根際通氣栽培對薄皮甜瓜生長及養分吸收的影響

周華杰 尹楊 李璇 包振興 劉義玲

摘 要：為探討根際通氣栽培對薄皮甜瓜生長及養分吸收的影響，以薄皮甜瓜‘玉美人為試材，在營養基質槽式栽培條件下，進行根際不同通氣量（CK：不通氣；h：20 L·min-1；a：40 L·min-1）處理，研究了薄皮甜瓜在不同根際通氣量下植株生長和養分吸收的變化規律。結果表明，通氣處理可以顯著增加根際O2濃度，降低根際CO2濃度。處理第10 d時，a和h處理株高分別較CK高出18%和8%。根長、根體積、根系活力和葉綠素（a+b）含量在處理第20 d時，a和h處理分別較CK高14.94%、43.69%、49.37%、19.35%和12.64%、21.83%、34.13%、11.52%。通氣處理顯著提高了甜瓜單瓜質量，a和h處理分別是CK的1.5倍和1.2倍。果實中可溶性固形物、蛋白質、維生素C和可溶性總糖含量均顯著高于CK。通氣栽培促進了根系對基質中堿解氮、速效磷和速效鉀的吸收。在處理30 d時，a和h處理基質中堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別比CK降低了23%、21% 、21%和14%、14%、13%。綜合分析表明，在甜瓜果實發育期，a處理更有利于植株生長、果實發育及根系對養分的吸收。

關鍵詞： 甜瓜；基質栽培；根際通氣；養分吸收

Abstract： In order to investigate the effects of rhizosphere aeration cultivation on the growth and nutrient absorption of oriental melon， the oriental melon‘Yumeiren was used as material in the study，and different rhizosphere ventilation treatments （CK：no aeration treatment；h：20 L·min-1；a：40 L·min-1） were conducted under the conditions of nutrient matrix groove cultivation.The variations of plant growth and nutrient absorption under different rhizosphere ventilation were studied. The results showed that aeration treatments could significantly increase the concentration of rhizosphere O2 and reduce the concentration of rhizosphere CO2. On the 10th day of treatment，the plant heights of treatments a and h were 18% and 8% higher than those of CK，respectively. The root length，root volume，root activity and chlorophyll（a+b） content on the 20th day of treatment，a and h treatments were 14.94%，43.69%，49.37%，19.35% and 12.64%，21.83%，34.13%，11.52% higher than the CK，respectively. Aeration treatments significantly increased single melon fruit weight，a and h treatments were 1.5 and 1.2 times that of the ck，respectively.The contents of soluble solid，protein，vitamin C and total soluble sugar in fruits were significantly higher than those in CK. Aeration cultivation promoted the absorption of available nitrogen，available phosphorus and available potassium by the root system. At 30 days，the contents of available nitrogen，available phosphorus，and available potassium in matrix，a and h treatments reduced by 23%，21%，21%，and 14%，14%，13% compared to ck，respectively. Comprehensive analysis showed that the treatment a was more conducive to plant growth，fruit development，and root absorption of nutrients during the melon fruit development period.

Key words： Melon； Medium cultivation； Rhizosphere aeration； Nutrient absorption

近年來，對于如何改善植物外部生長環境促進植物生長的研究已有很多，并取得了豐碩的成果[1-5]，但根區氣體環境對植物生長影響的理論與栽培技術的研究還不系統和完善。研究發現，土壤空氣O2的臨界值為14%，CO2臨界值為4%[6]。當土壤中的O2體積分數在20%以下時，植物的呼吸速率便開始下降，低于10%時，無氧呼吸出現并增強，使植物產生酸中毒，抑制根尖細胞的分裂，根的吸收功能減弱甚至喪失，影響根系內物質的運輸，對植物的生長發育造成嚴重危害[7]。當土壤中的CO2體積分數高于5%時能明顯抑制植物根系呼吸作用，CO2體積分數達到10%～15%時阻礙植物根系生長和種子發芽，超過15%阻礙根系呼吸和吸收功能，使根系不能擴展，甚至造成植物窒息而死[8]。現代設施蔬菜栽培中，由于長期大量施肥、少中耕、機械化操作增加、設施內通風較差等原因，導致土壤緊實，通氣孔隙度減小，在很大程度上限制了土壤與大氣的氣體交換[9-12]。劉義玲等[13]研究表明根際長期高體積分數的CO2會抑制甜瓜生長。牛文全等[14]和郭超等[15]研究發現對玉米根際通氣處理能顯著增強其根系活力，促進根系生長，提高了根系吸收養分和水分的能力。

