温室辣椒生长和氮素吸收对增氧滴灌的响应

2021-06-28雷宏军孙克平张振华刘蕾蕾杨宏光潘红卫席海朋

干旱地区农业研究 2021年3期

雷宏军, 孙克平, 张振华, 刘蕾蕾,杨宏光,潘红卫,景明,席海朋

(1.华北水利水电大学水利学院，河南郑州 450046；2.鲁东大学资源与环境工程学院，山东烟台 264039；3.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南郑州 453000)

发展节水-节肥农业、合理配置水肥资源、提高作物水氮利用效率已迫在眉睫。温室蔬菜栽培依靠其高度可控性以及高效利用太阳辐射资源，已成为世界上最重要的蔬菜生产设施之一[1]。菜农们为了使温室栽培经济效益最大化在种植期间大量使用水和肥料，致使传统管理中水肥投入远远超过温室蔬菜的生长需求[2]。氮素过量或亏缺均可影响设施蔬菜营养生长和生殖生长，过量和不当施氮还会进一步造成氮肥利用率降低并在蔬菜可食用部分大量积聚硝酸盐对人类健康有害[3]，土壤中残留硝酸盐含量增加[4]、温室地下水硝酸盐污染加剧等[5]。因此，在保持产量稳中有升的同时合理施氮是农业可持续发展的需要。大量研究表明[6-8]，与传统灌溉方式相比，滴灌和合理减少氮肥的投入可以达到调质增产、提高灌溉水利用效率(WUE)和氮素利用效率(NUE)的效果。然而，即使在某些水分条件下合理施氮也不能优化产量，这是由于灌溉后作物根部水分饱和引起的缺氧所致。随着滴灌技术的精细化演变，出现一种新型的滴灌技术——增氧滴灌。增氧滴灌即以水为载体，将水气混合液和微型气泡缓慢、均匀地输送到作物根区，缓解根区土壤缺氧状况,为作物调质增效提供了新途径[9-10]。

目前国内外对于增氧滴灌对作物根区土壤通气性的研究已取得了一定的成果。臧明等[11]研究发现高灌水量下增氧处理的土壤溶解氧浓度(DO)、氧气扩散速率(ODR)、氧化还原电位(Eh)和土壤呼吸速率(R)均有显著增强，明显改善了根区土壤通气性；还有学者[12]发现，增氧灌溉具有强化土壤硝化过程、减少氮素损失、提高氮素利用率的潜力；李元等[13]研究了番茄在不同土壤加气量与加气深度组合下的生长生理指标；Du等[14]研究表明，曝气灌溉显著提高土壤渗透性和水分生产力，提高番茄产量和氮素利用效率。总的来看，增氧灌溉与温室辣椒光合作用、生长、品质及氮素吸收之间的作用机制有待深入研究，进而丰富增氧灌溉效果。本研究以日光温室地下滴灌技术为切入点，研究了不同施氮和灌溉水平下增氧灌溉对温室辣椒生长生理指标(根系活力、净光合速率、叶绿素含量、产量及品质)和氮素吸收利用的影响，以期揭示温室辣椒光合作用、品质及氮素吸收与土壤通气性改善的响应关系，更深层次地阐明土壤加气调质增产和氮素吸收利用间的机理，为温室瓜果蔬菜调质增产和有效调控水、肥、气灌溉提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018年3月20日—2018年7月6日在华北水利水电大学农业高效用水试验场现代化温室中进行(113°47′20.15″E，34°47′5.91″N)。该地属温带季风气候，多年平均气温14.3℃，7月份，月平均气温27.3℃，1月份平均气温0.1℃，无霜期200 d，全年日照时数约2 400 h。温室建筑总面积为537.6 m2，跨度为9.6 m，开间为4 m；玻璃温室内，南面、北面分别装有风机和湿帘，以调节温室内温度、湿度；期间温室内温度及空气湿度分别控制在30℃和89%以内。

1.2 试验材料

供试土壤为黏壤土，平均土壤容重为1.45 g·cm-3。0～40 cm土层按照每10 cm 土层深度取样，剖面土壤质地均匀，砂粒(0.02～2 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)、黏粒(<0.002 mm)质量分数分别为32.99%、34.03%和32.98%。土壤全氮、全磷、全钾质量分数分别为1.01、1.28 g·kg-1和34.57 g·kg-1，田间持水率(质量含水率)28%。供试辣椒品种为‘康大301’。

