灌水量对土壤酶活性和设施辣椒产量及养分利用的影响

张泽锦,王力明,梁 颖,唐 丽,刘 琼

(1.四川省农业科学院园艺研究所/蔬菜种质与品种创新四川省重点实验室, 成都 610066; 2.四川省蔬菜工程技术研究中心, 四川 彭州 611934;3.攀枝花市农林科学研究院, 四川 攀枝花 617061)

【研究意义】辣椒(CapsicumannuumL.)是茄科辣椒属植物,因其营养丰富,风味独特,深受人们喜爱。四川是我国重要的辣椒种植省份,2018年辣椒栽培面积达11.01×104hm2,产量达267.4×104t[1]。辣椒属浅根系植物,根系比较细弱,吸收能力弱,既不耐旱也不耐涝,土壤过于干旱或灌水太多都易造成根系生长不良,植株生长受到抑制,造成产量和品质下降等[2-4]。因此,水分合理供应对辣椒正常生长发育和提高产量尤为重要。土壤酶是一类具有生物化学催化功能的活性物质,参与土壤中许多重要生物化学过程[5]。土壤酶活性大小反映了其在土壤养分的循环代谢以及植物生长所需养分的供给过程中起到的重要作用,是衡量土壤肥力和土壤生产力的重要指标[6]。土壤水分状况是影响土壤酶发挥作用的重要因素,水分过多或过少均会影响土壤酶活性。有研究表明,较高的土壤含水率可显著提高土壤的酚氧化酶活性和过氧化物酶活性[7]。叶德练等[8]也发现,随灌溉量的减少,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。杨昌钰等[9]研究了水分胁迫对设施延迟栽培葡萄根际土壤酶活性的影响,发现中度和轻度水分胁迫对葡萄果实膨大期和着色成熟期的脲酶、蔗糖酶含量均呈现不同程度的抑制效果。因此,适当提高水分供给可以提高土壤酶活性。【前人研究进展】近年来已有大量关于灌水量对辣椒生长、产量和品质影响的研究报道。前人研究表明,随着灌水量的增加可显著提高辣椒植株的株高、茎粗、干重和鲜重[10]。赵园园等[11]研究了不同灌水定额对辣椒的影响,发现各处理中随灌水定额的增加,辣椒产量和各品质指标均呈现先增大后减小趋势,在23.4 mm灌水量处理的两茬辣椒产量和品质均最高。高佳等[12]研究表明,结果盛期田间持水量为65%～75%可以整体提高辣椒第2次收获的营养品质,苗期田间持水量为65%～75%产量最高。【本研究切入点】已有相关研究分别关注灌溉量对土壤酶活性和辣椒生长的影响,并未综合考虑两方面的相关关系。此外,四川盆地不同灌溉量对设施辣椒产量、品质及养分利用率产生影响鲜有研究报道。【拟解决的关键问题】探讨灌水量对土壤酶活性和辣椒产量、品质及养分利用的影响,以期为四川盆地设施辣椒栽培的合理灌溉及肥料的高效利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年12月至2021年8月在四川省农业科学院新都基地(103°74′ E,30°52′ N)塑料薄膜大棚进行,该区属亚热带湿润季风气候,海拔约500 m,年均气温约16 ℃,年均相对湿度约81.5%,年均降水量约911.7 mm。

供试辣椒品种为兴蔬皱辣3号,购买自湖南兴蔬种业有限公司。供试土壤为壤土,前茬作物为黄瓜。

1.2 试验设计

灌水量共设4个处理,分别为土壤体积含水率的35%～40%(T1)、45%～50%(T2)、55%～60%(T3)和65%～70%(T4)。每个处理重复3次,随机区组排列。小区面积20.8 m2,2021年1月28日选择整齐一致的辣椒幼苗定植于小区内,行距80 cm,株距45 cm,采用膜下滴灌(滴灌带滴头间距30 cm,流量3 L/h)方式进行灌溉。整个生育期利用自动灌溉控制器(GG-006A,上海艾美克·中国)进行灌水量控制,当控制器的水分传感器测得土壤体积含水率低于设置灌水下限时自动打开电磁阀进行灌溉,达到灌水上限则停止灌溉。采用灌溉控制器中土壤水分传感器测得土壤饱和体积含水率为77%,用水表对每个处理的灌水量进行测定,试验结束后,根据小区用水量折算得出不同处理用水量,T1:2695 t/hm2,T2:3226 t/hm2,T3:4392 t/hm2,T4:4733 t/hm2。整个生育期施肥情况见表1。

表1 辣椒施肥情况

1.3 项目测定与方法

1.3.1 土壤样品收集 在辣椒盛果期(5月26日)用土钻采集0～20 cm的表土,每个处理采集5个点,混匀后,放置阴凉通风处进行风干,过10目细筛,保存备用。

1.3.2 土壤酶活性测定 土壤脲酶活性、中性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、β-葡萄糖苷酶活性和过氧化氢酶活性均采用试剂盒进行测定,试剂盒购买自北京盒子生工科技有限公司。

