宁南山区膜下滴灌对马铃薯土壤酶活性、土壤养分及产量的影响

夏皖豫 ,陈彦云,2, 柴忠良，李梦露 ,陶星安

(1.宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学生命科学学院，宁夏 银川 750021； 3.宁夏西吉县马铃薯产业服务中心，宁夏 固原 756299)

宁夏南部山区简称“宁南山区”，属于黄河中游黄土丘陵沟壑区，大部分地区年降雨量在 350～400 mm， 属半干旱地区，旱作农田占总耕地面积的90%，是典型的半干旱雨养农业区[1]。该区域干旱少雨，蒸发强烈，水资源十分短缺，加之种植制度不合理，土壤贫瘠，造成本区域旱灾严重[2]，但该地区光照资源充足，热量丰富，昼夜温差大，土层深厚，土质疏松且富含钾素，适合马铃薯生长[3]。因此，为使宁南山区的农业稳定发展，引用了膜下滴灌技术，提高当地马铃薯的品质与产量。

研究表明，膜下滴灌技术能够在作物生长发育过程中将水分及养分适时、适量地供给作物，使作物生长所需要的水、肥、气、热等条件达到优化配置，从而提高产量，改善作物品质[4]。多数学者研究发现，膜下滴灌可减少地面蒸发，减少灌溉水的深层渗漏，保持土壤肥力，能明显提高马铃薯单株商品薯数和单株商品薯重，增加单位面积产量，提高水分利用效率，具有良好的经济、生态和社会效益[3，5-6]。

近年来，土壤酶活性作为土壤质量的不可或缺的组成成分，在土壤物质循环与能量转化过程中起着极为重要的作用，受到关注[7]。孙宇婷[8]通过田间试验发现，膜下滴灌+液态追肥处理与其他处理相比较，能显著提高土壤过氧化氢酶、脲酶和碱性磷酸酶活性，使土壤理化性质得到改善。诸多学者研究发现，覆膜滴灌技术可以提高土壤酶活性,改善土壤环境,为作物根系提供良好的生长条件[9]。本研究采用随机区组试验设计，研究膜下滴灌技术下旱地马铃薯土壤养分和土壤酶活性的变化，从而探究膜下滴灌对马铃薯的增产机制和对土壤肥力的影响，为探寻适宜宁南山区马铃薯的种植方式提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年4—9月在宁夏回族自治区中卫市海原县关庄乡高台村进行，试验地位于105°28′10″N、36°13′54″E，海拔2 020 m。2019年降雨量为491.3 mm，其中马铃薯全育期内降雨量为423.4 mm，年均气温8.21℃，试验区土壤为黑垆土，土壤平均容重为1.356 g·cm-3，平均含水率为17.340%，试验区土壤全磷3.235 g·kg-1、总碳23.60 g·kg-1、全氮2.65 g·kg-1、碱解氮41.08 mg·kg-1、速效磷49.005 mg·kg-1、速效钾355.095 mg·kg-1、有机质10.225 g·kg-1，pH值为7.76。

1.2 试验设计

供试马铃薯品种为冀张薯12号原原种。采用聚乙烯农用地面覆盖地膜进行覆盖，宽度为1 000 mm，厚0.012 mm。采用非复合型内镶贴片式滴灌带。试验处理采用随机区组设计，4个处理为覆膜不滴灌(T1)、滴灌不覆膜(T2)、膜下滴灌(T3)、不覆膜不滴灌(CK)， 各处理重复4次，共16个小区，小区面积为40 m2(10 m×4 m)，株距45 cm，行距55 cm，垄距80 cm，播深25 cm。试验田四周种植4行马铃薯作为保护行。肥料为控释肥0.06 kg·m-2(N-P-K：29-14-8)和生物有机肥0.06 kg·m-2(N-P-K：12-6-8)，作为底肥一次性施入，后期不追肥，起垄、覆膜以及铺滴灌带一次性机械化作业。7月15日和7月29日各防晚疫病一次，其他田间管理均与当地农民一致。4月25日播种，9月16日收获。出苗后于每月的15日进行灌溉，从集雨窖中抽取相应滴灌量的水量进行滴灌，分别于5月15日滴灌9.375 mm、6月15日滴灌28.125 mm、7月15日滴灌46.875 mm、8月15日滴灌46.875 mm。土壤样采集时间为5月29日(发芽期)、6月29日(幼苗期)、7月29日(块茎形成期)、8月27日(块茎膨大期)和9月15日(成熟期)，每个小区以S取样法在耕作层(0～20、20～40 cm)取土样，采集12个小区土壤样品，装入无菌袋中，一部分土样风干后过2 mm筛用于土壤养分的测定，一部分鲜土过2 mm筛后4℃保存，用于土壤酶活性测定。

