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芒果是一种常绿乔木，属于漆树科芒果属，被誉为“热带水果之王”[1]。中国是主要的芒果生产国，而云南是主要产区之一[2]。截至2021年，云南省芒果种植面积已达11.47万hm2，年产量132.9万t。然而，云南芒果主要种植于降雨量少、蒸发量大，且土壤贫瘠、保水保肥能力差的干热河谷地区，缺少科学的灌溉施肥方法。因此，芒果生产受到季节性干旱和土壤养分不足的双重制约，严重限制绿色高效生产[3−4]。
高效的灌溉管理对于农业可持续发展以及水资源高效利用至关重要[5]。研究表明，与传统灌溉(漫灌、沟灌和畦灌)相比，微灌(微喷灌、滴灌和微润灌)能够显著提高作物的产量和水分利用效率[6−8]。喷灌和滴灌技术的优点是输水效率高、地形适应性强，并能够改善田间小气候，节水增产效果好[9]。与常规畦灌相比，滴灌能显著增加芒果产量和水肥利用效率，并节约灌水量[10]。微润灌溉是一种以半透膜为材料的地下连续灌溉技术，具有减少地表蒸发、节水高效和改善土壤环境等特点[11−12]。有研究表明，微润灌溉相较于微喷灌和滴灌，能够提高光合作用强度和根系吸水能力[13]。微润灌溉技术可实现水肥一体化，灌水量可与作物耗水量相匹配，节水增产效果显著，已有许多学者对其进行研究[14−15]。目前有关芒果微润灌溉的研究主要集中在光合特性、水肥利用效率、果实产量和品质等方面[16−17]。然而，微润灌溉对于提高芒果土壤质量和生长质量是否更有优势尚不清楚，值得进一步研究。
合理的水肥管理技术可以提高作物生长、土壤肥力和水肥利用效率，是实现作物优质栽培的有效措施[18]，但肥料供应过量或不足，会减弱水肥耦合优势。施肥不合理会造成芒果产量、品质、养分利用效率下降以及环境污染等负面影响。适当施肥有利于提高土壤微生物活力，改善土壤微环境，促进芒果对养分的吸收，进而提高果实品质[19]。有研究表明，在微润灌溉条件下，合理的水肥耦合可以提高芒果果实产量和品质[20]。施肥通过改变土壤养分状况及微生物的群落结构和功能，从而影响土壤质量、生物肥力、生产力及农田生态系统的稳定性[21−22]。与不施肥相比，施肥下土壤脲酶、中性磷酸酶和过氧化氢酶活性均显著增加[23]。此外，施肥能够增加土壤中细菌和放线菌数量，而真菌数量随着施肥量的增加先增后减[24]。前人研究证实土壤物理、化学、生物特性与土壤质量之间存在复杂的关系，表明它们在土壤质量中具有重要的作用[25]，而目前有关综合考虑促进芒果生长、提高土壤质量及水肥利用效率的微灌施肥耦合模式的研究较少。
本研究通过探讨微灌方式与施肥水平耦合对土壤养分含量、酶活性、微生物数量以及芒果幼树的形态生长和根系生长的影响，利用隶属函数结合因子分析的方法实现芒果土壤质量和生长质量的综合评价，并对芒果土壤特性和生长指标之间进行相关性分析，以期找到改善土壤质量、促进芒果生长和提高水肥利用效率的最佳微灌施肥耦合模式，为芒果的灌溉施肥提供科学指导。
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试验于2018年2—11月在昆明理工大学现代农业工程学院塑料大棚(102°79′E，24°9′N，海拔1978.9 m)内进行，棚内温度为20℃～35℃，空气湿度为40%～85%，CO2浓度为365～395 μmol/mol。供试土壤为红褐土，土壤pH为6.5～7.5，有机质含量为15.05 g/kg，土壤硝态氮、速效磷和速效钾含量分别为57.48、12.61、85.53 mg/kg，全氮、全磷和全钾含量分别为0.87、0.68和13.9 g/kg。
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试验设置3种微灌方式和4个施肥水平，完全随机组合设计。 3种微灌方式包括微喷灌(SI)、滴灌(DI)、微润灌(MI)；4个施肥水平包括0、93.2、186.4、279.6 kg/hm2，依次标记为F0、F1、F2、F3。共12个处理，每个处理3次重复，共36个小区，小区面积为43 m2 (8.6 m×5 m)。以微喷灌方式下不施肥(SIF0)作为对照。
供试芒果幼树品种为‘贵妃芒’，是云南省主要种植的芒果品种之一。2018年2月25日将长势均匀且龄期为2年的芒果幼树移栽到塑料大棚，幼树呈东西走向种植，种植株距0.8 m，行距1.2 m。初始株高为54.2～56.5 cm，初始地径为7.11～8.60 mm，芒果幼树经移栽后进行充分灌水并缓苗35 天，于2018年4月1日开始进行灌溉施肥处理。
供试肥料为赛固特(武汉)生物科技有限公司生产的大量元素水溶肥，产品状态为淡蓝色粉剂，N–P2O5–K2O含量为20–20–20，含有B、Cu、Fe、Mn、Zn、Mo和Co等微量元素。试验期间分3次等量施入大量元素水溶肥，经2次稀释之后随灌溉水通过灌水器施入芒果幼树根区土壤，施肥时间分别为2018年4月1日、2018年7月3日、2018年9月28日。试验期间3种微灌方式的灌水量采用Φ=20 cm蒸发皿测量蒸发量进行控制，灌水周期为7天。每月对试验区内进行人工除草，并对灌溉系统进行检查和维护，试验期间不修剪芒果幼树。试验期间内芒果幼树水面蒸发量和灌水量如图1。
图 1 芒果幼树试验期内水面蒸发量和灌水量
Figure 1. Water surface evaporation and irrigation volume in young mango trees during the test period
根据塑料大棚的水面蒸发量确定灌水量[26]，计算公式如下：
$ I_r=Kp\times Ep $ 式中： Ir为灌水量(mm)；Kp为作物系数，本研究选择0.75；Ep为两次灌水间隔内标准蒸发皿测定的水面蒸发量(mm)。
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微喷灌系统(图2)采用插地固定微喷灌，每棵芒果幼树旁安装一个旋转微喷头(上海华维节水灌溉股份有限公司)，喷头安装高度约为30 cm，射程为1 m，实测喷头喷射直径60 cm。喷头与幼树距离为5 cm，间距与幼树株距相同。滴灌系统采用地表滴灌，每棵芒果幼树单侧毛管上安装一个压力补偿式滴头(上海华维节水灌溉股份有限公司)，流量为1.2 L/h。滴头与幼树基部的距离为5 cm，间距与幼树株距相同。微润灌系统采用第3代微润管（深圳市微润灌溉技术有限公司），每棵芒果幼树单侧毛管上水平安装一段微润管，微润管设置在同一侧。微润管埋深20 cm，与幼树基部的距离为5 cm。3种灌溉施肥方式(图2)均由塑料水箱提供2.0～2.5 m的压力水头，水箱上有记录水位变化的刻度以控制灌水量，各支管前端安装控制减压阀、过滤器、冲洗阀、排气阀、压力表和止水阀，保证灌溉系统正常供水。
图 2 灌溉施肥系统示意图
Figure 2. Diagram of the irrigation and fertilization system
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每次灌溉施肥处理后30天，在灌水周期内第3天，分别于2018年5月5日、8月10日、10月30日采集土壤样品。每个小区随机采集5个样点，靠近灌水器的单侧，距离树干5～10 cm，取样深度为0—40 cm。取样时去除表层土壤石块及植物残根等杂质，混合土样碾细后过1 mm筛，一部分自然风干用于测定土壤养分和酶活性，另一部分放入4℃冰箱内保存，在取样后的24 h内进行土壤微生物数量的测定。
土壤养分：硝态氮采用KCl浸提分光光度法测定；速效磷采用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定；速效钾按照水土比5∶1浸提并采用火焰光度计测定。
土壤酶活性：过氧化氢酶活性、脲酶活性和磷酸酶活性分别采用高锰酸钾滴定法、苯酚钠—次氯酸钠比色法和磷酸苯二钠比色法测定。
土壤微生物数量：土壤细菌、真菌、放线菌分别采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基、马丁氏(Martin)–孟加拉红培养基和改良高氏一号合成培养基进行培养，均采用平板表面涂抹法计数。
