土壤温度和有机肥对黄瓜生长及养分吸收利用的影响

闫秋艳，董 飞，杨 峰，段增强，王嫒华，汤 英，李 汛

(1.中国科学院 南京土壤研究所，土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京 210008；2.山西省农业科学院 小麦研究所，山西 临汾 041000)

近年来，日光温室和塑料大棚栽培在我国发展迅速，并已成为反季节蔬菜生产的主要设施。同时，设施栽培内环境条件受外界太阳照射的影响较大[1]，由于其特殊的建造材料，导致温室内光照量仅为外界的60%～70%，由此也影响了土壤温度的变化。冬季土壤温度的回升较慢，幅度也较小，造成土壤温度与气温相差较大[2]。在适宜的地上部温度情况下，作物生长对肥料需求较大，此时低的土壤温度会导致根系摄取肥料的能力满足不了地上部生长的需求，从而使种植者加大肥料的投入，增加土壤溶液中养分浓度，提高根系对养分的被迫吸收。这虽然缓解了地上部需求与根系供应的矛盾，但却往往导致温室土壤的次生盐渍化[3]，影响温室蔬菜生产的持续健康发展。因此，根区温度调控成为新的研究手段。

设施蔬菜生产中，为了有效节约能源和减少成本，国外有关研究指出，低温季节采用夜间低气温和高地温的管理办法，这样可以大幅度节约能源，并获得可观的效益[4]。利用有机肥的酿热、散热特性，冬季将未腐熟的粪肥等埋入土壤中，产生的热量加热土壤，既可改善土壤的热特性、调节土壤温度，又可加深土色，增加土壤对太阳辐射能的吸收，以提高土温。有机肥的施入能同时增加土壤温度2～3 ℃[2]。但有机肥对温度的提高只能在前期有机肥腐熟阶段，后期对土壤温度的影响不大。通过地热线辅助加温，可以达到对土壤温度控制的目的，目前，在育苗上应用较多，在蔬菜生产上应用较少。

本研究旨在冬季低土壤温度下，比较猪粪和鸡粪有机肥对黄瓜生长的影响及土壤理化性状的变化，同时也进一步探讨不同有机肥在自然土壤温度条件下和提高土壤温度条件下植株和土壤的变化特征，为反季节设施蔬菜生产提供理论和技术支持。

1 材料和方法

1.1 供试大棚和土壤

试验在江苏省苏州市太仓陆渡镇现代农业园大棚内进行。大棚规格(8连栋大棚，每单栋大棚长40 m、宽8 m、高5 m)。供试土壤为潮土、沙壤土，基本理化性状为：pH=8.31，EC值467.33 μs/cm，碱解氮59.5 mg/kg，速效磷35.97 mg/kg，速效钾104.24 mg/kg。种植年限约15年，大棚常年以种植小白菜为主。试验前，整地，30 cm深度耕地。每单栋大棚分为4畦，每1/2畦为一处理小区，小区面积24 m2(16.0 m×1.5 m)。

1.2 供试幼苗和培养

以黄瓜(CucumissativusL.)品种津研3号为试验试材。选取饱满、整齐一致的黄瓜种子，于2012年9月17日播种到含有泥炭和蛭石(2∶1，V/V)混合基质的育苗盘中。2012年10月16日，幼苗两叶一心后，选取整齐一致的黄瓜幼苗定植，定植株距30 cm ，行距50 cm。

1.3 试验设计

试验设置土壤温度和肥料处理2个因素，采用裂区区组设计，每小区为一个重复，共3个重复。土壤温度采用地热线(宁波市鄞州东海畜牧器械厂生产，长100 m，功率为800 W)加热的方式。利用定时器和温控器调节温度。试验设对照不加温(10±2)℃和加温(20±2)℃共2个温度水平。大棚内气温和湿度均在自然状态下。黄瓜苗定植7 d后进行不同土壤温度处理。

每个温度下均设5个肥料水平。分别为： CK(N)，不施有机肥不加温；CMC(N)，鸡粪+追肥(不加温)：施用商品有机肥鸡粪，用量30 t/hm2，全部基施，撒施翻耕0～25 cm深； CMC(H)，鸡粪+追肥(加温)：鸡粪有机肥量和方法同CMC(N)处理；SMC(N)，猪粪+追肥(不加温)：施用商品有机肥猪粪，施用方法和用量同CMC(N)处理；SMC(H)，猪粪+追肥(加温)：有机肥猪粪用量和方法同CMC(N)处理。