1.3.3 单果重和产量测定 于盛果期(5月26日)在每小区随机采收10个辣椒果实,用1/1000天平进行称量,取其平均值,记为辣椒单果重,重复3次。每次辣椒采收时,以每个小区中20株分别计产,各处理重复产量汇总,并折算单株产量和经济产量。

1.3.4 辣椒果实品质测定 盛果期(5月26日)每小区随机采收10个辣椒果实带回实验室,维生素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,均参照李合生[13]的方法进行测定。辣椒素采用植物辣椒素(Capsaicin)ELISA检测试剂盒进行测定,试剂盒购买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实中氮、磷和钾含量测定 在辣椒收获期收获植株地上部分,带回实验室分地上部分和果实称取鲜重,于105 ℃下杀青30 min后75 ℃下烘干至恒重,称量干重。全氮含量采用凯氏定氮法,全磷采用钒钼黄比色法,全钾采用火焰光度计,均参照鲍士旦[14]的方法进行测定。

1.3.6 相关指标计算公式 茎叶、果实氮(磷、钾)累积量(kg/hm2) =茎叶、果实全氮(磷、钾)含量×干物质量×种植密度[15];氮(磷、钾)生理利用效率(kg/kg)=产量/地上部总氮(磷、钾)累积量[16];肥料偏生产力(kg/kg)= 产量/施肥量总和[15]。

1.4 数据分析

本试验所有数据用Excel 2010进行整理,用SPSS 20.0进行单因素方差分析(One-way ANOVA),差异显著性检验采用Duncan新复极差法。

2 结果与分析

2.1 土壤酶活性

由表2所示,随着灌水量增加,土壤脲酶、中性磷酸酶、蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶和过氧化氢酶活性均显著增加。与T1处理相比,土壤脲酶活性分别增加25.53%、47.05%和48.80%;中性磷酸酶活性分别增加10.62%、11.90%和28.70%;蔗糖酶活性分别增加12.08%、12.81%和45.60%;β-葡萄糖苷酶活性分别增加28.19%、73.07%和100.87%;过氧化氢酶活性分别增加49.39%、91.72%和102.58%。T4处理所有酶活性均为最大值,说明灌水量增加可以提高土壤酶活性。

表2 灌水量对土壤酶活性的影响

2.2 辣椒生物量和产量

由表3可知,不同灌水量间辣椒单果重均无显著差异。与T1处理相比,T2、T3及T4地上部分鲜重分别增加19.43%、35.03%和51.59%,单株产量分别增加13.70%、23.62%和29.05%,经济产量分别增加13.69%、23.60%和29.05%。由此可见,增加灌水量可以增加辣椒地上部分鲜重、单株产量和经济产量。

表3 灌水量对辣椒地上部分鲜重、单果重和产量的影响

2.3 辣椒维生素C、可溶性糖和辣椒素含量

由表4可知,随着灌水量增加,辣椒可溶性糖含量增加,其中,T3处理的辣椒果实可溶性糖含量最高,与T1处理相比,增加21.31%。然而,随着灌水量增加,辣椒果实维生素C含量和辣椒素含量均显著下降,且均为T4处理最低,与T1处理相比,分别下降34.60%和73.47%。

表4 灌水量对辣椒品质的影响

2.4 辣椒茎叶和果实养分累积量

由表5可知,辣椒茎叶N、P累积量均随着灌水量增加呈倒“N”型变化,而K呈先降低后增加趋势。其中,T2处理的茎叶N、P、K累积量均最低,分别为79.79、3.64和128.23 kg/hm2。灌水量增加均增加了果实养分累积,与T1处理相比,T2、T3及T4果实N素累积量分别增加21.59%、16.82%和22.71%,P素累积量分别增加30.87%、44.59%和40.58%,K素累积量分别增加23.38%、18.72%和29.97%。除T2处理的N素有所降低,灌水量增加,均增加了辣椒地上部分养分总累积量,其中,地上部分N素和P素总累积量均以T3处理最大,分别为243.68和26.18 kg/hm2,较T1处理分别增加4.27%和40.53%;地上部分K素总累积量则在T4处理最大,为342.41 kg/hm2。

表5 灌水量对辣椒养分累积量的影响

2.5 辣椒养分利用效率

从表6可以看出,灌水量对辣椒N、P、K养分生理利用效率和肥料偏生产力均有显著影响。灌水量增加,均提高了辣椒N素利用效率,与T1处理相比,T2、T3及T4分别增加20.19%、18.48%和27.66%。但是,辣椒P素利用效率以T1处理最大,为2963.61 kg/kg,灌水量增加,降低了P素利用效率,其中T3处理较T1处理显著降低,降低11.99%,其余处理与T1处理差异不显著。灌水量增加,均增加了辣椒K素利用效率,T3处理的K素利用效率最大,为220.51 kg/kg,较T1处理增加14.90%。辣椒的偏肥生产力随着灌水量增加,辣椒偏肥生产力均逐渐提高。T2、T3和T4处理的辣椒偏肥生产力较T1处理分别增加13.69%、23.60%以及29.05%。

