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前言
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第一章 秸秆及其生物炭调控日光温室黄瓜根土互作的研究进展
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第一节 内蒙古自治区设施蔬菜生产和玉米秸秆利用现状
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一、内蒙古自治区设施蔬菜生产现状
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近10多年来，随着内蒙古自治区经济的大力发展，城市化进程的速度加快，人民生活水平的大幅度提高，内蒙古自治区许多城市出现了本地的蔬菜供应不足、蔬菜价格连续上涨等问题。伴随着上述的这些方面的变化，内蒙古自治区的农业种植产业结构也发生着巨大的变化：以设施蔬菜为主的设施农业产业在内蒙古自治区各个盟市持续、快速、有序地发展，在整个农业生产中的比值和地位也日益得到提高，设施蔬菜产业正在成为内蒙古自治区各地区增加基层农民收入、吸纳农村劳动力、保障城市“菜篮子”工程实施的重要支持产业。
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内蒙古自治区设施蔬菜产业在“十一五”期间进入了快速发展阶段，在“十一五”末期，设施蔬菜种植面积比“十五”末期增长了两倍多。到2010年，内蒙古自治区设施蔬菜种植面积达86533hm2，同比增长26%，比“十五”末期增加了58667hm2;设施蔬菜的总产值占到了整个蔬菜生产产值的53%，占种植业产值的15%。内蒙古自治区的设施蔬菜产业主要分布在西辽河流域、大青山与燕山结合部、土默川平原、河套地区东部、燕山丘陵区等区域，占到全区总面积的90%，吸纳农村劳动力58万人，带动了农资、物流、建筑、加工、运输等许多相关产业的发展，促进了内蒙古自治区广大农村牧区经济的繁荣，设施蔬菜产业已成为许多地区农牧民增收的重要途径。目前，内蒙古自治区设施蔬菜生产已遍布内蒙古自治区的所有盟市，并逐步形成了以日光温室和塑料大棚为主的保护地生产体系，实现了整个年份的生产供应，设施蔬菜产品正逐渐向特色型、多样化、礼品型转变，蔬菜产品质量正向优质绿色化和品牌化转变。
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根据内蒙古自治区的规划，内蒙古自治区将重点打造四大优势设施蔬菜基地：即以京津唐及江苏、浙江和山东市场为目标，兼顾向北以蒙古市场为目标的中东部环京津设施蔬菜基地；以满足呼包鄂城市区域为目标的中西部环城设施蔬菜基地；以满洲里口岸为依托，以远东市场为目标的东部设施蔬菜外向型基地；依托甘其毛道和策克口岸，以中亚及东欧市场为目标，兼顾以银川和兰州为目标的西部出口设施蔬菜基地。始终坚持政府引导、市场动作的原则。加大蔬菜产业的投入力度，加强基础设施建设。加强质量安全检验检测，完善全程质量追溯制度。
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二、内蒙古自治区玉米秸秆利用现状
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根据确切的资料，2007年，内蒙古自治区秸秆产量最高的是玉米秸秆，秸秆产量达到1888.22万t，其次是小麦秸秆245.00万t、豆类秸秆212.01万t、油料作物秸秆160.74万t、薯类秸秆100.89万t，其他作物均小于100万t。在内蒙古自治区2007年全年产生的3270.27万t作物秸秆中，有1684.60万t用于饲料，占总量的51.51%，这其中的主要原因是畜牧业发达，各地在养殖生产过程中利用作物秸秆进行青贮、发酵或直接饲喂牲畜现象普遍，导致秸秆的饲用比例高。同时，由于免耕栽培等技术措施的普及和应用，内蒙古自治区秸秆还田量也逐年增加，已占到秸秆处理总量的10.56%，仅次于作为饲料和燃料这两种利用途径，但是还有29.65%的秸秆近1000万t作为农村牧区的生活燃料被烧掉，而这种处理方式是一种普遍现象，与现阶段内蒙古自治区农牧业生产力发展水平、农牧民生活习惯相关，既浪费大量资源又严重污染环境。同时，大量秸秆在田间焚烧、随意丢弃的现象还普遍存在并占较大比例。与其他秸秆相比，玉米秸秆中含有较多的磷、钾等养分（表1-1），转变秸秆利用方式，改变农民生产生活习惯，是科学合理利用秸秆资源的前提，不仅可以带来生态环境的改善，更有巨大的直接经济效益。
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表1-1 玉米秸秆与其他常见作物秸秆养分含量对比
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图1-1 内蒙古自治区2000—2013年玉米产量和玉米秸秆量增长状况
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玉米是内蒙古自治区的主要粮食作物，其种植面积、总产量、单产水平均居内蒙古自治区粮食作物的首位，通过2000—2013年的内蒙古自治区玉米产量的统计数据，利用常规的玉米秸秆量是玉米产量1.34倍的理论系数，可以得出内蒙古自治区2000—2013年的玉米产量和玉米秸秆量的变化（图1-1）。从图中可见，2000—2013年，内蒙古自治区玉米产量总体呈现逐年增加的趋势，玉米秸秆量也呈逐年增加的趋势，玉米秸秆量在2000年仅为843.13万t，而2013年就达到了2725.56万t，增长了223.27%。由此可见，内蒙古自治区玉米秸秆综合利用空间巨大，将玉米秸秆用于设施蔬菜地表覆盖的操作简单，取材方便，利用前景非常广阔。
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第二节 设施黄瓜环境调控技术研究进展
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一、设施黄瓜温度调控研究进展
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黄瓜为喜温类蔬菜，设施温度的高低变化对黄瓜植株的生长影响较大。孟令波等研究发现：外界高温可使黄瓜的主根变长、变细，一、二级侧根的数量增多，根系有须根化趋向。多数耐热品种在高温下须根化程度较低，而非耐热性品种的须根化程度较高。高温条件下黄瓜主根的生长状况对其根系发育及叶面积大小起着非常重要的作用。王丽丽等设置6℃、8℃、15℃3种地温试验表明：低地温下黄瓜的根系活力先降后升，细胞膜脂过氧化程度加剧，丙二醛（MDA）含量增加，细胞膜透性逐渐增大，叶绿素含量先降后升，可溶性蛋白质含量提高；植株发生了许多适应性变化，株高、茎粗、叶面积与对照相比均有极显著的差异，低地温对黄瓜生长具有极显著地抑制作用。在温室水分供应充足条件下，较高温度可促进黄瓜茎粗增长和果实膨大，而较低的夜温可导致茎粗增长速率下降。刘玉东对温室黄瓜幼苗进行根区温度处理试验表明：与适温（21～23℃）相比，亚适温（14～16℃）和低温（8～10℃）可降低黄瓜幼苗株高、茎粗、叶面积、叶片叶绿素含量，以及光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、地上部干重和全株干重，增加地下部干重和根冠比。任志雨等在花果期的不同根区温度处理试验（自然地温、15℃、20℃和25℃）表明，随根区温度增加，黄瓜株高、茎粗、叶片数、叶片叶绿素含量、光合速率、蒸腾速率和产量均显著增加，并可显著减少植株沤根、黄叶和花打顶的发生，提高黄瓜植株存活率。
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在设施环境中，不同温度的处理对黄瓜内源激素有着较大的影响，从而调控黄瓜的生长发育。任志雨等研究发现：一定范围内根区加温可增加黄瓜叶片赤霉酸（GA3）、吲哚乙酸（IAA）和玉米素核苷（ZR）含量，且随温度升高呈现上升的趋势，各处理与自然低温差异大多达显著水平；脱落酸（ABA）含量则随温度升高而下降，20℃、25℃处理与自然地温差异显著。根区温度变化可影响黄瓜植株内源激素合成、运输和分配。王丽丽等研究表明，低地温条件可促进黄瓜叶片GA3和IAA的合成，随处理温度的降低二者含量升高，随处理时间的延长二者含量变化表现为先升后降，随处理时间的延长二者含量下降。栾非时等利用采瓜期通风使A、B处理处于亚适温、C处理处于适温发现：随温度升高黄瓜产量逐渐增加，小区产量与积温呈极显著正相关关系；从结瓜前期到后期IAA含量呈下降趋势，积温与IAA含量呈负相关关系但不显著；积温与转化酶活性显著正相关关系；C处理叶绿素含量始终大于A和B处理，积温与叶绿素含量呈显著正相关关系。
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有研究表明，黄瓜在高温高湿且每天中午时段施CO2肥平均40～50℃下处理4h以上时，商品质量有一定的提高，可减少弯曲瓜，提高叶片可溶性蛋白质含量。黄瓜子叶在15℃条件下7d可对低温产生适应性，类脂显著变化，磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）大幅度减少，而双半乳糖甘油二酯（DGDG）含量明显升高，并且主要类脂单半乳糖甘油二酯（MGDG）、DGDG及PC中不饱和度高的分子含量增多，最终致使总类脂的不饱和脂肪酸尤其是亚麻酸增多。
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二、设施黄瓜光照调控研究进展
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在设施黄瓜光照的研究中，大多是结合高温或低温进行不同光照度的研究。张振贤等研究认为，黄瓜在弱光低温［400μmol/（m2·s）、15～30℃］下温度补偿点约为3.3℃，在强光高温［1300μmol/（m2·s）、40～48℃］下温度补偿点为48.9～50.7℃，低温下老叶温度补偿点明显高于新叶。功能叶光合作用启动时间一般为42～45min，而老叶相对较长（54～60min）。偏低温弱光不会显著影响黄瓜光合系统Ⅱ，但对叶片叶绿素荧光参数M峰及荧光猝灭系数（qN）有一定影响，弱光与偏低温结合时弱光对黄瓜的影响处于主导地位。徐克章研究认为，在低温弱光条件下，黄瓜具有自我保护的功能和机制，光合作用的上、下限温度分别为3～6℃和42～44℃。王永健研究发现，在低温弱光［15℃、100μmol/（m2·s）］胁迫下，黄瓜幼苗光补偿点升高，叶绿素a荧光动力学有关参数和参与光合作用的关键酶——RuBP羧化酶活性明显下降，PSⅡ原初光能转换效率和电子传递及碳同化均受到抑制，使幼苗对弱光的利用能力下降，而幼苗在逆境诱导下适应性会逐渐增强，各项指标可恢复到处理前水平且保护地品种对低温弱光逆境调节和适应能力强于露地品种。王维斌等研究表明：黄瓜叶片在4℃与300μmol/（m2·s）光量子通量密度（PPFD）低温光照条件下，CO2同化速率和最大放氧速率急剧下降，PSⅠ最大光化学效率显著下降，PSⅡ最大光化学效率降低，叶片PSⅡ捕光效率和光化学效率均明显降低，电子传递链还原程度显著增强，过氧化物酶（CAT）、抗坏血酸－谷胱甘肽循环中的关键酶活性逐渐失活，叶片中的H2O2、O-2和MDA含量渐渐积累，叶绿体中的膜脂组分中PC、磷脂酰甘油（PG）、硫代异鼠李糖基甘油二酯（SQDG）不饱和度下降，类囊体逐渐扭曲和膨胀，最终叶绿体被瓦解；而高温（40℃）黑暗条件下，叶片放氧活性及PSⅠ、PSⅡ光化学活性不受影响，高温（40℃）照光条件下黄瓜光合系统活性维持稳定。
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在所有外界环境因素中，光照时间和温度是影响黄瓜花芽性型分化的主要因素。低夜温、短日照、高氮等有利于花原基向雌性分化，而空气温度对黄瓜生长与发育影响较大，播种过早或过迟都导致黄瓜不能获得高产。李光等研究表明：在早春，若播种期推迟，则种子出土加快，幼苗下胚轴长度和子叶的纵向长度也有一定变化。秋延后黄瓜播种期推迟，则相应的始花期和始收期推迟，但采收期趋于一致且总产量呈下降趋势，在一定程度上推迟黄瓜的播种期可促进早熟性并减轻发病。钟海秀等研究表明：黄瓜种子播种期对强雌系的品种影响较大，使雄花数相对减少；而对弱雌系黄瓜品种影响不大，使雄花数增多，但在一定程度减少雌花比例。
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三、设施黄瓜施肥调控研究进展
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设施环境下施肥对黄瓜的产量和品质影响较大，氮、磷、钾肥的配合施用在设施生产中尤为重要。在设施黄瓜生产中，增加肥料中磷元素的施用量和比例可显著提高黄瓜产量，适量氮、磷、钾肥的合理配施，可在一定程度上提高黄瓜果实中可溶性糖和维生素C的含量，并降低硝酸盐含量，适量的氮、钾肥并配合磷肥，可增加果实中可溶性蛋白质含量。杨果等研究表明，在氮、磷肥同等用量前提下，相比较不施钾肥来看，施钾肥可增加黄瓜产量和净增产值。杨阳等研究发现，施钾肥使黄瓜提前结果并延长结果期，对前期结瓜有明显促进作用，钾肥施用后可增产14.7%～53.5%。K2O施用量在240～720kg/hm2范围内随施用量增加，果实中可溶性糖和维生素C含量逐渐增加，硝酸盐含量明显降低。720kg/hm2以下的K2O施用量下黄瓜的产量和经济效益最高。
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此外，在生产实践中，沼肥、有机肥和叶面肥施用均能明显增强叶片的光合作用，促进保护地黄瓜的生长发育，有机肥肥效慢而沼肥的肥效快。在施用有机肥、沼肥和叶面肥情况下，黄瓜分别可增产12.0%、5.7%和11.1%。在同样的栽培条件下，向保护地黄瓜施CO2肥，晴天设施空气CO2含量保持1000～1500mg/kg、阴天保持500～700mg/kg时，对设施黄瓜生长、抗病、产量及品质方面具有明显地促进作用，可使果实维生素C含量增加8.01%，总产量增加54.4%。
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四、设施黄瓜节水灌溉调控研究进展
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设施条件下黄瓜节水灌溉方面的研究结果较多，但由于环境、土壤、灌溉方式等方面的条件差异，许多黄瓜节水灌溉的研究结论不完全一致。陈志杰等研究表明：膜下暗灌和滴灌两种条件下，日光温室黄瓜根干重最大值变化不一致，分别出现在定植后的180d和210d，膜下暗灌和滴灌水平根系主要分布在0～15cm范围，这个范围内的根干重分别占总根干重的96.6%和94.2%。随着黄瓜的生长，膜下暗灌内侧根系数量逐渐下降，而滴灌条件下内外侧根系数量分布比较均衡。贺忠群等研究表明，秋延后温室黄瓜在灌溉下限为75%、上限为90%时，黄瓜产量和水分利用率高且品质好，黄瓜从开花结果到拔秧，灌溉定额为1934.76m3/hm2，灌水次数10次效果较好。李清明等研究发现，秋茬和春茬黄瓜，灌溉上限土壤含水量为90%田间持水量利于初花期植株生长和光合产物形成及积累；而魏恒文等认为结瓜期灌溉以土壤水分保持75%～85%为宜。张自坤等研究表明，灌溉水量极显著影响黄瓜生长、果实产量和品质，而灌水周期影响不显著，且灌水周期和灌溉水量二者交互也无显著影响。温室黄瓜在滴灌条件下适宜灌溉水量为450m3/hm2，灌水周期为8d可实现节水增效和高产优质的目标。张西平等试验表明，温室夏黄瓜结果期在膜下滴灌条件下，适宜耗水量应为120mm左右，日耗水强度为3.04～4.68mm，每隔4～5d灌1次水，灌水定额为15mm，较为理想的土壤含水量为田间持水量的85%～90%。
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五、设施黄瓜水肥耦合研究进展
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目前，黄瓜水肥耦合方面的研究越来越多，在研究方法上形式多样。孙伟等研究普通渗灌与节点渗灌不同施氮量对黄瓜产量及氮肥利用率发现：无论是普通渗灌还是节点渗灌，黄瓜产量均随施氮量增加呈先增再降的变化趋势，且均以375kg/hm2施氮处理最高，分别是82878.06kg/hm2和104664.77kg/hm2。在相同施氮条件下，节点渗灌处理的黄瓜产量、氮肥利用率均显著高于普通渗灌，氮肥利用率和农学效率分别较普通渗灌高4.82%和60.98%。王荣莲等对无土栽培水果黄瓜试验发现，生育期最优灌水量为3975m3/hm2左右，最优施肥配比为N∶P2O5∶K2O=2∶1∶3，最优施肥配比在5～10月，都为N∶P2O5∶K2O=2∶1∶3，与全生育期配比一致。司东霞的黄瓜试验表明，与传统育苗方式相比，控释肥料配合保水剂可显著提高植株最新展开叶片的叶面积，不同程度地降低无机氮素养分淋失，灌溉节水1.1%～11.7%，减少水分渗漏量1.1%～46.8%。李娟等发现，水、肥单因素对黄瓜产量影响均极显著，灌溉水量影响程度大于施肥量，水肥耦合的产量效应明显，黄瓜水肥耦合具有协同效应并达极显著水平，较高的灌溉水量配以适宜施肥量可获得高产，综合单、双因素及目标产量等因素，最优组合方案为：产量大于67500kg/hm2，适宜灌溉水量为2520～2850m3/hm2，施肥量为1255～1494kg/hm2。
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李若楠等试验表明，种植一段时间后，温室采用冬春茬黄瓜季化肥配施猪粪、秋冬茬番茄季化肥配施秸秆方案，能积累土壤中无机氮含量，提高养分容量，保证根层土壤氮素供应，降低环境风险，维护设施土壤的可持续发展。高丽等研究认为，优化灌溉定额为300m3/hm2时是综合评价最高的处理，冬春茬共灌溉8次，优化施氮量240kg/hm2，秋冬茬共灌溉5次，该水肥条件是温室黄瓜优质高效施肥灌溉模式。李银坤等试验表明：温室黄瓜光合速率与产量间拟合呈二次曲线关系，净光合速率（Pn）在适量减水减氮条件下下降不显著而叶片水分利用效率（WUE）则明显提高。与传统水氮处理相比，当季黄瓜施氮600kg/hm2、灌水5190m3/hm2时可增产4.21%，具有较高的产量，是一种水肥管理较为合理的方式。李邵等施肥试验表明：在一定条件下，黄瓜生长速率和产量随土壤水分增加而增加；施肥水平越高，黄瓜生长速率、叶片光合速率、干物质积累量、产量与水分利用效率越高，但过高施肥量抑制黄瓜生长；水肥互作效应对黄瓜产量和水分利用效率具有显著影响。
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韦泽秀等试验表明，水肥供给增加有利于提高土壤有效磷含量和蔗糖酶活性，肥料增加可使土壤中蛋白酶活性降低，而水分降低使土壤中脲酶活性提高。土壤中微生物多样性与养分含量无显著相关性而与土壤脲酶活性呈显著正相关关系，与蔗糖酶活性呈显著负相关。土壤相对含水量70%～80%、氮肥（N）追施量600kg/hm2和磷肥追施量（P2O5）420kg/hm2时，土壤养分含量及磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性比较高，微生物多样性和均匀度都显著高于其他处理，土壤生产潜力最优。
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张丽莹等研究表明，无土栽培黄瓜的灌水量和施肥量两因素间有显著的互作效应，氮代谢的酶活性、相关物质含量与黄瓜产量以及果实中硝酸盐、游离氨基酸、可溶性蛋白质及可溶性糖含量之间呈显著正相关关系。张丽莹等试验表明：在黄瓜的各个生育时期，灌溉水量对可溶性糖含量、蔗糖合成酶（SS）活性及磷酸蔗糖合成酶（SPS）活性的影响都达到显著水平；而施肥量处理仅对可溶性糖含量、SPS活性影响达显著水平，影响状况除在结果末期为中肥>高肥>低肥外，其余生长发育阶段均为高肥>中肥>低肥。水果黄瓜叶片可溶性糖含量、SS活性和SPS活性对灌溉水量和施肥量两因子互作有显著的响应效应，在水肥耦合条件下，黄瓜整个生育阶段SPS活性与可溶性糖含量呈显著正相关关系，在幼苗期和结果初期，SS活性与可溶性糖含量不显著相关，而在结果中、后期二者呈显著相关关系。
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韦泽秀等研究表明：黄瓜产量随水肥供给增加而增加，水分利用效率总体上与施肥量呈正相关关系，与供水量呈负相关关系。田间持水量75%～90%、600kg/hm2的施氮（N）量和420kg/hm2的施磷（P2O5）量下水肥能满足黄瓜整个生育期水分和养分需求，可实现优质高产。韦泽秀等试验表明：当土壤含水量条件状况一致时，N600kg/hm2+P2O5 420kg/hm2高肥处理的叶面积、叶片生长速率、产量和WUE指标显著高于N420kg/hm2+P2O5 294kg/hm2的低肥处理。随着土壤含水量的增加，低肥处理产量增加而高肥处理先增加后降低，而WUE降低，并且发现中水（田间持水量75%～90%）高肥处理的叶片净光合速率和蒸腾速率（Tr）日变化均高于其他处理，黄瓜在结瓜期叶片生长健壮、光合效率高、产量较高，并可节约一定水资源。
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第三节 秸秆覆盖促进作物生长和改善土壤环境研究进展
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一、秸秆覆盖促进作物生长研究进展
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1. 秸秆覆盖对作物发芽、出苗的影响
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许多研究表明，不论秸秆覆盖数量多少、时间早晚，均会对作物种子发芽、出苗及幼苗生长产生抑制作用，覆盖量越大，抑制作用越明显，表现为发芽率降低、出苗推迟、幼苗生长慢等，其原因除低温效应外还与生化他感效应关系密切。马永清等试验发现：在降水多的年份，覆盖小麦秸秆对早期玉米生长有一定抑制作用。不同的玉米品种对麦秸浸提液反应不同，有的品种对发芽率抑制较强，有的品种则较弱。杨思存等研究表明：对于小麦和大豆幼苗，蚕豆秸秆具有明显的他感作用，可使这两种作物的生物量分别减少50.4%和58.2%；大豆秸秆对小麦幼苗生长产生他感相克作用且相克作用较强，使其生物量减少60.8%，对大豆幼苗生长产生自感相生作用并使生物量增加19.8%。
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2. 秸秆覆盖对作物生长发育的影响
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Korir等研究发现，覆盖牧草可影响黄瓜的生长，蔓长、干重、结瓜数量、果长和果实含糖量等均显著增加。Makus等利用松树秸秆覆盖黄秋葵研究发现，在常规种植的黄秋葵土地覆盖11t/hm2的火炬松和长叶松秸秆，黄秋葵产量、荚重和植株干重、茎直径不受火炬松覆盖影响，而地膜覆盖增加荚果数和株高，同时减少杂草的竞争。