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分别于2018年2月25日(初始测量)至11月25日(最终测量)对芒果幼树的生长形态指标进行测量。试验期间每隔10 天观测并测量芒果幼树的株高、地径、叶片数和冠幅。株高：芒果幼树最高部位(顶端生长中心)距离地面的高度，采用毫米刻度尺测量。地径：在距离地表5 cm的位置进行标记，每次在标记的位置采用精度为0.01 mm的电子游标卡尺测定。叶片数：人工统计测定。冠幅：采用毫米刻度尺测量叶片两个垂直方向上的最大横向生长距离，经平均统计后记录数据。
在试验结束时对芒果幼树的根系及生长形态指标进行测量。采用长×宽×深为60 cm×40 cm×60 cm的标准，距植株20 cm处进行挖根，将获取的根系用流水缓缓冲洗干净，擦干表面水分，用扫描仪在500万像素下扫描形成黑白对照的JPG图像文件供分析使用。用WinRHIZO图像分析软件进行分析，获取整株根系的总根长、表面积、体积和平均直径。
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灌溉水利用效率的计算公式如下：
$ {\rm{IWUE=Y/I}} $ 式中：IWUE为灌溉水利用效率(kg/m3)；Y为总干物质的累积量(kg)；I为总灌水量(m3)。
肥料偏生产力的计算公式如下：
$ {\rm{PFP=Y/F}} $ 式中：PFP为肥料偏生产力(kg/kg)；Y为总干物质累积量(kg)；F为不同处理下的总施肥量(kg)。
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土壤质量指数(soil quality index，SQI)是用来评价土壤质量的一个指标，该值越大表明芒果根区土壤质量越好。首先，将土壤酶活性和土壤微生物指标利用隶属函数进行无量纲的标准化处理。然后采用SPSS 21.0对各土壤指标进行因子分析，得到各指标的公因子方差，公因子方差的大小代表了该指标对土壤质量总体变异的贡献，并据此计算各指标权重值[27]，权重值为各指标的公因子方差占总公因子方差的百分比，最终得到土壤质量指数SQI[28]。隶属函数值计算公式如下：
$ F\left({X}_{ij}\right)=\frac{{X}_{ij}-{X}_{\min}}{{{X}_{\max}-X}_{\min}} $ $ F\left({X}_{ij}\right)=1-\frac{{X}_{ij}-{X}_{\min}}{{{X}_{\max}-X}_{\min}} $ $ \mathrm{SQI}=\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^nF(X_{ij})\times W(X_{ij})$ 式中：Xij为第i个处理中的第j个指标；Xmax和Xmin分别为第j个指标中所有处理下该指标的最大值和最小值；F(Xij)为第i个处理第j个指标的隶属函数值，如果土壤指标与土壤微环境质量呈正相关则采用式(4)，反之采用式(5)，W(Xij)是第i个指标的第j个处理的权重；n是正整数。
生长质量指数 (growth quality index，GQI) 用来评价作物的生长，GQI值越高，表明芒果的生长质量越好，即水肥耦合的改善效果越好。将表征芒果幼树生长的株高增量、地径增量、叶片数增量、冠幅增量、根系总长度、根系表面积、根系体积和根系平均直径指标，采用隶属函数结合因子分析的方法求得芒果幼树的GQI[28]。生长质量指数计算方法同SQI，计算公式如下：
$ \text{GQI}={\displaystyle \sum _{i=1}^{n}{\displaystyle \sum _{j=1}^{n}F({X}_{ij})\times W({X}_{ij})}} $ 式中各指标定义同上。
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采用Excel 2019收集和整理数据，使用Origin 2021对所测数据的均值进行皮尔逊相关性分析并绘制图形。利用IBM SPSS 21.0进行方差分析(ANOVA)，在P=0.05的水平上，使用Duncan的多范围检验比较处理方法间是否存在显著差异。
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微灌方式和施肥水平均对土壤硝态氮、速效磷和速效钾含量影响显著(P<0.05，图3)，两因素交互作用仅对硝态氮含量影响显著(P<0.05)。同一施肥水平下，在5月5日和8月10日的取样中，土壤养分含量均呈SI<DI<MI趋势。相较于SI，DI和MI分别增大硝态氮含量8.94%和30.88%，速效磷含量6.70%和18.35%，速效钾含量5.48%和14.52%，而10月30日DI和MI的土壤养分含量均明显低于SI。同一微灌方式下，土壤养分含量随施肥量的增加显著升高，均在F3达最大值。在均值中，与F0相比，F1、F2和F3分别增加硝态氮含量88.33%、128.47%和170.29%，速效磷含量45.25%、84.07%和138.23%，速效钾含量46.06%、71.43%和98.96%。
图 3 微灌方式和施肥水平对土壤养分含量的影响
Figure 3. Effects of micro-irrigation and fertilization level on soil nutrient content
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微灌方式和施肥水平对土壤过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶活性有显著影响(P<0.05，图4)，两因素交互作用仅对磷酸酶活性影响显著(P<0.05)。土壤过氧化氢酶和脲酶活性随时间延长均呈现显著的先升高后降低趋势，以8月10日取样中MIF2的酶活性最高；而土壤磷酸酶活性随时间延长逐渐升高，在10月30日取样的MIF3酶活性最高。在均值中，同一施肥水平下比较3种微灌方式，土壤酶活性表现出MI>DI>SI趋势。MI和DI相较SI分别提高土壤过氧化氢酶活性22.62%和37.03%，脲酶活性26.57%和48.86%，磷酸酶活性15.09%和26.56%。同一微灌方式下，随着施肥量的增加，土壤过氧化氢酶和脲酶活性呈现先增后减趋势，在F2达到最大值；磷酸酶活性上升，在F3最大。与F0相比，F2分别提高土壤过氧化氢酶活性53.30%，脲酶活性64.09%，F3提高土壤磷酸酶活性113.07%。
图 4 微灌方式和施肥水平耦合对土壤酶活性的影响
Figure 4. Effects of micro-irrigation and fertilization level on soil enzyme activity
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微灌方式和施肥水平对土壤细菌、真菌和放线菌数量影响显著(P<0.05，图5)。随着时间的延长，土壤微生物数量整体呈先增后减趋势，在8月10日最多。就均值而言，DI和MI与SI相比分别提高土壤细菌数量30.19%和42.45%，真菌数量14.99%和38.99%，放线菌数量11.46%和12.87%，其中MI提升效果最显著。随着施肥量的增加，前两次取样中土壤微生物数量逐渐递增，在F3最大；然而，10月30日和均值的土壤微生物数量随施肥量增加先增后减，在F2达最大值。此外，就3次取样均值而言，土壤微生物数量随着施肥量的增加均呈先增后减趋势，在F2的数量最多而F0最少；相较于SIF0，微生物数量在MIF2的增幅最为显著，分别增加细菌、真菌和放线菌数量197.67%、135.34%和103.87%。
图 5 微灌方式和施肥水平耦合对土壤微生物数量的影响
Figure 5. Effects of micro-irrigation methods and fertilization levels on soil microbial population
