雷宏軍, 童文彬, 潘紅衛(wèi), 王露陽, 張振華, 張倩

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.魯東大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東 煙臺 264025; 3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018)

地下滴灌是一種常見的高效節(jié)水灌溉技術(shù)[1],但由于滴頭布設(shè)于作物根系附近,灌水時極易造成灌溉水驅(qū)散土壤孔隙中的空氣,造成作物根部缺氧[2],進而導(dǎo)致作物生長減緩[3-4],乃至減產(chǎn)[5]。增氧灌溉是將氧氣或含氧物質(zhì)通過地下滴灌系統(tǒng)輸送至作物根部,從而改善根部環(huán)境來達到增產(chǎn)節(jié)水的目的[6]。因此,增氧灌溉逐漸成為農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)新的研究熱點。

常見的增氧灌溉方式為循環(huán)曝氣灌溉[7]。此技術(shù)將空氣與水的二相流輸送到作物根區(qū),改變土壤氧氣含量、水分、微生物、酶活性等土壤微環(huán)境[8-12],進而促進作物生長與生物量的積累,提高產(chǎn)品品質(zhì)以及水肥利用效率[13-16]。隨著增氧灌溉技術(shù)的發(fā)展,純氧曝氣灌溉技術(shù)被提出,用以提高灌溉水溶解氧濃度及解決傳輸?shù)木鶆蛐詥栴}[7,17]。研究[17-18]證實,該技術(shù)還能提高土壤的通氣性,并促進蔬菜的生長發(fā)育。在實際應(yīng)用中,由于土壤類型不同,不同曝氣灌溉方式對作物生長生理的影響也不盡相同。因此,有必要開展不同類型土壤下曝氣灌溉的實施效果研究。本文通過試驗研究了3種不同類型土壤(黏土、粉壤土和砂壤土)下2種不同增氧方式(純氧曝氣灌溉和循環(huán)曝氣灌溉)對甜椒生長生理指標(biāo)、產(chǎn)量和灌溉水利用效率的影響,并對不同處理的實施效果進行了綜合評價,以期為增氧灌溉的實際應(yīng)用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年9月—2019年2月在華北水利水電大學(xué)農(nóng)業(yè)高效用水試驗場現(xiàn)代化溫室(34°47′5.01″N,113°46′54.61″E)進行。現(xiàn)代化溫室總面積為537.6 m2、跨度為9.6 m、開間為4.0 m。溫室內(nèi)配備有風(fēng)機和濕簾,用于控制溫度和濕度。試驗期間溫室內(nèi)最高溫度為31.5 ℃,最低溫度為10 ℃;最高濕度為80.0%,最低濕度為38.0%。

1.2 試驗材料

供試土壤選取河南省3種典型土壤,依據(jù)美國土壤分類制劃分方法,分別為黏土、粉壤土和砂壤土,土壤基本理化性質(zhì)見表1。表1中,黏粒、粉砂、砂粒的粒徑d分別為d<0.002 mm,0.002 mm≤d<0.020 mm,d≥0.020 mm。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

供試作物為甜椒,品種為bejo3122,由中國濰坊神農(nóng)農(nóng)業(yè)生物科技有限公司提供,全生育期104 d,具體劃分見表2。

表2 甜椒生育期

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置3種不同類型的供試土壤(黏土、粉壤土、砂壤土)和3種地下滴灌方式(常規(guī)灌溉、循環(huán)曝氣灌溉、純氧曝氣灌溉)共計9個處理,每個處理進行6次重復(fù)。黏土、粉壤土、砂壤土分別記作YC、SCL和HL,常規(guī)灌溉、循環(huán)曝氣灌溉、純氧曝氣灌溉分別記作CK、MAI和OC。試驗采用盆栽法,盆栽桶上口直徑27 cm、下口直徑22 cm、高25 cm。

