鄭 健 殷李高 朱傳遠(yuǎn) 馬 靜 張平安

(1.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 蘭州 730050； 2.甘肅省生物質(zhì)能與太陽(yáng)能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730050； 3.蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心， 蘭州 730050)

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)是由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化集約型農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的有效方式，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必由之路[1]。我國(guó)西北干旱半干旱地區(qū)干旱缺水，不利于農(nóng)業(yè)發(fā)展，但具有海拔高、氣候冷涼、年降雨量少、日照充足、升溫速度快等特點(diǎn)，適宜發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)[2]。同時(shí)，隨著國(guó)家退耕還林和生態(tài)環(huán)境重建政策的落實(shí)，以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)成為西北農(nóng)村經(jīng)濟(jì)中的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)[3]。近年來(lái)，受經(jīng)濟(jì)效益的驅(qū)使，廣大農(nóng)戶為了追求短期的經(jīng)濟(jì)效益，通過(guò)大量施用化肥提高作物產(chǎn)量，化肥投入量甚至是大田種植的數(shù)十倍。過(guò)多養(yǎng)分的不斷堆積，造成了設(shè)施土壤環(huán)境的惡化和嚴(yán)重的養(yǎng)分失衡[4]，嚴(yán)重制約了設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此，有必要開(kāi)展設(shè)施農(nóng)業(yè)適宜肥料種類和科學(xué)施肥模式研究，改善設(shè)施土壤環(huán)境，提高設(shè)施土壤的可持續(xù)利用。

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)畜禽糞便年產(chǎn)量超過(guò)221億t，占農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的40%以上[4]。為解決畜禽養(yǎng)殖污染，戶用沼氣和規(guī)模化沼氣工程迅速發(fā)展，截止2015年底，我國(guó)已有5 000多萬(wàn)口戶用沼氣池[5]。沼氣生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量沼液，而沼液是一種養(yǎng)分全面、速緩肥效兼?zhèn)涞膬?yōu)質(zhì)有機(jī)肥料。研究表明，施用沼液后能夠改善作物根區(qū)土壤環(huán)境，疏松土壤，有利于微生物生長(zhǎng)，并能夠調(diào)整微生物種群分布，為作物增產(chǎn)、高產(chǎn)提供必要的基礎(chǔ)條件[6-9]。目前，對(duì)于沼液的施用多參考化肥施用模式進(jìn)行，采用水、沼液分開(kāi)施用的方式，沒(méi)有考慮沼液含水率高、低肥的特性[10-14]。同時(shí)，施用后對(duì)設(shè)施土壤物理、化學(xué)及土壤生物學(xué)特性綜合分析的影響研究相對(duì)較少。

基于此，本文將水和沼液一體化，在番茄生長(zhǎng)的全生育期施用，研究不同沼液施用配比及灌溉量對(duì)作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤生態(tài)環(huán)境的影響，為沼液在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的科學(xué)運(yùn)用提供理論支撐，為設(shè)施農(nóng)業(yè)中土壤環(huán)境的改善、質(zhì)量退化的防治以及設(shè)施土壤的可持續(xù)利用提供新思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究對(duì)象為蘭州市七里河區(qū)魏嶺鄉(xiāng)綠化村的設(shè)施蔬菜水肥一體化示范點(diǎn)的溫室大棚。日光溫室長(zhǎng)50 m，寬10.5 m，高4 m，位于北緯36°3′、東經(jīng)103°40′，平均海拔1 872 m，日光充足，干旱少雨，年平均氣溫8.9℃，無(wú)霜期150 d左右，年平均降水量310.5 mm，多集中在7—9月，年平均蒸發(fā)量1 158.0 mm。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1供試作物種類

供試作物為番茄“紅寶三號(hào)”，是早熟大紅果硬果品種，2017年3月12日播種，4月7日幼苗略大四葉一心時(shí)定植，7月30日拉秧結(jié)束試驗(yàn)。

1.2.2供試土壤

土壤類型為壤質(zhì)黏土，其中砂粒、粉粒和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為38.92%、21.06%、40.02%。1 m土層內(nèi)土壤平均容重1.40 g/cm3，田間持水率為25%(質(zhì)量含水率)。作物種植前測(cè)得土壤養(yǎng)分狀況為：0～40 cm土層有機(jī)質(zhì)平均質(zhì)量比為9.1 g/kg，全氮質(zhì)量比為0.575 g/kg，全磷質(zhì)量比為1.531 g/kg，全鉀質(zhì)量比為1.586 g/kg，試驗(yàn)前土壤pH值為8.05。

