不同物料下咸、淡水灌溉对设施黄瓜土壤特性和品质的影响

2023-10-19穆晓坤李文慧魏彦凤游宏建徐广亚朱红艳曹云娥

江苏农业科学 2023年18期

穆晓坤, 李文慧, 魏彦凤, 游宏建, 徐广亚, 尹翠, 朱红艳, 曹云娥

(1.宁夏大学,宁夏银川 750021; 2.宁夏共享人力集团有限公司,宁夏银川 750027)

目前,我国累积新鲜蔬菜种植基地面积超过0.23亿hm2,作物产量超过8.17亿t,分别占全球蔬菜总量的43%和48%[1]。宁夏地势南高北低,属温带大陆性干旱、半干旱气候[2],水资源极其短缺,严重制约了宁夏设施产业的发展[3]。我国地下微咸水资源储量丰富,为277亿m3,绝大部分位于地下10～100 m处,适合开采利用[4]。更重要的是,地下微咸水的开发利用可以降低地下水位,对防治和减少土壤盐渍化具有关键作用[5]。

前人研究表明,在合理的灌溉制度下,可以对土壤进行处理,添加一些缓解性物质已成为降低盐胁迫的有效途径之一[6]。而生物炭和蚯蚓粪在土壤改良和缓解盐胁迫方面已被广泛应用[7-8]。蚯蚓粪呈现团粒结构,透气性和渗透性好,土壤不易板结,因此蚯蚓粪有利于植株的生长与发育[8-9]。生物炭比表面积大,孔隙度高,表面官能团丰富,它可以作为吸附剂去除土壤中的有机污染物[10-11]。同时生物炭保留并富集了生物质中大量营养物质,可以提高土壤肥力,促进植物生长[12]。崔佳音等研究得出,咸水灌溉会使土壤含盐量升高,引起盐分累积,且累积量与灌溉水矿化度成正比,生物炭的施加能有效缓解盐分累积[13]。微咸水(含盐量 2 g/L)灌溉下,添加一定的土壤改良剂,可以有效提高果实可溶性糖含量以及提高作物生长[14]。魏彦凤等研究得出,在连续盐水灌溉条件下,脱硫石膏和蚯蚓堆肥组合比单一土壤改良促进植物生长和作物产量更有效[15]。因此将生物炭与蚯蚓堆肥混合施用,对改良土壤及作物生长具有重要研究意义。

黄瓜是一种对盐分十分敏感的蔬菜作物。目前农业生产中对黄瓜水分和养分调控等的相关研究较多,但在不同物料下咸、淡水灌溉对设施黄瓜土壤特性和品质的研究鲜有报道。因此本试验采用4种栽培条件和 2 种灌溉制度,探究蚯蚓原位+生物炭对不同灌溉制度下的土壤改良效果以及对黄瓜品质与产量的影响,旨在为微咸水灌溉下设施黄瓜高效生产提供一定的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年3月5日到6月26日在宁夏银川市贺兰县园艺产业园(38°18′N,106°15′E)进行,本试验场所土壤的基础理化性质是全氮含量 0.68 g/kg、全磷含量0.21 g/kg、全钾含量15.81 g/kg、速效氮含量22.31 mg/kg、速效磷含量63.21 mg/kg、pH值7.89。宁夏二代太阳能日光温室,长100 m,跨度6.8 m,脊高4.4 m,后墙高度4.7 m。

1.2 试验设计

本研究以前期进行了5年微咸水持续灌溉的设施土壤为研究基础土壤,以黄瓜德尔99为研究对象,采用双因素设计,因素1为不同灌溉水:淡水灌溉(B)和微咸水灌溉(V);因素2为不同物料:未处理土壤(D)、蚯蚓原位处理(F)、生物炭(W)和蚯蚓原位处理+生物炭(F+W)。共8个处理(每个处理重复3次),具体见表1。灌溉所用淡水为0 g/L的NaCl水,微咸水为2 g/L的NaCl调配水。缓苗期灌溉淡水,灌溉周期为7 d。

