不同調(diào)控方式對(duì)設(shè)施鹽漬化土壤特性和番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

翟亞明， 魏麗萍， 楊 倩

(1.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210098; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京210098; 3.紹興市水利局，浙江 紹興312000; 4.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院園藝園林系，河南 鄭州451450)

中國的設(shè)施栽培技術(shù)發(fā)展迅速，栽培面積已占據(jù)總農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積的11.6%［3］，且近年來，溫室番茄由于其高回報(bào)和高效益，已成為設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中重要的作物［4］。然而，設(shè)施栽培過程中施肥過量、施肥不均衡、灌溉不合理及缺乏淋洗等原因，導(dǎo)致了設(shè)施土壤的鹽漬化。土壤鹽漬化嚴(yán)重限制了番茄植株的生長(zhǎng)發(fā)育，影響了番茄的產(chǎn)量，并引發(fā)臍腐病( Blossom-end rot) 等生理病害［5-6］。針對(duì)設(shè)施土壤的鹽漬化問題，國內(nèi)外學(xué)者做了很多工作，包括膜下滴灌［7］、暗管排水［8-9］、秸稈覆蓋［10］、施用土壤改良劑［11-12］等，這些技術(shù)對(duì)改良設(shè)施鹽漬化土壤理化特性、提高作物產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)有十分積極的作用。

投影尋蹤分類模型是一種可用于高維數(shù)據(jù)分析，既可以用作探索性分析又可以用作確定性分析的方法。投影尋蹤分類模型能成功克服“維數(shù)禍根”帶來的嚴(yán)重困難，排除與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和特征無關(guān)的或干擾很小的變量，為使用一維統(tǒng)計(jì)方法解決高維問題開辟了途徑。目前，投影尋蹤分類模型已在“多目標(biāo)、多指標(biāo)”方案的優(yōu)選與評(píng)價(jià)中得到廣泛應(yīng)用［13-14］。

盡管已有不少研究集中在外源添加物調(diào)控對(duì)設(shè)施鹽漬化土壤理化特性和作物產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，但不同外源添加物綜合效益的評(píng)價(jià)和比較工作仍不多見，關(guān)于不同調(diào)控方式對(duì)“設(shè)施鹽漬化土壤-作物”系統(tǒng)影響的長(zhǎng)期定位研究則更為匱乏。本研究開展了為期3 年的定位觀測(cè)試驗(yàn)，探索不同調(diào)控方式對(duì)設(shè)施鹽漬化土壤的鹽分、有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分含量和番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響機(jī)制，旨在為設(shè)施鹽漬化土壤生態(tài)系統(tǒng)的改良提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于南京市江寧區(qū)橫溪蔬菜花卉研究所( 緯度31°43'N，經(jīng)度118°46'E) 的設(shè)施大棚中進(jìn)行。試驗(yàn)地年平均降雨量約為1 106.5 mm，主要降雨時(shí)間為6 月末至7 月中旬。年平均溫度為15.7 ℃，年平均濕度約為81%。試驗(yàn)大棚位于橫溪蔬菜花卉研究所東片試驗(yàn)區(qū)，主作番茄，土壤由于連作已發(fā)生嚴(yán)重的次生鹽漬化。試驗(yàn)從2010 年5 月10 日開始，至2013 年9 月25 日結(jié)束，持續(xù)時(shí)間共約3 年。試驗(yàn)前土壤基本理化性質(zhì)如下: pH 7.91，有機(jī)質(zhì)含量8.92 g/kg，總氮含量0.85 g/kg，速效磷含量13.13 mg/kg，速效鉀含量78.42 mg/kg，耕層土壤鹽分含量3.32 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)3 種外源添加物調(diào)控方案修復(fù)鹽漬化土壤，包括秸稈覆蓋、土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑和土壤保水劑處理，并設(shè)無添加物處理為對(duì)照。秸稈覆蓋處理選用4 ～8 cm 的水稻秸稈段，覆蓋量為6 000 kg/hm2，于番茄幼苗移栽后20 d 進(jìn)行覆蓋;土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑選用“康地寶”( 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)，其大分子可與土壤中的鹽離子迅速結(jié)合，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)) ，施用量為22.5 kg/hm2，在番茄幼苗移栽前按照1/1 500稀釋比例均勻噴灑于土壤表面，隨灌溉次數(shù)的增多土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑能均勻地分布在耕層土壤中; 土壤保水劑采用法國進(jìn)口MP3005KM 牌土壤保水劑( 聚丙烯酸材料，白色晶體，無色無毒) ，用量為30 kg/hm2，番茄幼苗移栽前，將保水劑進(jìn)行充分吸水處理并施用于耕層土壤。

