加气灌溉不同施肥水平对温室番茄影响效应研究

杨文龙，刘福胜，刘恬恬，王德宽，张 倩

(山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018)

番茄是我国蔬菜生产中的主要作物[1,2]，以保护地种植为主，且对土壤的通气性较为敏感。目前设施农业生产中地下滴灌灌水频繁及灌水周期较长，灌溉过程中和灌后一段时间内土壤含水量急剧上升而导致土壤中气体被迫排出，造成作物根系土壤通气不良，氧气不足，根系呼吸作用受到抑制，对作物生长不利[3-5]。作物生长的土壤环境常因氧气浓度过低而影响根系呼吸，进而影响根系生长发育、干物质累积、营养物质吸收转运等。因此，为减少因土壤通气性不良给作物带来的危害，近年来国内外较多学者通过对根区补充空气来解决土壤通气性不足的问题，对加气灌溉改善土壤环境、提高作物产量和品质方面进行了大量的研究工作。

国内外许多学者对作物根区加气灌溉进行试验研究，Bhattarai等[4,6-8]对地下氧灌进行了较为系统深入的研究，在不同土壤水分、盐分条件下对大豆、棉花、番茄和南瓜进行试验，结果表明与对照处理相比地下氧灌作物的产量有了明显提高，作物水分利用效率有了显著提高，说明了地下氧灌的增产是建立在节水基础上的内涵式增产。Chen 等[9]对菠萝进行加气灌溉，发现该技术能够提高作物产量、品质和水分利用效率；李军等[10]研究结果表明，改善土壤通气性，可增加马铃薯叶片酶活性，促进营养物质的运输和分配，提高块茎产量。此外，郭超和牛文全[11]，Bhattarai[7,12]等研究也发现增氧灌溉可以促进根系生长发育，进而有利于土壤水肥的吸收。加氧灌溉通过改善土壤的通气性，提高土壤导气率，使根系有氧呼吸顺利进行，保障土壤微生物活性、提供土壤酶活性[13-16]，从而促进植物水分和矿质元素的吸收利用转运。

以往研究多集中在单因素(气)或复合多因素处理对作物产量、品质的影响研究，而复合多因素大多涉及灌水量、加气量、滴灌带埋深等因素，很少涉及施肥量的因素。本研究通过加气地下滴灌不同施肥处理对番茄生长、干物质累积、产量和品质的影响和效应，提出番茄水气同步高效利用的较优灌溉施肥模式，以期提高作物产量和品质。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验在山东省泰安市山东农业大学有机蔬菜研发示范基地(36°18′N，117°17′E)的日光温室进行。日光温室高5.5 m，内宽13 m，东西长52 m，有效种植面积为450 m2，温室内土壤类型为壤质黏土，其基本性质见表1。定植前日光温室内土壤底肥施用鸡粪等翻地混合施用。

表1 试验供试土壤基本性质Tab.1 Soil basic properties of experiment

1.2 试验设计

番茄试材为粉王(中早熟品种，无限生长型)，试验小区随机排列设计，每个处理3次重复，共18个小区，采用单垄单行的种植方式，垄长10.5 m，垄宽0.6 m，每垄铺设一条埋深15 cm的滴灌带，滴头间距35 cm，每垄种30株作物，株距35 cm，每垄面积为6.3 m2(10.5 m×0.6 m)。为防止水分侧渗，垄与垄之间用塑料膜隔开，并设置保护行，以防处理之间造成影响。2018年4月7日进行移苗，为保证成活率，在移植当天浇透底水，所有小区的田间管理措施均一致，留到五穗果后打顶。番茄生育阶段具体划分为：苗期(4月7日-4月27日)，开花坐果期(4月28日-5月21日)，果实膨大期(5月22日-6月26日)和成熟期(6月27日-8月9日)，全生育期约为125 d。

