溫室番茄循環(huán)曝氣地下滴灌土壤水分動(dòng)態(tài)及耗水特性

唐志瀚，王猛猛，張鵬，曾健，鄧云鵬，張倩*

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271018； 2. 山東臨沂水利工程總公司, 山東 臨沂 276000)

地下滴灌在滿足作物水分、養(yǎng)分利用效率要求方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[1-2].循環(huán)曝氣地下滴灌是利用循環(huán)曝氣裝置在水中溶解一定比例的氧氣，氧氣以微小氣泡的形式存在于水中，水氣混合達(dá)到一定溶氧值，通過地下滴灌輸送至植物體根部，從而緩解由于灌水帶來(lái)的植物體根部低氧脅迫癥狀[3].

相比地下滴灌，循環(huán)曝氣地下滴灌可以促進(jìn)植物體根部對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，增加作物干物質(zhì)積累，最終達(dá)到提高作物產(chǎn)量、提升水分利用效率的目的.孫周平等[4]研究發(fā)現(xiàn)根際通氣有利于植物體對(duì)水分養(yǎng)分的吸收，提高馬鈴薯地下塊莖的產(chǎn)量；黃清榮等[5]在根部供氧對(duì)棉花幼苗離子吸收的研究中發(fā)現(xiàn)，根部通氣增加了根系和葉片對(duì)K+的吸收和積累；陳紅波等[6]通過黃瓜根際通氣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)改善根際通氣環(huán)境可以促進(jìn)根系對(duì)養(yǎng)分水分的吸收；PENDERGAST等[7]研究表明加氣灌溉促進(jìn)鷹嘴豆根系生長(zhǎng)并增強(qiáng)養(yǎng)分吸收；李元[8]認(rèn)為土壤加氣改善了根系生長(zhǎng)狀況，間接影響到整個(gè)植株的干物質(zhì)積累；臧明等[9]研究發(fā)現(xiàn)增氧地下滴灌促進(jìn)了番茄生物量的積累和養(yǎng)分吸收利用；雷宏軍等[10]在對(duì)溫室番茄曝氣滴灌試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)曝氣處理促進(jìn)根系生長(zhǎng)，并且番茄的產(chǎn)量和水分利用效率有顯著提升.

關(guān)于加氣灌溉的很多研究結(jié)果都表明，加氣灌溉下作物的產(chǎn)量和水分利用效率都有一定的提升，但當(dāng)前針對(duì)曝氣滴灌條件下番茄作物的耗水特性及規(guī)律的研究成果較少.目前，番茄需、耗水量的研究工作主要在普通滴灌灌水方式或不同灌水量對(duì)溫室番茄需耗水規(guī)律的影響等方面.因此，文中以溫室番茄為研究對(duì)象，研究循環(huán)曝氣地下滴灌對(duì)溫室番茄耗水特性以及水分利用效率的影響，為曝氣滴灌提高水分利用效率提供科學(xué)依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2020年9月—2021年1月在山東省壽光市魯盛農(nóng)業(yè)研發(fā)中心(118°67′E，36°96′N)日光溫室內(nèi)進(jìn)行，溫室長(zhǎng)97 m，寬10 m.供試土壤為砂性土壤，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的質(zhì)量比分別為266，340，960 mg/kg；EC為1.40 mS/cm.土壤平均干容重為1.36 g/cm3，田間持水率為29%.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及田間布置

供試番茄品種為“草莓番茄9051”，溫室內(nèi)穴盤育苗，20 d秧齡時(shí)移栽定植，幼苗定植后20 d覆膜，定植日期為2020-09-03.每個(gè)栽培小區(qū)長(zhǎng)8.5 m，寬0.8 m.番茄行距為60 cm，株距為30 cm，每個(gè)小區(qū)2行共46株作物.供水方式為地下滴灌，每行作物下鋪設(shè)一條滴灌帶，滴頭間距為30 cm.采用雷宏軍等[11]發(fā)明的循環(huán)曝氣裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)作物的水肥氣一體化灌溉.