試驗(yàn)過程中，一年僅種植一季番茄。每年的6 月中旬左右，當(dāng)其他試驗(yàn)條件全部落實(shí)后，將番茄幼苗( 品種大紅寶) 移植于試驗(yàn)區(qū)，緩苗期間，各處理采用相同的田間管理方法。為創(chuàng)造適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行翻土起壟，壟寬60 cm，每2 個(gè)壟之間的間距為100 cm，壟高約6 cm。每條壟種植2 行番茄，行距約40 cm。將每12 株番茄劃分為1 個(gè)220 cm×60 cm的微區(qū)，10 個(gè)微區(qū)設(shè)定為1 個(gè)處理，相同處理的調(diào)控方式相同。為提供番茄生長(zhǎng)發(fā)育所需養(yǎng)分，田間施用700 kg/hm2的復(fù)合肥( N∶ P2O5∶ K2O= 1∶ 2∶ 2) ，灌溉及其他田間管理方式按常規(guī)方法進(jìn)行。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 耕層土壤鹽分、有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分含量 土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后磨碎，過2 mm 篩，進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。土壤鹽分、有機(jī)質(zhì)和速效氮磷鉀含量的測(cè)定參照文獻(xiàn)［15］。

1.3.2 番茄產(chǎn)量 每個(gè)處理隨機(jī)取30 個(gè)番茄，分別測(cè)定番茄單果質(zhì)量和體積( 采用排水法) 。番茄產(chǎn)量依據(jù)平均單果質(zhì)量與果數(shù)計(jì)算。

1.3.3 番茄品質(zhì) 番茄成熟后，每株隨機(jī)選擇2 個(gè)番茄，沿縱軸方向取10 g 果肉并混合均勻( 每個(gè)處理取20 個(gè)番茄) 。可溶性固形物采用日本ATAGO公司生產(chǎn)的數(shù)字折射儀ACT-1E 測(cè)定，總糖采用斐林滴定法測(cè)定，總酸采用NaOH 滴定法測(cè)定，維生素C 采用2，6-二氯靛酚滴定法測(cè)定［16-17］。

在番茄初花期，將熊峰授粉群放入棚室內(nèi)，進(jìn)行熊峰授粉。針對(duì)設(shè)施番茄選擇熊蜂授粉，每棚（1.5-3.0畝）一箱。在番茄初花期開始釋放授粉熊蜂，蜂箱放置地點(diǎn)必須通風(fēng)、防曬，蜂箱放置高度為距離地面10-20 cm。在棚室內(nèi)的作物較矮不能為蜂箱遮陰時(shí)，可選用木板、泡沫板、遮陽網(wǎng)、硬紙板等材料人工為其遮陰，遮陰材料與蜂箱的距離必須在50 cm以上，重點(diǎn)保證蜂箱南側(cè)和西側(cè)的遮陰效果。放置時(shí)間最好于傍晚放入，靜置1-2 h后再打開蜂門，以避免工蜂撞擊棚膜，造成不必要的傷亡。1-2天后熊蜂可適應(yīng)環(huán)境，開始訪花。

1.4 數(shù)據(jù)處理

顯著性分析與番茄品質(zhì)的主成分分析計(jì)算采用SPSS17.0 軟件。

2 結(jié)果

2.1 不同調(diào)控方式對(duì)耕層土壤鹽分的影響

圖1 所示為不同調(diào)控方式對(duì)耕層土壤鹽分的影響。耕層土壤鹽分整體上波動(dòng)性下降，每年6-9 月為番茄生育期，鹽分含量由于灌溉作用下降顯著;而6 月之前鹽分整體呈上升趨勢(shì)，這可能由于該段時(shí)期土壤沒有經(jīng)過灌溉淋洗，加上蒸發(fā)強(qiáng)烈，出現(xiàn)返鹽現(xiàn)象。總體而言，秸稈覆蓋和土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑的去鹽效果要優(yōu)于對(duì)照和土壤保水劑，至2013 年9 月，秸稈覆蓋和土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑處理的耕層土壤鹽分分別比對(duì)照低49.48%和43.91%。其中秸稈覆蓋處理去鹽效率最高，3 年耕層土壤脫鹽率高達(dá)80.72%。

圖1 不同調(diào)控方式下耕層土壤鹽分含量的變化Fig.1 Dynamics of soil salinity in topsoil with regulatory methods

