，因此有2个小区可同时测定。待探针基本稳定后(约1 min后)开始记录数据，将仪器设置为每15 s记录1次数据，大约记录3～4 min后将探针拔出更换到其他2个小区。仪器具体使用方法参照文献[21-22]。从4月11日起，每隔10～15 d左右测定一次，共测定7次。在12:00—14:00之间测定，有研究表明，这期间测得的土壤氧气含量可以代表当天的平均值[9]。

(2)土壤含水率：利用铝盒取土烘干法测定0、10、15、20、25、30、40 cm土层之间的土壤质量含水率(θs)。取土点距离地下滴灌管道10 cm左右。土壤体积含水率(θv)为土壤质量含水率与土壤干容重的乘积。土壤体积含水率与土壤氧气含量在同一天测定。

1.3.2 番茄生长指标、产量和果实品质的测定

(1)番茄形态指标和干物质积累量的测定：番茄果实收获前每个小区选择2株长势均匀的植株分别利用卷尺和游标卡尺测其株高和茎粗，利用打孔法[23]测其叶面积。然后进行植株破坏，将地上部分分为茎、叶和果3部分，同时，挖取植株的地下部分，尽可能将根系收捡干净、洗净、擦干。分别称取各部分鲜质量，待干燥后分别称其干质量。

(2)开花期时间和时长的记录：番茄植株开始开花时，分别记录每株的开花时间和时长。开花期时长以每个小区1/2以上的植株进入开花期时开始，进入坐果期时结束。

(3)产量测定：每个小区选择5株长势均匀的植株测其产量，以单株计，包括单株产量、单果质量和果实数目的记录。

(4)番茄果实品质测定：收获期间每垄随机选择4个成熟果实进行品质分析。利用蒽酮比色法测其可溶性糖含量[23]，酸碱滴定法测其有机酸含量[23-24]，钼蓝比色法测其维生素C含量[23]，紫外分光光度法测定番茄红素含量[25-26]。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 17.0统计软件进行显著性分析和相关关系分析。用SigmaPlot 12.0进行绘图分析。

2 结果与分析

2.1 加气灌溉对温室番茄根区土壤通气性的影响

在番茄整个生长季内，各处理土壤氧气含量基本均呈现先增加后减小的趋势(图1，图中不同字母表示同一次测量中处理间差异显著(P<0.05)，下同)。总体而言，加气灌溉下土壤氧气含量明显高于不加气灌溉处理，且相同灌水和滴头埋深条件下的加气和不加气灌溉处理间土壤氧气含量均存在显著性差异(P<0.05)。相同灌水水平下，滴头埋深15 cm的加气和不加气灌溉处理的土壤氧气含量均分别高于埋深25 cm的加气和不加气处理(图1a、1b)，但仅在kcp为0.6时，个别测定点间存在显著性差异(P<0.05)。相同滴头埋深下，随着灌水水平kcp由0.6增大到1.0，土壤氧气含量减小(图1c、1d)，且部分测定点间存在显著性差异(P<0.05)，尤其是相同滴头埋深的不加气灌溉处理间大部分测定点存在显著性差异(P<0.05)。

图1 温室番茄根区土壤氧气含量的变化Fig.1 Variations of soil oxygen concentration in root zone of greenhouse tomato

番茄整个生长季内，处理W1D1O、W1D1S、W1D2O和W1D2S土壤氧气含量平均值分别为5.537、5.255、5.478、5.152 mL/L。由此可知，kcp为0.6水平下，滴头埋深15 cm处理的土壤氧气含量较埋深25 cm的处理增大了1.49%；同时，该灌水水平下加气灌溉较不加气灌溉土壤氧气含量显著增大了5.52%(图1a)。处理W2D1O、W2D1S、W2D2O和W2D2S土壤氧气含量平均值分别为5.405、5.062、5.343、4.896 mL/L，因此，kcp为1.0时，滴头埋深15 cm的处理与25 cm的处理相比，土壤氧气含量增大了2.18%；同时，该灌水水平下加气灌溉较不加气灌溉处理土壤氧气含量显著增大了7.35%(图1b)。另外，比较W1D2O、W1D2S、W2D2O和W2D2S处理可知，在滴头埋深为25 cm时，随着灌水水平的增大，土壤氧气含量下降了3.68%，且在此埋深下加气灌溉较不加气灌溉土壤氧气含量显著增大了7.15%(图1c)。同理，比较W1D1O、W1D1S、W2D1O和W2D1S处理可知，在滴头埋深为15 cm时，随灌水水平的增大土壤氧气含量下降了3.00%，且该埋深下加气灌溉较不加气灌溉土壤氧气含量显著增大了5.71%(图1d)。

