水氣互作對辣椒根系形態(tài)、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響效應(yīng)

雷宏軍 金翠翠 潘紅衛(wèi) 肖哲元 孫克平

(華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院， 鄭州 450046)

0 引言

根系作為植株吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，在植物生長發(fā)育中起著重要作用[1]。膜下滴灌作為溫室作物主要的節(jié)水灌水方式，具有良好的節(jié)水效果，但在滴頭附近易于形成持續(xù)的飽和濕潤鋒[2-3]導(dǎo)致根區(qū)缺氧[4]，由于作物根系優(yōu)先生長在滴頭附近[5]，同時根系的生長對土壤氧氣脅迫非常敏感，這將導(dǎo)致植物能量供應(yīng)不足，進(jìn)而制約根系對水分和養(yǎng)分的吸收，最終限制作物生長[6-7]。地膜覆蓋阻礙了土壤CO2排放，破壞了土壤O2補充和擴散的動態(tài)平衡系統(tǒng)[8]，進(jìn)一步加劇作物根區(qū)缺氧現(xiàn)象，影響地上部生長[9]。為緩解這一問題，通過加氣灌溉技術(shù)將水肥氣混合氣泡輸送到根區(qū)土壤，改善覆膜滴灌根區(qū)土壤通氣性[3,10]，進(jìn)而激發(fā)作物品質(zhì)和產(chǎn)量提升潛力[11]。根區(qū)加氣有利于改善作物根區(qū)氣體環(huán)境，使番茄根系活力和吸收能力增強[12]。加氣灌溉刺激了根系伸長，根系的生長保障了冠層的擴張，光攔截效率和光合效率提高[13]，產(chǎn)量增加[14]。

近年來，加氣灌溉對溫室作物影響研究不再局限于作物的生長生理指標(biāo)，而是將產(chǎn)量和品質(zhì)作為重點來研究[14-15]。根系作為作物養(yǎng)分?jǐn)z入的主要通道，也是作物健康生長的保證，卻鮮有將根系形態(tài)用于評價加氣灌溉的綜合效果。本試驗基于溫室辣椒產(chǎn)量、灌溉水利用效率(Irrigation water use efficiency, IWUE)、果實品質(zhì)及根系形態(tài)共11個指標(biāo)對加氣灌溉進(jìn)行綜合評價，得出加氣灌溉下根系形態(tài)與產(chǎn)量、品質(zhì)及灌溉水利用效率之間的關(guān)系，以及溫室辣椒最優(yōu)的加氣灌溉參數(shù)，為加氣灌溉在設(shè)施蔬菜的實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在河南省鄭州市華北水利水電大學(xué)農(nóng)業(yè)高效用水試驗場現(xiàn)代化溫室進(jìn)行(34°47′23″N，113°47′41″E)。試驗溫室建筑總面積為537.6 m2，開間為4 m，跨度為9.6 m。溫室內(nèi)南、北面分別裝有風(fēng)機和濕簾，用于調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫度和空氣濕度。供試土壤類型為黏壤土，土壤容重1.25 g/cm3，田間質(zhì)量持水率為23.4%。土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況為：堿解氮質(zhì)量比38.87 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比3.42 mg/kg，速效磷質(zhì)量比9.98 mg/kg，有機質(zhì)質(zhì)量比21.54 g/kg，pH值7.12。圖1為辣椒生育期內(nèi)溫濕度變化。

圖1 溫室辣椒生育期相對濕度和平均氣溫變化曲線Fig.1 Variation curves of relative humidity and average temperature in greenhouse pepper growth period

1.2 試驗設(shè)計

種植作物為辣椒，品種為“豫藝鮮辣8號”，選取8～10葉齡、長勢一致的辣椒幼苗進(jìn)行移栽，2019年9月11日定植，定植時澆透底水，定植后12 d覆聚乙烯膜，種植桶為圓柱形，直徑30 cm，高40 cm，種植桶之間相互挨連，植株間距30 cm，桶行距為70 cm，每10個種植桶為一行，采用全埋式布設(shè)，以模擬田間作物生長的光照和溫度。采用地下滴灌的方式進(jìn)行灌溉，滴頭型號為Netafim(以色列奈特菲姆灌溉公司)，滴頭埋深10 cm(滴頭與根系的空間示意圖如圖2所示)，額定流量2.5 L/h。

