基于温室番茄产量和果实品质对加气灌溉处理的综合评价

奥鹏网院作业

基于温室番茄产量和果实品质对加气灌溉处理的综合评价
朱艳，蔡焕杰，宋利兵，商子惠，陈慧

（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/西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院/西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100）

摘要：【目的】研究不同灌水水平和滴头埋深条件下加气灌溉对温室番茄产量、灌溉水分利用效率（IWUE）和果实品质的影响，进而对不同试验处理进行综合评价。【方法】试验以常规地下滴灌（S）为对照，设置在W1、W2和W3（对应作物-皿系数kcp分别为0.6、0.8和1.0）3个灌水水平与D1和D2（分别对应15 cm和25 cm）2种滴头埋深下进行加气灌溉（O），共12个处理。基于各处理下果实产量和品质指标的差异，通过主成分分析法探索较优的试验处理。【结果】加气灌溉下单株产量、单果重、IWUE、果实中番茄红素、Vc、可溶性糖含量和糖酸比较对照分别显著增加了21.2%、23.9%、21.0%、28.1%、36.0%、22.8%和28.0%（P＜0.05）。主成分分析中，第1主成分主要受番茄红素、Vc、灌溉水分利用效率和糖酸比的正影响，且处理W2D1O和W2D2O的得分分列第1和2名。因此处理W2D1O和W2D2O在兼顾节水和番茄果实营养品质方面较优。第2主成分主要受单株产量的正影响和有机酸的负影响，各处理有机酸含量未形成显著性差异且处理W3D1O的单株产量最高，因此得分最高。处理W3D1O的综合得分在12个处理中位列第1位。【结论】灌水水平kcp为1.0，滴头埋深15 cm的加气灌溉处理可兼顾节水和温室番茄高产、优质的要求，为加气灌溉的实际应用提供理论依据。

关键词：加气灌溉；灌水水平；滴头埋深；主成分分析；产量；品质；番茄；温室

0 引言
【研究意义】地下滴灌与沟灌、漫灌等传统灌水方式相比，能有效提高水分利用效率、减少灌溉用水进而有效缓解因灌水过多造成的环境污染[1-2]，在干旱和半干旱地区得到日益广泛的应用[3]。但地下滴灌灌水时滴头附近持续的饱和湿润锋[4-5]易造成作物根区缺氧。地下滴灌滴头埋设在地下、灌水频率较大[6]、作物根系优先在滴头附近生长[7]进一步加剧了根区土壤缺氧的危害。加气灌溉在地下滴灌基础上提出来，既能充分发挥地下滴灌水分利用效率高的优点，又能有效缓解地下滴灌根区土壤缺氧状况[8-9]。加气灌溉下，空气通过文丘里设备被吸入到加压灌溉水中，与灌溉水混合形成水气混合液和微型气泡[8]，后通过地下滴灌管道输送到土壤中。因此，加气灌溉是将水和空气同时输送到土壤中，可有效避免灌水时滴头附近土壤水分饱和。【前人研究进展】近年来，关于加气灌溉的研究不再局限于其对作物生长发育的影响，像对株高、茎粗、物候期等外在指标[10-11]的影响。加气灌溉和地下滴灌的本质区别是加气灌溉将空气和水同时输送到土壤中，地下滴灌仅将水输送到土壤中。因此，加气灌溉首先改变的是灌水时土壤中的水气配比。因此，越来越多关于加气灌溉的研究开始集中在对土壤微环境，包括土壤氧气含量、土壤水分、土壤微生物、土壤呼吸、土壤酶、土壤温室气体排放等的影响[12-17]。另一方面，关于加气灌溉条件的研究，除了不同灌水水平[10,18]、滴头埋深[10,15,19]、加气频率[15,20]、土壤类型[21]和加气方法[12-13, 21-22]等条件下的水气耦合的研究外，也在向水肥气耦合的可持续灌溉方向发展[23-24]。【本研究切入点】加气灌溉应用的初衷是提高作物产量和品质，节约灌溉用水。因此，关于加气灌溉的研究仍应着眼于其对作物产量和品质的影响。虽然关于加气灌溉对作物产量和品质影响的研究众多[8-10, 20-21, 25-26]，但鲜有人基于不同加气灌溉处理对产量和果实品质的影响差异对不同试验处理进行综合评价，进而探索较优处理。【拟解决的关键问题】本研究基于温室番茄产量和果实品质对不同灌水水平和滴头埋深条件下加气灌溉处理进行综合评价，以探讨本试验条件下最优的试验处理。本试验中选取了产量（单株产量、单株果数、单果重）、灌溉水分利用效率和果实品质（番茄红素、Vc、可溶性糖、有机酸和糖酸比）共9个指标对加气灌溉处理进行综合评价。

1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室（34°20′N，108°24′E，海拔521 m）的日光温室内进行。试验区年平均日照时长2 163.8 h，无霜期210 d。土壤类型为width=11,height=10.5土。土壤质地为粉砂质黏壤土，砂粒、粉粒和黏粒的含量分别为26.0%、33.0%、41.0%；0—40 cm土层每10 cm为一个划分层的土壤容重分别为1.27、1.34、1.42、1.37 g·cm-3；60 cm土层内的田间持水量为32.1%（体积含水量）。

