張 倩 曾 健 張振華 雷宏軍 張 鵬 柳 棟

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 煙臺(tái) 264025； 3.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院， 鄭州 450011)

0 引言

作物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程吸收水分和養(yǎng)分，需要根系供給氧氣，土壤中氧氣含量可直接影響作物根系呼吸和養(yǎng)分的吸收等，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)發(fā)育[1-2]?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植中，地下滴灌是公認(rèn)的節(jié)水灌溉技術(shù)[3]。但是由于灌水后土壤充滿水，氣體被迫排出，以及使用化肥、機(jī)械壓實(shí)等因素，造成土壤板結(jié)，土壤中氧氣含量不足，從而抑制作物根系呼吸，制約作物生長(zhǎng)發(fā)育，造成作物減產(chǎn)和品質(zhì)降低[4-5]。PENDERGAST等[6]研究發(fā)現(xiàn)，地下滴灌滴頭附近區(qū)域的氧氣擴(kuò)散率最低，長(zhǎng)時(shí)間地下滴灌會(huì)導(dǎo)致滴頭附近土壤缺氧；MACHADO等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在地下滴灌條件下，作物根系通常因?yàn)槲账侄植荚诘喂鄮У晤^位置，因此作物根系經(jīng)常處于低氧環(huán)境中；PAYERO等[8]試驗(yàn)表明土壤缺氧會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低；TAKESHI等[9]研究表明，根區(qū)土壤含氧量不足會(huì)限制根細(xì)胞能量供應(yīng)，降低根系活力，影響根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，導(dǎo)致作物干物質(zhì)積累不足，從而對(duì)作物植株生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。

曝氣滴灌是利用文丘里加氣設(shè)備將空氣吸入到地下滴灌管道中進(jìn)而將灌溉水和空氣輸送到作物根區(qū)土壤的技術(shù)[10]，已有研究成果表明，曝氣滴灌可以提高作物產(chǎn)量和水分利用率，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量[11-16]。曝氣處理可顯著提高果實(shí)的水分利用效率、干物質(zhì)量、產(chǎn)量和瞬時(shí)葉片蒸騰速率[16-20]。

以往關(guān)于加氣灌溉研究多集中于單因素處理或水氣耦合、水肥耦合、滴管帶埋深等復(fù)合多因素，主要關(guān)注加氣灌溉對(duì)作物水分利用效率、產(chǎn)量及品質(zhì)的提升[21-24]。有關(guān)肥氣耦合的研究較少涉及，循環(huán)曝氣地下滴灌條件下不同曝氣水平和施肥水平復(fù)合因素下植株光合作用的研究較少。因此，本研究以對(duì)土壤通氣性比較敏感的番茄為研究對(duì)象，設(shè)置不同的曝氣量及施肥量，研究曝氣量和施肥量不同肥氣耦合作用對(duì)番茄生長(zhǎng)特性、光合特性、葉綠素含量及產(chǎn)量的影響，探求最佳的灌溉施肥模式，以期為肥氣耦合灌溉下番茄增產(chǎn)提供相關(guān)理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)日光溫室進(jìn)行，日光溫室高5.5 m，內(nèi)寬13 m，東西長(zhǎng)52 m，有效種植面積為450 m2。試驗(yàn)區(qū)屬于溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)，年均日照時(shí)數(shù)2 627.1 h。土壤類(lèi)型為棕壤土，土壤堿解氮質(zhì)量比136.5 mg/kg，速效磷質(zhì)量比51.72 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比168.07 mg/kg，pH值為6.5，電導(dǎo)率(EC)為0.62 mS/cm。

供試作物番茄品種為京魯6335，屬中晚熟品種。日光溫室內(nèi)壟長(zhǎng)10 m，寬0.8 m，臨近兩壟之間用埋深100 cm的塑料膜隔開(kāi)，防止側(cè)滲，一壟為一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。滴灌管管徑為16 mm，滴頭設(shè)計(jì)流量為2 L/h，滴頭間距為33 cm，最大工作壓力為0.2 MPa。按照滴頭間距布置植株，水平距定植點(diǎn)約10 cm，埋深20 cm，每個(gè)小區(qū)供水管路單獨(dú)控制，并配有精密的計(jì)量水表。所有小區(qū)施肥、灌溉、打藥等田間管理措施均一致。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)兩種灌水方式，分別為循環(huán)曝氣地下滴灌(O)和地下滴灌(S，未進(jìn)行曝氣處理的灌溉，作為對(duì)照)，3個(gè)曝氣水平(O1、O2、O3分別表示高、中、低曝氣量(摻氣比例分別為16.25%、14.58%、11.79%))和3個(gè)施肥水平(F1、F2、F3分別表示高施肥量(N、P2O5、K2O施加量分別為240、120、150 kg/hm2)、中施肥量(N、P2O5、K2O施加量分別為180、90、112.5 kg/hm2)、低施肥量(N、P2O5、K2O施加量分別為120、60、75 kg/hm2))。

