雷宏軍，肖哲元，肖 讓，楊宏光，潘紅衛(wèi)

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.河西學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅 張掖 734000)

番茄是廣為栽培的果菜類蔬菜之一，溫室番茄已成為設(shè)施栽培的主要形式。面對水肥不合理施用造成的番茄產(chǎn)量和品質(zhì)下降現(xiàn)狀，如何實現(xiàn)番茄優(yōu)質(zhì)高效栽培，是近年來廣為關(guān)注的熱點問題。水、肥、氣耦合滴灌是一種新型的滴灌技術(shù)，具有調(diào)節(jié)作物根區(qū)水、肥、氣狀況，改善根系生長環(huán)境的特點[1]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對水肥耦合滴灌條件下作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量品質(zhì)等方面進(jìn)行了較多研究[2-4]，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的灌水施肥方式相比，滴灌施肥能增加番茄產(chǎn)量、有效提高水分和氮肥利用效率。加氣灌溉在地下滴灌的基礎(chǔ)上，將水氣混合液和微型氣泡輸送到作物根區(qū)土壤，調(diào)控土壤中的水氣比，有效改善作物根區(qū)缺氧狀況[5-6]。溫改娟等[7]研究發(fā)現(xiàn)，加氣灌溉對株高、莖粗的生長有益,可提升番茄生長、產(chǎn)量和果實品質(zhì)。因地下滴灌導(dǎo)致根區(qū)土壤缺氧，作物根系生長、根系呼吸和土壤微生物呼吸受到限制，阻礙養(yǎng)分運輸?shù)?，影響作物生長發(fā)育[8-9]。Bhattarai等[6,10]研究表明加氣灌溉下土壤氧氣含量顯著增大，灌水時加氣灌溉處理土壤氧氣含量的下降(25%)明顯低于不加氣灌溉(45%)。因此加氣灌溉有提高灌水效率、增大土壤氧氣含量等作用，能夠緩解由土壤濕潤造成的土壤缺氧，進(jìn)而改善作物根系土壤微環(huán)境，促進(jìn)作物生長和產(chǎn)量提高?？偟膩碚f，以往的研究初步探索了增氧灌溉在促進(jìn)作物生長、提高產(chǎn)量、改善品質(zhì)中的作用，但水、肥、氣耦合條件下番茄優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的水、肥、氣優(yōu)化組合方案篩選研究還不深入。本文針對不同施肥水平、灌水水平和摻氣水平，研究水、肥、氣耦合滴灌對溫室番茄生長生理、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，進(jìn)而探索較優(yōu)的水、肥、氣組合方案。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2017年9月27日—2018年1月28日在華北水利水電大學(xué)農(nóng)業(yè)高效用水實驗場現(xiàn)代化溫室(113°47′20.15″E ，34°47′5.91″N)中進(jìn)行。該地屬溫帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫14.3℃，7月份氣溫最高，月平均氣溫27.3℃，1月份氣溫最低，月平均氣溫0.1℃，無霜期200 d，全年日照時數(shù)約2 400 h。溫室建筑總面積為537.6 m2，跨度為9.6 m，開間為4 m；玻璃溫室內(nèi)，南面、北面分別裝有風(fēng)機(jī)和濕簾，以調(diào)節(jié)溫室內(nèi)溫度、濕度；期間溫室內(nèi)溫度及空氣濕度分別控制在35℃和85%以內(nèi)。

1.2 試驗材料

供試土壤為鄭州黏土，平均土壤容重為1.45 g·cm-3。0～40 cm土層按照每10 cm土層深度取樣，剖面土壤質(zhì)地均勻，砂粒(0.02～2 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)和黏粒(<0.002 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為32.99%、34.03%和32.98%。土壤pH值為6.50，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)13.62 g·kg-1，土壤全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.81、0.79 g·kg-1、30.38 g·kg-1，田間持水率(質(zhì)量含水率)28%。供試番茄品種為“金鵬8號”。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置施氮量(低氮和常氮)、摻氣量(非曝氣和循環(huán)曝氣)和灌水量(低水量和高水量)3因素2水平完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，共8個處理，每個處理4次重復(fù)。試驗設(shè)計列于表1。

試驗區(qū)域共設(shè)32個小區(qū)，小區(qū)長2 m，寬1 m，小區(qū)面積2 m2。小區(qū)內(nèi)起壟種植番茄，壟高10 cm，每壟定植5株，株距33 cm。小區(qū)內(nèi)采用地下滴灌方式進(jìn)行供水，滴灌帶型號為JOHN DEERE，埋深為15 cm，直徑為16 mm，壁厚為0.6 mm，滴頭額定流量為1.2 L·h-1，間距為33 cm，額定工作壓力為0.10 MPa。植株距離滴頭10 cm，平行于滴灌帶布置。

