不同增氧水平對(duì)夏玉米生長(zhǎng)及氮素利用的影響

杜 君 臧 明 雷宏軍,? 王志勇 和愛(ài)玲

(1河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所,河南 鄭州 450002；2華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院,河南 鄭州 450046； 3 河南省土壤肥料站,河南 鄭州 450002)

土壤空氣、水分和養(yǎng)分之間的平衡與供應(yīng)對(duì)作物高產(chǎn)潛力的發(fā)揮至關(guān)重要[1]。協(xié)調(diào)土壤水氣環(huán)境以維持根系正常的新陳代謝,是灌溉追求的目標(biāo)[2-3]。研究表明,灌溉水入滲會(huì)使土壤孔隙中的空氣被驅(qū)離,導(dǎo)致土壤濕潤(rùn)區(qū)出現(xiàn)短期的缺氧現(xiàn)象[4]。土壤通氣性改善以及由此帶來(lái)的根系吸收和運(yùn)輸功能的改善是作物增產(chǎn)增效的根本所在[5]。增氧滴灌是通過(guò)滴灌(drip irrigation, DI) 或地下滴灌(subsurface drip irrigation,SDI)水流向植物根區(qū)輸送氧氣(或含氧物質(zhì))的一種新型灌水技術(shù)[2],在一定程度上改善了作物根區(qū)缺氧環(huán)境,激發(fā)了作物高產(chǎn)潛力。常用的增氧技術(shù)主要為文丘里射流器單次曝氣[6-7]或循環(huán)曝氣[8-9]。Goorahoo 等[10]采用Mazzei 文丘里空氣射流器進(jìn)行單次曝氣,證實(shí)了增氧灌溉的好處,并提出了可行的方法。Lei 等[11]研究發(fā)現(xiàn)使用文丘里空氣射流器及流體射流器曝氣,在一定程度上提高了水中溶解氧的濃度及持續(xù)時(shí)間,對(duì)玉米的株高及產(chǎn)量有顯著的改善作用。Bhattarai 等[6]和Chen 等[7]研究表明,文丘里空氣射流器單次曝氣能提高作物水分利用效率,促進(jìn)作物生長(zhǎng),提高作物產(chǎn)量。此外,研究表明,循環(huán)曝氣可以提高小白菜[12]和草莓[13]的產(chǎn)量和水分利用效率,還能提高小白菜的養(yǎng)分利用效率[12]。使用純氧曝氣可極大提高灌溉水溶解氧濃度及傳輸?shù)木鶆蛐?對(duì)土壤通氣性有顯著的改善效果。Zheng 等[14]研究4 種溶解氧(dissolved oxygen,DO)濃度(5.3、10、20、30、40 mg·L-1)對(duì)水培西紅柿的影響,發(fā)現(xiàn)隨著溶解氧濃度的升高,株高顯著增加,其中溶解氧濃度為30 mg·L-1可能是促進(jìn)西紅柿生長(zhǎng)的上限濃度。周云鵬等[15]研究5 種不同加氧濃度灌溉(30、25、20、15、10 mg·L-1)對(duì)水培蔬菜的影響,發(fā)現(xiàn)油麥菜、小白菜和小油菜的適宜溶解氧濃度為10～20 mg·L-1。與純氧曝氣相比,空氣循環(huán)曝氣產(chǎn)生的水氣耦合物具有摻氣比例高、溶解氧值較低的特點(diǎn)[8],目前二者在促進(jìn)作物增產(chǎn)效果的比較尚不明確；前人研究[9,14-15]發(fā)現(xiàn)純氧循環(huán)曝氣極大提高了灌溉水中的溶解氧濃度,適合水培蔬菜和長(zhǎng)距離灌溉,而不同增氧水平對(duì)夏玉米影響的研究尚鮮見報(bào)道。本試驗(yàn)以夏玉米為供試作物,研究不同增氧水平對(duì)夏玉米生長(zhǎng)及氮素吸收的影響,以期為增氧技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于河南省鄭州市華北水利水電大學(xué)農(nóng)業(yè)高效用水實(shí)驗(yàn)場(chǎng)(34°47′5.91″N,113°47′20.15″E),該地屬于暖溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),多年平均氣溫14.3℃,年均降雨量632 mm,無(wú)霜期220 d,全年日照時(shí)間約2 400 h。試驗(yàn)期間的氣溫變化如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)地點(diǎn)氣溫變化Fig.1 Air temperature dynamics at the experimental site

