負壓灌溉提高紫葉生菜的水分利用效率和根際微生物多樣性

高 翔，張淑香，龍懷玉

（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）

紫葉生菜 (Lactuca sativaL.) 為菊科萵苣屬草本植物，其營養(yǎng)價值高，富含維生素A、維生素C、花青素、尼克酸和食物纖維等多種營養(yǎng)物質(zhì)，它以生長期短，復(fù)種指數(shù)高，生長均勻整齊，商品率高而倍受青睞[1-2]。紫葉生菜是一種高產(chǎn)作物，對水分和肥料的需求量較大[1-2]。目前，在設(shè)施園藝生產(chǎn)中推廣的滴灌技術(shù)與傳統(tǒng)灌溉技術(shù)相比具有良好的節(jié)水增產(chǎn)效果，但其在通過灌水器從土壤表層輸送水分和養(yǎng)分的過程中，依然容易造成水分的流失和蒸騰[3-5]，且不能按照作物對水分的需求進行自動供給[5-6]。

負壓灌溉系統(tǒng)是一種新型的節(jié)水灌溉技術(shù)，它是把灌水器埋入土層的作物根系區(qū)域，能為作物適時適量提供水分和養(yǎng)分，可有效減少地表蒸發(fā)和地下深層滲漏，且土壤含水量可通過調(diào)節(jié)能保持在合理的范圍之內(nèi)[5-7]。根際是土壤微生物的活躍區(qū)域，負壓灌溉在作物的根際周圍進行供水供肥，直接影響著根際的微生態(tài)條件[7-9]，對作物根際微生物的多樣性和群落結(jié)構(gòu)的影響有待研究。

負壓灌溉對作物生長的影響已有報道[5-7]，本研究以紫葉生菜為試驗材料，探討了負壓灌溉對紫葉生菜的產(chǎn)量、品質(zhì)及養(yǎng)分、水分吸收利用動態(tài)，以及根際土壤微生物群落的多樣性和組成豐度，以期為負壓灌溉的推廣提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

1.1.1 溫室盆栽試驗 試驗在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室進行，供試土壤為沙壤土，基本理化性質(zhì)為pH值6.86、容重1.41 g/cm3、有機質(zhì)1.62%、速效磷13.7 mg/kg、速效鉀86.4 mg/kg、速效氮93.6 mg/kg。供試作物為紫葉生菜。

試驗共設(shè)3個灌溉處理，分別為常規(guī)灌溉、滴灌和負壓灌溉。每盆種植4株紫葉生菜，設(shè)置3個重復(fù)。紫葉生菜于2017年4月13日播種，于兩葉一心期移栽于種植盆中 (長42 cm、寬26 cm、高25 cm)，每盆裝入30 kg土壤，肥料溶于負壓灌溉的供水器中，肥料配方按照文獻[5]進行配置。2017年5月22日收獲紫葉生菜，然后進行指標測定。

1.1.2 灌溉試驗裝置 負壓灌溉水肥一體化系統(tǒng)(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所專利，ZL201110093923.2)，利用負壓數(shù)顯開關(guān)控制負壓值，根據(jù)前期負壓灌溉試驗結(jié)果可設(shè)定負壓值為-5 kPa。常規(guī)灌溉是將肥料溶解入水中后直接澆灌至土表上，滴灌為利用滴灌系統(tǒng)進行供應(yīng)水分。

1.2 取樣與分析方法

1.2.1 植株產(chǎn)量、品質(zhì)和養(yǎng)分吸收的測定 收獲后，直接稱量每盆紫葉生菜鮮重；在實驗室內(nèi)，采用2,6-二氯酚靛酚法測定維生素C含量，硝酸鹽含量測定采用水楊酸比色法，可溶性糖采用蒽酮比色法，花青素采用分光光度計比色法[1,10]。