圖2 根系與滴頭空間示意圖Fig.2 Schematic of root system and dripper space

本試驗設(shè)計2個加氣量(溶解氧質(zhì)量濃度分別為15、40 mg/L)，設(shè)置常規(guī)地下水灌溉(溶解氧質(zhì)量濃度為5 mg/L)作為對照處理[16]，2個灌水量(0.8倍和1.0倍作物-蒸發(fā)皿系數(shù))隨機區(qū)組試驗，共計6個處理。試驗設(shè)計如表1所示。

表1 試驗設(shè)計Tab.1 Experimental design

分別采用文丘里空氣射流器(Mazzei air injector 684， Mazzei Corp公司，美國)和海藍(lán)科技微納米氣泡機(50 Hz，宜興市海藍(lán)科技有限公司)制備溶解氧質(zhì)量濃度15 mg/L和40 mg/L的加氣量。文丘里空氣射流器利用儲水管路、循環(huán)水泵、文丘里空氣射流器等設(shè)備通過壓力差吸附空氣進(jìn)行曝氣，待灌溉水中溶解氧質(zhì)量濃度達(dá)到15 mg/L開始灌溉。海藍(lán)科技微納米氣泡機利用變壓吸附分離原理制備純氧，通過外置的儲水罐進(jìn)行循環(huán)，可制備超高溶解氧微納米氣泡水。于循環(huán)曝氣出水端接入供水干管，接入壓力表和供水水表，待灌溉水中溶解氧質(zhì)量濃度達(dá)到40 mg/L開始灌溉。常規(guī)地下水灌溉處理利用首部供水裝置進(jìn)行供水，地下水中溶解氧質(zhì)量濃度為 5 mg/L左右。首部供水壓力均由首部壓力表控制為0.10 MPa。試驗中灌水下限根據(jù)距離植株徑向 5 cm 埋深處的張力計確定(12型分體式張力計，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所)[17]。土壤基質(zhì)勢下限控制為(-30±5)kPa，按埋深20 cm處的土壤濕度監(jiān)測結(jié)果確定[18]。灌水量計算式為[19]

W=0.1AEPKP

(1)

式中W——每次灌水量，L

A——種植桶面積，m2

EP——2次灌水間隔蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量，mm

KP——作物-蒸發(fā)皿系數(shù)，W1時取0.8、W2時取1.0

其中0.1為單位換算系數(shù)。灌溉時間及灌溉水量見表2。

試驗中肥料采用水肥氣一體化的方式施入，本試驗所用肥料分別為尿素(N含量大于等于46%)、過磷酸鈣(P2O5，P含量大于等于16%)和水溶性硫酸鉀(K2O含量大于等于52%)。其中磷肥和鉀肥全部基施，且施入量相同。氮肥的施入采用全生育期分施的方式，分別于移植后24、37、44、53、63、72、85 d進(jìn)行7次施氮處理，施氮的比例為2∶3∶2∶2∶3∶2∶1，施氮量為300 kg/hm2。辣椒全生育期共107 d，生育期劃分見表3。

表2 生育期內(nèi)灌水量Tab.2 Irrigation volume during crop growing season

表3 辣椒生育期Tab.3 Pepper growth period

1.3 試驗取樣及測定方法

1.3.1根系指標(biāo)測定

生育期結(jié)束后以辣椒莖稈為中心，盡可能完整地取出根系，裝入網(wǎng)格直徑為0.5 mm的網(wǎng)袋，在實驗室用水浸泡后，用水沖洗使土壤與根分離。根系洗凈后，用吸水紙吸干根系表面水分，稱取鮮質(zhì)量后使用掃描儀(Epson Expression 1600 pro型)將根系掃描成灰階TIF圖，掃描時為了使根系的分枝不互相纏繞，將辣椒根系整理好放入透明的托盤內(nèi)。將獲取的TIF圖用WinRHIZO Pro圖像處理系統(tǒng)分析，獲取根系有效根表面積(cm2)、有效根體積(cm3)、根長(cm)等指標(biāo)。

