CO2 濃度加富下水氮耦合對西瓜生長養分吸收及產量的影響

王晨光,洪婷婷,張 智

(1.陜西省農業技術推廣總站,西安 710003;2.西北農林科技大學 園藝學院,陜西楊凌 712100)

西瓜是世界上栽培面積較廣,人們較喜愛和普遍食用的瓜果品種。同時,隨著社會的發展,中小果型的西瓜越來越受消費者的歡迎,尤其是設施栽培的中小果型西瓜發展越來越迅速[1]。水分和氮肥作為作物生長的兩種必需養分,對作物的生長發育和產量影響顯著[2]。然而,在中國西北地區,水資源匱乏,不合理灌溉和施氮的現象更為普遍[3]。這不僅造成環境污染和資源浪費,也影響植物的生長和養分吸收,進而限制作物產量的提升[4]。近年來,大量的工業排放和汽車尾氣導致大氣中CO2濃度逐漸增加[5]。預計到2050年CO2濃度將超過550μmol/mol,到2100年底達700μmol/mol[6]。因此,為了應對氣候環境改變對農業生產所帶來的影響,探究氣候環境與水肥結合對西瓜生長的影響尤為重要。

西瓜生長對氮水平高度敏感[7]。過量施用氮肥會導致植物根系和地上部生長失衡,顯著降低產量,并造成環境污染[8]。水分脅迫也會阻礙植物生長,充足的供水可以促進作物生長、提高植株養分的吸收[9]。土壤水分和氮含量可以通過促進光合作用影響植物生長、養分吸收和產量形成[10]。水-氮耦合研究發現,適當的供水可以促進氮元素從營養器官向生殖器官轉移[11]。氣候變化對植株內部的化學元素組成有顯著的影響[12],從而影響植株的生長發育和產量形成。未來CO2濃度升高會增強植株葉片的凈光合速率、降低氣孔導度及蒸騰速率,從而提高作物的水分利用效率并促進植株的生長[13]。同時,CO2濃度增加也會對植株器官中大量元素和微量元素含量產生負面影響[14]。

前人在水氮耦合對西瓜生長影響上的研究結果,對提高作物產量及高效利用資源提供了重要的理論依據,亦為溫室中水肥一體精細化管理做出了貢獻。但是在未來CO2濃度升高的情況下,其與水氮的耦合效應仍缺乏系統揭示。因此,本試驗主要探究CO2與水氮互作對西瓜的生長、養分吸收和產量的影響,解析產量的形成因素,以期為中國西北地區西瓜的增質穩產以及水氮資源的節約和高效利用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗場地與材料

試驗于2020年5月至7月在陜西省楊凌錦田農莊的小型溫室中進行(N34°17′,E108°02′,海拔450 m),溫室長8 m、寬4 m、高2.1 m。溫室內設有小型氣象站(HOBO event logger,Onset computer corporation,USA),可自動記錄溫度、相對濕度和光照度等氣象數據(表1)。

表1 西瓜生育期內溫室中的氣象條件Table 1 Meteorological conditions in greenhouse during growth period of watermelon

溫室內采用基質盆栽,花盆直徑30 cm,株距50 cm。供試基質為商品基質,其硝態氮含量為493.5 mg/kg,銨態氮含量為97.0 mg/kg,速效磷含量為31.2 mg/kg,速效鉀含量為292.4 mg/kg,EC 值2.30 mS/cm,p H 6.19,基 質 體 積質量0.22 g/cm3,總孔隙度64.98%。

