水氮合理配合對旱區溫室番茄土壤酶活性與水氮利用效率的影響

陳修斌,尹 鑫,劉珍伶,許耀照,李翊華

(1.河西學院 農業與生物技術學院，甘肅張掖 734000；2.河西走廊精準設施園藝工程技術研究中心，甘肅張掖 734000)

張掖市地處河西走廊中部，境內海拔為 1 410～2 230 m，年平均降水量僅118.4 mm，蒸發量高達2 337.6 mm，日照長、太陽輻射強，氣溫日差較大，屬于典型的大陸干旱荒漠氣候，處于干旱或極度干旱區[1]。為了貫徹甘肅省政府“關于河西戈壁農業發展的意見”，河西走廊五地市大力發展日光溫室蔬菜種植，日光溫室蔬菜種植已經成為農業增效、農民增收的支柱產業。番茄是該區日光溫室內廣泛種植的作物，近年來，在番茄栽培過程中普遍存在過量水氮投入，從而在設施較高溫度環境條件下，氮肥與水分資源利用率降低、土壤鹽漬化現象嚴重，土壤結構惡化、肥力下降、導致番茄產量和品質下降[2-3]，影響番茄實現高產優質化生產。

水分與氮肥的供應是影響作物生長與土壤肥力的兩大因子，研究表明[4]土壤中的蔗糖酶與脲酶可以催化土壤中的生物化學反應，在土壤生態系統中起著關鍵作用。土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶作為評價土壤肥力的指標，其活性高低與土壤類型、栽培制度和管理措施等密切相關，是土壤質量的重要指標，被廣泛用于評價土壤營養物質的循環轉化狀況以及各種農業措施和肥料的施用效果[5-6]。蔗糖酶主要參與高分子有機物的分解，水解蔗糖生成葡萄糖和果糖，改善土壤碳素營養狀況，可作為評價土壤熟化程度和土壤肥力指標[7]；脲酶為水解酶類，能促進土壤中尿素生成植物氮素營養主要來源的是NH3[6]；過氧化氫酶為氧化還原酶，能將生物呼吸和有機物生物化學反應產生的過氧化氫分解為分子氧和水，解除其對生物體產生的毒害作用[7]；土壤磷酸酶是催化土壤有機磷化合物礦化的水解酶，其活性高低直接影響著土壤中有機磷的分解轉化及其生物有效性[8]。當前設施栽培土壤全年平均施氮量為1 732 kg·hm-2，為一般蔬菜氮素吸收量的4.5倍[9]，過量的氮肥投入可抑制蔬菜產量增加，使大量速效氮素累積在土壤中，氮肥利用率常不足10%[10]。肖新等[11]研究表明，在控制灌溉模式下施氮量為180 kg·hm-2可獲得最優的生物環境，土壤脲酶、過氧化氫酶、磷酸酶和轉化酶活性，分別可達3.02×10-2mg·g-1、0.93 mL·g-1、5.70 mg·g-1、10.08 mL·g-1、；王杰等[12]研究水氮營養對貝加爾針茅草原土壤酶活性的變化特點，結果顯示在施氮量為100 kg·hm-2條件下，土壤脲酶和過氧化氫酶活性最高，說明適宜的氮素用量可以提高脲酶和過氧化氫酶活性；趙建華等[13]圍繞水分與氮肥的高效利用，得出在水氮最佳組合為灌水量4 500 m3·hm-2、施氮量225 kg·hm-2時，制種玉米植株生長良好種子產量最高；李靜等[14]研究水氮供應對溫室黃瓜氮素吸收的影響，得出氮素在植株體各器官中的累積量，隨生育期的推進不斷增大，在盛果期累積量達最大。以上研究大多探討不同水氮處理對作物產量與氮素在土壤積累方面，而有關不同水氮處理對旱區溫室番茄土壤酶活性及產量影響方面尚缺乏系統報道。本研究立足河西走廊旱區溫室番茄生產，針對不適宜的水氮用量，導致番茄產量和水氮利用率降低等問題，探討不同水氮處理對番茄在不同時期的土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶與磷酸酶活性的變化規律及水氮利用與產量的關系，以此探明合理水氮處理對番茄生長的機理，為旱區溫室番茄生產建立合理的灌水施肥制度、改善土壤生物化學環境以及實現土壤可持續利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