1.3.2品質(zhì)指標(biāo)測定

收獲時進(jìn)行果實樣品采集，每個處理隨機選取3株植株，并編號標(biāo)記。每株選取成熟度一致的3顆果實混合打成勻漿用于品質(zhì)測定。果實的可溶性固形物(可溶性糖(BRIX)和有機酸(ACID))含量用手持測糖儀(PAL-1型，愛拓公司，日本)測定，可溶性蛋白含量用Brandford法測定。

糖酸比(Sugar-acid ratio，SAT)計算式為

SAT=BRIX/ACID

(2)

式中BRIX——辣椒可溶性糖含量，%

ACID——辣椒有機酸含量，%

1.3.3辣椒株高、產(chǎn)量和IWUE

每個處理分別選擇3株長勢均勻的植株利用卷尺每10 d測其株高。選用精度0.01 g電子天平稱量，以株為單位統(tǒng)計果實數(shù)量，生育期末結(jié)束采摘后累計單株全生育期產(chǎn)量。其中灌溉水利用效率(IWUE)計算公式為

IWUE=10Y/I

(3)

式中IWUE——灌溉水利用效率，kg/m3

Y——單株產(chǎn)量，kg/hm2

I——辣椒整個生育期內(nèi)單株總灌水量，mm

1.3.4辣椒氮素吸收量

生育期結(jié)束后，選取長勢均勻的3株辣椒，將根、莖、葉、果分開，于干燥箱105℃殺青30 min，然后將干燥箱調(diào)至75℃干燥至質(zhì)量恒定，樣品再由粉碎機粉碎后過0.25 mm篩，利用凱氏定氮儀(K9840型，海能未來技術(shù)集團(tuán)股份有限公司)測定植株全氮含量。

1.3.5統(tǒng)計分析

利用Excel 2013對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，SPSS 22.0進(jìn)行交互作用方差分析和主成分分析，利用SPSS 22.0的鄧肯新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗，Pearson法進(jìn)行相關(guān)分析(P<0.05)，使用Origin Pro 2022和AutoCAD 2007繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 加氣灌溉對辣椒根系形態(tài)的影響

圖3為各處理根系TIF圖，從圖中可以看出，加氣灌溉對根系形態(tài)影響顯著，根系較發(fā)達(dá)，具有較高的根密度，增加了根系與土壤的接觸點，有利于從土壤中吸收水分和養(yǎng)分。與對照相比，側(cè)根數(shù)、根體積、根表面積、根分叉數(shù)都顯著增大。且灌水量和加氣量均對辣椒根系形態(tài)有顯著性影響(圖3、表4)，灌水量W1處理均顯著高于灌水量W2處理，處理AW1比AW2根干質(zhì)量、總根長、根體積和根表面積分別增加12.23%、11.60%、21.22%和16.64%(P<0.05)，因此適度減少灌水量有助于根系的生長。處理AW1較處理CW1、OW1根干質(zhì)量分別增加13.63%、8.16%，處理AW2較CW2、OW2分別增加10.16%、8.17%(P<0.05)；處理AW2、OW2較處理CW2辣椒總根長分別增加26.22%、14.19%，AW1較OW1增加11.09%(P<0.05)，說明根系生長不會隨著加氣量的增加而一直增加；AW1、OW1較CW1辣椒根體積分別顯著增加59.47%、62.67%，AW2較CW2、OW2分別增加82.87%、27.37%(P<0.05)；AW2、OW2較CW2根表面積分別顯著增加51.57%、16.56%，AW2較OW2顯著增加30.03%，AW1較CW1、OW1分別顯著增加61.67%、53.19%(P<0.05)；處理AW2、OW2比處理CW2根冠比分別顯著降低64.37%、37.02%，AW2較OW2顯著降低37.02%，AW1較CW1、OW1分別顯著降低15.37%、17.41%(P<0.05)。

