水氮合理配合对旱区温室番茄土壤酶活性与水氮利用效率的影响

陈修斌,尹 鑫,刘珍伶,许耀照,李翊华

(1.河西学院 农业与生物技术学院，甘肃张掖 734000；2.河西走廊精准设施园艺工程技术研究中心，甘肃张掖 734000)

张掖市地处河西走廊中部，境内海拔为 1 410～2 230 m，年平均降水量仅118.4 mm，蒸发量高达2 337.6 mm，日照长、太阳辐射强，气温日差较大，属于典型的大陆干旱荒漠气候，处于干旱或极度干旱区[1]。为了贯彻甘肃省政府“关于河西戈壁农业发展的意见”，河西走廊五地市大力发展日光温室蔬菜种植，日光温室蔬菜种植已经成为农业增效、农民增收的支柱产业。番茄是该区日光温室内广泛种植的作物，近年来，在番茄栽培过程中普遍存在过量水氮投入，从而在设施较高温度环境条件下，氮肥与水分资源利用率降低、土壤盐渍化现象严重，土壤结构恶化、肥力下降、导致番茄产量和品质下降[2-3]，影响番茄实现高产优质化生产。

水分与氮肥的供应是影响作物生长与土壤肥力的两大因子，研究表明[4]土壤中的蔗糖酶与脲酶可以催化土壤中的生物化学反应，在土壤生态系统中起着关键作用。土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶作为评价土壤肥力的指标，其活性高低与土壤类型、栽培制度和管理措施等密切相关，是土壤质量的重要指标，被广泛用于评价土壤营养物质的循环转化状况以及各种农业措施和肥料的施用效果[5-6]。蔗糖酶主要参与高分子有机物的分解，水解蔗糖生成葡萄糖和果糖，改善土壤碳素营养状况，可作为评价土壤熟化程度和土壤肥力指标[7]；脲酶为水解酶类，能促进土壤中尿素生成植物氮素营养主要来源的是NH3[6]；过氧化氢酶为氧化还原酶，能将生物呼吸和有机物生物化学反应产生的过氧化氢分解为分子氧和水，解除其对生物体产生的毒害作用[7]；土壤磷酸酶是催化土壤有机磷化合物矿化的水解酶，其活性高低直接影响着土壤中有机磷的分解转化及其生物有效性[8]。当前设施栽培土壤全年平均施氮量为1 732 kg·hm-2，为一般蔬菜氮素吸收量的4.5倍[9]，过量的氮肥投入可抑制蔬菜产量增加，使大量速效氮素累积在土壤中，氮肥利用率常不足10%[10]。肖新等[11]研究表明，在控制灌溉模式下施氮量为180 kg·hm-2可获得最优的生物环境，土壤脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶和转化酶活性，分别可达3.02×10-2mg·g-1、0.93 mL·g-1、5.70 mg·g-1、10.08 mL·g-1、；王杰等[12]研究水氮营养对贝加尔针茅草原土壤酶活性的变化特点，结果显示在施氮量为100 kg·hm-2条件下，土壤脲酶和过氧化氢酶活性最高，说明适宜的氮素用量可以提高脲酶和过氧化氢酶活性；赵建华等[13]围绕水分与氮肥的高效利用，得出在水氮最佳组合为灌水量4 500 m3·hm-2、施氮量225 kg·hm-2时，制种玉米植株生长良好种子产量最高；李静等[14]研究水氮供应对温室黄瓜氮素吸收的影响，得出氮素在植株体各器官中的累积量，随生育期的推进不断增大，在盛果期累积量达最大。以上研究大多探讨不同水氮处理对作物产量与氮素在土壤积累方面，而有关不同水氮处理对旱区温室番茄土壤酶活性及产量影响方面尚缺乏系统报道。本研究立足河西走廊旱区温室番茄生产，针对不适宜的水氮用量，导致番茄产量和水氮利用率降低等问题，探讨不同水氮处理对番茄在不同时期的土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶与磷酸酶活性的变化规律及水氮利用与产量的关系，以此探明合理水氮处理对番茄生长的机理，为旱区温室番茄生产建立合理的灌水施肥制度、改善土壤生物化学环境以及实现土壤可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