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由表1知，微灌方式和施肥水平对芒果幼树株高增量、地径增量、叶片数增量以及冠幅增量有显著影响(P<0.05)。同一施肥水平下，与SI对比，MI对株高、地径、叶片数和冠幅增量的提升效果显著，分别增大100.29%、48.00%、55.35%和54.93%；同一微灌方式下，随着施肥水平的增加，芒果幼树的株高、叶片数和冠幅增量均呈先增后减趋势，并在F2最高；与F0相比，F2芒果的株高、叶片数和冠幅增量分别增大50.72%、53.04%和54.52%；而芒果幼树的地径增量随着施肥量的增加逐渐增大，在F3增量最大。与SIF0相比，MIF2的株高、叶片数和冠幅增量均为最高值，增幅分别为230.80%、162.30%和175.63%，而地径增量在MIF3获得最大值，相较SIF0增幅为82.55%。
表 1 不同微灌方式和施肥水平组合对芒果形态生长指标增量的影响
Table 1. Effect of micro-irrigation and fertilization level on the increment of morphological growth indexes of mango tree
微灌方式
Micro-irrigation method施肥水平
Fertilizer rate株高 (cm)
Plant height地径 (mm)
Ground diameter叶片数
Leaf number冠幅 (cm)
Crown widthSI F0 26.3±5.2 f 5.10±1.26 e 23.00±5.14 e 18.3±4.3 e F1 32.9±5.4 ef 5.42±1.85 e 27.33±4.16 de 24.6±5.2 e F2 49.5±8.9 cde 5.89±0.20 de 33.33±5.77 de 31.7±5.5 d F3 42.0±1.4 def 6.40±1.10 cde 39.00±2.00 bcd 32.6±4.0 d DI F0 57.4±4.1 bcd 7.59±0.31 abcd 30.67±4.16 de 34.8±6.2 cd F1 65.7±5.1 abc 7.91±0.93 abc 35.00±3.61 cde 37.4±5.9 cd F2 74.6±3.6 ab 8.61±0.87 ab 43.00±2.65 bcd 45.2±2.1 ab F3 70.6±7.2 abc 8.81±1.02 ab 49.33±7.02 abc 41.1±6.4 bc MI F0 64.9±9.0 abc 7.28±1.30 bcd 34.67±9.14 cde 31.4±4.5 d F1 78.8±6.1 ab 8.36±0.18 ab 53.00±6.25 ab 37.1±5.2 cd F2 87.0±7.5 a 8.82±0.37 ab 60.33±5.51 a 50.4±5.3 a F3 71.3±4.0 abc 9.31±0.45 a 37.33±9.71 cde 45.0±3.9 ab 显著性检验 Significance test (P值 P value) I <0.001** <0.001** <0.001** <0.001** F 0.015* 0.015* <0.001** <0.001** I×F 0.936 0.984 0.029* 0.385 注：F0、F1、F2、F3分别代表施肥量0、93.2、186.4、279.6 kg/hm2；SI、DI、MI分别代表微喷灌、滴灌、微润灌方式。I—微灌方式；F—施肥水平；I×F—微灌方式×施肥水平。各指标增量是由试验结束测量值减去初始测量值计算得到的。数据为平均值±标准差 (n=5)，同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05)。*、**分别表示效应水平达到5%、1%显著水平。
Note: F0, F1, F2, and F3 represent fertilizer application rate of 0, 93.2, 186.4, and 279.6 kg/hm2, respectively. SI, DI, and MI represent micro-sprinkler irrigation, drip irrigation, and micro-moistening irrigation, respectively. I—Micro-irrigation method; F—Fertilizer level; I×F—Micro-irrigation method×Fertilizer level. Each index increment is calculated by subtracting the initial measurement value from the measurement value at the end of the experiment. Data are shown as mean ± standard deviation (n=5), and different lowercase letters after data in the same column indicate significant difference among treatments (P<0.05). * and ** denote effect at significant level of 5% and 1%, respectively. -
由表2知，微灌方式和施肥水平均对芒果幼树的根系总长度、根系表面积、根系体积和根系平均直径有显著影响(P<0.05)，而两因素的交互作用对根系生长影响不显著(P>0.05)。相较于SI，DI和MI增大根系生长特征参数，其中以MI下促进效果更为显著。MI分别增大根系总长度17.23%、根系表面积36.68%、根系体积49.76%以及根系平均直径24.09%。在同一微灌方式下，随着施肥量的增加，芒果幼树的根系总长度、根系表面积均呈现先升后降趋势，并在F2达到峰值，相较于F0增幅分别为21.91%和40.73%；而根系体积和根系平均直径随着施肥量的增加逐渐增大，在F3达最大值，相较于F0增幅分别为73.27%和50.96%。
表 2 微灌方式和施肥水平对芒果根系生长的影响
Table 2. Effects of micro-irrigation and fertilization level on root growth of mango trees
微灌方式
Micro-irrigation method施肥水平
Fertilizer rate根系总长度 (m)
Total root length根系表面积 (cm2)
Root surface area根系体积 (cm3)
Root volume根系平均直径 (mm)
Mean root diameterSI F0 53.97±5.22 e 2249.89±48.96 g 155.79±13.21 f 2.17±0.16 h F1 59.08±4.66 cde 2969.83±61.97 f 183.65±25.24 ef 2.56±0.19 fgh F2 66.85±6.98 bcd 3649.47±84.84 d 224.51±27.83 de 2.98±0.29 def F3 61.36±5.53 bcde 3256.77±55.61 e 305.94±38.02 c 3.34±0.25 bcd DI F0 58.42±5.57 de 3062.84±56.42 ef 190.42±19.83 ef 2.23±0.40 gh F1 65.24±3.21 bcd 3504.13±150.53 d 256.29±17.57 d 2.66±0.10 fg F2 71.14±5.11 ab 4141.93±81.12 bc 310.94±17.01 c 3.20±0.32 cde F3 62.70±6.57 bcde 3738.31±233.92 d 335.51±16.10 bc 3.51±0.41 bc MI F0 65.43±4.55 bcd 3647.18±133.64 d 260.86±21.27 d 2.80±0.15 ef F1 70.24±4.63 abc 4046.88±67.97 c 305.44±17.45 c 3.15±0.17 cde F2 78.58±6.08 a 4550.12±130.21 a 352.30±23.39 ab 3.78±0.20 ab F3 68.61±9.77 abcd 4330.15±182.91 ab 384.10±30.80 a 3.97±0.16 a 显著性检验 Significance test (P值 P value) I 0.001** <0.001** <0.001** <0.001** F 0.001** <0.001** <0.001** <0.001** I×F 0.989 0.095 0.287 0.990 注：F0、F1、F2、F3分别代表施肥量0、93.2、186.4、279.6 kg/hm2；SI、DI、MI分别代表微喷灌、滴灌、微润灌方式。I—微灌方式；F—施肥水平；I×F—微灌方式×施肥水平。数据为平均值±标准差 (n=5)，同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05)。*、**分别表示效应水平达到5%、1%显著水平。
