根际通气栽培对薄皮甜瓜生长及养分吸收的影响

周华杰 尹杨 李璇 包振兴 刘义玲

摘 要：为探讨根际通气栽培对薄皮甜瓜生长及养分吸收的影响，以薄皮甜瓜‘玉美人为试材，在营养基质槽式栽培条件下，进行根际不同通气量（CK：不通气；h：20 L·min-1；a：40 L·min-1）处理，研究了薄皮甜瓜在不同根际通气量下植株生长和养分吸收的变化规律。结果表明，通气处理可以显著增加根际O2浓度，降低根际CO2浓度。处理第10 d时，a和h处理株高分别较CK高出18%和8%。根长、根体积、根系活力和叶绿素（a+b）含量在处理第20 d时，a和h处理分别较CK高14.94%、43.69%、49.37%、19.35%和12.64%、21.83%、34.13%、11.52%。通气处理显著提高了甜瓜单瓜质量，a和h处理分别是CK的1.5倍和1.2倍。果实中可溶性固形物、蛋白质、维生素C和可溶性总糖含量均显著高于CK。通气栽培促进了根系对基质中碱解氮、速效磷和速效钾的吸收。在处理30 d时，a和h处理基质中碱解氮、速效磷和速效钾含量分别比CK降低了23%、21% 、21%和14%、14%、13%。綜合分析表明，在甜瓜果实发育期，a处理更有利于植株生长、果实发育及根系对养分的吸收。

关键词： 甜瓜；基质栽培；根际通气；养分吸收

Abstract： In order to investigate the effects of rhizosphere aeration cultivation on the growth and nutrient absorption of oriental melon， the oriental melon‘Yumeiren was used as material in the study，and different rhizosphere ventilation treatments （CK：no aeration treatment；h：20 L·min-1；a：40 L·min-1） were conducted under the conditions of nutrient matrix groove cultivation.The variations of plant growth and nutrient absorption under different rhizosphere ventilation were studied. The results showed that aeration treatments could significantly increase the concentration of rhizosphere O2 and reduce the concentration of rhizosphere CO2. On the 10th day of treatment，the plant heights of treatments a and h were 18% and 8% higher than those of CK，respectively. The root length，root volume，root activity and chlorophyll（a+b） content on the 20th day of treatment，a and h treatments were 14.94%，43.69%，49.37%，19.35% and 12.64%，21.83%，34.13%，11.52% higher than the CK，respectively. Aeration treatments significantly increased single melon fruit weight，a and h treatments were 1.5 and 1.2 times that of the ck，respectively.The contents of soluble solid，protein，vitamin C and total soluble sugar in fruits were significantly higher than those in CK. Aeration cultivation promoted the absorption of available nitrogen，available phosphorus and available potassium by the root system. At 30 days，the contents of available nitrogen，available phosphorus，and available potassium in matrix，a and h treatments reduced by 23%，21%，21%，and 14%，14%，13% compared to ck，respectively. Comprehensive analysis showed that the treatment a was more conducive to plant growth，fruit development，and root absorption of nutrients during the melon fruit development period.

Key words： Melon； Medium cultivation； Rhizosphere aeration； Nutrient absorption

近年来，对于如何改善植物外部生长环境促进植物生长的研究已有很多，并取得了丰硕的成果[1-5]，但根区气体环境对植物生长影响的理论与栽培技术的研究还不系统和完善。研究发现，土壤空气O2的临界值为14%，CO2临界值为4%[6]。当土壤中的O2体积分数在20%以下时，植物的呼吸速率便开始下降，低于10%时，无氧呼吸出现并增强，使植物产生酸中毒，抑制根尖细胞的分裂，根的吸收功能减弱甚至丧失，影响根系内物质的运输，对植物的生长发育造成严重危害[7]。当土壤中的CO2体积分数高于5%时能明显抑制植物根系呼吸作用，CO2体积分数达到10%～15%时阻碍植物根系生长和种子发芽，超过15%阻碍根系呼吸和吸收功能，使根系不能扩展，甚至造成植物窒息而死[8]。现代设施蔬菜栽培中，由于长期大量施肥、少中耕、机械化操作增加、设施内通风较差等原因，导致土壤紧实，通气孔隙度减小，在很大程度上限制了土壤与大气的气体交换[9-12]。刘义玲等[13]研究表明根际长期高体积分数的CO2会抑制甜瓜生长。牛文全等[14]和郭超等[15]研究发现对玉米根际通气处理能显著增强其根系活力，促进根系生长，提高了根系吸收养分和水分的能力。