收獲后的紫葉生菜在105℃下殺青30 min，75℃下烘干，粉碎過0.25 mm篩，用H2SO4-H2O2消煮，用2300自動定氮儀 (Kjedahl 2300，F(xiàn)OSS，Sweden)測定含氮量，鉬銻抗比色法測定含磷量，火焰光度計法測定含鉀量[10-12]。植物氮、磷、鉀吸收量為植株干重與其氮、磷、鉀濃度的乘積。

1.2.2 土壤水分的測定 收集土壤剖面0—25 cm的土壤，于105℃烘箱中干燥至恒重，計算土壤含水量，在紫葉生菜移苗至種植盆后每5天測定一次。水分利用效率 (g/m3) = 產(chǎn)量 (kg/pot)/耗水量 (m3) ×1000[5,10]。

1.2.3 灌溉耗水量統(tǒng)計方法 負壓灌溉為每天記錄儲水罐中水分的下降刻度，直至收獲，累加總耗水量。常規(guī)灌溉是在紫葉生菜移栽前灌溉一次，灌溉量4000 cm3/pot，移栽后每3天灌溉一次，每次灌溉量為3000 cm3/pot，共計13000 cm3/pot。滴灌處理的灌溉量設(shè)置與常規(guī)處理一致，利用滴灌系統(tǒng)進行供應(yīng)水分，其出水量為每小時2000 cm3，每天滴灌一次，每次灌溉量1000 cm3/pot，共計13000 cm3/pot。1.2.4 土壤根際微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)測定 收獲紫葉生菜后，每個處理隨機選取3株，首先把植株從盆中取出，抖落根周圍松散的土，然后把緊附在根上的土用無菌水沖洗，高速離心收集沉淀，保存于-80℃冰箱用于高通量測序，每個處理3次重復(fù)。土壤DNA提取用OMEGA Soil DNA提取試劑盒 (OMEGA，GA，USA)，然后利用高通量測序細菌16S rRNA基因V2-V3區(qū)，根據(jù)引物124-F (5′-CACGGATCCGGACGGGTGAGTAACACG-3′)；515-R (5′-ATCGTATTACCGCGGCTGCT GCTGGCA-3′) 進行測序[8,13]。結(jié)果用于微生物群落多樣性和結(jié)構(gòu)分析，獲取分類單元 (OTU，operational taxonomic units)、Chao1豐度、香農(nóng)多樣性指數(shù)(Shannon) 等指標，細菌門分類地位的相對豐度以高通量測序數(shù)據(jù)的序列相對豐度代替[8,13]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

運用Excel 2016 (Microsoft Company，USA) 進行平均數(shù)和標準差計算，并且利用SAS9.0 (SAS Institute Inc，Cary，NC，USA) 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉處理對紫葉生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

負壓灌溉系統(tǒng)下種植紫葉生菜，其產(chǎn)量和品質(zhì)顯著高于常規(guī)和滴灌處理 (表1)。由表1可見，負壓灌溉處理的產(chǎn)量最高，滴灌其次，常規(guī)灌溉處理最差。其中，負壓灌溉比常規(guī)和滴灌處理產(chǎn)量分別顯著提高了68.1%和29.0%。同時，負壓灌溉處理下的紫葉生菜的維生素C、可溶性糖和花青素含量是最高的，常規(guī)灌溉處理最差。負壓灌溉處理比常規(guī)處理的維生素C、可溶性糖和花青素含量分別顯著提高了21.1%、14.4%和74.3%。在硝酸鹽含量上，負壓灌溉處理的含量最低，常規(guī)灌溉最高。綜合分析，負壓灌溉處理的品質(zhì)最好，滴灌其次，常規(guī)處理最差。說明利用負壓灌溉系統(tǒng)種植紫葉生菜，可獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的紫葉生菜。

表1 不同灌溉模式對紫葉生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響Table 1 Effect of different irrigation treatments on yield and quality of purple leaf lettuce