番茄品种为‘金福莱’，由张掖市绿之源农业发展有限公司选育，适宜在甘肃省保护地和露地栽培。试验于2017年8月至2018年6月在甘州区党寨镇汪家堡种植3 a日光温室内实施，土壤类型为灌漠土，0～20 cm耕层有机质9.28 g·kg-1，碱解氮59.36 mg·kg-1，有效磷 17.83 mg·kg-1，速效钾149.74 mg·kg-1，pH为 8.25，土壤质地砂壤。

1.2 试验设计与种植

试验设灌水量与施氮量两个因素[15-16]，灌水量设4 200 m3·hm-2(该灌水量为生产上常用的灌水量，依据调查张掖市的甘州区、高台、临泽等县区的6个温室番茄生产用量确定，W1)、3 570 m3·hm-2(W2)和2 940 m3·hm-2(W3)3个水平，其中W2、W3分别在常用灌水量的基础上降低15%和30%。施氮量为190 kg·hm-2(N1)、380 kg·hm-2(N2)和570 kg·hm-2(N3)3个水平，其中N2为番茄目标产量102 t·hm-2下的理论施肥量，N1和N3为N2基础上分别降低50%和增加50%的施氮量。

试验采用随机区组设计，具体为A1(灌水量4 200 m3·hm-2，施氮量为190 kg·hm-2)、A2(灌水量3 570 m3·hm-2，施氮量为190 kg·hm-2)、A3(灌水量2 940 m3·hm-2，施氮量为190 kg·hm-2)、A4(灌水量4 200 m3·hm-2，施氮量380 kg·hm-2)、A5(灌水量 3 570 m3·hm-2，施氮量380 kg·hm-2)、A6(灌水量2 940 m3·hm-2，施氮量380 kg·hm-2)、A7(灌水量4 200 m3·hm-2，施氮量570 kg·hm-2)、A8(灌水量3 570 m3·hm-2，施氮量570 kg·hm-2)和A9(灌水量2 940 m3·hm-2，施氮量570 kg·hm-2)共9个处理，各处理重复3次，处理畦长8 m，宽1.2 m，于2017年8月初育苗，10月初定植，株距45 cm，保苗数36 450株·hm-2。处理间用塑料薄膜深埋40 cm，以防水分相互渗漏。试验采用膜下滴灌施肥，每畦分别在番茄的根际附近放置2条滴灌带，滴头距离根茎基部5 cm，利用水分测定仪控制土壤水分[17]，氮肥由尿素[w(N)=46.4%]提供，氮肥的40%作基肥施入，剩余60%在番茄初花期与盛果期分2次等量施入，磷肥与钾肥分别由重过磷酸钙[w(P2O5)= 44%]和氯化钾 [w(K2O)=60%]提供，用量分别为P2O5400 kg·hm-2和K2O 450 kg·hm-2。定植前，将全部磷肥作基肥一次性施入、50%钾肥作基肥施入，剩余50%作追肥分2次与氮肥追肥时施入。其他管理同日光温室常规管理。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤样品采集 分别在番茄开花结果初期(1月20日)、中期(2月30日)、末期(5月10日)，用土钻采集0～20 cm的表土，每个处理采集5个点，混匀后留取部分土壤样品，分别于4 ℃和-80 ℃下保存，备用。

1.3.2 土壤酶活性 蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法，脲酶采用苯酚钠-次氯酸钠靛酚比色法，过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法，磷酸酶用磷酸苯二钠比色法测定[18]。

1.3.3 产量、水分与氮肥利用效率 在番茄结果后期(5月20日)，每个处理标记6株，测定株高与茎粗；每次收获时按不同处理统计单株产量，最后汇总统计各小区的产量。灌溉水利用率(Irrigation water utilization efficiency，IWUE)为经济产量(kg·hm-2)与生育期内总灌水量 (m3·hm-2)的比值，氮肥施用效率(Nitrogen application efficiency，NAE)为经济产量 (t·hm-2)与总施氮量(kg·hm-2)的比值[19]。

