CO2 浓度加富下水氮耦合对西瓜生长养分吸收及产量的影响

王晨光,洪婷婷,张 智

(1.陕西省农业技术推广总站,西安 710003;2.西北农林科技大学 园艺学院,陕西杨凌 712100)

西瓜是世界上栽培面积较广,人们较喜爱和普遍食用的瓜果品种。同时,随着社会的发展,中小果型的西瓜越来越受消费者的欢迎,尤其是设施栽培的中小果型西瓜发展越来越迅速[1]。水分和氮肥作为作物生长的两种必需养分,对作物的生长发育和产量影响显著[2]。然而,在中国西北地区,水资源匮乏,不合理灌溉和施氮的现象更为普遍[3]。这不仅造成环境污染和资源浪费,也影响植物的生长和养分吸收,进而限制作物产量的提升[4]。近年来,大量的工业排放和汽车尾气导致大气中CO2浓度逐渐增加[5]。预计到2050年CO2浓度将超过550μmol/mol,到2100年底达700μmol/mol[6]。因此,为了应对气候环境改变对农业生产所带来的影响,探究气候环境与水肥结合对西瓜生长的影响尤为重要。

西瓜生长对氮水平高度敏感[7]。过量施用氮肥会导致植物根系和地上部生长失衡,显着降低产量,并造成环境污染[8]。水分胁迫也会阻碍植物生长,充足的供水可以促进作物生长、提高植株养分的吸收[9]。土壤水分和氮含量可以通过促进光合作用影响植物生长、养分吸收和产量形成[10]。水-氮耦合研究发现,适当的供水可以促进氮元素从营养器官向生殖器官转移[11]。气候变化对植株内部的化学元素组成有显著的影响[12],从而影响植株的生长发育和产量形成。未来CO2浓度升高会增强植株叶片的净光合速率、降低气孔导度及蒸腾速率,从而提高作物的水分利用效率并促进植株的生长[13]。同时,CO2浓度增加也会对植株器官中大量元素和微量元素含量产生负面影响[14]。

前人在水氮耦合对西瓜生长影响上的研究结果,对提高作物产量及高效利用资源提供了重要的理论依据,亦为温室中水肥一体精细化管理做出了贡献。但是在未来CO2浓度升高的情况下,其与水氮的耦合效应仍缺乏系统揭示。因此,本试验主要探究CO2与水氮互作对西瓜的生长、养分吸收和产量的影响,解析产量的形成因素,以期为中国西北地区西瓜的增质稳产以及水氮资源的节约和高效利用提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验场地与材料

试验于2020年5月至7月在陕西省杨凌锦田农庄的小型温室中进行(N34°17′,E108°02′,海拔450 m),温室长8 m、宽4 m、高2.1 m。温室内设有小型气象站(HOBO event logger,Onset computer corporation,USA),可自动记录温度、相对湿度和光照度等气象数据(表1)。

表1 西瓜生育期内温室中的气象条件Table 1 Meteorological conditions in greenhouse during growth period of watermelon

温室内采用基质盆栽,花盆直径30 cm,株距50 cm。供试基质为商品基质,其硝态氮含量为493.5 mg/kg,铵态氮含量为97.0 mg/kg,速效磷含量为31.2 mg/kg,速效钾含量为292.4 mg/kg,EC 值2.30 mS/cm,p H 6.19,基 质 体 积质量0.22 g/cm3,总孔隙度64.98%。

