水肥氣耦合滴灌提高溫室番茄土壤通氣性和水氮利用

雷宏軍，肖哲元，張振華，楊宏光，劉 鑫，潘紅衛

（1.華北水利水電大學 水利學院，鄭州 450046； 2.魯東大學 資源與環境工程學院，山東 煙臺 264039）

0 引 言

針對水肥資源緊缺與浪費并存的矛盾、蔬菜產量增加而品質下降與人們追求食物安全與營養的矛盾，如何充分挖掘作物對水分和養分的吸收利用潛力，實現蔬菜優質的高效灌溉施肥，是近年來廣為關注的熱點。隨著滴灌技術的精細化發展，增氧滴灌已成為一種作物提質增效的新技術[1-2]。為滿足不同作物的水肥需求、減少灌水施肥用量，水肥一體化滴灌已成為精細化滴灌技術的研究熱點[3]，尤其是，增氧滴灌和水肥一體化滴灌的結合已成為滴灌的研究前沿。水肥氣耦合滴灌是增氧滴灌和水肥一體化滴灌結合的產物，是一種具有調節作物根區水肥氣狀況，改善根系生長環境的新型滴灌技術[4-5]。已有研究表明，曝氣地下滴灌對紫茄生長、水分和養分利用的促進作用明顯[6]。溫改娟等[7]研究發現，增氧灌溉提升了番茄生長、產量和果實品質。雷宏軍等[8]研究表明，增氧灌溉提高了小白菜對土壤氮、磷、鉀的吸收。沈榮開等[9]研究表明，水肥耦合條件下低水量灌溉利于肥料增產效益的發揮。劉虎成等[10]研究表明，滴灌施肥處理可顯著提高生姜根莖產量、水分利用效率、氮磷鉀的吸收量和利用效率。目前關于水肥氣耦合滴灌的研究多集中在增氧灌溉中加氧水平、灌溉水平改善作物生長和土壤通氣性等方面，對于土壤通氣性及水氮利用的協同作用研究相對較少。本試驗以番茄為研究對象，設置不同的灌水量、摻氣量和施氮量，通過監測土壤通氣性與作物生長狀況，探明水肥氣耦合滴灌對溫室番茄土壤通氣性及水氮利用的影響，以期為水肥氣耦合滴灌的推廣應用提供一定理論依據和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2017年9月27日—2018年1月28日在河南鄭州華北水利水電大學農業高效用水實驗場現代化溫室（34°47′5.91″N，113°47′20.15″E）中進行。該地區屬溫帶季風氣候，多年平均氣溫14.3 ℃，7月氣溫最高，月平均氣溫27.3 ℃，1月氣溫最低，月平均氣溫0.1 ℃，無霜期200 d，全年日照時間約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，根據溫室空氣溫度（35 ℃）及濕度上限值（85%）進行調節。番茄生育期內溫室平均相對濕度在34.5%～78.9%，平均氣溫在13.0～23.0 ℃之間波動。

1.2 試驗材料

供試番茄品種為“金鵬8 號”。供試土壤為鄭州黏土，將0～40 cm 按照每10 cm 土層取樣，平均土壤體積質量為1.45 g/cm3。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pH 值為6.50，有機質質量分數13.62 g/kg，土壤全氮、全磷、全鉀質量分數分別為0.81、0.79 和30.38 g/kg，田間持水率（質量含水率）28%。

1.3 試驗設計

試驗采用完全隨機區組設計，設置施氮量（低氮和常氮）、摻氣量（常規滴灌和曝氣滴灌）和灌水量（低水量和高水量）3 因素2 水平，共8 個處理，每個處理4 次重復。試驗設計列于表1。

表1 試驗設計 Table 1 Experimental design

試驗區域共設32 個小區，小區長2 m，寬1 m，小區面積2 m2。小區內起壟種植番茄，壟高10 cm，每壟定植6 株，株距33 cm。小區內采用地下滴灌供水方式，滴灌帶型號為JOHN DEERE，埋深為15 cm，直徑為16 mm，壁厚為0.6 mm，滴頭額定流量為1.2 L/h，滴頭間距為33 cm，額定工作壓力為0.10 MPa。植株距離滴頭10 cm，平行于滴灌帶種植。

1.4 試驗管理

番茄于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，株高30～40 cm 時吊蔓，三穗果時打頂。番茄生育期共計124 d，生育期劃分詳見表2，移栽后天數用DAT 表示。

