夏皖豫 ,陳彥云,2, 柴忠良,李夢露 ,陶星安
(1.寧夏大學西北土地退化與生態(tài)恢復省部共建國家重點實驗室培育基地,寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學生命科學學院,寧夏 銀川 750021; 3.寧夏西吉縣馬鈴薯產(chǎn)業(yè)服務中心,寧夏 固原 756299)
寧夏南部山區(qū)簡稱“寧南山區(qū)”,屬于黃河中游黃土丘陵溝壑區(qū),大部分地區(qū)年降雨量在 350~400 mm, 屬半干旱地區(qū),旱作農(nóng)田占總耕地面積的90%,是典型的半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)[1]。該區(qū)域干旱少雨,蒸發(fā)強烈,水資源十分短缺,加之種植制度不合理,土壤貧瘠,造成本區(qū)域旱災嚴重[2],但該地區(qū)光照資源充足,熱量豐富,晝夜溫差大,土層深厚,土質(zhì)疏松且富含鉀素,適合馬鈴薯生長[3]。因此,為使寧南山區(qū)的農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展,引用了膜下滴灌技術(shù),提高當?shù)伛R鈴薯的品質(zhì)與產(chǎn)量。
研究表明,膜下滴灌技術(shù)能夠在作物生長發(fā)育過程中將水分及養(yǎng)分適時、適量地供給作物,使作物生長所需要的水、肥、氣、熱等條件達到優(yōu)化配置,從而提高產(chǎn)量,改善作物品質(zhì)[4]。多數(shù)學者研究發(fā)現(xiàn),膜下滴灌可減少地面蒸發(fā),減少灌溉水的深層滲漏,保持土壤肥力,能明顯提高馬鈴薯單株商品薯數(shù)和單株商品薯重,增加單位面積產(chǎn)量,提高水分利用效率,具有良好的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益[3,5-6]。
近年來,土壤酶活性作為土壤質(zhì)量的不可或缺的組成成分,在土壤物質(zhì)循環(huán)與能量轉(zhuǎn)化過程中起著極為重要的作用,受到關(guān)注[7]。孫宇婷[8]通過田間試驗發(fā)現(xiàn),膜下滴灌+液態(tài)追肥處理與其他處理相比較,能顯著提高土壤過氧化氫酶、脲酶和堿性磷酸酶活性,使土壤理化性質(zhì)得到改善。諸多學者研究發(fā)現(xiàn),覆膜滴灌技術(shù)可以提高土壤酶活性,改善土壤環(huán)境,為作物根系提供良好的生長條件[9]。本研究采用隨機區(qū)組試驗設計,研究膜下滴灌技術(shù)下旱地馬鈴薯土壤養(yǎng)分和土壤酶活性的變化,從而探究膜下滴灌對馬鈴薯的增產(chǎn)機制和對土壤肥力的影響,為探尋適宜寧南山區(qū)馬鈴薯的種植方式提供理論基礎(chǔ)。
試驗于2019年4—9月在寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市海原縣關(guān)莊鄉(xiāng)高臺村進行,試驗地位于105°28′10″N、36°13′54″E,海拔2 020 m。2019年降雨量為491.3 mm,其中馬鈴薯全育期內(nèi)降雨量為423.4 mm,年均氣溫8.21℃,試驗區(qū)土壤為黑壚土,土壤平均容重為1.356 g·cm-3,平均含水率為17.340%,試驗區(qū)土壤全磷3.235 g·kg-1、總碳23.60 g·kg-1、全氮2.65 g·kg-1、堿解氮41.08 mg·kg-1、速效磷49.005 mg·kg-1、速效鉀355.095 mg·kg-1、有機質(zhì)10.225 g·kg-1,pH值為7.76。
