閆秋艷,董 飛,段增強(qiáng),李 汛,王嬡華,湯 英
(1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 小麥研究所,山西 臨汾 041000;2.中國(guó)科學(xué)院 南京土壤研究所,土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008)
全球CO2上升導(dǎo)致全球氣候變暖,預(yù)計(jì)20世紀(jì)末,地球表面溫度將升高1.4~5.8 ℃[1]。大氣變暖將會(huì)間接影響土壤養(yǎng)分循環(huán)。溫度是調(diào)節(jié)和控制許多生態(tài)學(xué)過(guò)程的關(guān)鍵因素。由于很多生物地球化學(xué)過(guò)程與氣候變化之間存在著反饋關(guān)系,它們對(duì)溫度變化響應(yīng)的研究就顯得尤為重要[2-3]。在1975年,侯光炯院士指出,可以將土溫的日變化幅度大小作為評(píng)價(jià)土壤肥力的數(shù)字化指標(biāo)[4]。土壤微氣候環(huán)境(溫度和濕度)在調(diào)節(jié)土壤元素的礦化和有效性上起到重要作用[5]。因此,研究設(shè)施土壤環(huán)境因素與養(yǎng)分之間的關(guān)系,對(duì)應(yīng)對(duì)全球氣候變化有著重要的作用。
在冬春季設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中,根區(qū)溫度對(duì)作物生長(zhǎng)的影響比氣溫更大[6]。土壤溫度可直接影響植物的生長(zhǎng),也可通過(guò)對(duì)光合作用、水分代謝、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)和植物激素等的作用間接影響植物生長(zhǎng)[7]。根區(qū)低溫環(huán)境下設(shè)施內(nèi)作物光合作用等生理活動(dòng)受到抑制,導(dǎo)致生長(zhǎng)延緩和產(chǎn)量降低。土壤溫度還可以直接影響土壤養(yǎng)分的有效性,如有機(jī)質(zhì)的分解、礦物質(zhì)的風(fēng)化、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化等都伴隨著熱量的吸收和釋放[8]。因此,肥料的施用量及利用率與土壤溫度有著密切的關(guān)系。在冬春季反季生產(chǎn)上,通過(guò)地膜覆蓋[9]、根區(qū)加溫系統(tǒng)[10]等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤溫度的調(diào)控作用,這對(duì)抵抗冬春季低地溫有積極作用。
辣椒(CapsicumannuumL.)是我國(guó)種植面積較大、供應(yīng)期較長(zhǎng)的蔬菜之一。近年來(lái),保護(hù)地栽培面積也不斷擴(kuò)大,在我國(guó)已基本實(shí)現(xiàn)了周年供應(yīng)[11]。然而,秋冬茬辣椒易受到低地溫的限制,對(duì)辣椒生產(chǎn)造成不同程度影響,導(dǎo)致辣椒減產(chǎn)。此外,溫室蔬菜生產(chǎn)中由于過(guò)多得施用肥料,造成溫室土壤養(yǎng)分積累以致次生鹽漬化等,使肥料利用率降低[12]。因此,研究土壤溫度與施肥耦合效應(yīng)至關(guān)重要。
目前,有關(guān)土壤溫度對(duì)設(shè)施蔬菜影響的研究主要側(cè)重于作物生理生化指標(biāo)[7,9,12],土壤溫度與肥料利用之間的關(guān)系研究尚缺。因此,本研究針對(duì)溫室冬季反季節(jié)栽培施肥及其利用率問(wèn)題進(jìn)行探討,以加溫和不加溫土壤為對(duì)比,研究不同土壤溫度下不同施肥方式對(duì)辣椒生長(zhǎng)的影響,并對(duì)辣椒不同生長(zhǎng)時(shí)期土壤理化性狀進(jìn)行監(jiān)測(cè),以期為冬季溫室反季節(jié)辣椒高效栽培提供參考。
試驗(yàn)在江蘇省蘇州市太倉(cāng)陸渡鎮(zhèn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園大棚內(nèi)進(jìn)行。大棚規(guī)格(8連棟大棚,大棚長(zhǎng)40 m、寬8 m、高5 m)。供試土壤為潮土,沙壤土,基本理化性狀為pH值8.31,EC值467.33 μS/cm,堿解氮59.5 mg/kg,速效磷35.97 mg/kg,速效鉀104.24 mg/kg。種植年限約15年,大棚常年以種植小白菜為主。試驗(yàn)前,整地,30 cm深度耕地。每單棟大棚分為4畦,每半畦為一處理小區(qū),小區(qū)面積24 m2(長(zhǎng)16 m×寬1.5 m)。采用裂區(qū)區(qū)組設(shè)計(jì),每小區(qū)為一個(gè)重復(fù),共3個(gè)重復(fù)。
以辣椒品種洛椒巨早306為試驗(yàn)材料。選取飽滿、整齊一致的辣椒種子,于2012年9月7日播種到含有泥炭和蛭石(2∶1,V/V)混合基質(zhì)的育苗盤(pán)中。2012年10月15日,幼苗4片真葉后,選取整齊一致的辣椒幼苗定植,采用5點(diǎn)法定植(圖1),每個(gè)小區(qū)定植約90株辣椒,定植株距50 cm,行距30 cm。