圖3 不同加氣量處理根系TIF圖Fig.3 TIF diagram of roots under different aeration treatments

由交互作用分析可知(表4)，單因素下，加氣量與根干質(zhì)量、根體積、根表面積和根冠比均極顯著正相關(guān)(P<0.01)，灌水量與根干質(zhì)量、總根長、根體積和根冠比極顯著正相關(guān)(P<0.01)；兩因素互作下，加氣量和灌水量對根冠比有極顯著影響(P<0.01)，對總根長、根體積均有顯著影響(P<0.05)。綜上，灌水量W1、溶解氧質(zhì)量濃度A的組合處理對辣椒根系生長具有顯著促進(jìn)作用。

2.2 加氣灌溉對株高的影響

加氣灌溉各處理辣椒株高動態(tài)變化如圖4所示。分析發(fā)現(xiàn)，辣椒株高隨定植時間的增加而增加，到成熟期增長緩慢趨于平緩。生育期內(nèi)處理CW1、AW1、OW1和CW2、AW2、OW2的株高均值分別為38.45、43.44、42.29 cm和37.08、41.46、40.52 cm。移栽后第65天，加氣低水處理與對照相比，辣椒株高差異最顯著，W1水平下處理AW1和OW1的株高較CW1增加16.72%和15.10%；移栽后第75天，加氣高水處理較對照處理辣椒株高差異最顯著，W2水平下處理AW2和OW2的株高較CW2增加17.88%和15.85%(P<0.05)。本研究中，不同灌水量對辣椒株高在定植后35～85 d差異最顯著(P<0.05)，因為此時期正處于辣椒開花坐果期和果實膨大期，屬于營養(yǎng)生長期，加氣灌溉通過提高根系的呼吸和代謝，增強了根系對水分及養(yǎng)分的吸收能力，滿足了地上部對營養(yǎng)物質(zhì)的需求，促進(jìn)了株高的生長，故差異性顯著。

表4 不同加氣灌溉處理辣椒根系指標(biāo)Tab.4 Root indexes of different aerated irrigation treatments

圖4 加氣灌溉各處理辣椒株高動態(tài)變化曲線Fig.4 Dynamic change curves of pepper plant height in each treatment with aerated irrigation

2.3 加氣灌溉對辣椒產(chǎn)量、水分利用效率和辣椒品質(zhì)的影響

加氣灌溉顯著提高辣椒產(chǎn)量(表5)。隨著加氣量的增加，產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，W1水平下，處理AW1產(chǎn)量最高，為6.78 t/hm2。處理AW1產(chǎn)量較OW1和CW1增大39.04%和42.89%。處理AW1產(chǎn)量較AW2增加30.80%(P<0.05)。與CW1和OW1相比，處理AW1的灌溉水利用效率分別提高42.89%和39.04%，處理AW1較AW2灌溉水利用效率提高63.63%。

處理AW1的BRIX、可溶性蛋白含量及SAT均最大，CW2處理的ACID含量最大。隨加氣量增加，處理AW1的BRIX含量較OW1和CW1分別增大20.24%和29.49%(P<0.05)，隨著灌水量的增加，辣椒BRIX和可溶性蛋白含量均有所降低，ACID含量有所增加。處理AW1較OW1和CW1的ACID含量分別降低35.15%和22.50%， 處理AW1的ACID含量較AW2降低17.11%(P<0.05)；處理AW1和OW1可溶性蛋白含量較CW1分別增大75.24%和62.03%，處理AW1可溶性蛋白含量較AW2增大26.44%(P<0.05)。處理AW1 SAT較OW1和CW1分別增大86.21%和68.10%, 處理AW1 SAT較AW2增大30.43%(P<0.05)。

表5 不同加氣灌溉處理辣椒產(chǎn)量、水分利用效率和辣椒品質(zhì)Tab.5 Different aerated irrigation treatments for pepper yield, water use efficiency and pepper quality

由交互作用分析可知，單因素下，加氣量與產(chǎn)量、IWUE、BRIX含量、ACID含量、可溶性蛋白含量和SAT均極顯著正相關(guān)(P<0.01)，灌水量與產(chǎn)量、IWUE、BRIX含量和可溶性蛋白含量極顯著正相關(guān)(P<0.01)；兩因素互作下，加氣量和灌水量對產(chǎn)量、IWUE、ACID含量和SAT影響極顯著(P<0.01)，對可溶性蛋白含量影響顯著(P<0.05)。

