王逍遥,王天泽,周云鹏,肖洋,刘雅新,李云开*
微纳米气泡水滴灌对设施甜瓜产量、品质及灌溉水利用效率的影响
王逍遥1, 2,王天泽2,周云鹏2,肖洋2,刘雅新2,李云开1, 2*
(1.石河子大学 水利建筑工程学院,新疆 石河子 832000;2.中国农业大学 水利与土木工程学院,北京 100083)
【】提出适合设施甜瓜栽培的微纳米气泡水(Micro-nano Bubble Water,MNBW)滴灌模式。以设施甜瓜为供试对象,采用地下滴灌系统进行MNBW灌溉,研究了MNBW和传统地下水(Conventional Groundwater,CGW)4种水源、2种施肥水平(100%和80%滴灌施肥水平)、3种滴灌频率(1/3、1/7、1/15 次/d)等因素耦合对甜瓜产量、品质和灌溉水利用效率(Irrigation Water Use Efficiency,)的影响。使用MNBW滴灌可以实现肥料减施,削减20%传统滴灌施肥量可以大幅提高甜瓜的产量(增幅最高可达56.4%)和(增幅最高可达67.7%),可溶性糖量、维生素C量、可溶性固形物量也提升显著;灌溉频率也会影响MNBW滴灌的应用效果1/3次/d的高频滴灌下甜瓜的品质提升最为显著,与滴灌频率为1/15 次/d相比,甜瓜的可溶性固形物量提高21.5%~28.0%、维生素C量提高11.6%~14.8%、茎粗提高8.5%~14.2%。如果未恰当采用未腐熟牛粪作为底肥,MNBW滴灌反而会大幅降低甜瓜的产量、品质与。推荐滴灌频率为1/3 次/d的MNBW滴灌结合80%滴灌施肥水平作为设施甜瓜微纳米气泡水滴灌模式。
微纳米气泡水;地下滴灌;设施甜瓜;产量品质;灌溉水利用效率
【研究意义】近年来,中国设施农业快速发展,总面积达370万hm2,稳居世界第一[1-2]。然而连续高强度的种植以及过量的化肥施用导致设施农业土壤严重退化[3],造成土壤板结、土壤通气性差等问题,致使植物根区缺氧[4]、作物的产量和品质降低[5]。加气灌溉利用滴灌系统将作物生长所需的氧气输送到作物根部区域[6],有效地改善了土壤通气性,增强了作物根系的有氧呼吸[7],进而促进了作物对水分和养分的吸收[6-9],从而提高作物的产量和水分利用效率[6]。目前主要通过文丘里注射器、空气压缩机及向灌溉水中加入H2O2等方式进行加气灌溉[8],但这些方式产生的气泡直径大、与作物根系的接触时间短[10]、气体易从根区土壤逸出[8],导致加气效率普遍偏低。提高加气灌溉的效率已成为目前急需解决的问题之一。因此,研究一种高效的加气灌溉方式对于提高作物产量、改善作物品质,协同提高灌溉水利用效率及农业生产具有重要的意义。
【研究进展】通过地下滴灌全管道化系统进行微纳米气泡水(Micro-nano Bubble Water,MNBW)灌溉,可以有效提高加气灌溉效率[10]。微纳米气泡的直径介于微米气泡和纳米气泡之间,因气泡粒径小、比表面积大、上升速度慢、表面带电的特性,使其具有储存时间长、传质效率高、吸附能力强等优点[12-14]。使用MNBW滴灌可以显著提升作物的产量与品质。Liu等[8]将MNBW滴灌应用于设施番茄、黄瓜等作物的种植,番茄产量、维生素C和可溶性糖量分别提高了16.9%、17.7%和39.2%,黄瓜分别提高了22.1%、16.7%和19.4%;Zhou等[10]发现MNBW滴灌使玉米产量提高11.7%,同时提高了玉米中淀粉和维生素C量。【切入点】虽然MNBW滴灌的应用效果已得到初步证实,然而对于如何进一步提高MNBW滴灌的应用效果仍有待于深入研究。【拟解决的关键问题】以设施甜瓜为供试对象,研究了2种滴灌水源(MNBW和CGW(Conventional Groundwater,CGW))、3种滴灌频率(1/3、1/7、1/15次/d)、2种施肥水平(100%滴灌施肥水平、80%滴灌施肥水平)等因素耦合对甜瓜生长、产量和品质的影响,提出适合设施甜瓜栽培的MNBW滴灌模式。
2017年3―10月在中国农业大学北京通州实验站(N39°36′—40°02′,E116°32′—116°56′)春秋大棚内进行。试验地属于暖温带大陆半湿润季风气候区。试验开始前,对0~20 cm土壤理化指标进行测试,土壤为黏壤土,土壤体积质量为1.35 g/cm3,田间持水率为25.90%,pH值为7.82,全氮量为3.10 g/kg,全磷量为1.10 g/kg,全钾量为12.90 g/kg,有效氮量为0.70 g/kg,有效磷量为0.14 g/kg,有效钾量为1.00 g/kg,有机质量为3.10 g/kg。