1.2.3供試沼液

試驗(yàn)用的沼液取自蘭州市花莊鎮(zhèn)的甘肅荷斯坦良種奶牛繁育中心正常發(fā)酵、正常產(chǎn)氣的沼氣池中，該沼氣工程以牛糞為發(fā)酵原料。沼液原液pH值為7.23，養(yǎng)分狀況為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量濃度10.75 g/L，全氮質(zhì)量濃度為1.036 g/L，全磷質(zhì)量濃度為0.533 g/L，全鉀質(zhì)量濃度為1.186 g/L，試驗(yàn)前將沼液靜置2個(gè)月，待其理化性質(zhì)穩(wěn)定后，用4層紗布(32目)過(guò)濾掉沼液中較大的懸浮顆粒備用。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)沼液配比(沼液、水體積比分別為1∶4、1∶6和1∶8)，3個(gè)灌溉量(灌溉量W=KcAEp，其中Kc為作物-皿系數(shù)，分別為0.6、0.8和1.0；A為小區(qū)面積，本試驗(yàn)中為30 cm×50 cm；Ep為兩次灌水間隔蒸發(fā)皿累計(jì)蒸發(fā)量)。具體設(shè)置如下：T1～T3沼液配比均為1∶4，Kc分別為0.6、0.8和1.0；T4沼液配比為1∶6，Kc為0.8；T5沼液配比為1∶8，Kc為0.8。同時(shí)，設(shè)置C0和CK作為對(duì)照組，C0為Kc=0.8的純水對(duì)照組，CK為大棚里未經(jīng)過(guò)任何耕作處理，且不施用沼液和水的空白對(duì)照。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組排列。番茄株距設(shè)為30 cm，行距50 cm。小區(qū)周邊設(shè)保護(hù)行，為了防止小區(qū)間水肥相互滲透影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，用埋深1 m的塑料布將相鄰的兩個(gè)小區(qū)分開(kāi)。試驗(yàn)采用沼液穴孔灌溉，穴孔設(shè)在沿壟方向距作物10 cm處，每株作物兩邊各一個(gè)，直徑7 cm，深度5 cm。在番茄的全生育周期里采用安裝在大棚內(nèi)直徑為20 cm的蒸發(fā)皿來(lái)測(cè)量蒸發(fā)量，灌溉量以每隔1 d 08:30測(cè)定的蒸發(fā)量乘以灌溉面積確定，灌溉頻率為2 d/次。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1番茄生理形態(tài)指標(biāo)

每個(gè)處理選取具有代表性的3株，自番茄定植后第6天開(kāi)始(2017年4月9日)，每隔8 d測(cè)定一次株高和莖粗直至番茄植株打頂(6月20日)。株高用米尺從莖基開(kāi)始量取，莖粗用千分尺采用十字交叉法在莖稈基部測(cè)量直徑，主根長(zhǎng)用米尺測(cè)定；采用圖像法測(cè)定葉面積；在番茄各生育期每個(gè)處理選取具有代表性的3株采用破壞性取樣，將根、莖、葉、果分別裝入紙袋，在105℃干燥箱殺青30 min后，調(diào)至75℃恒溫干燥至恒定質(zhì)量，待冷卻后用電子天平(精度為0.01 g)稱干質(zhì)量，根冠比為地下部分與地上部分干物質(zhì)量的比值。

1.4.2番茄品質(zhì)及產(chǎn)量指標(biāo)

可溶性固形物含量：采用WAY-2S型阿貝折射儀測(cè)定。維生素C含量：鉬藍(lán)比色法[15]?？傻味ㄋ岫群浚旱味ǚ??？扇苄钥偺呛浚狠焱壬?。番茄果實(shí)成熟期每隔2～4 d采收一次，記錄采收時(shí)間、單株成熟的果實(shí)數(shù)目及產(chǎn)量，各處理產(chǎn)量為該處理單株產(chǎn)量的總和。

1.4.3土壤環(huán)境指標(biāo)

在番茄不同生育期(苗期、開(kāi)花結(jié)果期、果實(shí)膨大期、果實(shí)成熟期)分別用內(nèi)徑50 mm、高51 mm環(huán)刀取土，分次取0～20 cm的土層土樣，每個(gè)處理分別重復(fù)取3次，土樣采用低溫(-20℃)保存，用來(lái)測(cè)定土壤微生物及土壤酶活性。土壤中可培養(yǎng)微生物數(shù)量的測(cè)定采用稀釋平板法[16]，細(xì)菌數(shù)量采用PDA培養(yǎng)基，真菌數(shù)量采用馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌數(shù)量采用高氏1號(hào)培養(yǎng)基。過(guò)氧化氫酶活性用KMnO4滴定法[3]，蔗糖酶活性采用還原糖滴定法[3]，脲酶活性采用靛酚比色法[3]。