1.2 试验方法与设计
试验采用中早熟番茄品种“金鹏10号”，番茄幼苗为3叶1心至4叶1心时（本试验于2016年8月18日）进行移植，移植当天浇透底水，以保证番茄幼苗的成活。经历9 d的缓苗后，试验于2016年8月27日正式开始。试验地垄长4 m，宽0.8 m，垄中间埋设管径16 mm的地下滴灌管（图1）。每垄移植11株番茄苗，株距35 cm。垄间用埋深100 cm的塑料膜隔开，防止侧渗。1垄即为1个试验小区。三穗时打顶，其他试验日常管理措施，如整枝、覆膜、施肥等，均按照当地的管理措施进行。试验中只施基肥，施肥量和种类为3 437.5 kg hm-2有机肥（N-P2O5-K2O≥10%、有机质≥45%）和2 187.5 kg·hm-2复混肥（N、P2O5和K2O分别为15%）。番茄全生育期时长144 d，生育期划分为苗期（08-27至09-19）、开花期（09-20至09-28）、结果期（09-29至12-02）和成熟期（12-03至2017-01-09）。

康跃虎[27]指出，当灌水频率一定时，可通过蒸发皿的水面蒸发量指导灌溉。本试验中，通过放置在番茄冠层20 cm处的E601标准蒸发皿测得的蒸发量控制灌水量，灌水时间为8：00—12：00，周期为3—4 d，灌水量以灌水间隔内每天早8：00测定的蒸发量为依据，计算公式[28-29]为：

I=Epan·kcp （1）

式中，I为灌溉水量（mm）；Epan为两次灌水间隔内的累计蒸发量（mm）；kcp为作物-皿系数。

试验采用3因素完全随机设计，设计2种灌水方式、3个灌水水平和2种滴头埋深。2种灌水方式分别为加气灌溉（O）和常规地下滴灌（对照处理，S）；2种滴头埋深分别为15 cm（D1）和25 cm（D2）；依据作物-皿系数kcp分别取值0.6、0.8和1.0设置3种灌水水平W1、W2和W3。试验共12个处理（W1D1O、W1D1S、W1D2O、W1D2S、W2D1O、W2D1S、W2D2O、W2D2S、W3D1O、W3D1S、W3D2O和W3D2S），每个处理3次重复，1次重复即为1个小区。番茄整个生育期内共灌水29次，每次灌水量和具体灌水日期见表1。

灌水时，通过水泵形成加压灌溉水，调节管道末端的调节阀，保证灌水时每垄进出口压力分别为0.1和0.02 MPa，灌水管道中多余的水回流到供水水桶中（图1）。加气灌溉处理采用Mazzei287型文丘里加气设备，文丘里设备服从伯努利原理，在有压灌溉时喉管处形成负压环境吸入空气，空气与加压灌溉水混合形成微型气泡和水气混合液[8]随滴灌管道和滴头输送到土壤中。由排气法测得加气灌溉处理中进气量占灌溉水量的17%[14]。加气灌溉在灌水的同时吸入空气，因此在相同灌水量下，加气灌溉的灌水时间相比于地下滴灌会相对延长[4,9]。本试验中每灌1 L（7.1 mm）水，加气灌溉下灌水时间比地下滴灌延长约3 min[14,30]。

width=481.5,height=225.6
试验中共36个小区，图中仅用8个小区进行示意

There were a total of 36 plots in the experiment, and only 8 plots were shown in the figure

图1 试验小区布置图

Fig. 1 Schematic of the experimental block

表1 蒸发量、灌水时间和灌水量

Table 1 Information about evaporation amount, irrigation time and irrigation amount


1.3 测定指标与方法
（1）产量测定：每个小区除去首末两端的各2株植株，选择剩余7株测其产量，以单株计，包括单株产量、单株果数和单果重的记录。其中灌溉水分利用效率（IWUE）计算公式为：

IWUE=Y/I （2）

式中，IWUE为灌溉水分利用效率（g·mm-1）；Y为单株产量（g）；I为番茄整个生育期内单株总灌水量（mm）。

（2）番茄果实品质测定：收获期间每垄随机选择3个成熟果实进行品质分析。利用蒽酮比色法测其可溶性糖含量[31]，酸碱滴定法测其有机酸含量[31-32]，钼蓝比色法测其VC含量[31]，紫外分光光度法测定番茄红素含量[33-34]。

1.4 数据处理与分析
采用SPSS17.0统计软件进行显著性分析、相关关系分析和主成分分析。用SigmaPlot12.0和AutoCAD2018绘图分析。

2 结果
2.1 不同试验处理对温室番茄产量和果实品质的影响
随灌水水平增大，单株产量显著（P＜0.05）增大（表2）。W3处理单株产量较W1和W2分别显著增大24.8%和7.8%，W2处理较W1显著增大18.5%。W2和W3处理单果重较W1分别显著增大14.2%和18.1%；W2和W3处理单果重不存在显著性差异。随灌水水平增大，IWUE显著降低。W3处理IWUE较W1和W2分别显著降低30%和20%，W2处理较W1显著降低10%。单株果数在不同灌水水平下没有显著性差异。从F值也可看出，单株产量和单果重对灌水水平的增大产生极显著（P＜0.01）正响应，IWUE对灌水水平的增大产生极显著负响应。另外，各产量指标在D1和D2两种滴头埋深下无显著差异。加气灌溉下单株产量、单果重和IWUE与对照形成显著性差异，分别显著增大21.2%、23.9%和21%；但单株果数较对照不存在显著差异。