西瓜品種為‘千鼎1號’[15]。采用雙蔓整枝,主蔓留瓜的栽培方式,選擇主蔓第2和第3朵雌花進行人工授粉,待瓜長到雞蛋大小時舍棄其中長勢較弱的,每株僅留1個瓜。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 設置CO2濃度、施氮量和灌水量3個因素。CO2濃度通過自動監測記錄儀進行施用,包括C1(400μL/L)和C2(800μL/L)兩個水平;施氮量根據目標產量法[16]計算西瓜整個生育期所需要的氮肥量來確定,包括低氮(N1:644.04 kg/hm2)、中氮(N2:976.07 kg/hm2)和高氮(N3:1 288.09 kg/hm2)3個水平;灌水量根據FAO-56[17]推薦的Penman-Monteith 公式計算,包括低水(I1:80%Ep)、中水(I2:100%Ep)和高水(I3:120%Ep)3個水平,其中Ep為直徑20 cm 標準蒸發皿的蒸發量,灌水頻度為1次/d。此外,為保證西瓜正常生長所需的營養,對每個處理施用相同的營養液。整個試驗共計18個處理,每個處理種植12株。表2為CO2濃度、灌水和氮肥施用方案。

表2 CO2 濃度、氮肥和灌水量施用方案Table 2 CO2 concentration,nitrogen fertilizer and application plan for irrigation amount

1.2.2 項目測定 形態指標:主要包括株高和莖粗,在成熟期每個處理選取5株進行測定。株高用卷尺測量主蔓的子葉到生長點之間的距離;莖粗用游標卡尺測量主蔓子葉位置的直徑。每個處理重復3次。

光合指標:在西瓜成熟期,選取最大功能葉片用LI-6800光合儀測定,每個處理重復3次。主要選用指標為凈光合速率。

植株養分吸收指標:在西瓜成熟期進行取樣,將根、莖、葉、果實分開烘干,將各器官樣品分別混勻,用高通量組織研磨儀粉碎后過篩,取0.1 g用濃H2SO4-H2O2消煮法提取植株各器官的全氮、磷、鉀元素。用連續流動分析儀測定植株各器官的全氮、全磷含量,用火焰分光光度計測定植株的全鉀含量。每個處理重復3次。

產量:每株留1個果實,使用電子天平稱取每個處理所有的單果質量,然后折算成公頃產量。

1.3 數據處理

使用Excel(Office 2016.Microsoft Corp,USA)進行數據的簡單計算和處理,使用SPSS 23.0(SPSS,IBM,Chicago,USA)進行顯著性分析,使用Origin 2018(Origin,Origin Lab,Massachusetts,USA)和Visio 2016(Microsoft Corp,USA)繪柱狀圖,使用MATLAB 2018(Math-Works,USA)繪制相關性圖。

2 結果與分析

2.1 CO2 加富下水氮耦合對西瓜生長和光合的影響

2.1.1 株高和莖粗 試驗結果顯示,株高隨氮肥的增加逐漸降低,氮肥和灌水交互顯著影響著株高(表3)。雖然CO2對株高影響不顯著,但是CO2與氮肥交互顯著影響株高,增加CO2濃度對中高氮水平下的株高有顯著促進效果(表3,圖1)。最大的株高出現在T2,比最小處理T4高出43.0%。

圖1 不同處理下西瓜的株高和莖粗Fig.1 Plant height and stem thickness of watermelon under different treatments

莖粗受CO2濃度影響顯著,CO2加富后莖粗呈現降低趨勢,降低幅度最大的是T15處理,與T6相比降低27.2%;同時,隨著灌水量的增加,莖粗表現為先增加后降低的趨勢(表3)。雖然氮肥對莖粗影響不顯著,但是氮肥與CO2交互以及氮肥與灌水交互均顯著影響莖粗(表3)。綜合來看,最優處理為T6,比最低處理T13 高出33.9%。

2.1.2 凈光合速率 增加CO2濃度顯著地提高了凈光合速率,提高值達11.8%;凈光合速率隨氮肥的增加呈現先增后減的趨勢,隨灌水增加則逐漸增大(表3)。CO2與灌水交互、水氮交互及三因素交互作用均顯著影響凈光合速率(表3)。增加CO2尤其對中、高水處理下的凈光合速率提升顯著(圖2)。綜合來看,凈光合速率最高的處理為T15,達到29.11μmol/(m2·s)。

圖2 不同處理下西瓜的凈光合速率Fig.2 Net photosynthetic rate of watermelon under different treatments