西瓜品种为‘千鼎1号’[15]。采用双蔓整枝,主蔓留瓜的栽培方式,选择主蔓第2和第3朵雌花进行人工授粉,待瓜长到鸡蛋大小时舍弃其中长势较弱的,每株仅留1个瓜。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 设置CO2浓度、施氮量和灌水量3个因素。CO2浓度通过自动监测记录仪进行施用,包括C1(400μL/L)和C2(800μL/L)两个水平;施氮量根据目标产量法[16]计算西瓜整个生育期所需要的氮肥量来确定,包括低氮(N1:644.04 kg/hm2)、中氮(N2:976.07 kg/hm2)和高氮(N3:1 288.09 kg/hm2)3个水平;灌水量根据FAO-56[17]推荐的Penman-Monteith 公式计算,包括低水(I1:80%Ep)、中水(I2:100%Ep)和高水(I3:120%Ep)3个水平,其中Ep为直径20 cm 标准蒸发皿的蒸发量,灌水频度为1次/d。此外,为保证西瓜正常生长所需的营养,对每个处理施用相同的营养液。整个试验共计18个处理,每个处理种植12株。表2为CO2浓度、灌水和氮肥施用方案。

表2 CO2 浓度、氮肥和灌水量施用方案Table 2 CO2 concentration,nitrogen fertilizer and application plan for irrigation amount

1.2.2 项目测定 形态指标:主要包括株高和茎粗,在成熟期每个处理选取5株进行测定。株高用卷尺测量主蔓的子叶到生长点之间的距离;茎粗用游标卡尺测量主蔓子叶位置的直径。每个处理重复3次。

光合指标:在西瓜成熟期,选取最大功能叶片用LI-6800光合仪测定,每个处理重复3次。主要选用指标为净光合速率。

植株养分吸收指标:在西瓜成熟期进行取样,将根、茎、叶、果实分开烘干,将各器官样品分别混匀,用高通量组织研磨仪粉碎后过筛,取0.1 g用浓H2SO4-H2O2消煮法提取植株各器官的全氮、磷、钾元素。用连续流动分析仪测定植株各器官的全氮、全磷含量,用火焰分光光度计测定植株的全钾含量。每个处理重复3次。

产量:每株留1个果实,使用电子天平称取每个处理所有的单果质量,然后折算成公顷产量。

1.3 数据处理

使用Excel(Office 2016.Microsoft Corp,USA)进行数据的简单计算和处理,使用SPSS 23.0(SPSS,IBM,Chicago,USA)进行显著性分析,使用Origin 2018(Origin,Origin Lab,Massachusetts,USA)和Visio 2016(Microsoft Corp,USA)绘柱状图,使用MATLAB 2018(Math-Works,USA)绘制相关性图。

2 结果与分析

2.1 CO2 加富下水氮耦合对西瓜生长和光合的影响

2.1.1 株高和茎粗 试验结果显示,株高随氮肥的增加逐渐降低,氮肥和灌水交互显著影响着株高(表3)。虽然CO2对株高影响不显著,但是CO2与氮肥交互显著影响株高,增加CO2浓度对中高氮水平下的株高有显著促进效果(表3,图1)。最大的株高出现在T2,比最小处理T4高出43.0%。

图1 不同处理下西瓜的株高和茎粗Fig.1 Plant height and stem thickness of watermelon under different treatments

茎粗受CO2浓度影响显著,CO2加富后茎粗呈现降低趋势,降低幅度最大的是T15处理,与T6相比降低27.2%;同时,随着灌水量的增加,茎粗表现为先增加后降低的趋势(表3)。虽然氮肥对茎粗影响不显著,但是氮肥与CO2交互以及氮肥与灌水交互均显著影响茎粗(表3)。综合来看,最优处理为T6,比最低处理T13 高出33.9%。

2.1.2 净光合速率 增加CO2浓度显著地提高了净光合速率,提高值达11.8%;净光合速率随氮肥的增加呈现先增后减的趋势,随灌水增加则逐渐增大(表3)。CO2与灌水交互、水氮交互及三因素交互作用均显著影响净光合速率(表3)。增加CO2尤其对中、高水处理下的净光合速率提升显著(图2)。综合来看,净光合速率最高的处理为T15,达到29.11μmol/(m2·s)。

图2 不同处理下西瓜的净光合速率Fig.2 Net photosynthetic rate of watermelon under different treatments

