施氮和加氣灌溉對黃瓜根區(qū)土壤環(huán)境及產(chǎn)量的影響

崔冰晶，牛文全,3，杜婭丹，張 倩

(1.西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

目前,隨著蔬菜生產(chǎn)面積的不斷擴大,設施栽培日益增多,截至2015年，我國設施栽培面積達410.9 萬hm2，總面積和總產(chǎn)量均居世界首位[1]。設施生產(chǎn)的高度集約化、過度灌溉、農(nóng)業(yè)機械碾壓、過量施肥、少中耕等因素均導致土壤緊實，再加上施肥引起的土壤環(huán)境惡化問題日益嚴重,所以亟待加強這方面的研究。土壤緊實會造成根區(qū)低氧脅迫[2]，即使高效的地下滴灌也會出現(xiàn)至少短期的根區(qū)缺氧[3]。根區(qū)低氧脅迫降低了土壤通氣性，抑制了根系對養(yǎng)分的吸收[4]，限制了設施蔬菜產(chǎn)量的提升。改善土壤通氣狀況，能夠有效調(diào)節(jié)土壤微生物活性、養(yǎng)分有效性，對改善土壤環(huán)境，提高土壤生產(chǎn)力有重要意義[5]。而氮素是對土壤通氣條件反應最敏感的元素之一，植物在根系生長發(fā)育、氮素利用過程中存在一定的根際溶氧量和氮素形態(tài)的互作效應[6]。

土壤通氣性的改善以及由此帶來的根系吸收和運輸功能的提高是作物增產(chǎn)的基礎(chǔ)[7]。前人研究表明，加氣灌溉增加了根區(qū)氧濃度，改善植株生理功能，從而提高作物水分利用效率和產(chǎn)量[8,9]。史春余[10]等通過改善土壤孔隙度改善了土壤通氣性，增強了甘薯塊根中 ATP 酶活性，提高了產(chǎn)量。朱艷[11]、雷宏軍[12]等人指出，加氣灌溉能夠使土壤呼吸加強，促進作物生長和養(yǎng)分吸收，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率。因此，加氣灌溉可改善農(nóng)田生態(tài)小氣候，配合以適宜的施氮量，使作物根系土壤的水、肥、氣、熱等環(huán)境協(xié)調(diào)同步，是進一步改善根區(qū)土壤環(huán)境，提高作物產(chǎn)量的一種有效途徑。

黃瓜是設施農(nóng)業(yè)中種植面積最大的蔬菜種類之一，同時也是耗水量較大的蔬菜作物[13]。目前，關(guān)于加氣灌溉的研究多集中于番茄、馬鈴薯等作物的生長與土壤微生物影響方面，施氮和加氣灌溉對土壤根區(qū)環(huán)境和作物產(chǎn)量的綜合影響尚不明確。本試驗以黃瓜為供試作物，設置不同的加氣和施氮條件，旨在闡明加氣與施氮耦合對土壤、產(chǎn)量及干物質(zhì)的影響，以期為加氣滴灌條件下溫室黃瓜合理施肥，改善土壤環(huán)境和生態(tài)效益提供一定的理論基礎(chǔ)與科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年3月24日至6月9日在陜西楊凌大寨鄉(xiāng)的日光溫室內(nèi)進行(34°17′N、108°02′E)，所處地理位置屬半干旱偏濕潤區(qū)，年均日照2 163.8 h，無霜期210 d。溫室東西走向，長×寬為108 m×8 m。土壤類型為塿土，1 m土層內(nèi)平均土壤干容重為1.34 g/cm3，田間持水量為28.17%(質(zhì)量含水率)，pH值7.82。土壤顆粒組成：砂礫質(zhì)量分數(shù)為25.4%，粉粒質(zhì)量分數(shù)為44.1%，黏粒質(zhì)量分數(shù)為30.5%。