2.2 CO2 加富下水氮耦合對西瓜養分吸收的影響

2.2.1 植株養分吸收 增加CO2濃度顯著提高西瓜植株的氮吸收量;同時,隨著氮肥的增加,氮吸收量也呈現顯著上升趨勢,所有的交互效應也對氮吸收量影響顯著(表3)。增加CO2濃度對低氮處理下的總氮吸收量改善最為顯著,達9.32%(圖3)。在400μL/L 的CO2濃度下,隨著氮肥的增加,高水下的氮吸收量不斷升高;在800 μL/L的CO2濃度下,隨著氮肥的增加,低水下的氮吸收量不斷升高(圖3)。T9處理有最大的氮吸收量,可達9.11g/株,比最低處理T3 高出36.8%。

表3 CO2 加富下水氮耦合處理的西瓜生長、養分吸收及產量情況Table 3 Watermelon growth,nutrient absorption and yield under CO2 enrichment plus water-nitrogen coupling

西瓜植株的總磷吸收量僅受氮肥與灌水量交互以及三因素交互的顯著影響(表3)。在400 μL/L的CO2濃度下,高氮可以提高I3處理下的總磷吸收量(圖3)。綜合來看,總磷吸收量最高的處理為T4,可達1.03g/株,比最低處理T7高出28.8%。

鉀吸收量只受單一因素即氮肥顯著影響,隨氮肥的增加逐漸降低。但所有的交互效應均顯著影響西瓜植株對鉀元素的吸收(表3)。在800 μL/L的CO2濃度下,低氮處理下的鉀吸收量高于中氮和高氮處理(圖3)。T10處理的鉀吸收量最大,可達6.46 g/株,高出最低處理T7 的49.9%。

從氮、磷、鉀元素吸收總量來看,相比于常規CO2濃度,800μL/L 的CO2濃度下的總體元素總吸收量更高,總體差異為2.9%。元素總吸收量最大及最小的處理均出現在400μL/L 的CO2濃度下,分別是T9和T3(圖3)。

圖3 不同處理下西瓜植株的氮、磷、鉀吸收Fig.3 Plant nitrogen,phosphorus and potassium absorption of watermelon under different treatments

2.2.2 果實養分吸收 果實氮吸收量隨施氮量的增加呈現先增后減的趨勢,隨灌水量的增加則逐漸增加。雖然CO2對果實氮吸收影響不顯著,但CO2與水、氮的交互則對其影響顯著(表3)。在400μL/L的CO2濃度下,T6(C1N2I3)的果實氮元素吸收量最高,為53.46 mg/g;在800μL/L的CO2濃度下,T11(C2N1I2)的果實氮元素吸收量最高,為49.71 mg/g(圖4)。

增加CO2濃度對果實磷吸收量的提升達12.0%;果實磷吸收量隨灌水量的增加逐漸減小。此外,所有的交互效應均顯著影響果實磷吸收量(表3)。綜合來看,T13的果實磷吸收量最高,可達10.57 mg/g(圖4)。

果實鉀吸收量對CO2濃度的響應與磷一致,在CO2濃度升高后顯著增加,800μL/L 濃度下的果實鉀吸收量提高7.7%。隨氮肥的增加,果實鉀吸收量表現為N2＞N3＞N1。從交互效應上看,CO2與灌水交互、CO2與氮肥交互以及三因素交互均顯著影響果實鉀吸收量(表3)。T16處理有最高的果實鉀吸收量,比最低處理T7 高58.8%(圖4)。

圖4 不同處理下西瓜的果實氮、磷、鉀吸收Fig.4 Fruit nitrogen,phosphorus and potassium absorption of watermelon under different treatments