综合以上可知，加气灌溉较不加气灌溉土壤氧气含量显著增大了6.42%(P<0.05)。滴头埋深15 cm的处理较25 cm的处理土壤氧气含量增大了1.83%，灌水水平kcp为1.0时土壤氧气含量较kcp为0.6时下降了3.34%，但是不同滴头埋深或不同灌水水平处理间土壤氧气含量仅部分测定点间存在显著性差异(P<0.05)。

图2 灌水前后及灌水期间温室番茄根区土壤氧气含量24 h内的变化Fig.2 Diurnal variation of soil oxygen concentration in root zone of greenhouse tomato before, during and after irrigation

图3 温室番茄根区土壤体积含水率的变化Fig.3 Variations of soil volumetric water content in root zone of greenhouse tomato

处理W1D2O灌水在10:00—10:30之间进行，处理W1D2S灌水在10:30—11:00之间进行，灌水期间(30 min内)W1D2O和W1D2S处理土壤氧气含量分别急剧下降了51.70%和67.10%(图2)。处理W1D2O土壤氧气含量最小值为0.751 mL/L，出现在灌水1 h后(11:30)；处理W1D2S土壤氧气含量最小值为0.115 mL/L，也出现在灌水1 h后(12:00)。由此可知，处理W1D2O土壤氧气含量最小值明显高于W1D2S。处理W1D2O和W1D2S的土壤氧气含量分别在灌水4 h(14:30)和5 h(16:00)后回升至平稳值。处理W1D2O和W1D2S在10:00(灌水前)的土壤氧气含量分别为5.897 mL/L和5.348 mL/L；处理W1D2O和W1D2S回升平稳后(16:00)土壤氧气含量分别为5.332 mL/L和4.497 mL/L。由此可知，灌水前处理W1D2O的土壤氧气含量值较W1D2S增大了9.30%，而灌水后处理W1D2O的土壤氧气含量较W1D2S增大了15.67%。

在番茄生长前期(前4次测定，移植后0～47 d，苗期、开花期和结果期)土壤体积含水率明显下降，而后呈现稳定变化的趋势(图3，图中土壤体积含水率为0～40 cm土层的平均值)。总体而言，加气灌溉处理的土壤体积含水率明显低于不加气灌溉处理，且相同灌水和滴头埋深条件下加气和不加气灌溉的土壤体积含水率部分测定点间存在显著性差异(P<0.05)。对相同灌水水平下的处理而言，滴头埋深15 cm处理的土壤体积含水率均高于埋深25 cm的处理(图3a、3b)，但只有个别测定点间存在显著性差异(P<0.05)。处理W1D1O、W1D1S、W1D2O和W1D2S的土壤体积含水率平均值分别为23.88%、24.81%、22.99%、24.31%。因此，kcp为0.6时，滴头埋深15 cm处理的土壤体积含水率较埋深25 cm的处理增大了2.87%，且该灌水水平下，加气灌溉土壤体积含水率较不加气灌溉下降了4.57%(图3a)。另一方面，处理W2D1O、W2D1S、W2D2O和W2D2S的土壤体积含水率平均值分别为25.97%、28.02%、25.41%、26.60%。由此可知，kcp为1.0时，滴头埋深15 cm的处理与埋深25 cm的处理相比，土壤体积含水率增大了3.66%；同时，该灌水水平下加气灌溉土壤体积含水率较不加气灌溉下降了5.94%(图3b)。

随着灌水水平的增大，土壤体积含水率显著增大(P<0.05)(图3c、3d)。比较处理W1D2O、W1D2S、W2D2O和W2D2S可知，滴头埋深25 cm条件下，随灌水水平kcp由0.6增大到1.0，土壤体积含水率增大了9.07%(P<0.05)，且该埋深条件下，加气灌溉较不加气灌溉土壤体积含水率下降了4.93%(图3c)。同理，比较W1D1O、W1D1S、W2D1O和W2D1S处理可知，埋深15 cm条件下，随着灌水水平的增大土壤体积含水率增大了9.81%(P<0.05)，且该埋深下加气灌溉土壤体积含水率较不加气灌溉下降了5.64%(图3d)。