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研究表明，在大田玉米拔节前，秸秆覆盖较不覆盖土壤温度偏低，且玉米生长迟缓，干物质积累慢；在拔节后的土壤水分决定期，秸秆覆盖较不覆盖土壤含水率高，玉米生长速度加快，覆盖量大的处理植株长势超过覆盖量小的处理，到后期优势尤为明显。韩思明等研究表明，小麦苗期秸秆覆盖较不覆盖处理苗细，但进入分蘖期后，植株的分蘖、长势等超过不覆盖处理，拔节后植株长势也以各覆盖处理最好，其中以覆盖量6000kg/hm2处理最明显。一些研究表明，小麦秸秆覆盖量为9000kg/hm2会使玉米株高、根数和叶面积降低；而在覆盖量4500kg/hm2下，施用195kg/hm2氮肥可减轻麦秸覆盖的不良影响，促进植株生长。从秸秆覆盖对作物根系影响来看，在拔节后，秸秆覆盖免耕玉米根系数量与根长均赶上并超过传统不覆盖处理，到成熟期秸秆覆盖免耕处理的根系主要分布在浅层且根毛明显增加，根系发达、活力强且伤流液明显高于常规耕作。在蔬菜生产栽培过程中，覆盖稻草、麦秆等秸秆，对青椒、洋葱、番茄、瓜类等具有明显的防病和促进植株生长发育的作用。
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3. 秸秆覆盖对作物光合特性的影响
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孙文泰等研究地表覆盖方式对苹果叶片光合特性影响发现，清耕处理净光合速率日变化为双峰形，而地膜覆盖、麦草覆盖和覆沙为单峰形，覆草净光合速率最高并显著提高水分利用效率，覆草后光补偿点（LCP）显著降低，光饱和点（LSP）显著提高，CO2补偿点显著低于其他处理，旱地果园覆草可显著提高叶片光合作用，增强光能与CO2利用能力，利于干物质形成，增加产量。张吉祥等研究表明，秸秆覆盖使夏玉米光合速率、蒸腾速率增加且随覆盖量增加作用越明显。蔡太义研究发现：对于个体净光合速率，4500kg/hm2覆盖量处理和对照都呈现单峰形曲线变化，峰值在拔节期；对于群体净光合速率，9000kg/hm2和13500kg/hm2覆盖量处理呈现双峰形曲线变化，峰值分别出现在拔节期和孕穗期，前者高于后者。与对照相比，不同处理的净光合速率、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、叶片瞬时水分利用效率（WUE瞬时）都较对照明显增加，PSⅡ最大光化学量子产量（Fv/Fm）、潜在活性（Fv/F0）和光化学碎灭系数（qP）都明显增强。
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于晓蕾等研究小麦不同秸秆覆盖量表明，旗叶的净光合速率以3000kg/hm2最大，6000kg/hm2次之，与不覆盖处理相比，分别提高9.9%和4.6%;9000kg/hm2处理最低，与不覆盖相比降低3.5%。因此，适宜秸秆覆盖量可提高作物光合速率。
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4. 秸秆覆盖对作物产量及品质的影响
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Bunna等研究发现，用稻草作地表覆盖物可有效减少田间杂草量和土壤水分蒸发量，使绿豆平均产量提高35%。而赵东霞等在油菜上的研究表明，秸秆覆盖未显著提高单株产量、单位面积产量，但采用地膜覆盖却能有效加快植株茎秆、叶片同化物向角果转移的速度，提高地上部干物质积累量和单位面积产量，双垄面全膜覆盖沟播和全地面覆盖平播栽培方式比常规露地栽培增产30%以上。
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针对玉米的研究表明，秸秆覆盖免耕穗粒数、千粒重较不覆盖分别高17.7%、10.1%。王昕等研究表明，与不覆盖相比，玉米秸秆较高覆盖量9000kg/hm2、13500kg/hm2下的穗粒数提高31.1～47.1粒，百粒重增加1.58～2.62g，差异均达极显著水平；覆盖量4500kg/hm2处理两年穗粒数分别较不覆盖提高3.5%和5.8%，差异达显著水平。针对小麦的多点试验表明，小麦产量随秸秆覆盖量增加而增加，以覆盖量6000kg/hm2增产效果最明显，增产13.1%～23.5%。
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许多田间试验也表明，尽管地区、年份和覆盖量不同，但在一定覆盖量范围内，作物产量随覆盖量增加呈上升趋势，覆盖量少增产效果不明显，而覆盖量超过一定程度后产量也不再明显增加甚至会降低。
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二、秸秆覆盖改善土壤环境研究进展
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1. 增加土壤肥力，减少水土流失
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秸秆覆盖可使地表土壤免受降水打击，保护土壤表层团粒结构，防止地表板结并保持疏松透气。秸秆覆盖已被证明可以修复、再生土壤结构，通过保持土壤的水分和营养而提高作物生产能力，改善土壤的一些理化性状。同时，秸秆覆盖使田间土壤蚯蚓增多，有利于土壤结构改善，0～10cm土层容重随地表覆盖量增加而降低，土壤流失量和径流量也随覆盖量增加而减小。一些研究表明，秸秆覆盖地表后，在不同程度能增加地表土壤有机碳和氮、磷、钾养分含量，而利用地膜覆盖却加速了土壤表层土壤有机质降解。在秸秆组成成分中，绝大部分是有机成分，微生物容易将水溶性成分纤维素和半纤维素作为能量物质分解，木质素、蛋白质复合体则较难分解而形成有机质。秸秆还田可明显增加土壤速效钾含量，这对于补充地表土壤中的钾具有重要的实践生产意义。
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Patra等认为，秸秆覆盖能减少氮元素的挥发和渗漏损失，促进和提高作物氮元素的摄入量及利用效率。曹启光等认为，水稻秸秆覆盖后，可以提高土壤有机质含量，改善土壤保温、通气等方面的物理性状，且秸秆富含许多有机物质，可激发微生物活性并有效促进微生物数量和种类的增多。Edwards等利用玉米等秸秆覆盖马铃薯研究表明，对于侵蚀土壤，秸秆覆盖后土壤侵蚀量是不覆盖的1/2，并且土壤水分保持量高出不覆盖5%。孙立涛等对茶园地表覆盖试验表明，地表覆盖可保持土壤水分，提高水分利用效率，其中秸秆覆盖、秸秆覆盖+地膜处理的茶树水分利用效率提高43%～48%，产量水分利用效率提高7%～13%，土壤有机质、碱解氮、硝态氮、铵态氮含量显著增加，叶片硝态氮含量增加，硝酸还原酶活性增强、茶叶产量提高12%～13%。王淑娟等在一年一作条件下研究发现，覆草配施适量氮肥模式可以明显增加土壤有机碳和速效钾含量，并对提高石灰性土壤养分有效性具有重要作用。伊兴凯等研究覆盖对梨园影响发现，覆盖第五年与第三年比，土壤养分大部分指标都有所提高。试验第五年，在15～45cm土层，人工生草和覆盖稻草处理的土壤有效磷含量分别比对照提高33.51%和65.52%，覆盖稻草处理果点密度、石细胞总含量分别比对照提高13.62%和28.17%。
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2. 蓄水节水效果显著
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秸秆覆盖主要通过调节土壤表面的辐射收支、抑制土壤水分的蒸发而调节田间小气候，这些气候因素强烈影响根区的土壤温度和水分，从而可能影响作物生长及产量。秸秆覆盖可增加土壤水分含量，在大田，秸秆覆盖能减缓地表径流，增强地表土壤导水性，能把水分储存于土壤深层，从而减少水分蒸发和灌溉水量，提高水分利用效率。
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杜新艳等用秸秆覆盖夏玉米，测得土壤含水率比对照增加7.6%～10.07%，且与对照差异明显。马春梅等研究表明，秸秆覆盖对0～20cm土层土壤水分有明显增加作用，而对20cm以下土层土壤水分影响效果不明显。于晓蕾等在小麦生育期进行0.9kg/m2、0.6kg/m2、0.3kg/m2不同秸秆覆盖量处理研究土壤耗水量表明，与对照相比，这3种处理分别降低了6.68%、4.01%和1.09%。刘冬青等试验表明：棉田地表覆盖处理后，其保墒效果生育后期优于中期和前期；小麦秸秆覆盖棉田后，水分利用率比露地和地膜覆盖均有不同程度提高。王广兴等发现，棉田秸秆覆盖能有效减少田间水分蒸发，与对照相比，4500kg/hm2秸秆量覆盖节水效果显著。
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3. 调节土壤温度并抑制田间杂草
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秸秆覆盖可以阻挡阳光直接照射地面，具降温作用，温度降低在适宜情况下能达到保墒作用且为作物生长创造适宜温度条件，降温效应随覆盖量增加而增加。徐福利等用秸秆覆盖玉米表明，从6月26日至9月1日覆盖秸秆后，土壤温度明显低于没有覆盖秸秆。杜新艳等对夏玉米秸秆覆盖试验表明，不同覆盖处理的地温比对照平均降低1.8℃，地温最高降低2.3℃。于晓蕾等认为，秸秆覆盖下，冬小麦田0～15cm土层是敏感层，地温变化较大，而15cm以下土层则影响较小，为不敏感层。
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秸秆覆盖能够抑制田间杂草生长，这主要通过减少光照、增加萌发机械阻碍、降低土壤温度等方面发挥作用，从而阻止杂草种子萌发和幼苗生长。Liu等认为，杂草生长及其对氮素的竞争是导致水稻或小麦减产的重要原因，秸秆覆盖后使作物获得增产的原因之一是抑制杂草生长并减少其对养分的竞争。
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三、秸秆覆盖下的他感效应和施肥研究进展
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1. 秸秆覆盖下的他感效应研究进展
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地表覆盖的秸秆经雨淋后，可产生许多水溶性毒素物质，这些物质即为生化他感化合物，会对作物早期生长产生严重抑制作用。随时间推移，这些物质在土壤中含量变化呈现由低到高再逐渐降低的发展趋势，这些毒素物质的释放及其对作物的抑制作用与环境气候因素存在密切关系，也与秸秆的数量和覆盖方式存在一定关系。对于麦秸的他感效应，其通常受种植品种、秸秆长度、环境降水量和秸秆还田方式等方面的影响。在4500kg/hm2麦秸覆盖条件下，施用195kg/hm2氮肥可减轻秸秆覆盖对玉米生长的不利影响；但在9000kg/hm2麦秸覆盖量下，施用氮肥不能减轻这种影响。一些研究表明，蚕豆秸秆对小麦和大豆幼苗生长有明显他感作用，且对小麦幼苗是他感相克作用，而对大豆幼苗是自感相生作用，对小麦幼苗相克作用最强，可使其生物产量减少60.8%。
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2. 秸秆覆盖下的施肥研究进展
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范丙全等指出，为防止微生物与棉花生长争夺氮素，旱地棉花应结合降水追施少量氮肥。长期秸秆覆盖能够明显增加土壤有机质，但秸秆氮、磷含量较少，C/N较大，土壤微生物会产生与作物争夺氮素的现象。因此，秸秆覆盖后，种植作物时应增施一定速效氮肥，一般每公顷增施尿素75kg左右以调节C/N，从而避免微生物与作物争夺氮肥。
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第四节 地表覆盖促进果菜类蔬菜生长发育及其相关因素研究进展
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一、促进果菜类蔬菜生长发育研究进展
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1. 促进果菜类蔬菜生长研究进展
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在最近的几年时间里，地表覆盖促进蔬菜特别是果菜类蔬菜方面的研究逐渐在增多，并取得了一些积极成果。吴兴等研究地表覆盖对温室辣椒生长表明：在结果初期，地膜和秸秆双处理土壤升温幅度大于单一秸秆覆盖；在结果盛期和结果末期，土壤降温趋势小于地膜覆盖。各覆盖都显著促进植株生长，增加结果期叶片叶绿素含量和植株干重，显著提高产量并减少一定的耗水量，秸秆+地膜、地膜和秸秆覆盖处理的水分利用效率分别是对照的2.17倍、2.09倍和1.67倍。姜成等以施有机肥、化肥和地膜覆盖辣椒发现，有机肥施入和地膜覆盖可有效提高辣椒生物产量和果实产量，与化肥无地膜覆盖处理相比，有机肥地膜覆盖处理显著增加株高、冠幅、叶面积及根茎叶干重，叶面积、根、茎、叶干重分别提高2.77倍及3.10倍+3.51倍、2.82倍，产量增加33.7%。周茂娟认为，地表秸秆加地膜的双覆盖使作物具有较强的抗逆境能力，能增加叶片硝酸还原酶活性、叶绿素含量，增强根系活力，增加植株高度，显著降低脂质过氧化产物（MDA）的产生，显著提高保护酶POD与CAT活性，可显著提高辣椒光合速率、蒸腾速率和水分利用效率，显著提高PSⅡ最大量子产量（Fv/Fm）、PSⅡ量子产量（ФPSⅡ）、CO2量子同化效率（ФCO2）、光合电子传递速率（ETR）、光化学碎灭系数和非光化学碎灭系数（qN）。
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齐继文等以细沙作为覆盖物处理黄瓜育苗，在出苗率、G值（苗干样质量／育苗天数）、壮苗指数和叶绿素含量方面都高于对照，且可节约成本18.46%。翟胜等研究表明：温室土壤地表覆盖可有效促进黄瓜植株生长，利于雌花分化，提高坐瓜率，缩短成瓜时间，降低畸形瓜比例并增加单瓜重和产量，以秸秆+地膜覆盖效果最明显，秸秆覆盖和地膜覆盖次之。秸秆、地膜和秸秆+地膜覆盖均可使黄瓜净光合速率、光能利用效率和水分利用效率不同程度提高，且以秸秆+膜覆盖效果最好。同时，秸秆覆盖与秸秆+地膜覆盖均可使叶片叶绿素含量显著增加，黄瓜根系活力增强。翟胜等试验表明：温室中地表覆盖不仅增加黄瓜可溶性糖、可溶性蛋白质、维生素C、干物质含量和游离氨基酸总量，而且提高水分利用效率，其中秸秆+地膜覆盖的处理效果优于单一秸秆覆盖和地膜覆盖。亓延凤等研究结果表明：地表土壤中施用适量作物秸秆可促进黄瓜生长，增加株高、叶片数和叶面积，提高黄瓜产量，且施用玉米秸效果好于麦秸。在试验条件下分别按土壤重1.2%～1.6%、1.6%～2.0%施用玉米秸和麦秸效果最好。杨靖东等发现，稻壳覆盖可促进黄瓜幼苗生长，使株高、茎粗、植株鲜重增加，提高黄瓜根系活力及硝酸还原酶活性，覆盖厚度在2cm左右时有利于设施黄瓜的生长。
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2. 对果菜类蔬菜果实发育和产量影响研究进展
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地膜覆盖与秸秆+地膜覆盖处理可改善辣椒品质，尤其是秸秆+地膜双覆盖能显著增加辣椒的产量和经济收入，提高产量、水分利用效率、经济水分利用效率，降低土壤速效氮、有效磷、速效钾和硝态氮含量。覆盖处理比不覆盖能显著提高后茬洋葱产量，对生物量而言，前茬辣椒秸秆覆盖处理洋葱生物量最高，其次是前茬双覆盖处理。
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蔡绍珍等以池栽形式试验发现：覆膜区单位面积黄瓜可比对照增产23.2%。覆膜明显促进黄瓜生育前期干物质积累和对营养元素吸收，初花期二者分别比对照增加75.0%和79.2%（5种元素平均）；养分吸收高峰比对照提前，5种元素吸收强度平均为每667m2 420.09g/d，且比对照增加40.1%。覆膜可提高土壤供肥能力。翟胜等研究表明：温室地表覆盖可促进黄瓜植株与瓜条生长发育，可有效改善瓜条品质，增加黄瓜干物质、可溶性糖、维生素C、可溶性蛋白质含量及游离氨基酸总量，提高正常瓜比例且以秸秆+地膜覆盖效果最好。地表覆盖黄瓜产量高于对照且差异显著，秸秆+地膜覆盖在提高早期产量与总产量方面效果最好；地膜覆盖在提高早期产量上优于秸秆覆盖，但后期产量远低于秸秆覆盖处理。亓延凤等研究表明，施用作物秸秆可改善黄瓜果实品质，提高果实中维生素C、可溶性糖和可溶性蛋白质含量，降低硝酸盐含量。杨黾等研究发现：不同秸秆用量还田对黄瓜具不同程度增产作用，施用量为每667m2 5000kg最显著，比化肥处理增产15.3%；其次为每667m2 4000kg、3000kg，分别比化肥处理增产8.43%和7.7%。
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地面覆盖碎麦草能明显改善夏番茄生产环境条件，提高产量，降低裂果率。耿桂俊等在河套灌区研究几种覆盖对番茄生长影响表明，地膜覆盖可使番茄产量提高222.61%，地膜+秸秆覆盖使产量提高了17.04%，而单一秸秆覆盖则使产量降低3.06%。
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3. 对果菜类蔬菜病虫害影响研究进展
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薛福祥研究不同覆盖方式对大棚春夏早熟黄瓜4种病害发生及植株生长发育表明：高畦畦面同时畦沟地膜全覆盖、高畦畦面地膜覆盖同时畦沟不覆盖这两种处理的黄瓜病害发病率和病情指数均明显低于高畦畦面同时畦沟地膜全不覆盖，小区产量分别增产30.4%和21.0%，且发病较晚，缓苗时间少1～3d，产品上市提前3～10d。在生产实践中用干麦糠覆盖地面，结合降温排湿可使棚内空气相对湿度降低10%～15%，麦糠覆盖后霜霉病比不覆盖的病情指数降低2～3，灰霉病病情指数降低3～4。地面覆盖碎麦草能明显改善夏番茄生产环境条件并减轻病毒病发生，在试验中观察到覆盖碎麦草处理小区杂草很少，早疫病、晚疫病等真菌性病害发生也较轻。
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刘晓英等用黑膜覆盖消毒并经过一个黄瓜生长季以后发现：土壤5cm、10cm、15cm、20cm、30cm土层线虫数量分别比对照减少26.9%、13.9%、2.9%、1.9%和0.9%，控制效果随土壤深度增加而下降并且植物寄生线虫数量减少5%，覆黑膜后黄瓜根结线虫发病程度比对照明显下降；黑膜覆盖消毒使黄瓜产量提高6%，畸形瓜率下降，且成本比药剂消毒低57%，经过40d黑膜覆盖消毒可有效控制黄瓜根结线虫发生和危害。曹志平等研究认为：添加小麦秸秆能抑制盆栽番茄根结线虫病害发生，但过量对番茄生长产生负作用。麦秸添加量2.08g/kg、4.16g/kg、8.32g/kg对根结线虫病的抑制率分别是51.4%、94.0%和39.5%，植食性线虫的比例分别下降17.6%、97.3%和2.0%，而食细菌线虫的比例则分别上升100.5%、189.7%和117.8%。引入小麦秸秆后土壤植食性线虫比例有所下降，而食细菌、食真菌和杂食捕食性线虫比例有所上升。食真菌线虫比例在8.32g/kg处理下显著上升，增长率为350%，而杂食捕食性线虫则在2.08g/kg处理下明显上升，增长率为66.7%。添加秸秆量为4.16g/kg时对番茄根结线虫病的抑制效果最好。张四海等以番茄为试验材料研究添加秸秆对根结线虫病害严重影响土壤中微生物生物量和原生动物丰富度发现：添加秸秆碳源后，对微生物量碳、氮和原生动物丰富度具有显著影响，对原生动物群落结构也具有显著影响。在相同秸秆添加量下，土壤微生物量碳、氮，微生物碳氮比和原生动物丰富度随种植年限的延长而提高。
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二、改善果菜类蔬菜土壤生态环境研究进展
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1. 对土壤理化性状影响研究进展
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冯连杰研究发现：番茄栽培行底铺设秸秆，在1月平均温度较对照高3.1℃，根际温度较对照高1.8℃；栽培行间铺设秸秆年内平均温度较对照高1.0℃，根际温度较对照高1.1℃。耿桂俊等在河套灌区研究几种覆盖方式对番茄生长的影响，以不覆盖为对照，测定了地膜覆盖、秸秆覆盖、秸秆+地膜覆盖对土壤水、热和番茄生长的影响表明：地膜覆盖可以提高土壤温度，而秸秆覆盖或者秸秆+地膜覆盖降低土壤温度，并且秸秆覆盖降低幅度较大。在番茄生育前期不同覆盖方式可提高0～50cm土层土壤水分含量，其中地膜覆盖效果最好。地膜覆盖使水分利用效率提高93.83%，秸秆+地膜覆盖提高5.90%，秸秆覆盖使水分利用效率降低19.29%。李振东等通过研究日光温室中地膜和小麦秸秆覆盖对黄瓜的影响发现：地表覆盖可提高黄瓜各个阶段土壤温度和产量，降低黄瓜耗水量。地膜覆盖提高土层温度1.0℃以上，秸秆覆盖在前期提高地温0.1℃以上，而在后期则降低土壤温度0.5℃以上。地膜、秸秆覆盖使黄瓜耗水量分别降低22.5%、16.2%，水分渗漏率分别提高3.73%、9.64%，产量分别提高19.33%、11.04%。翟胜等试验表明：地表覆盖秸秆后具有提高最低地温和降低最高地温的作用，保持土壤温度稳定；地膜覆盖导致地温变幅大；而秸秆+地膜覆盖既增温又保温。地表覆盖使土壤呼吸速率显著高于对照，并以秸秆+地膜覆盖的土壤呼吸速率最高，地膜覆盖与秸秆覆盖次之。秸秆覆盖与秸秆+地膜覆盖处理使0～20cm土层土壤容重极显著小于地膜覆盖和对照，地膜覆盖的土壤容重略小于对照。随着土层加深，各处理间土壤容重差异渐小。
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卞中华等以无CO2发生装置温室为对照，以利用外置式秸秆反应堆补充CO2日光温室为处理研究发现：与对照温室相比，在番茄不同生育时期，10:00至11:30处理温室，CO2含量提高230μL/L，13:30至16:00提高84～150μL/L；夜间平均气温提高1.5～2.0℃，空气相对湿度提高4%～5%；极显著降低苗期蒸腾速率，显著提高不同生育阶段净光合速率、水分利用率、结果期和转色期蒸腾速率；每公顷产量和经济效益分别提高13707kg和59310元。
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地膜覆盖与秸秆+地膜双覆盖处理可降低土壤速效氮、有效磷、速效钾和硝态氮含量，提高产量水分利用效率和经济水分利用效率；双覆盖可显著降低0～20cm耕层范围土壤硝态氮含量。前茬秸秆覆盖和双覆盖处理土壤呼吸CO2释放量一直高于其他处理，前茬双覆盖处理土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性显著高于其他前茬处理，而前茬秸秆覆盖处理过氧化氢酶活性最高。秸秆还田及有机物质增施的保护性耕作措施能显著提高土壤CO2含量，秸秆覆盖和免耕相结合既有利于土壤呼吸产生CO2，又利于蔬菜产量、产值提高，增施有机物质总体上有利于蔬菜产量、产值提高。
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王林闯等研究不同灌溉水量和覆盖物对温室有机基质栽培的甜椒生长发育影响表明：地膜覆盖增温效果明显，秸秆覆盖效果最差。秸秆处理的土壤含氧量较其他处理高5%～10%，其次是草坪草覆盖处理，地膜覆盖含氧量最低。浦学文等研究发现，在高温季节，大麦茬秸秆覆盖免耕法栽培西瓜具明显保墒作用和抑制土壤返盐作用，但对禾本科杂草无明显抑制作用。地面覆盖碎麦草能明显改善夏番茄生产环境条件，改善土壤结构。这些效果与覆盖碎麦草后阻止土壤水分蒸发、提高土壤相对含水量、减小土壤水分变化幅度有关。