W2处理果实中番茄红素和Vc含量均最大，W3处理均最低，W2处理分别较W3分别显著增大20.9%和26.0%（表3）。随灌水水平增大，果实中可溶性糖和有机酸含量均有所降低，W3处理分别较W1处理分别显著降低36%和20%。从F值中也可得到，果实中可溶性糖含量对灌水水平的增大产生显著负响应。果实中糖酸比随灌水水平变化没有显著性差异。另外，果实品质各指标在D1和D2两种滴头埋深下无显著性差异。加气灌溉下果实中番茄红素、Vc、可溶性糖和糖酸比与对照形成显著性差异，分别显著增大了28.1%、36.0%、22.8%和28.0%。有机酸含量在加气灌溉和对照处理下不存在显著性差异。

表2 不同滴头埋深和灌水水平下加气灌溉对温室番茄产量指标的影响

Table 2 Effects of oxygation under different irrigation levels and emitter depths conditions on fruit yield factors of greenhouse tomato


“平均值”行中小写或大写或列中大写不同字母分别表示存在显著性差异（P＜0.05），相同字母分别表示不存在显著性差异。**表示极显著性相关（P＜0.01）；*表示显著相关（P＜0.05）。下同

In “mean value” column or row, values followed by different small or capital letters respectively indicate significant differences (P＜0.05), and the same letters respectively indicate no significant differences. ** Indicates highly significant at P＜0.01; *Means significant at P＜0.05. The same as below

表3 不同滴头埋深和灌水水平下加气灌溉对番茄品质指标的影响

Table 3 Effects of oxygation under different irrigation levels and emitter depths conditions on fruit quality factors of greenhouse tomato


单株产量和单果重的范围分别为522.6—950.5 g和67.0—115.0 g。W3D1O处理的单株产量和单果重均最大，除单株产量与W3D2O无显著差异，均与其他处理形成显著性差异；W1D2S处理的单株产量和单果重均最小，除与W1D1S无显著性差异，与其他处理形成显著性差异；W3D1O处理较W1D2S分别显著增大45%和42%（表4）。IWUE的变化范围为4.30— 7.59 g·mm-1。W1D2O处理的IWUE最大，除与W1D1O无显著性差异外，与其他处理均存在显著性差异；W3D2S处理的IWUE最低，除与W3D1S无显著性差异外，与其他处理均存在显著性差异；W1D2O处理较W3D2S显著增大43.3%。单株果数的变化范围为7.76—8.90，各处理不存在显著性差异。

果实品质指标中，W2D2O处理的番茄红素含量最大，W2D1O处理的Vc含量最大，W3D2S处理的番茄红素和Vc含量均最小（表4）。果实中番茄红素含量变化范围为17.5—34.6 μg·g-1，W2D2O处理较W3D2S显著增大49.4%。果实中Vc含量变化范围为1.48—3.45 mg·100 g-1，W2D1O处理较W3D2S显著增大57.1%。果实中可溶性糖含量变化范围为1.60%— 3.16%，其中W1D1O处理含量最大，W3D2S处理最低，W1D1O处理较W3D2S显著增大49%。果实中糖酸比变化范围为2.92%—5.62%，其中W3D1O处理糖酸比最大，W3D2S处理最小，W3D1O处理较W3D2S显著增大50%。果实中有机酸的范围为0.53%—0.73%，各处理无显著性差异。

综合可知，虽然某处理的单个或部分指标值较大，但其他指标却并不大，例如虽W3D1O处理的单株产量和单果重最大，但处理W1D2O的IWUE最大（表4）；虽处理W2D1O和W2D2O番茄红素和Vc含量相对较大，但各产量指标并不突出。因此需要将各产量和品质指标综合起来对各处理进行综合评价。

2.2 基于产量和果实品质指标对不同试验处理进行综合评价
番茄产量和品质9个指标间共存在21对显著或极显著相关关系（表5）。其中，产量指标中，单株产量与单果重极显著正相关，单株果数与IWUE极显著负相关。除有机酸外，其余品质指标间极显著或显著正相关。另外，单株产量与有机酸极显著负相关；单株果数与除有机酸外的其他品质指标均极显著或显著负相关；单果重与番茄红素、Vc和糖酸比显著正相关，与有机酸极显著负相关；IWUE与除有机酸外的其他品质指标间极显著正相关。

表4 不同试验处理对温室番茄产量指标和品质指标的影响

Table 4 Effects of different treatments on fruit yield and quality factors of greenhouse tomato


每列中不同字母表示存在显著性差异（P＜0.05），相同字母表示差异不显著

In every column, values followed by different letters indicate significant differences (P＜0.05), and the same letters indicate no significant differences

表5 各产量指标与品质指标间的相关性

Table 5 Correlations among various fruit yield factors and fruit quality factors


由于各品质和产量指标间存在相关性，直接进行综合评价会产生信息重复，进而影响评价结果。因此，利用主成分分析法将具有相关性的产量和品质指标组合成一组新的互相无关联的综合指标，再进行综合评价，以提高评价的可靠性。