2.2 不同灌溉模式對紫葉生菜養(yǎng)分濃度和吸收量的影響

負壓灌溉條件下種植紫葉生菜，提高了植株氮磷鉀濃度和吸收量 (表2)。負壓灌溉處理下植株氮磷鉀的濃度和吸收量是最高的，滴灌次之，常規(guī)處理最差。負壓灌溉比常規(guī)灌溉處理的氮磷鉀濃度和吸收量分別顯著提高了13.0%、14.4%、38.4%和90.2%、92.6%、135.5%。

表2 不同灌溉處理對紫葉生菜養(yǎng)分濃度 (mg/g)和吸收量 (mg/pot)的影響Table 2 Effect of different irrigation treatments on nutrient concentration and uptake of purple leaf lettuce

2.3 不同灌溉模式對紫葉生菜水分利用的影響

由表3可見，負壓灌溉條件下種植紫葉生菜，其耗水量最少，水分利用率最高。負壓灌溉處理下種植紫葉生菜，其整個生育期耗水量9900 cm3，低于常規(guī)和滴灌處理的13000 cm3。負壓灌溉比常規(guī)和滴灌處理的水分利用效率分別顯著提高了122.2%和70.5%。

表3 不同灌溉處理對紫葉生菜水分利用的影響Table 3 Effect of different irrigation treatments on water consumption and use efficiency

負壓灌溉條件下動態(tài)土壤水分含量變化范圍小于常規(guī)和滴灌處理 (圖1)。由圖1可見，負壓灌溉處理下土壤含水量處于10.3%～11.3%之間，小于常規(guī)和滴灌處理的9.2%～11.6%。說明負壓灌溉下的土壤含水量處于較為適中的范圍，而常規(guī)和滴灌處理的含水量范圍波動較大。

2.4 不同灌溉處理對紫葉生菜根際土壤微生物多樣性和細菌分類的影響

圖 1 不同灌溉處理對土壤水分含量動態(tài)的影響Fig. 1 Effects of different irrigation methods on soil water content

從表4可看出，負壓灌溉下紫葉生菜根際土壤微生物的多樣性指數(shù)最高，表現(xiàn)為OTU，Chao1和Shannon指數(shù)的數(shù)值最高。在OTU指標上，負壓灌溉處理的數(shù)值是最高的，比常規(guī)和滴灌處理分別顯著提高了15.2%和8.52%。Chao1和Shannon指標有相同的趨勢，負壓處理數(shù)值最高，滴灌其次，常規(guī)灌溉處理最差。說明負壓灌溉下種植紫葉生菜能顯著提高根際土壤的微生物多樣性。

如表5所示，不同灌溉處理對紫葉生菜根際土壤細菌群落結(jié)構(gòu)在細菌門水平上組成有顯著的差異。在細菌門分類上，Proteobacteria (變形菌門) 和Acidobacteria (酸枝菌門) 是最豐富的兩個門，占整體細菌群落約50%。其中Proteobacteria (變形菌門) 在不同灌溉處理中的占比分別為常規(guī) (41.33%)、滴灌(35.67%) 和負壓 (29.44%)。同時，在負壓灌溉處理下提高了Actinobacteria (放線菌門)、Chloroflexi (綠彎菌門)、V e r r u c o m i c r o b i a (疣微菌門)和Planctomycetes (浮霉菌門)在細菌門上的相對豐度。說明不同灌溉處理對紫葉生菜根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)有影響。

表4 不同灌溉處理紫葉生菜根際微生物多樣性Table 4 Diversity of microbial communities in the rhizosphere soil of purple leaf lettuce under different irrigation treatments