表1 试验设计

蚯蚓原位堆肥处理是笔者所在课题组经过长期研究出的一种新型栽培模式[16]:每个小区设置2条垄,均宽0.4 m,长7.0 m。分别作为种植垄和养殖垄,养殖垄用腐熟1个月后的牛粪(179.4 t/hm2)作为蚯蚓培育垄,蚯蚓投放量1.76 t/hm2,垄上布置2条滴灌带,滴头间距0.3 m,每日滴水,使养殖垄湿度达到55%即可;种植垄是利用蚯蚓将牛粪及蔬菜秸秆腐熟后产生的蚯蚓粪做栽培基质。每一茬拉秧结束后,将种植垄与养殖垄互换,蚯蚓会随着滴灌水源进行切换,移动到另一侧,无需再次投放蚯蚓。而蚯蚓异位堆肥是将已经腐熟好的蚯蚓粪直接均匀地撒施在栽培垄上,按照垄高0.2 m、宽 0.4 m、长7.0 m进行根区土壤替代。

1.3 植株样品的采集及分析

1.3.1 植株干质量的测定植株采集方法:2020年5月,在黄瓜植株盛果期,从每个处理中间行随机选取6株植株,将根系全部挖出,分别贴好处理标签后,带回实验室,用自来水清洗干净,擦干水分,用消毒的小刀分开黄瓜植株地上部分、地下部分,地上部分包括茎和叶,分别测定其鲜质量,然后放置在105 ℃烘箱中,杀青0.5 h后,85 ℃烘干至恒质量。用分析天平测定黄瓜植株地上部分、地下部分的干质量。

1.3.2 黄瓜品质和产量的测定果实采集:在黄瓜结果盛期,从每个处理随机取5～8根果实,使用自封袋包装,标记试验处理并带回实验室,存放于4 ℃冰箱,及时进行品质测定。(1)果实品质测定:维生素C含量测定采用钼蓝比色法[17];有机酸含量测定采用酸碱滴定法[17];硝酸盐含量测定采用水杨酸法[17];可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法[17];可溶性固形物含量测定采用糖度仪[17]。(2)产量测定:在每个处理中间行随机选取10株植株测量整个收获期的黄瓜果实产量。

1.4 土壤的采集及分析

1.4.1 土壤采集 2020年5月,在盛果期取土,每个处理按照“S”形选5点取样,用取土器取黄瓜根系处土壤,混匀后,进行风干,之后过1 mm和 0.25 mm 筛,用于测定土壤化学性质和酶活性。

1.4.2 土壤化学性质 (1)测定指标:pH值、EC值、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、有机质含量。(2)测定方法:参照周卫的土壤农化分析试验方法[18]并改进,进行土壤化学指标的测定。

1.4.3 土壤酶活性测定 (1)测定指标:脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性。(2)测定方法:参照周卫的土壤农化分析试验方法[18]并改进,进行土壤酶活性的测定。

1.5 主成分分析

通过对土壤理化性质、酶活性、植株干质量、品质和产量等指标进行数据标准化,主成分分析并计算得分,以及隶属函数μ(X1)、μ(X2)和μ(X3)结合权重处理求得综合评价D值,并对其进行排名。

公式如下:

式中:D为不同处理对各指标的综合评价值。

1.5 数据统计与分析

利用Excel 2010和SPSS 2021对数据进行统计分析,采用单因素方差方法进行结果分析,在0.05水平上进行显著性分析,利用Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 不同物料下咸、淡水灌溉对黄瓜土壤化学特性的影响

2.1.1 对土壤pH和EC值的影响由图1可知,在淡水灌溉下,B+F和B+F+W相比B+D土壤pH值分别降低了6.2%和5.1%,但分别显著增加EC值35.0%和47.7%;在微咸水灌溉下,V+F+W 相对 V+D显著降低土壤pH值7.8%,但显著增加EC值33.8%。在相同物料不同灌溉水下,B+D与 V+D、B+F与V+F处理相比pH值和EC值均较低。

2.1.2 对土壤养分的影响由表2可知,在淡水灌溉下,B+F+W处理的速效氮和全磷含量均为最高,速效氮含量依次比B+D、B+F和B+W高730.6%、91.7%和521.3%,全磷含量显著高于B+D、B+F和 B+W 66.7%、22.0%和52.0%,且B+D处理的速效氮和全磷含量均为最低,B+F处理的全氮、速效磷和有机质含量均为最高,与B+D相比分别显著高出238.1%、94.5%和360.2%,且B+D处理的全氮、速效磷和有机质含量均为最低。在微咸水灌溉下,V+F+W处理的速效氮、全氮、全磷和有机质含量均为最高,速效氮含量显著高于V+D、V+F和V+W 345.1%、80.5%和158.0%,全氮含量分别显著高于 V+D、V+F和V+W 120.3%、30.8%和114.8%,且V+D处理的速效氮、全氮、速效磷和有机质含量均为最低。在相同物料不同灌溉水下对全磷含量影响显著,V+F+W相对B+F+W和V+F相对B+F全磷含量分别显著增加30.3%和54.3%。