2.2 不同調(diào)控方式對(duì)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

土壤有機(jī)質(zhì)含量是評(píng)價(jià)土壤改良效果的重要指標(biāo)之一。表1 所示為不同調(diào)控方式對(duì)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響。從表1 中可以看出，不同調(diào)控方式對(duì)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加有明顯的促進(jìn)作用，其中秸稈覆蓋處理各時(shí)期耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于其他處理( P ＜0.05) 。土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑和保水劑對(duì)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響不如秸稈覆蓋明顯。對(duì)照土壤有機(jī)質(zhì)含量也有一定上升，這可能是番茄栽培時(shí)施肥的結(jié)果。

2.3 不同調(diào)控方式對(duì)耕層土壤速效養(yǎng)分含量的影響

圖2 所示為不同調(diào)控方式下耕層土壤速效養(yǎng)分的變化。速效氮含量隨試驗(yàn)期的推進(jìn)有所升高，秸稈覆蓋處理增幅最為明顯，2013 年9 月達(dá)到峰值(90.29 mg/kg) ，土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑處理次之，土壤保水劑處理增幅相對(duì)較小。與速效氮含量變化規(guī)律不同，速效磷含量隨時(shí)間呈下降趨勢(shì)，3 種調(diào)控方式中，土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑處理耕層土壤速效磷含量下降最為明顯，相比而言，秸稈覆蓋處理保留了更多速效磷，3 年 中 分 別 比 對(duì) 照 高27.32%、20.63% 和8.48%;而土壤保水劑處理各時(shí)期速效磷含量與對(duì)照差異不明顯。秸稈覆蓋處理耕層土壤速效鉀含量上升十分明顯，2013 年9 月達(dá)到107.90 mg/kg; 相反，土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑處理耕層土壤速效鉀含量較試驗(yàn)前下降了21.44%，其中2012 -2013 下降尤為明顯。

表1 不同調(diào)控方式下耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化Table 1 Changes of organic matter content in topsoil with different regulatory methods

圖2 不同調(diào)控方式下耕層土壤速效養(yǎng)分含量的變化Fig.2 Changes of soil nutrient in topsoil with different regulatory methods

2.4 不同調(diào)控方式對(duì)番茄產(chǎn)量的影響

從圖3 中可看出，各時(shí)期3 種調(diào)控方式番茄產(chǎn)量均顯著高于對(duì)照( P ＜0.05) ，這可能是外源添加物的施用有效降低了耕層土壤鹽分，為番茄的生長(zhǎng)發(fā)育營造了良好的環(huán)境。3 種調(diào)控方式中，秸稈覆蓋處理各時(shí)期番茄產(chǎn)量均明顯高于土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑和保水劑處理。

2.5 不同調(diào)控方式下番茄品質(zhì)的主成分分析

番茄品質(zhì)是一個(gè)綜合的概念，涉及指標(biāo)眾多，評(píng)價(jià)難度較大［16］。為了明確不同調(diào)控方式對(duì)番茄品質(zhì)的影響，本研究采用主成分分析法對(duì)番茄的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分提取。

以2011 年觀測(cè)結(jié)果( 表2) 為例，番茄密度和單果體積均以秸稈覆蓋處理最高;可溶性固形物含量、Vc 含量和糖酸比均以對(duì)照最高;總酸含量以秸稈覆蓋處理最低。對(duì)表2 中的指標(biāo)進(jìn)行主成分提取，提取原則為特征值＞1、累積貢獻(xiàn)率＞80%［18］。提取所得特征值為5.152，累積貢獻(xiàn)率為85.862%，說明提取結(jié)果保留了較多的原始信息。計(jì)算番茄綜合品質(zhì)得分。從計(jì)算結(jié)果( 圖4) 中可看出，2011 年番茄的綜合品質(zhì)以對(duì)照最優(yōu)，土壤保水劑處理次之，秸稈覆蓋處理最差。

圖3 不同調(diào)控方式對(duì)番茄產(chǎn)量的影響Fig.3 Effect of different regulatory methods on tomato yield

采用同樣的方法計(jì)算2012 與2013 年番茄品質(zhì)綜合主成分，發(fā)現(xiàn)對(duì)照番茄品質(zhì)均處于較優(yōu)水平;秸稈覆蓋處理2011 年和2012 年番茄綜合品質(zhì)較差，2013 年有較大改善;土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑處理番茄品質(zhì)呈下降趨勢(shì); 而土壤保水劑處理番茄品質(zhì)的變化規(guī)律不明顯。

表2 2011 年番茄主要品質(zhì)指標(biāo)Table 2 Major quality indexes of tomato in 2011

圖4 不同調(diào)控方式下番茄品質(zhì)的綜合主成分Fig.4 Comprehensive principal component of tomato quality with different regulatory methods

