微咸水富氧灌溉對番茄生長、品質及土壤微生物的影響

翟紅梅+馮俊霞+韓偉+劉孟雨

摘要：采用盆栽試驗法，研究微咸水富氧灌溉對番茄生長、品質、土壤微生物活性的影響，試驗包括3個水平咸水灌溉：0.2、2.0、5.0 g/L，2個水平的水溶氧濃度處理：3.0（對照）、7.0～9.0 mg/L。研究發現，富氧灌溉能夠顯著提高番茄的生物量、品質，在5.0 g/L咸水灌溉下，富氧灌溉分別能提高地上部、根部生物量32.0%、32.4%，在2.0 g/L咸水灌溉下，富氧灌溉分別提高維生素C含量69.95%、可溶性蛋白質含量23.16%、可溶性糖含量13.09%。富氧灌溉能夠增加鹽脅迫下土壤的微生物量和活性，富氧處理顯著增加了2個水平咸水灌溉下的土壤酶活性，在5.0 g/L咸水灌溉下，蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶分別提高了44.0%、10.4%、31.7%、16.7%。結果表明，富氧灌溉可以作為微咸水安全灌溉的輔助措施。

關鍵詞：富氧灌溉；微咸水；番茄；土壤微生物；土壤酶

中圖分類號： S641.207文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）12-0085-03

蔬菜的生長需要大量灌溉用水，可利用的淡水資源越來越少，而許多國家和地區有相當豐富的咸水資源還沒得到充分合理的利用[1]。由于咸水中存在大量鹽離子，如果灌溉措施不當會引起土壤鹽分含量增多，土壤鹽脅迫是影響植物及土壤微生物生長的最主要非生物因素[2]。鹽堿土會導致土壤通透性降低，土壤中氧氣減少，而植物根系需要充足的氧氣進行有氧呼吸來維持自身的新陳代謝和整個植株的生長發育[3-4]。近年來，在富氧灌溉方面有許多研究表明，富氧灌溉明顯改善了植物的生長狀況，而且有研究表明微咸水富氧灌溉可以提高番茄耐鹽性能和水分利用效率，從而緩解微咸水灌溉的負面效應[5-6]。但是微咸水富氧灌溉下番茄品質的變化未見報道。比起植物生長以及土壤的物理化學性質，土壤微生物對土壤環境及管理措施更加敏感，可以作為評價土壤質量的有效指標[7]。土壤微生物、土壤酶活性對微咸水富氧灌溉如何響應，還未見報道。本研究以番茄為種植材料，研究微咸水富氧灌溉對番茄產量、品質及對根區土壤微生物和酶活性的影響，進一步探討微咸水富氧灌溉減緩鹽脅迫的生理機制。

1材料與方法

1.1試驗區概述

盆栽試驗于2013年11月10日進行移栽，2014年5月17日最終收獲，在中國科學院欒城農業生態系統試驗站日光溫室中完成。盆栽土壤取自大田20 cm耕層，質地為潮褐土。試驗土壤理化性質為土壤田間持水量26.00%（質量分數），有機質含量為12.00 g/kg，全氮含量為1.22 g/kg，速效氮含量為46.00 mg/kg，速效磷含量為32.20 mg/kg，pH值為710。供試作物為番茄，品種為魯比。土壤過2 mm篩后裝入塑料桶中，每桶土質量10 kg，桶直徑30 cm，高度為35 cm。

1.2試驗設計

試驗處理包括3個鹽分水平的咸水：0.2（地下水）、2.0、5.0 g/L，2個含氧濃度水：3.0（對照）、7.0～9.0 mg/L（加氧），共6個處理，每個處理10個重復。不同濃度的咸水通過向地下水中加入相應的NaCl配制而成，利用打氧泵在不同鹽分水平咸水中加氧2 h達到飽和即得到加氧狀態水，充氧后立即灌溉，以保證更多的氧被植物利用。水中氧飽和后，每隔2 h測定水中溶氧濃度，在前6 h加氧水的溶氧濃度顯著高于不加氧水，在這期間對于盆栽試驗灌溉水可以完成滲透使更多的氧進入土壤，并且24 h之內均能保證較高的氧濃度。澆灌次數及水量依照土壤含水量而定，土壤相對含水量保持在田間持水量的70%～80%。