1.2 實驗材料與設計

供試黃瓜品種為乾德777，前茬種植番茄，采用穴盤育苗，2018年3月24日定植，6月9日拉秧，全生育期長78 d。定植時黃瓜幼苗為3葉1心至4葉1心，緩苗時間7～10 d，自2018年4月4日開始試驗處理。黃瓜生育期劃分如表1。試驗小區(qū)長 5.5 m，寬3.5 m，小區(qū)間隔0.5 m。黃瓜按株距45 cm，行距50 cm進行定植。試驗采用地下滴灌方式進行灌溉，定植前在各小區(qū)中央鋪設地下滴灌帶1條(直徑16 mm，滴頭間距30 cm)，滴灌管埋深為15 cm。將Mazzei287型文丘里加氣設備(Mazzei Injector Company, LLC)安裝在灌水支管的首端在灌水的同時進行加氣，灌水時利用水泵形成加壓灌溉水，將位于灌水總管道末端的調(diào)節(jié)閥控制進口和出口壓力分別為0.1和0.02 MPa，由排氣法加氣量占灌溉水量的17%[11]。各處理灌水量相同，黃瓜整個生育期每隔10 d灌水一次。

表1 黃瓜各生育期起止時間Tab.1 Starting and ending time of different growth period for cucumber

試驗分別設置了加氣和施氮2個因素，加氣處理表示為I,不加氣處理表示為CK。參照前人相關(guān)研究[14]設置傳統(tǒng)施氮N2處理(施氮量為360 kg/hm2)，N1處理(傳統(tǒng)施氮量的66%，施氮量為240 kg/hm2)以及不施氮N0處理3個水平。共計6個處理，每個處理3次重復。供試氮肥為尿素(含N質(zhì)量分數(shù)≥46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O5質(zhì)量分數(shù)≥16%)，鉀肥為水溶性硫酸鉀(含K質(zhì)量分數(shù)≥52%)。其中磷鉀肥全部基施，各氮肥處理小區(qū)將總氮量的40%作為基肥，剩余氮肥通過滴灌管在黃瓜生長盛期分3次等量追施。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 氣樣的采集和分析

用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定土壤CO2排放通量。采樣箱為密閉式靜態(tài)箱，箱體長30 cm，寬30 cm，高55 cm，由6 mm厚的PVC材料制成。外側(cè)包裹一層海綿和錫箔紙，避免取樣時光照對箱體內(nèi)溫度的影響。定植當天在小區(qū)中央埋設靜態(tài)箱底座，底座上口有3 cm深的凹槽用以在采樣時注水與靜態(tài)箱密封。氣樣用帶有三通閥的50 ml塑料針筒進行采集，每底座采樣4次，每次取氣40 mL，取樣時間分別在關(guān)箱后0、10、20、30 min采集，并在當天進行室內(nèi)濃度分析。采樣從黃瓜定植后14 d開始，每7 d左右采集1次，分別在4月7日、4月16日、4月23日、5月1日、5月7日、5月14日、5月21日和5月28日每天的09∶00-11∶00進行采樣。

采集的氣樣用安捷倫氣象色譜分析儀(Agilent Technologies 7890A GC System)分析CO2的濃度。進而求得單位面積CO2排放量，即土壤呼吸速率。CO2排放通量計算公式為：

(1)

式中：F為氣體排放通量，mg/(m2·h)；ρ為標準狀態(tài)下的氣體密度，g/cm3；h為箱體高度，m；dc/dt為氣體濃度變化率；T為箱內(nèi)溫度，℃。

1.3.2 環(huán)境因子測定

每次采集氣體的同時用安插在箱體頂部的水銀溫度計讀取箱內(nèi)溫度；用曲管地溫計河北省武強紅星儀表廠)測定箱體周圍10 cm土層的溫度；打土鉆利用鋁盒取土烘干法測定0～10 cm和0～20 cm土層的質(zhì)量含水量，計算出土壤充水孔隙度，即：

(2)

式中：Fa為土壤充氣孔隙度，%；ρs為土粒密度，g/cm3，值為2.65；ρb為土壤干容重，g/cm3；θv為土壤體積含水率，%。

本試驗中Fa是0～20 cm土壤的平均值。

土壤氧氣含量利用光纖式氧氣測量儀測定。測量時每個小區(qū)取2個固定點，分別插入氧氣感應探針，探針插入深度為10 cm，距離作物莖稈5 cm。插入后將土壤封實，盡可能避免大氣對土壤空氣的影響。每次連測5 min，將平均值作為土壤氧氣含量。

1.3.3 植株生物量和產(chǎn)量的測定

在黃瓜成熟期每個處理隨機選取3株，將莖、葉和果分裝后放入烘箱，先在105 ℃高溫條件下殺青30 min，之后將烘箱溫度調(diào)至75 ℃烘干至恒重，用電子天平稱重(精度為0.01 g)。果實成熟后，每個處理小區(qū)黃瓜每次采收的果實都分別稱重，并記錄采收日期，至拉秧計算各小區(qū)總產(chǎn)量。