1.3 土壤理化指标测定

土壤有机质采用重铬酸钾—浓硫酸外加热法，全磷用酸溶钼锑抗比色法，速效钾用醋酸铵提取—火焰光度法，碱解氮用扩散法，速效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定[10]。全氮、总碳用Vario EL Ⅲ型元素分析仪测定[11]。脲酶用靛酚蓝比色法测定，以24 h后1 g土壤NH3-N的毫克数表示；土壤碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法，以1 h后1 g土壤中对硝基苯酚的毫克数表示；转化酶用3，5-二硝基水杨酸比色法，以24 h后1 g土壤葡萄糖的毫克数表示；纤维素酶用3，5-二硝基水杨酸比色法，以72 h后1 g土壤葡萄糖的毫克数表示[12]。

表1 马铃薯成熟期土壤理化性质Table 1 Soil physical and chemical properties during potato maturity

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft excel 2016作图，采用SPSS 22.0数据处理软件进行数据处理。同一生育期内不同处理及不同土层各指标的差异性检验用SPSS 22.0中的单因素方差分析(LSD)，利用Pearson相关分析研究土壤理化性质、产量和酶活性之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同处理下马铃薯成熟期土壤养分分析

不同处理下土壤全磷、速效磷、速效钾、全氮、碱解氮、总碳和有机质指标均表现为0～20 cm土层大于20～40 cm土层。在成熟期0～20 cm土层中，速效磷和速效钾含量均表现为T1、CK与T2、T3之间差异性显著(P<0.05)；速效钾含量T3与T1、T2之间差异性显著(P<0.05)；全氮含量T1与T2、T3、CK处理之间差异性显著(P<0.05)；全磷、碱解氮、总碳和有机质含量各处理之间均无差异性(P>0.05)。20～40 cm土层中，速效磷含量T1、CK与T2、T3之间差异性显著(P<0.05)；速效钾T3与T2处理之间差异性显著(P<0.05)；碱解氮含量T1、T2、T3与CK处理之间差异性显著(P<0.05)；全磷和有机质含量各处理之间均无显著差异(P>0.05)；全氮T2与T1和CK处理之间差异性显著(P<0.05)，且与T3无显著差异(P>0.05)；总碳T3、T2与T1处理差异性显著(P<0.05)，与CK处理差异不显著(P>0.05)。

2.2 不同处理下马铃薯生育期内土壤酶活性的变化

从图1和图2中可以看出，在马铃薯整个生长周期中，土壤脲酶活性呈升高-降低-升高的动态变化，0～20 cm土层和20～40 cm土层中土壤酶活性均在幼苗期达到最高值，在块茎形成期迅速降低，在块茎膨大期和成熟期酶活性逐渐增强。0～20 cm土层中，发芽期T1、T2和T3处理土壤脲酶活性比CK处理分别增加了39.57%、52.31%和69.37%，且T2和T3处理与CK处理差异达到了显著水平(P<0.05);块茎形成期T3处理土壤脲酶活性比CK处理增加了27.05%，差异达到显著水平(P<0.05)；块茎膨大期和成熟期，T2、T3处理土壤脲酶活性均高于CK处理，且块茎膨大期T2、T3与CK处理差异均达到显著水平 (P<0.05)，成熟期T3处理与T1、T2和CK处理之间差异性显著(P<0.05)。20～40 cm土层中，T1、T2和T3处理土壤脲酶活性较CK处理有不同程度提升。发芽期T3处理与T1、T2和CK处理之间差异性显著(P<0.05)；块茎形成期T1处理与CK处理之间差异性显著(P<0.05)；块茎膨大期T3处理土壤脲酶活性比CK处理增加了17.07%，差异达到了显著水平(P<0.05)。

