施氮和加气灌溉对黄瓜根区土壤环境及产量的影响

2020-05-28崔冰晶牛文全杜娅丹

节水灌溉 2020年4期

崔冰晶，牛文全,3，杜娅丹，张倩

(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；3.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

0 引言

目前,随着蔬菜生产面积的不断扩大,设施栽培日益增多,截至2015年，我国设施栽培面积达410.9 万hm2，总面积和总产量均居世界首位[1]。设施生产的高度集约化、过度灌溉、农业机械碾压、过量施肥、少中耕等因素均导致土壤紧实，再加上施肥引起的土壤环境恶化问题日益严重,所以亟待加强这方面的研究。土壤紧实会造成根区低氧胁迫[2]，即使高效的地下滴灌也会出现至少短期的根区缺氧[3]。根区低氧胁迫降低了土壤通气性，抑制了根系对养分的吸收[4]，限制了设施蔬菜产量的提升。改善土壤通气状况，能够有效调节土壤微生物活性、养分有效性，对改善土壤环境，提高土壤生产力有重要意义[5]。而氮素是对土壤通气条件反应最敏感的元素之一，植物在根系生长发育、氮素利用过程中存在一定的根际溶氧量和氮素形态的互作效应[6]。

土壤通气性的改善以及由此带来的根系吸收和运输功能的提高是作物增产的基础[7]。前人研究表明，加气灌溉增加了根区氧浓度，改善植株生理功能，从而提高作物水分利用效率和产量[8,9]。史春余[10]等通过改善土壤孔隙度改善了土壤通气性，增强了甘薯块根中 ATP 酶活性，提高了产量。朱艳[11]、雷宏军[12]等人指出，加气灌溉能够使土壤呼吸加强，促进作物生长和养分吸收，提高作物产量和水分利用效率。因此，加气灌溉可改善农田生态小气候，配合以适宜的施氮量，使作物根系土壤的水、肥、气、热等环境协调同步，是进一步改善根区土壤环境，提高作物产量的一种有效途径。

黄瓜是设施农业中种植面积最大的蔬菜种类之一，同时也是耗水量较大的蔬菜作物[13]。目前，关于加气灌溉的研究多集中于番茄、马铃薯等作物的生长与土壤微生物影响方面，施氮和加气灌溉对土壤根区环境和作物产量的综合影响尚不明确。本试验以黄瓜为供试作物，设置不同的加气和施氮条件，旨在阐明加气与施氮耦合对土壤、产量及干物质的影响，以期为加气滴灌条件下温室黄瓜合理施肥，改善土壤环境和生态效益提供一定的理论基础与科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年3月24日至6月9日在陕西杨凌大寨乡的日光温室内进行(34°17′N、108°02′E)，所处地理位置属半干旱偏湿润区，年均日照2 163.8 h，无霜期210 d。温室东西走向，长×宽为108 m×8 m。土壤类型为塿土，1 m土层内平均土壤干容重为1.34 g/cm3，田间持水量为28.17%(质量含水率)，pH值7.82。土壤颗粒组成：砂砾质量分数为25.4%，粉粒质量分数为44.1%，黏粒质量分数为30.5%。

1.2 实验材料与设计

供试黄瓜品种为乾德777，前茬种植番茄，采用穴盘育苗，2018年3月24日定植，6月9日拉秧，全生育期长78 d。定植时黄瓜幼苗为3叶1心至4叶1心，缓苗时间7～10 d，自2018年4月4日开始试验处理。黄瓜生育期划分如表1。试验小区长 5.5 m，宽3.5 m，小区间隔0.5 m。黄瓜按株距45 cm，行距50 cm进行定植。试验采用地下滴灌方式进行灌溉，定植前在各小区中央铺设地下滴灌带1条(直径16 mm，滴头间距30 cm)，滴灌管埋深为15 cm。将Mazzei287型文丘里加气设备(Mazzei Injector Company, LLC)安装在灌水支管的首端在灌水的同时进行加气，灌水时利用水泵形成加压灌溉水，将位于灌水总管道末端的调节阀控制进口和出口压力分别为0.1和0.02 MPa，由排气法加气量占灌溉水量的17%[11]。各处理灌水量相同，黄瓜整个生育期每隔10 d灌水一次。

表1 黄瓜各生育期起止时间Tab.1 Starting and ending time of different growth period for cucumber