番茄品種為‘金福萊’，由張掖市綠之源農業發展有限公司選育，適宜在甘肅省保護地和露地栽培。試驗于2017年8月至2018年6月在甘州區黨寨鎮汪家堡種植3 a日光溫室內實施，土壤類型為灌漠土，0～20 cm耕層有機質9.28 g·kg-1，堿解氮59.36 mg·kg-1，有效磷 17.83 mg·kg-1，速效鉀149.74 mg·kg-1，pH為 8.25，土壤質地砂壤。

1.2 試驗設計與種植

試驗設灌水量與施氮量兩個因素[15-16]，灌水量設4 200 m3·hm-2(該灌水量為生產上常用的灌水量，依據調查張掖市的甘州區、高臺、臨澤等縣區的6個溫室番茄生產用量確定，W1)、3 570 m3·hm-2(W2)和2 940 m3·hm-2(W3)3個水平，其中W2、W3分別在常用灌水量的基礎上降低15%和30%。施氮量為190 kg·hm-2(N1)、380 kg·hm-2(N2)和570 kg·hm-2(N3)3個水平，其中N2為番茄目標產量102 t·hm-2下的理論施肥量，N1和N3為N2基礎上分別降低50%和增加50%的施氮量。

試驗采用隨機區組設計，具體為A1(灌水量4 200 m3·hm-2，施氮量為190 kg·hm-2)、A2(灌水量3 570 m3·hm-2，施氮量為190 kg·hm-2)、A3(灌水量2 940 m3·hm-2，施氮量為190 kg·hm-2)、A4(灌水量4 200 m3·hm-2，施氮量380 kg·hm-2)、A5(灌水量 3 570 m3·hm-2，施氮量380 kg·hm-2)、A6(灌水量2 940 m3·hm-2，施氮量380 kg·hm-2)、A7(灌水量4 200 m3·hm-2，施氮量570 kg·hm-2)、A8(灌水量3 570 m3·hm-2，施氮量570 kg·hm-2)和A9(灌水量2 940 m3·hm-2，施氮量570 kg·hm-2)共9個處理，各處理重復3次，處理畦長8 m，寬1.2 m，于2017年8月初育苗，10月初定植，株距45 cm，保苗數36 450株·hm-2。處理間用塑料薄膜深埋40 cm，以防水分相互滲漏。試驗采用膜下滴灌施肥，每畦分別在番茄的根際附近放置2條滴灌帶，滴頭距離根莖基部5 cm，利用水分測定儀控制土壤水分[17]，氮肥由尿素[w(N)=46.4%]提供，氮肥的40%作基肥施入，剩余60%在番茄初花期與盛果期分2次等量施入，磷肥與鉀肥分別由重過磷酸鈣[w(P2O5)= 44%]和氯化鉀 [w(K2O)=60%]提供，用量分別為P2O5400 kg·hm-2和K2O 450 kg·hm-2。定植前，將全部磷肥作基肥一次性施入、50%鉀肥作基肥施入，剩余50%作追肥分2次與氮肥追肥時施入。其他管理同日光溫室常規管理。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤樣品采集 分別在番茄開花結果初期(1月20日)、中期(2月30日)、末期(5月10日)，用土鉆采集0～20 cm的表土，每個處理采集5個點，混勻后留取部分土壤樣品，分別于4 ℃和-80 ℃下保存，備用。

1.3.2 土壤酶活性 蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法，脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉靛酚比色法，過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法，磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法測定[18]。

1.3.3 產量、水分與氮肥利用效率 在番茄結果后期(5月20日)，每個處理標記6株，測定株高與莖粗；每次收獲時按不同處理統計單株產量，最后匯總統計各小區的產量。灌溉水利用率(Irrigation water utilization efficiency，IWUE)為經濟產量(kg·hm-2)與生育期內總灌水量 (m3·hm-2)的比值，氮肥施用效率(Nitrogen application efficiency，NAE)為經濟產量 (t·hm-2)與總施氮量(kg·hm-2)的比值[19]。

