李 迪，龍懷玉，王 寧，何淑平，張興梅，王 鵬*

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

土壤酶作為土壤中最活躍的有機(jī)成分之一[1]，不僅能反映出土壤微生物活性的高低，而且能表現(xiàn)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和運(yùn)移能力的強(qiáng)弱[2]，灌溉是辣椒高產(chǎn)的重要措施之一，辣椒是對(duì)土壤水分較敏感的作物，土壤水分的變化對(duì)辣椒生長發(fā)育影響較大。目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中采用或推廣的節(jié)水灌溉技術(shù)，如噴灌、滴灌、微噴、分根區(qū)交替灌溉等[3]，均是基于供水壓力為正的有壓灌溉，會(huì)使灌溉后表層土壤局部或者全部達(dá)到飽和，造成水源浪費(fèi)、養(yǎng)分流失、土壤板結(jié)，而且土面水分蒸發(fā)量相對(duì)較大[4]。為了避免灌水對(duì)土壤的不利影響，本試驗(yàn)采用一種新型的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)，利用土壤吸力及植株主動(dòng)吸水的能力來補(bǔ)充土壤水分，避免上述正壓灌溉弊端[5-6]。因此，利用連續(xù)負(fù)壓供水方式研究對(duì)土壤養(yǎng)分及土壤酶活性的影響，對(duì)今后節(jié)水灌溉及改善辣椒土壤微環(huán)境，提高辣椒土壤肥力具有重要意義。

近年來，已有國內(nèi)外學(xué)者利用負(fù)壓灌溉裝置對(duì)作物生長發(fā)育及品質(zhì)進(jìn)行研究。劉明池[7]將負(fù)壓灌溉應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，證實(shí)了負(fù)壓灌溉具有節(jié)水、高效、節(jié)能的灌溉效果。肖海強(qiáng)等[8]利用連續(xù)負(fù)壓供水裝置種植烤煙，結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)壓在-10～-20 kPa時(shí)烤煙生長發(fā)育最佳，品質(zhì)較好。同樣采用負(fù)壓供水的方法，還對(duì)玉米產(chǎn)量及耗水量、番茄生長發(fā)育進(jìn)行過報(bào)道[9-10]。但是這些報(bào)道均是圍繞植株生理機(jī)制及生長發(fā)育等方面進(jìn)行研究，目前沒有系統(tǒng)的利用負(fù)壓灌溉裝置對(duì)土壤綜合肥力進(jìn)行探索及報(bào)道。而多數(shù)報(bào)道指出，土壤酶活性和土壤肥力的研究已成為土壤學(xué)界研究的熱點(diǎn)[11-13]，尤其對(duì)土壤酶活性與土壤養(yǎng)分關(guān)系進(jìn)行了深入的探討[14-15]，土壤酶與土壤主要肥力因子有顯著相關(guān)關(guān)系，可作為土壤肥力的指標(biāo)之一,而Sakorn[16]研究卻表明，土壤酶活性與土壤的養(yǎng)分水平間并不存在顯著相關(guān)。因此，研究連續(xù)負(fù)壓供水對(duì)土壤酶與土壤養(yǎng)分之間關(guān)系在理論和實(shí)踐上都有著重要意義。

本文旨在通過采用連續(xù)負(fù)壓供水裝置，研究-5～-15 kPa條件下對(duì)土壤酶及土壤養(yǎng)分的影響，了解土壤酶及土壤養(yǎng)分的變化規(guī)律，篩選出最佳的負(fù)壓供水值，并通過簡單相關(guān)分析和主成分分析，探討連續(xù)負(fù)壓供水下土壤酶活性與土壤肥力的關(guān)系，達(dá)到辣椒栽培中節(jié)水、改善生長環(huán)境和提高土壤肥力的目的。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2015年6月10日，在黑龍江省大慶市黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)試驗(yàn)基地鋼架結(jié)構(gòu)防雨塑料大棚內(nèi)進(jìn)行。供試?yán)苯菲贩N為辣妹子，移栽時(shí)株高為(11±3)cm。盆栽土壤取自黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)校外試驗(yàn)基地，土壤類型為草甸黑鈣土，0～20 cm土層，pH值為8.1，有機(jī)質(zhì)41.4 g/kg，有效磷25.9 mg/kg，速效鉀300 mg/kg，堿解氮213.7 mg/kg。每盆均裝20 kg過1 mm篩后土壤。