从图3和图4可以看出，在马铃薯全生育期内，0～20 cm和20～40 cm土层间各处理土壤碱性磷酸酶在块茎形成期达到峰值，在块茎膨大期降低，在成熟期活性上升。T1、T2与CK处理的土壤碱性磷酸酶活性呈现出升高-降低-升高的动态变化；T3则呈现出降低-上升-降低-上升的变化趋势。在生育期内，各土层T1、T2和T3处理土壤碱性磷酸酶活性较CK处理有不同程度升高。0～20 cm土层中，块茎膨大期T1和T2处理与CK处理差异达到了显著水平(P<0.05)；成熟期T1、T2和T3处理与CK处理差异达到了显著水平(P<0.05)。20～40 cm土层中，发芽期T3处理酶活性高于其他处理，且与T1达到差异性显著(P<0.05)；块茎膨大期T2和T3处理与CK处理差异达到了显著水平(P<0.05)。

由图5和图6可以看出，在马铃薯整个生长周期内，土壤转化酶在0～20 cm土层中，各处理在发芽期、幼苗期和块茎形成期酶活性波动不大，在块茎膨大期和成熟期转化酶活性下降。在20～40 cm土层中，土壤转化酶呈现出下降-上升-下降的变化趋势。在生育期内，各土层T1、T2和T3处理土壤转化酶活性较CK处理有不同程度升高。0～20 cm土层中，幼苗期T3处理与CK处理差异达显著水平(P<0.05)；块茎膨大期T3处理显著高于T2与CK处理(P<0.05)，与T1无显著性差异(P>0.05)。20～40 cm土层中，发芽期T3处理显著高于T1处理(P<0.05)，且与T2、CK处理无显著差异(P>0.05)；幼苗期T1与T2、CK处理之间差异性显著(P<0.05)，与T3处理无显著性差异(P>0.05)；成熟期T2、T3与T1、CK处理间差异性达到显著水平(P<0.05)。

由图7和图8可以看出，在马铃薯整个生长周期内，在0～20 cm土层中，土壤纤维素酶除T3在块茎膨大期达到峰值，其余各处理在块茎形成期达到峰值；在20～40 cm土层中, 除T1在块茎形成期达到峰值，各处理均在块茎膨大期达到峰值，各土层土壤转化酶呈现出上升-下降的变化趋势。在生育期内，各土层T1、T2和T3处理土壤纤维素酶活性较CK处理有不同程度升高。0～20 cm土层中，发芽期T1与T2之间差异性显著(P<0.05)；块茎形成期T2、T3与T1、CK处理之间差异性显著(P<0.05)；块茎膨大期T1与T2、T3、CK处理之间差异性显著(P<0.05)。20～40 cm土层内，发芽期T2与T3、CK处理差异性显著(P<0.05)；幼苗期T2与T3处理间、T3与CK处理间差异性显著(P<0.05)；块茎膨大期T1与T2、T3、CK处理间，T2与T3处理间差异性显著(P<0.05)；成熟期T1、T2、T3与CK处理间差异性显著(P<0.05)。

2.3 不同处理下马铃薯的产量

由图9可知，T1、T2、T3和CK处理马铃薯产量分别为23.11、27.11、36.24 t·hm-2和17.43 t·hm-2。T1、T2、T3处理马铃薯产量均显著高于CK处理(P<0.05)，T3处理显著高于T1和T2处理(P<0.05)。与CK处理相比，T1、T2和T3处理增产率分别为32.56%、55.55%和107.90%。

2.4 土壤酶活性、马铃薯产量及土壤理化性质间的相关性分析

如表2所示，土壤转化酶与土壤脲酶呈显著正相关(P<0.05)；土壤碱性磷酸酶与土壤转化酶、全磷、速效磷、碱解氮和总碳呈极显著正相关(P<0.01),与有机质呈显著正相关(P<0.05)；土壤转化酶与碱解氮、有机质呈极显著正相关(P<0.01)，与全磷呈显著正相关(P<0.05)；纤维素酶与有机质呈显著负相关(P<0.01)，与速效磷、速效钾呈正相关；产量与速效磷、有机质呈显著正相关(P<0.05)，与碱解氮、速效钾呈正相关；全磷与速效磷、有机质呈显著正相关(P<0.05)；速效磷与总碳呈极显著性正相关(P<0.01)；碱解氮与有机质呈显著正相关(P<0.05)。