1.4 灌水施肥管理

盆栽桶中裝入風(fēng)干過篩后的試驗土壤13.5 kg,施加19 g全要素水溶性肥料(果愛,中國成都一心化工有限公司),其中N、P、K的質(zhì)量比分別為15%、15%和30%。將肥料與土壤充分拌勻，然后分層壓實回填。試驗供水方式為地下滴灌,采用耐特菲姆滴頭,滴頭埋設(shè)深度為10 cm,設(shè)計流速為2.0 L/h。種植前采用烘干法測定土壤的初始含水率,灌水時間和灌水量根據(jù)每天稱盆栽質(zhì)量計算所得的土壤含水率和田間持水率來確定,當(dāng)土壤平均含水率下降至田間持水率的60%時進行灌水,當(dāng)土壤平均含水率達到田間持水率的80%時停止灌水(指標(biāo)測定期間灌水周期延長1～2 d)。施肥時利用施肥器將水溶肥摻入灌溉水中,分別于移植后的第45天和第78天施肥,每次施肥量為26 g/桶,整個生育期共施肥71 g/桶。循環(huán)曝氣處理灌水時,通過循環(huán)曝氣管路和文丘里循環(huán)曝氣裝置,曝氣20 min形成溶解氧含量較高的穩(wěn)定水氣耦合物后(溶解氧質(zhì)量濃度約15 mg/L),開啟供水水箱的出水管路進行灌溉。純氧曝氣處理灌水時,將溶氣釋氣純氧曝氣裝置生成的微納米氣泡水[18](溶解氧質(zhì)量濃度約40 mg/L)通過地下滴灌系統(tǒng)輸送到作物根區(qū)。

1.5 指標(biāo)測定方法

1.5.1 凈光合速率

試驗采用Li 6400XT光合儀測量凈光合速率和蒸騰速率。為了降低外界因素對測量數(shù)據(jù)的影響,選取植株頂尖的第2或第3片完全舒展開的新葉子進行測定。每個處理選取3株長勢均勻的甜椒進行測量,并標(biāo)記為以后的測量對象,以其均值作為這個處理的平均水平,測量時間選在天氣晴朗的上午(10:30左右)進行,測定時間為定植后的27、41、85 d,分別代表溫室甜椒的開花坐果期、果實膨大期、果實成熟期。

1.5.2 根系生長生理指標(biāo)

待甜椒生育期結(jié)束,對所有植株進行取根。取根過程中,要保證根系的完整性,并且小心清洗根部附著的泥土,之后擦拭完多余的水分,待根系自然晾干后,用天平測出根系的鮮質(zhì)量。之后在105 ℃下殺青,75 ℃下烘干72 h,采用精度為0.01 g的電子天平稱量根干質(zhì)量。根系活力采用TTC法[19]測定。

1.5.3 株高

使用精度為0.01 cm的直尺測量植株根頸部到主莖頂部的垂直距離。在開花坐果期、果實膨大期、果實成熟期各測定一次,時間定為移植后26、53、83 d。盆栽每個處理進行6次重復(fù)測量。

1.5.4 產(chǎn)量和灌溉水利用效率

盆栽甜椒成熟時間不一致,分3次采摘,采摘時間為2018年12月4日、2018年12月25日和2019年1月6日共3 d。對溫室甜椒進行產(chǎn)量指標(biāo)測定,采用精度為0.01 g的電子天平對果實稱重,產(chǎn)量按單株記。根據(jù)單株產(chǎn)量和單株灌溉水量計算灌溉水利用效率,計算公式為:

IWUE=Y/I。

(1)

式中:IWUE為灌溉水利用效率,kg/m3;Y為溫室甜椒的單株產(chǎn)量,kg/株;I為該株甜椒的全生育期灌水量,m3/株。

1.6 數(shù)據(jù)處理方法

本文采用Microsoft Excel 2019進行數(shù)據(jù)初步分析和繪圖;采用SPSS Statistics 22.0軟件進行顯著性分析、相關(guān)性分析和主成分分析:采用Fisher LSD方法進行顯著性檢驗,顯著性水平P<0.05即視為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義;采用Pearson相關(guān)性檢驗法檢驗指標(biāo)之間的相關(guān)性,P<0.05即為顯著相關(guān),P<0.01即為極顯著相關(guān)。其中，主成分分析將可能存在相關(guān)性的甜椒生長、生理指標(biāo)和灌溉水利用效率等指標(biāo),通過正交變換轉(zhuǎn)換為一組不相關(guān)的綜合指標(biāo),并根據(jù)樣本矩陣的特征向量計算累計方差,當(dāng)累計方差貢獻率達到85%以上時列出主成分函數(shù)表達式并對重要主成分分值進行排序[20]。

2 結(jié)果分析

2.1 根系生長生理指標(biāo)

