施氮和加气灌溉对黄瓜根区土壤环境及产量的影响.pdf

文章编号 1007 4929 2020 04 0027 06 施氮和加气灌溉对黄瓜根区土壤环境 及产量的影响 崔冰晶1 2 牛文全1 2 3 杜娅丹1 2 张 倩1 2 1 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室 陕西杨凌712100 2 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院 陕西杨凌712100 3 西北农林科技大学水土保持研究所 陕西杨凌712100 摘 要 为了揭示施氮和加气灌溉对根区土壤环境及黄瓜产量的影响 以期为加气灌溉条件下黄瓜合理施肥 土 壤环境改善和作物增产提供一定的理论基础与科学依据 本试验以黄瓜为供试作物 设置0 240 360 kg hm2 3个施 氮水平和加气 不加气两种灌水模式 共6个处理 结果表明 与不加气地下滴灌相比 加气灌溉下土壤O2含量提高 2 0 土壤温度和充气孔隙度略有增大 土壤呼吸显著提高了25 2 P 0 05 黄瓜的水分利用效率也有所提高 改 善了黄瓜根区土壤环境 此外 在施氮量为240 kg hm2时进行加气灌溉 为作物根区土壤提供了充足的氮肥供应和良 好的水气配合 使土壤中水 肥 气 热达到相对最优平衡状态 对黄瓜土壤呼吸 土壤温度以及水分利用效率的促进作 用更为明显 黄瓜产量达到72266 kg hm2 显著高于其他处理 P 0 05 关键词 加气灌溉 土壤环境 施氮 水分利用效率 黄瓜产量 中图分类号 S627 S652 S154 1 文献标识码 A Effects of Nitrogen Application and Aerated Irrigation on Soil Environment and Yield in Cucumber Root Area CUI Bing jing1 2 NIU W en quan1 2 3 DU Ya dan1 2 ZHANG Qian1 2 1 The Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid Areas Ministry of Education Yangling 712100 Shaanxi China 2 College of Water Resources and Architectural Engineering Northwest A F University Yangling 712100 Shaanxi China 3 Institute of Water and Soil Conservation Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources Yangling 712100 Shaanxi China Abstract In order to reveal the effects of the application of nitrogen and aerated irrigation on soil environment and cucumber yield in the root zone area so as to provide a theoretical basis and a scientific basis for reasonable fertilizer application of cucumber the improvement of soil environment and the increase of crop yield under aerated irrigation in this experiment cucumber was used as a test crop and 3 nitrogen application levels 0 240 360 kg hm2 and two irrigation modes aerated and unaerated were set with 6 treatments The results showed that compared with traditional subsurface drip irrigation the O2 content in the soil under aerated irrigation increased by 2 0 the soil temperature and aerated porosity slightly increased the soil respiration significantly increased by 25 2 P 0 05 the water use efficiency of cucumber also increased and the soil environment in the cucumber root area was improved In addition the aerated irrigation with N application rate of 240 