不同水肥組合對高原夏季露地紫甘藍產量和土壤理化性狀的影響

緱兆輝,秦啟杰,呂 劍,車旭升,羅 建,張 輝,張國斌

(甘肅農業大學園藝學院，甘肅 蘭州 730030)

紫甘藍是高原夏菜主栽品種之一，其以獨特的顏色、清爽的口感、優越的品質成為熱銷產品。當地菜農在紫甘藍生產中為達到高產目的，往往會過量施肥，從而導致土壤次生鹽漬化，土壤理化性質劣變，甚至造成環境污染，而傳統的大水漫灌、溝灌方式不僅導致土壤呼吸不暢、地溫降低，且肥料淋溶問題嚴重[1]。土壤養分含量的高低不僅可以直接影響作物的正常生長發育[2]，還可以反映土壤健康狀況，同時影響整個生態系統中能量與物質的循環，主導有機物碳的分解轉化[3-4]。土壤酶是土壤中最活躍的部分，其對土壤養分轉化起著非常重要的介導作用，因此與土壤肥力關系緊密相關[5]。水肥管理會直接影響土壤環境變化，而土壤酶活性對其響應尤為敏感，即施肥和灌溉等農藝活動能夠顯著影響土壤酶活性[6-9]。研究表明，氮、磷、鉀等不同種類肥料單施或配施可提高麥田土壤酶活性[10-11]。在水肥一體化條件下，增施氮肥會提升番茄土壤氮素相關酶活性[12]，適宜的水肥配比可以顯著提高土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、轉化酶、脲酶活性[13]。水肥耦合對土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量具有顯著影響，且對不同養分的影響效應不同[14]。

甘肅農業大學園藝學院設施園藝課題組近幾年致力于露地蔬菜水肥一體化效應研究, 將基于滴灌的水肥耦合技術、化肥減量技術、平衡施肥技術有效集成，應用在露地松花菜、青花菜、西蘭花等高原夏菜上[15-17]，研究表明，基于滴灌的水肥一體化技術較傳統灌水施肥制度和方式具有顯著的增產、改善品質、節水省肥等優點。因此，本研究針對目前蘭州市高原夏季紫甘藍生產中水肥管理存在的問題，以紫甘藍品種‘歐美羅’為試驗材料，研究滴灌條件下水肥耦合對蘭州市露地紫甘藍土壤養分積累、pH、可溶性離子濃度(EC)、土壤酶活性、土壤呼吸的影響，旨在篩選最優水肥組合，為紫甘藍灌溉施肥管理提供指導依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在甘肅省榆中縣清水驛鄉稠泥河村進行，該地區平均海拔1 790 m，平均氣溫6.60℃，年降雨量400 mm以上，無霜期150 d左右。供試土壤為壤土，供試作物為紫甘藍(BrassicaoleraceaL. var.capitatarubra)品種‘歐美羅’，供試肥料均使用水溶肥，分別為四川德美實業有限公司生產的磷酸氫二銨(P2O5≥53.0%、N≥20.8%)和硫酸鉀(K2O≥52.0%)；云南云天化股份有限公司生產的尿素(N≥46.0%)；山東華諾聯邦農化有限公司生產的磷酸二氫鉀(P2O5≥52%、K2O≥34%)。試驗地 0～20 cm 耕層土壤基本理化性質見表1。

表1 試驗地0～20 cm耕層土壤基本理化性質

1.2 試驗設計

試驗采用一壟雙行壟面覆膜的栽培模式，壟寬70 cm、溝寬40 cm，雙行三角形定植，株距35 cm、行距40 cm，秧苗密度3 388株·667m-2。使用膜下滴灌系統，支管沿壟面單向分布，毛管分布于支管兩側，支管垂直于干管，干管與水泵出口相連，1壟1管，滴孔間距35 cm。采用雙因素交互設計。因素一為施肥量，N、P、K施肥量設3個水平，分別為當地傳統施肥量(高肥F1)，當地傳統施肥量的80%(中肥F2)，當地傳統施肥量60%(低肥F3)；因素二為灌水下限，設3個水平W1、W2、W3，其中W1為田間持水量(θf)的80%、W 2為60%θf、W3為40%θf，灌水上限統一設定為95%θf，組成9(3×3)個水肥一體化處理組合，以大水漫灌、當地施肥量組合為對照(CK)。試驗共10個處理, 3次重復，共計30個小區。

