连续负压供水对辣椒种植土壤速效养分及酶活性的影响

2018-08-24龙怀玉何淑平张兴梅

中国土壤与肥料 2018年4期

李迪，龙怀玉，王宁，何淑平，张兴梅，王鹏*

(1.黑龙江八一农垦大学，黑龙江大庆 163319； 2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

土壤酶作为土壤中最活跃的有机成分之一[1]，不仅能反映出土壤微生物活性的高低，而且能表现土壤养分转化和运移能力的强弱[2]，灌溉是辣椒高产的重要措施之一，辣椒是对土壤水分较敏感的作物，土壤水分的变化对辣椒生长发育影响较大。目前农业生产中采用或推广的节水灌溉技术，如喷灌、滴灌、微喷、分根区交替灌溉等[3]，均是基于供水压力为正的有压灌溉，会使灌溉后表层土壤局部或者全部达到饱和，造成水源浪费、养分流失、土壤板结，而且土面水分蒸发量相对较大[4]。为了避免灌水对土壤的不利影响，本试验采用一种新型的负压灌溉系统，利用土壤吸力及植株主动吸水的能力来补充土壤水分，避免上述正压灌溉弊端[5-6]。因此，利用连续负压供水方式研究对土壤养分及土壤酶活性的影响，对今后节水灌溉及改善辣椒土壤微环境，提高辣椒土壤肥力具有重要意义。

近年来，已有国内外学者利用负压灌溉装置对作物生长发育及品质进行研究。刘明池[7]将负压灌溉应用于生产实践中，证实了负压灌溉具有节水、高效、节能的灌溉效果。肖海强等[8]利用连续负压供水装置种植烤烟，结果表明，当负压在-10～-20 kPa时烤烟生长发育最佳，品质较好。同样采用负压供水的方法，还对玉米产量及耗水量、番茄生长发育进行过报道[9-10]。但是这些报道均是围绕植株生理机制及生长发育等方面进行研究，目前没有系统的利用负压灌溉装置对土壤综合肥力进行探索及报道。而多数报道指出，土壤酶活性和土壤肥力的研究已成为土壤学界研究的热点[11-13]，尤其对土壤酶活性与土壤养分关系进行了深入的探讨[14-15]，土壤酶与土壤主要肥力因子有显著相关关系，可作为土壤肥力的指标之一,而Sakorn[16]研究却表明，土壤酶活性与土壤的养分水平间并不存在显著相关。因此，研究连续负压供水对土壤酶与土壤养分之间关系在理论和实践上都有着重要意义。

本文旨在通过采用连续负压供水装置，研究-5～-15 kPa条件下对土壤酶及土壤养分的影响，了解土壤酶及土壤养分的变化规律，筛选出最佳的负压供水值，并通过简单相关分析和主成分分析，探讨连续负压供水下土壤酶活性与土壤肥力的关系，达到辣椒栽培中节水、改善生长环境和提高土壤肥力的目的。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2015年6月10日，在黑龙江省大庆市黑龙江八一农垦大学试验基地钢架结构防雨塑料大棚内进行。供试辣椒品种为辣妹子，移栽时株高为(11±3)cm。盆栽土壤取自黑龙江八一农垦大学校外试验基地，土壤类型为草甸黑钙土，0～20 cm土层，pH值为8.1，有机质41.4 g/kg，有效磷25.9 mg/kg，速效钾300 mg/kg，碱解氮213.7 mg/kg。每盆均装20 kg过1 mm筛后土壤。

