加气灌溉对关中地区早春大棚番茄长势及产量的影响

余 剑，李 元

(1.西安市农业技术推广中心，陕西 西安 710061；2. 陕西师范大学 西北国土资源研究中心，陕西 西安 710119)

0 引 言

自2008年以来，我国就已成为番茄种植面积及产量最大的生产国，约占全球的32%[1]。陕西作为我国重要的番茄生产基地之一，近年来在番茄种植面积及产量方面都走在了全国的前列[2]。然而，在陕西关中地区番茄种植过程中，普遍存在过度灌溉和大量施肥等现象。对作物生长来说，土壤中的氧气与水分、养分同等重要。与动物一样，植物的根系也需要消耗氧气来保障其根系的有氧呼吸以维持生理活动的正常运转[3～4]。植株根系获取的氧主要来源于土壤孔隙间的气体[5]。从土壤气体的角度来看，传统灌溉技术驱排了土壤孔隙间气体，造成土壤孔隙间气体的扩散和交换受阻，过度灌溉甚至使得根系在较长时间内处于厌氧环境中[6]。当下，番茄种植过程中普遍存在过量施肥、少耕、农业机械反复碾压等现象亦可导致土壤团粒结构破坏并引起土壤板结，阻碍作物根区土壤孔隙间气体的交换[7]。

加气灌溉能够有效缓解作物根区缺氧症状，从而保障作物的高效生长[8]。目前，各类加气灌溉技术在国外发展迅速，且部分技术已得到应用[9～11]。Pendergast等[9]在澳大利亚昆士兰地区采用文丘里注射器对鹰嘴豆种植地土壤进行加气灌溉，研究发现加气灌溉处理下鹰嘴豆产量有极显著的提高。Zhou Yunpeng[13]在广西柳州采用微纳米气泡发生器对灌溉用水增氧后使用增氧水体对甘蔗种植地进行灌溉，研究发现微纳米气泡增氧灌溉能够促进甘蔗植株生长，并改善土壤微生物群落结构。

陕西关中地区具有独特的现代农业发展的科研优势，关中地区特有的塿土其土壤质地(国际制)隶属于壤质粘土。单从土壤孔隙方面看，易于形成氧胁迫状态，对植株的生长造成胁迫。如何筛选出最适宜于陕西关中设施菜地的低能耗、高收益、环境友好型土壤增氧技术是目前亟待解决的重要现实问题。从现有研究技术方面看，采用文丘里注射器进行增氧灌溉成本低廉，仅需在传统地下滴灌系统中加设文丘里注射器即可实现加气灌溉，但该技术存在最大的问题是加气后的水体在灌溉管道内分布不均。Torabi 等[14]早在2013年发现这一问题，并专门针对文丘里加气灌溉后管道内气体的均匀性开展研究，结果发现随滴灌管道长度的增加，加气后气体在各滴头处的均匀性呈显著降低趋势。采用微纳米气泡发生器开展增氧灌溉虽然加气的均匀性较高，但微纳米气泡发生器昂贵，难以大范围推广。为筛选出较好的番茄根区加气灌溉技术参数组合，本研究采用膜下滴灌带通过空气压缩机向土壤中进行加气，研究不同灌水量与加气量技术组合，试图探索出一套适宜于陕西关中地区的设施菜地番茄加气灌溉技术，为加气灌溉下作物增产及改善品质提供相关理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及供试材料

试验于2020年3-7月在陕西省西安市现代农业科技展示中心(34°03′N, 108°52′E)大棚内进行，大棚长50 m，宽8 m，脊高4.0 m。试验地年平均气温约为13.3℃，日照时数2 225 h，无霜期210 d。大棚前茬种植作物为番茄，试验地土样基本物理性质如表1所示。

表1 试验地土壤基础理化性质

供试番茄品种为京番401(京研益农种业科技有限公司)，采用穴盘育苗，2020年2月6日播种，2020年3月21日定植，覆膜。每个栽培小区长5.0 m，宽2.0 m。番茄种植行距50 cm，株距40 cm。定植沿植株种植方向预铺设两条膜下滴灌带，膜下两滴灌带间距45 cm。滴灌带干管与气泵相连，借助膜下滴灌带为作物供水、供气。试材随机区组排列，3次重复。所有小区施肥、打药等农艺管理措施均一致。