不同處理下甜椒的根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量和根系活力見表3。由表3可知:①3種不同類型土壤下,循環(huán)曝氣灌溉處理和純氧擴散器曝氣灌溉處理下甜椒的根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量和根系活力較常規(guī)灌溉處理的均有顯著提高。②與對應(yīng)土壤的CK比較,YC-MAI、YC-OC、SCL-MAI、SCL-OC、HL-MAI、HL-OC的作物根鮮質(zhì)量分別增加52.24%、29.58%、40.89%、24.15%、34.83%、12.75%(P<0.05);根干質(zhì)量分別增加36.78%、17.59%、26.33%、14.84%、14.82%、10.54%(P<0.05);根系活力分別提高30.16%、16.19%、19.73%、7.84%、12.06%、3.56%(P<0.05)。③同種土壤下,循環(huán)曝氣灌溉處理對甜椒根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量和根系活力的增幅高于純氧擴散器曝氣灌溉處理的。④在3種不同類型土壤下,循環(huán)曝氣灌溉處理和純氧擴散器曝氣灌溉處理對溫室甜椒的根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量和根系活力的增加或提高效果由高到低的順序均為:黏土、粉壤土、砂壤土。

表3 不同類型土壤和不同增氧灌溉方式對甜椒根系生長生理指標(biāo)的影響

2.2 株高

不同處理下溫室甜椒各個生育期的株高如圖1所示。

圖1 不同處理下甜椒的株高

由圖1可知,甜椒株高隨著時間的推移而增加,以定植后83 d為代表對不同處理下甜椒的株高進行對比分析,3種不同類型土壤下,循環(huán)曝氣灌溉處理和純氧擴散器曝氣灌溉處理對應(yīng)的甜椒的株高較常規(guī)灌溉處理的顯著提高,且同種土壤下循環(huán)曝氣灌溉處理對應(yīng)的甜椒的株高增幅高于純氧擴散器曝氣灌溉處理的。同時,3種不同類型土壤下循環(huán)曝氣灌溉處理和純氧擴散器曝氣灌溉處理對應(yīng)的溫室甜椒株高的增幅效果為:黏土>粉壤土>砂壤土。其中,與對應(yīng)土壤下的CK比較,YC-MAI、YC-OC、SCL-MAI、SCL-OC、HL-MAI、HL-OC的甜椒株高分別提高28.2%、18.3%、23.2%、12.4%、14.0%、5.2%(P<0.05)。

2.3 凈光合速率

不同處理下甜椒各生育期的凈光合速率Pn變化情況如圖2所示。

圖2 不同處理下甜椒各生育期的凈光合速率

由圖2可知:在3種不同類型土壤下,純氧擴散器曝氣灌溉處理和循環(huán)曝氣灌溉處理對應(yīng)的甜椒各個生育期的凈光合速率較常規(guī)灌溉處理的有顯著提高。其中,與對應(yīng)土壤下的CK相比,YC-MAI、YC-OC、SCL-MAI、SCL-OC、HL-MAI、HL-OC的凈光合速率在開花坐果期分別提高37.36%、21.47%、20.20%、11.35%、13.79%、8.25%(P<0.05);在果實膨大期分別提高17.14%、7.81%、16.95%、7.35%、5.73%、1.91%(P<0.05);在果實成熟期分別提高19.71%、15.20%、7.69%、2.83%、6.14%、2.31%(P<0.05);全生育期內(nèi)分別提高24.73%、14.81%、14.92%、7.19%、8.58%、4.18%(P<0.05)?？梢?同種土壤下循環(huán)曝氣灌溉處理對于溫室甜椒各個生育期凈光合速率的增幅高于純氧擴散器曝氣灌溉處理的。同時,3種不同類型土壤下純氧擴散器曝氣灌溉處理和循環(huán)曝氣灌溉處理對應(yīng)的溫室甜椒的各個生育期的凈光合速率的增幅效果為:黏土>粉壤土>砂壤土。

2.4 產(chǎn)量和灌溉水利用效率

不同處理下甜椒產(chǎn)量和灌溉水利用效率的變化情況見表4。由表4分析可得,3種類型土壤下,循環(huán)曝氣灌溉處理和純氧擴散器曝氣灌溉處理對應(yīng)的甜椒的產(chǎn)量和灌溉水利用效率較常規(guī)灌溉處理的有顯著提高,而循環(huán)曝氣灌溉處理下甜椒的產(chǎn)量和灌溉水利用效率增幅大于純氧擴散器曝氣灌溉處理的。其中,與對應(yīng)土壤下的CK比較,YC-MAI、YC-OC、SCL-MAI、SCL-OC、HL-MAI、HL-OC的甜椒產(chǎn)量分別提高30.34%、20.94%、21.21%、14.23%、12.83%、3.74%(P<0.05),IWUE分別提高25.71%、19.70%、23.20%、17.88%、12.06%、5.00%(P<0.05)。在不同類型土壤下,循環(huán)曝氣灌溉和純氧擴散器曝氣灌溉處理對產(chǎn)量和灌溉水利用效率的提高效果均為:黏土>粉壤土>砂壤土。