供試馬鈴薯品種為冀張薯12號原原種。采用聚乙烯農(nóng)用地面覆蓋地膜進行覆蓋,寬度為1 000 mm,厚0.012 mm。采用非復合型內(nèi)鑲貼片式滴灌帶。試驗處理采用隨機區(qū)組設計,4個處理為覆膜不滴灌(T1)、滴灌不覆膜(T2)、膜下滴灌(T3)、不覆膜不滴灌(CK), 各處理重復4次,共16個小區(qū),小區(qū)面積為40 m2(10 m×4 m),株距45 cm,行距55 cm,壟距80 cm,播深25 cm。試驗田四周種植4行馬鈴薯作為保護行。肥料為控釋肥0.06 kg·m-2(N-P-K:29-14-8)和生物有機肥0.06 kg·m-2(N-P-K:12-6-8),作為底肥一次性施入,后期不追肥,起壟、覆膜以及鋪滴灌帶一次性機械化作業(yè)。7月15日和7月29日各防晚疫病一次,其他田間管理均與當?shù)剞r(nóng)民一致。4月25日播種,9月16日收獲。出苗后于每月的15日進行灌溉,從集雨窖中抽取相應滴灌量的水量進行滴灌,分別于5月15日滴灌9.375 mm、6月15日滴灌28.125 mm、7月15日滴灌46.875 mm、8月15日滴灌46.875 mm。土壤樣采集時間為5月29日(發(fā)芽期)、6月29日(幼苗期)、7月29日(塊莖形成期)、8月27日(塊莖膨大期)和9月15日(成熟期),每個小區(qū)以S取樣法在耕作層(0~20、20~40 cm)取土樣,采集12個小區(qū)土壤樣品,裝入無菌袋中,一部分土樣風干后過2 mm篩用于土壤養(yǎng)分的測定,一部分鮮土過2 mm篩后4℃保存,用于土壤酶活性測定。
土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀—濃硫酸外加熱法,全磷用酸溶鉬銻抗比色法,速效鉀用醋酸銨提取—火焰光度法,堿解氮用擴散法,速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定[10]。全氮、總碳用Vario EL Ⅲ型元素分析儀測定[11]。脲酶用靛酚藍比色法測定,以24 h后1 g土壤NH3-N的毫克數(shù)表示;土壤堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法,以1 h后1 g土壤中對硝基苯酚的毫克數(shù)表示;轉(zhuǎn)化酶用3,5-二硝基水楊酸比色法,以24 h后1 g土壤葡萄糖的毫克數(shù)表示;纖維素酶用3,5-二硝基水楊酸比色法,以72 h后1 g土壤葡萄糖的毫克數(shù)表示[12]。

表1 馬鈴薯成熟期土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physical and chemical properties during potato maturity
采用Microsoft excel 2016作圖,采用SPSS 22.0數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)處理。同一生育期內(nèi)不同處理及不同土層各指標的差異性檢驗用SPSS 22.0中的單因素方差分析(LSD),利用Pearson相關(guān)分析研究土壤理化性質(zhì)、產(chǎn)量和酶活性之間的相關(guān)性。
不同處理下土壤全磷、速效磷、速效鉀、全氮、堿解氮、總碳和有機質(zhì)指標均表現(xiàn)為0~20 cm土層大于20~40 cm土層。在成熟期0~20 cm土層中,速效磷和速效鉀含量均表現(xiàn)為T1、CK與T2、T3之間差異性顯著(P<0.05);速效鉀含量T3與T1、T2之間差異性顯著(P<0.05);全氮含量T1與T2、T3、CK處理之間差異性顯著(P<0.05);全磷、堿解氮、總碳和有機質(zhì)含量各處理之間均無差異性(P>0.05)。20~40 cm土層中,速效磷含量T1、CK與T2、T3之間差異性顯著(P<0.05);速效鉀T3與T2處理之間差異性顯著(P<0.05);堿解氮含量T1、T2、T3與CK處理之間差異性顯著(P<0.05);全磷和有機質(zhì)含量各處理之間均無顯著差異(P>0.05);全氮T2與T1和CK處理之間差異性顯著(P<0.05),且與T3無顯著差異(P>0.05);總碳T3、T2與T1處理差異性顯著(P<0.05),與CK處理差異不顯著(P>0.05)。
