蔬菜为需水需肥较大的作物，我国设施蔬菜种植多采用传统管理模式，水肥用量大，不利于植株生长，同时带来水肥浪费和环境污染等问题。因此，设施蔬菜种植采用节水灌溉技术对缓解农业水资源短缺现状具有重要意义。滴灌技术因节水、节肥等优点在温室蔬菜种植中广泛应用。滴灌属于局部灌溉，棵间蒸发和深层渗漏少，可将水分集中供给作物根部，故水分利用效率较高^[1]。研究表明，滴灌施肥技术可使作物根系土壤保持适宜的水肥以供作物吸收，从而提高作物产量^[2]。滴灌方式的差异可导致土壤湿润体大小和土体垂直及水平方向上水分分布的不同，进而影响作物根系的分布及产量^[3]。有研究发现，与地表滴灌相比，地下滴灌能促进茄科类作物根系深扎及产量的增加^[4]。但不同滴灌方式对蔬菜品质的影响仍需要大量试验进行验证。生物质炭具有发达的孔隙结构、较高碳含量、稳定性强等特点，在改善农田土壤环境方面具有较大潜力^[5]。有研究表明，滴灌条件下，添加生物质炭可增加土壤养分含量和作物产量^[6]。但也有研究认为，生物质炭对滴灌条件下的作物产量无显著影响^[7]。因此，滴灌条件下添加生物质炭对作物产量的影响不一。且不同滴灌方式下，生物质炭对作物产量及品质的影响如何尚不明确。

氮素是植物生长必需的大量元素，其大部分来源于土壤。土壤氮素循环是一系列酶促作用的过程。土壤氮转化酶能促进土壤有机氮转化为植物可直接利用的有效氮，因此，土壤氮转化酶在氮素转化中起着重要作用。水分作为影响作物生长的重要环境因子，对土壤酶活性有重要影响^[8]。而灌溉方式的改变，则会导致土壤水分含量及分布的差异，势必会对土壤酶活性产生影响。目前有关不同滴灌方式对土壤氮转化酶活性的影响研究鲜见报道。此外，生物质炭由于其特殊的性质，可影响土壤微生物数量及活性^[9]，进而影响土壤酶活性。生物质炭添加到滴灌土壤如何影响土壤氮转化酶活性？在不同滴灌方式下影响是否一致？有待于进一步研究。基于此，本研究以两种滴灌方式（常规地表滴灌和插入式地下滴灌）和是否添加生物质炭为处理因子，解析不同滴灌方式及生物质炭对温室青椒产量及品质的影响，探明二者对土壤氮转化酶活性的调节效应，以期为设施农业节水增效提供理论依据及技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验在中国农业科学院新乡综合试验基地日光温室内开展。温室东西走向，长55m，宽8m，聚乙烯薄膜覆盖，室内无补温设施。土壤质地为壤土。生物质炭购自河南商丘三利新能源有限责任公司，为花生壳在500℃左右条件下制成，供试土壤与生物质炭基本理化性质见表1。试验共设置4个处理：地表滴灌（D）、插入式地下滴灌（ID）、地表滴灌 +10t·hm^-2 生物质炭（D+B）、插入式地下滴灌 +10t·hm^-2 生物质炭（ID+B），每个处理3个重复。供试青椒品种为新查理皇，2019年3月29日移栽，种植行距60cm，株距40cm，每小区6行，每行20株。移栽前施用750kg·hm^-2 复合肥（氮、磷、钾比例为19∶19∶19），有机肥15t·hm^-2（有机质含量为46%）作为基肥，开花期（移栽后30d）和结果期（移栽后59和79d）分3次追肥，每次施入375kg·hm^-2 复合肥，追肥采用水肥一体化方式随灌溉水液施。地表滴灌处理中滴灌带1行1带，滴头间距为30cm，插入式地下滴灌处理中每株作物配一个滴箭，插入深度为15cm。地表滴灌和插入式地下滴灌总灌水量和滴头流量保持一致。青椒移栽后第1次灌足水，移栽后每10d灌1次水，每次灌水量为35mm，总灌水量为455mm。其他温室管理措施保持一致。

1.2 样品采集与测定

在每次青椒成熟时集中采摘，即在2019年5月8日、5月19日、5月29日、6月10日、6月16日、6月21日、6月24日、6月29日、7月4日、7月12日分别采摘成熟青椒，采摘后称重，计算整个生长季的产量。在青椒盛果期（2019年6月24日）采摘称重后，从中选取长势中等均一的青椒用于品质测定。在青椒收获前，于两行青椒中间区域按照多点采样法，采集表层土壤样品（0～15cm），混合均匀，去除土壤中可见动植物残体，带回实验室，于4℃冷藏保存，用于测定土壤性质。另取部分土样置于阴凉处风干。风干后，过1mm筛，用于测定土壤氮转化酶活性。

