增氧地下滴灌改善土壤通氣性促進番茄生長

臧 明，雷宏軍，潘紅衛，劉 歡，徐建新

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增氧地下滴灌改善土壤通氣性促進番茄生長

臧 明，雷宏軍※，潘紅衛，劉 歡，徐建新

（華北水利水電大學水利學院/水資源高效利用與保障工程河南省協同創新中心，鄭州 450046）

增氧地下滴灌將空氣與灌溉水混勻后輸送到作物根區，可實現作物提質增產和水肥高效利用，而其關鍵作用機制尚不明確。該文以番茄為供試作物，設置灌水量和增氧量2因素2水平完全隨機區組試驗，記為W1和W2（分別為作物-蒸發皿系數的0.6和1.0倍）、A和C（增氧和對照組），系統監測了壤質黏土條件下作物生長生理動態與土壤通氣性狀況，探究土壤通氣性與作物生長之間的響應機制。結果表明，增氧地下滴灌對土壤溶解氧濃度、氧氣擴散速率、氧化還原電位和土壤呼吸有一定的改善作用。與對照相比，W2A處理開花坐果期灌水后第2天的土壤溶解氧濃度、氧氣擴散速率、氧化還原電位和土壤呼吸速率提高了25.71%、52.90%、41.99%和64.70%（<0.05）。土壤氧氣擴散速率和氧化還原電位分別與溶解氧濃度和充氣孔隙度呈極顯著正相關（<0.01）。增氧地下滴灌促進了番茄生物量積累和養分利用，促進了作物的光合作用，表現為產量提高和品質改善。與對照相比，W2A處理3個時期的光合速率分別增大14.51%、21.72%和13.76%（<0.05），地上及地下部鮮質量分別增加了68.14%和55.18%（<0.05），根、莖、葉氮素吸收量增加了52.94%、42.03%和24.12%（<0.05），產量、可溶性固形物和維生素C含量增加了66.40%、51.77%和20.26%（<0.05）。1.0倍作物-蒸發皿系數灌水時增氧處理在改善土壤通氣性，促進番茄生長，提高番茄產量方面的效果最為明顯。作物產量與溶解氧濃度、氧化還原電位及土壤呼吸均值均呈顯著正相關（<0.05），作物品質（可溶性固形物、總酸含量）與土壤溶解氧濃度、氧氣擴散速率和土壤呼吸均值呈顯著正相關（<0.05）。研究結果為揭示增氧地下滴灌對土壤通氣性的改善效應提供了科學依據。

光合作用；生物量；灌溉；土壤通氣性；作物生長；產量；品質；養分利用

0 引 言

農田灌溉–蒸散過程使得土壤處于干濕交替變化之中，即使高效的地下滴灌也會出現至少短期的根區缺氧[1]。土壤水分過多，驅替了土壤氧氣，降低了土壤通氣性，抑制了根系對養分的吸收，根系生理代謝和根系伸展受阻[2]，制約了作物的生產潛能[3]。

通過地下滴灌系統將氧氣或含氧物質與水混勻后輸送到作物根區的一種新型灌水技術被稱為增氧地下滴灌[1]。這項技術在提高灌溉水利用效率的同時，有效緩解了根區土壤缺氧狀況[2-3]，為發揮作物高產潛力提供了新的途徑[4]。其中，土壤通氣性的改善以及由此帶來的根系吸收和運輸功能的提高是作物增產的基礎[5]。研究表明，增氧灌溉能促進作物生長和養分吸收，增加作物產量和水分利用效率[6-7]。

土壤通氣性是表征土壤透氣性和氧含量的綜合指標，反映了土壤氣體的組成及其對植物的作用，包括土壤氣體的產生、吸附、交換等各個方面[8]。土壤通氣性指標通常可歸為3類：1）容量指標，土壤孔隙中氣體填充的體積，即土壤充氣孔隙度；充氣孔隙度在一定范圍內和根系生長速率呈正相關關系[9]；史春余等通過改善土壤孔隙度改善了土壤通氣性，增強了甘薯塊根中ATP酶活性，提高了產量[10]。2）強度指標，土壤孔隙中的氧分壓或土壤溶液中的溶解氧濃度；有研究指出，增氧灌溉可改善番茄根區土壤氧氣含量，促進了土壤呼吸[11]。3）傳輸速率，氧氣向土壤中某點的供應速率，即氧氣擴散速率[12]（oxygen diffusion rate，ODR）；Lemon等[13]首次利用鉑金電極模擬根系對氧氣的吸收，ODR可以較好表征土壤向根系的供氧能力；已有研究表明，ODR與土壤氧氣濃度存在良好的線性關系[14]，土壤水分過多會造成ODR下降[15]。