試驗(yàn)設(shè)置土壤溫度和肥料處理2個(gè)因素。土壤溫度采用地?zé)峋€(寧波市鄞州東海畜牧器械廠生產(chǎn),長(zhǎng)120 m,功率為1 000 W)加熱的方式。地?zé)峋€鋪設(shè)方式如圖1所示。利用定時(shí)器和溫控器調(diào)節(jié)溫度。試驗(yàn)設(shè)對(duì)照不加溫和加溫20 ℃共2個(gè)溫度水平。大棚內(nèi)氣溫和濕度均在自然狀態(tài)下,其溫度變化規(guī)律如圖2所示。辣椒苗定植7 d后進(jìn)行不同土壤溫度處理。
每個(gè)溫度下均設(shè)3個(gè)肥料水平,分別為:①對(duì)照(CK),不施氮肥;②常規(guī)尿素施肥處理(N60),氮肥用量按照辣椒全生育期需求量和文獻(xiàn)確定,施氮肥(尿素)N 900 kg/hm2,其中,40%基施(N 360 kg/hm2),追肥3次,每次追肥180 kg/hm2;③常規(guī)尿素減氮施肥處理(N24):40%的尿素常規(guī)施肥,即施氮肥(尿素)N 360 kg/hm2,其中40%基施(N 144 kg/hm2),
圖1 土壤加熱方式示意Fig.1 Flow chart of the heating method for soils
圖 2 冬季處理晝夜空氣和土壤溫度日變化規(guī)律Fig.2 Day and night changes of air and soil temperature in winter treatment
追肥3次,每次追肥72 kg/hm2。N60和N24處理在開(kāi)花期后結(jié)果期前各追肥1次,其余2次在結(jié)果期后追施。所有肥料處理的磷鉀肥用量都相同,磷肥為過(guò)磷酸鈣,用量為1 031.3 kg/hm2,鉀肥為硫酸鉀,用量為660 kg/hm2,全部基施。定植前15 d施入肥料,精耕0~20 cm土壤,使肥料與土壤混勻。
1.4.1 辣椒干物質(zhì)量測(cè)定 分別在辣椒生長(zhǎng)的苗期和開(kāi)花期采取辣椒苗,每處理取3株,取樣后用純凈水洗干凈,用紗布將植株擦干,將辣椒苗分為根系、莖、葉片4個(gè)部分,105 ℃烘箱殺青30 min,于75 ℃烘干24 h后,稱重。
1.4.2 土壤基本理化性狀及酶活性 分別于辣椒生長(zhǎng)的苗期、開(kāi)花期和結(jié)果期采集土樣。按照“S”曲線采取0~20 cm的混合土樣。土壤自然風(fēng)干,研磨過(guò)2 mm篩備用。土壤基本理化性狀參照魯如坤[13]相關(guān)方法進(jìn)行測(cè)定。土壤脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測(cè)定[14]。
采用Excel 2003作圖和SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。
從表1可以看出,苗期不加溫土壤,除了N60處理比對(duì)照根系鮮質(zhì)量略有降低外,大多施肥處理比對(duì)照辣椒根系、莖、葉片和總鮮質(zhì)量增加。與對(duì)照不施肥處理相比,施肥均使辣椒根系、莖、葉片和總干質(zhì)量增加。加溫20 ℃土壤,施肥使根系、莖、葉片和總鮮質(zhì)量和干質(zhì)量增加。加溫比不加溫對(duì)根系干物質(zhì)量的增加作用顯著。各施肥處理下,加溫比不加溫處理均使辣椒苗總鮮質(zhì)量增加,CK、N60和N24分別增加12.89%,26.52%和23.69%。相同施肥處理下,加溫比不加溫均使辣椒苗不同組織和總干質(zhì)量增加,其中,對(duì)根系的影響處理間差異較大,對(duì)莖的影響除加溫和不加溫的CK處理均最低外,其余處理間無(wú)顯著差異。對(duì)葉片干質(zhì)量的影響除不加溫土壤的CK處理最低外,其余處理間無(wú)顯著差異。總干質(zhì)量在相同施肥處理下,CK、N60和N24加溫比不加溫分別增加12.79%,26.94%和32.22%。
從表1還可以看出,開(kāi)花期2種土壤溫度條件下,辣椒根系、莖、葉片和總干質(zhì)量的影響大都表現(xiàn)為N60>N24>CK。相同施肥處理下,加溫比不加溫使辣椒根系、莖、葉和總鮮質(zhì)量大部分增加。加溫比不加溫使相同施肥處理CK、N60和N24的辣椒苗總鮮質(zhì)量分別增加10.12%,37.94%和76.31%,總干質(zhì)量分別增加2.30%,20.05%和65.90%。
表1 土壤溫度對(duì)不同施肥方式下辣椒幼苗期(生長(zhǎng)30 d后)和開(kāi)花期(生長(zhǎng)75 d后)不同組織生物量的影響Tab.1 Effect of soil temperature on different organ biomass of pepper seedling (30-day-old) and flowering (75-day-old) growth periods in different fertilizer treatments g/株
注:同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。表2同。
Note:Values followed by different letters within a column indicated significant differences atP< 0.05. The same as Tab.2.
