不同增氧水平對夏玉米生長及氮素利用的影響

杜 君 臧 明 雷宏軍,? 王志勇 和愛玲

(1河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所,河南 鄭州 450002；2華北水利水電大學水利學院,河南 鄭州 450046； 3 河南省土壤肥料站,河南 鄭州 450002)

土壤空氣、水分和養分之間的平衡與供應對作物高產潛力的發揮至關重要[1]。協調土壤水氣環境以維持根系正常的新陳代謝,是灌溉追求的目標[2-3]。研究表明,灌溉水入滲會使土壤孔隙中的空氣被驅離,導致土壤濕潤區出現短期的缺氧現象[4]。土壤通氣性改善以及由此帶來的根系吸收和運輸功能的改善是作物增產增效的根本所在[5]。增氧滴灌是通過滴灌(drip irrigation, DI) 或地下滴灌(subsurface drip irrigation,SDI)水流向植物根區輸送氧氣(或含氧物質)的一種新型灌水技術[2],在一定程度上改善了作物根區缺氧環境,激發了作物高產潛力。常用的增氧技術主要為文丘里射流器單次曝氣[6-7]或循環曝氣[8-9]。Goorahoo 等[10]采用Mazzei 文丘里空氣射流器進行單次曝氣,證實了增氧灌溉的好處,并提出了可行的方法。Lei 等[11]研究發現使用文丘里空氣射流器及流體射流器曝氣,在一定程度上提高了水中溶解氧的濃度及持續時間,對玉米的株高及產量有顯著的改善作用。Bhattarai 等[6]和Chen 等[7]研究表明,文丘里空氣射流器單次曝氣能提高作物水分利用效率,促進作物生長,提高作物產量。此外,研究表明,循環曝氣可以提高小白菜[12]和草莓[13]的產量和水分利用效率,還能提高小白菜的養分利用效率[12]。使用純氧曝氣可極大提高灌溉水溶解氧濃度及傳輸的均勻性,對土壤通氣性有顯著的改善效果。Zheng 等[14]研究4 種溶解氧(dissolved oxygen,DO)濃度(5.3、10、20、30、40 mg·L-1)對水培西紅柿的影響,發現隨著溶解氧濃度的升高,株高顯著增加,其中溶解氧濃度為30 mg·L-1可能是促進西紅柿生長的上限濃度。周云鵬等[15]研究5 種不同加氧濃度灌溉(30、25、20、15、10 mg·L-1)對水培蔬菜的影響,發現油麥菜、小白菜和小油菜的適宜溶解氧濃度為10～20 mg·L-1。與純氧曝氣相比,空氣循環曝氣產生的水氣耦合物具有摻氣比例高、溶解氧值較低的特點[8],目前二者在促進作物增產效果的比較尚不明確；前人研究[9,14-15]發現純氧循環曝氣極大提高了灌溉水中的溶解氧濃度,適合水培蔬菜和長距離灌溉,而不同增氧水平對夏玉米影響的研究尚鮮見報道。本試驗以夏玉米為供試作物,研究不同增氧水平對夏玉米生長及氮素吸收的影響,以期為增氧技術在實際生產中的合理利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點位于河南省鄭州市華北水利水電大學農業高效用水實驗場(34°47′5.91″N,113°47′20.15″E),該地屬于暖溫帶亞濕潤季風氣候區,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。試驗期間的氣溫變化如圖1 所示。

圖1 試驗地點氣溫變化Fig.1 Air temperature dynamics at the experimental site

1.2 試驗材料

供試土壤為鄭州壤質粘土, 土壤容重1.10 g·cm-3,砂粒、粉粒和黏粒的質量分數分別為34.59%、31.94%、33.47%,基本理化性質：pH 值7.10、有機質1.37%、速效氮84.33 mg·kg-1、速效磷11.16 mg·kg-1和速效鉀133.71 mg·kg-1。供試玉米品種為鄭單035,購自河南商都種業有限公司。

1.3 試驗設計

以普通地下滴灌為對照(CK),設置灌溉水溶解氧(DO)濃度為10(記作OA10)、20(記作OA20)和40 mg·L-1(記作OA40)3 個增氧水平,每個處理5 次重復。盆栽布置為4×5 方陣,每列4 個處理隨機布置,盆間距30 cm。