水分利用效率計算公式如下：

(3)

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3；Y為黃瓜產(chǎn)量，kg/hm2；ET為耗水量，mm。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2010軟件處理試驗數(shù)據(jù),SPSS18.0軟件進行方差分析和顯著性分析，顯著性水平為α=0.05。用OriginPro2017軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同加氣施氮處理下土壤氧氣濃度和土壤溫度的變化

不同加氣施氮處理間對比顯示，加氣灌溉下的土壤氧濃度均高于不加氣處理，二者O2含量的分別在16.9%～20%和16.4%～19.8%范圍內(nèi)浮動(圖1)。與不加氣相比，加氣條件下各施氮水平O2濃度均有提高；此外，隨著施氮量的提高，加氣對土壤氧含量的增加效應越來越明顯，在N0、N1和N2三個施氮水平下，加氣灌溉分別使土壤氧濃度提高了1.3%、2.0%和2.7%。加氣灌溉對提高土壤氧含量有一定作用，在施氮條件下效果更好。但加氣條件下土壤氧氣含量的提高并不顯著(P>0.05)。這可能是由于加入的是空氣，并且氧氣測量儀測定的表層土壤在與大氣不斷地進行交換[11]。

圖1 不同加氣灌溉模式下土壤O2含量變化Fig.1 Changes of soil O2 content under different treatments

加氣處理的土壤溫度在黃瓜生育期內(nèi)均高于不加氣處理，兩者的表層土壤溫度分別在19.9～25.0 ℃和19.0～24.3 ℃之間變化(圖2)，在N0、N1、N2施氮水平下，加氣處理分別增加了3.3%、6.4%和6.9%的平均土壤溫度，且差異顯著(P<0.05)；各施氮處理間無明顯規(guī)律，說明施氮對土壤溫度的影響不明顯。此外，平均土壤溫度隨著時間的延長溫度呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，隨氣溫(Ta)上下波動。黃瓜整個生育期空氣溫度在19.0～32.6 ℃變化，與空氣溫度波動相比，土壤溫度受天氣(空氣溫度)影響較大。

圖2 不同處理下10 cm深度土壤溫度的變化Fig.2 Changes of soil temperature in 10 cm depth under different treatments

2.2 不同加氣施氮處理下土壤充氣孔隙度的變化

由圖3可見，除N3處理0501、0507和0521日期處加氣灌溉下土壤充氣孔隙度略低于不加氣條件外，加氣灌溉的土壤充氣孔隙度在黃瓜生育期絕大多數(shù)時間內(nèi)高于不加氣處理，且兩者間的差異在生育前期較小，在中后期較大，但差異不顯著(P>0.05)。隨著施氮水平的提高，加氣對土壤充氣孔隙度的影響越來越小，在N0、N1和N2三個施氮水平下，加氣灌溉處理土壤充氣孔隙度均值為27.49%、27.66%和27.45%，較不加氣處理分別提高了0.85%、0.61%和-0.07%。

2.3 施氮和加氣灌溉對土壤呼吸速率的影響

黃瓜整個生育期內(nèi)，在定植后第24、39和52 d分別追施氮肥，各處理土壤呼吸出現(xiàn)三次峰值，分別在定植后第38、44和58 d(圖4)。土壤呼吸速率在黃瓜生長前期(0～44 d)呈現(xiàn)上升的趨勢，之后有所下降，而黃瓜生長后期(44～78 d)呼吸峰值的出現(xiàn)是由追施氮肥引起的。

處理間分析可知，加氣灌溉的土壤呼吸速率均高于不加氣處理(N2處理30d除外)，加氣灌溉下土壤呼吸均值較不加氣條件顯著提高了25.2%(P<0.05)，且兩者間的差異在黃瓜生育前期較小，在生育中后期較大(圖4)。IN1、IN2、CKN1和CKN2的土壤呼吸均值分別為503.19、407.53、395.58和331.69 mg/(m2·h)。在黃瓜整個生育期，IN1處理的土壤呼吸始終最大，與IN2、CKN1和CKN2均存在顯著性差異(P<0.05)。

圖4 不同加氣施氮處理下溫室黃瓜地土壤呼吸速率Fig.4 Soil respiration rate under different treatments in greenhouse cucumber cropping system

