加氣灌溉對番茄植株生長、產量和果實品質的影響

朱 艷 蔡煥杰 宋利兵 陳 慧

(1.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室， 陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院， 陜西楊凌 712100)

加氣灌溉對番茄植株生長、產量和果實品質的影響

朱 艷1,2蔡煥杰1,2宋利兵1,2陳 慧1,2

(1.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室， 陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院， 陜西楊凌 712100)

試驗設置了作物-皿系數kcp為0.6(W1)和1.0(W2)2個灌水水平、15 cm(D1)和25 cm(D2)2種滴頭埋深和加氣灌溉(O)、地下滴灌(S，不加氣灌溉作為對照)2種灌水方式，采用3因素完全隨機設計，共8個處理，以揭示加氣灌溉不同灌水水平和滴頭埋深對溫室番茄根區土壤通氣性、植株生長發育、產量和果實品質的影響。結果表明：加氣灌溉有效改善了土壤通氣性，與不加氣地下滴灌相比，土壤氧氣含量增大了6.42%(P<0.05)，0～40 cm土層土壤體積含水率下降了5.29%。同時，加氣灌溉下番茄植株莖粗和葉面積分別顯著增大了4.55%和16.21%，開花日期推后了2 d左右，開花時長存在延長的趨勢，果實干質量顯著增大了23.57%，單株產量、單果質量和水分利用效率分別顯著增大了29.04%、23.93%和28.11%。加氣灌溉下番茄果實中番茄紅素、維生素C、可溶性糖的含量和糖酸比分別顯著增大了37.73%、31.43%、32.30%和45.64%。因此，加氣灌溉在促進植株生長發育、提高番茄產量的同時有效提高了果實品質，改善了果實風味。灌水水平由0.6增大到1.0也明顯促進了番茄植株的生長發育、提高了果實產量，雖然隨果實中番茄紅素、可溶性糖含量的下降，果實品質有所降低，但灌水水平對果實品質的影響效應低于加氣灌溉，且灌水水平的提高和加氣灌溉對番茄產量產生顯著的交叉影響效應。因此考慮各處理對番茄生長發育、產量和果實品質的綜合影響，kcp為1.0灌水水平下加氣灌溉是本試驗條件下較優的加氣灌溉模式。

番茄； 加氣灌溉； 土壤通氣性; 生長； 產量； 果實品質

引言

番茄可以在多種土壤類型中生長，但也是對含水量較高、通氣性較差的土壤最敏感的作物之一[1]。雖然地下滴灌灌水效率高[2-4]，但地下滴灌也易受多種因素影響導致作物根區缺氧。地下滴灌滴頭埋設在地下，灌水比較集中[5-6]，易在灌水時甚至灌水后一段時間在滴頭附近形成持續的飽和濕潤區[7-8]，進而導致滴頭附近土壤缺氧。尤其是滴頭埋深較大時，滴頭附近土壤得不到有效的翻耕[9]，更易導致滴頭附近土壤缺氧。MAROUELLI等[10]和MACHADO等[11]的研究表明，與埋深20 cm處理相比，滴頭埋深為40 cm時，番茄產量分別下降了32%和2.5%。而且作物根系優先生長在滴頭附近[11]，更加劇了滴頭附近土壤缺氧對作物根系的危害。另一方面，地下滴灌灌水頻率較高[3]，會間斷導致土壤含水率增大。土壤含水率過高會增大土壤氧氣運輸路徑的曲折程度[12]，降低土壤氧氣的可利用性和擴散性[13]；另外較高的土壤含水率也增大了對土壤氧氣的需求量，因為土壤微生物的生長繁殖很大程度上依賴于土壤含水率的增大[14]，而且由于土壤中大部分氧氣是以氣態形態存在[15]，因此土壤含水率的增大也會減少土壤中氧氣的儲存量。加氣灌溉利用文丘里加氣設備，在地下滴灌的基礎上，將水氣混合液和微型氣泡輸送到作物根區土壤[5,9]，因此加氣灌溉可調控土壤中的水氣比，進而有效改善地下滴灌下作物根區缺氧狀況。

因地下滴灌根區土壤缺氧限制作物根系生長、根系呼吸和土壤微生物呼吸，會進一步阻礙離子吸收、養分運輸等，進而影響作物新陳代謝和生長發育[5-6,16]。BHATTARAI等[7,9]研究表明加氣灌溉下土壤氧氣含量顯著增大，灌水時加氣灌溉下土壤氧氣含量的下降(25%)也明顯低于不加氣灌溉(45%)。CHEN等[17]的研究表明加氣灌溉下土壤呼吸顯著增大了42%～100%。因此加氣灌溉在保留地下滴灌灌水效率高等優點的基礎上，又有效增大了土壤氧氣含量，緩解了灌水時土壤濕潤區造成的土壤缺氧，改善了作物根系土壤微環境，進而促進作物生長、提高作物產量[5,8-9,18-19]。本文針對不同灌水水平和滴頭埋深條件，以不加氣地下滴灌為對照，研究加氣灌溉對溫室番茄根區土壤通氣性、植株生長發育、產量和果實品質的影響，進而探索較優的加氣灌溉模式。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室(北緯34°20′、東經108°24′，海拔高度為521 m)的日光溫室內進行。溫室內土壤類型為塿土，土壤質地為粉砂質粘壤土。土壤中砂粒、粉粒和黏粒的質量分數分別為26.0%、33.0%、41.0%；0～40 cm土層每10 cm為一個劃分層的土壤干容重分別為1.27、1.34、1.42、1.37 g/cm3；0～60 cm土層內的田間持水量為32.1%(體積含水率)。試驗地年平均日照時長為2 163.8 h，無霜期為210 d。