2.6 調(diào)控方式的優(yōu)選

調(diào)控方案的優(yōu)選與評(píng)價(jià)問題是多目標(biāo)多指標(biāo)的決策問題。以3 季番茄的品質(zhì)、產(chǎn)量和每年9 月所測(cè)耕層土壤鹽分為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立投影尋蹤分類模型，對(duì)不同調(diào)控方案的綜合效益進(jìn)行評(píng)價(jià)。投影尋蹤分類模型的實(shí)質(zhì)是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過把高維數(shù)據(jù)投影至低維子空間，尋找可以反映原高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者特征的投影，在低維空間研究數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到分析和處理高維數(shù)據(jù)的目的［19］。投影尋蹤分類模型的建立步驟參照文獻(xiàn)［19］、［20］。

本研究共有4 個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)，9 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中土壤鹽分為“越低越優(yōu)”指標(biāo)，番茄產(chǎn)量和品質(zhì)綜合主成分為“越大越優(yōu)”指標(biāo)。利用Matlab7.1 建立投影尋蹤分類模型。在遺傳算法優(yōu)化過程中選定父代初始種群規(guī)模為n=400，交叉概率Pc=0.8，變異概率Pm=0.8，優(yōu)秀個(gè)體數(shù)目選定為20 個(gè)，α =0.05，加速20 次。得到最大投影指標(biāo)值為0.390 8，最佳投 影 方 向，0.342 8，0.516 2，0.436 6，0.349 8，0.408 4，0.346 4) ，4 個(gè)處理的投影值( zi*) 依次為0.248 7、2.450 6、1.767 7、1.086 4。依據(jù)投影值越大綜合效益越優(yōu)的準(zhǔn)則，秸稈覆蓋為綜合效益最佳的處理，土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑處理次之，土壤保水劑處理較差。

3 討論

秸稈覆蓋、土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑處理和保水劑處理3 種調(diào)控方式均有效降低了耕層土壤鹽分含量，脫鹽效果的優(yōu)劣次序?yàn)榻斩捀采w＞土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑＞保水劑。這可能由于秸稈覆蓋有效抑制了土壤水分蒸發(fā)，鹽分從較深層次土壤返至耕層土壤較為困難，而不斷的灌溉淋洗加速了耕層土壤鹽分向深層次土壤遷移，這與劉廣明等［15］的研究結(jié)果一致。3 種調(diào)控方式均能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，其中秸稈覆蓋處理各時(shí)期土壤有機(jī)質(zhì)含量均明顯高于其他調(diào)控方式。這可能由于秸稈本身有機(jī)質(zhì)含量較高，也可能由于秸稈覆蓋降低了養(yǎng)分的流失［21］。而對(duì)照土壤有機(jī)質(zhì)含量略有上升，可能更多源自番茄栽培時(shí)施肥的結(jié)果。3 種調(diào)控方式下土壤速效氮含量均呈上升趨勢(shì)，而土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑不利于保留土壤中的速效磷和速效鉀，這也提示在施用土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加磷肥及鉀肥的施用量。

從番茄產(chǎn)量來看，3 種調(diào)控方式具備不同程度的增產(chǎn)效益，其中以秸稈覆蓋處理番茄產(chǎn)量最高，這一結(jié)果充分印證并補(bǔ)充了王學(xué)征［22］和Qin 等［23］的研究成果。然而，各年份番茄品質(zhì)均以對(duì)照最佳，土壤保水劑處理次之; 秸稈覆蓋處理2011 和2012 年番茄品質(zhì)較差，2013 年有較大改善。本研究還發(fā)現(xiàn)，較高土壤鹽分有利于番茄品質(zhì)的形成，這與魯少尉等［24］的研究結(jié)果相似，魯少尉等研究發(fā)現(xiàn)，土壤適度鹽脅迫可增強(qiáng)蔗糖轉(zhuǎn)化酶活性，提高果實(shí)中可溶性固形物含量、可溶性糖含量和糖酸比。

投影尋蹤分類模型在多目標(biāo)多指標(biāo)的方案優(yōu)選中的應(yīng)用已相對(duì)成熟，然而，單項(xiàng)指標(biāo)包含的子項(xiàng)數(shù)目過多常常使優(yōu)選結(jié)果受該項(xiàng)指標(biāo)的影響過大，從而降低了結(jié)果的可靠性。本試驗(yàn)中，品質(zhì)指標(biāo)包含因素眾多，而將其用主成分分析法“化零為整”再用投影尋蹤分類模型進(jìn)行計(jì)算后，各指標(biāo)權(quán)重分配合理，獲得的結(jié)果更為客觀、科學(xué)，這也為統(tǒng)計(jì)學(xué)模型在農(nóng)業(yè)科研中的應(yīng)用提供了新的思路。

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