不同水肥组合对高原夏季露地紫甘蓝产量和土壤理化性状的影响

缑兆辉,秦启杰,吕 剑,车旭升,罗 建,张 辉,张国斌

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730030)

紫甘蓝是高原夏菜主栽品种之一，其以独特的颜色、清爽的口感、优越的品质成为热销产品。当地菜农在紫甘蓝生产中为达到高产目的，往往会过量施肥，从而导致土壤次生盐渍化，土壤理化性质劣变，甚至造成环境污染，而传统的大水漫灌、沟灌方式不仅导致土壤呼吸不畅、地温降低，且肥料淋溶问题严重[1]。土壤养分含量的高低不仅可以直接影响作物的正常生长发育[2]，还可以反映土壤健康状况，同时影响整个生态系统中能量与物质的循环，主导有机物碳的分解转化[3-4]。土壤酶是土壤中最活跃的部分，其对土壤养分转化起着非常重要的介导作用，因此与土壤肥力关系紧密相关[5]。水肥管理会直接影响土壤环境变化，而土壤酶活性对其响应尤为敏感，即施肥和灌溉等农艺活动能够显著影响土壤酶活性[6-9]。研究表明，氮、磷、钾等不同种类肥料单施或配施可提高麦田土壤酶活性[10-11]。在水肥一体化条件下，增施氮肥会提升番茄土壤氮素相关酶活性[12]，适宜的水肥配比可以显著提高土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、转化酶、脲酶活性[13]。水肥耦合对土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量具有显著影响，且对不同养分的影响效应不同[14]。

甘肃农业大学园艺学院设施园艺课题组近几年致力于露地蔬菜水肥一体化效应研究, 将基于滴灌的水肥耦合技术、化肥减量技术、平衡施肥技术有效集成，应用在露地松花菜、青花菜、西兰花等高原夏菜上[15-17]，研究表明，基于滴灌的水肥一体化技术较传统灌水施肥制度和方式具有显著的增产、改善品质、节水省肥等优点。因此，本研究针对目前兰州市高原夏季紫甘蓝生产中水肥管理存在的问题，以紫甘蓝品种‘欧美罗’为试验材料，研究滴灌条件下水肥耦合对兰州市露地紫甘蓝土壤养分积累、pH、可溶性离子浓度(EC)、土壤酶活性、土壤呼吸的影响，旨在筛选最优水肥组合，为紫甘蓝灌溉施肥管理提供指导依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在甘肃省榆中县清水驿乡稠泥河村进行，该地区平均海拔1 790 m，平均气温6.60℃，年降雨量400 mm以上，无霜期150 d左右。供试土壤为壤土，供试作物为紫甘蓝(BrassicaoleraceaL. var.capitatarubra)品种‘欧美罗’，供试肥料均使用水溶肥，分别为四川德美实业有限公司生产的磷酸氢二铵(P2O5≥53.0%、N≥20.8%)和硫酸钾(K2O≥52.0%)；云南云天化股份有限公司生产的尿素(N≥46.0%)；山东华诺联邦农化有限公司生产的磷酸二氢钾(P2O5≥52%、K2O≥34%)。试验地 0～20 cm 耕层土壤基本理化性质见表1。

表1 试验地0～20 cm耕层土壤基本理化性质

1.2 试验设计

试验采用一垄双行垄面覆膜的栽培模式，垄宽70 cm、沟宽40 cm，双行三角形定植，株距35 cm、行距40 cm，秧苗密度3 388株·667m-2。使用膜下滴灌系统，支管沿垄面单向分布，毛管分布于支管两侧，支管垂直于干管，干管与水泵出口相连，1垄1管，滴孔间距35 cm。采用双因素交互设计。因素一为施肥量，N、P、K施肥量设3个水平，分别为当地传统施肥量(高肥F1)，当地传统施肥量的80%(中肥F2)，当地传统施肥量60%(低肥F3)；因素二为灌水下限，设3个水平W1、W2、W3，其中W1为田间持水量(θf)的80%、W 2为60%θf、W3为40%θf，灌水上限统一设定为95%θf，组成9(3×3)个水肥一体化处理组合，以大水漫灌、当地施肥量组合为对照(CK)。试验共10个处理, 3次重复，共计30个小区。