1.2 試驗(yàn)材料

供試土壤為鄭州壤質(zhì)粘土, 土壤容重1.10 g·cm-3,砂粒、粉粒和黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為34.59%、31.94%、33.47%,基本理化性質(zhì)：pH 值7.10、有機(jī)質(zhì)1.37%、速效氮84.33 mg·kg-1、速效磷11.16 mg·kg-1和速效鉀133.71 mg·kg-1。供試玉米品種為鄭單035,購(gòu)自河南商都種業(yè)有限公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以普通地下滴灌為對(duì)照(CK),設(shè)置灌溉水溶解氧(DO)濃度為10(記作OA10)、20(記作OA20)和40 mg·L-1(記作OA40)3 個(gè)增氧水平,每個(gè)處理5 次重復(fù)。盆栽布置為4×5 方陣,每列4 個(gè)處理隨機(jī)布置,盆間距30 cm。

將文丘里射流器(Mazzei air injector 384,Mazzei Injector 公司,USA)置于水流的干路上,利用偏壓射流器進(jìn)出口的壓力差吸入罐體頂部的承壓氣體,利用水泵將灌溉水循環(huán)通過(guò)文丘里射流器,進(jìn)行循環(huán)曝氣,曝氣壓力為0.1 MPa。以曝氣罐中溶解氧儀監(jiān)視灌溉水中溶解氧,達(dá)到預(yù)定值后開始灌溉。其中,OA10 采用空氣循環(huán)曝氣,在0.1 MPa 下循環(huán)10 min 達(dá)到10 mg·L-1的溶解氧水平[8]；OA20 和OA40 均采用純氧曝氣,將文丘里進(jìn)氣口和高壓氧氣瓶連接起來(lái),通過(guò)氧氣瓶首部的減壓閥將壓力調(diào)整至0.10 MPa,使用氧氣進(jìn)行循環(huán)曝氣,采用Oriental Legend 溶解氧測(cè)定儀(鄭州達(dá)而克電子科技有限公司)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)曝氣水中的溶解氧濃度并控制曝氣的時(shí)間。

盆栽桶規(guī)格為高50 cm、直徑40 cm。在每個(gè)處理桶的桶壁包裹一層遮陽(yáng)布。每盆裝土初始質(zhì)量為80 kg,質(zhì)量含水量25%。采用地下滴灌方式進(jìn)行灌溉,每桶中心位置埋設(shè)一個(gè)滴頭[奈特菲姆(北京)農(nóng)業(yè)科技有限公司],流量2.2 L·h-1,灌溉壓力為0.1 MPa,滴頭埋深15 cm。

1.4 試驗(yàn)管理

玉米播種時(shí)間為2017年6月15日,記為播種后第1 天,全生育期共計(jì)110 d,于2017年10月3日收獲。每盆播種3 粒,播種深度為3 ～4 cm,出苗整齊后做間苗處理,保留1 株。試驗(yàn)布置在移動(dòng)遮雨棚下進(jìn)行,降雨時(shí)用雨棚遮擋,其余時(shí)間打開雨棚。灌水上限為85%田間持水量,采用稱重法監(jiān)測(cè)土壤含水量,當(dāng)耗水量達(dá)到上次灌水量的80%時(shí)進(jìn)行灌溉,灌水量為上次灌水量的80%。采用稱重法計(jì)算每次灌溉水量。肥料為全要素水溶性肥料施樂(lè)多(15-15-30+TE,中國(guó)康拓肥料有限公司)。播種前,基肥用量為30 g·pot-1,均勻攪拌施于表層土體的三分之一處。分別播種后50、75 d 通過(guò)水肥耦合方式追肥2 次,每次10 g·pot-1。