1.4 数据分析

采用 DPS 9.50和Microsoft Excel 2003进行数据计算与分析，采用Duncan’s法进行差异显著性分析，取α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同处理对番茄开花结果期土壤蔗糖酶活性的影响

由图1可以看出，在番茄开花结果前期，不同水氮处理对蔗糖酶活性以处理A5最高，显著高于其他处理，各处理对蔗糖酶活性大小的顺序为：A5>A4>A6> A8>A1>A7>A9>A2> A3；中期和末期蔗糖酶活性变化与初期相似；前期、中期和末期土壤蔗糖酶活性的大小表现为：中期>末期>初期。前期、中期和末期的蔗糖酶活性以处理A5最高，其值分别为1.87、3.93和3.34 mg·g-1·d-1，以处理A3的蔗糖酶在前期、中期和末期的值最低，分别为0.71、2.18和1.78 mg·g-1·d-1。说明采用理论施氮量(380 kg·hm-2)、灌水量(3 570 m3·hm-2)的处理A5，土壤蔗糖酶活性在前期、中期和末期值最高，原因可能是适宜的水氮用量表现出较强的耦合作用，此水氮用量组成的土壤溶液环境，有利用土壤蔗糖酶活性的增加，而其他水氮处理由于用量失衡，其组成的土壤环境不利于蔗糖酶活性提高，因此表现出在结果期的不同阶段产生蔗糖酶活性的差异。

不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平，下同 Different lowercase letters indicate the significant difference at 0.05 level，the same below

图1 不同处理番茄开花结果前期、中期和末期土壤蔗糖酶活性
Fig.1 Soil sucrase activity at early stage,middle stage and last stage of tomatoflowering and fruit-bearing period under different treatments

2.2 不同处理对番茄开花结果期土壤脲酶活性的影响

由图2可见，不同处理对番茄在前期、中期和末期土壤脲酶活性随着施氮量的增加而增大，而当氮的施用量超过380 kg·hm-2时，其活性随着施用量的增加而减小；在施氮量相同条件下，各时期以处理A1、A2和A3的土壤脲酶活性随灌水量减少而降低，处理A4、A5、A6、A7、A8 和A9随着灌水量增大而增大，当灌水量超过3 570 m3·hm-2时，其活性又呈降低的趋势；以处理A5的脲酶活性在初期、中期和末期的值最高，分别为0.43、0.87和0.76 mg·g-1·d-1，同一时期内不同处理间差异显著；各处理在番茄开花结果初期、中期和末期，对土壤脲酶活性影响的顺序呈现A5>A4>A6>A8>A1>A7>A9>A2>A3的变化；说明处理A5的水氮用量组合更利用于提高土壤脲酶活性，这与张丽莹等[20]在黄瓜的研究结果相一致。

从水、氮及其交互作用对番茄蔗糖酶和脲酶影响来看(表1)，水分对土壤蔗糖酶在前期活性的影响呈显著水平，在中期水分 、氮肥及交互作用对蔗糖酶活性均呈极显著水平，到末期的影响呈显著水平；水分与氮肥对土壤脲酶活性的影响，在番茄果实开花结果的前期与中期呈显著水平，其交互作用对中期与末期的土壤脲酶活性呈极显著水平。

2.3 不同处理对番茄开花结果期土壤过氧化氢酶活性的影响

不同处理对番茄土壤过氧化氢酶活性在不同时期的变化见图3，各处理以中期的过氧化氢酶活性最高，各时期对过氧化氢酶活性影响呈现中期>末期>初期的趋势；在初期、中期和末期，各处理以处理A5过氧化氢酶活性最高，分别为 1.36 mL·g-1·h-1、3.65 mL·g-1·h-1和 2.57 mL·g-1·h-1，均明显高于同时期的其他水氮处理；各处理对过氧化氢酶活性的影响次序为A5>A4>A6>A8>A1>A7>A9>A2>A3，说明不同处理由于水分与氮肥用量不同，其水氮用量组成的土壤溶液耦合条件下对过氧化氢酶活性也产生不同程度差异。在高氮低水、低氮高水、高氮高水及低氮低水的水氮处理下，都会导致过氧化氢酶活性的降低。