所有处理均用尿素追肥，用量按照黄瓜全生育期需求量和文献确定，2次追肥时间分别为2012年10月28日和12月13日。每次追肥量为N 150 kg/hm2；所有肥料处理的磷钾肥用量都相同，磷肥为过磷酸钙，用量为150 kg/hm2，钾肥为硫酸钾，用量为225 kg/hm2，全部基施。定植前15 d施入肥料，精耕0～20 cm土壤，使肥料与土壤混匀。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 黄瓜干物质量测定 取样后用纯水洗干净，用纱布将植株擦干，将黄瓜苗分为根系、茎、叶片和果实4个部分，105 ℃烘箱杀青30 min，于75 ℃烘干24 h后，称重。粉碎后备用。植物主要矿质营养成分N、P、K、Ca、Mg含量的测定参照文献[5]的相关方法进行。

1.4.2 黄瓜品质测定 按照李合生[6]相关方法进行测定。

1.4.3 黄瓜根系特征分析 采用根系扫描仪(EPSON PERFECTION V700 PHOTO)将新鲜的根系图像扫描，用图像分析软件WinRHIZO(加拿大Regent Instruments公司)分析根系相关特征。

1.4.4 土壤基本理化性状及酶活性测定 分别于黄瓜生长的苗期和结果期采集土样，按照“S”曲线采取0～20 cm的混合土样。土壤自然风干，研磨过2 mm筛，备用。土壤基本理化性状参照鲁如坤[5]的相关方法进行测定；土壤脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法测定[7]。

1.5 数据分析

采用Excel 2003软件作图和SPSS 17.0软件对数据进行方差分析，采用Duncan多重比较法对处理之间进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 土壤温度对不同施肥处理下黄瓜生长指标的影响

从表1可以看出，与对照不施有机肥相比，施用有机肥显著增加黄瓜株高和植株不同组织的干质量；而且，相同有机肥处理下，加温比不加温处理可使黄瓜苗株高、茎和叶干质量增加更明显，但加温和不加温处理间根系干质量差异不显著；CK处理未能正常开花结果，植株长势较弱；各有机肥处理中，加温比不加温可使黄瓜产量增加，鸡粪处理加温比不加温黄瓜产量增加44.33%，猪粪处理加温比不加温黄瓜产量增加31.08%。

表1 土壤温度对不同施肥处理下黄瓜植株生长和生物量的影响Tab.1 Effect of soil temperature on cucumber growth and biomass in different fertilizer treatments

注：同列中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。表3-4同。

Notes： Values within each column followed by the different letters show significant difference (P<0.05).The same as Tab.3-4.

2.2 土壤温度对不同施肥处理下黄瓜不同组织营养元素浓度的影响

从表2可以看出，不同土壤温度对黄瓜不同组织中矿质元素的含量(以干质量计)影响较大。其中，对N的影响表现为：不加温处理中，施用鸡粪和猪粪使黄瓜根系和叶片内N浓度高于CK，茎N浓度在CK中最大；CMC处理加温比不加温使根系、茎和叶片N浓度增加，果实N浓度减少；SMC处理加温比不加温促进根系和果实N素积累，减少叶片N浓度，对茎的N浓度影响不大。

对P的影响表现为：施用有机肥比CK均增加黄瓜根系和叶片P浓度；CMC处理加温比不加温黄瓜根系、茎、叶片和果实P浓度均提高；SMC处理加温比不加温除使根系P素浓度增加外，其余组织P浓度均降低。

对K 的影响表现为：不加温处理，施肥比不施肥均使根系和茎K浓度增加；CMC处理加温比不加温使根系、茎和果实K浓度减少，叶片K浓度增加；SMC处理加温比不加温使根系和茎内K浓度增加，叶片和果实K浓度减少。

对Ca 的影响表现为：不加温肥料处理，施肥可增加根系对Ca的吸收，减少茎和叶片的Ca浓度；CMC处理加温比不加温使根系、茎、叶片和果实内Ca素浓度均减少；SMC处理加温比不加温使根系、茎内Ca浓度增加，叶片和果实Ca浓度减少。

对Mg的影响表现为：不加温肥料处理，CK(N)处理的根系Mg含量最低，茎和叶片内Mg浓度最高；CMC处理加温比不加温使根系、茎内Mg含量增加，叶片和果实Mg含量减少；SMC处理加温比不加温明显增加根系Mg浓度，但地上部不同组织Mg浓度均降低。

2.3 土壤温度对不同施肥处理下黄瓜果实品质的影响

从表3可以看出，鸡粪有机肥加温使黄瓜果实Vc含量增加4.76%，猪粪有机肥加温和不加温对Vc含量变化影响不大；可溶性糖含量在鸡粪有机肥加温后增加17.6%，猪粪有机肥加温比不加温可溶性糖含量有所降低；可溶性蛋白在鸡粪和猪粪加温后均比不加温增加，分别增加了8.29%和13.77%；加温均使相同施肥处理黄瓜果实硝酸盐含量降低，其中，鸡粪有机肥加温后黄瓜果实硝酸盐含量降低1.7%，猪粪有机肥加温后黄瓜果实硝酸盐含量降低18.9%；加温比不加温可使黄瓜果实果皮叶绿素含量升高，鸡粪和猪粪施肥使黄瓜果实果皮叶绿素含量分别增加3.3%和2.52%。