將文丘里射流器(Mazzei air injector 384,Mazzei Injector 公司,USA)置于水流的干路上,利用偏壓射流器進出口的壓力差吸入罐體頂部的承壓氣體,利用水泵將灌溉水循環通過文丘里射流器,進行循環曝氣,曝氣壓力為0.1 MPa。以曝氣罐中溶解氧儀監視灌溉水中溶解氧,達到預定值后開始灌溉。其中,OA10 采用空氣循環曝氣,在0.1 MPa 下循環10 min 達到10 mg·L-1的溶解氧水平[8]；OA20 和OA40 均采用純氧曝氣,將文丘里進氣口和高壓氧氣瓶連接起來,通過氧氣瓶首部的減壓閥將壓力調整至0.10 MPa,使用氧氣進行循環曝氣,采用Oriental Legend 溶解氧測定儀(鄭州達而克電子科技有限公司)動態監測曝氣水中的溶解氧濃度并控制曝氣的時間。

盆栽桶規格為高50 cm、直徑40 cm。在每個處理桶的桶壁包裹一層遮陽布。每盆裝土初始質量為80 kg,質量含水量25%。采用地下滴灌方式進行灌溉,每桶中心位置埋設一個滴頭[奈特菲姆(北京)農業科技有限公司],流量2.2 L·h-1,灌溉壓力為0.1 MPa,滴頭埋深15 cm。

1.4 試驗管理

玉米播種時間為2017年6月15日,記為播種后第1 天,全生育期共計110 d,于2017年10月3日收獲。每盆播種3 粒,播種深度為3 ～4 cm,出苗整齊后做間苗處理,保留1 株。試驗布置在移動遮雨棚下進行,降雨時用雨棚遮擋,其余時間打開雨棚。灌水上限為85%田間持水量,采用稱重法監測土壤含水量,當耗水量達到上次灌水量的80%時進行灌溉,灌水量為上次灌水量的80%。采用稱重法計算每次灌溉水量。肥料為全要素水溶性肥料施樂多(15-15-30+TE,中國康拓肥料有限公司)。播種前,基肥用量為30 g·pot-1,均勻攪拌施于表層土體的三分之一處。分別播種后50、75 d 通過水肥耦合方式追肥2 次,每次10 g·pot-1。

1.5 測定指標及方法

1.5.1 土壤溶液溶解氧濃度的測定 采用OXY4-mini 光纖微氧傳感器(德國Presens 公司)測定。相同處理選擇長勢一致的4 盆土壤測量其土壤溶液中溶解氧濃度。播種前于側面打孔埋入盆中,探針埋設深度為20 cm,埋于作物正下方。數據采集過程為5 min,待數據穩定后自動記數。在試驗第57 ～第60 天測量1 個完整的灌水周期,分別于每天9：00 和15：00 進行測量。

1.5.2 株高的測定 分別于試驗第38、第47、第59、第73 和第97 天測量玉米植株的株高(cm)。

1.5.3 干物質量的測定 在生育末期,將玉米地上部分的莖和葉剪下,根系完整挖出,用水將泥土沖洗干凈后,將地上部和地下部分開測量,105℃殺青30 min后,調節至70℃放置72 h 烘干至恒重,稱量干物質量,并計算根冠比。

1.5.4 根系體積及根系活力的測定 于生育末期,挖取根系采用排水法測量根系體積,然后取鮮樣測定其根系活力,采用TTC(2,3,5-三苯基氯化四氮唑)法[12]進行根系活力測量,每桶取4 個重復。

1.5.5 產量及水分利用效率的測定 以桶為單位測產,玉米收獲后于陽光下晾曬至恒重,采用百分之一電子天平稱量籽粒質量,計算產量和百粒重。按照公式計算水分利用率(water use efficiency,WUE,kg·m-3)：

1.5.6 植株養分的測定 區分莖、葉、根系及籽粒采收,樣品烘干后經粉碎過篩,利用H2SO4-H2O2消解,采用K9840 凱氏定氮儀(中國海能儀器股份有限公司)測定全氮。按照公式[16]分別計算各器官氮吸收量(A,g·pot-1)、籽粒氮分配比例(B,g·g-1)、氮素吸收效率(C,g·g-1)：

式中,Cg：各器官氮質量濃度,g·kg-1；Mm：器官干物質量,g·pot-1；ZN：籽粒氮吸收量,g·pot-1；AN：植株各器官氮素吸收總量,g·pot-1；Y：氮肥施用量,g·pot-1。