共計(jì)12個(gè)試驗(yàn)處理(表1)，試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)排列設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3次重復(fù)，共36個(gè)小區(qū)。采用單壟雙行的種植方式，壟長(zhǎng)10 m，壟寬0.8 m。有研究表明滴灌管埋深25 cm為溫室番茄種植的較優(yōu)埋深[20,25]，本試驗(yàn)每壟鋪設(shè)的滴灌帶埋深設(shè)置為25 cm，滴灌帶滴頭間距33 cm，每壟種30株作物，每壟面積為8 m2(10 m×0.8 m)。為防止水分側(cè)滲，壟與壟之間用塑料膜隔開(kāi)，并設(shè)置保護(hù)行，以防處理之間相互影響。2019年9月22日定植，為保證成活率，定植當(dāng)天澆透底水，所有小區(qū)的田間管理措施均一致，留到五穗果后打頂，全生育期約為120 d。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Tab.1 Design scheme of experiment

灌水量由安置在溫室內(nèi)的E601型蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量確定，以前一天08:00經(jīng)24 h蒸發(fā)后的蒸發(fā)量為依據(jù)，當(dāng)累積蒸發(fā)量達(dá)到20 mm左右時(shí)進(jìn)行灌水，其計(jì)算公式為

I=AKcpEp

式中I——滴頭每次的灌水量，mL

A——2個(gè)支管控制的小區(qū)面積，本試驗(yàn)為8 m2

Ep——2次灌水間隔溫室內(nèi)蒸發(fā)皿累積蒸發(fā)量，取20 mm

Kcp——蒸發(fā)皿系數(shù)，取1

曝氣裝置采用循環(huán)曝氣裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)作物的水肥氣一體化灌溉。試驗(yàn)采用的滴灌管最大工作壓力為0.2 MPa，有研究表明，隨著工作壓力的增大，曝氣水流的摻氣比例提高，曝氣量可通過(guò)設(shè)置壓力控制器工作壓力來(lái)控制[26]。本試驗(yàn)設(shè)置0.15、0.1、0.05 MPa共3個(gè)壓力水平調(diào)節(jié)高、中、低3個(gè)曝氣水平，灌溉水源取自地下水，地下井水溫度比較穩(wěn)定，保持在18℃，該水溫下，高曝氣量(O1)、中曝氣量(O2)、低曝氣量(O3)摻氣比例分別為16.25%、14.58%、11.79%。在灌水進(jìn)入地下滴灌系統(tǒng)之前進(jìn)行循環(huán)曝氣處理，使水氣同步混合后，通過(guò)地下滴灌系統(tǒng)將水氣混合物輸送到各個(gè)作物根區(qū)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定

溫室番茄株高和莖粗緩苗后20 d進(jìn)行測(cè)量，每隔10 d測(cè)定一次，株高采用卷尺測(cè)量從植株底端至植株最高生長(zhǎng)點(diǎn)的垂直距離，莖粗采用游標(biāo)卡尺量取番茄第2、3片葉間莖干直徑，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取6株測(cè)定，并做標(biāo)記。

1.3.2光合指標(biāo)測(cè)定

每個(gè)小區(qū)選取3株番茄植株，每株選取3片葉片，用CIRAS-3型光合測(cè)定系統(tǒng)隨機(jī)選取充分受光、葉位一致的連體健康葉片測(cè)定葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)、瞬時(shí)水分利用效率(WUE)和氣孔限制值(Ls)等氣體交換參數(shù)。測(cè)定日期為定植后60 d(開(kāi)花坐果期)和108 d(果實(shí)膨大期)，測(cè)定時(shí)間為09:00—11:00。

1.3.3葉綠素含量測(cè)定

定植后60 d(開(kāi)花坐果期)和108 d(果實(shí)膨大期)，測(cè)定番茄葉片葉綠素a含量、葉綠素b含量。葉綠素含量的測(cè)定方法為浸提液(45%乙醇、45%丙酮和10%蒸餾水)提取色素，用分光光度計(jì)比色法分別于663、645 nm處測(cè)定吸光度，計(jì)算其含量[27]。葉綠素含量測(cè)試選擇充分受光、葉位一致的健康葉片，每小區(qū)選3株進(jìn)行測(cè)量，每株選取3片葉片。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Origin Pro 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 肥氣耦合處理對(duì)溫室番茄生長(zhǎng)特性的影響

圖1為曝氣灌溉處理溫室番茄全生育期內(nèi)株高的變化曲線。由圖1可知，同一施肥水平曝氣灌溉處理的番茄株高均大于不曝氣灌溉處理，且均是高曝氣灌溉處理番茄株高最高，中曝氣灌溉處理其次，低曝氣處理株高最低，因此同一施肥水平下，番茄株高隨曝氣灌溉曝氣量的增大呈增高趨勢(shì)?？v觀整個(gè)生育期，曝氣灌溉處理對(duì)番茄生育前期株高的影響較小，定植50 d之前，曝氣灌溉處理對(duì)番茄株高的影響不顯著(P>0.05)，定植50 d后各處理株高差異開(kāi)始逐漸顯著，到打頂前各處理株高達(dá)到最高，差異達(dá)極顯著(P<0.01)。

圖1 曝氣灌溉處理溫室番茄株高的變化曲線Fig.1 Variation curves of greenhouse tomato plant height under aerated irrigation treatment

