水气互作对温室番茄生长、产量和水分利用效率的影响

2022-02-25韩其晟李欢欢宋嘉雯

灌溉排水学报 2022年1期

庞婕，韩其晟，周爽，李欢欢，宋嘉雯,2，刘浩*

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所农业农村部作物需水与调控重点开放实验室，河南新乡 453002；2.塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆阿拉尔 843300）

0 引言

【研究意义】我国北方水资源的紧缺使得节水高效灌溉技术与设施农业相结合的应用变得尤为重要。番茄是我国一种重要的经济作物，主要以设施栽培为主[1]。截至2016年，我国设施番茄播种面积约为81万hm2，占设施蔬菜总面积的19.7%，其中日光温室有38.8万hm2[2]。随着设施番茄生产力的不断增加，节水灌溉技术的应用程度也不断扩大。与传统地面灌溉相比，滴灌节水可达80%[3]。【研究进展】地下滴灌是在滴灌的基础上将滴灌管网系统铺设于作物耕层，将水和肥少量多次直接输送到作物根区以供作物吸收利用，以达到节水增产的目的[4]。此外，地下滴灌还能有效减少土壤蒸发和深层渗漏[5]，成为国内外水资源匮乏地区的有效节水灌溉技术。同时，频繁的滴灌会影响滴头附近的土壤结构和改变其水力学特性，造成土壤板结，在滴头周围形成湿润锋[6]，持续的水分饱和造成的低氧环境使作物根系呼吸困难[7]。作物根区缺氧会极大降低细胞ATP产生效率，细胞代谢受到抑制[8-9]，根系活力降低，根系对水分和养分的吸收减少[10]，叶片净光合速率下降，同时影响作物气孔导度和蒸腾速率[11-12]，进而限制作物生长。为了缓解地下滴灌带来的根区低氧胁迫，加气灌溉应运而生。将空气或者氧气溶解在水中，气液混合的形式通过滴灌系统将富氧的水输送到作物根区，实现水气同时输送，改善根区缺氧情况，使根区环境可以满足作物根系有氧呼吸和土壤微生物对氧气的需求。这种灌溉方式既发挥了地下滴灌节水高效的优点，又改善了根区土壤缺氧的状况[13-14]。加气灌溉会显著影响作物根际土壤氧环境、提高导气率、改善土壤酶活性，为土壤微生物的活动提供保障[10]，使作物根系有氧呼吸顺利进行[15]，促进作物地上部的长势[12,16]，提高作物产量、改善果实品质[16-23]。根区加气也对甜瓜、棉花、黄瓜、大豆、南瓜、西葫芦以及稻米等作物产量和品质也产生了一定的提升作用[24-27]。【切入点】国内外的加气灌溉研究大多针对加气频率、加气方式或加气深度与灌溉水平等方面对作物生长生理、产量和品质的影响[24-27]，且大多研究主要集中在黏质土壤[10,13]，针对作物的适宜加气量阈值研究较少[28-29]，尤其缺乏其他类型土壤的适宜加气量阈值。【拟解决的关键问题】本研究以温室盆栽番茄为研究对象，采用微纳米气泡加气水结合地下滴灌的灌水方式，通过设置不同加气量和灌水水平，研究粉壤土种植条件下水气互作对温室番茄生长生理特性、干物质积累、产量以及水分利用效率的影响，探寻温室番茄适宜水气组合及加气阈值，以期为温室栽培作物加气灌溉的推广应用提供理论基础及技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年3—6月在中国农业科学院新乡综合试验基地（N35°9′，E113°47′，海拔74 m）的日光温室中进行。试验区属暖温带大陆性季风气候，年均降水量580 mm，年均蒸发量2 000 mm，多年平均气温14 ℃，日照时间2 399 h，无霜期201 d。试验所用温室占地长60 m、宽8.5 m，总面积为510 m2，东西走向，坐北朝南。温室上端覆盖有厚度为0.2 mm的无滴聚乙烯薄膜，膜上铺设5 cm厚的保温棉被，侧墙和后墙的墙体内均嵌有保温材料。

采用盆栽试验，所用土壤为0～20 cm大田耕层土，土壤类型为粉壤土（黏粒：9.7%，粉粒：85.3%，砂粒：5%），田间质量持水率为24.1%，土壤养分指标见表1。