目前關于增氧地下滴灌的研究多集中于作物生長與土壤微生物影響方面，對土壤通氣性調控與作物生長之間的響應關系尚不明確。本試驗以番茄為供試作物，設置不同的灌溉水平，以普通地下滴灌為對照，通過系統監測土壤通氣性與作物生長生理狀況，明確增氧地下滴灌對作物生長與土壤通氣性的影響，揭示土壤通氣性與作物生長之間的響應機制，為闡明增氧灌溉對土壤通氣性的改善效應提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于華北水利水電大學農業高效用水實驗場現代化溫室內（34°47′5.91″N，E113°47′20.15″）開展，屬于暖溫帶亞濕潤季風氣候，多年平均氣溫14.3 ℃，年均降雨量632 mm，無霜期220 d，全年日照時間約2 400 h。試驗期間溫室微氣候動態見圖1所示。

圖1 作物生育期溫室平均氣溫T和相對濕度RH動態

1.2 試驗材料

供試土壤為壤質黏土，pH值7.1，容重1.1 g/cm3，砂粒、粉粒和黏粒質量分數分別為34.6%、31.9%和33.5%，種植前土壤有機質質量分數為13.21 g/kg，堿解氮、有效磷和速效鉀質量分數分別為87.14、12.16和135.36 mg/kg。供試番茄品種為金鵬8號。

1.3 試驗設計

采用盆栽試驗，設置灌水量和增氧量2因素2水平完全隨機區組試驗，記為W1（0.6倍作物–蒸發皿系數）和W2（1.0倍作物–蒸發皿系數）、A（增氧處理）和C（對照處理），各5次重復。增氧處理通過將文丘里射流器（Mazzei air injector 684，Mazzei Corp，美國）置于水流干路上，利用偏壓射流器從承壓水箱頂部吸取空氣，使用循環水泵將灌溉水往復通過文丘里射流器進行循環曝氣。每次灌溉前曝氣20 min，然后再進行灌溉，灌水壓力為0.1 MPa，此時摻氣比約15%[16-17]。

盆栽桶為圓形，高50 cm，直徑40 cm，盆栽桶埋入土壤與地面齊平，以維持盆栽土溫與環境土溫相一致。每盆裝土初始質量80 kg，初始質量含水率為25%。采用地下滴灌進行供水，每桶中心位置埋設一個滴頭（Netafim，以色列奈特菲姆灌溉公司），滴頭埋深15 cm，灌溉壓力為0.1 MPa，流量2.2 L/h。

1.4 試驗管理

于2017年9月27日作物處于4葉1心至5葉1心時移植番茄苗，每盆1株。移植當天澆透底水，移植后10 d開始增氧處理，株高30～40 cm時進行吊蔓，三穗果后打頂。番茄生育期共計124 d，生育期劃分列于表1。灌水量依據式（1）計算[18]：

=·E·K（1）

式中為各處理每次的灌水量，L；為盆栽面積，m2；E為2次灌水時間間隔內蒸發皿的蒸發量，mm；K為作物–蒸發皿系數，充分灌溉處理時取1.0[11]。每天08:00—09:00 測定Φ601標準蒸發皿的蒸發量，以此控制灌水量。

采用的肥料為高鉀型水溶性肥，N、P2O5、K2O、Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B的質量分數為15%、15%、30%、0.10%、0.05%、0.15%、0.05%、0.05%和0.10%（施樂多，中國康拓肥料有限公司）。播種前，基肥用量為30 g/盆，均勻攪拌施于表層土體的1/3處。分別于第64和94天通過水肥耦合方式追肥2次，每次10 g/盆。

表1 番茄生育期劃分

1.5 試驗觀測內容及方法

1.5.1 土壤充氣孔隙度與土壤溫度

使用土壤溫濕度智能采集系統（QS-3000，中國清勝電子科技有限公司）監測土壤的水分狀況（體積含水率）。選擇相同處理中3盆長勢相對一致的番茄，于盆中埋設水分探頭，埋設于距植株莖稈5 cm處，埋設深度為10 cm。于開花坐果期、果實膨大期和成熟期各選擇一個完整的灌水周期測量土壤充氣孔隙度與土壤溫度，測量時間為每天09:00和15:00。

根據測量的土壤體積含水率計算充氣孔隙度，公式如下[19]：

=1–ρ/ρ–θ（2）

式中為充氣孔隙度，%；ρ為土壤容重，g/cm3，取1.1 g/cm3；ρ為土粒密度，g/cm3，比重瓶法[19]實測值為2.58 g/cm3；θ為土壤體積含水率，%。

1.5.2 土壤溶液溶解氧濃度

測量土壤水分的同時，采用光纖微氧傳感器測定測定土壤溶解氧濃度（OXY4-mini，德國Presens公司）。選擇與測定土壤濕度相一致的盆栽桶測量有關土壤通氣性指標。探針距植株莖稈橫向距離5 cm，深度為10 cm。播種前將探針埋設于土壤中，測量時待數據穩定后（5 min）自動保存數據，然后手動更換到下一連接探頭，直至測量結束。