1.6 數據處理

采用SigmaPlot 12.5 軟件處理數據；Fisher LSD 方法進行差異顯著性檢驗(顯著性水平設定為P ＜0.05)。本試驗中所有數據均以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤溶液中溶解氧濃度的影響

由圖2 可知,灌水后不同濃度的土壤溶解氧均呈先下降后逐步上升的趨勢。其中,以OA40 最高,OA20 和OA10 次之,CK 最低。OA40、OA20、OA10 和CK 在完整灌水周期內的溶解氧濃度平均值分別為8.75、8.36、8.23 和7.62 mg·L-1,OA40、OA20 和OA10分別較CK 平均增加了14.83%、9.71%和8.00%。

圖2 不同處理下土壤溶液溶解氧濃度的動態變化Fig.2 Dynamic change of DO concentration of soil solution under different treatment

2.2 不同處理對夏玉米生長指標的影響

2.2.1 株高 由圖3 可知,第73 天時,OA10 處理下的玉米株高顯著高于CK(P＜0.05),較CK 平均增加5.64%；第97 天時,OA10 處理玉米株高較CK 顯著增加7.39%(P＜0.05),而其他各處理與CK 間均無顯著差異(P＞0.05)。

圖3 不同處理下玉米株高的動態變化Fig.3 Dynamic change of maize plant height in different treatment

2.2.2 地上部物質量 由表1 可知,與CK 相比,不同增氧處理下的地上部物質量積累均明顯增強,其中,OA10 處理的葉鮮重和葉干重分別較CK 顯著增加16.30%和12.02%(P＜0.05),OA40 處理的葉干重和莖鮮重分別較CK 顯著增加15.82%和12.43%(P ＜0.05)。其余增氧處理各指標與CK 間均無顯著差異(P＞0.05)。

2.2.3 根系 由表2 可知,與CK 相比,OA10、OA20和OA40 的根系鮮重分別顯著增加60.00%、17.66%和52.98%(P＜0.05),根體積分別顯著增加34.03%、14.56%和51.32%(P＜0.05)；OA10 和OA40 處理的根系干重較CK 分別顯著增加30.32%和14.92%(P＜0.05)；OA10 和OA20 處理的根系活力較CK 分別顯著增加272.77%和64.44%(P＜0.05)。

表1 不同處理下地上部物質量Table 1 Aboveground biomass in different treatment /(g·pot-1)

表2 不同處理下根系質量、根系體積和根系活力Table 2 Root weight, root volume and root activity in different treatments

2.2.4 產量和水分利用效率 由表3 可知,與CK 相比OA10 和OA40 處理的產量分別顯著增加24.46%和21.83%(P＜0.05),百粒重分別顯著增加17.53%和15.14%(P＜0.05)；OA10、OA20 和OA40 水分利用率分別顯著增加19.10%、10.55%和21.61%(P＜0.05)。

表3 不同處理下夏玉米產量和水分利用效率Table 3 Yield and WUE in different treatment

2.3 不同處理對夏玉米氮素吸收的影響

增氧灌溉處理促進了夏玉米對氮素的吸收利用。由表4 可知,OA40 處理的葉片氮素質量濃度較CK 顯著加54.1%(P＜0.05),OA10 處理的籽粒氮元素含量顯著增加32.03%(P＜0.05)。由表5 可知,玉米不同部位氮素積累量也有所改善,OA10 處理的籽粒氮素積累量顯著提高了63.90%(P＜0.05),OA40 處理的葉片、根系和籽粒氮素積累量分別顯著提高了74.67%、21.43%和35.27%(P ＜0.05)。籽粒氮素分配比例是小麥籽粒形成的氮素效率的重要指標。籽粒氮素分配比例越大,氮素越集中在籽粒,表明氮素對籽粒形成的效率越高。由表6 可知,OA10 處理的籽粒氮素分配比例和氮素吸收效率分別較CK 顯著增加21.57%、33.33%(P＜0.05)。

表4 不同處理下夏玉米不同部位氮素質量濃度Table 4 Nitrogen concentration in different parts of maize in different treatment /(g·kg-1)

表5 不同處理下夏玉米不同部位氮素積累量Table 5 Nitrogen uptake in different parts of maize in different treatment /(g·pot-1)

