戈壁日光温室内土壤改良对番木瓜生理变化的影响

李宽莹，张 坤，王 玮，杨芳芳，王晓辉，丁 海，杨怀峰

（1.甘肃省农业科学院 林果花卉研究所，甘肃 兰州 730070；2.嘉峪关市新城镇农业综合服务中心，甘肃 嘉峪关 735106；3.酒泉市荣鑫农民种植专业合作社，甘肃 酒泉 735011；4.嘉峪关市文殊镇农业综合服务中心，甘肃 嘉峪关 735104）

番木瓜是热带与亚热带地区广泛种植的果树之一[1]，其果品富含维生素A、维生素C，肉质软滑，香甜可口，位居营养最佳的十种水果之首[2]，有“岭南果王”的美称，番木瓜的需求量逐年增加[3]。番木瓜易栽培、生长快、结果早，是休闲采摘和果园观光旅游的首选，在我国北方的北京、山东、宁夏等地将其作为城市近郊设施栽培果树，有着广阔的发展前景[4]。

南方水果在北方市场广为消费者喜爱，保护地栽培技术的发展有效实现了南果北移[5]，火龙果[6]、柚子[7]、番木瓜[8]、香蕉[9]等果树的北移已有成熟的栽培技术规程。河西走廊地区属典型的戈壁沙漠气候，干燥少雨、昼夜温差大，土壤肥力差、有机质含量低、高碱性[10-11]。其中，土壤碱性高已成为限制南方果树在西北地区栽培的主要环境因素，甘肃省河西走廊地区土壤pH均在8.5左右，而番木瓜最适宜的土壤为pH 6.0～6.5的偏酸性土壤。在14个桂花树种北栽试验中，李乾明等[12]采用浇灌醋水的方法进行碱性土壤改良。从怀军等[13]通过施用有机肥、秸秆等改善黄土高原区土壤的养分状况。有研究结果表明，在不同灌溉条件下（膜下沟灌和膜下滴灌）可以通过施肥、增施土壤改良剂和添加秸秆对日光温室土壤的生态环境进行改善[14]。季立荣等[15]通过撒施硫酸钾、叶面喷施磷酸二氢钾有机复合微肥、交替施用复合肥与尿素，提高了土壤肥力，保证了番木瓜的正常生长。有关干旱荒漠地区日光温室栽培条件下土壤改良对番木瓜生理变化影响的研究鲜见报道。

本试验在干旱荒漠地区的日光温室内进行，通过采取不同土壤处理措施，测定番木瓜叶片和根系的酶活性、叶片荧光参数等生理指标，以及土壤速效磷、有效铁含量，研究不同改良方式对番木瓜及土壤的影响，筛选最佳的处理方式，以期为干旱荒漠区番木瓜的日光温室栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在甘肃省嘉峪关市新城镇野麻湾农业园区（98o22′E，39o55′N）进行。该地为戈壁滩，海拔1 494 m。嘉峪关市属温带大陆性荒漠气候，年均气温6.7～7.7 ℃，年日照3 000.2 h。年均降水量85.3 mm，蒸发量2 149 mm，全年无霜期130 d。土壤有机质含量1.35%，全氮含量0.076%，全磷含量0.156%，1 m深土壤pH 8.62，灌溉水pH 8.2。

试验用日光温室为半圆拱形钢结构日光温室，无立柱，脊高4.5 m，长64 m，跨度9 m，后墙、山墙厚2 m，均为内外砖墙中间填加戈壁沙土。日光温室内配备电加温设备、滴灌设备，在温室上部设微喷灌，既可浇水也可加湿。

1.2 试验材料

试验材料为引自福建省农业科学院果树研究所的5年生马来西亚10号番木瓜。

1.3 试验设计

设置“酸性水”和“肥+酸性水”共2种处理。单用“酸性水”灌水处理，4—8月灌水（酸性水，使用草酸调节pH）5次，pH设4、5、6共3个水平，编号分别为pH4、pH5、pH6，每次每株灌水30 kg。“肥+酸性水”处理，先分别施入50 g KH2PO4（A）、100 g KH2PO4（B）、150 g KH2PO4（C）、200 g KH2PO4（D）、100 g翠 姆氨基酸（E）、1 000 g生物菌肥（F），施入深度均为30 cm，再用酸性水（pH=5）灌溉。