1.5.3 土壤氧化還原電位/氧氣擴散速率

土壤氧化還原電位及氧氣擴散速率測定的時間和盆栽選取與土壤充氣孔隙度測定保持一致。于盆中埋設鉑金電極、參比電極和銅對電極，電極距離植株橫向距離5 cm處埋設，深度為10 cm。采用氧化還原電位測量儀（中國上海儀電科學儀器股份有限公司）完成土壤氧化還原電位及氧氣擴散速率測定[20]。

1.5.4 土壤呼吸速率

采用土壤呼吸測量系統（ADC LCi-SD，英國Delta-T公司）測量土壤呼吸和土壤溫度。測量前將土壤呼吸室底座提前埋設于待測土壤中，測量穩定后（2～3 min）讀數。

1.5.5 凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導度

使用光合測定儀（Li-6400XT，美國Li-COR公司），于開花坐果期、果實膨大期和成熟期測定所有盆栽植株的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度。測定時間選擇晴朗天氣09:00—11:00。

1.5.6 生物量

作物收獲后，立即對所有盆栽植株進行挖根處理，地上部和地下部分別稱取鮮質量，之后放入烘箱中110 ℃殺青30 min，然后調至75 ℃保持72 h，測定其干質量。

1.5.7 產量及水分利用效率

采用0.01 g電子天平稱量果實鮮質量，以盆為單位進行統計，并計算最終的單盆產量。采用單盆產量與灌水量比值計算水分利用效率。

1.5.8 果實品質

以盆為單位測定番茄果實品質，采用手持式折光糖度儀（PAL-1，日本愛拓公司）測定可溶性固形物含量；用2,6—二氯靛酚滴定法測定維生素C（VC）含量；采用酸堿滴定法測定總酸；采用Brandford法測量可溶性蛋白質[18]。

1.5.9 植株養分

分別測定根、莖、葉中全氮、全磷和全鉀吸收量。植株樣品烘干粉碎過篩后用H2SO4-H2O2消解，采用凱氏定氮儀（K9840，中國海能儀器股份有限公司）測定全氮，鉬銻抗比色法測定全磷，火焰分光光度計法測定全鉀[6]。相關指標計算公式如下：

=C·M/1000 （3）

=A/（4）

式中為各器官氮（磷、鉀）吸收量，g/盆；C為各器官氮（磷、鉀）含量，g/kg；M為器官干質量，g/盆；為植株氮（磷、鉀）素吸收效率，g/g；A為植株總氮（磷、鉀）吸收量，g/盆；為施氮（磷、鉀）肥量，g/盆。

1.6 數據處理

土壤通氣性指標（土壤充氣孔隙度、土壤溶液溶解氧濃度、土壤氧化還原電位及氧氣擴散速率）取相同處理的3次重復，其余指標（土壤呼吸速率、生理指標、生物量、產量、品質和植株養分等）以相同處理的5次重復進行統計，數據采用平均值±標準差表示。采用SPSS 22.0統計軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同生育期增氧地下滴灌對土壤通氣性的影響

2.1.1 對土壤充氣孔隙度和溶解氧濃度的影響

于開花坐果期、果實膨大期和成熟期分別測量土壤充氣孔隙度（，air-filled porosity）和溶解氧濃度（dissolved oxygen，DO），結果見圖2。W1C、W1A、W2C和W2A的土壤充氣孔隙度平均值分別為33.57%、34.88%、30.52%和31.12%，以W1A處理最高，W2C最低。相同灌水水平下，增氧處理和對照的土壤充氣孔隙度無顯著差異（>0.05）。灌水量的增加顯著降低了土壤充氣孔隙度，其中，W2C處理較W1C平均下降了9%，W2A較W1A平均下降了11%（0.05）。

注：W1和W2分別為0.6和1.0倍作物–蒸發皿系數，A和C分別為增氧和對照處理，下同

土壤DO呈現灌水后下降，而后逐步回升的趨勢（圖2d~圖2f）。其中，以W2A最高，W1A次之，W1C和W2C最低。不同生育時期不同處理之間土壤溶液中DO的變化有所差異。與對照相比，開花坐果期灌水后第2天W2A處理增加了25.71%（<0.05），W1A處理增加了10.64%（<0.05）；而在果實膨大期和成熟期的灌水周期內，各處理的DO值在灌水后的第2 天差異不再顯著。