由表2可知，番茄定植后30～50 d期間，曝氣灌溉處理和不曝氣灌溉處理番茄株高的日增長(zhǎng)量差異不顯著，其原因是此時(shí)番茄處于前期生育階段，對(duì)土壤氧氣的需求較小，因此，曝氣灌溉在番茄生育前期對(duì)株高的影響不顯著。番茄定植50～70 d、70～90 d期間，曝氣灌溉處理番茄株高日增長(zhǎng)量均較不曝氣灌溉處理差異顯著，高曝氣灌溉處理株高日增長(zhǎng)量最高，株高日增長(zhǎng)量隨曝氣灌溉曝氣量的升高呈增高趨勢(shì)；定植90～110 d期間，番茄株高的日增長(zhǎng)量明顯放緩，所有試驗(yàn)處理的日增長(zhǎng)量差異不顯著，說(shuō)明曝氣灌溉處理在番茄生育后期對(duì)株高的影響不顯著，曝氣灌溉處理在番茄生育中期對(duì)株高增長(zhǎng)的影響顯著。

表2 株高分段日均增長(zhǎng)量Tab.2 Per-day growth of height of tomato cm

圖2為施肥處理溫室番茄全生育期內(nèi)株高的變化規(guī)律，從圖中可看出，各試驗(yàn)處理的番茄株高均隨生育期的推進(jìn)呈逐漸增大趨勢(shì)。高曝氣灌溉水平，中肥處理番茄株高最高，高肥處理其次，低肥處理最低；中曝氣灌溉和低曝氣灌溉水平下，高肥處理番茄株高最高，中肥處理其次，低肥處理株高最低，說(shuō)明高曝氣灌溉水平，中肥處理促進(jìn)番茄植株株高生長(zhǎng)的效果最顯著，中、低曝氣灌溉水平，高肥處理促進(jìn)番茄植株株高生長(zhǎng)的效果最顯著。定植30～50 d期間，同一曝氣水平不同施肥處理番茄株高日增長(zhǎng)量差異不顯著(P>0.05)，定植50 d后番茄株高的差異逐漸顯著，定植110 d各試驗(yàn)處理株高達(dá)到最大值，差異極顯著(P<0.01)，定植90～110 d期間，各個(gè)曝氣水平番茄株高增長(zhǎng)速度均放緩，施肥水平在番茄的生育前期和生育后期對(duì)株高的日增長(zhǎng)量影響不顯著(P>0.05)。

圖2 施肥處理溫室番茄株高的變化曲線Fig.2 Variation curves of greenhouse tomato plant height under fertilization treatment

圖3 曝氣灌溉處理溫室番茄莖粗的變化曲線Fig.3 Variation curves of greenhouse tomato stem diameter under aerated irrigation treatment

圖3為曝氣灌溉處理溫室番茄全生育期內(nèi)莖粗的變化曲線，由圖可知，同一施肥水平曝氣灌溉處理番茄莖粗均大于不曝氣灌溉處理。高肥水平，中曝氣灌溉處理番茄莖粗最大，其次是高曝氣灌溉處理，低曝氣灌溉處理番茄莖粗最?。恢?、低肥水平，高曝氣灌溉處理莖粗最大，中曝氣灌溉處理其次，低曝氣灌溉處理最小，因此中、低肥水平，莖粗隨曝氣灌溉曝氣量的增加呈增大趨勢(shì)。縱觀整個(gè)生育期，高肥水平，高、中、低曝氣灌溉處理和不曝氣灌溉處理對(duì)番茄莖粗變化的影響較?。恢?、低肥水平，隨著植株的生長(zhǎng)，高、中、低曝氣灌溉和不曝氣灌溉處理的番茄植株莖粗差異較大。定植50 d之前，曝氣灌溉處理對(duì)番茄莖粗的影響不顯著(P>0.05)，定植50 d后各處理的莖粗差異開(kāi)始逐漸明顯，定植50～70 d、70～90 d番茄莖粗差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。

由表3可知，番茄定植后30～50 d期間，曝氣灌溉處理和不曝氣灌溉處理番茄莖粗的日增長(zhǎng)量差異不顯著，定植后50～70 d、70～90 d差異性達(dá)顯著水平，其原因是隨著植株不斷生長(zhǎng)，植物根系對(duì)氧氣的需求量逐漸增大，土壤含氧量對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響顯現(xiàn)，在番茄生育中期(定植后50～90 d)，其莖粗的日均增長(zhǎng)量最大，曝氣灌溉對(duì)番茄莖粗的影響顯著。定植后90～130 d是生育末期，這一階段番茄處于果實(shí)采收期，番茄莖粗的日均增長(zhǎng)量明顯放緩，曝氣灌溉對(duì)這一階段番茄莖粗的影響不顯著，由此可見(jiàn)，曝氣灌溉處理在番茄生育中期對(duì)莖粗增長(zhǎng)有顯著影響。

表3 莖粗分段日均增長(zhǎng)量Tab.3 Per-day growth of stem width of tomato mm

圖4為施肥處理溫室番茄全生育期內(nèi)莖粗的變化曲線，從圖中可看出，各試驗(yàn)處理的番茄莖粗均隨生育期的推進(jìn)呈逐漸增大趨勢(shì)，高曝氣灌溉水平下，中肥處理番茄莖粗最高，高肥處理其次，低肥處理最低；中曝氣灌溉和低曝氣灌溉水平，高肥處理番茄莖粗最大，中肥處理其次，低肥處理最小。說(shuō)明高曝氣灌溉水平，中肥處理促進(jìn)番茄植株莖粗的增大效果最好，中、低曝氣灌溉水平，高肥處理促進(jìn)番茄植株莖粗增大效果最好。定植30～90 d是番茄莖粗的快速增長(zhǎng)階段，定植90～130 d，番茄生長(zhǎng)后期莖粗的增長(zhǎng)明顯放緩。定植30～50 d曝氣灌溉處理下不同施肥處理對(duì)番茄莖粗的影響不顯著(P>0.05)，定植后50 d各處理的莖粗差異逐漸開(kāi)始明顯，定植后50～90 d番茄莖粗差異顯著(0.01