各处理的灌水量和灌溉时间一致，并均以等量清水浇灌的植株作为对照（CK）。株行距为3.0 m×2.5 m，单株小区，重复3次，处理间随机排列，不同水平处理间使用薄膜隔开。7月中旬果实采摘结束后，对土壤和植株进行取样，并进行指标测定。

1.4 指标测定

1.4.1 植株生理指标

采集番木瓜成熟叶片中部的叶肉组织和根系（10～30 cm土层）。准确称取叶肉组织或根系0.1 g，使用ELISA检测试剂盒、酶标仪测定其过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性，同时测定根系的丙二醛含量（MDA），重复3次。

1.4.2 植株荧光参数

选取向阳处枝条上成熟叶片，使用英国Hansatech公司生产的Handy PEA植物效率分析仪，分别在9:00和11:00测定初始荧光（Fo）、最大荧光产量（Fm）、最大光能转化效率（Fv/Fm）、以吸收光能为基础的性能指数（PIabs），每指标3个重复。

1.4.3 土壤化学指标

测定荧光参数的同时，采集土壤样品，土层深度分别为0～20、20～40 cm。使用上海雷兹公司生产的pHB-4型土壤pH检测仪测定土壤pH，采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量[16]，采用原子吸收光谱法测定有效铁含量[17]。

1.5 数据分析

使用Excel 2016软件进行数据处理和作图，使用SPSS 22.0软件进行方差分析、多重比较（LSD法）和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同土壤处理措施对番木瓜叶片和根系生理指标的影响

2.1.1 对番木瓜叶片和根系抗氧化酶活性的影响

不同土壤处理措施对番木瓜叶片和根系抗氧化酶活性的影响如图1所示。由图1可见，不同处理下番木瓜叶片、根系的POD活性的变化趋势均相同，且“肥+酸性水”处理后叶片和根系的POD活性显著高于CK和各“酸性水”处理。“酸性水”处理下，随着灌溉水pH的增加，根系和叶片的POD活性逐渐降低。各“肥+酸性水”处理中，处理D的POD活性最高，根和叶的POD活性分别为81.13、78.54 ng/g，分别是CK的1.47、1.58倍。不同处理组的番木瓜根系和叶片的SOD、CAT活性变化与POD活性变化趋势基本一致。

图1 不同土壤处理措施对番木瓜叶片和根系抗氧化酶活性的影响Fig.1 Effects of different soil treatment measures on antioxidant enzymes activities in leaves and roots of papaya

2.1.2 对番木瓜根系MDA含量的影响

不同土壤处理措施对番木瓜根系MDA含量的影响如图2所示。由图2可见，“酸性水”处理下，随着灌溉水pH升高，根系MDA含量逐渐升高，即使用pH为6的灌溉水处理时最高，为114.57 nmol/g，与CK差异不显著，但二者显著高于使用pH为4和5的灌溉水处理。各“肥+酸性水”处理的根系MDA含量显著低于CK和各“酸性水”处理，使用KH2PO4处理的根系MDA含量均显著低于使用有机肥处理。

图2 不同土壤处理措施对番木瓜根系丙二醛含量的影响Fig.2 Effects of different soil treatment measures on MDA content of papaya root

2.2 不同土壤处理措施对番木瓜叶片荧光参数和叶绿素含量的影响

不同处理对番木瓜叶片叶绿素荧光参数的影响如图3所示。

如图3所示，在9:00，不同处理间叶片Fo值均无显著差异。在11:00，其值随灌溉水pH的增加而增加，且pH4处理的Fo值（303.33）显著低于pH5和pH6处理组；A、B、C、D、E和F处理组的Fo值均显著低于CK、pH5和pH6处理组。