1.4 試驗管理

番茄于4葉1心至5葉1心時移栽。移栽當(dāng)天澆透底水，移植10 d后覆膜，株高30～40 cm時進(jìn)行吊蔓，三穗果時打頂。番茄生育期共計124 d，生育期劃分見表2。

試驗中所施用的肥料為全水溶型肥料施樂多(含硝態(tài)氮7.1%，銨態(tài)氮1.1%，脲態(tài)氮6.9%，P2O515%，K2O 30%，螯合態(tài)微量元素Fe 0.1%，Mn 0.05%，Zn 0.15%，Cu 0.05%，Mo 0.05%，B 0.1%，由中國康拓肥料有限公司生產(chǎn))。利用施肥器將水溶肥摻入水流，在制水罐中混勻，分別于移植后44 d和65 d等量施入田間，N1處理施肥量為135 kg·hm-2，N2處理施肥量為180 kg·hm-2；常規(guī)滴溉利用供水裝置進(jìn)行供水；曝氣滴灌處理利用文丘里空氣射流器(Mazzei air injector 684，美國Mazzei Corp公司)進(jìn)行曝氣。試驗中利用儲水管路、循環(huán)泵、文丘里空氣射流器等設(shè)備制得摻氣比率約為15%的摻氣水(曝氣20 min)[11]，通過地下滴灌系統(tǒng)供水。各小區(qū)分別供水，供水壓力為0.10 MPa，采用滴水計量器計量灌水量。試驗中灌水下限根據(jù)距離植株徑向10 cm、縱向20 cm埋深處的張力計(12型分體式張力計，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所)確定：土壤基質(zhì)勢下限控制在-30±5 kPa[12]。灌水量根據(jù)式(1)計算[13]：

表1 試驗設(shè)計

W=A·Ep·Kp

(1)

式中,W為各處理每次的灌水量(mm)；A為小區(qū)控制面積(2m2)；Ep為1個灌水周期內(nèi)Φ601蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量(mm)；Kp為蒸發(fā)皿系數(shù)，W1處理取0.6，W2處理取0.9[14]。灌溉時間及灌水量參見表3。

表2 番茄生育期劃分

表3 生育期內(nèi)灌水量

1.5 測定指標(biāo)與方法

1.5.1 土壤呼吸和氧氣擴(kuò)散速率 在番茄果實膨大期，選擇1個完整的灌水周期監(jiān)測土壤呼吸和土壤氧氣擴(kuò)散速率。利用氧化還原電位測量儀(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，中國)測定土壤氧氣擴(kuò)散速率(Oxygen Diffusion Rate，ODR)，探頭埋設(shè)地表以下20 cm[13]；采用土壤呼吸測量系統(tǒng)(ADC LCi-SD，英國Delta-T公司)測量土壤呼吸。測定時間為每天的9∶00和15∶00，測量前將土壤呼吸室底座提前埋設(shè)于待測土壤中，測量穩(wěn)定后(1～3 min)讀數(shù)[15]。

1.5.2 生長性狀 每個處理隨機(jī)選取4株番茄測定株高和地上部分鮮重。分別于移植后27、39、53 d和66 d，利用精度為0.01 m的直尺測量株高。

1.5.3 葉綠素含量 利用SPAD-502葉綠素含量測定儀，以番茄頂部第2片完全展開葉為測量對象，每個處理隨機(jī)選取3株，分別于移植后27、32、39、53、63、77、91 d和109 d測定標(biāo)記番茄葉綠素含量。

1.5.4 葉片光合特性 采用光合測定儀(Li 6400XT，美國LI-COR公司)，以番茄頂部第2片完全展開葉為測量對象，每個處理隨機(jī)選取3株，分別于移植后49、59、75、90 d和115 d測定凈光合速率。

1.5.5 產(chǎn)量和品質(zhì) 生育期分批摘取番茄果實，采用精度為0.01 g電子天平稱量果實質(zhì)量，產(chǎn)量為每次采收果實質(zhì)量之和；使用硬度計測定番茄果實硬度；使用糖度計(PAL-1，日本ATAGO公司)測定番茄可溶性固形物含量；使用酸堿滴定指示劑法測定果實總酸含量[16]；采用2,6-二氯靛酚滴定法果實測定Vc含量[17]；利用考馬斯亮藍(lán)-G250染色法測定果肉可溶性蛋白質(zhì)含量[17]。