试验开始前各处理统一撒施农家肥9 300 kg·km-2及化肥N、P、K(分别为108、276 kg·hm-2和0 kg·hm-2)，并翻入土中。其余化肥为追肥，分5次进行，具体情况见表2。3月8日育苗，4月17日选择大小一致、无病虫害、生长健壮的幼苗进行定植。定植当天浇一次缓苗水，10 d以后进行设定的水肥处理。整个生育期病虫害防治等田间管理措施与当地传统管理措施保持一致，用烘干法监测土壤含水量，待含水量到下限时灌水至上限，灌水量由水表读出。灌水量计算公式如下[18]：

表2 不同处理施肥量/(kg·hm-2)

M=S×r×h×Q×(q1-q2)×P

式中,M为计划灌水量(m3)；P为滴灌润湿比(50%)；S为小区面积(23.55 m2)；r为土壤容重(1.60 g·cm-3)；h为计划湿润深度(0.2 m)；Q为田间持水量(28.72%)；q1和q2分别代表灌水上限和下限(田间持水量θf的百分比)，具体情况见表3。

表3 不同处理灌水量/(m3·hm-2)

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤取样方法 每小区分别在莲坐期、结球期、采收期选11棵植株，以土钻取植株半径15 cm 内、20 cm深的土壤，混匀后利用四分法选取适当土样装于自封袋中带回实验室，一部分土样自然风干过1 mm的筛后待测土壤酶活性，另一部分过0.25 mm的筛后测土壤中速效养分及有机质的含量，采收期土壤风干后过0.25 mm的筛后测土壤中的全N、全P、全K，每个处理3次重复。

1.3.2 紫甘蓝产量测定 避开边际效应，每个小区取20株紫甘蓝测定生物产量和经济产量。之后算出小区产量，根据小区产量折算每公顷产量。

1.3.3 采收期全N、全P和全K的测定 测定采收期土壤的全N、全P和全K，测定前期统一用H2O2-H2SO4消煮，全N、全P和全K分别用凯氏定氮法、磷钼蓝比色法、火焰光度计法[19]测定。

1.3.4 速效养分的测定 碱解氮、速效磷、速效钾分别用碱解扩散法、碳酸氢钠-钼锑抗比色法、乙酸铵-火焰光度计法测定。

1.3.5 酶活性的测定 蔗糖酶活性用3,5-二硝基水杨酸比色法测定；过氧化氢酶(catalase , CAT)的测定采用高锰酸钾滴定法；土壤呼吸用CIRAS-Ⅱ型光合仪测定。

1.4 数据统计与分析

用 Microsoft Excel 2016软件处理数据和作图，用SPSS 19.0软件对数据进行单因素方差分析，并运用Duncan’s检验法对显著性差异(P<0.05)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 水肥耦合对露地紫甘蓝产量的影响

由表4可知，各处理紫甘蓝单球重、经济产量、生物产量和经济系数均大于CK处理。W2F2处理单球重、经济产量和经济系数均最大，且较CK分别提高了16.33%、16.37%、10.42%。而生物产量以W1F2处理最大。在同一灌水下限时，随施肥量的增加单球重和经济产量均表现为中肥(F2)处理高于高肥(F1)和低肥(F3)处理，在80%θf(W1)处理时，随施肥量的增加生物产量呈先增后减的趋势，而经济系数则呈上升趋势，在40%θf(W3)处理与60%θf(W2)处理中随施肥量的增加生物产量表现为高肥(F1)处理均高于中肥(F2)和低肥(F3)处理，经济系数则表现为中肥(F2)处理均高于高肥(F1)和低肥(F3)处理。在同一施肥水平时，随灌水量的增加，叶球重、经济产量在高肥(F1)和中肥(F2)处理下呈先增后降的趋势，而在低肥(F3)处理下表现为升高趋势，但在高肥(F1)和低肥(F3)处理中增加并不显著，随灌水量的增大经济系数表现为先升后降的趋势，生物产量在中肥(F2)与低肥(F3)处理下呈增大趋势，而在高肥(F1)处理下呈先增后降的趋势。

表4 水肥耦合对露地紫甘蓝产量的影响

2.2 水肥耦合对露地紫甘蓝土壤蔗糖酶活性的影响

土壤蔗糖酶在土壤中广泛存在，常用于表示土壤的熟化程度，能催化促进土壤中蔗糖水解成葡萄糖和果糖。由图1可知，随着紫甘蓝生育期的推进，土壤蔗糖酶活性呈降低趋势。在同一灌水下限时，在各生育期内随施肥量的增加土壤蔗糖酶活性呈现先升后降的趋势。在同一施肥水平时，在各生育期内随灌水量的增加土壤蔗糖酶活性表现为60%θf(W2)处理活性最高，40%θf(W3)处理活性最低，80%θf(W1)处理居中。在各生育期内W2F2处理的蔗糖酶活性均高于其他处理，且较CK分别显著提高32.15%、60.12%、69.74%。