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何传龙等用两种改良措施——土壤深翻+秸秆覆盖和土壤深翻+秸秆覆盖+土壤改良剂在大棚研究表明，对于消除土壤障碍因子方面，这两种改良技术均有明显效果，并能使土壤>0.25mm水稳性团粒含量显著增加，使土壤表层水溶性盐含量明显降低，改善土壤通透性，并显著提高黄瓜、辣椒产量和品质，以后者改良效果最好。朱秋颖等试验表明：地面覆盖可提高土壤温度，地膜覆盖效果大于小麦秸秆覆盖，并可显著提高土壤平均温度且对最低温度提高作用大于最高温度。秸秆覆盖能够延缓土壤温度变化，对增温作用小，使土壤最高温度低于对照，而最低温度高于对照，相对保持稳定状态。
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杨靖东等研究表明，稻壳覆盖显著提高设施内土壤温度和土壤湿度，明显改善设施土壤环境，促进黄瓜幼苗的生长。
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2. 对土壤营养和微生物影响研究进展
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杨黾等研究发现，不同秸秆用量可不同程度提高土壤有机质含量，增加土壤氮、磷、钾和土壤速效养分含量，尤以秸秆施用量为每667m2 4000kg处理的效果明显。翟胜等试验表明，在秸秆覆盖与秸秆+地膜覆盖处理小区，耕层（0～20cm）土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、有效磷、速效钾含量显著高于对照和地膜覆盖处理，并以地膜覆盖处理最低。
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赵小翠等研究夏季休闲模式和种植甜玉米秸秆还田模式对秋冬茬番茄土壤微生物区系影响表明：与休闲处理相比，种植甜玉米秸秆还田对设施番茄土壤微生物有较好改善效果，在秋冬茬设施番茄初花期，土壤微生物总PLFAs含量、真菌和细菌PLFAs含量分别比休闲处理显著增加18.2%、17.9%和23.6%；坐果期土壤微生物群落多样性指数达到2.07，比休闲处理增加99.04%。康恩祥等研究沙砾石覆盖对西瓜土壤影响表明：与露地相比，沙砾石覆盖明显改善根际土壤微生物区系，显著提高各类微生物数量，增强酶活性。各粒径沙砾石覆盖下土壤微生物数均为细菌>放线菌>真菌，豆沙覆盖下细菌数最多，毛沙覆盖下放线菌和真菌数最多，卵石覆盖下各微生物量均最少；各粒径沙砾石覆盖均为铵化菌>纤维素分解菌>硝化菌，以毛沙覆盖下3种菌数量最多，豆沙次之，卵石最少；脲酶、纤维素酶、蛋白酶、磷酸酶活性以豆沙覆盖最高，毛沙次之，卵石最小。
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Jakobsen等研究VA菌根和秸秆覆盖对大麦生长影响发现：秸秆覆盖的上层土壤中，VA菌根数量减少，可能是土壤温度降低所致。在第二个采收季节，无覆盖而有菌根处理磷肥的吸收增加，提高生长56%，而在覆盖处理区不增加产量；在覆盖而无菌根处理区可提高生长85%，在有菌根地块中提高生长28%。
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作物及其环境条件对秸秆覆盖的响应具体还取决于作物的种类、现行气候、生产体系、覆盖物类型等具体状况。
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第五节 生物炭调控日光温室黄瓜根土互作的研究现状
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一、设施蔬菜和土壤互作的栽培调控
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在设施生产中，利用亲缘关系较远的植物进行轮作或倒茬，可改变土壤微生物种类或数量，伴生栽培可使作物残体和根系分泌物积累，引起土壤中碳、氮含量变化，从而改善微生物种类，对土壤病原微生物生长产生抑制。Li等报道，黄瓜间套作洋葱或大蒜可提高根际土壤细菌多样性并增加产量。Zhou等也发现，黄瓜间套作洋葱或大蒜可提高土壤脲酶和过氧化氢酶活性、细菌多样性，并显著影响真菌结构。在嫁接方面，砧木根系分泌物可调节作物和土壤养分的循环，并通过影响根际微生物而发挥作用。设施优质堆肥可通过增加土壤有益微生物、诱导作物对病菌产生抗性、改善团粒结构、增加土壤有机质、减少养分流失等环节调控根土互作。根际接种生防菌中的枯草芽孢杆菌在根土互作方面应用广泛，通过产生枯草菌素等抑菌物质、抢夺生物学位点、诱导作物产生抗性抑制植物病原菌，也可与其他有益微生物协同促进作物生长。秸秆还田或种植绿肥等措施可使土壤微生物量显著提高，刺激食菌线虫繁殖，稳定土壤养分循环。
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二、生物炭调控作物和土壤互作
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生物炭是作物秸秆等有机物在高温低氧条件下形成的，生物炭还田可提高土壤孔隙度和比表面积，降低容重，增大水截留潜力和表面积。Uzoma等发现，生物炭施于沙土玉米上，一定范围内产量随用量增加而增加。Major等在哥伦比亚试验显示，施生物炭20t/hm2在第二、三和四年产量分别比对照提高28%、30%和140%；试验表明。生物炭可提高低磷区作物产量及对氮、磷肥的响应。Chan等发现，随着生物炭量的增加，萝卜对氮吸收增加。Rutigliano等认为，微生物在土壤营养物质循环中起着主要作用，发挥着重要的生态系统服务功能，而生物炭可增加土壤微生物量并改变其群落结构组成和酶活性。Bargmann等发现，施加生物炭后，土壤微生物量碳、氮显著增加。Bamminger等报道，添加2%比例生物炭到温带农田土壤可增加土壤总微生物生物量和丰度。Chen等报道，生物炭可增加稻田土壤细菌基因丰度，降低真菌基因丰度；而Nielsen等发现，生物炭处理后，农田土壤中酸杆菌门、放线菌门和疣微菌门丰度更高。
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三、设施黄瓜根土互作调控
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设施土壤理化性状变化可影响黄瓜的根土互作，在土壤升温条件下，可促进黄瓜根系生长和养分向冠层转移，增加植株氮、磷、钾摄取量，使土壤速效养分量降低、脲酶活性升高；在土壤紧实胁迫下，黄瓜根系硝态氮吸收、氨同化作用和氮代谢过程受到抑制。武春成等报道，黄瓜连作基质添加生物炭可显著提高土壤pH、有机质和速效钾含量，提高植株光合速率和产量，降低果实硝酸盐含量。邹春娇等发现，黄瓜基质生物炭处理后，过氧化物酶活性与放线菌数、细菌数群落多样性提高，而真菌数量减少。
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第二章 秸秆和生物炭调控日光温室黄瓜根土互作研究目的、意义、发展动态
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第一节 秸秆调控黄瓜根土互作试验研究主要目的、意义和创新点
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一、试验研究的主要目的和意义
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1. 实现设施蔬菜生产的可持续发展
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利用内蒙古自治区大量种植的玉米秸秆作为地表覆盖材料，可以实现农业资源合理转化利用，解决设施土壤由于连年种植造成的土壤盐渍化、富营养化等现实问题，改良设施土壤理化性状，改善土壤微生物的生存空间，改变设施土壤的富营养化积累趋势，实现设施土壤的可持续生产。
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2. 实现节水节肥、提高果实品质的目标
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黄瓜是内蒙古自治区日光温室生产中大量栽培的一种蔬菜，其需水量和需肥量大。在日光温室生产过程中，秋冬季和早春季灌水量过大造成水分浪费、温室湿度增加，易造成病害频繁发生，同时还会造成地温骤降，阻碍根系生长；而土壤施肥量过大则易加快土壤盐渍化进程，使土壤养分富集、失去平衡，不利于可持续生产。因此，水肥利用不当将会对黄瓜开花、坐果及品质、产量产生较大的影响。研究适宜的地表覆盖方式及制定合理灌溉施肥方案并在生产上应用和推广，对温室黄瓜生产具有非常现实的意义。
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3. 为北方温室黄瓜生产和自动化管理提供依据
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在研究过程中，采用几种地表覆盖方式，进行促进和提高黄瓜生长发育的最佳方式研究，为内蒙古自治区温室黄瓜生产提供理论依据，最终指导实践生产。同时，在确定出最佳覆盖方式的基础上，探讨适宜的灌溉水量、灌溉次数及施肥量、施肥配比等指标，为温室黄瓜生产的水肥智能化管理提供可靠的依据。
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二、试验研究的主要创新点
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本试验针对北方寒旱区日光温室的特定土壤环境，研究不同厚度玉米秸秆覆膜的双元地表覆盖对黄瓜根际的土壤养分含量、土壤微生物数量、土壤温度、土壤水分以及黄瓜植株根系生长、叶片光合作用、果实发育等多方面影响，探讨温室条件地表双元覆盖对黄瓜根际环境因子的影响，进而探讨双元地表覆盖条件下促进黄瓜生长发育的内在机理，而本方面的试验研究在国内鲜见报道。
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在试验过程中，在试验前期确定出温室黄瓜地表铺设3cm玉米秸秆并覆膜的最佳双元地表覆盖的基础上，进一步展开温室黄瓜地表双元覆盖下不同施肥梯度和滴灌水量梯度这两个方面的试验研究。在研究过程中，对黄瓜根系生长、叶片光合作用、果实发育、根际土壤养分变化、土壤微生物数量变化、土壤酶活性变化等方面开展了研究，特别是针对温室黄瓜水肥试验的特点，分析测定根际土壤、非根际土壤和黄瓜根部、茎部、叶片、果实中氮、磷、钾营养元素的生态分布变化规律，而此方面的研究在国内尚属首次，有一定的创新性。
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第二节 生物炭调控黄瓜根土互作发展动态和应用前景
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一、发展动态
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目前，国内外对设施蔬菜与土壤互作栽培调控、生物炭调控作物土壤性质、养分、微生物和设施无土基质等方面的根土互作研究较为广泛，并且生物炭研究应用的关注度不断提高，但缺乏生物炭调控对微生物科、属、种方面影响的研究，并且生物炭对土壤和作物效应的研究，目前也多集中于宏观现象研究，调控土壤和作物机理方面研究还不够深入。所以，利用生物炭调控设施蔬菜生产中根土互作的研究有必要得到加强，以便更好地利用生物炭，服务设施蔬菜的绿色生产。
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二、应用前景
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2015年，内蒙古自治区的设施蔬菜种植面积达15.3万hm2，产量和产值分别突破720万t和187亿元，成为区域性的农业主导产业。黄瓜作为设施主栽蔬菜，由于收益高，大多一年种植一茬，每年的种植面积为10万hm2左右。目前，内蒙古自治区的设施蔬菜生产随着生产年限的增长，也普遍出现了设施土壤养分失衡、盐化、病害加重等土壤障碍问题，成为严重制约本区域设施蔬菜发展的瓶颈。生物炭近年来在促进土壤改良、农业生产、资源综合利用等方面发挥的作用越来越受到关注。另外，内蒙古自治区为我国玉米主产区，利用玉米秸秆转化为生物炭的资源非常丰富。
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从以上可见，在内蒙古自治区研究玉米秸秆生物炭调控日光温室黄瓜根土互作的机理，对于本区域设施黄瓜优质安全生产和土壤质量提升的意义重大，应用前景十分广阔。
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第三章 秸秆调控日光温室黄瓜根土互作及其机理研究
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第一节 秸秆覆盖对黄瓜根际相关环境因子影响的研究
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一、试验研究技术路线
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本试验研究具体技术路线如图3-1所示。
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图3-1 试验研究技术路线
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二、试验材料与方法
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1. 试验材料及试验地
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以黄瓜“津春改良2号”品种为试验材料，试验于2012年3～7月在内蒙古农业大学职业技术学院科技园区设施园艺实践教学基地进行。试验所用日光温室为钢骨架、拱圆形，跨度7.00m，长50.00m，脊高3.20m，抢阴8°，覆盖所用秸秆为周边农户粉碎后用于饲喂奶牛的玉米秸秆。试验地土壤为沙壤土，有机质含量42.60g/kg，全氮含量1.39g/kg，全磷含量1.43g/kg，全钾含量13.67g/kg，碱解氮含量140.34mg/kg，有效磷含量155.44mg/kg，速效钾含量57.57mg/kg。
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2. 试验设计
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在日光温室中，黄瓜3月5日育苗，4月10日定植，采用单垄双行定植方式，种植密度为42000株/hm2。以不同的地表覆盖为处理，包括地膜（D）、3cm厚秸秆（J）、1cm厚秸秆+地膜（DJ1）、3cm厚秸秆+地膜（DJ2）、5cm厚秸秆+地膜（DJ3）4种地表覆盖方式，以地表不覆盖为对照（CK），随机区组排列。每个小区面积7.0m2，每种处理重复3次。铺设1cm厚的秸秆用量为0.24kg/m2，3cm厚秸秆用量为0.72kg/m2，5cm厚秸秆用量为1.20kg/m2，统一采用滴灌管理。
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（1）土壤温度测定
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在黄瓜初花期至结果初期，选择正常晴天测定不同处理地表5cm、15cm、20cm处土壤温度。
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（2）土壤水分蒸发量测定
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在黄瓜初花期至结果初期，通过花盆模拟不同覆盖处理试验，连续18d通过测定花盆质量间接测定土壤水分蒸发量。
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（3）土壤表面CO2浓度测定
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在黄瓜初花期至结果初期，选择晴天测定近地表面处CO2浓度。
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（4）土壤容重测定
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在黄瓜结果初期、中期和后期测定0～20cm和20～40cm处的土壤容重。
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（5）土壤电导率和团粒比例测定
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在黄瓜结果后期测定土壤电导率和直径分类比例。
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（6）土壤养分测定
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在黄瓜结果初期和结果后期测定根际土壤0～20cm和20～40cm处的有机质含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量、碱解氮含量、有效磷含量、速效钾含量。
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（7）土壤微生物数量测定
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在黄瓜结果初期、中期和后期测定根际土壤中细菌、纤维分解细菌、固氮菌、放线菌、真菌的数量。
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3. 测定方法
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（1）土壤温度测定方法
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使用浙江托普仪器公司生产的TRS－Ⅱ型便携式土壤温度测定仪测定土壤温度。
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（2）土壤水分蒸发量测定方法
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采用花盆称重法测定土壤水分蒸发量，所用天平精确度为千分之一。
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（3）土壤表面CO2浓度测定方法
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使用北京均方理化科技研究所生产的GXH－3051型便携式红外线分析仪测定CO2浓度。
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（4）土壤容重测定方法
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采用环刀法测定土壤容重。
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（5）土壤电导率和团粒比例测定方法
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使用上海佑科仪器公司生产的DDS－11A型数字电导率仪测定土壤电导率；使用德国HELOS－SUCELL型粒度仪测定土壤>0.25mm团粒所占比例。
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（6）土壤微生物数量测定方法
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采用抖落法取植株根际土壤，细菌数用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基平板计数法测定，纤维分解细菌数用CMC－Na琼脂培养基平板计数法测定，固氮菌数用Ashby无氮琼脂培养基平板计数法测定，放线菌数用高氏1号培养基平板计数法测定，真菌数用马丁氏培养基平板计数法测定。
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（7）土壤养分测定方法
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采用抖落法取植株根际土壤，土壤有机质含量测定用重铬酸钾外加热法，全氮含量用半微量凯氏定氮法，全磷含量用氢氧化钠熔融－钼锑抗比色法，全钾含量用氢氧化钠熔融－火焰光度计法，碱解氮含量用碱解－扩散法，有效磷含量用碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法，速效钾含量用乙酸铵浸提－火焰光度计法。
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4. 数据整理与分析
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所有数据用Excel 2003软件整理，所得结果均为3次重复的平均值。使用SPSS 19.0统计软件进行数理统计，在符合正态分布情况下进行单因素方差分析（One-way，ANOVA），用多重比较方法对数据进行差异显著性检验。采用双变量双侧相关法进行数据间相关显著性分析，用降维因子分析法进行主成分和因子分析，采用最大方差法进行因子旋转。
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三、结果与分析
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1. 不同处理对地表土壤温度的影响
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（1）不同处理对地表5cm处土壤温度的影响
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从图3-2可见，日光温室地表5cm处土壤温度在6:00达到最低，在15:00至18:00达到最大。D处理在15:00至18:00时段升温幅度最高，高出其他处理2～4℃。J处理在下午时段低于对照，而其他处理总体上均在全天高于对照。
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图3-2 不同处理对地表5cm处土壤温度的影响（晴天，5月11日）
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（2）不同处理对地表15cm处土壤温度的影响
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从图3-3可见，对于10cm处土壤温度变化，各处理与对照间差异较为明显，其中J处理在14:00至18:00时段低于对照，而其他时段与对照接近。在凌晨6:00，DJ3、DJ2、DJ1处理低于对照，而D处理高于对照；在其他时段各处理均高于对照，且在15:00至21:00时段内差异较为明显。