2.4 不同加氣施氮處理下的黃瓜耗水量、WUE、干物質(zhì)及產(chǎn)量

對整個生育期作物耗水量(ET)和水分利用效率(NUE)分析發(fā)現(xiàn)(表2)，加氣灌溉顯著降低了ET(P<0.05)，黃瓜水分利用效率WUE極顯著提高(P<0.01)；施氮量對WUE影響極顯著(P<0.01)，在N0、N1、N2施氮水平下，根區(qū)加氣處理的ET分別比未加氣處理降低38.1%、32.3%和18.8%，WUE分別提高了5.7%、31.9%和12.5%。在IN1處WUE最大，比未加氣條件下傳統(tǒng)施氮處理CKN2提高17.08%。加氣和施氮兩因素交互作用對WUE有顯著影響(P<0.05)，對ET有極顯著影響(P<0.01)。

表2 不同加氣、施氮處理對黃瓜產(chǎn)量、水分利用效率和作物耗水的影響Tab.2 Effects of nitrogen Application on yield, WUE and ET of Cucumber under different aeration conditions

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著性水平，小寫字母為P<0.05水平顯著。*和**分別代表P<0.05和P<0.01水平上差異顯著，ns表示差異不顯著(P>0.05)。

加氣灌溉處理的干物質(zhì)積累量顯著大于不加氣處理(P<0.05)，3個施氮處理下分別提高2.32%、15.33%和1.33%(表1)。黃瓜干物質(zhì)積累量在IN1處最大，為149.15 g/plant。加氣灌溉極顯著提高了黃瓜產(chǎn)量(P<0.01)，不同施氮條件下，加氣處理的黃瓜產(chǎn)量分別比未加氣處理提高了3.38%、28.96%和18.55%。隨施氮量的增加，加氣與未加氣處理之間產(chǎn)量的差異逐漸縮小。IN1處理的黃瓜產(chǎn)量最高，為72 266 kg/hm2，分別是IN2和CKN2處理的1.002和1.188倍。加氣和施氮2因素交互作用對黃瓜產(chǎn)量有極顯著影響(P<0.01)。

3 討 論

3.1 施氮和加氣灌溉對根區(qū)土壤環(huán)境的影響

加氣能夠提高土壤氧氣含量。朱艷等[11]研究表明，與對照相比，加氣灌溉根區(qū)土壤氧氣含量增加了0.98%。本研究也得到了類似結(jié)果，加氣條件下各施氮水平O2濃度均有提高。由于氧氣測量儀測定的表層土壤和大氣不斷地進行交換，雖然土壤氧氣含量稍有提高，但卻能改善根區(qū)的整體環(huán)境。土壤通氣性好壞主要決定于土壤的總孔隙度，特別是充氣孔隙度的大小[15]。本研究中，相同施氮水平下充氣孔隙度差異并不顯著，加氣灌溉下的土壤充氣孔隙度略高于不加氣處理。表明對于土壤通氣性確實有一定的改善作用，這與前人[11,16]的相關(guān)研究結(jié)果一致。此外，加氣灌溉顯著增加了土壤溫度，土壤呼吸均值較不加氣處理也顯著增大了25.2%，這與侯會靜[17]、陳慧[18]和BHATTARAI[19]等人的研究結(jié)果一致。

土壤呼吸、土壤氧氣含量、土壤水分和土壤溫度等眾多因子共同構(gòu)成土壤環(huán)境，它們之間的變化是相互影響的[20]。土壤呼吸是土壤與大氣之間進行氣體交換的主要途徑，主要來自作物根系的自養(yǎng)呼吸作用和土壤微生物的異養(yǎng)呼吸作用[21]。研究表明，土壤溫度、水分和通氣狀態(tài)是影響土壤呼吸的主要因子[22-26]。本試驗中，加氣灌溉提高了土壤O2含量和土壤充氣孔隙度。土壤中氧濃度的提高，使呼吸作用原料增多，進而促進土壤呼吸作用[27,28]。這是由于加氣灌溉能夠通過影響作物根呼吸、微生物酶活性等[29,30]，進而促進土壤呼吸。還有研究表明，在有氧條件下，土壤呼吸過程中每消耗1 mol葡萄糖釋放出2 870 kJ的熱量[31]，、土壤呼吸的加強會使土壤溫度有所升高。本研究表明加氣灌溉通過改變土壤氧氣含量、土壤充氣孔隙度、土壤溫度和土壤呼吸，從而改善黃瓜根區(qū)土壤環(huán)境。

