加氣灌溉不同施肥水平對溫室番茄影響效應(yīng)研究

楊文龍，劉福勝，劉恬恬，王德寬，張 倩

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

番茄是我國蔬菜生產(chǎn)中的主要作物[1,2]，以保護(hù)地種植為主，且對土壤的通氣性較為敏感。目前設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中地下滴灌灌水頻繁及灌水周期較長，灌溉過程中和灌后一段時(shí)間內(nèi)土壤含水量急劇上升而導(dǎo)致土壤中氣體被迫排出，造成作物根系土壤通氣不良，氧氣不足，根系呼吸作用受到抑制，對作物生長不利[3-5]。作物生長的土壤環(huán)境常因氧氣濃度過低而影響根系呼吸，進(jìn)而影響根系生長發(fā)育、干物質(zhì)累積、營養(yǎng)物質(zhì)吸收轉(zhuǎn)運(yùn)等。因此，為減少因土壤通氣性不良給作物帶來的危害，近年來國內(nèi)外較多學(xué)者通過對根區(qū)補(bǔ)充空氣來解決土壤通氣性不足的問題，對加氣灌溉改善土壤環(huán)境、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)方面進(jìn)行了大量的研究工作。

國內(nèi)外許多學(xué)者對作物根區(qū)加氣灌溉進(jìn)行試驗(yàn)研究，Bhattarai等[4,6-8]對地下氧灌進(jìn)行了較為系統(tǒng)深入的研究，在不同土壤水分、鹽分條件下對大豆、棉花、番茄和南瓜進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明與對照處理相比地下氧灌作物的產(chǎn)量有了明顯提高，作物水分利用效率有了顯著提高，說明了地下氧灌的增產(chǎn)是建立在節(jié)水基礎(chǔ)上的內(nèi)涵式增產(chǎn)。Chen 等[9]對菠蘿進(jìn)行加氣灌溉，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能夠提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率；李軍等[10]研究結(jié)果表明，改善土壤通氣性，可增加馬鈴薯葉片酶活性，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和分配，提高塊莖產(chǎn)量。此外，郭超和牛文全[11]，Bhattarai[7,12]等研究也發(fā)現(xiàn)增氧灌溉可以促進(jìn)根系生長發(fā)育，進(jìn)而有利于土壤水肥的吸收。加氧灌溉通過改善土壤的通氣性，提高土壤導(dǎo)氣率，使根系有氧呼吸順利進(jìn)行，保障土壤微生物活性、提供土壤酶活性[13-16]，從而促進(jìn)植物水分和礦質(zhì)元素的吸收利用轉(zhuǎn)運(yùn)。

以往研究多集中在單因素(氣)或復(fù)合多因素處理對作物產(chǎn)量、品質(zhì)的影響研究，而復(fù)合多因素大多涉及灌水量、加氣量、滴灌帶埋深等因素，很少涉及施肥量的因素。本研究通過加氣地下滴灌不同施肥處理對番茄生長、干物質(zhì)累積、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響和效應(yīng)，提出番茄水氣同步高效利用的較優(yōu)灌溉施肥模式，以期提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)有機(jī)蔬菜研發(fā)示范基地(36°18′N，117°17′E)的日光溫室進(jìn)行。日光溫室高5.5 m，內(nèi)寬13 m，東西長52 m，有效種植面積為450 m2，溫室內(nèi)土壤類型為壤質(zhì)黏土，其基本性質(zhì)見表1。定植前日光溫室內(nèi)土壤底肥施用雞糞等翻地混合施用。

表1 試驗(yàn)供試土壤基本性質(zhì)Tab.1 Soil basic properties of experiment

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

番茄試材為粉王(中早熟品種，無限生長型)，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18個(gè)小區(qū)，采用單壟單行的種植方式，壟長10.5 m，壟寬0.6 m，每壟鋪設(shè)一條埋深15 cm的滴灌帶，滴頭間距35 cm，每壟種30株作物，株距35 cm，每壟面積為6.3 m2(10.5 m×0.6 m)。為防止水分側(cè)滲，壟與壟之間用塑料膜隔開，并設(shè)置保護(hù)行，以防處理之間造成影響。2018年4月7日進(jìn)行移苗，為保證成活率，在移植當(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。番茄生育階段具體劃分為：苗期(4月7日-4月27日)，開花坐果期(4月28日-5月21日)，果實(shí)膨大期(5月22日-6月26日)和成熟期(6月27日-8月9日)，全生育期約為125 d。

