温室番茄循环曝气地下滴灌土壤水分动态及耗水特性

唐志瀚，王猛猛，张鹏，曾健，邓云鹏，张倩*

(1. 山东农业大学水利土木工程学院, 山东 泰安 271018； 2. 山东临沂水利工程总公司, 山东 临沂 276000)

地下滴灌在满足作物水分、养分利用效率要求方面具有显著优势[1-2].循环曝气地下滴灌是利用循环曝气装置在水中溶解一定比例的氧气，氧气以微小气泡的形式存在于水中，水气混合达到一定溶氧值，通过地下滴灌输送至植物体根部，从而缓解由于灌水带来的植物体根部低氧胁迫症状[3].

相比地下滴灌，循环曝气地下滴灌可以促进植物体根部对水分和养分的吸收，增加作物干物质积累，最终达到提高作物产量、提升水分利用效率的目的.孙周平等[4]研究发现根际通气有利于植物体对水分养分的吸收，提高马铃薯地下块茎的产量；黄清荣等[5]在根部供氧对棉花幼苗离子吸收的研究中发现，根部通气增加了根系和叶片对K+的吸收和积累；陈红波等[6]通过黄瓜根际通气试验，发现改善根际通气环境可以促进根系对养分水分的吸收；PENDERGAST等[7]研究表明加气灌溉促进鹰嘴豆根系生长并增强养分吸收；李元[8]认为土壤加气改善了根系生长状况，间接影响到整个植株的干物质积累；臧明等[9]研究发现增氧地下滴灌促进了番茄生物量的积累和养分吸收利用；雷宏军等[10]在对温室番茄曝气滴灌试验后发现曝气处理促进根系生长，并且番茄的产量和水分利用效率有显著提升.

关于加气灌溉的很多研究结果都表明，加气灌溉下作物的产量和水分利用效率都有一定的提升，但当前针对曝气滴灌条件下番茄作物的耗水特性及规律的研究成果较少.目前，番茄需、耗水量的研究工作主要在普通滴灌灌水方式或不同灌水量对温室番茄需耗水规律的影响等方面.因此，文中以温室番茄为研究对象，研究循环曝气地下滴灌对温室番茄耗水特性以及水分利用效率的影响，为曝气滴灌提高水分利用效率提供科学依据.

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2020年9月—2021年1月在山东省寿光市鲁盛农业研发中心(118°67′E，36°96′N)日光温室内进行，温室长97 m，宽10 m.供试土壤为砂性土壤，土壤碱解氮、有效磷、速效钾的质量比分别为266，340，960 mg/kg；EC为1.40 mS/cm.土壤平均干容重为1.36 g/cm3，田间持水率为29%.

1.2 试验设计及田间布置

供试番茄品种为“草莓番茄9051”，温室内穴盘育苗，20 d秧龄时移栽定植，幼苗定植后20 d覆膜，定植日期为2020-09-03.每个栽培小区长8.5 m，宽0.8 m.番茄行距为60 cm，株距为30 cm，每个小区2行共46株作物.供水方式为地下滴灌，每行作物下铺设一条滴灌带，滴头间距为30 cm.采用雷宏军等[11]发明的循环曝气装置，该装置可以实现作物的水肥气一体化灌溉.

试验采用正交试验设计，滴灌带埋深h设3个梯度15，25，35 cm(分别以D15，D25，D35表示)；曝气水平设4个梯度：不曝气、高曝气量(溶氧值30 mg/L)、中曝气量(溶氧值20 mg/L)、低曝气量(溶氧值10 mg/L)(分别以A0—A3表示)；灌水量I分别按蒸发皿系数KP为0.50,0.75,1.00(分别以I1，I2，I3表示)进行计算.表1为试验设计表，共计12个处理，每个处理3次重复.

各处理安装有IC卡智能水表，灌水量根据放置在番茄冠层的蒸发皿(ADM7A型)蒸发量计算.灌水量计算公式为

W=A·ETC=AEPKP，

(1)

式中：W为各处理每次的灌水量，L；A为小区控制面积，6.8 m2；EP为1个灌水周期内蒸发皿的蒸发量，mm；KP为蒸发皿系数，处理I1，I2，I3时分别取0.50，0.75和1.00，ETC为蒸发蒸腾量.

表1 试验设计

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤含水率的测定

为实现田间尺度下土壤含水率实时、精确、连续的动态原位测定，应用基于主动加热式光纤的分布式温度传感(distributed temperature sensing)技术进行土壤含水率测量，利用最大升温值ΔTmax、累积升温值ΔTcum与土壤体积含水率的经验关系来推求体积含水率.其测温原理：光纤被加热后，土壤体积含水率越小则ΔTcum越大.根据这个规律，ΔTcum可以用于推求体积含水率[12].ΔTcum计算公式为

(2)

式中：ΔTi为第i个时刻的升温值；te为停止加热的时间.

根据ΔTcum与体积含水率θ的标定关系即可推求体积含水率.