1.2 連續(xù)負(fù)壓供水盆栽裝置

負(fù)壓供水盆栽裝置是由盆栽盆、陶土管、有機(jī)透明塑料軟管、儲(chǔ)水桶、負(fù)壓桶、數(shù)顯開關(guān)、電磁閥等構(gòu)成，其中負(fù)壓桶、數(shù)顯開關(guān)、電磁閥組合形成負(fù)壓穩(wěn)定器，其功能是確保負(fù)壓值不低于根據(jù)需要所設(shè)定的負(fù)壓值。盆大小規(guī)格為30 cm×30 cm×65 cm，盆底無孔，平鋪地面。陶土管(長21 cm，直徑1.7 cm)傾斜5°埋于土壤中，位于距盆內(nèi)壁前、后各22 cm；左、右各14.2 cm；高度為距盆內(nèi)土壤表面以下10 cm處，陶土管尾部與供水水桶(桶高49.5 cm，側(cè)壁安裝30 cm高刻度管)之間采用有機(jī)透明塑料軟管連接，試驗(yàn)中所有試驗(yàn)供水桶下均有兩塊5 cm厚磚頭，高共10 cm，不影響負(fù)壓值；所有負(fù)壓桶下均有高30 cm底座，試驗(yàn)前做預(yù)實(shí)驗(yàn)，用于調(diào)試負(fù)壓值，以確保試驗(yàn)中負(fù)壓的穩(wěn)定性。根據(jù)負(fù)壓入滲原理，在非飽和條件下，因土壤基質(zhì)勢(shì)的存在，陶土頭內(nèi)水緩慢滲入土壤中，儲(chǔ)水桶內(nèi)水分經(jīng)塑料軟管進(jìn)入陶土管，同時(shí)水桶內(nèi)水位下降，上部空氣的空間增大，則桶內(nèi)壓強(qiáng)減小，達(dá)到所設(shè)置的負(fù)壓值為止，這樣產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的供水負(fù)壓，整個(gè)裝置如圖1所示。若水位達(dá)到最低刻度線，需立即進(jìn)行補(bǔ)水。

圖1 負(fù)壓控水盆栽裝置圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 試驗(yàn)處理

盆栽試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別為：對(duì)照CK(人工澆水，土壤表面干燥后澆水，每次500 mL)和-5、-10、-15 kPa 3個(gè)壓力處理。移栽前施基肥，施肥量按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)用量計(jì)算，N 150 mg/kg，P2O5100 mg/kg，K2O 150 mg/kg，肥料施于10 cm深處。各處理3盆，每盆8株，并排兩行，行長65 cm，株距10 cm，行距10 cm，每處理設(shè)重復(fù)3次。自動(dòng)供水裝置采用并聯(lián)，共3套，每套連3盆，每個(gè)處理1套自動(dòng)供水裝置，每處理24株辣椒。

1.3.2 樣品采集

試驗(yàn)于7月10日開始，每隔20 d取一次樣，共取6次，分別為：開花坐果期(7月10日)、未熟期(7月30日)、綠熟期(8月19日)、轉(zhuǎn)色期(9月10日)、紅熟期(9月30日)、完熟期(10月20日)。取樣時(shí)間：每次取樣均于8：00開始，距辣椒根系0～5 cm土層，陰涼處風(fēng)干。各處理每盆每次各取一處。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.4.1 土壤常規(guī)五項(xiàng)的測(cè)定

pH的測(cè)量：采用pH儀器測(cè)量(PHS-3C實(shí)驗(yàn)室pH計(jì))，讀數(shù)即可；有機(jī)質(zhì)的測(cè)定：重鉻酸鉀外加熱法[17]；堿解氮的測(cè)定：堿解擴(kuò)散法[17]；有效磷的測(cè)定：NaHCO3法[17]；速效鉀的測(cè)定：NH4OAc浸提，火焰光度法[17]。