通过主成分分析，以特征值大于1的原则提取出2个主成分，累计方差贡献率为90.91%，可代表各处理对产量和果实品质的综合影响（表6）。第1主成分方差贡献率为62.02%，主要受IWUE、番茄红素、Vc、糖酸比的正影响，其贡献率大小为Vc＞番茄红素＞糖酸比＞IWUE（表7）。综合相关关系可知，IWUE、番茄红素、Vc和糖酸比间基本上均呈极显著正相关关系，即当其中1个指标增大，其他指标随之增大，第1主成分的综合得分也随之增大。第2主成分方差贡献率为28.89%，主要受单株产量的正影响和有机酸的负影响，有机酸的贡献率大于单株产量的贡献率。综合相关关系可知，单株产量与有机酸呈极显著负相关关系，即随单株产量的增大，有机酸含量降低，第2主成分的综合得分增大。

综合2个主成分的方差贡献率，可得到基于产量和品质的各处理的综合评价线性函数：

Z=0.6202Z1+0.2889Z2 （3）

式中，Z为基于产量和果实品质的各处理的综合得分；Z1为主因子1的综合得分；Z2为主因子2的综合得分。

表6 主成分特征值及方差贡献率

Table 6 Eigenvalue and variance contribution rates based on the principal component analysis


表7 因子负荷矩阵

Table 7 Component matrix


将各产量和品质指标原始数据标准化后，代入公式（3）可得到各处理的综合得分和综合排名（表8）。综合排名排在前6位的均是加气灌溉处理，排在第1位的是W3D1O处理，排在第2和3位的分别是W2D1O和W2D2O处理，W3D2O处理排在第4位，而且这4个处理的Z1和Z2均为正值。排在第5和6位的分别是W1D2O和W1D1O处理，其中Z1取值均为正，Z2均为负。而且，加气灌溉的6个处理主因子1得分最高的是W2D1O处理，W2D2O、W1D1O和W1D2O处理分列第2、3和4位；W3D1O和W3D2O处理的主因子2的得分分列第1和2位。随kcp从0.6增大到0.8，对照处理的排位从11（W1D1S）和12位（W1D2S）提升至8（W2D1S）和7位（W2D2S）；但kcp从0.8增至1.0，排位却降低至9（W3D1S）和10位（W3D2S）。对照6个处理主因子1的得分均是负值；处理W2D1S、W3D1S和W3D2S主因子2的得分均为正值。

表8 基于温室番茄产量和果实品质的各处理的综合得分

Table 8 Comprehensive score of different treatment based on fruit yield and quality of greenhouse tomato


3 讨论
本试验12个处理的综合排名中，加气灌溉的6个处理均位于前6位。由此可知，与对照相比，加气灌溉处理改善了番茄果实品质、提高了番茄产量和IWUE。本试验中，加气灌溉下单株产量和IWUE较对照处理分别显著增大21.2%和21.0%（表2），果实中番茄红素、Vc、可溶性糖含量和糖酸比较对照处理分别显著增大28.1%、36.0%、22.8%和28.0%（P＜0.05）（表3）。DU等[35]基于Meta分析总结了27个关于加气灌溉的研究，结果表明加气灌溉下植株产量和WUE分别增大了19.3%和17.9%。CHEN等[21]关于不同加气设备、土壤和作物类型下加气灌溉的研究也表明，加气灌溉下作物产量和WUE均显著增大。随生活水平的提高，人们对果实、蔬菜等的品质要求越来越高，而且果实品质也决定着其市场竞争力。因此，农业生产在追求高产、节水的前提下，也要兼顾优质。由于口味需求不同，暂且不论加气灌溉下可溶性糖和糖酸比的增大是否是其优点，但番茄红素和Vc对番茄果实营养价值至关重要[36-39]。李元等[26]针对不同滴头埋深和加气频率下加气灌溉的研究表明，加气灌溉下甜瓜中可溶性糖、可溶性固形物和Vc含量显著增大。LI等[25]的研究也表明，加气灌溉使得温室番茄果实中的番茄红素、Vc、糖酸比分别显著增大了2%、41%和43%。臧明等[40]的研究表明，加气灌溉下番茄果实中的可溶性固形物、Vc和总酸含量较对照显著增大。WOLF[41]和BHATTARAI等[8]指出当土壤中的水、气和养分达到最佳平衡时，作物才可充分发挥其生产力。与常规地下滴灌相比，加气灌溉向土壤中输送的不仅仅是水，而是水气混合物和微型气泡，因此可有效调控土壤中的水气配比，增大土壤氧气含量和充气孔隙度[9-10,14]，促进土壤微生物和作物根系呼吸[14]，促进微生物的繁殖生长，提高土壤脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶等的酶活性[15]，改善作物根系-土壤微环境，提高作物根系活力[42]，促进根系吸水能力[11]和养分吸收[13,42]，进而为光合作用提供充足的底物，促进光合作用，提高叶绿素含量和净光合速率、增大气孔导度等[11,43]，进而促进光合产物的积累。张钧恒等[44]指出，番茄光合速率越高，产量越高，且光合特性与品质间存在正相关关系。李元等[26]指出加气灌溉通过保障甜瓜生理功能的正常运转提升甜瓜果实品质。臧明等[40]的研究结果表明，番茄果实中可溶性固形物和总酸含量与土壤溶解氧浓度和氧气扩散速率呈显著正相关。因此加气灌溉在改善根系土壤微环境的基础上，促进了地上部的生长[10,26]、干物质积累[10-11,43]和向果实的分配[10]，进而提高作物产量、改善果实品质。