2.4 加氣灌溉對辣椒氮素吸收的影響

由圖5(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05))可見，低水量處理可以顯著增加辣椒氮素吸收量，隨著加氣量的增加，辣椒氮素吸收量先增加后減少，較對照處理均顯著增加，加氣處理下辣椒果實和葉片的氮素吸收量較對照均顯著增加，這表明加氣促進(jìn)了氮素在辣椒果實及葉片中的分配，葉面積增加，光合作用增強，從而提高辣椒產(chǎn)量。其中處理AW1氮素吸收量最大，為979.47 kg/hm2，較處理CW1增加44.61%，較AW2增加24.06%(P<0.05)。處理AW2較OW2、CW2氮素吸收量分別增加32.74%和66.56%(P<0.05)。結(jié)果表明加氣低水量處理可以顯著增加辣椒氮素吸收量，且根部加氣可以緩解高灌水量下的辣椒根區(qū)低氧脅迫，促進(jìn)辣椒氮素吸收。

圖5 加氣灌溉各處理氮素吸收量Fig.5 Nitrogen uptake of each treatment for aerated irrigation

2.5 辣椒產(chǎn)量、品質(zhì)指標(biāo)、IWUE及根系特征間的相關(guān)分析

辣椒產(chǎn)量、品質(zhì)指標(biāo)、IWUE及根系特征指標(biāo)共存在40對顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系(表6)。其中，產(chǎn)量與BRIX含量、可溶性蛋白含量間存在極顯著相關(guān)，與根冠比和IWUE呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，這說明在加氣灌溉下，根系形態(tài)得到有效的提高，增大了根系與土壤的接觸面積，從而增加了植株對土壤中水分和養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而產(chǎn)量得到提高。BRIX含量與可溶性蛋白含量、糖酸比(SAT)和根系特征指標(biāo)(除根冠比外)呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)。ACID含量與SAT、總根長和根表面積呈顯著負(fù)相關(guān)?？扇苄缘鞍缀颗cSAT、根干質(zhì)量、根體積和根表面積呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，與根冠比呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。SAT與總根長和根表面積呈極顯著正相關(guān)。根干質(zhì)量與總根長、根體積、根表面積呈極顯著正相關(guān)，與根冠比和IWUE呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明隨著灌水量的增加，對根系生長會起到一定的抑制作用，不利于作物品質(zhì)的提升?？偢L和根體積與根表面積均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。根冠比與產(chǎn)量、BRIX含量、可溶性蛋白含量、根干質(zhì)量、總根長、根體積和根表面積呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與SAT呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

表6 辣椒產(chǎn)量、IWUE、品質(zhì)及根系特征間的相關(guān)分析Tab.6 Correlation analysis among pepper yield, IWUE, quality and root characteristics

2.6 基于產(chǎn)量、IWUE、品質(zhì)和根系形態(tài)的加氣灌溉處理綜合評價

由于辣椒產(chǎn)量、IWUE、果實品質(zhì)指標(biāo)以及根系形態(tài)之間存在顯著相關(guān)性，且單獨的任何一項指標(biāo)并不能全面地評判其性能，直接進(jìn)行綜合評價又會產(chǎn)生信息重復(fù)，故需對辣椒各項指標(biāo)在損失很少信息的前提下轉(zhuǎn)換為多個綜合指標(biāo)進(jìn)行綜合分析及評價。

經(jīng)過主成分分析，提取出特征值大于1的3個主成分，累計方差貢獻(xiàn)率為93.40%，因子荷載和方差貢獻(xiàn)率如表7所示。其中，主成分1方差貢獻(xiàn)率為65.74%，主要與產(chǎn)量、BRIX含量、SAT、根干質(zhì)量、總根長、根體積和根表面積呈正相關(guān)，而且因素間呈正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)大于0.7，其貢獻(xiàn)率由大到小依次為根表面積、BRIX含量、產(chǎn)量、總根長、 SAT、根干質(zhì)量、根體積，表明主成分1綜合得分z1隨著產(chǎn)量、BRIX含量、SAT、根干質(zhì)量、總根長、根體積或根表面積增加而增加。主成分2方差貢獻(xiàn)率為17.51%，主要受到根體積和ACID含量的正影響，SAT和IWUE的負(fù)影響，因此主成分2綜合得分z2隨著根體積和ACID含量增加而增加，隨著SAT和IWUE增加而減少。主成分3方差貢獻(xiàn)率為10.15%，主要受IWUE的正影響，因此主成分3綜合得分z3隨著IWUE增加而增加。

