水分亏缺对设施延后栽培葡萄土壤生物学特性的影响

陈娜娜，贾生海，张 芮

(甘肃农业大学 水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

水分亏缺对设施延后栽培葡萄土壤生物学特性的影响

陈娜娜，贾生海，张 芮

(甘肃农业大学 水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

为了分析不同生育期水分亏缺下，设施延后栽培葡萄土壤生物学特性(包括土壤蔗糖酶、脲酶、土壤微生物量碳和有机碳)的变化趋势以及不同处理对果实产量与品质影响，于2013-2015年在甘肃省张掖市灌溉试验站进行了设施延后栽培葡萄灌溉试验的研究。结果表明，萌芽期-新梢生长期水分亏缺处理能够提高土壤蔗糖酶活性，开花期水分亏缺处理与CK处理相比无显著性差异，果实膨大期-着色成熟期水分亏缺处理对本阶段土壤蔗糖酶活性具有抑制作用。萌芽期是最适宜通过水分亏缺方式提高土壤蔗糖酶活性的时期。萌芽期水分亏缺处理和着色成熟期水分亏缺处理对土壤脲酶活性都具有抑制作用，新梢生长期-果实膨大期水分亏缺能提高相应生育阶段的土壤脲酶活性。而对土壤微生物熵值来说，新梢生长期水分亏缺处理对其具有显著提高的作用。根据相关分析和典型相关分析结果，果实产量增加时，土壤蔗糖酶活性增大，而土壤微生物量碳含量却显著减少；随着土壤脲酶活性增大，果实中可滴定酸含量明显增大。

水分亏缺；设施延后栽培葡萄；土壤生物学特性；土壤微生物熵；典型相关分析

延后栽培技术是针对冷凉地区利用日光温室推迟葡萄成熟，延长成熟期的一种高效栽培手段[1-2]。但是在西北地区，水资源严重不足，因此水分亏缺灌溉成为了解决该问题的重要方法之一。土壤酶是土壤中的重要组成部分，直接参与物质转化、养分释放和固定等过程，与土壤肥力水平等密切相关[3-4]。土壤有机碳含量影响土壤肥力，且因有机碳库存量大、变异系数小的原因，单独对这一指标的测定并不能准确反映出土壤质量和有机质的变化情况[5-6]。土壤微生物量是植物营养物质的源和库，代表了土壤养分的活性部分，虽然其含量占土壤有机碳比例较少，但是由于其在土壤中移动快、不稳定等特点，对土壤质量和生产力的反映更为敏感[7-9]，所以能够将其视为反映土壤质量的指标之一。土壤微生物量碳占土壤有机碳含量的百分比代表微生物熵值[10-11]。微生物熵是衡量土壤有机碳积累或损失的重要指标，能够较为准确地反映土地利用和管理措施对土地的影响[12]。当土壤质量逐渐恢复时，土壤微生物熵值会呈增大趋势。

在干旱区，由于土壤水分含量少，胁迫作用使土壤酶具有其特性。周芙蓉等[13]的研究表明，一定程度的水分胁迫能够提高土壤酶活性。田幼华等[14]对干旱区植物根际土壤酶活性的研究也表明，随着土壤含水量的增加，根际土壤酶的活性增加而非根际土壤酶活性受到抑制。土壤含水率大小对土壤微生物量碳含量、土壤微生物熵具有重要影响[11，15]。肖新等[16]研究认为，控制灌溉能够显著提高稻基农田土壤中微生物量碳含量和土壤微生物熵值。

综上所述，尽管土壤酶活性等方面取得了大量研究成果，但至今学术界对水分调控对土壤生物学特性的影响研究并不系统，而且目前针对土壤酶活性、土壤微生物量碳等生物学特性的研究主要集中在不同土地利用方式、灌溉方式以及不同施肥水平等因素方面，对葡萄设施延后栽培条件下土壤酶活性等生物学特性的响应关系也未见报道。为此，本试验研究不同生育期水分亏缺对设施延后栽培葡萄土壤酶活性、土壤微生物量碳含量以及微生物熵变化规律，探讨了其之间的响应规律，旨在为提高设施延后栽培葡萄土壤酶活性提供理论支持和依据。