虽然加气灌溉显著增大了番茄产量和IWUE，改善了果实品质，但仍需探讨何种条件下的加气灌溉可兼顾高产、节水和优质的三重需求。本试验中，主因子1得分第1和2位的分别是处理W2D1O和W2D2O（表8），主因子1主要受Vc、番茄红素、IWUE和糖酸比的正影响（表7），且这4个因子间极显著正相关（表5）。因此，W2水平下的加气灌溉处理可有效提高灌溉水利用效率且满足改善番茄果实营养品质的要求。从表4中也可得到，W2水平下果实中的番茄红素和Vc含量最大，且加气灌溉对番茄红素和Vc含量产生极显著正影响（表3）。灌水量的控制，对光合作用的进行、光合产物的积累与分配及在果实中的转化至关重要。李元等[26]提出过量灌水可能会导致作物营养生长阶段的徒长，进而影响生殖生长。齐红岩等[45]的研究表明，亏缺灌溉下番茄果实中的蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶的活性增大，而酸性转化酶和中性转化酶的活性降低。刘明池等[32]的研究也表明，适度亏缺灌溉可有效提高番茄果实中可溶性固形物、Vc和有机酸含量。本试验中，相比于W3水平，W2水平下加气灌溉处理的果实营养品质更优。主因子2得分较高的处理分别是W3D1O和W3D2O（表8），而主因子2主要受到单株产量的正影响和有机酸的负影响（表7），且单株产量与有机酸极显著负相关（表5），各处理的有机酸含量无显著性差异（表4）。由此可知，W3水平下的加气灌溉显著提高了番茄单株产量。从表2中也可得到，灌水水平的提高和加气灌溉均对单株产量产生极显著正相关影响。康跃虎[27]指出，当灌水频率设定为1 d、2 d或3 d一次时，灌水量为灌水间隔内的累计蒸发量乘以值为1的比例系数时，大部分温室作物可获得较理想的产量。ERTEK等[28]基于蒸发皿的蒸发量进行灌溉的研究表明，kcp为1.0、灌水频率为8 d一次，大田黄瓜的产量最高。本试验中，设定灌水频率3—4 d采用E601标准蒸发皿的蒸发量控制灌水量，作物-皿系数kcp为1.0，即灌水量为159.8 mm时的加气灌溉处理（W3D1O和W3D2O）的单株产量分列第1和2位，与其他处理形成显著性差异（表4）。综合而言，加气灌溉处理下W2水平下果实营养品质和IWUE较高，W3水平下果实单株产量较高。综合考虑主因子1和2，处理W3D1O的综合得分为第1位（表8），因此相比于其他处理，W3D1O处理土壤中的水、气和养分可能更接近于最佳平衡，作物更能充分发挥其生产力。本试验条件下灌水水平kcp为1.0，滴头埋深为15 cm的加气灌溉处理可较好的兼顾高产、优质和节水的三重目标，可为实际生产应用提供理论依据。

4 结论
4.1 加气灌溉下番茄单株产量、IWUE、果实中番茄红素和Vc含量较地下滴灌分别显著增大21.2%、21.0%、28.1%和36.0%。因此，加气灌溉显著提高了果实产量和营养品质，且在地下滴灌基础上进一步增大了IWUE。

4.2 从主因子1和2的得分中可得到，W2水平下（即127.8 mm灌水量时）的加气灌溉处理节水效果和果实营养品质较优，W3水平下（即159.8 mm灌水量时）的加气灌溉处理果实产量相对较高。

4.3 处理W3D1O（即灌水量为159.8 mm，滴头埋深为15 cm时的加气灌溉处理）的综合得分较高，即兼顾高产、节水和优质目标的效果最优，为实际生产应用提供理论依据。

References

[1] CAMP C R. Subsurface drip irrigation: a review. Transactions of the ASAE, 1998, 41: 1353.

[2] CAMP C R, LAMM F R, EVANS R G, PHENE C J. Subsurface drip irrigation-past, present, and future. National Irrigation Symposium Decennial Symposium. 2000.

[3] 黄兴法, 李光永. 地下滴灌技术的研究现状与发展. 农业工程学报, 2002, 18(2):176-181.

HANG X F, LI G Y. Present situation and development of subsurface drip irrigation. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2002, 18(2): 176-181. (in Chinese)

[4] BHATTARAI S P, MIDMORE D J, PENDERGAST L. Yield, water-use efficiencies and root distribution of soybean, chickpea and pumpkin under different subsurface drip irrigation depths and oxygation treatments in vertisols. Irrigation Science, 2008, 26(5): 439-450.

[5] KLEPPER B . Crop root system response to irrigation. Irrigation Science, 1991, 12(3): 105-108.

