灌水上限和施肥量对温室番茄根际土壤酶及微生物活性的影响

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　　摘要：采用田间试验方法，设3个灌水上限W1（70% θF）、W2（80% θF）、W3（90% θF）和常规灌水4个水平，灌水下限为田间持水率的50%，N、P、K施肥量及配比设4个水平，分别为 F1[N（228 kg/hm2）、P2O5 （132 kg/hm2）、K2O（300 kg/hm2）]，F2[N（285 kg/hm2）、P2O5（165 kg/hm2）、K2O（375 kg/hm2）]，F3[N（342 kg/hm2）、P2O5（198 kg/hm2）、K2O（450 kg/hm2）]及常规施肥，研究不同灌水上限和施肥配比调控措施对日光温室番茄根际土壤酶及微生物活性的影响。结果表明，所有处理中，常规灌水施肥（CK）处理的EC值均低于其他处理，以处理F1W3为最高;pH以处理F2W2最低，有机质含量以处理F2W2、F2W3的高于其他处理，可促进植株的生长;细菌、真菌和放线菌在不同生育期的数量变化不同，但细菌数量在各生育期根际微生物的组成中占优势，且均在结果中期达到最高，均以处理F2W2的数量最高，分别为50.00×107、107.67×106和30.00×105 CFU/g;土壤酶总体表现为随灌水上限和施肥量的增加呈先增加后降低的变化趋势，蔗糖酶在結果前期和后期以处理F2W2为最高，过氧化氢酶除结果前期以处理F3W3最高外，其他处理均以处理F2W2最高，与常规灌水施肥（CK）处理存在显著差异。灌水上限和施肥组合在F2W2处理条件下，可提高温室番茄根际土壤酶及微生物活性，改善土壤环境，提高肥力和产量。
　　关键词：番茄;灌水上限;施肥量;微生物;土壤酶
　　中图分类号：S641.2         文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2019）24-0128-05
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.24.031           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Effects of irrigation limits and fertilizing amount on enzyme and
　　microbial activity in greenhouse tomato rhizosphere soil
　　LI Yao-xia，YU Ji-hua，ZHANG Guo-bin，WU Tao-nan
　　（College of Horticulture，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China）
　　Abstract： Using a field test method， seted 3 irrigation upper limits W1（70% θF），W2（80% θF），W3（90% θF） and conventional irrigation 4 levels， the lower irrigation limit was 50% of field water holding capacity， NPK fertilization amount and ratio design 4 levels， respectively F1[N（228 kg/hm2）、P2O5 （132 kg/hm2）、K2O（300 kg/hm2）]，F2[N（285 kg/hm2）、P2O5（165 kg/hm2）、K2O（375 kg/hm2）]，F3[N（342 kg/hm2）、P2O5（198 kg/hm2）、K2O（450 kg/hm2）] and conventional fertilization，the effects of different regulation measures of irrigation upper limit and fertilization ratio on soil enzyme， micro-activity and biological activity in tomato rhizosphere of solar greenhouse were study. The results showed that the EC value of CK treatment was lower than that of other treatments， and the treatment of F1W3 was the highest. The pH value of treatment F2W2 was the