圖4 施肥處理溫室番茄莖粗的變化曲線Fig.4 Variation curves of greenhouse tomato stem diameter under fertilization treatment

曝氣灌溉不同施肥水平對(duì)番茄株高、莖粗的影響見(jiàn)表4，從表4可看出，同一施肥水平下，曝氣灌溉處理的番茄株高、莖粗均大于不曝氣灌溉處理，番茄株高和莖粗均隨曝氣量的增加呈增大趨勢(shì)，且曝氣灌溉對(duì)株高、莖粗的影響極顯著(P<0.01)。高肥水平，高、中、低曝氣灌溉處理番茄株高較不曝氣灌溉處理分別顯著增大14.12%、12.6%、10.2%，莖粗較不曝氣灌溉處理分別增大0.68%、2.52%、0.48%；中肥水平，高、中、低曝氣灌溉處理番茄株高較不曝氣灌溉處理分別顯著增大22.57%、5.64%、5.36%，莖粗較不曝氣灌溉處理分別增大7.25%、3.17%、2.39%；低肥水平，高、中、低曝氣灌溉處理番茄株高較不曝氣灌溉處理分別顯著增大11.77%、7.09%、2.52%，莖粗較不加氣灌溉處理分別增大4.53%、4.17%、3.81%。施肥水平對(duì)番茄株高和莖粗影響極顯著(P<0.01)，高曝氣灌溉水平，中肥處理番茄株高和莖粗均達(dá)最大值，較高肥處理分別顯著增大2.21%和3.11%，較低肥處理分別顯著增大13.83%和4.89%。在交互作用下，曝氣和施肥對(duì)番茄株高有顯著性影響(P<0.05)，對(duì)番茄莖粗無(wú)顯著影響(P>0.05)。

2.2 肥氣耦合處理對(duì)番茄光合特性的影響

肥氣耦合處理對(duì)番茄光合特性的影響見(jiàn)表5，開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期兩次測(cè)定結(jié)果均表明曝氣灌溉處理凈光合速率Pn高于不曝氣灌溉處理。在開(kāi)花坐果期，同一施肥水平下，曝氣灌溉處理Pn變化趨勢(shì)相同，均隨曝氣量的升高而增大，高曝氣灌溉處理番茄Pn最高，其次是中曝氣灌溉處理，低曝氣灌溉處理最低。而在果實(shí)膨大期，同一施肥水平下，除低肥水平時(shí)中曝氣灌溉處理Pn略低于低曝氣灌溉處理，高肥、中肥水平各處理Pn變化趨勢(shì)相同，均隨曝氣量的升高而增大。且開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期內(nèi)，高肥水平下，高曝氣灌溉處理Pn分別較不曝氣處理提高31.28%和30.77%，平均提高31.03%；中肥水平，開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期高曝氣處理Pn分別較不曝氣處理提高60.40%和44.52%，平均提高52.46%；低肥水平，開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期高曝氣處理Pn分別較不曝氣處理提高44.44%和42.03%，平均提高43.24%。開(kāi)花坐果期番茄葉片氣孔導(dǎo)度Gs大于果實(shí)膨大期，同一施肥水平下，開(kāi)花坐果期Gs隨曝氣量的升高先減小后增大，果實(shí)膨大期，Gs隨曝氣量的升高而增大。中肥水平，Gs峰值出現(xiàn)在高曝氣灌溉處理，分別較不曝氣灌溉增大43.21%和78.07%，平均增大60.64%。開(kāi)花坐果期Ci均高于果實(shí)膨大期，開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期兩次測(cè)定結(jié)果均表明曝氣灌溉處理番茄葉片Ci高于不曝氣灌溉處理。且Ci的最大值均出現(xiàn)于高曝氣中肥灌溉處理，分別較不曝氣灌溉增大18.01%和31.98%，平均增大25.00%。曝氣灌溉處理Tr高于不曝氣灌溉處理，同一施肥水平下，開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期Tr均隨曝氣量的升高呈逐漸增大趨勢(shì)。高肥水平，Tr峰值出現(xiàn)在高曝氣灌溉處理，開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期Tr分別較不曝氣灌溉處理提高13.65%和44.07%，平均提高28.86%；中肥水平，Tr峰值出現(xiàn)在高曝氣處理，開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期Tr分別較不曝氣處理提高38.05%和35.71%，平均提高36.88%。在開(kāi)花坐果期，WUE隨曝氣量的升高而升高，高肥水平下，WUE由不曝氣處理的2.93 mmol/mol升高至高曝氣處理的3.5 mmol/mol，中肥水平，高曝氣灌溉處理較不曝氣處理WUE提高31.03%，低肥水平，WUE由不曝氣處理的2.77 mmol/mol升高至高曝氣處理的3.23 mmol/mol，果實(shí)膨大期測(cè)定結(jié)果表明番茄曝氣灌溉處理WUE均高于不曝氣灌溉處理。

