灌水量對土壤酶活性和設施辣椒產量及養(yǎng)分利用的影響

張澤錦,王力明,梁 穎,唐 麗,劉 瓊

(1.四川省農業(yè)科學院園藝研究所/蔬菜種質與品種創(chuàng)新四川省重點實驗室, 成都 610066; 2.四川省蔬菜工程技術研究中心, 四川 彭州 611934;3.攀枝花市農林科學研究院, 四川 攀枝花 617061)

【研究意義】辣椒(CapsicumannuumL.)是茄科辣椒屬植物,因其營養(yǎng)豐富,風味獨特,深受人們喜愛。四川是我國重要的辣椒種植省份,2018年辣椒栽培面積達11.01×104hm2,產量達267.4×104t[1]。辣椒屬淺根系植物,根系比較細弱,吸收能力弱,既不耐旱也不耐澇,土壤過于干旱或灌水太多都易造成根系生長不良,植株生長受到抑制,造成產量和品質下降等[2-4]。因此,水分合理供應對辣椒正常生長發(fā)育和提高產量尤為重要。土壤酶是一類具有生物化學催化功能的活性物質,參與土壤中許多重要生物化學過程[5]。土壤酶活性大小反映了其在土壤養(yǎng)分的循環(huán)代謝以及植物生長所需養(yǎng)分的供給過程中起到的重要作用,是衡量土壤肥力和土壤生產力的重要指標[6]。土壤水分狀況是影響土壤酶發(fā)揮作用的重要因素,水分過多或過少均會影響土壤酶活性。有研究表明,較高的土壤含水率可顯著提高土壤的酚氧化酶活性和過氧化物酶活性[7]。葉德練等[8]也發(fā)現(xiàn),隨灌溉量的減少,土壤β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶和脲酶活性均有不同程度的下降。楊昌鈺等[9]研究了水分脅迫對設施延遲栽培葡萄根際土壤酶活性的影響,發(fā)現(xiàn)中度和輕度水分脅迫對葡萄果實膨大期和著色成熟期的脲酶、蔗糖酶含量均呈現(xiàn)不同程度的抑制效果。因此,適當提高水分供給可以提高土壤酶活性?！厩叭搜芯窟M展】近年來已有大量關于灌水量對辣椒生長、產量和品質影響的研究報道。前人研究表明,隨著灌水量的增加可顯著提高辣椒植株的株高、莖粗、干重和鮮重[10]。趙園園等[11]研究了不同灌水定額對辣椒的影響,發(fā)現(xiàn)各處理中隨灌水定額的增加,辣椒產量和各品質指標均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢,在23.4 mm灌水量處理的兩茬辣椒產量和品質均最高。高佳等[12]研究表明,結果盛期田間持水量為65%～75%可以整體提高辣椒第2次收獲的營養(yǎng)品質,苗期田間持水量為65%～75%產量最高。【本研究切入點】已有相關研究分別關注灌溉量對土壤酶活性和辣椒生長的影響,并未綜合考慮兩方面的相關關系。此外,四川盆地不同灌溉量對設施辣椒產量、品質及養(yǎng)分利用率產生影響鮮有研究報道?！緮M解決的關鍵問題】探討灌水量對土壤酶活性和辣椒產量、品質及養(yǎng)分利用的影響,以期為四川盆地設施辣椒栽培的合理灌溉及肥料的高效利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020年12月至2021年8月在四川省農業(yè)科學院新都基地(103°74′ E,30°52′ N)塑料薄膜大棚進行,該區(qū)屬亞熱帶濕潤季風氣候,海拔約500 m,年均氣溫約16 ℃,年均相對濕度約81.5%,年均降水量約911.7 mm。