3 討論

3.1 負壓灌溉提高紫葉生菜產(chǎn)量、品質(zhì)和養(yǎng)分吸收

本研究結(jié)果表明，與常規(guī)和滴灌相比，負壓灌溉系統(tǒng)顯著提高了紫葉生菜產(chǎn)量和品質(zhì)，其產(chǎn)量分別是常規(guī)和滴灌處理的1.68倍和1.29倍，也從品質(zhì)上提高了可溶性糖、維生素C和花青素含量，降低了硝酸鹽含量 (表1)。這個研究結(jié)果與趙秀娟，李生平等的負壓灌溉研究相一致，在負壓灌溉系統(tǒng)下種植作物能夠顯著增加作物產(chǎn)量和品質(zhì)[7,10-11]。主要是由于負壓灌溉的供水供肥方式，其灌水頭處于植物根層土壤區(qū)域，并能依據(jù)作物所需供水供肥，而根際是主要的吸收水肥區(qū)域，吸收充足的水分和營養(yǎng)則加快了作物植株體內(nèi)同化物質(zhì)的運轉(zhuǎn)與積累[10,14]，也顯著增加了紫葉生菜對氮磷鉀養(yǎng)分的吸收(表2)，最終負壓灌溉下紫葉生菜的產(chǎn)量和品質(zhì)顯著高于常規(guī)和滴灌處理 (表1)。水分和養(yǎng)分是作物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，水分參與了作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成，減少灌溉量可降低果皮滲透調(diào)節(jié)，促進維生素C含量，提高進入韌皮部的糖濃度[3,11,15]。而當供水吸力過高時，水分脅迫過重，造成后期植株合成碳水化合物等營養(yǎng)物質(zhì)的功能顯著降低，從而導(dǎo)致作物的果實品質(zhì)顯著下降[3,7,11]，常規(guī)和滴灌的灌溉方式就容易造成水分過重的脅迫，使得作物品質(zhì)顯著低于平穩(wěn)水分供應(yīng)的負壓灌溉處理。而當作物處于干旱脅迫時，生長受到抑制，硝態(tài)氮含量就會升高，而蔬菜體內(nèi)過多累積硝酸鹽雖無害于植株，卻對食用后的人體健康構(gòu)成潛在威脅[11,16]，常規(guī)灌溉就不能保證水分的充足供應(yīng)，容易造成硝酸鹽含量的累積。同時，作物增加鉀的吸收后，能促進硝酸鹽代謝，降低硝酸鹽的含量，提高植物體內(nèi)可溶性糖和維生素C的含量[3,11]。因此，本研究證明了在負壓灌溉下種植紫葉生菜，由于保證了充足和穩(wěn)定的水分和養(yǎng)分供應(yīng)，以及減少了水分的消耗和土表蒸騰，其產(chǎn)量和品質(zhì)顯著高于常規(guī)和滴灌處理。

表5 不同灌溉處理土壤細菌在門分類水平上的相對豐度百分比 (%)Table 5 Relative percentage of the bacteria in total sequence under different irrigation treatments at the phylum level

3.2 負壓灌溉提高紫葉生菜對水分的利用

負壓灌溉能夠顯著節(jié)約灌溉用水，提高水分利用率，保持土壤含水量在平穩(wěn)的狀態(tài) (表3和圖1)。主要是由于負壓灌溉系統(tǒng)將灌水器埋入土壤中，通過作物的蒸騰作用使根系土水勢下降，以及土壤吸力產(chǎn)生的水勢差，植物根據(jù)自身需要水分的特性，實現(xiàn)了對水分的連續(xù)自動獲取[5-7,14]。負壓灌溉保證作物生育期內(nèi)土壤水分含量處于較為穩(wěn)定狀態(tài) (圖1)，從而改善根際土壤水分環(huán)境，避免了土壤養(yǎng)分因漫水灌溉造成的水分過多而產(chǎn)生的深層滲漏和無效地表蒸發(fā)，土壤過濕會導(dǎo)致土壤內(nèi)氧氣缺乏而不利于作物的生長，土壤干燥則會導(dǎo)致根系缺水也不利于作物的生長[7,11]，常規(guī)和滴灌就容易造成水分的流失，以及土層表面的無效蒸發(fā)。本研究證明，通過負壓灌溉種植紫葉生菜，耗水量比常規(guī)和滴灌節(jié)約了23.8%，水分利用效率分別提高了122.2%和70.5%，且土壤含水量的范圍處于10.3%～11.3%的范圍之內(nèi)，達到了節(jié)水高效的效果 (表3)。