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图3-3 不同处理对地表10cm处土壤温度的影响（晴天，5月11日）
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（3）不同处理对地表20cm处土壤温度的影响
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从图3-4可见，20cm处土壤温度变化较为有规律，J处理在各时段均低于对照和其他处理，除J处理外，其他各处理均在绝大多数时段高于对照，并在18:00达到最高值，在6:00达到最低值；对照在21:00达到最大值，在6:00达到最低值。
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图3-4 不同处理对地表20cm处土壤温度的影响（晴天，5月11日）
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2. 不同处理对地表土壤水分蒸发量的影响
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从图3-5可见，不同覆盖处理可以很大程度降低土壤水分蒸发，保持土壤墒情。总体上来说，保持土壤水分蒸发效果顺序为DJ3>DJ2>DJ1>D>J>CK。在统计的17d中，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、D、J各处理的土壤水分总蒸发量分别仅为CK的7.02%、9.18%、23.47%、54.75%、27.92%。通过不同地表覆盖，尤其是秸秆+地膜的复合处理可以很好地保持土壤水分，防止水分蒸发。
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图3-5 不同处理对土壤水分蒸发变化影响
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3. 不同处理对地表土壤容重的影响
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从图3-6可见，对于0～20cm土壤容重，在结果初期、中期和后期，各处理均低于对照，对于双元覆盖处理来说，均为DJ3>DJ2>DJ1，并且三个时期均是D>J。在结果初期，DJ3、DJ2、DJ1和J处理与对照差异显著；在结果中期，所有处理均与对照差异显著；在结果后期，DJ3、DJ2和DJ1与对照差异显著且DJ3、DJ2、DJ1、D和J处理分别较对照降低8.16%、9.74%、14.23%、3.67%和1.82%。
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从图3-7可见，对于20～40cm土壤容重，在结果初期，各处理均高于对照；在结果中期和后期，各处理均低于对照。在结果初期，DJ2处理显著高于对照；在结果中期，除DJ2处理外，其他处理均与对照差异显著；在结果后期，各处理均显著低于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、D和J处理分别降低5.87%、3.75%、10.12%、7.76%和3.52%。
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图3-6 不同处理对0～20cm土壤容重的影响
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图3-7 不同处理对20～40cm土壤容重的影响
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4. 不同处理对土壤表面CO2浓度日变化的影响
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从图3-8可见，在早晨7:30，各处理均低于对照，且各处理与对照间相差6～26mg/L;而在10:30至16:30时段内，DJ3、DJ2处理的CO2浓度远高于对照和J处理，且在这个时段内，J处理表现最低，DJ3、DJ2处理的CO2浓度高于对照10～82mg/L;至傍晚18:30，各处理虽然高于对照，但差异在30mg/L范围内。总体来看，通过秸秆和地膜的双重覆盖，在结果中期的白天可以明显增加地表CO2浓度，尤其是DJ2和DJ3处理，有利于黄瓜在白天进行光合作用，为黄瓜植株制造和提供更多的光合产物。
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图3-8 不同处理对土壤表面CO2浓度日变化的影响
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5. 不同处理对土壤电导率的影响
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从图3-9可见，总体来看，0～20cm土壤电导率高于20～40cm，说明0～20cm土壤可溶性盐分离子含量较高。在结果后期，对于20～40cm土壤电导率，各处理与对照差异微小且差异不显著；对于0～20cm土壤电导率，各处理与对照差异不显著，但与对照相比，各处理均不同程度降低了土壤电导率，其中DJ3、DJ2、DJ1、D和J处理分别降低8.30%、9.74%、8.52%、3.88%和2.92%。
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图3-9 不同处理对土壤电导率的影响
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6. 不同处理对土壤>0.25mm粒径比例的影响
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从图3-10可见，在黄瓜结果后期，对于20～40cm土壤>0.25mm粒径百分率，除DJ1处理外，其他处理均微弱高出对照，且各处理均与对照差异不显著；对于0～20cm土壤>0.25mm粒径百分率，各处理均不同程度高出对照，其中DJ2、DJ3处理与对照差异显著，而其他处理与对照差异并不显著，DJ2和DJ3处理分别较对照高出28.14%和28.13%。
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图3-10 不同处理对土壤>0.25mm粒径百分率的影响
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7. 不同处理对根际土壤微生物的影响
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（1）不同处理对根际土壤细菌生长变化的影响
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从图3-11可见，各处理土壤细菌数在黄瓜结果初期、中期和后期均显著高于对照。在结果初期，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别高出301.36%、282.77%、273.47%、111.79%和192.74%，DJ3、DJ2和DJ1处理与其他处理相比差异显著，而相互之间差异并不显著；在结果中期，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别提高257.29%、223.67%、197.18%、690.25%和175.33%，其中J处理远高于其他处理；在结果后期，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别高出55.92%、82.66%、61.42%、74.24%和20.63%。通过比较DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理发现：在结果初期和中期，土壤细菌数呈现随厚度增加而增加的变化规律；而在结果后期，DJ2处理土壤细菌数最多。通过比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理发现：在结果初期，土壤细菌数DJ2>D>J；而在结果中期，秸秆不覆膜的J处理土壤细菌数远高于DJ2和D处理；在结果后期，土壤细菌数DJ2和J处理间差异不显著，但都显著高于D处理。
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图3-11 不同处理对土壤细菌生长数的影响
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（2）不同处理对根际土壤纤维分解细菌生长变化的影响
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从图3-12可见，在黄瓜结果初期，与对照相比，DJ3、DJ2和D处理土壤纤维分解细菌数均显著高出对照，分别提高10.82%、20.10%和37.68%，而DJ1和J处理则低于对照；在结果中期，除D处理低于对照外，其他处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1和J处理分别提高22.62%、12.88%、8.90%和62.58%，其中J和DJ3处理与对照差异显著；在结果后期，除DJ1处理低于对照外，其他处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、J和D处理分别提高0.39%、11.18%、37.19%和28.90%，其中D、J处理与对照差异显著，而DJ3、DJ2处理差异不显著。通过比较DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理发现：在结果中期，土壤纤维分解细菌数呈现随厚度增加而增加的变化规律；而在结果初期和后期，DJ2处理纤维分解细菌数高于DJ3和DJ1处理。通过比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理发现，土壤纤维分解细菌数在结果初期为D>DJ2>J，结果中期为J>DJ2>D，结果后期为J>D>DJ2。
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图3-12 不同处理对土壤纤维分解细菌生长数的影响
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（3）不同处理对根际土壤固氮菌生长变化的影响
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从图3-13可见，土壤固氮菌数在结果初期除D处理低于对照外，其他处理均远高于对照，与对照差异显著，其中DJ3、DJ2、DJ1、J处理分别比对照高出428.46%、401.09%、421.76%、472.04%；在结果中期，DJ3和DJ2处理均高于对照且与对照差异显著，分别比对照提高49.45%和10.04%，DJ1、J和D处理均低于对照且与对照差异显著；在结果后期，除J处理显著高于对照外，其他处理均低于对照。比较DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理发现：在结果初期和中期，土壤固氮菌数差异不显著；在结果中期，呈现随秸秆厚度增加而增加的变化规律。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理发现：在结果初期，土壤固氮菌数D处理远低于DJ2和J处理，J处理显著高于DJ2处理；在结果中期，土壤固氮菌数为DJ2>D>J，且三种处理间差异显著；在结果后期，土壤固氮菌数为J>DJ2>D，且三种处理间差异显著。
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图3-13 不同处理对土壤固氮菌生长数的影响
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（4）不同处理对根际土壤放线菌生长变化的影响
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从图3-14可见，土壤放线菌数在结果初期除DJ1处理低于对照外，其他处理均高于对照，DJ3、DJ2、J和D处理分别高出48.61%、32.81%、0.52%和106.94%，其中D处理与对照差异显著，而其他处理与对照差异不显著；在结果中期，DJ3和DJ2处理均低于对照，DJ1、D和J处理高于对照，与对照相比分别高出43.89%、26.114%和2.78%，其中DJ1和D处理均与对照差异显著，而与J处理不显著；在结果后期，所有处理均远低于对照，与对照差异显著。比较DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理发现：在结果初期，土壤放线菌数表现为随秸秆厚度增加而增加；而在结果中期，呈现出随秸秆增加而减少的变化趋势；在结果后期，放线菌数以DJ2处理最高。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理发现，土壤放线菌数在结果初期为D>DJ2>J，结果中期为J>D>DJ2，结果后期为DJ2>D>J。
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图3-14 不同处理对土壤放线菌生长数的影响
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（5）不同处理对根际土壤真菌生长变化的影响
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从图3-15可见，各处理土壤真菌数在结果初期均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别高出150.35%、62.77%、306.74%、117.73%和12.77%，除D处理外均与对照差异显著；在结果中期，各处理均低于对照，并且均与对照差异显著；在结果后期，J处理高于对照且与对照差异显著，其他处理均低于对照。比较DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理发现，在黄瓜结果后期，土壤真菌数呈现随秸秆厚度增加而增加的变化规律。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理发现，土壤真菌数在结果初期为J>DJ2>D，结果中期为D>J>DJ2，结果后期为J>DJ2>D。
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图3-15 不同处理对土壤真菌生长数的影响
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8. 不同处理对根际土壤养分含量变化的影响
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（1）不同处理对结果初期根际土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量变化的影响
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①不同处理对0～20cm根际土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量变化的影响
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从表3-1可见，在0～20cm土层，结果初期各处理土壤有机质含量均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别提高43.26%、29.02%、22.84%、17.04%和13.18%，其中DJ3、DJ2、DJ1和J处理均与对照差异极显著，D处理与对照差异显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤有机质含量呈现随秸秆厚度增加而增加的变化规律。比较DJ2、J、D三种覆盖处理，有机质含量为DJ2>J>D。各处理土壤全氮含量均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别提高14.23%、12.31%、5.10%、6.58%和0.96%，其中DJ3、DJ2、DJ1、J处理均与对照差异显著，D处理与对照差异不显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤全氮含量呈现随秸秆厚度增加而增加的变化规律。比较DJ2、J、D三种覆盖处理，土壤全氮含量为DJ2>J>D。土壤全磷含量除D处理外，其他处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J处理分别提高6.84%、20.01%、7.98%、6.15%，仅DJ2处理与对照差异极显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤全磷含量为DJ2>DJ1>DJ3。比较DJ2、J、D三种覆盖处理，土壤全磷含量为DJ2>J>D。各处理土壤全钾含量均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J、D处理分别提高2.55%、2.78%、0.26%、0.31%、5.10%，但各处理与对照差异均不显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤全钾含量为DJ2>DJ3>DJ1。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤全钾含量为D>DJ2>J。
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表3-1 不同处理对0～20cm根际土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量变化的影响
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②不同处理对20～40cm根际土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量变化的影响
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从表3-2可见，在20～40cm土层，结果初期土壤有机质含量除D处理外，其他各处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1和J处理分别提高32.30%、67.85%、19.43%和4.00%，DJ3和DJ2均与对照差异显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤有机质含量为DJ2>DJ3>DJ1，比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤有机质含量为DJ2>J>D。各处理土壤全氮含量除J处理与对照持平外，其余均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1和D处理分别提高14.24%、27.33%、7.78%和10.59%，其中DJ2处理与对照差异极显著，其他处理与对照差异均不显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤全氮含量为DJ2>DJ3>DJ1。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤全氮含量为DJ2>D>J。土壤全磷含量除D处理低于对照外，其余均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1和J处理分别提高16.27%、27.16%、43.13%和27.65%，仅DJ1处理与对照差异显著，其他处理与对照差异均不显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤全磷含量呈现随秸秆厚度增加而减少的变化规律。比较DJ2、J、D三种覆盖处理，土壤全磷含量为J>DJ2>D。各处理土壤全钾含量均高于对照，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别比对照提高5.51%、7.89%、6.10%、7.72%和2.66%，除D处理外，其他处理均与对照差异显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤全钾含量为DJ2>DJ3>DJ1。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤全钾含量为DJ2>J>D。
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表3-2 不同处理对20～40cm根际土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量变化的影响
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（2）不同处理对结果初期根际土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量变化的影响
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①不同处理对0～20cm根际土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量变化的影响
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从表3-3可见，在0～20cm土层，结果初期各处理土壤碱解氮含量均高于对照，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别比对照提高16.24%、27.87%、55.10%、42.83%和37.69%，且各处理与对照差异均显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤碱解氮含量呈现随秸秆厚度增加而减少的变化规律。比较DJ2、J、D三种覆盖处理，土壤碱解氮含量为J>D>DJ2。DJ3和DJ2处理土壤有效磷含量均低于对照且与对照差异显著，DJ1、J和D处理则均高于对照且J和D处理与对照差异显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤有效磷含量为DJ1>DJ3>DJ2。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤有效磷含量为J>D>DJ2。土壤速效钾含量除J处理显著高于对照外，其他处理均低于对照。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤全钾含量呈现随秸秆厚度增加而减少的变化规律。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤速效钾含量为J>DJ2>D。
