緱兆輝,秦啟杰,呂 劍,車旭升,羅 建,張 輝,張國斌

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730030)

紫甘藍(lán)是高原夏菜主栽品種之一，其以獨(dú)特的顏色、清爽的口感、優(yōu)越的品質(zhì)成為熱銷產(chǎn)品。當(dāng)?shù)夭宿r(nóng)在紫甘藍(lán)生產(chǎn)中為達(dá)到高產(chǎn)目的，往往會過量施肥，從而導(dǎo)致土壤次生鹽漬化，土壤理化性質(zhì)劣變，甚至造成環(huán)境污染，而傳統(tǒng)的大水漫灌、溝灌方式不僅導(dǎo)致土壤呼吸不暢、地溫降低，且肥料淋溶問題嚴(yán)重[1]。土壤養(yǎng)分含量的高低不僅可以直接影響作物的正常生長發(fā)育[2]，還可以反映土壤健康狀況，同時(shí)影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中能量與物質(zhì)的循環(huán)，主導(dǎo)有機(jī)物碳的分解轉(zhuǎn)化[3-4]。土壤酶是土壤中最活躍的部分，其對土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化起著非常重要的介導(dǎo)作用，因此與土壤肥力關(guān)系緊密相關(guān)[5]。水肥管理會直接影響土壤環(huán)境變化，而土壤酶活性對其響應(yīng)尤為敏感，即施肥和灌溉等農(nóng)藝活動(dòng)能夠顯著影響土壤酶活性[6-9]。研究表明，氮、磷、鉀等不同種類肥料單施或配施可提高麥田土壤酶活性[10-11]。在水肥一體化條件下，增施氮肥會提升番茄土壤氮素相關(guān)酶活性[12]，適宜的水肥配比可以顯著提高土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶、脲酶活性[13]。水肥耦合對土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量具有顯著影響，且對不同養(yǎng)分的影響效應(yīng)不同[14]。

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院設(shè)施園藝課題組近幾年致力于露地蔬菜水肥一體化效應(yīng)研究, 將基于滴灌的水肥耦合技術(shù)、化肥減量技術(shù)、平衡施肥技術(shù)有效集成，應(yīng)用在露地松花菜、青花菜、西蘭花等高原夏菜上[15-17]，研究表明，基于滴灌的水肥一體化技術(shù)較傳統(tǒng)灌水施肥制度和方式具有顯著的增產(chǎn)、改善品質(zhì)、節(jié)水省肥等優(yōu)點(diǎn)。因此，本研究針對目前蘭州市高原夏季紫甘藍(lán)生產(chǎn)中水肥管理存在的問題，以紫甘藍(lán)品種‘歐美羅’為試驗(yàn)材料，研究滴灌條件下水肥耦合對蘭州市露地紫甘藍(lán)土壤養(yǎng)分積累、pH、可溶性離子濃度(EC)、土壤酶活性、土壤呼吸的影響，旨在篩選最優(yōu)水肥組合，為紫甘藍(lán)灌溉施肥管理提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在甘肅省榆中縣清水驛鄉(xiāng)稠泥河村進(jìn)行，該地區(qū)平均海拔1 790 m，平均氣溫6.60℃，年降雨量400 mm以上，無霜期150 d左右。供試土壤為壤土，供試作物為紫甘藍(lán)(BrassicaoleraceaL. var.capitatarubra)品種‘歐美羅’，供試肥料均使用水溶肥，分別為四川德美實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的磷酸氫二銨(P2O5≥53.0%、N≥20.8%)和硫酸鉀(K2O≥52.0%)；云南云天化股份有限公司生產(chǎn)的尿素(N≥46.0%)；山東華諾聯(lián)邦農(nóng)化有限公司生產(chǎn)的磷酸二氫鉀(P2O5≥52%、K2O≥34%)。試驗(yàn)地 0～20 cm 耕層土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)地0～20 cm耕層土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用一壟雙行壟面覆膜的栽培模式，壟寬70 cm、溝寬40 cm，雙行三角形定植，株距35 cm、行距40 cm，秧苗密度3 388株·667m-2。使用膜下滴灌系統(tǒng)，支管沿壟面單向分布，毛管分布于支管兩側(cè)，支管垂直于干管，干管與水泵出口相連，1壟1管，滴孔間距35 cm。采用雙因素交互設(shè)計(jì)。因素一為施肥量，N、P、K施肥量設(shè)3個(gè)水平，分別為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施肥量(高肥F1)，當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施肥量的80%(中肥F2)，當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施肥量60%(低肥F3)；因素二為灌水下限，設(shè)3個(gè)水平W1、W2、W3，其中W1為田間持水量(θf)的80%、W 2為60%θf、W3為40%θf，灌水上限統(tǒng)一設(shè)定為95%θf，組成9(3×3)個(gè)水肥一體化處理組合，以大水漫灌、當(dāng)?shù)厥┓柿拷M合為對照(CK)。試驗(yàn)共10個(gè)處理, 3次重復(fù)，共計(jì)30個(gè)小區(qū)。