表7 主成分因子荷載和方差貢獻(xiàn)率Tab.7 Principal component factor load and variance contribution rate

結(jié)合3個主成分的方差貢獻(xiàn)率，可得到基于產(chǎn)量、IWUE、品質(zhì)及根系指標(biāo)的各處理綜合評價線性函數(shù)為

z=0.657 4z1+0.175 1z2+0.101 5z3

(4)

式中z——各處理綜合得分

首先將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以消除量綱的影響。然后代入式(4)，即可得到各處理的綜合得分和排名(表7、8)。排名前三的均為加氣灌溉處理，且處理AW1綜合排名是第1位，綜合得分為3.18，z1和z2最高，即產(chǎn)量、品質(zhì)(BRIX含量和SAT)和根系生長指標(biāo)(根干質(zhì)量、總根長、根體積和根表面積)具有最高值(表4、5)。排名第2位的是處理AW2，綜合得分為1.05，因為它的z1和z3較高，即ACID具有最高值(表5)。灌水量增加和加氣量的增加，均會降低處理的綜合排名。

表8 基于辣椒產(chǎn)量、IWUE、品質(zhì)及根系形態(tài)的 各處理綜合得分Tab.8 Comprehensive score of each treatment based on yield, IWUE, quality and root morphology

3 討論

根系是作物與外界環(huán)境營養(yǎng)物質(zhì)傳輸?shù)拿浇?，土壤中水分、養(yǎng)分、溫度等因素均可以直接影響根系生長與分布，從而影響地上部器官的生長發(fā)育和形態(tài)的組成，最終影響作物產(chǎn)量[20]。在本研究中，加氣灌溉辣椒根系形態(tài)較對照均有所增加(除根冠比外)，其中加氣對辣椒根表面積影響最為顯著(表4)，較對照處理顯著增加61.67%(P<0.01)，這是因為通過在灌溉水中增加氧氣，改善根區(qū)土壤通氣性，減緩根區(qū)低氧脅迫[21]，根表面積增大，使根系在土壤中的擴展程度與根吸收養(yǎng)分的范圍得到了增加[22]，從而促進(jìn)根區(qū)土壤水分和養(yǎng)分通過根系向地上部分輸送營養(yǎng)[23-24]，作物生長，地上部植株鮮質(zhì)量增加，進(jìn)而提高果實產(chǎn)量和水分利用效率，提升辣椒品質(zhì)。前人研究亦發(fā)現(xiàn)加氣可以改善根區(qū)土壤低氧環(huán)境，提高作物根長、根系活力[12]、根體積及根尖數(shù)，其中總根長和根表面積與對照相比分別增加34.76%～82.12%、33.78%～63.14%，根叉數(shù)和表面積的增加，提高了土壤中吸收養(yǎng)分的面積[25]。本研究通過Pearson相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)(表6)，根系總長度和根系表面積及總干質(zhì)量有極顯著正相關(guān)關(guān)系，與根系總體積有顯著正相關(guān)關(guān)系。說明土壤根區(qū)加氣為根系有氧呼吸提供了更多的氧氣，使根系長度增加，且增加了根系的表面積和體積，根系生長狀況的改善間接影響整個植株的干物質(zhì)積累，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，這一結(jié)論與前人研究結(jié)論一致[26]。