2.1.2 對土壤氧氣擴散速率和氧化還原電位的影響

不同生育期的土壤氧氣擴散速率（oxygen diffusion rate，ODR）和氧化還原電位（Eh）見圖3。各處理ODR灌水后下降至最低值，而后逐步升高。其中，W1A和W2A較大，W1C和W2C較低。增氧處理的ODR較對照有顯著提高，尤其在灌水后第2天，此時W2A和W1A已回升至較高水平，W2A處理3個生育期灌水后第2天ODR較對照分別提高了52.90%、38.00%和28.15%（<0.05），W1A在開花坐果期和果實膨大期提高了32.27%和27.91%（<0.05），成熟期無顯著差異（>0.05）。

不同生育期土壤Eh動態變化趨勢基本相同，灌水期間下降至最低，灌水結束后慢慢開始回升。增氧處理回升速度較快，灌水后第2天，W2A處理較對照有顯著差異，開花坐果期和成熟期分別提高了41.99%和36.31%（<0.05），W1A分別提高了20.99%和21.72%（<0.05）。在開花坐果期和成熟期，增氧處理于灌水周期的第3天上午回升至灌水前水平，此時W2A較對照分別提高了36.15%和31.31%（<0.05），W1A提高了17.84%和20.62%（<0.05）。果實膨大期各處理均無顯著差異（>0.05）

圖3 不同生育期土壤氧氣擴散速率和氧化還原電位動態

2.1.3 對不同生育期土壤呼吸和土壤溫度的影響

圖4給出了溫室番茄不同生育期的土壤呼吸（）和土壤溫度（）變化動態。大多情況下以W2A最大，W2C最小，且土壤呼吸隨著土壤溫度升高而增大。在3個灌水周期中，增氧處理對土壤呼吸速率均有顯著的增強作用，在灌水后第2 天下午最為顯著，W1A和W2A較對照分別增強了28.45%和64.70%（開花坐果期）、33.24%和14.17%（果實膨大期）、32.86%和56.91%（成熟期）（< 0.05）。灌水量對土壤呼吸速率的影響不顯著（>0.05）。

2.2 增氧地下滴灌對溫室番茄生長生理指標的影響

2.2.1 對溫室番茄生理指標的影響

開花坐果期、果實膨大期和成熟期的葉片光合速率、氣孔導度和蒸騰速率測定結果列于表2。W2A處理的光合速率較對照組有顯著提高，3個時期W2A的光合速率分別增大了14.51%、21.72%和13.76%（<0.05）；W1A僅果實膨大期增加了55.26%（<0.05），其余時期無顯著差異（>0.05）。氣孔導度和蒸騰速率也受到增氧處理的影響，開花坐果期W1A的氣孔導度和蒸騰速率較W1C處理分別增大了10.91%和11.64%（<0.05），W2A的蒸騰速率較W2C增加了31.98%（<0.05）；果實膨大期W1A的蒸騰速率較W1C增大了52.92%（<0.05）。

灌水量的增加對作物光合作用、氣孔導度和蒸騰速率也有一定的改善作用。果實膨大期W2A和W2C處理光合作用較W1A和W1C分別增加了33.96%和70.87%（<0.05），氣孔導度增大了76.92%和206.25%（<0.05），蒸騰速率增加了20.87%和78.21%（<0.05）。

圖4 不同生育期土壤呼吸和土壤溫度變化動態

表2 不同時期番茄生理指標

注：相同指標同一列不同的小寫字母表示0.05水平存在顯著性差異。開花坐果期取移栽后第40天，果實膨大期取移栽后第60天，成熟期取移栽后第76天。下同。

Note: The different letters at a single parameter in same column indicates significant differences at the level of 0.05 and same as blow. Flowering and fruit bearing period data are on 40thday after transplanting, fruit expanding period data are on 60thday after transplanting, and mature period data are on 76thday after transplanting. same as below.

2.2.2 對溫室番茄生物量積累、產量及品質的影響

不同處理對作物生物量的影響見表3。結果表明，增氧可顯著提高番茄的生物量。W2A的地上部鮮質量、地上部干質量、地下部鮮質量和地下部干質量較對照分別增加了68.14%、22.88%、55.18%和39.53%（<0.05）；W1A的地上部鮮質量、地下部鮮質量和地下部干質量增大了9.88%、45.37%和41.90%（<0.05）。除對照處理地上部生物量外，灌水量的增加可顯著增加番茄的生物量。增氧處理下，W2A的地上部鮮質量、地上部干質量、地下部鮮質量和地下部干質量較W1A分別增大了46.38%、18.53%、23.57%和18.11%（<0.05）；常規灌溉下，W2C的地下部鮮質量和地下部干質量較W1C增大了15.76%和20.11%（<0.05），地上部生物量無顯著差異（>0.05）。

溫室番茄的產量、水分利用效率和果實品質列于表3。與對照相比，W2A的產量增大了66.40%（<0.05），W2A和W1A的水分利用效率分別提高了66.38%和13.56%（<0.05）。常規滴灌低灌水量有較高的水分利用效率，W1C的水分利用效率較W2C增大了63.88%（<0.05）。

