土壤通气通过调控根系特性与氮循环提升番茄产量的机制研究

《BMC Plant Biology》：Soil aeration improves tomato fruit yield by regulating root characteristics and soil nitrogen cycle

本研究针对土壤通气如何影响番茄根系发育及氮素循环的关键问题，通过微纳米气泡通气和地下空气层两种技术，系统揭示了土壤氧气浓度提升对根系形态、根系分泌物、土壤氮素转化及番茄产量的调控路径。研究发现通气处理显著提高土壤孔隙O2浓度，促进根系形态建成和活性物质积累，并通过增强硝化作用提高NO3--N含量，最终使番茄产量提升12%-18%。该研究为设施栽培土壤气体环境调控提供了理论依据和技术路径。

　　

在设施农业快速发展的今天，番茄作为全球重要的经济作物，其产量和品质受到土壤环境的深刻影响。尽管灌溉和施肥技术不断进步，但土壤通气不良导致的根区缺氧问题始终是制约番茄高产的关键瓶颈。当土壤孔隙充满水分时，氧气扩散受阻，根系呼吸受限，进而影响养分吸收和植株生长。更棘手的是，缺氧环境会改变土壤微生物群落结构，抑制硝化作用，导致铵态氮积累而硝态氮不足，进一步影响番茄氮素营养。如何有效改善根区气体环境，成为设施番茄栽培中亟待突破的技术难题。

针对这一挑战，陕西师范大学地理与旅游学院聂欣宇等研究人员在《BMC Plant Biology》上发表论文，通过两年期的温室实验，系统探究了微纳米气泡通气和地下空气层两种通气技术对番茄根系特性、土壤氮循环及产量的调控机制。研究团队在西安农业技术推广中心开展试验，采用随机区组设计，设置不同溶解氧水平的微纳米气泡处理（N1:6.5 mg/L，N2:8.0 mg/L）和地下空气层处理（L1:无垂直管道，L2:有垂直管道），同时以常规灌溉为对照，监测土壤气体、根系形态、根系分泌物及氮素动态等指标。

关键技术方法包括：采用微纳米气泡发生器进行灌溉水预处理，通过PVC管道系统采集土壤孔隙气体样本，利用WinRHIZO Pro图像分析系统量化根系形态指标，采用茚三酮比色法和考马斯亮蓝法分别测定根系游离氨基酸和可溶性蛋白含量，通过酚二磺酸法和靛酚蓝法测定土壤NO₃^--N和NH₄⁺-N含量。

土壤孔隙气体动态变化

研究发现两种通气处理均能显著提高土壤孔隙O₂浓度（17.26% vs 14.84%），降低CO₂浓度（0.186% vs 0.500%）。

地下空气层处理因持续与大气交换气体，增氧效果优于微纳米气泡处理。土壤O₂与CO₂浓度呈显著负相关（y=0.961-0.036x），且高灌溉量（田间持水量60%-90%）会通过占据孔隙空间而降低气体浓度。

土壤氮素转化响应

通气处理显著提升土壤NO₃^--N含量（L2I2处理达32.87 mg/kg），降低NH₄⁺-N含量（CK2处理最高）。氧浓度升高促进了好氧硝化细菌活性，加速铵态氮向硝态氮转化。结构方程模型表明，土壤O₂浓度对NO₃^--N的直接路径系数达0.58，而对NH₄⁺-N为-0.61。

根系形态与生理特性

通气处理使根系总长度增加23%-41%，根表面积提高19%-35%，根尖数和分叉数显著增多。

根系分泌物中游离氨基酸（+38%）、可溶性蛋白（+27%）和可溶性糖（+21%）含量显著提升，根活性（TTC法）增强约33%。主成分分析显示根系形态指标与土壤O₂、NO₃^--N浓度呈显著正相关。

番茄产量形成

地下空气层结合高灌溉处理（L2I2）产量最高，两年平均达98.7 t/ha，较对照提高18%。单果重与土壤O₂浓度、根表面积和根系活性均呈正相关。结构方程模型揭示土壤通气通过"O₂浓度→根系形态/活性→氮素吸收→产量"的多级路径发挥作用，对产量的总解释度达56%。

讨论部分指出，微纳米气泡通过延长水中溶存时间实现持续供氧，而地下空气层通过扩大土壤-大气界面加速气体交换。两种技术分别适用于短周期（推荐N2处理）和长周期（推荐地下空气层）栽培模式。研究创新性地将气体环境调控与根系生理、土壤微生物过程耦合分析，明确了通气技术通过优化根区氧化还原状态，同步改善根系构型和氮素有效性的双重增益机制。

该研究为设施农业土壤管理提供了重要理论支撑：一方面，通过物理通气手段可替代部分化肥投入，减少氮素损失；另一方面，针对不同栽培模式制定差异化通气方案，可实现能耗与效益的最优平衡。未来研究需进一步揭示通气条件下土壤-植物系统中磷钾等元素的循环机制，以及养分在植株体内的转运分配规律，为构建全程气体环境调控技术体系提供完整解决方案。