表2 土壤温度对不同施肥处理下黄瓜不同组织营养元素浓度的影响Tab.2 Effect of soil temperature on nutrient concentration of cucumber organs in different fertilizer treatments mg/g

表3 土壤温度对不同施肥处理下黄瓜果实品质含量的影响Tab.3 Effect of soil temperature on cucumber qualities in different fertilizer treatments

2.4 土壤温度对不同施肥处理下黄瓜根系特征的影响

从表4可以看出，不加温处理间各施肥处理下根系高度无显著差异；CMC和SMC处理加温和不加温处理间根系高度无显著差异；总根长在不加温处理施肥条件下无显著差异。在CMC和SMC处理中，加温比不加温可使总根长显著增加；总根表面积在施肥后比CK均显著增加；CMC处理加温和不加温处理总根表面积无显著差异；加温使SMC处理总根表面积显著增加；施肥使总根系体积比CK均显著增加，加温对CMC和SMC施肥处理总根系体积无显著影响；与CK不施肥比，施肥使平均根系直径显著增加，CMC(H)除外；而加温比不加温使同施肥处理平均根系直径减少；总根尖数在CMC处理加温后显著增加，SMC处理略有增加，但无显著差异。

2.5 土壤温度对不同施肥处理下土壤基本理化性状的影响

图1-A结果显示，随黄瓜苗生育期的延长，除SMC(H)处理外，其他各施肥处理0～20 cm和20～40 cm土层EC值均呈上升趋势；CMC处理加温比不加温使幼苗期和结果期0～20 cm土层EC值均增加，20～40 cm在幼苗期低，结果期略高；SMC处理加温比不加温使0～20 cm和20～40 cm土层EC值均明显提高。

表4 土壤温度对不同施肥处理下黄瓜根系特征的影响Tab.4 Effect of soil temperature on root characteristic of cucumber in different fertilizer treatments

图1 土壤温度对不同施肥处理下土壤基本理化性质和脲酶活性的影响Fig.1 Effect of soil temperature on soil physical and chemical properties in different fertilizer treatments

图1-B结果显示，相同施肥处理下，随黄瓜生育期的延长，0～20 cm土层pH值有下降的趋势，尤以施肥处理下降幅较大，20～40 cm土层pH值也均降低；CMC处理加温比不加温使0～20 cm土层pH值下降，对20～40 cm土层pH值变化影响不大；SMC处理加温比不加温使苗期0～20 cm土层pH值略有下降，结果期pH值略有升高，2个时期20～40 cm土层pH值均有所下降。

图1-C结果显示，随黄瓜生育期的延长，不加温条件下CK和SMC处理0～20 cm土层碱解氮含量升高，CMC处理降低；20～40 cm土层碱解氮在前3个施肥处理中有升高的趋势，猪粪施肥处理中变化不大；CMC处理加温比不加温使黄瓜苗期0～20 cm土层碱解氮含量减少，结果期增加；20～40 cm土层在2个时期碱解氮含量均减少；SMC处理加温使2个时期0～20 cm土层碱解氮含量均减少，20～40 cm土层均增加。

图1-D结果显示，相同施肥处理下，随黄瓜生育期的延长，CK(N)、CMC(H)和SMC(N)处理0～20 cm土层速效磷含量增加，CMC(N)和SMC(H)处理速效磷含量均降低；20～40 cm土层速效磷含量变化在各施肥处理中表现不一致，在CMC(N)中减少，在CMC(H)中增加，SMC处理中均明显减少；加温比不加温使CMC处理0～20 cm和20～40 cm土层速效磷含量均增加；SMC处理加温比不加温使结果期0～20 cm，20～40 cm土层速效磷含量降低。

图1-E结果显示，相同施肥处理下，随黄瓜生育期的延长，0～20 cm土层速效钾含量均下降，20～40 cm土层均有不同程度升高；CMC处理加温比不加温使0～20 cm和20～40 cm土层速效钾含量均有所升高；SMC处理加温使苗期速效钾含量低于不加温，结果期略微升高，2个时期20～40 cm土层速效钾含量均在加温后升高。

图1-F结果显示，相同施肥处理下，脲酶活性随着黄瓜的生长有所降低，在CMC(H)、SMC(N)和SMC(H)中下降幅度较大。加温使CMC处理2个时期0～20 cm土层脲酶活性均增加，前期增加比较明显，与CMC处理表现相同，加温使SMC处理2个时期0～20 cm脲酶活性也增加；加温对20～40 cm土层脲酶变化影响在不同施肥处理中不同，变化幅度不是很大；在黄瓜生长后期，各处理0～20 cm和20～40 cm土层脲酶活性几乎相同。