灌水量由安置在溫室內(nèi)的 E601型蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量值確定，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)蒸發(fā)量讀數(shù)達(dá)到20 mm左右時(shí)進(jìn)行灌水，其計(jì)算公式為：

I=AKCPEP

(1)

式中：I為單個(gè)滴頭每次的灌水量，mL；A為每兩個(gè)支管控制的小區(qū)面積，m2；本試驗(yàn)中A=0.6 m×10.5 m=6.3 m2；EP為兩次灌水間隔內(nèi)溫室內(nèi)蒸發(fā)皿累積蒸發(fā)量值，mm；KCP為蒸發(fā)皿系數(shù)。

試驗(yàn)采用2因素(灌溉方式、施肥量)完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，灌溉采用地下滴灌系統(tǒng)，包括加氣灌溉(O)和不加氣灌溉(N)兩種方式；試驗(yàn)施用的化肥為尿素(N≥46%)、磷酸二銨(N+P2O5≥64%)、氯化鉀(K2O≥60%)，施肥時(shí)保證磷肥、鉀肥的施用量均相同(300 kg/hm2)，并設(shè)置3個(gè)施氮水平，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Tab.2 The design scheme of experiment

在每次灌水前，將水抽入1 m3的水箱中利用微納米氣泡發(fā)生器進(jìn)行循環(huán)曝氣處理，被吸入的空氣攪碎成納米氣泡，利用溶氧儀測定水中溶氧量在7～8 mg/L時(shí)進(jìn)行灌溉，在主干管處安裝水表準(zhǔn)確控制灌溉水量，保證所有小區(qū)等量灌溉，同時(shí)智能水肥一體機(jī)與干管相連，待機(jī)器溶解肥料后通過支管利用滴灌帶對番茄進(jìn)行施肥，減少地面蒸發(fā)和肥料浪費(fèi)。每條支管上分別安裝一個(gè)閥門，便于獨(dú)立控制。

1.3 測定指標(biāo)及方法

每小區(qū)選取3株生長均勻，具有代表性的植株，并掛牌作為標(biāo)記。

(1)生長指標(biāo)。緩苗后20 d后進(jìn)行測量，每隔10 d測定一次，株高采用卷尺測量從植株底端至植株最高生長點(diǎn)的高度，測量3次取其平均值；莖粗采用游標(biāo)卡尺于基莖部測量，測量3次取其平均值。

(2)干物質(zhì)積累。從每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取相同長勢的3株番茄進(jìn)行破壞性取樣，將植株全部取下后把根、莖、葉、果實(shí)(分割為小塊)分放入烘箱中于105 ℃殺青15 min，75 ℃烘干至恒重，用1/100天平稱其質(zhì)量。

(3)產(chǎn)量及品質(zhì)。采用電子秤將每個(gè)處理標(biāo)記的番茄果實(shí)稱量，求其平均值，并計(jì)算單株產(chǎn)量。每個(gè)處理選取成熟后的第一穗果進(jìn)行品質(zhì)測定，每株選取形態(tài)指標(biāo)一致的3個(gè)果實(shí)混合打成勻漿并過濾，維生素C含量2，6-二氯酚靛酚比色法測定，可溶性糖含量采用手持糖度計(jì)測定，有機(jī)酸含量采用堿式滴定法測定，并計(jì)算糖酸比。

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，OriginPro 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉處理對溫室番茄生長的影響

圖1為相同施肥水平下，加氣灌溉與不加氣灌溉下番茄全生育期內(nèi)株高的變化，由圖1可以看出，同一施肥水平下，加氣灌溉處理的番茄株高均大于不加氣灌溉處理。縱觀整個(gè)生育期內(nèi)，加氣灌溉對番茄生育前期株高的影響較小，不同處理之間株高差異不顯著，隨著植株的生長，不同處理之間的差異顯著。定植50 d之前，加氣灌溉處理對番茄株高的影響不顯著(P>0.05)，定植50 d后各處理的株高差異開始逐漸明顯，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 加氣灌溉與不加氣灌溉同一施肥水平對溫室番茄株高的影響Fig.1 Impacts of the same fertilization level of aerated irrigation and unaerated irrigation on plant height of greenhouse tomato