由此可知，在番茄整个生长季内，加气灌溉下土壤体积含水率较不加气灌溉下降了5.29%；滴头埋深15 cm的处理土壤体积含水率较埋深25 cm的处理增大了3.28%；灌水水平由kcp为0.6增大到1.0水平时，土壤体积含水率随之显著增大了9.45%(P<0.05)。

表1 土壤氧气含量与土壤体积含水率之间的相关系数Tab.1 Correlation coefficients between soil oxygen concentration and soil volumetric water content

注：** 表示在P<0.01水平极显著相关，*表示在P<0.05水平显著相关，下同。

在番茄生长前期(前4次测定：苗期、开花期和结果期)土壤氧气含量和土壤体积含水率的变化趋势明显均与后期(后3次测定：成熟期)不同，因此按照番茄生育期(测定阶段)分段分析土壤氧气含量与土壤体积含水率的相关关系(表1)。土壤氧气含量在前4次测定中呈现增长的趋势，而土壤体积含水率下降趋势明显，因此在前4次测定中，对所有处理而言，土壤氧气含量与土壤体积含水率均极显著负相关(P<0.01)。分别与不加气灌溉和kcp为1.0灌水水平相比，加气灌溉下和kcp为0.6灌水水平下土壤氧气含量与土壤体积含水率之间的相关系数相对更大。在后3次测定中，也就是番茄成熟期，除在2种滴头埋深处理下土壤氧气含量与含水率分别显著负相关(P<0.05)外，土壤氧气含量与土壤体积含水率的相关关系不显著。

2.2 加气灌溉对温室番茄作物生长和产量的影响

加气灌溉对温室番茄株高没有显著影响(表2)，但相比于不加气灌溉，茎粗和叶面积对加气灌溉存在极显著的积极响应(P<0.01)。加气灌溉下番茄植株茎粗和叶面积较不加气灌溉处理分别显著增大了4.55%和16.21%。另一方面，随灌水水平的增大，番茄植株的株高、茎粗和叶面积也分别呈现极显著的积极响应(P<0.01)。灌水水平kcp为1.0的处理较kcp为0.6的处理，番茄植株株高、茎粗和叶面积分别显著增大了5.05%、4.75%和14.05%(P<0.01)。但是，滴头埋深15 cm和25 cm对番茄株高、茎粗和叶面积的影响没有显著性差异(P<0.05)。

表2 不同灌水水平和滴头埋深条件下加气灌溉对温室番茄株高、茎粗和叶面积的影响Tab.2 Impacts of oxygation under different irrigation rates and emitter depths conditions on plant height, stem diameter and leaf area of greenhouse tomato

注：同一列不同小写字母表示指标存在显著性差异(P<0.05)，同一行不同大写字母表示指标存在显著性差异(P<0.05)，下同。

加气、灌水水平和滴头埋深三因子均对番茄的开花期时长没有显著性影响(表3)。但是，相比于不加气灌溉，加气灌溉下番茄的开花期时长存在延长的趋势。而且，相比于不加气灌溉，加气灌溉下番茄三穗花的开花日期均推后了2 d左右，其中，第2穗和第3穗花的开花日期与不加气灌溉存在显著性差异(P<0.01)(表4)。另外，随着灌水水平的增大，番茄第1穗花的开花日期也存在明显的推后趋势(P<0.01)。滴头埋深15 cm和25 cm对番茄开花日期没有显著性影响，但是15 cm滴头埋深下番茄第2和第3穗花的开花日期有提前的趋势。

表3 不同灌水水平和滴头埋深条件下加气灌溉对温室番茄开花期时长的影响Tab.3 Effects of oxygation under different irrigation rates and emitter depths conditions on flowering duration of greenhouse tomato d

表4 不同灌水水平和滴头埋深条件下加气灌溉对温室番茄开花日期(移植后天数)的影响Tab.4 Effects of oxygation under different irrigation rates and emitter depths conditions on flowering date of greenhouse tomato d