1.3 试验设计

试验设置施氮量(低氮和常氮)、掺气量(掺气率0和15%)和灌水量(高灌水量定额1 609 m3·hm-2,低灌水量定额为高定额的60%)3因素2水平完全随机区组设计，共8个处理，每个处理4次重复，试验设计列于表1。试验区域共设32个小区，小区长2 m、宽1 m。小区内起垄种植辣椒，垄高10 cm，每垄定植5株，株距33 cm。小区内采用地下滴灌供水方式，滴灌带埋深15 cm[15]，滴头额定流量1.2 L·h-1，滴头间距为33 cm，额定工作压力0.10 MPa。植株距离滴头10 cm，平行于滴灌带布置。

表1 试验设计

1.4 试验管理

辣椒于4叶1心至5叶1心时移栽。移栽当天浇透底水，移植后10 d覆膜。辣椒生育期共计109 d，生育期划分详见表 2。

表2 辣椒生育期划分

试验中所施用的肥料为高钾型水溶性肥料施乐多(含硝态氮7.1%，铵态氮1.1%，脲态氮6.9%，P2O515%，K2O 30%，由中国康拓肥料有限公司生产)。利用施肥器将水溶肥掺入水流，在制水罐中混匀，分别于移植后24、36、44、57、66、78、87 d按照施肥质量2∶2∶2∶3∶3∶2∶1的比例施入，N1处理施肥量为225 kg·hm-2，N2处理施肥量为300 kg·hm-2；常规滴灌利用首部供水装置进行供水；曝气滴灌处理利用文丘里空气射流器(Mazzei air injector 684，Mazzei Corp公司，美国)进行曝气。试验中通过空气压缩机对承压储水罐加压，当承压储水罐中压力稳定在0.1 MPa时，启动循环水泵，水流在循环水泵作用下通过文丘里空气射流器进行循环曝气，曝气时间20 min时可制得掺气率为15%的掺气水[16]，之后通过地下滴灌系统供水。各小区分别供水，供水压力为0.10 MPa，采用滴水计量器计量灌水量。试验中灌水下限根据距离植株径向10 cm、纵向10 cm埋深处的张力计(12型分体式张力计，中国农业科学院农田灌溉研究所)确定：土壤基质势下降至-30±5 kPa时开始灌溉。灌水量根据式(1)计算[17]：

W=A·EP·KP

(1)

式中，W为各处理每次的灌水量(mm)；A为小区控制面积(2 m2)；EP为 1个灌水周期内φ601蒸发皿的蒸发量(mm)；KP为蒸发皿系数，W1处理取0.6，W2处理取1.0。灌溉时间及灌水量参见表3。

表3 生育期内灌水量

1.5 测定指标与方法

1.5.1 氧化还原电位(Eh)和氧气扩散速率(ODR) 试验中利用多功能氧化还原电位测量仪(上海仪电科学仪器股份有限公司，中国)测定土壤氧气扩散速率(oxygen diffusion rate，ODR)和氧化还原电位(oxidation-reduction potential，Eh)。根据预试验结果，研究中氧化还原电位测量仪探头埋深选择20 cm。

1.5.2 土壤水饱和度(Sr) 土壤水饱和度的测定时间与氧化还原电位(Eh)/氧气扩散速率(ODR)相同。利用土壤湿度记录仪(FDS-100，邯郸市清胜电子科技有限公司)测定土层20 cm处土壤含水率，水分传感器埋设于相邻两株作物中间。土壤水饱和度的计算式为[18]

(2)

式中,Sr为土壤水饱和度(%)，θν为土壤体积含水率(cm3·cm-3)，γ为土壤容重(g·cm-3)，ρs为土粒密度(g·cm-3)。

1.5.3 土壤矿质氮含量分别于施肥前后及生育期末采集土壤样品，试验中分别于移栽后25、37、45、58、67、79 d和88 d取土。取土深度为0～20 cm，取样后将样品混匀，立即放于4℃冰箱保存[19]。测定时取出土样，利用2 mol·L-1KCL溶液浸提，根据浸提液中的矿质氮浓度情况，稀释5～10倍数后利用紫外分光光度法测定溶液中的硝态氮，利用靛酚蓝比色法测定溶液中的铵态氮。土壤矿质氮质量分数根据式(3)计算[20]：