表4 肥氣耦合處理對(duì)溫室番茄株高、莖粗的影響Tab.4 Effects of fertilizer-air coupling treatment on plant height and stem diameter in greenhouse tomato

表5 肥氣耦合處理對(duì)溫室番茄光合特性的影響Tab.5 Effects of different fertilizer-air coupling treatment on photosynthetic parameters in greenhouse tomato

開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期兩次測(cè)定結(jié)果表明番茄曝氣灌溉處理下Ls均高于不曝氣灌溉處理，開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期Ls峰值均出現(xiàn)在高曝氣中肥處理。方差分析表明，曝氣處理對(duì)兩個(gè)生育階段內(nèi)番茄葉片Pn、Gs、Ci(FEP除外)和Tr均有極顯著影響(P<0.01)，對(duì)果實(shí)膨大期Tr及WUE有極顯著影響(P<0.01)，對(duì)開(kāi)花坐果期WUE及Ls有顯著影響(P<0.05)。施肥處理對(duì)開(kāi)花坐果期番茄Ci和果實(shí)膨大期Gs有顯著影響(P<0.05)，對(duì)開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期番茄葉片Tr、WUE及Ls均影響不顯著(P>0.05)。兩因素交互作用對(duì)兩個(gè)生育階段內(nèi)番茄Pn、Gs、Ci、Tr、WUE及Ls均無(wú)顯著影響(P>0.05)。

2.3 肥氣耦合處理對(duì)番茄功能葉片光合色素的影響

肥氣耦合處理對(duì)番茄功能葉片光合色素含量(質(zhì)量比)的影響見(jiàn)表6。開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期兩次測(cè)定結(jié)果均表明曝氣灌溉處理番茄葉片葉綠素a含量高于不曝氣灌溉處理，同一施肥水平下，葉綠素a和葉綠素b含量均隨曝氣量的增大呈逐漸增大趨勢(shì)，高曝氣灌溉處理葉綠素a和葉綠素b含量最高，其次是中曝氣灌溉處理，低曝氣灌溉處理最低。開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期，高曝氣灌溉處理較不曝氣灌溉處理葉綠素a含量分別最大提高38.33%和28.00%，平均提高33.17%，葉綠素b含量分別最大提高54.55%和42.86%，平均提高48.71%。高曝氣灌溉水平下，中肥處理番茄葉片葉綠素a和葉綠素b含量最高，高肥處理其次，低肥處理最低；中曝氣灌溉和低曝氣灌溉水平，高肥處理番茄葉片葉綠素a和葉綠素b含量最高，中肥處理其次，低肥處理最低，與溫室番茄植株株高和莖粗變化規(guī)律一致。

表6 肥氣耦合處理對(duì)番茄功能葉片光合色素含量的影響Tab.6 Effects of fertilizer-air coupling treatment on photosynthetic pigment content of greenhouse tomato functional leaves mg/g

開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期，曝氣灌溉處理總?cè)~綠素含量均高于不曝氣灌溉處理，同一施肥水平下，總?cè)~綠素含量均隨曝氣量的升高呈增大趨勢(shì)。開(kāi)花坐果期，總?cè)~綠素含量在高曝氣灌溉中肥處理達(dá)最大值1.17 mg/g，在不曝氣灌溉低肥處理達(dá)最小值0.77 mg/g；果實(shí)膨大期，總?cè)~綠素含量在高曝氣中肥處理達(dá)最大值1.47 mg/g，在不曝氣灌溉低肥處理達(dá)最小值1.04 mg/g。開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期的峰值均出現(xiàn)于高曝氣中肥灌溉處理，較不曝氣灌溉處理總?cè)~綠素含量分別升高44.44%和33.64%。

方差分析表明，開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期，曝氣處理對(duì)番茄葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均有極顯著影響(P<0.01)；開(kāi)花坐果期，施肥處理對(duì)番茄葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量影響均不顯著(P>0.05)，果實(shí)膨大期，施肥處理對(duì)番茄葉片總?cè)~綠素含量有顯著影響(P<0.05)，對(duì)番茄葉片葉綠素a、葉綠素b含量影響均不顯著(P>0.05)。兩因素交互作用對(duì)開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量影響均不顯著(P>0.05)。

2.4 肥氣耦合處理對(duì)番茄干物質(zhì)積累量的影響

表7為肥氣耦合處理對(duì)溫室番茄植株開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期各部分干物質(zhì)累積量的影響。由表可知，開(kāi)花坐果期各試驗(yàn)處理番茄不同部位干物質(zhì)積累量由大到小依次為葉、莖、果和根。果實(shí)膨大期各處理番茄不同部位干物質(zhì)積累量由大到小依次為果、莖、葉和根。在同一施肥水平下，開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期曝氣處理番茄干物質(zhì)積累總量均高于不曝氣處理，高曝氣灌溉處理干物質(zhì)積累總量較不曝氣灌溉處理分別最大提高31.66%和36.95%，干質(zhì)量積累總量總體上均隨曝氣量升高呈升高趨勢(shì)，高曝氣灌溉處理干物質(zhì)積累總量最高。開(kāi)花坐果期內(nèi)，除低曝氣灌溉高肥處理干物質(zhì)積累總量略低于低曝氣中肥處理外，同一曝氣水平下，干質(zhì)量積累總量總體上隨施肥量升高呈升高趨勢(shì)，高曝氣高肥處理較高曝氣中肥處理和高曝氣低肥處理干質(zhì)量積累總量提高3.61%和11.89%。果實(shí)膨大期，同一曝氣水平下干質(zhì)量積累總量總體上隨施肥量升高呈先升高后降低趨勢(shì)，中肥處理干質(zhì)量積累總量最大，高曝氣中肥處理果實(shí)干物質(zhì)量和干質(zhì)量積累總量較高曝氣低肥處理分別提高26.36%和19.13%。