1.2 试验设计

试验设加气量及灌水量两因素。加气量分别设置不加气及标注加气量的1.0倍和1.5倍。灌水量分别设置每次灌至田间持水量的60%、75%、90%，试验处理如表2所示。每次加气量依照公式V=1/1 000SL(1-ρb/ps)[14]计算，式中V为每次加气量(L)，S为垄的横截面积(1 500 cm2)，L为垄长(500 cm)，ρb为土壤容重(1.38 g·cm-3)，为土壤密度(2.65 g·cm-3)，据此得出每个小区加气量，按照气泵铭牌标示功率及出气量换算为相应的加气时间，以时间控制加气量，于每天17:00-19:00间一次性加气，试验中不考虑土壤中气体的逃逸。灌水量依据公式M=sρbhθf(q1-q2)/η[15]计算其中M为灌水量(m3)，s为计划湿润面积(10.0 m2)，ρb为土壤容重(1.38 g·cm-3)，h为湿润层深度(0.3 m)，θf为田间最大持水量(质量含水量，%)，q1、q2分别为灌水上限、土壤实测含水率(质量含水率，%)，η为水分利用系数，地下滴灌取值0.95。土钻分层取土，取土深度为0～40 cm，每10 cm分一层。烘干法测定土壤含水量，全生育期共灌水共3次，定植时漫灌，各小区灌水量相同，定植后每7 d灌水1次，每次补充水分至试验设计所需水分。

表2 试验处理

1.3 测定指标与方法

1.3.1 番茄长势测定 选取代表性时期，分别在番茄移栽后26 d(伸蔓开花期)、51 d(开花坐果期)和73 d(果实膨大期)用米尺测量番茄茄株。用电子游标卡尺于基茎部测量茎粗。待果实全部成熟后对植株地上部分进行刈割，放入烘箱中于105℃杀青15 min，75℃烘干至恒量用电子天平称重。

1.3.2 根系形态结构测定 待果实全部成熟后，以植株根系为中心挖一直径约0.6 m深约0.5 m的坑，获取根系、土壤混合样。将混合样品放置在100目钢筛上用小水流缓慢冲洗掉土壤，获取根系样品。随后使用扫描仪(Epson Perfection V700型)将根系扫描成灰阶TIF图，TIF图用WinRHIZO Pro图像处理系统分析，获取总根长数据。

1.3.3 产量测定 电子秤称量单果重量并计算单个植株产量，以此换算成单位面积产量。

1.4 数据处理与分析

获取的试验数据采用Excel进行数据整理，通过SPSS22.0软件的Duncan’s新复极差法进行显著性检验，OriginPro 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 加气灌溉对伸蔓开花期、开花坐果期及果实膨大期株高及茎粗的影响

在番茄移栽后26 d(伸蔓开花期)、51 d(开花坐果期)和73 d(果实膨大期)对番茄植株长势进行监测。由表3可知，加气灌溉处理组合对定植后26d 番茄株高、茎粗均无显著性影响。但对定制后51 d 和73 d番茄株高、茎粗均有显著性影响。其中，加气处理下定植后51 d 和73 d植株株高均有显著性提高，A1IH处理组合下番茄株高在定植后51 d 和73 d均为所有处理中最高值。适当的提高灌水量(75%田间持水量灌溉)能够显著提高番茄株高，但高灌水量下(90%田间持水量灌溉)灌溉番茄产量较75%田间持水量灌溉略有降低。对番茄茎粗分析发现，总体规律与株高相似，加气处理及适当的提高灌水量能够显著提高番茄茎粗，但最优处理组合出现于A1IM处理。

表3 加气灌溉对不同生育阶段植株株高及茎粗的影响

2.2 加气灌溉对番茄干物质积累的影响

如表4所示，加气灌溉处理组合对定植后26 d 番茄株干物质积累无显著性影响。灌水量处理对定植后51 d番茄干物质积累有极显著影响。定植73 d后，灌水量对番茄干物质积累有显著性影响。同时，加气量与灌水量处理组合对定植后73 d番茄干物质积累有显著性影响。

表4 加气灌溉对不同生育阶段植株干物质积累的影响

2.3 加气灌溉对番茄成熟期根系形态结构的影响

采集成熟期番茄根系，对番茄总根长分析发现，加气灌溉处理组合对番茄总根长有显著性影响(图1)。分析发现，番茄根系总根长随灌水上限的升高呈升高趋势，加气处理能够显著提高番茄根系总根长。分析发现，总根长的最大处理出现于A1IH、A2IM、A2IH处理组合。总根长的最小处理出现于ANIL处理组合。