增氧處理可顯著改善番茄品質。W2A的可溶性固形物、VC含量、總酸含量和可溶性蛋白質較對照分別增加了51.77%、20.26%、55.26%和63.64%（<0.05），W1A的可溶性固形物、VC含量和總酸含量較對照增大了43.55%、29.68%和71.43%（<0.05）。增氧條件下，高灌水量處理的VC含量和可溶性蛋白質有所提高，W2A較W1A增大了19.32%和50.00%（<0.05）。

表3 不同處理番茄生物量、產量、水分利用效率和果實品質

2.2.3 對溫室番茄養分吸收利用的影響

番茄植株不同部分的養分吸收量和整個植株的養分吸收效率列于表4。與對照相比，W2A的根、莖和葉N素吸收量增大了52.94%、42.03%和24.12%（<0.05）；W2A和W1A的莖部P素吸收量提高了36.00%和20.83%（<0.05），W2A的根部P素吸收量提高了74.07%（<0.05）；W2A和W1A的根K素吸收量提高了56.52%和30.43%（<0.05），葉K素吸收量提高了22.44%和25.00%（<0.05），W2A的莖部K素吸收量提高了41.09%（<0.05）。增氧條件下高灌水量處理養分吸收量較多。與W1A相比，W2A的根、莖和葉N素吸收量增大了18.18%、40.00%和24.12%（<0.05），根和莖P素吸收量增大了34.29%和17.24%（<0.05），根、莖和葉K素吸收量增大了20.00%、40.00%和12.35%（<0.05）。在常規灌溉條件下，W2C的葉K素吸收量較W1C增大了14.71%（<0.05），其余無顯著性差異（>0.05）。

與W2C相比，W2A處理N、P、K吸收效率分別提高了28.57%、35.71%、28.57%（<0.05）；W1A處理P、K吸收效率較W1C提高了20.00%和15.79%（<0.05）。高灌水量增氧處理促進了作物養分吸收，W2A處理N、P、K吸收效率較W1A分別提高了25.58%、18.75%、22.73%（<0.05）。

表4 溫室番茄植株以及不同部位的養分吸收

2.3 增氧地下滴灌土壤通氣性對作物生長生理的改善效應分析

2.3.1 土壤通氣性指標的相關分析

將同時段測量的土壤通氣性指標進行相關關系分析，列于表5。土壤ODR與、DO、Eh呈現極顯著正相關（<0.01）；Eh與、DO呈現極顯著正相關（<0.01）；DO和呈極顯著的正相關（=0.81～0.95，<0.01）；不同處理的土壤呼吸（）與土壤溫度（）呈現極顯著的正相關（<0.01），對照處理的和DO呈顯著負相關（<0.05）。

表5 充氣孔隙度、溶解氧濃度、氧氣擴散速率、氧化還原電位、土壤呼吸、土壤溫度間及其與光合指標的相關關系

注：**表示極顯著相關性（<0.01），*表示顯著相關性（<0.05），=24，下同。

Note: ** indicates extremely significant (<0.01); * means significant (<0.05),=24, same as below.

2.3.2 土壤通氣性和作物生理指標之間的相關分析

由圖2和圖3可知，灌水后第2天的土壤通氣性改善最為明顯，將灌水周期第2天上午的土壤通氣性指標和同期的光合作用指標進行相關關系分析，列于表5。光合速率受光照強度等因素的影響較大，和土壤通氣性指標的相關關系不顯著（>0.05）。蒸騰速率受增氧處理的影響較大，W1A處理的DO、ODR和蒸騰速率呈顯著的正相關關系（<0.05）；W2A處理的ODR和蒸騰速率呈極顯著的正相關關系（<0.01）。W1A和W2C處理的氣孔導度和呈極顯著的負相關關系（<0.01）；W2A處理的ODR和氣孔導度呈極顯著的正相關關系（<0.01）。

2.3.3 土壤通氣性和作物產量、品質及植株養分吸收效率的相關分析

將整個生育期不同灌水周期通氣性指標的平均值視為該處理的值，將4種處理視為整體分析其與產量、品質和植株養分吸收效率的關系，列于表6。由表6可知，作物產量與DO和Eh呈極顯著正相關（<0.01），與呈顯著正相關（<0.05）；可溶性固形物與ODR和呈顯著正相關（<0.05），總酸含量與DO呈顯著正相關（<0.05），與ODR和呈極顯著正相關（<0.01）。

由表6可見，DO與和養分吸收效率呈顯著的正相關（<0.05）；ODR和P吸收效率呈顯著正相關（<0.05）；Eh和N吸收效率呈顯著正相關（<0.05），和P、K吸收效率呈極顯著正相關（<0.01）。