1.5 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.5.1 土壤溶液溶解氧濃度的測(cè)定 采用OXY4-mini 光纖微氧傳感器(德國(guó)Presens 公司)測(cè)定。相同處理選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的4 盆土壤測(cè)量其土壤溶液中溶解氧濃度。播種前于側(cè)面打孔埋入盆中,探針埋設(shè)深度為20 cm,埋于作物正下方。數(shù)據(jù)采集過(guò)程為5 min,待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后自動(dòng)記數(shù)。在試驗(yàn)第57 ～第60 天測(cè)量1 個(gè)完整的灌水周期,分別于每天9：00 和15：00 進(jìn)行測(cè)量。

1.5.2 株高的測(cè)定 分別于試驗(yàn)第38、第47、第59、第73 和第97 天測(cè)量玉米植株的株高(cm)。

1.5.3 干物質(zhì)量的測(cè)定 在生育末期,將玉米地上部分的莖和葉剪下,根系完整挖出,用水將泥土沖洗干凈后,將地上部和地下部分開測(cè)量,105℃殺青30 min后,調(diào)節(jié)至70℃放置72 h 烘干至恒重,稱量干物質(zhì)量,并計(jì)算根冠比。

1.5.4 根系體積及根系活力的測(cè)定 于生育末期,挖取根系采用排水法測(cè)量根系體積,然后取鮮樣測(cè)定其根系活力,采用TTC(2,3,5-三苯基氯化四氮唑)法[12]進(jìn)行根系活力測(cè)量,每桶取4 個(gè)重復(fù)。

1.5.5 產(chǎn)量及水分利用效率的測(cè)定 以桶為單位測(cè)產(chǎn),玉米收獲后于陽(yáng)光下晾曬至恒重,采用百分之一電子天平稱量籽粒質(zhì)量,計(jì)算產(chǎn)量和百粒重。按照公式計(jì)算水分利用率(water use efficiency,WUE,kg·m-3)：

1.5.6 植株養(yǎng)分的測(cè)定 區(qū)分莖、葉、根系及籽粒采收,樣品烘干后經(jīng)粉碎過(guò)篩,利用H2SO4-H2O2消解,采用K9840 凱氏定氮儀(中國(guó)海能儀器股份有限公司)測(cè)定全氮。按照公式[16]分別計(jì)算各器官氮吸收量(A,g·pot-1)、籽粒氮分配比例(B,g·g-1)、氮素吸收效率(C,g·g-1)：

式中,Cg：各器官氮質(zhì)量濃度,g·kg-1；Mm：器官干物質(zhì)量,g·pot-1；ZN：籽粒氮吸收量,g·pot-1；AN：植株各器官氮素吸收總量,g·pot-1；Y：氮肥施用量,g·pot-1。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用SigmaPlot 12.5 軟件處理數(shù)據(jù)；Fisher LSD 方法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(顯著性水平設(shè)定為P ＜0.05)。本試驗(yàn)中所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤溶液中溶解氧濃度的影響

由圖2 可知,灌水后不同濃度的土壤溶解氧均呈先下降后逐步上升的趨勢(shì)。其中,以O(shè)A40 最高,OA20 和OA10 次之,CK 最低。OA40、OA20、OA10 和CK 在完整灌水周期內(nèi)的溶解氧濃度平均值分別為8.75、8.36、8.23 和7.62 mg·L-1,OA40、OA20 和OA10分別較CK 平均增加了14.83%、9.71%和8.00%。

圖2 不同處理下土壤溶液溶解氧濃度的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of DO concentration of soil solution under different treatment

2.2 不同處理對(duì)夏玉米生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

2.2.1 株高 由圖3 可知,第73 天時(shí),OA10 處理下的玉米株高顯著高于CK(P＜0.05),較CK 平均增加5.64%；第97 天時(shí),OA10 處理玉米株高較CK 顯著增加7.39%(P＜0.05),而其他各處理與CK 間均無(wú)顯著差異(P＞0.05)。

圖3 不同處理下玉米株高的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of maize plant height in different treatment

2.2.2 地上部物質(zhì)量 由表1 可知,與CK 相比,不同增氧處理下的地上部物質(zhì)量積累均明顯增強(qiáng),其中,OA10 處理的葉鮮重和葉干重分別較CK 顯著增加16.30%和12.02%(P＜0.05),OA40 處理的葉干重和莖鮮重分別較CK 顯著增加15.82%和12.43%(P ＜0.05)。其余增氧處理各指標(biāo)與CK 間均無(wú)顯著差異(P＞0.05)。