1.2 試驗方法與設計

試驗番茄品種為金鵬10號，屬中早熟品種。試驗地內每壟壟長4 m、壟寬0.8 m，壟中間水平埋設管徑16 mm的地下滴灌管，滴頭流量為4 L/h，間距為35 cm，距離作物莖稈10 cm。每壟移植11株番茄苗，株距35 cm。臨近的兩壟之間用埋深100 cm的塑料膜隔開，防止側滲。1壟即為1個試驗小區。于2016年4月4日進行移植，移植時保證番茄幼苗為3葉1心至4葉1心，移植當天澆透底水，以保證番茄幼苗的成活。一般7～10 d緩苗，試驗于2016年4月11日正式開始。三穗時打頂，其他試驗日常管理措施，如整枝、覆膜等，均按照當地管理措施進行。番茄全生育期時長89 d，生育期劃分為苗期(04-11—04-19)、開花期(04-20—04-25)、結果期(04-26—06-03)和成熟期(06-04—07-02)。

通過放置在番茄冠層20 cm處的E601型標準蒸發皿測得的蒸發量控制灌水量。灌水在08:00—12:00之間進行，周期為3 d或4 d一次，灌水量以灌水間隔內每天08:00測定的蒸發量為依據，計算公式[20]為

W=AEpankcp

(1)

式中W——灌溉水量，LA——單個滴頭控制的小區面積，取0.14 m2(0.35 m×0.4 m)

Epan——2次灌水時間間隔內的蒸發量，mm

kcp——作物-皿系數

試驗采用3因素完全隨機設計，設計2種灌水方式、2個灌水水平和2種滴頭埋深。2種灌水方式分別為加氣灌溉(O)和地下滴灌(S，不加氣灌溉作為對照處理)；2個灌水水平(W)依據kcp取值0.6、1.0，分別表示為W1和W2；2種滴頭埋深(D)分別為15 cm(D1)和25 cm(D2)。試驗共8個處理，分別為W1D1O、W1D1S、W2D1O、W2D1S、W1D2O、W1D2S、W2D2O和W2D2S，每個處理3次重復，1次重復即為1個小區，試驗共24個小區。

加氣灌溉試驗中，Mazzei287型文丘里加氣設備安裝在地下滴灌管道的首端，在管道的進出水口均裝有壓力表，通過調節管道調節閥，保證灌水時每壟進口壓力為0.1 MPa，出口壓力為0.02 MPa，灌水管道中多余的水回流到供水水桶中，由排氣法測得進氣量占灌溉水量的17%[21]。加氣灌溉在灌水的同時吸入空氣，因此在相同灌水量下，加氣灌溉的灌水時間相比于不加氣灌溉會相對延長[7,9]。本試驗條件下每灌1 L水，加氣灌溉下的灌水時間比不加氣灌溉延長約3 min[22]。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 番茄根系土壤通氣性的測定

(1)土壤氧氣含量(Os)：利用光纖式氧氣測量儀連接氧氣敏感探針測定。選擇每壟靠近中間的一株植株提前插入探針，探針插入深度為10 cm，距離作物莖稈5 cm，插入探針時造成的土壤孔洞用濕土封實后，重新覆蓋好塑料薄膜，盡可能避免大氣對土壤空氣的擾動。1個氧氣測量儀可同時連接2個氧氣敏感探針。本試驗中有1個氧氣測量儀，因此有2個小區可同時測定。待探針基本穩定后(約1 min后)開始記錄數據，將儀器設置為每15 s記錄1次數據，大約記錄3～4 min后將探針拔出更換到其他2個小區。儀器具體使用方法參照文獻[21-22]。從4月11日起，每隔10～15 d左右測定一次，共測定7次。在12:00—14:00之間測定，有研究表明，這期間測得的土壤氧氣含量可以代表當天的平均值[9]。

(2)土壤含水率：利用鋁盒取土烘干法測定0、10、15、20、25、30、40 cm土層之間的土壤質量含水率(θs)。取土點距離地下滴灌管道10 cm左右。土壤體積含水率(θv)為土壤質量含水率與土壤干容重的乘積。土壤體積含水率與土壤氧氣含量在同一天測定。

1.3.2 番茄生長指標、產量和果實品質的測定

(1)番茄形態指標和干物質積累量的測定：番茄果實收獲前每個小區選擇2株長勢均勻的植株分別利用卷尺和游標卡尺測其株高和莖粗，利用打孔法[23]測其葉面積。然后進行植株破壞，將地上部分分為莖、葉和果3部分，同時，挖取植株的地下部分，盡可能將根系收撿干凈、洗凈、擦干。分別稱取各部分鮮質量，待干燥后分別稱其干質量。

(2)開花期時間和時長的記錄：番茄植株開始開花時，分別記錄每株的開花時間和時長。開花期時長以每個小區1/2以上的植株進入開花期時開始，進入坐果期時結束。

(3)產量測定：每個小區選擇5株長勢均勻的植株測其產量，以單株計，包括單株產量、單果質量和果實數目的記錄。

(4)番茄果實品質測定：收獲期間每壟隨機選擇4個成熟果實進行品質分析。利用蒽酮比色法測其可溶性糖含量[23]，酸堿滴定法測其有機酸含量[23-24]，鉬藍比色法測其維生素C含量[23]，紫外分光光度法測定番茄紅素含量[25-26]。