如图3所示，在9:00和11:00，CK、A和B处理的Fv/Fm值显著低于其他处理，pH4、pH5、pH6、C、D、E和F处理组的Fv/Fm值无显著差异。

如图3所示，在9:00，CK的Fm值显著低于其他处理，处理D的Fm最高，是CK的1.40倍，同时“肥+酸性水”处理组的Fm均高于“酸性水”处理组。在11:00，CK、pH4、pH5和pH6处理组的Fm值之间无显著性差异，“肥+酸性水”处理组的Fm值显著高于CK和“酸性水”处理，其中D处理组的Fm值最高（2 489.01），是CK的1.24倍。

如图3所示，在9:00，CK的PIabs显著低于其他处理，其他处理之间无显著差异。在11:00，处理C、D、E和F的PIabs显著高于其他处理，其中处理D最高（6.89），是CK的1.66倍；pH4处理的PIabs显著高于pH5、pH6处理和CK，比CK高50.88%，pH5和pH6处理间无显著差异。

如图3所示，不同处理下，番木瓜叶片叶绿素含量均显著高于对照组。在“酸性水”处理中，随着灌溉水pH的增加，叶绿素含量逐渐降低。在“肥＋酸性水”处理中，随着KH2PO4质量的增加，叶片叶绿素含量逐渐升高，且在处理D中叶绿素含量最高（7 194.95 μg/g），是CK的2.09倍。处理B、C和D的叶片叶绿素含量高于处理E和F。处理E和F的叶绿素含量显著高于CK，分别比CK高1.75、1.71倍。

图3 不同土壤处理措施对番木瓜叶片荧光参数和叶绿素含量的影响Fig.3 Effect of different soil treatment measures on fluorescence parameters and chlorophyll content of papaya leaves

2.3 不同土壤处理措施对土壤化学指标的影响

不同土壤处理对土壤速效磷和有效铁含量的影响如图4所示。由图4可见，在20和40 cm土层，随着灌溉水pH的增加，土壤速效磷含量降低，pH6处理的含量均为最低。各“酸性水”处理，在20 cm土层的速效磷含量均高于40 cm土层。在A、C、E、F处理组，在40 cm土层的速效磷含量高于20 cm土层，且处理E的速效磷含量最高（752.00 mg/kg），比CK高16.22%。在20 cm土层，处理A的有效铁含量最低（0.43 mg/g），比CK低89.58%，CK的土壤有效铁含量均显著低于其他各处理组。在40 cm土层，处理B的有效铁含量最高，为3.69 mg/g，比CK高7.32%，处理F的有效铁含量最低，为0.57 mg/g，比对照低83.32%。

不同土壤处理对不同深度土层pH的影响如图4所示。由图4可见，随着土壤深度的增加，土壤pH逐渐增大。在20 cm土层，“肥+酸性水”处理组的土壤pH均显著低于CK和“酸性水”处理。在40 cm土层，CK和pH6处理的土壤pH显著高于其他处理，处理D的最低，为8.54。

图4 不同土壤处理措施对土壤化学指标的影响Fig.4 Effects of soil available iron and available phosphorus content under different soil treatments

2.4 不同土壤处理措施对土壤和番木瓜影响的综合评价

对不同处理措施下土壤、番木瓜叶片和根系的13个指标进行主成分分析，提取特征值大于1的3个主成分，结果见表1。各主成分的特征值分别为9.370、3.209、1.548，累积方差贡献率达到88.292%，可反映大部分信息。第1主成分综合了番木瓜叶片叶绿素含量、Fo、Fm、PIabs和根系MDA含量以及二者的POD、SOD、CAT活性等指标的信息。第2主成分综合了20、40 cm土层的速效磷含量和20 cm土层的有效铁含量、叶片Fv/Fm指标的信息。第3主成分综合了40 cm土层的有效铁含量指标的信息。

表1 不同土壤处理措施对土壤和番木瓜影响的主成分分析结果Table 1 Rotated component matrix of principal component analysis