试验种植春、秋2茬,春茬于3月21日定植,7月12日收获;秋茬于7月21日定植,10月24日收获。供试甜瓜品种为北京地区常见的品种“羊角蜜”。
试验设置2种滴灌水源(MNBW处理,微纳米气泡水处理;CGW处理,传统地下水处理)、2个施肥水平(F100处理:100%滴灌施肥水平,F80处理:80%滴灌施肥水平)、3个滴灌频率(P3处理:1/3次/d;P7处理:1/7 次/d;P15处理:1/15 次/d)。传统滴灌施肥方案为尿素(N≥46.4%)102 kg/hm2、硫酸钾(K2O≥52.0%)70.5 kg/hm2和磷酸二氢钾(P2O5≥52.0%,K2O≥34.0%)81 kg/hm2[15]。春茬栽培采用未腐熟牛粪做底肥,秋茬栽培采用腐熟牛粪做底肥,用量均为4.5×103kg/hm2。每次灌水前测定土壤含水率,灌水上限为田间持水率的90%。试验共设置12个处理,详见表1。
表1 试验设计
试验采用随机区组设计,每个小区面积为1.55 m×6 m,相邻小区间距1.0 m。甜瓜种植模式及滴灌带布置形式如图1所示。采用宽(95 cm)窄行(60 cm)的种植模式,相邻株距50 cm。灌溉方式为地下滴灌,选择流量为2.8 L/h的内镶贴片式滴灌带,滴头间距30 cm,每行铺1条滴灌带,滴灌带距植株定植点5 cm左右,滴灌带埋深为10 cm。温室甜瓜采用单蔓吊蔓栽培,主蔓第5、8、25片叶的子蔓上的第1、2叶留瓜,每条子蔓只留1个,每株留6个瓜。
试验装置将储水桶、微纳米气泡发生器、自吸泵等、文丘里施肥器等进行集成。制备MNBW时,将微纳米气泡发生器循环运行60 min,得到饱和MNBW用于灌溉。MNBW通过中国农业大学自主研发的微纳米气泡发生器产生,发生器运行时,吸入气体的流量为3~4 L/min,得到的MNBW溶解氧质量浓度为7.8 mg/L。经NanoSight300纳米颗粒跟踪分析仪测试,气泡平均粒径为(136.2±12.1)nm,气泡量为6.2×108个/mL。
1.4.1 土壤含水率测定与灌水定额
每次灌溉前用FieldScout TDR200(Spectrum,USA)测定土壤含水率。每个处理随机选取5个距离甜瓜根部5 cm的测量点进行测量,测量深度为计划湿润层深度,营养生长期为0.2 m,生殖生长期为0.3 m,取5个点测得的平均值作为该处理的土壤含水率[16]。灌水定额计算式[17]为:
=0.1(max-min)/, (1)
式中:为单次灌水量(mm);为土壤体积质量(g/cm3);为计划土壤湿润层深度(m);为灌溉土壤湿润比,取50%;ʹmax为按质量比计算的适宜土壤含水率上限(%),取田间持水率的90%;min按质量比计算的适宜土壤含水率下限(%),取测得的土壤质量含水率;为灌溉水利用系数,取0.9。
图1 设施甜瓜MNBW滴灌种植模式及布置形式
1.4.2 株高、茎粗、根系
每个处理随机选取甜瓜5株,挂牌作为标记,试验在缓苗后10 d后开始,分别在甜瓜的幼苗期、伸蔓期、开花坐果期和果实膨大期测定甜瓜的株高与茎粗,整个生育期共测试4次。测量时间为08:00—10:00,采用卷尺测量从茎基至植株最高生长点的垂直高度,单位精确到小数点后1位,重复5次;使用显游标卡尺十字交叉法于茎基测定茎粗,单位精确到小数点后3位,重复5次。
在甜瓜成熟后,每个处理随机选取5株甜瓜,用铁锹小心挖取甜瓜根系,取得完整甜瓜根系并用去离子水冲洗干净,采用根系扫描仪(Epson Expression)对甜瓜根系进行扫描并保存图片,采用WinRHIZO根系分析软件(Regent Instruments,Canada)分析图像,得到根系总长度、根系总表面积和根尖数等数据。在扫描完根系图片后,将根系分别收集起来应用于根系干质量的测试,将洗净的根系擦去水分后使用105 ℃杀青15 min,并用70 ℃烘干至恒质量后称干质量[18]。
1.4.3 产量与灌溉水利用效率
甜瓜成熟后分区采摘,单果质量用电子秤(精度为0.01 g称量,各处理单株产量的总和记为该处理的产量,并换算为单位面积产量。灌溉水利用效率(Irrigation Water Use Efficiency,)计算式[10]为:
, (2)
式中:为灌溉水利用效率(kg/m3);为作物的产量(kg/hm2);为作物的灌水量(m3/hm2),将各处理每次的灌水量进行记录,试验结束后累加得到该处理甜瓜全生育期的灌水量。
1.4.4 果实品质指标
