土壤溫度和有機肥對黃瓜生長及養(yǎng)分吸收利用的影響

閆秋艷，董 飛，楊 峰，段增強，王嬡華，湯 英，李 汛

(1.中國科學(xué)院 南京土壤研究所，土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 小麥研究所，山西 臨汾 041000)

近年來，日光溫室和塑料大棚栽培在我國發(fā)展迅速，并已成為反季節(jié)蔬菜生產(chǎn)的主要設(shè)施。同時，設(shè)施栽培內(nèi)環(huán)境條件受外界太陽照射的影響較大[1]，由于其特殊的建造材料，導(dǎo)致溫室內(nèi)光照量僅為外界的60%～70%，由此也影響了土壤溫度的變化。冬季土壤溫度的回升較慢，幅度也較小，造成土壤溫度與氣溫相差較大[2]。在適宜的地上部溫度情況下，作物生長對肥料需求較大，此時低的土壤溫度會導(dǎo)致根系攝取肥料的能力滿足不了地上部生長的需求，從而使種植者加大肥料的投入，增加土壤溶液中養(yǎng)分濃度，提高根系對養(yǎng)分的被迫吸收。這雖然緩解了地上部需求與根系供應(yīng)的矛盾，但卻往往導(dǎo)致溫室土壤的次生鹽漬化[3]，影響溫室蔬菜生產(chǎn)的持續(xù)健康發(fā)展。因此，根區(qū)溫度調(diào)控成為新的研究手段。

設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中，為了有效節(jié)約能源和減少成本，國外有關(guān)研究指出，低溫季節(jié)采用夜間低氣溫和高地溫的管理辦法，這樣可以大幅度節(jié)約能源，并獲得可觀的效益[4]。利用有機肥的釀熱、散熱特性，冬季將未腐熟的糞肥等埋入土壤中，產(chǎn)生的熱量加熱土壤，既可改善土壤的熱特性、調(diào)節(jié)土壤溫度，又可加深土色，增加土壤對太陽輻射能的吸收，以提高土溫。有機肥的施入能同時增加土壤溫度2～3 ℃[2]。但有機肥對溫度的提高只能在前期有機肥腐熟階段，后期對土壤溫度的影響不大。通過地?zé)峋€輔助加溫，可以達到對土壤溫度控制的目的，目前，在育苗上應(yīng)用較多，在蔬菜生產(chǎn)上應(yīng)用較少。

本研究旨在冬季低土壤溫度下，比較豬糞和雞糞有機肥對黃瓜生長的影響及土壤理化性狀的變化，同時也進一步探討不同有機肥在自然土壤溫度條件下和提高土壤溫度條件下植株和土壤的變化特征，為反季節(jié)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)提供理論和技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 供試大棚和土壤

試驗在江蘇省蘇州市太倉陸渡鎮(zhèn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園大棚內(nèi)進行。大棚規(guī)格(8連棟大棚，每單棟大棚長40 m、寬8 m、高5 m)。供試土壤為潮土、沙壤土，基本理化性狀為：pH=8.31，EC值467.33 μs/cm，堿解氮59.5 mg/kg，速效磷35.97 mg/kg，速效鉀104.24 mg/kg。種植年限約15年，大棚常年以種植小白菜為主。試驗前，整地，30 cm深度耕地。每單棟大棚分為4畦，每1/2畦為一處理小區(qū)，小區(qū)面積24 m2(16.0 m×1.5 m)。

1.2 供試幼苗和培養(yǎng)

以黃瓜(CucumissativusL.)品種津研3號為試驗試材。選取飽滿、整齊一致的黃瓜種子，于2012年9月17日播種到含有泥炭和蛭石(2∶1，V/V)混合基質(zhì)的育苗盤中。2012年10月16日，幼苗兩葉一心后，選取整齊一致的黃瓜幼苗定植，定植株距30 cm ，行距50 cm。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置土壤溫度和肥料處理2個因素，采用裂區(qū)區(qū)組設(shè)計，每小區(qū)為一個重復(fù)，共3個重復(fù)。土壤溫度采用地?zé)峋€(寧波市鄞州東海畜牧器械廠生產(chǎn)，長100 m，功率為800 W)加熱的方式。利用定時器和溫控器調(diào)節(jié)溫度。試驗設(shè)對照不加溫(10±2)℃和加溫(20±2)℃共2個溫度水平。大棚內(nèi)氣溫和濕度均在自然狀態(tài)下。黃瓜苗定植7 d后進行不同土壤溫度處理。

