水肥气耦合滴灌提高温室番茄土壤通气性和水氮利用

雷宏军，肖哲元，张振华，杨宏光，刘 鑫，潘红卫

（1.华北水利水电大学 水利学院，郑州 450046； 2.鲁东大学 资源与环境工程学院，山东 烟台 264039）

0 引 言

针对水肥资源紧缺与浪费并存的矛盾、蔬菜产量增加而品质下降与人们追求食物安全与营养的矛盾，如何充分挖掘作物对水分和养分的吸收利用潜力，实现蔬菜优质的高效灌溉施肥，是近年来广为关注的热点。随着滴灌技术的精细化发展，增氧滴灌已成为一种作物提质增效的新技术[1-2]。为满足不同作物的水肥需求、减少灌水施肥用量，水肥一体化滴灌已成为精细化滴灌技术的研究热点[3]，尤其是，增氧滴灌和水肥一体化滴灌的结合已成为滴灌的研究前沿。水肥气耦合滴灌是增氧滴灌和水肥一体化滴灌结合的产物，是一种具有调节作物根区水肥气状况，改善根系生长环境的新型滴灌技术[4-5]。已有研究表明，曝气地下滴灌对紫茄生长、水分和养分利用的促进作用明显[6]。温改娟等[7]研究发现，增氧灌溉提升了番茄生长、产量和果实品质。雷宏军等[8]研究表明，增氧灌溉提高了小白菜对土壤氮、磷、钾的吸收。沈荣开等[9]研究表明，水肥耦合条件下低水量灌溉利于肥料增产效益的发挥。刘虎成等[10]研究表明，滴灌施肥处理可显著提高生姜根茎产量、水分利用效率、氮磷钾的吸收量和利用效率。目前关于水肥气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长和土壤通气性等方面，对于土壤通气性及水氮利用的协同作用研究相对较少。本试验以番茄为研究对象，设置不同的灌水量、掺气量和施氮量，通过监测土壤通气性与作物生长状况，探明水肥气耦合滴灌对温室番茄土壤通气性及水氮利用的影响，以期为水肥气耦合滴灌的推广应用提供一定理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2017年9月27日—2018年1月28日在河南郑州华北水利水电大学农业高效用水实验场现代化温室（34°47′5.91″N，113°47′20.15″E）中进行。该地区属温带季风气候，多年平均气温14.3 ℃，7月气温最高，月平均气温27.3 ℃，1月气温最低，月平均气温0.1 ℃，无霜期200 d，全年日照时间约2 400 h。温室建筑总面积为537.6 m2，跨度为9.6 m，开间为4 m；玻璃温室内，南面、北面分别装有风机和湿帘，根据温室空气温度（35 ℃）及湿度上限值（85%）进行调节。番茄生育期内温室平均相对湿度在34.5%～78.9%，平均气温在13.0～23.0 ℃之间波动。

1.2 试验材料

供试番茄品种为“金鹏8 号”。供试土壤为郑州黏土，将0～40 cm 按照每10 cm 土层取样，平均土壤体积质量为1.45 g/cm3。剖面土壤质地均匀，砂粒（0.02～2 mm）、粉粒（0.002～0.02 mm）黏粒（<0.002 mm）质量分数分别为32.99%、34.03%和32.98%。土壤pH 值为6.50，有机质质量分数13.62 g/kg，土壤全氮、全磷、全钾质量分数分别为0.81、0.79 和30.38 g/kg，田间持水率（质量含水率）28%。

1.3 试验设计

试验采用完全随机区组设计，设置施氮量（低氮和常氮）、掺气量（常规滴灌和曝气滴灌）和灌水量（低水量和高水量）3 因素2 水平，共8 个处理，每个处理4 次重复。试验设计列于表1。

表1 试验设计 Table 1 Experimental design

试验区域共设32 个小区，小区长2 m，宽1 m，小区面积2 m2。小区内起垄种植番茄，垄高10 cm，每垄定植6 株，株距33 cm。小区内采用地下滴灌供水方式，滴灌带型号为JOHN DEERE，埋深为15 cm，直径为16 mm，壁厚为0.6 mm，滴头额定流量为1.2 L/h，滴头间距为33 cm，额定工作压力为0.10 MPa。植株距离滴头10 cm，平行于滴灌带种植。