1.3測定項目

2014年4月17日開始采摘番茄，取第2穗果進行果實品質測定?？扇苄钥偺呛坑幂焱壬y定，維生素C含量用鉬藍比色法測定，有機酸含量用滴定法測定，可溶性蛋白質含量用考馬斯亮藍G-250法[8]測定。

生物量：2014年5月17日收獲，分別測定地上部（包括番茄）、地下部生物量，鮮樣置于鼓風烘箱105 ℃下殺青，然后在80 ℃下烘干，稱質量。

收獲時按無菌操作采集根部周圍5 cm深度10～20 cm的土樣，立即過2 mm土篩，分為2份，1份烘干后測定土壤pH值，1份用冰盒帶回實驗室分析土壤微生物及酶活性。土壤pH值及電導率采用pH計、電導率儀測定土水比 1 ∶5 的土壤浸提液；土壤微生物量碳利用熏蒸-浸提法[9]測定；基礎呼吸采用堿液吸收法[10]測定；土壤脲酶利用靛藍比色法[11]測定；土壤蛋白酶采用酪蛋白水解法，以茚三酮比色法[12]測定；土壤蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸水解法測定；土壤酸性磷酸酶、堿性磷酸酶活性采用人工合成的對硝基苯衍生物作為酶促反應底物[13]來測定。

1.4數據分析

數據用Excel 2003進行整理，用SPSS軟件進行方差分析。

2結果與分析

2.1不同處理下番茄生物量的變化

從表1可見，高鹽分含量給番茄的生長帶來一定的不利影響。用不加氧的水灌溉時，與礦化度0.2 g/L相比，用 5.0 g/L 咸水灌溉，番茄地上部、根部生物量分別降低438%、60.8%；加氧水灌溉緩解了這種不利影響，在 5.0 g/L 咸水灌溉下，加氧水灌溉分別提高地上部、根部生物量32.0%、32.4%。5.0 g/L咸水灌溉顯著降低了番茄的根冠比，而每個鹽分水平下加氧處理與對照相比則沒有顯著影響。

2.2不同處理下番茄品質的變化

從表2可以看出，在不同的鹽分處理下，番茄果實中維生素C、可溶性蛋白質、可溶性糖、有機酸含量的變化是有一定差異的。在礦化度為2.0 g/L處理條件下，番茄果實中的維生素C、可溶性蛋白質、有機酸含量顯著高于0.2 g/L處理組。維生素C含量提高69.95%，可溶性蛋白質含量提高2316%，可溶性糖含量提高13.09%，有機酸含量提高4810%。隨著鹽脅迫的進一步提高，番茄果實的品質有下降趨勢，但是加氧灌溉顯著提高了維生素C、可溶性糖含量，減緩了5.0 g/L咸水的負面效應。endprint

2.3不同處理下土壤pH值和土壤電導率的變化

從表3可以看出，無論鹽分處理，還是加氧灌溉都對收獲時土壤的pH值沒有顯著性作用。但是咸水灌溉明顯改變了土壤的電導率，隨著灌溉水礦化度的增加，土壤電導率呈顯著增加趨勢，在對照處理中，相對于地下水，2.0、5.0 g/L灌溉水分別增加土壤電導率88.5%、164.4%，加氧處理下，隨著礦化度的增加，土壤電導率同樣呈現增加趨勢，并且增加幅度更大，但相同礦化度下與對照相比沒有顯著差異。

2.4不同處理下土壤微生物量、活性、代謝墑的變化

鹽分和加氧處理都明顯改變了土壤的微生物量、活性、代謝墑。鹽分的增加抑制了土壤微生物的增長和活性。從表4可以看出，對照情況下與地下水相比，2.0、5.0 g/L灌溉水下，土壤微生物量分別降低了21.5%、43.6%，土壤微生物呼吸分別降低21.1%、39.0%。在3個礦化度灌溉水中，加氧處理顯著增加了土壤微生物量，分別提高了6.1%、204%、33.7%；而對于土壤微生物呼吸量，加氧處理只對2個咸水灌溉有顯著改善作用。鹽分能顯著增加微生物代謝墑，但隨著水氧濃度的增加而降低。

