戈壁日光溫室內土壤改良對番木瓜生理變化的影響

李寬瑩，張 坤，王 瑋，楊芳芳，王曉輝，丁 海，楊懷峰

（1.甘肅省農業科學院 林果花卉研究所，甘肅 蘭州 730070；2.嘉峪關市新城鎮農業綜合服務中心，甘肅 嘉峪關 735106；3.酒泉市榮鑫農民種植專業合作社，甘肅 酒泉 735011；4.嘉峪關市文殊鎮農業綜合服務中心，甘肅 嘉峪關 735104）

番木瓜是熱帶與亞熱帶地區廣泛種植的果樹之一[1]，其果品富含維生素A、維生素C，肉質軟滑，香甜可口，位居營養最佳的十種水果之首[2]，有“嶺南果王”的美稱，番木瓜的需求量逐年增加[3]。番木瓜易栽培、生長快、結果早，是休閑采摘和果園觀光旅游的首選，在我國北方的北京、山東、寧夏等地將其作為城市近郊設施栽培果樹，有著廣闊的發展前景[4]。

南方水果在北方市場廣為消費者喜愛，保護地栽培技術的發展有效實現了南果北移[5]，火龍果[6]、柚子[7]、番木瓜[8]、香蕉[9]等果樹的北移已有成熟的栽培技術規程。河西走廊地區屬典型的戈壁沙漠氣候，干燥少雨、晝夜溫差大，土壤肥力差、有機質含量低、高堿性[10-11]。其中，土壤堿性高已成為限制南方果樹在西北地區栽培的主要環境因素，甘肅省河西走廊地區土壤pH均在8.5左右，而番木瓜最適宜的土壤為pH 6.0～6.5的偏酸性土壤。在14個桂花樹種北栽試驗中，李乾明等[12]采用澆灌醋水的方法進行堿性土壤改良。從懷軍等[13]通過施用有機肥、秸稈等改善黃土高原區土壤的養分狀況。有研究結果表明，在不同灌溉條件下（膜下溝灌和膜下滴灌）可以通過施肥、增施土壤改良劑和添加秸稈對日光溫室土壤的生態環境進行改善[14]。季立榮等[15]通過撒施硫酸鉀、葉面噴施磷酸二氫鉀有機復合微肥、交替施用復合肥與尿素，提高了土壤肥力，保證了番木瓜的正常生長。有關干旱荒漠地區日光溫室栽培條件下土壤改良對番木瓜生理變化影響的研究鮮見報道。

本試驗在干旱荒漠地區的日光溫室內進行，通過采取不同土壤處理措施，測定番木瓜葉片和根系的酶活性、葉片熒光參數等生理指標，以及土壤速效磷、有效鐵含量，研究不同改良方式對番木瓜及土壤的影響，篩選最佳的處理方式，以期為干旱荒漠區番木瓜的日光溫室栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在甘肅省嘉峪關市新城鎮野麻灣農業園區（98o22′E，39o55′N）進行。該地為戈壁灘，海拔1 494 m。嘉峪關市屬溫帶大陸性荒漠氣候，年均氣溫6.7～7.7 ℃，年日照3 000.2 h。年均降水量85.3 mm，蒸發量2 149 mm，全年無霜期130 d。土壤有機質含量1.35%，全氮含量0.076%，全磷含量0.156%，1 m深土壤pH 8.62，灌溉水pH 8.2。

試驗用日光溫室為半圓拱形鋼結構日光溫室，無立柱，脊高4.5 m，長64 m，跨度9 m，后墻、山墻厚2 m，均為內外磚墻中間填加戈壁沙土。日光溫室內配備電加溫設備、滴灌設備，在溫室上部設微噴灌，既可澆水也可加濕。

1.2 試驗材料

試驗材料為引自福建省農業科學院果樹研究所的5年生馬來西亞10號番木瓜。

1.3 試驗設計

設置“酸性水”和“肥+酸性水”共2種處理。單用“酸性水”灌水處理，4—8月灌水（酸性水，使用草酸調節pH）5次，pH設4、5、6共3個水平，編號分別為pH4、pH5、pH6，每次每株灌水30 kg。“肥+酸性水”處理，先分別施入50 g KH2PO4（A）、100 g KH2PO4（B）、150 g KH2PO4（C）、200 g KH2PO4（D）、100 g翠 姆氨基酸（E）、1 000 g生物菌肥（F），施入深度均為30 cm，再用酸性水（pH=5）灌溉。