土壤性质测定方法：取50mL的0.5mol·L^-1 K₂SO₄ 加入到10g土中，振荡1h后过滤。滤液用连续流动分析仪（AA3，Germany）测定土壤中的铵态氮（NH₄ ⁺-N）和硝态氮（NO₃^--N）含量；土壤水分含量采用105℃烘干称重法测定。土壤pH按照水土比2.5∶1混匀静置30min后用MetropH320计测定上清液。土壤电导率按照水土比5∶1振荡3min，静置澄清后取上清液，用雷磁DDSJ308A型电导率仪测定。

青椒品质测定方法：蛋白质采用凯氏定氮法测定（GB 5009.5-2016）；维生素C（Vc）采用2，6-二氯靛酚滴定法测定（GB 5009.86-2016）；总酸（以柠檬酸计）采用酚酞滴定法测定（GB/T12456-2008）；可溶性糖采用铜还原碘量测定（NY/T1278-2007）。氮转化酶活性测定方法：脲酶、蛋白酶、硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性分别采用土壤脲酶ELISA检测试剂盒、土壤蛋白酶ELISA检测试剂盒、土壤硝酸还原酶ELISA检测试剂盒和土壤亚硝酸还原酶ELISA检测试剂盒提取，酶标分析仪 （Rayto RT-6100）法测定。

1.3 数据分析

数据统计分析采用SPSS 20.0（SPSS Inc．Chicago，IL）进行单因素方差分析和相关性分析，单因素方差分析多重比较采用最小显著差数法（LSD），显著水平为0.05；R语言分析软件中曼特尔-亨塞尔检验（Mantel test）分析青椒品质、土壤酶活性与土壤因子之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 滴灌方式及生物质炭对土壤矿质态氮及其它理化因子的影响

由表2可知，不同处理之间土壤NH₄ ⁺-N含量没有显著差异（P>0.05）。ID较D降低了土壤NO₃^--N含量（P<0.05），生物质炭的添加增加了插入式地下滴灌的NO₃^--N含量（P<0.05），削弱了两种滴灌方式下土壤NO₃^--N含量的差异。ID和DB土壤水分含量高于D（P<0.05）。滴灌方式和生物质炭对土壤pH影响均不显著（P>0.05）。与D相比， ID降低了土壤电导率（P<0.05），但生物质炭的添加增加了插入式地下滴灌的土壤电导率（P<0.05）。

注：不同小写字母代表各指标不同处理之间在0.05水平下差异显著。

2.2 滴灌方式及生物质炭对青椒产量的影响

滴灌方式及生物质炭的添加对青椒产量的影响见图1，与D相比，ID增加了青椒产量 （P<0.05），增幅达11.07%；同时，D+B也较D增加了青椒产量（P<0.05），增幅为22.59%，生物质炭的添加虽然增加了插入式地下滴灌方式下的青椒产量，但二者差异并不显著（P>0.05）。

注：不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.3 滴灌方式及生物质炭对青椒品质的影响

滴灌方式及生物质炭对青椒蛋白质、Vc、总酸和可溶性糖含量的影响见图2。D、ID、D+B和ID+B各处理之间的蛋白质含量均没有显著差异 （P>0.05）。D与ID的Vc含量无显著差异（P>0.05），添加生物质炭降低了插入式滴灌的Vc含量（P< 0.05），与ID和D+B相比，ID+B的Vc含量分别降低了19.76%和18.89%。添加与不添加生物质炭条件下，不同滴灌方式对青椒总酸含量影响均不显著（P>0.05），但添加生物质炭降低了总酸含量 （P<0.05），与D和ID相比，D+B和ID+B总酸含量分别降低17.34%和5.14%。无论添加生物质炭与否，插入式地下滴灌均较地表滴灌降低了可溶性糖含量（P<0.05），即与D和D+B相比，ID和ID+B的可溶性糖含量分别降低7.36%和3.22%，但生物质炭的添加均增加了两种滴灌方式的可溶性糖含量（P<0.05），增幅分别为3.33%和7.95%。

2.4 滴灌方式及生物质炭对土壤氮转化酶活性的影响

由图3可知，D与ID的土壤脲酶活性无显著差异（P>0.05），生物质炭的添加均增加了两种滴灌方式下的脲酶活性（P<0.05），增幅分别为12.20%和9.78%，但D+B和ID+B之间差异不显著 （P>0.05）。无论添加生物质炭与否，两种滴灌方式下的蛋白酶活性均无显著差异（P>0.05），但生物质炭的添加增加了两种滴灌方式下的蛋白酶活性 （P< 0.05），增幅分别达9.42%和5.54%。无论添加生物质炭与否，与地表滴灌相比，插入式地下滴灌均降低了硝酸还原酶活性，降幅分别为3.08%和5.45%（P<0.05）。生物质炭添加并未显著影响地表滴灌的硝酸还原酶活性（P>0.05），但显著降低了插入式地下滴灌的硝酸还原酶活性（P<0.05），降幅为2.99%。D、ID、D+B和ID+B的蛋白酶和亚硝酸还原酶活性均无显著差异（P>0.05）。