1.2 连续负压供水盆栽装置

负压供水盆栽装置是由盆栽盆、陶土管、有机透明塑料软管、储水桶、负压桶、数显开关、电磁阀等构成，其中负压桶、数显开关、电磁阀组合形成负压稳定器，其功能是确保负压值不低于根据需要所设定的负压值。盆大小规格为30 cm×30 cm×65 cm，盆底无孔，平铺地面。陶土管(长21 cm，直径1.7 cm)倾斜5°埋于土壤中，位于距盆内壁前、后各22 cm；左、右各14.2 cm；高度为距盆内土壤表面以下10 cm处，陶土管尾部与供水水桶(桶高49.5 cm，侧壁安装30 cm高刻度管)之间采用有机透明塑料软管连接，试验中所有试验供水桶下均有两块5 cm厚砖头，高共10 cm，不影响负压值；所有负压桶下均有高30 cm底座，试验前做预实验，用于调试负压值，以确保试验中负压的稳定性。根据负压入渗原理，在非饱和条件下，因土壤基质势的存在，陶土头内水缓慢渗入土壤中，储水桶内水分经塑料软管进入陶土管，同时水桶内水位下降，上部空气的空间增大，则桶内压强减小，达到所设置的负压值为止，这样产生连续稳定的供水负压，整个装置如图1所示。若水位达到最低刻度线，需立即进行补水。

图1 负压控水盆栽装置图

1.3 试验设计

1.3.1 试验处理

盆栽试验设4个处理，分别为：对照CK(人工浇水，土壤表面干燥后浇水，每次500 mL)和-5、-10、-15 kPa 3个压力处理。移栽前施基肥，施肥量按当地常规用量计算，N 150 mg/kg，P2O5100 mg/kg，K2O 150 mg/kg，肥料施于10 cm深处。各处理3盆，每盆8株，并排两行，行长65 cm，株距10 cm，行距10 cm，每处理设重复3次。自动供水装置采用并联，共3套，每套连3盆，每个处理1套自动供水装置，每处理24株辣椒。

1.3.2 样品采集

试验于7月10日开始，每隔20 d取一次样，共取6次，分别为：开花坐果期(7月10日)、未熟期(7月30日)、绿熟期(8月19日)、转色期(9月10日)、红熟期(9月30日)、完熟期(10月20日)。取样时间：每次取样均于8：00开始，距辣椒根系0～5 cm土层，阴凉处风干。各处理每盆每次各取一处。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 土壤常规五项的测定

pH的测量：采用pH仪器测量(PHS-3C实验室pH计)，读数即可；有机质的测定：重铬酸钾外加热法[17]；碱解氮的测定：碱解扩散法[17]；有效磷的测定：NaHCO3法[17]；速效钾的测定：NH4OAc浸提，火焰光度法[17]。

1.4.2 土壤酶的测定

过氧化氢酶的测定：高锰酸钾滴定法[19]；脲酶的测定：靛酚蓝比色法[19]；蔗糖酶的测定：3,5-二硝基水杨酸比色法[20-21]；磷酸酶的测定：比色法[22]。

1.5 数据分析

使用Excel 2003进行数据及图、表标准化处理，采用SPSS 19.0进行统计分析，多重比较基于最小显著差数法(LSD)。

2 结果与分析

2.1 连续负压供水对土壤养分含量及土壤酶活性的影响

2.1.1 连续负压供水对土壤速效养分含量的影响

由表1看出，在负压供水条件下，各处理土壤速效钾、有效磷和碱解氮含量随着压力的增大而增大。其中，各处理于开花坐果期到绿熟期有效磷含量在51.69～88.12 mg/kg之间，绿熟期与转色期有效磷含量明显增加，直至红熟期达到最高，随后趋于平稳。与CK相比，-5～15 kPa处理有效磷含量于开花坐果期-绿熟期差异达显著性水平，并于转色期与完熟期差异达显著性水平。

各处理土壤速效钾含量从开花坐果期到红熟期趋势较为平稳，直至完熟期达到最高值。整个生育期，-5和-10 kPa处理土壤速效钾含量均高于CK，而-15 kPa处理于转色期至完熟期土壤速效钾含量高于CK。其中，-5 kPa处理于完熟期土壤速效钾含量与CK相比差异达到显著水平，开花坐果期到红熟期较CK提高23.08%～33.38%；-10 kPa处理从开花坐果期到完熟期较CK相比提高15.95%～28.93%，达到显著水平，并且整体趋势较为平稳；而-15 kPa处理开花坐果期到转色期速效钾积累量与CK相近，于转色期到完熟期达到显著水平。