表2 不同物料下咸、淡水灌溉对黄瓜土壤养分的影响

2.2 不同物料下咸、淡水灌溉对黄瓜土壤酶活性的影响

由图2可知,在淡水灌溉下,B+F+W的脲酶、过氧化氢酶活性均为最高,脲酶活性显著高于B+D、B+F和B+W 50.0%、7.5%和70.1%,过氧化氢酶显著高于B+W 27.7%,且B+D处理的蔗糖酶和磷酸酶活性均最低。在微咸水灌溉下,V+F+W磷酸酶活性显著高于V+D,而V+F与V+F+W间蔗糖酶活性无显著性差异。相同物料在不同灌溉水下对脲酶含量影响显著,B+F+W相对于 V+F+W显著提高了脲酶活性12.9%,对磷酸酶活性,V+F相对B+F和V+F+W相对B+F+W显著增加了磷酸酶活性6.0%和29.7%。

2.3 不同物料下咸、淡水灌溉对黄瓜植株干物质量的影响

由表3可知,B+F+W处理的地上、地下干物质量均为最高,在淡水灌溉下,B+F+W处理显著高于B+D、B+F处理,相对于B+D处理地上和地下干物质量分别显著增加55.4%和130.4%。在微咸水灌溉下,与 V+D相比,V+F、V+W和V+F+W均有益于地上、地下干物质量的积累,地上干物质量分别增加21.0%、 10.1%和36.5%, 地下干物质量分别显著增加78.3%、63.3%和87.2%。在相同物料不同灌溉水下,B+D和V+D均显著降低了地上、地下干物质量,B+W和V+W处理下地上、地下干物质量无显著性差异。

表3 不同物料下咸、淡水灌溉对黄瓜植株干物质量的影响

2.4 不同物料下咸、淡水灌溉对黄瓜品质的影响

由表4可知,在淡水灌溉下,B+F+W的可溶性糖和可溶性固形物含量均为最高,可溶性糖含量显著高于B+D、B+F和B+W 49.3%、24.1%和40.0%,可溶性固形物含量显著高于B+D、B+F和B+W 18.5%、8.9%和6.1%,且B+D处理的维生素C、可溶性糖、可溶性固形物和硝酸盐含量均最低。在微咸水灌溉下,V+F+W可溶性糖含量显著高于V+D、V+F和V+W处理,并且增加了维生素C含量。相同物料不同灌溉水下,对维生素C含量影响显著,V+D相对B+D维生素C含量显著降低10.8%,而 V+F+W和V+F相对B+F+W和B+F显著增加维生素C含量56.7%和32.0%。V+W和V+F+W相对B+W和B+F+W显著增加硝酸盐含量49.9%和54.6%,而B+D与V+D之间差异不显著。

表4 不同物料下咸、淡水灌溉对黄瓜品质的影响

2.5 不同物料下咸、淡水灌溉对黄瓜产量的影响

不同物料下咸、淡水灌溉对黄瓜产量的影响如图3所示,在相同物料处理下,微咸水与淡水相比黄瓜产量均有所降低,其中蚯蚓原位处理加生物炭在不同灌溉水下均高于未替代土壤,与B+D相比,B+F+W处理显著提高产量60.1%;与V+D相比,V+F+W处理显著提高产量49.6%,而添加生物炭与未处理土壤差异不显著。

2.6 不同物料下咸、淡水灌溉主成分、隶属函数、综合评价值(D)以及排名

通过主成分分析并计算得分,以及隶属函数μ(X1)、μ(X2)和μ(X3)结合权重处理求得综合评价D值,并对其进行排序(表5)。从总体土壤理化性质、酶活性、植株干质量、品质和经济产量几个方面综合表现分析后,淡水+蚯蚓原位处理+生物炭(B+F+W)处理综合评价D值最高,其次是微咸水+蚯蚓原位处理+生物炭(B+F+W)、B+F和V+F处理,V+W、B+W、V+D和B+D处理综合评价D值较低。其主要原因可能是土壤养分较低、植株吸收利用和产量较低。