供試辣椒品種為興蔬皺辣3號,購買自湖南興蔬種業(yè)有限公司。供試土壤為壤土,前茬作物為黃瓜。

1.2 試驗設計

灌水量共設4個處理,分別為土壤體積含水率的35%～40%(T1)、45%～50%(T2)、55%～60%(T3)和65%～70%(T4)。每個處理重復3次,隨機區(qū)組排列。小區(qū)面積20.8 m2,2021年1月28日選擇整齊一致的辣椒幼苗定植于小區(qū)內,行距80 cm,株距45 cm,采用膜下滴灌(滴灌帶滴頭間距30 cm,流量3 L/h)方式進行灌溉。整個生育期利用自動灌溉控制器(GG-006A,上海艾美克·中國)進行灌水量控制,當控制器的水分傳感器測得土壤體積含水率低于設置灌水下限時自動打開電磁閥進行灌溉,達到灌水上限則停止灌溉。采用灌溉控制器中土壤水分傳感器測得土壤飽和體積含水率為77%,用水表對每個處理的灌水量進行測定,試驗結束后,根據小區(qū)用水量折算得出不同處理用水量,T1:2695 t/hm2,T2:3226 t/hm2,T3:4392 t/hm2,T4:4733 t/hm2。整個生育期施肥情況見表1。

表1 辣椒施肥情況

1.3 項目測定與方法

1.3.1 土壤樣品收集 在辣椒盛果期(5月26日)用土鉆采集0～20 cm的表土,每個處理采集5個點,混勻后,放置陰涼通風處進行風干,過10目細篩,保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 土壤酶活性測定 土壤脲酶活性、中性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、β-葡萄糖苷酶活性和過氧化氫酶活性均采用試劑盒進行測定,試劑盒購買自北京盒子生工科技有限公司。

1.3.3 單果重和產量測定 于盛果期(5月26日)在每小區(qū)隨機采收10個辣椒果實,用1/1000天平進行稱量,取其平均值,記為辣椒單果重,重復3次。每次辣椒采收時,以每個小區(qū)中20株分別計產,各處理重復產量匯總,并折算單株產量和經濟產量。

1.3.4 辣椒果實品質測定 盛果期(5月26日)每小區(qū)隨機采收10個辣椒果實帶回實驗室,維生素C含量采用2,6-二氯酚靛酚滴定法,可溶性糖含量采用蒽酮比色法,均參照李合生[13]的方法進行測定。辣椒素采用植物辣椒素(Capsaicin)ELISA檢測試劑盒進行測定,試劑盒購買自上海研尊生物科技有限公司。

1.3.5 辣椒植株地上部分和果實中氮、磷和鉀含量測定 在辣椒收獲期收獲植株地上部分,帶回實驗室分地上部分和果實稱取鮮重,于105 ℃下殺青30 min后75 ℃下烘干至恒重,稱量干重。全氮含量采用凱氏定氮法,全磷采用釩鉬黃比色法,全鉀采用火焰光度計,均參照鮑士旦[14]的方法進行測定。

1.3.6 相關指標計算公式 莖葉、果實氮(磷、鉀)累積量(kg/hm2) =莖葉、果實全氮(磷、鉀)含量×干物質量×種植密度[15];氮(磷、鉀)生理利用效率(kg/kg)=產量/地上部總氮(磷、鉀)累積量[16];肥料偏生產力(kg/kg)= 產量/施肥量總和[15]。

1.4 數(shù)據分析

本試驗所有數(shù)據用Excel 2010進行整理,用SPSS 20.0進行單因素方差分析(One-way ANOVA),差異顯著性檢驗采用Duncan新復極差法。

2 結果與分析

2.1 土壤酶活性

由表2所示,隨著灌水量增加,土壤脲酶、中性磷酸酶、蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶和過氧化氫酶活性均顯著增加。與T1處理相比,土壤脲酶活性分別增加25.53%、47.05%和48.80%;中性磷酸酶活性分別增加10.62%、11.90%和28.70%;蔗糖酶活性分別增加12.08%、12.81%和45.60%;β-葡萄糖苷酶活性分別增加28.19%、73.07%和100.87%;過氧化氫酶活性分別增加49.39%、91.72%和102.58%。T4處理所有酶活性均為最大值,說明灌水量增加可以提高土壤酶活性。

