溫室辣椒生長和氮素吸收對增氧滴灌的響應

雷宏軍, 孫克平, 張振華, 劉蕾蕾,楊宏光,潘紅衛,景 明,席海朋

(1.華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450046；2.魯東大學資源與環境工程學院，山東 煙臺 264039；3.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 453000)

發展節水-節肥農業、合理配置水肥資源、提高作物水氮利用效率已迫在眉睫。溫室蔬菜栽培依靠其高度可控性以及高效利用太陽輻射資源，已成為世界上最重要的蔬菜生產設施之一[1]。菜農們為了使溫室栽培經濟效益最大化在種植期間大量使用水和肥料，致使傳統管理中水肥投入遠遠超過溫室蔬菜的生長需求[2]。氮素過量或虧缺均可影響設施蔬菜營養生長和生殖生長，過量和不當施氮還會進一步造成氮肥利用率降低并在蔬菜可食用部分大量積聚硝酸鹽對人類健康有害[3]，土壤中殘留硝酸鹽含量增加[4]、溫室地下水硝酸鹽污染加劇等[5]。因此，在保持產量穩中有升的同時合理施氮是農業可持續發展的需要。大量研究表明[6-8]，與傳統灌溉方式相比，滴灌和合理減少氮肥的投入可以達到調質增產、提高灌溉水利用效率(WUE)和氮素利用效率(NUE)的效果。然而，即使在某些水分條件下合理施氮也不能優化產量，這是由于灌溉后作物根部水分飽和引起的缺氧所致。隨著滴灌技術的精細化演變，出現一種新型的滴灌技術——增氧滴灌。增氧滴灌即以水為載體，將水氣混合液和微型氣泡緩慢、均勻地輸送到作物根區，緩解根區土壤缺氧狀況,為作物調質增效提供了新途徑[9-10]。

目前國內外對于增氧滴灌對作物根區土壤通氣性的研究已取得了一定的成果。臧明等[11]研究發現高灌水量下增氧處理的土壤溶解氧濃度(DO)、氧氣擴散速率(ODR)、氧化還原電位(Eh)和土壤呼吸速率(R)均有顯著增強，明顯改善了根區土壤通氣性；還有學者[12]發現，增氧灌溉具有強化土壤硝化過程、減少氮素損失、提高氮素利用率的潛力；李元等[13]研究了番茄在不同土壤加氣量與加氣深度組合下的生長生理指標；Du等[14]研究表明，曝氣灌溉顯著提高土壤滲透性和水分生產力，提高番茄產量和氮素利用效率?？偟膩砜?，增氧灌溉與溫室辣椒光合作用、生長、品質及氮素吸收之間的作用機制有待深入研究，進而豐富增氧灌溉效果。本研究以日光溫室地下滴灌技術為切入點，研究了不同施氮和灌溉水平下增氧灌溉對溫室辣椒生長生理指標(根系活力、凈光合速率、葉綠素含量、產量及品質)和氮素吸收利用的影響，以期揭示溫室辣椒光合作用、品質及氮素吸收與土壤通氣性改善的響應關系，更深層次地闡明土壤加氣調質增產和氮素吸收利用間的機理，為溫室瓜果蔬菜調質增產和有效調控水、肥、氣灌溉提供理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2018年3月20日—2018年7月6日在華北水利水電大學農業高效用水試驗場現代化溫室中進行(113°47′20.15″E，34°47′5.91″N)。該地屬溫帶季風氣候，多年平均氣溫14.3℃，7月份，月平均氣溫27.3℃，1月份平均氣溫0.1℃，無霜期200 d，全年日照時數約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，南面、北面分別裝有風機和濕簾，以調節溫室內溫度、濕度；期間溫室內溫度及空氣濕度分別控制在30℃和89%以內。

1.2 試驗材料

供試土壤為黏壤土，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，剖面土壤質地均勻，砂粒(0.02～2 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)、黏粒(<0.002 mm)質量分數分別為32.99%、34.03%和32.98%。土壤全氮、全磷、全鉀質量分數分別為1.01、1.28 g·kg-1和34.57 g·kg-1，田間持水率(質量含水率)28%。供試辣椒品種為‘康大301’。