表4 3種不同類型土壤下不同增氧灌溉方式對甜椒產(chǎn)量和灌溉水利用效率的影響

2.5 不同土壤下溫室甜椒增氧灌溉后生長生理指標(biāo)、產(chǎn)量和灌溉水利用效率的主成分分析

對不同處理下溫室甜椒的生長生理指標(biāo)、產(chǎn)量和灌溉水利用效率進行Pearson相關(guān)性檢驗,其結(jié)果見表5。由表5可以看出,根鮮質(zhì)量、根系活力、凈光合速率、株高、產(chǎn)量和灌溉水利用效率呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

表5 甜椒的根鮮質(zhì)量、根系活力、株高、凈光合速率、產(chǎn)量、灌溉水利用效率間的相關(guān)關(guān)系

為降低重復(fù)信息對不同處理實施效果的影響,采用主成分分析法,利用降維的思想,將溫室甜椒的根鮮質(zhì)量、根系活力、凈光合速率、株高、產(chǎn)量和灌溉水利用效率這6個指標(biāo)簡化為少數(shù)幾個可反映原始指標(biāo)大部分信息的綜合指標(biāo)，然后通過計算不同處理的綜合得分來評價其實施效果。各主成分的特征值及方差貢獻率見表6。由表6可知,主成分1的特征值大于1,且累積方差貢獻率大于90%,即主成分1可反映不同處理下溫室甜椒根鮮質(zhì)量、根系活力、凈光合速率、株高、產(chǎn)量和灌溉水利用效率指標(biāo)90%以上的信息。

表6 主成分特征值及方差貢獻率

主成分1中各指標(biāo)的因子負荷矩陣見表7。由表7可知：主成分1的得分受根鮮質(zhì)量、根系活力、株高、凈光合速率、產(chǎn)量和灌溉水利用效率的正影響。

表7 因子負荷矩陣

將甜椒的生長生理指標(biāo)、產(chǎn)量和灌溉水利用效率指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后計算各個處理的綜合得分并進行排名,其結(jié)果見表8。由表8可知:各處理的綜合得分排序為YC-MAI>SCL-MAI>HL-MAI>YC-OC>SCL-OC>HL-OC>HL-CK>SCL-CK>YC-CK；在9個處理中，對黏土進行的循環(huán)曝氣灌溉處理的綜合得分排序第1。

表8 基于溫室甜椒生長生理指標(biāo)、產(chǎn)量和灌溉水利用效率的各處理的綜合得分

3 討論

3.1 同種類型土壤條件下不同增氧灌溉方式對溫室甜椒生長生理指標(biāo)、產(chǎn)量和灌溉水利用效率產(chǎn)生影響的理論探討

已有研究結(jié)果[17-18]表明,循環(huán)曝氣灌溉和純氧曝氣灌溉對根區(qū)土壤呼吸、土壤通氣性等具有顯著的改善作用。土壤微環(huán)境的改善會促進作物的根系生長[21-22],而植物根系良好生長會直接促進植物地上部分的生長發(fā)育[15]以及提高作物的凈光合速率[23],進而提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[13-16]。本試驗結(jié)果也得出了類似的結(jié)論:在同種土壤下,循環(huán)曝氣灌溉處理和純氧曝氣灌溉處理下的溫室甜椒的根系指標(biāo)、株高、凈光合速率、產(chǎn)量和灌溉水利用效率指標(biāo)均有顯著提高。

值得注意的是,雖然純氧曝氣裝置制備的灌溉水溶解氧質(zhì)量濃度高于循環(huán)曝氣灌溉的,但本試驗的結(jié)果卻顯示,在3種不同類型土壤下，循環(huán)曝氣灌溉對甜椒根系指標(biāo)、株高、產(chǎn)量和灌溉水利用效率的增幅均高于純氧擴散器曝氣灌溉的。該結(jié)論與杜君等[24]基于循環(huán)曝氣灌溉和純氧曝氣灌溉處理下夏玉米生長及氮素利用的研究結(jié)論類似。同種類型土壤下循環(huán)曝氣灌溉的實施效果要好于純氧曝氣灌溉的,這可能是因為純氧曝氣裝置制備的灌溉水溶解氧質(zhì)量濃度較高導(dǎo)致衰變量增加[25],循環(huán)曝氣灌溉除了增加灌溉水溶解氧質(zhì)量濃度外，還摻入了大量微氣泡[26],使得對土壤環(huán)境的改善效果更為持久。此外，也可能是因為甜椒更加適應(yīng)由空氣循環(huán)曝氣所制備的摻入大量微氣泡的灌溉水,而用純氧曝氣裝置制備的灌溉水溶解氧的質(zhì)量濃度過高超過了作物的耐受度。

