加氣灌溉對關中地區早春大棚番茄長勢及產量的影響

余 劍，李 元

(1.西安市農業技術推廣中心，陜西 西安 710061；2. 陜西師范大學 西北國土資源研究中心，陜西 西安 710119)

0 引 言

自2008年以來，我國就已成為番茄種植面積及產量最大的生產國，約占全球的32%[1]。陜西作為我國重要的番茄生產基地之一，近年來在番茄種植面積及產量方面都走在了全國的前列[2]。然而，在陜西關中地區番茄種植過程中，普遍存在過度灌溉和大量施肥等現象。對作物生長來說，土壤中的氧氣與水分、養分同等重要。與動物一樣，植物的根系也需要消耗氧氣來保障其根系的有氧呼吸以維持生理活動的正常運轉[3～4]。植株根系獲取的氧主要來源于土壤孔隙間的氣體[5]。從土壤氣體的角度來看，傳統灌溉技術驅排了土壤孔隙間氣體，造成土壤孔隙間氣體的擴散和交換受阻，過度灌溉甚至使得根系在較長時間內處于厭氧環境中[6]。當下，番茄種植過程中普遍存在過量施肥、少耕、農業機械反復碾壓等現象亦可導致土壤團粒結構破壞并引起土壤板結，阻礙作物根區土壤孔隙間氣體的交換[7]。

加氣灌溉能夠有效緩解作物根區缺氧癥狀，從而保障作物的高效生長[8]。目前，各類加氣灌溉技術在國外發展迅速，且部分技術已得到應用[9～11]。Pendergast等[9]在澳大利亞昆士蘭地區采用文丘里注射器對鷹嘴豆種植地土壤進行加氣灌溉，研究發現加氣灌溉處理下鷹嘴豆產量有極顯著的提高。Zhou Yunpeng[13]在廣西柳州采用微納米氣泡發生器對灌溉用水增氧后使用增氧水體對甘蔗種植地進行灌溉，研究發現微納米氣泡增氧灌溉能夠促進甘蔗植株生長，并改善土壤微生物群落結構。

陜西關中地區具有獨特的現代農業發展的科研優勢，關中地區特有的塿土其土壤質地(國際制)隸屬于壤質粘土。單從土壤孔隙方面看，易于形成氧脅迫狀態，對植株的生長造成脅迫。如何篩選出最適宜于陜西關中設施菜地的低能耗、高收益、環境友好型土壤增氧技術是目前亟待解決的重要現實問題。從現有研究技術方面看，采用文丘里注射器進行增氧灌溉成本低廉，僅需在傳統地下滴灌系統中加設文丘里注射器即可實現加氣灌溉，但該技術存在最大的問題是加氣后的水體在灌溉管道內分布不均。Torabi 等[14]早在2013年發現這一問題，并專門針對文丘里加氣灌溉后管道內氣體的均勻性開展研究，結果發現隨滴灌管道長度的增加，加氣后氣體在各滴頭處的均勻性呈顯著降低趨勢。采用微納米氣泡發生器開展增氧灌溉雖然加氣的均勻性較高，但微納米氣泡發生器昂貴，難以大范圍推廣。為篩選出較好的番茄根區加氣灌溉技術參數組合，本研究采用膜下滴灌帶通過空氣壓縮機向土壤中進行加氣，研究不同灌水量與加氣量技術組合，試圖探索出一套適宜于陜西關中地區的設施菜地番茄加氣灌溉技術，為加氣灌溉下作物增產及改善品質提供相關理論依據和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及供試材料

試驗于2020年3-7月在陜西省西安市現代農業科技展示中心(34°03′N, 108°52′E)大棚內進行，大棚長50 m，寬8 m，脊高4.0 m。試驗地年平均氣溫約為13.3℃，日照時數2 225 h，無霜期210 d。大棚前茬種植作物為番茄，試驗地土樣基本物理性質如表1所示。

表1 試驗地土壤基礎理化性質

供試番茄品種為京番401(京研益農種業科技有限公司)，采用穴盤育苗，2020年2月6日播種，2020年3月21日定植，覆膜。每個栽培小區長5.0 m，寬2.0 m。番茄種植行距50 cm，株距40 cm。定植沿植株種植方向預鋪設兩條膜下滴灌帶，膜下兩滴灌帶間距45 cm。滴灌帶干管與氣泵相連，借助膜下滴灌帶為作物供水、供氣。試材隨機區組排列，3次重復。所有小區施肥、打藥等農藝管理措施均一致。

