不同加气方式和灌水量对滴灌加工番茄耗水及生长的影响

张健利，王振华，陈潇杰，王天宇，宗 睿，陈 睿

(1.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832000)

水、肥、气、热作为保障土壤肥力的重要因素，对作物的生长发育至关重要，传统的灌溉模式通常会忽略气这一重要因素[1]。土壤通气性不足会造成作物根区低氧胁迫，对作物生理生长带来不利影响，进而引起作物减产[2]。近年以来，随着农业机械化的迅速发展，由此带来机械压实的副作用也逐步显现，机械压实可导致土壤颗粒排列更为紧密，土壤孔隙度降低，通气性和水分入渗率下降[3]，从而导致土壤固、液、气三相比发生改变，进而影响作物生长[4]。膜下灌溉因封闭的边界条件阻碍了周边环境与膜下土壤的气体交换,从而对土壤微生物活性和作物根系呼吸造成了一定的障碍[5]。较高的灌溉水平造成土壤水分过多，从而使土壤中氧气的扩散速率下降[6]。长期低氧胁迫下根系有氧呼吸受阻，呼吸代谢缓慢，植物缺乏足够的能量维持正常生长[7]。

为缓解因机械压实以及薄膜覆盖导致的土壤供氧不足的情况，增氧灌溉通过滴灌将富含氧气的水气混合物输送至作物根区可有效缓解作物根区通气性不良问题[8]，进而缓解因根系缺氧对作物造成生理生长、产量等方面的影响。该技术已在棉花[9]、番茄[10]等众多作物上得到广泛应用。Bhattarai等[2]通过对重黏土条件下的番茄进行通气，结果表明，较不加气处理，重黏土加气处理下的番茄鲜质量增加了21%。Goorahoo等[11]通过文丘里管对辣椒进行加气，与地下滴灌处理比较，加气滴灌处理下辣椒产量提升了4.3%。肖卫华等[12]研究了化学加氧和机械加氧对烟草的影响，结果表明，两种加氧方式均能促进烟草根系生长，提升烟叶产量。加气灌溉作为一种绿色增产技术，可有效解决低氧胁迫问题，起到增产和改善品质的作用。其中，利用化学试剂加气灌溉，该技术简便、快捷，但局限性较强，运输和储存不便，且施用不当可能会对作物造成危害和改变土壤中生物的构成[1]。利用文丘里器进行加气灌溉时，管道内出现水气分布不均匀现象，且随距离增加灌溉水中气体含量下降[13]，但因其成本相对低廉，对作物无危害，是目前国际上应用较为广泛的加气技术。

以往研究主要集中于温室大棚的研究[14]，在中国西北干旱地区，对于大田条件下不同加气方式的研究较少。本文采用对比试验，基于4个灌水水平和2种加气方式，主要研究不同水气组合模式对加工番茄耗水规律及生长特性的影响，以便找出适宜北疆滴灌加工番茄的最佳水气组合模式，为当地水肥气热灌溉研究和实践提供理论 参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年5-8月开展，试验田位于新疆石河子市石河子大学试验场农二连(85°59′45″E，44°19′26″N，海拔412 m)。年均降雨量、蒸发量分别为207 mm和1 660 mm。试验田地下水埋深>8 m，土壤为中壤土，土壤物理粘粒(< 0.01 mm)含量>21%，80 cm土层内平均土壤体积质量为1.55 g·cm-3，田间持水量为18.65%(质量含水率)。2020年加工番茄种植期间气象数据如图1所示。

1.2 试验材料

试验于5月4日-8月22日进行，全生育期为110 d。试验作物品种为加工番茄‘3166’，是当地常用品种。种植方式为一膜两管四行，地膜采用宽为1.45 m的聚乙烯材质塑料地膜，2条以色列制造的耐特菲姆滴灌管，其间距0.85 m，滴灌管埋深15 cm，滴头设计流量3.2 L·h-1，滴头间距0.30 m。加工番茄株距0.4 m，行距0.35 m。试验所用加气施肥设备由蓄水池、1.5 m3水桶、水泵、回流管、Mazzei1078型文丘里管、旋翼式水表、压力表、施肥罐和输配水管道系统组成。