1.4 试验管理

番茄于4 叶1 心至5 叶1 心时移栽。移栽当天浇透底水，移植后10 d 覆膜，株高30～40 cm 时吊蔓，三穗果时打顶。番茄生育期共计124 d，生育期划分详见表2，移栽后天数用DAT 表示。

表2 番茄生育期划分 Table 2 Duration of tomato growth period

水肥气耦合滴灌所施用的肥料为全水溶型肥料施乐多（硝态氮-7.1%，铵态氮-1.1%，脲态氮-6.9%，P2O5-15%，K2O-30%，螯合态微量元素Fe-0.1%，Mn-0.05%，Zn-0.15%，Cu-0.05%，Mo-0.05%，B-0.1%，中国康拓肥料有限公司）。利用施肥器将水溶肥掺入水流，在制水罐中混匀，通过地下滴灌系统供水，分别于移植44和65 d等量施入，N1处理施纯氮135 kg/hm2，N2处理施纯氮180 kg/hm2；常规滴灌利用首部供水装置进行供水；曝气滴灌处理利用文丘里空气射流器（Mazzei air injector 684，美国Mazzei Corp公司）进行曝气。试验中利用储水管路、循环泵、文丘里空气射流器等设备制得掺气比率约为15%的掺气水（曝气20 min）[11]，通过地下滴灌系统供水。各小区分别供水，供水压力为0.10 MPa，采用滴水计量器计量灌水量。试验中灌水下限根据距离植株径向10 cm、纵向20 cm埋深处的张力计（12型分体式张力计，中国农业科学院农田灌溉研究所）：土壤基质势下限控制在（-30±5）kPa，结合埋深20 cm土壤湿度监测结果确定[12]。灌水量计算式[13]为：

式中：W 为各处理每次的灌水量（mm）；A 为小区控制面积（2 m2）；EP为1 个灌水周期内Φ601 蒸发皿的蒸发量（mm）；KP为蒸发皿系数，W1 处理取0.6，W2 处理取0.9。灌溉时间及灌水量见表3。

表3 生育期内灌水量 Table 3 Irrigation volume during crop growing season mm

1.5 测定指标与方法

1.5.1 土壤水分饱和度

于番茄果实膨大期选择2 个连续的灌水周期监测，利用土壤湿度记录仪（FDS-100，邯郸市清胜电子科技有限公司）测定土深20 cm 处土层含水率，水分传感器埋设于相邻2 株作物中间。土壤水分饱和度（percentage saturation of soil water，P）计算式[14]为：

式中：P 为土壤水分饱和度（%）；θm为土壤质量含水率（%）；ρb为土壤体积质量（g/cm3）；ρs为土壤比重（g/cm3）。

1.5.2 土壤氧气扩散速率和氧化还原电位

土壤通气性指标的测定时间与土壤水分饱和度相同。试验中利用多功能氧化还原电位测量仪（上海仪电科学仪器股份有限公司，中国）测定土壤氧气扩散速率（oxygen diffusion rate，ODR）和氧化还原电位（oxidation-reduction potential，Eh）。根据预试验，研究中氧化还原电位测量仪探头埋深选择20 cm。

1.5.3 土壤矿质氮

分别于施肥前后及生育期末采集土壤样品，试验中分别于移栽后36、47、61、66、120 d 取土。取土深度为0～20 cm，取样后将样品混匀，立即放于4 ℃冰箱保存1～3 d[15]。测定时取出土样，利用2 mol/L KCL 溶液浸提，根据浸提液中的矿质氮浓度情况，稀释5～10 倍数后，利用紫外分光光度法测定溶液中的硝态氮，利用靛酚蓝比色法测定溶液中的铵态氮。土壤矿质氮质量分数计算式[14]为：