1.6 統(tǒng)計分析

采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，通過SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)P<0.05時視為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 水、肥、氣耦合滴灌對土壤呼吸和氧氣擴(kuò)散速率的影響

圖1為1個灌水周期內(nèi)土壤呼吸(R)和土壤氧氣擴(kuò)散速率(ODR)的變化動態(tài)，由于施氮量對土壤呼吸和土壤氧氣擴(kuò)散速率無顯著影響，故選擇常氮施肥水平進(jìn)行說明。在番茄果實膨大期，土壤呼吸的高峰值出現(xiàn)在灌水后第2天下午。在整個灌溉過程中，N2AW2最大，N2CW1最小。循環(huán)曝氣處理對土壤呼吸有顯著提升效果，在灌水后第2天下午最為顯著，N2AW1較N2CW1，N2AW2較N2CW2分別提高37.01%和36.49%(P<0.05)。不同處理土壤ODR先下降后上升，之后逐漸趨于平穩(wěn)。其中，N2AW1和N2AW2較大，N2CW1和N2CW2較小。灌水后第2天，各處理ODR開始逐漸回升，N2AW1和N2AW2較N2CW1和N2CW2平均增大14.93%和17.98%(P<0.05)。說明循環(huán)曝氣處理更有利于改善土壤微環(huán)境。本試驗中，灌水量對土壤呼吸和土壤氧氣擴(kuò)散速率均無顯著影響(P>0.05)。

2.2 水、肥、氣耦合滴灌對番茄生長生理指標(biāo)和生物量的影響

2.2.1 對番茄株高的影響 不同處理番茄株高動態(tài)變化見圖2。試驗中各處理的株高隨著移栽天數(shù)的增加而增加，以移植后第66天為代表：與非曝氣處理相比，曝氣處理番茄株高平均增加9.81%(P<0.05)；與低水量處理相比，高水量處理番茄株高平均增加18.14%(P<0.05)；與低氮處理相比，常氮處理番茄株高平均增加6.58%(P<0.05)。說明循環(huán)曝氣、高水量和常氮處理可有效促進(jìn)番茄的生長。

圖1 不同處理下土壤氧氣擴(kuò)散速率(ODR)和土壤呼吸(R)的變化動態(tài)Fig.1 Soil oxygen diffusion rate (ODR) and soil respiration(R)dynamics under different treatments

2.2.2 對番茄葉片葉綠素含量的影響 由圖3分析可知，生育期內(nèi)各處理番茄葉綠素含量呈現(xiàn)先上升后下降，最后趨于平穩(wěn)的變化趨勢。與非曝氣處理相比，曝氣處理番茄葉綠素含量平均增加8.63%(P<0.05)；與低水量處理相比，高水量處理番茄葉綠素含量平均增加11.44%(P<0.05)；與低氮處理相比，常氮處理番茄葉綠素含量平均增加8.20%(P<0.05)，循環(huán)曝氣、高水量和常氮處理可有效提高番茄葉綠素含量。

2.2.3 對番茄凈光合速率的影響 不同處理番茄葉片凈光合速率見表4。與低氮處理相比，處理N2CW1在59、75、90 d和115 d平均增幅17.23%(P<0.05)，處理N2AW1在115 d平均增幅15.28%(P<0.05)，處理N2CW2在75 d和115 d平均增幅17.23%(P<0.05)，處理N2AW2在49、75 d和115 d平均增幅18.68%(P<0.05)。說明循環(huán)曝氣、高灌水量和常氮處理可有效提高番茄凈光合速率。

圖2 不同處理番茄株高動態(tài)變化Fig.2 Plant height dynamic of greenhouse tomatounder different treatments

2.2.4 對番茄產(chǎn)量及地上部鮮重的影響 由表5分析可知，單因素作用下，從產(chǎn)量來看，與非曝氣處理相比，曝氣處理提高22.91%(P<0.05)；高水量處理較低水量處理平均提高41.19%(P<0.05)；常氮處理較低氮處理平均提高40.87%(P<0.05)。從地上部鮮重變化看，曝氣處理較非曝氣處理平均提高14.93%(P<0.05)，高水量處理較低水量處理平均提高27.10%(P<0.05)，常氮處理較低氮處理平均提高24.89%(P<0.05)。兩因素交互作用中，施氮量與摻氣處理、施氮量與灌水量對番茄產(chǎn)量、地上部鮮重有極顯著影響(P<0.01)，摻氣處理與灌水量對地上部鮮重有極顯著影響(P<0.01)。灌水量、摻氣處理和施氮量互作對番茄產(chǎn)量及地上部鮮重均無顯著影響(P>0.05)。說明循環(huán)曝氣、高水量和常氮處理可有效提高番茄產(chǎn)量和地上部鮮重。