1.3 试验设计与方法

根据当地生产实践和其他学者研究[15]，确定加工番茄灌溉制度(表1)。试验设4个灌水水平(W1:5 400 m3·hm-2，W2:4 950 m3·hm-2，W3:4 500 m3·hm-2，W4:4 050 m3·hm-2)和2种加气方式(物理加气O1、化学加气O2)，以不加气为对照(S)，共12个处理，每个处理重复3次，每处理下试验小区面积为26.65 m2(13 m×2.05 m)。试验设计如表2所示。依据加工番茄品种特性，施肥量定为：尿素250 kg·hm-2(N：46.4%)，氯化钾150 kg·hm-2(K2O：57%)和磷酸一铵180 kg·hm-2(P2O5：60.5%)，各处理施肥量均一致。试验区的打药、除草等田间管理措施均保持一致。

表1 加工番茄生育期灌溉制度

表2 试验设计

物理加气方式为：利用文丘里管产生负压差的原理，将空气吸入管道内以水气混合液的形式进行灌溉，当灌水压力0.1 MPa时，该过程制成的掺气水其掺气比例约为15%，此时灌溉水中溶解氧浓度约15 mg·L-1[16]。化学加气方式为：利用固体过碳酸钠溶于水产生氧气进行增氧，灌溉时将固体过碳酸钠添加到装有1.5 m3水的水桶中进行灌溉，水中溶解氧浓度用哈希水质监测仪HQ30D实时测定, 每隔10 min测定一次。经测定水桶中溶解氧浓度初始值为8.375 mg·L-1，加入过碳酸钠后保证水中溶解氧浓度高于初始浓度的10%，使其溶解氧浓度保持在 9.256 mg·L-1以上，若不满足条件，则停止灌水及时增氧。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 作物耗水量计算 采用农田水量平衡法[17]计算作物生育阶段耗水量ET1-2，公式为：

式中:ET1-2为阶段作物耗水量(mm)；n和i分别为土壤的层次总数和层次序数；γi和Hi分别为第i层土壤的干体积质量和厚度；Wi1和Wi2分别为第i层土壤在时段初和时段末的质量含水率(%)；M和P分别为时段内的灌水量和有效降雨量(mm)、K和C分别为时段内的地下水补给量和排水量(mm)(试验田地下水埋深>8 m，故无地下水补给；本试验采用滴灌，不会产生排水或者很小，忽略不计)。

1.4.2 土壤水分测定 采用土钻取土烘干法测定加工番茄各生育期的土壤含水率，各处理于灌水前后2 d进行取土，取样点位于滴灌带下，取样深度0～80 cm，每10 cm土层进行土样采集。各处理3次重复求其平均值作为土壤质量含水率。

1.4.3 叶绿素含量测定 在加工番茄各个生育阶段，各处理选取长势相当的3个重复，于晴朗天气11:00-13:00，利用 SPAD-502 叶绿素测定仪测定加工番茄顶部第2片完全展开叶的叶绿素 含量。

1.4.4 茎、叶干物质测定 在加工番茄果实收获前每个处理选择3株长势均匀的植株，进行植株破坏，将地上部分的茎、叶分别称取鲜质量，放入烘箱中于105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒量，用电子天平称其干质量。

1.4.5 果实形态和单果质量测定 加工番茄成熟收获期，每个处理选取6株植株秤其单株质量，每株植株再选取3颗长势均匀的果实，用游标卡尺测其横、纵径，用精度为0.01 g的电子秤称量单果质量。

1.5 数据分析

采用Excel 2016软件进行数据整理，采用Origin 2019软件作图，应用Spss Statistics 26进行差异显著性检验分析。

2 结果与分析

2.1 不同水气处理对加工番茄耗水量和耗水模数的影响

表3为不同处理下不同阶段加工番茄耗水量(ET)和耗水模数(EP)。由表可以看出，加工番茄耗水量在膨大一期最大，苗期次之，成熟期最低。相同灌溉方式下，加工番茄的耗水量均随灌水量的增加而增大。以全生育期耗水量进行分析，W1灌溉水平下耗水量达到最大，W2、W3和W4水平较W1水平耗水量分别减少了6.45%、12.20%和18.34%；物理加气条件下耗水量提升最明显，物理加气和化学加气较不加气处理耗水量分别增加13.65%和9.27%；水气组合处理下，加工番茄耗水量增幅效果最大为W2O1处理，W2O1较W2S处理耗水量增大16.09%，最小为W4O2处理，W4O2较W4S处理耗水量增大 7.10%。加气对不同生长阶段耗水量提升幅度表现为：膨大期一期>膨大二期>花期>成熟期>苗期，且物理加气效果优于化学加气效果。在膨大一期、膨大二期、花期、成熟期和苗期，物理加气较不加气处理耗水量分别增加17.04%、16.47%、13.44%、11.73%和8.75%；而化学加气较不加气处理耗水量分别增加12.48%、11.80%、9.30%、7.30%和4.66%。