甜瓜根系发达，对氧气的需求量大，根系呼吸强度高，栽培介质中通气不良是限制其产量和品质的主要因子之一[16]。因此，如何解决根际水气矛盾，并找到调控根际气体环境的有效栽培方式，对设施甜瓜的高产优质栽培具有重要意义。本试验在基质槽式栽培条件下，研究了根际通气处理对薄皮甜瓜生长发育及营养吸收利用的影响，以期明确甜瓜在果实发育期合适的通气量，为生产上改善植株生长的根际环境措施的研发与应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验采用品种为‘玉美人薄皮甜瓜，于2017年3—7月在沈阳农业大学园艺学院后山科研基地日光温室内进行。

1.2 试验设计

本试验设置3个处理（h、a、CK）：h处理在甜瓜第1雌花开放当天通气12 h，通气时间段为早上7点到晚上19：00，通气量为20 L·min-1，以后每隔48 h通气12 h；a处理在甜瓜第1雌花开放当天通气12 h，通气时间段为早上7：00到晚上19：00，通气量为40 L·min-1，以后每隔48 h通气12 h；CK（对照）为不做通气处理，为保证处理间槽内空间一致性，槽内也插10根通气管并用胶带封口。采用随机区组设计，每个处理3次重复，每个处理共计33株苗，单蔓整枝吊蔓栽培，人工授粉，单株留2个瓜。定量浇山崎甜瓜配方营养液，其他栽培管理与生产相同。

1.3 试验栽培装置

本试验栽培装置纵断面如图1所示，栽培槽长400 cm，宽20 cm，深18 cm。槽底部铺设一层高2.5 cm带孔支架，保证槽内空间联通，且可使多余的水分与基质隔离，带孔支架上再铺设一层纱网用来防止基质落入下层空间。纱网上填充15 cm厚的基质。基质以牛粪和草炭为主。每个基质槽内插10根高25 cm，直径25 mm的硬质塑料管，塑料管内部再插入一根通气软管用来连接通气泵，塑料管与通气软管连接处用胶塞连接并用胶带封实，保持其密闭性，防止漏气。气体经过导气软管进入硬质塑料管，经过通气孔和下部的开口处进入基质中，从而达到通气的目的。

1.4 测定项目与方法

分别在通气处理0、10、20、30、40 d进行取样测定（气体指标测定与取样均在不通气时间段）。采用单株采样，每个处理重复取样3次。气体每次检测时间均在14：00—15：00之间，其他指标取样时间为15：00—17：30之间。

1.4.1 根际CO2、O2体积分数测量 根际CO2气体采用泵吸式复合式气体检测仪（科尔诺电子科技有限公司型号为GT-903）检测。检测方法为：将泵吸式复合式气体检测仪进气口连接橡皮管，从热熔管中插入栽培槽底部连通空间，测量连通空间中CO2体积分数。根际O2采用光纤测氧仪（德国品牌Pyro-science，型号为FirestingO2）检测。检测方法为将光纤测氧仪探针从热熔管中插入栽培槽底部连通空间，测量连通空间中O2体积分数。对于温室内空气中CO2体积分数与O2体积分数的测定位置为温室中间部位，即试验材料栽培床上部位置。

1.4.2 生长发育指标测量 根长、株高、茎粗使用卷尺、游标卡尺测量；根体积采用排水法测量；根系活力测定采用氯化三苯基四氮唑（TTC）还原法；叶绿素含量测定采用丙酮乙醇混合液法[17]。

1.4.3 果实产量、品质指标测定 单果质量使用天平称量；可溶性固形物含量使用电子测糖仪直接测定；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法；可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250法；维生素C含量测定采用钼蓝比色法[17]。

1.4.4 栽培基质的养分测定 碱解氮测定采用碱解扩散法；速效磷测定采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；速效钾测定采用NH4OAc（乙酸铵）浸提-原子吸收分光光度计测定法[18]。

1.5 统计分析

试验采用SPSS软件和Excel进行数据处理和分析作图，并用Duncans法进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 根际通气对薄皮甜瓜根际CO2和O2体积分数的影响

由图 2-A可以看出，基质中CO2体积分数显著高于温室内CO2体积分数，h处理与a处理的CO2体积分数显著低于CK。随着通气时间的延长，基质内CO2体积分数缓慢降低，降低的幅度显著高于对照。由图2-B可以看出，基质中O2体积分数显著低于温室内O2体积分数，在处理10 d以后，各处理间O2体积分数差异显著，随着甜瓜的生长，基质中O2体积分数保持稳定，h和a处理较CK分别提高了25%和50%。表明根际通气可以显著降低根际CO2体积分数，增加O2体积分数并保持稳定。