1 材料和方法

1.1试验区概况

自2013-2015年在甘肃省张掖市水务局灌溉试验站(东经100°26′，北纬38°56′)进行连续3年试验。该地区属大陆性干旱气候，阳光充足，昼夜温差为13～16 ℃。葡萄生育期平均降雨157.9 mm，蒸发量为降雨量的8.2倍，属典型的资源性缺水地区。

试验地土壤为中性壤土，干密度1.47 g/cm3，田间体积持水量22.8%，耕层(0～20 cm)含有机质1.37%，碱解氮32.04 mg/kg，速效磷27.8 mg/kg，速效钾1 137.4 mg/kg。

1.2供试作物及日光温室

供试作物为4-6年生的当地主栽品种红地球(Red Globe)葡萄，栽种株间距0.8 m，行间距2 m，单臂篱架架式。栽培设施选用朝向、材料、规格均相同的相邻两栋日光温室。单棚建筑面积为6 m×80 m。

1.3试验设计

如表1所示，试验将延后栽培葡萄生育过程划分为萌芽期、新梢生长期、开花期、果实膨大期和着色成熟期。试验布置6个处理，每个处理3次重复。试验小区面积12 m2(6 m×2 m)，采用小管出流灌溉技术，1管1行控制模式。当实测土壤含水率达到或接近表1中下限数据时进行灌水，灌水定额为270 m3/hm2(充分供水时灌至田间持水量，亏缺灌溉时土壤含水率上限低于田间持水量)。采用水表量水。试验布置如图1所示。

表1 试验设计方案Tab.1 The experimental design scheme %

图1 试验布置图Fig.1 Test layout

1.4试验测试项目及方法

1.4.1 样品采集 土壤样品于所有处理均进入该生育期后进行采集取样。用土钻在各个试验小区前、中和后3点分别取0～20 cm土壤，充分混匀后过2 mm筛，装入自封袋带回实验室测定。

果实样品与土壤样品采集时间相同，不同的是果实样品采集后用锡箔纸包好，放入液氮中保存备用。

1.4.2 土壤酶测定方法 土壤蔗糖酶活性测定：采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定[17]；土壤脲酶活性测定：采用靛酚蓝比色法测定[17]。

1.4.3 土壤微生物量碳测定方法 土壤微生物量碳测定：采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法[17]。

1.4.4 土壤有机碳测定 土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化法测定[18]。

1.4.5 产量 葡萄成熟季节，各小区用精度为0.1 g电子天平单独采收称量。

1.4.6 品质测定 可滴定酸含量测定：采用指示剂滴定法(GB12293-1990法)；可溶性固形物利用糖度计测定得到。

1.5数据处理

试验数据取2013-2015年的平均值，采用Excel 2007和SPSS 19.0软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1不同生育期实施水分亏缺对土壤酶活性的影响