表2 番茄生育期劃分 Table 2 Duration of tomato growth period

水肥氣耦合滴灌所施用的肥料為全水溶型肥料施樂多（硝態氮-7.1%，銨態氮-1.1%，脲態氮-6.9%，P2O5-15%，K2O-30%，螯合態微量元素Fe-0.1%，Mn-0.05%，Zn-0.15%，Cu-0.05%，Mo-0.05%，B-0.1%，中國康拓肥料有限公司）。利用施肥器將水溶肥摻入水流，在制水罐中混勻，通過地下滴灌系統供水，分別于移植44和65 d等量施入，N1處理施純氮135 kg/hm2，N2處理施純氮180 kg/hm2；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，美國Mazzei Corp公司）進行曝氣。試驗中利用儲水管路、循環泵、文丘里空氣射流器等設備制得摻氣比率約為15%的摻氣水（曝氣20 min）[11]，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20 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）：土壤基質勢下限控制在（-30±5）kPa，結合埋深20 cm土壤濕度監測結果確定[12]。灌水量計算式[13]為：

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0.9。灌溉時間及灌水量見表3。

表3 生育期內灌水量 Table 3 Irrigation volume during crop growing season mm

1.5 測定指標與方法

1.5.1 土壤水分飽和度

于番茄果實膨大期選擇2 個連續的灌水周期監測，利用土壤濕度記錄儀（FDS-100，邯鄲市清勝電子科技有限公司）測定土深20 cm 處土層含水率，水分傳感器埋設于相鄰2 株作物中間。土壤水分飽和度（percentage saturation of soil water，P）計算式[14]為：

式中：P 為土壤水分飽和度（%）；θm為土壤質量含水率（%）；ρb為土壤體積質量（g/cm3）；ρs為土壤比重（g/cm3）。

1.5.2 土壤氧氣擴散速率和氧化還原電位

土壤通氣性指標的測定時間與土壤水分飽和度相同。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，研究中氧化還原電位測量儀探頭埋深選擇20 cm。

1.5.3 土壤礦質氮

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36、47、61、66、120 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1～3 d[15]。測定時取出土樣，利用2 mol/L KCL 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計算式[14]為：

式中：M 為土壤礦質氮（NO3--N、NH4+-N）質量分數（mg/kg）；C 為樣品測定的礦質氮溶液質量濃度（mg/L）；V 為樣品提取液的體積（mL）；m 為樣品質量（g）；K 為稀釋倍數。

1.5.4 根系指標及產量

番茄收獲當天挖取番茄根系，沖洗干凈后，用吸水紙吸干根系表面水分，稱量鮮質量。用直尺測記根系的最大長度；依據TTC 法測根系活力[16]。將番茄地上部和洗滌干凈的根系放入烘箱中在105 ℃殺青20 min 后，調節溫度至70 ℃烘干72 h，稱取干質量。采用電子天平稱量番茄產量，精度為0.01 g。

1.5.5 水氮利用

灌溉水利用效率（Irrigation water use efficiency，IWUE）計算式[17]為： 式中：IWUE 為灌溉水利用效率（kg/m3）；Y 為作物產量（kg/hm2）；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[7]，作物氮素吸收利用效率（Nitrogen uptake and utilization efficiency，UPEN）計算式[18]為：

式中：UPEN為氮素吸收利用效率（kg/kg）；AN為植株總氮吸收量（kg/hm2）；UN為施氮量（kg/hm2）。 1.6 統計分析

采用Excel 2013 進行數據處理和繪圖，通過SPSS 22.0 軟件Fisher LSD 方法進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 水肥氣耦合滴灌對土壤通氣性指標的影響

2.1.1 對土壤水分飽和度的影響

圖1 為2 個連續灌水周期土壤水分飽和度的變化動態，箭頭代表灌水事件，下同。由于施氮量對土壤水分飽和度無顯著影響，故選擇常氮施肥水平進行說明。由圖1 可知，不同處理的土壤水分飽和度變化動態基本一致，灌水后土壤水分飽和度迅速上升，而后迅速下降至60%以下。比較2 個灌水周期土壤水分飽和度均值發現，低水量和高水量處理下，曝氣滴灌處理的土壤水分飽和度均值較常規滴灌分別平均降低2.4%和5.5%；常規滴灌和曝氣滴灌處理下，高水量處理的土壤水分飽和度均值較低水量處理分別平均增加10.3%和6.8%。

圖1 不同處理土壤水分飽和度的變化動態 Fig.1 Dynamics of percentage saturation of soil water under different treatments

2.1.2 對土壤ODR 和Eh 的影響

圖2 為連續2 個灌水周期內土壤ODR 和Eh 的時間動態。由圖2 可知，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，之后逐漸上升趨于平穩。本試驗條件下，不同施氮水平對土壤ODR 和Eh 無顯著影響。低水量和高水量處理下，曝氣處理的土壤ODR 均值較常規滴灌分別增加1.3%和14.9%；常規滴灌下，高水量處理的土壤ODR 均值較低水量處理降低6.4%。比較2 個灌水周期Eh 均值發現，低水量處理下，曝氣處理的Eh 均值較常規滴灌增加6.0%，高水量處理下，曝氣處理的Eh 均值較常規滴灌增加8.2%；常規滴灌處理下，高水量處理的Eh 均值較低水量處理分別降低4.7%。曝氣處理下，高水量處理的Eh 均值較低水量處理增加9.7%。說明高水量曝氣滴灌處理更有利于改善土壤通氣性。