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表3-3 不同处理对0～20cm根际土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量变化的影响
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②不同处理对20～40cm根际土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量变化的影响
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从表3-4可见，在20～40cm土层，结果初期各处理土壤碱解氮含量均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别提高29.32%、46.77%、16.46%、21.24%和9.12%，其中DJ3、DJ2和J处理均与对照差异显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤碱解氮含量为DJ2>DJ3>DJ1。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤碱解氮含量为DJ2>J>D。土壤有效磷含量除D处理低于对照外，其他处理均显著高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1和J处理分别提高78.29%、66.90%、13.46%和42.26%。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤有效磷含量呈现随厚度增加而增加的变化规律。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤有效磷含量为DJ2>J>D。土壤速效钾含量除D处理外，其他处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1和J处理分别提高0.26%、43.89%、80.95%和18.80%，其中DJ2、DJ1、J处理均与对照差异极显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤速效钾含量呈现随秸秆厚度增加而减少的变化规律。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤速效钾含量为DJ2>J>D。
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表3-4 不同处理对20～40cm根际土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量变化的影响
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（3）不同处理对结果后期根际土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量变化的影响
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①不同处理对0～20cm根际土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量变化的影响
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从表3-5可见，在0～20cm土层，结果后期各处理土壤有机质含量均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别提高6.98%、20.82%、13.96%、14.00%和10.73%，其中DJ2、DJ1、J处理与对照差异显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤有机质含量为DJ2>DJ1>DJ3。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤有机质含量为DJ2>J>D。土壤全氮含量除J处理高于对照、D处理与对照持平外，其他处理均低于对照。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤全氮含量以DJ3处理最高，DJ2和DJ1处理相近。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤全氮含量为J>D>DJ2。土壤全磷含量除DJ3处理低于对照外，其他处理均高于对照，与对照相比，DJ2、DJ1、J和D处理分别提高23.19%、26.36%、31.78%和3.54%，各处理与对照差异均不显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同覆盖处理，土壤全磷含量呈现随秸秆厚度增加而减少的变化规律。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤全磷含量为J>DJ2>D。各处理土壤全钾含量均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别提高3.80%、5.14%、5.10%、0.86%和1.36%，其中DJ2、DJ1处理与对照差异显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤全钾含量为DJ2>DJ1>DJ3。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤全钾含量为DJ2>D>J。
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表3-5 不同处理对0～20cm根际土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量变化的影响
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②不同处理对20～40cm根际土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量变化的影响
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从表3-6可见，在20～40cm土层，结果后期土壤有机质含量除D处理低于对照外，其他处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1和J处理分别提高5.90%、15.43%、15.57%、1.47%，但各处理均与对照差异并不显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤有机质含量为DJ1>DJ2>DJ3。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤有机质含量为DJ2>J>D。土壤全氮含量除DJ3、D处理低于对照外，其他处理均高于对照，各处理与对照差异均不显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤全氮含量为DJ1>DJ2>DJ3。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤全氮含量为DJ2>J>D。土壤全磷含量除D处理显著高于对照外，其他处理均低于对照且与对照差异不显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤全磷含量呈现随秸秆厚度增加而减少的变化规律。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤全磷含量为D>J>DJ2。土壤全钾含量除DJ3、J处理低于对照外，其他处理均高于对照，其中DJ1处理与对照差异显著，而DJ2、D处理与对照差异不显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤全钾含量为DJ1>DJ2>DJ3。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤全钾含量为D>DJ2>J。
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表3-6 不同处理对20～40cm根际土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量变化的影响
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（4）不同处理对结果后期根际土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量变化的影响
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①不同处理对0～20cm根际土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量变化的影响
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从表3-7可见，在0～20cm土层，结果后期各处理土壤碱解氮含量均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别提高4.27%、5.53%、14.65%、35.47%和27.44%，其中J、D处理与对照差异极显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤碱解氮含量为DJ1>DJ2>DJ3。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤碱解氮含量为J>D>DJ2。土壤有效磷含量除DJ3、D处理低于对照外，其他处理均高于对照，其中DJ2、J处理与对照差异极显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤有效磷含量为DJ2>DJ1>DJ3。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤有效磷含量为J>DJ2>D。土壤速效钾含量除DJ1、J处理高于对照且与对照差异极显著外，其他处理均低于对照。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤速效钾含量呈现随秸秆厚度增加而减少的变化规律。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤速效钾含量为J>D>DJ2。
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表3-7 不同处理对0～20cm根际土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量变化的影响
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②不同处理对20～40cm根际土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量变化的影响
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从表3-8可见，在20～40cm土层，结果后期土壤碱解氮含量除D处理极显著低于对照外，其他各处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1和J处理分别提高0.53%、6.09%、3.76%、16.93%，其中仅J处理与对照差异显著。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤碱解氮含量为DJ2>DJ1>DJ3。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤碱解氮含量为J>DJ2>D。土壤有效磷含量除J处理高于对照外，其他处理均显著低于对照。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤有效磷含量为DJ1>DJ2>DJ3。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤有效磷含量为J>DJ2>D。土壤速效钾含量除D处理低于对照外，其他处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1和J处理分别提高2.60%、4.55%、15.74%和19.09%。对于DJ3、DJ2和DJ1三种不同秸秆厚度覆膜处理，土壤速效钾含量为DJ1>DJ2>DJ3。比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理，土壤速效钾含量为J>DJ2>D。
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表3-8 不同处理对20～40cm根际土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量变化的影响
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9. 根际土壤微生物和养分之间相关性分析
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将根际土壤各种微生物数量指标细菌（X1）、纤维分解细菌（X2）、固氮菌（X3）、放线菌（X4）、真菌（X5）和根际土壤0～20cm各养分含量指标有机质（X6）、全氮（X7）、全磷（X8）、全钾（X9）、碱解氮（X10）、有效磷（X11）、速效钾（X12）进行相关性的显著性分析，得到相互之间的相关性关系，详见表3-9。
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表3-9 土壤指标相互之间相关性分析
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从表3-9可见，根际土壤有机质与土壤细菌数量、土壤全钾含量与土壤纤维分解细菌数量均呈极显著正相关关系，土壤放线菌数量与土壤全钾含量、土壤全磷与土壤全钾含量、土壤碱解氮含量与土壤有效磷含量均呈显著正相关关系。这说明，土壤有机质含量的提高可显著促进土壤中细菌数量的增加，土壤全钾含量与土壤纤维分解细菌和土壤放线菌生长密切相关，秸秆中钾营养元素的释放可增加土壤中钾的含量，促进根际土壤纤维分解细菌和放线菌数量的增加。
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四、小结
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不同地表覆盖可以大大降低土壤水分蒸发，顺序为DJ3>DJ2>DJ1>D>J>CK，在连续17d中，DJ3、DJ2处理的水分总蒸发量仅为对照的7.02%、9.18%。10cm土壤温度大部分时段高于对照且在15:00至21:00时段内差异较为明显；20cm土壤温度J处理最低，其他各处理均在绝大多数时段高于对照。0～20cm土壤容重在结果初期、中期和后期，各处理均低于对照；在结果后期，各处理均显著低于对照，其中DJ3、DJ2、DJ1、D和J处理分别降低5.87%、3.75%、10.12%、7.76%和3.52%。在结果后期，对于0～20cm土壤>0.25mm粒径百分率，DJ2、DJ3处理与对照差异显著，DJ2和DJ3分别较对照高出28.14%和28.13%。
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经过不同覆盖处理后，在结果初期，根际土壤细菌、固氮菌、真菌数量均明显提高；在结果后期，根际土壤细菌、放线菌数量明显提高，真菌数量（J处理除外）降低。秸秆和地膜双元覆盖效果优于单一的秸秆或地膜覆盖，单一秸秆覆盖优于地膜覆盖；但在结果后期，显著增加根际土壤真菌数量，易导致作物真菌性病害的发生。通过比较不同秸秆厚度覆膜处理发现，在结果前期、中期的土壤细菌和放线菌数量及结果中期的土壤纤维分解细菌、固氮菌和真菌数量均呈现随秸秆覆盖厚度增加而增加的变化规律。
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秸秆和地膜双元覆盖可使根际土壤细菌等数量增加，促进秸秆分解和营养释放，增加0～20cm根际土壤有机质、氮、磷、钾等养分含量，在结果后期可有效降低土壤真菌数量，有利于植株根系生长。双元覆盖处理中，DJ2（3cm厚秸秆+地膜）覆盖处理效果最佳，优于DJ3和DJ1处理。与对照相比，在结果后期，DJ2处理可提高根际土壤细菌、纤维分解细菌数量及0～20cm根际土壤有机质、全磷、全钾和碱解氮含量，分别达82.78%、10.98%及20.83%、22.83%、5.16%和5.53%，降低土壤真菌数量33.50%。对于20～40cm根际土壤，在结果初期，DJ3、DJ2处理效果较为明显，均不同程度提高土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量，与对照相比，土壤有机质、全氮、全钾、碱解氮、有效磷含量均差异显著，DJ2处理速效钾含量差异显著。DJ3、DJ2处理土壤有机质含量分别提高32.30%和67.85%，全氮含量分别提高14.24%和27.33%，全磷含量分别提高16.27%和27.16%，全钾含量分别提高5.51%和7.89%，与对照差异均显著；土壤碱解氮含量分别提高29.32%和46.77%，土壤有效磷含量分别提高78.29%和66.90%，土壤速效钾含量分别提高0.26%和43.89%。在结果后期，与对照相比，DJ3、DJ2处理土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效钾含量差异不显著，土壤有机质含量分别提高5.90%和15.43%，土壤碱解氮含量分别提高0.53%和6.09%，土壤速效钾含量分别提高2.60%、4.55%。
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相关性分析表明，土壤有机质含量的提高可促进土壤细菌数量的增加。秸秆中钾营养元素的释放可增加土壤中钾的含量，促进根际土壤纤维分解细菌和放线菌生长数量的增加。
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第二节 秸秆覆盖对黄瓜生长发育影响的研究
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一、试验研究技术路线
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本试验研究的具体技术路线如图3-16所示。
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图3-16 试验研究技术路线
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二、试验材料与方法
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1. 试验材料及试验地
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详见第三章第一节。
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2. 试验设计
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详见第三章第一节。
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（1）植株地上部生长指标测定
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从4月15日开始，每隔15d测定黄瓜植株株高、茎粗。在初花期、结果初期、结果中期和结果后期测定植株叶片数、叶面积、叶片叶绿素含量和氮含量，在结果中期测定植株叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率。
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（2）植株地下部生长指标测定
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在黄瓜初花期、结果初期、结果中期和结果后期测定植株的根系数、根冠比、根系活力、根系直径、总根长、根总表面积和根总体积。
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（3）植株果实品质、产量等指标测定
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在黄瓜结果后期统一测定黄瓜果实的可溶性糖、可溶性蛋白质、维生素C含量和果实干重／鲜重、商品瓜率，测定全株干物质重、单株结瓜数、单果重、单株产量和总产量。
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3. 测定方法
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（1）地上部生长指标测定方法
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黄瓜植株株高用卷尺测定植株茎基部至生长点长度，茎粗用游标卡尺固定测定植株下部茎部直径，叶片数采用计数法测定，叶面积采用等面积纸的质量计算求得，叶片叶绿素含量用丙酮乙醇混合液法测定，叶片含氮量用国产TYCS－3NK型植株养分速测仪测定，叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率用美国产LI－6400便携式光合测定仪测定。
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（2）地下部生长指标测定方法
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黄瓜根系数为长度超过0.5cm的植株一级侧根和二级侧根的总和；根冠比用万分之一电子天平称量植株地上部和地下部干重后计算比值得出；根系活力用TTC法测定；根系直径、总根长、根总表面积、根总体积采用将根系均匀平铺于Epson Perfv700扫描仪进行扫描并保存为JPG文件，用WinRHIZO Pro2009a软件分析测得。
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（3）植株果实品质、产量等指标测定方法
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黄瓜果实可溶性糖含量用蒽酮法测定；可溶性蛋白质含量用考马斯亮蓝G－250染色法测定；维生素C含量用紫外分光光度法测定；果实干重／鲜重为果实烘干后与烘干前比值；商品瓜率为统计小区黄瓜达到商品出售标准瓜数占总瓜数的百分率；全株干物质重采用全株烘干后用万分之一天平测定；单株结瓜数用计数法测定；单果重、单株产量和总产量用千分之一天平测定。