在種植作物試驗(yàn)結(jié)束后，選取不同處理番茄植株根系不同土層深度(0～40 cm)的原狀土，用兩種不同規(guī)格的環(huán)刀(內(nèi)徑61.8 mm、高40 mm；內(nèi)徑50 mm、高51 mm)分別在同一土層剖面取3個(gè)土樣備用。內(nèi)徑61.8 mm、高40 mm的環(huán)刀取樣后采用變水頭法，用純水測(cè)定土壤飽和導(dǎo)水率(結(jié)果換算成10℃下的土壤飽和導(dǎo)水率)[17]；內(nèi)徑50 mm、高51 mm的環(huán)刀取樣后用來(lái)測(cè)土壤干容重、土壤含水率、孔隙度、pH值等。其中，土壤容重用環(huán)刀法測(cè)定[18]；土壤初始含水率采用干燥法測(cè)定(105℃，8 h)[19]；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法[20]；土壤pH值采用pH計(jì)電位法測(cè)定(PHS-25型便攜式pH計(jì)，上海雷磁儀電科學(xué)儀器股份有限公司)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Origin 9.0、Excel 2017軟件繪制圖表，采用SPSS 20.0軟件對(duì)所測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥方式對(duì)設(shè)施番茄生長(zhǎng)的影響

不同施肥處理番茄收獲時(shí)的生長(zhǎng)發(fā)育特征見(jiàn)表1。由表1可知，T3處理的番茄的株高最大，分別比T1、T2、T4、T5、C0高11.38%、3.51%、10.27%、14.93%、24.11%。相同沼液配比，番茄株高隨沼液灌溉量的增大而增加，由小到大依次為T1、T2、T3。相同沼液灌溉量，番茄株高與沼液配比呈正相關(guān)，即沼液含量越高番茄株高越大，由大到小依次為T2、T4、T5。番茄莖粗的生長(zhǎng)變化規(guī)律與株高變化相一致，T3處理番茄莖粗最大，較C0高15.59%，而莖稈的直徑可以作為衡量作物健壯程度的指標(biāo)，也在某種程度上決定了產(chǎn)量的高低[21]。從單株葉面積來(lái)看，T3處理的單株葉面積最大，C0純水對(duì)照組單株葉面積最小，T3處理比C0高33.92%，差異顯著(P<0.01)。各處理單株葉面積均隨沼液配比和灌溉量的增加呈增大趨勢(shì)，而主根長(zhǎng)和根冠比與沼液配比和灌溉量呈負(fù)相關(guān)，C0處理的主根長(zhǎng)最大，T3處理的主根長(zhǎng)最小，C0處理較T3處理高7.94%，主根長(zhǎng)和沼液配比以及沼液灌溉量呈負(fù)相關(guān)。各處理根冠比差異不明顯，但較C0處理，施用沼液會(huì)降低根冠比。由T1、T2、T3處理可知，相同沼液配比條件下(1∶4)，根冠比隨沼液灌溉量增加而減?。挥蒚2、T4、T5處理可知，相同灌溉量條件下(0.8AEp)，根冠比與沼液配比呈負(fù)相關(guān)。表明在水肥供應(yīng)充足的情況下，光合產(chǎn)物主要積累在地上部分，莖葉生長(zhǎng)比較旺盛，使植物的根冠比降低，而缺肥缺水時(shí)，植物地上部分生長(zhǎng)受阻，地下部分在與地上部分競(jìng)爭(zhēng)水分和養(yǎng)分時(shí)表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)，植物的根冠比變大，進(jìn)一步論證了不同水肥施用模式可以調(diào)節(jié)作物根系和冠部的生長(zhǎng)狀況，從而保證作物處于最佳的生長(zhǎng)狀態(tài)。

表1 不同施肥處理番茄收獲時(shí)的農(nóng)藝性狀Tab.1 Agronomic characters of tomatoes harvested with different fertilizers

注：同列不同字母表示P<0.05水平下差異顯著(Duncan檢驗(yàn))，下同。

2.2 施肥方式對(duì)設(shè)施番茄品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

從表2可以看出，相比于C0對(duì)照組，灌施沼液可以增加番茄維生素C、可溶性總糖、可滴定酸度、可溶性固形物含量以及增大番茄糖酸比。T2處理的番茄維生素C含量最高，為19.973 mg/(100 g)，較T1、T3、T4、T5、C0處理高6.49%、2.18%、4.49%、8.69%、25.45%。從T2、T4、T5處理可知，灌溉量相同時(shí)，番茄維生素C含量同沼液配比呈正相關(guān)，即番茄維生素C含量隨沼液配比的增加而增大。各處理番茄可溶性總糖含量由大到小依次為T2、T3、T4、T1、T5、C0，T2處理比T1、T3、T4、T5、C0處理分別高14.07%、1.64%、4.16%、36.48%和62.58%。施用沼液會(huì)在一定程度上提升番茄可滴定酸度含量，但可以較明顯提高可溶性糖含量和糖酸比。說(shuō)明可以通過(guò)施用沼液增加番茄可溶性總糖含量來(lái)改善番茄糖酸比，提升番茄口感。

表2 不同施肥處理的番茄品質(zhì)Tab.2 Quality of tomatoes with different fertilizer treatments