2.2 根际通气对薄皮甜瓜生长的影响

由图3可以看出，通气处理对株高、茎粗、根长和根体积均产生不同程度的影响。在第10 d时，各处理间株高（图3-A）差异显著，a处理和h处理分别较CK高出18%和8%。各处理均生长至第22节位时进行打顶，在处理第20 d各处理株高均趋于稳定。茎粗（图3-B）在第20 d时，a和h处理间差异不显著，但显著高于CK。a处理和h处理根长（图3-C）在10～30 d时有显著差异，在第40 d时差异不显著，但均显著高于CK。a处理和h处理根体积（图3-D）均显著高于CK，不同通气量处理间无明显差异。表明通气处理栽培对地上部分影响不明显，主要影响了甜瓜的根系生长。

在甜瓜整个生长发育过程中，各处理甜瓜根系活力（图3-E）均呈先升高后下降的趋势。根系活力在第10 d时a处理与h处理差异极显著。在第20 天时，各处理甜瓜根系活力均达到最大值，其中a处理较CK高出49%；h处理较CK高出34%。在20 d以后，通气量的不同对甜瓜根系活力无显著影响。说明根际通气处理对甜瓜的根系活力有显著影响，在通气前期（20 d之前）不同通气量对甜瓜的根系活力有显著影响，在通气后期（20 d之后），不同通氣量处理对甜瓜根系活力无显著影响。

2.3 根际通气对薄皮甜瓜叶片光和色素含量的影响

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，它在光合作用的光吸收中起核心作用。由图4可知，随着甜瓜的生长，叶绿素含量均为先增加后减少，不同通气量处理的叶绿素含量显著高于对照。叶绿素a、叶绿素b和叶绿素（a+b）在通气30 d时均达到最大值，a处理与h处理与CK间差异显著。由图4-A可以看出，在处理30 d时，a处理叶绿素a较CK高28%；h处理较CK高11%；图4-B可以看出叶绿素b变化趋势与叶绿素a相同，不同通气量处理与CK均产生显著差异。图4-C可以看出叶绿素（a+b）在处理30 d时，a处理较CK上升了27%，h处理较CK上升了11%。以上结果表明通气可以增加叶绿素的含量，不同通气量的处理，对叶绿素a、叶绿素b、叶绿素（a+b）的含量具有显著影响。

2.4 根际通气对薄皮甜瓜单果质量、果实品质的影响

由表1可以看出不同通气量处理对甜瓜的单果质量有显著影响。a处理的甜瓜单果质量是h处理的1.3倍，是CK的1.5倍；h处理的甜瓜单果质量是CK的1.2倍；说明通气处理可以显著提高甜瓜的产量。通气量较大的a处理产量最高。a处理和h处理可溶性固形物、可溶性蛋白含量、维生素C含量分别比对照高32%、89%、70%和16%、32%、34%。综上所述可知，通气处理对甜瓜果实品质有显著影响，且随着通气量的增加，果实的可溶性固形物、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、维生素C含量均有较大的提高。

2.5 根际通气对薄皮甜瓜基质养分含量的影响

由图5可以看出，基质中速效磷、速效钾含量与碱解氮含量均随着甜瓜的生长呈现先增加后减少的趋势。在处理10 d时，基质中碱解氮含量、速效磷含量和速效钾含量均以CK最高且h处理与a处理之间无明显差异；在处理20～40 d时，各处理基质中碱解氮含量、速效磷含量和速效钾含量均存在显著差异，其中在处理30 d时，各处理间差异最大，h处理的碱解氮含量、速效磷含量和速效钾含量分别比CK降低了14%、14%和13%；a处理的碱解氮含量、速效磷含量和速效钾含量分别比CK降低了23%、21%和21%；a处理较h处理的碱解氮含量、速效磷含量和速效钾含量分别降低了11%、9%、9%。从而说明，通气处理有效促进了甜瓜对基质中碱解氮、速效磷和速效鉀的吸收，且随着通气量的增加，甜瓜对养分的吸收也增加。

3 讨论与结论

3.1 根际通气对薄皮甜瓜生长发育的影响

通气处理能有效促进番茄、黄瓜、马铃薯等植株根系、株高、茎粗、生物量等的生长，增加叶片叶绿素含量[19-21]，促进光合作用的进行，增强作物根系活力，促进根系生长。郭超等[15]和杨润亚等[22]研究了根际通气对盆栽玉米与盐分胁迫对玉米植株生长状况及生物量的影响结果表明，通气处理显著提高了玉米的株高、茎粗、叶面积与叶绿素含量，促进玉米根系和地上部分干物质的积累。李胜利等[20]通过不同的根际通气处理对盆栽黄瓜生长初期及根际CO2含量影响的研究结果表明，根际通气处理可降低根际CO2含量，改善黄瓜植株根系生长环境并促进株高、茎粗等的生长。