1.4 數據處理與分析

采用SPSS 17.0統計軟件進行顯著性分析和相關關系分析。用SigmaPlot 12.0進行繪圖分析。

2 結果與分析

2.1 加氣灌溉對溫室番茄根區土壤通氣性的影響

在番茄整個生長季內，各處理土壤氧氣含量基本均呈現先增加后減小的趨勢(圖1，圖中不同字母表示同一次測量中處理間差異顯著(P<0.05)，下同)。總體而言，加氣灌溉下土壤氧氣含量明顯高于不加氣灌溉處理，且相同灌水和滴頭埋深條件下的加氣和不加氣灌溉處理間土壤氧氣含量均存在顯著性差異(P<0.05)。相同灌水水平下，滴頭埋深15 cm的加氣和不加氣灌溉處理的土壤氧氣含量均分別高于埋深25 cm的加氣和不加氣處理(圖1a、1b)，但僅在kcp為0.6時，個別測定點間存在顯著性差異(P<0.05)。相同滴頭埋深下，隨著灌水水平kcp由0.6增大到1.0，土壤氧氣含量減小(圖1c、1d)，且部分測定點間存在顯著性差異(P<0.05)，尤其是相同滴頭埋深的不加氣灌溉處理間大部分測定點存在顯著性差異(P<0.05)。

圖1 溫室番茄根區土壤氧氣含量的變化Fig.1 Variations of soil oxygen concentration in root zone of greenhouse tomato

番茄整個生長季內，處理W1D1O、W1D1S、W1D2O和W1D2S土壤氧氣含量平均值分別為5.537、5.255、5.478、5.152 mL/L。由此可知，kcp為0.6水平下，滴頭埋深15 cm處理的土壤氧氣含量較埋深25 cm的處理增大了1.49%；同時，該灌水水平下加氣灌溉較不加氣灌溉土壤氧氣含量顯著增大了5.52%(圖1a)。處理W2D1O、W2D1S、W2D2O和W2D2S土壤氧氣含量平均值分別為5.405、5.062、5.343、4.896 mL/L，因此，kcp為1.0時，滴頭埋深15 cm的處理與25 cm的處理相比，土壤氧氣含量增大了2.18%；同時，該灌水水平下加氣灌溉較不加氣灌溉處理土壤氧氣含量顯著增大了7.35%(圖1b)。另外，比較W1D2O、W1D2S、W2D2O和W2D2S處理可知，在滴頭埋深為25 cm時，隨著灌水水平的增大，土壤氧氣含量下降了3.68%，且在此埋深下加氣灌溉較不加氣灌溉土壤氧氣含量顯著增大了7.15%(圖1c)。同理，比較W1D1O、W1D1S、W2D1O和W2D1S處理可知，在滴頭埋深為15 cm時，隨灌水水平的增大土壤氧氣含量下降了3.00%，且該埋深下加氣灌溉較不加氣灌溉土壤氧氣含量顯著增大了5.71%(圖1d)。

綜合以上可知，加氣灌溉較不加氣灌溉土壤氧氣含量顯著增大了6.42%(P<0.05)。滴頭埋深15 cm的處理較25 cm的處理土壤氧氣含量增大了1.83%，灌水水平kcp為1.0時土壤氧氣含量較kcp為0.6時下降了3.34%，但是不同滴頭埋深或不同灌水水平處理間土壤氧氣含量僅部分測定點間存在顯著性差異(P<0.05)。

圖2 灌水前后及灌水期間溫室番茄根區土壤氧氣含量24 h內的變化Fig.2 Diurnal variation of soil oxygen concentration in root zone of greenhouse tomato before, during and after irrigation

圖3 溫室番茄根區土壤體積含水率的變化Fig.3 Variations of soil volumetric water content in root zone of greenhouse tomato

處理W1D2O灌水在10:00—10:30之間進行，處理W1D2S灌水在10:30—11:00之間進行，灌水期間(30 min內)W1D2O和W1D2S處理土壤氧氣含量分別急劇下降了51.70%和67.10%(圖2)。處理W1D2O土壤氧氣含量最小值為0.751 mL/L，出現在灌水1 h后(11:30)；處理W1D2S土壤氧氣含量最小值為0.115 mL/L，也出現在灌水1 h后(12:00)。由此可知，處理W1D2O土壤氧氣含量最小值明顯高于W1D2S。處理W1D2O和W1D2S的土壤氧氣含量分別在灌水4 h(14:30)和5 h(16:00)后回升至平穩值。處理W1D2O和W1D2S在10:00(灌水前)的土壤氧氣含量分別為5.897 mL/L和5.348 mL/L；處理W1D2O和W1D2S回升平穩后(16:00)土壤氧氣含量分別為5.332 mL/L和4.497 mL/L。由此可知，灌水前處理W1D2O的土壤氧氣含量值較W1D2S增大了9.30%，而灌水后處理W1D2O的土壤氧氣含量較W1D2S增大了15.67%。