從表2可以看出,不加溫土壤,辣椒株高、植株成活率和產(chǎn)量在施肥(N60和N24)處理中略高于CK,其中N60處理的辣椒株高和公頃產(chǎn)量顯著高于N24和CK。加溫土壤,施肥處理N60和N24比CK各項(xiàng)指標(biāo)均顯著增加,產(chǎn)量增加最明顯,且N60和N24處理間差異不顯著;相同施肥處理下,加溫比不加溫辣椒成活率增加,苗數(shù)增多,單株產(chǎn)量和公頃產(chǎn)量均增加。其中CK、N60和N24處理加溫比不加溫公頃產(chǎn)量分別增加21.1%,45.6%,69.6%。
表2 土壤溫度對(duì)不同施肥方式下辣椒植株成活率、單株產(chǎn)量和公頃產(chǎn)量的影響Tab.2 Effect of soil temperature on plant survival rate,yield per plant and yield per hectare of pepper in different fertilizer treatments
從圖3可以看出,2種溫度條件下,施肥均使土壤pH值降低,N60處理pH值降低程度較N24大。加溫使同施肥處理下土壤pH值降低更明顯;隨著辣椒苗生育期的延長(zhǎng),各處理土壤pH值多表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)。從幼苗期到開(kāi)花期,CK處理在2種溫度下pH值變化不大,到結(jié)果期明顯降低;EC值在CK處理下隨著生育期的延長(zhǎng)均略有增加,在加溫條件下整體高于不加溫條件,施肥使土壤EC值明顯增加,氮肥施用量越大,EC值增加越明顯。同施肥條件下,加溫比不加溫使苗期和結(jié)果期EC值增加;堿解氮含量在不加溫條件下表現(xiàn)為隨生育期的延長(zhǎng)先略升高后降低的趨勢(shì),在加溫條件下表現(xiàn)為從苗期到開(kāi)花期N60和CK略有降低,N24升高,結(jié)果期均增加。生育中期,加溫條件下土壤堿解氮在各施肥處理下有個(gè)低谷期,低于不加溫土壤的同施肥處理;速效磷隨生育期延長(zhǎng),在各處理間的變化趨勢(shì)不一致。N60和CK處理在2種土壤溫度條件下基本呈升高趨勢(shì),尤其在加溫條件下,升高較明顯。N24處理的速效磷含量在2種溫度條件下持續(xù)降低;2種溫度條件下,與CK比, N60和N24處理使辣椒幼苗期和開(kāi)花期速效鉀含量增加,但結(jié)果期,CK處理的速效鉀含量高于施肥處理;不加溫條件下,從幼苗期到開(kāi)花期,除N60處理脲酶活性升高外,N24和CK處理降低,結(jié)果期脲酶活性在各處理下均增加。加溫條件下,脲酶活性在各施肥處理中隨生育期延長(zhǎng)表現(xiàn)為持續(xù)上升的趨勢(shì)。開(kāi)花期,脲酶活性在加溫條件下表現(xiàn)較高。
圖3 土壤溫度對(duì)不同施肥方式下辣椒幼苗期、開(kāi)花期和結(jié)果期土壤基本理化性狀的影響Fig.3 Effect of soil temperature on soil physical and chemical properties of pepper seedling growth period in different fertilizer treatments
土壤低溫是我國(guó)冬季日光溫室栽培過(guò)程中出現(xiàn)的主要不利環(huán)境條件之一[15]。本研究對(duì)土壤溫度的觀測(cè)結(jié)果表明,冬季土壤溫度的回升較慢,幅度也較小,造成土壤溫度與氣溫相差較大。適宜提高地溫,可以保障設(shè)施蔬菜正常生長(zhǎng)[16]。本研究表明,根區(qū)溫度的提高顯著增加了辣椒的株高、干物質(zhì)量和產(chǎn)量,減少了辣椒漚根及病株的數(shù)量、黃葉等現(xiàn)象的發(fā)生,顯著提高了植株存活率。加溫區(qū)辣椒苗達(dá)到“滿天星”時(shí)期早于不加溫區(qū),縮短大田生育期,提早結(jié)果。適宜土壤溫度促進(jìn)植物根的擴(kuò)展,顯著增加單位根長(zhǎng)養(yǎng)分的吸收作用[17]。