從表3可以看出番茄定植20～40 d期間，不加氣灌溉高氮處理株高的日增長量較其他試驗(yàn)處理日增長量最大，加氣灌溉處理的番茄株高日增長量不明顯，其原因是此時(shí)番茄處于前期生育階段，其生長過程中對土壤氧氣含量的需求較小，加氣灌溉對株高的影響不顯著。番茄定植40～60、60～80、80～100 d期間，加氣灌溉株高的日增長量較不加氣灌溉的差異顯著，定植100～120 d期間，番茄株高的日增長明顯放緩，在這一階段加氣灌溉處理的株高較不加氣灌溉的株高增長量慢，說明加氣灌溉在番茄生育后期對株高的影響不顯著，加氣灌溉可促進(jìn)番茄生育中期株高的快速增長。

表3 株高分段日均增長量 cmTab.3 The per-day growth of height of tomato

圖2為加氣灌溉和不加氣灌溉，不同施肥水平對番茄株高的影響變化，從圖2可以看出，不同處理的番茄株高均表現(xiàn)出隨生育期的推進(jìn)呈逐漸增大的趨勢，在番茄生育中期，加氣灌溉和不加氣灌溉條件下，番茄株高均表現(xiàn)出隨著施肥量的增加，逐漸增大的趨勢，即高氮處理的株高>中氮處理的株高>低氮處理的株高，說明高氮施肥水平可促進(jìn)番茄植株株高的快速生長。

番茄定植50 d后株高的差異逐漸明顯，到打頂前各處理株高達(dá)到最高，差異達(dá)極顯著(P<0.01)。從表3可以看出，定植后20～40 d、定植后100～120 d，同一施肥水平下，不加氣處理番茄株高的日增長量大于加氣灌溉處理番茄株高的日增長量，加氣灌溉和施肥水平對株高的日增長量在番茄的生育前期和生育后期影響均不顯著。加氣灌溉和不加氣灌溉下，高氮施肥水平促進(jìn)了番茄植株株高的快速增長，由于較高的氮肥供應(yīng)，導(dǎo)致植株的徒長，不利于營養(yǎng)的存儲。

圖3為相同施肥水平下，加氣灌溉與不加氣灌溉下番茄全生育期內(nèi)莖粗的變化，從圖3可以看出，在定植后20～100 d期間，同一施肥水平下，加氣灌溉處理的番茄莖粗均大于不加氣灌溉處理。縱觀整個(gè)生育期，加氣灌溉對番茄莖粗的變化影響較大，隨著植株的生長，差異性越大。定植50 d之前，加氣灌溉處理對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始逐漸明顯，定植60～80、80～100 d番茄莖粗差異達(dá)極顯著(P<0.01)。

從表4可以看出番茄定植后20～40、40～60、60～80 d，同一施肥水平，加氣灌溉處理莖粗日增長量較不加氣灌溉處理日增長量較大，但在定植后20～40 d差異性不顯著，定植后40～60、60～80 d差異性達(dá)顯著水平，其原因是此時(shí)番茄處于前期生育階段，其生長過程中對土壤氧氣含量的需求較小，故加氣灌溉對莖粗的影響不顯著，隨著植株的不斷生長，植物根系對氧的需求量逐漸增大，在番茄生育中期(定植后40～80 d)，其莖粗的日均增長量最大，加氣灌溉對番茄莖粗的影響顯著。定植后100～120 d是生育末期，這一階段番茄處于第二階段的果實(shí)采收期，番茄莖粗的日均增長量明顯放緩，加氣灌溉對這一階段番茄莖粗的影響不顯著，說明，加氣灌溉可促進(jìn)番茄植株生育前期、中期莖粗的生長。

圖2 加氣灌溉和不加氣灌溉不同施肥水平對溫室番茄株高的影響Fig.2 Impacts of different fertilizer levels on plant height of greenhouse tomato in aerated irrigation and unaerated irrigation

圖3 加氣灌溉與不加氣灌溉同一施肥水平對溫室番茄莖粗的影響Fig.3 Impacts of the same fertilization level of aerated irrigation and unaerated irrigation on stem diameter of greenhouse tomato

表4 莖粗分段日均增長量 cmTab.4 The per-day growth of stem width of tomato

圖4為加氣灌溉和不加氣灌溉，不同施肥水平對番茄莖粗的影響變化，從圖4可以看出，3個(gè)施肥水平下，各個(gè)處理番茄莖粗的變化趨勢基本一致，定植后20～100 d是番茄莖粗的快速生長階段，定植后100～120 d，番茄生長后期莖粗的增長明顯放緩。定植50 d之前，加氣灌溉下不同施肥處理對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始逐漸明顯，定植后60～80、80～100 d番茄莖粗差異達(dá)極顯著(P<0.01)。加氣灌溉下，中氮處理的莖粗較高氮和低氮較大，不加氣灌溉下，也是這一規(guī)律，說明較高和較低的氮肥施用量均不利于番茄莖粗的生長，加氣灌溉中氮施肥水平可促進(jìn)番茄植株莖粗的快速生長。