在番茄生長前期(前4次測定，移植后0～47 d，苗期、開花期和結果期)土壤體積含水率明顯下降，而后呈現穩定變化的趨勢(圖3，圖中土壤體積含水率為0～40 cm土層的平均值)。總體而言，加氣灌溉處理的土壤體積含水率明顯低于不加氣灌溉處理，且相同灌水和滴頭埋深條件下加氣和不加氣灌溉的土壤體積含水率部分測定點間存在顯著性差異(P<0.05)。對相同灌水水平下的處理而言，滴頭埋深15 cm處理的土壤體積含水率均高于埋深25 cm的處理(圖3a、3b)，但只有個別測定點間存在顯著性差異(P<0.05)。處理W1D1O、W1D1S、W1D2O和W1D2S的土壤體積含水率平均值分別為23.88%、24.81%、22.99%、24.31%。因此，kcp為0.6時，滴頭埋深15 cm處理的土壤體積含水率較埋深25 cm的處理增大了2.87%，且該灌水水平下，加氣灌溉土壤體積含水率較不加氣灌溉下降了4.57%(圖3a)。另一方面，處理W2D1O、W2D1S、W2D2O和W2D2S的土壤體積含水率平均值分別為25.97%、28.02%、25.41%、26.60%。由此可知，kcp為1.0時，滴頭埋深15 cm的處理與埋深25 cm的處理相比，土壤體積含水率增大了3.66%；同時，該灌水水平下加氣灌溉土壤體積含水率較不加氣灌溉下降了5.94%(圖3b)。

隨著灌水水平的增大，土壤體積含水率顯著增大(P<0.05)(圖3c、3d)。比較處理W1D2O、W1D2S、W2D2O和W2D2S可知，滴頭埋深25 cm條件下，隨灌水水平kcp由0.6增大到1.0，土壤體積含水率增大了9.07%(P<0.05)，且該埋深條件下，加氣灌溉較不加氣灌溉土壤體積含水率下降了4.93%(圖3c)。同理，比較W1D1O、W1D1S、W2D1O和W2D1S處理可知，埋深15 cm條件下，隨著灌水水平的增大土壤體積含水率增大了9.81%(P<0.05)，且該埋深下加氣灌溉土壤體積含水率較不加氣灌溉下降了5.64%(圖3d)。

由此可知，在番茄整個生長季內，加氣灌溉下土壤體積含水率較不加氣灌溉下降了5.29%；滴頭埋深15 cm的處理土壤體積含水率較埋深25 cm的處理增大了3.28%；灌水水平由kcp為0.6增大到1.0水平時，土壤體積含水率隨之顯著增大了9.45%(P<0.05)。

表1 土壤氧氣含量與土壤體積含水率之間的相關系數Tab.1 Correlation coefficients between soil oxygen concentration and soil volumetric water content

注：** 表示在P<0.01水平極顯著相關，*表示在P<0.05水平顯著相關，下同。

在番茄生長前期(前4次測定：苗期、開花期和結果期)土壤氧氣含量和土壤體積含水率的變化趨勢明顯均與后期(后3次測定：成熟期)不同，因此按照番茄生育期(測定階段)分段分析土壤氧氣含量與土壤體積含水率的相關關系(表1)。土壤氧氣含量在前4次測定中呈現增長的趨勢，而土壤體積含水率下降趨勢明顯，因此在前4次測定中，對所有處理而言，土壤氧氣含量與土壤體積含水率均極顯著負相關(P<0.01)。分別與不加氣灌溉和kcp為1.0灌水水平相比，加氣灌溉下和kcp為0.6灌水水平下土壤氧氣含量與土壤體積含水率之間的相關系數相對更大。在后3次測定中，也就是番茄成熟期，除在2種滴頭埋深處理下土壤氧氣含量與含水率分別顯著負相關(P<0.05)外，土壤氧氣含量與土壤體積含水率的相關關系不顯著。

2.2 加氣灌溉對溫室番茄作物生長和產量的影響

加氣灌溉對溫室番茄株高沒有顯著影響(表2)，但相比于不加氣灌溉，莖粗和葉面積對加氣灌溉存在極顯著的積極響應(P<0.01)。加氣灌溉下番茄植株莖粗和葉面積較不加氣灌溉處理分別顯著增大了4.55%和16.21%。另一方面，隨灌水水平的增大，番茄植株的株高、莖粗和葉面積也分別呈現極顯著的積極響應(P<0.01)。灌水水平kcp為1.0的處理較kcp為0.6的處理，番茄植株株高、莖粗和葉面積分別顯著增大了5.05%、4.75%和14.05%(P<0.01)。但是，滴頭埋深15 cm和25 cm對番茄株高、莖粗和葉面積的影響沒有顯著性差異(P<0.05)。

表2 不同灌水水平和滴頭埋深條件下加氣灌溉對溫室番茄株高、莖粗和葉面積的影響Tab.2 Impacts of oxygation under different irrigation rates and emitter depths conditions on plant height, stem diameter and leaf area of greenhouse tomato

注：同一列不同小寫字母表示指標存在顯著性差異(P<0.05)，同一行不同大寫字母表示指標存在顯著性差異(P<0.05)，下同。

加氣、灌水水平和滴頭埋深三因子均對番茄的開花期時長沒有顯著性影響(表3)。但是，相比于不加氣灌溉，加氣灌溉下番茄的開花期時長存在延長的趨勢。而且，相比于不加氣灌溉，加氣灌溉下番茄三穗花的開花日期均推后了2 d左右，其中，第2穗和第3穗花的開花日期與不加氣灌溉存在顯著性差異(P<0.01)(表4)。另外，隨著灌水水平的增大，番茄第1穗花的開花日期也存在明顯的推后趨勢(P<0.01)。滴頭埋深15 cm和25 cm對番茄開花日期沒有顯著性影響，但是15 cm滴頭埋深下番茄第2和第3穗花的開花日期有提前的趨勢。

表3 不同灌水水平和滴頭埋深條件下加氣灌溉對溫室番茄開花期時長的影響Tab.3 Effects of oxygation under different irrigation rates and emitter depths conditions on flowering duration of greenhouse tomato d

