水、肥、气耦合滴灌对温室番茄生长和品质的影响

雷宏军，肖哲元，肖 让，杨宏光，潘红卫

(1.华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450046；2.河西学院土木工程学院，甘肃 张掖 734000)

番茄是广为栽培的果菜类蔬菜之一，温室番茄已成为设施栽培的主要形式。面对水肥不合理施用造成的番茄产量和品质下降现状，如何实现番茄优质高效栽培，是近年来广为关注的热点问题。水、肥、气耦合滴灌是一种新型的滴灌技术，具有调节作物根区水、肥、气状况，改善根系生长环境的特点[1]。目前，国内外学者对水肥耦合滴灌条件下作物的生长发育、产量品质等方面进行了较多研究[2-4]，结果表明，与传统的灌水施肥方式相比，滴灌施肥能增加番茄产量、有效提高水分和氮肥利用效率。加气灌溉在地下滴灌的基础上，将水气混合液和微型气泡输送到作物根区土壤，调控土壤中的水气比，有效改善作物根区缺氧状况[5-6]。温改娟等[7]研究发现，加气灌溉对株高、茎粗的生长有益,可提升番茄生长、产量和果实品质。因地下滴灌导致根区土壤缺氧，作物根系生长、根系呼吸和土壤微生物呼吸受到限制，阻碍养分运输等，影响作物生长发育[8-9]。Bhattarai等[6,10]研究表明加气灌溉下土壤氧气含量显著增大，灌水时加气灌溉处理土壤氧气含量的下降(25%)明显低于不加气灌溉(45%)。因此加气灌溉有提高灌水效率、增大土壤氧气含量等作用，能够缓解由土壤湿润造成的土壤缺氧，进而改善作物根系土壤微环境，促进作物生长和产量提高。总的来说，以往的研究初步探索了增氧灌溉在促进作物生长、提高产量、改善品质中的作用，但水、肥、气耦合条件下番茄优质高产的水、肥、气优化组合方案筛选研究还不深入。本文针对不同施肥水平、灌水水平和掺气水平，研究水、肥、气耦合滴灌对温室番茄生长生理、产量和品质的影响，进而探索较优的水、肥、气组合方案。

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日在华北水利水电大学农业高效用水实验场现代化温室(113°47′20.15″E ，34°47′5.91″N)中进行。该地属温带季风气候，多年平均气温14.3℃，7月份气温最高，月平均气温27.3℃，1月份气温最低，月平均气温0.1℃，无霜期200 d，全年日照时数约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，以调节温室内温度、湿度；期间温室内温度及空气湿度分别控制在35℃和85%以内。

1.2 试验材料

供试土壤为郑州黏土，平均土壤容重为1.45 g·cm-3。0～40 cm土层按照每10 cm土层深度取样，剖面土壤质地均匀，砂粒(0.02～2 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)和黏粒(<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-1，土壤全氮、全磷、全钾质量分数分别为0.81、0.79 g·kg-1、30.38 g·kg-1，田间持水率(质量含水率)28%。供试番茄品种为“金鹏8号”。

1.3 试验设计

试验设置施氮量(低氮和常氮)、掺气量(非曝气和循环曝气)和灌水量(低水量和高水量)3因素2水平完全随机区组设计，共8个处理，每个处理4次重复。试验设计列于表1。

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5株，株距33 cm。小区内采用地下滴灌方式进行供水，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-1，间距为33 cm，额定工作压力为0.10 MPa。植株距离滴头10 cm，平行于滴灌带布置。

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10 d后覆膜，株高30～40 cm时进行吊蔓，三穗果时打顶。番茄生育期共计124 d，生育期划分见表2。

试验中所施用的肥料为全水溶型肥料施乐多(含硝态氮7.1%，铵态氮1.1%，脲态氮6.9%，P2O515%，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%，由中国康拓肥料有限公司生产)。利用施肥器将水溶肥掺入水流，在制水罐中混匀，分别于移植后44 d和65 d等量施入田间，N1处理施肥量为135 kg·hm-2，N2处理施肥量为180 kg·hm-2；常规滴溉利用供水装置进行供水；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)确定：土壤基质势下限控制在-30±5 kPa[12]。灌水量根据式(1)计算[13]：

表1 试验设计

W=A·Ep·Kp

(1)

式中,W为各处理每次的灌水量(mm)；A为小区控制面积(2m2)；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[14]。灌溉时间及灌水量参见表3。