作物的產(chǎn)量和品質(zhì)是衡量作物效益的重要指標(biāo)，果實品質(zhì)也決定著其市場價值，而水分作為果蔬品質(zhì)形成的重要媒介，可調(diào)整光合產(chǎn)物在營養(yǎng)器官和生殖器官間的分配比例，降低葉面積指數(shù)，改善內(nèi)部同化產(chǎn)物的運輸和分配，從而改善果蔬品質(zhì)[27]。本研究表明，低水量加氣灌溉增加辣椒產(chǎn)量和IWUE，同時也提升辣椒品質(zhì)。這與LI等[28]的研究發(fā)現(xiàn)加氣灌溉使得溫室番茄果實中的番茄紅素含量、維生素C含量、糖酸比分別顯著增加2%、41%和43%相一致。這是因為當(dāng)土壤中水氣比達(dá)到最佳平衡時，作物對養(yǎng)分及水分的吸收才會達(dá)到最優(yōu)，加氣灌溉向土壤中輸送富含微型氣泡的水氣混合物，在調(diào)節(jié)土壤中水氣比的同時，增大了土壤中的氧氣含量，增加了土壤微生物的豐度和根系呼吸[29]，改善土壤微環(huán)境[30]，作物根系活力得到了顯著提高[24]，促進(jìn)根系的吸水能力和養(yǎng)分吸收，改變氮素在作物器官的分配比例。因此加氣灌溉能夠促進(jìn)根系生長，增強養(yǎng)分吸收，進(jìn)而影響植株地上部的生長[31]，葉片光合作用增強，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[32-33]。

本試驗通過采用主成分分析對6個處理進(jìn)行綜合排名，加氣灌溉的3個處理均排名靠前。由此可知加氣灌溉對提高辣椒產(chǎn)量、灌溉水利用效率、根系形態(tài)及果實品質(zhì)起到了顯著性作用。綜合得分第1位和第2位分別為處理AW1和AW2，主要受產(chǎn)量、BRIX含量、SAT、根干質(zhì)量、總根長、根體積、根表面積的正影響，且7個因子間極顯著正相關(guān)，可以得出，W1灌水水平加氣處理可有效提高辣椒灌溉水利用效率，促進(jìn)根系生長，根表面積增加，根的吸收能力增強，地上部器官對水分和養(yǎng)分的吸收增加，辣椒果實品質(zhì)得到改善。過高的灌水可能導(dǎo)致作物隨意生長，或者根區(qū)水分過多造成低氧脅迫，反而抑制根區(qū)將土壤中的水分及養(yǎng)分傳輸，導(dǎo)致減產(chǎn)及果實品質(zhì)下降，但本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高水量下加氣可以通過增大土壤中的水氧含量，減緩根區(qū)低氧脅迫，提高產(chǎn)量和水分利用率。但是隨著加氣量的增大，作物的產(chǎn)量、灌溉水利用效率、根系形態(tài)指標(biāo)及果實品質(zhì)指標(biāo)均相應(yīng)減少，原因可能是加氣量為15 mg/L時已經(jīng)解除了低氧脅迫，達(dá)到辣椒根區(qū)生長適宜的氧氣含量，相反溶氧量過高造成氣蝕使土壤中的酶活性及土壤微生物豐度增加，促進(jìn)了溫室氣體的排放，對辣椒根系產(chǎn)生傷害[34]，造成氮素的損失[35]，抑制作物生長[36]。

4 結(jié)論

(1)加氣灌溉可以顯著提高辣椒根干質(zhì)量、根體積、根表面積、BRIX含量、可溶性蛋白含量、SAT、產(chǎn)量和IWUE，且在加氣量15 mg/L 、0.8倍作物-蒸發(fā)皿系數(shù)的條件下最優(yōu)，較對照處理分別顯著增加13.63%、59.47%、61.67%、29.49%、75.24%、68.10%、42.89%和42.89%(P<0.05)。

(2)加氣灌溉可以減緩高灌水量下的根區(qū)低氧脅迫，提高根系形態(tài)，基于相關(guān)分析和主成分分析，綜合考慮根系形態(tài)、產(chǎn)量、IWUE及果實品質(zhì)，根系形態(tài)對作物產(chǎn)量及品質(zhì)具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，根系形態(tài)在加氣灌溉下對辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)有顯著促進(jìn)作用。加氣量為15 mg/L、灌水量為0.8倍作物-蒸發(fā)皿系數(shù)時可兼顧提質(zhì)、增產(chǎn)、節(jié)水需求。