2.3 水肥耦合对露地紫甘蓝土壤过氧化氢活性的影响

由图2可知，随着紫甘蓝生育期的推进，土壤过氧化氢酶活性呈先升高后降低的趋势。在同一灌水下限时，在各生育期内随施肥量的增加土壤过氧化氢酶活性均呈现先升后降的趋势。在同一施肥水平时，在各生育期内随灌水量的增加土壤过氧化氢酶活性均呈现先升后降的趋势。各生育期内W2F2处理的土壤过氧化氢酶活性均高于其他处理，且较CK处理分别提高0.74%、0.49%、1.23%。

2.4 水肥耦合对露地紫甘蓝土壤呼吸的影响

由图3可知，随着紫甘蓝生育期的推进，土壤呼吸呈现先升高后降低的趋势，在同一灌水下限时，各生育期内随施肥量的增加中肥(F2)处理均高于高肥(F1)和低肥(F3)处理。在同一施肥水平时，各生育期内随灌水量的增加土壤呼吸均表现为先升后降的趋势。在各生育期内W2F2处理的土壤呼吸强度均高于其他处理，且较CK处理显著提高30.57%、22.93%、34.12%。

2.5 水肥耦合对露地紫甘蓝土壤EC值的影响

由图4可知，随着紫甘蓝生育期的推进，土壤EC值大致表现为降低趋势。不同水肥组合对露地紫甘蓝土壤EC值的影响不同。在同一灌水下限时，各生育期内随施肥量的增加土壤EC值呈现上升趋势。在同一施肥水平时，在各生育期内随灌水量的增加土壤EC值呈现降低的趋势。在各生育期内W1F3处理的土壤EC值均低于其他处理，W2F2处理的土壤EC值在结球期显著低于CK处理。

2.6 水肥耦合对露地紫甘蓝土壤pH值的影响

由图5可知，随着紫甘蓝生育期的推进，土壤pH值表现为上升趋势，在同一灌水下限时，在各生育期内随施肥量的增加土壤pH呈现降低的趋势。在同一施肥水平时，在各生育期内随灌水量的增加土壤pH呈现降低的趋势。在各生育期内W3F3处理的土壤pH均高于其他处理。

2.7 水肥耦合对露地紫甘蓝采收期土壤N、P、K的影响

由表5可知，在灌水下限相同时，随施肥量的增加土壤全N含量表现为先降低后升高的趋势；土壤全P、K含量表现为上升的趋势；土壤有机质含量表现为先升高后降低的趋势，60%θf(W2)处理中高肥(F1)、中肥(F2)显著高于低肥(F3)处理。施肥水平相同时，随灌水量的增加，土壤全N、K含量表现为在60%θf(W2)处理高于80%θf(W1)和40%θf(W3)处理(土壤全K含量在F2处理表现为W3、W2相近，而W1最低)；土壤全P含量表现为降低趋势；土壤有机质含量在高肥(F1)、中肥(F2)施肥水平下表现为先升后降的趋势，在低肥(F3)施肥水平下表现为上升的趋势。W2F2处理的有机质含量高于其他处理，且较CK处理显著提升26.76%。

表5 水肥耦合对采收期土壤N、P、K的影响/(g·kg-1)

2.8 水肥耦合对露地紫甘蓝土壤速效养分的影响

由表6可知，土壤速效磷含量在整个生育期内大致表现为积累，土壤碱解氮、速效钾含量表现为莲坐期高于结球期和采收期。在同一灌水下限时，随施肥量的增加土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量在各生育期均表现为上升趋势。在同一施肥水平下，随灌水量的增加碱解氮在各生育期内均表现为40%θf(W3)处理最高，60%(W2)处理次之，80%θf(W1)处理最低(除莲座期内在F3处理下W3，W2相近W1最低)；速效磷在各生育期内均表现为40%θf(W3)处理最高，60%(W2)处理次之，80%θf(W1)处理最低；速效钾在莲座期表现为40%θf(W3)处理最高，60%θf(W2)处理次之，80%θf(W1)处理最低，在结球期与采收期表现为60%θf(W2)处理最高，40%θf(W3)处理次之，80%θf(W1)处理最低。

表6 水肥耦合对土壤速效养分的影响/(mg·kg-1)