表1 试验土壤理化指标Table 1 Soil physical and chemical indexes were tested

1.2 试验设计

试验所用盆直径为30 cm，高50 cm，试验土壤经风干过筛后装入盆内至上口约5 cm处，每盆装干土质量46.1 kg，以确保装土体积质量在1.45 g/cm3左右。试验装土时分3层进行装填，在第3层土中将全部磷肥，氮肥和钾肥总量的40%作为底肥拌匀装入盆中，剩余60%的氮肥和钾肥平均分4次于每穗果开始膨大时随水追肥。所有处理氮、磷、钾肥料施用量均相同，施用量分别为0.13、0.08 g/kg和0.13 g/kg。以金棚番茄为试验对象，于五叶一心时移栽（2021年3月8日）于盆中，每盆定植1颗植株，坐果4穗留顶叶3片后打顶，6月21日结束试验；灌水方式采用水气混合地下滴灌，灌水器埋深15 cm，使用压力补偿式滴头，流量为2 L/h，工作压力为0.1～0.12 MPa。

试验设计3种灌溉水溶解氧质量浓度，分别为井水对照3～5 mg/L（O1）、15 mg/L（O2）和25 mg/L（O3），每个灌溉水溶解氧质量浓度下设置3种灌溉控制水平，土壤含水率分别控制在田间持水率的50%～70%（W1）、65%～85%（W2）和80%～100%（W3），共计9个处理，每个处理设20个重复。为了提高试验灌溉水溶解氧质量浓度的稳定性，所用加气水由井水经过连接小型制氧机（氧气质量浓度：93%±3%）的离分式螺旋体微纳米气泡水发生装置（流量：1 500 L/h，气体流量：200 L/h）制成，通过调节制氧机的进氧量来控制加气水的溶解氧质量浓度（DOC），并使用精度为0.1 mg的溶解氧测量仪（雷磁JPSJ-606L型溶解氧测量仪，量程90 mg/L）测定加气水的溶解氧质量浓度，达到所需质量浓度后将含氧加气水输入滴灌系统置于灌水桶中（图1），以提高试验过程中加气水溶解氧质量浓度的均匀性；对照组（O1）不需通过制氧机和微纳米气泡发生装置，直接将水注入灌水桶作为灌溉用水。每个处理选择有代表性的3盆番茄，于每天07:30—08:30采用精度为10 g的电子吊秤称质量，用于控制灌溉和计算番茄耗水量。番茄定植后为保证活苗，所有处理统一灌水至田间持水率的80%，待土壤含水率下降到田间持水率的60%（±5%）[30]，W2处理和W3处理再次灌水至各自灌水控制上限，之后按照设计灌水上下限进行灌溉；W1处理从第1次灌水开始，直至土壤含水率下降到田间持水率的50%（±5%）直接按照试验设计开始灌水处理。除试验控制因素外，所有处理的打药等田间管理措施均一致。

图1 试验布置Fig.1 Test layout

1.3 测定项目与方法

1）作物耗水量

作物耗水量计算式为：

式中：ETi为第i天的单株作物耗水量（m3/株）；Zi为第i天盆总质量（kg）；Zi+1为第i+1天盆总质量（kg）；1 000为单位换算系数。

2）株高、茎粗和干物质积累量

从移栽第20 d开始，每10 d测量1次株高和茎粗；打顶后植株基本停止生长，每15 d测量1次。其中株高采用直尺测量，茎粗采用十字交叉法，在地上2 cm处用游标卡尺测量。干物质量在成熟采摘期进行破坏性取样，每个处理随机选择6颗大小均匀的植株，按茎、叶、果和根分离后分别测量其鲜质量，之后放入105 ℃的烘箱杀青30 min，然后在75 ℃条件下烘干至恒质量后分别测量其干物质量。

3）生理指标

使用LI-6400光合测定系统在番茄开花坐果期（晴天）10:00—11:00测量植株叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2摩尔分数（Ci）和蒸腾速率（Tr）；测量在灌水前进行，每个处理随机选择具有代表性的3棵植株，测量部位均为背阳面植株倒4叶，每个处理重复3次并取平均值进行分析。