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4. 数据整理与分析
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所有数据用Excel 2003软件整理，用SPSS 19.0统计软件进行数理统计。在符合正态分布情况下进行单因素方差分析（One-way ANOVA），用多重比较方法对数据进行差异显著性检验，采用双变量双侧相关法进行数据间相关显著性分析，用降维的因子分析法进行主成分和因子分析，采用最大方差法进行因子旋转。
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三、结果与分析
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1. 不同处理对黄瓜株高和茎粗的影响
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图3-17 不同处理对黄瓜株高的影响
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从图3-17可见，各处理在黄瓜生长过程中的株高均高于对照。在黄瓜生长前期，差异不明显；5月15日之后，各处理与对照的株高差异逐渐明显，总体上表现为DJ2>DJ3>DJ1>D>J>CK；在结果后期，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别较对照高出33.59%、34.91%、30.28%、11.11%和14.42%。
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从图3-18可见，各处理在黄瓜生长过程中的茎粗均高于对照。在4月30日之后，除J处理外，均明显高于对照，总体表现为DJ2>DJ1>DJ3>D>J>CK；在结果后期，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别较对照高出17.27%、34.84%、33.84%、15.23%和16.88%。
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图3-18 不同处理对黄瓜茎粗的影响
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2. 不同处理对黄瓜叶片数和叶面积的影响
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由图3-19可见，各处理黄瓜叶片数均较对照多。在初花期、结果初期和结果中期除J处理外，其他各处理与对照差距不断加大；而到结果后期差距有所减少，总体表现为DJ3>DJ2>DJ1>D>J>CK。在结果后期，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别较对照提高9.02%、8.27%、7.52%、3.01%和4.51%。
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由图3-20可见，各处理黄瓜叶面积在不同时期均较对照大，但在初花期和结果初期与对照之间差异不大，结果中期和结果后期差异较大。在结果后期，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理叶面积分别比对照提高24.26%、27.42%、22.75%、4.72%和20.69%。
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图3-19 不同处理对黄瓜叶片数的影响
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图3-20 不同处理对黄瓜叶面积的影响
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3. 不同处理对黄瓜叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率的影响
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从表3-10可见，各处理黄瓜净光合速率均高于对照，且DJ3和DJ2处理与对照间差异极显著，与其他处理差异不显著，其中DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别比对照提高35.18%、31.25%、6.81%、0.48%和1.60%。通过比较DJ3、DJ2和DJ1三种不同厚度秸秆覆膜处理发现，净光合速率呈现随厚度增加而增加的变化规律。通过比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理发现，净光合速率为DJ2>D>J。各处理气孔导度均高于对照，且DJ3、DJ2和DJ1处理与对照均差异极显著，D和J处理与对照差异不显著，其中DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别比对照提高26.03%、24.43%、21.23%、0.68%和4.56%。通过比较DJ3、DJ2和DJ1三种不同厚度秸秆覆膜处理发现，气孔导度呈现随厚度增加而增加的变化规律。通过比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理发现，气孔导度为DJ2>D>J。胞间CO2浓度DJ3、DJ2和DJ1处理均高于对照，且DJ3和DJ2处理与对照差异极显著，DJ1处理与对照差异显著，DJ3、DJ2和DJ1处理分别比对照提高7.18%、5.82%和1.42%，J和D处理低于对照但与对照差异不显著。通过比较DJ3、DJ2和DJ1三种不同厚度秸秆覆膜处理发现，胞间CO2浓度呈现随厚度增加而增加的变化规律。通过比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理发现，胞间CO2浓度为DJ2>J>D。蒸腾速率各处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2和DJ1处理差异极显著，D和J处理差异显著，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别较对照高出20.31%、39.42%、31.63%、13.23%和12.77%。通过比较DJ3、DJ2和DJ1三种不同厚度秸秆覆膜处理发现，蒸腾速率为DJ2>DJ1>DJ3。通过比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理发现，蒸腾速率为DJ2>J>D。
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表3-10 不同处理对黄瓜叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率的影响
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4. 不同处理对黄瓜叶片叶绿素含量和含氮量的影响
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从图3-21可见，各处理黄瓜叶片叶绿素含量在初花期较低，在结果初期较高，到结果中期和后期有所下降。各处理在各时期的叶片叶绿素含量均不同程度高于对照，总体来看，叶片叶绿素含量为DJ3>DJ2>DJ1>D>J>CK。
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图3-21 不同处理对黄瓜叶片叶绿素含量的影响
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从图3-22可见，黄瓜叶片含氮量从结果初期至结果中期和后期出现逐渐下降的趋势。在初花期，各处理均明显高于对照，其中DJ3和DJ2处理最为明显，分别较对照高出50.57%和44.83%；在结果初期除J处理外，其他处理均高于对照；在结果中期和后期，各处理叶片含氮量均高出对照，顺序为DJ3>DJ2>DJ1>D>J>CK。
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图3-22 不同处理对黄瓜叶片含氮量的影响
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5. 不同处理对黄瓜根系数和根冠比的影响
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从图3-23可见，各处理从黄瓜初花期至结果后期根系数均高于对照，其中DJ3和DJ2处理最为明显，从结果初期开始极显著高于对照和其他处理。在结果后期，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别比对照提高75.49%、73.24%、14.37%、13.80%和8.17%，效果较明显。
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图3-23 不同处理对黄瓜根系数的影响
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图3-24 不同处理对黄瓜根冠比的影响
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从图3-24可见，在黄瓜生长过程中根冠比呈不断下降趋势，说明地上部生长速度高于地下部。除D处理在初花期低于对照外，各处理在各个时期根冠比均高于对照，并随黄瓜的生长，各处理与对照差距逐渐减小。其中，在结果初期和结果中期，J处理根冠比最大，其次为DJ3和DJ2处理。这可能是因为在实际生长过程中，J处理地上部长势偏弱导致根冠比较大。
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6. 不同处理对黄瓜根系直径的影响
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从图3-25可见，在结果初期，黄瓜根系直径除J处理与对照持平外，其他处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、D处理分别高出16.40%、4.09%、1.53%和2.10%，各处理与对照差异均不显著；在结果中期，各处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别提高28.13%、21.88%、9.38%、9.38%和6.25%，其中D处理与对照差异不显著，其他处理均与对照差异显著；在结果后期，各处理均高出对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别提高16.95%、20.43%、10.65%、5.56%和2.18%，DJ2处理与对照差异显著，其他处理与对照差异均不显著。通过比较DJ3、DJ2和DJ1三种不同厚度秸秆覆膜处理发现，在结果初期和中期，根系直径呈现随厚度增加而增加的变化规律，而在结果后期DJ2处理根系直径最大。通过比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理发现，在结果中期和后期，根系直径为DJ2>J>D。
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图3-25 不同处理对黄瓜根系直径的影响
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7. 不同处理对黄瓜总根长的影响
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从图3-26可见，在结果初期，各处理黄瓜总根长均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J、D处理分别增加32.35%、32.16%、15.43%、4.72%和1.36%，DJ3、DJ2、DJ1处理与对照差异均显著，D和J处理与对照差异不显著；在结果中期，各处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别高出75.56%、75.20%、22.47%、9.76%和13.35%，其中DJ3和DJ2处理与其他所有处理差异显著，DJ1、D、J处理与对照差异不显著；在结果后期，各处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别增加57.51%、55.73%、30.41%、7.07%和9.63%，DJ3、DJ2、DJ1处理与对照差异显著，J、D处理与对照差异不显著。通过比较DJ3、DJ2和DJ1三种不同厚度秸秆覆膜处理发现，在结果初期、中期和后期，总根长均呈现随厚度增加而增加的变化规律，并且DJ3和DJ2处理之间差异不显著，但都与DJ1处理差异显著。通过比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理发现，在结果初期，总根长为DJ2>J>D；但在结果中期和后期，总根长为DJ2>D>J。
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图3-26 不同处理对黄瓜总根长的影响
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8. 不同处理对黄瓜根总表面积的影响
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从图3-27可见，在结果初期，各处理黄瓜根总表面积均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J、D处理分别提高78.32%、58.47%、44.12%、13.80%和9.85%，其中DJ3、DJ2、DJ1处理均与对照差异显著，J和D处理均与对照差异不显著；在结果中期，各处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别提高83.68%、72.58%、52.17%、39.69%和35.57%，且各处理均与对照差异显著；在结果后期，各处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别提高57.21%、54.46%、33.07%、27.30%和17.80%，各处理均与对照差异显著。通过比较DJ3、DJ2和DJ1三种不同厚度秸秆覆膜处理发现，在结果初期、中期和后期，总表面积均呈现随厚度增加而增加的变化规律。在结果后期，DJ3和DJ2处理间差异不显著，但都与DJ1处理差异显著。通过比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理发现，在结果初期、中期和后期，根总表面积为DJ2>J>D。
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图3-27 不同处理对黄瓜根总表面积的影响
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9. 不同处理对黄瓜根总体积的影响
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从图3-28可见，在黄瓜结果初期，各处理根总体积均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J、D处理分别提高115.54%、81.95%、28.40%、37.51%和14.70%，DJ3、DJ2、J处理与对照差异显著，DJ1和D处理与对照差异不显著；在结果中期，各处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别提高106.67%、96.67%、46.67%、27.78%和17.78%，各处理均与对照差异显著；在结果后期，各处理均高于对照，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别提高95.71%、70.37%、46.27%、5.80%和16.05%，DJ3、DJ2、DJ1处理均与对照差异显著，J、D处理与对照差异不显著。通过比较DJ3、DJ2和DJ1三种不同厚度秸秆覆膜处理发现。在结果初期、中期和后期，根总体积均呈现随厚度增加而增加的变化规律，在结果初期和后期，三者之间均差异显著；在结果中期，DJ3和DJ2处理间差异不显著，但都与DJ1处理差异显著。通过比较DJ2、J、D三种不同覆盖处理发现，在结果初期和中期，根总体积为DJ2>J>D；但在结果后期，根总体积为DJ2>D>J。
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图3-28 不同处理对黄瓜根总体积的影响
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10. 不同处理对黄瓜根系活力的影响
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从图3-29可见，总体来看，黄瓜结果中期根系活力高于结果初期和结果后期。在结果初期，各处理根系活力均高于对照，其中DJ3、DJ2、DJ1和J处理均与对照差异显著，DJ3、DJ2与DJ1处理相比差异显著；在结果中期，各处理均高于对照且与对照差异显著；在结果后期，DJ3、DJ2、J、D处理高于对照且与对照差异显著。
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11. 不同处理对黄瓜果实品质指标的影响
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从表3-11可见，各处理黄瓜果实可溶性糖含量均高于对照且均与对照差异显著，与对照相比，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别提高7.08%、7.78%、3.67%、6.78%和5.63%；各处理可溶性蛋白质含量均高于对照，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别比对照提高44.61%、54.90%、24.02%、23.53%和18.14%，其中DJ3、DJ2、DJ1、J处理与对照差异极显著，D处理与对照差异显著；各处理维生素C含量均高于对照，DJ3、DJ2、DJ1、D和J处理分别比对照提高30.32%、33.31%、22.19%、1.11%和6.51%，其中DJ3、DJ2处理与对照差异极显著，DJ1处理与对照差异显著，J、D处理与对照差异不显著；各处理果实干重／鲜重均高于对照，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别比对照提高9.80%、9.80%、5.39%、5.88%和4.90%，其中DJ3和DJ2处理与对照差异显著，而DJ1、J、D处理与对照差异不显著；各处理商品瓜率均不同程度高于对照，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别比对照提高14.11%、14.23%、10.25%、3.14%和5.86%，其中DJ3、DJ2、DJ1处理与对照差异极显著，J、D处理与对照差异不显著。
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图3-29 不同处理对黄瓜根系活力的影响
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表3-11 不同处理对黄瓜果实品质指标的影响
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表3-11 不同处理对黄瓜果实品质指标的影响（续）-1
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12. 不同处理对黄瓜果实产量等指标的影响
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从表3-12可见，各处理全株干物质重均高于对照，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别比对照提高26.40%、21.91%、12.97%、1.76%和8.30%，其中DJ3、DJ2处理与对照差异极显著，DJ1处理与对照差异显著，J、D处理与对照差异不显著；各处理单株结瓜数均高于对照，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别比对照提高30.92%、30.92%、11.80%、2.97%和8.86%，其中DJ3、DJ2处理与对照差异极显著，DJ1处理与对照差异显著，而J、D处理与对照差异不显著；各处理单果重均与对照差异不显著；各处理单株产量均高于对照，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别比对照提高40.20%、39.16%、22.53%、0.16%和7.32%，其中DJ3、DJ2、DJ1处理与对照差异极显著，而J、D处理与对照差异不显著；各处理总产量均不同程度高于对照，DJ3、DJ2、DJ1、J和D处理分别比对照提高15.35%、14.77%、10.29%、5.67%和8.78%，其中DJ3、DJ2处理与对照差异显著，DJ1、J、D处理与对照差异不显著。
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表3-12 不同处理对黄瓜全株干物质量、单株结瓜数和产量的影响
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表3-12 不同处理对黄瓜全株干物质量、单株结瓜数和产量的影响（续）-1
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四、影响黄瓜生长发育及相关环境因子间相关性、主成分及因子分析
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1. 影响黄瓜植株地上部和地下部生长指标间相关性分析
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将黄瓜植株的地上部和地下部生长指标株高（X1）、茎粗（X2）、叶片数（X3）、叶面积（X4）、叶片叶绿素含量（X5）、叶片含氮量（X6）、根系数（X7）、根冠比（X8）、根系活力（X9）、根系直径（X10）、根总表面积（X11）和总根长（X12）进行相关性的显著性分析，得到相互之间的相关性关系，详见表3-13。
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从表3-13可见，黄瓜植株株高、茎粗、叶片数、叶面积、根系数、根系直径、根系总表面积、总根长之间大多呈极显著的正相关关系，说明这些指标相互关联并决定着植株的长势。黄瓜叶片叶绿素含量与叶片氮含量之间会显著正相关关系，而与株高、叶片数和叶面积则呈显著负相关关系，这说明在一定状态下，植株的快速生长使叶片中的叶绿素含量和含氮量变小。黄瓜根系活力与根冠比呈显著正相关关系，说明根系活力在一定程度上能够影响植株的地下部与地上部的比值，决定着植株生长的整体健壮程度。