相比于不加气灌溉处理，加气灌溉对番茄植株的果实干质量有极显著的正影响效应(P<0.01)(表5)，加气灌溉下果实干质量增大了23.57%。虽然加气灌溉下番茄植株根、茎和叶的干质量与不加气灌溉处理间没有显著性差异，但仍有增大的趋势。加气灌溉下植株的根冠比减小，但与不加气灌溉处理间没有显著性差异。除了对果实干质量没有显著性影响外，随着灌水水平kcp由0.6增大到1.0，番茄植株根、茎和叶的干质量分别产生了显著的积极响应(P<0.05)。灌水水平kcp为1.0水平下，根、茎和叶的干质量较kcp为0.6水平下分别显著增大了24.03%、17.24%和22.78%。另外，滴头埋深的变化对番茄植株各组成部分的干质量并没有显著性影响。

表5 不同灌水水平和滴头埋深条件下加气灌溉对温室番茄植株干物质各组成部分的影响Tab.5 Effects of oxygation under different irrigation rates and emitter depths conditions on dry matter partitioning of greenhouse tomato

番茄单株产量、单果质量和水分利用效率对加气灌溉存在极显著的积极响应(P<0.01)(表6)。在相同灌水水平和滴头埋深条件下，加气灌溉单株产量和单果质量与不加气灌溉处理间基本均存在显著性差异(图4)。与不加气灌溉相比，加气灌溉下番茄单株产量、单果质量和水分利用效率分别增大了29.04%、23.93%和28.11%，但是加气灌溉对单株果数没有显著性影响(表6)。随着灌水水平kcp由0.6增大到1.0，单株产量、单株果数和单果质量分别显著增大了25.28%、11.35%和12.53%(P<0.01)，但是水分利用效率显著减小了19.70%(P<0.01)。加气和灌水水平两因子对番茄单株产量和单果质量有显著的交叉影响效应(表6)。处理W2D1O的单株产量和单果质量最高，且与W2D2O处理除外的其他处理均形成显著性差异(P<0.05)(图4)。滴头埋深对番茄单株产量、单株果数、单果质量和水分利用效率没有显著性影响，但随着滴头埋深由15 cm增大到25 cm，单株产量、单株果数和单果质量均有减小的趋势。

表7表明，全部处理的番茄产量与植株的株高、茎粗和叶面积均呈现极显著正相关关系(P<0.01)，加气灌溉下相关系数为0.4左右，而不加气灌溉下相关系数为0.2左右。由此可知，相比于不加气灌溉，加气灌溉下番茄产量对植株各生长指标更敏感。比较kcp为0.6和1.0灌水水平，1.0灌水水平下番茄产量对植株各生长指标更敏感。15 cm和25 cm滴头埋深条件下，番茄产量与植株各生长指标的相关系数差异不大。

表8表明，加气灌溉对番茄果实的番茄红素、维生素C、可溶性糖含量和糖酸比有极显著的正影响效应(P<0.01)，与不加气灌溉处理相比，加气灌溉下各指标分别增大了37.73%、31.43%、32.30%和45.64%。同时，加气灌溉下果实中的有机酸含量显著降低，比不加气灌溉降低了17.56%(P<0.01)。灌水水平kcp为0.6对果实番茄红素、可溶性糖和有机酸含量产生显著(P<0.05)甚至极显著(P<0.01)正影响效应。与kcp为0.6灌水水平相比，kcp为1.0灌水水平下番茄红素、可溶性糖和有机酸含量分别下降了18.26%、16.84%和13.87%。另一方面，比较F值可知，与灌水水平相比，加气灌溉对番茄红素、维生素C、可溶性糖含量和糖酸比的影响效应更明显。滴头15 cm和25 cm埋深下，果实各品质指标没有显著性差异。

表6 不同灌水水平和滴头埋深条件下加气灌溉对温室番茄单株产量、单果质量、单株果数和水分利用效率的影响Tab.6 Effects of oxygation under different irrigation rates and emitter depths conditions on fruit yield, number and weight and water use efficiency of greenhouse tomato

图4 不同灌水水平和滴头埋深条件下加气灌溉对温室番茄单株产量和单果质量的影响Fig.4 Effects of oxygation under different irrigation rates and emitter depths conditions on fruit yield and weight of greenhouse tomato