2.3 土壤呼吸、氧氣擴(kuò)散速率、番茄生長生理指標(biāo)及產(chǎn)量之間的相關(guān)關(guān)系

對土壤呼吸、氧氣擴(kuò)散速率、株高、葉綠素含量、凈光合速率及產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表6。土壤呼吸與氧氣擴(kuò)散速率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；氧氣擴(kuò)散速率和土壤呼吸與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；株高與葉綠素含量、凈光合速率和產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，葉綠素含量與凈光合速率和產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，凈光合速率與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。說明土壤根際環(huán)境的改善有利于番茄生長，進(jìn)而提高番茄產(chǎn)量。

圖3 不同處理番茄葉綠素含量的動態(tài)變化Fig.3 Chlorophyll content dynamics of tomato underdifferent treatments

表4 不同處理番茄的凈光合速率/(μmol·m-2·s-1)

2.4 水、肥、氣耦合滴灌對番茄果實品質(zhì)的影響

由表7分析可知，循環(huán)曝氣、高水量和常氮處理可有效改善番茄的果實品質(zhì)。單因素作用下，與非曝氣處理相比，曝氣處理番茄果實可溶性固形物平均增加16.73%(P<0.05)；與低水量相比，高水量處理番茄果實可溶性固形物平均增加16.11%(P<0.05)；常氮處理番茄果實可溶性固形物較低氮處理平均增加12.65%(P<0.05)。與非曝氣處理相比，曝氣處理果實總酸含量平均降低11.44%(P<0.05)；與低水量處理相比，高水量處理果實總酸含量平均降低16.38%(P<0.05)；常氮處理果實總酸含量較低氮處理平均降低7.97%(P<0.05)。與非曝氣處理相比，曝氣處理果實Vc含量平均增加12.13%(P<0.05)；與低水量處理相比，高水量處理果實Vc含量平均增加17.60%(P<0.05)；常氮處理果實Vc含量較低氮處理平均增加41.81%(P<0.05)。與非曝氣處理相比，曝氣處理果實可溶性蛋白質(zhì)含量平均增加11.59%(P<0.05)；與低水量處理相比，高水量處理果實可溶性蛋白質(zhì)含量平均增加18.99%(P<0.05)；常氮處理果實可溶性蛋白質(zhì)含量較低氮處理平均增加28.03%(P<0.05)。

表5 不同處理的番茄生物量

兩因素交互作用中，施氮量和摻氣處理對Vc含量、可溶性蛋白質(zhì)含量有極顯著影響(P<0.01)；施氮量和灌水量對可溶性固形物有顯著影響(P<0.05)、對Vc含量和可溶性蛋白質(zhì)含量有極顯著影響(P<0.01)；摻氣處理和灌水量對可溶性固形物含量有極顯著影響(P<0.01)，對總酸含量和Vc含量有顯著影響(P<0.05)。灌水量、摻氣處理和施氮量3因素互作對番茄果實品質(zhì)無顯著影響(P>0.05)。

3 討 論

3.1 水、肥、氣耦合滴灌對溫室番茄生長生理指標(biāo)的影響

土壤通氣性是表征土壤透氣性和土壤氧氣含量的綜合指標(biāo)，土壤氣體的組成、吸附、產(chǎn)生及其對植物的作用等各個方面都與之相關(guān)[18]。土壤通氣狀況直接影響根系呼吸，作物根系缺氧易造成乙醇、脫落酸等植物激素的增加，這將導(dǎo)致葉片凈光合速率下降，影響ATP的產(chǎn)生，進(jìn)而影響作物生長[19]。

表6 土壤呼吸(R)、氧氣擴(kuò)散速率(ODR)、番茄生長生理指標(biāo)及產(chǎn)量之間的相關(guān)關(guān)系

表7 不同處理的番茄果實品質(zhì)