從圖1和圖2中可以看出,在馬鈴薯整個生長周期中,土壤脲酶活性呈升高-降低-升高的動態(tài)變化,0~20 cm土層和20~40 cm土層中土壤酶活性均在幼苗期達到最高值,在塊莖形成期迅速降低,在塊莖膨大期和成熟期酶活性逐漸增強。0~20 cm土層中,發(fā)芽期T1、T2和T3處理土壤脲酶活性比CK處理分別增加了39.57%、52.31%和69.37%,且T2和T3處理與CK處理差異達到了顯著水平(P<0.05);塊莖形成期T3處理土壤脲酶活性比CK處理增加了27.05%,差異達到顯著水平(P<0.05);塊莖膨大期和成熟期,T2、T3處理土壤脲酶活性均高于CK處理,且塊莖膨大期T2、T3與CK處理差異均達到顯著水平 (P<0.05),成熟期T3處理與T1、T2和CK處理之間差異性顯著(P<0.05)。20~40 cm土層中,T1、T2和T3處理土壤脲酶活性較CK處理有不同程度提升。發(fā)芽期T3處理與T1、T2和CK處理之間差異性顯著(P<0.05);塊莖形成期T1處理與CK處理之間差異性顯著(P<0.05);塊莖膨大期T3處理土壤脲酶活性比CK處理增加了17.07%,差異達到了顯著水平(P<0.05)。
從圖3和圖4可以看出,在馬鈴薯全生育期內(nèi),0~20 cm和20~40 cm土層間各處理土壤堿性磷酸酶在塊莖形成期達到峰值,在塊莖膨大期降低,在成熟期活性上升。T1、T2與CK處理的土壤堿性磷酸酶活性呈現(xiàn)出升高-降低-升高的動態(tài)變化;T3則呈現(xiàn)出降低-上升-降低-上升的變化趨勢。在生育期內(nèi),各土層T1、T2和T3處理土壤堿性磷酸酶活性較CK處理有不同程度升高。0~20 cm土層中,塊莖膨大期T1和T2處理與CK處理差異達到了顯著水平(P<0.05);成熟期T1、T2和T3處理與CK處理差異達到了顯著水平(P<0.05)。20~40 cm土層中,發(fā)芽期T3處理酶活性高于其他處理,且與T1達到差異性顯著(P<0.05);塊莖膨大期T2和T3處理與CK處理差異達到了顯著水平(P<0.05)。
由圖5和圖6可以看出,在馬鈴薯整個生長周期內(nèi),土壤轉(zhuǎn)化酶在0~20 cm土層中,各處理在發(fā)芽期、幼苗期和塊莖形成期酶活性波動不大,在塊莖膨大期和成熟期轉(zhuǎn)化酶活性下降。在20~40 cm土層中,土壤轉(zhuǎn)化酶呈現(xiàn)出下降-上升-下降的變化趨勢。在生育期內(nèi),各土層T1、T2和T3處理土壤轉(zhuǎn)化酶活性較CK處理有不同程度升高。0~20 cm土層中,幼苗期T3處理與CK處理差異達顯著水平(P<0.05);塊莖膨大期T3處理顯著高于T2與CK處理(P<0.05),與T1無顯著性差異(P>0.05)。20~40 cm土層中,發(fā)芽期T3處理顯著高于T1處理(P<0.05),且與T2、CK處理無顯著差異(P>0.05);幼苗期T1與T2、CK處理之間差異性顯著(P<0.05),與T3處理無顯著性差異(P>0.05);成熟期T2、T3與T1、CK處理間差異性達到顯著水平(P<0.05)。
由圖7和圖8可以看出,在馬鈴薯整個生長周期內(nèi),在0~20 cm土層中,土壤纖維素酶除T3在塊莖膨大期達到峰值,其余各處理在塊莖形成期達到峰值;在20~40 cm土層中, 除T1在塊莖形成期達到峰值,各處理均在塊莖膨大期達到峰值,各土層土壤轉(zhuǎn)化酶呈現(xiàn)出上升-下降的變化趨勢。在生育期內(nèi),各土層T1、T2和T3處理土壤纖維素酶活性較CK處理有不同程度升高。0~20 cm土層中,發(fā)芽期T1與T2之間差異性顯著(P<0.05);塊莖形成期T2、T3與T1、CK處理之間差異性顯著(P<0.05);塊莖膨大期T1與T2、T3、CK處理之間差異性顯著(P<0.05)。20~40 cm土層內(nèi),發(fā)芽期T2與T3、CK處理差異性顯著(P<0.05);幼苗期T2與T3處理間、T3與CK處理間差異性顯著(P<0.05);塊莖膨大期T1與T2、T3、CK處理間,T2與T3處理間差異性顯著(P<0.05);成熟期T1、T2、T3與CK處理間差異性顯著(P<0.05)。