3 讨 论

产量是决定蔬菜经济效益的基础，而适宜的水肥供应会有效促进植物对养分和水分的吸收，进而达到高产[20]。研究发现，过高的灌水下限和施肥量在番茄生长旺盛期会抑制干物质的积累[21]，高肥和低肥均会影响总干物质量的积累和经济产量的增加，高肥的抑制作用更明显[22]。本研究得到相似结论，水肥一体化处理的干物质总积累量与产量均高于CK处理且差异显著，60%θf和N、P、K为 373.2、604.8、215.93 kg·hm-2的组合(W2F2)处理的经济产量和经济系数最高，水肥利用效率显著提高，说明水肥互作对紫甘蓝的产量和水分利用率有显著的影响，当水分或养分一定时，产量随水分或养分的增加呈开口向下的抛物线状，可能原因是过低或过高的水分、养分均不利于植株对养分、水分的吸收和利用，从而造成减产，这与李建明等[23]的研究结果类似。

土壤呼吸强度可作为评价土壤肥力的指标之一，土壤呼吸强度包括土壤微生物的呼吸作用和植物根系的呼吸作用，其中土壤微生物活动是土壤呼吸作用的主要来源[24]。土壤酶由微生物与作物根系等共同作用而产生，也是土壤最重要的活性成分之一[25]，它参与土壤所有的生物化学过程，其活性的高低与土壤中生化过程相对强度有关，同时土壤酶活性可迅速响应短期的耕作措施对土壤质量的影响，进而反映土壤质量的变化[26-27]。适宜的水分管理和水肥配比有助于提高土壤酶活性[28]，而蔗糖酶与土壤有机质含量成正相关关系[29]。本试验各生育期内，土壤蔗糖酶、过氧化氢酶和土壤呼吸强度均在60%θf和N、P、K为 373.2、604.8、215.93 kg·hm-2的组合(W2F2)处理下最高，各处理土壤有机质含量与蔗糖酶活性变化趋势也一致，说明适量的水肥配比可显著提高土壤蔗糖酶和过氧化氢酶的活性，但过高或过低的配比则会使酶活性降低[13]，可能原因是施肥量过大或过小，土壤中C/N不适宜从而导致土壤微生物数量减少、活动减弱；同时，适宜的土壤水分加快了微生物反应物的流动性，可以为酶促反应提供良好的反应环境，进而提高酶活性[30]。研究结果还表明，大水漫灌处理(CK)会造成土壤板结、肥料淋溶，导致土壤通透性差、营养物质缺乏等，从而不利于微生物活动，而滴灌水肥一体化处理能够保持土壤良好的水肥气热条件，有利于作物根系的生长，尤其是根毛丰富、活性好，根毛的分泌物促进了微生物的繁衍，从而提高酶活性和土壤呼吸强度[31-32]。

土壤EC值能反映土壤溶液中可溶性离子、盐浓度变化情况。在施氮量相同的情况下，随着灌水量的增加土壤电导率降低，而在灌水量相同的情况下，随着施氮量增加土壤电导率相应升高[33]，本试验也得到了相同结论，即施肥量越多、灌溉量越小的情况下，土壤电导率增加就越显著，即土壤中可溶性盐分含量越高，而中水中肥条件下土壤电导率和可溶性盐分含量维持在适宜水平有利于蔬菜作物养分的吸收[34]。张德喜等[35]认为土壤含氮量高时pH值降低，本研究结果也印证了这一点，生育期内土壤pH值表现为上升趋势，土壤碱解氮含量表现为莲坐期高于结球期和采收期，可能是紫甘蓝在结球期和采收期对氮的吸收高于莲坐期，导致土壤中残留硝态氮含量减少，pH升高。

土壤有效养分、有机质含量是反映土壤肥力的重要指标[36-37]。合理施用化肥和有机肥能明显改善土壤肥力状况[38]。本研究表明，60%θf和N、P、K为373.2、604.8、215.93 kg·hm-2的组合(W2F2)处理较当地施肥灌水(CK)处理显著提升土壤有机质含量，可能原因一是适量施肥加速了土壤有机碳的分解[39]。二是适宜灌水量有利于土壤保持疏松，透气性好，提高了土壤微生物活性，促进了土壤有机碳的矿化作用，有机质含量增加，土壤肥力提高[40]。

4 结 论

基于滴灌技术的适宜水肥供应可以提高紫甘蓝产量和土壤相关酶活性，并利于有机质的积累，提升土壤肥力，促进植株养分吸收。本试验条件下，紫甘蓝适宜的水肥供应为60%θf和N、P、K为373.2、604.8、215.93 kg·hm-2的处理，与CK处理相比显著提高了紫甘蓝产量，改善了土壤的理化性状。