处理因子产量株高茎粗叶面积O产量10.379**0.427**0.413**株高10.302**0.510**茎粗10.452**叶面积1S产量10.232*0.235*0.193株高1-0.0010.054茎粗10.522**叶面积1W1产量10.0700.301**0.287**株高10.0300.135茎粗10.569**叶面积1W2产量10.393**0.374**0.477**株高10.0840.297**茎粗10.454**叶面积1D1产量10.470**0.487**0.504**株高10.1060.217*茎粗10.623**叶面积1D2产量10.333**0.465**0.528**株高10.343**0.529**茎粗10.567**叶面积1全部产量10.399**0.468**0.518**株高10.239**0.381**茎粗10.585**叶面积1

3 讨论

3.1 加气灌溉对温室番茄根区土壤通气性的影响

加气灌溉通过滴头向土壤中输送的是水气混合物和微型气泡[5]，因此可有效改善地下滴灌灌水后湿润区土壤孔隙中的空气完全被水分代替的状况。因此加气灌溉后土壤氧气含量高于不加气地下滴灌，尤其是在滴头埋深较深的土壤中，滴头附近土壤与大气的交换作用减弱，因此土壤氧气含量和土壤水分的有效调控很大程度上依赖于加气灌溉下空气的输送。FRIEDMAN等[27]也指出随着土层深度的增大，土壤氧气含量大约呈直线下降的趋势。因此，本试验中，滴头埋深15 cm处理的土壤氧气含量高于埋深25 cm的处理(图1)。另一方面，在灌水量较大时，地下滴灌土壤的缺氧状况更加明显，因此土壤氧气和水分的调控也更加依赖于外来空气的注入。本试验中加气灌溉下土壤氧气含量增大了6.42%，且滴头埋深25 cm和15 cm加气灌溉下土壤氧气含量分别较不加气灌溉增大了7.15%和5.71%，kcp为0.6和1.0加气灌溉下土壤氧气含量分别较不加气灌溉增大了5.52%和7.35%(P<0.05)(图1)。BHATTARAI等[9]针对温室番茄的研究表明，加气灌溉下土壤氧气含量显著增大了12.14%。CHEN等[17]针对不同作物和土壤类型加气灌溉的研究表明，加气灌溉下土壤氧气含量显著增大了2.4%～32.6%，且红壤中滴头埋深30 cm和10 cm时加气灌溉较不加气地下滴灌土壤氧气含量分别增大了32.6%和8.6%。本试验中，滴头埋深25 cm时加气灌溉较不加气灌溉土壤氧气含量的增大也较埋深15 cm时更加明显。BEN-NOAH等[6]的研究表明利用地下滴灌管道向重黏土中注入空气使得土壤水分向下移动，进而导致滴头下方土壤含水率下降。BHATTARAI等[7]指出与加气灌溉相比，不加气地下滴灌处理在根系活动区域有更大的区域处于饱和状态。PENDERGAST等[8]研究也表明在相同灌水量和降水量下，相比于加气灌溉，不加气地下滴灌下0～100 cm土层土壤更加湿润，且浅层土壤更易接近饱和状态。本试验中，加气灌溉下0～40 cm土层的土壤含水率下降了5.29%(图3)。因此，加气灌溉可有效缓解地下滴灌下滴头附近土壤含水率过高的状况。本试验中，处理W1D2O和W1D2S土壤氧气含量灌水期间分别急剧下降了51.70%和67.10%，且灌水1 h后分别下降至最低点0.751 mL/L和0.115 mL/L(图2)。PENDERGAST等[8]和BHATTARAI等[7,9]对灌水期间及灌水前后土壤水气变化的研究也均表明加气灌溉可有效缓解灌水造成的土壤氧气含量的急剧下降。因此，加气灌溉通过有效调控土壤水气配合，改善了土壤通气性(增大土壤氧气含量，降低土壤含水率)，缓解了地下滴灌灌水时土壤湿润区的土壤缺氧状况。

表8 不同灌水水平和滴头埋深条件下加气灌溉对温室番茄果实品质的影响Tab.8 Effects of oxygation under different irrigation rates and emitter depths conditions on fruit quality of greenhouse tomato