2.5 土壤因子、氮转化酶活性与青椒产量、品质之间的关系

相关性分析表明（表3），青椒产量与土壤含水量、脲酶和蛋白酶活性呈极显著正相关（P<0.01），与总酸呈极显著负相关（P<0.01）。青椒Vc含量与土壤电导率呈极显著负相关（P<0.01），与土壤硝酸还原酶活性呈正相关（P<0.05）。总酸含量与土壤含水量呈显著负相关（P<0.05），与土壤脲酶、蛋白酶活性呈极显著负相关（P<0.01）。可溶性糖含量与土壤NO₃^--N含量呈极显著正相关 （P<0.01）。脲酶与土壤含水量呈显著正相关（P< 0.05）。

曼特尔-亨塞尔检验结果（表4）表明，青椒品质与土壤含水量和脲酶活性存在极显著正相关 （P<0.01），与土壤蛋白酶和硝酸还原酶活性存在显著正相关（P<0.05）。而土壤氮转化酶活性与NO₃^--N含量及含水量存在显著正相关（P<0.05）。

注：* 表示在 P<0.05水平下显著相关，** 表示在 P<0.01水平下极显著相关。下同。

3 讨论

3.1 滴灌方式及生物质炭对青椒产量及品质的影响

水分和养分是限制辣椒生长的关键因子^[10]。滴灌属于局部灌溉，由于仅湿润部分土体，故可减少土面蒸发，且可根据作物根系分布及耗水规律来调节土壤的水分和养分。滴灌方式的改变，不仅改变了作物根系的分布、构型，而且改变了植物根系对水分的吸收和利用，而土壤含水量和根系分布的不同必然引起植株地上部及产量的变化^[11]。在本研究中，插入式地下滴灌较地表滴灌增加了青椒产量。地下滴灌的土壤含水量大于地表滴灌（表2），湿润体范围大于地表滴灌，更有利于根系的下扎生长，且可有效降低地表水分耗散，因而具有更大的提高水分利用效率和增产潜力^[12]。生物质炭提高了两种滴灌方式下（尤其是地表滴灌）的青椒产量。生物质炭可改善土壤结构、提高土壤持水性和养分供应能力^[13]，同时可增加土壤碳库，提高土壤磷、钾、镁等元素的生物有效性^[14]，从而提高作物产量。在本研究中，生物质炭显著增加了地表滴灌条件下的土壤含水量，促进了青椒根系对水分的吸收和青椒的生长。但生物质炭削弱了滴灌方式对青椒产量的影响，这可能是由于生物质炭的持水性较强，削弱了两种滴灌方式的湿润体差异，使青椒生长受生物质炭的影响大于滴灌方式。由表3可知，青椒产量与土壤脲酶和蛋白酶活性显著正相关。生物质炭促进了蛋白酶和脲酶活性的提高，即促进了土壤有机氮向无机氮的转化，可为青椒的生长提供可利用的矿质氮，因而促进了青椒产量的提高。

土壤水肥条件与辣椒品质有密切联系^[15]。研究表明，灌水在增产的同时却稀释了果实可溶性糖、有机酸等的含量^[16]。本研究中，插入式地下滴灌由于增加土壤水分含量，导致其稀释了青椒可溶性糖的含量。有研究表明，生物质炭可改善蔬菜的果实品质^[17]。在本研究中，青椒果实品质与土壤含水量、脲酶和蛋白酶活性呈正相关。生物质炭增加了土壤含水量、脲酶及蛋白酶活性，可促进土壤氮肥向矿质态氮的转化，促进青椒生长，进而提高其果实品质。生物质炭本身具有较强的吸附能力，可吸附土壤中的氮素，并不断解吸，可长期满足青椒对氮素的需求，增强了青椒的光合能力，提高了青椒的光合产物，进而提高其品质^[18]。生物质炭并没有显著影响青椒果实中蛋白质及Vc含量（图2），这与李丽等^[17]的研究结果一致。但生物质炭增加了两种滴灌方式下青椒的可溶性糖含量，这可能因为青椒生育期较长，而生物质炭对肥料养分具有吸附作用，对氮肥起到缓释的作用^[19]，可保证氮素的适量供应。此外，生物质炭中含有丰富的微量元素^[14]，微量元素可提高果实中糖分含量，降低酸味物质含量^[20]，故生物质炭可改善青椒果实品质。