甜瓜成熟后,在每个小区随机选择10个果实测定果实品质;采用2,6―二氯靛酚滴定法测定甜瓜果实维生素C量;采用手持式糖度计测定可溶性固形物量;使用蒽酮试剂法和氢氧化钠滴定法测定甜瓜可溶性糖量与有机酸量;甜瓜果实品质具体测试方法如高俊凤[19]所述。
1.4.5 土壤本底值测定
土壤采样均采用网格法,试验结束后,分别采集MNBW灌溉区与CGW灌溉区耕作层(0~20 cm)土壤样品,每个采样点采集15~20个点的土样,均匀混合,按四分法制成0.5 kg左右混合土样。将土壤除去植物残体、根系和大块石砾后烘干、过筛后测定土壤化学性质[20]:土壤电导率由电导率仪测定;有效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定;全氮采用半微量凯氏定氮法测定;速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定;pH值采用电位法测定;全磷量采用NaOH熔融钼锑抗比色法测定;碱解氮量采用碱解扩散法测定;有机质量采用重铬酸钾氧化-外加热容量法测定;全盐量采用电导法测定;土壤理化性质的具体测试方法如鲍士旦所述[21]。
1.4.6 数据处理与分析方法
采用Excel 2013软件对试验数据进行统计与绘图;采用SPSS 22.0进行统计分析;采用Duncan法进行方差分析(=0.05)。
MNBW滴灌处理下甜瓜株高与茎粗如表2所示。由表2可知,MNBW滴灌条件下,削减20%滴灌施肥量不仅不会降低甜瓜株高,反而增加了1.2%~24.6%(<0.05),同时对甜瓜茎粗未产生显著影响。随着MNBW滴灌频率的提高,甜瓜株高有增加的趋势,其中P3处理比P7、P15处理增加2.7%~10.1%、5.5%~7.4%,茎粗分别提高2.9%~9.6%、8.5%~14.2%。未恰当地采用未腐熟牛粪做底肥时,MNBW滴灌处理使甜瓜的株高和茎粗降低,与CGW滴灌处理相比,降幅为1.0%~21.7%、5.9%~19.2%。
表2 MNBW滴灌处理下甜瓜株高与茎粗
注 *表示在<0.05时存在显著性差异;**表示在<0.01时存在显著性差异;同列不同小写字母分别表示5%和1%水平显著性差异;FA为滴灌施肥量;W为滴灌水源;IF为滴灌频率;下同。
MNBW滴灌处理下秋茬甜瓜的根系如表3所示。由表3可知,在MNBW滴灌条件下,削减20%的滴灌施肥量不仅不会降低甜瓜的总根长,反而增加了5.0%~30.7%,对根干质量、总根表面积和根尖数无显著影响。随着MNBW滴灌频率的提高,甜瓜的总根长有增加的趋势,P3处理比P7、P15处理增加20.5%~23.6%、46.5%~66.2%,总表面积增加20.9%~22.7%、44.7%~64.8%,根尖数增加了21.2%-22.7%、28.2%~76.0%(<0.05),对根干质量无显著影响。MNBW滴灌处理显著提高了甜瓜总根表面积、根尖数、总根长和根干质量(<0.05),与CGW滴灌处理相比,提升幅度分别为1.2%~33.1%、0.8%~22.1%、5.0%~30.7%、13.5%~57.1%。
MNBW滴灌处理下甜瓜的单果质量、产量与如表4所示。由表4可知,MNBW滴灌处理能提升甜瓜的单果质量,除F100P15_CGW处理与F80P15_CGW处理基本不变外,与CGW处理相比,增幅为2.0%~23.4%。MNBW滴灌条件下,削减20%滴灌施肥量不仅不会降低甜瓜的产量和,反而提高了0.4%~56.4%和0.4%~67.7%。通常情况下(使用腐熟牛粪做底肥时),随着MNBW滴灌频率的提高,甜瓜的产量与单果质量有增加的趋势,其中P3处理比P15处理分别提高5.5%~9.4%、3.6%~22.0%。未恰当地采用未腐熟牛粪做底肥时,除F80P15_MNBW处理的产量与F80P7_MNBW处理的外,MNBW滴灌处理使甜瓜产量、降低,与CGW滴灌处理相比幅度为10.6%~87.1%和7.4%~90.9%。
表3 MNBW滴灌处理下秋茬甜瓜的根系
表4 MNBW滴灌处理下甜瓜单果质量、产量与IWUE
MNBW滴灌处理下甜瓜的口感指标如表5所示。由表5可知,在MNBW滴灌条件下,削减20%滴灌施肥量不仅不会降低甜瓜的可溶糖量,反而增加了7.4%~45.8%(<0.05)。随着MNBW滴灌频率的提高,甜瓜可溶性糖量有增加的趋势,其中P3处理比P7、P15处理分别提高16.1%~38.3%、24.0%~69.0%(<0.05),有机酸量未见一致性规律;未恰当地采用未腐熟牛粪做底肥时,MNBW滴灌处理影响了甜瓜的口感指标,与CGW滴灌处理相比,除F80P7_MNBW处理与F80P15_MNBW处理外,有机酸量降低了5.6%~21.1%。