2.1.1 土壤蔗糖酶活性 由表2数据可以看出，2013-2015年，CK处理土壤蔗糖酶活性自萌芽期-开花期变化不同，但是都在葡萄果实膨大期达到全生育期的最大值，而水分亏缺各处理情况有所不同。说明水分亏缺对土壤蔗糖酶活性具有影响。从各生育期看，萌芽期，2015，2013年土壤蔗糖酶活性均是Ⅰ处理(萌芽期水分亏缺处理)显著高于CK处理(P<0.05)，分别比CK增加了4.17，3.38 mg/g；新梢生长期，2014年Ⅱ处理(新梢生长期水分亏缺处理)土壤蔗糖酶活性较高，为11.87 mg/g，但是与CK处理无显著差异(P0.05)；进入到开花期，2014-2015年各处理间都不存在显著差异，但2013年Ⅲ处理(开花期水分亏缺处理)土壤蔗糖酶活性仅5.71 mg/g。这说明，萌芽期和新梢生长期水分亏缺处理都能够激活土壤蔗糖酶活性，而开花期水分亏缺则对土壤蔗糖酶活性不利。果实膨大期为葡萄生长的关键时期，土壤蔗糖酶活性Ⅳ处理(果实膨大期水分亏缺处理)2013，2014年极显著低于CK处理(P<0.01)，分别降低了11.64，17.53 mg/g，2015年Ⅳ处理土壤蔗糖酶活性也显著低于CK(P<0.05)。这说明，在果实膨大期实施水分亏缺对土壤蔗糖酶活性十分不利，原因可能是果实膨大期为葡萄的需水关键期，亏水导致土壤微生物等的活动减弱。最后着色成熟期，Ⅴ处理(着色成熟期水分亏缺处理)2013-2014年土壤蔗糖酶活性显著低于CK(P<0.05)，说明，该阶段水分亏缺对土壤蔗糖酶活性也不利，这可能是由于随着葡萄日耗水强度减弱，葡萄根系吸收土壤养分等过程减弱，而水分亏缺致使这种减弱过程更加严重造成的。

表 2 各处理土壤蔗糖酶活性方差分析(2013-2015)Tab.2 Variance analysis of invertase activity in soil (2013-2015) mg/g

注： 同列不同大小写字母表示在P<0.01和P<0.05上差异显著。表3-5同。

Note:The letters of different capital and small letters in the same column indicate significant difference inP<0.01 andP<0.05.The same as Tab.3-5.

2.1.2 土壤脲酶活性 表3为2013-2015年土壤脲酶活性方差分析结果。由表3可知，充分灌水条件下土壤脲酶活性在葡萄全生育期内基本呈持续减小变化趋势。不同生育期水分亏缺对葡萄土壤脲酶活性的影响不同。在萌芽期，2013-2014年Ⅰ处理(萌芽期水分亏缺处理)土壤脲酶活性都极显著的低于CK处理(P<0.01)，分别比CK减少了0.74，1.86 mg/g，说明该生育阶段水分亏缺对土壤脲酶具有抑制作用。而新梢生长期不同，2015年Ⅱ处理(新梢生长期水分亏缺处理)土壤脲酶活性显著高于CK(P<0.05)，为0.68 mg/g；2013，2014年度Ⅱ处理则极显著高于CK(P<0.01)，分别为0.73，0.79 mg/g；这说明该阶段水分亏缺处理对土壤脲酶活性十分有利。进入到开花期，2015年Ⅲ处理(开花期水分亏缺处理)土壤脲酶活性极显著高于CK(P<0.01)，为0.82 mg/g，Ⅱ处理(新梢生长期水分亏缺处理)脲酶活性仅为0.25 mg/g，极显著低于其他处理(P<0.01)；Ⅲ处理脲酶活性2014年显著高于其他处理(P<0.05)，2013年也达到同时期最大值，Ⅱ处理脲酶活性则均为该阶段最小值；说明在开花期实施水分亏缺有利于土壤脲酶活性，但是新梢生长期水分亏缺处理在该阶段复水后对土壤脲酶活性不利，原因可能是开花期葡萄植株根系需要吸收大量养分以便下一阶段果实生长发育，水分亏缺促进了根系的吸收能力，而复水后由于开花期持续时间较短，表层土壤含水率又迅速增大，抑制了土壤脲酶的活性。果实膨大期，2013，2015年Ⅳ处理(果实膨大期水分亏缺处理)土壤脲酶活性均极显著大于CK处理(P<0.01)，2014年Ⅳ处理脲酶虽与CK不存在明显差异(P0.05)，但是也比同时期CK处理增加了0.16 mg/g；说明果实膨大期水分亏缺处理对土壤脲酶活性也是有利的。着色成熟期，2013-2015土壤脲酶活性均是CK处理最大，且达到了极显著水平(P<0.01)；Ⅴ处理(着色成熟期水分亏缺处理)则均极显著低于CK，分别减少了0.33，0.15，0.50 mg/g；说明该阶段水分亏缺也对土壤脲酶不利。