表2 灌水量對土壤酶活性的影響

2.2 辣椒生物量和產量

由表3可知,不同灌水量間辣椒單果重均無顯著差異。與T1處理相比,T2、T3及T4地上部分鮮重分別增加19.43%、35.03%和51.59%,單株產量分別增加13.70%、23.62%和29.05%,經濟產量分別增加13.69%、23.60%和29.05%。由此可見,增加灌水量可以增加辣椒地上部分鮮重、單株產量和經濟產量。

表3 灌水量對辣椒地上部分鮮重、單果重和產量的影響

2.3 辣椒維生素C、可溶性糖和辣椒素含量

由表4可知,隨著灌水量增加,辣椒可溶性糖含量增加,其中,T3處理的辣椒果實可溶性糖含量最高,與T1處理相比,增加21.31%。然而,隨著灌水量增加,辣椒果實維生素C含量和辣椒素含量均顯著下降,且均為T4處理最低,與T1處理相比,分別下降34.60%和73.47%。

表4 灌水量對辣椒品質的影響

2.4 辣椒莖葉和果實養(yǎng)分累積量

由表5可知,辣椒莖葉N、P累積量均隨著灌水量增加呈倒“N”型變化,而K呈先降低后增加趨勢。其中,T2處理的莖葉N、P、K累積量均最低,分別為79.79、3.64和128.23 kg/hm2。灌水量增加均增加了果實養(yǎng)分累積,與T1處理相比,T2、T3及T4果實N素累積量分別增加21.59%、16.82%和22.71%,P素累積量分別增加30.87%、44.59%和40.58%,K素累積量分別增加23.38%、18.72%和29.97%。除T2處理的N素有所降低,灌水量增加,均增加了辣椒地上部分養(yǎng)分總累積量,其中,地上部分N素和P素總累積量均以T3處理最大,分別為243.68和26.18 kg/hm2,較T1處理分別增加4.27%和40.53%;地上部分K素總累積量則在T4處理最大,為342.41 kg/hm2。

表5 灌水量對辣椒養(yǎng)分累積量的影響

2.5 辣椒養(yǎng)分利用效率

從表6可以看出,灌水量對辣椒N、P、K養(yǎng)分生理利用效率和肥料偏生產力均有顯著影響。灌水量增加,均提高了辣椒N素利用效率,與T1處理相比,T2、T3及T4分別增加20.19%、18.48%和27.66%。但是,辣椒P素利用效率以T1處理最大,為2963.61 kg/kg,灌水量增加,降低了P素利用效率,其中T3處理較T1處理顯著降低,降低11.99%,其余處理與T1處理差異不顯著。灌水量增加,均增加了辣椒K素利用效率,T3處理的K素利用效率最大,為220.51 kg/kg,較T1處理增加14.90%。辣椒的偏肥生產力隨著灌水量增加,辣椒偏肥生產力均逐漸提高。T2、T3和T4處理的辣椒偏肥生產力較T1處理分別增加13.69%、23.60%以及29.05%。

表6 灌水量對辣椒養(yǎng)分生理利用率和肥料偏生產力的影響

3 討 論

土壤酶是衡量土壤肥力水平高低的重要指標,其主要參與土壤有機質分解與腐殖質形成、養(yǎng)分轉化與循環(huán)等土壤中各種生物化學反應過程[17]。其中,脲酶可以促進尿素水解釋放銨態(tài)氮,磷酸酶活性關系到土壤磷素的轉化及利用,蔗糖酶水解蔗糖生成葡萄糖和果糖,β-葡萄糖苷酶主要催化纖維素降解過程,過氧化氫酶參與土壤氧化還原過程。水分作為影響農作物生長的重要環(huán)境因子,其對土壤酶活性也有至關重要的作用。研究表明,膜下滴灌較不滴灌在馬鈴薯生育期內可顯著提高土壤脲酶、堿性磷酸酶、轉化酶和纖維素酶活性[18]。葉德練等[19]研究表明,隨灌水量增加,β-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性隨之增加,Brockett等[20]和Sardans等[21]也得到一致結果。本研究表明,隨著灌水量增加,土壤脲酶、中性磷酸酶、蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶和過氧化氫酶活性逐漸增加,這可能是由于土壤含水量的增加,促進了分泌此類酶的微生物生長繁殖,從而向土壤中分泌更多的酶[22]。土壤酶活性提高以后,導致土壤中養(yǎng)分轉化效率提高,土壤中更多不能被植物直接吸收的營養(yǎng)形態(tài)轉化成了可以被植物吸收利用的營養(yǎng)形態(tài),同時利于防止對生物體的毒害作用,培育健康的土壤環(huán)境。