圖1 各處理單株產(chǎn)量Fig.1 Yield per plant of each treatment

由圖1可知，沼液施用對(duì)單株產(chǎn)量差異顯著(P<0.05)，各處理番茄產(chǎn)量由大到小依次為T2、T3、T4、T1、T5、C0，T2處理(1∶4、0.8AEp)產(chǎn)量最高，為4.15 kg/株，對(duì)比C0處理，提高了13.22%。相同沼液配比(1∶4)時(shí)，番茄單株產(chǎn)量隨沼液灌溉量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，閾值出現(xiàn)在T2處理，由大到小依次為T2、T3、T1，而在相同的灌溉量時(shí)(T2、T4、T5)，番茄單株產(chǎn)量呈現(xiàn)隨沼液配比的增加而增加的趨勢(shì)，由大到小依次為T2、T4、T5。

2.3 沼液施用對(duì)日光溫室土壤生態(tài)環(huán)境的影響

2.3.1土壤物理環(huán)境的響應(yīng)

從表3可以看出，果實(shí)成熟期土壤容重隨土層深度增加呈上升的趨勢(shì)，相對(duì)C0和CK處理，各施用沼液處理土壤容重均有所降低，由大到小依次為T3、T2、T4、T1、T5，降低幅度為2.13%～8.97%(P<0.05)，表明沼液配比越大、灌溉量越大，土壤容重降低幅度越大。C0處理的土壤容重較CK有所增大，增幅在2.07%～2.90%之間(P<0.05)。土壤總孔隙度與土層深度呈負(fù)相關(guān)，相同沼液配比的條件下(T1、T2和T3)，不同土層深度土壤總孔隙度隨沼液灌溉量的增大而增加。相同沼液灌溉量的條件下(0.8AEp)，不同土層深度土壤總孔隙度隨沼液配比量的增大而增加。較CK處理，C0處理各層土壤總孔隙度均有所下降。表明施用沼液可以適度降低土壤容重，增大土壤孔隙度，改善土壤物理環(huán)境，而純水灌溉會(huì)增加土壤容重，這與王建東等[22]的研究結(jié)果相同。

同時(shí)由表3可知，不同土層深度的土壤含水率與所施用沼液配比無(wú)明顯相關(guān)性，與沼液灌溉量呈正相關(guān)，即沼液灌溉量越大，土壤含水率越高。CK組土壤含水率隨土層深度呈自上到下的增加趨勢(shì)，而施用沼液和純水的各處理，土壤含水率隨土層深度呈先增大后減小的拋物線趨勢(shì)，在0～20 cm之間先逐漸增加，閾值均出現(xiàn)在10～20 cm，過(guò)了閾值以后出現(xiàn)下降趨勢(shì)，在20～40 cm之間逐漸減少。

表3 果實(shí)成熟期不同土層深度土壤容重、含水率和總孔隙度變化情況Tab.3 Changes of soil bulk density, initial moisture content and total porosity at different soil depths during fruit ripening stage

由圖2可知，在垂直剖面上，土壤飽和導(dǎo)水率均隨土壤深度的增加而下降。相對(duì)于CK組，采用沼液灌溉各處理(T1～T5)土壤飽和導(dǎo)水率均呈上升趨勢(shì)，而純水灌溉處理(C0)土壤飽和導(dǎo)水率較CK處理有所下降。T3處理平均土壤飽和導(dǎo)水率最大，C0處理最小，各沼液處理的平均土壤飽和導(dǎo)水率與沼液配比以及灌溉量呈正相關(guān)關(guān)系，即隨沼液配比和沼液灌溉量的增大，平均土壤飽和導(dǎo)水率增大。說(shuō)明沼液施用可以增大土壤飽和導(dǎo)水率，改善土壤物理環(huán)境。

2.3.2土壤化學(xué)環(huán)境的響應(yīng)

各處理收獲時(shí)植株根區(qū)不同土層深度土壤pH值和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比見(jiàn)表4。從土壤pH值變化來(lái)看，隨著土層深度的增加各處理土壤pH值均有降低的趨勢(shì)，且沼液灌溉條件下各土層pH值均小于C0和CK處理，其降低幅度為1.25%～3.75%(P<0.05)。采用不同沼液配比和灌溉量施用時(shí)，土壤pH值在各土層變化由大到小整體上為T3、T2、T4、T5、T1。相同灌溉量下，隨著沼液配比增大，對(duì)土壤pH值的降低作用逐漸增強(qiáng)，而在相同沼液配比條件下，隨著灌溉量的增加土壤pH值也逐漸下降，純水處理(C0)表層土壤(0～20 cm)的pH值有所下降。說(shuō)明灌施沼液有利于土壤pH值的降低，可為溫室土壤的次生鹽漬化防治提供新思路。

圖2 不同處理的沼液灌溉下土壤剖面飽和導(dǎo)水率Fig.2 Saturated hydraulic conductivity of soil profiles under different treatments of biogas slurry irrigation

表4 果實(shí)成熟期不同土層深度土壤pH值及有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比Tab.4 Soil pH and organic matter quality ratio at different soil depths during fruit ripening stage