表6 充氣孔隙度、溶解氧濃度、氧氣擴散速率、氧化還原電位、土壤呼吸與作物產量、品質、植株養分吸收效率之間的相關關系

3 討 論

3.1 增氧地下滴灌對作物根際土壤通氣性的影響

土壤氧氣臨界濃度包括氣相和液相兩部分[21]，土壤氣相氧和土壤液相氧為土壤氧氣環境的主要組成部分[22]。充氣孔隙度與土壤含水率之和為土壤總孔隙度，二者存在互為消長關系。試驗中相同灌水量時充氣孔隙度差異并不顯著（圖2），增氧對土壤含水率的影響較小，與朱艷等[11]關于單次加氣對充氣孔隙度無影響的結論一致。土壤溶液中的溶解氧濃度受增氧地下滴灌的影響較大。增氧處理的土壤溶液溶解氧濃度較對照顯著增大（圖2）。有研究表明，加氣灌溉下土壤溶解氧濃度增大了12%[23]，這與本試驗結論一致。

氧氣擴散速率能反映氧氣對植物的有效性，是最具代表性的土壤通氣性指標[12]。通常認為低于40×10–8g/(cm2·min)時無法滿足作物正常需求，低于20×10–8g/(cm2·min)時通氣嚴重不良[12]。氧化還原電位可反映土壤的氧化還原狀況[24]，在調節土壤微生物環境方面起著重要作用[25]。通常認為氧化還原電位高于414 mV時土壤氧氣狀況較好，低于120 mV為缺氧狀況[26]。增氧灌溉水氣兩相流中微氣泡易附著土壤孔隙中[17]，可持續向水中供氧，以維持土壤中良好的氧氣環境，可維持24 h以上[27]。本試驗中，增氧處理的氧氣擴散速率和氧化還原電位有顯著提高，改善效果最少持續了24 h（圖3）。

土壤呼吸是土壤與大氣之間進行氣體交換的主要途徑，主要來自作物根系的自養呼吸作用和土壤微生物的異養呼吸作用[28]。土壤溫度、土壤水分及土壤通氣狀況均對土壤呼吸產生重要影響[29]。根系呼吸是植物活性最為敏感的指標，與土壤通氣狀況緊密相關，土壤通氣不足首先表現為根系呼吸強度下降，進而影響土壤呼吸[30 ]。有研究表明增氧地下滴灌可顯著改善作物根區的缺氧狀況，根區土壤氧氣濃度得到了提高[31]，增強了根系的自養呼吸作用[3]，促進了根區土壤中好氧微生物的增長[32]，進而促進了土壤呼吸（圖4）。

3.2 作物生長生理指標對土壤通氣性改善的響應

增氧地下滴灌改善了根區缺氧環境，提高了作物的氣孔導度、光合作用效率[33]以及蒸騰速率[34]。本試驗中，光合作用有較大的改善，葉片蒸騰作用也受益于土壤通氣性的改善，增氧處理的光合速率、蒸騰速率和氣孔導度較對照處理有所提高（表2）。Sojka[35]的研究指出，根區的低氧環境會導致光合速率的降低，增氧灌溉改善了低氧脅迫，光合速率得到增強。水分過多時，根區的低氧環境會導致根系的水分利用效率降低[36]，影響植株的生長，降低葉片的蒸騰速率。本試驗中，作物生理指標同土壤通氣性的反映一致，有研究指出，ODR值與植物的生理反應、營養特性和植物生長密切相關[12]，這與本試驗結論一致。

根區低氧脅迫會使根向冠層傳遞缺氧信號，影響水、植物生長素等生長物質的運輸和儲存，導致作物減產[37]。增氧灌溉將氧氣或含氧物質輸送到根區，滿足根系生長的需求，可促進植株的生長發育，有效提高植株的生物量積累及產量[10,18,23]。本試驗中，增氧處理促進了番茄的生物量累積，地上部和地下部生物量均有顯著提高（表3）。增氧地下滴灌對根系有明顯的增強作用，促進了根系的干物質積累，關于番茄和大豆的研究證明了這一點，增氧灌溉促進了植株根系的生長[31]。增氧處理促進了番茄的產量，本試驗中番茄的產量和水分利用效率均有顯著提高（表3），這與Lei等[27]所研究的在玉米產量受到增氧灌溉的增產效果相一致。作物產量和全生育期的蒸散量成正比[34]，開花坐果期增氧處理的蒸騰速率較對照顯著提高，與產量表現一致（表2）。

增氧地下滴灌改善了根系生長環境，增強了根系對養分的吸收和轉運，促進了植株對養分的吸收利用[6]。本試驗中，增氧處理各部分的養分吸收量均有顯著提高，植株養分吸收效率也得到顯著改善（見表4）。作物養分吸收狀況改善對作物品質存在較大影響[18]，增氧處理的VC含量、可溶性固形物和總酸含量都有了顯著提高 （表3）。朱艷等[18]關于加氣灌溉的研究同樣證明了改善根區缺氧環境可以提高番茄品質。