用3个主成分对不同土壤处理下土壤和番木瓜叶片及根系的指标进行综合评价，结果见表2。由表2可知，对照组的综合得分最低。随着酸性水pH的增加，其综合得分逐渐升高，同时随着施入磷酸盐质量的增加，综合得分也升高，且处理D[施用K2HPO4（200 g）+灌溉酸性水（pH=5）]的综合得分最高，说明此处理能更好地改良土壤，对番木瓜生长的促进效果最佳。各土壤处理措施的综合得分由高到低排序依次为处理D[施用K2HPO4（200 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、处理C[施用K2HPO4（150 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、处理E[施用翠姆氨基酸（100 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、处 理B[施 用K2HPO4（100 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、处理F[施用生物菌肥（1 000 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、处理pH4[灌溉酸性水（pH=4）]、处理A[施用K2HPO4（50 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、处理pH5[灌溉酸性水（pH=5）]、处理pH6[灌溉酸性水（pH=6）]、CK。

表2 不同改良方式的主成分因子得分、综合得分及排序†Table 2 Factor scores, comprehensive scores and sorting of principal components of various methods for improvements

3 结论与讨论

通过研究多个单项指标的变化来分析不同方法对于番木瓜和土壤的影响，其评价结果存在片面性。采用主成分分析法进行评价，能够在保证不损失原有信息的前提下，综合所有相关指标，对各种土壤改良方法的影响进行客观全面评价[18-19]。根据主成分分析结果，本研究中各土壤处理措施的综合得分由高到低排序依次为处理D[施用K2HPO4（200 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、处理C[施用K2HPO4（150 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、处理E[施用翠姆氨基酸（100 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、处理B[施用K2HPO4（100 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、处理F[施用生物菌肥（1 000 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、处理pH4[灌溉酸性水（pH=4）]、处理A[施用K2HPO4（50 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、处理pH5[灌溉酸性水（pH=5）]、处理pH6[灌溉酸性水（pH=6）]、CK。因此，在戈壁滩设施内栽培番木瓜时，使用K2HPO4处理的效果较好，其中施用K2HPO4（200 g）+灌溉酸性水（pH=5）处理的效果最佳，可有效改善高碱性土壤，促进番木瓜的生长。

设施农业以其节地省水、聚能高产的特征区别于传统农业的生产模式[20]。设施果树更以其技术高新集成、果品高端高效等特色在现代设施农业产业中有着广阔的市场前景。南方果树在北方戈壁滩地区的日光温室内种植可成为南果北种的亮点[21]。土壤的酸碱性影响果树根系对营养成分的吸收和利用，适宜的土壤酸碱性可以避免许多营养元素的缺乏和毒害作用[22-23]。本试验中使用不同pH的酸性水处理后，土壤深度为40 cm时，使用pH为4的酸性水处理的土壤pH最低，此处理有效降低了该土层的pH，而番木瓜根系主要集中在40 cm土层，能有效缓解高碱性土壤对番木瓜根系的伤害。MDA能强烈地与细胞内各种成分发生反应，引起酶和膜脂的损伤，导致膜结构和生理机能的破坏，其含量是反映细胞膜脂过氧化作用强度和质膜损伤程度的重要指标[24]。在本试验中，随着处理酸度的升高，番木瓜根系MDA含量逐渐升高，表明单一酸性水处理，对番木瓜根细胞的膜结构有一定损伤，且处理pH6与对照的膜结构损伤程度相同，并未起到改良作用。施用磷酸盐、生物菌肥和有机肥处理的番木瓜根系MDA含量显著低于对照和单一酸性水处理，同时施用磷酸盐处理的根系MDA含量低于施用翠姆氨基酸和生物菌肥处理，此结果表明各改良方式能有效降低高碱性土壤对番木瓜根系的胁迫伤害，促进植株的健康生长，缓解膜系统的损伤程度，这与宋计平等[25]的研究结果一致。施用K2HPO4（200 g）+灌溉酸性水（pH=5）处理的番木瓜根系MDA含量最低，可见其对碱性土壤的改良效果最佳。