灌水量由安置在温室内的 E601型蒸发皿的蒸发量值确定，以前一天08∶00经24 h蒸发后的蒸发量为依据，当蒸发量读数达到20 mm左右时进行灌水，其计算公式为：

I=AKCPEP

(1)

式中：I为单个滴头每次的灌水量，mL；A为每两个支管控制的小区面积，m2；本试验中A=0.6 m×10.5 m=6.3 m2；EP为两次灌水间隔内温室内蒸发皿累积蒸发量值，mm；KCP为蒸发皿系数。

试验采用2因素(灌溉方式、施肥量)完全随机设计，灌溉采用地下滴灌系统，包括加气灌溉(O)和不加气灌溉(N)两种方式；试验施用的化肥为尿素(N≥46%)、磷酸二铵(N+P2O5≥64%)、氯化钾(K2O≥60%)，施肥时保证磷肥、钾肥的施用量均相同(300 kg/hm2)，并设置3个施氮水平，具体试验设计方案见表2。

表2 试验设计方案Tab.2 The design scheme of experiment

在每次灌水前，将水抽入1 m3的水箱中利用微纳米气泡发生器进行循环曝气处理，被吸入的空气搅碎成纳米气泡，利用溶氧仪测定水中溶氧量在7～8 mg/L时进行灌溉，在主干管处安装水表准确控制灌溉水量，保证所有小区等量灌溉，同时智能水肥一体机与干管相连，待机器溶解肥料后通过支管利用滴灌带对番茄进行施肥，减少地面蒸发和肥料浪费。每条支管上分别安装一个阀门，便于独立控制。

1.3 测定指标及方法

每小区选取3株生长均匀，具有代表性的植株，并挂牌作为标记。

(1)生长指标。缓苗后20 d后进行测量，每隔10 d测定一次，株高采用卷尺测量从植株底端至植株最高生长点的高度，测量3次取其平均值；茎粗采用游标卡尺于基茎部测量，测量3次取其平均值。

(2)干物质积累。从每个小区随机选取相同长势的3株番茄进行破坏性取样，将植株全部取下后把根、茎、叶、果实(分割为小块)分放入烘箱中于105 ℃杀青15 min，75 ℃烘干至恒重，用1/100天平称其质量。

(3)产量及品质。采用电子秤将每个处理标记的番茄果实称量，求其平均值，并计算单株产量。每个处理选取成熟后的第一穗果进行品质测定，每株选取形态指标一致的3个果实混合打成匀浆并过滤，维生素C含量2，6-二氯酚靛酚比色法测定，可溶性糖含量采用手持糖度计测定，有机酸含量采用碱式滴定法测定，并计算糖酸比。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据整理，SPSS 22.0统计软件进行数据分析，OriginPro 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉处理对温室番茄生长的影响

图1为相同施肥水平下，加气灌溉与不加气灌溉下番茄全生育期内株高的变化，由图1可以看出，同一施肥水平下，加气灌溉处理的番茄株高均大于不加气灌溉处理。纵观整个生育期内，加气灌溉对番茄生育前期株高的影响较小，不同处理之间株高差异不显著，随着植株的生长，不同处理之间的差异显著。定植50 d之前，加气灌溉处理对番茄株高的影响不显著(P>0.05)，定植50 d后各处理的株高差异开始逐渐明显，到打顶前各处理株高达到最高，差异达极显著(P<0.01)。

图1 加气灌溉与不加气灌溉同一施肥水平对温室番茄株高的影响Fig.1 Impacts of the same fertilization level of aerated irrigation and unaerated irrigation on plant height of greenhouse tomato