表7 肥氣耦合處理對(duì)溫室番茄植株各組成部分干物質(zhì)積累量的影響Tab.7 Effects of different fertilizer-air coupling treatments on dry matter partitioning of greenhouse tomato g

方差分析表明，開(kāi)花坐果期，曝氣處理對(duì)番茄根干物質(zhì)積累量有極顯著影響(P<0.01)，對(duì)莖、果和干物質(zhì)積累總量有顯著影響(P<0.05)；施肥處理除對(duì)番茄根干物質(zhì)積累量影響顯著(P<0.05)，對(duì)莖、葉和果干物質(zhì)積累總量均影響不顯著(P>0.05)。果實(shí)膨大期，曝氣處理對(duì)番茄根、莖、葉和果干物質(zhì)積累總量均有極顯著影響(P<0.01)；施肥處理除對(duì)番茄根、莖和果干物質(zhì)積累量有顯著影響(P<0.05)，對(duì)葉和干物質(zhì)積累總量影響不顯著(P>0.05)。兩因素交互作用對(duì)果實(shí)膨大期根、莖干物質(zhì)積累量影響顯著(P<0.05)。

2.5 肥氣耦合處理對(duì)番茄產(chǎn)量的影響

表8為肥氣耦合處理對(duì)番茄單株產(chǎn)量和單果質(zhì)量的影響。由表可知，同一施肥水平下，除中曝氣灌溉中肥處理番茄單株產(chǎn)量略低于低曝氣灌溉中肥處理外，番茄單株產(chǎn)量和單果質(zhì)量均隨曝氣量的升高呈升高趨勢(shì)，最高單株產(chǎn)量出現(xiàn)在高曝氣灌溉中肥處理，最低單株產(chǎn)量出現(xiàn)在低曝氣灌溉低肥處理，最高單果質(zhì)量出現(xiàn)在高曝氣灌溉中肥處理，最低單果質(zhì)量出現(xiàn)在低曝氣低肥處理。高肥水平，高曝氣灌溉處理單株產(chǎn)量和單果質(zhì)量較不曝氣灌溉處理提高8.46%和4.73%。中肥水平，高曝氣灌溉處理單株產(chǎn)量和單果質(zhì)量較不曝氣灌溉處理提高12.80%和19.51%。低肥水平，高曝氣灌溉處理單株產(chǎn)量和單果質(zhì)量較不曝氣灌溉處理提高9.28%和12.09%。單因素中曝氣處理對(duì)番茄單株產(chǎn)量和單果質(zhì)量均有極顯著影響(P<0.01)，施肥處理對(duì)單株產(chǎn)量有極顯著影響(P<0.01)，對(duì)單果質(zhì)量有顯著影響(0.01

表8 肥氣耦合處理溫室番茄單株產(chǎn)量和單果質(zhì)量Tab.8 Yield and fruit quality of greenhouse tomato under fertilizer and air coupling treatment g

表9表明，各曝氣水平下，曝氣灌溉處理番茄單株產(chǎn)量與植株的株高、莖粗和凈光合速率相關(guān)系數(shù)較不曝氣灌溉處理高，隨著曝氣量的升高，番茄產(chǎn)量與植株各生長(zhǎng)指標(biāo)相關(guān)性也呈升高趨勢(shì)。高曝氣灌溉處理番茄產(chǎn)量與植株各生長(zhǎng)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)最高，為0.4左右，而中、低曝氣灌溉處理相關(guān)系數(shù)差異不大，均為0.3左右。由此可知，高曝氣灌溉處理番茄產(chǎn)量與植株各生長(zhǎng)指標(biāo)相關(guān)性相較于中、低曝氣灌溉處理高，由大到小依次為凈光合速率、株高和莖粗。各施肥水平下，中肥處理番茄產(chǎn)量與植株各生長(zhǎng)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)最高，高肥處理次之，低肥處理相關(guān)系數(shù)最低。循環(huán)曝氣地下滴灌肥氣耦合下，全部處理的番茄產(chǎn)量與植株的株高、莖粗和凈光合速率均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，番茄產(chǎn)量與株高相關(guān)系數(shù)最大，為0.473，與凈光合速率相關(guān)系數(shù)次之，為0.427，與植株莖粗相關(guān)系數(shù)最小，為0.377。由此可知，肥氣耦合條件下番茄產(chǎn)量與植株各生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)差異較大，番茄產(chǎn)量與植株各生長(zhǎng)指標(biāo)相關(guān)性由大到小依次為株高、凈光合速率和莖粗。

表9 各試驗(yàn)處理?xiàng)l件下溫室番茄單株產(chǎn)量與植株的株高、莖粗、凈光合速率的相關(guān)系數(shù)Tab.9 Correlation coefficients among fruit yield，plant height，stem diameter and photosynthetic rate