kg hm2 provided sufficient nitrogen fertilizer supply and good water gas mixture for the soil in the root zone of crops made the water fertilizer gas and heat in the soil reach the relatively optimal equilibrium state and promoted the respiration soil temperature and water use efficiency of cucumber soil more obviously The cucumber yield reached 72 266 kg hm2 which was significantly higher than that of other treatments P 0 05 这可能是由于加入的是空气 并且氧气测量仪测定的表 层土壤在与大气不断地进行交换 11 加气处理的土壤温度在黄瓜生育期内均高于不加气处理 两者的表层土壤温度分别在19 9 25 0 和19 0 24 3 之间 变化 图2 在N0 N1 N2施氮水平下 加气处理分别增加了 3 3 6 4 和6 9 的平均土壤温度 且差异显著 P0 05 随着施氮水平的提高 加气对土壤充气孔隙度的影响 越来越小 在N0 N1和N2三个施氮水平下 加气灌溉处理土 壤充气孔隙度均值为27 49 27 66 和27 45 较不加气处 理分别提高了0 85 0 61 和 0 07 图3 不同加气施氮处理下土壤充气孔隙度的变化 Fig 3 The change of the soil air filled porosity under different treatments 92施氮和加气灌溉对黄瓜根区土壤环境及产量的影响 崔冰晶 牛文全 杜娅丹 等 2 3 施氮和加气灌溉对土壤呼吸速率的影响 黄瓜整个生育期内 在定植后第24 39和52 d分别追施氮 肥 各处理土壤呼吸出现三次峰值 分别在定植后第38 44和 58 d 图4 土壤呼吸速率在黄瓜生长前期 0 44 d 呈现上 升的趋势 之后有所下降 而黄瓜生长后期 44 78 d 呼吸峰值 的出现是由追施氮肥引起的 处理间分析可知 加气灌溉的土壤呼吸速率均高于不加气 处理 N2处理30d除外 加气灌溉下土壤呼吸均值较不加气 条件显著提高了25 2 P 0 05 且两者间的差异在黄瓜生育 前期较小 在生育中后期较大 图4 IN1 IN2 CKN1和CKN2 的土壤呼吸均值分别为503 19 407 53 395 58和331 69 mg m2 h 在黄瓜整个生育期 IN1处理的土壤呼吸始终最大 与IN2 CKN1和CKN2均存在显著性差异 P 0 05 图4 不同加气施氮处理下温室黄瓜地土壤呼吸速率 Fig 4 Soil respiration rate under different treatments in greenhouse cucumber cropping system 2 4 不同加气施氮处理下的黄瓜耗水量 WUE 干物 质及产量 对整个生育期作物耗水量 ET 和水分利用效率 NUE 分 析发现 表2 加气灌溉显著降低了ET P 0 05 黄瓜水分利 用效率WUE极显著提高 P 0 01 施氮量对WUE影响极显著 表2 不同加气 施氮处理对黄瓜产量 水分利用效率 和作物耗水的影响 Tab 2 Effects of nitrogen Application on yield WUE and ET of Cucumber under different aeration conditions 处理 作物耗水量 ET mm 水分利用效率 WUE kg m 3 干物质积 累量 g 株 1 产量 kg hm 2 I1N0 126 89e 40 18c 103 57b 51 747d I1N1 124 20f 58 19a 149 15a 72 266a I1N2 128 95d 55 91a 133 78ab 72 088a CKN0 175 19a 38 57c 101 23b 50 056e CKN1 164 33b 44 10bc 129 33ab 56 037c CKN2 153 17c 49 70b 132 02ab 60 806b F值 加气因素28 21 25 20 0 79ns 582 24 施氮因素0 69ns 32 99 6 43 566 83 I N 224 93 5 90 0 44ns 109 17 注 同列数据后不同字母表示差异显著性水平 小写字母为P 0 05 水平显著 和 分别代表P 0 05和P0 05 P 0 01 在N0 N1 N2施氮水平下 根区加气处理的ET分别 比未加气处理降低38 1 32 3 和18 8 WUE分别提高了 5 7 31 9 和12 5 在IN1处WUE最大 比未加气条件下 传统施氮处理CKN2提高17 08 加气和施氮两因素交互作 用对WUE有显著影响 P 0 05 对ET有极显著影响 P 0 01 加气灌溉处理的干物质积累量显著大于不加气处理 