(3)

1.5.4 作物生长指标辣椒收获当天挖取辣椒根系，冲洗干净后用直尺测记根系的最大长度；依据TTC法测根系活力[21]。

1.5.5 净光合速率和叶绿素含量净光合速率采用光合测定仪(Li 6400XT，LI-COR公司，美国)，以辣椒顶部第2片完全展开叶为测量对象，每个处理随机选取3株，分别于移植后46、53、59 d和67 d测定净光合速率。

叶绿素含量利用SPAD-502测定标记辣椒叶绿素含量，以辣椒顶部第2片完全展开叶为测量对象，每个处理随机选取3株，分别于移植后21、37、48、60、77、91 d和104 d测定。

1.5.6 产量和品质测定生育期分批摘取辣椒果实，采用精度为0.01g电子天平称量果实质量，产量为每次果实质量之和；采用2,6-二氯靛酚滴定法测定维生素C(Vc)含量；采用Brandford法测量可溶性蛋白质[11]。

1.5.7 水氮利用效率灌溉水利用效率(irrigation water use efficiency，IWUE)根据式(4)计算[20]：

(4)

式中，IWUE为灌溉水利用效率(kg·m-3)；Y为作物产量(kg·hm-2)；I为生育期内灌水总量(mm)；10为单位换算系数。

利用凯氏定氮法测定植株全氮[22]，作物氮素吸收利用效率(nitrogen uptake and utilization efficiency，UPEN)根据式(5)计算[23]：

(5)

式中，UPEN为氮素吸收利用效率(kg·kg-1)；AN为植株总氮吸收量(kg·hm-2)；UN为施氮量(kg·hm-2)。

1.6 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据的记录、绘图及表格的制作；利用SPSS 18.0软件进行数据的显著性分析，当P<0.05时认为差异显著，否则认为此差异无统计学意义。

2 结果与分析

2.1 增氧滴灌对土壤通气性指标的影响

2.1.1 对土壤水饱和度(Sr)的影响预试验结果显示，由于施氮水平对土壤ODR、Eh和Sr无显著影响，故选择常氮施肥水平(300 kg·hm-2)进行说明。辣椒苗期、开花坐果期、成熟期一个灌水周期内各处理土壤Sr动态变化见图1。不同生育期不同处理的土壤水饱和度变化动态基本一致，灌水后土壤水饱和度迅速上升，随后又迅速下降至50%以下速率减缓。比较不同生育期一个灌水周期土壤水饱和度均值发现，W2处理较对应W1处理土壤Sr增大，尤其在灌水后第2天，3个生育阶段W2CN2较W1CN2分别提高了15.74%、17.76%和18.55%(P<0.05)，W2AN2较W1AN2分别提高了22.13%、18.84%和15.75%(P<0.05)；W1处理下增氧灌溉处理土壤Sr较对照处理平均降低3.51%，W2处理下增氧灌溉处理土壤Sr较对照处理平均降低2.67%。

2.1.2 对土壤ODR和Eh的影响由图2可知，不同生育期不同处理的ODR和Eh变化趋势相同，灌水后ODR和Eh值迅速下降，而后逐渐上升趋于平稳。增氧处理增大了土壤ODR和Eh值，且在灌溉1天后已出现显著差异(P<0.05)，但同时期灌水量差异对ODR和Eh的影响不具有显著性差异(P>0.05)。W1和W2水平下处理AN2的ODR值较对照处理平均增加了8.38%和14.17%；对照处理下W2CN2处理ODR值较W1CN2处理平均减小了5.00%。比较一个灌水周期Eh均值，W1水平下处理AN2的Eh较对照处理平均增大6.64%；W2水平下W2AN2的Eh较对照处理平均增大9.05%。对照处理下W2CN2处理Eh较W1CN2处理平均减小4.20%；增氧灌溉处理下W2AN2处理Eh较W1AN2处理平均减小2.03%。

2.2 增氧滴灌对辣椒根长和根干重的影响

由表4不同处理辣椒根长及根系干重数据可知，在单因素作用中，掺气量、灌水量和施氮量的增加可有效增加辣椒根长和根系干重(P<0.01)。高水量处理根长和根系干重较低水量处理平均增大20.90%和51.20%(P<0.05)；常氮处理根长和根系干重较低氮处理平均增大13.46%和39.36%(P<0.05)；与对照处理相比，增氧滴灌辣椒根长和根系干重平均增大9.19%和19.51%(P<0.05)。