由圖9可知,T1、T2、T3和CK處理馬鈴薯產(chǎn)量分別為23.11、27.11、36.24 t·hm-2和17.43 t·hm-2。T1、T2、T3處理馬鈴薯產(chǎn)量均顯著高于CK處理(P<0.05),T3處理顯著高于T1和T2處理(P<0.05)。與CK處理相比,T1、T2和T3處理增產(chǎn)率分別為32.56%、55.55%和107.90%。
如表2所示,土壤轉(zhuǎn)化酶與土壤脲酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05);土壤堿性磷酸酶與土壤轉(zhuǎn)化酶、全磷、速效磷、堿解氮和總碳呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.05);土壤轉(zhuǎn)化酶與堿解氮、有機質(zhì)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與全磷呈顯著正相關(guān)(P<0.05);纖維素酶與有機質(zhì)呈顯著負相關(guān)(P<0.01),與速效磷、速效鉀呈正相關(guān);產(chǎn)量與速效磷、有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與堿解氮、速效鉀呈正相關(guān);全磷與速效磷、有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.05);速效磷與總碳呈極顯著性正相關(guān)(P<0.01);堿解氮與有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表2 馬鈴薯塊莖成熟期土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)以及產(chǎn)量相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of soil enzyme activity,soil physicochemical properties and yield in mature stage
土壤養(yǎng)分是作物生長發(fā)育各階段所必須的營養(yǎng)元素,是土壤肥力高低的決定性因素[13-14]。本研究結(jié)果表明,T3處理可以增加土壤速效鉀、有機質(zhì)與堿解氮;T2處理可以增加有機質(zhì)和堿解氮;T1處理可以增加有機質(zhì)、堿解氮、全氮和總碳的含量。吳曉紅等[15]研究表明,在施肥量和施肥種類相同,均用復合肥1 500 kg·hm-2的條件下,采用滴灌方式更能促進馬鈴薯的生長和肥料利用率的提高,使土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化效率提高。尹松旭[16]研究發(fā)現(xiàn),膜下滴灌處理能夠?qū)ν寥浪疁仄鸬椒e極調(diào)節(jié)作用,能夠在作物需要水分及養(yǎng)分的關(guān)鍵生育時期,適時、適量地提供水分及養(yǎng)分,有利于作物和土壤微生物生長發(fā)育。滴灌可以使土壤中的緩釋肥釋放的養(yǎng)分到達作物根部,提高了作物對養(yǎng)分的吸收,也提高了肥料利用效率,且膜下滴灌處理>露地滴灌處理[17-19]。這與本研究結(jié)果一致,膜下滴灌可以增強土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化,使土壤中速效鉀、有機質(zhì)與堿解氮含量提高。