各處理的灌水量和灌溉時間一致，并均以等量清水澆灌的植株作為對照（CK）。株行距為3.0 m×2.5 m，單株小區，重復3次，處理間隨機排列，不同水平處理間使用薄膜隔開。7月中旬果實采摘結束后，對土壤和植株進行取樣，并進行指標測定。

1.4 指標測定

1.4.1 植株生理指標

采集番木瓜成熟葉片中部的葉肉組織和根系（10～30 cm土層）。準確稱取葉肉組織或根系0.1 g，使用ELISA檢測試劑盒、酶標儀測定其過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性，同時測定根系的丙二醛含量（MDA），重復3次。

1.4.2 植株熒光參數

選取向陽處枝條上成熟葉片，使用英國Hansatech公司生產的Handy PEA植物效率分析儀，分別在9:00和11:00測定初始熒光（Fo）、最大熒光產量（Fm）、最大光能轉化效率（Fv/Fm）、以吸收光能為基礎的性能指數（PIabs），每指標3個重復。

1.4.3 土壤化學指標

測定熒光參數的同時，采集土壤樣品，土層深度分別為0～20、20～40 cm。使用上海雷茲公司生產的pHB-4型土壤pH檢測儀測定土壤pH，采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定土壤速效磷含量[16]，采用原子吸收光譜法測定有效鐵含量[17]。

1.5 數據分析

使用Excel 2016軟件進行數據處理和作圖，使用SPSS 22.0軟件進行方差分析、多重比較（LSD法）和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同土壤處理措施對番木瓜葉片和根系生理指標的影響

2.1.1 對番木瓜葉片和根系抗氧化酶活性的影響

不同土壤處理措施對番木瓜葉片和根系抗氧化酶活性的影響如圖1所示。由圖1可見，不同處理下番木瓜葉片、根系的POD活性的變化趨勢均相同，且“肥+酸性水”處理后葉片和根系的POD活性顯著高于CK和各“酸性水”處理。“酸性水”處理下，隨著灌溉水pH的增加，根系和葉片的POD活性逐漸降低。各“肥+酸性水”處理中，處理D的POD活性最高，根和葉的POD活性分別為81.13、78.54 ng/g，分別是CK的1.47、1.58倍。不同處理組的番木瓜根系和葉片的SOD、CAT活性變化與POD活性變化趨勢基本一致。

圖1 不同土壤處理措施對番木瓜葉片和根系抗氧化酶活性的影響Fig.1 Effects of different soil treatment measures on antioxidant enzymes activities in leaves and roots of papaya

2.1.2 對番木瓜根系MDA含量的影響

不同土壤處理措施對番木瓜根系MDA含量的影響如圖2所示。由圖2可見，“酸性水”處理下，隨著灌溉水pH升高，根系MDA含量逐漸升高，即使用pH為6的灌溉水處理時最高，為114.57 nmol/g，與CK差異不顯著，但二者顯著高于使用pH為4和5的灌溉水處理。各“肥+酸性水”處理的根系MDA含量顯著低于CK和各“酸性水”處理，使用KH2PO4處理的根系MDA含量均顯著低于使用有機肥處理。

圖2 不同土壤處理措施對番木瓜根系丙二醛含量的影響Fig.2 Effects of different soil treatment measures on MDA content of papaya root

2.2 不同土壤處理措施對番木瓜葉片熒光參數和葉綠素含量的影響

不同處理對番木瓜葉片葉綠素熒光參數的影響如圖3所示。

如圖3所示，在9:00，不同處理間葉片Fo值均無顯著差異。在11:00，其值隨灌溉水pH的增加而增加，且pH4處理的Fo值（303.33）顯著低于pH5和pH6處理組；A、B、C、D、E和F處理組的Fo值均顯著低于CK、pH5和pH6處理組。