從總的果實元素積累量來看,高CO2濃度下的果實元素積累量更加均衡,與400μL/L 的CO2濃度相比,CO2加富后對高氮處理的元素吸收量的促進作用最為顯著。

2.3 CO2 加富下水氮耦合對西瓜產量的影響

產量受單一因素灌水量和氮肥的顯著影響,隨灌水量及氮肥的增加,產量均呈現先升高后降低的趨勢。但隨灌水量表現為I2＞I3＞I1,隨氮肥表現為I2＞I1＞I3(表3)。雖然CO2加富對產量無顯著影響,但CO2與灌水量、與氮肥交互以及三因素交互均顯著影響產量。綜合來看,T6(C1N2I3)的產量最高,高于最低處理 T7(C1N3I1)的35.4%(表3,圖5)。

圖5 不同處理下西瓜的產量Fig.5 Watermelon yield under different treatments

2.4 西瓜產量的構成因素分析

為了探索西瓜生長與產量形成之間的關系,將西瓜生長、光合及養分吸收共9個指標與產量進行相關性分析(圖6)。可以看出,一共存在38組正相關關系和7組負相關關系。其中,與產量存在正相關的指標有8個,負相關1個,相關性排序為果實氮含量(0.720)＞凈光合速率(0.697)＞總氮含量(0.692)＞總鉀含量(0.504)＞株高(0.490)＞莖粗(0.395)＞果實鉀含量(0.391)＞總磷含量(0.203)＞果實磷含量(-0.056)。從排序中可知,與產量相關性最大的是果實氮含量,其次為凈光合速率和總氮含量;總磷含量和果實磷含量與產量的相關性最弱。將相關性排名前4名的處理(相關系數0.5以上)的指標:果實氮含量、凈光合速率、總氮含量和總鉀含量在400μL/L和800μL/L CO2濃度下的最優處理進行綜合,發現重復性較高的處理分別為T6、T5 和T15、T11。產量在400μL/L 和800μL/L CO2濃度下的最優處理分別為T6(產量值為34 039.72 kg/hm2)和T11(產量值為33 654.28 kg/hm2)。因此,當CO2濃度為400μL/L時,T6(CO2:400 μL/L,氮肥:972.07 kg/hm2,灌水量:1 148.76 m3/hm2)處理為推薦方案。當CO2濃度為800 μL/L 時,T11(CO2:800 μL/L,氮 肥:664.04 kg/hm2,灌水量:957.30 m3/hm2)處理為推薦方案。

圖6 西瓜生長與產量的相關性分析Fig.6 Correlation analysis of comprehensive growth and yield of watermelon

3 討論

本研究結果發現,莖粗隨著灌水量的增加呈現出先增大后減小的趨勢(圖1)。這與江俊燕等[18]在馬鈴薯中的研究結果相似,在一定的范圍內,灌水量越大、灌水周期越短則馬鈴薯的株高和莖粗越大。本試驗發現,雖然CO2對株高影響不顯著(表3),但是增加CO2濃度對中、高氮處理下的株高有促進作用(圖1)。前人在對冬小麥的研究中也發現這一規律,高CO2濃度顯著提高冬小麥的株高,同時隨著氮肥的增加,株高的增加量越大[19]。有研究[20]發現,提高CO2濃度可以顯著刺激葉片光合作用并促進植物生長,這與本研究結果一致,增加CO2濃度提高凈光合速率達11.8%(圖2)。這是因為大氣CO2濃度升高會增加植物對用于葉片光合作用的原料CO2的攝入[21-22]。

在養分吸收方面,本試驗結果發現,CO2濃度升高后顯著增加西瓜植株的氮吸收量,但對果實的氮吸收量影響不顯著(表3)。有研究表明在不同組織和試驗條件下,生長在高CO2濃度環境下植株的總礦物質含量下降約8%[23],礦質營養的下降與土壤向根系表面運輸養分的質流通量下降、根系獲取養分能力減弱及由于生物量增加而導致的“稀釋效應”有關[24]。然而也有研究發現,盡管在高CO2濃度環境下植株體內礦質元素的濃度降低,但從植株水平上看,礦質營養的總量可能不變甚至提高[25]。這與本試驗從植株水平上看,總的氮吸收量增加結果一致。試驗結果還發現,植株總氮的吸收量隨氮肥施用量的增加而顯著增加,而果實氮吸收量呈先增后減的趨勢(表3)。同時,增加CO2濃度顯著提高低氮處理下的氮吸收量(達9.32%,圖4)。有研究發現,在同一生育期內,小麥植株的氮含量和積累量都隨施氮量的增加而提高[26]。同時,也有研究表明,植株的干物質積累會隨CO2濃度升高而增加,因此植株水平上的氮元素吸收量也會增加,并且增加CO2可以顯著提高低氮處理下的干物質積累,從而促進低氮處理下氮元素的吸收[27]。