1.4.2 土壤酶的測(cè)定

過氧化氫酶的測(cè)定：高錳酸鉀滴定法[19]；脲酶的測(cè)定：靛酚藍(lán)比色法[19]；蔗糖酶的測(cè)定：3,5-二硝基水楊酸比色法[20-21]；磷酸酶的測(cè)定：比色法[22]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)及圖、表標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，多重比較基于最小顯著差數(shù)法(LSD)。

2 結(jié)果與分析

2.1 連續(xù)負(fù)壓供水對(duì)土壤養(yǎng)分含量及土壤酶活性的影響

2.1.1 連續(xù)負(fù)壓供水對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量的影響

由表1看出，在負(fù)壓供水條件下，各處理土壤速效鉀、有效磷和堿解氮含量隨著壓力的增大而增大。其中，各處理于開花坐果期到綠熟期有效磷含量在51.69～88.12 mg/kg之間，綠熟期與轉(zhuǎn)色期有效磷含量明顯增加，直至紅熟期達(dá)到最高，隨后趨于平穩(wěn)。與CK相比，-5～15 kPa處理有效磷含量于開花坐果期-綠熟期差異達(dá)顯著性水平，并于轉(zhuǎn)色期與完熟期差異達(dá)顯著性水平。

各處理土壤速效鉀含量從開花坐果期到紅熟期趨勢(shì)較為平穩(wěn)，直至完熟期達(dá)到最高值。整個(gè)生育期，-5和-10 kPa處理土壤速效鉀含量均高于CK，而-15 kPa處理于轉(zhuǎn)色期至完熟期土壤速效鉀含量高于CK。其中，-5 kPa處理于完熟期土壤速效鉀含量與CK相比差異達(dá)到顯著水平，開花坐果期到紅熟期較CK提高23.08%～33.38%；-10 kPa處理從開花坐果期到完熟期較CK相比提高15.95%～28.93%，達(dá)到顯著水平，并且整體趨勢(shì)較為平穩(wěn)；而-15 kPa處理開花坐果期到轉(zhuǎn)色期速效鉀積累量與CK相近，于轉(zhuǎn)色期到完熟期達(dá)到顯著水平。

整個(gè)生育期，土壤堿解氮含量隨著辣椒生育期的推進(jìn)呈逐漸上升趨勢(shì)，于完熟期達(dá)到最大值。-5和-10 kPa處理土壤堿解氮含量均顯著高于CK，而-15 kPa處理除開花坐果期、轉(zhuǎn)色期與CK有顯著差異，未熟期到完熟期堿解氮含量均與CK相近。結(jié)果表明，負(fù)壓控制在-5～-15 kPa時(shí)有利于提高土壤有效磷及速效鉀含量，當(dāng)供水壓力在-5～-10 kPa范圍內(nèi)，可有效提高土壤堿解氮含量，到-15 kPa時(shí)對(duì)土壤堿解氮含量影響較小。

表1連續(xù)負(fù)壓供水對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響(mg/kg)

時(shí)期處理堿解氮有效磷速效鉀開花坐果期CK153.41 d51.69 d98.98 c-5 kPa225.29 a88.12 a121.82 a-10 kPa194.00 b74.71 b115.15 b-15 kPa183.79 c70.92 c95.91 d未熟期CK182.65 c54.22 c99.14 c-5 kPa235.42 a87.36 a127.84 a-10 kPa219.63 b79.26 b117.72 b-15 kPa186.81 c79.01 b98.64 c綠熟期CK196.68 c59.28 b101.49 c-5 kPa240.93 a82.81 a131.57 a-10 kPa228.66 b81.29 a118.22 b-15 kPa194.00 c79.52 a99.09 c轉(zhuǎn)色期CK203.46 d60.80 c101.63 d-5 kPa246.62 a107.60 a135.36 a-10 kPa228.95 b96.11 b128.62 b-15 kPa212.21 c93.30 b104.51 c紅熟期CK217.80 c67.63 d101.71 d-5 kPa265.97 a143.02 a135.66 a-10 kPa254.61 b120.76 b131.13 b-15 kPa217.80 c102.29 c117.91 c完熟期CK218.58 c67.88 d115.67 d-5 kPa303.51 a114.94 a177.70 a-10 kPa264.76 b93.18 b134.12 b-15 kPa219.79 c74.20 c131.76 c