如圖3所示，在9:00和11:00，CK、A和B處理的Fv/Fm值顯著低于其他處理，pH4、pH5、pH6、C、D、E和F處理組的Fv/Fm值無顯著差異。

如圖3所示，在9:00，CK的Fm值顯著低于其他處理，處理D的Fm最高，是CK的1.40倍，同時“肥+酸性水”處理組的Fm均高于“酸性水”處理組。在11:00，CK、pH4、pH5和pH6處理組的Fm值之間無顯著性差異，“肥+酸性水”處理組的Fm值顯著高于CK和“酸性水”處理，其中D處理組的Fm值最高（2 489.01），是CK的1.24倍。

如圖3所示，在9:00，CK的PIabs顯著低于其他處理，其他處理之間無顯著差異。在11:00，處理C、D、E和F的PIabs顯著高于其他處理，其中處理D最高（6.89），是CK的1.66倍；pH4處理的PIabs顯著高于pH5、pH6處理和CK，比CK高50.88%，pH5和pH6處理間無顯著差異。

如圖3所示，不同處理下，番木瓜葉片葉綠素含量均顯著高于對照組。在“酸性水”處理中，隨著灌溉水pH的增加，葉綠素含量逐漸降低。在“肥＋酸性水”處理中，隨著KH2PO4質量的增加，葉片葉綠素含量逐漸升高，且在處理D中葉綠素含量最高（7 194.95 μg/g），是CK的2.09倍。處理B、C和D的葉片葉綠素含量高于處理E和F。處理E和F的葉綠素含量顯著高于CK，分別比CK高1.75、1.71倍。

圖3 不同土壤處理措施對番木瓜葉片熒光參數和葉綠素含量的影響Fig.3 Effect of different soil treatment measures on fluorescence parameters and chlorophyll content of papaya leaves

2.3 不同土壤處理措施對土壤化學指標的影響

不同土壤處理對土壤速效磷和有效鐵含量的影響如圖4所示。由圖4可見，在20和40 cm土層，隨著灌溉水pH的增加，土壤速效磷含量降低，pH6處理的含量均為最低。各“酸性水”處理，在20 cm土層的速效磷含量均高于40 cm土層。在A、C、E、F處理組，在40 cm土層的速效磷含量高于20 cm土層，且處理E的速效磷含量最高（752.00 mg/kg），比CK高16.22%。在20 cm土層，處理A的有效鐵含量最低（0.43 mg/g），比CK低89.58%，CK的土壤有效鐵含量均顯著低于其他各處理組。在40 cm土層，處理B的有效鐵含量最高，為3.69 mg/g，比CK高7.32%，處理F的有效鐵含量最低，為0.57 mg/g，比對照低83.32%。

不同土壤處理對不同深度土層pH的影響如圖4所示。由圖4可見，隨著土壤深度的增加，土壤pH逐漸增大。在20 cm土層，“肥+酸性水”處理組的土壤pH均顯著低于CK和“酸性水”處理。在40 cm土層，CK和pH6處理的土壤pH顯著高于其他處理，處理D的最低，為8.54。

圖4 不同土壤處理措施對土壤化學指標的影響Fig.4 Effects of soil available iron and available phosphorus content under different soil treatments

2.4 不同土壤處理措施對土壤和番木瓜影響的綜合評價

對不同處理措施下土壤、番木瓜葉片和根系的13個指標進行主成分分析，提取特征值大于1的3個主成分，結果見表1。各主成分的特征值分別為9.370、3.209、1.548，累積方差貢獻率達到88.292%，可反映大部分信息。第1主成分綜合了番木瓜葉片葉綠素含量、Fo、Fm、PIabs和根系MDA含量以及二者的POD、SOD、CAT活性等指標的信息。第2主成分綜合了20、40 cm土層的速效磷含量和20 cm土層的有效鐵含量、葉片Fv/Fm指標的信息。第3主成分綜合了40 cm土層的有效鐵含量指標的信息。

表1 不同土壤處理措施對土壤和番木瓜影響的主成分分析結果Table 1 Rotated component matrix of principal component analysis