試驗開始前各處理統一撒施農家肥9 300 kg·km-2及化肥N、P、K(分別為108、276 kg·hm-2和0 kg·hm-2)，并翻入土中。其余化肥為追肥，分5次進行，具體情況見表2。3月8日育苗，4月17日選擇大小一致、無病蟲害、生長健壯的幼苗進行定植。定植當天澆一次緩苗水，10 d以后進行設定的水肥處理。整個生育期病蟲害防治等田間管理措施與當地傳統管理措施保持一致，用烘干法監測土壤含水量，待含水量到下限時灌水至上限，灌水量由水表讀出。灌水量計算公式如下[18]：

表2 不同處理施肥量/(kg·hm-2)

M=S×r×h×Q×(q1-q2)×P

式中,M為計劃灌水量(m3)；P為滴灌潤濕比(50%)；S為小區面積(23.55 m2)；r為土壤容重(1.60 g·cm-3)；h為計劃濕潤深度(0.2 m)；Q為田間持水量(28.72%)；q1和q2分別代表灌水上限和下限(田間持水量θf的百分比)，具體情況見表3。

表3 不同處理灌水量/(m3·hm-2)

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤取樣方法 每小區分別在蓮坐期、結球期、采收期選11棵植株，以土鉆取植株半徑15 cm 內、20 cm深的土壤，混勻后利用四分法選取適當土樣裝于自封袋中帶回實驗室，一部分土樣自然風干過1 mm的篩后待測土壤酶活性，另一部分過0.25 mm的篩后測土壤中速效養分及有機質的含量，采收期土壤風干后過0.25 mm的篩后測土壤中的全N、全P、全K，每個處理3次重復。

1.3.2 紫甘藍產量測定 避開邊際效應，每個小區取20株紫甘藍測定生物產量和經濟產量。之后算出小區產量，根據小區產量折算每公頃產量。

1.3.3 采收期全N、全P和全K的測定 測定采收期土壤的全N、全P和全K，測定前期統一用H2O2-H2SO4消煮，全N、全P和全K分別用凱氏定氮法、磷鉬藍比色法、火焰光度計法[19]測定。

1.3.4 速效養分的測定 堿解氮、速效磷、速效鉀分別用堿解擴散法、碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法、乙酸銨-火焰光度計法測定。

1.3.5 酶活性的測定 蔗糖酶活性用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；過氧化氫酶(catalase , CAT)的測定采用高錳酸鉀滴定法；土壤呼吸用CIRAS-Ⅱ型光合儀測定。

1.4 數據統計與分析

用 Microsoft Excel 2016軟件處理數據和作圖，用SPSS 19.0軟件對數據進行單因素方差分析，并運用Duncan’s檢驗法對顯著性差異(P<0.05)進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 水肥耦合對露地紫甘藍產量的影響

由表4可知，各處理紫甘藍單球重、經濟產量、生物產量和經濟系數均大于CK處理。W2F2處理單球重、經濟產量和經濟系數均最大，且較CK分別提高了16.33%、16.37%、10.42%。而生物產量以W1F2處理最大。在同一灌水下限時，隨施肥量的增加單球重和經濟產量均表現為中肥(F2)處理高于高肥(F1)和低肥(F3)處理，在80%θf(W1)處理時，隨施肥量的增加生物產量呈先增后減的趨勢，而經濟系數則呈上升趨勢，在40%θf(W3)處理與60%θf(W2)處理中隨施肥量的增加生物產量表現為高肥(F1)處理均高于中肥(F2)和低肥(F3)處理，經濟系數則表現為中肥(F2)處理均高于高肥(F1)和低肥(F3)處理。在同一施肥水平時，隨灌水量的增加，葉球重、經濟產量在高肥(F1)和中肥(F2)處理下呈先增后降的趨勢，而在低肥(F3)處理下表現為升高趨勢，但在高肥(F1)和低肥(F3)處理中增加并不顯著，隨灌水量的增大經濟系數表現為先升后降的趨勢，生物產量在中肥(F2)與低肥(F3)處理下呈增大趨勢，而在高肥(F1)處理下呈先增后降的趨勢。

表4 水肥耦合對露地紫甘藍產量的影響

2.2 水肥耦合對露地紫甘藍土壤蔗糖酶活性的影響

土壤蔗糖酶在土壤中廣泛存在，常用于表示土壤的熟化程度，能催化促進土壤中蔗糖水解成葡萄糖和果糖。由圖1可知，隨著紫甘藍生育期的推進，土壤蔗糖酶活性呈降低趨勢。在同一灌水下限時，在各生育期內隨施肥量的增加土壤蔗糖酶活性呈現先升后降的趨勢。在同一施肥水平時，在各生育期內隨灌水量的增加土壤蔗糖酶活性表現為60%θf(W2)處理活性最高，40%θf(W3)處理活性最低，80%θf(W1)處理居中。在各生育期內W2F2處理的蔗糖酶活性均高于其他處理，且較CK分別顯著提高32.15%、60.12%、69.74%。