注：同一時(shí)期不同的小寫字母代表處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，下同。

2.1.2 連續(xù)負(fù)壓供水對(duì)土壤酶活性的影響

辣椒整個(gè)生育期中，各處理土壤脲酶、磷酸酶活性均呈穩(wěn)定上升趨勢(shì)，各負(fù)壓供水處理均顯著高于CK，具體表現(xiàn)為：-5 kPa>-10 kPa>-15 kPa>CK，說明隨著負(fù)壓的增大脲酶、磷酸酶活性增強(qiáng)。土壤過氧化氫酶活性從開花坐果期到轉(zhuǎn)色期提高較為迅速，轉(zhuǎn)色期至完熟期提高緩慢(表2)，-5、-10和-15 kPa處理過氧化氫酶活性于未熟期、綠熟期、完熟期與CK呈顯著性差異。其中，-5、-10 kPa處理于辣椒整個(gè)生育期過氧化氫酶活性與CK相比分別提高6.18%～30.23%、2.63%～29.58%；而-15 kPa處理開花坐果期、轉(zhuǎn)色期、紅熟期過氧化氫酶活性均與CK相近。

隨著辣椒生育期的推進(jìn)土壤蔗糖酶呈遞增趨勢(shì)，但較為緩慢。-5 kPa處理全生育期蔗糖酶活性均高于其他處理，開花坐果期到綠熟期蔗糖酶活性上升較快，與CK呈顯著差異，從綠熟期到完熟期蔗糖酶活性遞增較慢；-10 kPa與-5 kPa處理趨勢(shì)相同，較CK差異顯著。而-15 kPa處理開花坐果期與未熟期蔗糖酶活性較CK提高13.33%～21.34%，差異顯著，從綠熟期到完熟期與CK相比蔗糖酶活性有所提高，但無顯著差異。

由此可知，當(dāng)供水壓力控制在-5～-15 kPa之間有利于提高土壤磷酸酶、脲酶活性；當(dāng)供水壓力在-5～-10 kPa范圍內(nèi)，可有效提高土壤過氧化氫酶活性，-15 kPa對(duì)土壤過氧化氫酶活性影響較小。

表2 連續(xù)負(fù)壓供水對(duì)土壤酶活性的影響 (mg/g)

2.2 土壤酶活性和土壤養(yǎng)分含量的簡單相關(guān)分析

由表3可知，過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶4種酶之間存在極顯著正相關(guān)，堿解氮、有效磷、速效鉀含量之間呈極顯著正相關(guān)，并且4種酶與土壤養(yǎng)分之間亦呈極顯著正相關(guān)；同一種酶或養(yǎng)分不僅對(duì)特定的土壤養(yǎng)分及酶活性呈顯著相關(guān)關(guān)系，與多種土壤酶及土壤養(yǎng)分均有極顯著的相關(guān)性，說明連續(xù)負(fù)壓供水可以有效提高土壤酶活性，促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)，從而使4種土壤酶可以充分參與到土壤養(yǎng)分因子的轉(zhuǎn)化過程中，同時(shí)對(duì)單一土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化發(fā)揮著顯著作用。

表3 土壤酶活性與主要養(yǎng)分含量的相關(guān)系數(shù)