整个生育期，土壤碱解氮含量随着辣椒生育期的推进呈逐渐上升趋势，于完熟期达到最大值。-5和-10 kPa处理土壤碱解氮含量均显著高于CK，而-15 kPa处理除开花坐果期、转色期与CK有显著差异，未熟期到完熟期碱解氮含量均与CK相近。结果表明，负压控制在-5～-15 kPa时有利于提高土壤有效磷及速效钾含量，当供水压力在-5～-10 kPa范围内，可有效提高土壤碱解氮含量，到-15 kPa时对土壤碱解氮含量影响较小。

表1连续负压供水对土壤速效养分的影响(mg/kg)

时期处理碱解氮有效磷速效钾开花坐果期CK153.41 d51.69 d98.98 c-5 kPa225.29 a88.12 a121.82 a-10 kPa194.00 b74.71 b115.15 b-15 kPa183.79 c70.92 c95.91 d未熟期CK182.65 c54.22 c99.14 c-5 kPa235.42 a87.36 a127.84 a-10 kPa219.63 b79.26 b117.72 b-15 kPa186.81 c79.01 b98.64 c绿熟期CK196.68 c59.28 b101.49 c-5 kPa240.93 a82.81 a131.57 a-10 kPa228.66 b81.29 a118.22 b-15 kPa194.00 c79.52 a99.09 c转色期CK203.46 d60.80 c101.63 d-5 kPa246.62 a107.60 a135.36 a-10 kPa228.95 b96.11 b128.62 b-15 kPa212.21 c93.30 b104.51 c红熟期CK217.80 c67.63 d101.71 d-5 kPa265.97 a143.02 a135.66 a-10 kPa254.61 b120.76 b131.13 b-15 kPa217.80 c102.29 c117.91 c完熟期CK218.58 c67.88 d115.67 d-5 kPa303.51 a114.94 a177.70 a-10 kPa264.76 b93.18 b134.12 b-15 kPa219.79 c74.20 c131.76 c

注：同一时期不同的小写字母代表处理间差异达显著水平(P<0.05)，下同。

2.1.2 连续负压供水对土壤酶活性的影响

辣椒整个生育期中，各处理土壤脲酶、磷酸酶活性均呈稳定上升趋势，各负压供水处理均显著高于CK，具体表现为：-5 kPa>-10 kPa>-15 kPa>CK，说明随着负压的增大脲酶、磷酸酶活性增强。土壤过氧化氢酶活性从开花坐果期到转色期提高较为迅速，转色期至完熟期提高缓慢(表2)，-5、-10和-15 kPa处理过氧化氢酶活性于未熟期、绿熟期、完熟期与CK呈显著性差异。其中，-5、-10 kPa处理于辣椒整个生育期过氧化氢酶活性与CK相比分别提高6.18%～30.23%、2.63%～29.58%；而-15 kPa处理开花坐果期、转色期、红熟期过氧化氢酶活性均与CK相近。

随着辣椒生育期的推进土壤蔗糖酶呈递增趋势，但较为缓慢。-5 kPa处理全生育期蔗糖酶活性均高于其他处理，开花坐果期到绿熟期蔗糖酶活性上升较快，与CK呈显著差异，从绿熟期到完熟期蔗糖酶活性递增较慢；-10 kPa与-5 kPa处理趋势相同，较CK差异显著。而-15 kPa处理开花坐果期与未熟期蔗糖酶活性较CK提高13.33%～21.34%，差异显著，从绿熟期到完熟期与CK相比蔗糖酶活性有所提高，但无显著差异。