lowest， and the organic matter content of treatment F2W2 and F2W3 were higher than other treatments. The number of bacteria， fungi and actinomycetes varied in different growth stages， and the number of bacteria was dominant in rhizosphere microorganism composition at different growth stages， and they all reached the highest level in the mid-fruiting stage， the number was the highest under treatment of F2W2， which were 50.00×107 CFU/g（dry substrate）， 107.67×106 CFU/g（dry substrate） and 30.00×105 CFU/g（dry substrate）， respectively.The overall performance of soil enzymes increased first and then decreased with the increase of irrigation upper limit and fertilization amount， sucrase was the highest under treatment of F2W2 at the early and late fruiting stages， catalase was the highest under treatment of F2W2， except treatment of F3W3 at the early fruiting stage was highest， and which was a significant difference with conventional irrigation and fertilization （CK） treatments. The upper irrigation limit and fertilization combination under the condition of F2W2 treatment can increase the soil enzyme and microbial activity in the rhizosphere soil of greenhouse tomato， improve soil environment， increase fertility and increase yield. 　　Key words： tomato; upper limit of irrigation water; fertilizer rate; microbes; soil enzyme
　　水和肥是作物生长过程中不可缺少的物质来源，同时也是调控作物生长的重要影响因素[1]，且土壤中的水分、养分在一定程度上会影响土壤的微生物特征[2-4]和土壤酶的活性。土壤酶活性的高低可反映土壤生物活性、生化反应强度以及土壤肥力状况[5]，土壤微生物对环境变化非常敏感，是土壤环境质量的重要指标[6]。植物根系及残体、土壤动物及其遗骸和微生物所分泌的酶，能催化土壤中复杂的有机物转化为简单无机化合物，供植物利用[7]，因此提高土壤中酶和微生物的活性，可促进作物生长，防治和减轻病虫危害，增加作物的产量[8，9]。研究表明，土壤微生物量与土壤酶活性较其他土壤性质更迅速地响应水肥管理、种植模式以及土地利用方式的变化[10-12]。前人就土壤水分下限和滴灌施肥量对作物生长的影响进行了大量的研究[13-18]，而关于土壤水分下限和滴灌施肥量对作物根际土壤酶和微生物的活性研究很少，且对土壤水分上限和滴灌施肥量对作物根际土壤酶和微生物的活性研究鲜见报道。鉴于此，本试验研究温室滴灌条件下控制不同灌水上限和施肥量对温室番茄根际土壤酶及微生物活性的影响，为温室合理水肥控制和提高作物产量提供理论依据。
　　1  材料与方法
　　1.1  试验地概况
　　试验于2017年8月至2018年1月在甘肃省榆中市清水驿乡绸泥河村日光温室内进行，平均海拔1 790 m，年平均气温7.4 ℃，年平均降水量400 mm，全年无霜期150 d。供试土壤质地为黏质土，其耕层土壤基本理化性质见表1。
　　1.2  试验设计