式中：M 为土壤矿质氮（NO3--N、NH4+-N）质量分数（mg/kg）；C 为样品测定的矿质氮溶液质量浓度（mg/L）；V 为样品提取液的体积（mL）；m 为样品质量（g）；K 为稀释倍数。

1.5.4 根系指标及产量

番茄收获当天挖取番茄根系，冲洗干净后，用吸水纸吸干根系表面水分，称量鲜质量。用直尺测记根系的最大长度；依据TTC 法测根系活力[16]。将番茄地上部和洗涤干净的根系放入烘箱中在105 ℃杀青20 min 后，调节温度至70 ℃烘干72 h，称取干质量。采用电子天平称量番茄产量，精度为0.01 g。

1.5.5 水氮利用

灌溉水利用效率（Irrigation water use efficiency，IWUE）计算式[17]为： 式中：IWUE 为灌溉水利用效率（kg/m3）；Y 为作物产量（kg/hm2）；I 为生育期内灌水总量（mm）；10为单位换算系数。

利用凯氏定氮法测定植株全氮[7]，作物氮素吸收利用效率（Nitrogen uptake and utilization efficiency，UPEN）计算式[18]为：

式中：UPEN为氮素吸收利用效率（kg/kg）；AN为植株总氮吸收量（kg/hm2）；UN为施氮量（kg/hm2）。 1.6 统计分析

采用Excel 2013 进行数据处理和绘图，通过SPSS 22.0 软件Fisher LSD 方法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 水肥气耦合滴灌对土壤通气性指标的影响

2.1.1 对土壤水分饱和度的影响

图1 为2 个连续灌水周期土壤水分饱和度的变化动态，箭头代表灌水事件，下同。由于施氮量对土壤水分饱和度无显著影响，故选择常氮施肥水平进行说明。由图1 可知，不同处理的土壤水分饱和度变化动态基本一致，灌水后土壤水分饱和度迅速上升，而后迅速下降至60%以下。比较2 个灌水周期土壤水分饱和度均值发现，低水量和高水量处理下，曝气滴灌处理的土壤水分饱和度均值较常规滴灌分别平均降低2.4%和5.5%；常规滴灌和曝气滴灌处理下，高水量处理的土壤水分饱和度均值较低水量处理分别平均增加10.3%和6.8%。

图1 不同处理土壤水分饱和度的变化动态 Fig.1 Dynamics of percentage saturation of soil water under different treatments

2.1.2 对土壤ODR 和Eh 的影响

图2 为连续2 个灌水周期内土壤ODR 和Eh 的时间动态。由图2 可知，不同处理的ODR 和Eh 变化趋势相同，灌水后ODR 和Eh 值迅速下降，之后逐渐上升趋于平稳。本试验条件下，不同施氮水平对土壤ODR 和Eh 无显著影响。低水量和高水量处理下，曝气处理的土壤ODR 均值较常规滴灌分别增加1.3%和14.9%；常规滴灌下，高水量处理的土壤ODR 均值较低水量处理降低6.4%。比较2 个灌水周期Eh 均值发现，低水量处理下，曝气处理的Eh 均值较常规滴灌增加6.0%，高水量处理下，曝气处理的Eh 均值较常规滴灌增加8.2%；常规滴灌处理下，高水量处理的Eh 均值较低水量处理分别降低4.7%。曝气处理下，高水量处理的Eh 均值较低水量处理增加9.7%。说明高水量曝气滴灌处理更有利于改善土壤通气性。

2.2 对土壤矿质氮量的影响

不同处理土壤矿质氮量变化见图3。由表4 结果可知，单因素作用中，曝气滴灌处理土壤NO3--N 量较相应常规滴灌处理平均降低21.4%（P<0.05）；高水量处理土壤NO3--N 量下降，较相应低水量处理平均降低22.7%（P<0.05）；常氮处理提高土壤NO3--N量，较相应低氮处理平均增加29.0%（P<0.05）。

曝气滴灌处理土壤NH4+-N 量下降，较各自常规滴灌处理平均降低15.5%（P<0.05）；高水量处理土壤NH4+-N 量下降，较相应低水量处理平均降低14.7%（P<0.05）。常氮处理提高了土壤NH4+-N 量，较相应低氮处理平均增加17.8%（P<0.05）。