表4 不同灌水水平和滴頭埋深條件下加氣灌溉對溫室番茄開花日期(移植后天數)的影響Tab.4 Effects of oxygation under different irrigation rates and emitter depths conditions on flowering date of greenhouse tomato d

相比于不加氣灌溉處理，加氣灌溉對番茄植株的果實干質量有極顯著的正影響效應(P<0.01)(表5)，加氣灌溉下果實干質量增大了23.57%。雖然加氣灌溉下番茄植株根、莖和葉的干質量與不加氣灌溉處理間沒有顯著性差異，但仍有增大的趨勢。加氣灌溉下植株的根冠比減小，但與不加氣灌溉處理間沒有顯著性差異。除了對果實干質量沒有顯著性影響外，隨著灌水水平kcp由0.6增大到1.0，番茄植株根、莖和葉的干質量分別產生了顯著的積極響應(P<0.05)。灌水水平kcp為1.0水平下，根、莖和葉的干質量較kcp為0.6水平下分別顯著增大了24.03%、17.24%和22.78%。另外，滴頭埋深的變化對番茄植株各組成部分的干質量并沒有顯著性影響。

表5 不同灌水水平和滴頭埋深條件下加氣灌溉對溫室番茄植株干物質各組成部分的影響Tab.5 Effects of oxygation under different irrigation rates and emitter depths conditions on dry matter partitioning of greenhouse tomato

番茄單株產量、單果質量和水分利用效率對加氣灌溉存在極顯著的積極響應(P<0.01)(表6)。在相同灌水水平和滴頭埋深條件下，加氣灌溉單株產量和單果質量與不加氣灌溉處理間基本均存在顯著性差異(圖4)。與不加氣灌溉相比，加氣灌溉下番茄單株產量、單果質量和水分利用效率分別增大了29.04%、23.93%和28.11%，但是加氣灌溉對單株果數沒有顯著性影響(表6)。隨著灌水水平kcp由0.6增大到1.0，單株產量、單株果數和單果質量分別顯著增大了25.28%、11.35%和12.53%(P<0.01)，但是水分利用效率顯著減小了19.70%(P<0.01)。加氣和灌水水平兩因子對番茄單株產量和單果質量有顯著的交叉影響效應(表6)。處理W2D1O的單株產量和單果質量最高，且與W2D2O處理除外的其他處理均形成顯著性差異(P<0.05)(圖4)。滴頭埋深對番茄單株產量、單株果數、單果質量和水分利用效率沒有顯著性影響，但隨著滴頭埋深由15 cm增大到25 cm，單株產量、單株果數和單果質量均有減小的趨勢。

表7表明，全部處理的番茄產量與植株的株高、莖粗和葉面積均呈現極顯著正相關關系(P<0.01)，加氣灌溉下相關系數為0.4左右，而不加氣灌溉下相關系數為0.2左右。由此可知，相比于不加氣灌溉，加氣灌溉下番茄產量對植株各生長指標更敏感。比較kcp為0.6和1.0灌水水平，1.0灌水水平下番茄產量對植株各生長指標更敏感。15 cm和25 cm滴頭埋深條件下，番茄產量與植株各生長指標的相關系數差異不大。

表8表明，加氣灌溉對番茄果實的番茄紅素、維生素C、可溶性糖含量和糖酸比有極顯著的正影響效應(P<0.01)，與不加氣灌溉處理相比，加氣灌溉下各指標分別增大了37.73%、31.43%、32.30%和45.64%。同時，加氣灌溉下果實中的有機酸含量顯著降低，比不加氣灌溉降低了17.56%(P<0.01)。灌水水平kcp為0.6對果實番茄紅素、可溶性糖和有機酸含量產生顯著(P<0.05)甚至極顯著(P<0.01)正影響效應。與kcp為0.6灌水水平相比，kcp為1.0灌水水平下番茄紅素、可溶性糖和有機酸含量分別下降了18.26%、16.84%和13.87%。另一方面，比較F值可知，與灌水水平相比，加氣灌溉對番茄紅素、維生素C、可溶性糖含量和糖酸比的影響效應更明顯。滴頭15 cm和25 cm埋深下，果實各品質指標沒有顯著性差異。

表6 不同灌水水平和滴頭埋深條件下加氣灌溉對溫室番茄單株產量、單果質量、單株果數和水分利用效率的影響Tab.6 Effects of oxygation under different irrigation rates and emitter depths conditions on fruit yield, number and weight and water use efficiency of greenhouse tomato

圖4 不同灌水水平和滴頭埋深條件下加氣灌溉對溫室番茄單株產量和單果質量的影響Fig.4 Effects of oxygation under different irrigation rates and emitter depths conditions on fruit yield and weight of greenhouse tomato

處理因子產量株高莖粗葉面積O產量10.379**0.427**0.413**株高10.302**0.510**莖粗10.452**葉面積1S產量10.232*0.235*0.193株高1-0.0010.054莖粗10.522**葉面積1W1產量10.0700.301**0.287**株高10.0300.135莖粗10.569**葉面積1W2產量10.393**0.374**0.477**株高10.0840.297**莖粗10.454**葉面積1D1產量10.470**0.487**0.504**株高10.1060.217*莖粗10.623**葉面積1D2產量10.333**0.465**0.528**株高10.343**0.529**莖粗10.567**葉面積1全部產量10.399**0.468**0.518**株高10.239**0.381**莖粗10.585**葉面積1