[6] HANS-PETER KLäRING, ZUDE M. Sensing of tomato plant response to hypoxia in the root environment. Scientia Horticulturae, 2009, 122(1): 17-25.

[7] MACHADO R M A, MARIA D R, OLIVEIRA G, Portas, C A M. Tomato root distribution, yield and fruit quality under subsurface drip irrigation. Plant and Soil, 2003, 255(1): 333-341.

[8] BHATTARAI S P, SU N, MIDMORE D J. Oxygation unlocks yield potentials of crops in oxygen-limited soil environments. Advances in Agronomy, 2005, 88: 313-377.

[9] BHATTARAI S P, PENDERGAST L, MIDMORE D J. Root aeration improves yield and water use efficiency of tomato in heavy clay and saline soils. Scientia Horticulturae, 2006, 108(3): 278-288.

[10] 朱艳, 蔡焕杰, 宋利兵, 陈慧. 加气灌溉对番茄植株生长、产量和果实品质的影响. 农业机械学报, 2017, 48(8): 199-210.

ZHU Y, CAI H J, SONG L B, CHEN H. Impacts of oxygation on plant growth, yield and fruit quality of tomato. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(8): 199-210. (in Chinese).

[11] 卢泽华, 蔡焕杰, 王健, 李志军. 不同生育时期根际加气对温室番茄生长及产量的影响. 中国农业科学, 2012, 45(7): 1330-1337.

LU Z H, CAI H J, WANG J, LI Z J. Effects of rhizosphere ventilation at different growth stages on plant growth and yield of greenhouse tomato. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(7): 1330-1337. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2012.07.010. (in Chinese)

[12] BEN-NOAH I, FRIEDMAN S P. Aeration of clayey soils by injecting air through subsurface drippers: Lysimetric and field experiments. Agricultural Water Management, 2016,176(6): 222-233.

[13] BEN-NOAH I, FRIEDMAN S P. Oxygation of clayey soils by adding hydrogen peroxide to the irrigation solution: Lysimetric experiments. Rhizosphere, 2016, 2: 1-11.

[14] 朱艳, 蔡焕杰, 宋利兵, 陈慧. 加气灌溉改善土壤通气性. 农业工程学报, 2017, 33(21): 163-172.

ZHU Y, CAI H J, SONG L B, CHEN H. Oxygation improving soil aeration around tomato root zone in greenhouse. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(21): 163-172. Doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.21.019 http://www.tcsae.org. (in Chinese)

[15] LI Y, NIU W Q, WANG J W, LIU L, ZHANG M Z, XU J. Effects of artificial soil aeration volume and frequency on soil enzyme activity and microbial abundance when cultivating greenhouse tomato. Soil Science Society of America Journal, 2016, 80(5): 1208-1221.

[16] CHEN H, HOU H J, WANG X Y, ZHU Y, QAISAR S, WANG Y F, CAI H J. The effects of aeration and irrigation regimes on soil CO2, and N2O emissions in a greenhouse tomato production system. Journal of Integrative Agriculture, 2018, 17(2): 449-460.

[17] CHEN H, HOU H J, HU H W, SHANG Z H, ZHU Y, CAI H J, QAISAR S. Aeration of different irrigation levels affects net global warming potential and carbon footprint for greenhouse tomato systems. Scientia Horticulturae, 2018, 242: 10-19.

[18] 陈慧, 李亮, 蔡焕杰, 朱艳, 王云霏, 徐家屯. 加气条件下土壤N2O排放对硝化/反硝化细菌数量的响应. 农业机械学报, 2018, 49(4): 303-311.

CHEN H, LI L, CAI H J, ZHU Y, WANG Y F, XU J T. Response of soil N2O fluxes to soil nitrifying and denitrifying bacteria under aerated irrigation.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(4): 303-311. (in Chinese)

[19] 李元, 牛文全, 吕望, 古君, 邹小阳, 王京伟, 刘璐, 张明智, 许健. 加气灌溉改善大棚番茄光合特性及干物质积累. 农业工程学报, 2016, 32(18): 125-132.

LI Y, NIU W Q, LÜ W, GU J, ZOU X Y, WANG J W, LIU L, ZHANG M Z, XU J. Aerated irrigation improving photosynthesis characteristics and dry matter accumulation of greenhouse tomato. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(18): 125-132. Doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.18.017. (in Chinese)

[20] 谢恒星, 蔡焕杰, 张振华. 温室甜瓜加氧灌溉综合效益评价. 农业机械学报, 2010, 41(11): 79-83.

XIE H X, CAI H J, ZHANG Z H. Evaluation of comprehensive benefit in greenhouse muskmelon under aeration irrigation. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(11): 79-83. (in Chinese)

[21] CHEN X, DHUNGEL J, BHATTARAI S P, TORABI M, PENDERGAST L, MIDMORE D J. Impact of oxygation on soil respiration, yield and water use efficiency of three crop speciesJournal of Plant Ecology, 2011, 4(4): 236-248.

[22] 雷宏军, 胡世国, 潘红卫, 臧明, 刘鑫, 李轲. 土壤通气性与加氧灌溉研究进展. 土壤学报, 2017, 54(2): 297-308.