试验分别设置了加气和施氮2个因素，加气处理表示为I,不加气处理表示为CK。参照前人相关研究[14]设置传统施氮N2处理(施氮量为360 kg/hm2)，N1处理(传统施氮量的66%，施氮量为240 kg/hm2)以及不施氮N0处理3个水平。共计6个处理，每个处理3次重复。供试氮肥为尿素(含N质量分数≥46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O5质量分数≥16%)，钾肥为水溶性硫酸钾(含K质量分数≥52%)。其中磷钾肥全部基施，各氮肥处理小区将总氮量的40%作为基肥，剩余氮肥通过滴灌管在黄瓜生长盛期分3次等量追施。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 气样的采集和分析

用静态箱-气相色谱法测定土壤CO2排放通量。采样箱为密闭式静态箱，箱体长30 cm，宽30 cm，高55 cm，由6 mm厚的PVC材料制成。外侧包裹一层海绵和锡箔纸，避免取样时光照对箱体内温度的影响。定植当天在小区中央埋设静态箱底座，底座上口有3 cm深的凹槽用以在采样时注水与静态箱密封。气样用带有三通阀的50 ml塑料针筒进行采集，每底座采样4次，每次取气40 mL，取样时间分别在关箱后0、10、20、30 min采集，并在当天进行室内浓度分析。采样从黄瓜定植后14 d开始，每7 d左右采集1次，分别在4月7日、4月16日、4月23日、5月1日、5月7日、5月14日、5月21日和5月28日每天的09∶00-11∶00进行采样。

采集的气样用安捷伦气象色谱分析仪(Agilent Technologies 7890A GC System)分析CO2的浓度。进而求得单位面积CO2排放量，即土壤呼吸速率。CO2排放通量计算公式为：

(1)

式中：F为气体排放通量，mg/(m2·h)；ρ为标准状态下的气体密度，g/cm3；h为箱体高度，m；dc/dt为气体浓度变化率；T为箱内温度，℃。

1.3.2 环境因子测定

每次采集气体的同时用安插在箱体顶部的水银温度计读取箱内温度；用曲管地温计河北省武强红星仪表厂)测定箱体周围10 cm土层的温度；打土钻利用铝盒取土烘干法测定0～10 cm和0～20 cm土层的质量含水量，计算出土壤充水孔隙度，即：

(2)

式中：Fa为土壤充气孔隙度，%；ρs为土粒密度，g/cm3，值为2.65；ρb为土壤干容重，g/cm3；θv为土壤体积含水率，%。

本试验中Fa是0～20 cm土壤的平均值。

土壤氧气含量利用光纤式氧气测量仪测定。测量时每个小区取2个固定点，分别插入氧气感应探针，探针插入深度为10 cm，距离作物茎秆5 cm。插入后将土壤封实，尽可能避免大气对土壤空气的影响。每次连测5 min，将平均值作为土壤氧气含量。

1.3.3 植株生物量和产量的测定

在黄瓜成熟期每个处理随机选取3株，将茎、叶和果分装后放入烘箱，先在105 ℃高温条件下杀青30 min，之后将烘箱温度调至75 ℃烘干至恒重，用电子天平称重(精度为0.01 g)。果实成熟后，每个处理小区黄瓜每次采收的果实都分别称重，并记录采收日期，至拉秧计算各小区总产量。

水分利用效率计算公式如下：

(3)

式中：WUE为水分利用效率，kg/m3；Y为黄瓜产量，kg/hm2；ET为耗水量，mm。

1.3.4 数据处理

采用Excel2010软件处理试验数据,SPSS18.0软件进行方差分析和显著性分析，显著性水平为α=0.05。用OriginPro2017软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同加气施氮处理下土壤氧气浓度和土壤温度的变化

不同加气施氮处理间对比显示，加气灌溉下的土壤氧浓度均高于不加气处理，二者O2含量的分别在16.9%～20%和16.4%～19.8%范围内浮动(图1)。与不加气相比，加气条件下各施氮水平O2浓度均有提高；此外，随着施氮量的提高，加气对土壤氧含量的增加效应越来越明显，在N0、N1和N2三个施氮水平下，加气灌溉分别使土壤氧浓度提高了1.3%、2.0%和2.7%。加气灌溉对提高土壤氧含量有一定作用，在施氮条件下效果更好。但加气条件下土壤氧气含量的提高并不显著(P>0.05)。这可能是由于加入的是空气，并且氧气测量仪测定的表层土壤在与大气不断地进行交换[11]。

图1 不同加气灌溉模式下土壤O2含量变化Fig.1 Changes of soil O2 content under different treatments

加气处理的土壤温度在黄瓜生育期内均高于不加气处理，两者的表层土壤温度分别在19.9～25.0 ℃和19.0～24.3 ℃之间变化(图2)，在N0、N1、N2施氮水平下，加气处理分别增加了3.3%、6.4%和6.9%的平均土壤温度，且差异显著(P<0.05)；各施氮处理间无明显规律，说明施氮对土壤温度的影响不明显。此外，平均土壤温度随着时间的延长温度呈现相同的变化规律，随气温(Ta)上下波动。黄瓜整个生育期空气温度在19.0～32.6 ℃变化，与空气温度波动相比，土壤温度受天气(空气温度)影响较大。