用3個主成分對不同土壤處理下土壤和番木瓜葉片及根系的指標進行綜合評價，結果見表2。由表2可知，對照組的綜合得分最低。隨著酸性水pH的增加，其綜合得分逐漸升高，同時隨著施入磷酸鹽質量的增加，綜合得分也升高，且處理D[施用K2HPO4（200 g）+灌溉酸性水（pH=5）]的綜合得分最高，說明此處理能更好地改良土壤，對番木瓜生長的促進效果最佳。各土壤處理措施的綜合得分由高到低排序依次為處理D[施用K2HPO4（200 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、處理C[施用K2HPO4（150 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、處理E[施用翠姆氨基酸（100 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、處 理B[施 用K2HPO4（100 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、處理F[施用生物菌肥（1 000 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、處理pH4[灌溉酸性水（pH=4）]、處理A[施用K2HPO4（50 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、處理pH5[灌溉酸性水（pH=5）]、處理pH6[灌溉酸性水（pH=6）]、CK。

表2 不同改良方式的主成分因子得分、綜合得分及排序?Table 2 Factor scores, comprehensive scores and sorting of principal components of various methods for improvements

3 結論與討論

通過研究多個單項指標的變化來分析不同方法對于番木瓜和土壤的影響，其評價結果存在片面性。采用主成分分析法進行評價，能夠在保證不損失原有信息的前提下，綜合所有相關指標，對各種土壤改良方法的影響進行客觀全面評價[18-19]。根據主成分分析結果，本研究中各土壤處理措施的綜合得分由高到低排序依次為處理D[施用K2HPO4（200 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、處理C[施用K2HPO4（150 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、處理E[施用翠姆氨基酸（100 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、處理B[施用K2HPO4（100 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、處理F[施用生物菌肥（1 000 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、處理pH4[灌溉酸性水（pH=4）]、處理A[施用K2HPO4（50 g）+灌溉酸性水（pH=5）]、處理pH5[灌溉酸性水（pH=5）]、處理pH6[灌溉酸性水（pH=6）]、CK。因此，在戈壁灘設施內栽培番木瓜時，使用K2HPO4處理的效果較好，其中施用K2HPO4（200 g）+灌溉酸性水（pH=5）處理的效果最佳，可有效改善高堿性土壤，促進番木瓜的生長。

設施農業以其節地省水、聚能高產的特征區別于傳統農業的生產模式[20]。設施果樹更以其技術高新集成、果品高端高效等特色在現代設施農業產業中有著廣闊的市場前景。南方果樹在北方戈壁灘地區的日光溫室內種植可成為南果北種的亮點[21]。土壤的酸堿性影響果樹根系對營養成分的吸收和利用，適宜的土壤酸堿性可以避免許多營養元素的缺乏和毒害作用[22-23]。本試驗中使用不同pH的酸性水處理后，土壤深度為40 cm時，使用pH為4的酸性水處理的土壤pH最低，此處理有效降低了該土層的pH，而番木瓜根系主要集中在40 cm土層，能有效緩解高堿性土壤對番木瓜根系的傷害。MDA能強烈地與細胞內各種成分發生反應，引起酶和膜脂的損傷，導致膜結構和生理機能的破壞，其含量是反映細胞膜脂過氧化作用強度和質膜損傷程度的重要指標[24]。在本試驗中，隨著處理酸度的升高，番木瓜根系MDA含量逐漸升高，表明單一酸性水處理，對番木瓜根細胞的膜結構有一定損傷，且處理pH6與對照的膜結構損傷程度相同，并未起到改良作用。施用磷酸鹽、生物菌肥和有機肥處理的番木瓜根系MDA含量顯著低于對照和單一酸性水處理，同時施用磷酸鹽處理的根系MDA含量低于施用翠姆氨基酸和生物菌肥處理，此結果表明各改良方式能有效降低高堿性土壤對番木瓜根系的脅迫傷害，促進植株的健康生長，緩解膜系統的損傷程度，這與宋計平等[25]的研究結果一致。施用K2HPO4（200 g）+灌溉酸性水（pH=5）處理的番木瓜根系MDA含量最低，可見其對堿性土壤的改良效果最佳。