1.3 試驗設計

試驗設置施氮量(低氮和常氮)、摻氣量(摻氣率0和15%)和灌水量(高灌水量定額1 609 m3·hm-2,低灌水量定額為高定額的60%)3因素2水平完全隨機區組設計，共8個處理，每個處理4次重復，試驗設計列于表1。試驗區域共設32個小區，小區長2 m、寬1 m。小區內起壟種植辣椒，壟高10 cm，每壟定植5株，株距33 cm。小區內采用地下滴灌供水方式，滴灌帶埋深15 cm[15]，滴頭額定流量1.2 L·h-1，滴頭間距為33 cm，額定工作壓力0.10 MPa。植株距離滴頭10 cm，平行于滴灌帶布置。

表1 試驗設計

1.4 試驗管理

辣椒于4葉1心至5葉1心時移栽。移栽當天澆透底水，移植后10 d覆膜。辣椒生育期共計109 d，生育期劃分詳見表 2。

表2 辣椒生育期劃分

試驗中所施用的肥料為高鉀型水溶性肥料施樂多(含硝態氮7.1%，銨態氮1.1%，脲態氮6.9%，P2O515%，K2O 30%，由中國康拓肥料有限公司生產)。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24、36、44、57、66、78、87 d按照施肥質量2∶2∶2∶3∶3∶2∶1的比例施入，N1處理施肥量為225 kg·hm-2，N2處理施肥量為300 kg·hm-2；常規滴灌利用首部供水裝置進行供水；曝氣滴灌處理利用文丘里空氣射流器(Mazzei air injector 684，Mazzei Corp公司，美國)進行曝氣。試驗中通過空氣壓縮機對承壓儲水罐加壓，當承壓儲水罐中壓力穩定在0.1 MPa時，啟動循環水泵，水流在循環水泵作用下通過文丘里空氣射流器進行循環曝氣，曝氣時間20 min時可制得摻氣率為15%的摻氣水[16]，之后通過地下滴灌系統供水。各小區分別供水，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距離植株徑向10 cm、縱向10 cm埋深處的張力計(12型分體式張力計，中國農業科學院農田灌溉研究所)確定：土壤基質勢下降至-30±5 kPa時開始灌溉。灌水量根據式(1)計算[17]：

W=A·EP·KP

(1)

式中，W為各處理每次的灌水量(mm)；A為小區控制面積(2 m2)；EP為 1個灌水周期內φ601蒸發皿的蒸發量(mm)；KP為蒸發皿系數，W1處理取0.6，W2處理取1.0。灌溉時間及灌水量參見表3。

表3 生育期內灌水量

1.5 測定指標與方法

1.5.1 氧化還原電位(Eh)和氧氣擴散速率(ODR) 試驗中利用多功能氧化還原電位測量儀(上海儀電科學儀器股份有限公司，中國)測定土壤氧氣擴散速率(oxygen diffusion rate，ODR)和氧化還原電位(oxidation-reduction potential，Eh)。根據預試驗結果，研究中氧化還原電位測量儀探頭埋深選擇20 cm。

1.5.2 土壤水飽和度(Sr) 土壤水飽和度的測定時間與氧化還原電位(Eh)/氧氣擴散速率(ODR)相同。利用土壤濕度記錄儀(FDS-100，邯鄲市清勝電子科技有限公司)測定土層20 cm處土壤含水率，水分傳感器埋設于相鄰兩株作物中間。土壤水飽和度的計算式為[18]

(2)

式中,Sr為土壤水飽和度(%)，θν為土壤體積含水率(cm3·cm-3)，γ為土壤容重(g·cm-3)，ρs為土粒密度(g·cm-3)。

1.5.3 土壤礦質氮含量 分別于施肥前后及生育期末采集土壤樣品，試驗中分別于移栽后25、37、45、58、67、79 d和88 d取土。取土深度為0～20 cm，取樣后將樣品混勻，立即放于4℃冰箱保存[19]。測定時取出土樣，利用2 mol·L-1KCL溶液浸提，根據浸提液中的礦質氮濃度情況，稀釋5～10倍數后利用紫外分光光度法測定溶液中的硝態氮，利用靛酚藍比色法測定溶液中的銨態氮。土壤礦質氮質量分數根據式(3)計算[20]：

(3)

1.5.4 作物生長指標 辣椒收獲當天挖取辣椒根系，沖洗干凈后用直尺測記根系的最大長度；依據TTC法測根系活力[21]。

1.5.5 凈光合速率和葉綠素含量 凈光合速率采用光合測定儀(Li 6400XT，LI-COR公司，美國)，以辣椒頂部第2片完全展開葉為測量對象，每個處理隨機選取3株，分別于移植后46、53、59 d和67 d測定凈光合速率。