加氣、施肥處理對番茄株高、莖粗的影響見表5，從表5可以看出，同一施肥水平下，加氣灌溉處理的番茄株高莖粗均大于不加氣灌溉處理的株高、莖粗，且加氣灌溉對株高、莖粗的影響極顯著(P<0.01)。加氣灌溉下，番茄株高、莖粗較不加氣灌溉處理分別顯著增大了6.2%、11.0%。另外，隨著施肥量的增加，番茄株高呈現(xiàn)極顯著的積極響應(yīng)(P<0.01)，加氣灌溉施肥水平為高氮處理的番茄株高達(dá)最大值，施肥水平為中氮處理較高氮處理的番茄莖粗顯著增大了4.4%。加氣和施肥對番茄株高和莖粗均有極顯著的影響。交互作用下，加氣和施肥對番茄莖粗無顯著影響，對株高有顯著性影響(P<0.05)。

圖4 加氣灌溉和不加氣灌溉不同施肥水平對溫室番茄莖粗的影響Fig.4 Impacts of different fertilizer levels on stem diameter of greenhouse tomato in aerated irrigation and unaerated irrigation

表5 加氣灌溉不同施肥水平對溫室番茄株高、莖粗的影響Tab.5 Impacts of different fertilization levels on plant height and stem diameter of greenhouse tomato

表6為不同施肥水平加氣灌溉對溫室番茄植株各部分干物質(zhì)累積量的影響，加氣灌溉處理的番茄地上部干物質(zhì)量、地下部干物質(zhì)量、根冠比均高于不加氣灌溉處理。加氣灌溉較不加氣灌溉處理，地上部干物質(zhì)量增大了11.4%，地下部干物質(zhì)量增大了17.4%，根冠比增大了6.6%。加氣灌溉和不加氣灌溉不同施肥水平對植株體各部分干物累積量有顯著性影響(P<0.01)，加氣灌溉中氮處理植株體各部分干物質(zhì)累積量最大，加氣灌溉中氮處理的地上部干物質(zhì)量、地下部干物質(zhì)量、根冠比均最高，地上部干物質(zhì)量較高氮處理和低氮處理分別增大了3.6%、9.4%，地下部干物質(zhì)量較高氮處理和低氮處理分別增大了9.2%、18.6%，根冠比較高氮處理和低氮處理分別增大了5.6%、10%。

表6 加氣灌溉不同施肥水平對溫室番茄植株各部分干物質(zhì)累積量的影響Tab.6 Impacts of different fertilizer levels of aerated irrigation on dry matter accumulation of each part of tomato in greenhouse

單因素中加氣、施肥水平對地上部干物質(zhì)量、地下部干物質(zhì)量、根冠比均有極顯著的正影響效應(yīng)。加氣和施肥交互作用對地上部干物質(zhì)量、地下部干物質(zhì)量、根冠比無顯著性影響。

2.2 不同灌溉處理對溫室番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

表7為不同施肥水平加氣灌溉對溫室番茄單株產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)影響，番茄單株產(chǎn)量、維生素C、可溶性糖、有機(jī)酸含量、糖酸比對加氣灌溉存在極顯著的積極響應(yīng)(P<0.01)。在同一施肥水平下，加氣灌溉單株產(chǎn)量、維生素C、可溶性糖、有機(jī)酸含量、糖酸比與不加氣灌溉處理相比，均存在極顯著差異(P<0.01)。與不加氣灌溉處理相比，加氣灌溉下番茄單株產(chǎn)量、維生素C、可溶性糖、有機(jī)酸含量、糖酸比分別增大了6.7%、11.6%、11.3%、7.5%、4.1% 。加氣灌溉中氮處理單株產(chǎn)量、維生素C、可溶性糖、有機(jī)酸含量、糖酸比最大，與加氣灌溉高氮、低氮處理相比，單株產(chǎn)量分別增大了6.2%、8.6%，維生素C分別增大了6.9%、22.5%，可溶性糖分別增大了6.5%、11.3%，有機(jī)酸含量分別增大了5.7%、7.5%，糖酸比分別增大了1.8%、3.0%。