1.4 數據分析

采用 DPS 9.50和Microsoft Excel 2003進行數據計算與分析，采用Duncan’s法進行差異顯著性分析，取α=0.05。

2 結果與分析

2.1 不同處理對番茄開花結果期土壤蔗糖酶活性的影響

由圖1可以看出，在番茄開花結果前期，不同水氮處理對蔗糖酶活性以處理A5最高，顯著高于其他處理，各處理對蔗糖酶活性大小的順序為：A5>A4>A6> A8>A1>A7>A9>A2> A3；中期和末期蔗糖酶活性變化與初期相似；前期、中期和末期土壤蔗糖酶活性的大小表現為：中期>末期>初期。前期、中期和末期的蔗糖酶活性以處理A5最高，其值分別為1.87、3.93和3.34 mg·g-1·d-1，以處理A3的蔗糖酶在前期、中期和末期的值最低，分別為0.71、2.18和1.78 mg·g-1·d-1。說明采用理論施氮量(380 kg·hm-2)、灌水量(3 570 m3·hm-2)的處理A5，土壤蔗糖酶活性在前期、中期和末期值最高，原因可能是適宜的水氮用量表現出較強的耦合作用，此水氮用量組成的土壤溶液環境，有利用土壤蔗糖酶活性的增加，而其他水氮處理由于用量失衡，其組成的土壤環境不利于蔗糖酶活性提高，因此表現出在結果期的不同階段產生蔗糖酶活性的差異。

不同小寫字母表示處理間差異達0.05顯著水平，下同 Different lowercase letters indicate the significant difference at 0.05 level，the same below

圖1 不同處理番茄開花結果前期、中期和末期土壤蔗糖酶活性
Fig.1 Soil sucrase activity at early stage,middle stage and last stage of tomatoflowering and fruit-bearing period under different treatments

2.2 不同處理對番茄開花結果期土壤脲酶活性的影響

由圖2可見，不同處理對番茄在前期、中期和末期土壤脲酶活性隨著施氮量的增加而增大，而當氮的施用量超過380 kg·hm-2時，其活性隨著施用量的增加而減?。辉谑┑肯嗤瑮l件下，各時期以處理A1、A2和A3的土壤脲酶活性隨灌水量減少而降低，處理A4、A5、A6、A7、A8 和A9隨著灌水量增大而增大，當灌水量超過3 570 m3·hm-2時，其活性又呈降低的趨勢；以處理A5的脲酶活性在初期、中期和末期的值最高，分別為0.43、0.87和0.76 mg·g-1·d-1，同一時期內不同處理間差異顯著；各處理在番茄開花結果初期、中期和末期，對土壤脲酶活性影響的順序呈現A5>A4>A6>A8>A1>A7>A9>A2>A3的變化；說明處理A5的水氮用量組合更利用于提高土壤脲酶活性，這與張麗瑩等[20]在黃瓜的研究結果相一致。

從水、氮及其交互作用對番茄蔗糖酶和脲酶影響來看(表1)，水分對土壤蔗糖酶在前期活性的影響呈顯著水平，在中期水分 、氮肥及交互作用對蔗糖酶活性均呈極顯著水平，到末期的影響呈顯著水平；水分與氮肥對土壤脲酶活性的影響，在番茄果實開花結果的前期與中期呈顯著水平，其交互作用對中期與末期的土壤脲酶活性呈極顯著水平。

2.3 不同處理對番茄開花結果期土壤過氧化氫酶活性的影響

不同處理對番茄土壤過氧化氫酶活性在不同時期的變化見圖3，各處理以中期的過氧化氫酶活性最高，各時期對過氧化氫酶活性影響呈現中期>末期>初期的趨勢；在初期、中期和末期，各處理以處理A5過氧化氫酶活性最高，分別為 1.36 mL·g-1·h-1、3.65 mL·g-1·h-1和 2.57 mL·g-1·h-1，均明顯高于同時期的其他水氮處理；各處理對過氧化氫酶活性的影響次序為A5>A4>A6>A8>A1>A7>A9>A2>A3，說明不同處理由于水分與氮肥用量不同，其水氮用量組成的土壤溶液耦合條件下對過氧化氫酶活性也產生不同程度差異。在高氮低水、低氮高水、高氮高水及低氮低水的水氮處理下，都會導致過氧化氫酶活性的降低。