作物產量是水分調控好壞的最終體現(xiàn)。大量研究表明,不同灌水量對作物產量的影響不同,作物產量與其生育期總耗水量變化基本一致,過量的水可能不僅不會增加產量,還會造成作物減產[23]。陸軍勝等[24]和趙園園等[11]在灌水量對辣椒產量的影響上得到一致結果:隨著灌水量增加,辣椒產量呈先增加后降低趨勢。然而,在本試驗中,隨著灌水量增加,辣椒產量逐漸增加,這與高佳等[2]在辣椒灌水量上的研究結果一致。但與陸軍勝等[24]和趙園園等[11]等的研究結果不一致。產生這種差異的原因可能是兩者試驗采用的灌溉量和辣椒品種不一致導致。但本試驗中T3與T4處理辣椒產量并無顯著差異,也表明了灌水量過多不但不會促進產量增加,還可能造成水資源的浪費。

隨著生活水平的提高,人們對蔬菜品質的要求也越來越高,因此提高設施蔬菜品質也十分重要。一般情況下,設施蔬菜果實產量和品質不能同時達到最優(yōu)。周海霞等[25]研究了不同灌水量對番茄品質的影響,發(fā)現(xiàn)適當減少灌水量可提高番茄Vc、可溶性糖、硝酸鹽、可溶性固形物含量。劉勝堯等[26]研究表明隨著灌水量增加,甜瓜Vc、可溶性糖、可溶性固形物含量先增加后降低。趙園園等[11]在辣椒中也得到相似的結果。本研究中,隨著灌水量增加,辣椒維生素C和辣椒素含量均逐漸下降,增加了可溶性糖含量。說明灌水量與辣椒品質呈負相關。因此,適當減少水分供應可以提升辣椒品質,同時節(jié)約用水。

在植物的生長發(fā)育過程中,N、P、K是植物許多重要的生理代謝活動所必需的營養(yǎng)元素,其在植物體內起著不可替代的作用。前人研究表明,土壤的水分狀況會影響土壤養(yǎng)分(N、P、K)的轉化和遷移,從而影響植株對土壤養(yǎng)分的吸收[27]。本研究表明,灌水量對辣椒莖葉和N、P、K累積量影響無明顯規(guī)律,但是灌水量增加均增加了辣椒果實中的氮磷鉀累積量,地上部分氮磷總累積量以T3為最大,鉀總累積量則以T4處理最大?？赡苁且驗楣嗨繉е峦寥鲤B(yǎng)分的部分淋失,進而造成植物養(yǎng)分吸收的差異。灌水量增加,增加了辣椒氮和鉀的生理養(yǎng)分利用效率,降低磷的生理利用效率。李建查等[28]研究了灌水量對洋蔥養(yǎng)分吸收利用的影響,發(fā)現(xiàn)適當降低灌水量提高洋蔥N、K、Mg的利用效率。方棟平等[29]在灌水量和滴灌施肥方式對溫室黃瓜產量和養(yǎng)分吸收的影響的研究中也得到相似的結論,灌水量越大,養(yǎng)分利用效率越小。這與本研究不完全一致,可能是因為作物種類不同或者灌水量和土壤質地不同產生的不同結果。

4 結 論

增加灌水量能提高土壤脲酶活性、中性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、β-葡萄糖苷酶活性和過氧化氫酶活性,從而增加辣椒養(yǎng)分利用效率,最終導致產量增加,但降低了果實維生素C和辣椒素含量,提高了可溶性糖含量。灌水量為4392～4733 t/hm2時,辣椒土壤酶活性、產量及養(yǎng)分利用均處在較高水準。在實際生產過程中還應根據銷售價格,投入產出比、辣椒生產目標需求等具體情況,確定四川盆地設施辣椒灌溉量。