另外,土壤溫度升高使植物根系的代謝活動(dòng)隨著土壤溫度的增加而加快,促進(jìn)了細(xì)胞分裂和生長(zhǎng)激素的分泌,從而促進(jìn)根系體積和吸收面積的增加,有利于根系吸收更多的水分和養(yǎng)分,繼而促進(jìn)植物地上部生長(zhǎng)[18]。土壤加溫的作用首先表現(xiàn)在對(duì)根系生物量積累上增加,這為辣椒地上部生長(zhǎng)提供了基礎(chǔ)。在辣椒幼苗期和開(kāi)花期,施肥處理在不同土壤溫度下的表現(xiàn)不一致。不加溫土壤,N60和N24處理沒(méi)有顯著達(dá)到對(duì)辣椒苗生長(zhǎng)的促進(jìn)作用。山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所設(shè)施栽培逆境生理課題組前期對(duì)黃瓜的研究表明,提高根區(qū)溫度比增加肥料濃度更能增強(qiáng)肥料利用效率并促進(jìn)作物生長(zhǎng)[19]。然而,在土壤加溫條件下,施肥量的高低決定了辣椒生長(zhǎng)的優(yōu)劣,加溫土壤比不加溫土壤使施肥處理N60和N24辣椒單株產(chǎn)量和公頃產(chǎn)量均提高45.6%和69.6%,CK提高21.1%。
本研究顯示,2種土壤溫度條件下,對(duì)照CK處理的pH值從幼苗期到開(kāi)花期幾乎不變,而施肥處理N60和N24使pH值隨生育期延長(zhǎng)持續(xù)降低,說(shuō)明尿素追肥對(duì)pH值影響較大。Silber等[20]研究指出,施氮量比土壤溫度和水分對(duì)pH值降低影響更顯著,可能是因?yàn)镹O3-增加,使酸中和容量減小,pH值降低。施肥在一定程度上對(duì)土壤EC值的貢獻(xiàn)較大。速效養(yǎng)分含量對(duì)土壤鹽分組成起著關(guān)鍵作用。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在生育中期,速效養(yǎng)分含量尤其是堿解氮和速效磷含量處于低峰狀態(tài),這可能與生育中期辣椒對(duì)養(yǎng)分吸收需求量強(qiáng)有關(guān)[21]。但在結(jié)果期,不加溫土壤速效養(yǎng)分的增加潛力明顯低于加溫土壤,可能是由于適宜的土壤溫度條件促使養(yǎng)分的持續(xù)釋放,而在不加溫土壤中,養(yǎng)分處于一個(gè)鈍化的狀態(tài)[22]。結(jié)果期,速效磷和速效鉀在CK處理中較高,可能與CK處理不施氮肥,磷鉀肥釋放量加大有關(guān)。土壤增溫可能會(huì)在一定程度上促進(jìn)土壤呼吸,釋放更多的CO2,主要來(lái)源于微生物作用下有機(jī)物質(zhì)的分解和化學(xué)氧化釋放,土壤肥力高,作物生長(zhǎng)旺盛,且CO2含量與同時(shí)期辣椒產(chǎn)量有一定的正相關(guān)關(guān)系[23]。
脲酶活性與土壤氮素轉(zhuǎn)化存在密切的關(guān)系,土壤加溫使脲酶活性增加,使更多的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有效氮[24]。本研究結(jié)果顯示,加溫比不加溫土壤使辣椒不同生長(zhǎng)時(shí)期土壤脲酶活性大多增加。土壤溫度升高易于增加土壤酶活性(除過(guò)氧化氫酶),可能是由于土壤酶作為一種活性蛋白,在一定溫度范圍內(nèi),其催化活性往往隨溫度的增加而增加,土壤溫度升高通過(guò)影響酶動(dòng)力學(xué)直接影響土壤酶活性[25]。其次,溫度升高可能通過(guò)影響土壤微生物和土壤動(dòng)物群落組成結(jié)構(gòu)、微生物生物量和呼吸作用間接影響土壤酶活性[26]。
因此,提高土壤溫度比增施氮肥更能提高辣椒植株產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收,使肥料得到有效發(fā)揮,一方面是適宜溫度下根系量的增加;另一方面是肥料有效性增加,速效養(yǎng)分含量提高。這種互助關(guān)系使得適宜溫度條件下植株生長(zhǎng)迅速,性狀較優(yōu)。適宜提高冬春季設(shè)施土壤溫度,有助于設(shè)施蔬菜增產(chǎn)增效。
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