試驗(yàn)開始前各處理統(tǒng)一撒施農(nóng)家肥9 300 kg·km-2及化肥N、P、K(分別為108、276 kg·hm-2和0 kg·hm-2)，并翻入土中。其余化肥為追肥，分5次進(jìn)行，具體情況見表2。3月8日育苗，4月17日選擇大小一致、無病蟲害、生長健壯的幼苗進(jìn)行定植。定植當(dāng)天澆一次緩苗水，10 d以后進(jìn)行設(shè)定的水肥處理。整個(gè)生育期病蟲害防治等田間管理措施與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)管理措施保持一致，用烘干法監(jiān)測土壤含水量，待含水量到下限時(shí)灌水至上限，灌水量由水表讀出。灌水量計(jì)算公式如下[18]：

表2 不同處理施肥量/(kg·hm-2)

M=S×r×h×Q×(q1-q2)×P

式中,M為計(jì)劃灌水量(m3)；P為滴灌潤濕比(50%)；S為小區(qū)面積(23.55 m2)；r為土壤容重(1.60 g·cm-3)；h為計(jì)劃濕潤深度(0.2 m)；Q為田間持水量(28.72%)；q1和q2分別代表灌水上限和下限(田間持水量θf的百分比)，具體情況見表3。

表3 不同處理灌水量/(m3·hm-2)

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤取樣方法 每小區(qū)分別在蓮坐期、結(jié)球期、采收期選11棵植株，以土鉆取植株半徑15 cm 內(nèi)、20 cm深的土壤，混勻后利用四分法選取適當(dāng)土樣裝于自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，一部分土樣自然風(fēng)干過1 mm的篩后待測土壤酶活性，另一部分過0.25 mm的篩后測土壤中速效養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)的含量，采收期土壤風(fēng)干后過0.25 mm的篩后測土壤中的全N、全P、全K，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.3.2 紫甘藍(lán)產(chǎn)量測定 避開邊際效應(yīng)，每個(gè)小區(qū)取20株紫甘藍(lán)測定生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。之后算出小區(qū)產(chǎn)量，根據(jù)小區(qū)產(chǎn)量折算每公頃產(chǎn)量。

1.3.3 采收期全N、全P和全K的測定 測定采收期土壤的全N、全P和全K，測定前期統(tǒng)一用H2O2-H2SO4消煮，全N、全P和全K分別用凱氏定氮法、磷鉬藍(lán)比色法、火焰光度計(jì)法[19]測定。

1.3.4 速效養(yǎng)分的測定 堿解氮、速效磷、速效鉀分別用堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法、乙酸銨-火焰光度計(jì)法測定。

1.3.5 酶活性的測定 蔗糖酶活性用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；過氧化氫酶(catalase , CAT)的測定采用高錳酸鉀滴定法；土壤呼吸用CIRAS-Ⅱ型光合儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

用 Microsoft Excel 2016軟件處理數(shù)據(jù)和作圖，用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，并運(yùn)用Duncan’s檢驗(yàn)法對顯著性差異(P<0.05)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥耦合對露地紫甘藍(lán)產(chǎn)量的影響