Note: F0, F1, F2, and F3 represent fertilizer application rate of 0, 93.2, 186.4, and 279.6 kg/hm2, respectively. SI, DI, and MI represent micro-sprinkler irrigation, drip irrigation, and micro-moistening irrigation, respectively. I—Micro-irrigation method; F—Fertilizer level; I×F—Micro-irrigation method×fertilizer level. Data are shown as mean ± standard deviation (n=5), and different lowercase letters after data in the same column indicate significant difference among treatments (P<0.05). * and ** denote effect at significant level of 5% and 1%, respectively. -
微灌方式和施肥水平以及两因素交互作用均对芒果灌溉水利用效率(IWUE)和肥料偏生产力(PFP)影响显著(P<0.05，图6)。DI和MI较SI分别增大IWUE 43.27%和73.17%，PFP 33.96%和54.44%。在同一微灌方式下，随着施肥量的增加，IWUE呈先增后减趋势，并在F2达到最大值，而PFP逐渐降低。与F3相比，F2在SI、DI和MI这3种微灌方式下分别增大IWUE 0.40%、4.25%和27.80%；分别增大PFP 50.60%、56.93%和91.71%。MIF2获得IWUE最大值，与SIF0相比增加131.75%。
图 6 微灌方式和施肥水平耦合对芒果IWUE和PFP的影响
Figure 6. Effects of micro-irrigation and fertilization level coupling on irrigation water-use efficiency (IWUE) and partial fertilizer productivity (PFP) of mango
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芒果幼树的生长指标与土壤养分含量、酶活性和微生物数量之间均呈正相关关系(表3)，其中仅根系体积、根系平均直径与土壤养分含量之间呈显著正相关(P<0.05)。芒果形态生长指标与土壤过氧化氢酶活性、脲酶活性和土壤细菌、真菌、放线菌数量均呈显著正相关(P<0.05)，而土壤磷酸酶活性仅与冠幅增量呈显著正相关(P<0.05)；除了根系总长度与磷酸酶活性相关性不显著外，根系生长指标与土壤酶活性和微生物数量均呈显著正相关(P<0.05)，其中与微生物数量呈极显著正相关(P<0.01)。表明芒果幼树形态生长与土壤微生物数量关系较为密切，而根系生长与土壤酶活性和微生物数量之间的关系极为密切。
表 3 芒果幼树生长指标增量与土壤养分含量、酶活性和微生物数量之间相关性分析
Table 3. Correlation between the increment of growth indexes of young mango trees and soil nutrient content, enzyme activity and microbial population
指标
Index株高
Plant
height地径
Ground
diameter叶片数
Leaf
number冠幅
Crown
width根系总长度
Total root
length根系表面积
Root surface
area根系体积
Root
volume根系平均直径
Mean root
diameter硝态氮
NO3−–N0.15 0.28 0.43 0.49 0.36 0.49 0.72* 0.86** 速效磷
Available P0.10 0.31 0.33 0.46 0.24 0.43 0.84** 0.84** 速效钾
Available K0.13 0.30 0.40 0.47 0.31 0.46 0.71* 0.83** 过氧化氢酶活性
Catalase activity0.83** 0.66* 0.82** 0.85** 0.95** 0.91** 0.64* 0.63* 脲酶活性
Urease activity0.88** 0.87** 0.85** 0.91** 0.85** 0.95** 0.89** 0.87** 磷酸酶活性
Phosphatase activity0.44 0.59 0.58 0.72* 0.51 0.69* 0.89** 0.94** 细菌数量
Bacteria count0.67* 0.71* 0.72* 0.87** 0.76** 0.87** 0.87** 0.89** 真菌数量
Fungi count0.68* 0.67* 0.68* 0.85** 0.84** 0.93** 0.85** 0.91** 放线菌数量
Actinomyces count0.90** 0.88** 0.79** 0.92** 0.83** 0.95** 0.87** 0.89** Note: *—P<0.05; **—P<0.01. -
利用土壤综合指数法对芒果根区土壤酶活性和微生物数量进行土壤质量综合评价(图7)。土壤质量指数(SQI)由大到小依次为MIF2>MIF3>DIF2>DIF3>MIF1>SIF2>DIF1>SIF3>MIF0>SIF1>DIF0>SIF0。微灌方式对SQI有显著影响(P<0.05)，比较3种微灌方式，SQI值由大到小排序为MI>DI>SI。而SQI随着施肥量的增加先升后降，在F2最大，F0最小。
图 7 不同微灌方式和施肥水平耦合的土壤质量指标和生长质量指标值
Figure 7. Values of soil fertility indices and mango tree growth indices under different micro-irrigation methods and fertilizer levels
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微灌方式和施肥水平均对生长质量指数(GQI)有显著影响(P<0.05，图7)，GQI由高到低排序为MIF2>MIF3>DIF2>MIF1>DIF3>DIF1>MIF0>SIF3>SIF2>DIF0>SIF1>SIF0。结果表明，在同一施肥水平下比较不同微灌方式，GQI值由高到低的排列顺序为MI>DI>SI。在同一微灌方式下，GQI值随着施肥量的增加先升后降，在F2最大。GQI与SQI的变化相一致，均在MIF2的指数值最大。