表2 番茄生育期划分

表3 生育期内灌水量

1.5 测定指标与方法

1.5.1 土壤呼吸和氧气扩散速率 在番茄果实膨大期，选择1个完整的灌水周期监测土壤呼吸和土壤氧气扩散速率。利用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)，探头埋设地表以下20 cm[13]；采用土壤呼吸测量系统(ADC LCi-SD，英国Delta-T公司)测量土壤呼吸。测定时间为每天的9∶00和15∶00，测量前将土壤呼吸室底座提前埋设于待测土壤中，测量稳定后(1～3 min)读数[15]。

1.5.2 生长性状 每个处理随机选取4株番茄测定株高和地上部分鲜重。分别于移植后27、39、53 d和66 d，利用精度为0.01 m的直尺测量株高。

1.5.3 叶绿素含量 利用SPAD-502叶绿素含量测定仪，以番茄顶部第2片完全展开叶为测量对象，每个处理随机选取3株，分别于移植后27、32、39、53、63、77、91 d和109 d测定标记番茄叶绿素含量。

1.5.4 叶片光合特性 采用光合测定仪(Li 6400XT，美国LI-COR公司)，以番茄顶部第2片完全展开叶为测量对象，每个处理随机选取3株，分别于移植后49、59、75、90 d和115 d测定净光合速率。

1.5.5 产量和品质 生育期分批摘取番茄果实，采用精度为0.01 g电子天平称量果实质量，产量为每次采收果实质量之和；使用硬度计测定番茄果实硬度；使用糖度计(PAL-1，日本ATAGO公司)测定番茄可溶性固形物含量；使用酸碱滴定指示剂法测定果实总酸含量[16]；采用2,6-二氯靛酚滴定法果实测定Vc含量[17]；利用考马斯亮蓝-G250染色法测定果肉可溶性蛋白质含量[17]。

1.6 统计分析

采用Excel 2013进行数据处理和绘图，通过SPSS 22.0统计软件进行数据分析，当P<0.05时视为差异具有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 水、肥、气耦合滴灌对土壤呼吸和氧气扩散速率的影响

图1为1个灌水周期内土壤呼吸(R)和土壤氧气扩散速率(ODR)的变化动态，由于施氮量对土壤呼吸和土壤氧气扩散速率无显著影响，故选择常氮施肥水平进行说明。在番茄果实膨大期，土壤呼吸的高峰值出现在灌水后第2天下午。在整个灌溉过程中，N2AW2最大，N2CW1最小。循环曝气处理对土壤呼吸有显著提升效果，在灌水后第2天下午最为显著，N2AW1较N2CW1，N2AW2较N2CW2分别提高37.01%和36.49%(P<0.05)。不同处理土壤ODR先下降后上升，之后逐渐趋于平稳。其中，N2AW1和N2AW2较大，N2CW1和N2CW2较小。灌水后第2天，各处理ODR开始逐渐回升，N2AW1和N2AW2较N2CW1和N2CW2平均增大14.93%和17.98%(P<0.05)。说明循环曝气处理更有利于改善土壤微环境。本试验中，灌水量对土壤呼吸和土壤氧气扩散速率均无显著影响(P>0.05)。

2.2 水、肥、气耦合滴灌对番茄生长生理指标和生物量的影响

2.2.1 对番茄株高的影响 不同处理番茄株高动态变化见图2。试验中各处理的株高随着移栽天数的增加而增加，以移植后第66天为代表：与非曝气处理相比，曝气处理番茄株高平均增加9.81%(P<0.05)；与低水量处理相比，高水量处理番茄株高平均增加18.14%(P<0.05)；与低氮处理相比，常氮处理番茄株高平均增加6.58%(P<0.05)。说明循环曝气、高水量和常氮处理可有效促进番茄的生长。

图1 不同处理下土壤氧气扩散速率(ODR)和土壤呼吸(R)的变化动态Fig.1 Soil oxygen diffusion rate (ODR) and soil respiration(R)dynamics under different treatments

2.2.2 对番茄叶片叶绿素含量的影响 由图3分析可知，生育期内各处理番茄叶绿素含量呈现先上升后下降，最后趋于平稳的变化趋势。与非曝气处理相比，曝气处理番茄叶绿素含量平均增加8.63%(P<0.05)；与低水量处理相比，高水量处理番茄叶绿素含量平均增加11.44%(P<0.05)；与低氮处理相比，常氮处理番茄叶绿素含量平均增加8.20%(P<0.05)，循环曝气、高水量和常氮处理可有效提高番茄叶绿素含量。