注：**表示達(dá)1%顯著相關(guān)。

2.3 土壤酶活性和土壤養(yǎng)分含量的主要成分分析

主成分分析是采取降維，將多個(gè)指標(biāo)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析方法。由表4可知，前兩個(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為89.032%，當(dāng)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于85%時(shí)，即可用于近似反映系統(tǒng)全部的變異信息。第一主成分的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到82.083%，為全部因子中占主導(dǎo)地位，因此第一主成分代表了土壤各項(xiàng)指標(biāo)的大小，可反映土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力的綜合指標(biāo)。用Y1表示土壤綜合肥力(表5)，用線性函數(shù)表示第一主成分，則土壤綜合肥力和土壤各因子之間的關(guān)系為:

Y1=0.401X堿解氮+0.348X有效磷+0.368X速效鉀+0.380X過氧化氫酶+0.403X脲酶+0.375X蔗糖酶+0.367X磷酸酶

式中:各變量的系數(shù)可以理解為各因子在土壤養(yǎng)分供應(yīng)系統(tǒng)所占的權(quán)重，第一主成分載荷越大，表明對(duì)土壤養(yǎng)分供應(yīng)的貢獻(xiàn)越大。

同樣，用Y2表示第二主成分與各因子的關(guān)系為:

Y2=0.115X堿解氮+0.430X有效磷+0.416X速效鉀-0.429X過氧化氫酶-0.261X脲酶-0.525X蔗糖酶+0.320X磷酸酶

式中:第二主成分中，有效磷、速效鉀、過氧化氫酶及蔗糖酶均有相對(duì)較大的載荷，因而對(duì)第二主成分的影響較大，反映出過氧化氫酶及蔗糖酶不斷分解減少時(shí)，有效磷及速效鉀權(quán)重減少。

表4 供試土壤主成分特征值

表5 供試土壤主成分的規(guī)格化特征向量

3 討論

連續(xù)負(fù)壓供水系統(tǒng)是一個(gè)密閉的裝置。從能量方面分析，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡且不存在水分流動(dòng)時(shí)，Ψ水(供水桶內(nèi)水勢(shì))與Ψ土(土壤基質(zhì)勢(shì))存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，即供水負(fù)壓可表示為土壤基質(zhì)勢(shì)[23]。在試驗(yàn)過程中，辣椒蒸騰、主動(dòng)吸水和土壤蒸發(fā)，打破了這種平衡關(guān)系，Ψ土小于供水負(fù)壓，供水裝置自動(dòng)補(bǔ)給辣椒根層土壤，使得全生育期內(nèi)土壤水分含量處于相對(duì)穩(wěn)定的變化過程[8]，從而有效提高土壤酶活性，促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)，加快土壤養(yǎng)分因子的轉(zhuǎn)化過程。本試驗(yàn)表明，負(fù)壓各處理土壤酶活性及土壤養(yǎng)分具體表現(xiàn)為：-5 kPa>-10 kPa>-15 kPa，這說明當(dāng)負(fù)壓在-5～-15 kPa時(shí)土壤水分得到有效利用，增強(qiáng)了土壤的透氣性，刺激非根際土壤微生物的生長和土壤腐殖質(zhì)的分解，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的運(yùn)移及轉(zhuǎn)化。其中，壓力控制在-5 kPa時(shí)，土壤水分運(yùn)移速率加快，刺激微生物繁殖，微生物活動(dòng)能夠產(chǎn)生大量土壤酶[24]，增加了土壤的碳源和氮源，快速分解并釋放土壤有效養(yǎng)分，從而提高土壤養(yǎng)分對(duì)酶活性的促進(jìn)能力。

4 結(jié)論

連續(xù)負(fù)壓供水能夠明顯促進(jìn)土壤酶活性和土壤養(yǎng)分因子，通過供水方式的有效改進(jìn)不僅能夠增強(qiáng)土壤酶活性，而且能夠提高土壤養(yǎng)分含量，進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分供應(yīng)系統(tǒng)。同時(shí)分析表明，當(dāng)供水壓力控制在-5 kPa時(shí)可提高辣椒土壤養(yǎng)分含量，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，提高辣椒土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力。