甜瓜根系發達，對氧氣的需求量大，根系呼吸強度高，栽培介質中通氣不良是限制其產量和品質的主要因子之一[16]。因此，如何解決根際水氣矛盾，并找到調控根際氣體環境的有效栽培方式，對設施甜瓜的高產優質栽培具有重要意義。本試驗在基質槽式栽培條件下，研究了根際通氣處理對薄皮甜瓜生長發育及營養吸收利用的影響，以期明確甜瓜在果實發育期合適的通氣量，為生產上改善植株生長的根際環境措施的研發與應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗采用品種為‘玉美人薄皮甜瓜，于2017年3—7月在沈陽農業大學園藝學院后山科研基地日光溫室內進行。

1.2 試驗設計

本試驗設置3個處理（h、a、CK）：h處理在甜瓜第1雌花開放當天通氣12 h，通氣時間段為早上7點到晚上19：00，通氣量為20 L·min-1，以后每隔48 h通氣12 h；a處理在甜瓜第1雌花開放當天通氣12 h，通氣時間段為早上7：00到晚上19：00，通氣量為40 L·min-1，以后每隔48 h通氣12 h；CK（對照）為不做通氣處理，為保證處理間槽內空間一致性，槽內也插10根通氣管并用膠帶封口。采用隨機區組設計，每個處理3次重復，每個處理共計33株苗，單蔓整枝吊蔓栽培，人工授粉，單株留2個瓜。定量澆山崎甜瓜配方營養液，其他栽培管理與生產相同。

1.3 試驗栽培裝置

本試驗栽培裝置縱斷面如圖1所示，栽培槽長400 cm，寬20 cm，深18 cm。槽底部鋪設一層高2.5 cm帶孔支架，保證槽內空間聯通，且可使多余的水分與基質隔離，帶孔支架上再鋪設一層紗網用來防止基質落入下層空間。紗網上填充15 cm厚的基質。基質以牛糞和草炭為主。每個基質槽內插10根高25 cm，直徑25 mm的硬質塑料管，塑料管內部再插入一根通氣軟管用來連接通氣泵，塑料管與通氣軟管連接處用膠塞連接并用膠帶封實，保持其密閉性，防止漏氣。氣體經過導氣軟管進入硬質塑料管，經過通氣孔和下部的開口處進入基質中，從而達到通氣的目的。

1.4 測定項目與方法

分別在通氣處理0、10、20、30、40 d進行取樣測定（氣體指標測定與取樣均在不通氣時間段）。采用單株采樣，每個處理重復取樣3次。氣體每次檢測時間均在14：00—15：00之間，其他指標取樣時間為15：00—17：30之間。

1.4.1 根際CO2、O2體積分數測量 根際CO2氣體采用泵吸式復合式氣體檢測儀（科爾諾電子科技有限公司型號為GT-903）檢測。檢測方法為：將泵吸式復合式氣體檢測儀進氣口連接橡皮管，從熱熔管中插入栽培槽底部連通空間，測量連通空間中CO2體積分數。根際O2采用光纖測氧儀（德國品牌Pyro-science，型號為FirestingO2）檢測。檢測方法為將光纖測氧儀探針從熱熔管中插入栽培槽底部連通空間，測量連通空間中O2體積分數。對于溫室內空氣中CO2體積分數與O2體積分數的測定位置為溫室中間部位，即試驗材料栽培床上部位置。

1.4.2 生長發育指標測量 根長、株高、莖粗使用卷尺、游標卡尺測量；根體積采用排水法測量；根系活力測定采用氯化三苯基四氮唑（TTC）還原法；葉綠素含量測定采用丙酮乙醇混合液法[17]。

1.4.3 果實產量、品質指標測定 單果質量使用天平稱量；可溶性固形物含量使用電子測糖儀直接測定；可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法；可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍G-250法；維生素C含量測定采用鉬藍比色法[17]。

1.4.4 栽培基質的養分測定 堿解氮測定采用堿解擴散法；速效磷測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀測定采用NH4OAc（乙酸銨）浸提-原子吸收分光光度計測定法[18]。

1.5 統計分析

試驗采用SPSS軟件和Excel進行數據處理和分析作圖，并用Duncans法進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 根際通氣對薄皮甜瓜根際CO2和O2體積分數的影響

由圖 2-A可以看出，基質中CO2體積分數顯著高于溫室內CO2體積分數，h處理與a處理的CO2體積分數顯著低于CK。隨著通氣時間的延長，基質內CO2體積分數緩慢降低，降低的幅度顯著高于對照。由圖2-B可以看出，基質中O2體積分數顯著低于溫室內O2體積分數，在處理10 d以后，各處理間O2體積分數差異顯著，隨著甜瓜的生長，基質中O2體積分數保持穩定，h和a處理較CK分別提高了25%和50%。表明根際通氣可以顯著降低根際CO2體積分數，增加O2體積分數并保持穩定。