MNBW滴灌处理下甜瓜的营养指标如表5所示。由表5可知,在MNBW滴灌条件下,削减20%滴灌施肥量不仅不会降低甜瓜的维生素C量,反而提高了12.4%~18.1%(<0.05);随着MNBW滴灌频率的提高,维生素C量增加,P3处理比P7、P15处理分别提高5.0%~10.3%、11.6%~14.8%,可溶性固形物量分别增加12.0%~32.6%、21.5%~28.0%。未恰当地采用未腐熟牛粪做底肥,MNBW滴灌处理使甜瓜的可溶性固形物量降低,与CGW滴灌处理相比,降幅为8.3%~25.6%。
使用未腐熟牛粪做底肥时,2种滴灌水源处理下土壤的理化指标见表6。由表6可知,MNBW滴灌处理大大增加了土壤中速效钾、全氮、有机质与全盐量,比正常生产时的土壤临界阈值增加了156.7%、58.3%、142.7%、100.0%,比CGW灌溉处理增加了124.0%、18.8%、2.0%、33.3%;同时,MNBW滴灌处理中土壤有效磷与电导率较CGW处理分别提高了212.5%与50.0%,但均未超过土壤临界阈值。
表5 MNBW滴灌处理下甜瓜口感与营养指标
表6 未腐熟牛粪作为底肥时土壤理化指标
随着MNBW滴灌频率的增加,甜瓜的口感指标、营养指标均有提升。首先,这可能是因为高频MNBW滴灌处理最适宜甜瓜根系的生长。1/3 次/d的MNBW滴灌处理甜瓜根系的总表面积、总根长最大,根尖数最多,甜瓜根系生长茂盛,这促进了甜瓜对养分的吸收和利用。其次,1/3 次/d的MNBW滴灌处理的气体利用效率高于1/7、1/15 次/d处理,由于1/7、1/15 次/d的MNBW滴灌处理灌水周期间隔长,导致灌溉前土壤含水率较低;另外,在本研究中所有处理均是按照田间持水率的90%为灌水上限进行灌水处理的,1/7、1/15 次/d的MNBW滴灌处理单次灌水量偏大。1/7、1/15 次/d的MNBW滴灌处理单次灌水量过大,MNBW渗透到甜瓜根系以外的深层土壤中[22],降低了植物可利用的气体量,而1/3次/d的MNBW滴灌处理满足甜瓜根系对水、肥、氧的吸收需求,有助于提高甜瓜的产量和果实品质。此外,高频加气滴灌也可能通过提高了土壤酶活性,促进土壤养分循环,从而提高了甜瓜的产量和品质[23]。MNBW滴灌条件下,削减20%滴灌施肥量不仅不会降低甜瓜产量,反而使甜瓜的产量、营养指标和口感指标有所促进。这可能是因为溶氧量和氮素的协同作用会影响作物根系生长和氮素利用效率,适当的缺氮与MNBW滴灌相结合,可以有效地提高氮利用效率和甜瓜根系生长[24-30];其次,MNBW灌溉条件下削减氮肥施用量反而有利于作物对磷、钾等养分的吸收及累积[31],而适当地减施磷肥、钾肥对作物产量无显著影响[30,32]。加气滴灌时削减20%氮肥施用量还可以显著提高细菌、放线菌等土壤微生物丰度[24],改善土壤环境,促进作物生长和养分吸收[24,27]。综上所述,MNBW滴灌在滴灌频率为1/3次/d,削减20%滴灌施肥量时能改善土壤质量、促进作物生长与根系发育,提高肥料利用率,提升了作物的产量和品质。
当未恰当地采用未腐熟牛粪做底肥时,MNBW滴灌处理反而降低了甜瓜的产量、口感与营养指标,其中产量降幅最高达87.1%。为此,对试验区土壤的理化性质进行了测试(表6),结果发现使用未腐熟牛粪做底肥时,MNBW滴灌处理区土壤中全氮、有效磷和速效钾的量远高于CGW滴灌处理区,其中全氮与速效钾量超过土壤阈值水平。这是因为MNBW滴灌处理能增加土壤氧量[8]、根际土壤酶量[33]与好氧微生物的丰度[34],加速未腐熟牛粪的分解与盐分富集,使土壤中速效钾[35]、氮素与全盐量[27,34]高于土壤阈值和传统地下水滴灌区。此外,钾素过量会降低作物光合效率,减少作物对氮、磷元素的吸收[36],抑制作物根系的发育[37],阻碍作物的生长发育[36]。而土壤中全盐量过高会引发植物缺水,抑制植物对养分的吸收,导致作物发育不良、减产或死亡[38]。因此,未腐熟牛粪做底肥时,土壤中养分与全盐量的过量积累可能是MNBW滴灌处理降低甜瓜的产量与品质的主要因素。
1)正常情况下(采用腐熟牛粪做底肥时),使用MNBW滴灌提升了甜瓜的产量,可溶性糖量、维生素C量和可溶性固形物量,增幅分别为3.6%~20.7%、7.4%~26.0%、1.6%~17.7%、4.2%~19.1%。