3 讨论与结论

在低温季节，根区温度的重要性并不比气温差，如果根区温度过低，即使气温适宜，定植后的幼苗也不易发根发棵[8]。一般蔬菜作物茎叶可忍受8 ℃低温，根部要求最低12 ℃的温度[9]。本研究中，CK不加温土壤温度维持在10 ℃左右，长期低的土壤温度限制了黄瓜正常生长，植株长势弱，维持在营养生长阶段。与对照不施有机肥相比，施用有机肥(鸡粪和猪粪)可以抵御低土壤温度对黄瓜生长的不利影响，使黄瓜正常开花结果，经济产量增加。施用有机肥一方面为土壤提供养分，增加有机质含量及微生物数量[2,10]，同时增施有机肥或深色肥料可改善土壤的热特性，有利于土壤吸收太阳辐射，提高土壤温度。本研究结果显示，施用有机肥处理可以提高地温2～3 ℃，且对土壤温度的影响主要表现在前期，对后期温度的影响减弱[2]，这些为植物正常生长提供了有利条件。同时，提高土壤温度可使有机肥对黄瓜生长的促进作用进一步加强，表现在加温比不加温使鸡粪处理的黄瓜产量提高44.33%，猪粪处理提高31.08%，这与加温处理下黄瓜植株较高的干物质量直接相关。任志雨[11]对番茄的研究结果也表明，根区温度增加可使番茄地上部生长势增强。李振东等[12]研究指出，地面覆盖提高了设施黄瓜地温、改善了植株的根际环境，从而使黄瓜产量提高。

根系直接感应土壤环境的变化，并发生适应性响应。有机肥能促进土壤0～20 cm表层土壤根系的发生和生长，提高细根数量[13]。较高的根系生物量为地上部生长以及元素吸收提供了基础。植物根系对根区温度胁迫逆境不是被动的忍受，而是通过主动调节其生理代谢过程，减缓逆境伤害[14]。本研究结果显示，不加温土壤黄瓜根系平均直径大、根系粗，可能是由于低温诱导响应的一种适应机制。而加温土壤黄瓜根系面积、根长和根毛数均增多，说明提高土壤温度后黄瓜根系截获能力增强[15]。因此，加温土壤可促进黄瓜对养分的吸收，主要表现在根系和茎内养分浓度增加。此外，土壤加温促进黄瓜根系吸收的养分向地上部转移，尤其是向终端组织(果实)的转移量增加[16]。本研究显示，加温对根系氮和磷浓度的增加比较明显，叶片大多数养分浓度在加温下反而降低，果实养分浓度增加。施用鸡粪处理的黄瓜植株各组织干质量比猪粪处理低，但鸡粪处理下黄瓜产量高于猪粪处理，可能与鸡粪处理下养分向果实转运量大有关。

此外，土壤加温也改善了黄瓜果实的品质，主要表现在果实可溶性蛋白和果皮叶绿素含量的增加，同时加温也减少了硝酸盐在果实内的积累。杜少平等[17]研究表明，地膜覆盖增加了土壤表层的地温，且使西瓜成熟期提前，产量和品质均提高，这与根区温度的提高促进了光合色素含量和光合速率的增加[18-19]，形成更多的光合产物，利于合成各种物质(糖、蛋白等)等有关。同时，土壤加温条件下，养分吸收量增加也为地上部光合作用提供了物质基础[16]。

本研究结果显示，加温使CMC和SMC处理土壤表层0～20 cm土层EC值增加，可能主要是碱解氮和速效磷含量增加而导致的。杨佳佳等[20]研究表明，增加土壤温度25 ℃比10 ℃使土壤有效磷含量显著增加，而土壤有机磷含量显著降低。20～40 cm土层EC值的增加与碱解氮和速效钾向下移动有着重要的关系。此外，土壤温度升高可以增加土壤溶解性有机质含量[21-24]，这为根系提供更多的有效养分。施用有机肥处理比对照不施有机肥处理均使土壤脲酶活性增加。尤彩霞等[25]研究表明，施用有机肥可提高土壤脲酶活性，追施氮肥亦可使土壤酶活性提高，与本研究结果一致。同时，增加土壤温度使0～20 cm表层土壤脲酶活性增高。Sardans等[26]研究表明，增加土壤温度使冬季和春季土壤脲酶活性升高，脲酶活性的增加，使更多的有机氮转化为有效氮，从而使根系吸收更多的氮素。有关土壤温度对养分的释放、转化及作物吸收间的关系尚需进一步研究。通过合理施用有机肥可为反季节黄瓜设施栽培安全生产提供保障，适当增加土壤温度可实现黄瓜优质高产，有关土壤加温幅度与黄瓜产量间的相关性还有待进一步研究。

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