2.2 對土壤礦質氮量的影響

不同處理土壤礦質氮量變化見圖3。由表4 結果可知，單因素作用中，曝氣滴灌處理土壤NO3--N 量較相應常規滴灌處理平均降低21.4%（P<0.05）；高水量處理土壤NO3--N 量下降，較相應低水量處理平均降低22.7%（P<0.05）；常氮處理提高土壤NO3--N量，較相應低氮處理平均增加29.0%（P<0.05）。

曝氣滴灌處理土壤NH4+-N 量下降，較各自常規滴灌處理平均降低15.5%（P<0.05）；高水量處理土壤NH4+-N 量下降，較相應低水量處理平均降低14.7%（P<0.05）。常氮處理提高了土壤NH4+-N 量，較相應低氮處理平均增加17.8%（P<0.05）。

灌水量、摻氣量和施氮量三因素互作對土壤NO3--N 和NH4+-N 量有顯著影響（P<0.05）。

表4 不同處理土壤硝態氮和銨態氮量 Table 4 Soil NO3--N and NH4+-N content under different treatments

2.3 水肥氣耦合滴灌對番茄產量及水氮利用影響

2.3.1 對根系生長及產量的影響

由圖4 可知，摻氣量、灌水量和施氮量的增加可有效提高番茄根系活力。與常規滴灌相比，曝氣滴灌番茄根系活力平均增加11.6%（P<0.05）；與低水量處理相比，高水量處理番茄根系活力平均增加25.2%（P<0.05）；常氮處理番茄根系活力較低氮處理平均增加29.0%（P<0.05）。

產量和地下部干質量是反映作物物質積累的重要指標，根系最大長度可在一定程度上反映根系的延伸區域。表5 結果表明，單因素作用中，曝氣處理可提高番茄產量，較相應常規滴灌平均增幅 22.9%（P<0.05）；高水量處理提高了番茄產量，較相應低水量處理平均增幅41.2%（P<0.05）；常氮處理提高了番茄產量，較相應低氮處理增加35.2%、45.0%、38.9%和44.4%（P<0.05），平均增幅40.9%。曝氣處理促進了地下部干物質積累，較相應常規滴灌處理平均提高14.9%（P<0.05）；高水量處理地下部干質量較相應低水量處理平均提高17.2%（P<0.05）；與低氮處理相比，常氮處理地下部干質量平均提高40.2%（P<0.05）。曝氣處理提高番茄最大根長，較相應常規滴灌處理平均提高31.3%（P<0.05）；高水量處理番茄最大根長較相應低水量處理平均提高28.8%（P<0.05）；與低氮處理相比，常氮處理促進番茄最大根長，平均增幅13.2%。

圖2 不同處理土壤ODR 和Eh 的變化動態 Fig.2 Dynamics of oxygen diffusion rate (ODR) and oxidation-reduction Potential (Eh) of soils under different treatments

圖3 不同處理土壤礦質氮變化動態 Fig.3 Dynamics of mineral nitrogen of soils under different treatments

圖4 不同處理番茄根系活力 Fig.4 Root activity of tomato under different treatments

兩因素交互作用中，施氮量與摻氣量、施氮量與灌水量對番茄產量、地上部干質量有極顯著影響（P<0.01）；施氮量與灌水量對最大根長有極顯著影響（P<0.01），摻氣量與灌水量對最大根長有顯著影響（P<0.05）。

2.3.2 對水氮利用的影響

由表6 結果可知，單因素作用中，灌水量、施氮量和摻氣量影響作物灌溉水利用效率。高水量處理降低番茄IWUE，較相應低水量處理平均降低6.7%；常氮處理提高番茄IWUE，較相應低氮處理平均提高40.9%（P<0.05）；曝氣處理提高了番茄IWUE，較相應常規滴灌處理平均提高22.9%（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。高水量處理提高番茄UPEN，較相應低水量處理平均提高13.6%（P<0.05）；常氮處理提高番茄UPEN，較相應低氮處理平均提高12.7%（P<0.05）；曝氣處理提高番茄UPEN，較相應常規滴灌處理平均提高12.4%（P<0.05）。

表5 不同處理番茄生物量及最大根長 Table 5 Biomass and maximum root length of tomato under different treatments