LEI H J, HU S G, PAN H W, ZANG M, LIU X, LI K. Advancement in research on soil aeration and oxygation. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(2): 297-308. (in Chinese)

[23] 杜娅丹, 张倩, 崔冰晶, 谷晓博, 牛文全. 加气灌溉水氮互作对温室芹菜地N2O排放的影响. 农业工程学报, 2017, 33(16): 127-134.

DU Y D, ZHANG Q, CUI B J, GU X B, NIU W Q. Effects of water and nitrogen coupling on soil N2O emission characteristics of greenhouse celery field under aerated irrigation. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(16): 127-134. Doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.017 http://www.tcsae.org. (in Chinese)

[24] BHATTARAI S P, MIDMORE D J, SU N. Sustainable Irrigation to Balance Supply of soil Water, Oxygen, Nutrients and Agro-chemicals. Netherlands: Springer, 2010: 253-286.

[25] LI Y, NIU W, DYCK M, WANG J W, ZOU X Y. Yields and nutritional of greenhouse tomato in response to different soil aeration volume at two depths of subsurface drip irrigation. Scientific Reports, 2016, 6(1): 39307.

[26] 李元, 牛文全, 许健, 张若婵, 王京伟, 张明智.加气滴灌提高大棚甜瓜品质及灌溉水分利用效率. 农业工程学报, 2016, 32(1): 147-154.

LI Y, NIU W Q, XU J, ZHANG R C, WANG J W, ZHANG M Z. Aerated irrigation enhancing quality and irrigation water use efficiency of muskmelon in plastic greenhouse. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(1): 147-154. Doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.020. (in Chinese)

[27] 康跃虎. 实用型滴灌灌溉计划制定方法. 节水灌溉, 2004(3): 11-12.

KANG Y H. Applied method for drip irrigation scheduling. Water Saving Irrigation, 2004(3): 11-12. (in Chinese)

[28] ERTEK A, SENSOY S, GEDIK I, KUCUKYUMUK C. Irrigation scheduling based on pan evaporation values for cucumber (Cucumis sativus L.) grown under field conditions. Agricultural Water Management, 2006, 81(1/2): 170-172.

[29] 赵伟霞, 蔡焕杰, 单志杰, 陈新明, 王健. 无压灌溉日光温室番茄高产指标. 农业工程学报, 2009, 25(3): 16-21.

ZHAO W X, CAI H J, SHAN Z J, CHEN X M, WANG J. High yield indicators of greenhouse tomato under non-pressure irrigation. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009, 25(3): 16-21. (in Chinese)

[30] 朱艳, 蔡焕杰, 宋利兵, 侯会静, 陈慧. 加气灌溉下气候因子和土壤参数对土壤呼吸的影响. 农业机械学报, 2016, 47(12): 223-232.

ZHU Y, CAI H J, SONG L B, HOU H J, CHEN H. Effects of climatic factors and soil parameters on soil respiration under oxygation conditions. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(12): 223-232. (in Chinese)

[31] 高俊凤. 植物生理学实验指导. 北京: 高等教育出版社, 2006.

GAO J F. Experimental Guidance for Plant Physiology. Beijing: Higher Education Press, 2006. (in Chinese)

[32] 刘明池, 张慎好, 刘向莉. 亏缺灌溉时期对番茄果实品质和产量的影响. 农业工程学报, 2005, 21(增刊): 92-95.

LIU M C, ZHANG S H, LIU X L. Effects of different deficit irrigation periods on yield and fruit quality of tomato. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2005, 21(Suppl.): 92-95. (in Chinese)

[33] 李毅琳, 胡敏予, 瞿树林, 周光宇, 黄亿明. 番茄红素简便测定方法的应用与分析. 食品科学, 2007, 28(3): 268-270.

LI Y L, HU M Y, QU S L, ZHOU G Y, HUANG Y M. Application and analysis on method of lycopene assay. Food Science, 2007, 28(3): 268-270. ( in Chinese)

[34] 胡晓波, 温辉梁, 许全, 刘崇波. 番茄红素含量测定. 食品科学, 2005, 26(9): 566-569.

HU X B, WEN H L, XU Q, LIU C B. Determination of lycopene's concent. Food Science, 2005, 26(9): 566-569. ( in Chinese)

[35] DU Y D, NIU W Q, GU X B, ZHANG Q, CUI B J, ZHAO Y. Crop yield and water use efficiency under aerated irrigation: A meta- analysis. Agricultural Water Management, 2018, 210: 158-164.

[36] CHEN J, KANG S Z, DU T S, QIU R J, GUO P, CHEN R Q. Quantitative response of greenhouse tomato yield and quality to water deficit at different growth stages. Agricultural Water Management, 2013, 129(11): 152-162.

[37] TOOR R K, SAVAGE G P, HEEB A. Influence of different types of fertilisers on the major antioxidant components of tomatoes. Journal of Food Composition and Analysis, 2006, 19(1): 20-27.

[38] FRUSCIANTE L, CARLI P, ERCOLANO M R, PERNICE R, DI M A, FOGLIANO V, PELLEGRINI N. Antioxidant nutritional quality of tomato. Molecular Nutrition & Food Research, 2010, 51(5): 609-617.

[39] RAO A V, AMANAT A. Biologically active phytochemicals in human health:Lycopene. International Journal of Food Properties, 2007, 10(2): 279-288.