葉綠素含量利用SPAD-502測定標記辣椒葉綠素含量，以辣椒頂部第2片完全展開葉為測量對象，每個處理隨機選取3株，分別于移植后21、37、48、60、77、91 d和104 d測定。

1.5.6 產量和品質測定 生育期分批摘取辣椒果實，采用精度為0.01g電子天平稱量果實質量，產量為每次果實質量之和；采用2,6-二氯靛酚滴定法測定維生素C(Vc)含量；采用Brandford法測量可溶性蛋白質[11]。

1.5.7 水氮利用效率 灌溉水利用效率(irrigation water use efficiency，IWUE)根據式(4)計算[20]：

(4)

式中，IWUE為灌溉水利用效率(kg·m-3)；Y為作物產量(kg·hm-2)；I為生育期內灌水總量(mm)；10為單位換算系數。

利用凱氏定氮法測定植株全氮[22]，作物氮素吸收利用效率(nitrogen uptake and utilization efficiency，UPEN)根據式(5)計算[23]：

(5)

式中，UPEN為氮素吸收利用效率(kg·kg-1)；AN為植株總氮吸收量(kg·hm-2)；UN為施氮量(kg·hm-2)。

1.6 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2016進行數據的記錄、繪圖及表格的制作；利用SPSS 18.0軟件進行數據的顯著性分析，當P<0.05時認為差異顯著，否則認為此差異無統計學意義。

2 結果與分析

2.1 增氧滴灌對土壤通氣性指標的影響

2.1.1 對土壤水飽和度(Sr)的影響 預試驗結果顯示，由于施氮水平對土壤ODR、Eh和Sr無顯著影響，故選擇常氮施肥水平(300 kg·hm-2)進行說明。辣椒苗期、開花坐果期、成熟期一個灌水周期內各處理土壤Sr動態變化見圖1。不同生育期不同處理的土壤水飽和度變化動態基本一致，灌水后土壤水飽和度迅速上升，隨后又迅速下降至50%以下速率減緩。比較不同生育期一個灌水周期土壤水飽和度均值發現，W2處理較對應W1處理土壤Sr增大，尤其在灌水后第2天，3個生育階段W2CN2較W1CN2分別提高了15.74%、17.76%和18.55%(P<0.05)，W2AN2較W1AN2分別提高了22.13%、18.84%和15.75%(P<0.05)；W1處理下增氧灌溉處理土壤Sr較對照處理平均降低3.51%，W2處理下增氧灌溉處理土壤Sr較對照處理平均降低2.67%。

2.1.2 對土壤ODR和Eh的影響 由圖2可知，不同生育期不同處理的ODR和Eh變化趨勢相同，灌水后ODR和Eh值迅速下降，而后逐漸上升趨于平穩。增氧處理增大了土壤ODR和Eh值，且在灌溉1天后已出現顯著差異(P<0.05)，但同時期灌水量差異對ODR和Eh的影響不具有顯著性差異(P>0.05)。W1和W2水平下處理AN2的ODR值較對照處理平均增加了8.38%和14.17%；對照處理下W2CN2處理ODR值較W1CN2處理平均減小了5.00%。比較一個灌水周期Eh均值，W1水平下處理AN2的Eh較對照處理平均增大6.64%；W2水平下W2AN2的Eh較對照處理平均增大9.05%。對照處理下W2CN2處理Eh較W1CN2處理平均減小4.20%；增氧灌溉處理下W2AN2處理Eh較W1AN2處理平均減小2.03%。

2.2 增氧滴灌對辣椒根長和根干重的影響

由表4不同處理辣椒根長及根系干重數據可知，在單因素作用中，摻氣量、灌水量和施氮量的增加可有效增加辣椒根長和根系干重(P<0.01)。高水量處理根長和根系干重較低水量處理平均增大20.90%和51.20%(P<0.05)；常氮處理根長和根系干重較低氮處理平均增大13.46%和39.36%(P<0.05)；與對照處理相比，增氧滴灌辣椒根長和根系干重平均增大9.19%和19.51%(P<0.05)。

表4 不同處理辣椒根長及根系干重

2.3 增氧滴灌對辣椒生理指標的影響

2.3.1 對凈光合速率的影響 辣椒生育期凈光合速率見圖4。與低氮處理相比，W1CN2、W1AN2、W2CN2和W2AN2凈光合速率平均增幅分別為9.59%、9.65%、13.49%和18.35%(P<0.05)；高水量處理葉片凈光合速率均值較低水量處理平均增幅16.59%(P<0.05)；增氧處理辣椒葉片凈光合速率均值較相應對照處理平均增幅12.97%(P<0.05)。