表4 不同处理辣椒根长及根系干重

2.3 增氧滴灌对辣椒生理指标的影响

2.3.1 对净光合速率的影响辣椒生育期净光合速率见图4。与低氮处理相比，W1CN2、W1AN2、W2CN2和W2AN2净光合速率平均增幅分别为9.59%、9.65%、13.49%和18.35%(P<0.05)；高水量处理叶片净光合速率均值较低水量处理平均增幅16.59%(P<0.05)；增氧处理辣椒叶片净光合速率均值较相应对照处理平均增幅12.97%(P<0.05)。

2.3.2 对辣椒根系活力的影响由图5可知，掺气量、灌水量和施氮量的增加可有效提高辣椒根系活力。与对照处理相比，增氧滴灌处理辣椒根系活力平均增加13.10%(P<0.05)；低氮处理下W2AN1的根系活力较W1AN1处理增加了22.40%(P<0.05)；常氮处理辣椒根系活力较低氮处理平均增加9.82%。

2.3.3 对辣椒产量及品质的影响由表5分析可知，与对照处理相比，增氧滴灌处理平均增产18.18%(P<0.05)，高水量处理较低水量处理平均增产25.24%(P<0.05)，常氮处理较低氮处理平均增产29.04%(P<0.05)；单因素作用下，高水量处理较低水量处理辣椒Vc含量平均提高7.02%(P<0.05)，常氮处理较低氮处理辣椒Vc含量平均提高16.43%(P<0.05)，增氧滴灌较对照处理辣椒Vc含量平均提高9.45%(P<0.05)。与低水量处理相比，高水量处理果实可溶性蛋白质含量平均增加36.76%(P<0.05)，与低氮处理相比，常氮处理果实可溶性蛋白质含量平均增加26.42%(P<0.05)，与对照处理相比，增氧滴灌果实可溶性蛋白质含量平均增加18.78%(P<0.05)。两因素交互作用中，灌水量和掺气处理对产量和Vc含量有显著影响(P<0.05)；灌水量和施氮量对产量、Vc含量和可溶性蛋白质含量有极显著影响(P<0.01)；施氮量和掺气处理对可溶性蛋白含量有极显著影响(P<0.01)；灌水量、施氮量及掺气处理3因素互作对产量和Vc含量无显著影响(P>0.05),而对可溶性蛋白质含量有显著影响(P<0.05)。

表5 不同处理辣椒产量及品质

2.4 增氧滴灌对水、氮利用效率的影响

由表6可知，单因素作用中，灌水量、施氮量和掺气量影响作物水分利用效率。高水量处理辣椒IWUE较低水量处理平均降低25.24%(P<0.05)；常氮处理较低氮处理平均提高28.69%(P<0.05)；增氧滴灌处理较对照处理平均提高17.98%(P<0.05)。灌水量、施氮量和掺气量同样影响作物氮素吸收利用效率。高水量处理较低水量处理平均提高21.60%(P<0.05)；常氮处理较低氮处理平均降低14.56%(P<0.05)；增氧滴灌处理较对照处理平均提高17.84%(P<0.05)。两因素交互作用中，灌水量与掺气量对氮素吸收利用效率有极显著影响(P<0.01)。

表6 不同处理辣椒灌溉水利用效率和氮素吸收利用效率

3 讨论

3.1 增氧滴灌对根区土壤通气性的影响

土壤通气性是表征土壤透气性和氧含量的综合指标，反映了土壤气体的组成及其对植物的作用，包括土壤气体的产生、吸附、交换等各个方面[24]。

土壤通气性指标可归为容量指标(如充气孔隙度)、强度指标(如孔隙中的氧气分压或土壤溶液中的氧气含量)、传输速率(如氧气扩散速率ODR)3类[25-26]，Lemon等[26]首次利用铂金电极来模拟根系对氧气的吸收，氧气扩散速率(ODR)可较好地表征土壤向根系的供氧能力,土壤水分过多会造成ODR下降[27]。