图2 不同处理番茄开花结果前期、中期和末期土壤脲酶活性Fig.2 Soil urease activityat early stage,middle stage and last stage of tomato flowering and fruit-bearing period under different treatment

因素Factor自由度Freedom蔗糖酶 Sucrose前期Early stage中期Middle stage末期Last stage脲酶 Urease前期Early stage中期Middle stage末期Last stage水分 Water211.32∗15.72∗∗22.61∗10.26∗23.42∗13.57氮肥 Nitrogen27.6513.28∗∗17.54∗12.37∗18.71∗16.48∗水分×氮肥 Water ×Nitrogen43.368.74∗∗10.83∗6.4216.23∗∗9.86∗∗

注： * 表示同列在0.05水平差异显著，** 表示在0.01水平差异显著，下同。

Note: the same column * indicates a significant difference in the level of 0.05,** indicates significant difference in the level of 0.01,the same below.

图3 不同处理番茄开花结果前期、中期和末期土壤过氧化氢酶活性Fig.3 Soil catalase activity at early stage,middle stage and last stage of tomato flowering and fruit-bearing period under different treatments

2.4 不同处理对番茄开花结果期土壤磷酸酶活性的影响

图4是反映土壤磷酸酶的变化特征，其各处理土壤磷酸酶在番茄结果初期、中期与末期的变化趋势与土壤过氧化氢酶活性相似，各时期对磷酸酶活性的影响也呈现中期>末期>初期的变化趋势，以处理A5表现出在初期、中期和末期的磷酸酶活性最高，分别为0.48、1.39和0.86 mg·g-1·d-1；各处理对磷酸酶活性大小的影响也表现为A5>A4>A6>A8>A1>A7>A9>A2>A3，这主要是由于不同处理，其水分与氮肥的用量不同，其水肥营养配比改变了土壤环境，在处理A5条件下，番茄在开花结果的初期、中期和末期土壤中磷酸酶的活性最强。

水、氮及其交互作用对番茄过氧化氢酶在结果中期的影响呈极显著变化水平，在末期的影响呈现显著变化水平；对磷酸酶活性的变化，以开花结果前期水、氮对其影响呈显著水平，水分及水氮交互作用对中期磷酸酶活性呈极显著差异水平，水分对末期磷酸酶活性呈极显著差异水平，水氮交互作用呈显著水平(表2)。

图4 不同处理番茄开花结果前期、中期和末期土壤磷酸酶活性Fig.4 Soil phosphatase activity at early stage,middle stage and last stage of tomato flowering and fruit-bearing period under different treatment

因素Factor自由度Freedom过氧化氢酶 Catalase前期Early stage中期Middle stage末期Last stage磷酸酶 Phosphatase 前期Early stage中期Middle stage末期Last stage水分 Water28.76∗23.65∗∗31.71∗19.68∗25.43∗∗14.65∗∗氮肥 Nitrogen24.3218.49∗∗22.34∗13.46∗8.677.86水分×氮肥 Water ×Nitrogen42.619.67∗∗16.92∗4.5112.75∗∗10.51∗

2.5 不同处理对番茄产量和水氮利用效率的影响

从表3可以看出，处理A5番茄植株在株高、茎粗、单株产量和经济产量等性状表现最优，分别为177.35 cm、1.24 cm、2.70 kg和98.40 t·hm-2，高于其他处理，不同处理对番茄经济产量影响的顺序为A5>A4>A6>A8>A1>A7>A9>A2>A3，这一变化与土壤中蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶与磷酸酶活性的变化相一致，说明随着土壤酶活性的增加，番茄对水氮的吸收能力增强，促进了植株生长与产量的形成。本试验中，以处理A6的IWUE最高，达31.24 kg·m-3，处理A1的NAE最高，其值为0.45 t·kg-1。从水氮互作的交互作用来看，水分对番茄株高和茎粗的影响呈极显著差异，对氮肥施用效率表现为显著差异；氮肥对单株产量、经济产量和灌溉水利用率呈显著差异；而水氮互作的耦合效应对单株产量、经济产量呈极显著差异，对灌溉水利用率与氮肥施用效率影响无显著差异。