2.3.2 對辣椒根系活力的影響 由圖5可知，摻氣量、灌水量和施氮量的增加可有效提高辣椒根系活力。與對照處理相比，增氧滴灌處理辣椒根系活力平均增加13.10%(P<0.05)；低氮處理下W2AN1的根系活力較W1AN1處理增加了22.40%(P<0.05)；常氮處理辣椒根系活力較低氮處理平均增加9.82%。

2.3.3 對辣椒產量及品質的影響 由表5分析可知，與對照處理相比，增氧滴灌處理平均增產18.18%(P<0.05)，高水量處理較低水量處理平均增產25.24%(P<0.05)，常氮處理較低氮處理平均增產29.04%(P<0.05)；單因素作用下，高水量處理較低水量處理辣椒Vc含量平均提高7.02%(P<0.05)，常氮處理較低氮處理辣椒Vc含量平均提高16.43%(P<0.05)，增氧滴灌較對照處理辣椒Vc含量平均提高9.45%(P<0.05)。與低水量處理相比，高水量處理果實可溶性蛋白質含量平均增加36.76%(P<0.05)，與低氮處理相比，常氮處理果實可溶性蛋白質含量平均增加26.42%(P<0.05)，與對照處理相比，增氧滴灌果實可溶性蛋白質含量平均增加18.78%(P<0.05)。兩因素交互作用中，灌水量和摻氣處理對產量和Vc含量有顯著影響(P<0.05)；灌水量和施氮量對產量、Vc含量和可溶性蛋白質含量有極顯著影響(P<0.01)；施氮量和摻氣處理對可溶性蛋白含量有極顯著影響(P<0.01)；灌水量、施氮量及摻氣處理3因素互作對產量和Vc含量無顯著影響(P>0.05),而對可溶性蛋白質含量有顯著影響(P<0.05)。

表5 不同處理辣椒產量及品質

2.4 增氧滴灌對水、氮利用效率的影響

由表6可知，單因素作用中，灌水量、施氮量和摻氣量影響作物水分利用效率。高水量處理辣椒IWUE較低水量處理平均降低25.24%(P<0.05)；常氮處理較低氮處理平均提高28.69%(P<0.05)；增氧滴灌處理較對照處理平均提高17.98%(P<0.05)。灌水量、施氮量和摻氣量同樣影響作物氮素吸收利用效率。高水量處理較低水量處理平均提高21.60%(P<0.05)；常氮處理較低氮處理平均降低14.56%(P<0.05)；增氧滴灌處理較對照處理平均提高17.84%(P<0.05)。兩因素交互作用中，灌水量與摻氣量對氮素吸收利用效率有極顯著影響(P<0.01)。

表6 不同處理辣椒灌溉水利用效率和氮素吸收利用效率

3 討 論

3.1 增氧滴灌對根區土壤通氣性的影響

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[24]。

土壤通氣性指標可歸為容量指標(如充氣孔隙度)、強度指標(如孔隙中的氧氣分壓或土壤溶液中的氧氣含量)、傳輸速率(如氧氣擴散速率ODR)3類[25-26]，Lemon等[26]首次利用鉑金電極來模擬根系對氧氣的吸收，氧氣擴散速率(ODR)可較好地表征土壤向根系的供氧能力,土壤水分過多會造成ODR下降[27]。

增氧灌溉水氣兩相流中微小氣泡易附著于土壤孔隙中，可持續向水中供氧[16]，為克服田間管理(淹水、灌溉、壓實等)所導致的根區缺氧提供可能，以調節作物根區水氣狀況，改善根系生長環境[9,28]。Wiegand等[29]研究表明，隨著土壤濕度增加根系周圍的水膜厚度增加，氧氣由氣態到達根系的阻力增加，在本研究中，隨著灌溉水進入田間并濕潤作物根區土壤后，水分暫時全部充滿土壤的孔隙，12 h后土壤水飽和度達到峰值，導致土壤孔隙中的氧分子運動受到阻礙，這時會抑制土壤內部的各項生理活動，使氧的活動頻率降低，Eh與ODR值迅速下降(圖2)。即使Eh與ODR值迅速下降，但增氧處理較對照處理Sr值均有所降低，低水量處理下平均降低3.51%，高水量處理下平均降低2.67%(圖1)，這可能是由于灌溉過程，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，使土壤氧氣環境仍有改善。楊海軍等[30]發現加氣灌溉減少了土壤大孔隙數量，增加了小孔隙數量，提高了土壤孔隙的連通性。本研究中土壤水飽和度逐漸下降的階段，由于土壤孔隙水被作物吸收利用、株間蒸發、深層滲漏等途徑而消耗一部分水分，空氣逐漸進入土壤孔隙，內外氣體交換頻繁，土壤環境中會發生劇烈的各項生理活動，氧氣擴散速度加快，進而促進Eh與ODR值的增大(圖2)，處理W2AN2和W1AN2較對照處理Eh與ODR值平均增大9.05%、14.17%和6.64%、8.38%。因此，增氧滴灌通過有效調控土壤水氣配合，改善了土壤通氣性(增大土壤氧氣擴散速率，降低土壤含水率)，緩解了地下滴灌時土壤濕潤區的缺氧狀況。