表5 不同物料下咸、淡水灌溉主成分、隶属函数、综合评价值(D)以及排名

3 讨论

宁夏现阶段需要解决水资源高效利用的问题,微咸水在宁夏相对丰富,利用好微咸水也是改善水资源短缺的有效手段之一[19],但是使用微咸水灌溉会导致盐分积累,从而引起盐分胁迫,植物对盐分胁迫的生理、生长、品质等响应不同。本研究中各处理在微咸水灌溉下对植株地上干物质量无显著影响,这可能是测定的时间段盐分积累还不够明显,还未能够对植株造成较为严重的胁迫[20]。与 V+D相比,V+F、V+W和V+F+W处理在盐胁迫下地下部干物质量显著增加,地下部干物质量分别增加了 78.3%、63.3%和87.2%。这可能是由于添加蚯蚓粪后土壤中营养元素含量得到提高,进而提高了植物的生物量[21-22]。

土壤作为植物生长的介质,为植物生长提供养分和水分,同时起着植物根系伸展、固定的作用。本试验研究发现,添加生物炭与蚯蚓原位处理使土壤养分含量均有所提高,这可能与蚯蚓粪和生物炭自身含有的丰富营养成分有关[23]。在相同物料不同灌溉水下对pH值、EC值和全磷含量影响显著,这可能是由于灌溉微咸水后造成基质酸碱环境发生变化[24]。pH值作为土壤中重要的化学性质之一,其对土壤和植株养分含量的吸收利用有影响[25]。本研究发现V+F+W与V+D相比显著降低了pH值,但是显著增加了基质EC值,这是由于蚯蚓粪的养分含量很高,因此蚯蚓原位处理增加了EC值[26]。本研究得出B+F+W可显著增加速效氮、全氮、全磷和有机质含量,这与赵永鑫等得出的结论[27]一致。生物炭由于其自身含有营养元素,添加到土壤里增加了土壤有效养分和有机质含量[28];王世斌等研究表明,生物炭处理明显降低了土壤含盐量,减轻了对作物的不利影响[29]。在微咸水灌溉下,V+F+W处理可显著提高速效氮、全氮、全磷和有机质含量,这可能是蚯蚓粪自身含有丰富的营养元素,土壤可直接从中吸收[30]。同时由于生物炭疏松多孔,稳定性强和吸附作用降低了土壤营养物质的淋失[31]。本试验得出,相同物料不同灌溉水下,蚯蚓原位处理和添加生物炭有益于土壤改良,增加土壤养分含量。

土壤酶是土壤生物活性的综合表现[32],同时土壤酶在维持土壤生态系统稳定方面发挥着重要的作用[33-34]。本研究得出,在淡水灌溉下,B+F+W处理的脲酶、过氧化氢酶活性均为最高,这可能是蚯蚓粪本身酶活性较高,微生物活性得到增强,因此会分泌更多的脲酶[35]。在微咸水灌溉下,V+F+W处理的磷酸酶活性显著高于V+D,这与刘丽等的结论[36]相似。这可能是由于蚯蚓粪中含有无机磷成分,磷酸酶的反应产物中也包含无机磷成分,这使得酶促反应的进行受到抑制,所以施加蚯蚓粪的处理磷酸酶活性较高[37]。本研究中未处理土壤添加生物炭在咸淡水灌溉下降低了脲酶和过氧化氢活性,这可能是由于生物炭中含有抑制性物质,例如呋喃、酚类等[38-39]。

盐胁迫下植物会主动增加渗透调节物质的合成,从而提高可溶性糖含量。本试验V+F+W相对B+F+W处理显著降低了可溶性糖含量11.1%,而V+D处理相对B+D显著提高可溶性糖含量14.1%;V+W处理与淡水灌溉相比可溶性糖含量无显著性变化。V+F+W处理相对B+F+W处理显著提高维生素C含量56.7%。相关研究表明,有机肥料中的常量元素有益于提高果实维生素C的含量,而生物炭自身含有丰富的碳元素及矿质营养元素,可以用来影响作物生长,提高作物品质[40]。在淡水灌溉条件下,B+F+W处理的黄瓜果实可溶性糖和可溶性固形物含量均为最高;在微咸水灌溉处理下,V+F+W处理的可溶性固形物含量显著高于V+W处理,这可能是由于蚯蚓粪自生含有多种常见的元素,进而能够起到提高作物品质的作用[41-42]。本试验研究发现,与未处理对照土壤相比,蚯蚓原位处理+生物炭在不同灌溉条件下显著增加了黄瓜产量,这可能是因为生物炭对土壤起到了一定的修复作用,使作物有一个有利的生长环境[43]。而蚯蚓粪作为一种高效有机肥,含有大量植物生长素对作物生长有一定的促进作用,进而能够提高作物产量[44]。