4）产量

为消除株间差异，每个处理分为4组，每组选择4颗植株的平均值作为1个重复，每个处理4个重复用以计算番茄单株产量。

5）水分利用效率

水分利用效率计算式为：

式中：WUE为水分利用效率（kg/m3）；Y为单株产量（kg/株）；ET为单株耗水量（m3/株）。

1.4 数据分析

采用统计软件DPS数据处理系统进行试验数据方差分析，并运用Duncan检验对各试验处理间差异进行多重比较（p＜0.05），采用Excel 2016作图。

2 结果与分析

2.1 水气互作对番茄株高、茎粗的影响

不同处理下成熟采摘后期的番茄株高和茎粗如图2所示。土壤水分状况对株高和茎粗产生了极显著影响（p＜0.01），而溶解氧质量浓度和水气交互作用无显著影响。相同溶解氧质量浓度条件下，番茄的株高和茎粗均随土壤含水率的增大而增大，与W1处理相比，W2处理和W3处理的株高在O2处理和O3处理条件下分别显著提高了31.5%和37.8%。相同土壤水分状况情况下，株高和茎粗均随灌溉水溶解氧质量浓度的增大呈先增大后减小的趋势，所有处理中株高和茎粗的最大值出现在O2W3处理，分别为115.3 cm和12. 5 mm。

图2 不同处理下温室番茄的株高和茎粗Fig.2 Plant height and stem diameter of greenhouse tomato under different treatments

2.2 加气灌溉对温室番茄生理指标的影响

表2列出了开花坐果期不同水气处理的温室番茄叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2摩尔分数（Ci）和蒸腾速率（Tr）的测定结果。方差分析表明：土壤水分状况极显著（p＜0.01）影响了叶片Pn、Gs、Ci和Tr，水气交互作用极显著（p＜0.01）影响Tr，溶解氧质量浓度对叶片Pn、Gs、Ci和Tr均无显著影响。由表2可知，在同一溶解氧质量浓度时，W2处理和W3处理的叶片Pn、Gs、Ci和Tr均显著大于W1处理。在同一土壤水分状况下，除O2W2处理与O3W2处理产生显著差异外，其余处理在不同溶解氧质量浓度下均无显著差异。

表2 不同处理下番茄叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2摩尔分数和蒸腾速率Table 2 Net photosynthetic rate, stomatal conductance, intercellular carbon dioxide concentration and transpiration rate of tomato leaves under different treatments

2.3 水气互作对温室番茄干物质积累量和根冠比的影响

通过对成熟采摘后期植株干物质积累量方差分析（图3）发现，土壤水分状况（p＜0.01）和水气交互作用（p＜0.05）均对其产生显著影响。在相同溶解氧质量浓度下，番茄总干物质积累量均随土壤含水率的增加显著增大，W2处理和W3处理的干物质积累量分别为W1处理的2.3倍和3.1倍。

溶解氧质量浓度（p＜0.01）和土壤水分状况（p＜0.01）均显著影响了根干物质量（图3（b））。在同样的溶解氧质量浓度下，根干物质量随土壤含水率的增大而增大， W2处理和W3处理的平均根干物质量分别相比W1处理增加了36.7%和96.6%。同一土壤水分状况下，根干物质量随着溶解氧质量浓度的增大而增大，与对照O1处理相比，O2处理和O3处理的平均根干物质量分别增加了10.9%和17.1%。可见充足的氧气和水分供应为根系提供了良好的氧环境，有利于根系的生长发育。

图3 不同处理下温室番茄干物质积累量和根冠比Fig.3 Dry matter accumulation amount and root-shoot ratio of greenhouse tomato under different treatments

土壤水分状况（p＜0.01）、溶解氧质量浓度（p＜0.05）和水气交互作用（p＜0.05）均对地上部干物质量（茎、叶及果干物质量之和）有显著影响（图3（a））。在同一溶解氧质量浓度条件下，地上部干物质量变化规律为W3处理＞W2处理＞W1处理。在W2处理和W3处理土壤水分供给状况下，植株地上部干物质量变化规律为O2处理＞O1处理＞O3处理，而在W1条件下，地上部干物质量变化为O1处理＞O2处理＞O3处理，除W3处理条件下O2W3处理显著大于O1W3处理和O3W3处理外，其他同一土壤水分状况下不同溶解氧质量浓度处理的差异均不显著。而果实的干物质量作为植株的核心部分，在同一水分条件时，3种溶解氧质量浓度下果实干物质量占植株总干物质量的变化规律为O2处理＞O1处理＞O3处理，说明15 mg/L的溶解氧质量浓度促进光合同化物向果实的转化。

土壤水分状况和溶解氧质量浓度（p＜0.01）极显著的影响了植株根冠比，水气交互作用均没有产生显著影响（图3（c））。根冠比随着土壤含水率的增加呈先降低后增加的趋势，随溶解氧质量浓度的增大而增大。同一溶解氧质量浓度下，W2处理和W3处理的根冠比没有显著差异，但W1处理的植株根冠比显著大于W2处理和W3处理，与W3处理相比，W1处理的根冠比平均提高了61.7%。同一土壤水分状况时，植株根冠比的变化规律为O3处理＞O2处理＞O1处理。