圖2 不同處理番茄開花結果前期、中期和末期土壤脲酶活性Fig.2 Soil urease activityat early stage,middle stage and last stage of tomato flowering and fruit-bearing period under different treatment

因素Factor自由度Freedom蔗糖酶 Sucrose前期Early stage中期Middle stage末期Last stage脲酶 Urease前期Early stage中期Middle stage末期Last stage水分 Water211.32?15.72??22.61?10.26?23.42?13.57氮肥 Nitrogen27.6513.28??17.54?12.37?18.71?16.48?水分×氮肥 Water ×Nitrogen43.368.74??10.83?6.4216.23??9.86??

注： * 表示同列在0.05水平差異顯著，** 表示在0.01水平差異顯著，下同。

Note: the same column * indicates a significant difference in the level of 0.05,** indicates significant difference in the level of 0.01,the same below.

圖3 不同處理番茄開花結果前期、中期和末期土壤過氧化氫酶活性Fig.3 Soil catalase activity at early stage,middle stage and last stage of tomato flowering and fruit-bearing period under different treatments

2.4 不同處理對番茄開花結果期土壤磷酸酶活性的影響

圖4是反映土壤磷酸酶的變化特征，其各處理土壤磷酸酶在番茄結果初期、中期與末期的變化趨勢與土壤過氧化氫酶活性相似，各時期對磷酸酶活性的影響也呈現中期>末期>初期的變化趨勢，以處理A5表現出在初期、中期和末期的磷酸酶活性最高，分別為0.48、1.39和0.86 mg·g-1·d-1；各處理對磷酸酶活性大小的影響也表現為A5>A4>A6>A8>A1>A7>A9>A2>A3，這主要是由于不同處理，其水分與氮肥的用量不同，其水肥營養配比改變了土壤環境，在處理A5條件下，番茄在開花結果的初期、中期和末期土壤中磷酸酶的活性最強。

水、氮及其交互作用對番茄過氧化氫酶在結果中期的影響呈極顯著變化水平，在末期的影響呈現顯著變化水平；對磷酸酶活性的變化，以開花結果前期水、氮對其影響呈顯著水平，水分及水氮交互作用對中期磷酸酶活性呈極顯著差異水平，水分對末期磷酸酶活性呈極顯著差異水平，水氮交互作用呈顯著水平(表2)。

圖4 不同處理番茄開花結果前期、中期和末期土壤磷酸酶活性Fig.4 Soil phosphatase activity at early stage,middle stage and last stage of tomato flowering and fruit-bearing period under different treatment

因素Factor自由度Freedom過氧化氫酶 Catalase前期Early stage中期Middle stage末期Last stage磷酸酶 Phosphatase 前期Early stage中期Middle stage末期Last stage水分 Water28.76?23.65??31.71?19.68?25.43??14.65??氮肥 Nitrogen24.3218.49??22.34?13.46?8.677.86水分×氮肥 Water ×Nitrogen42.619.67??16.92?4.5112.75??10.51?

2.5 不同處理對番茄產量和水氮利用效率的影響

從表3可以看出，處理A5番茄植株在株高、莖粗、單株產量和經濟產量等性狀表現最優，分別為177.35 cm、1.24 cm、2.70 kg和98.40 t·hm-2，高于其他處理，不同處理對番茄經濟產量影響的順序為A5>A4>A6>A8>A1>A7>A9>A2>A3，這一變化與土壤中蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶與磷酸酶活性的變化相一致，說明隨著土壤酶活性的增加，番茄對水氮的吸收能力增強，促進了植株生長與產量的形成。本試驗中，以處理A6的IWUE最高，達31.24 kg·m-3，處理A1的NAE最高，其值為0.45 t·kg-1。從水氮互作的交互作用來看，水分對番茄株高和莖粗的影響呈極顯著差異，對氮肥施用效率表現為顯著差異；氮肥對單株產量、經濟產量和灌溉水利用率呈顯著差異；而水氮互作的耦合效應對單株產量、經濟產量呈極顯著差異，對灌溉水利用率與氮肥施用效率影響無顯著差異。