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合理灌溉能够有效提高土壤水分含量，改善土壤水肥环境并维持其稳定状态，从而促进作物根系对水分的吸收，以维持作物的组织器官正常运行及良好发育[29]。有关研究表明微灌方式对土壤养分含量影响显著[30]。本研究中，在第1、2次(2018年5月5日和8月10日)取样中，土壤养分含量均表现出SI<DI<MI趋势，其中MI对土壤硝态氮含量提升最显著。这是因为MI通过改善土壤水、气条件，促进氮素转化，能够大幅度提高土壤中硝态氮的质量分数[31]。而在第3次取样(2018年10月30日)中MI的土壤养分含量最低，原因可能是芒果在生长初期根系不够发达，土壤养分得到累积，而随着时间延续和根系发育，MI直接将养分随水输送到根层土壤，更有利于根系对土壤养分的吸收利用。对比3种微灌方式，MI获得土壤酶活性(过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶)以及土壤微生物数量(细菌、真菌和放线菌)最高值。这是因为微润灌施肥能够持续性供水供肥，土壤微环境相对稳定，干湿交替影响较小，并且土壤水分含量相对较高，为土壤微生物的生长提供了良好的生态环境，进而提高土壤酶活性。
施肥能够提高土壤有机养分含量，从而增加土壤肥力，为作物的生长提供充足的养分基础[32]。这与本研究中施肥提高土壤硝态氮、速效磷和速效钾含量的结论一致。肥料可通过改变土壤理化性质和微生物区系进而影响土壤酶活性[33]，本研究中土壤过氧化氢酶和脲酶活性随着施肥量的增加先增后减，这是因为施肥通过提高土壤无机养分的含量，为土壤微生物的生命活动和作物的根系呼吸提供充足底物，使土壤酶积极参与生化反应，而过量施肥会破坏土壤通气性并使土壤氧气含量降低，抑制土壤呼吸，进而抑制土壤酶活性[34]。磷酸酶活性可以表征土壤磷素的状况，其活性随着施肥量的增加而增加，说明施用化肥通过促进磷酸酶活性，加速了土壤有机磷的矿化，并提高土壤磷的有效性。土壤微生物数量与施肥也密切相关。适量施肥能够促进芒果幼树的生长发育，增加根系分泌物，进而促进土壤微生物繁衍，并提高土壤微生物数量[35]。过量施肥会导致土壤营养元素失衡、养分释放与根系需求量不吻合，还会改变土壤的物理性状，引起土壤酸化，从而不利于根系活动和微生物生存[36]，这与本研究中土壤微生物数量均随施肥量的增加先增后减的结论一致。总体而言，MIF2的土壤微生物数量皆为最大值，说明在MI条件下耦合F2 (施肥量为186.4 kg/hm2)有利于土壤微生物活性的提高，促进芒果生长。
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MI对芒果幼树的株高、地径、叶片数及冠幅生长有显著的促进作用，并且MI对芒果根系生长的促进效果最佳，DI次之，SI最差。这可能是因为SI和DI的灌溉过程中，水分主要受到土壤基质势和重力势的共同影响，从灌水器进入土壤后随着时间的不断推移向周围区域扩散[37]，使得土壤水分不断变化并影响作物生长。而MI能使土壤水分保持在田间持水率附近，为植物根系提供较好的土壤水分环境[38−39]，同时实现供应作物需水和提高水分利用率，进而促进芒果生长。
本研究发现F2可以提高芒果株高增量、冠幅增量、总根系长度和根系表面积，说明适当施肥有利于根系生长，同时促进根系的营养吸收，间接促进生长。而在F3以上指标有所下降，这可能是因为过量施肥条件下，植物根系的渗透水势降低，致使根系不能正常地吸收水分和养分，根系生长受限，从而也会抑制地上部的正常生长和发育。总体来看，芒果会通过改变生长以及根系形态来响应土壤中的水分和养分变化。
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灌溉水利用效率和肥料偏生产力是决定芒果绿色生产的重要指标。适宜的灌溉与施肥耦合才能产生协同作用，促进水分和养分的吸收利用[40]。微灌方式和施肥水平及两因素交互作用对芒果幼树的IWUE和PFP均有显著影响。与SI相比，MI提升水肥利用效率效果最优。这是因为MI能够实现对作物的连续灌溉，使灌溉在时间上与植物吸水过程同步，并以地下给水的方式将水肥直接送入根区土壤，避免了径流损失、渗漏损失和蒸发损失，大幅度提高水分利用效率[41]。IWUE随着施肥量的增加先增后减，在F2达最大值，而PFP随施肥量增加而降低。肥料偏生产力反映单位施肥量的生产力，本研究结果说明施肥量越高，对产量的抑制也越大，这与Bonilla等[42]研究结果一致。本研究还发现DI和MI显著提高PFP，因为这两种微灌方式将水肥直接供应到根系分布区，减少了水分和养分的损失。综上所述，微灌方式和施肥水平之间存在显著的正耦合效应，MI与合理的施肥量耦合能够促进作物生长并提高水肥利用效率，从而实现以水促肥、以肥调水的效果。
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土壤酶和土壤微生物数量作为土壤生物学指标，能敏感地反映出土壤质量和健康的变化，是土壤质量评价指标体系中不可或缺的组成部分，可以反映出土壤养分转化能力的强弱[43]。采用隶属函数结合因子分析对土壤根区质量以及芒果幼树生长质量进行综合性评价，能够更直观地表示最佳水肥耦合模式。本研究结果表明，随着施肥水平的提高，芒果幼树的SQI和GQI均呈先增后减的趋势，在F2最大。说明一定的施肥量能有效促进作物生长和改善土壤质量，而施肥过量则会抑制作物生长并降低土壤质量的改善效果。MIF2的SQI和GQI均为最大值，说明微润灌溉耦合中等施肥水平对芒果幼树的土壤质量改善效果以及生长促进效果最优。土壤质量是评价农业土地可持续利用的一个重要思想和指标[44]。因此，建议微润灌溉条件下适当施肥，达到促进生长并实现果园土地生产力可持续发展的综合目标。
土壤脲酶是土壤氮素转化的关键酶，其活性可以反映土壤的肥沃程度[45]。相关性分析结果表明，土壤脲酶活性与芒果幼树生长之间呈极显著正相关关系。这可能是因为芒果生长初期既有地下根系的发育，又有地面茎叶部分的营养生长，作物处于大量需肥期间，所以土壤中微生物总量处于大幅增加阶段，土壤脲酶活性随之升高。此外，土壤微生物数量与芒果形态生长之间显著正相关，且与根系生长之间呈极显著正相关，这说明根际土壤微生物数量的增加有利于调节作物的生长发育[42]。并且本研究结果表明，微灌方式和施肥水平对土壤微生物数量均有不同程度的促进效果，其中以MIF2促进效果最佳。这说明适宜的水肥耦合能促进土壤微生物的繁殖和相关酶活性，加速土壤养分的分解、转化和释放，为芒果幼树生长提供适宜的养分需求，进而更好地促进芒果生长[46]。
灌水和施肥是影响作物生长的2个重要因素，通过影响土壤理化性状、养分含量、微生物数量及酶活性等，以及各指标间相互影响、制约和促进，进而协调作物生长发育[47]。节水是农业水资源高效利用的核心原则，在实际生产中如何平衡生长质量、水肥利用效率及土壤质量三者之间关系，达到提质稳产、节水增效的目的是值得探讨的。本研究发现，微润灌溉相较微喷灌和滴灌更有利于温室芒果幼树的生长，且土壤质量、水肥利用效率均有明显提高。目前应用的灌溉技术，无论是地面灌溉还是微灌(喷灌、滴灌、渗灌)，都存在灌溉具有间歇性、水气平衡困难、灌溉用水效率低、灌水均匀度差的问题。而微润灌溉与间歇灌相比，具有改善土壤水气环境，土壤水分分布均匀度高，提高水肥利用效率等优点[37]。因此，基于半透膜原理的新型微灌技术为节水灌溉技术的发展提供了强有力的指导，值得进一步应用在现代农业的生产中。
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芒果幼树生长与土壤酶活性、土壤微生物数量之间关系较为密切。与微喷灌相比，滴灌能提高土壤养分、酶活性及土壤微生物数量，微润灌对土壤养分含量的提升效果不明显，但提高土壤酶活性和微生物数量的效果以及提高水肥利用效率的作用最显著。
施肥能够显著提高芒果根区土壤养分含量、酶活性和微生物数量，并促进芒果生长，以施肥水平为186.4 kg/hm2时的促进作用最大。
微润灌配合施肥量186.4 kg/hm2的土壤肥料和芒果树生长综合指标均为最高，因此，是能协同提高土壤质量、芒果生长和水肥利用效率，实现绿色生态和节水减肥的组合。