土壤酶主要是由土壤微生物生命活動和植物根系產(chǎn)生,是土壤的組成部分之一,數(shù)量雖少,但作用很大,在土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化過程中起主要的催化作用[20],也是評價土壤養(yǎng)分有效性的敏感指標[21]。研究表明,土壤酶作為催化土壤中各種生理生化反應的重要參與者,受到諸多因素影響,如種植方式、微生物的種類數(shù)量、土壤水熱條件和植被組成以及根系生長所分泌的物質(zhì)等[22]。膜下滴灌、滴灌不覆膜和覆膜不滴灌3種不同的種植方式,可以改善田間小氣候,引起土壤局部環(huán)境內(nèi)的水氣熱狀況和土壤酶促生化過程發(fā)生變化,從而對土壤酶種類和活性產(chǎn)生不同程度直接或間接的影響[23]。
土壤脲酶是土壤中氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶,參與尿素的水解,其活性反應出土壤對酰胺態(tài)氮的轉(zhuǎn)化能力和土壤中無機氮的供應能力,也間接反映出土壤的生產(chǎn)力[24]。本研究表明,0~20 cm土層中,除了幼苗期,T3處理脲酶活性均高于其他處理,T2處理脲酶活性高于T1處理,20~40 cm土層中,發(fā)芽期和塊莖膨大期T3處理脲酶活性顯著高于其他處理,說明滴灌種植比覆膜種植更有利于提高土壤脲酶活性,而膜下滴灌使土壤保水力增強,比T1、T2和CK處理更有利于提高土壤脲酸活性,這與尹松旭[16]和任嬌[25]的研究結(jié)果相似。
土壤堿性磷酸酶可以催化磷酸酯或者磷酸酐水解,使土壤有機磷礦化,有助于作物對磷的吸收,其活性的高低直接影響土壤有機磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性[21,26]。本研究中,發(fā)芽期內(nèi)T3處理堿性磷酸酶活性高于其他處理;在塊莖膨大期和成熟期,0~20 cm土層,T1、T2和T3處理酶活性均高于CK處理;20~40 cm土層中,酶活性變化無規(guī)律性。說明了覆膜不滴灌、滴灌不覆膜和膜下滴灌種植與對照處理相比,可以增強土壤堿性磷酸酶的活性,使植物吸收磷的能力加強,但膜下滴灌效果更明顯,這與前人[27]研究一致。本研究中,T3處理在成熟期相較于T1和T2處理酶活性有所下降,可能由于氣候原因和作物成熟根系分泌物減少,土壤微環(huán)境的改變,使土壤中的酶活性下降,這與趙曉東等[26]研究結(jié)論相似。
土壤轉(zhuǎn)化酶參與作物糖分的運輸貯藏、碳水化合物的代謝過程,是作物生長發(fā)育的關(guān)鍵酶[24]。研究表明,0~20 cm土層中,除幼苗期外,各處理差異不明顯,幼苗期T3處理酶活性高于T1、T2和CK,塊莖膨大期和成熟期,T1、T2和T3處理酶活性均不同程度高于CK處理;20~40 cm土層幼苗期和成熟期中T1、T2、T3處理酶活性高于CK處理。說明覆膜、滴灌和膜下滴灌的種植方式可以增加土壤轉(zhuǎn)化酶活性,但在發(fā)芽期和塊莖膨大期,轉(zhuǎn)化酶活性在不同土層中各處理活性強度不同,可能與土壤中的水分、溫度和土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化有關(guān),使土壤酶的活性變化規(guī)律復雜化,這與朱同彬等[28]研究結(jié)果一致。
土壤纖維素酶的來源是土壤中植物殘體,以及細菌和真菌[29],在生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)碳循環(huán)中起重要作用[30]。本研究表明,不同土層土壤纖維素酶活性呈現(xiàn)出先上升后降低的趨勢,說明纖維素酶活性受季節(jié)性影響,氣溫與酶活性呈現(xiàn)正相關(guān)變化趨勢[31]。傅慧蘭等[32]研究表明,大豆結(jié)莢期酶活性高于播期、成熟期原因可能與連作大豆殘體積累和連作根系分泌物的產(chǎn)生、積累有關(guān)。由于播種期不產(chǎn)生分泌物和成熟期根分泌物大量減少,土壤呈堿性,也說明這兩個時期的環(huán)境和營養(yǎng)條件都不利于纖維分解菌的繁殖、活動,使酶活性下降,這與本研究結(jié)果類似。本研究中各處理間酶活性變化規(guī)律不強,具體原因還待進一步研究。