2.5不同處理下土壤酶活性的變化

不加氧條件下，除脲酶活性外，其他土壤酶活性均呈現出相同的趨勢，即隨鹽分的升高而降低，在加氧處理下明顯高于不加氧處理，但對各種酶的影響程度卻是不同的。可以看出，在不加氧咸水灌溉條件下，酸性磷酸酶活性下降幅度最大，相對于地下水，在2.0、5.0 g/L時分別減少32.0%、63.5%。加氧處理顯著增加了2個水平咸水灌溉下的土壤酶活性， 分別提高蔗糖酶活性28.7%、44.0%，脲酶活性11.4%、10.4%，酸性磷酸酶活性22.9%、31.7%，堿性磷酸酶活性11.1%、16.7%。

3結論與討論

微咸水灌溉導致土壤通透性降低，而土壤中氧氣的高低直接影響植株根系的生長。根際通氣良好能夠改善根部的土壤微環境，促進植物根系進行有氧呼吸，并增強根系對水肥吸

收的能力，有利于促進作物生長發育，提高產量和品質[14-15]。近年來研究表明，加氧灌溉能夠改善植物的生長狀況。本研究結果顯示，番茄生物量隨著灌溉水鹽分的增加而減少，且根部生物量降低更為明顯，加氧處理改善了由于咸水灌溉引起土壤通透性降低的狀況，促進了植株的生長。溫改娟等研究發現，加氣灌溉提高了番茄的品質[4]，本研究結果與之一致，微咸水加氧灌溉能顯著提高番茄的維生素C、可溶性糖含量。

微咸水富氧灌溉能夠提高植株的耐鹽性能，使得更少的離子進入植物體內，導致加氧處理下土壤的電導率有所增加[3，6]。相對于植物和土壤的物理化學性質，土壤微生物及土壤酶活性對鹽脅迫更為敏感，本研究發現土壤微生物量和呼吸均隨著灌溉水鹽分的增加而顯著降低，這與以前許多在鹽堿土中的研究結果[16-17]一致。植物生物量的降低引起土壤中碳氮輸入的減少，進而減少了微生物可以吸收的營養，導致微生物增長緩慢，另外土壤中的鹽分引起土壤滲透壓的變化，而微生物的正常生長需要合適的滲透勢，鹽分的增加還會引起土壤板結，通透性降低，抑制微生物的呼吸，所以鹽分處理下土壤微生物量和活性都降低明顯。同時也可以看出，2個指標都在加氧處理下顯著增加，這是因為一方面加氧處理增加了番茄的生物量，另一方面提高了土壤的通透性，微生物有更多的氧氣呼吸。明顯增加的土壤微生物代謝熵說明鹽分條件下微生物受到很大的脅迫，在逆境下微生物需要利用更多的有機質進行代謝呼吸，而不再有效地完成催化活性[18-19]，另外鹽脅迫下微生物菌群的改變也是導致代謝熵變化的原因[16-19]，而加氧灌溉則緩解了這種脅迫。

土壤酶主要來自土壤微生物、植物根系的分泌、土壤動物，并且參與碳、氮、磷等主要元素的轉化過程，土壤酶活性在一定程度上反映了微生物的活性，因此，一些土壤酶活性也被作為評價土壤質量的指標[20]。許多研究表明，鹽分脅迫下土壤酶活性顯著降低[19-21]，本研究中也得到一致的結果。鹽分的增加由于減少了植物的微生物增長，土壤酶少了來源，從而明顯降低了各種土壤酶的活性，因為不同的土壤酶來源于不同的微生物種類，所以鹽分對土壤酶的抑制程度不完全相同。從前面的分析中可以看出，加氧改善了這種狀況，所以土壤酶的活性明顯提高。土壤中的鹽分可能改變了蛋白質的高級結構而影響土壤酶活性。土壤酶活性的改變又會進一步影響碳、氮、磷的循環，進而影響植物的生長，所以在自然生態系統中植物和微生物是相互影響相互關聯的。

綜上所述，微咸水富氧灌溉改善了鹽脅迫下土壤的通透性，提高了番茄的生物量和品質，提高了土壤酶活性，減緩了鹽分對土壤的脅迫，所以筆者認為富氧灌溉可以作為咸水安全灌溉的有效措施。

參考文獻：

[1]Wan S，Kang Y H，Wang D，et al. Effect of drip irrigation with saline water on tomato （Lycopersicon esculentum Mill） yield and water use in semi-humid area [J]. Agricultural Water Management，2007，90（1/2）：63-74.