　　试验设计灌水上限和施肥量2个因素，灌水上限设W1（70% θF）、W2（80% θF）、W3（90% θF）和常规灌水4个水平，灌水下限统一设定为田间持水率（θF）的50%。NPK施肥量及配比设4个水平，分别为F1：N（228 kg/hm2）、P2O5（132 kg/hm2）、K2O（300 kg/hm2）;F2：N（285 kg/hm2）、P2O5（165 kg/hm2）、K2O（375 kg/hm2）;F3：N（342 kg/hm2）、P2O5（198 kg/hm2）、K2O（450 kg/hm2）及常规施肥，如表2所示，共10个处理，3次重复。追肥在开花初期进行滴灌施肥，每15 d施肥1次。
　　供试的番茄品种为英石大红，试验供水采用滴灌，灌水量由水表控制。每小区面积约为15 m×1.1 m，每小区3个重复，各小区之间随机排列。滴灌带为固定、单行布置方式。垄长15 m，宽0.65 m，高0.15 m，垄间距0.45 m，每垄2行，每行铺设滴灌带，滴头间距35 cm，番茄秧苗按滴头间距定植，定植行距18 cm，并设有保护行。另外，定植前各处理施用肥料种类和数量相同，追肥时将肥料溶于水中，通过首部灌溉控制系统的施肥罐计量滴灌施入。每2 d测定1次0～20 cm土壤水分，各处理灌水始点为水分达到设计田间持水率的下限，灌水量计算公式[19]为M=r×p×h×θF×（q1-q2）。式中，M为灌水量;r为土壤体积质量，本试验中为0～20 cm土壤，取1.15 g/cm3;p为土壤湿润比，取50%;h为灌水湿润层厚度，取0.25 m;θF为最大田间持水率（31.95%）;q1为土壤水分上限;q2为土壤水分下限（以相对田间持水率表示）。
　　
　　1.3  土样采集与预处理
　　在番茄结果前期（开花期）、中期（果实转色）与后期（拉秧），按5点采样法分别采集各试验小区0～20 cm土壤层的土样。采样后将各土壤样品混合均匀分为3部分装入自封袋，第一部分放入4 ℃冰柜中保存用于基质微生物活性的测定，第二部分风干用于土壤酶活性的测定，第三部分测定土壤含水率。
　　1.4  测定指标与方法
　　1.4.1  土壤理化性质的测定  pH使用PHS-3C型pH计测定;利用（DDS-307A）雷磁电导仪测定EC;有机质采用重铬酸钾容量法测定。
　　1.4.2  土壤微生物活性的测定  微生物数量的测定采用稀释平板计数法。细菌用牛肉膏蛋白胨培养基，28 ℃恒温培养3 d;真菌用马丁氏（Martin）培养基，25 ℃恒温培养5 d;放线菌用高氏一号培养基，28 ℃恒温培养7 d。每个土样选取2个浓度梯度，每个浓度3次重复[20]。
　　1.4.3  土壤酶活性的测定  土壤脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法，以NH3-N（mg/g）基质（37 ℃，24 h）表示;蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，以葡萄糖（mg/g）基质（37 ℃，24 h）表示;過氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，以0.1 mol/L KMnO4（mL/g）基质（25 ℃，1 h）表示[7]。
　　1.5  数据分析方法
　　试验采用完全随机设计，所有试验数据利用SAS、SPSS 16.0软件进行单、双因素方差分析（ANOVA）。所有图表均采用Excel软件处理。
　　2  结果与分析
　　2.1  不同水肥处理对番茄根际土壤理化性质的影响
　　EC是表示土壤中所含的盐量，pH常用于衡量土壤酸碱的强弱，有机质是土壤固相部分的重要组成成分，是植物营养的主要来源之一，可促进土壤生物的活动。从表3可以看出，不同水肥处理造成了土壤化学性质的变化。各生育期常规灌水施肥（CK）处理的EC值均低于其他处理，以处理F1W3最高，除与处理F1W1无显著差异外，与其他各处理之间均差异显著;随着生育期的推进，番茄根际土壤pH呈逐渐降低的变化趋势，均以处理F2W2最小，且与处理CK存在显著差异;有机质含量呈先增加后降低的变化趋势，在结果前期、后期以处理F2W3最高，结果中期以处理F2W2最高，明显高于其他处理。 　　2.2  不同水肥处理对番茄根际土壤微生物数量的影响
　　微生物是土壤中最具活力的组成部分，进行着一系列复杂的生物化学反应，在土壤养分转化和腐殖质形成过程中有重要作用，并且积极参与生态系统的物质循环和能量流动，其生命活动直接影响生态系统的结构和功能[21]。由表4可知，细菌和真菌的数量随生育时期的推进呈先上升后下降的变化趋势，放线菌的数量随生育时期的推进呈上升的趋势，三者均在结果中期达到最高，以处理F2W2的数量最高，分别为50.00×107 CFU/g（干土壤）、107.67×106 CFU/g（干土壤）和30.00×105 CFU/g（干土壤），并与常规灌水施肥处理CK的差异均达到显著水平。此外，虽然3种菌在不同生育期的数量变化不同，但细菌数量在各生育时期根际微生物的组成中一直占居优势。
　　2.3  不同水肥处理对番茄根际土壤酶活性的影响