土壤酶之間的相關(guān)性表明,土壤酶不僅具有專一性,同時還具有共性。本研究表明,土壤轉(zhuǎn)化酶與脲酶和堿性磷酸酶相關(guān)性達到了顯著水平(P<0.05)、極顯著水平(P<0.01),這個結(jié)果與范君華等[33]研究結(jié)果一致。張雅茜等[34]研究表明,3種水解酶(轉(zhuǎn)化酶、脲酶、酸性磷酸酶)在促進土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化及參與土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量交換中,不僅顯示其專有特性,同時還存在著共性關(guān)系,共同影響著土壤肥力的改善。萬忠梅等[35]研究表明,酶的專性作用反映了土壤中與某類酶相關(guān)的有機化合物的轉(zhuǎn)化過程,而有共性關(guān)系酶的總體活性在一定程度上反映土壤的營養(yǎng)狀況。土壤中有機質(zhì)和土壤酶(堿性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶)的相關(guān)性比較高,堿性磷酸酶與速效磷,總碳和堿解氮呈現(xiàn)正相關(guān)性,堿解氮也與轉(zhuǎn)化酶和堿性磷酸酶呈現(xiàn)正相關(guān)性,以上且均達到顯著水平或極顯著水平,說明這幾種酶活性越高,土壤有效養(yǎng)分含量越高,這些有共性的酶,其總體活性在某種程度上反映土壤肥力水平的高低[33],這與張德喜等[36]、崔雯雯等[37]研究結(jié)果相似。
土壤中的養(yǎng)分、酶和微生物等都是植物生長發(fā)育中不可或缺的因素[38],只有在各因素相互協(xié)同作用下作物的品質(zhì)和產(chǎn)量才能得到提升。本研究中,T1、T2和T3處理的增產(chǎn)率為32.56%、55.55%和107.90%。產(chǎn)量與酶活性相關(guān)性不顯著,與土壤養(yǎng)分(有機質(zhì)、速效磷)有顯著相關(guān)性[39-40],隋躍宇等[41]和高瑞等[42]研究表明,酶活性與土壤養(yǎng)分存在顯著差異,作物產(chǎn)量和土壤酶活性顯著相關(guān)。楊麗娟等[43]和周禮愷[44]研究認為,在用土壤酶活性表征土壤肥力和生產(chǎn)力水平時,需考慮到不同因素的復雜性,其他肥力因素一定程度也影響作用效果。可見,膜下滴灌下土壤養(yǎng)分、酶活性與作物產(chǎn)量有著非常緊密的聯(lián)系。
寧南山區(qū)膜下滴灌對馬鈴薯土壤酶活性、土壤養(yǎng)分及產(chǎn)量影響的試驗表明,覆膜不滴灌、滴灌不覆膜和膜下滴灌種植處理提高了馬鈴薯的產(chǎn)量,其增產(chǎn)率分別為32.56%、55.55%和107.90%。滴灌可以改善土壤微生態(tài)環(huán)境,使土壤養(yǎng)分循環(huán)能力提高,土壤速效鉀、有機質(zhì)和堿解氮升高,覆膜可以使有機質(zhì)、堿解氮、全氮和總碳的含量提高。膜下滴灌在馬鈴薯生育期內(nèi)可顯著提高土壤脲酶、堿性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶和纖維素酶活性,滴灌不覆膜和覆膜不滴灌在馬鈴薯生育期內(nèi)也可顯著提高這4種酶活性,但膜下滴灌處理更顯著。土壤養(yǎng)分與馬鈴薯產(chǎn)量關(guān)系密切,土壤酶活性與養(yǎng)分之間有顯著相關(guān)性。綜上,膜下滴灌可以改善寧南山區(qū)馬鈴薯耕地土壤微生態(tài)環(huán)境,提高土壤酶活性,改善土壤養(yǎng)分循環(huán)能力,增加產(chǎn)量,是干旱半干區(qū)馬鈴薯旱作節(jié)水栽培的有效措施之一。