每個溫度下均設(shè)5個肥料水平。分別為： CK(N)，不施有機肥不加溫；CMC(N)，雞糞+追肥(不加溫)：施用商品有機肥雞糞，用量30 t/hm2，全部基施，撒施翻耕0～25 cm深； CMC(H)，雞糞+追肥(加溫)：雞糞有機肥量和方法同CMC(N)處理；SMC(N)，豬糞+追肥(不加溫)：施用商品有機肥豬糞，施用方法和用量同CMC(N)處理；SMC(H)，豬糞+追肥(加溫)：有機肥豬糞用量和方法同CMC(N)處理。

所有處理均用尿素追肥，用量按照黃瓜全生育期需求量和文獻確定，2次追肥時間分別為2012年10月28日和12月13日。每次追肥量為N 150 kg/hm2；所有肥料處理的磷鉀肥用量都相同，磷肥為過磷酸鈣，用量為150 kg/hm2，鉀肥為硫酸鉀，用量為225 kg/hm2，全部基施。定植前15 d施入肥料，精耕0～20 cm土壤，使肥料與土壤混勻。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 黃瓜干物質(zhì)量測定 取樣后用純水洗干凈，用紗布將植株擦干，將黃瓜苗分為根系、莖、葉片和果實4個部分，105 ℃烘箱殺青30 min，于75 ℃烘干24 h后，稱重。粉碎后備用。植物主要礦質(zhì)營養(yǎng)成分N、P、K、Ca、Mg含量的測定參照文獻[5]的相關(guān)方法進行。

1.4.2 黃瓜品質(zhì)測定 按照李合生[6]相關(guān)方法進行測定。

1.4.3 黃瓜根系特征分析 采用根系掃描儀(EPSON PERFECTION V700 PHOTO)將新鮮的根系圖像掃描，用圖像分析軟件WinRHIZO(加拿大Regent Instruments公司)分析根系相關(guān)特征。

1.4.4 土壤基本理化性狀及酶活性測定 分別于黃瓜生長的苗期和結(jié)果期采集土樣，按照“S”曲線采取0～20 cm的混合土樣。土壤自然風(fēng)干，研磨過2 mm篩，備用。土壤基本理化性狀參照魯如坤[5]的相關(guān)方法進行測定；土壤脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定[7]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003軟件作圖和SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析，采用Duncan多重比較法對處理之間進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溫度對不同施肥處理下黃瓜生長指標(biāo)的影響

從表1可以看出，與對照不施有機肥相比，施用有機肥顯著增加黃瓜株高和植株不同組織的干質(zhì)量；而且，相同有機肥處理下，加溫比不加溫處理可使黃瓜苗株高、莖和葉干質(zhì)量增加更明顯，但加溫和不加溫處理間根系干質(zhì)量差異不顯著；CK處理未能正常開花結(jié)果，植株長勢較弱；各有機肥處理中，加溫比不加溫可使黃瓜產(chǎn)量增加，雞糞處理加溫比不加溫黃瓜產(chǎn)量增加44.33%，豬糞處理加溫比不加溫黃瓜產(chǎn)量增加31.08%。

表1 土壤溫度對不同施肥處理下黃瓜植株生長和生物量的影響Tab.1 Effect of soil temperature on cucumber growth and biomass in different fertilizer treatments

注：同列中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。表3-4同。

Notes： Values within each column followed by the different letters show significant difference (P<0.05).The same as Tab.3-4.

2.2 土壤溫度對不同施肥處理下黃瓜不同組織營養(yǎng)元素濃度的影響

從表2可以看出，不同土壤溫度對黃瓜不同組織中礦質(zhì)元素的含量(以干質(zhì)量計)影響較大。其中，對N的影響表現(xiàn)為：不加溫處理中，施用雞糞和豬糞使黃瓜根系和葉片內(nèi)N濃度高于CK，莖N濃度在CK中最大；CMC處理加溫比不加溫使根系、莖和葉片N濃度增加，果實N濃度減少；SMC處理加溫比不加溫促進根系和果實N素積累，減少葉片N濃度，對莖的N濃度影響不大。

對P的影響表現(xiàn)為：施用有機肥比CK均增加黃瓜根系和葉片P濃度；CMC處理加溫比不加溫黃瓜根系、莖、葉片和果實P濃度均提高；SMC處理加溫比不加溫除使根系P素濃度增加外，其余組織P濃度均降低。