由表4可知，各處理紫甘藍(lán)單球重、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)系數(shù)均大于CK處理。W2F2處理單球重、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)系數(shù)均最大，且較CK分別提高了16.33%、16.37%、10.42%。而生物產(chǎn)量以W1F2處理最大。在同一灌水下限時(shí)，隨施肥量的增加單球重和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量均表現(xiàn)為中肥(F2)處理高于高肥(F1)和低肥(F3)處理，在80%θf(W1)處理時(shí)，隨施肥量的增加生物產(chǎn)量呈先增后減的趨勢，而經(jīng)濟(jì)系數(shù)則呈上升趨勢，在40%θf(W3)處理與60%θf(W2)處理中隨施肥量的增加生物產(chǎn)量表現(xiàn)為高肥(F1)處理均高于中肥(F2)和低肥(F3)處理，經(jīng)濟(jì)系數(shù)則表現(xiàn)為中肥(F2)處理均高于高肥(F1)和低肥(F3)處理。在同一施肥水平時(shí)，隨灌水量的增加，葉球重、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量在高肥(F1)和中肥(F2)處理下呈先增后降的趨勢，而在低肥(F3)處理下表現(xiàn)為升高趨勢，但在高肥(F1)和低肥(F3)處理中增加并不顯著，隨灌水量的增大經(jīng)濟(jì)系數(shù)表現(xiàn)為先升后降的趨勢，生物產(chǎn)量在中肥(F2)與低肥(F3)處理下呈增大趨勢，而在高肥(F1)處理下呈先增后降的趨勢。

表4 水肥耦合對露地紫甘藍(lán)產(chǎn)量的影響

2.2 水肥耦合對露地紫甘藍(lán)土壤蔗糖酶活性的影響

土壤蔗糖酶在土壤中廣泛存在，常用于表示土壤的熟化程度，能催化促進(jìn)土壤中蔗糖水解成葡萄糖和果糖。由圖1可知，隨著紫甘藍(lán)生育期的推進(jìn)，土壤蔗糖酶活性呈降低趨勢。在同一灌水下限時(shí)，在各生育期內(nèi)隨施肥量的增加土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)先升后降的趨勢。在同一施肥水平時(shí)，在各生育期內(nèi)隨灌水量的增加土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)為60%θf(W2)處理活性最高，40%θf(W3)處理活性最低，80%θf(W1)處理居中。在各生育期內(nèi)W2F2處理的蔗糖酶活性均高于其他處理，且較CK分別顯著提高32.15%、60.12%、69.74%。

2.3 水肥耦合對露地紫甘藍(lán)土壤過氧化氫活性的影響

由圖2可知，隨著紫甘藍(lán)生育期的推進(jìn)，土壤過氧化氫酶活性呈先升高后降低的趨勢。在同一灌水下限時(shí)，在各生育期內(nèi)隨施肥量的增加土壤過氧化氫酶活性均呈現(xiàn)先升后降的趨勢。在同一施肥水平時(shí)，在各生育期內(nèi)隨灌水量的增加土壤過氧化氫酶活性均呈現(xiàn)先升后降的趨勢。各生育期內(nèi)W2F2處理的土壤過氧化氫酶活性均高于其他處理，且較CK處理分別提高0.74%、0.49%、1.23%。

2.4 水肥耦合對露地紫甘藍(lán)土壤呼吸的影響

由圖3可知，隨著紫甘藍(lán)生育期的推進(jìn)，土壤呼吸呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在同一灌水下限時(shí)，各生育期內(nèi)隨施肥量的增加中肥(F2)處理均高于高肥(F1)和低肥(F3)處理。在同一施肥水平時(shí)，各生育期內(nèi)隨灌水量的增加土壤呼吸均表現(xiàn)為先升后降的趨勢。在各生育期內(nèi)W2F2處理的土壤呼吸強(qiáng)度均高于其他處理，且較CK處理顯著提高30.57%、22.93%、34.12%。

2.5 水肥耦合對露地紫甘藍(lán)土壤EC值的影響

由圖4可知，隨著紫甘藍(lán)生育期的推進(jìn)，土壤EC值大致表現(xiàn)為降低趨勢。不同水肥組合對露地紫甘藍(lán)土壤EC值的影響不同。在同一灌水下限時(shí)，各生育期內(nèi)隨施肥量的增加土壤EC值呈現(xiàn)上升趨勢。在同一施肥水平時(shí)，在各生育期內(nèi)隨灌水量的增加土壤EC值呈現(xiàn)降低的趨勢。在各生育期內(nèi)W1F3處理的土壤EC值均低于其他處理，W2F2處理的土壤EC值在結(jié)球期顯著低于CK處理。