3 討論

已有研究表明曝氣地下滴灌可以改善作物根區(qū)土體內(nèi)氧氣含量，有效緩解土壤的低氧脅迫，從而促進(jìn)土壤呼吸[15]，土壤缺氧環(huán)境的改善對(duì)作物的生長(zhǎng)有積極影響，促進(jìn)作物植株的生長(zhǎng)發(fā)育[28]。LI等[29]通過(guò)試驗(yàn)向土壤中加氣，研究發(fā)現(xiàn)曝氣處理的番茄株高和莖粗均較不曝氣處理顯著增大。朱艷等[25]對(duì)番茄進(jìn)行曝氣處理發(fā)現(xiàn)，莖粗和葉面積對(duì)加氣灌溉存在極顯著的積極響應(yīng)，加氣灌溉處理番茄植株莖粗和葉面積較不加氣灌溉處理分別顯著增大4.55%和16.21%。BHATTARAI等[30]研究也表明加氣灌溉處理棉花植株的莖粗顯著增大了6.86%。本試驗(yàn)中番茄植株在高、中、低3個(gè)曝氣水平下株高和莖粗較不曝氣灌溉處理增長(zhǎng)極顯著，株高分別最大顯著增長(zhǎng)14.12%、22.57%和11.78%，莖粗分別最大顯著增大2.52%、7.24%和4.53%，這與前人的研究結(jié)果相似。在曝氣灌溉條件下，提高施肥量有利于植株株高和莖粗的生長(zhǎng)[31-32]，但本試驗(yàn)在高曝氣水平時(shí)，增加施肥量番茄株高、莖粗反而降低。說(shuō)明低肥和高肥水平均抑制番茄的植株生長(zhǎng)，中肥水平能顯著促進(jìn)番茄苗期生長(zhǎng)發(fā)育，改善植株生長(zhǎng)狀況。這均表明曝氣灌溉有效改善了作物根系的通氣狀況，進(jìn)而對(duì)番茄生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生了積極的影響作用。