3.3 作物生長生理指標與土壤通氣性改善的關系

增氧灌溉將含氧物質輸送到作物根區，提高了土壤氣相和液相氧的數量，改善了土壤中的氧氣擴散速率和氧化還原電位，增強了土壤呼吸[21]。土壤中的氣相氧和液相氧作為土壤氧氣環境的主要組成部分[22]，對土壤通氣性的影響較為明顯，各處理的土壤氧氣擴散速率及氧化還原電位和溶解氧濃度和充氣孔隙度呈極顯著的正相關關系（表5）。

土壤呼吸是作物根系和土壤微生物消耗氧氣，釋放二氧化碳的過程，與土壤溫度密切相關，通常隨著土壤溫度的升高而增大[38]。本試驗中，土壤呼吸與土壤溫度呈顯著正相關，和其他通氣性指標的相關關系并不顯著（表5）。這可能是由于土壤呼吸是消耗氧氣的過程，增氧處理促進了土壤中氣相氧和液相氧的流通和交互作用，即使因增氧處理土壤呼吸作用增強而耗氧增大，土壤氧氣環境仍有顯著改善。

根系的生長與土壤通氣性息息相關，良好的根區氧氣環境可以促使根系對水分的吸收和轉運[37]，影響作物的蒸騰速率和氣孔導度[34]。本試驗中，增氧處理作物蒸騰速率、氣孔導度和氧氣擴散速率呈顯著正相關（表5），這可能是由于作物蒸騰除了和根區環境有關外，和所處的生長環境密切相關。增氧處理改善了根區的氧氣環境，促進了根系呼吸[30]，使根系代謝旺盛，增強了對作物蒸騰的影響，使其有顯著的正相關關系。作物根區低氧脅迫直接影響作物葉片的光合速率和光合器官活性[33]。增氧處理可緩解根區低氧脅迫，改善光合作用，但是光合速率和通氣性并沒有顯著的相關關系，這可能是由于根區缺氧影響光合器官活性進而影響光合速率，土壤通氣性改善缺氧環境，恢復了光合器官活性，增強了光合作用，但是當光合器官恢復活性后，通氣性對光合作用的改善效果會不再明顯[39]。

土壤液相氧是維持根系生長及微生物呼吸所需的氧氣直接來源[21]。增氧處理將水氣二相流輸送到作物根區，以最直接的方式改善了土壤中的氧氣環境，促進了作物的養分吸收利用和品質改善[6,18]。可見，番茄產量與溶解氧濃度、氧化還原電位及土壤呼吸呈顯著的正相關，可溶性固形物與氧氣擴散速率及土壤呼吸呈顯著的正相關，總酸含量與溶解氧濃度、氧氣擴散速率和土壤呼吸呈顯著正相關（表6）；植株養分吸收效率和溶解氧濃度、氧化還原電位和土壤呼吸呈顯著正相關（表6）。

4 結 論

該文以溫室番茄為供試作物，研究了不同灌水量和增氧量條件下作物生長生理動態與土壤通氣狀況，探究了土壤通氣性與作物生長之間的關系，結論如下：

1）增氧地下滴灌可顯著改善土壤通氣性。高灌水量下增氧處理的土壤溶解氧濃度、氧氣擴散速率、氧化還原電位和土壤呼吸速率均有顯著增強。

2）總體而言，增氧地下滴灌促進了番茄生物量積累和養分吸收利用，增強了植物的光合作用，表現為產量提高和品質改善。與W2C相比，W2A處理的生理指標有顯著提高，產量增加了66.40%（<0.05），可溶性固形物和VC含量分別增加了51.77%和20.26%（<0.05）。1.0倍作物–蒸發皿系數的增氧處理在改善土壤通氣性，促進番茄生長，提高番茄產量方面的效果更為明顯。

3）土壤環境中的氣相氧和液相氧對土壤通氣性的影響較為明顯。各處理的土壤氧氣擴散速率及氧化還原電位和溶解氧濃度及充氣孔隙度呈極顯著正相關（<0.01）。

4）土壤通氣性的改善和作物提質增產存在直接相關關系。各處理的產量、品質與溶解氧濃度、氧化還原電位及土壤呼吸等呈顯著正相關（<0.05）。

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Aerated subsurface drip irrigation improving soil aeration and tomato growth

Zang Ming, Lei Hongjun※, Pan Hongwei, Liu Huan, Xu Jianxin

(450046,)