3 討論

3.1 加氣灌溉對溫室番茄根區土壤通氣性的影響

加氣灌溉通過滴頭向土壤中輸送的是水氣混合物和微型氣泡[5]，因此可有效改善地下滴灌灌水后濕潤區土壤孔隙中的空氣完全被水分代替的狀況。因此加氣灌溉后土壤氧氣含量高于不加氣地下滴灌，尤其是在滴頭埋深較深的土壤中，滴頭附近土壤與大氣的交換作用減弱，因此土壤氧氣含量和土壤水分的有效調控很大程度上依賴于加氣灌溉下空氣的輸送。FRIEDMAN等[27]也指出隨著土層深度的增大，土壤氧氣含量大約呈直線下降的趨勢。因此，本試驗中，滴頭埋深15 cm處理的土壤氧氣含量高于埋深25 cm的處理(圖1)。另一方面，在灌水量較大時，地下滴灌土壤的缺氧狀況更加明顯，因此土壤氧氣和水分的調控也更加依賴于外來空氣的注入。本試驗中加氣灌溉下土壤氧氣含量增大了6.42%，且滴頭埋深25 cm和15 cm加氣灌溉下土壤氧氣含量分別較不加氣灌溉增大了7.15%和5.71%，kcp為0.6和1.0加氣灌溉下土壤氧氣含量分別較不加氣灌溉增大了5.52%和7.35%(P<0.05)(圖1)。BHATTARAI等[9]針對溫室番茄的研究表明，加氣灌溉下土壤氧氣含量顯著增大了12.14%。CHEN等[17]針對不同作物和土壤類型加氣灌溉的研究表明，加氣灌溉下土壤氧氣含量顯著增大了2.4%～32.6%，且紅壤中滴頭埋深30 cm和10 cm時加氣灌溉較不加氣地下滴灌土壤氧氣含量分別增大了32.6%和8.6%。本試驗中，滴頭埋深25 cm時加氣灌溉較不加氣灌溉土壤氧氣含量的增大也較埋深15 cm時更加明顯。BEN-NOAH等[6]的研究表明利用地下滴灌管道向重黏土中注入空氣使得土壤水分向下移動，進而導致滴頭下方土壤含水率下降。BHATTARAI等[7]指出與加氣灌溉相比，不加氣地下滴灌處理在根系活動區域有更大的區域處于飽和狀態。PENDERGAST等[8]研究也表明在相同灌水量和降水量下，相比于加氣灌溉，不加氣地下滴灌下0～100 cm土層土壤更加濕潤，且淺層土壤更易接近飽和狀態。本試驗中，加氣灌溉下0～40 cm土層的土壤含水率下降了5.29%(圖3)。因此，加氣灌溉可有效緩解地下滴灌下滴頭附近土壤含水率過高的狀況。本試驗中，處理W1D2O和W1D2S土壤氧氣含量灌水期間分別急劇下降了51.70%和67.10%，且灌水1 h后分別下降至最低點0.751 mL/L和0.115 mL/L(圖2)。PENDERGAST等[8]和BHATTARAI等[7,9]對灌水期間及灌水前后土壤水氣變化的研究也均表明加氣灌溉可有效緩解灌水造成的土壤氧氣含量的急劇下降。因此，加氣灌溉通過有效調控土壤水氣配合，改善了土壤通氣性(增大土壤氧氣含量，降低土壤含水率)，緩解了地下滴灌灌水時土壤濕潤區的土壤缺氧狀況。

表8 不同灌水水平和滴頭埋深條件下加氣灌溉對溫室番茄果實品質的影響Tab.8 Effects of oxygation under different irrigation rates and emitter depths conditions on fruit quality of greenhouse tomato

本試驗中，番茄生長前期(前4次測定：苗期、開花期和結果期)，土壤氧氣含量的變化主要受土壤含水率的影響。受移植時澆透底水的影響，番茄生長前期土壤含水率較大，且隨著番茄生長而下降(圖3)，因此土壤氧氣含量隨著土壤含水率的下降而增大(圖1)。番茄生長前期土壤氧氣含量與土壤體積含水率極顯著負相關(表1)也表明，此階段土壤氧氣含量主要受土壤含水率的影響。在番茄生長前期，隨番茄的生長耗水量增大，因此依靠地下滴灌相對較少的灌水量不再能夠保持移苗時由澆透底水而造成的較高的土壤含水率，也因此番茄生長前期，隨番茄的生長土壤含水率下降明顯。番茄移苗時澆透底水也只是為了保證番茄幼苗的成活，但也因而造成土壤含水量相對較高。番茄成熟期(后3次測定)土壤含水率維持穩定，此時土壤氧氣含量的變化主要受外界溫度(土壤溫度)和作物生長變化的影響。在番茄成熟前期，作物的生命活動較為旺盛，因此作物根系呼吸對氧氣的需求量較大。另一方面，番茄成熟期外界溫度在逐漸上升，進而土壤溫度也隨之升高。BEN-NOAH等[6,12]指出，大部分情況下，溫度升高導致氧氣含量下降。因為隨溫度升高而增大的土壤擴散速率，與隨溫度升高而增大的作物根系呼吸和土壤微生物呼吸相比，可忽略不計，因此土壤氧氣的消耗隨溫度的升高而增大，進而導致土壤氧氣含量的降低。BHATTARAI等[5]也指出隨著土壤溫度的升高，氧氣溶解度下降，又由于氧氣消耗量的增大，在外界和土壤溫度較高時，作物更容易受土壤缺氧的危害。本試驗中，番茄成熟期土壤氧氣含量的下降很大程度上受外界溫度(土壤溫度)升高的影響。