P 0 05 3个施氮处理下分别提高2 32 15 33 和1 33 表 1 黄瓜干物质积累量在IN1处最大 为149 15 g plant 加气 灌溉极显著提高了黄瓜产量 P 0 01 不同施氮条件下 加气 处理的黄瓜产量分别比未加气处理提高了3 38 28 96 和 18 55 随施氮量的增加 加气与未加气处理之间产量的差异 逐渐缩小 IN1处理的黄瓜产量最高 为72 266 kg hm2 分别 是IN2和CKN2处理的1 002和1 188倍 加气和施氮2因素 交互作用对黄瓜产量有极显著影响 P 0 01 3 讨 论 3 1 施氮和加气灌溉对根区土壤环境的影响 加气能够提高土壤氧气含量 朱艳等 11 研究表明 与对 照相比 加气灌溉根区土壤氧气含量增加了0 98 本研究也 得到了类似结果 加气条件下各施氮水平O2浓度均有提高 由于氧气测量仪测定的表层土壤和大气不断地进行交换 虽然 土壤氧气含量稍有提高 但却能改善根区的整体环境 土壤通 气性好坏主要决定于土壤的总孔隙度 特别是充气孔隙度的大 小 15 本研究中 相同施氮水平下充气孔隙度差异并不显著 加气灌溉下的土壤充气孔隙度略高于不加气处理 表明对于 土壤通气性确实有一定的改善作用 这与前人 11 16 的相关研究 结果一致 此外 加气灌溉显著增加了土壤温度 土壤呼吸均 值较不加气处理也显著增大了25 2 这与侯会静 17 陈慧 18 和BHATTARAI 19 等人的研究结果一致 土壤呼吸 土壤氧气含量 土壤水分和土壤温度等众多因 子共同构成土壤环境 它们之间的变化是相互影响的 20 土 壤呼吸是土壤与大气之间进行气体交换的主要途径 主要来自 作物根系的自养呼吸作用和土壤微生物的异养呼吸作用 21 研究表明 土壤温度 水分和通气状态是影响土壤呼吸的主要 因子 22 26 本试验中 加气灌溉提高了土壤O2含量和土壤充 气孔隙度 土壤中氧浓度的提高 使呼吸作用原料增多 进而 促进土壤呼吸作用 27 28 这是由于加气灌溉能够通过影响作 物根呼吸 微生物酶活性等 29 30 进而促进土壤呼吸 还有研 究表明 在有氧条件下 土壤呼吸过程中每消耗1 mol葡萄糖释 放出2 870 kJ的热量 31 土壤呼吸的加强会使土壤温度有所 升高 本研究表明加气灌溉通过改变土壤氧气含量 土壤充气 孔隙度 土壤温度和土壤呼吸 从而改善黄瓜根区土壤环境 对不同施氮水平分析发现 随着施氮量的提高 加气对土 壤氧含量的增加效应越来越明显 IN2处理的氧气含量始终最 高 表明作物根区加气灌溉在施氮条件下对提高土壤氧含量的 效果更好 在黄瓜整个生育期 IN1处理的土壤呼吸最大 植株 生长旺盛 此时受到施氮和加气的双重影响IN1的土壤充气孔 隙度也高于IN2 Wolf 32 指出当土壤中水 肥 气 热达到最优 平衡状态时 土壤生产力可达到最大 本试验中 由于施氮量 03施氮和加气灌溉对黄瓜根区土壤环境及产量的影响 崔冰晶 牛文全 杜娅丹 等 为240 kg hm2时进行加气灌溉保证了作物根区土壤充足的氮 肥供应和良好的水气配合条件 因此 N1施氮水平时加气灌溉 对土壤呼吸 土壤温度的促进作用更为明显 3 2 施氮和加气灌溉对黄瓜水分利用效率和产量的 影响 加气灌溉能显著提高黄瓜的水分利用效率 Abuarab等 33 在玉米灌溉试验中试验结果表明 相较于地下滴灌 加气灌溉 下的水分利用效率和灌溉水分利用效率均显著提高 本研究 中 加气灌溉减小了黄瓜的耗水量 因而水分利用效率较不加 气提高 这与李元等人 34 的结论一致 此外 加气灌溉和施氮 对WUE均有影响 两因素交互作用显著提高了黄瓜的水分利 用效率 这可能是由于加气灌溉条件下 土壤的通气性良好 适宜的孔隙度使土壤蓄持水能力增加 35 氮肥的施入促进植 株根系的生长 使根系对水分吸收的能力增强 土壤含水率略 有下降 土壤充气孔隙度提高 因此 在加气灌溉对土壤环境 的促进作用更为明显的N1处理下 黄瓜的水分利用效率显著 高于其他处理 加气灌溉能够提高作物的干物质和产量 Bhattarau 36 Du 37 和Li 38 等在番茄和玉米试验中得到加气灌溉产量高于 地下滴灌 地上部干物质量显著高于对照 本研究也得到了一 致结果 N1和N2处理下加气分别提高了干物质量15 33 和 1 33 产量提高了28 96 和18 55 在加气灌溉条件下 较 高的施氮量并没有得到更高的产量 表明过量施氮可能会抑制 黄瓜干物质积累量 主要原因可能是加气灌溉减轻了根区的 缺氧状况 在灌水的同时更有利于根系呼吸 36 微生物的生物 活动也更加旺盛 加速了其对有机质的分解 促进了氨的挥发 抑制铵态氮的吸收利用 39 削弱了氮素对作物生长的促进作 用 因此 在IN1处理处 根区土壤得到了充足的氮肥供应和 良好的水气配合 形成了一个良性的土壤 作物与大气的连续 系统 从而促进了作物生长 使黄瓜产量达到最高 72 266 kg hm2 分别是IN2和CKN2处理的1 002和1 188倍 该研究结 果表明加气灌溉下施氮量为240 kg hm2时 能够为作物根区土 壤提供充足的氮肥供应和良好的水气配合 使土壤中水 肥 气 热达到相对最优平衡状态 为黄瓜增产提供了良好的土壤 环境 4 结 论 1 加气灌溉通过提高土壤氧气含量 