表6 不同處理的灌溉水利用效率和氮素吸收利用效率 Tab.6 IWUE and UPEN under different treatments

兩因素交互作用中，施氮量與摻氣量對灌溉水利用效率有極顯著影響（P<0.01）；施氮量與灌水量對氮素吸收利用效率有顯著影響（P<0.05）。

3 討 論

3.1 水肥氣耦合滴灌對溫室番茄土壤通氣性影響

通常，土壤通氣性的具體指標包括土壤充氣孔隙度、土壤氧氣濃度、土壤氧氣擴散速率、土壤透氣性等。土壤總孔隙度由土壤充氣孔隙度與水分飽和度構成，滴灌過程中灌溉水滲入驅替了土壤孔隙中的空氣，導致充氣孔隙度的減小與水分飽和度的增大[19]。土壤水分經水平擴散、垂直入滲和被植物吸收等途徑逐漸散失，土壤水分飽和度逐漸下降。上述過程中，在土壤水分飽和度逐漸增大的階段由于土壤孔隙逐漸被灌溉水體占據，土壤通氣性降低，導致ODR 和Eh值降低；在水分飽和度逐漸下降的階段由于土壤孔隙水經各種途徑散失，空氣逐漸進入土壤孔隙，氣體交換頻繁，造成ODR 和Eh 值增大[20]。本試驗條件下，不同施氮水平對土壤ODR 和Eh 無顯著影響，試驗中呈現曝氣處理ODR 和Eh 均值高于常規滴灌處理，而常規滴灌下，高水量處理的ODR、Eh 均值較低水量處理低。可能是因為，曝氣處理下，高摻氣率的灌溉水進入土壤孔隙后釋放出O2造成一定時間內ODR 和Eh 值較高，與臧明等[21]關于高灌水量下增氧處理的氧氣擴散速率、氧化還原電位均有顯著增強結論一致。而在常規滴灌下，低水量處理土壤水分飽和度下降快，空氣更易進入土壤孔隙，導致低水量處理ODR 和Eh均值高于高水量處理。

3.2 土壤通氣性的改善對作物產量及水氮利用特性的影響

以往研究表明，灌水量和施氮量是影響作物產量的重要因素[8]。本試驗也證實了增加灌水量和施氮量對番茄產量等指標提升明顯。除灌水量和施氮量因素外，摻氣量也是影響產量的重要因素。本研究結果表明，曝氣滴灌增大了土壤ODR、Eh 值，說明曝氣滴灌改善了因灌溉造成的局部缺氧環境，提高了根區氧氣量，從而利于根系有氧呼吸和根系活力的增強。地上部營養物質的輸送依賴于適宜的根區環境和強壯的根系，為根系生長和養分吸收提供了良好的環境。通氣性改善后根系可從土壤中吸收更多的水分養分輸送到地上部分，為地上部分的生長創造良好的營養條件，最終提高作物產量。

根系是作物吸收水肥的器官，已有研究證實旱作農田下增加灌水量和摻氣量有利于根系生長，而根系的良好發育有助于營養物質的吸收利用[3,8]，試驗表明，摻氣量的增加提高了番茄根系活力及灌溉水利用效率和氮素吸收利用效率。在適宜時期補充灌水可有效促進作物對土壤氮素的吸收及其從營養器官向果實轉移[22]，故試驗中灌水量的增大提高了作物氮素吸收利用效率。

水肥氣耦合滴灌在補水的同時補肥。隨著施肥量的增加，土壤硝態氮量增大，且主要分布在0～40 cm的土層[23]。土壤銨態氮量也迅速上升，之后隨著氮素通過淋溶、NH3揮發等途徑損失和被作物吸收利用，土壤礦質氮量逐漸降低[24]。本試驗表明，曝氣條件下灌水量增大可降低土壤硝態氮和銨態氮量，施氮量的增大增加了土壤硝態氮和銨態氮量，有利于提高作物氮素的吸收效率。本試驗只在摻氣率為15%的情況下進行，未對高于15%的情況進行研究，今后將展開此方面的研究。

4 結 論

1）曝氣滴灌可有效改善土壤通氣性。高水量條件下曝氣處理的土壤水分飽和度有所降低，氧氣擴散速率、氧化還原電位均明顯增大。

2）灌水量、施氮量和摻氣量影響作物IWUE 和UPEN。灌水量的增加降低了IWUE，施氮量的增加增大了IWUE，曝氣處理增大了IWUE；灌水量的增加增大了UPEN，施氮量的增加增大了UPEN，曝氣處理增大了UPEN。

3）灌水量、施氮量和摻氣量影響作物產量。曝氣處理提高番茄產量；灌水量的增加提高了番茄產量；施氮量的增加提高了番茄產量。

綜合分析番茄根系生長和IWUE、UPEN等指標，常氮曝氣高水量處理是溫室番茄適宜的水肥氣組合方案，相應施氮量為180 kg/hm2，灌水量為1 237 m3/hm2，摻氣率為15%。