3 讨 论

蔗糖酶是由植物根系分泌所产生的，参与土壤有机质的矿化分解,是表征土壤生物化学活性的重要酶[21]，本试验条件下，由较低氮施用量组成的水氮处理(A1、A2和A3)和由较高氮施用量组成的水氮处理(A7、A8和A9)，在番茄结果前期和末期时的蔗糖酶活性明显低于由中氮施用量组成的水氮处理(A4、A5、A6)在中期的蔗糖酶活性，尤其以中等施氮量与灌水量组成的处理A5表现最为明显。这说明在低氮与高氮施用量下组成的水氮溶液环境，会降低蔗糖酶的活性，适宜的水氮处理可以增加蔗糖酶活性，究其原因主要是适量的水氮供应，改善了番茄根系的生长环境，使得根系的代谢活力增强，根系分泌更多的蔗糖酶；不同水分与氮肥的用量，产生根系生长强弱的差异。这与夏雪等[22]研究结果相似。说明合理水肥调控能够提高番茄生产中土壤蔗糖酶的活性。

处理Treatment株高/cmPlant height茎粗/cmStem diameter单株产量/kgYield per plant经济产量/(t·hm-2)Economic yieldIWUE/(kg·m-3)NAE/(t·kg-1)A1166.38±2.24 de1.15±0.03 cd2.33±0.14 cd 84.93±1.23 d20.22±1.07 de0.45±0.07 aA2159.67±1.82 fg1.08±0.02 fg2.19±0.12 f79.86±1.34 f22.37±0.98 d0.42±0.04 abA3154.46±2.14 g1.03±0.05 g2.16±0.18 g78.74±1.41 f26.78±1.13 bc0.41±0.01 bA4173.75±2.31 b1.20±0.01 ab2.68±0.13 ab97.69±1.62 ab23.26±1.14 cd0.26±0.03 cdA5177.35±3.15 a1.24±0.02 a2.70±0.21 a98.40±1.23 a27.56±2.06 b0.26±0.01 cA6170.47±2.43 bc1.18±0.03 b2.52±0.14 b 91.85±1.12 b31.24±2.10 a0.24±0.04 dA7163.61±1.89 e1.13±0.04 de2.30±0.11 de 83.84±2.01 de19.96±1.03 e0.15±0.03 efA8168.71±1.85 cd1.16±0.03 bc2.43±0.17 c 88.57±1.18 c24.81±1.08 c0.16±0.01 eA9161.76±2.07 ef1.10±0.02 ef2.25±0.16 e82.01±1.03 ef27.89±1.12 b0.14±0.02 f水分 Water28.64∗∗19.73∗∗10.268.5410.3613.83∗氮肥 Nitrogen12.758.8712.38∗28.47∗18.47∗10.39水分×氮肥 Water×Nitrogen20.16∗14.82∗23.63∗∗36.58∗∗8.629.74

脲酶是土壤中主要的水解酶类之一，它的活性可以用来表征土壤氮素状况[23]。本试验中，在3个不同水分条件(灌水量分别为4 200、3 570和2 940 m3·hm-2)下，其组成的各水氮处理，以中等灌水量组成水氮处理的脲酶活性高于其他处理；由3个不同施氮量条件(施氮量190、380和570 kg·hm-2)下，其组成的各水氮处理，以中等施氮量组成水氮处理的脲酶活性高于其他处理；徐福利等[24]研究表明，适量施肥，有利于土壤脲酶活性升高，但如果氮肥用量超过最大临界范围，脲酶活性将会降低；本研究采用中等灌水量与中等施肥量条件下的 A5处理，其土壤的脲酶活性最高，说明适当的氮素、水分处理可以提高土壤脲酶的活性，这主要是由于良好的水肥条件供应，可以改善土壤微生物生长所需的营养环境，促进了微生物的繁殖，从而向土壤中分泌更多的脲酶，这一结论也与金继运等[25]的研究结果相一致。