對K 的影響表現(xiàn)為：不加溫處理，施肥比不施肥均使根系和莖K濃度增加；CMC處理加溫比不加溫使根系、莖和果實K濃度減少，葉片K濃度增加；SMC處理加溫比不加溫使根系和莖內(nèi)K濃度增加，葉片和果實K濃度減少。

對Ca 的影響表現(xiàn)為：不加溫肥料處理，施肥可增加根系對Ca的吸收，減少莖和葉片的Ca濃度；CMC處理加溫比不加溫使根系、莖、葉片和果實內(nèi)Ca素濃度均減少；SMC處理加溫比不加溫使根系、莖內(nèi)Ca濃度增加，葉片和果實Ca濃度減少。

對Mg的影響表現(xiàn)為：不加溫肥料處理，CK(N)處理的根系Mg含量最低，莖和葉片內(nèi)Mg濃度最高；CMC處理加溫比不加溫使根系、莖內(nèi)Mg含量增加，葉片和果實Mg含量減少；SMC處理加溫比不加溫明顯增加根系Mg濃度，但地上部不同組織Mg濃度均降低。

2.3 土壤溫度對不同施肥處理下黃瓜果實品質(zhì)的影響

從表3可以看出，雞糞有機肥加溫使黃瓜果實Vc含量增加4.76%，豬糞有機肥加溫和不加溫對Vc含量變化影響不大；可溶性糖含量在雞糞有機肥加溫后增加17.6%，豬糞有機肥加溫比不加溫可溶性糖含量有所降低；可溶性蛋白在雞糞和豬糞加溫后均比不加溫增加，分別增加了8.29%和13.77%；加溫均使相同施肥處理黃瓜果實硝酸鹽含量降低，其中，雞糞有機肥加溫后黃瓜果實硝酸鹽含量降低1.7%，豬糞有機肥加溫后黃瓜果實硝酸鹽含量降低18.9%；加溫比不加溫可使黃瓜果實果皮葉綠素含量升高，雞糞和豬糞施肥使黃瓜果實果皮葉綠素含量分別增加3.3%和2.52%。

表2 土壤溫度對不同施肥處理下黃瓜不同組織營養(yǎng)元素濃度的影響Tab.2 Effect of soil temperature on nutrient concentration of cucumber organs in different fertilizer treatments mg/g

表3 土壤溫度對不同施肥處理下黃瓜果實品質(zhì)含量的影響Tab.3 Effect of soil temperature on cucumber qualities in different fertilizer treatments

2.4 土壤溫度對不同施肥處理下黃瓜根系特征的影響

從表4可以看出，不加溫處理間各施肥處理下根系高度無顯著差異；CMC和SMC處理加溫和不加溫處理間根系高度無顯著差異；總根長在不加溫處理施肥條件下無顯著差異。在CMC和SMC處理中，加溫比不加溫可使總根長顯著增加；總根表面積在施肥后比CK均顯著增加；CMC處理加溫和不加溫處理總根表面積無顯著差異；加溫使SMC處理總根表面積顯著增加；施肥使總根系體積比CK均顯著增加，加溫對CMC和SMC施肥處理總根系體積無顯著影響；與CK不施肥比，施肥使平均根系直徑顯著增加，CMC(H)除外；而加溫比不加溫使同施肥處理平均根系直徑減少；總根尖數(shù)在CMC處理加溫后顯著增加，SMC處理略有增加，但無顯著差異。

2.5 土壤溫度對不同施肥處理下土壤基本理化性狀的影響

圖1-A結(jié)果顯示，隨黃瓜苗生育期的延長，除SMC(H)處理外，其他各施肥處理0～20 cm和20～40 cm土層EC值均呈上升趨勢；CMC處理加溫比不加溫使幼苗期和結(jié)果期0～20 cm土層EC值均增加，20～40 cm在幼苗期低，結(jié)果期略高；SMC處理加溫比不加溫使0～20 cm和20～40 cm土層EC值均明顯提高。

表4 土壤溫度對不同施肥處理下黃瓜根系特征的影響Tab.4 Effect of soil temperature on root characteristic of cucumber in different fertilizer treatments

圖1 土壤溫度對不同施肥處理下土壤基本理化性質(zhì)和脲酶活性的影響Fig.1 Effect of soil temperature on soil physical and chemical properties in different fertilizer treatments