2.4 加气灌溉对番茄产量及水分利用效率的影响

由表3可知，在同一溶解氧质量浓度下，植株耗水量随土壤含水率的增大显著增加（p＜0.05），W2处理和W3处理的平均耗水量分别为W1处理的2.3倍和3.0倍。在W3处理时，O2处理和O3处理的耗水量大于O1处理；在W1处理和W2处理条件下，则表现为O1处理大于O2处理和O3处理，但差异均不显著（p＞0.05）。说明水分充足条件下，加气灌溉有利于植株长势，而在水分亏缺条件下，加气灌溉的优势并不明显。

表3 不同处理下温室番茄产量和水分利用效率Table 3 Greenhouse tomato yield and water use efficiency under different treatments

土壤水分状况（p＜0.01）和溶解氧质量浓度（p＜0.05）对单株产量有显著影响，水气交互作用对产量无显著影响。在同一溶解氧质量浓度下，产量随着土壤含水率的增大显著增大（p＜0.05），但W1处理的单株产量较W2处理和W3处理平均减产72.7%和78.8%，减产幅度过大。在W3处理水分条件下，O2处理和O3处理的产量较O1处理分别显著增加了8.5%和8.3%（p＜0.05）；在W1处理和W2处理条件下，番茄产量随溶解氧质量浓度的增加有降低的趋势，其中O3W1处理显著低于O1W1处理和O2W1处理。在所有处理中，O2W3处理的单株产量最大，为1.77 kg/株；O3W1处理最小，为0.32 kg/株。说明过高的溶解氧质量浓度和水分亏缺会降低番茄产量，而适宜的溶解氧质量浓度和水分的耦合会促进番茄果实的生长。

由表3还可知，土壤水分状况对水分利用效率有极显著影响（p＜0.01），溶解氧质量浓度对WUE无显著影响，水气交互作用对WUE产生了显著影响（p＜0.05）。在充分供水条件下（W3），与O1处理相比，O2处理和O3处理的WUE分别增加了26.8%和21.4%，且差异达到显著水平（p＜0.05）；但在2种水分亏缺（W1处理和W2处理）条件下，加气与不加气处理间WUE无显著性差异。

3 讨论

土壤中含氧量可直接影响作物根系呼吸、土壤酶活性以及对养分的吸收等[31]。加气灌溉能显著提高土壤中含氧量，对作物的生长具有显著影响，本研究中加气灌溉相较于常规灌溉方式，番茄干物质积累量、根干物质量、根冠比和产量都有所提高，该结果与前人研究相同[12,17-18,21,32-34]。

微纳米气泡水因为其自身尺寸小的特点，随水灌溉可较稳定在土壤中留存更长时间[35-37]，这些气泡更容易吸附在根表，从而改变根系表面的吸附特性，根系生长发达提高养分吸收。本试验也证明了这一点，根干物质量随着加氧质量浓度的增大而增加，即加气灌溉通过提升根区土壤含氧量改善根区环境从而促进根系生长发育，这与前人[21,27]的研究结果一致。植株根系发达有利于水分和养分向地上部的传输，进而影响植株长势。Wu等[38]研究表明，在番茄生育期前期，加气灌溉显著提高了番茄的株高和茎粗，但在移栽45 d后，与不加气灌溉相比差异则不显著。本研究也得出相似的结果，在成熟采摘后期，植株的株高和茎粗已停止生长，溶解氧质量浓度对此生育期株高和茎粗的影响要远小于土壤水分状况的影响。在同样的溶解氧质量浓度条件下，W2处理和W3处理处理的株高显著大于W1处理（p＜0.05）；在W2处理和W3处理时，加气处理的株高均大于不加气处理，W1处理时加气处理的株高较对照呈降低趋势，这说明严重的水分亏缺和过高的根区氧质量浓度抑制了番茄植株生长，而适宜的土壤含水率和溶解氧质量浓度耦合则对番茄的生长起促进作用。茎粗的试验结果与株高相似，唯一的不同是O2W3处理的茎粗显著大于O1W3处理和O3W3处理，这是由于在W3处理时灌溉最频繁，根区土壤的缺氧程度大于W1处理和W2处理，这种情况下15 mg/L的溶解氧浓度效果更显著。而O3处理与O1处理的结果没有显著差异，可能是因为25 mg/L的溶解氧质量浓度对于番茄来说已经超过其适宜质量浓度，对其生长效益作用不大[28,39]。