由此可知，当供水压力控制在-5～-15 kPa之间有利于提高土壤磷酸酶、脲酶活性；当供水压力在-5～-10 kPa范围内，可有效提高土壤过氧化氢酶活性，-15 kPa对土壤过氧化氢酶活性影响较小。

表2 连续负压供水对土壤酶活性的影响 (mg/g)

2.2 土壤酶活性和土壤养分含量的简单相关分析

由表3可知，过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶4种酶之间存在极显著正相关，碱解氮、有效磷、速效钾含量之间呈极显著正相关，并且4种酶与土壤养分之间亦呈极显著正相关；同一种酶或养分不仅对特定的土壤养分及酶活性呈显著相关关系，与多种土壤酶及土壤养分均有极显著的相关性，说明连续负压供水可以有效提高土壤酶活性，促进土壤养分循环，从而使4种土壤酶可以充分参与到土壤养分因子的转化过程中，同时对单一土壤养分转化发挥着显著作用。

表3 土壤酶活性与主要养分含量的相关系数

注：**表示达1%显著相关。

2.3 土壤酶活性和土壤养分含量的主要成分分析

主成分分析是采取降维，将多个指标化为少数几个综合指标的统计分析方法。由表4可知，前两个主成分累计方差贡献率为89.032%，当累计方差贡献率大于85%时，即可用于近似反映系统全部的变异信息。第一主成分的方差贡献率达到82.083%，为全部因子中占主导地位，因此第一主成分代表了土壤各项指标的大小，可反映土壤养分供应能力的综合指标。用Y1表示土壤综合肥力(表5)，用线性函数表示第一主成分，则土壤综合肥力和土壤各因子之间的关系为:

Y1=0.401X碱解氮+0.348X有效磷+0.368X速效钾+0.380X过氧化氢酶+0.403X脲酶+0.375X蔗糖酶+0.367X磷酸酶

式中:各变量的系数可以理解为各因子在土壤养分供应系统所占的权重，第一主成分载荷越大，表明对土壤养分供应的贡献越大。

同样，用Y2表示第二主成分与各因子的关系为:

Y2=0.115X碱解氮+0.430X有效磷+0.416X速效钾-0.429X过氧化氢酶-0.261X脲酶-0.525X蔗糖酶+0.320X磷酸酶

式中:第二主成分中，有效磷、速效钾、过氧化氢酶及蔗糖酶均有相对较大的载荷，因而对第二主成分的影响较大，反映出过氧化氢酶及蔗糖酶不断分解减少时，有效磷及速效钾权重减少。

表4 供试土壤主成分特征值

表5 供试土壤主成分的规格化特征向量

3 讨论

连续负压供水系统是一个密闭的装置。从能量方面分析，当系统达到平衡且不存在水分流动时，Ψ水(供水桶内水势)与Ψ土(土壤基质势)存在对应关系，即供水负压可表示为土壤基质势[23]。在试验过程中，辣椒蒸腾、主动吸水和土壤蒸发，打破了这种平衡关系，Ψ土小于供水负压，供水装置自动补给辣椒根层土壤，使得全生育期内土壤水分含量处于相对稳定的变化过程[8]，从而有效提高土壤酶活性，促进土壤养分循环，加快土壤养分因子的转化过程。本试验表明，负压各处理土壤酶活性及土壤养分具体表现为：-5 kPa>-10 kPa>-15 kPa，这说明当负压在-5～-15 kPa时土壤水分得到有效利用，增强了土壤的透气性，刺激非根际土壤微生物的生长和土壤腐殖质的分解，促进土壤养分的运移及转化。其中，压力控制在-5 kPa时，土壤水分运移速率加快，刺激微生物繁殖，微生物活动能够产生大量土壤酶[24]，增加了土壤的碳源和氮源，快速分解并释放土壤有效养分，从而提高土壤养分对酶活性的促进能力。