表3 各处理土壤脲酶活性方差分析(2013-2015)Tab.3 Variance analysis of urease activity in soil (2013-2015) mg/g

2.2不同生育期水分亏缺对土壤微生物量碳的影响

2.2.1 土壤微生物量碳含量方差分析 2013-2015年土壤微生物量碳含量如表4所示。由表4可知，充分灌水时，全生育期内设施延后葡萄土壤微生物量碳含量均在生育后期(果实膨大期-着色成熟期)普遍较多。根据2013-2015年萌芽期，Ⅰ处理(萌芽期水分亏缺处理)土壤微生物量碳含量略低于CK处理，但是不存在显著性差异(P0.05)，认为萌芽期水分亏缺处理对土壤微生物量碳含量有一定的抑制作用但没有明显影响。新梢生长期，2013年Ⅱ处理(新梢生长期水分亏缺处理)土壤微生物量碳比CK增加了61.20 mg/kg；2014年增加了93.65 mg/kg，达到极显著水平(P<0.01)；2015年增加最多达180.23 mg/kg；说明，新梢期水分亏缺处理有助于土壤微生物量碳的积累。而在开花期虽然Ⅲ处理(开花期水分亏缺处理)土壤微生物量碳含量均有不同程度的增加，但是与CK处理相比差异不显著(P0.05)。果实膨大期，Ⅳ处理(果实膨大期水分亏缺处理)与CK处理相比，2013，2014年度均呈减少趋势，而2015年增加，说明该生育阶段水分亏缺处理对土壤微生物量碳含量的影响因其他因素的不同而不同。着色成熟期水分亏缺处理Ⅴ的土壤微生物量碳含量在2013，2015年极显著高于CK处理，2014年与CK处理不存在显著性差异(P0.05)。说明，着色成熟阶段水分亏缺对土壤微生物量碳的积累也是有益的。

表 4 各处理土壤微生物量碳含量方差分析(2013-2015)Tab.4 Variance analysis of soil microbial biomass carbon content (2013-2015) mg/kg

2.2.2 土壤微生物熵值方差分析 由表5可知，充分灌水条件下土壤微生物熵值从设施葡萄萌芽期开始至果实膨大期基本呈逐渐增大的趋势，且在果实膨大期达到最大值，在最后的着色成熟期土壤微生物熵值降低。水分亏缺条件下，萌芽期水分亏缺处理对土壤微生物熵值影响不明显；新梢生长期水分亏缺处理对本阶段土壤微生物熵作用效果不明显；开花期水分亏缺处理虽然对该阶段土壤微生物熵值有提高的作用但是与CK处理没有显著差异(P0.05)；果实膨大期和着色成熟期水分亏缺处理下，土壤微生物熵值与CK相比变化不大，说明这2个阶段影响土壤微生物熵变化的主要因素不是土壤水分。

2.3土壤生物学特性与葡萄产量、糖和酸含量的相关分析

葡萄可滴定酸和可溶性固形物含量可以作为判断葡萄酸、甜度的标准。由表6中各处理全生育期平均土壤生物学各指标与葡萄最终产量、可滴定酸及可溶性固形物含量指标之间Pearson相关系数可以看出，设施延后栽培葡萄土壤蔗糖酶活性与土壤微生物量碳存在极显著的负相关关系(P<0.01)；与微生物熵值存在显著性负相关关系(P<0.05)；且与产量存在极显著的正相关关系(P<0.01)。土壤脲酶活性与微生物量碳含量也存在显著的正相关关系(P<0.05)；与葡萄果实可滴定酸含量存在极显著的正相关关系(P<0.01)；而葡萄果实产量与果实可滴定酸含量也存在显著的正相关关系(P<0.05)。

表5 各处理土壤微生物熵方差分析(2013-2015)Tab.5 Variance analysis of soil microbial entropy (2013-2015) %

表6 土壤生物学特性与果实产量及糖、酸含量相关分析Tab.6 Correlation analysis between soil biological characteristics and fruit yield，sugar and acid content

注：*.在0.05水平显著相关；**.在0.01水平显著相关。

Note：*.Significant correlation at 0.05 level (bilateral)；**.Significant correlation at 0.01 level.