從土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比變化來(lái)看，C0處理土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化規(guī)律與CK處理一致，其土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度增加呈下降趨勢(shì)。沼液各處理(T1～T5)土壤有機(jī)含量總體變化規(guī)律均隨土層深度呈先增加后降低的趨勢(shì)。在相同沼液配比條件下，各土層深度土壤有機(jī)含量隨沼液灌溉量的增加而增加；在相同沼液灌溉量條件下，各土層深度土壤有機(jī)質(zhì)含量與沼液配比呈正相關(guān)，即各土層深度土壤有機(jī)質(zhì)含量隨沼液配比的增大而增大。說(shuō)明沼液施用可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，而土壤有機(jī)質(zhì)是土壤結(jié)構(gòu)形成和穩(wěn)定作用的核心物質(zhì)，它能夠團(tuán)聚土壤顆粒形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體[23]，進(jìn)而改善土壤環(huán)境。

2.3.3土壤生物學(xué)特性的響應(yīng)

2.3.3.1土壤菌群

土壤中微生物菌群分布廣、數(shù)量大、種類多，是土壤生物中最活躍的部分，不僅可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，還可以增強(qiáng)植物對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的吸收能力，對(duì)維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡具有重要意義[24]。表5是番茄全生育期內(nèi)土壤微生物區(qū)系變化情況。對(duì)比C0組，施用沼液明顯增加各生育期內(nèi)細(xì)菌數(shù)量。在相同沼液配比條件下，各生育期內(nèi)土壤細(xì)菌數(shù)量隨沼液灌溉量的增大而增加。在相同沼液灌溉量條件下，各生育期內(nèi)土壤細(xì)菌數(shù)量同沼液配比呈正相關(guān)。同時(shí)，各處理在全生育期內(nèi)的土壤細(xì)菌數(shù)量自苗期到果實(shí)膨大期呈增加趨勢(shì)，閾值出現(xiàn)在果實(shí)膨大期，達(dá)到峰值后呈下降趨勢(shì)。

表5 不同生育期內(nèi)番茄土壤微生物區(qū)系變化情況Tab.5 Changes of soil microbial flora in tomato at different growth stages CFU/g

從真菌數(shù)量的變化規(guī)律來(lái)看，各處理的土壤真菌數(shù)量在全生育期內(nèi)總體表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，閾值出現(xiàn)在果實(shí)膨大期。沼液灌溉處理較C0對(duì)照組，土壤真菌數(shù)量均表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，但隨著沼液配比的增大，真菌數(shù)量的增幅變緩，平均增幅由最大的10.28%下降到5.99%，即隨著沼液配比和灌溉量的增加會(huì)表現(xiàn)出抑制真菌數(shù)量增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

放線菌數(shù)量的變化規(guī)律表明，各處理放線菌的數(shù)量自番茄苗期到果實(shí)成熟期表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，果實(shí)成熟期的放線菌數(shù)量最高。在相同沼液配比條件下(1∶4)，土壤放線菌數(shù)量隨沼液灌溉量的增大而增加。在相同沼液灌溉量條件下(T2、T4、T5)，土壤放線菌數(shù)量隨沼液配比的增大而增加。

2.3.3.2土壤酶活性

土壤酶參與了腐殖質(zhì)的合成和分解，使植物和微生物殘?bào)w的分解轉(zhuǎn)化成植物可利用的養(yǎng)分形態(tài)[24]。不同沼液處理對(duì)日光溫室土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響(表6)表明：不同沼液配比及沼液灌溉量對(duì)溫室土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響較小，總體表現(xiàn)為隨著沼液配比及灌溉量的增加，過(guò)氧化氫酶的活性略有變大。在全生育期內(nèi)分析，隨著番茄生育階段的推進(jìn)，過(guò)氧化氫酶活性逐漸增強(qiáng)，在果實(shí)成熟期的活性最高，初步分析是因?yàn)楣麑?shí)成熟期時(shí)值6—7月，此時(shí)溫室內(nèi)平均溫度比較高，由此導(dǎo)致過(guò)氧化氫酶的活性較高，表明溫度對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響更大。

表6 不同施肥處理對(duì)溫室土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響Tab.6 Effect of different fertilization on dynamic changes of catalase activity in greenhouse soil mL/g

不同沼液施肥處理后，溫室土壤蔗糖酶活性如圖3所示，不同處理的沼液灌溉后均會(huì)提升日光溫室土壤蔗糖酶活性。T3處理土壤蔗糖酶活性最高，表明沼液配比及沼液灌溉量越大，提升土壤蔗糖酶活性的能力越大。從苗期到果實(shí)膨大期，蔗糖酶活性均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，閾值出現(xiàn)在果實(shí)膨大期，達(dá)到峰值后蔗糖酶活性隨著番茄生育期的推進(jìn)變?nèi)?。果?shí)膨大期土壤蔗糖酶活性最高，表明這個(gè)時(shí)期酶促反應(yīng)加快，能夠加快有機(jī)物質(zhì)的分解，促進(jìn)番茄生長(zhǎng)。