从表3可以看出番茄定植20～40 d期间，不加气灌溉高氮处理株高的日增长量较其他试验处理日增长量最大，加气灌溉处理的番茄株高日增长量不明显，其原因是此时番茄处于前期生育阶段，其生长过程中对土壤氧气含量的需求较小，加气灌溉对株高的影响不显著。番茄定植40～60、60～80、80～100 d期间，加气灌溉株高的日增长量较不加气灌溉的差异显著，定植100～120 d期间，番茄株高的日增长明显放缓，在这一阶段加气灌溉处理的株高较不加气灌溉的株高增长量慢，说明加气灌溉在番茄生育后期对株高的影响不显著，加气灌溉可促进番茄生育中期株高的快速增长。

表3 株高分段日均增长量 cmTab.3 The per-day growth of height of tomato

图2为加气灌溉和不加气灌溉，不同施肥水平对番茄株高的影响变化，从图2可以看出，不同处理的番茄株高均表现出随生育期的推进呈逐渐增大的趋势，在番茄生育中期，加气灌溉和不加气灌溉条件下，番茄株高均表现出随着施肥量的增加，逐渐增大的趋势，即高氮处理的株高>中氮处理的株高>低氮处理的株高，说明高氮施肥水平可促进番茄植株株高的快速生长。

番茄定植50 d后株高的差异逐渐明显，到打顶前各处理株高达到最高，差异达极显著(P<0.01)。从表3可以看出，定植后20～40 d、定植后100～120 d，同一施肥水平下，不加气处理番茄株高的日增长量大于加气灌溉处理番茄株高的日增长量，加气灌溉和施肥水平对株高的日增长量在番茄的生育前期和生育后期影响均不显著。加气灌溉和不加气灌溉下，高氮施肥水平促进了番茄植株株高的快速增长，由于较高的氮肥供应，导致植株的徒长，不利于营养的存储。

图3为相同施肥水平下，加气灌溉与不加气灌溉下番茄全生育期内茎粗的变化，从图3可以看出，在定植后20～100 d期间，同一施肥水平下，加气灌溉处理的番茄茎粗均大于不加气灌溉处理。纵观整个生育期，加气灌溉对番茄茎粗的变化影响较大，随着植株的生长，差异性越大。定植50 d之前，加气灌溉处理对番茄茎粗的影响不显著(P>0.05)，定植50 d后各处理的茎粗差异开始逐渐明显，定植60～80、80～100 d番茄茎粗差异达极显著(P<0.01)。

从表4可以看出番茄定植后20～40、40～60、60～80 d，同一施肥水平，加气灌溉处理茎粗日增长量较不加气灌溉处理日增长量较大，但在定植后20～40 d差异性不显著，定植后40～60、60～80 d差异性达显著水平，其原因是此时番茄处于前期生育阶段，其生长过程中对土壤氧气含量的需求较小，故加气灌溉对茎粗的影响不显著，随着植株的不断生长，植物根系对氧的需求量逐渐增大，在番茄生育中期(定植后40～80 d)，其茎粗的日均增长量最大，加气灌溉对番茄茎粗的影响显著。定植后100～120 d是生育末期，这一阶段番茄处于第二阶段的果实采收期，番茄茎粗的日均增长量明显放缓，加气灌溉对这一阶段番茄茎粗的影响不显著，说明，加气灌溉可促进番茄植株生育前期、中期茎粗的生长。

图2 加气灌溉和不加气灌溉不同施肥水平对温室番茄株高的影响Fig.2 Impacts of different fertilizer levels on plant height of greenhouse tomato in aerated irrigation and unaerated irrigation

图3 加气灌溉与不加气灌溉同一施肥水平对温室番茄茎粗的影响Fig.3 Impacts of the same fertilization level of aerated irrigation and unaerated irrigation on stem diameter of greenhouse tomato