本试验中，番茄生长前期(前4次测定：苗期、开花期和结果期)，土壤氧气含量的变化主要受土壤含水率的影响。受移植时浇透底水的影响，番茄生长前期土壤含水率较大，且随着番茄生长而下降(图3)，因此土壤氧气含量随着土壤含水率的下降而增大(图1)。番茄生长前期土壤氧气含量与土壤体积含水率极显著负相关(表1)也表明，此阶段土壤氧气含量主要受土壤含水率的影响。在番茄生长前期，随番茄的生长耗水量增大，因此依靠地下滴灌相对较少的灌水量不再能够保持移苗时由浇透底水而造成的较高的土壤含水率，也因此番茄生长前期，随番茄的生长土壤含水率下降明显。番茄移苗时浇透底水也只是为了保证番茄幼苗的成活，但也因而造成土壤含水量相对较高。番茄成熟期(后3次测定)土壤含水率维持稳定，此时土壤氧气含量的变化主要受外界温度(土壤温度)和作物生长变化的影响。在番茄成熟前期，作物的生命活动较为旺盛，因此作物根系呼吸对氧气的需求量较大。另一方面，番茄成熟期外界温度在逐渐上升，进而土壤温度也随之升高。BEN-NOAH等[6,12]指出，大部分情况下，温度升高导致氧气含量下降。因为随温度升高而增大的土壤扩散速率，与随温度升高而增大的作物根系呼吸和土壤微生物呼吸相比，可忽略不计，因此土壤氧气的消耗随温度的升高而增大，进而导致土壤氧气含量的降低。BHATTARAI等[5]也指出随着土壤温度的升高，氧气溶解度下降，又由于氧气消耗量的增大，在外界和土壤温度较高时，作物更容易受土壤缺氧的危害。本试验中，番茄成熟期土壤氧气含量的下降很大程度上受外界温度(土壤温度)升高的影响。

3.2 加气灌溉对温室番茄作物生长、产量和果实品质的影响

相关研究表明，根系缺氧易造成脱落酸、乙醇等植物激素的增加[28-30]，导致叶片气孔关闭[31]，净光合速率下降[32]，影响ATP的产生[33]，进而影响作物生长。本试验中，加气灌溉下番茄植株茎粗和叶面积分别显著增大了4.55%和16.21%(表2)，开花期时长存在延长的趋势，且第2和第3穗花的开花日期均延后了2 d左右(表3、4)。LI等[34]研究表明，番茄株高和茎粗对向土壤中注入空气产生了积极的响应。HORCHANI等[35]对番茄根系进行缺氧处理，番茄的开花期、结果期和果实膨大期均提前，且花和果实的数目均减少。BEN-NOAH等[12]向灌溉水中加入0.06%(体积分数)H2O2使得辣椒的开花期延后30 d，开花峰期延后14 d。BHATTARAI等[9]研究表明加气灌溉下番茄的单株叶面积显著增大了12.7%，第1穗花的开花期延后了2 d左右。BHATTARAI等[36]研究也表明加气灌溉下棉花植株的茎粗显著增大了6.86%。这些结果均表明地下滴灌因根系缺氧对不同作物各生长指标造成了不同程度的不利影响，加气灌溉有效改善了作物根系的通气状况，进而对番茄生长发育产生积极的影响作用。