微灌方式耦合施肥水平对土壤质量、芒果幼树生长和水肥利用效率的影响
Optimum coupling of micro-irrigation method and fertilization level on soil quality, young mango tree growth and water-fertilizer use efficiency
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摘要:
【目的】 通过研究芒果土壤微环境和生长特性对不同水肥耦合模式的响应，确定芒果幼树的最优微灌方式耦合施肥量。 【方法】 以2年生芒果幼树(品种为贵妃芒)为供试材料，在云南昆明理工大学大棚内进行完全随机组合设计田间试验，设置3种微灌方式：微喷灌(SI)、滴灌(DI)、微润灌(MI)，和4个施肥水平：0、93.2、186.4、279.6 kg/hm2 (依次标记为F0、F1、F2、F3)。每次灌溉施肥处理后30 天(灌水后第3天)，在距树干5～10 cm灌水器一侧采集土壤样品，测定芒果幼树根区土壤养分含量、酶活性、微生物数量，测量果树生长指标，计算水肥利用效率，并采用隶属函数结合因子分析法对芒果幼树土壤质量和生长质量进行综合评价。 【结果】 微灌方式和施肥水平对芒果幼树根区土壤养分含量(硝态氮、速效磷和速效钾)、酶活性(过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶)、微生物数量(细菌、真菌和放线菌)、形态生长增量(株高、地径、叶片数和冠幅)、根系生长(总长度、表面积、体积和平均直径)和水肥利用效率影响显著(P<0.05)。同一施肥水平下，土壤微环境养分含量在3种灌溉方式间无显著差异，酶活性和微生物数量平均值均为MI>DI>SI，DI、MI土壤酶活性较SI分别增加了15.09%～26.57%和26.56%～48.86%，微生物数量分别增加了11.46%～30.19%、12.87%～42.45%，灌溉水利用效率(IWUE)分别提高了43.27%、73.17%，肥料偏生产力(PFP)分别升高了33.96%、54.44%。MI处理芒果的株高增量和根系体积的增幅最大，较SI分别显著增加了100.29%、54.06%。土壤过氧化氢酶活性、脲酶活性、微生物数量以及IWUE均在F2水平获得最大值，而土壤养分含量和土壤磷酸酶活性随施肥量的增加而升高，PFP则随之降低。相关性分析结果表明，土壤养分含量、酶活性、微生物数量与芒果生长指标之间均呈正相关关系，且相关程度依次递增。隶属函数结合因子分析结果表明，土壤质量综合指数(SQI)和芒果生长质量指数(GQI)均在MIF2条件下获得最大值。 【结论】 微润灌耦合施肥水平186.4 kg/hm2(MIF2组合)为改善土壤质量并促进芒果幼树生长的最佳灌溉施肥耦合方式。 Abstract:【Objectives】 The coupling effect of micro-irrigation method and fertilizer application rate for young mango trees was studied. 【Methods】 A field experiment was conducted in greenhouse of Kunming University of Science and Technology, using 2-year-old young mango tree ‘Guifeimang’ as experimental material. The 12 treatments were composed of three micro-irrigation methods: micro-sprinkler irrigation (SI), drip irrigation (DI), and micro-moistening irrigation (MI), and four fertilizer levels: 0, 93.2, 186.4 and 279.6 kg/hm2 (denoted as F0, F1, F2, and F3). The root zone soils of young mango trees were sampled at 30 days after each fertilization (i.e. 3 days after each irrigation) for the determination of nutrient content (NO3−-N, available P and K), enzyme activity (catalase, urease and phosphatase), and microbial quantity (bacteria, fungi and actinomyces). The mongo tree growth and water-fertilizer use efficiency were investigated. The comprehensive root zone soil fertility index (SQI) and the tree growth quality index (GQI) were evaluated using the membership function with factor analysis. 【Results】 Micro-irrigation method and fertilization level had significant effects on soil nutrient contents, enzyme activities, microbial population, the increase range of morphological growth indices of both plant shoots and roots, and water and fertilizer use efficiency of young mango trees (P<0.05). Under the same fertilization level, soil nutrient contents were similar among the three irrigation methods, while the enzyme activities and microbial populations were in order of MI>DI>SI. Compared with SI, DI and MI increased soil enzyme activity by 15.09%−26.57% and 26.56%−48.86%, microbial quantity by 11.46%−30.19% and 12.87%−42.45%, irrigation water-use efficiency (IWUE) by 43.27% and 73.17%, partial factor productivity of fertilizer (PFP) by 33.96% and 54.44% (P<0.05). MI exhibited the highest increase in plant height and root volume, which were 100.29% and 54.06% higher than SI did. With the increase of fertilizer application levels, soil catalase activity, urease activity, microbial population, and IWUE reached peak at F2, soil nutrient content and phosphatase activity kept increasing with fertilization rate, and the PFP decreased with fertilization rate on the contrary. The correlation analysis showed that all the soil nutrient content, enzyme activity, and microbial population were positively correlated with mango growth indicators, and the degree of correlation raised in order of soil nutrient content, enzyme activity, and microbial population. Both the comprehensive SQI and GQI reached maximum at MIF2. 【Conclusions】 Micro-moistening irrigation coupled with 186.4 kg/hm2 of fertilizer (MIF2) is the most effective combination for promoting mango growth and improving soil environmental quality. -