充气孔隙度 土壤温 度和土壤呼吸 改善了土壤环境 促进了黄瓜的水分利用效率 的提高 2 施氮量为240 kg hm2时进行加气灌溉 为作物根区土 壤提供了充足的氮肥供应和良好的水气配合 使土壤中水 肥 气 热达到相对最优平衡状态 为黄瓜增产提供了良好的土壤 环境 提高了黄瓜产量 参考文献 1 彭 澎 梁 龙 李海龙 等 我国设施农业现状 问题与发展建 议 J 北方园艺 2019 5 161 168 2 SMITH P HABERL H POPP A et al How much land based greenhouse gas mitigation can be achieved without compromising food security and environmental goals J Global Change Biology 2013 19 2 285 2 302 3 BATTARAI S P MIDMORE D J SU N H Sustainable irrigation to balance supply of soil water oxygen nutrients and agro chemicals M Biodiversity Biofuels Agroforestry and Conservation Agricul ture Netherlands Springer 2011 253 286 4 Silberbush M Gornat B Goldberg D Effect of irrigation from a point source trickling on oxygen flux and on root extension in the soil J Plant and Soil 1979 52 4 507 514 5 王帘里 翟国亮 同期对土壤肥力质量影响的研究进展 J 中 国农学通报 2016 32 5 90 95 6 JAMPEETONG A BRIX H Oxygen stress in Salvinia natans inter active effects of oxygen availability and nitrogen source J Environ Experiment Botany 2009 66 153 159 7 BHATTARAI S P HUBER S MIDMORE D J Aerated subsurface irrigation water gives growth and yield benefits to zucchini vegetable soybean and cotton in heavy clay soils J Annals of Applied Biolo gy 2015 144 3 285 298 8 LI Yuan NIU Wenquan XU Jian et al Root morphology of green house produced muskmelon under subsurface drip irrigation with sup plemental soil aeration J Scientia Horticulturae 2016 201 30 287 294 9 NIU Wenquan JIA Zongxia ZHANG Xuan et al Effects of soil rhi zosphere aeration on the root growth and water absorption of tomato J Clean Soil Air Water 2012 40 12 1 364 1 371 10 史春余 王振林 余松烈 土壤通气性对甘薯产量的影响及其生 理机制 J 中国农业科学 2001 34 2 173 178 11 朱 艳 蔡焕杰 宋利兵 等 加气灌溉改善温室番茄根区土壤 通气性 J 农业工程学报 2017 33 21 163 172 12 雷宏军 杨宏光 冯 凯 等 循环曝气灌溉条件下小白菜生长 及水分与养分利用 J 灌溉排水学报 2017 36 11 13 18 13 李 邵 薛绪掌 郭文善 等 不同供水吸力对温室黄瓜光合特 性及根系活力的影响 J 应用生态学报 2010 21 1 67 73 14 方栋平 张富仓 李 静 等 灌水量和滴灌施肥方式对温室黄 瓜产量和品质的影响 J 应用生态学报 2015 26 6 1 735 1 742 15 邵明安 王全九 黄明斌 土壤物理学 M 北京 高等教育出版 社 2006 11 16 臧 明 雷宏军 潘红卫 等 增氧地下滴灌改善土壤通气性促 进番茄生长 J 农业工程学报 2018 34 23 109 118 17 侯会静 陈 慧 蔡焕杰 加气灌溉对部分土壤生境因子的影响 J 水资源与水工程学报 2016 27 4 225 228 18 陈 慧 侯会静 蔡焕杰 等 加气灌溉对番茄地土壤CO2排放 的调控效应 J 中国农业科学 2016 49 17 3 380 3 390 19 BHATTARAI S P HUBER S MIDMORE D J Aerated subsurface