對不同施氮水平分析發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的提高，加氣對土壤氧含量的增加效應越來越明顯，IN2處理的氧氣含量始終最高，表明作物根區(qū)加氣灌溉在施氮條件下對提高土壤氧含量的效果更好。在黃瓜整個生育期，IN1處理的土壤呼吸最大，植株生長旺盛，此時受到施氮和加氣的雙重影響IN1的土壤充氣孔隙度也高于IN2。Wolf[32]指出當土壤中水、肥、氣、熱達到最優(yōu)平衡狀態(tài)時，土壤生產(chǎn)力可達到最大。本試驗中，由于施氮量為240 kg/hm2時進行加氣灌溉保證了作物根區(qū)土壤充足的氮肥供應和良好的水氣配合條件，因此，N1施氮水平時加氣灌溉對土壤呼吸、土壤溫度的促進作用更為明顯。

3.2 施氮和加氣灌溉對黃瓜水分利用效率和產(chǎn)量的影響

加氣灌溉能顯著提高黃瓜的水分利用效率，Abuarab等[33]在玉米灌溉試驗中試驗結(jié)果表明，相較于地下滴灌，加氣灌溉下的水分利用效率和灌溉水分利用效率均顯著提高。本研究中，加氣灌溉減小了黃瓜的耗水量，因而水分利用效率較不加氣提高，這與李元等人[34]的結(jié)論一致。此外，加氣灌溉和施氮對WUE均有影響，兩因素交互作用顯著提高了黃瓜的水分利用效率。這可能是由于加氣灌溉條件下，土壤的通氣性良好，適宜的孔隙度使土壤蓄持水能力增加[35]，氮肥的施入促進植株根系的生長，使根系對水分吸收的能力增強，土壤含水率略有下降(土壤充氣孔隙度提高)。因此，在加氣灌溉對土壤環(huán)境的促進作用更為明顯的N1處理下，黃瓜的水分利用效率顯著高于其他處理。

加氣灌溉能夠提高作物的干物質(zhì)和產(chǎn)量，Bhattarau[36]、Du[37]和Li[38]等在番茄和玉米試驗中得到加氣灌溉產(chǎn)量高于地下滴灌，地上部干物質(zhì)量顯著高于對照。本研究也得到了一致結(jié)果，N1和N2處理下加氣分別提高了干物質(zhì)量15.33%和1.33%，產(chǎn)量提高了28.96%和18.55%。在加氣灌溉條件下，較高的施氮量并沒有得到更高的產(chǎn)量，表明過量施氮可能會抑制黃瓜干物質(zhì)積累量。主要原因可能是加氣灌溉減輕了根區(qū)的缺氧狀況，在灌水的同時更有利于根系呼吸[36]，微生物的生物活動也更加旺盛，加速了其對有機質(zhì)的分解，促進了氨的揮發(fā)，抑制銨態(tài)氮的吸收利用[39]，削弱了氮素對作物生長的促進作用。因此，在IN1處理處，根區(qū)土壤得到了充足的氮肥供應和良好的水氣配合，形成了一個良性的土壤、作物與大氣的連續(xù)系統(tǒng)，從而促進了作物生長，使黃瓜產(chǎn)量達到最高，72 266 kg/hm2，分別是IN2和CKN2處理的1.002和1.188倍。該研究結(jié)果表明加氣灌溉下施氮量為240 kg/hm2時，能夠為作物根區(qū)土壤提供充足的氮肥供應和良好的水氣配合，使土壤中水、肥、氣、熱達到相對最優(yōu)平衡狀態(tài)，為黃瓜增產(chǎn)提供了良好的土壤環(huán)境。

4 結(jié) 論

(1)加氣灌溉通過提高土壤氧氣含量、充氣孔隙度、土壤溫度和土壤呼吸，改善了土壤環(huán)境，促進了黃瓜的水分利用效率的提高。

(2)施氮量為240 kg/hm2時進行加氣灌溉，為作物根區(qū)土壤提供了充足的氮肥供應和良好的水氣配合，使土壤中水、肥、氣、熱達到相對最優(yōu)平衡狀態(tài)，為黃瓜增產(chǎn)提供了良好的土壤環(huán)境，提高了黃瓜產(chǎn)量。