表4 茎粗分段日均增长量 cmTab.4 The per-day growth of stem width of tomato

图4为加气灌溉和不加气灌溉，不同施肥水平对番茄茎粗的影响变化，从图4可以看出，3个施肥水平下，各个处理番茄茎粗的变化趋势基本一致，定植后20～100 d是番茄茎粗的快速生长阶段，定植后100～120 d，番茄生长后期茎粗的增长明显放缓。定植50 d之前，加气灌溉下不同施肥处理对番茄茎粗的影响不显著(P>0.05)，定植50 d后各处理的茎粗差异开始逐渐明显，定植后60～80、80～100 d番茄茎粗差异达极显著(P<0.01)。加气灌溉下，中氮处理的茎粗较高氮和低氮较大，不加气灌溉下，也是这一规律，说明较高和较低的氮肥施用量均不利于番茄茎粗的生长，加气灌溉中氮施肥水平可促进番茄植株茎粗的快速生长。

加气、施肥处理对番茄株高、茎粗的影响见表5，从表5可以看出，同一施肥水平下，加气灌溉处理的番茄株高茎粗均大于不加气灌溉处理的株高、茎粗，且加气灌溉对株高、茎粗的影响极显著(P<0.01)。加气灌溉下，番茄株高、茎粗较不加气灌溉处理分别显著增大了6.2%、11.0%。另外，随着施肥量的增加，番茄株高呈现极显著的积极响应(P<0.01)，加气灌溉施肥水平为高氮处理的番茄株高达最大值，施肥水平为中氮处理较高氮处理的番茄茎粗显著增大了4.4%。加气和施肥对番茄株高和茎粗均有极显著的影响。交互作用下，加气和施肥对番茄茎粗无显著影响，对株高有显著性影响(P<0.05)。

图4 加气灌溉和不加气灌溉不同施肥水平对温室番茄茎粗的影响Fig.4 Impacts of different fertilizer levels on stem diameter of greenhouse tomato in aerated irrigation and unaerated irrigation

表5 加气灌溉不同施肥水平对温室番茄株高、茎粗的影响Tab.5 Impacts of different fertilization levels on plant height and stem diameter of greenhouse tomato

表6为不同施肥水平加气灌溉对温室番茄植株各部分干物质累积量的影响，加气灌溉处理的番茄地上部干物质量、地下部干物质量、根冠比均高于不加气灌溉处理。加气灌溉较不加气灌溉处理，地上部干物质量增大了11.4%，地下部干物质量增大了17.4%，根冠比增大了6.6%。加气灌溉和不加气灌溉不同施肥水平对植株体各部分干物累积量有显著性影响(P<0.01)，加气灌溉中氮处理植株体各部分干物质累积量最大，加气灌溉中氮处理的地上部干物质量、地下部干物质量、根冠比均最高，地上部干物质量较高氮处理和低氮处理分别增大了3.6%、9.4%，地下部干物质量较高氮处理和低氮处理分别增大了9.2%、18.6%，根冠比较高氮处理和低氮处理分别增大了5.6%、10%。

表6 加气灌溉不同施肥水平对温室番茄植株各部分干物质累积量的影响Tab.6 Impacts of different fertilizer levels of aerated irrigation on dry matter accumulation of each part of tomato in greenhouse

单因素中加气、施肥水平对地上部干物质量、地下部干物质量、根冠比均有极显著的正影响效应。加气和施肥交互作用对地上部干物质量、地下部干物质量、根冠比无显著性影响。

2.2 不同灌溉处理对温室番茄产量和品质的影响

表7为不同施肥水平加气灌溉对温室番茄单株产量和果实品质影响，番茄单株产量、维生素C、可溶性糖、有机酸含量、糖酸比对加气灌溉存在极显著的积极响应(P<0.01)。在同一施肥水平下，加气灌溉单株产量、维生素C、可溶性糖、有机酸含量、糖酸比与不加气灌溉处理相比，均存在极显著差异(P<0.01)。与不加气灌溉处理相比，加气灌溉下番茄单株产量、维生素C、可溶性糖、有机酸含量、糖酸比分别增大了6.7%、11.6%、11.3%、7.5%、4.1% 。加气灌溉中氮处理单株产量、维生素C、可溶性糖、有机酸含量、糖酸比最大，与加气灌溉高氮、低氮处理相比，单株产量分别增大了6.2%、8.6%，维生素C分别增大了6.9%、22.5%，可溶性糖分别增大了6.5%、11.3%，有机酸含量分别增大了5.7%、7.5%，糖酸比分别增大了1.8%、3.0%。