1.2 試驗設計

試驗設加氣量及灌水量兩因素。加氣量分別設置不加氣及標注加氣量的1.0倍和1.5倍。灌水量分別設置每次灌至田間持水量的60%、75%、90%，試驗處理如表2所示。每次加氣量依照公式V=1/1 000SL(1-ρb/ps)[14]計算，式中V為每次加氣量(L)，S為壟的橫截面積(1 500 cm2)，L為壟長(500 cm)，ρb為土壤容重(1.38 g·cm-3)，為土壤密度(2.65 g·cm-3)，據此得出每個小區加氣量，按照氣泵銘牌標示功率及出氣量換算為相應的加氣時間，以時間控制加氣量，于每天17:00-19:00間一次性加氣，試驗中不考慮土壤中氣體的逃逸。灌水量依據公式M=sρbhθf(q1-q2)/η[15]計算其中M為灌水量(m3)，s為計劃濕潤面積(10.0 m2)，ρb為土壤容重(1.38 g·cm-3)，h為濕潤層深度(0.3 m)，θf為田間最大持水量(質量含水量，%)，q1、q2分別為灌水上限、土壤實測含水率(質量含水率，%)，η為水分利用系數，地下滴灌取值0.95。土鉆分層取土，取土深度為0～40 cm，每10 cm分一層。烘干法測定土壤含水量，全生育期共灌水共3次，定植時漫灌，各小區灌水量相同，定植后每7 d灌水1次，每次補充水分至試驗設計所需水分。

表2 試驗處理

1.3 測定指標與方法

1.3.1 番茄長勢測定 選取代表性時期，分別在番茄移栽后26 d(伸蔓開花期)、51 d(開花坐果期)和73 d(果實膨大期)用米尺測量番茄茄株。用電子游標卡尺于基莖部測量莖粗。待果實全部成熟后對植株地上部分進行刈割，放入烘箱中于105℃殺青15 min，75℃烘干至恒量用電子天平稱重。

1.3.2 根系形態結構測定 待果實全部成熟后，以植株根系為中心挖一直徑約0.6 m深約0.5 m的坑，獲取根系、土壤混合樣。將混合樣品放置在100目鋼篩上用小水流緩慢沖洗掉土壤，獲取根系樣品。隨后使用掃描儀(Epson Perfection V700型)將根系掃描成灰階TIF圖，TIF圖用WinRHIZO Pro圖像處理系統分析，獲取總根長數據。

1.3.3 產量測定 電子秤稱量單果重量并計算單個植株產量，以此換算成單位面積產量。

1.4 數據處理與分析

獲取的試驗數據采用Excel進行數據整理，通過SPSS22.0軟件的Duncan’s新復極差法進行顯著性檢驗，OriginPro 8.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 加氣灌溉對伸蔓開花期、開花坐果期及果實膨大期株高及莖粗的影響

在番茄移栽后26 d(伸蔓開花期)、51 d(開花坐果期)和73 d(果實膨大期)對番茄植株長勢進行監測。由表3可知，加氣灌溉處理組合對定植后26d 番茄株高、莖粗均無顯著性影響。但對定制后51 d 和73 d番茄株高、莖粗均有顯著性影響。其中，加氣處理下定植后51 d 和73 d植株株高均有顯著性提高，A1IH處理組合下番茄株高在定植后51 d 和73 d均為所有處理中最高值。適當的提高灌水量(75%田間持水量灌溉)能夠顯著提高番茄株高，但高灌水量下(90%田間持水量灌溉)灌溉番茄產量較75%田間持水量灌溉略有降低。對番茄莖粗分析發現，總體規律與株高相似，加氣處理及適當的提高灌水量能夠顯著提高番茄莖粗，但最優處理組合出現于A1IM處理。

表3 加氣灌溉對不同生育階段植株株高及莖粗的影響

2.2 加氣灌溉對番茄干物質積累的影響

如表4所示，加氣灌溉處理組合對定植后26 d 番茄株干物質積累無顯著性影響。灌水量處理對定植后51 d番茄干物質積累有極顯著影響。定植73 d后，灌水量對番茄干物質積累有顯著性影響。同時，加氣量與灌水量處理組合對定植后73 d番茄干物質積累有顯著性影響。

表4 加氣灌溉對不同生育階段植株干物質積累的影響

2.3 加氣灌溉對番茄成熟期根系形態結構的影響

采集成熟期番茄根系，對番茄總根長分析發現，加氣灌溉處理組合對番茄總根長有顯著性影響(圖1)。分析發現，番茄根系總根長隨灌水上限的升高呈升高趨勢，加氣處理能夠顯著提高番茄根系總根長。分析發現，總根長的最大處理出現于A1IH、A2IM、A2IH處理組合。總根長的最小處理出現于ANIL處理組合。