2.2.3 对番茄净光合速率的影响 不同处理番茄叶片净光合速率见表4。与低氮处理相比，处理N2CW1在59、75、90 d和115 d平均增幅17.23%(P<0.05)，处理N2AW1在115 d平均增幅15.28%(P<0.05)，处理N2CW2在75 d和115 d平均增幅17.23%(P<0.05)，处理N2AW2在49、75 d和115 d平均增幅18.68%(P<0.05)。说明循环曝气、高灌水量和常氮处理可有效提高番茄净光合速率。

图2 不同处理番茄株高动态变化Fig.2 Plant height dynamic of greenhouse tomatounder different treatments

2.2.4 对番茄产量及地上部鲜重的影响 由表5分析可知，单因素作用下，从产量来看，与非曝气处理相比，曝气处理提高22.91%(P<0.05)；高水量处理较低水量处理平均提高41.19%(P<0.05)；常氮处理较低氮处理平均提高40.87%(P<0.05)。从地上部鲜重变化看，曝气处理较非曝气处理平均提高14.93%(P<0.05)，高水量处理较低水量处理平均提高27.10%(P<0.05)，常氮处理较低氮处理平均提高24.89%(P<0.05)。两因素交互作用中，施氮量与掺气处理、施氮量与灌水量对番茄产量、地上部鲜重有极显著影响(P<0.01)，掺气处理与灌水量对地上部鲜重有极显著影响(P<0.01)。灌水量、掺气处理和施氮量互作对番茄产量及地上部鲜重均无显著影响(P>0.05)。说明循环曝气、高水量和常氮处理可有效提高番茄产量和地上部鲜重。

2.3 土壤呼吸、氧气扩散速率、番茄生长生理指标及产量之间的相关关系

对土壤呼吸、氧气扩散速率、株高、叶绿素含量、净光合速率及产量进行相关性分析，结果见表6。土壤呼吸与氧气扩散速率呈极显著正相关(P<0.01)；氧气扩散速率和土壤呼吸与产量呈显著正相关(P<0.05)；株高与叶绿素含量、净光合速率和产量呈极显著正相关(P<0.01)，叶绿素含量与净光合速率和产量呈极显著正相关(P<0.01)，净光合速率与产量呈极显著正相关(P<0.01)。说明土壤根际环境的改善有利于番茄生长，进而提高番茄产量。

图3 不同处理番茄叶绿素含量的动态变化Fig.3 Chlorophyll content dynamics of tomato underdifferent treatments

表4 不同处理番茄的净光合速率/(μmol·m-2·s-1)

2.4 水、肥、气耦合滴灌对番茄果实品质的影响

由表7分析可知，循环曝气、高水量和常氮处理可有效改善番茄的果实品质。单因素作用下，与非曝气处理相比，曝气处理番茄果实可溶性固形物平均增加16.73%(P<0.05)；与低水量相比，高水量处理番茄果实可溶性固形物平均增加16.11%(P<0.05)；常氮处理番茄果实可溶性固形物较低氮处理平均增加12.65%(P<0.05)。与非曝气处理相比，曝气处理果实总酸含量平均降低11.44%(P<0.05)；与低水量处理相比，高水量处理果实总酸含量平均降低16.38%(P<0.05)；常氮处理果实总酸含量较低氮处理平均降低7.97%(P<0.05)。与非曝气处理相比，曝气处理果实Vc含量平均增加12.13%(P<0.05)；与低水量处理相比，高水量处理果实Vc含量平均增加17.60%(P<0.05)；常氮处理果实Vc含量较低氮处理平均增加41.81%(P<0.05)。与非曝气处理相比，曝气处理果实可溶性蛋白质含量平均增加11.59%(P<0.05)；与低水量处理相比，高水量处理果实可溶性蛋白质含量平均增加18.99%(P<0.05)；常氮处理果实可溶性蛋白质含量较低氮处理平均增加28.03%(P<0.05)。

表5 不同处理的番茄生物量

两因素交互作用中，施氮量和掺气处理对Vc含量、可溶性蛋白质含量有极显著影响(P<0.01)；施氮量和灌水量对可溶性固形物有显著影响(P<0.05)、对Vc含量和可溶性蛋白质含量有极显著影响(P<0.01)；掺气处理和灌水量对可溶性固形物含量有极显著影响(P<0.01)，对总酸含量和Vc含量有显著影响(P<0.05)。灌水量、掺气处理和施氮量3因素互作对番茄果实品质无显著影响(P>0.05)。