耗水模数是指作物某一生长阶段耗水量占整个生育期耗水总量的百分比，反映了作物各生长阶段对水分需求的敏感程度。由表3看出，不同水气处理下加工番茄各生长阶段耗水模数与耗水量变化规律相似。各处理耗水模数均在果实膨大一期达到最高水平，为25.51%～26.83%，平均为26.30%，说明该生长阶段为加工番茄整个生育期内需水关键期；耗水模数第二次高峰出现在苗期，由于该生长阶段持续时间较长，造成耗水模数较大，各处理耗水模数为20.61%～21.80%，平均为21.04%；在成熟期，因植株对水分需求量下降，耗水模数降低至最低水平，各处理耗水模数为15.71%～17.02%，平均为16.16%。

表3 不同水气处理下加工番茄耗水量和耗水模数

由以上分析可知，加工番茄耗水量、耗水模数在膨大一期和苗期较大，应保证充足的灌水；加气提高了加工番茄耗水量，且物理加气效果优于化学加气效果；加气对膨大期耗水量的提升效果最明显，而对成熟期和苗期耗水量的提升较低。

2.2 不同水气处理对加工番茄土壤水分的影响

图2为不同水气处理条件下，0～80 cm土层土壤含水率变化趋势。从图中可以看出：相同加气方式下，各生育阶段各层土壤含水率随灌水量的增大而增大。在加工番茄苗期至膨大期，各处理土壤含水率均随土壤深度的增加整体呈先增大后减小趋势。苗期和花期，根系吸水能力较弱且根系生长发育尚未完全，30～40 cm土层水分波动较小，含水率最大值分布在40～50 cm土层范围内。膨大期是加工番茄需水最大时期，由于该时期根系生长旺盛且根系主要分布于30～40 cm土层，导致30～60 cm土层水分波动较大，含水率最大值分布在50～60 cm土层范围内。成熟期由于气温下降土面蒸发减弱和地膜覆盖作用导致表层0～10 cm含水率较高，且该阶段加工番茄根系对土壤水分吸收能力减弱，各处理0～80 cm土层含水率分布较为均匀，含水率最大值分布在60～70 cm土层范围内。

相较于不加气处理，加气灌溉使土壤水分含量不同程度降低。在苗期和花期，相较与不加气处理，物理加气使0～80 cm土层土壤平均含水率分别降低4.36%和5.55%；化学加气使其分别降低3.29%和4.12%%。在膨大一期，根系吸水活动最强，含水率变化最明显，物理加气和化学加气较不加气处理0～80 cm平均含水率降低 6.38%和5.32%。在成熟期，物理加气和化学加气较不加气处理0～80 cm平均含水率分别降低 5.02%和3.71%。

综上，加气处理降低了0～80 cm土层平均含水率，且物理加气处理下0～80 cm土层平均含水率低于化学加气处理，其中在膨大一期物理加气处理下含水率降低变化最明显。

2.3 不同水气处理对加工番茄叶绿素含量的影响

由表4可以看出，全生育期内，叶绿素相对含量随加工番茄的生长呈先增大后减小趋势，在膨大期达到最大值。灌水和加气(苗期除外)对叶绿素含量影响极显著(P<0.01)，水气交互作用仅对花期和膨大期影响显著(P<0.05)。整个生育期，叶绿素含量在同一灌水量下表现为O1>O2>S。在膨大期，W2灌溉水平下叶绿素含量达到最大，W1、W3和W4水平较W2水平叶绿素含量分别减少9.75%、5.45%和17.22%。物理加气较化学加气更能提高加工番茄叶绿素含量，物理加气和化学加气较不加气处理叶绿素含量分别提高5.75%和3.05%。同时，W2O1处理叶片叶绿素含量达到最大，较不加气处理(W2S)叶绿素含量提升9.22%。