图1 加气灌溉对番茄成熟期根系形态结构的影响

2.4 加气灌溉对番茄产量的影响

如图2所示，对加气灌溉处理下番茄产量分析表明A1IM处理番茄产量显著高于ANIL、ANIM、ANIH、A1IL、A2IL约33.54、7.60%、15.84%、14.08%、19.06%；WUE显著高于ANIL、ANIH、A1IH、A2IM、A2IH约9.45%、18.85%、10.42%、15.50%、9.19%。随加气量的增加，番茄产量、作物水分利用效率呈先增加后减小，其中A1处理番茄产量、作物水分利用效率分别高于AN约12.22%、6.00%，也高于A2约2.14%、4.48%。随灌水量的增加，番茄产量呈先增加后减小趋势，作物水分利用效率呈减小趋势，A1与AN相比在显著提高番茄产量的同时作物水分利用效率无显著性降低，然而A1番茄作物水分利用效率显著高于处理A2。

图2 加气灌溉对番茄产量及水分利用效率的影响

3 讨论与结论

土壤中水分和气体是一对矛盾体。传统的田间管理技术多关注于作物对水分的需求，而忽略了根系对氧的需求。氧对有机体的生存、发展至关重要。氧是三羧酸循环中电子传递链的电子受体，是有氧呼吸过程中ATP形成的必备条件之一[16]。前人研究表明，低氧胁迫可导致细胞中线粒体及蛋白质结构、功能遭受破坏，还可引起细胞质酸中毒，甚至导致整个生命体的死亡[17]。传统灌溉技术在满足作物需水的同时驱排土壤孔隙间气体，常因土壤含水量过高而阻碍土壤孔隙间O2、CO2与大气进行交换，进而造成土壤氧含量下降[18]。从作物根系需氧的角度来看，过度灌溉极易造成作物根区氧胁迫，反而降低了番茄的产量。

适当的给土壤通气及灌溉能够可营造适宜的土壤水、气环境，从而促进作物植株生长，提高产量及水分利用效率[19]。本试验表明，根区加气是一种良好的番茄根区水、气协调方式，能够有效的降低灌溉后作物根区氧胁迫，进而保障番茄高效生长，达到增加产量的目的。研究发现，加气处理下植株长势及产量均高于不加气处理(表3、表4、图2)。因本试验中番茄种植土壤为粘壤土，土壤容重为1.38 g·cm-3，从土壤物理特性来看，研究区土壤具有壤土偏粘的性质。因此，本研究也证明了粘壤土条件下传统耕作技术并不能满足作物根系对氧的需求。论证了植株根区氧胁迫确实存在，加气处理能够有效缓解根区氧胁迫对植株的危害。这与前人研究发现，粘壤土条件下土壤增氧能够促进作物生长相一致[8, 20, 21]。本研究发现，加气处理下植株的干物质积累及产量均有显著性提高。其中，加气量为1.0倍标准加气量，灌水上限为田间持数量的75%时，番茄株高、茎粗及产量在定植后51 d 及73 d均达到最高(表3、图2)。此外，本研究还发现，1.5倍标准加气量时产量略有降低。我们推测，可能是由于过量的对土壤通气致使土壤孔隙间气体流动过强，引起土壤孔隙间气流对番茄根系不必要的扰动，从而阻碍土壤加气效益的充分发挥。

对于水分梯度，本研究发现，不加气处理下，灌水至田间持水量的90%时，定植50 d和73 d后植株干物质积累量及作物水分利用效率均低于灌水至田间持水量的75%(表4)。说明，过度的灌溉已不是满足作物根区水分的需求，而是在一定程度上加剧了番茄根区的氧胁迫，进而限制了植株的生长并降低其水分利用效率。谭念童等[22]研究发现，过量灌溉降低作物产量，与本研究发现相一致。此外，多项研究表明改变作物根区气体的环境，能够间接影响到植株叶片的气孔导度，从而影响到植株净光合速率及ATPase活性[23, 24]。因此推测，本研究中适宜的对土壤根区加气，改善了根际氧环境，从而提高了叶片的气孔导度及ATPase活性，从而保障了光和反应的高效进行，促进植株生长并增产。本研究中，同等加气量处理下灌水量由75%田间持数量升高至90%时，作物长势及产量并无显著性差异，说明75%田间持数量已完全能够满足番茄对水分的需求。因此，灌水至田间持水量的75% 时，是陕西关中地区番茄种植管理中较为适宜的灌溉技术选择。

综合考虑，最优处理组合为加气量为1.0倍标准加气量和灌溉至田间持水量的75%处理组合，该处理在提高番茄产量的同时作物水分利用效率也获得提高。本研究结果可为陕西关中地区设施菜地番茄加气灌溉提供相关理论依据和实践指导。