2.6 水肥耦合對露地紫甘藍(lán)土壤pH值的影響

由圖5可知，隨著紫甘藍(lán)生育期的推進(jìn)，土壤pH值表現(xiàn)為上升趨勢，在同一灌水下限時(shí)，在各生育期內(nèi)隨施肥量的增加土壤pH呈現(xiàn)降低的趨勢。在同一施肥水平時(shí)，在各生育期內(nèi)隨灌水量的增加土壤pH呈現(xiàn)降低的趨勢。在各生育期內(nèi)W3F3處理的土壤pH均高于其他處理。

2.7 水肥耦合對露地紫甘藍(lán)采收期土壤N、P、K的影響

由表5可知，在灌水下限相同時(shí)，隨施肥量的增加土壤全N含量表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢；土壤全P、K含量表現(xiàn)為上升的趨勢；土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，60%θf(W2)處理中高肥(F1)、中肥(F2)顯著高于低肥(F3)處理。施肥水平相同時(shí)，隨灌水量的增加，土壤全N、K含量表現(xiàn)為在60%θf(W2)處理高于80%θf(W1)和40%θf(W3)處理(土壤全K含量在F2處理表現(xiàn)為W3、W2相近，而W1最低)；土壤全P含量表現(xiàn)為降低趨勢；土壤有機(jī)質(zhì)含量在高肥(F1)、中肥(F2)施肥水平下表現(xiàn)為先升后降的趨勢，在低肥(F3)施肥水平下表現(xiàn)為上升的趨勢。W2F2處理的有機(jī)質(zhì)含量高于其他處理，且較CK處理顯著提升26.76%。

表5 水肥耦合對采收期土壤N、P、K的影響/(g·kg-1)

2.8 水肥耦合對露地紫甘藍(lán)土壤速效養(yǎng)分的影響

由表6可知，土壤速效磷含量在整個(gè)生育期內(nèi)大致表現(xiàn)為積累，土壤堿解氮、速效鉀含量表現(xiàn)為蓮坐期高于結(jié)球期和采收期。在同一灌水下限時(shí)，隨施肥量的增加土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量在各生育期均表現(xiàn)為上升趨勢。在同一施肥水平下，隨灌水量的增加堿解氮在各生育期內(nèi)均表現(xiàn)為40%θf(W3)處理最高，60%(W2)處理次之，80%θf(W1)處理最低(除蓮座期內(nèi)在F3處理下W3，W2相近W1最低)；速效磷在各生育期內(nèi)均表現(xiàn)為40%θf(W3)處理最高，60%(W2)處理次之，80%θf(W1)處理最低；速效鉀在蓮座期表現(xiàn)為40%θf(W3)處理最高，60%θf(W2)處理次之，80%θf(W1)處理最低，在結(jié)球期與采收期表現(xiàn)為60%θf(W2)處理最高，40%θf(W3)處理次之，80%θf(W1)處理最低。

表6 水肥耦合對土壤速效養(yǎng)分的影響/(mg·kg-1)

3 討 論

產(chǎn)量是決定蔬菜經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)，而適宜的水肥供應(yīng)會有效促進(jìn)植物對養(yǎng)分和水分的吸收，進(jìn)而達(dá)到高產(chǎn)[20]。研究發(fā)現(xiàn)，過高的灌水下限和施肥量在番茄生長旺盛期會抑制干物質(zhì)的積累[21]，高肥和低肥均會影響總干物質(zhì)量的積累和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的增加，高肥的抑制作用更明顯[22]。本研究得到相似結(jié)論，水肥一體化處理的干物質(zhì)總積累量與產(chǎn)量均高于CK處理且差異顯著，60%θf和N、P、K為 373.2、604.8、215.93 kg·hm-2的組合(W2F2)處理的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)系數(shù)最高，水肥利用效率顯著提高，說明水肥互作對紫甘藍(lán)的產(chǎn)量和水分利用率有顯著的影響，當(dāng)水分或養(yǎng)分一定時(shí)，產(chǎn)量隨水分或養(yǎng)分的增加呈開口向下的拋物線狀，可能原因是過低或過高的水分、養(yǎng)分均不利于植株對養(yǎng)分、水分的吸收和利用，從而造成減產(chǎn)，這與李建明等[23]的研究結(jié)果類似。