表4 不同水气处理下加工番茄不同生育期叶绿素含量(SPAD值)

由以上分析可知，物理加气对叶片叶绿素含量提升最显著，W2灌溉水平下叶片叶绿素含量达到最大(苗期除外)，最大值为W2O1处理。

2.4 不同水气处理对加工番茄干物质积累的 影响

由表5可以看出，不同水气处理显著影响成熟期加工番茄的干物质分配。物理加气和化学加气处理加工番茄茎、叶和地上干物质量均高于不加气处理，且物理加气处理下茎、叶和地上干物质量最大。对地上部干物质量进行分析，地上部干物质量随灌水量的升高而升高，在W1水平下达到最大，W2、W3和W4水平较W1水平地上部干物质量分别下降3.10%、9.26%和14.56%。物理加气和化学加气较不加气处理地上干物质量分别增加4.13%和2.05%。4个灌水水平下，W2水平物理加气对地上干物质积累量提升幅度最大，W2O1较W2S处理地上部干物质量提升 6.45%。而低灌溉水平下(W4)，物理加气对地上干物质积累量促进作用不明显，W4O1与W4S无显著性差异(P>0.05)。

表5 不同水气处理下加工番茄干质量

由以上分析可知，物理加气对地上干物质的积累最显著；W1灌溉水平下地上干物质积累量达到最大，最大值为W1O1处理。加气后对干物质积累量提升幅度大的水气处理为W2O1处理。

2.5 不同水气处理对加工番茄果实形态的影响

灌溉水平、加气方式对加工番茄果实形态的影响见表6。灌溉水平和加气方式对果实纵、横径、单果质量均有极显著影响(P<0.01)。交互作用下，灌溉水平和加气方式对果实纵、横径、单果质量有显著影响(P<0.05)。随灌水量增大，加工番茄的纵径、横径、单果质量均呈先增大后减少趋势，且均在W2水平下果实纵径、横径、单果质量达到最大。W1、W3和W4水平较W2水平果实纵径分别降低4.16%、1.54%和9.00%，果实横径分别降低5.65%、2.25%和12.33%，单果质量分别降低10.19%、5.41%和17.34%。与不加气处理相比，物理加气处理下果实纵径、横径和单果质量分别提高2.46%、6.71%和6.71%，化学加气处理下果实纵径、横径和单果质量分别提高1.62%、2.15%和3.58%。低灌溉水平下(W4)，加气对果实纵径、横径和单果质量均无显著性提高(P>0.05)。

由以上分析可知，物理加气对加工番茄果实形态和单果质量的提升最明显，W2灌溉水平加工番茄果实形态和单果质量达到最大，最大值为W2O1处理。

3 讨 论

3.1 加气和灌水量对加工番茄不同生长阶段土壤水分和耗水量的影响

不同深度土壤含水率变化可以反映出植株根部对水分吸收的变化。本研究表明，在苗期，加气处理对土壤含水率的影响最小，这是由于植株生长前期弱小，对氧的需求量较少，受土壤空气的影响不明显，根际气体对植株的影响不占主导地位[18]；但通过对耗水量分析发现，在苗期各处理下的耗水量较大，这是因为在苗期阶段持续时间较长，灌水次数少，造成在该生育阶段耗水需求较大，因此在苗期应保证充足的灌水。随生育期推进，灌水频率增加，植株对氧气的需求量加大，根际连续性缺氧对植株生长的影响越来越显著[18]。在果实膨大一期，加气处理对土壤含水率的影响最大，这是由于膨大期植株根系旺盛，加气提高了根系的吸水能力，使其加气处理下平均含水率明显低于不加气处理，这与刘杰等[19]研究结果相似，根区通气会促进根系吸水, 根系吸水量就会相应增加, 水分利用效率就会提高；同时该阶段各处理耗水量达到最大，这是因为该生长阶段是作物需水关键期，生殖器官快速生长，对水分需求增大，故在该生长阶段也需保证充足的灌水。在成熟期，加气处理对土壤含水率的影响较小，这是由于该期植株根系活力下降，受土壤根际气体的影响较小；同时该阶段耗水量为整个生育期最小，说明在成熟期植株对水分的需求下降，因此在成熟期可适当减少水量的供应。纵观各个生育阶段，加气灌溉处理下土壤平均含水率明显低于不加气灌溉处理，这与朱艳等[20]研究结果相似。通过对土壤水分和耗水量的分析，可优化调整不同水气组合在不同生长阶段的实施方案：(1)因加气对膨大一期的土壤水分影响最大，花期和膨大二期次之，苗期和成熟期影响最小，故膨大一期应保证必要的加气，苗期和成熟期可考虑不加气。(2)在苗期和膨大期(一期、二期)需水较大，故应保证充足灌水，而成熟期可适当减少灌水量，本试验W1灌溉水平在成熟期的灌水量可适当下调，并且通过对单果质量分析发现，W2灌溉水平下单果质量最大，因此本试验W2灌溉水平可参考作为适宜北疆滴灌加工番茄的溉灌水量。