試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，滴灌帶埋深h設(shè)3個(gè)梯度15，25，35 cm(分別以D15，D25，D35表示)；曝氣水平設(shè)4個(gè)梯度：不曝氣、高曝氣量(溶氧值30 mg/L)、中曝氣量(溶氧值20 mg/L)、低曝氣量(溶氧值10 mg/L)(分別以A0—A3表示)；灌水量I分別按蒸發(fā)皿系數(shù)KP為0.50,0.75,1.00(分別以I1，I2，I3表示)進(jìn)行計(jì)算.表1為試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，共計(jì)12個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù).

各處理安裝有IC卡智能水表，灌水量根據(jù)放置在番茄冠層的蒸發(fā)皿(ADM7A型)蒸發(fā)量計(jì)算.灌水量計(jì)算公式為

W=A·ETC=AEPKP，

(1)

式中：W為各處理每次的灌水量，L；A為小區(qū)控制面積，6.8 m2；EP為1個(gè)灌水周期內(nèi)蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量，mm；KP為蒸發(fā)皿系數(shù)，處理I1，I2，I3時(shí)分別取0.50，0.75和1.00，ETC為蒸發(fā)蒸騰量.

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤含水率的測(cè)定

為實(shí)現(xiàn)田間尺度下土壤含水率實(shí)時(shí)、精確、連續(xù)的動(dòng)態(tài)原位測(cè)定，應(yīng)用基于主動(dòng)加熱式光纖的分布式溫度傳感(distributed temperature sensing)技術(shù)進(jìn)行土壤含水率測(cè)量，利用最大升溫值ΔTmax、累積升溫值ΔTcum與土壤體積含水率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)推求體積含水率.其測(cè)溫原理：光纖被加熱后，土壤體積含水率越小則ΔTcum越大.根據(jù)這個(gè)規(guī)律，ΔTcum可以用于推求體積含水率[12].ΔTcum計(jì)算公式為

(2)

式中：ΔTi為第i個(gè)時(shí)刻的升溫值；te為停止加熱的時(shí)間.

根據(jù)ΔTcum與體積含水率θ的標(biāo)定關(guān)系即可推求體積含水率.

分布式溫度傳感光纖布置于番茄種植行的豎直平面內(nèi)，自土壤表層分別向下10，20，30和50 cm土層內(nèi)埋設(shè)分布式光纖，于每日6：00，12：00，18：00和24：00分別測(cè)量1次土壤體積含水率.

1.3.2 溫室番茄耗水量的測(cè)定

番茄耗水根據(jù)生育期水量平衡方程計(jì)算式為

ET=I+U-D+(W0-Wt),

(3)

式中：ET為番茄耗水量，mm；I為灌水量，mm；U為地下水補(bǔ)給量，mm；D為深層滲漏量，mm；W0，Wt分別為時(shí)段初和時(shí)段末的土壤儲(chǔ)水量，mm.由于試驗(yàn)地地下水位較深，U=0；地下滴灌灌水量較小，D=0.

1.3.3 水分利用效率

水分利用效率計(jì)算公式為

WUE=Y/ET，

(4)

式中：WUE為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為番茄產(chǎn)量，kg/hm2；ET為作物生育期耗水量，mm.

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 24.0軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)、方差分析，Origin 9.1軟件進(jìn)行圖表繪制.

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄生育期土壤含水量

滴灌帶不同埋深條件的地下滴灌番茄在相應(yīng)的曝氣及灌溉處理下，10，20，30，50 cm土層土壤體積含水率變化曲線如圖1所示.土壤體積含水率最高出現(xiàn)在處理D15A2I3的10 cm土層處，為41.2%;灌水后滴灌帶處土壤體積含水率較周圍高12%以上.

圖1a為15 cm滴灌帶埋深各處理土壤體積含水率變化曲線.10,20 cm土層土壤含水率在灌水后有明顯變化，且中、高灌水處理變化幅度較大.與中、低灌水處理相比，高灌水處理在10～20 cm土層平均土壤體積含水率提高了6%～10%.除(ⅰ)不曝氣處理的平均土壤含水率20 cm土層最高外，其余曝氣處理平均土壤含水率均為30 cm土層最高.15 cm滴灌帶埋深條件下，50 cm土層土壤含水率基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，只在高灌水處理?xiàng)l件下變化較為明顯.