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2. 影响黄瓜植株地上部和地下部生长主成分和因子分析
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表3-13 黄瓜生长指标间相关性分析矩阵
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将黄瓜植株的地上部和地下部生长指标株高（X1）、茎粗（X2）、叶片数（X3）、叶面积（X4）、叶片叶绿素含量（X5）、叶片含氮量（X6）、根系数（X7）、根冠比（X8）、根系活力（X9）、根系直径（X10）、根总表面积（X11）和总根长（X12）进行降维，在原始结果分析基础上，抽取主成分进行最大方差法因子分析旋转，同时显示成分得分系数矩阵。多维的数据空间可以存在无数的彼此间相互正交的空间坐标系，这就导致数据空间样本点在每套空间坐标系上的投影值不同，使得因子载荷不是唯一的，而通过因子轴旋转可从无数多套的空间坐标系中寻找到特殊的一套，使得载荷矩阵中的各元素数值向0～1分化，且同时保持同一行中各元素平方和，即公因子方差不变。这样，通过因子旋转，各变量在因子载荷上更加明显，这也利于对各公因子给出更合理解释。因此，试验分析中采用了基于方差最大法的因子载荷旋转，并得到旋转成分矩阵和成分得分系数矩阵，见表3-14、表3-15与表3-16。
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表3-14 方差累积贡献率
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表3-15 旋转成分矩阵
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表3-16 成分得分系数矩阵
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从表3-14可见，前3个成分的碎石值都大于1，累计贡献率达到95.42%，已经包括了原始数据的绝大部分的变异信息，所以选择前3个成分作为主成分，可以起到减少变量数量而保留绝大部分原始信息的作用。经过旋转平方和载入，第一主成分单独综合了数据原始变异信息52.51%的信息，主成分主要包括根系生长、株高、茎粗等指标，代表植株的根系生长等方面的信息；第二主成分单独综合了数据原始变异信息30.54%的信息，主成分主要包括叶片数、叶面积等指标，代表叶片生长等方面的信息；第三主成分单独综合了数据原始变异信息12.37%的信息，主成分主要包括根系活力等指标，代表根系活力等方面的信息。
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经过降维处理、因子旋转，得到各主成分的得分系数，通过表3-16，可以得出以下3个主成分的公因子表达式。
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F1=0.117X1+0.216X2+0.058X3+0.051X4+0.200X5+0.175X6+0.204X7-0.170X8+0.025X9+0.207X10+0.242X11+0.111X12
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F2=-0.002X1-0.129X2+0.138X3+0.108X4-0.474X5-0.434X6-0.089X7-0.079X8+0.115X9-0.122X10-0.188X11+0.059X12
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F3=-0.146X1+0.133X2+0.091X3-0.093X4-0.151X5-0.087X6+0.133X7+0.321X8+0.728X9-0.047X10-0.084X11+0.074X12
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在上述3个表达式中，各个变量已经不是原始变量而是标准化的变量。
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3. 黄瓜根系生长和根际土壤微生物间相关性分析
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从表3-17可见，黄瓜根冠比和纤维分解细菌间呈极显著正相关关系，根系数和固氮菌数、根系活力和纤维分解细菌、根系直径和固氮菌、总根长和固氮菌、根总表面积和固氮菌、根总体积和固氮菌间呈显著相关关系；而纤维分解细菌与根系数、根系直径、总根长、根总表面积间呈显著负相关关系，放线菌与根总表面积、根总体积间也呈显著负相关关系。通过相关关系初步分析可行，纤维分解细菌可提升根系活力，同时随着植株地下部的生长，纤维分解细菌数量减少；而固氮菌则在促进根系生长方面作用较大，与根系生长的很多指标息息相关，可能与固氮菌在氮元素方面的作用有关。
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表3-17 黄瓜根系生长和根际土壤微生物间相关性分析
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4. 黄瓜根系生长和根际土壤养分含量间相关性分析
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从表3-18可见，黄瓜根冠比与全钾含量间极显著正相关关系，根系活力与有机质含量、根系活力与全氮含量、根系直径与碱解氮含量间显著正相关关系；而根系活力与碱解氮含量间极显著负相关关系，根系数、根系直径、总根长、根总表面积及根总体积均与全钾含量间显著负相关关系。通过相关关系的分析可以初步说明，土壤中全钾含量的多少决定着植株根冠比的大小和根系数的多少，同时随着根系表面积、体积的增大，全钾含量减少；有机质和全氮含量影响着根系活力，含量高则促进根系活力的提升；而碱解氮含量的增多则促进根系直径变粗，同时也影响根系活力提升。
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表3-18 黄瓜根系生长和根际土壤养分含量间相关性分析
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5. 影响黄瓜根系生长及相关土壤因子的主成分和因子分析
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将根际土壤各种微生物数量指标细菌数（X1）、纤维分解细菌数（X2）、固氮菌数（X3）、放线菌数（X4）、真菌数（X5），根际土壤各种养分含量指标有机质含量（X6）、全氮含量（X7）、全磷含量（X8）、全钾含量（X9）、碱解氮含量（X10）、有效磷含量（X1 1）、速效钾含量（X12），以及根系生长相关的指标根系数（X13）、根冠比（X14）、根系活力（X15）、根系直径（X16）、总根长（X17）、根总表面积（X18）、根总体积（X19）进行降维，在原始结果分析基础上，抽取主成分进行最大方差法因子分析旋转，同时显示成分得分系数矩阵。多维的数据空间可以存在无数的彼此间相互正交的空间坐标系，这就导致数据空间样本点在每套空间坐标系上具有不同的投影值，使得因子载荷不是唯一的，而通过因子轴旋转可从无数多套的空间坐标系中寻找到特殊的一套，使得载荷矩阵中的各元素数值向0～1分化，且同时保持同一行中各元素平方和，即公因子方差不变。这样，通过因子旋转，各变量在因子载荷上更加明显，这也利于对各公因子给出更合理解释。因此，试验分析中采用了基于方差最大法的因子载荷旋转，并得到旋转成分矩阵和成分得分系数矩阵，见表3-19、表3-20和表3-21。
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表3-19 方差累积贡献率
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表3-20 旋转成分矩阵
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表3-21 成分得分系数矩阵
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表3-21 成分得分系数矩阵（续）-1
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从表3-19可见，前4个成分的碎石值都大于1，累计贡献率达到85.03%，已经包括了原始数据大部分的变异信息，所以选择前4个成分作为主成分，可以起到减少变量数量而保留绝大部分原始信息的作用。经过旋转平方和载入，第一主成分单独综合了数据原始变异信息44.57%的信息，主成分主要包括根总表面积、根系数、根系直径、根总体积、总根长等指标，代表黄瓜根系生长等方面的信息；第二主成分单独综合了数据原始变异信息17.23%的信息，主成分主要包括细菌数、有机质含量指标，代表土壤细菌和有机质等方面的信息；第三主成分单独综合了数据原始变异信息11.91%的信息，主成分主要包括全氮含量、真菌数、固氮菌数等指标，代表土壤全氮和微生物等方面的信息；第四主成分单独综合了数据原始变异信息11.32%的信息，主成分主要包括速效钾含量、有效磷含量、碱解氮含量等指标，代表土壤速效养分等方面的信息。
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经过降维处理、因子旋转，得到各主成分的得分系数，通过表3-20可以得出以下4个主成分的公因子表达式。
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F1=0.018X1-0.080X2+0.053X3-0.026X4-0.022X5+0.043X6-0.001X7-0.108X8-0.092X9+0.062X10+0.016X11-0.084X12+0.121X13-0.106X14-0.002X15+0.118X16+0.118X17+0.119X18+0.122X19
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F2=0.290X1+0.096X2+0.028X3-0.018X4-0.047X5+0.281X6-0.034X7+0.265X8+0.236X9-0.010X10+0.098X11-0.028X12+0.044X13+0.094X14+0.168X15+0.093X16+0.087X17+0.049X18+0.063X19
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F3=0.018X1-0.080X2+0.053X3-0.026X4-0.022X5+0.043X6-0.001X7-0.108X8-0.092X9+0.062X10+0.016X11-0.084X12+0.121X13-0.106X14-0.002X15+0.118X16+0.118X17+0.119X18+0.122X19
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F4=0.018X1-0.080X2+0.053X3-0.026X4-0.022X5+0.043X6-0.001X7-0.108X8-0.092X9+0.062X10+0.016X11-0.084X12+0.121X13-0.106X14-0.002X15+0.118X16+0.118X17+0.119X18+0.122X19
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在上述4个表达式中，各个变量已经不是原始变量而是标准化的变量。
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五、小结
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本试验中，通过不同地表覆盖处理后，黄瓜植株地上部、地下部生长指标及产量、品质等指标在一定时期均有不同程度的提高。总体来看，处理效果依次为DJ3>DJ2>DJ1>D>J>CK，其中秸秆和地膜双元覆盖处理效果更为明显，以DJ3和DJ2处理最为显著，且DJ3和DJ2这两种处理间在绝大多数指标上差异并不显著。在秸秆和地膜双元覆盖的3个处理中，净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、根系直径、总根长、根总表面积、根总体积等指标均呈现随秸秆厚度增加而增加的变化规律，但DJ3和DJ2处理间差异不显著。在单一秸秆、地膜覆盖和双元覆盖中，双元覆盖优于地膜覆盖，地膜覆盖优于秸秆覆盖。
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在不同覆盖处理中，DJ3和DJ2两种处理效果最佳。在结果后期，DJ3、DJ2处理比对照株高分别提高17.27%和34.84%，茎粗分别提高9.02%和8.27%；叶面积分别增加24.26%和27.42%，叶片净光合速率分别提高35.18%和31.25%；气孔导度分别提高26.03%和24.43%，胞间CO2浓度分别提高7.18%和5.82%，蒸腾速率分别提高20.31%和39.42%，且均与对照差异达到极显著水平。在结果后期，DJ3和DJ2处理比对照根系数提高75.49%和73.24%，且均与对照差异显著；根系直径分别提高16.95%和20.43%，DJ2处理与对照差异显著，而DJ3处理与对照差异不显著；总根长分别提高57.51%和55.73%，根总表面积分别提高57.21%和54.46%，根总体积分别提高95.71%和70.37%，且均与对照差异显著。
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与对照相比，DJ3和DJ2处理的果实可溶性糖含量分别提高7.08%和7.78%，且与对照差异显著；可溶性蛋白质含量分别提高44.61%和54.90%，维生素C含量分别提高30.32%和33.31%，且均与对照差异显著；果实干重／鲜重分别提高9.80%和9.80%，且均与对照差异显著；商品瓜率分别提高14.11%和14.23%，且均与对照差异极显著；全株干物质重分别提高26.40%和21.91%，且均与对照差异极显著；单株结瓜数分别提高30.92%和30.92%，单株产量分别提高40.20%和39.16%，总产量分别提高15.35%和14.77%，且均与对照差异极显著。
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相关分析结果表明：黄瓜植株的株高、茎粗、叶片数、叶面积、根系数、根系直径、根总表面积、总根长间大多呈极显著正相关关系，说明这些指标相互关联并决定着植株的长势；叶片叶绿素含量和含氮量间呈显著正相关关系，而与株高、叶片数和叶面积呈显著负相关关系，说明在一定状态下，植株快速生长使叶片中叶绿素含量和含氮量降低；根系活力与根冠比呈显著正相关关系，说明根系活力在一定程度能影响植株地下部与地上部比值，决定着植株生长的健壮程度。根际土壤纤维分解细菌可提升根系活力，同时随着植株地下部根系的生长，纤维分解细菌数量减少；固氮菌在促进根系生长方面作用较大，与根系生长的很多指标息息相关，可能与固氮菌在氮元素方面的作用有关；土壤中全钾含量的多少决定着植株根冠比的大小和根系数的多少，随着根系总表面积、体积的增大，全钾含量减少；有机质和全氮含量影响着根系活力，含量高则促进根系活力的提升，而碱解氮含量的增多促进根系直径变粗，同时也影响根系活力的提升。
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通过对影响黄瓜生长的主成分和因子分析，得到3个主成分可包括原始数据绝大部分变异信息，其中第一主成分代表植株根系生长等方面信息，第二主成分代表叶片生长等方面信息，第三主成分代表根系活力等方面信息。通过对影响黄瓜根系生长及相关土壤因子的主成分和因子分析，得到4个主成分可包括原始数据绝大部分变异信息，其中第一主成分代表黄瓜根系生长等方面信息，第二主成分代表土壤细菌数和有机质含量等方面信息，第三主成分代表土壤全氮含量和微生物等方面信息，第四主成分代表土壤速效养分等方面信息。
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在实际生产过程中，考虑到实际的成本和操作难易程度，以DJ2处理，即铺设3cm玉米秸秆+地膜的双元覆盖应用效果最佳，在实践生产中具有一定的推广应用价值。
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第三节 秸秆覆盖下黄瓜生长发育相关因子对不同施肥量的响应研究
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一、试验研究技术路线
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本试验研究的具体技术路线如图3-30所示。
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二、试验材料与方法
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1. 试验材料及试验地
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以黄瓜“津春改良2号”品种为试验材料，试验于2013年3～7月在内蒙古农业大学职业技术学院科技园区设施园艺实践教学基地进行。试验所用日光温室为钢骨架、拱圆形，跨度7.00m，长50.00m，脊高3.20m，抢阴8°，覆盖所用秸秆为周边农户粉碎后用于饲喂奶牛的玉米秸秆。
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图3-30 本试验研究技术路线
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2. 试验设计
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在日光温室中，3月5日育苗，4月10日定植，采用单垄双行定植方式，种植密度为每公顷42000株，地表覆盖3cm厚的玉米秸秆（秸秆用量为1.20kg/m2），之后再覆地膜，统一基施腐熟羊粪45000kg/hm2。化肥施用量对照（CK）为N：135kg/hm2、P2O5：60kg/hm2、K2O：180kg/hm2，处理1为N：90kg/hm2、P2O5：40kg/hm2、K2O：120kg/hm2，处理2为N：68kg/hm2、P2O5：30kg/hm2、K2O：90kg/hm2，处理3为N：45kg/hm2、P2O5：20kg/hm2、K2O：60kg/hm2，处理4为N：33kg/hm2、P2O5：15kg/hm2、K2O：44.5kg/hm2。试验所用氮、磷、钾肥分别为尿素（含N 46%）、磷酸二铵（含P2O5 50%，含N 20%）、硫酸钾（含K2O 50%）。磷酸二铵全部基施，尿素分4次追施（苗期、初花期、结果初期、结果盛期），硫酸钾30%基施、70%分4次和尿素同时追施。每个处理重复3个小区，每个小区面积7.0m2，随机区组排列，每个种植小区边界土壤0～30cm深度之间用塑料膜隔开，统一采用膜下滴灌。
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（1）植株地上部生长指标测定
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在黄瓜苗期、初花期、结果初期和结果盛期，测定植株株高、茎粗、叶片数、叶面积、叶片叶绿素含量、叶片含氮量、根冠比；在结果盛期测定植株叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率。
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（2）植株地下部生长指标测定
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在黄瓜结果盛期测定植株的根系数、根系活力、根系直径、总根长、根总表面积、根总体积。
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（3）植株果实品质、产量等指标测定
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在黄瓜结果后期统一测定果实的可溶性糖、可溶性蛋白质、维生素C含量和果实干重／鲜重、商品瓜率，测定全株干物质重、单株结瓜数、单果重、单株产量和总产量。
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（4）植株根部、茎部和果实全氮、全磷、全钾含量测定
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在黄瓜结果盛期统一测定植株根部、茎部和果实全氮、全磷、全钾含量。
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（5）土壤养分测定
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在黄瓜结果盛期统一测定根际和非根际土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量。
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（6）土壤微生物数量测定
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在黄瓜结果盛期统一测定根际土壤细菌、纤维分解细菌、固氮菌、放线菌、真菌的数量。
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（7）土壤酶活性测定
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在黄瓜结果盛期统一测定根际和非根际土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性。
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3. 测定方法
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（1）植株地上部生长指标测定方法
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黄瓜地上部生长指标测定方法见第三章第二节。
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（2）植株地下部生长指标测定方法
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黄瓜地下部生长指标测定方法见第三章第二节。
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（3）植株果实品质、产量等指标测定方法
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黄瓜果实品质、产量指标测定方法见第三章第二节。
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（4）植株根部、茎部和果实全氮、全磷、全钾含量测定方法