土壤對微量元素的正常吸收能有效促進植株的生長結果[26]。在本試驗中，不同土壤深度下有效鐵和速效磷含量的變化不盡相同。隨著灌溉水酸度的增加，土壤速效磷的含量降低，各pH水平酸性水處理下，20 cm土層的速效磷含量均高于40 cm土層。施用K2HPO4（50 g）、K2HPO4（150 g）、翠姆氨基酸、生物菌肥處理中，40 cm土層的速效磷含量高于20 cm土層，其中施用翠姆氨基酸處理的速效磷含量最高，表明單一酸性水處理改善了表層土，添加了磷酸鹽和有機肥后，改善了40 cm深的土壤，有利于番木瓜根系對磷的吸收，促進機體內蛋白質、脂肪、核酸等多種化合物的合成，有利于信息遺傳和表達及新陳代謝[27]。同時僅灌溉酸性水（pH=5）處理的土壤速效磷含量與各施用磷酸二氫鉀處理無顯著差異，這可能是由于磷肥速溶于土壤[28]，土壤中速效磷的含量增加，迅速改良土壤，使得番木瓜對速效磷的吸收趨于正常。有研究結果表明，高堿性會使得植物生長介質中的Fe離子沉淀從而失去有效性[29]。施用磷酸鹽、翠姆氨基酸和生物菌肥處理的土壤速效鐵含量均低于對照組，這可能是由于不同土壤改良方式保持土壤中Fe離子的有效性，使得植株正常吸收Fe離子，保證葉綠素合成的正常進行，從而使得其含量低于對照組。其中，施用生物菌肥處理的土壤有效鐵含量最低，表明此處理可能對番木瓜吸收鐵離子的改良效果最佳。

葉綠素熒光參數可表征植物PSⅡ的運行狀態[30]，同時根據葉綠素熒光參數可以探測植物光合生理狀況及外界因子對植物體的細微影響[31]。在本試驗中，處理組pH4的F0在9:00和11:00時低于pH5和pH6處理組，表明番木瓜葉片的F0對各pH水平酸性水處理有著不同的響應。對照組的Fm高于處理組，各處理組之間無顯著差異，可知該指標對不同pH水平酸性水處理的響應不明顯。表明單一酸性水處理后，可改善木瓜栽培土壤的酸堿度，提高番木瓜的適應性[32]。Fv/Fm降低反映植物葉片PSⅡ受到光抑制[33]。在本試驗中，對照組和處理組的Fv/Fm均無顯著差異，表明各pH水平酸性水處理未對番木瓜造成脅迫傷害，所選取的pH在適宜的范圍內。性能指數PIabs是以吸收光能為基礎的光合性能指數，反映了光合機構的活性，也是反映光合系統受到環境影響的最敏感的參數[34]。在本試驗中，在11:00時，pH4、pH5和pH6處理的PIabs均無顯著差異，在9:00時，pH4處理的PIabs高于pH5和pH6處理，說明在9:00時此處理能顯著提高番木瓜葉片PSⅡ放氧復合體（OEC）的活性，促進植株光合作用的進行，保證植株獲得充足的物質和能量[35]。

葉綠素為植物進行光合作用所必需，主要參與光能的吸收、傳遞以及能量轉換[36]。各處理中番木瓜葉片的葉綠素含量均顯著高于對照組，表明各土壤改良方式均有效促進了番木瓜葉片葉綠素的生成，進一步加強光合作用，提供機體所需的能量[37]。各施用磷酸鹽改良土壤方式下番木瓜葉片葉綠素含量均高于其他改良方式，可能是由于K2HPO4易溶于水，番木瓜更易吸收，而施用翠姆氨基酸和生物菌肥處理的葉綠素含量低于施用磷酸鹽處理，可能是由于有機肥活化土壤速度較慢。SOD、POD、CAT為植物體內清除過剩自由基的保護酶，其活性越高，植株抗性越強[38]。在本試驗中，各土壤改良劑的應用均不同程度提高了番木瓜葉片根系和葉片中SOD、POD和CAT的活性，表明在高堿性土壤中番木瓜的生長發育受到了抑制，土壤改良劑可在一定程度上改善土壤環境，提高番木瓜自身的保護能力，促進其生長，這與李娜等[39]的研究結果一致，其中施用K2HPO4（200 g）處理的效果最為顯著。

在本試驗中僅初步探索了各土壤改良方式對設施番木瓜生理指標的影響，而其可能受設施生長環境、營養提供等多方面因素的影響。下一步可深入探究番木瓜生長對“肥+酸性水”處理的響應機制。