2.2.3 根系 由表2 可知,與CK 相比,OA10、OA20和OA40 的根系鮮重分別顯著增加60.00%、17.66%和52.98%(P＜0.05),根體積分別顯著增加34.03%、14.56%和51.32%(P＜0.05)；OA10 和OA40 處理的根系干重較CK 分別顯著增加30.32%和14.92%(P＜0.05)；OA10 和OA20 處理的根系活力較CK 分別顯著增加272.77%和64.44%(P＜0.05)。

表1 不同處理下地上部物質(zhì)量Table 1 Aboveground biomass in different treatment /(g·pot-1)

表2 不同處理下根系質(zhì)量、根系體積和根系活力Table 2 Root weight, root volume and root activity in different treatments

2.2.4 產(chǎn)量和水分利用效率 由表3 可知,與CK 相比OA10 和OA40 處理的產(chǎn)量分別顯著增加24.46%和21.83%(P＜0.05),百粒重分別顯著增加17.53%和15.14%(P＜0.05)；OA10、OA20 和OA40 水分利用率分別顯著增加19.10%、10.55%和21.61%(P＜0.05)。

表3 不同處理下夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率Table 3 Yield and WUE in different treatment

2.3 不同處理對(duì)夏玉米氮素吸收的影響

增氧灌溉處理促進(jìn)了夏玉米對(duì)氮素的吸收利用。由表4 可知,OA40 處理的葉片氮素質(zhì)量濃度較CK 顯著加54.1%(P＜0.05),OA10 處理的籽粒氮元素含量顯著增加32.03%(P＜0.05)。由表5 可知,玉米不同部位氮素積累量也有所改善,OA10 處理的籽粒氮素積累量顯著提高了63.90%(P＜0.05),OA40 處理的葉片、根系和籽粒氮素積累量分別顯著提高了74.67%、21.43%和35.27%(P ＜0.05)。籽粒氮素分配比例是小麥籽粒形成的氮素效率的重要指標(biāo)。籽粒氮素分配比例越大,氮素越集中在籽粒,表明氮素對(duì)籽粒形成的效率越高。由表6 可知,OA10 處理的籽粒氮素分配比例和氮素吸收效率分別較CK 顯著增加21.57%、33.33%(P＜0.05)。

表4 不同處理下夏玉米不同部位氮素質(zhì)量濃度Table 4 Nitrogen concentration in different parts of maize in different treatment /(g·kg-1)

表5 不同處理下夏玉米不同部位氮素積累量Table 5 Nitrogen uptake in different parts of maize in different treatment /(g·pot-1)

表6 不同處理下夏玉米籽粒氮素分配比例和氮素吸收效率Table 6 Nitrogen partitioning ratio and nitrogen uptake efficiency in different treatment /(g·g-1)

3 討論

研究表明,土壤氧氣臨界濃度應(yīng)包括氣相和液相兩部分的貢獻(xiàn)[17],土壤溫度、土壤水分及土壤氧氣狀況均對(duì)土壤呼吸有重要影響[18]。前人研究發(fā)現(xiàn)增氧地下滴灌可顯著改善作物根區(qū)的缺氧狀況,根區(qū)土壤氧氣濃度得到提高[19],且淺層土壤氧氣濃度大于深層土壤[20]。這與本研究結(jié)果一致。本研究中,土壤溶液中的溶解氧濃度受增氧地下滴灌的影響較大,增氧處理土壤溶液溶解氧濃度較CK 顯著提高。研究表明,根區(qū)低氧脅迫不利于植株的生長(zhǎng),增氧灌溉將氧氣或含氧物質(zhì)輸送到根區(qū),能夠滿足根系生長(zhǎng)的需求,繼而促進(jìn)植株的生長(zhǎng)發(fā)育[21],并有效提高植株生物量積累[10,22]。本研究中,OA10 處理的株高顯著大于CK,而其他增氧處理無(wú)顯著差異,這可能是由于OA10 處理采用的為空氣循環(huán)曝氣,除增加了灌溉水中的溶解氧濃度外,還摻入了大量微氣泡[8],對(duì)土壤環(huán)境的改善效果較為持久,對(duì)植株的生長(zhǎng)改善明顯[23]。