表7 加氣灌溉不同施肥水平對溫室番茄單株產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)影響Tab.7 Impacts of different fertilizer levels of aerated irrigation on yield and fruit quality of greenhouse tomato

單因素中施肥水平對溫室番茄單株產(chǎn)量、維生素C、可溶性糖有極顯著影響(P<0.01)，施肥水平對溫室番茄有機(jī)酸和糖酸比有顯著性影響(P<0.05)。加氣和施肥水平兩因子交互作用，對單株產(chǎn)量有顯著的交叉影響效應(yīng)(P<0.05)，交互作用下，加氣和施肥水平對番茄維生素C、可溶性糖、有機(jī)酸含量、糖酸比無顯著性影響。

3 討 論

作物生長必不可少的五大因素是水、肥、氣、熱、光，這五大因素缺一不可，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中容易忽略氣的影響，導(dǎo)致植株生長受到抑制，從而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。然而實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤中水氣是相互制約的矛盾體，傳統(tǒng)灌溉過程中，灌溉在滿足作物水分需要的同時(shí)，排除了土壤中的空氣，導(dǎo)致土壤中氧氣含量降低，影響作物根系的有氧呼吸，植物根系是植物吸收并運(yùn)輸水分及養(yǎng)分的重要器官，前人研究表明，土壤氧氣含量降低也會導(dǎo)致根系活力的下降[11]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，采用微納米氣泡加氣裝置增大水中的溶解氧含量，使水氣充分混合后，借助地下滴灌管對作物進(jìn)行灌溉，增加了土壤濕潤后土體內(nèi)的氧氣含量，有效緩解了土壤的低氧脅迫，提高了溫室番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)。相關(guān)研究表明，加氣灌溉可促進(jìn)作物根系生長發(fā)育，進(jìn)而有利于根系對土壤水肥的吸收利，加氣灌溉可以改善作物根區(qū)生長環(huán)境，促進(jìn)根系伸長和生物量的積累，可顯著促進(jìn)番茄和草莓根系生長，作物的產(chǎn)量、水分利用效率、品質(zhì)也有不同程度的提升[17-20]。

本試驗(yàn)中，加氣灌溉下溫室番茄植株株高和莖粗較不加氣灌溉處理分別顯著增大了6.2%、11%，地上部干物質(zhì)量增大了11.4%，地下部干物質(zhì)量增大了17.4%，根冠比增大了6.6%，番茄單株產(chǎn)量、維生素C、可溶性糖、有機(jī)酸含量、糖酸比分別增大了6.7%、11.6%、11.3%、7.5%、4.1%。單因素中施肥水平對溫室番茄單株產(chǎn)量、維生素C、可溶性糖有極顯著影響(P<0.01)，施肥水平對溫室番茄有機(jī)酸和糖酸比有顯著性影響(P<0.05)。加氣灌溉不同施肥水平試驗(yàn)結(jié)果表明，中氮施肥水平下，植株莖粗、干物質(zhì)量、果實(shí)產(chǎn)量、品質(zhì)較高氮和低氮處理均有顯著增大，且施肥水平和加氣灌溉對番茄株高、產(chǎn)量產(chǎn)生顯著的交叉影響效應(yīng)。

4 結(jié) 語

(1)加氣灌溉較不加氣地下滴灌處理，溫室番茄株高、莖粗分別顯著增大了6.2%、11%，加氣灌溉有效緩解了土壤灌溉中或灌后一段時(shí)間內(nèi)缺氧的狀況，有效促進(jìn)了植株的生長。

(2)加氣灌溉較不加氣地下滴灌處理，溫室番茄地上部干物質(zhì)量顯著增大了11.4%，地下部干物質(zhì)量顯著增大了17.4%，根冠比顯著增大了6.6%。番茄單株產(chǎn)量、維生素C、可溶性糖、有機(jī)酸含量、糖酸比分別增大了6.7%、11.6%、11.3%、7.5%、4.1%。

(3)加氣灌溉中氮施肥水平下，植株莖粗、干物質(zhì)量、果實(shí)產(chǎn)量、品質(zhì)較高氮和低氮處理均有顯著增大。因此，考慮各處理對番茄生長發(fā)育、產(chǎn)量品質(zhì)的綜合影響，加氣灌溉中氮施肥水平是較優(yōu)的灌溉施肥模式。