Effects of aerated subsurface drip irrigation (ASDI) on yield potential and quality of crop, and relationships between soil aeration, crop yield and fruit quality are less known so far. In order to reveal the relationship between crop growth and soil aeration under ASDI, a pot experiment was conducted using tomato in the Efficiency Agriculture Water Experimental Farm of North China University of Water Resources and Electric Power (34°47′5.91″N, 113°47′20.15″E). Herein, 2 levels of irrigation amount (W1and W2as 0.6 and 1.0 times of the crop-pan coefficient, respectively) and 2 aeration treatments (A and C as ASDI and control treatment, i.e., non-aeration treatment by subsurface drip irrigation) were set up. During the trial, the soil aeration index under a loamy clay soil, such as air-filled porosity, soil dissolved oxygen (DO), oxidation-reduction potential (Eh), oxygen diffusion rate (ODR), soil respiration, photosynthesis index, crop aboveground biomass, root biomass, nutrient uptake, yield and fruit quality were monitored systematically. The correlation analysis was conducted among soil aeration index, photosynthesis index, nutrient uptake efficiency, yield, and fruit quality. Results showed that the ASDI improved the soil aeration. Compared to control treatment groups, the DO in W2A and W1A treatments were increased by 25.71% and 10.64% on the next day after irrigation at flowering and fruit bearing period (<0.05). In W2A and W1A, similarly, the ODR were increased by 52.90% and 32.27% and the Eh were increased by 41.99% and 20.99%, respectively (<0.05). In contrast with the control groups, the soil respiration in W2A and W1A were significantly increased by 64.70% and 28.45% during the flowering and fruit bearing period, 14.17% and 33.24% during the fruit expanding period, 56.91% and 32.86% during the mature period (<0.05). Meanwhile, there were obvious positive correlations between ODR and Eh and DO and air-filled porosity(<0.01). The ASDI had a positive effect on the crop photosynthesis, benefiting the increment in biomass,nutrient uptake and crop quality. Compared to the control groups, the net photosynthetic rate in W2A treatment at flowering and fruit bearing period, fruit expanding period and mature period were increased by 14.51%, 21.72% and 13.76%, respectively (<0.05). The net photosynthetic rate in W1A treatment at fruit expanding period was increased by 55.26% (<0.05). The aboveground fresh weight and root fresh weight significantly increased by 68.14% and 55.18% in W2A treatment, while the aboveground fresh weight and root fresh weight increased by 9.88% and 45.37% in W1A treatment (<0.05). Compared to the control treatment, nitrogen uptake in root, stem and leaf were increased by 52.94%, 42.03% and 24.12%, and phosphorus utilization in root and stem were increased by 74.07% and 36.00%, while the potassium accumulation in root, stem and leaf were increased by 56.52%, 41.09% and 22.44% in W2A treatment (<0.05). Similarly, the crop yield, fruit soluble solids, vitamin C content, total acid content and soluble protein in W2A were increased by 66.40%, 51.77%, 20.26%, 55.26% and 63.64%, respectively (<0.05). The fruit soluble solids, vitamin C content and total acid content in W1A treatment were increased by 43.55%, 29.68% and 71.43%, respectively (<0.05). The ASDI treatment at the irrigation of 1.0 times of the crop-pan coefficient showed the most efficient promotion on soil aeration, crop growth and fruit quality enhancement. There were significantly positive correlations between crop yield and DO, Eh and respiration under ASDI (<0.05). In addition, there were positive correlations between crop quality (soluble solids and total acid content) and soil aeration indexes (DO, ODR and respiration) (<0.05). In sum, these results would provide valuable information for the effect of ASDI on soil aeration, crop yield and fruit quality enhancement.

photosynthesis; biomass; irrigation; soil aeration; crop growth; yield; fruit quality; nutrient uptake

臧 明，雷宏軍，潘紅衛，劉 歡，徐建新. 增氧地下滴灌改善土壤通氣性促進番茄生長[J]. 農業工程學報，2018，34(23)：109－118. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.013 http://www.tcsae.org

Zang Ming, Lei Hongjun, Pan Hongwei, Liu Huan, Xu Jianxin. Aerated subsurface drip irrigation improving soil aeration and tomato growth[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 109－118. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.013 http://www.tcsae.org

2018-06-25

2018-10-10

國家自然科學基金（NSFC-河南聯合基金，U1504512）；河南省科技創新人才項目（174100510021）；水資源高效利用與保障工程河南省協同創新中心項目(2013CICWP-HN) ；國家重點研發計劃課題（2017YFD0201703）；華北水利水電大學博士研究生創新基金

臧明，博士生，主要從事節水灌溉理論與技術研究。 Email：790243068@qq.com

雷宏軍，博士，教授，博士生導師，主要從事節水灌溉理論與技術研究。Email：hj_lei2002@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.013

S152.5；S275.4

A

1002-6819(2018)-23-0109-10