圖1-B結(jié)果顯示，相同施肥處理下，隨黃瓜生育期的延長，0～20 cm土層pH值有下降的趨勢，尤以施肥處理下降幅較大，20～40 cm土層pH值也均降低；CMC處理加溫比不加溫使0～20 cm土層pH值下降，對20～40 cm土層pH值變化影響不大；SMC處理加溫比不加溫使苗期0～20 cm土層pH值略有下降，結(jié)果期pH值略有升高，2個時期20～40 cm土層pH值均有所下降。

圖1-C結(jié)果顯示，隨黃瓜生育期的延長，不加溫條件下CK和SMC處理0～20 cm土層堿解氮含量升高，CMC處理降低；20～40 cm土層堿解氮在前3個施肥處理中有升高的趨勢，豬糞施肥處理中變化不大；CMC處理加溫比不加溫使黃瓜苗期0～20 cm土層堿解氮含量減少，結(jié)果期增加；20～40 cm土層在2個時期堿解氮含量均減少；SMC處理加溫使2個時期0～20 cm土層堿解氮含量均減少，20～40 cm土層均增加。

圖1-D結(jié)果顯示，相同施肥處理下，隨黃瓜生育期的延長，CK(N)、CMC(H)和SMC(N)處理0～20 cm土層速效磷含量增加，CMC(N)和SMC(H)處理速效磷含量均降低；20～40 cm土層速效磷含量變化在各施肥處理中表現(xiàn)不一致，在CMC(N)中減少，在CMC(H)中增加，SMC處理中均明顯減少；加溫比不加溫使CMC處理0～20 cm和20～40 cm土層速效磷含量均增加；SMC處理加溫比不加溫使結(jié)果期0～20 cm，20～40 cm土層速效磷含量降低。

圖1-E結(jié)果顯示，相同施肥處理下，隨黃瓜生育期的延長，0～20 cm土層速效鉀含量均下降，20～40 cm土層均有不同程度升高；CMC處理加溫比不加溫使0～20 cm和20～40 cm土層速效鉀含量均有所升高；SMC處理加溫使苗期速效鉀含量低于不加溫，結(jié)果期略微升高，2個時期20～40 cm土層速效鉀含量均在加溫后升高。

圖1-F結(jié)果顯示，相同施肥處理下，脲酶活性隨著黃瓜的生長有所降低，在CMC(H)、SMC(N)和SMC(H)中下降幅度較大。加溫使CMC處理2個時期0～20 cm土層脲酶活性均增加，前期增加比較明顯，與CMC處理表現(xiàn)相同，加溫使SMC處理2個時期0～20 cm脲酶活性也增加；加溫對20～40 cm土層脲酶變化影響在不同施肥處理中不同，變化幅度不是很大；在黃瓜生長后期，各處理0～20 cm和20～40 cm土層脲酶活性幾乎相同。

3 討論與結(jié)論

在低溫季節(jié)，根區(qū)溫度的重要性并不比氣溫差，如果根區(qū)溫度過低，即使氣溫適宜，定植后的幼苗也不易發(fā)根發(fā)棵[8]。一般蔬菜作物莖葉可忍受8 ℃低溫，根部要求最低12 ℃的溫度[9]。本研究中，CK不加溫土壤溫度維持在10 ℃左右，長期低的土壤溫度限制了黃瓜正常生長，植株長勢弱，維持在營養(yǎng)生長階段。與對照不施有機肥相比，施用有機肥(雞糞和豬糞)可以抵御低土壤溫度對黃瓜生長的不利影響，使黃瓜正常開花結(jié)果，經(jīng)濟產(chǎn)量增加。施用有機肥一方面為土壤提供養(yǎng)分，增加有機質(zhì)含量及微生物數(shù)量[2,10]，同時增施有機肥或深色肥料可改善土壤的熱特性，有利于土壤吸收太陽輻射，提高土壤溫度。本研究結(jié)果顯示，施用有機肥處理可以提高地溫2～3 ℃，且對土壤溫度的影響主要表現(xiàn)在前期，對后期溫度的影響減弱[2]，這些為植物正常生長提供了有利條件。同時，提高土壤溫度可使有機肥對黃瓜生長的促進作用進一步加強，表現(xiàn)在加溫比不加溫使雞糞處理的黃瓜產(chǎn)量提高44.33%，豬糞處理提高31.08%，這與加溫處理下黃瓜植株較高的干物質(zhì)量直接相關(guān)。任志雨[11]對番茄的研究結(jié)果也表明，根區(qū)溫度增加可使番茄地上部生長勢增強。李振東等[12]研究指出，地面覆蓋提高了設(shè)施黃瓜地溫、改善了植株的根際環(huán)境，從而使黃瓜產(chǎn)量提高。