3.2 加氣灌溉對溫室番茄作物生長、產量和果實品質的影響

相關研究表明，根系缺氧易造成脫落酸、乙醇等植物激素的增加[28-30]，導致葉片氣孔關閉[31]，凈光合速率下降[32]，影響ATP的產生[33]，進而影響作物生長。本試驗中，加氣灌溉下番茄植株莖粗和葉面積分別顯著增大了4.55%和16.21%(表2)，開花期時長存在延長的趨勢，且第2和第3穗花的開花日期均延后了2 d左右(表3、4)。LI等[34]研究表明，番茄株高和莖粗對向土壤中注入空氣產生了積極的響應。HORCHANI等[35]對番茄根系進行缺氧處理，番茄的開花期、結果期和果實膨大期均提前，且花和果實的數目均減少。BEN-NOAH等[12]向灌溉水中加入0.06%(體積分數)H2O2使得辣椒的開花期延后30 d，開花峰期延后14 d。BHATTARAI等[9]研究表明加氣灌溉下番茄的單株葉面積顯著增大了12.7%，第1穗花的開花期延后了2 d左右。BHATTARAI等[36]研究也表明加氣灌溉下棉花植株的莖粗顯著增大了6.86%。這些結果均表明地下滴灌因根系缺氧對不同作物各生長指標造成了不同程度的不利影響，加氣灌溉有效改善了作物根系的通氣狀況，進而對番茄生長發育產生積極的影響作用。

本試驗中，與地下滴灌相比，加氣灌溉下果實干質量顯著增大了23.57%(表5)，單株產量、單果質量和水分利用效率分別顯著增大了29.04%、23.93%和28.11%(P<0.05)(表6)。不同土壤質地[17,36]、作物類型[7,17,20]、灌水水平[9]和滴頭埋深[7,17]條件下的加氣灌溉的研究均表明了加氣灌溉對作物產量的積極影響趨勢。加氣灌溉在改善土壤-作物根系微環境的基礎上，促進了作物生長進而提高了作物產量。BHATTARAI等[9]研究表明加氣灌溉下溫室番茄產量的增長主要歸因于單果質量和果實干質量的增加，而并不是果實數目的增大，與本研究結果一致。本試驗中，灌水水平的增大對番茄產量和根、莖和葉的干質量均產生顯著的積極影響(表5、6)。而加氣灌溉與不加氣地下滴灌相比，對根、莖和葉的干質量沒有顯著性影響(表5)。由此可知，加氣灌溉促進番茄產量增長的同時，并沒有造成番茄植株地上部的徒長；而隨灌水水平的增大，雖然番茄產量增大，但也造成了植株地上部的徒長。這從加氣灌溉下水分利用效率顯著增大，而隨灌水水平的增大水分利用效率顯著降低(表6)也可看出。另一方面，加氣灌溉下單果質量和果干質量均顯著增大，而隨灌水水平的提高，單果質量顯著增大，果干質量卻沒有顯著性變化(表5、6)。由此也可知，加氣灌溉下果實質量的增大伴隨著果實中其他固形物質含量的增大，但隨灌水水平的增大而增大的果實質量主要是由果實水分含量的增大造成的。番茄果實中番茄紅素、維生素C、可溶性糖的含量對加氣灌溉產生極顯著的積極響應，而對灌水水平的降低產生積極響應(表8)，也可說明加氣灌溉在提高番茄產量的基礎上，也顯著改善了番茄果實品質和風味，而隨灌水水平的增大，雖然果實產量有所提高，但也一定程度上降低了果實品質，破壞了果實風味。因個人口味不同，暫且不確定加氣灌溉下可溶性糖含量增大、有機酸含量減少，進而導致糖酸比的增大是否使果實的品質得到改善。但加氣灌溉下番茄紅素和維生素C含量的顯著增大，卻是番茄果實品質提高的表現。有研究表明，番茄紅素和維生素C是人類飲食中抗氧化劑的重要來源之一，也與減少人類某些疾病的發生息息相關[37-39]。LI等[34]研究也表明，通過地下滴灌向土壤中注入空氣，使得番茄紅素、維生素C、糖酸比分別顯著增大了2%、41%和43%。因此，加氣灌溉在積極影響作物生長和產量的基礎上，還顯著提高了果實品質，改善了果實風味，有利于提高果實的商業價值。

BHATTARAI等[9]的研究表明相比于相對較低的灌水水平，當土壤含水率維持在田間持水量水平時，加氣灌溉對果實產量的影響作用更顯著。WOLF[40]指出當土壤中空氣、水分和養分達到最優平衡狀態時，作物生產力可達到最大。BEN-NOAH等[6]對比研究了地上滴灌、地下滴灌和分別依此向土壤中注入空氣，結果表明當重黏土中土壤含水率較高時，只有向土壤中注入空氣可保證作物不受土壤缺氧的危害，進而提高產量。本試驗中，在kcp為1.0時加氣灌溉(處理W2D1O和W2D2O)下作物產量較高(圖4)，灌水水平的提高和加氣灌溉對番茄單株產量和單果質量存在顯著的積極交叉影響(表6)。相比于不加氣灌溉和kcp為0.6的灌水水平，加氣灌溉下和kcp為1.0時，番茄產量分別對植株的株高、莖粗和葉面積更加敏感(表7)。由此可知，本試驗中kcp為1.0水平下進行加氣灌溉對植株生長、番茄產量的積極影響效應更明顯。雖然隨灌水水平的提高，果實品質有所降低，但是相比于灌水水平，加氣灌溉對番茄果實品質的積極影響效應更明顯(表8)。本試驗中，滴頭埋深的變化對番茄根區土壤環境、植株生長、果實產量和品質沒有產生顯著的影響，一是由于2種滴頭埋深深度差異較小，因此對作物的影響差異不顯著，另外15 cm和25 cm的埋深都處于番茄根系的集中生長區域[16,34]，因此在這2個深度加氣或不加氣的影響差異均不顯著。綜合分析番茄植株生長發育、番茄產量和果實品質，kcp為1.0灌水水平下進行加氣灌溉，即W2D1O、W2D2O處理是本試驗條件下對溫室番茄較優的加氣灌溉模式。