增氧灌溉水气两相流中微小气泡易附着于土壤孔隙中，可持续向水中供氧[16]，为克服田间管理(淹水、灌溉、压实等)所导致的根区缺氧提供可能，以调节作物根区水气状况，改善根系生长环境[9,28]。Wiegand等[29]研究表明，随着土壤湿度增加根系周围的水膜厚度增加，氧气由气态到达根系的阻力增加，在本研究中，随着灌溉水进入田间并湿润作物根区土壤后，水分暂时全部充满土壤的孔隙，12 h后土壤水饱和度达到峰值，导致土壤孔隙中的氧分子运动受到阻碍，这时会抑制土壤内部的各项生理活动，使氧的活动频率降低，Eh与ODR值迅速下降(图2)。即使Eh与ODR值迅速下降，但增氧处理较对照处理Sr值均有所降低，低水量处理下平均降低3.51%，高水量处理下平均降低2.67%(图1)，这可能是由于灌溉过程，增氧处理促进了土壤中气相氧和液相氧的流通和交互作用，使土壤氧气环境仍有改善。杨海军等[30]发现加气灌溉减少了土壤大孔隙数量，增加了小孔隙数量，提高了土壤孔隙的连通性。本研究中土壤水饱和度逐渐下降的阶段，由于土壤孔隙水被作物吸收利用、株间蒸发、深层渗漏等途径而消耗一部分水分，空气逐渐进入土壤孔隙，内外气体交换频繁，土壤环境中会发生剧烈的各项生理活动，氧气扩散速度加快，进而促进Eh与ODR值的增大(图2)，处理W2AN2和W1AN2较对照处理Eh与ODR值平均增大9.05%、14.17%和6.64%、8.38%。因此，增氧滴灌通过有效调控土壤水气配合，改善了土壤通气性(增大土壤氧气扩散速率，降低土壤含水率)，缓解了地下滴灌时土壤湿润区的缺氧状况。

3.2 增氧滴灌对辣椒作物生长生理指标和水氮吸收利用的影响

作物生长生理指标与本身遗传因子及外部环境息息相关。以往研究表明，灌水量和施氮量是影响作物生长生理指标的重要因素[31]。除此之外，前人研究表明，根区加气处理可提高作物气孔导度、蒸腾速率[32]和叶绿素a含量[33]。因此，叶绿素含量的升高进一步促进了净光合速率的升高速率。本试验中，增氧处理净光合速率的较大提升也受益于土壤通气性的改善和叶绿素含量的升高，与王德玉[34]的发现土壤紧实胁迫降低植株净光合速率、抑制同化物的合成和输出相一致。

根系是作物生命的门户，根系的生长与土壤通气性息息相关，良好的根区氧气环境可以促进根系呼吸，使根系代谢旺盛，促进根系对水分、植物生长素等生长物质的吸收、运输和储存[35]，影响作物的气孔导度、光合作用效率和蒸腾速率[32]，进而促进植物的生长发育，有效提高植株的产量和品质的改善[15]。本试验中，增氧地下滴灌对根系有明显的增强作用，促进了根系的生长、活力和干物质积累，增氧处理较对照处理分别平均增大9.19%、13.10%、19.51%(P<0.05)，关于番茄的研究也证明了这一点，增氧灌溉促进了植株根系的生长[28]。有研究指出，根区的低氧环境会导致光合速率的降低[34]，从而导致根系的水分和养分利用效率降低，影响植株的生长。本试验中，辣椒的产量和水分利用效率也受益于土壤通气性的改善而显著提高。可见，通过增氧地下滴灌改善根区低氧胁迫，促进根系生长、呼吸，恢复光合器官活性，进而对辣椒生长产生积极效应。

提高氮素利用效率首先要促进氮素吸收的能力，增氧地下滴灌改善根系生长环境，增强根系对养分的吸收和征调，促进了作物对养分的吸收利用[36]。本试验中，增氧滴灌显著提高了氮素吸收利用效率(表6)。作物养分吸收状况改善对作物品质存在较大影响[15]，增氧处理的Vc含量和可溶性蛋白质含量都有了显著提高(表5)，且水肥气互作对可溶性蛋白质含量有显著影响(P<0.05)。综合来看，本试验中，作物生长生理指标、水氮吸收利用以及品质方面的改善同ODR值的变化趋势相同，表明ODR值与作物的生理反应、营养特性和生长发育的相关关系更为密切。