圖1b為25 cm滴灌帶埋深各處理土壤體積含水率變化曲線.與15 cm埋深相比，各處理的各土層土壤平均含水率在25 cm埋深下隨著灌水都有一定的變化.各處理平均含水率在30 cm土層處最高.20～30 cm土層土壤平均含水率在中灌水量條件下最高，10～30 cm土層土壤平均含水率在高灌水條件下最高.相同灌水量條件下，曝氣處理(ⅳ)與不曝氣處理(ⅰ)相比，曝氣處理各土層平均土壤含水率分布更為均勻：30 cm土層處，兩者平均含水率相差不大，但20和50 cm土層處，曝氣處理土壤平均含水率明顯大于不曝氣處理，相差分別為8%和3%.

圖1c為35 cm滴灌帶埋深各處理土壤體積含水率變化曲線.10 cm土層處平均土壤含水率為所有埋深處理的最低水平.平均土壤含水率在30 cm土層處最高.高灌水量條件下，20與50 cm土層處平均土壤含水率相差不大，中、低灌水量條件下，50 cm土層處平均土壤含水率分別較20 cm土層高4%和7%.同為高灌水量處理，曝氣處理(ⅳ)較不曝氣處理(ⅰ)，20和50 cm土層處土壤平均含水率分別高3%和5%.

圖1 滴灌帶不同埋深時(shí)的土壤體積含水率

2.2 番茄耗水量

圖2為各處理番茄生育期耗水量.15和25 cm滴灌帶埋深下，番茄耗水量隨灌溉水量增加呈遞增趨勢(shì)，相同灌水量條件下，曝氣處理番茄耗水量顯著高于不曝氣處理.處理D15A2I3番茄生育期內(nèi)耗水量最高，且顯著高于15 cm滴灌埋深下其他處理.25 cm滴灌埋深下，曝氣處理番茄耗水量均大于不曝氣處理，且隨著曝氣水平上升，番茄耗水量呈下降趨勢(shì).35 cm滴灌埋深下，高灌水量處理作物耗水量最高，相同灌水條件下曝氣處理與不曝氣處理作物耗水量相差不大.

圖2 各處理番茄生育期耗水量

番茄作物耗水量整個(gè)生育期內(nèi)呈先增大后減小的趨勢(shì)，苗期番茄耗水量較低，開花坐果期和果實(shí)膨大期番茄耗水量逐漸增大，成熟期番茄耗水量逐漸減少.

2.3 番茄產(chǎn)量與水分利用效率

番茄產(chǎn)量和水分利用效率見表2.由表可知，相同灌水量條件下，相比不曝氣處理，曝氣處理番茄產(chǎn)量平均提高10%，處理D15A1I2的產(chǎn)量達(dá)到最大.15 cm滴灌埋深下，番茄產(chǎn)量隨曝氣程度增大而增大.25 cm滴灌埋深下，中曝氣、低水處理D25A2I1的番茄產(chǎn)量最高，且較其他25 cm滴灌埋深處理差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.35 cm滴灌埋深下，番茄產(chǎn)量隨灌水量增大呈遞增趨勢(shì).3種滴灌埋深條件下，35 cm滴灌埋深下番茄產(chǎn)量最低，15和25 cm滴灌埋深條件分別較35 cm滴灌埋深番茄產(chǎn)量提高19.5%和22.2%.

表2 番茄產(chǎn)量和水分利用效率

番茄水分利用效率(WUE)隨滴灌帶埋深增加呈下降趨勢(shì)，15 cm滴灌埋深下平均WUE達(dá)到最高，35 cm滴灌埋深下平均WUE最低，且35 cm滴灌埋深下各處理WUE差異不大.15 cm滴灌埋深下高曝氣處理WUE達(dá)到最高，25 cm滴灌埋深下中曝氣處理WUE達(dá)到最高.滴灌帶埋深15 cm較25和35 cm曝氣處理WUE分別提高2.7%和34.2%.

單因素條件下曝氣對(duì)番茄產(chǎn)量及水分利用效率的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，滴灌帶埋深對(duì)番茄產(chǎn)量的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，對(duì)水分利用效率的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)，灌水量對(duì)番茄產(chǎn)量和水分利用效率均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).兩因素交互作用下，曝氣水平和灌水量交互作用對(duì)番茄產(chǎn)量影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，滴灌帶埋深和曝氣水平交互作用對(duì)水分利用效率影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，對(duì)番茄產(chǎn)量的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)，滴灌帶埋深和灌水量交互作用對(duì)番茄產(chǎn)量的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，灌水量與滴灌帶埋深、灌水量與曝氣水平交互作用分別對(duì)番茄水分利用效率的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01).