圖1 加氣灌溉對番茄成熟期根系形態結構的影響

2.4 加氣灌溉對番茄產量的影響

如圖2所示，對加氣灌溉處理下番茄產量分析表明A1IM處理番茄產量顯著高于ANIL、ANIM、ANIH、A1IL、A2IL約33.54、7.60%、15.84%、14.08%、19.06%；WUE顯著高于ANIL、ANIH、A1IH、A2IM、A2IH約9.45%、18.85%、10.42%、15.50%、9.19%。隨加氣量的增加，番茄產量、作物水分利用效率呈先增加后減小，其中A1處理番茄產量、作物水分利用效率分別高于AN約12.22%、6.00%，也高于A2約2.14%、4.48%。隨灌水量的增加，番茄產量呈先增加后減小趨勢，作物水分利用效率呈減小趨勢，A1與AN相比在顯著提高番茄產量的同時作物水分利用效率無顯著性降低，然而A1番茄作物水分利用效率顯著高于處理A2。

圖2 加氣灌溉對番茄產量及水分利用效率的影響

3 討論與結論

土壤中水分和氣體是一對矛盾體。傳統的田間管理技術多關注于作物對水分的需求，而忽略了根系對氧的需求。氧對有機體的生存、發展至關重要。氧是三羧酸循環中電子傳遞鏈的電子受體，是有氧呼吸過程中ATP形成的必備條件之一[16]。前人研究表明，低氧脅迫可導致細胞中線粒體及蛋白質結構、功能遭受破壞，還可引起細胞質酸中毒，甚至導致整個生命體的死亡[17]。傳統灌溉技術在滿足作物需水的同時驅排土壤孔隙間氣體，常因土壤含水量過高而阻礙土壤孔隙間O2、CO2與大氣進行交換，進而造成土壤氧含量下降[18]。從作物根系需氧的角度來看，過度灌溉極易造成作物根區氧脅迫，反而降低了番茄的產量。

適當的給土壤通氣及灌溉能夠可營造適宜的土壤水、氣環境，從而促進作物植株生長，提高產量及水分利用效率[19]。本試驗表明，根區加氣是一種良好的番茄根區水、氣協調方式，能夠有效的降低灌溉后作物根區氧脅迫，進而保障番茄高效生長，達到增加產量的目的。研究發現，加氣處理下植株長勢及產量均高于不加氣處理(表3、表4、圖2)。因本試驗中番茄種植土壤為粘壤土，土壤容重為1.38 g·cm-3，從土壤物理特性來看，研究區土壤具有壤土偏粘的性質。因此，本研究也證明了粘壤土條件下傳統耕作技術并不能滿足作物根系對氧的需求。論證了植株根區氧脅迫確實存在，加氣處理能夠有效緩解根區氧脅迫對植株的危害。這與前人研究發現，粘壤土條件下土壤增氧能夠促進作物生長相一致[8, 20, 21]。本研究發現，加氣處理下植株的干物質積累及產量均有顯著性提高。其中，加氣量為1.0倍標準加氣量，灌水上限為田間持數量的75%時，番茄株高、莖粗及產量在定植后51 d 及73 d均達到最高(表3、圖2)。此外，本研究還發現，1.5倍標準加氣量時產量略有降低。我們推測，可能是由于過量的對土壤通氣致使土壤孔隙間氣體流動過強，引起土壤孔隙間氣流對番茄根系不必要的擾動，從而阻礙土壤加氣效益的充分發揮。

對于水分梯度，本研究發現，不加氣處理下，灌水至田間持水量的90%時，定植50 d和73 d后植株干物質積累量及作物水分利用效率均低于灌水至田間持水量的75%(表4)。說明，過度的灌溉已不是滿足作物根區水分的需求，而是在一定程度上加劇了番茄根區的氧脅迫，進而限制了植株的生長并降低其水分利用效率。譚念童等[22]研究發現，過量灌溉降低作物產量，與本研究發現相一致。此外，多項研究表明改變作物根區氣體的環境，能夠間接影響到植株葉片的氣孔導度，從而影響到植株凈光合速率及ATPase活性[23, 24]。因此推測，本研究中適宜的對土壤根區加氣，改善了根際氧環境，從而提高了葉片的氣孔導度及ATPase活性，從而保障了光和反應的高效進行，促進植株生長并增產。本研究中，同等加氣量處理下灌水量由75%田間持數量升高至90%時，作物長勢及產量并無顯著性差異，說明75%田間持數量已完全能夠滿足番茄對水分的需求。因此，灌水至田間持水量的75% 時，是陜西關中地區番茄種植管理中較為適宜的灌溉技術選擇。

綜合考慮，最優處理組合為加氣量為1.0倍標準加氣量和灌溉至田間持水量的75%處理組合，該處理在提高番茄產量的同時作物水分利用效率也獲得提高。本研究結果可為陜西關中地區設施菜地番茄加氣灌溉提供相關理論依據和實踐指導。