灌水量、掺气量和施氮量三因素互作对土壤NO3--N 和NH4+-N 量有显著影响（P<0.05）。

表4 不同处理土壤硝态氮和铵态氮量 Table 4 Soil NO3--N and NH4+-N content under different treatments

2.3 水肥气耦合滴灌对番茄产量及水氮利用影响

2.3.1 对根系生长及产量的影响

由图4 可知，掺气量、灌水量和施氮量的增加可有效提高番茄根系活力。与常规滴灌相比，曝气滴灌番茄根系活力平均增加11.6%（P<0.05）；与低水量处理相比，高水量处理番茄根系活力平均增加25.2%（P<0.05）；常氮处理番茄根系活力较低氮处理平均增加29.0%（P<0.05）。

产量和地下部干质量是反映作物物质积累的重要指标，根系最大长度可在一定程度上反映根系的延伸区域。表5 结果表明，单因素作用中，曝气处理可提高番茄产量，较相应常规滴灌平均增幅 22.9%（P<0.05）；高水量处理提高了番茄产量，较相应低水量处理平均增幅41.2%（P<0.05）；常氮处理提高了番茄产量，较相应低氮处理增加35.2%、45.0%、38.9%和44.4%（P<0.05），平均增幅40.9%。曝气处理促进了地下部干物质积累，较相应常规滴灌处理平均提高14.9%（P<0.05）；高水量处理地下部干质量较相应低水量处理平均提高17.2%（P<0.05）；与低氮处理相比，常氮处理地下部干质量平均提高40.2%（P<0.05）。曝气处理提高番茄最大根长，较相应常规滴灌处理平均提高31.3%（P<0.05）；高水量处理番茄最大根长较相应低水量处理平均提高28.8%（P<0.05）；与低氮处理相比，常氮处理促进番茄最大根长，平均增幅13.2%。

图2 不同处理土壤ODR 和Eh 的变化动态 Fig.2 Dynamics of oxygen diffusion rate (ODR) and oxidation-reduction Potential (Eh) of soils under different treatments

图3 不同处理土壤矿质氮变化动态 Fig.3 Dynamics of mineral nitrogen of soils under different treatments

图4 不同处理番茄根系活力 Fig.4 Root activity of tomato under different treatments

两因素交互作用中，施氮量与掺气量、施氮量与灌水量对番茄产量、地上部干质量有极显著影响（P<0.01）；施氮量与灌水量对最大根长有极显著影响（P<0.01），掺气量与灌水量对最大根长有显著影响（P<0.05）。

2.3.2 对水氮利用的影响

由表6 结果可知，单因素作用中，灌水量、施氮量和掺气量影响作物灌溉水利用效率。高水量处理降低番茄IWUE，较相应低水量处理平均降低6.7%；常氮处理提高番茄IWUE，较相应低氮处理平均提高40.9%（P<0.05）；曝气处理提高了番茄IWUE，较相应常规滴灌处理平均提高22.9%（P<0.05）。

灌水量、施氮量和掺气量同样影响作物氮素吸收利用效率。高水量处理提高番茄UPEN，较相应低水量处理平均提高13.6%（P<0.05）；常氮处理提高番茄UPEN，较相应低氮处理平均提高12.7%（P<0.05）；曝气处理提高番茄UPEN，较相应常规滴灌处理平均提高12.4%（P<0.05）。

表5 不同处理番茄生物量及最大根长 Table 5 Biomass and maximum root length of tomato under different treatments