表2 马铃薯块茎成熟期土壤酶活性与土壤理化性质以及产量相关性分析Table 2 Correlation analysis of soil enzyme activity,soil physicochemical properties and yield in mature stage

3 讨 论

土壤养分是作物生长发育各阶段所必须的营养元素，是土壤肥力高低的决定性因素[13-14]。本研究结果表明，T3处理可以增加土壤速效钾、有机质与碱解氮；T2处理可以增加有机质和碱解氮；T1处理可以增加有机质、碱解氮、全氮和总碳的含量。吴晓红等[15]研究表明，在施肥量和施肥种类相同，均用复合肥1 500 kg·hm-2的条件下，采用滴灌方式更能促进马铃薯的生长和肥料利用率的提高，使土壤养分的转化效率提高。尹松旭[16]研究发现，膜下滴灌处理能够对土壤水温起到积极调节作用，能够在作物需要水分及养分的关键生育时期，适时、适量地提供水分及养分，有利于作物和土壤微生物生长发育。滴灌可以使土壤中的缓释肥释放的养分到达作物根部，提高了作物对养分的吸收，也提高了肥料利用效率，且膜下滴灌处理>露地滴灌处理[17-19]。这与本研究结果一致，膜下滴灌可以增强土壤养分的转化，使土壤中速效钾、有机质与碱解氮含量提高。

土壤酶主要是由土壤微生物生命活动和植物根系产生，是土壤的组成部分之一，数量虽少，但作用很大，在土壤物质转化和能量转化过程中起主要的催化作用[20]，也是评价土壤养分有效性的敏感指标[21]。研究表明，土壤酶作为催化土壤中各种生理生化反应的重要参与者，受到诸多因素影响，如种植方式、微生物的种类数量、土壤水热条件和植被组成以及根系生长所分泌的物质等[22]。膜下滴灌、滴灌不覆膜和覆膜不滴灌3种不同的种植方式，可以改善田间小气候，引起土壤局部环境内的水气热状况和土壤酶促生化过程发生变化，从而对土壤酶种类和活性产生不同程度直接或间接的影响[23]。

土壤脲酶是土壤中氮转化的关键酶，参与尿素的水解，其活性反应出土壤对酰胺态氮的转化能力和土壤中无机氮的供应能力，也间接反映出土壤的生产力[24]。本研究表明，0～20 cm土层中，除了幼苗期，T3处理脲酶活性均高于其他处理，T2处理脲酶活性高于T1处理，20～40 cm土层中，发芽期和块茎膨大期T3处理脲酶活性显著高于其他处理，说明滴灌种植比覆膜种植更有利于提高土壤脲酶活性，而膜下滴灌使土壤保水力增强，比T1、T2和CK处理更有利于提高土壤脲酸活性，这与尹松旭[16]和任娇[25]的研究结果相似。

土壤碱性磷酸酶可以催化磷酸酯或者磷酸酐水解，使土壤有机磷矿化，有助于作物对磷的吸收，其活性的高低直接影响土壤有机磷的分解转化及其生物有效性[21，26]。本研究中，发芽期内T3处理碱性磷酸酶活性高于其他处理；在块茎膨大期和成熟期，0～20 cm土层，T1、T2和T3处理酶活性均高于CK处理；20～40 cm土层中，酶活性变化无规律性。说明了覆膜不滴灌、滴灌不覆膜和膜下滴灌种植与对照处理相比，可以增强土壤碱性磷酸酶的活性，使植物吸收磷的能力加强，但膜下滴灌效果更明显，这与前人[27]研究一致。本研究中，T3处理在成熟期相较于T1和T2处理酶活性有所下降，可能由于气候原因和作物成熟根系分泌物减少，土壤微环境的改变，使土壤中的酶活性下降，这与赵晓东等[26]研究结论相似。

土壤转化酶参与作物糖分的运输贮藏、碳水化合物的代谢过程，是作物生长发育的关键酶[24]。研究表明，0～20 cm土层中，除幼苗期外，各处理差异不明显，幼苗期T3处理酶活性高于T1、T2和CK，块茎膨大期和成熟期,T1、T2和T3处理酶活性均不同程度高于CK处理；20～40 cm土层幼苗期和成熟期中T1、T2、T3处理酶活性高于CK处理。说明覆膜、滴灌和膜下滴灌的种植方式可以增加土壤转化酶活性，但在发芽期和块茎膨大期，转化酶活性在不同土层中各处理活性强度不同，可能与土壤中的水分、温度和土壤有机质的转化有关，使土壤酶的活性变化规律复杂化，这与朱同彬等[28]研究结果一致。