2.2 CO2 加富下水氮耦合对西瓜养分吸收的影响

2.2.1 植株养分吸收 增加CO2浓度显著提高西瓜植株的氮吸收量;同时,随着氮肥的增加,氮吸收量也呈现显著上升趋势,所有的交互效应也对氮吸收量影响显著(表3)。增加CO2浓度对低氮处理下的总氮吸收量改善最为显著,达9.32%(图3)。在400μL/L 的CO2浓度下,随着氮肥的增加,高水下的氮吸收量不断升高;在800 μL/L的CO2浓度下,随着氮肥的增加,低水下的氮吸收量不断升高(图3)。T9处理有最大的氮吸收量,可达9.11g/株,比最低处理T3 高出36.8%。

表3 CO2 加富下水氮耦合处理的西瓜生长、养分吸收及产量情况Table 3 Watermelon growth,nutrient absorption and yield under CO2 enrichment plus water-nitrogen coupling

西瓜植株的总磷吸收量仅受氮肥与灌水量交互以及三因素交互的显著影响(表3)。在400 μL/L的CO2浓度下,高氮可以提高I3处理下的总磷吸收量(图3)。综合来看,总磷吸收量最高的处理为T4,可达1.03g/株,比最低处理T7高出28.8%。

钾吸收量只受单一因素即氮肥显著影响,随氮肥的增加逐渐降低。但所有的交互效应均显著影响西瓜植株对钾元素的吸收(表3)。在800 μL/L的CO2浓度下,低氮处理下的钾吸收量高于中氮和高氮处理(图3)。T10处理的钾吸收量最大,可达6.46 g/株,高出最低处理T7 的49.9%。

从氮、磷、钾元素吸收总量来看,相比于常规CO2浓度,800μL/L 的CO2浓度下的总体元素总吸收量更高,总体差异为2.9%。元素总吸收量最大及最小的处理均出现在400μL/L 的CO2浓度下,分别是T9和T3(图3)。

图3 不同处理下西瓜植株的氮、磷、钾吸收Fig.3 Plant nitrogen,phosphorus and potassium absorption of watermelon under different treatments

2.2.2 果实养分吸收 果实氮吸收量随施氮量的增加呈现先增后减的趋势,随灌水量的增加则逐渐增加。虽然CO2对果实氮吸收影响不显著,但CO2与水、氮的交互则对其影响显著(表3)。在400μL/L的CO2浓度下,T6(C1N2I3)的果实氮元素吸收量最高,为53.46 mg/g;在800μL/L的CO2浓度下,T11(C2N1I2)的果实氮元素吸收量最高,为49.71 mg/g(图4)。

增加CO2浓度对果实磷吸收量的提升达12.0%;果实磷吸收量随灌水量的增加逐渐减小。此外,所有的交互效应均显著影响果实磷吸收量(表3)。综合来看,T13的果实磷吸收量最高,可达10.57 mg/g(图4)。

果实钾吸收量对CO2浓度的响应与磷一致,在CO2浓度升高后显著增加,800μL/L 浓度下的果实钾吸收量提高7.7%。随氮肥的增加,果实钾吸收量表现为N2＞N3＞N1。从交互效应上看,CO2与灌水交互、CO2与氮肥交互以及三因素交互均显著影响果实钾吸收量(表3)。T16处理有最高的果实钾吸收量,比最低处理T7 高58.8%(图4)。

图4 不同处理下西瓜的果实氮、磷、钾吸收Fig.4 Fruit nitrogen,phosphorus and potassium absorption of watermelon under different treatments