表7 加气灌溉不同施肥水平对温室番茄单株产量和果实品质影响Tab.7 Impacts of different fertilizer levels of aerated irrigation on yield and fruit quality of greenhouse tomato

单因素中施肥水平对温室番茄单株产量、维生素C、可溶性糖有极显著影响(P<0.01)，施肥水平对温室番茄有机酸和糖酸比有显著性影响(P<0.05)。加气和施肥水平两因子交互作用，对单株产量有显著的交叉影响效应(P<0.05)，交互作用下，加气和施肥水平对番茄维生素C、可溶性糖、有机酸含量、糖酸比无显著性影响。

3 讨 论

作物生长必不可少的五大因素是水、肥、气、热、光，这五大因素缺一不可，农业生产中容易忽略气的影响，导致植株生长受到抑制，从而影响作物的产量和品质。然而实际农业生产中，土壤中水气是相互制约的矛盾体，传统灌溉过程中，灌溉在满足作物水分需要的同时，排除了土壤中的空气，导致土壤中氧气含量降低，影响作物根系的有氧呼吸，植物根系是植物吸收并运输水分及养分的重要器官，前人研究表明，土壤氧气含量降低也会导致根系活力的下降[11]。本试验结果表明，采用微纳米气泡加气装置增大水中的溶解氧含量，使水气充分混合后，借助地下滴灌管对作物进行灌溉，增加了土壤湿润后土体内的氧气含量，有效缓解了土壤的低氧胁迫，提高了温室番茄的产量和品质。相关研究表明，加气灌溉可促进作物根系生长发育，进而有利于根系对土壤水肥的吸收利，加气灌溉可以改善作物根区生长环境，促进根系伸长和生物量的积累，可显著促进番茄和草莓根系生长，作物的产量、水分利用效率、品质也有不同程度的提升[17-20]。

本试验中，加气灌溉下温室番茄植株株高和茎粗较不加气灌溉处理分别显著增大了6.2%、11%，地上部干物质量增大了11.4%，地下部干物质量增大了17.4%，根冠比增大了6.6%，番茄单株产量、维生素C、可溶性糖、有机酸含量、糖酸比分别增大了6.7%、11.6%、11.3%、7.5%、4.1%。单因素中施肥水平对温室番茄单株产量、维生素C、可溶性糖有极显著影响(P<0.01)，施肥水平对温室番茄有机酸和糖酸比有显著性影响(P<0.05)。加气灌溉不同施肥水平试验结果表明，中氮施肥水平下，植株茎粗、干物质量、果实产量、品质较高氮和低氮处理均有显著增大，且施肥水平和加气灌溉对番茄株高、产量产生显著的交叉影响效应。

4 结 语

(1)加气灌溉较不加气地下滴灌处理，温室番茄株高、茎粗分别显著增大了6.2%、11%，加气灌溉有效缓解了土壤灌溉中或灌后一段时间内缺氧的状况，有效促进了植株的生长。

(2)加气灌溉较不加气地下滴灌处理，温室番茄地上部干物质量显著增大了11.4%，地下部干物质量显著增大了17.4%，根冠比显著增大了6.6%。番茄单株产量、维生素C、可溶性糖、有机酸含量、糖酸比分别增大了6.7%、11.6%、11.3%、7.5%、4.1%。

(3)加气灌溉中氮施肥水平下，植株茎粗、干物质量、果实产量、品质较高氮和低氮处理均有显著增大。因此，考虑各处理对番茄生长发育、产量品质的综合影响，加气灌溉中氮施肥水平是较优的灌溉施肥模式。