3.2 滴灌方式及生物质炭对土壤氮转化酶活性的影响

有研究表明，添加生物质炭可提高土壤脲酶活性^[21]，但也有相反的结果^[22]。在本研究中，生物质炭增加了两种滴灌方式下的土壤脲酶活性。生物质炭本身含有部分可溶性氮，可增加土壤氮含量^[23]，进而提高土壤脲酶活性。此外，生物质炭具有发达的孔隙结构，能够吸附反应底物，进而提高脲酶活性^[24]。生物质炭可增加土壤微生物生物量氮^[9]，而土壤脲酶活性与土壤微生物生物量氮显著正相关^[25]。生物质炭可为土壤微生物提供碳源，而配合施用的氮肥则为微生物提供氮源，为微生物的成长提供了良好的环境，因而可以提高土壤脲酶活性。研究表明，土壤水分降低可增加脲酶活性^[26]，这与本研究结果相反。本研究中，生物质炭提高了土壤水分含量，而土壤水分含量与脲酶活性呈正相关关系。土壤水分含量的提高，有利于微生物及根系的活动^[27]，从而提高土壤脲酶活性。在本研究中，插入式地下滴灌虽然有利于根系对水分的吸收，提高土壤含水量，但并未提高土壤脲酶活性。这可能与地表滴灌和地下滴灌条件下植物对水分利用的差异有关，具体原因有待于进一步分析。

本研究表明，生物质炭可增加土壤蛋白酶活性，这与徐谨等^[28]的研究结果相反。徐谨等^[28] 认为，生物质炭的富碳性提高了土壤碳氮比，在没有其他外源氮输入的条件下，动植物和微生物对氮素的利用存在竞争，故可降低微生物的数量和活性。而在本研究中，在添加生物质炭的同时还施用了有机肥及氮磷钾复合肥，土壤氮素充足，可为微生物代谢提供底物，促进参与土壤氮转化微生物的生长^[29]，从而有利于蛋白酶活性的提高。同时，生物质炭含有丰富的营养元素，可增加土壤养分，为微生物活动提供良好的生存环境，进而可提高土壤蛋白酶活性^[30]。Zaman等^[31]的研究表明，在一定范围内，土壤水势越高，土壤含水量也越高，氧气的可利用性降低，可影响微生物生长和新陈代谢，因而可降低蛋白酶活性。而生物质炭由于具有发达的孔隙结构，可能会降低土壤水势，增加土壤通气性，因而增加蛋白酶活性。在本研究中，插入式地下滴灌虽较地表滴灌增加了土壤含水量，降低了土壤通气性，不利于土壤蛋白酶活性的增加，但由于地下滴灌可促进作物根系的生长^[4]，增加的根系可能并未降低对土壤氧气的利用，因而两种滴灌方式对土壤蛋白酶活性的影响没有显著差异。

在本研究中，插入式地下滴灌较地表滴灌降低了硝酸还原酶活性，但对亚硝酸还原酶活性没有显著影响。陈志刚等^[32]的研究表明，土壤系统中硝酸还原酶活性与土壤含水量呈正相关，土壤含水量越高，则氧气含量越低，越有利于硝酸还原酶活性的提高。本研究中的插入式地下滴灌虽较地表滴灌增加了土壤水分含量，但插入式地下滴灌的灌溉水直达作物根部，作物可更好地利用水分和养分，因而可促进作物根系的生长。而发达的根系可大量吸收土壤中的铵态氮和硝态氮，而底物的减少直接影响了土壤硝酸还原酶的活性。本研究结果表明，生物质炭的添加降低了插入式地下滴灌条件下的硝酸还原酶活性。生物质炭具有发达的孔隙结构，可提高土壤通气性，增加土壤氧气含量，不利于厌氧的硝酸还原菌的生长，因而降低了硝酸还原酶活性。但在地表滴灌条件下，生物质炭的添加并没有显著影响硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性，这可能跟滴灌条件下的土壤水分分布有关，其具体的机制尚不明确，有待进一步研究。

4 结论

插入式地下滴灌较地表滴灌显著增加了青椒产量，生物质炭增加了地表滴灌条件下的青椒产量，且增加了两种滴灌方式下的可溶性糖含量，因此，生物质炭可提高青椒产量及品质。

滴灌方式对土壤氮转化酶活性影响较小，生物质炭增加了土壤脲酶和蛋白酶活性，降低了硝酸还原酶活性。

生物质炭通过对土壤含水量、土壤氮转化酶活性的调控，可促进土壤氮肥向矿质态氮的转化，促进青椒生长，进而提高其果实产量及品质。因此，生物质炭是一种有效的温室土壤改良剂。

参考文献