研究发现，在充分供水（W3处理）条件下，总干物质积累量最大值出现在O2W3处理，且显著大于O1W3处理和O3W3处理，而在2种水分亏缺（W1处理和W2处理）条件下，不同加气灌溉对总干物质量没有显著影响；在同样土壤水分状况下，不同溶解氧质量浓度果实干物质量占总干物质积累量的变化规律为O2处理＞O1处理＞O3处理，这说明适宜的加氧可以促进植物的生物活性，加气水虽然对番茄光合作用没有显著影响但促进了光合产物向果实的积累，且对地上部养分再分配也产生一定影响，这与以往研究结果一致[38]。研究表明，不同供水状况下灌溉水溶解氧质量浓度对根冠比的影响不一致，在W2处理和W3处理供水条件下，加气处理有提高番茄根冠比的趋势，由此可见，加气灌溉促进根系的有氧呼吸[21]，增加了养分向冠层的传输，促进了根冠的协调生长，这与Liu等[40]研究结果一致，番茄根干物质量和根冠比随着微纳米气泡水和灌溉水混合比例的增加呈增加趋势。然而，在W1处理（水分亏缺）条件下，根冠比随溶解氧质量浓度的增大而增大，这是因为根系干物质量随溶解质量浓度的增大而增大，而受到水分亏缺的限制，根部向地上部传输水分的过程中没有得到充足的水分供应，导致W1处理地上部的生长受到严重限制，因此出现根冠比偏高的情况。由此说明，在重度水分亏缺条件下，虽然加气灌溉能促进根系生长，但根冠生长并不协调，高根冠比缺乏实际意义。综上，适度提高灌溉水溶解氧质量浓度（15 mg/L）可以促进同化产物向果实的运转和累积，而灌溉水25 mg/L的溶解氧质量浓度过高不仅不利于植株生长，还减少了光合产物向果实的转化。

本研究表明，O2W3处理表现出植株根系生长良好，地上部长势最优，干物质积累量也具有显著优势，根冠生长较协调；在充分供水条件下（W3处理）下，O2处理的光合产物向果实转化量也优于O1处理和O3处理，且O2W3处理的耗水量较O1W3处理和O3W3处理并无显著差异，因此最大产量和水分利用效率出现在O2W3处理。充足土壤水分和适宜的溶解氧质量浓度相结合，有利于植株根系呼吸，促进植株生长，提高作物产量，即在水分充足条件下，15 mg/L的溶解氧质量浓度有助于获得高产，且在没有显著增加作物耗水量的情况下提高水分利用效率。Wu等[38]和Liu等[40]研究表明，在正常供水条件下，微纳米加气处理的产量较不加气高出约17%，这与本研究一致。雷宏军等[41]研究发现，在黏质土壤的水分亏缺条件下，循环曝气处理的产量较非曝气处理有显著提升，这与本研究水分亏缺条件下加气灌溉没有显著提高产量的结果不一致，这可能是因为不同土壤质地和加气方式导致，说明在本试验粉土条件下，水分亏缺处理的土壤通气性较好，当土壤水分下限为田间持水率的80%以上时，加气灌溉显著提高了番茄产量（表3）。

研究发现，在重度水分亏缺（W1处理）条件下，番茄减产幅度过大，且产量随着溶解氧质量浓度的增加未表现出增大的趋势。大幅的减产是因为水分亏缺导致根系向地上部输送不足从而抑制番茄生长。当作物发生严重水分亏缺时，有限的同化物更多的向根系（水分吸收）和叶片（光合作用）转移，以维持植株的存活，以至于植株生长矮小，地上部干物质累积减少，限制了光合同化物向生殖器官（果实）的运转和积累，不利于产量的形成，导致番茄产量降低。随着溶解氧质量浓度的增加产量未增加的原因可能是因为水分亏缺时本身土壤含水率低，土壤通气性较好，根区不存在低氧胁迫，此时富氧水的输送在根区的作用并不大，干旱胁迫下过高的含氧量可能不利于番茄的生长[39]。此外，土壤质地不同，土壤通气性差异也较大，以往的研究表明，在盐渍土和重黏土中加气灌溉的效果更佳[10,13]，本试验可能受到土壤质地的影响，相比于黏土，本试验所用土壤自身通气性较好，加气灌溉仅在充分供水条件下发挥了增产增效的作用，受限于试验条件，不同土壤质地对加气效果带来的影响还有待进一步验证。