2)采用MNBW滴灌时,即使削减20%的传统滴灌施肥量,甜瓜的营养品质指标、口感指标与依然有所提升;在施肥水平相同的情况下,1/3 次/d的MNBW滴灌处理能提高甜瓜的产量与品质;对甜瓜未恰当地采用未腐熟牛粪做底肥时,MNBW滴灌处理反而会抑制甜瓜的生长,降低甜瓜的产量与品质。
3)综合考虑作物产量与果实品质,推荐使用1/3次/d的MNBW滴灌结合80%滴灌施肥水平作为设施甜瓜适宜的MNBW滴灌模式。
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Effects of Oxygation with Micro-nano Air Bubbles on Yield, Fruit Quality and Irrigation-water Use Efficiency of Muskmelon
WANG Xiaoyao1,2, WANG Tianze2, ZHOU Yunpeng2, XIAO Yang2, LIU Yaxin2, LI Yunkai1,2*
(1. College of Water and Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China;2. College of Water Resources and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)
【】Intensive facility agriculture production could densify soil and create hypoxia, thereby toxifying roots and ultimately leading to yield reduction. Aerating subsurface drip irrigation can oxygenate subsoil and improve soil ventilation to ameliorate such detrimental impacts. However, traditional mechanically aerated subsurface irrigation and chemically aerated subsurface irrigation could produce large air bubbles in soils, which can escape the soil along pores adjacent to the roots, compromising oxygation efficiency as a result. Improving aerating irrigation efficiency is an issue remaining to be resolved, one way in which is to fertigate using water rich in micro-nano air bubbles. Its efficacy, however, is impacted by many factors.【】The purpose of this paper is to study the effects of fertigation frequency and fertilizer amount used in fertigation on yield and quality of muskmelon under surface-drip oxygation with micro-nano air bubbles (MNBW), from which we proposed a suitable MNBW for facility cultivation of muskmelon.【】The experiment consisted of two irrigations: one was MNBW and the other one was conventional irrigation with groundwater (CGW). Added to the MNBW were three irrigation frequencies: once every three days (P3), one every seven days (P7) and once every 15 days (P15), and two fertilizations: 100% (F100) and 80% (F80) of the fertilizers used by local farmers. In each treatment, we measured the fruit quality and irrigation-water use efficiency () of the muskmelon.