根區(qū)缺氧會(huì)影響作物根系的生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸,限制作物的生長(zhǎng)[l]。而增氧地下滴灌可改善根區(qū)的缺氧環(huán)境,可促進(jìn)作物的物質(zhì)量積累[24]。本研究表明,增氧灌溉處理的地上各部分的鮮重均有顯著提高,干重也得到顯著改善,其中以O(shè)A10 和OA40 處理表現(xiàn)最好。這是由于植株根系的生長(zhǎng)狀況直接影響其地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育,根系對(duì)氧氣的缺乏較敏感,缺氧會(huì)抑制根系生長(zhǎng)[25]。上述結(jié)論在番茄[19]和大豆[6]上也得到了證實(shí)。本研究表明,增氧處理的根鮮重和根體積均大于CK,其中OA10 處理的根系活力顯著增強(qiáng),表明增氧處理對(duì)根系有明顯的增強(qiáng)作用,促進(jìn)了根系的干物質(zhì)積累。

高產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求的主要目標(biāo)。研究表明,根區(qū)低氧脅迫會(huì)使根向冠層傳遞缺氧信號(hào),影響水、植物生長(zhǎng)素等生長(zhǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和儲(chǔ)存,導(dǎo)致作物減產(chǎn)[26]。作物的生長(zhǎng)受益于根區(qū)缺氧環(huán)境的改善[27],作物的產(chǎn)量也因此從中受益[28]。Abuarab 等[29]發(fā)現(xiàn)玉米產(chǎn)量從增氧灌溉中受益,本研究也證實(shí)了這一結(jié)論。本研究中,OA10 和OA40 處理的產(chǎn)量較CK 均有所提高,其中OA10 的產(chǎn)量為最高。這可能是由于OA10 處理除增加了灌溉水中的溶解氧濃度外,還摻入了大量的微氣泡[8],而OA40 具有較高的溶解氧濃度；此外,OA10 和OA40 處理對(duì)通氣性有明顯的改善效果。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)相同灌溉定額條件下,植株的水分利用率與產(chǎn)量緊密相關(guān),增氧處理的水分利用率較CK 均有所提高。此外,增氧處理還提高了籽粒的飽滿程度,其中OA10 和OA40 的百粒重較CK 顯著增加。研究表明,增氧地下滴灌可改善作物根區(qū)缺氧環(huán)境,促進(jìn)根系的生長(zhǎng),表現(xiàn)為根系對(duì)養(yǎng)分水分的高效吸收[30]。這與本研究結(jié)果相同。本研究中,增氧地下滴灌促進(jìn)了玉米植株對(duì)氮素的吸收,OA10 和OA40 處理的籽粒氮素吸收量較CK 均有所增強(qiáng),OA40 處理的葉片和根系氮素吸收量均顯著提高。此外,增氧地下滴灌不僅提高了氮素對(duì)籽粒形成的效率,還提高了植株對(duì)氮素的吸收效率。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,增氧地下滴灌顯著改善了作物根區(qū)氧氣環(huán)境,促進(jìn)了作物生長(zhǎng)及其氮素吸收顯著增強(qiáng)。與CK 相比,增氧處理下,土壤中溶解氧濃度均顯著提高。增氧地下滴灌促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)和生物量積累,地上、地下部生物量顯著增加,根系活力也有顯著增強(qiáng)。此外,增氧地下滴灌提高了作物的產(chǎn)量,產(chǎn)量、百粒重和水分利用效率較CK 均顯著提高,促進(jìn)了作物植株氮的吸收,籽粒氮素吸收量也較CK 顯著提高,籽粒氮素分配比例和氮素吸收效率也有明顯改善。本試驗(yàn)條件下,采用空氣進(jìn)行曝氣增氧的OA10 處理操作簡(jiǎn)便,且在夏玉米生長(zhǎng)和氮素吸收利用均有顯著提升,可以在增氧地下滴灌實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行推廣。