圖3 不同施肥處理對(duì)溫室土壤蔗糖酶活性的影響Fig.3 Effect of different fertilization on dynamic changes of sucrase activity in greenhouse soil

從圖4可以看出，隨著番茄的生長(zhǎng)，溫室土壤脲酶活性呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)，自苗期到開(kāi)花結(jié)果期呈下降趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在開(kāi)花結(jié)果期，此后隨著生育期的推進(jìn)呈上升趨勢(shì)，且沼液施用量會(huì)在一定程度上增加脲酶活性。在相同沼液配比條件下，土壤脲酶活性最高的是T2處理，表明脲酶活性會(huì)隨著沼液灌溉量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)。相同沼液灌溉量的條件下，沼液配比越大提升土壤脲酶活性的能力越強(qiáng)。

圖4 不同施肥處理對(duì)溫室土壤脲酶活性的影響Fig.4 Effect of different fertilization on dynamic changes of urease activity in greenhouse soil

3 討論

設(shè)施農(nóng)業(yè)由于其經(jīng)濟(jì)效益高和對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛推廣，但與之相悖的過(guò)量施加化肥和高強(qiáng)度的種植模式來(lái)增加經(jīng)濟(jì)效益導(dǎo)致設(shè)施土壤透氣性差、土壤養(yǎng)分失衡和土壤結(jié)構(gòu)惡化等后果，致使設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)入瓶頸期。近年來(lái)多種研究均表明沼液農(nóng)用可以促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育、提高產(chǎn)量以及改善品質(zhì)。沼液應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)不僅可以減少化肥使用從而降低化肥對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的危害，又可以解決集約化禽畜養(yǎng)殖的糞便任意排放帶來(lái)的環(huán)境壓力問(wèn)題。

ZHANG等[25]研究表明，沼液是一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料，富含豐富的有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，不僅可以維持農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，并且能夠明顯改善土壤的理化性質(zhì)，與合成肥料相比，重金屬含量更低。DUAN等[26]研究也表明，適量灌溉厭氧發(fā)酵后的沼液有助于溫室黃瓜產(chǎn)量的提高以及品質(zhì)的改善，并能降低碳排放。趙莉等[27]試驗(yàn)結(jié)果表明，沖施沼液沼渣同樣能有效促進(jìn)株高與莖粗的生長(zhǎng)發(fā)育，增加辣椒功能葉片的葉綠素，且每次每公頃沖施沼液沼渣4 500～6 750 kg時(shí)，辣椒產(chǎn)量最高。本文研究了不同沼液配比及灌溉量對(duì)設(shè)施番茄農(nóng)藝性狀、品質(zhì)及產(chǎn)量的影響。發(fā)現(xiàn)施用沼液可以明顯提高番茄的株高、莖粗以及單株葉面積，這與ABUBAKER等[4]研究結(jié)果一致，該研究表明沼液復(fù)合微生物菌肥的施用都可顯著地促進(jìn)不同生育期番茄植株的生長(zhǎng)，且其促進(jìn)作用優(yōu)于其他無(wú)機(jī)肥等施肥類型。這是因?yàn)檎右褐懈缓S富的N、P、K等必需營(yíng)養(yǎng)元素及微量元素，對(duì)于植物根系起到了“速效營(yíng)養(yǎng)庫(kù)”的作用，滿足植株的營(yíng)養(yǎng)需要[28]。本文研究還發(fā)現(xiàn)，主根長(zhǎng)和根冠比與沼液配比以及沼液灌溉量呈負(fù)相關(guān)，HERRMANN等[29]研究表明，根冠比和壯苗指標(biāo)的變化，可作為施肥是否合適的一個(gè)重要指標(biāo)。而施用沼液可以降低根冠比，這充分說(shuō)明水肥可以調(diào)節(jié)作物根系和冠部的生長(zhǎng)狀況，從而保證作物處于最佳的生長(zhǎng)狀態(tài)。同時(shí)，本試驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)，沼液灌溉可以增加番茄維生素C、可溶性總糖、可滴定酸度、可溶性固形物含量以及增大番茄糖酸比和單株產(chǎn)量，雖然施用沼液會(huì)略微提升番茄可滴定酸度含量，但可溶性糖含量的增加幅度大于可滴定酸度含量，故施用沼液會(huì)增大番茄的糖酸比，說(shuō)明施用沼液可以通過(guò)增加番茄可溶性總糖含量來(lái)改善番茄糖酸比，從而改善番茄口感，這與王衛(wèi)平等[30]研究結(jié)果一致，此外，羅華等[31]的研究也表明可溶性糖是影響口感的主要因素之一，并對(duì)作物采后貯藏、運(yùn)輸中的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)變化也有重要影響。