表6 不同處理下夏玉米籽粒氮素分配比例和氮素吸收效率Table 6 Nitrogen partitioning ratio and nitrogen uptake efficiency in different treatment /(g·g-1)

3 討論

研究表明,土壤氧氣臨界濃度應包括氣相和液相兩部分的貢獻[17],土壤溫度、土壤水分及土壤氧氣狀況均對土壤呼吸有重要影響[18]。前人研究發現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提高[19],且淺層土壤氧氣濃度大于深層土壤[20]。這與本研究結果一致。本研究中,土壤溶液中的溶解氧濃度受增氧地下滴灌的影響較大,增氧處理土壤溶液溶解氧濃度較CK 顯著提高。研究表明,根區低氧脅迫不利于植株的生長,增氧灌溉將氧氣或含氧物質輸送到根區,能夠滿足根系生長的需求,繼而促進植株的生長發育[21],并有效提高植株生物量積累[10,22]。本研究中,OA10 處理的株高顯著大于CK,而其他增氧處理無顯著差異,這可能是由于OA10 處理采用的為空氣循環曝氣,除增加了灌溉水中的溶解氧濃度外,還摻入了大量微氣泡[8],對土壤環境的改善效果較為持久,對植株的生長改善明顯[23]。

根區缺氧會影響作物根系的生長和營養物質的運輸,限制作物的生長[l]。而增氧地下滴灌可改善根區的缺氧環境,可促進作物的物質量積累[24]。本研究表明,增氧灌溉處理的地上各部分的鮮重均有顯著提高,干重也得到顯著改善,其中以OA10 和OA40 處理表現最好。這是由于植株根系的生長狀況直接影響其地上部分的生長發育,根系對氧氣的缺乏較敏感,缺氧會抑制根系生長[25]。上述結論在番茄[19]和大豆[6]上也得到了證實。本研究表明,增氧處理的根鮮重和根體積均大于CK,其中OA10 處理的根系活力顯著增強,表明增氧處理對根系有明顯的增強作用,促進了根系的干物質積累。

高產、優產是農業生產追求的主要目標。研究表明,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[26]。作物的生長受益于根區缺氧環境的改善[27],作物的產量也因此從中受益[28]。Abuarab 等[29]發現玉米產量從增氧灌溉中受益,本研究也證實了這一結論。本研究中,OA10 和OA40 處理的產量較CK 均有所提高,其中OA10 的產量為最高。這可能是由于OA10 處理除增加了灌溉水中的溶解氧濃度外,還摻入了大量的微氣泡[8],而OA40 具有較高的溶解氧濃度；此外,OA10 和OA40 處理對通氣性有明顯的改善效果。本試驗還發現相同灌溉定額條件下,植株的水分利用率與產量緊密相關,增氧處理的水分利用率較CK 均有所提高。此外,增氧處理還提高了籽粒的飽滿程度,其中OA10 和OA40 的百粒重較CK 顯著增加。研究表明,增氧地下滴灌可改善作物根區缺氧環境,促進根系的生長,表現為根系對養分水分的高效吸收[30]。這與本研究結果相同。本研究中,增氧地下滴灌促進了玉米植株對氮素的吸收,OA10 和OA40 處理的籽粒氮素吸收量較CK 均有所增強,OA40 處理的葉片和根系氮素吸收量均顯著提高。此外,增氧地下滴灌不僅提高了氮素對籽粒形成的效率,還提高了植株對氮素的吸收效率。

4 結論

本研究結果表明,增氧地下滴灌顯著改善了作物根區氧氣環境,促進了作物生長及其氮素吸收顯著增強。與CK 相比,增氧處理下,土壤中溶解氧濃度均顯著提高。增氧地下滴灌促進了作物的生長和生物量積累,地上、地下部生物量顯著增加,根系活力也有顯著增強。此外,增氧地下滴灌提高了作物的產量,產量、百粒重和水分利用效率較CK 均顯著提高,促進了作物植株氮的吸收,籽粒氮素吸收量也較CK 顯著提高,籽粒氮素分配比例和氮素吸收效率也有明顯改善。本試驗條件下,采用空氣進行曝氣增氧的OA10 處理操作簡便,且在夏玉米生長和氮素吸收利用均有顯著提升,可以在增氧地下滴灌實際應用中進行推廣。