从总的果实元素积累量来看,高CO2浓度下的果实元素积累量更加均衡,与400μL/L 的CO2浓度相比,CO2加富后对高氮处理的元素吸收量的促进作用最为显著。

2.3 CO2 加富下水氮耦合对西瓜产量的影响

产量受单一因素灌水量和氮肥的显著影响,随灌水量及氮肥的增加,产量均呈现先升高后降低的趋势。但随灌水量表现为I2＞I3＞I1,随氮肥表现为I2＞I1＞I3(表3)。虽然CO2加富对产量无显著影响,但CO2与灌水量、与氮肥交互以及三因素交互均显著影响产量。综合来看,T6(C1N2I3)的产量最高,高于最低处理 T7(C1N3I1)的35.4%(表3,图5)。

图5 不同处理下西瓜的产量Fig.5 Watermelon yield under different treatments

2.4 西瓜产量的构成因素分析

为了探索西瓜生长与产量形成之间的关系,将西瓜生长、光合及养分吸收共9个指标与产量进行相关性分析(图6)。可以看出,一共存在38组正相关关系和7组负相关关系。其中,与产量存在正相关的指标有8个,负相关1个,相关性排序为果实氮含量(0.720)＞净光合速率(0.697)＞总氮含量(0.692)＞总钾含量(0.504)＞株高(0.490)＞茎粗(0.395)＞果实钾含量(0.391)＞总磷含量(0.203)＞果实磷含量(-0.056)。从排序中可知,与产量相关性最大的是果实氮含量,其次为净光合速率和总氮含量;总磷含量和果实磷含量与产量的相关性最弱。将相关性排名前4名的处理(相关系数0.5以上)的指标:果实氮含量、净光合速率、总氮含量和总钾含量在400μL/L和800μL/L CO2浓度下的最优处理进行综合,发现重复性较高的处理分别为T6、T5 和T15、T11。产量在400μL/L 和800μL/L CO2浓度下的最优处理分别为T6(产量值为34 039.72 kg/hm2)和T11(产量值为33 654.28 kg/hm2)。因此,当CO2浓度为400μL/L时,T6(CO2:400 μL/L,氮肥:972.07 kg/hm2,灌水量:1 148.76 m3/hm2)处理为推荐方案。当CO2浓度为800 μL/L 时,T11(CO2:800 μL/L,氮 肥:664.04 kg/hm2,灌水量:957.30 m3/hm2)处理为推荐方案。

图6 西瓜生长与产量的相关性分析Fig.6 Correlation analysis of comprehensive growth and yield of watermelon

3 讨论

本研究结果发现,茎粗随着灌水量的增加呈现出先增大后减小的趋势(图1)。这与江俊燕等[18]在马铃薯中的研究结果相似,在一定的范围内,灌水量越大、灌水周期越短则马铃薯的株高和茎粗越大。本试验发现,虽然CO2对株高影响不显著(表3),但是增加CO2浓度对中、高氮处理下的株高有促进作用(图1)。前人在对冬小麦的研究中也发现这一规律,高CO2浓度显著提高冬小麦的株高,同时随着氮肥的增加,株高的增加量越大[19]。有研究[20]发现,提高CO2浓度可以显著刺激叶片光合作用并促进植物生长,这与本研究结果一致,增加CO2浓度提高净光合速率达11.8%(图2)。这是因为大气CO2浓度升高会增加植物对用于叶片光合作用的原料CO2的摄入[21-22]。

在养分吸收方面,本试验结果发现,CO2浓度升高后显著增加西瓜植株的氮吸收量,但对果实的氮吸收量影响不显著(表3)。有研究表明在不同组织和试验条件下,生长在高CO2浓度环境下植株的总矿物质含量下降约8%[23],矿质营养的下降与土壤向根系表面运输养分的质流通量下降、根系获取养分能力减弱及由于生物量增加而导致的“稀释效应”有关[24]。然而也有研究发现,尽管在高CO2浓度环境下植株体内矿质元素的浓度降低,但从植株水平上看,矿质营养的总量可能不变甚至提高[25]。这与本试验从植株水平上看,总的氮吸收量增加结果一致。试验结果还发现,植株总氮的吸收量随氮肥施用量的增加而显著增加,而果实氮吸收量呈先增后减的趋势(表3)。同时,增加CO2浓度显著提高低氮处理下的氮吸收量(达9.32%,图4)。有研究发现,在同一生育期内,小麦植株的氮含量和积累量都随施氮量的增加而提高[26]。同时,也有研究表明,植株的干物质积累会随CO2浓度升高而增加,因此植株水平上的氮元素吸收量也会增加,并且增加CO2可以显著提高低氮处理下的干物质积累,从而促进低氮处理下氮元素的吸收[27]。