2.2 根際通氣對薄皮甜瓜生長的影響

由圖3可以看出，通氣處理對株高、莖粗、根長和根體積均產生不同程度的影響。在第10 d時，各處理間株高（圖3-A）差異顯著，a處理和h處理分別較CK高出18%和8%。各處理均生長至第22節位時進行打頂，在處理第20 d各處理株高均趨于穩定。莖粗（圖3-B）在第20 d時，a和h處理間差異不顯著，但顯著高于CK。a處理和h處理根長（圖3-C）在10～30 d時有顯著差異，在第40 d時差異不顯著，但均顯著高于CK。a處理和h處理根體積（圖3-D）均顯著高于CK，不同通氣量處理間無明顯差異。表明通氣處理栽培對地上部分影響不明顯，主要影響了甜瓜的根系生長。

在甜瓜整個生長發育過程中，各處理甜瓜根系活力（圖3-E）均呈先升高后下降的趨勢。根系活力在第10 d時a處理與h處理差異極顯著。在第20 天時，各處理甜瓜根系活力均達到最大值，其中a處理較CK高出49%；h處理較CK高出34%。在20 d以后，通氣量的不同對甜瓜根系活力無顯著影響。說明根際通氣處理對甜瓜的根系活力有顯著影響，在通氣前期（20 d之前）不同通氣量對甜瓜的根系活力有顯著影響，在通氣后期（20 d之后），不同通氣量處理對甜瓜根系活力無顯著影響。

2.3 根際通氣對薄皮甜瓜葉片光和色素含量的影響

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，它在光合作用的光吸收中起核心作用。由圖4可知，隨著甜瓜的生長，葉綠素含量均為先增加后減少，不同通氣量處理的葉綠素含量顯著高于對照。葉綠素a、葉綠素b和葉綠素（a+b）在通氣30 d時均達到最大值，a處理與h處理與CK間差異顯著。由圖4-A可以看出，在處理30 d時，a處理葉綠素a較CK高28%；h處理較CK高11%；圖4-B可以看出葉綠素b變化趨勢與葉綠素a相同，不同通氣量處理與CK均產生顯著差異。圖4-C可以看出葉綠素（a+b）在處理30 d時，a處理較CK上升了27%，h處理較CK上升了11%。以上結果表明通氣可以增加葉綠素的含量，不同通氣量的處理，對葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）的含量具有顯著影響。

2.4 根際通氣對薄皮甜瓜單果質量、果實品質的影響

由表1可以看出不同通氣量處理對甜瓜的單果質量有顯著影響。a處理的甜瓜單果質量是h處理的1.3倍，是CK的1.5倍；h處理的甜瓜單果質量是CK的1.2倍；說明通氣處理可以顯著提高甜瓜的產量。通氣量較大的a處理產量最高。a處理和h處理可溶性固形物、可溶性蛋白含量、維生素C含量分別比對照高32%、89%、70%和16%、32%、34%。綜上所述可知，通氣處理對甜瓜果實品質有顯著影響，且隨著通氣量的增加，果實的可溶性固形物、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、維生素C含量均有較大的提高。

2.5 根際通氣對薄皮甜瓜基質養分含量的影響

由圖5可以看出，基質中速效磷、速效鉀含量與堿解氮含量均隨著甜瓜的生長呈現先增加后減少的趨勢。在處理10 d時，基質中堿解氮含量、速效磷含量和速效鉀含量均以CK最高且h處理與a處理之間無明顯差異；在處理20～40 d時，各處理基質中堿解氮含量、速效磷含量和速效鉀含量均存在顯著差異，其中在處理30 d時，各處理間差異最大，h處理的堿解氮含量、速效磷含量和速效鉀含量分別比CK降低了14%、14%和13%；a處理的堿解氮含量、速效磷含量和速效鉀含量分別比CK降低了23%、21%和21%；a處理較h處理的堿解氮含量、速效磷含量和速效鉀含量分別降低了11%、9%、9%。從而說明，通氣處理有效促進了甜瓜對基質中堿解氮、速效磷和速效鉀的吸收，且隨著通氣量的增加，甜瓜對養分的吸收也增加。

3 討論與結論

3.1 根際通氣對薄皮甜瓜生長發育的影響

通氣處理能有效促進番茄、黃瓜、馬鈴薯等植株根系、株高、莖粗、生物量等的生長，增加葉片葉綠素含量[19-21]，促進光合作用的進行，增強作物根系活力，促進根系生長。郭超等[15]和楊潤亞等[22]研究了根際通氣對盆栽玉米與鹽分脅迫對玉米植株生長狀況及生物量的影響結果表明，通氣處理顯著提高了玉米的株高、莖粗、葉面積與葉綠素含量，促進玉米根系和地上部分干物質的積累。李勝利等[20]通過不同的根際通氣處理對盆栽黃瓜生長初期及根際CO2含量影響的研究結果表明，根際通氣處理可降低根際CO2含量，改善黃瓜植株根系生長環境并促進株高、莖粗等的生長。