光合作用利用葉綠素等光合色素，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物并貯存起來(lái)。葉片氣孔是作物進(jìn)行氣體交換的主要場(chǎng)所，蒸騰作用為水分、養(yǎng)分的吸收提供動(dòng)力，凈光合速率是光合作用強(qiáng)弱的一個(gè)重要反映[33-34]。氣孔導(dǎo)度表示植物氣孔的開(kāi)張程度，影響植物的蒸騰作用、光合作用和呼吸作用，溫室番茄葉片的氣孔導(dǎo)度除了受土壤水分的制約外，還受到氣溫和大氣濕度等多種環(huán)境因子的影響[29]。本試驗(yàn)表明，相較于不曝氣處理，曝氣處理下番茄葉片氣孔導(dǎo)度增加，氣孔限制值升高，胞間CO2濃度升高，蒸騰速率升高，與此同時(shí)，植株的凈光合速率也升高。另一方面，根區(qū)加氣處理使得葉綠素a和葉綠素b含量升高，葉綠素作為光合反應(yīng)中心色素起著捕獲光能和分離電荷的雙重作用[33]。因此，葉綠素含量的升高進(jìn)一步促進(jìn)了凈光合反應(yīng)速率的升高。本試驗(yàn)中開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期內(nèi)曝氣處理均能顯著提高凈光合速率。李元等[20]發(fā)現(xiàn)，加氣灌溉改善根區(qū)氣體環(huán)境，能夠顯著提高番茄葉片葉綠素含量及光合反應(yīng)速率，這與本試驗(yàn)得到循環(huán)曝氣處理顯著提高番茄葉片凈光合速率相一致。試驗(yàn)中，開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期同一施肥水平下高曝氣、中曝氣處理氣孔導(dǎo)度均較不曝氣處理有顯著提高，曝氣處理有利于氣孔的開(kāi)放。該結(jié)果表明對(duì)根區(qū)土壤進(jìn)行循環(huán)曝氣在一定程度上促進(jìn)植株葉片氣孔的開(kāi)放，有利于增加光合反應(yīng)的原料(CO2)。其次，開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期內(nèi)葉綠素a、葉綠素b及總?cè)~綠素含量對(duì)曝氣處理均有積極響應(yīng)，相較于不曝氣處理均有顯著提高。然而，方差分析表明施肥處理對(duì)植株凈光合速率影響不顯著，這與趙策等[31]發(fā)現(xiàn)施肥量對(duì)辣椒凈光合速率有顯著影響并不一致，這可能是施肥量設(shè)置水平不同以及試驗(yàn)材料不同引起的，其次，土壤質(zhì)地不同也可能是造成結(jié)果不一致的主要原因，同時(shí)土壤中養(yǎng)分的不足或過(guò)量，在作物生長(zhǎng)期間，可能抑制了植物的各種生理過(guò)程，進(jìn)而影響光合作用。曝氣處理使番茄葉片葉綠素含量和氣孔導(dǎo)度增加，促使凈光合速率提高，因而植株干物質(zhì)積累和產(chǎn)量增加。本試驗(yàn)中，曝氣水平對(duì)開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期番茄根、莖、葉和果的干質(zhì)量積累量均影響顯著，曝氣處理番茄根、莖、葉和果的干物質(zhì)積累量較不曝氣處理顯著增大(表7)。這與之前研究得到根區(qū)加氣能夠提高作物產(chǎn)量、單果質(zhì)量一致[25]。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(表9)，高曝氣水平下番茄單株產(chǎn)量與植株的株高、莖粗和凈光合速率均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，這表明高曝氣處理番茄株高、莖粗及凈光合速率與產(chǎn)量有密切關(guān)系。曝氣灌溉處理在改善土壤環(huán)境和作物根系生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，促進(jìn)番茄植株株高、莖粗生長(zhǎng)和光合作用，進(jìn)而有利于植株各部位干物質(zhì)積累，提高作物產(chǎn)量。相較于不曝氣地下滴灌，曝氣灌溉處理單株產(chǎn)量、單果質(zhì)量分別顯著增大21.04%、11.14%。循環(huán)曝氣地下滴灌肥氣耦合處理中，高曝氣灌溉處理和中肥處理番茄產(chǎn)量與植株的株高、莖粗和凈光合速率相關(guān)系數(shù)最高(表9)。由此可知，本試驗(yàn)中在中肥水平下進(jìn)行高曝氣灌溉對(duì)植株生長(zhǎng)、番茄產(chǎn)量的積極影響效應(yīng)更明顯。BHATTARAI等[24,35]試驗(yàn)表明加氣灌溉下溫室番茄產(chǎn)量的增長(zhǎng)主要?dú)w因于單果質(zhì)量和果實(shí)干物質(zhì)積累量的增加，與本研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)中，番茄產(chǎn)量隨曝氣量的升高呈升高趨勢(shì)，但隨施肥量的升高呈先升高后降低的趨勢(shì)，中肥水平下番茄產(chǎn)量最高，說(shuō)明在保證曝氣量相同的前提下高肥水平并沒(méi)有促進(jìn)產(chǎn)量增加?？赡苁怯捎诟叻室鹬仓晖介L(zhǎng)，影響番茄開(kāi)花結(jié)果，導(dǎo)致坐果率低，對(duì)番茄的單株產(chǎn)量產(chǎn)生不利作用，而低肥水平下的產(chǎn)量最低，說(shuō)明在番茄的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中過(guò)低的施肥量使得番茄處于缺少營(yíng)養(yǎng)的狀態(tài)，不利于作物果實(shí)產(chǎn)量的積累。曝氣處理和施肥處理對(duì)溫室番茄生長(zhǎng)指標(biāo)、單株產(chǎn)量和單果質(zhì)量存在顯著性影響，但影響規(guī)律并不一致，曝氣處理影響較施肥處理高，溫室番茄生長(zhǎng)指標(biāo)、單株產(chǎn)量和單果質(zhì)量均隨曝氣量的升高呈升高趨勢(shì)，隨施肥量的升高呈先升高后降低的趨勢(shì)，最佳曝氣水平為高曝氣水平，最佳施肥水平為中肥水平，雙因素交互作用對(duì)單株產(chǎn)量和單果質(zhì)量影響不顯著，可能是曝氣處理在不同施肥水平對(duì)溫室番茄生長(zhǎng)指標(biāo)、單株產(chǎn)量和單果質(zhì)量有不同影響，雙因素同時(shí)作用較單一因素的影響減弱，交互作用抵消了各自單因素影響。綜合分析番茄植株生長(zhǎng)指標(biāo)、光合特性、干物質(zhì)積累量和番茄產(chǎn)量，高曝氣灌溉中肥水平是本試驗(yàn)條件下溫室番茄較優(yōu)的曝氣施肥模式。

4 結(jié)論

(1)循環(huán)曝氣地下滴灌對(duì)溫室番茄生長(zhǎng)指標(biāo)、光合作用均有顯著影響，高曝氣中肥處理番茄株高、莖粗、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、葉綠素a含量和葉綠素b含量均高于其他試驗(yàn)處理。

(2)同一施肥水平下，曝氣處理番茄干物質(zhì)積累總量均高于不曝氣處理，高曝氣灌溉處理干物質(zhì)積累總量較不曝氣灌溉處理分別最大提高31.66%和36.95%，高曝氣灌溉處理干物質(zhì)積累總量最高，低曝氣灌溉處理最低。番茄單株產(chǎn)量和單果質(zhì)量均隨曝氣量的升高呈升高趨勢(shì)，最高單株產(chǎn)量出現(xiàn)在高曝氣灌溉中肥處理，最低單株產(chǎn)量出現(xiàn)在低曝氣灌溉低肥處理，最高單果質(zhì)量出現(xiàn)在高曝氣灌溉中肥處理，最低單果質(zhì)量出現(xiàn)在低曝氣灌溉低肥處理。

(3)循環(huán)曝氣地下滴灌肥氣耦合下番茄單株產(chǎn)量與植株株高、莖粗和凈光合速率均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)，高曝氣灌溉中肥處理番茄產(chǎn)量與植株株高、莖粗和凈光合速率相關(guān)系數(shù)高于其他試驗(yàn)處理。因此，綜合考慮肥氣耦合各試驗(yàn)處理對(duì)番茄植株生長(zhǎng)特性、光合特性、干物質(zhì)積累量和番茄產(chǎn)量的影響，高曝氣灌溉中肥處理(摻氣比例16.25%，N、P2O5、K2O施加量為180、90、112.5 kg/hm2)是本試驗(yàn)推薦的山東地區(qū)溫室番茄較優(yōu)的肥氣耦合灌溉模式。