3 討 論

蔗糖酶是由植物根系分泌所產生的，參與土壤有機質的礦化分解,是表征土壤生物化學活性的重要酶[21]，本試驗條件下，由較低氮施用量組成的水氮處理(A1、A2和A3)和由較高氮施用量組成的水氮處理(A7、A8和A9)，在番茄結果前期和末期時的蔗糖酶活性明顯低于由中氮施用量組成的水氮處理(A4、A5、A6)在中期的蔗糖酶活性，尤其以中等施氮量與灌水量組成的處理A5表現最為明顯。這說明在低氮與高氮施用量下組成的水氮溶液環境，會降低蔗糖酶的活性，適宜的水氮處理可以增加蔗糖酶活性，究其原因主要是適量的水氮供應，改善了番茄根系的生長環境，使得根系的代謝活力增強，根系分泌更多的蔗糖酶；不同水分與氮肥的用量，產生根系生長強弱的差異。這與夏雪等[22]研究結果相似。說明合理水肥調控能夠提高番茄生產中土壤蔗糖酶的活性。

處理Treatment株高/cmPlant height莖粗/cmStem diameter單株產量/kgYield per plant經濟產量/(t·hm-2)Economic yieldIWUE/(kg·m-3)NAE/(t·kg-1)A1166.38±2.24 de1.15±0.03 cd2.33±0.14 cd 84.93±1.23 d20.22±1.07 de0.45±0.07 aA2159.67±1.82 fg1.08±0.02 fg2.19±0.12 f79.86±1.34 f22.37±0.98 d0.42±0.04 abA3154.46±2.14 g1.03±0.05 g2.16±0.18 g78.74±1.41 f26.78±1.13 bc0.41±0.01 bA4173.75±2.31 b1.20±0.01 ab2.68±0.13 ab97.69±1.62 ab23.26±1.14 cd0.26±0.03 cdA5177.35±3.15 a1.24±0.02 a2.70±0.21 a98.40±1.23 a27.56±2.06 b0.26±0.01 cA6170.47±2.43 bc1.18±0.03 b2.52±0.14 b 91.85±1.12 b31.24±2.10 a0.24±0.04 dA7163.61±1.89 e1.13±0.04 de2.30±0.11 de 83.84±2.01 de19.96±1.03 e0.15±0.03 efA8168.71±1.85 cd1.16±0.03 bc2.43±0.17 c 88.57±1.18 c24.81±1.08 c0.16±0.01 eA9161.76±2.07 ef1.10±0.02 ef2.25±0.16 e82.01±1.03 ef27.89±1.12 b0.14±0.02 f水分 Water28.64??19.73??10.268.5410.3613.83?氮肥 Nitrogen12.758.8712.38?28.47?18.47?10.39水分×氮肥 Water×Nitrogen20.16?14.82?23.63??36.58??8.629.74

脲酶是土壤中主要的水解酶類之一，它的活性可以用來表征土壤氮素狀況[23]。本試驗中，在3個不同水分條件(灌水量分別為4 200、3 570和2 940 m3·hm-2)下，其組成的各水氮處理，以中等灌水量組成水氮處理的脲酶活性高于其他處理；由3個不同施氮量條件(施氮量190、380和570 kg·hm-2)下，其組成的各水氮處理，以中等施氮量組成水氮處理的脲酶活性高于其他處理；徐福利等[24]研究表明，適量施肥，有利于土壤脲酶活性升高，但如果氮肥用量超過最大臨界范圍，脲酶活性將會降低；本研究采用中等灌水量與中等施肥量條件下的 A5處理，其土壤的脲酶活性最高，說明適當的氮素、水分處理可以提高土壤脲酶的活性，這主要是由于良好的水肥條件供應，可以改善土壤微生物生長所需的營養環境，促進了微生物的繁殖，從而向土壤中分泌更多的脲酶，這一結論也與金繼運等[25]的研究結果相一致。