4 結論

(1)加氣灌溉較不加氣地下滴灌處理土壤氧氣含量顯著增大了6.42%(P<0.05)，土壤體積含水率下降了5.29%。加氣灌溉有效改善了土壤通氣性，緩解了地下滴灌下的土壤缺氧狀況。

(2)與不加氣地下滴灌相比，加氣灌溉下番茄單株產量和水分利用效率分別顯著增大了29.04%和28.11%，且加氣灌溉下番茄產量的提高伴隨著植株莖粗和葉面積的顯著增大、開花期的延后、單果質量和果干質量的顯著增大以及果實中番茄紅素、維生素C和可溶性糖含量的顯著增加。

(3)綜合考慮對番茄植株生長發育、果實產量和品質的影響，kcp為1.0灌水水平下進行加氣灌溉是本試驗條件下相對較優的加氣灌溉模式。

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Impacts of Oxygation on Plant Growth, Yield and Fruit Quality of Tomato

ZHU Yan1,2CAI Huanjie1,2SONG Libing1,2CHEN Hui1,2

(1.KeyLaboratoryforAgriculturalSoilandWaterEngineeringinAridandSemiaridAreas,MinistryofEducation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.InstituteofWater-savingAgricultureinAridAreasofChina,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Oxygation, which can impose aerated water to root zoon through Mazzei injector and subsurface drip irrigation (SDI) line, has been effectively overcoming problems associated with hypoxic soil environment induced by SDI and showing yield potentials and great application prospects. The objective of this study was to explore the impacts of oxygation under different irrigation levels and emitter depths conditions on soil aeration, plant growth, fruit yield and quality. Plot experiments were conducted in a greenhouse during tomato growing season (from Apr. 11, 2016 to Jul. 2, 2016) under the oxygation (O) and SDI (S) conditions with two different irrigation levels correlated with crop-pan coefficients (kcp) being 0.6 (W1) and 1.0 (W2) and two different emitter depths of 15 cm (D1) and 25 cm (D2), respectively. Consequently, there was a total of eight treatments (W1D1O，W1D1S，W2D1O，W2D1S，W1D2O，W1D2S，W2D2O and W2D2S) and replied three times, and the plots followed a randomized complete design. In order to assess the benefits of oxygation on soil aeration, variations of soil oxygen concentration (Os) and soil volumetric water content (θv) were investigated. Meanwhile, plant height, stem diameter, leaf area, yield of per plant and fruit weight at harvest were measured, and blooming date and the period of flowering were recorded, and the lycoypene, vitamin C, soluble sugar and organic acid contents of fruit were analyzed in order to study the impacts of oxygation on plant growth, yield and fruit quality. The results showed that oxygation appeared to improve soil aeration effectively accompanied withOssignificantly increased by 6.42% (P<0.05) andθvdecreased by 5.29%, compared with no-aerated SDI. Meanwhile, stem diameter and leaf area with oxygation were significantly 4.55% and 16.21% higher than SDI, respectively (P<0.05). On other hands, compared with SDI treatments, flowering was about 2 days later and the flowering period showed a tendency to prolong under oxygation conditions. What’s more, fruit dry weight in the biomass compositions was significantly increased by 23.57% and yield of per plant, fruit weight and water use efficiency with oxygation were significantly 29.07%, 23.93% and 28.11% higher than no aeration SDI, respectively. Thus, oxygation significantly stimulated plant growth and development, and then improved yield by controlling soil water-air ratio and ameliorating soil aeration. What’s more, compared with no-aerated SDI, the lycoypene, vitamin C and soluble sugar contents and sugar/acid ratio of fruit under oxygation conditions were significantly increased by 37.73%, 31.43%, 32.30% and 45.64%, respectively. Thus, not only fruit yield, but also fruit quality and taste benefitted from oxygation. On other hands, although increasing irrigation level from 0.6 to 1.0 also stimulated plant growth and development, and then increased fruit yield, lycoypene and soluble sugar contents of fruit were significantly decreased. In other words, yield increased with irrigation level increasing, but fruit quality declined. But the effects of irrigation level were less intensive than the positive effects of oxygation on fruit quality. What’s more, oxygation and increasing irrigation level interactively affected on yield. Thus, when all of fruit quality factors, plant growth and development and yield were considered together, combinations of oxygation and the 1.0 irrigation level (W2D1O and W2D2O) were the preferable treatments.

tomato; oxygation; soil aeration; growth; yield; fruit quality

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.023

2017-05-26

2017-06-21

國家重點研發計劃項目(2016YFC0400200)和國家自然科學基金項目(51171798)

朱艷(1989—)，女，博士生，主要從事節水灌溉理論與技術研究，E-mail: zhuyan2015@nwsuaf.edu.cn

蔡煥杰(1962—)，男，教授，博士生導師，主要從事農業節水與水資源高效利用研究，E-mail: caihj@nwsuaf.edu.cn

S152.7； S512.1

A

1000-1298(2017)08-0199-13