表6 不同处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

两因素交互作用中，施氮量与掺气量对灌溉水利用效率有极显著影响（P<0.01）；施氮量与灌水量对氮素吸收利用效率有显著影响（P<0.05）。

3 讨 论

3.1 水肥气耦合滴灌对温室番茄土壤通气性影响

通常，土壤通气性的具体指标包括土壤充气孔隙度、土壤氧气浓度、土壤氧气扩散速率、土壤透气性等。土壤总孔隙度由土壤充气孔隙度与水分饱和度构成，滴灌过程中灌溉水渗入驱替了土壤孔隙中的空气，导致充气孔隙度的减小与水分饱和度的增大[19]。土壤水分经水平扩散、垂直入渗和被植物吸收等途径逐渐散失，土壤水分饱和度逐渐下降。上述过程中，在土壤水分饱和度逐渐增大的阶段由于土壤孔隙逐渐被灌溉水体占据，土壤通气性降低，导致ODR 和Eh值降低；在水分饱和度逐渐下降的阶段由于土壤孔隙水经各种途径散失，空气逐渐进入土壤孔隙，气体交换频繁，造成ODR 和Eh 值增大[20]。本试验条件下，不同施氮水平对土壤ODR 和Eh 无显著影响，试验中呈现曝气处理ODR 和Eh 均值高于常规滴灌处理，而常规滴灌下，高水量处理的ODR、Eh 均值较低水量处理低。可能是因为，曝气处理下，高掺气率的灌溉水进入土壤孔隙后释放出O2造成一定时间内ODR 和Eh 值较高，与臧明等[21]关于高灌水量下增氧处理的氧气扩散速率、氧化还原电位均有显著增强结论一致。而在常规滴灌下，低水量处理土壤水分饱和度下降快，空气更易进入土壤孔隙，导致低水量处理ODR 和Eh均值高于高水量处理。

3.2 土壤通气性的改善对作物产量及水氮利用特性的影响

以往研究表明，灌水量和施氮量是影响作物产量的重要因素[8]。本试验也证实了增加灌水量和施氮量对番茄产量等指标提升明显。除灌水量和施氮量因素外，掺气量也是影响产量的重要因素。本研究结果表明，曝气滴灌增大了土壤ODR、Eh 值，说明曝气滴灌改善了因灌溉造成的局部缺氧环境，提高了根区氧气量，从而利于根系有氧呼吸和根系活力的增强。地上部营养物质的输送依赖于适宜的根区环境和强壮的根系，为根系生长和养分吸收提供了良好的环境。通气性改善后根系可从土壤中吸收更多的水分养分输送到地上部分，为地上部分的生长创造良好的营养条件，最终提高作物产量。

根系是作物吸收水肥的器官，已有研究证实旱作农田下增加灌水量和掺气量有利于根系生长，而根系的良好发育有助于营养物质的吸收利用[3,8]，试验表明，掺气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。在适宜时期补充灌水可有效促进作物对土壤氮素的吸收及其从营养器官向果实转移[22]，故试验中灌水量的增大提高了作物氮素吸收利用效率。

水肥气耦合滴灌在补水的同时补肥。随着施肥量的增加，土壤硝态氮量增大，且主要分布在0～40 cm的土层[23]。土壤铵态氮量也迅速上升，之后随着氮素通过淋溶、NH3挥发等途径损失和被作物吸收利用，土壤矿质氮量逐渐降低[24]。本试验表明，曝气条件下灌水量增大可降低土壤硝态氮和铵态氮量，施氮量的增大增加了土壤硝态氮和铵态氮量，有利于提高作物氮素的吸收效率。本试验只在掺气率为15%的情况下进行，未对高于15%的情况进行研究，今后将展开此方面的研究。

4 结 论

1）曝气滴灌可有效改善土壤通气性。高水量条件下曝气处理的土壤水分饱和度有所降低，氧气扩散速率、氧化还原电位均明显增大。

2）灌水量、施氮量和掺气量影响作物IWUE 和UPEN。灌水量的增加降低了IWUE，施氮量的增加增大了IWUE，曝气处理增大了IWUE；灌水量的增加增大了UPEN，施氮量的增加增大了UPEN，曝气处理增大了UPEN。

3）灌水量、施氮量和掺气量影响作物产量。曝气处理提高番茄产量；灌水量的增加提高了番茄产量；施氮量的增加提高了番茄产量。

综合分析番茄根系生长和IWUE、UPEN等指标，常氮曝气高水量处理是温室番茄适宜的水肥气组合方案，相应施氮量为180 kg/hm2，灌水量为1 237 m3/hm2，掺气率为15%。