2.3 水肥耦合對露地紫甘藍土壤過氧化氫活性的影響

由圖2可知，隨著紫甘藍生育期的推進，土壤過氧化氫酶活性呈先升高后降低的趨勢。在同一灌水下限時，在各生育期內隨施肥量的增加土壤過氧化氫酶活性均呈現先升后降的趨勢。在同一施肥水平時，在各生育期內隨灌水量的增加土壤過氧化氫酶活性均呈現先升后降的趨勢。各生育期內W2F2處理的土壤過氧化氫酶活性均高于其他處理，且較CK處理分別提高0.74%、0.49%、1.23%。

2.4 水肥耦合對露地紫甘藍土壤呼吸的影響

由圖3可知，隨著紫甘藍生育期的推進，土壤呼吸呈現先升高后降低的趨勢，在同一灌水下限時，各生育期內隨施肥量的增加中肥(F2)處理均高于高肥(F1)和低肥(F3)處理。在同一施肥水平時，各生育期內隨灌水量的增加土壤呼吸均表現為先升后降的趨勢。在各生育期內W2F2處理的土壤呼吸強度均高于其他處理，且較CK處理顯著提高30.57%、22.93%、34.12%。

2.5 水肥耦合對露地紫甘藍土壤EC值的影響

由圖4可知，隨著紫甘藍生育期的推進，土壤EC值大致表現為降低趨勢。不同水肥組合對露地紫甘藍土壤EC值的影響不同。在同一灌水下限時，各生育期內隨施肥量的增加土壤EC值呈現上升趨勢。在同一施肥水平時，在各生育期內隨灌水量的增加土壤EC值呈現降低的趨勢。在各生育期內W1F3處理的土壤EC值均低于其他處理，W2F2處理的土壤EC值在結球期顯著低于CK處理。

2.6 水肥耦合對露地紫甘藍土壤pH值的影響

由圖5可知，隨著紫甘藍生育期的推進，土壤pH值表現為上升趨勢，在同一灌水下限時，在各生育期內隨施肥量的增加土壤pH呈現降低的趨勢。在同一施肥水平時，在各生育期內隨灌水量的增加土壤pH呈現降低的趨勢。在各生育期內W3F3處理的土壤pH均高于其他處理。

2.7 水肥耦合對露地紫甘藍采收期土壤N、P、K的影響

由表5可知，在灌水下限相同時，隨施肥量的增加土壤全N含量表現為先降低后升高的趨勢；土壤全P、K含量表現為上升的趨勢；土壤有機質含量表現為先升高后降低的趨勢，60%θf(W2)處理中高肥(F1)、中肥(F2)顯著高于低肥(F3)處理。施肥水平相同時，隨灌水量的增加，土壤全N、K含量表現為在60%θf(W2)處理高于80%θf(W1)和40%θf(W3)處理(土壤全K含量在F2處理表現為W3、W2相近，而W1最低)；土壤全P含量表現為降低趨勢；土壤有機質含量在高肥(F1)、中肥(F2)施肥水平下表現為先升后降的趨勢，在低肥(F3)施肥水平下表現為上升的趨勢。W2F2處理的有機質含量高于其他處理，且較CK處理顯著提升26.76%。

表5 水肥耦合對采收期土壤N、P、K的影響/(g·kg-1)

2.8 水肥耦合對露地紫甘藍土壤速效養分的影響

由表6可知，土壤速效磷含量在整個生育期內大致表現為積累，土壤堿解氮、速效鉀含量表現為蓮坐期高于結球期和采收期。在同一灌水下限時，隨施肥量的增加土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量在各生育期均表現為上升趨勢。在同一施肥水平下，隨灌水量的增加堿解氮在各生育期內均表現為40%θf(W3)處理最高，60%(W2)處理次之，80%θf(W1)處理最低(除蓮座期內在F3處理下W3，W2相近W1最低)；速效磷在各生育期內均表現為40%θf(W3)處理最高，60%(W2)處理次之，80%θf(W1)處理最低；速效鉀在蓮座期表現為40%θf(W3)處理最高，60%θf(W2)處理次之，80%θf(W1)處理最低，在結球期與采收期表現為60%θf(W2)處理最高，40%θf(W3)處理次之，80%θf(W1)處理最低。

表6 水肥耦合對土壤速效養分的影響/(mg·kg-1)