本试验中，与地下滴灌相比，加气灌溉下果实干质量显著增大了23.57%(表5)，单株产量、单果质量和水分利用效率分别显著增大了29.04%、23.93%和28.11%(P<0.05)(表6)。不同土壤质地[17,36]、作物类型[7,17,20]、灌水水平[9]和滴头埋深[7,17]条件下的加气灌溉的研究均表明了加气灌溉对作物产量的积极影响趋势。加气灌溉在改善土壤-作物根系微环境的基础上，促进了作物生长进而提高了作物产量。BHATTARAI等[9]研究表明加气灌溉下温室番茄产量的增长主要归因于单果质量和果实干质量的增加，而并不是果实数目的增大，与本研究结果一致。本试验中，灌水水平的增大对番茄产量和根、茎和叶的干质量均产生显著的积极影响(表5、6)。而加气灌溉与不加气地下滴灌相比，对根、茎和叶的干质量没有显著性影响(表5)。由此可知，加气灌溉促进番茄产量增长的同时，并没有造成番茄植株地上部的徒长；而随灌水水平的增大，虽然番茄产量增大，但也造成了植株地上部的徒长。这从加气灌溉下水分利用效率显著增大，而随灌水水平的增大水分利用效率显著降低(表6)也可看出。另一方面，加气灌溉下单果质量和果干质量均显著增大，而随灌水水平的提高，单果质量显著增大，果干质量却没有显著性变化(表5、6)。由此也可知，加气灌溉下果实质量的增大伴随着果实中其他固形物质含量的增大，但随灌水水平的增大而增大的果实质量主要是由果实水分含量的增大造成的。番茄果实中番茄红素、维生素C、可溶性糖的含量对加气灌溉产生极显著的积极响应，而对灌水水平的降低产生积极响应(表8)，也可说明加气灌溉在提高番茄产量的基础上，也显著改善了番茄果实品质和风味，而随灌水水平的增大，虽然果实产量有所提高，但也一定程度上降低了果实品质，破坏了果实风味。因个人口味不同，暂且不确定加气灌溉下可溶性糖含量增大、有机酸含量减少，进而导致糖酸比的增大是否使果实的品质得到改善。但加气灌溉下番茄红素和维生素C含量的显著增大，却是番茄果实品质提高的表现。有研究表明，番茄红素和维生素C是人类饮食中抗氧化剂的重要来源之一，也与减少人类某些疾病的发生息息相关[37-39]。LI等[34]研究也表明，通过地下滴灌向土壤中注入空气，使得番茄红素、维生素C、糖酸比分别显著增大了2%、41%和43%。因此，加气灌溉在积极影响作物生长和产量的基础上，还显著提高了果实品质，改善了果实风味，有利于提高果实的商业价值。

BHATTARAI等[9]的研究表明相比于相对较低的灌水水平，当土壤含水率维持在田间持水量水平时，加气灌溉对果实产量的影响作用更显著。WOLF[40]指出当土壤中空气、水分和养分达到最优平衡状态时，作物生产力可达到最大。BEN-NOAH等[6]对比研究了地上滴灌、地下滴灌和分别依此向土壤中注入空气，结果表明当重黏土中土壤含水率较高时，只有向土壤中注入空气可保证作物不受土壤缺氧的危害，进而提高产量。本试验中，在kcp为1.0时加气灌溉(处理W2D1O和W2D2O)下作物产量较高(图4)，灌水水平的提高和加气灌溉对番茄单株产量和单果质量存在显著的积极交叉影响(表6)。相比于不加气灌溉和kcp为0.6的灌水水平，加气灌溉下和kcp为1.0时，番茄产量分别对植株的株高、茎粗和叶面积更加敏感(表7)。由此可知，本试验中kcp为1.0水平下进行加气灌溉对植株生长、番茄产量的积极影响效应更明显。虽然随灌水水平的提高，果实品质有所降低，但是相比于灌水水平，加气灌溉对番茄果实品质的积极影响效应更明显(表8)。本试验中，滴头埋深的变化对番茄根区土壤环境、植株生长、果实产量和品质没有产生显著的影响，一是由于2种滴头埋深深度差异较小，因此对作物的影响差异不显著，另外15 cm和25 cm的埋深都处于番茄根系的集中生长区域[16,34]，因此在这2个深度加气或不加气的影响差异均不显著。综合分析番茄植株生长发育、番茄产量和果实品质，kcp为1.0灌水水平下进行加气灌溉，即W2D1O、W2D2O处理是本试验条件下对温室番茄较优的加气灌溉模式。

4 结论

(1)加气灌溉较不加气地下滴灌处理土壤氧气含量显著增大了6.42%(P<0.05)，土壤体积含水率下降了5.29%。加气灌溉有效改善了土壤通气性，缓解了地下滴灌下的土壤缺氧状况。

(2)与不加气地下滴灌相比，加气灌溉下番茄单株产量和水分利用效率分别显著增大了29.04%和28.11%，且加气灌溉下番茄产量的提高伴随着植株茎粗和叶面积的显著增大、开花期的延后、单果质量和果干质量的显著增大以及果实中番茄红素、维生素C和可溶性糖含量的显著增加。