[40] 臧明, 雷宏军, 潘红卫, 刘欢, 徐建新. 增氧地下滴灌改善土壤通气性促进番茄生长. 农业工程学报, 2018, 34(23): 109-118.

ZANG M, LEI H J, PAN H W, LIU H, XU J X. Aerated subsurface drip irrigation improving soil aeration and tomato growth. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34(23): 109-118. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.013. (in Chinese)

[41] WOLF B. The fertile triangle: The interrelationship of air, water, and nutrients in maximizing soil productivity. Soil Science, 2000, 165(8): 677-679.

[42] 赵旭, 李天来, 孙周平. 番茄基质通气栽培模式的效果. 应用生态学报, 2010, 21(1): 74-78.

ZHAO X, LI T L, SUN Z P. Effects of substrate-aeration cultivation pattern on tomato growth. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(1): 74-78. (in Chinese)

[43] 赵丰云, 郁松林, 孙军利, 蒋宇, 刘怀峰, 于坤. 加气灌溉对温室葡萄生长及不同形态氮素吸收利用影响. 农业机械学报, 2018, 49(1): 228-234.

ZHAO F Y, YU S L, SUN J L, JIANG Y, LIU H F, YU K. Effect of rhizosphere aeration on growth and absorption, distribution and utilization of NH4+-N and NO3--N of Red Globe grape seedling. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(1): 228-234. (in Chinese)

[44] 张钧恒, 马乐乐, 李建明. 全有机营养肥水耦合对番茄品质、产量及水分利用效率的影响. 中国农业科学, 2018, 51(14): 2788-2798.

ZHANG J H, MA L L, LI J M. Effects of all-organic nutrient solution and water coupling on quality, yield and water use efficiency of tomato. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(14): 2788-2798. Doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2018.14.015 . (in Chinese)

[45] 齐红岩, 李天来, 张洁, 王磊, 陈元宏. 亏缺灌溉对番茄蔗糖代谢和干物质分配及果实品质的影响. 中国农业科学, 2004, 37(7): 1045-1049.

QI H Y, LI T L, ZHANG J, WANG L, CHEN Y H. Effects of irrigation on sucrose metabolism, dry matter distribution and fruit quality of tomato under water deficit. Scientia Agricultura Sinica, 2004, 37(7): 1045-1049. (in Chinese)

Comprehensive Evaluation of Different Oxygation Treatments Based on Fruit Yield and Quality of Greenhouse Tomato
ZHU Yan, CAI HuanJie, SONG LiBing, SHANG ZiHui, CHEN Hui

(Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas, Ministry of Education, Northwest A&F University/Institute of Water-saving Agriculture in Arid Areas of China (IWSA), Northwest A&F University/College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi)

Abstract:【Objective】 Oxygation is defined as the delivery of aerated water directly to the root zone by subsurface drip irrigation (SDI) and is recognized to increase yield and water use efficiency (WUE) through improving soil aeration around SDI drippers. The specific objective was to assess the effects of oxygation under different irrigation amounts and trickle-buried depths conditions on fruit yield and quality and IWUE (irrigation water use efficiency) of greenhouse tomato, and then the optimal treatment was explored through principal component analysis. 【Method】Greenhouse-based experiments were conducted during tomato growing season (from Aug. 18, 2016 to Jan. 9, 2017) under the oxygation (O) and unaerated SDI (S, CK) conditions, which included three different irrigation levels correlated with crop-pan coefficients (kcp) being 0.6 (W1), 0.8 (W2) and 1.0 (W3) and two different emitter depths of 15 cm (D1) and 25 cm (D2), respectively. Consequently, there was a total of 12 treatments (W1D1O, W1D1S, W2D1O, W2D1S, W3D1O, W3D1S, W1D2O, W1D2S, W2D2O, W2D2S, W3D1S and W3D2S) and replied 3 times.【Result】 The results showed that yield per plant, fruit weight, IWUE, the content of lycopene, vitamin C, soluble sugar and sugar-acid ratio in fruit with oxygation were significantly increased by 21.2%, 23.9%, 21.0%, 28.1%, 36.0%, 22.8% and 28.0%, respectively (P＜0.05), compared with the CK. In the principal component analysis, the first principal component was positively affected by lycopene, Vc, IWUE and sugar-acid ratio, and W2D1O and W2D2O were ranked the first and second, respectively. Therefore, compared with other treatments, W2D1O and W2D2O were better in both reducing irrigation water application and improving nutritional quality of tomato fruits. The second principal component was positively influenced by yield per plant and negatively affected by the content of organic acid. Meanwhile, the content of organic acid showed no significant differences among all treatments. What’s more, the yield per plant under W3D1O was the highest. Consequently, the score of the second principal component of W3D1O was the highest. The comprehensive scores of W3D1O were ranked the first among the 12 treatments. 【Conclusion】 Therefore, in this experiment, the combination of kcp being 1.0 with emitter depths of 15 cm under oxygation conditions could best meet the requirements of reducing irrigation water application and improving fruit yield and quality. In a word, the exploration of optimal treatment provided a theoretical basis for the applying of oxygation.

Key words:oxygation; irrigation level; emitter depths; the principal component analysis; yield; quality; tomato; greenhouse