irrigation water gives growth and yield benefits to zucchini vegetable soybean and cotton in heavy clay soils J Annals of Applied Biolo gy 2004 144 3 285 298 20 朱 艳 蔡焕杰 侯会静 等 加气灌溉对番茄根区土壤环境和 产量的影响 J 西北农林科技大学学报 2016 44 5 157 162 21 肖胜生 熊 永 段 剑 等 基于组分区分的南方红壤丘陵土壤 呼吸对植被类型转换的响应 J 农业工程学报 2015 31 14 123 131 22 CHEN X M DHUNGEL J BHATTARAI S P et al Impact of oxy 13施氮和加气灌溉对黄瓜根区土壤环境及产量的影响 崔冰晶 牛文全 杜娅丹 等 gation on soil respiration yield and water use efficiency of three crop species J Journal of Plant Ecology 2011 4 4 236 248 23 COOK F J OOCHARD V A Relationships between soil respiration and soil moisture J Soil Biology and Biochemistry 2008 40 5 1 013 1 018 24 FANG C MONCRIEFF J B The dependence of soil CO2 efflux on temperature J Soil Biology and Biochemistry 2001 33 2 155 165 25 HOWARD D M PJA H Relationships between CO2 evolution moisture content and temperature for a range of soil types J Soil Biology and Biochemistry 1993 25 11 1 537 1 546 26 LOMANDER A KATTERER T ANDREN O Carbon dioxide evo lution from top and subsoil as affected by moisture and constant and fluctuating temperature J Soil Biology and Biochemistry 1998 30 14 2 017 2 022 27 PANGLE R E SEILER J R Influence of seedling roots environ mental factors and soil characteristics on soil CO2 efflux ratesin a 2 years old loblolly pine plantation on the Virginia Piedmont J En vironment Pollution 2002 116 85 96 28 刘 爽 严 昌 何文清 等 不同耕作措施下旱地农田土壤呼 吸及其影响因子 J 生态学报 2010 30 11 2 919 2 924 29 尹晓霞 加气灌溉对温室番茄根区土壤环境及产量的影响研究 D 陕西杨凌 西北农林科技大学 2014 30 曾路生 崔德杰 李俊良 等 寿光大棚菜地土壤呼吸强度 酶 活性 pH与EC的变化研究 植物营养与肥料学报 2009 15 4 865 870 31 骆亦其 周旭辉 土壤呼吸与环境 M 北京 高等教育出版社 2007 11 32 WOLF B The fertile triangle The interrelationship of air water and nutrients in maximizing soil productivity J Soil Science 2000 165 8 677 679 33 ABUARAB M MOSTAFA E IBRAHIM M Effect of air injection under subsurface drip irrigation on yield and water use efficiency of corn in a sandy clay soil J journal of Advanced Research 2013 4 493 499 34 李 元 牛文全 吕 望 等 加气灌溉改善大棚番茄光合特性 及干物质积累 J 农业工程学报 2016 32 18 125 132 35 WESTERN A W ZHOU S L GRAYSON R B et al Spatial corre lation of soil moisture in small catchments and its relationship to dominant spatial hydrological process J J Hydrol 2004 286 1 2 3 4 113 