3 討 論

土壤水分是影響作物產(chǎn)量的重要因素，滴灌帶埋深是影響土壤水分分布的重要因素，從土壤含水率的角度出發(fā)，滴灌帶埋深過深或過淺都不利于作物對(duì)水分的吸收.牛文全等[13]通過室內(nèi)土箱模擬試驗(yàn)，認(rèn)為微潤(rùn)帶最適埋深應(yīng)為15～20 cm.

大量研究成果表明，曝氣地下滴灌能夠提高作物產(chǎn)量[14]，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致.文中在相同變量條件下，各曝氣處理與不曝氣處理產(chǎn)量差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，處理D15A1I2的番茄產(chǎn)量最高.本研究從產(chǎn)量和水分利用效率的角度出發(fā)，綜合曝氣量、灌水量等因素，得出15 cm滴灌帶埋深是獲得番茄最高產(chǎn)量的適宜埋深.

曝氣滴灌對(duì)土壤水分的分布有一定的影響，相比不曝氣處理，曝氣處理滴灌帶附近土壤含水率更高.一般認(rèn)為，曝氣滴灌可以促進(jìn)植物體根部對(duì)水分的吸收，從而影響土壤含水率.而楊海軍等[15]通過土壤原位掃描試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)加氣水滴灌會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)，水、氣等土壤環(huán)境的變化是土壤結(jié)構(gòu)變化的結(jié)果.綜合考慮，曝氣滴灌既可以改變土壤結(jié)構(gòu)、改變水分在土壤孔隙中的運(yùn)動(dòng)，又能促進(jìn)植物體根部對(duì)水分的吸收，最終對(duì)土壤含水率產(chǎn)生影響.

番茄耗水量隨著灌水量增加呈增大趨勢(shì)，這與郭彬等[16]通過覆膜和水分控制研究對(duì)番茄產(chǎn)量影響的結(jié)論一致.同樣灌水量條件下，曝氣處理作物耗水量大于不曝氣處理，這是由于曝氣滴灌促進(jìn)了植物體根部對(duì)水分的吸收，根部多吸收的水分增強(qiáng)植株蒸騰作用以及植物體的新陳代謝，進(jìn)而再促進(jìn)根部吸收水分，最終使番茄耗水量明顯增加.按番茄生育期劃分，番茄苗期耗水量低，花期和果實(shí)膨大期耗水顯著升高，成熟期耗水降低，結(jié)果與郭占奎等[17]日光溫室西紅柿耗水規(guī)律研究結(jié)論一致.

試驗(yàn)處理對(duì)WUE的影響與產(chǎn)量影響規(guī)律相似，滴灌帶埋深15 cm、溶氧量30 mg/L、灌水量75%ET0時(shí)番茄WUE最高.相同灌水量條件下，曝氣處理可以顯著提升番茄WUE，這與SHAHEIN等[18]得到的加氣條件下水分利用效率高于普通地下滴灌的結(jié)論相一致.

4 結(jié) 論

1) 灌水后滴灌帶處土壤體積含水率較周圍土壤高12%以上，土壤含水率最高出現(xiàn)在處理D15A2I3的10 cm土層處，為41.2%.曝氣對(duì)土壤含水率同樣有一定的影響，相同灌水量條件下，灌水后曝氣處理滴灌帶周圍土壤體積含水率較不曝氣處理平均高5%左右.番茄作物耗水量整個(gè)生育期內(nèi)呈先增大后減小的趨勢(shì)，且曝氣處理有助于番茄對(duì)水分的吸收.

2) 15，25和35 cm滴灌帶埋深下，曝氣滴灌處理的番茄產(chǎn)量、WUE較不曝氣處理有顯著提升；15和25 cm較35 cm滴灌帶埋深曝氣處理產(chǎn)量分別提高19.5%和22.2%；15 cm較25和35 cm滴灌帶埋深曝氣處理WUE分別提高2.7%和34.2%.考慮產(chǎn)量及水分利用效率，綜合滴灌帶埋深、曝氣水平及灌水量等因素，處理D15A1I2的滴灌帶埋深15 cm、溶氧量30 mg/L，KP為0.75灌水量為溫室番茄曝氣滴灌條件下最適宜處理.