姚向君等[32]研究表明，沼液含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，是農(nóng)作物的無(wú)公害長(zhǎng)效肥料，施用后能增產(chǎn)增收、改善土壤環(huán)境和土壤結(jié)構(gòu)。本文研究發(fā)現(xiàn)，灌施沼液可以降低設(shè)施土壤容重、增大土壤總孔隙度、增大土壤飽和導(dǎo)水率，但土壤含水率和沼液配比關(guān)系不大，只與沼液灌溉量呈正相關(guān)關(guān)系。而土壤容重是反映土壤松緊程度的重要指標(biāo)，土壤松緊狀況是土壤重要的物理性質(zhì)之一，直接影響土壤肥力狀況和植物根系的發(fā)育[33]，沼液各處理的試驗(yàn)結(jié)果充分說(shuō)明沼液可以通過(guò)改善土壤容重和土壤物理結(jié)構(gòu)來(lái)改善設(shè)施作物的生長(zhǎng)環(huán)境從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。趙曉艷[34]研究表明，有機(jī)肥中含有大量的微生物，而微生物能夠分解土壤中的有機(jī)物，產(chǎn)生多糖膠、脂肪、蠟等物質(zhì)，能起到膠結(jié)作用，達(dá)到改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而降低土壤容重，提高總孔隙度。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)施用沼液可以增大土壤飽和導(dǎo)水率，而HENDRY等[35]認(rèn)為土壤飽和導(dǎo)水率與土壤質(zhì)地、體積質(zhì)量和孔隙度關(guān)系緊密，進(jìn)一步說(shuō)明，沼液灌溉可以增大土壤孔隙，提高土壤飽和導(dǎo)水率，改善設(shè)施土壤物理結(jié)構(gòu)。

土壤pH值能夠客觀反映土壤酸堿程度。設(shè)施栽培中土壤鹽分積累是最突出的問(wèn)題，也是最大的土壤障礙因子[36-37]。王衛(wèi)平等[38]的研究結(jié)果顯示，施用沼液可以降低土壤全鹽含量和電導(dǎo)率，對(duì)改良溫室大棚土壤的次生鹽漬化有顯著作用。本研究也再次證明了上述結(jié)論，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)灌施沼液后可以降低土壤pH值，而純水灌溉則略微降低土壤pH值。杜臻杰等[39]認(rèn)為，沼液中富含多糖和腐殖酸這些弱酸性功能團(tuán)不僅能降低堿性土壤的pH值，還能提高土壤對(duì)酸堿度變化的緩沖性能，且隨沼液配比和灌溉量增加，多糖和腐殖酸的量增大，中和土壤pH值的能力越強(qiáng)，而純水灌溉是將測(cè)定土壤中的鹽分帶到土體的深層，從而導(dǎo)致表層土壤pH值的下降。因此，在溫室大棚次生鹽漬化土壤的改良中可以考慮采用沼液。此外本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，灌施沼液可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，這是因?yàn)檎右罕旧砭透缓S富有機(jī)質(zhì)，而有機(jī)質(zhì)能吸附較多的陽(yáng)離子，使土壤具有較高的保肥性和緩沖性，同時(shí)還能疏松土壤，有利于土壤結(jié)構(gòu)體的形成[7]，故沼液施用不僅可以改善土壤物理環(huán)境，同時(shí)也可以改善土壤化學(xué)環(huán)境。

國(guó)內(nèi)外諸多研究已證實(shí)施用沼液除了可以增加作物產(chǎn)量以外，還可以影響土壤微生物活性，增加土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量[40-43]，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致。此外，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施用沼液后，在全生育期內(nèi)土壤細(xì)菌數(shù)量表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，閾值出現(xiàn)在果實(shí)膨大期。真菌數(shù)量呈先增加后降低的趨勢(shì)，閾值出現(xiàn)在果實(shí)膨大期。放線菌數(shù)量呈逐漸增加的趨勢(shì)，果實(shí)成熟期的放線菌數(shù)量最高。初步分析是因?yàn)楣麑?shí)膨大期作物生長(zhǎng)旺盛，土壤酶促反應(yīng)越發(fā)劇烈導(dǎo)致植物殘?bào)w分解加快，故為微生物提供的能量物質(zhì)也越多，有利于細(xì)菌和真菌的生長(zhǎng)繁殖；放線菌生長(zhǎng)相較細(xì)菌和真菌而言，競(jìng)爭(zhēng)力較弱，故在營(yíng)養(yǎng)水平高的時(shí)期不占優(yōu)勢(shì)，而在果實(shí)成熟期，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)變得有限再加上細(xì)菌和真菌的生長(zhǎng)變緩，減小了競(jìng)爭(zhēng)，此時(shí)放線菌就變成占據(jù)優(yōu)勢(shì)的一方，故果實(shí)成熟期其生長(zhǎng)旺盛，這與張無(wú)敵等[44]研究結(jié)果相近。郝鮮俊等[24]研究結(jié)果表明，細(xì)菌數(shù)量與真菌數(shù)量比值的降低，是設(shè)施土壤土傳病害的原因之一，施用沼液可以顯著提高連作土壤細(xì)菌數(shù)量與真菌數(shù)量比值，使土壤微生物多樣性增加從而改善土壤微生態(tài)環(huán)境，本試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)施用沼液可以增大細(xì)菌數(shù)量與真菌數(shù)量比值，且在沼液配比1∶4、灌溉量0.8AEp時(shí)細(xì)菌與真菌數(shù)量比值增大幅度最大，進(jìn)一步證實(shí)，T2為各處理中最適合設(shè)施番茄生長(zhǎng)的處理。