产量是作物生长的最终结果。在本研究结果中,灌溉对产量产生了显著影响,并且随着灌溉量的增加,产量增加明显(图5)。许多研究发现,与亏缺灌溉相比,充分灌溉可以显着提高产量[28]。为了探索西瓜生长与产量之间的关系,将西瓜生长、养分吸收和光合指标与产量进行相关性分析。与产量相关性最大的是果实氮含量,其次为净光合速率和总氮含量,总磷含量和果实磷含量与产量的相关性最弱。禄兴丽等[29]在马铃薯研究中发现,净光合速率、株高都与产量呈正相关,可以有效促进产量的形成。也有研究通过相关性和主成分分析发现,水稻的氮含量和钾含量对产量具有显著影响[30]。这些都与本试验结果一致。相比于常规400μL/L 浓度下的中氮高水最优处理,CO2加富与水氮具有耦合效应,对低氮下的产量及生长指标均有改善,中水施用下的表现也优于高水。因此,当未来CO2浓度升高后,适当减少水氮的施用,可保证西瓜的生长及产量行成。

4 结论

株高受氮肥影响显著,随着施氮量增加株高逐渐降低;增加CO2浓度对中、高氮处理下的株高有促进作用。茎粗受单一因素CO2和灌水影响显著,随着灌水量的增加呈现出先增大后减小的趋势;氮肥与CO2交互以及氮肥与灌水交互也显著影响茎粗。灌水、施氮及CO2浓度均显著影响净光合速率,CO2浓度加富下,净光合速率提高,达11.8%,对中、高水处理下的促进更为明显。

总氮吸收量受CO2和氮肥影响显著,氮肥施用量的增加及CO2浓度升高均显著促进氮吸收量,尤其增加CO2浓度可提升低氮处理下的氮吸收量(达9.32%)。磷吸收量仅受氮肥与灌水交互以及三因素交互显著影响;钾吸收量随氮肥的增加逐渐降低。果实的磷、钾吸收量随CO2浓度增加而增大,分别提高12.0%和7.7%。当施氮量递增时,果实氮和钾吸收量先增加后减小。随着灌水量的增大,果实氮吸收量逐渐增多,而磷含量逐渐减小。从总的果实元素积累量来看,高CO2浓度下的果实元素积累量更加均衡,与正常CO2浓度相比,CO2加富后对高氮处理元素吸收量的促进作用最为显著。

产量仅受单一因素即灌水量和氮肥的显著影响,在中、高水处理下表现最优,随着氮肥的增加产量先升高后降低。虽然CO2加富对产量无显著影响,但CO2与灌水量、氮肥交互以及三因素交互均对产量影响显著。西瓜生长、光合及养分吸收与产量之间的相关性分析表明,与产量相关性最大的是果实氮含量,相关系数为0.720,其次为净光合速率和总氮含量。综合产量及其构成因素分析,当CO2浓度为400μL/L 时,T6(CO2:400 μL/L,氮 肥:972.07 kg/hm2,灌 水 量:1 148.76 m3/hm2)整体表现最优。当CO2浓度为800 μL/L 时,T11(CO2:800 μL/L,氮 肥:664.04 kg/hm2,灌水量:957.30 m3/hm2)为最适水氮管理方案,即当未来CO2浓度升高后,可以适当减少水氮的施用。