2.4土壤生物学特性与果实产量、糖和酸含量间的典型相关分析

葡萄果实品质与土壤生物学特性密切相关。本研究将蔗糖酶活性(z1)、脲酶活性(z2)、微生物量碳含量(z3)和微生物熵值(z4)看作第1组变量；将产量(y1) 及品质指标可滴定酸 (y2)、可溶性固形物(y3)看作第2组变量。采用典型相关分析方法分析2组指标间的关系。通过判断标准典型系数和典型负载系数筛选典型变量。

典型相关分析结果见表7。由表7可知，典型变量1和典型变量2的相关系数分别为0.620，0.545，都达到了极显著水平(P<0.01)。说明土壤生物学特性与果实产量、可滴定酸含量的相关性比较大，而与可溶性固形物含量相关性较小。因此，最终选择典型变量1和2进行分析。

由于原始数据量纲不宜直接比较，故表8用标准化的典型系数给出典型相关模型 w 和 r，同时计算出原始变量和典型变量间的相关系数，其中 u 和 v 分别代表典型变量的 2 组综合指标。

由表8得到关于土壤生物学特性的第一典型变量的计算公式为：

u1=-0.366z1-0.581z2+0.994z3-0.809z4

v1= -0.727y1-0.401y2-0.683y3

第1组典型变量(u1、v1)中，由u1与原始数据的相关系数可知，u1与蔗糖酶活性(z1)的相关系数较大，为-0.517。因此，可视为u1主要描述了土壤蔗糖酶活性，即随着土壤蔗糖酶活性的增大，u1表现为减小趋势。同样，由于v1与产量(y1)的相关系数为-0.698较大，因此，认为v1主要描述产量性状，即随着葡萄产量的增加，v1表现为减小趋势。这一线性组合说明，土壤蔗糖酶活性与果实产量关系密切，当果实产量增加时，土壤蔗糖酶活性增强。

第2组典型变量的构成为：

u2=0.487z1-0.803z2-0.163z3+0.184z4

v2=0.546y1-0.977y2+0.211y3

第2 组典型变量(u2、v2) 中，u2与土壤脲酶活性(z2)相关系数为-0.853，因此，认为u2主要描述了土壤脲酶性状，即随着土壤脲酶活性的增大，u2呈减小趋势。v2与可滴定酸含量(y2)的相关系数较大为-0.852。因此，可视为v2主要描述果品可滴定酸含量，即随着可滴定酸含量的增加，v2呈减少趋势。这一线性组合说明，土壤脲酶活性与果实可滴定酸含量关系密切，当果实可滴定酸含量增大时，土壤脲酶活性也随之增大。

表7 果实品质与土壤生物学特性指标的典型相关分析Tab.7 The canonical correlation analysis between the fruit quality and indexes of soil biological characteristics

表8 典型变量与典型变量之间的相关系数Tab.8 The correlation coefficient between the canonical variables

3 讨论与结论

蔗糖酶可以增加土壤中易溶性营养物质，其活性表征了土壤碳氮转化速率，是土壤碳素循环和土壤生物化学活性的关键酶[19-20]。本试验中2013-2015年萌芽期水分亏缺处理土壤蔗糖酶活性在萌芽期阶段分别比CK处理有所增加，而新梢生长期水分亏缺处理使其活性在新梢生长阶段比CK处理提高。开花期水分亏缺处理虽使土壤蔗糖酶活性在本生育阶段有所降低，但是与CK处理无明显差异。果实膨大期是葡萄生长过程中持续时间最久的阶段之一，该生育期水分亏缺处理导致本阶段土壤蔗糖酶活性比CK处理酶活性减少。由此看来，萌芽期和新梢生长期都可通过水分亏缺灌溉提高土壤质量，促进植物吸收养分，且萌芽期是提高土壤蔗糖酶活性效果最好的时期；果实膨大期水分亏缺灌溉不利于土壤蔗糖酶活性提高，故此认为，对葡萄植株吸收养分也具有抑制作用，从而影响葡萄果实产量及品质，张芮等[21]的研究结果相一致。