3.3 負壓灌溉調(diào)控紫葉生菜根際微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)

根際土壤中存在著大量微生物，其群落結(jié)構(gòu)的改變與土壤類型、根際養(yǎng)分和土壤水分含量等有著密切的關(guān)系[8,17-18]。灌溉方式?jīng)Q定了土壤含水量的差異，水分含量過多或缺乏均能影響土壤微生物的活性和多樣性，限制作物的生長發(fā)育[17-20]。本研究發(fā)現(xiàn)，負壓灌溉處理中微生物多樣性要顯著高于常規(guī)灌溉和滴灌處理，其中滴灌處理的微生物多樣性又高于常規(guī)灌溉處理 (表4)，這主要是由于負壓灌溉能夠為作物提供適宜的水分條件，利于作物根系生理菌群的代謝活動，而常規(guī)灌溉時常處于缺乏和過澇的水分狀態(tài)之中，制約了細菌的正常生理功能[7,17,19]。

高通量測序細菌在不同的門分類上的相對豐度結(jié)果可知，不同的灌溉方式改變了細菌在門上分類的相對含量 (表5)。其中，紫葉生菜根際土壤中Proteobacteria (變形菌門) 是最主要的細菌類群，該類群的代謝活動是土壤中最主要的細菌活動[8,19-20]。負壓灌溉處理下變形菌門豐度顯著低于常規(guī)和滴灌處理 (表5)，這可能是由于變形菌門大部分是厭氧性，而負壓灌溉能保持土壤水分一致，增加了土壤的通氣性，這導(dǎo)致其含量下降[9,21-22]。Acidobacteria(酸枝菌門) 在土壤根際微生物中也屬于優(yōu)勢菌，其通常存在于營養(yǎng)相對匱乏的土壤中，而營養(yǎng)充裕的農(nóng)業(yè)耕作土壤中尤為稀少[8,22]。本研究發(fā)現(xiàn)，負壓灌溉處理的酸枝桿菌門顯著低于常規(guī)灌溉的豐度 (表5)，表明負壓灌溉處理持續(xù)為作物根際提供水分和養(yǎng)分，使其根際土壤肥力處于肥沃狀態(tài)，則其酸枝桿菌門含量較低。Actinobacteria (放線菌門) 分類下的許多屬微生物被認為是促生菌和生防菌，它能促進植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及抵抗外來生物脅迫，如鏈霉菌產(chǎn)生的抗生素對病原微生物就有抑制的作用[18,23-25]。負壓灌溉處理下顯著增加了Actinobacteria門的相對豐度 (表5)，這也可能是增加紫葉生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的因素之一。但是，根際微生物的群落是巨大的，許多的促生菌和病原微生物都能影響作物的生長，具體菌株的鑒定和功能分析，值得進一步研究。因此，本研究證明了負壓灌溉提高了紫葉生菜根際微生物的多樣性，改變了微生物群落結(jié)構(gòu)，使作物獲得健康的根際環(huán)境，從而提高了作物的生長和品質(zhì)。在今后的生產(chǎn)實踐中，有必要結(jié)合微生物群落的研究，配合適宜的供水和施肥環(huán)境，使之更利于健康的微生態(tài)環(huán)境的建立，進而提升設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

4 結(jié)論

與漫灌和滴灌相比，負壓灌溉顯著提高了紫葉生菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，減少了耗水量，土壤含水量保持在適宜的范圍內(nèi)且變異較小，提高了水分利用效率和對氮磷鉀的吸收利用。提高了根際微生物的多樣性，也改變了細菌群落結(jié)構(gòu)在門分類上的豐度。