土壤酶是土壤中動(dòng)植物及微生物活動(dòng)的產(chǎn)物，施用沼液可以改善土壤酶的活性[43,45]。YANG等[3]研究發(fā)現(xiàn)，施用沼液可以增大土壤脲酶以及蔗糖酶活性，而過(guò)氧化氫酶活性受溫度變化的影響較大，且隨溫度升高有增加的趨勢(shì)，這與本文的研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在全生育期內(nèi)分析，過(guò)氧化氫酶活性隨著作物的生長(zhǎng)而變高，在果實(shí)成熟期的活性最高，因?yàn)楣麑?shí)成熟期時(shí)值6—7月，此時(shí)的平均溫度比較高，由此導(dǎo)致過(guò)氧化氫酶的活性較高，表明溫度對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響更大。試驗(yàn)結(jié)果顯示沼液配比越大，提升土壤蔗糖酶和脲酶活性的能力越大，萬(wàn)海文等[46]認(rèn)為沼液中含有大量易分解的含氮化合物及生物活體，可以分泌脲酶和蔗糖酶等土壤酶類，故隨著沼液配比的增大，分泌脲酶和蔗糖酶的能力越大。從全生育期來(lái)分析，蔗糖酶的活性均表現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)，果實(shí)膨大期土壤蔗糖酶的活性最高，這是因?yàn)楣麑?shí)膨大期生長(zhǎng)旺盛，促進(jìn)蔗糖酶水解成葡萄糖，為微生物提供能量物質(zhì)，有利于有機(jī)物質(zhì)的分解[3]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)全生育期內(nèi)溫室土壤脲酶的活性呈現(xiàn)先下降后上升的現(xiàn)象。而土壤脲酶是決定土壤氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶，隨著作物的生長(zhǎng)，作物根系分泌物增加以及土壤微生物數(shù)量增加導(dǎo)致土壤脲酶活性增強(qiáng)，促進(jìn)土壤有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化，提高土壤氮素肥力，為作物生長(zhǎng)提供更多氮素[3]。

4 結(jié)論

(1)沼液施用對(duì)設(shè)施番茄的農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和品質(zhì)均有顯著影響，沼液灌溉能夠提升設(shè)施番茄的農(nóng)藝性狀，提高作物品質(zhì)及產(chǎn)量，結(jié)合三者(農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和品質(zhì))綜合分析發(fā)現(xiàn)，T2(1∶4、0.8AEp)為各處理中最適宜設(shè)施番茄的生長(zhǎng)模式，更有利于番茄生長(zhǎng)和產(chǎn)量品質(zhì)的形成。

(2)全生育期內(nèi)施用沼液可以降低設(shè)施土壤容重，提高設(shè)施土壤孔隙度和土壤飽和導(dǎo)水率，進(jìn)而改善土壤物理環(huán)境；同時(shí)，施用沼液還可以降低土壤pH值，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤的保肥性和緩沖性，促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)體的形成。

(3)全生育期內(nèi)施用沼液可以明顯提高土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量。全生育期內(nèi)細(xì)菌和真菌數(shù)量自苗期到果實(shí)膨大期呈增加趨勢(shì)，閾值出現(xiàn)在果實(shí)膨大期，達(dá)到峰值以后逐漸下降。而放線菌數(shù)量在生育期內(nèi)呈逐漸增加趨勢(shì)，閾值出現(xiàn)在果實(shí)成熟期。同時(shí)，施用沼液還可以增大土壤細(xì)菌與真菌數(shù)量比值，從而降低設(shè)施土壤土傳病害的能力，在增加土壤微生物多樣性的同時(shí)，還能達(dá)到改善土壤生態(tài)環(huán)境的目的。

(4)沼液灌溉可以提高土壤中過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶以及脲酶的活性。過(guò)氧化氫酶的活性從苗期到果實(shí)成熟期一直增強(qiáng)，閾值出現(xiàn)在果實(shí)成熟期。蔗糖酶的活性在苗期至果實(shí)膨大期之間增加，峰值出現(xiàn)在果實(shí)膨大期，此后其活性逐漸減弱。脲酶活性在生育期內(nèi)呈先降低后增加的趨勢(shì)，開(kāi)花結(jié)果期達(dá)到最小值，然后逐漸增加。