【】The MNBM can reduce fertilizer application by 20% while in the meantime improving the yield byup to 54.6% and theby up to 67.6%. It also increased the content of soluble sugar, vitamin C and soluble solids in the fruits all at significant level. Irrigation frequency affected the efficacy of MNBW too, with the frequency P3 improving fruit quality.Compared to P15, P3increased soluble solid and vitamin C by 21.5%~28.0% and 11.6%~14.8%, and stem thickness by 8.6%~14.2%, respectively.【】The optimal MNBW for the muskmelon is irrigating after every three days coupled with a fertigation using 80% of the fertilizer applied in the conventional fertigation. It is worth pointing out that if incomplete composted manure is used as base fertilizer, MNBW could inhibit muskmelon growth and reduce its yield, quality andas a result. Our results have important implications for facility production of muskmelon.
Oxygation micro-nano air bubbles; subsurface drip irrigation; facility muskmelon production; fruit yield and quality; irrigation water use efficiency
S275.6
A
10.13522/j.cnki.ggps.2020073
1672 - 3317(2021)01 - 0038 - 09
2020-02-17
国家重点研发计划项目(2017YFD0201504);国家自然科学基金项目(51979274)
王逍遥(1993-),女,湖北襄阳人。硕士研究生,主要从事滴灌技术原理与技术研究。E-mail: wxy01234@yeah.net
李云开(1975-),男,湖南芷江人。教授,博士生导师,主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail: liyunkai@126.com
王逍遥, 王天泽, 周云鹏, 等. 微纳米气泡水滴灌对设施甜瓜产量、品质及灌溉水利用效率的影响[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(1): 38-46.
WANG Xiaoyao, WANG Tianze, ZHOU Yunpeng, et al. Effects of Oxygation with Micro-nano Air Bubbles on Yield, Fruit Quality and Irrigation-water Use Efficiency of Muskmelon[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(1): 38-46.
责任编辑:陆红飞