土壤对微量元素的正常吸收能有效促进植株的生长结果[26]。在本试验中，不同土壤深度下有效铁和速效磷含量的变化不尽相同。随着灌溉水酸度的增加，土壤速效磷的含量降低，各pH水平酸性水处理下，20 cm土层的速效磷含量均高于40 cm土层。施用K2HPO4（50 g）、K2HPO4（150 g）、翠姆氨基酸、生物菌肥处理中，40 cm土层的速效磷含量高于20 cm土层，其中施用翠姆氨基酸处理的速效磷含量最高，表明单一酸性水处理改善了表层土，添加了磷酸盐和有机肥后，改善了40 cm深的土壤，有利于番木瓜根系对磷的吸收，促进机体内蛋白质、脂肪、核酸等多种化合物的合成，有利于信息遗传和表达及新陈代谢[27]。同时仅灌溉酸性水（pH=5）处理的土壤速效磷含量与各施用磷酸二氢钾处理无显著差异，这可能是由于磷肥速溶于土壤[28]，土壤中速效磷的含量增加，迅速改良土壤，使得番木瓜对速效磷的吸收趋于正常。有研究结果表明，高碱性会使得植物生长介质中的Fe离子沉淀从而失去有效性[29]。施用磷酸盐、翠姆氨基酸和生物菌肥处理的土壤速效铁含量均低于对照组，这可能是由于不同土壤改良方式保持土壤中Fe离子的有效性，使得植株正常吸收Fe离子，保证叶绿素合成的正常进行，从而使得其含量低于对照组。其中，施用生物菌肥处理的土壤有效铁含量最低，表明此处理可能对番木瓜吸收铁离子的改良效果最佳。

叶绿素荧光参数可表征植物PSⅡ的运行状态[30]，同时根据叶绿素荧光参数可以探测植物光合生理状况及外界因子对植物体的细微影响[31]。在本试验中，处理组pH4的F0在9:00和11:00时低于pH5和pH6处理组，表明番木瓜叶片的F0对各pH水平酸性水处理有着不同的响应。对照组的Fm高于处理组，各处理组之间无显著差异，可知该指标对不同pH水平酸性水处理的响应不明显。表明单一酸性水处理后，可改善木瓜栽培土壤的酸碱度，提高番木瓜的适应性[32]。Fv/Fm降低反映植物叶片PSⅡ受到光抑制[33]。在本试验中，对照组和处理组的Fv/Fm均无显著差异，表明各pH水平酸性水处理未对番木瓜造成胁迫伤害，所选取的pH在适宜的范围内。性能指数PIabs是以吸收光能为基础的光合性能指数，反映了光合机构的活性，也是反映光合系统受到环境影响的最敏感的参数[34]。在本试验中，在11:00时，pH4、pH5和pH6处理的PIabs均无显著差异，在9:00时，pH4处理的PIabs高于pH5和pH6处理，说明在9:00时此处理能显著提高番木瓜叶片PSⅡ放氧复合体（OEC）的活性，促进植株光合作用的进行，保证植株获得充足的物质和能量[35]。

叶绿素为植物进行光合作用所必需，主要参与光能的吸收、传递以及能量转换[36]。各处理中番木瓜叶片的叶绿素含量均显著高于对照组，表明各土壤改良方式均有效促进了番木瓜叶片叶绿素的生成，进一步加强光合作用，提供机体所需的能量[37]。各施用磷酸盐改良土壤方式下番木瓜叶片叶绿素含量均高于其他改良方式，可能是由于K2HPO4易溶于水，番木瓜更易吸收，而施用翠姆氨基酸和生物菌肥处理的叶绿素含量低于施用磷酸盐处理，可能是由于有机肥活化土壤速度较慢。SOD、POD、CAT为植物体内清除过剩自由基的保护酶，其活性越高，植株抗性越强[38]。在本试验中，各土壤改良剂的应用均不同程度提高了番木瓜叶片根系和叶片中SOD、POD和CAT的活性，表明在高碱性土壤中番木瓜的生长发育受到了抑制，土壤改良剂可在一定程度上改善土壤环境，提高番木瓜自身的保护能力，促进其生长，这与李娜等[39]的研究结果一致，其中施用K2HPO4（200 g）处理的效果最为显著。

在本试验中仅初步探索了各土壤改良方式对设施番木瓜生理指标的影响，而其可能受设施生长环境、营养提供等多方面因素的影响。下一步可深入探究番木瓜生长对“肥+酸性水”处理的响应机制。