目前,循環(huán)曝氣灌溉方式和純氧曝氣灌溉方式對同種類型土壤條件下甜椒生長生理指標(biāo)、產(chǎn)量和灌溉水利用效率的增幅存在差異的原因尚不明確,且在不同類型土壤條件下對不同作物進行循環(huán)曝氣灌溉和純氧曝氣灌溉是否會出現(xiàn)與該試驗相類似的現(xiàn)象尚不明確,仍需對增氧灌溉的適用條件進行深入研究。

3.2 不同類型土壤條件下溫室甜椒生長生理指標(biāo)、產(chǎn)量和灌溉水利用效率對增氧灌溉方式響應(yīng)的理論探討

本試驗的結(jié)果表明,兩種增氧灌溉方式對于不同類型土壤條件下甜椒的生長發(fā)育、產(chǎn)量和灌溉水利用效率都有較大的增幅。其中,無論是循環(huán)曝氣灌溉還是純氧曝氣灌溉對于黏土下的甜椒的生長發(fā)育、產(chǎn)量和灌溉水利用效率的增幅均高于砂壤土和粉壤土的。這是因為:在同一容重條件下,土壤導(dǎo)氣率和孔隙度由大到小的順序均為砂壤土、粉壤土、黏土,而保水保肥能力由高到低的順序為黏土、粉壤土、砂壤土[27]。3種不同類型土壤中,黏土的通氣性最差,灌水最容易導(dǎo)致根部缺氧,粉壤土的其次,砂壤土的根系受灌水影響最小。供試土壤中,黏土的保水保肥能力最好,有豐產(chǎn)潛力,但黏土中易被作物利用的養(yǎng)分(如有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀等)含量卻低于粉壤土和砂壤土的[27],對黏土進行增氧灌溉后，土壤的通氣性得到改善,有效解決了黏土下作物根區(qū)的缺氧問題。此外，增氧灌溉后黏土通氣性的改善還能增加土壤中微生物的數(shù)量[28],提高酶活性[29],加快土壤礦質(zhì)化過程和腐殖化過程,提高土壤中可直接被作物吸收利用的養(yǎng)分含量[30],進而使作物獲得更多的水分和養(yǎng)分,為植物光合作用提供充足的底物,加快作物新陳代謝,促進作物生長生物量的積累[15],進而達到增產(chǎn)、節(jié)水的目的[28]。同時,在本試驗中,循環(huán)曝氣灌溉對甜椒生長發(fā)育的促進作用、對產(chǎn)量和灌溉水利用效率的提高效果要顯著高于純氧曝氣灌溉的。這也驗證了循環(huán)曝氣在黏土中實施效果最好這一結(jié)論。

4 結(jié)語

本文研究了3種不同類型土壤下(黏土、粉壤土及砂壤土)不同增氧灌溉方式(純氧曝氣和循環(huán)曝氣灌溉)對甜椒生長生理指標(biāo)、產(chǎn)量和灌溉水利用效率的影響,并通過主成分分析法對不同處理的實施效果進行了評價,所得結(jié)論如下:

1)3種不同類型土壤下,循環(huán)曝氣灌溉和純氧曝氣灌溉處理較常規(guī)灌溉處理均顯著促進了溫室甜椒的生長,提高了產(chǎn)量和灌溉水利用效率,且循環(huán)曝氣灌溉對溫室甜椒的生長、產(chǎn)量和灌溉水利用效率的增幅高于純氧曝氣灌溉的。

2)無論是循環(huán)曝氣灌溉還是純氧曝氣灌溉,對3種不同類型土壤下甜椒的生長、產(chǎn)量和灌溉水利用效率的增幅存在差異,但均表現(xiàn)為:黏土>粉壤土>砂壤土。

3)黏土條件下循環(huán)曝氣灌溉的實施效果最好。