134 36 BHATTARAI S P PENDERGAST L MIDMORE D J Root aeration improves yield and water use efficiency of tomato in heavy clay and saline soils J Scientia Horticulturae 2006 108 3 278 288 37 DU Y D GU X B WANG J W et al Yield and gas exchange of greenhouse tomato at different nitrogen levels under aerated irrigation J Science of the Total Environment 2019 668 1 156 1 164 38 LEI H BHATTARAI S BALSYS R et al Temporal and spatial di mension of dissolved oxygen saturation with fluidic oscillator and Mazzei air injector in soil less irrigation systems J Irrigation Sci ence 2016 34 6 1 10 39 赵丰云 郁松林 孙军利 等 加气灌溉对温室葡萄生长及不同 形态氮素吸收利用影响 J 农业机械学报 2018 49 1 228 234 上接第26页 24 LIU Y X ZHOU Y P WANG T Z et al Micro nano bubble water oxygation Synergistically improving irrigation water use efficiency crop yield and quality J Journal of Cleaner Production 2019 222 25 王亚军 谢忠奎 张志山 等 甘肃砂田西瓜覆膜补灌效应研究 J 中国沙漠 2003 3 94 99 26 吉喜斌 康尔泗 赵文智 等 内陆绿洲灌溉农田SPAC系统土壤 水分动态模拟研究 J 中国沙漠 2006 2 194 201 27 穆文彬 华北平原农田层状土壤水分运动试验及数值模拟 D 郑州 华北水利水电学院 2012 28 李巧珍 李玉中 郭家选 等 覆膜集雨与限量补灌对土壤水分及 冬小麦产量的影响 J 农业工程学报 2010 26 2 25 30 29 杨 震 董昭芸 卫 婷 等 宁南旱区沟垄集雨结合补灌对土壤 水分利用及冬小麦产量的影响 J 干旱地区农业研究 2018 36 4 117 124 30 秦舒浩 张俊莲 王 蒂 等 半干旱雨养农业区集雨补灌对马铃 薯田水分运移的影响 J 水土保持学报 2011 25 4 179 182 31 陈玉章 田慧慧 李亚伟 等 秸秆带状沟覆垄播对旱地马铃薯产 量和水分利用效率的影响 J 作物学报 2019 45 5 714 727 32 韩凡香 常 磊 柴守玺 等 半干旱雨养区秸秆带状覆盖种植对 土壤水分及马铃薯产量的影响 J 中国生态农业学报 2016 24 7 874 882 33 肖俊夫 刘战东 段爱旺 等 中国主要农作物全生育期耗水量与 产量的关系 J 中国农学通报 2008 3 430 434 34 孟 林 毛培春 张国芳 京郊平原区苜蓿生产能力与耗水规律 的研究 J 草业科学 2007 4 36 40 35 李 强 西北地区马铃薯产量 气候变化关系分析及高产高效 栽培技术研究 D 北京 中国科学院大学 中国科学院教育部 水土保持与生态环境研究中心 2018 36 汪顺生 李欢欢 王康三 等 宽垄沟灌下冬小麦水分生产函数试 验研究 J 排灌机械工程学报 2017 35 11 987 992 37 曹 寒 吴淑芳 冯 浩 等 不同覆膜种植对土壤水热和冬小麦 产量的影响 J 水土保持研究 2015 22 6 110 115 38 高慧洲 谢英荷 李廷亮 等 覆膜对旱地冬小麦产量与土壤水分 动态的影响 J 山西农业科学 2016 44 12 1 793 1 795 1 869 39 王巧梅 樊志龙 赵彦华 等 绿洲灌区不同密度玉米群体的耗水 特性研究 J 作物学报 2017 43 9 1 347 1 356 40 于显枫 张绪成 方彦杰 等 减氮追施和增密对全膜覆盖垄上微 沟马铃薯水分利用及生长的影响 J 作物学报 2019 45 5 764 776 41 刘素华 彭 延 彭小峰 等 调亏灌溉与合理密植对旱区棉花生 长发育及产量与品质的影响 J 棉花学报 2016 28 2 184 188 42 安俊波 无膜移栽地下滴灌棉花耗水规律及灌溉制度研究 D 新疆石河子 石河子大学 2009 43 景媛媛 贺 翔 徐长林 等 覆膜种植方式对东祁连山区苜蓿草 地土壤温度和水分的影响 J 草地学报 2018 26 2 321 329 44 田为军 郭琼琳 李维华 不同生育期补灌对覆膜马铃薯土壤水 及水分利用效率的影响 J 南水北调与水利科技 2013 11 2 117 120 23施氮和加气灌溉对黄瓜根区土壤环境及产量的影响 崔冰晶 牛文全 杜娅丹 等