土壤脲酶活性直接影响着土壤中氮素的转化水平[22]。萌芽期水分亏缺处理使土壤脲酶活性比CK处理减少。新梢生长期-果实膨大期水分亏缺处理都能够提高相应生育阶段的土壤脲酶活性，着色成熟期水分亏缺处理也对其具有抑制作用。由此说明，设施葡萄萌芽期水分亏缺时可适量增大氮肥施入量以提高土壤质量，而新梢生长期-果实膨大期水分亏缺下，应适当减少氮肥施入量。适当的水分胁迫与合理的肥料施入量可以提高水肥利用效率，从而提高产量以及果实品质，这与黄英等[23]的研究结果类似。

土壤微生物量碳和微生物熵均被作为评价土壤的有效指标[24]。萌芽期水分亏缺处理对土壤微生物量碳含量有一定的抑制作用但没有明显影响。新梢期水分亏缺处理和着色成熟期水分亏缺处理均有助于土壤微生物量碳的积累。开花期-果实膨大期水分亏缺处理对土壤微生物量碳含量的影响因其他因素的不同而不同。微生物量碳含量与微生物熵值大小密切相关。

根据相关分析和典型相关分析结果，认为土壤蔗糖酶活性、微生物量碳含量与果实产量密切相关，即当果实产量增加时，土壤蔗糖酶活性增大，而土壤微生物量碳含量却显著减少；而土壤脲酶活性与果实可滴定酸含量关系密切，即随着土壤脲酶活性增大，果实中可滴定酸含量明显增大。

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EffectsofWaterDeficitontheBiologicalCharacteristicsofGrapeGrowninGreenhouse

CHEN Nana，JIA Shenghai，ZHANG Rui

(College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China)

To analyses the effects of water deficit in different stages on the variation tendency of soil biological characteristics (soil invertase，urease，soil microbial biomass carbon，soil organic carbon)and the fruit yield and quality of greenhouse grape under delayed cultivation，the experiment was carried out at Zhangye Irrigation Experiment Station in Gansu Province in 2013-2015.The results showed：water deficit treatment during germination and shoot growth stage could improve soil invertase activity.There was no difference in water deficit treatment in flowering period compared with CK treatment.The treatment of water deficit at the fruit expanding stage and the coloring maturity stage could inhibit the activity of soil invertase.The germination period was the most suitable period to improve the activity of soil invertase by water deficit.The treatment of water deficit at the germination stage and at the color maturity stage could inhibit the activity of soil urease.The water deficit treatment from the shoot growth stage to the fruit expanding stage could improve the soil urease activity in the corresponding growth stage.For the soil microbial entropy，the treatment of water deficit at the growth stage of new shoots had a significant effect on it.According to the results of correlation analysis and canonical correlation analysis，the soil invertase activity increased with the increased of fruit yield，while the content of soil microbial biomass carbon decreased significantly.The content of titratable acid increased significantly when soil urease activity increased.

Water deficit; Facilities delayed cultivation of grapes; Soil biological characteristics; Soil microbial entropy; Canonical correlation analysis

2017-08-10

国家自然科学基金项目(51569002)

陈娜娜(1990-)，女，甘肃白银人，硕士，主要从事节水灌溉技术研究。

张 芮(1980-)，男，甘肃武威人，副教授，博士，主要从事节水灌溉与水资源利用研究。

S154

A

1000-7091(2017)05-0192-08

10.7668/hbnxb.2017.05.029