[2]Ghollarata M，Raiesi F. The adverse effects of soil salinization on the growth of Trifolium alexandrinum L. and associated microbial and biochemical properties in a soil from Iran [J]. Soil Biology and Biochemistry，2007，39（7）：1699-1702.endprint

[3]Bhattarai S P，Pendergast L，Midmore D J. Root aeration improves yield and water use efficiency of tomato in heavy clay and saline soils [J]. Scientia Horticulturae，2006，108（3）：278-288.

[4]溫改娟，蔡煥杰，陳新明，等. 加氣灌溉對溫室番茄生長和果實品質的影響[J]. 西北農林科技大學學報（自然科學版），2013，41（4）：113-118.

[5]Bhattarai S，Su N，Midmore D J. Oxygation unlocks yield potentials of crops in oxygen-limited soil environments [J]. Advances in Agronomy，2005，88（5）：313-377.

[6]Zhai H M，Dong B D，Qiao Y Z，et al. Irrigation with aerated saline water enhances water use efficiency and salt tolerance of tomato [J]. Fresenius Environmental Bulletin，2012，21（8）：2072-2077.

[7]Egamberdieva D，Renella G，Wirth S，et al. Secondary salinity effects on soil microbial biomass [J]. Biology and Fertility of Soils，2010，46（5）：445-449.

[8]高俊鳳. 植物生理學實驗指導[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[9]Vance E D，Brookes P C，Jenkinson P S. An extraction method for measuring microbial biomass [J]. Soil Biology and Biochemistry，1987，19（19）：703-707.

[10]Anderson J P E. Methods of soil analysis[M]. Madison：American Society of Agronomy，1982：837-871.

[11]Nannipieri P，Ceccanti B，Cervell，S，et al. Extraction of phosphatase，urease，protease，organic carbon and nitrogen from soil [J]. Soil Science Society of America Journal，1980，44（45）：1011-1016.

[12]Ladd J N，Butler J H A. Short-term assays of soil proteolytic enzyme activities using proteins and dipeptide derivatives as substrates [J]. Soil Biology and Biochemistry，1972，4（1）：19-30.

[13]Tabatabai M A，Weaver R W，Angle J S，et al. Methods of soil analysis：microbiological and biochemical properties [M]. New York：Soil Science Society of America，1994，775-833.

[14]Meek B D，Ehlig C F，Stolzy L H，et al. Furrow and strickle irrigation：effects on soil oxygen and ethylene and tomatoyield [J]. Soil Science Society of America Journal，1983，47（4）：631-635.

[15]Brzezinska M，Stepniewski W，Stepniewska Z，et al. Effect of oxygen deficiency on soil dehydrogenase activity in a pot experiment with triticale cv. Jago vegetation [J]. International Agrophysics，2001，15（3）：145-149.

[16]Sardinha M，Muller T，Schmeisky H，et al. Microbial performance in soils along a salinity gradient under acidic conditions [J]. Applied Soil Ecology，2003，23：237-244.

[17]Tripathi S，Kumari S，Chakraborty A，et al. Microbial biomass and its activities in salt-affected coastal soils [J]. Biology and Fertility of Soils，2006，42（3）：273-277.

[18]Wong V N L，Dalal R C，Greene R S B. Salinity and sodicity effects on respiration and microbial biomass of soil [J]. Biology and Fertility of Soils，2008，44（7）：943-953.

[19]Rietz D，Haynes R. Effects of irrigation-induced salinity and sodicity on soil microbial activity [J]. Soil Biology and Biochemistry，2003，35（6）：845-854.

[20]Avidano L，Gamalero E，Cossa G P，et al. Characterization of soil health in an Italian polluted site by using microorganisms as bioindicators[J]. Applied Soil Ecology，2005，30（1）：21-33.

[21]Tripathi S，Chakraborty A，Chakrabarti K，et al. Enzyme activities and microbial biomass in coastal soils of India [J]. Soil Biology and Biochemistry，2007，39（11）：2840-2848.姜淼，許向陽，姜景彬，等. 番茄耐鹽性的遺傳分析[J]. 江蘇農業科學，2017，45（12）：88-91.endprint