　　图1至图3为不同水肥处理对番茄根际土壤酶活性的影响。由于不同处理的水肥供给使温室番茄的土壤养分和水分状况产生了差异，影响了土壤内的水气环境，从而使得土壤中酶学特性发生不同程度的变化，总体上表现为随灌水上限和施肥量的增加呈先增加后降低的变化趋势。土壤中蔗糖酶是由植物根系分泌产生的，与土壤有机质和土壤团聚体表面积有关，能反映土壤的肥力水平和生物学活性强度[22]。由图1可知，蔗糖酶活性在结果前期和后期以处理F2W2为最高，分别为189.02、166.86 mg/g·d，高于常规灌水施肥处理（CK）50.21%和10.44%，在结果后期由于养分的充分转化，而有所下降。
　　土壤脲酶主要来源于植物和微生物，是决定土壤中N转化的关键酶，其活性高低反映了各种生化过程的方向和强度[23]。由图2可见，番茄根际土壤脲酶活性随生育时期的推进呈先增强后减弱的变化趋势，各处理均以结果中期的活性最高，结果后期的活性最低。在同一生育时期，脲酶活性的整体变化趋势表现为随灌水上限和施肥量的增加呈先增加后降低的变化趋势， 表明增加水肥供给有利于提高土壤脲酶的活性，加速土壤中氮素养分的循环。所有处理均以处理F2W2的酶活性最高，且与常规灌水施肥（CK）处理均存在显著差异。
　　过氧化氢酶存在于生物体和土壤中，能促进过氧化氢分解为水和氧气，从而降低了过氧化氢的毒害作用。由图3可知，过氧化氢酶的活性随生育时期的推进呈先增强后减弱的变化趋势。在同一灌水上限条件下，结果前期过氧化氢酶的活性随施肥量的增加而增强，这是由于前期植株生长旺盛，根系活力强，结果中期和后期过氧化氢酶的活性随施肥量的增加先增强后减弱，说明过量施肥会抑制过氧化氢酶的活性;在同一施肥量下，过氧化氢酶活性大体上随灌水上限的增加而增强，说明增加土壤含水量有利于促进过氧化氢酶活性的增强。所有处理中除结果前期以处理F3W3最高外，其他处理均以处理F2W2最高，与CK处理均存在显著差异。
　　2.4  不同水肥处理效应的综合评价
　　为了全面系统地反映不同灌水上限和施肥量对番茄根际土壤的影响，避免因试验测定的指标数目繁多，且各指标间存在相互重叠很难评价水肥配比的优劣，对所测得的9个指标进行主成分分析，综合成3个新的主成分指标（表5）。由表5可知，3个主成分分别代表土壤酶活性指标（过氧化氢酶）、土壤理化性质指标（有机质）和EC，特征值为别为4.53、1.96、1.23，方差贡献率分别为40.68%、30.67%、14.35%，累积贡献率为85.70%，符合分析的要求，且进一步分析各水肥处理的综合得分（表6），由高到低依次为F2W2、F3W2、F2W3、F3W3、F1W3、F1W2、
　　CK、F2W1、F1W1、F3W1。
　　3  结论与讨论
　　研究了不同灌水上限和施肥量对温室番茄根际土壤酶及微生物活性的影响。结果表明，不同的灌水上限和施肥量对温室番茄根际土壤EC、pH和有机质产生不同的影响。适当的灌水上限和施肥量可以降低土壤EC和pH，提高土壤有机质含量，提高养分含量，促进植株生长提高产量。3种菌在不同生育期的数量变化不同，但细菌数量在各生育时期根际微生物的组成中占优势，所有处理中，以F2W2处理下的细菌、放线菌和真菌的数量最高，说明施肥量在F2[N（285 kg/hm2）、P2O5（165 kg/hm2）、K2O（375 kg/hm2）]和灌水上限W2（80%）条件下，有利于土壤微生物活性的提高，促进植物的生长。由于不同处理的水肥供给使温室番茄的土壤养分和水分状况产生了差异，影响了土壤内的水气环境，从而使土壤中酶活特性发生不同程度的变化，总体表现为随灌水上限和施肥量的增加呈先增加后降低的变化趋势，所有处理中3种酶活性均以处理F2W2最高，促進了养分的转化，提高了土壤肥力。
　　番茄在营养生长中后期和生殖生长期间对水肥的要求较高，灌水和施肥是其获得高产的关键[24]。Vepslinen等[24]认为化学肥料可通过改善土壤理化性质和微生物区系来影响土壤酶活性，改善土壤，所以适宜的水肥配比对提高土壤肥力、增加作物产量具有重要影响。综合考虑温室番茄根际土壤的各项指标，处理F2W2是最适宜的水肥组合，是利于节水节肥增产的番茄生长的适宜灌水上限和施肥量，因此80%灌水上限和施肥配比为N（285 kg/hm2）、P2O5（165 kg/hm2）、K2O（375 kg/hm2）时可为番茄的水肥一体化灌水施肥制度提供参考。不同研究者的试验结论不尽相同，可能是因为各地区气候条件的差异、土壤及地力基础的不同以及供试材料的不同，会导致各指标对水分、养分的反应有所不同[14]。本试验只对温室番茄开花结果期不同灌溉上限和施肥量处理的各项指标进行了研究，但对其苗期灌溉施肥指标未涉及;另外，灌溉上限处理的设计为每10%田间持水量为一个处理，在更小的范围内各项指标是否存在差异，还有待于进一步研究。 　　参考文献：
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