3.2 增氧滴灌對辣椒作物生長生理指標和水氮吸收利用的影響

作物生長生理指標與本身遺傳因子及外部環境息息相關。以往研究表明，灌水量和施氮量是影響作物生長生理指標的重要因素[31]。除此之外，前人研究表明，根區加氣處理可提高作物氣孔導度、蒸騰速率[32]和葉綠素a含量[33]。因此，葉綠素含量的升高進一步促進了凈光合速率的升高速率。本試驗中，增氧處理凈光合速率的較大提升也受益于土壤通氣性的改善和葉綠素含量的升高，與王德玉[34]的發現土壤緊實脅迫降低植株凈光合速率、抑制同化物的合成和輸出相一致。

根系是作物生命的門戶，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進根系呼吸，使根系代謝旺盛，促進根系對水分、植物生長素等生長物質的吸收、運輸和儲存[35]，影響作物的氣孔導度、光合作用效率和蒸騰速率[32]，進而促進植物的生長發育，有效提高植株的產量和品質的改善[15]。本試驗中，增氧地下滴灌對根系有明顯的增強作用，促進了根系的生長、活力和干物質積累，增氧處理較對照處理分別平均增大9.19%、13.10%、19.51%(P<0.05)，關于番茄的研究也證明了這一點，增氧灌溉促進了植株根系的生長[28]。有研究指出，根區的低氧環境會導致光合速率的降低[34]，從而導致根系的水分和養分利用效率降低，影響植株的生長。本試驗中，辣椒的產量和水分利用效率也受益于土壤通氣性的改善而顯著提高。可見，通過增氧地下滴灌改善根區低氧脅迫，促進根系生長、呼吸，恢復光合器官活性，進而對辣椒生長產生積極效應。

提高氮素利用效率首先要促進氮素吸收的能力，增氧地下滴灌改善根系生長環境，增強根系對養分的吸收和征調，促進了作物對養分的吸收利用[36]。本試驗中，增氧滴灌顯著提高了氮素吸收利用效率(表6)。作物養分吸收狀況改善對作物品質存在較大影響[15]，增氧處理的Vc含量和可溶性蛋白質含量都有了顯著提高(表5)，且水肥氣互作對可溶性蛋白質含量有顯著影響(P<0.05)。綜合來看，本試驗中，作物生長生理指標、水氮吸收利用以及品質方面的改善同ODR值的變化趨勢相同，表明ODR值與作物的生理反應、營養特性和生長發育的相關關系更為密切。

4 結 論

1)增氧滴灌顯著改善土壤通氣性。灌溉后增氧處理土壤水飽和度有所降低，氧氣擴散速率也顯著增強，在灌溉過程中可有效緩解根區低氧脅迫。

2)增氧滴灌改善根區缺氧環境，促進辣椒根系生長，提高了辣椒的凈光合速率和水氮吸收利用，最終表現為辣椒增產和品質的改善。增氧處理較對照處理產量平均增產18.18%(P<0.05)，Vc含量和可溶性蛋白質含量分別平均增加9.45%和18.78%(P<0.05)。

3)水肥氣三因素對辣椒氮素吸收利用效率影響順序為：灌水量>摻氣量>施氮量；對產量和品質各指標的影響順序為：施氮量>灌水量>摻氣量；Vc含量：施氮量>摻氣量>灌水量；可溶性蛋白質含量：灌水量>施氮量>摻氣量。

4)綜合土壤水、肥、氣三因素對辣椒光合、根系生長、氮素吸收、產量和品質的影響，本試驗中施氮量300 kg·hm-2、灌水量1 609 m3·hm-2、摻氣率15%是適宜的增氧滴灌方案。