本试验结果表明，基质通气栽培能够大量增加基质中氧气含量，减少基质中的CO2含量。通气栽培对甜瓜的根长、根体积、根系活力和叶片叶绿素含量有明显的促进作用。根系吸收营养和水分是消耗能量的过程，而能量的供给主要是由根系有氧呼吸提供的。对基质根际进行通气处理，增强了土壤有氧呼吸，提高了根系吸收养分和水分的能力，进而促进了甜瓜地下部的生长。通气栽培对甜瓜生殖生长期的株高和茎粗的影响并不大，这可能是因为本试验通气时间为甜瓜生殖生长期，此时甜瓜的营养生长不如生殖生长旺盛，与此同时甜瓜果实对根系吸收的养分需求量也比较大，从而导致甜瓜的株高和茎粗与对照相比并没有明显的差异。这与郭超等[15]和杨润亚等[22]对盆栽玉米的研究结果略有不同，可能是由于作物不同及通气开始时期不同所致，本研究在果实发育期开始通气，植株营养生长基本已达到最旺盛时期，主要影响果实发育和产量品质的形成过程。

3.2 根际通气对薄皮甜瓜果实产量和品质的影响

不同通气量处理对甜瓜的果实产量、品质均有影响。马金明[23]研究发现，根际CO2体积分数的升高抑制了网纹甜瓜果实横径、纵经的生长速度，从而抑制了果实的膨大速率，导致网纹甜瓜果实正常的发育受到阻碍，从而降低了果实的产量。

作物同化物的积累与分配是作物生长发育与产量形成的基础[24]。长期通气处理促进了植物的光合作用，增加了干物质的积累[25]，这势必会促进甜瓜果实产量与品质的形成。本试验研究发现，通气显著了增加了薄皮甜瓜的产量，通气量越大，对果实的单果质量影响越大。这与张璇等[26]、孙周平等[27]和张国红等[28]在根际通气条件下可显著提高作物产量的研究结果一致。褚丽敏等[29]研究发现，通过对番茄通气处理，不仅提高了番茄的产量，也显著提高番茄的果实品质，其中对于番茄的可溶性固形物影响最大，比对照提高30%以上。本试验中，a处理的可溶性固形物、可溶性蛋白含量、维生素C含量均为最高，h处理次之。可能是由于随着基质中氧气含量的增加，根系对营养的吸收能力加强，植株的光合作用增大，促进光合产物从源到库的分配，进而影响果实的发育过程，提高果实产量和品质。因此，通气栽培有利于甜瓜果实品质的提高，且在一定范围内随着通气量的增加，对甜瓜果实品质形成的促进作用也增强。

3.3 根际通气对薄皮甜瓜基质养分含量的影响

前人研究发现，根际通气提高了黄瓜根系代谢能力水平、基质酶活性和基质养分含量[8，30-31]，这可能是因为根区气体环境的变化直接影响土壤微生物和植物生长，影响了土壤酶活性，加快了土壤有机质的矿化，提高土壤养分有效性[32]。

本试验研究结果表明，随着甜瓜的生长，基质中碱解氮含量、速效磷含量和速效钾含量均以CK最高，且随着通气量的增加，各处理之间碱解氮含量、速效磷含量和速效钾含量差异显著。从而说明，通气处理有效促进了甜瓜对基质中碱解氮、速效磷和速效钾的吸收，且随着通气量的增加，甜瓜对养分的吸收也增加。根系对土壤中能量、养分的吸收是根系一切活动的基础，根系能量的产生主要来源于根系的呼吸作用，而根际 CO2和 O2体积分数又与根系的呼吸作用紧密相联[33-34]。增氧处理解决了土壤低O2和高CO2的矛盾。这与陈红波等[8]、赵旭等[35]和张莹莹等[36]的研究结果基本一致。也有研究发现，土壤中过高的CO2含量会使根呼吸减弱甚至停止，降低植物对养分、水分的吸收和向地上部的运输，从而导致单位面积茎叶内的养分含量减少[37-39]。进而得出通气良好的基质能显著促进根系对基质内营养元素的吸收。

通过对本试验及前人研究结果综合分析得出，在基质槽式栽培条件下，甜瓜果实发育期适宜通气方式为每48 h通气12 h，通气量为40 L·min-1。

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