土壤呼吸強(qiáng)度可作為評價(jià)土壤肥力的指標(biāo)之一，土壤呼吸強(qiáng)度包括土壤微生物的呼吸作用和植物根系的呼吸作用，其中土壤微生物活動(dòng)是土壤呼吸作用的主要來源[24]。土壤酶由微生物與作物根系等共同作用而產(chǎn)生，也是土壤最重要的活性成分之一[25]，它參與土壤所有的生物化學(xué)過程，其活性的高低與土壤中生化過程相對強(qiáng)度有關(guān)，同時(shí)土壤酶活性可迅速響應(yīng)短期的耕作措施對土壤質(zhì)量的影響，進(jìn)而反映土壤質(zhì)量的變化[26-27]。適宜的水分管理和水肥配比有助于提高土壤酶活性[28]，而蔗糖酶與土壤有機(jī)質(zhì)含量成正相關(guān)關(guān)系[29]。本試驗(yàn)各生育期內(nèi)，土壤蔗糖酶、過氧化氫酶和土壤呼吸強(qiáng)度均在60%θf和N、P、K為 373.2、604.8、215.93 kg·hm-2的組合(W2F2)處理下最高，各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量與蔗糖酶活性變化趨勢也一致，說明適量的水肥配比可顯著提高土壤蔗糖酶和過氧化氫酶的活性，但過高或過低的配比則會使酶活性降低[13]，可能原因是施肥量過大或過小，土壤中C/N不適宜從而導(dǎo)致土壤微生物數(shù)量減少、活動(dòng)減弱；同時(shí)，適宜的土壤水分加快了微生物反應(yīng)物的流動(dòng)性，可以為酶促反應(yīng)提供良好的反應(yīng)環(huán)境，進(jìn)而提高酶活性[30]。研究結(jié)果還表明，大水漫灌處理(CK)會造成土壤板結(jié)、肥料淋溶，導(dǎo)致土壤通透性差、營養(yǎng)物質(zhì)缺乏等，從而不利于微生物活動(dòng)，而滴灌水肥一體化處理能夠保持土壤良好的水肥氣熱條件，有利于作物根系的生長，尤其是根毛豐富、活性好，根毛的分泌物促進(jìn)了微生物的繁衍，從而提高酶活性和土壤呼吸強(qiáng)度[31-32]。

土壤EC值能反映土壤溶液中可溶性離子、鹽濃度變化情況。在施氮量相同的情況下，隨著灌水量的增加土壤電導(dǎo)率降低，而在灌水量相同的情況下，隨著施氮量增加土壤電導(dǎo)率相應(yīng)升高[33]，本試驗(yàn)也得到了相同結(jié)論，即施肥量越多、灌溉量越小的情況下，土壤電導(dǎo)率增加就越顯著，即土壤中可溶性鹽分含量越高，而中水中肥條件下土壤電導(dǎo)率和可溶性鹽分含量維持在適宜水平有利于蔬菜作物養(yǎng)分的吸收[34]。張德喜等[35]認(rèn)為土壤含氮量高時(shí)pH值降低，本研究結(jié)果也印證了這一點(diǎn)，生育期內(nèi)土壤pH值表現(xiàn)為上升趨勢，土壤堿解氮含量表現(xiàn)為蓮坐期高于結(jié)球期和采收期，可能是紫甘藍(lán)在結(jié)球期和采收期對氮的吸收高于蓮坐期，導(dǎo)致土壤中殘留硝態(tài)氮含量減少，pH升高。

土壤有效養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)含量是反映土壤肥力的重要指標(biāo)[36-37]。合理施用化肥和有機(jī)肥能明顯改善土壤肥力狀況[38]。本研究表明，60%θf和N、P、K為373.2、604.8、215.93 kg·hm-2的組合(W2F2)處理較當(dāng)?shù)厥┓使嗨?CK)處理顯著提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，可能原因一是適量施肥加速了土壤有機(jī)碳的分解[39]。二是適宜灌水量有利于土壤保持疏松，透氣性好，提高了土壤微生物活性，促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的礦化作用，有機(jī)質(zhì)含量增加，土壤肥力提高[40]。

4 結(jié) 論

基于滴灌技術(shù)的適宜水肥供應(yīng)可以提高紫甘藍(lán)產(chǎn)量和土壤相關(guān)酶活性，并利于有機(jī)質(zhì)的積累，提升土壤肥力，促進(jìn)植株養(yǎng)分吸收。本試驗(yàn)條件下，紫甘藍(lán)適宜的水肥供應(yīng)為60%θf和N、P、K為373.2、604.8、215.93 kg·hm-2的處理，與CK處理相比顯著提高了紫甘藍(lán)產(chǎn)量，改善了土壤的理化性狀。