分布式温度传感光纤布置于番茄种植行的竖直平面内，自土壤表层分别向下10，20，30和50 cm土层内埋设分布式光纤，于每日6：00，12：00，18：00和24：00分别测量1次土壤体积含水率.

1.3.2 温室番茄耗水量的测定

番茄耗水根据生育期水量平衡方程计算式为

ET=I+U-D+(W0-Wt),

(3)

式中：ET为番茄耗水量，mm；I为灌水量，mm；U为地下水补给量，mm；D为深层渗漏量，mm；W0，Wt分别为时段初和时段末的土壤储水量，mm.由于试验地地下水位较深，U=0；地下滴灌灌水量较小，D=0.

1.3.3 水分利用效率

水分利用效率计算公式为

WUE=Y/ET，

(4)

式中：WUE为水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y为番茄产量，kg/hm2；ET为作物生育期耗水量，mm.

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2019进行数据整理，采用SPSS 24.0软件进行显著性检验、方差分析，Origin 9.1软件进行图表绘制.

2 结果与分析

2.1 番茄生育期土壤含水量

滴灌带不同埋深条件的地下滴灌番茄在相应的曝气及灌溉处理下，10，20，30，50 cm土层土壤体积含水率变化曲线如图1所示.土壤体积含水率最高出现在处理D15A2I3的10 cm土层处，为41.2%;灌水后滴灌带处土壤体积含水率较周围高12%以上.

图1a为15 cm滴灌带埋深各处理土壤体积含水率变化曲线.10,20 cm土层土壤含水率在灌水后有明显变化，且中、高灌水处理变化幅度较大.与中、低灌水处理相比，高灌水处理在10～20 cm土层平均土壤体积含水率提高了6%～10%.除(ⅰ)不曝气处理的平均土壤含水率20 cm土层最高外，其余曝气处理平均土壤含水率均为30 cm土层最高.15 cm滴灌带埋深条件下，50 cm土层土壤含水率基本趋于稳定状态，只在高灌水处理条件下变化较为明显.

图1b为25 cm滴灌带埋深各处理土壤体积含水率变化曲线.与15 cm埋深相比，各处理的各土层土壤平均含水率在25 cm埋深下随着灌水都有一定的变化.各处理平均含水率在30 cm土层处最高.20～30 cm土层土壤平均含水率在中灌水量条件下最高，10～30 cm土层土壤平均含水率在高灌水条件下最高.相同灌水量条件下，曝气处理(ⅳ)与不曝气处理(ⅰ)相比，曝气处理各土层平均土壤含水率分布更为均匀：30 cm土层处，两者平均含水率相差不大，但20和50 cm土层处，曝气处理土壤平均含水率明显大于不曝气处理，相差分别为8%和3%.

图1c为35 cm滴灌带埋深各处理土壤体积含水率变化曲线.10 cm土层处平均土壤含水率为所有埋深处理的最低水平.平均土壤含水率在30 cm土层处最高.高灌水量条件下，20与50 cm土层处平均土壤含水率相差不大，中、低灌水量条件下，50 cm土层处平均土壤含水率分别较20 cm土层高4%和7%.同为高灌水量处理，曝气处理(ⅳ)较不曝气处理(ⅰ)，20和50 cm土层处土壤平均含水率分别高3%和5%.

图1 滴灌带不同埋深时的土壤体积含水率

2.2 番茄耗水量

图2为各处理番茄生育期耗水量.15和25 cm滴灌带埋深下，番茄耗水量随灌溉水量增加呈递增趋势，相同灌水量条件下，曝气处理番茄耗水量显著高于不曝气处理.处理D15A2I3番茄生育期内耗水量最高，且显著高于15 cm滴灌埋深下其他处理.25 cm滴灌埋深下，曝气处理番茄耗水量均大于不曝气处理，且随着曝气水平上升，番茄耗水量呈下降趋势.35 cm滴灌埋深下，高灌水量处理作物耗水量最高，相同灌水条件下曝气处理与不曝气处理作物耗水量相差不大.

图2 各处理番茄生育期耗水量

番茄作物耗水量整个生育期内呈先增大后减小的趋势，苗期番茄耗水量较低，开花坐果期和果实膨大期番茄耗水量逐渐增大，成熟期番茄耗水量逐渐减少.

2.3 番茄产量与水分利用效率

番茄产量和水分利用效率见表2.由表可知，相同灌水量条件下，相比不曝气处理，曝气处理番茄产量平均提高10%，处理D15A1I2的产量达到最大.15 cm滴灌埋深下，番茄产量随曝气程度增大而增大.25 cm滴灌埋深下，中曝气、低水处理D25A2I1的番茄产量最高，且较其他25 cm滴灌埋深处理差异具有统计学意义.35 cm滴灌埋深下，番茄产量随灌水量增大呈递增趋势.3种滴灌埋深条件下，35 cm滴灌埋深下番茄产量最低，15和25 cm滴灌埋深条件分别较35 cm滴灌埋深番茄产量提高19.5%和22.2%.