3 討 論

產量是決定蔬菜經濟效益的基礎，而適宜的水肥供應會有效促進植物對養分和水分的吸收，進而達到高產[20]。研究發現，過高的灌水下限和施肥量在番茄生長旺盛期會抑制干物質的積累[21]，高肥和低肥均會影響總干物質量的積累和經濟產量的增加，高肥的抑制作用更明顯[22]。本研究得到相似結論，水肥一體化處理的干物質總積累量與產量均高于CK處理且差異顯著，60%θf和N、P、K為 373.2、604.8、215.93 kg·hm-2的組合(W2F2)處理的經濟產量和經濟系數最高，水肥利用效率顯著提高，說明水肥互作對紫甘藍的產量和水分利用率有顯著的影響，當水分或養分一定時，產量隨水分或養分的增加呈開口向下的拋物線狀，可能原因是過低或過高的水分、養分均不利于植株對養分、水分的吸收和利用，從而造成減產，這與李建明等[23]的研究結果類似。

土壤呼吸強度可作為評價土壤肥力的指標之一，土壤呼吸強度包括土壤微生物的呼吸作用和植物根系的呼吸作用，其中土壤微生物活動是土壤呼吸作用的主要來源[24]。土壤酶由微生物與作物根系等共同作用而產生，也是土壤最重要的活性成分之一[25]，它參與土壤所有的生物化學過程，其活性的高低與土壤中生化過程相對強度有關，同時土壤酶活性可迅速響應短期的耕作措施對土壤質量的影響，進而反映土壤質量的變化[26-27]。適宜的水分管理和水肥配比有助于提高土壤酶活性[28]，而蔗糖酶與土壤有機質含量成正相關關系[29]。本試驗各生育期內，土壤蔗糖酶、過氧化氫酶和土壤呼吸強度均在60%θf和N、P、K為 373.2、604.8、215.93 kg·hm-2的組合(W2F2)處理下最高，各處理土壤有機質含量與蔗糖酶活性變化趨勢也一致，說明適量的水肥配比可顯著提高土壤蔗糖酶和過氧化氫酶的活性，但過高或過低的配比則會使酶活性降低[13]，可能原因是施肥量過大或過小，土壤中C/N不適宜從而導致土壤微生物數量減少、活動減弱；同時，適宜的土壤水分加快了微生物反應物的流動性，可以為酶促反應提供良好的反應環境，進而提高酶活性[30]。研究結果還表明，大水漫灌處理(CK)會造成土壤板結、肥料淋溶，導致土壤通透性差、營養物質缺乏等，從而不利于微生物活動，而滴灌水肥一體化處理能夠保持土壤良好的水肥氣熱條件，有利于作物根系的生長，尤其是根毛豐富、活性好，根毛的分泌物促進了微生物的繁衍，從而提高酶活性和土壤呼吸強度[31-32]。

土壤EC值能反映土壤溶液中可溶性離子、鹽濃度變化情況。在施氮量相同的情況下，隨著灌水量的增加土壤電導率降低，而在灌水量相同的情況下，隨著施氮量增加土壤電導率相應升高[33]，本試驗也得到了相同結論，即施肥量越多、灌溉量越小的情況下，土壤電導率增加就越顯著，即土壤中可溶性鹽分含量越高，而中水中肥條件下土壤電導率和可溶性鹽分含量維持在適宜水平有利于蔬菜作物養分的吸收[34]。張德喜等[35]認為土壤含氮量高時pH值降低，本研究結果也印證了這一點，生育期內土壤pH值表現為上升趨勢，土壤堿解氮含量表現為蓮坐期高于結球期和采收期，可能是紫甘藍在結球期和采收期對氮的吸收高于蓮坐期，導致土壤中殘留硝態氮含量減少，pH升高。

土壤有效養分、有機質含量是反映土壤肥力的重要指標[36-37]。合理施用化肥和有機肥能明顯改善土壤肥力狀況[38]。本研究表明，60%θf和N、P、K為373.2、604.8、215.93 kg·hm-2的組合(W2F2)處理較當地施肥灌水(CK)處理顯著提升土壤有機質含量，可能原因一是適量施肥加速了土壤有機碳的分解[39]。二是適宜灌水量有利于土壤保持疏松，透氣性好，提高了土壤微生物活性，促進了土壤有機碳的礦化作用，有機質含量增加，土壤肥力提高[40]。

4 結 論

基于滴灌技術的適宜水肥供應可以提高紫甘藍產量和土壤相關酶活性，并利于有機質的積累，提升土壤肥力，促進植株養分吸收。本試驗條件下，紫甘藍適宜的水肥供應為60%θf和N、P、K為373.2、604.8、215.93 kg·hm-2的處理，與CK處理相比顯著提高了紫甘藍產量，改善了土壤的理化性狀。