本試驗結果表明，基質通氣栽培能夠大量增加基質中氧氣含量，減少基質中的CO2含量。通氣栽培對甜瓜的根長、根體積、根系活力和葉片葉綠素含量有明顯的促進作用。根系吸收營養和水分是消耗能量的過程，而能量的供給主要是由根系有氧呼吸提供的。對基質根際進行通氣處理，增強了土壤有氧呼吸，提高了根系吸收養分和水分的能力，進而促進了甜瓜地下部的生長。通氣栽培對甜瓜生殖生長期的株高和莖粗的影響并不大，這可能是因為本試驗通氣時間為甜瓜生殖生長期，此時甜瓜的營養生長不如生殖生長旺盛，與此同時甜瓜果實對根系吸收的養分需求量也比較大，從而導致甜瓜的株高和莖粗與對照相比并沒有明顯的差異。這與郭超等[15]和楊潤亞等[22]對盆栽玉米的研究結果略有不同，可能是由于作物不同及通氣開始時期不同所致，本研究在果實發育期開始通氣，植株營養生長基本已達到最旺盛時期，主要影響果實發育和產量品質的形成過程。

3.2 根際通氣對薄皮甜瓜果實產量和品質的影響

不同通氣量處理對甜瓜的果實產量、品質均有影響。馬金明[23]研究發現，根際CO2體積分數的升高抑制了網紋甜瓜果實橫徑、縱經的生長速度，從而抑制了果實的膨大速率，導致網紋甜瓜果實正常的發育受到阻礙，從而降低了果實的產量。

作物同化物的積累與分配是作物生長發育與產量形成的基礎[24]。長期通氣處理促進了植物的光合作用，增加了干物質的積累[25]，這勢必會促進甜瓜果實產量與品質的形成。本試驗研究發現，通氣顯著了增加了薄皮甜瓜的產量，通氣量越大，對果實的單果質量影響越大。這與張璇等[26]、孫周平等[27]和張國紅等[28]在根際通氣條件下可顯著提高作物產量的研究結果一致。褚麗敏等[29]研究發現，通過對番茄通氣處理，不僅提高了番茄的產量，也顯著提高番茄的果實品質，其中對于番茄的可溶性固形物影響最大，比對照提高30%以上。本試驗中，a處理的可溶性固形物、可溶性蛋白含量、維生素C含量均為最高，h處理次之。可能是由于隨著基質中氧氣含量的增加，根系對營養的吸收能力加強，植株的光合作用增大，促進光合產物從源到庫的分配，進而影響果實的發育過程，提高果實產量和品質。因此，通氣栽培有利于甜瓜果實品質的提高，且在一定范圍內隨著通氣量的增加，對甜瓜果實品質形成的促進作用也增強。

3.3 根際通氣對薄皮甜瓜基質養分含量的影響

前人研究發現，根際通氣提高了黃瓜根系代謝能力水平、基質酶活性和基質養分含量[8，30-31]，這可能是因為根區氣體環境的變化直接影響土壤微生物和植物生長，影響了土壤酶活性，加快了土壤有機質的礦化，提高土壤養分有效性[32]。

本試驗研究結果表明，隨著甜瓜的生長，基質中堿解氮含量、速效磷含量和速效鉀含量均以CK最高，且隨著通氣量的增加，各處理之間堿解氮含量、速效磷含量和速效鉀含量差異顯著。從而說明，通氣處理有效促進了甜瓜對基質中堿解氮、速效磷和速效鉀的吸收，且隨著通氣量的增加，甜瓜對養分的吸收也增加。根系對土壤中能量、養分的吸收是根系一切活動的基礎，根系能量的產生主要來源于根系的呼吸作用，而根際 CO2和 O2體積分數又與根系的呼吸作用緊密相聯[33-34]。增氧處理解決了土壤低O2和高CO2的矛盾。這與陳紅波等[8]、趙旭等[35]和張瑩瑩等[36]的研究結果基本一致。也有研究發現，土壤中過高的CO2含量會使根呼吸減弱甚至停止，降低植物對養分、水分的吸收和向地上部的運輸，從而導致單位面積莖葉內的養分含量減少[37-39]。進而得出通氣良好的基質能顯著促進根系對基質內營養元素的吸收。

通過對本試驗及前人研究結果綜合分析得出，在基質槽式栽培條件下，甜瓜果實發育期適宜通氣方式為每48 h通氣12 h，通氣量為40 L·min-1。

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