土壤纤维素酶的来源是土壤中植物残体，以及细菌和真菌[29]，在生态系统和生态碳循环中起重要作用[30]。本研究表明，不同土层土壤纤维素酶活性呈现出先上升后降低的趋势，说明纤维素酶活性受季节性影响，气温与酶活性呈现正相关变化趋势[31]。傅慧兰等[32]研究表明，大豆结荚期酶活性高于播期、成熟期原因可能与连作大豆残体积累和连作根系分泌物的产生、积累有关。由于播种期不产生分泌物和成熟期根分泌物大量减少，土壤呈碱性，也说明这两个时期的环境和营养条件都不利于纤维分解菌的繁殖、活动，使酶活性下降，这与本研究结果类似。本研究中各处理间酶活性变化规律不强，具体原因还待进一步研究。

土壤酶之间的相关性表明，土壤酶不仅具有专一性，同时还具有共性。本研究表明，土壤转化酶与脲酶和碱性磷酸酶相关性达到了显著水平(P<0.05)、极显著水平(P<0.01)，这个结果与范君华等[33]研究结果一致。张雅茜等[34]研究表明，3种水解酶(转化酶、脲酶、酸性磷酸酶)在促进土壤有机质的转化及参与土壤物质转化和能量交换中，不仅显示其专有特性，同时还存在着共性关系，共同影响着土壤肥力的改善。万忠梅等[35]研究表明，酶的专性作用反映了土壤中与某类酶相关的有机化合物的转化过程，而有共性关系酶的总体活性在一定程度上反映土壤的营养状况。土壤中有机质和土壤酶(碱性磷酸酶、转化酶)的相关性比较高，碱性磷酸酶与速效磷，总碳和碱解氮呈现正相关性，碱解氮也与转化酶和碱性磷酸酶呈现正相关性，以上且均达到显著水平或极显著水平，说明这几种酶活性越高，土壤有效养分含量越高，这些有共性的酶，其总体活性在某种程度上反映土壤肥力水平的高低[33]，这与张德喜等[36]、崔雯雯等[37]研究结果相似。

土壤中的养分、酶和微生物等都是植物生长发育中不可或缺的因素[38]，只有在各因素相互协同作用下作物的品质和产量才能得到提升。本研究中，T1、T2和T3处理的增产率为32.56%、55.55%和107.90%。产量与酶活性相关性不显著，与土壤养分(有机质、速效磷)有显著相关性[39-40]，隋跃宇等[41]和高瑞等[42]研究表明，酶活性与土壤养分存在显著差异，作物产量和土壤酶活性显著相关。杨丽娟等[43]和周礼恺[44]研究认为，在用土壤酶活性表征土壤肥力和生产力水平时，需考虑到不同因素的复杂性，其他肥力因素一定程度也影响作用效果。可见，膜下滴灌下土壤养分、酶活性与作物产量有着非常紧密的联系。

4 结 论

宁南山区膜下滴灌对马铃薯土壤酶活性、土壤养分及产量影响的试验表明，覆膜不滴灌、滴灌不覆膜和膜下滴灌种植处理提高了马铃薯的产量，其增产率分别为32.56%、55.55%和107.90%。滴灌可以改善土壤微生态环境，使土壤养分循环能力提高，土壤速效钾、有机质和碱解氮升高，覆膜可以使有机质、碱解氮、全氮和总碳的含量提高。膜下滴灌在马铃薯生育期内可显著提高土壤脲酶、碱性磷酸酶、转化酶和纤维素酶活性，滴灌不覆膜和覆膜不滴灌在马铃薯生育期内也可显著提高这4种酶活性，但膜下滴灌处理更显著。土壤养分与马铃薯产量关系密切，土壤酶活性与养分之间有显著相关性。综上，膜下滴灌可以改善宁南山区马铃薯耕地土壤微生态环境，提高土壤酶活性，改善土壤养分循环能力，增加产量，是干旱半干区马铃薯旱作节水栽培的有效措施之一。