表2 番茄产量和水分利用效率

番茄水分利用效率(WUE)随滴灌带埋深增加呈下降趋势，15 cm滴灌埋深下平均WUE达到最高，35 cm滴灌埋深下平均WUE最低，且35 cm滴灌埋深下各处理WUE差异不大.15 cm滴灌埋深下高曝气处理WUE达到最高，25 cm滴灌埋深下中曝气处理WUE达到最高.滴灌带埋深15 cm较25和35 cm曝气处理WUE分别提高2.7%和34.2%.

单因素条件下曝气对番茄产量及水分利用效率的影响具有统计学意义(P<0.05)，滴灌带埋深对番茄产量的影响具有统计学意义(P<0.05)，对水分利用效率的影响具有统计学意义(P<0.01)，灌水量对番茄产量和水分利用效率均不具有统计学意义(P>0.05).两因素交互作用下，曝气水平和灌水量交互作用对番茄产量影响不具有统计学意义(P>0.05)，滴灌带埋深和曝气水平交互作用对水分利用效率影响不具有统计学意义(P>0.05)，对番茄产量的影响具有统计学意义(P<0.01)，滴灌带埋深和灌水量交互作用对番茄产量的影响具有统计学意义(P<0.05)，灌水量与滴灌带埋深、灌水量与曝气水平交互作用分别对番茄水分利用效率的影响具有统计学意义(P<0.01).

3 讨 论

土壤水分是影响作物产量的重要因素，滴灌带埋深是影响土壤水分分布的重要因素，从土壤含水率的角度出发，滴灌带埋深过深或过浅都不利于作物对水分的吸收.牛文全等[13]通过室内土箱模拟试验，认为微润带最适埋深应为15～20 cm.

大量研究成果表明，曝气地下滴灌能够提高作物产量[14]，这与本试验结果一致.文中在相同变量条件下，各曝气处理与不曝气处理产量差异具有统计学意义(P<0.05)，处理D15A1I2的番茄产量最高.本研究从产量和水分利用效率的角度出发，综合曝气量、灌水量等因素，得出15 cm滴灌带埋深是获得番茄最高产量的适宜埋深.

曝气滴灌对土壤水分的分布有一定的影响，相比不曝气处理，曝气处理滴灌带附近土壤含水率更高.一般认为，曝气滴灌可以促进植物体根部对水分的吸收，从而影响土壤含水率.而杨海军等[15]通过土壤原位扫描试验结果发现加气水滴灌会改变土壤结构，水、气等土壤环境的变化是土壤结构变化的结果.综合考虑，曝气滴灌既可以改变土壤结构、改变水分在土壤孔隙中的运动，又能促进植物体根部对水分的吸收，最终对土壤含水率产生影响.

番茄耗水量随着灌水量增加呈增大趋势，这与郭彬等[16]通过覆膜和水分控制研究对番茄产量影响的结论一致.同样灌水量条件下，曝气处理作物耗水量大于不曝气处理，这是由于曝气滴灌促进了植物体根部对水分的吸收，根部多吸收的水分增强植株蒸腾作用以及植物体的新陈代谢，进而再促进根部吸收水分，最终使番茄耗水量明显增加.按番茄生育期划分，番茄苗期耗水量低，花期和果实膨大期耗水显著升高，成熟期耗水降低，结果与郭占奎等[17]日光温室西红柿耗水规律研究结论一致.

试验处理对WUE的影响与产量影响规律相似，滴灌带埋深15 cm、溶氧量30 mg/L、灌水量75%ET0时番茄WUE最高.相同灌水量条件下，曝气处理可以显著提升番茄WUE，这与SHAHEIN等[18]得到的加气条件下水分利用效率高于普通地下滴灌的结论相一致.

4 结 论

1) 灌水后滴灌带处土壤体积含水率较周围土壤高12%以上，土壤含水率最高出现在处理D15A2I3的10 cm土层处，为41.2%.曝气对土壤含水率同样有一定的影响，相同灌水量条件下，灌水后曝气处理滴灌带周围土壤体积含水率较不曝气处理平均高5%左右.番茄作物耗水量整个生育期内呈先增大后减小的趋势，且曝气处理有助于番茄对水分的吸收.

2) 15，25和35 cm滴灌带埋深下，曝气滴灌处理的番茄产量、WUE较不曝气处理有显著提升；15和25 cm较35 cm滴灌带埋深曝气处理产量分别提高19.5%和22.2%；15 cm较25和35 cm滴灌带埋深曝气处理WUE分别提高2.7%和34.2%.考虑产量及水分利用效率，综合滴灌带埋深、曝气水平及灌水量等因素，处理D15A1I2的滴灌带埋深15 cm、溶氧量30 mg/L，KP为0.75灌水量为温室番茄曝气滴灌条件下最适宜处理.