3.2 不同水气处理对加工番生理生长的影响

叶绿素作为光合作用的重要元素，其含量的高低将影响作物对光能的吸收和转化，从而影响叶片的光合作用，进而制约作物干物质的积累和产量的形成[21]。Drew等[22]研究表明缺氧会导致根系线粒体进行糖酵解而不产生ATP，进而造成缺氧症。植株根部缺氧严重时，反映到个体水平上，则是生长形态的变化，研究表明，低氧胁迫会导致植物生长缓慢，植株矮小，叶片过早衰老，生物量降低等[23]，而通气增氧可以有效改善这一状况。本研究表明，加气因素对苗期叶绿素含量无显著影响，可能是由于苗期根系没有完全发育，对氧的需求量较少，植株生长受土壤空气的影响不显著[19]。自花期开始，随灌水频率的增加和根系的生长，根系对缺氧的敏感程度增大，在膨大期加气处理对叶绿素的提升最为明显，这与卢泽华等[10]研究结果相似，即苗期加气处理对番茄生长生理影响较小，对后期加气处理的影响较大，且水气交互因素在花期和膨大期影响显著，故在植株生长花期和膨大期应保持良好的土壤通气性。本研究结果表明，W1水平与物理加气组合处理下干物质积累量达到最大，但果实形态和单果质量并非最大，说明高灌溉水平下物理加气造成植株营养生长过旺、植株徒长，导致果实形态和单果质量下降。W2灌溉水平与物理加气组合处理下，既避免了因水气过多造成的植株徒长，也使果实形态和单果质量达到了最大，说明物理加气条件下，适量减少灌溉定额是可行的灌溉方案。

3.3 不同加气方式效果的探讨

本试验中，不同加气方式对加工番茄耗水、土壤水分及生长的影响不同，可能有以下原因：(1)化学试剂过碳酸钠产生的钠离子可能对根系造成胁迫使其吸水能力下降，即随着土壤中盐碱浓度的增加会导致作物根系发生伤流，大量的氨基酸类、无机离子以及植物激素类从植物根部流失，进而影响根系的生理代谢，使植物吸收水分受到影响[24]，最终造成植株生长生理等方面的差异。(2)不同加气方式造成的加气量不同，物理加气具有稳定、持续的加气的效果，文丘里器吸入的氧气量较为均匀，而化学加气采用人工定时加入化学试剂，稳定性、持续性不易保证且灌溉水中溶解氧浓度小于物理加气水中溶解氧浓度，故物理加气效果优于化学加气效果，最终造成各方面影响有所不同。因此，若保证相同的加气量，试验结果是否产生差异，仍需要进一步探究。

4 结 论

加气提高了加工番茄耗水量，各生长阶段耗水量提升幅度表现为：膨大一期>膨大二期>花期>成熟期>苗期，加气降低0～80 cm土层平均土壤含水率。物理加气相比化学加气增加了耗水量，降低了土壤含水率，提高了加工番茄叶片叶绿素含量、地上干物质量和果实形态及单果质量。W1灌溉水平下，加工番茄耗水量和地上干物质量最大，W2灌溉水平下，加工番茄叶片叶绿素含量、果实形态和单果质量最大。

综上，合理的水气组合模式既能避免水分过多造成的植株徒长，也可使产量达到最大，因此，基于新疆干旱少雨，4 950 m3·hm-2灌溉水平与物理加气是本试验较为适宜的水气组合模式，可为北疆滴灌加工番茄加气灌溉实际应用提供理论依据。