Key words:
- mango /
- micro-irrigation /
- fertigation /
- soil quality /
- utilization of water and fertilizer
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图 1 芒果幼树试验期内水面蒸发量和灌水量
Figure 1. Water surface evaporation and irrigation volume in young mango trees during the test period
图 3 微灌方式和施肥水平对土壤养分含量的影响
Figure 3. Effects of micro-irrigation and fertilization level on soil nutrient content
图 4 微灌方式和施肥水平耦合对土壤酶活性的影响
Figure 4. Effects of micro-irrigation and fertilization level on soil enzyme activity
图 5 微灌方式和施肥水平耦合对土壤微生物数量的影响
Figure 5. Effects of micro-irrigation methods and fertilization levels on soil microbial population
图 6 微灌方式和施肥水平耦合对芒果IWUE和PFP的影响
Figure 6. Effects of micro-irrigation and fertilization level coupling on irrigation water-use efficiency (IWUE) and partial fertilizer productivity (PFP) of mango
图 7 不同微灌方式和施肥水平耦合的土壤质量指标和生长质量指标值
Figure 7. Values of soil fertility indices and mango tree growth indices under different micro-irrigation methods and fertilizer levels
表 1 不同微灌方式和施肥水平组合对芒果形态生长指标增量的影响
Table 1. Effect of micro-irrigation and fertilization level on the increment of morphological growth indexes of mango tree
微灌方式
Micro-irrigation method施肥水平
Fertilizer rate株高 (cm)
Plant height地径 (mm)
Ground diameter叶片数
Leaf number冠幅 (cm)
Crown widthSI F0 26.3±5.2 f 5.10±1.26 e 23.00±5.14 e 18.3±4.3 e F1 32.9±5.4 ef 5.42±1.85 e 27.33±4.16 de 24.6±5.2 e F2 49.5±8.9 cde 5.89±0.20 de 33.33±5.77 de 31.7±5.5 d F3 42.0±1.4 def 6.40±1.10 cde 39.00±2.00 bcd 32.6±4.0 d DI F0 57.4±4.1 bcd 7.59±0.31 abcd 30.67±4.16 de 34.8±6.2 cd F1 65.7±5.1 abc 7.91±0.93 abc 35.00±3.61 cde 37.4±5.9 cd F2 74.6±3.6 ab 8.61±0.87 ab 43.00±2.65 bcd 45.2±2.1 ab F3 70.6±7.2 abc 8.81±1.02 ab 49.33±7.02 abc 41.1±6.4 bc MI F0 64.9±9.0 abc 7.28±1.30 bcd 34.67±9.14 cde 31.4±4.5 d F1 78.8±6.1 ab 8.36±0.18 ab 53.00±6.25 ab 37.1±5.2 cd F2 87.0±7.5 a 8.82±0.37 ab 60.33±5.51 a 50.4±5.3 a F3 71.3±4.0 abc 9.31±0.45 a 37.33±9.71 cde 45.0±3.9 ab 显著性检验 Significance test (P值 P value) I <0.001** <0.001** <0.001** <0.001** F 0.015* 0.015* <0.001** <0.001** I×F 0.936 0.984 0.029* 0.385 注：F0、F1、F2、F3分别代表施肥量0、93.2、186.4、279.6 kg/hm2；SI、DI、MI分别代表微喷灌、滴灌、微润灌方式。I—微灌方式；F—施肥水平；I×F—微灌方式×施肥水平。各指标增量是由试验结束测量值减去初始测量值计算得到的。数据为平均值±标准差 (n=5)，同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05)。*、**分别表示效应水平达到5%、1%显著水平。
Note: F0, F1, F2, and F3 represent fertilizer application rate of 0, 93.2, 186.4, and 279.6 kg/hm2, respectively. SI, DI, and MI represent micro-sprinkler irrigation, drip irrigation, and micro-moistening irrigation, respectively. I—Micro-irrigation method; F—Fertilizer level; I×F—Micro-irrigation method×Fertilizer level. Each index increment is calculated by subtracting the initial measurement value from the measurement value at the end of the experiment. Data are shown as mean ± standard deviation (n=5), and different lowercase letters after data in the same column indicate significant difference among treatments (P<0.05). * and ** denote effect at significant level of 5% and 1%, respectively.