(3)综合考虑对番茄植株生长发育、果实产量和品质的影响，kcp为1.0灌水水平下进行加气灌溉是本试验条件下相对较优的加气灌溉模式。

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Impacts of Oxygation on Plant Growth, Yield and Fruit Quality of Tomato

ZHU Yan1,2CAI Huanjie1,2SONG Libing1,2CHEN Hui1,2

(1.KeyLaboratoryforAgriculturalSoilandWaterEngineeringinAridandSemiaridAreas,MinistryofEducation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.InstituteofWater-savingAgricultureinAridAreasofChina,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Oxygation, which can impose aerated water to root zoon through Mazzei injector and subsurface drip irrigation (SDI) line, has been effectively overcoming problems associated with hypoxic soil environment induced by SDI and showing yield potentials and great application prospects. The objective of this study was to explore the impacts of oxygation under different irrigation levels and emitter depths conditions on soil aeration, plant growth, fruit yield and quality. Plot experiments were conducted in a greenhouse during tomato growing season (from Apr. 11, 2016 to Jul. 2, 2016) under the oxygation (O) and SDI (S) conditions with two different irrigation levels correlated with crop-pan coefficients (kcp) being 0.6 (W1) and 1.0 (W2) and two different emitter depths of 15 cm (D1) and 25 cm (D2), respectively. Consequently, there was a total of eight treatments (W1D1O，W1D1S，W2D1O，W2D1S，W1D2O，W1D2S，W2D2O and W2D2S) and replied three times, and the plots followed a randomized complete design. In order to assess the benefits of oxygation on soil aeration, variations of soil oxygen concentration (Os) and soil volumetric water content (θv) were investigated. Meanwhile, plant height, stem diameter, leaf area, yield of per plant and fruit weight at harvest were measured, and blooming date and the period of flowering were recorded, and the lycoypene, vitamin C, soluble sugar and organic acid contents of fruit were analyzed in order to study the impacts of oxygation on plant growth, yield and fruit quality. The results showed that oxygation appeared to improve soil aeration effectively accompanied withOssignificantly increased by 6.42% (P<0.05) andθvdecreased by 5.29%, compared with no-aerated SDI. Meanwhile, stem diameter and leaf area with oxygation were significantly 4.55% and 16.21% higher than SDI, respectively (P<0.05). On other hands, compared with SDI treatments, flowering was about 2 days later and the flowering period showed a tendency to prolong under oxygation conditions. What’s more, fruit dry weight in the biomass compositions was significantly increased by 23.57% and yield of per plant, fruit weight and water use efficiency with oxygation were significantly 29.07%, 23.93% and 28.11% higher than no aeration SDI, respectively. Thus, oxygation significantly stimulated plant growth and development, and then improved yield by controlling soil water-air ratio and ameliorating soil aeration. What’s more, compared with no-aerated SDI, the lycoypene, vitamin C and soluble sugar contents and sugar/acid ratio of fruit under oxygation conditions were significantly increased by 37.73%, 31.43%, 32.30% and 45.64%, respectively. Thus, not only fruit yield, but also fruit quality and taste benefitted from oxygation. On other hands, although increasing irrigation level from 0.6 to 1.0 also stimulated plant growth and development, and then increased fruit yield, lycoypene and soluble sugar contents of fruit were significantly decreased. In other words, yield increased with irrigation level increasing, but fruit quality declined. But the effects of irrigation level were less intensive than the positive effects of oxygation on fruit quality. What’s more, oxygation and increasing irrigation level interactively affected on yield. Thus, when all of fruit quality factors, plant growth and development and yield were considered together, combinations of oxygation and the 1.0 irrigation level (W2D1O and W2D2O) were the preferable treatments.

tomato; oxygation; soil aeration; growth; yield; fruit quality

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.023

2017-05-26

2017-06-21

国家重点研发计划项目(2016YFC0400200)和国家自然科学基金项目(51171798)

朱艳(1989—)，女，博士生，主要从事节水灌溉理论与技术研究，E-mail: zhuyan2015@nwsuaf.edu.cn

蔡焕杰(1962—)，男，教授，博士生导师，主要从事农业节水与水资源高效利用研究，E-mail: caihj@nwsuaf.edu.cn

S152.7； S512.1

A

1000-1298(2017)08-0199-13