图2 不同处理下10 cm深度土壤温度的变化Fig.2 Changes of soil temperature in 10 cm depth under different treatments

2.2 不同加气施氮处理下土壤充气孔隙度的变化

由图3可见，除N3处理0501、0507和0521日期处加气灌溉下土壤充气孔隙度略低于不加气条件外，加气灌溉的土壤充气孔隙度在黄瓜生育期绝大多数时间内高于不加气处理，且两者间的差异在生育前期较小，在中后期较大，但差异不显著(P>0.05)。随着施氮水平的提高，加气对土壤充气孔隙度的影响越来越小，在N0、N1和N2三个施氮水平下，加气灌溉处理土壤充气孔隙度均值为27.49%、27.66%和27.45%，较不加气处理分别提高了0.85%、0.61%和-0.07%。

2.3 施氮和加气灌溉对土壤呼吸速率的影响

黄瓜整个生育期内，在定植后第24、39和52 d分别追施氮肥，各处理土壤呼吸出现三次峰值，分别在定植后第38、44和58 d(图4)。土壤呼吸速率在黄瓜生长前期(0～44 d)呈现上升的趋势，之后有所下降，而黄瓜生长后期(44～78 d)呼吸峰值的出现是由追施氮肥引起的。

处理间分析可知，加气灌溉的土壤呼吸速率均高于不加气处理(N2处理30d除外)，加气灌溉下土壤呼吸均值较不加气条件显著提高了25.2%(P<0.05)，且两者间的差异在黄瓜生育前期较小，在生育中后期较大(图4)。IN1、IN2、CKN1和CKN2的土壤呼吸均值分别为503.19、407.53、395.58和331.69 mg/(m2·h)。在黄瓜整个生育期，IN1处理的土壤呼吸始终最大，与IN2、CKN1和CKN2均存在显著性差异(P<0.05)。

图4 不同加气施氮处理下温室黄瓜地土壤呼吸速率Fig.4 Soil respiration rate under different treatments in greenhouse cucumber cropping system

2.4 不同加气施氮处理下的黄瓜耗水量、WUE、干物质及产量

对整个生育期作物耗水量(ET)和水分利用效率(NUE)分析发现(表2)，加气灌溉显著降低了ET(P<0.05)，黄瓜水分利用效率WUE极显著提高(P<0.01)；施氮量对WUE影响极显著(P<0.01)，在N0、N1、N2施氮水平下，根区加气处理的ET分别比未加气处理降低38.1%、32.3%和18.8%，WUE分别提高了5.7%、31.9%和12.5%。在IN1处WUE最大，比未加气条件下传统施氮处理CKN2提高17.08%。加气和施氮两因素交互作用对WUE有显著影响(P<0.05)，对ET有极显著影响(P<0.01)。

表2 不同加气、施氮处理对黄瓜产量、水分利用效率和作物耗水的影响Tab.2 Effects of nitrogen Application on yield, WUE and ET of Cucumber under different aeration conditions

注：同列数据后不同字母表示差异显著性水平，小写字母为P<0.05水平显著。*和**分别代表P<0.05和P<0.01水平上差异显著，ns表示差异不显著(P>0.05)。

加气灌溉处理的干物质积累量显著大于不加气处理(P<0.05)，3个施氮处理下分别提高2.32%、15.33%和1.33%(表1)。黄瓜干物质积累量在IN1处最大，为149.15 g/plant。加气灌溉极显著提高了黄瓜产量(P<0.01)，不同施氮条件下，加气处理的黄瓜产量分别比未加气处理提高了3.38%、28.96%和18.55%。随施氮量的增加，加气与未加气处理之间产量的差异逐渐缩小。IN1处理的黄瓜产量最高，为72 266 kg/hm2，分别是IN2和CKN2处理的1.002和1.188倍。加气和施氮2因素交互作用对黄瓜产量有极显著影响(P<0.01)。

3 讨论

3.1 施氮和加气灌溉对根区土壤环境的影响

加气能够提高土壤氧气含量。朱艳等[11]研究表明，与对照相比，加气灌溉根区土壤氧气含量增加了0.98%。本研究也得到了类似结果，加气条件下各施氮水平O2浓度均有提高。由于氧气测量仪测定的表层土壤和大气不断地进行交换，虽然土壤氧气含量稍有提高，但却能改善根区的整体环境。土壤通气性好坏主要决定于土壤的总孔隙度，特别是充气孔隙度的大小[15]。本研究中，相同施氮水平下充气孔隙度差异并不显著，加气灌溉下的土壤充气孔隙度略高于不加气处理。表明对于土壤通气性确实有一定的改善作用，这与前人[11,16]的相关研究结果一致。此外，加气灌溉显著增加了土壤温度，土壤呼吸均值较不加气处理也显著增大了25.2%，这与侯会静[17]、陈慧[18]和BHATTARAI[19]等人的研究结果一致。