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表 2 微灌方式和施肥水平对芒果根系生长的影响
Table 2. Effects of micro-irrigation and fertilization level on root growth of mango trees
微灌方式
Micro-irrigation method施肥水平
Fertilizer rate根系总长度 (m)
Total root length根系表面积 (cm2)
Root surface area根系体积 (cm3)
Root volume根系平均直径 (mm)
Mean root diameterSI F0 53.97±5.22 e 2249.89±48.96 g 155.79±13.21 f 2.17±0.16 h F1 59.08±4.66 cde 2969.83±61.97 f 183.65±25.24 ef 2.56±0.19 fgh F2 66.85±6.98 bcd 3649.47±84.84 d 224.51±27.83 de 2.98±0.29 def F3 61.36±5.53 bcde 3256.77±55.61 e 305.94±38.02 c 3.34±0.25 bcd DI F0 58.42±5.57 de 3062.84±56.42 ef 190.42±19.83 ef 2.23±0.40 gh F1 65.24±3.21 bcd 3504.13±150.53 d 256.29±17.57 d 2.66±0.10 fg F2 71.14±5.11 ab 4141.93±81.12 bc 310.94±17.01 c 3.20±0.32 cde F3 62.70±6.57 bcde 3738.31±233.92 d 335.51±16.10 bc 3.51±0.41 bc MI F0 65.43±4.55 bcd 3647.18±133.64 d 260.86±21.27 d 2.80±0.15 ef F1 70.24±4.63 abc 4046.88±67.97 c 305.44±17.45 c 3.15±0.17 cde F2 78.58±6.08 a 4550.12±130.21 a 352.30±23.39 ab 3.78±0.20 ab F3 68.61±9.77 abcd 4330.15±182.91 ab 384.10±30.80 a 3.97±0.16 a 显著性检验 Significance test (P值 P value) I 0.001** <0.001** <0.001** <0.001** F 0.001** <0.001** <0.001** <0.001** I×F 0.989 0.095 0.287 0.990 注：F0、F1、F2、F3分别代表施肥量0、93.2、186.4、279.6 kg/hm2；SI、DI、MI分别代表微喷灌、滴灌、微润灌方式。I—微灌方式；F—施肥水平；I×F—微灌方式×施肥水平。数据为平均值±标准差 (n=5)，同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05)。*、**分别表示效应水平达到5%、1%显著水平。
Note: F0, F1, F2, and F3 represent fertilizer application rate of 0, 93.2, 186.4, and 279.6 kg/hm2, respectively. SI, DI, and MI represent micro-sprinkler irrigation, drip irrigation, and micro-moistening irrigation, respectively. I—Micro-irrigation method; F—Fertilizer level; I×F—Micro-irrigation method×fertilizer level. Data are shown as mean ± standard deviation (n=5), and different lowercase letters after data in the same column indicate significant difference among treatments (P<0.05). * and ** denote effect at significant level of 5% and 1%, respectively.
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表 3 芒果幼树生长指标增量与土壤养分含量、酶活性和微生物数量之间相关性分析
Table 3. Correlation between the increment of growth indexes of young mango trees and soil nutrient content, enzyme activity and microbial population
指标
Index株高
Plant
height地径
Ground
diameter叶片数
Leaf
number冠幅
Crown
width根系总长度
Total root
length根系表面积
Root surface
area根系体积
Root
volume根系平均直径
Mean root
diameter硝态氮
NO3−–N0.15 0.28 0.43 0.49 0.36 0.49 0.72* 0.86** 速效磷
Available P0.10 0.31 0.33 0.46 0.24 0.43 0.84** 0.84** 速效钾
Available K0.13 0.30 0.40 0.47 0.31 0.46 0.71* 0.83** 过氧化氢酶活性
Catalase activity0.83** 0.66* 0.82** 0.85** 0.95** 0.91** 0.64* 0.63* 脲酶活性
Urease activity0.88** 0.87** 0.85** 0.91** 0.85** 0.95** 0.89** 0.87** 磷酸酶活性
Phosphatase activity0.44 0.59 0.58 0.72* 0.51 0.69* 0.89** 0.94** 细菌数量
Bacteria count0.67* 0.71* 0.72* 0.87** 0.76** 0.87** 0.87** 0.89** 真菌数量
Fungi count0.68* 0.67* 0.68* 0.85** 0.84** 0.93** 0.85** 0.91** 放线菌数量
Actinomyces count0.90** 0.88** 0.79** 0.92** 0.83** 0.95** 0.87** 0.89** Note: *—P<0.05; **—P<0.01.
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