过氧化氢酶可以调节土壤中水分与氧气的含量状况，从而影响土壤的理化性状和供肥能力[26-27]。本试验中，采用较低与较高灌水量组成的水氮用量处理，其过氧化氢酶活性在番茄结果不同时期的土壤过氧化氢酶相对较低，而采用中等施肥量(380 kg·hm-2)组成的水肥处理，在番茄结果的初期、中期和末期，土壤内过氧化氢酶活性明显高于其他处理，尤其是采用中等施肥与灌水量组成的处理A5，其过氧化氢酶活性最高，这表明适宜的水氮用量处理，有利于过氧化氢酶催化过氧化氢反应生成水和氧气，可以改善土壤微生物环境[6]。

磷酸酶活性关系到土壤磷素的转化及利用，同时也影响到土壤微生物的活动[23]，本试验中，在不同施氮量(施氮量190、380 kg·hm-2和570 kg·hm-2)水平下，随着施氮量的增加，其水氮用量处理的土壤中磷酸酶活性有增加趋势，但当施氮量超过380 kg·hm-2时，磷酸酶活性又逐渐降低；在不同灌水量(4 200、3 570和2 940 m3·hm-2)水平下，也以中等灌水量(3 570 m3·hm-2)组成的水氮处理，其磷酸酶活性较高，采用中等灌水量与中等施肥量处理A5的磷酸酶活性最高，这主要是由于外源氮肥量与灌水量在最适的土壤环境条件下，土壤溶液中速效磷的含量最适，最终导致土壤磷酸酶活性的 最强。

合理的灌水与施肥是番茄产量提高的重要措施，番茄产量与水氮供应、土壤酶活性和水氮利用效率有密切关系。本试验中，由中氮施用量(380 kg·hm-2)组成的水氮处理(A3、A4、A5)，其番茄产量均高于由低氮施用量(190 kg·hm-2)组成的水氮处理(A1、A2和A3)和由高氮施用量(570 kg·hm-2)组成的水氮处理(A7、A8和A9)，以中等施氮量与灌水量组成的处理A5的番茄产量均显著高于其他处理，主要是由于在高氮与低氮水平下，不同水氮处理的营养配比失调，影响番茄根系对养分与水分吸收，而处理A5的水氮用量最适，水氮耦合表现出强烈的叠加效应，这与Zotarelli等[28]研究结果一致。本试验中各处理对蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶和磷酸酶活性影响大小的顺序均为A5>A4>A6>A8>A1>A7>A9>A2>A3，从番茄经济产量分析来看，各处理对产量的影响也符合这一趋势，说明产量与土壤酶活性大小的密切关系，只有采用适宜的水氮用量，才能促进番茄产量提高，这一研究结论与马晓霞等[4]研究相一致；灌水与施氮量均能影响作物IWUE与NAE，邓忠等[29]研究表明，IWUE 与灌水量呈显著负相关关系,施用氮肥能提高IWUE，本试验中在施氮量相同的条件下，不同水氮处理的IWUE随着灌水量的减小而增大，而NAE表现为随着施氮量水平的增加而逐渐降低的趋势，从而表现出IWUE与NAE的差异，这与邓忠等[29]、Cabello 等[19]的研究结果一致。

4 结 论

本试验研究不同水氮互作对番茄开花结果期土壤酶活性及水氮利用效率的影响，得到采用灌水量3 570 m3·hm-2、施氮量380 kg·hm-2的处理A5，其番茄在结果初期、中期和末期土壤的蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶与磷酸酶的活性最高；同时番茄植株株高、茎粗、单株产量和经济产量等性状数值表现最高。灌溉水利用率和氮肥施用效率最高的处理分别为A6(灌水量2 940 m3·hm-2，施氮量380 kg·hm-2)和A1(灌水量4 200 m3·hm-2，施氮量为190 kg·hm-2)最高，这一研究结果，可为同类地区日光温室番茄的高产优质生产、水氮高效利用与土壤营养的合理调控提供理论依据。