土壤呼吸、土壤氧气含量、土壤水分和土壤温度等众多因子共同构成土壤环境，它们之间的变化是相互影响的[20]。土壤呼吸是土壤与大气之间进行气体交换的主要途径，主要来自作物根系的自养呼吸作用和土壤微生物的异养呼吸作用[21]。研究表明，土壤温度、水分和通气状态是影响土壤呼吸的主要因子[22-26]。本试验中，加气灌溉提高了土壤O2含量和土壤充气孔隙度。土壤中氧浓度的提高，使呼吸作用原料增多，进而促进土壤呼吸作用[27,28]。这是由于加气灌溉能够通过影响作物根呼吸、微生物酶活性等[29,30]，进而促进土壤呼吸。还有研究表明，在有氧条件下，土壤呼吸过程中每消耗1 mol葡萄糖释放出2 870 kJ的热量[31]，、土壤呼吸的加强会使土壤温度有所升高。本研究表明加气灌溉通过改变土壤氧气含量、土壤充气孔隙度、土壤温度和土壤呼吸，从而改善黄瓜根区土壤环境。

对不同施氮水平分析发现，随着施氮量的提高，加气对土壤氧含量的增加效应越来越明显，IN2处理的氧气含量始终最高，表明作物根区加气灌溉在施氮条件下对提高土壤氧含量的效果更好。在黄瓜整个生育期，IN1处理的土壤呼吸最大，植株生长旺盛，此时受到施氮和加气的双重影响IN1的土壤充气孔隙度也高于IN2。Wolf[32]指出当土壤中水、肥、气、热达到最优平衡状态时，土壤生产力可达到最大。本试验中，由于施氮量为240 kg/hm2时进行加气灌溉保证了作物根区土壤充足的氮肥供应和良好的水气配合条件，因此，N1施氮水平时加气灌溉对土壤呼吸、土壤温度的促进作用更为明显。

3.2 施氮和加气灌溉对黄瓜水分利用效率和产量的影响

加气灌溉能显著提高黄瓜的水分利用效率，Abuarab等[33]在玉米灌溉试验中试验结果表明，相较于地下滴灌，加气灌溉下的水分利用效率和灌溉水分利用效率均显著提高。本研究中，加气灌溉减小了黄瓜的耗水量，因而水分利用效率较不加气提高，这与李元等人[34]的结论一致。此外，加气灌溉和施氮对WUE均有影响，两因素交互作用显著提高了黄瓜的水分利用效率。这可能是由于加气灌溉条件下，土壤的通气性良好，适宜的孔隙度使土壤蓄持水能力增加[35]，氮肥的施入促进植株根系的生长，使根系对水分吸收的能力增强，土壤含水率略有下降(土壤充气孔隙度提高)。因此，在加气灌溉对土壤环境的促进作用更为明显的N1处理下，黄瓜的水分利用效率显著高于其他处理。

加气灌溉能够提高作物的干物质和产量，Bhattarau[36]、Du[37]和Li[38]等在番茄和玉米试验中得到加气灌溉产量高于地下滴灌，地上部干物质量显著高于对照。本研究也得到了一致结果，N1和N2处理下加气分别提高了干物质量15.33%和1.33%，产量提高了28.96%和18.55%。在加气灌溉条件下，较高的施氮量并没有得到更高的产量，表明过量施氮可能会抑制黄瓜干物质积累量。主要原因可能是加气灌溉减轻了根区的缺氧状况，在灌水的同时更有利于根系呼吸[36]，微生物的生物活动也更加旺盛，加速了其对有机质的分解，促进了氨的挥发，抑制铵态氮的吸收利用[39]，削弱了氮素对作物生长的促进作用。因此，在IN1处理处，根区土壤得到了充足的氮肥供应和良好的水气配合，形成了一个良性的土壤、作物与大气的连续系统，从而促进了作物生长，使黄瓜产量达到最高，72 266 kg/hm2，分别是IN2和CKN2处理的1.002和1.188倍。该研究结果表明加气灌溉下施氮量为240 kg/hm2时，能够为作物根区土壤提供充足的氮肥供应和良好的水气配合，使土壤中水、肥、气、热达到相对最优平衡状态，为黄瓜增产提供了良好的土壤环境。