過氧化氫酶可以調節土壤中水分與氧氣的含量狀況，從而影響土壤的理化性狀和供肥能力[26-27]。本試驗中，采用較低與較高灌水量組成的水氮用量處理，其過氧化氫酶活性在番茄結果不同時期的土壤過氧化氫酶相對較低，而采用中等施肥量(380 kg·hm-2)組成的水肥處理，在番茄結果的初期、中期和末期，土壤內過氧化氫酶活性明顯高于其他處理，尤其是采用中等施肥與灌水量組成的處理A5，其過氧化氫酶活性最高，這表明適宜的水氮用量處理，有利于過氧化氫酶催化過氧化氫反應生成水和氧氣，可以改善土壤微生物環境[6]。

磷酸酶活性關系到土壤磷素的轉化及利用，同時也影響到土壤微生物的活動[23]，本試驗中，在不同施氮量(施氮量190、380 kg·hm-2和570 kg·hm-2)水平下，隨著施氮量的增加，其水氮用量處理的土壤中磷酸酶活性有增加趨勢，但當施氮量超過380 kg·hm-2時，磷酸酶活性又逐漸降低；在不同灌水量(4 200、3 570和2 940 m3·hm-2)水平下，也以中等灌水量(3 570 m3·hm-2)組成的水氮處理，其磷酸酶活性較高，采用中等灌水量與中等施肥量處理A5的磷酸酶活性最高，這主要是由于外源氮肥量與灌水量在最適的土壤環境條件下，土壤溶液中速效磷的含量最適，最終導致土壤磷酸酶活性的 最強。

合理的灌水與施肥是番茄產量提高的重要措施，番茄產量與水氮供應、土壤酶活性和水氮利用效率有密切關系。本試驗中，由中氮施用量(380 kg·hm-2)組成的水氮處理(A3、A4、A5)，其番茄產量均高于由低氮施用量(190 kg·hm-2)組成的水氮處理(A1、A2和A3)和由高氮施用量(570 kg·hm-2)組成的水氮處理(A7、A8和A9)，以中等施氮量與灌水量組成的處理A5的番茄產量均顯著高于其他處理，主要是由于在高氮與低氮水平下，不同水氮處理的營養配比失調，影響番茄根系對養分與水分吸收，而處理A5的水氮用量最適，水氮耦合表現出強烈的疊加效應，這與Zotarelli等[28]研究結果一致。本試驗中各處理對蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶和磷酸酶活性影響大小的順序均為A5>A4>A6>A8>A1>A7>A9>A2>A3，從番茄經濟產量分析來看，各處理對產量的影響也符合這一趨勢，說明產量與土壤酶活性大小的密切關系，只有采用適宜的水氮用量，才能促進番茄產量提高，這一研究結論與馬曉霞等[4]研究相一致；灌水與施氮量均能影響作物IWUE與NAE，鄧忠等[29]研究表明，IWUE 與灌水量呈顯著負相關關系,施用氮肥能提高IWUE，本試驗中在施氮量相同的條件下，不同水氮處理的IWUE隨著灌水量的減小而增大，而NAE表現為隨著施氮量水平的增加而逐漸降低的趨勢，從而表現出IWUE與NAE的差異，這與鄧忠等[29]、Cabello 等[19]的研究結果一致。

4 結 論

本試驗研究不同水氮互作對番茄開花結果期土壤酶活性及水氮利用效率的影響，得到采用灌水量3 570 m3·hm-2、施氮量380 kg·hm-2的處理A5，其番茄在結果初期、中期和末期土壤的蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶與磷酸酶的活性最高；同時番茄植株株高、莖粗、單株產量和經濟產量等性狀數值表現最高。灌溉水利用率和氮肥施用效率最高的處理分別為A6(灌水量2 940 m3·hm-2，施氮量380 kg·hm-2)和A1(灌水量4 200 m3·hm-2，施氮量為190 kg·hm-2)最高，這一研究結果，可為同類地區日光溫室番茄的高產優質生產、水氮高效利用與土壤營養的合理調控提供理論依據。