根系直接感應(yīng)土壤環(huán)境的變化，并發(fā)生適應(yīng)性響應(yīng)。有機肥能促進土壤0～20 cm表層土壤根系的發(fā)生和生長，提高細根數(shù)量[13]。較高的根系生物量為地上部生長以及元素吸收提供了基礎(chǔ)。植物根系對根區(qū)溫度脅迫逆境不是被動的忍受，而是通過主動調(diào)節(jié)其生理代謝過程，減緩逆境傷害[14]。本研究結(jié)果顯示，不加溫土壤黃瓜根系平均直徑大、根系粗，可能是由于低溫誘導(dǎo)響應(yīng)的一種適應(yīng)機制。而加溫土壤黃瓜根系面積、根長和根毛數(shù)均增多，說明提高土壤溫度后黃瓜根系截獲能力增強[15]。因此，加溫土壤可促進黃瓜對養(yǎng)分的吸收，主要表現(xiàn)在根系和莖內(nèi)養(yǎng)分濃度增加。此外，土壤加溫促進黃瓜根系吸收的養(yǎng)分向地上部轉(zhuǎn)移，尤其是向終端組織(果實)的轉(zhuǎn)移量增加[16]。本研究顯示，加溫對根系氮和磷濃度的增加比較明顯，葉片大多數(shù)養(yǎng)分濃度在加溫下反而降低，果實養(yǎng)分濃度增加。施用雞糞處理的黃瓜植株各組織干質(zhì)量比豬糞處理低，但雞糞處理下黃瓜產(chǎn)量高于豬糞處理，可能與雞糞處理下養(yǎng)分向果實轉(zhuǎn)運量大有關(guān)。

此外，土壤加溫也改善了黃瓜果實的品質(zhì)，主要表現(xiàn)在果實可溶性蛋白和果皮葉綠素含量的增加，同時加溫也減少了硝酸鹽在果實內(nèi)的積累。杜少平等[17]研究表明，地膜覆蓋增加了土壤表層的地溫，且使西瓜成熟期提前，產(chǎn)量和品質(zhì)均提高，這與根區(qū)溫度的提高促進了光合色素含量和光合速率的增加[18-19]，形成更多的光合產(chǎn)物，利于合成各種物質(zhì)(糖、蛋白等)等有關(guān)。同時，土壤加溫條件下，養(yǎng)分吸收量增加也為地上部光合作用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[16]。

本研究結(jié)果顯示，加溫使CMC和SMC處理土壤表層0～20 cm土層EC值增加，可能主要是堿解氮和速效磷含量增加而導(dǎo)致的。楊佳佳等[20]研究表明，增加土壤溫度25 ℃比10 ℃使土壤有效磷含量顯著增加，而土壤有機磷含量顯著降低。20～40 cm土層EC值的增加與堿解氮和速效鉀向下移動有著重要的關(guān)系。此外，土壤溫度升高可以增加土壤溶解性有機質(zhì)含量[21-24]，這為根系提供更多的有效養(yǎng)分。施用有機肥處理比對照不施有機肥處理均使土壤脲酶活性增加。尤彩霞等[25]研究表明，施用有機肥可提高土壤脲酶活性，追施氮肥亦可使土壤酶活性提高，與本研究結(jié)果一致。同時，增加土壤溫度使0～20 cm表層土壤脲酶活性增高。Sardans等[26]研究表明，增加土壤溫度使冬季和春季土壤脲酶活性升高，脲酶活性的增加，使更多的有機氮轉(zhuǎn)化為有效氮，從而使根系吸收更多的氮素。有關(guān)土壤溫度對養(yǎng)分的釋放、轉(zhuǎn)化及作物吸收間的關(guān)系尚需進一步研究。通過合理施用有機肥可為反季節(jié)黃瓜設(shè)施栽培安全生產(chǎn)提供保障，適當(dāng)增加土壤溫度可實現(xiàn)黃瓜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，有關(guān)土壤加溫幅度與黃瓜產(chǎn)量間的相關(guān)性還有待進一步研究。

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