表6 灌水量对辣椒养分生理利用率和肥料偏生产力的影响

3 讨 论

土壤酶是衡量土壤肥力水平高低的重要指标,其主要参与土壤有机质分解与腐殖质形成、养分转化与循环等土壤中各种生物化学反应过程[17]。其中,脲酶可以促进尿素水解释放铵态氮,磷酸酶活性关系到土壤磷素的转化及利用,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纤维素降解过程,过氧化氢酶参与土壤氧化还原过程。水分作为影响农作物生长的重要环境因子,其对土壤酶活性也有至关重要的作用。研究表明,膜下滴灌较不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[18]。叶德练等[19]研究表明,随灌水量增加,β-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性随之增加,Brockett等[20]和Sardans等[21]也得到一致结果。本研究表明,随着灌水量增加,土壤脲酶、中性磷酸酶、蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶和过氧化氢酶活性逐渐增加,这可能是由于土壤含水量的增加,促进了分泌此类酶的微生物生长繁殖,从而向土壤中分泌更多的酶[22]。土壤酶活性提高以后,导致土壤中养分转化效率提高,土壤中更多不能被植物直接吸收的营养形态转化成了可以被植物吸收利用的营养形态,同时利于防止对生物体的毒害作用,培育健康的土壤环境。

作物产量是水分调控好坏的最终体现。大量研究表明,不同灌水量对作物产量的影响不同,作物产量与其生育期总耗水量变化基本一致,过量的水可能不仅不会增加产量,还会造成作物减产[23]。陆军胜等[24]和赵园园等[11]在灌水量对辣椒产量的影响上得到一致结果:随着灌水量增加,辣椒产量呈先增加后降低趋势。然而,在本试验中,随着灌水量增加,辣椒产量逐渐增加,这与高佳等[2]在辣椒灌水量上的研究结果一致。但与陆军胜等[24]和赵园园等[11]等的研究结果不一致。产生这种差异的原因可能是两者试验采用的灌溉量和辣椒品种不一致导致。但本试验中T3与T4处理辣椒产量并无显著差异,也表明了灌水量过多不但不会促进产量增加,还可能造成水资源的浪费。

随着生活水平的提高,人们对蔬菜品质的要求也越来越高,因此提高设施蔬菜品质也十分重要。一般情况下,设施蔬菜果实产量和品质不能同时达到最优。周海霞等[25]研究了不同灌水量对番茄品质的影响,发现适当减少灌水量可提高番茄Vc、可溶性糖、硝酸盐、可溶性固形物含量。刘胜尧等[26]研究表明随着灌水量增加,甜瓜Vc、可溶性糖、可溶性固形物含量先增加后降低。赵园园等[11]在辣椒中也得到相似的结果。本研究中,随着灌水量增加,辣椒维生素C和辣椒素含量均逐渐下降,增加了可溶性糖含量。说明灌水量与辣椒品质呈负相关。因此,适当减少水分供应可以提升辣椒品质,同时节约用水。

在植物的生长发育过程中,N、P、K是植物许多重要的生理代谢活动所必需的营养元素,其在植物体内起着不可替代的作用。前人研究表明,土壤的水分状况会影响土壤养分(N、P、K)的转化和迁移,从而影响植株对土壤养分的吸收[27]。本研究表明,灌水量对辣椒茎叶和N、P、K累积量影响无明显规律,但是灌水量增加均增加了辣椒果实中的氮磷钾累积量,地上部分氮磷总累积量以T3为最大,钾总累积量则以T4处理最大。可能是因为灌水量导致土壤养分的部分淋失,进而造成植物养分吸收的差异。灌水量增加,增加了辣椒氮和钾的生理养分利用效率,降低磷的生理利用效率。李建查等[28]研究了灌水量对洋葱养分吸收利用的影响,发现适当降低灌水量提高洋葱N、K、Mg的利用效率。方栋平等[29]在灌水量和滴灌施肥方式对温室黄瓜产量和养分吸收的影响的研究中也得到相似的结论,灌水量越大,养分利用效率越小。这与本研究不完全一致,可能是因为作物种类不同或者灌水量和土壤质地不同产生的不同结果。

4 结 论

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-葡萄糖苷酶活性和过氧化氢酶活性,从而增加辣椒养分利用效率,最终导致产量增加,但降低了果实维生素C和辣椒素含量,提高了可溶性糖含量。灌水量为4392～4733 t/hm2时,辣椒土壤酶活性、产量及养分利用均处在较高水准。在实际生产过程中还应根据销售价格,投入产出比、辣椒生产目标需求等具体情况,确定四川盆地设施辣椒灌溉量。