3 讨 论

3.1 水、肥、气耦合滴灌对温室番茄生长生理指标的影响

土壤通气性是表征土壤透气性和土壤氧气含量的综合指标，土壤气体的组成、吸附、产生及其对植物的作用等各个方面都与之相关[18]。土壤通气状况直接影响根系呼吸，作物根系缺氧易造成乙醇、脱落酸等植物激素的增加，这将导致叶片净光合速率下降，影响ATP的产生，进而影响作物生长[19]。

表6 土壤呼吸(R)、氧气扩散速率(ODR)、番茄生长生理指标及产量之间的相关关系

表7 不同处理的番茄果实品质

增氧灌溉水气两相流动中微气泡易附着于土壤孔隙，可向水中持续供氧，以维持土壤中良好的氧气环境[11]。文丘里空气射流器循环曝气将微气泡和水混合起来运送到作物根区，利用双氧水灌溉，可向根际土壤中缓慢释放氧气[20]，改善根际土壤缺氧环境。温改娟等[7]研究表明，加气灌溉下番茄的株高增加了36.54%。朱艳等[21]研究表明，加气灌溉下番茄茎粗、叶面积等显著增大。李元等[22]研究也表明，加气灌溉对叶绿素含量、株高、干物质积累均有显著影响。本试验中，曝气处理可提高番茄株高和叶绿素含量，促进番茄生长。这些结果表明，常规灌溉易造成土壤通气性不良，体现在根系呼吸强度下降，作物根际土壤发生低氧胁迫，导致根系生长环境恶化，不利于地上部的生长。因此，通过提高灌溉水的氧气浓度，将氧气或含氧物质输送到根区，可改善根系环境，促进根系对水分和养分的吸收利用[23]，进而对番茄生长产生积极的影响。

3.2 水、肥、气耦合滴灌对温室番茄产量及品质的影响

作物产量与本身遗传因子和外部环境有关，土壤呼吸、土壤氧气含量、土壤水分和土壤温度等是影响作物产量的主要环境因素，它们之间相互影响，其中一个因素的变化将会影响整体土壤环境的改变。土壤呼吸是大气与土壤之间进行气体交换的主要方式，主要来自作物根系的自养呼吸作用和土壤微生物的异养呼吸作用，土壤水分、温度及土壤通气性均会对土壤呼吸产生重要影响[24]。土壤氧气含量对植株的作用至关重要，在灌溉过程中，作物根系常处于缺氧的不利生长环境中，缺氧将导致作物蒸腾速率减慢，养分吸收受阻，植株生长受到抑制，作物的产量和品质必然会受到影响。增氧灌溉改善根区氧气环境，将含氧物质输送到作物根区，增强根系的自养呼吸作用[25]，还增强了好氧微生物的繁殖以及土壤酶活性[26]，改善根际土壤环境，促进根系的干物质积累，提高了作物产量。本试验中，曝气滴灌在改善土壤根系环境的同时，促进了作物生长，进而提高了作物产量。灌水水平和施肥水平的提高对番茄产量和地上部鲜重均产生显著的积极影响。在果实品质方面，Vc含量、总酸含量等是反映番茄口感的重要指标。前人研究表明，加气灌溉下番茄果实中番茄红素、Vc等含量显著增大，改善了番茄的果实品质和风味，但随灌水水平的增大，一定程度上降低了果实品质[21]。本试验中，循环曝气、提高灌水量、增加施氮量均使Vc含量、可溶性固形物和可溶性蛋白质含量有显著提高，而总酸含量有所降低，可有效改善番茄的果实品质。

4 结 论

1)循环曝气、高水量和常氮处理可有效促进番茄生长，显著提高叶绿素含量和净光合速率，为番茄增产奠定了生理基础。

2)灌水量、施氮量和掺气量的改变对番茄产量及地上部鲜重产生不同程度影响。其中，曝气处理较非曝气处理平均提高22.91%和14.93%，高水量处理较低水量处理平均提高41.19%和27.10%，常氮处理较低氮处理平均提高40.87%和24.89%，差异均达显著水平。

3)灌水量、施氮量的改变和掺气处理可有效改善番茄果实品质。各处理可溶性固形物、Vc含量、可溶性蛋白质含量较相应对照显著增加，总酸含量显著降低。

综合比较番茄生长生理、产量和品质指标，本试验中，常氮高水量循环曝气处理是促进温室番茄生长和品质提升的水、肥、气适宜组合方案，相应的施氮量为180 kg·hm-2，灌水量为1 237 m3·hm-2，掺气比率为15%。