增氧灌溉水氣兩相流動中微氣泡易附著于土壤孔隙，可向水中持續(xù)供氧，以維持土壤中良好的氧氣環(huán)境[11]。文丘里空氣射流器循環(huán)曝氣將微氣泡和水混合起來運送到作物根區(qū)，利用雙氧水灌溉，可向根際土壤中緩慢釋放氧氣[20]，改善根際土壤缺氧環(huán)境。溫改娟等[7]研究表明，加氣灌溉下番茄的株高增加了36.54%。朱艷等[21]研究表明，加氣灌溉下番茄莖粗、葉面積等顯著增大。李元等[22]研究也表明，加氣灌溉對葉綠素含量、株高、干物質(zhì)積累均有顯著影響。本試驗中，曝氣處理可提高番茄株高和葉綠素含量，促進(jìn)番茄生長。這些結(jié)果表明，常規(guī)灌溉易造成土壤通氣性不良，體現(xiàn)在根系呼吸強(qiáng)度下降，作物根際土壤發(fā)生低氧脅迫，導(dǎo)致根系生長環(huán)境惡化，不利于地上部的生長。因此，通過提高灌溉水的氧氣濃度，將氧氣或含氧物質(zhì)輸送到根區(qū)，可改善根系環(huán)境，促進(jìn)根系對水分和養(yǎng)分的吸收利用[23]，進(jìn)而對番茄生長產(chǎn)生積極的影響。

3.2 水、肥、氣耦合滴灌對溫室番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

作物產(chǎn)量與本身遺傳因子和外部環(huán)境有關(guān)，土壤呼吸、土壤氧氣含量、土壤水分和土壤溫度等是影響作物產(chǎn)量的主要環(huán)境因素，它們之間相互影響，其中一個因素的變化將會影響整體土壤環(huán)境的改變。土壤呼吸是大氣與土壤之間進(jìn)行氣體交換的主要方式，主要來自作物根系的自養(yǎng)呼吸作用和土壤微生物的異養(yǎng)呼吸作用，土壤水分、溫度及土壤通氣性均會對土壤呼吸產(chǎn)生重要影響[24]。土壤氧氣含量對植株的作用至關(guān)重要，在灌溉過程中，作物根系常處于缺氧的不利生長環(huán)境中，缺氧將導(dǎo)致作物蒸騰速率減慢，養(yǎng)分吸收受阻，植株生長受到抑制，作物的產(chǎn)量和品質(zhì)必然會受到影響。增氧灌溉改善根區(qū)氧氣環(huán)境，將含氧物質(zhì)輸送到作物根區(qū)，增強(qiáng)根系的自養(yǎng)呼吸作用[25]，還增強(qiáng)了好氧微生物的繁殖以及土壤酶活性[26]，改善根際土壤環(huán)境，促進(jìn)根系的干物質(zhì)積累，提高了作物產(chǎn)量。本試驗中，曝氣滴灌在改善土壤根系環(huán)境的同時，促進(jìn)了作物生長，進(jìn)而提高了作物產(chǎn)量。灌水水平和施肥水平的提高對番茄產(chǎn)量和地上部鮮重均產(chǎn)生顯著的積極影響。在果實品質(zhì)方面，Vc含量、總酸含量等是反映番茄口感的重要指標(biāo)。前人研究表明，加氣灌溉下番茄果實中番茄紅素、Vc等含量顯著增大，改善了番茄的果實品質(zhì)和風(fēng)味，但隨灌水水平的增大，一定程度上降低了果實品質(zhì)[21]。本試驗中，循環(huán)曝氣、提高灌水量、增加施氮量均使Vc含量、可溶性固形物和可溶性蛋白質(zhì)含量有顯著提高，而總酸含量有所降低，可有效改善番茄的果實品質(zhì)。

4 結(jié) 論

1)循環(huán)曝氣、高水量和常氮處理可有效促進(jìn)番茄生長，顯著提高葉綠素含量和凈光合速率，為番茄增產(chǎn)奠定了生理基礎(chǔ)。

2)灌水量、施氮量和摻氣量的改變對番茄產(chǎn)量及地上部鮮重產(chǎn)生不同程度影響。其中，曝氣處理較非曝氣處理平均提高22.91%和14.93%，高水量處理較低水量處理平均提高41.19%和27.10%，常氮處理較低氮處理平均提高40.87%和24.89%，差異均達(dá)顯著水平。

3)灌水量、施氮量的改變和摻氣處理可有效改善番茄果實品質(zhì)。各處理可溶性固形物、Vc含量、可溶性蛋白質(zhì)含量較相應(yīng)對照顯著增加，總酸含量顯著降低。

綜合比較番茄生長生理、產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)，本試驗中，常氮高水量循環(huán)曝氣處理是促進(jìn)溫室番茄生長和品質(zhì)提升的水、肥、氣適宜組合方案，相應(yīng)的施氮量為180 kg·hm-2，灌水量為1 237 m3·hm-2，摻氣比率為15%。