產量是作物生長的最終結果。在本研究結果中,灌溉對產量產生了顯著影響,并且隨著灌溉量的增加,產量增加明顯(圖5)。許多研究發現,與虧缺灌溉相比,充分灌溉可以顯著提高產量[28]。為了探索西瓜生長與產量之間的關系,將西瓜生長、養分吸收和光合指標與產量進行相關性分析。與產量相關性最大的是果實氮含量,其次為凈光合速率和總氮含量,總磷含量和果實磷含量與產量的相關性最弱。祿興麗等[29]在馬鈴薯研究中發現,凈光合速率、株高都與產量呈正相關,可以有效促進產量的形成。也有研究通過相關性和主成分分析發現,水稻的氮含量和鉀含量對產量具有顯著影響[30]。這些都與本試驗結果一致。相比于常規400μL/L 濃度下的中氮高水最優處理,CO2加富與水氮具有耦合效應,對低氮下的產量及生長指標均有改善,中水施用下的表現也優于高水。因此,當未來CO2濃度升高后,適當減少水氮的施用,可保證西瓜的生長及產量行成。

4 結論

株高受氮肥影響顯著,隨著施氮量增加株高逐漸降低;增加CO2濃度對中、高氮處理下的株高有促進作用。莖粗受單一因素CO2和灌水影響顯著,隨著灌水量的增加呈現出先增大后減小的趨勢;氮肥與CO2交互以及氮肥與灌水交互也顯著影響莖粗。灌水、施氮及CO2濃度均顯著影響凈光合速率,CO2濃度加富下,凈光合速率提高,達11.8%,對中、高水處理下的促進更為明顯。

總氮吸收量受CO2和氮肥影響顯著,氮肥施用量的增加及CO2濃度升高均顯著促進氮吸收量,尤其增加CO2濃度可提升低氮處理下的氮吸收量(達9.32%)。磷吸收量僅受氮肥與灌水交互以及三因素交互顯著影響;鉀吸收量隨氮肥的增加逐漸降低。果實的磷、鉀吸收量隨CO2濃度增加而增大,分別提高12.0%和7.7%。當施氮量遞增時,果實氮和鉀吸收量先增加后減小。隨著灌水量的增大,果實氮吸收量逐漸增多,而磷含量逐漸減小。從總的果實元素積累量來看,高CO2濃度下的果實元素積累量更加均衡,與正常CO2濃度相比,CO2加富后對高氮處理元素吸收量的促進作用最為顯著。

產量僅受單一因素即灌水量和氮肥的顯著影響,在中、高水處理下表現最優,隨著氮肥的增加產量先升高后降低。雖然CO2加富對產量無顯著影響,但CO2與灌水量、氮肥交互以及三因素交互均對產量影響顯著。西瓜生長、光合及養分吸收與產量之間的相關性分析表明,與產量相關性最大的是果實氮含量,相關系數為0.720,其次為凈光合速率和總氮含量。綜合產量及其構成因素分析,當CO2濃度為400μL/L 時,T6(CO2:400 μL/L,氮 肥:972.07 kg/hm2,灌 水 量:1 148.76 m3/hm2)整體表現最優。當CO2濃度為800 μL/L 時,T11(CO2:800 μL/L,氮 肥:664.04 kg/hm2,灌水量:957.30 m3/hm2)為最適水氮管理方案,即當未來CO2濃度升高后,可以適當減少水氮的施用。