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黄瓜根部、茎部和果实的全氮含量采用奈氏比色法测定，全磷含量采用钒钼黄比色法测定，全钾含量采用火焰分光光度法测定。
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（5）土壤养分测定
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黄瓜根际和非根际土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量测定方法见第三章第一节。
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（6）土壤微生物数量测定
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黄瓜根际土壤细菌、纤维分解细菌、固氮菌、放线菌、真菌数测定方法见第三章第一节。
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（7）土壤酶活性测定
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土壤过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法测定，脲酶活性用奈氏比色法测定，蔗糖酶活性用3，5－二硝基水杨酸比色法测定。
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4. 数据整理与分析
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所有数据用Excel 2003软件整理，所得结果均为3次重复的平均值，使用SPSS 19.0统计软件进行数理统计。在符合正态分布情况下，进行单因素方差分析（One-way ANOVA），用多重比较方法对数据进行差异显著性检验。采用双变量双侧相关法进行数据间相关显著性分析，用降维的因子分析法进行主成分和因子分析，采用最大方差法进行因子旋转。
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三、结果与分析
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1. 不同处理对黄瓜株高和茎粗的影响
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从图3-31可见，在苗期、初花期、结果初期和结果盛期，各处理黄瓜株高均与对照差异不显著。
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图3-31 不同处理对黄瓜株高的影响
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从图3-32可见，在苗期，各处理黄瓜茎粗与对照差异均不显著；在初花期，处理1、处理2和处理3均高于对照但与对照差异不显著，处理4低于对照且与对照差异不显著；在结果初期，处理2高于对照且与对照差异显著，其他处理与对照差异不显著；在结果盛期，处理2高于对照且与对照差异显著，而其他处理与对照差异不显著。
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图3-32 不同处理对黄瓜茎粗的影响
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2. 不同处理对黄瓜叶片数和叶面积的影响
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从图3-33可见，在苗期，各处理黄瓜叶片数与对照差异不显著；在初花期和结果初期，处理2高于对照，但各处理与均对照差异不显著；在结果盛期，处理2高于对照且与对照差异显著，而其他处理与对照差异不显著。
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图3-33 不同处理黄瓜对叶片数的影响
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从图3-34可见，在苗期，各处理黄瓜叶面积均低于对照，处理1、2与对照差异不显著，处理3、4与对照差异显著；在初花期，各处理与对照差异均不显著；在结果初期，处理1、2、3与对照差异不显著，处理4低于对照且与对照差异显著；在结果盛期，各处理均低于对照，但处理1、2与对照差异不显著，处理3、4与对照差异显著。
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图3-34 不同处理对黄瓜叶面积的影响
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3. 不同处理对黄瓜叶片叶绿素含量和含氮量的影响
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从图3-35可见，在苗期、初花期及结果初期，各处理叶片叶绿素含量均低于对照，但均与对照差异不显著；在结果盛期，各处理均低于对照，其中处理1、2、3与对照差异不显著，而处理4与对照差异显著。
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图3-35 不同处理对黄瓜叶片叶绿素含量的影响
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从图3-36可见，在苗期，各处理叶片含氮量均低于对照，其中处理1、2、3与对照差异不显著，而处理4与对照差异显著；在初花期，各处理均低于对照且与对照差异不显著；在结果初期，各处理均低于对照，其中处理1、2与对照差异不显著，处理3、4与对照差异显著；在结果盛期，各处理均低于对照，其中处理1、2与对照差异不显著，处理3、4与对照差异显著。
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图3-36 不同处理对黄瓜叶片含氮量的影响
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4. 不同处理对黄瓜叶片净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度和蒸腾速率的影响
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从表3-22可见，各处理黄瓜叶片净光合速率均高于对照，分别提高8.19%、18.96%、10.79%和9.67%，其中处理2与对照差异极显著，而其他处理与对照差异不显著；各处理黄瓜叶片胞间CO2浓度与对照差异均不显著；黄瓜叶片气孔导度处理2显著高于对照，而处理1、3、4均低于对照，其中处理3与对照差异不显著，处理1、4与对照差异显著；黄瓜叶片蒸腾速率处理1低于对照且与对照差异不显著，处理2、3、4均高于对照且与对照差异极显著。
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5. 不同处理对黄瓜根系数和根冠比的影响
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从图3-37可见，在苗期，黄瓜根系数处理1、2、3与对照差异不显著，处理4低于对照且与对照差异显著；在初花期，处理1、2与对照差异不显著，处理3、4低于对照且与对照差异显著；在结果初期，处理1、2与对照差异不显著，处理3、4低于对照且与对照差异显著；在结果盛期，处理1、2、3与对照差异不显著，处理4低于对照且与对照差异显著。
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表3-22 不同处理对黄瓜叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率的影响
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图3-37 不同处理对黄瓜根系数的影响
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从图3-38可见，在苗期，黄瓜根冠比处理2、3、4均高于对照，分别较对照提高5.44%、7.87%、6.90%，而处理1略低于对照，各处理均与对照差异不显著；在初花期，处理1、2、3、4均高于对照，分别较对照提高6.25%、13.19%、13.19、18.75%，其中处理1、2、3与对照差异不显著，处理4与对照差异显著；在结果初期，处理1与对照持平，处理2、3、4均高于对照，分别较对照提高15.48%、17.86%和2.38%，其中处理4与对照差异不显著，处理2、3与对照差异显著；在结果盛期，各处理均高于对照，分别较对照提高0.33%、24.02%、13.43%、12.32%，其中处理1、4与对照差异不显著，处理2、3与对照差异显著。
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图3-38 不同处理对黄瓜根冠比的影响
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6. 不同处理对黄瓜根系直径、总根长、根总表面积、根总体积及根系活力的影响
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从表3-23中可以看出，各处理黄瓜根系直径和根系活力与对照差异并不显著；黄瓜总根长处理1、2、3与对照差异不显著，而处理4则远低于对照，且与对照差异显著；黄瓜根总表面积处理1、3与对照差异不显著，而处理2高于对照且与对照差异极显著，处理4低于对照且与对照差异极显著；黄瓜根总体积处理1与对照差异不显著，处理2高于对照且与对照差异极显著，处理3、4均极显著低于对照。总体来看，处理2效果较明显，黄瓜根总表面积、根总体积分别较对照提高9.83%和16.10%。
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表3-23 不同处理对黄瓜根系直径、总根长、根总表面积、根总体积及根系活力的影响
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7. 不同处理对黄瓜果实品质、产量等指标的影响
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从表3-24可见，黄瓜果实可溶性糖含量处理1、2、3与对照差异均不显著，只有处理4低于对照且与对照差异显著；黄瓜果实可溶性蛋白质含量处理1、2与对照差异不显著，处理3、4低于对照且与对照差异显著；黄瓜果实维生素C含量处理1、2虽然稍高于对照但与对照差异不显著，处理3、4低于对照且与对照差异极显著；黄瓜果实硝酸盐含量呈现随着施肥量减少而减少的规律，其中处理1低于对照但与对照差异不显著，处理2显著低于对照，处理3、4极显著低于对照，与对照相比，处理1、2、3、4分别降低10.17%、12.98%、21.35%和26.55%。
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表3-24 不同处理对黄瓜果实可溶性糖、可溶性蛋白质、维生素C、硝酸盐含量的影响
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从表3-25可见，各处理黄瓜全株干物质重均低于对照，其中处理1与对照差异显著，处理2、3、4与对照差异极显著；各处理商品瓜率均与对照差异不显著；各处理单株产量均低于对照，其中处理1、2与对照差异不显著，处理3、4与对照差异极显著；各处理总产量均低于对照，其中处理1、2与对照差异不显著，处理3、4与对照差异显著。
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表3-25 不同处理对黄瓜产量、商品瓜率和全株干物质重的影响
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8. 不同处理对黄瓜结果盛期土壤、植株和果实氮含量分布的影响
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从图3-39可见，总体来看，各处理果实氮含量远高于茎部和根部，除处理4外，其他处理根部氮含量均高于茎部；土壤氮含量远低于植株，根际土壤氮含量高于非根际土壤。果实氮含量处理1高于对照，从处理1至处理4呈现下降的趋势，其中处理1高于对照但差异不显著，其他处理则显著低于对照；植株根部和茎部氮含量各处理均低于对照，但与对照差异不显著；根际土壤氮含量各处理均低于对照，其中处理1与对照差异不显著，处理2、3、4与对照差异显著，且依次降低；非根际土壤氮含量各处理均低于对照，且含量从处理1至处理4依次降低，均与对照差异显著。
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图3-39 不同处理对氮含量分布的影响
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9. 不同处理对黄瓜结果盛期土壤、植株和果实磷含量分布的影响
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从图3-40可见，总体来看，各处理和对照的果实磷含量含量均高于根部，根部高于茎部，茎部远高于土壤。果实中磷含量依次为处理1>处理2>处理3>处理4，且各处理均高于对照，其中处理1、2、3与对照差异显著，处理4与对照差异不显著，与对照相比，处理1、2、3和4分别提高19.59%、12.62%、12.25和6.38%；植株茎部磷含量各处理均高于对照，其中处理2、4与对照差异显著，处理1、3与对照差异不显著；植株根部磷含量处理1、2高于对照，处理3、4低于对照，其中处理2与对照差异显著；根际土壤磷含量各处理均低于对照且与对照差异显著，呈现从处理1至处理4依次降低的趋势；非根际土壤磷含量均低于对照，且处理1>处理2>处理3>处理4，其中处理1与对照差异不显著，处理2、3、4与对照差异显著。
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图3-40 不同处理对磷含量分布的影响
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10. 不同处理对黄瓜结果盛期土壤、植株和果实钾含量分布的影响
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从图3-41可见，总体来看，各处理和对照的黄瓜果实钾含量均高于茎部，而茎部高于根部，根部远高于土壤。果实中钾含量处理1、2高于对照且与对照差异显著，处理3、4低于对照且与对照差异显著；植株茎部钾含量均高于对照，其中处理1、2与对照差异显著，处理3、4与对照差异不显著，从高到低依次为处理2>处理1>处理3>处理4；植株根部钾含量处理1低于对照但与对照差异不显著，处理2、3、4均高于对照且与对照差异显著，处理2、3、4呈现逐渐降低的趋势；根际土壤钾含量各处理均低于对照且与对照差异显著，呈现从处理1至处理4依次降低的趋势；非根际土壤钾含量处理1高于对照但与对照差异不显著，而处理2、3、4则低于对照，其中处理2、3与对照差异不显著，处理4与对照差异显著。
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图3-41 不同处理对钾含量分布的影响
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11. 不同处理对黄瓜结果盛期土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量的影响
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从图3-42可见，对于黄瓜根际土壤有机质含量，处理1、2、3高于对照，处理4低于对照，各处理与对照差异不显著；对于非根际土壤有机质含量，各处理均不同程度高于对照，其中处理2、3、4与对照差异显著，处理1与对照差异不显著。
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图3-42 不同处理对土壤有机质含量的影响
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从图3-43可见，对于黄瓜根际土壤全氮含量，处理1、2、3高于对照而处理4低于对照，其中处理2与对照差异显著，而其他处理与对照差异不显著；对于非根际土壤全氮含量，各处理均不同程度高于对照，其中处理2、4与对照差异显著处理1、3与对照差异不显著。
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图3-43 不同处理对土壤全氮含量的影响
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从图3-44可见，对于黄瓜根际土壤全磷含量，处理1低于对照且与对照差异显著，其他处理均与对照差异不显著；对于非根际土壤全磷含量，处理1低于对照，处理2、3、4高于对照，但各处理均与对照差异不显著。
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图3-44 不同处理对土壤全磷含量的影响
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从图3-45可见，对于黄瓜根际土壤全钾含量，各处理均低于对照，且呈现从处理1至处理4依次降低的趋势，其中处理1与对照差异不显著，其他处理均与对照差异显著；对于非根际土壤全钾含量，各处理均低于对照但与对照差异不显著。
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图3-45 不同处理对土壤全钾含量的影响
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12. 不同处理对黄瓜结果盛期土壤微生物数量的影响
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从图3-46可见，土壤细菌数处理1、2、3数量高于对照，处理4低于对照，处理2、3与对照差异显著，处理1、4与对照差异不显著，处理1、2、3分别较对照高1.86%、50.41%和18.11%；土壤固氮菌数各处理均高于对照，其中处理2与对照差异显著，其他处理与对照差异不显著，处理1、2、3和4分别较对照提高5.75%、24.07%、7.17%和0.04%；土壤放线菌数处理1、2高于对照且与对照差异显著，处理3、4低于对照但与对照差异不显著，处理1、2分别较对照提高17.51%和25.50%；土壤纤维分解细菌数各处理均高于对照，且均与对照差异显著，处理1、2、3、4分别较对照高51.80%、23.22%、60.71%和65.30%；土壤真菌数各处理均低于对照，各处理均与对照差异显著。
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图3-46 不同处理对土壤微生物数量的影响
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13. 不同处理对黄瓜结果盛期土壤酶活性的影响
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（1）不同处理对黄瓜结果盛期土壤脲酶活性的影响
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从图3-47可见，除处理3以外，根际土壤脲酶活性各处理均高于非根际。根际土壤脲酶活性各处理均不同程度高于对照，其中处理1、2、3与对照差异显著，处理4与对照差异不显著，处理1、2、3和4分别较对照高12.15%、13.91%、9.33%和5.63%;非根际土壤脲酶活性各处理均不同程度高于对照，其中处理1、2、3与对照差异显著，处理4与对照差异不显著，处理1、2、3和4分别较对照高16.81%、15.04%、55.09%和7.74%。
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图3-47 不同处理对土壤脲酶活性的影响
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（2）不同处理对黄瓜结果盛期土壤过氧化氢酶活性的影响
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从图3-48可见，总体来看，根际土壤过氧化氢酶活性各处理均高于于非根际土壤，但差异不明显。根际土壤过氧化氢酶活性处理1、2、3高于对照且与对照差异显著，处理4低于对照但与对照差异不显著，处理1、2和3分别较对照高8.00%、14.00%和14.00%；非根际土壤过氧化氢酶活性处理2、3高于对照且与对照差异显著，处理1、4与对照基本持平，处理2和处理3都较对照高17.46%。
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图3-48 不同处理对土壤过氧化氢酶活性的影响
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（3）不同处理对黄瓜结果盛期土壤蔗糖酶活性的影响
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从图3-49可见，除处理4外，其他处理根际土壤蔗糖酶活性均高于非根际。根际土壤蔗糖酶活性各处理均高于对照且与对照差异显著，处理1、2、3和4分别较对照高20.92%、30.20%、19.33%和17.04%；非根际土壤蔗糖酶活性均不同程度高于对照，其中处理1、2与对照差异不显著，处理3、4与对照差异显著，处理1、2、3和4分别较对照高9.27%、12.78%、37.18%和41.94%。
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图3-49 不同处理对土壤蔗糖酶活性的影响
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四、小结
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总体来看，与传统经验施肥相比，在一定范围内适当减少化肥施用量，并不会明显减少温室黄瓜产量，降低黄瓜品质，反而会提高茎粗、叶片数、根冠比、根总表面积、根总体积等一些生长指标，并在一定程度上促进土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性，提高土壤中细菌、固氮菌、放线菌、纤维分解细菌的数量。另外，降低化肥施用量，在一定程度上减少土壤中氮、磷、钾含量及果实中氮含量，而显著增加果实中磷、钾含量，从而有利于果实品质的提高。
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温室黄瓜随着化肥施用量增加，可溶性糖含量变化不大；可溶性蛋白质含量在一定范围内呈现较快增加的趋势，但到一定程度后增加微弱；维生素C含量呈现随施肥量增加而增加的趋势，但达到适量施肥量后增加施肥反而降低维生素C含量；果实中硝酸盐含量呈现随施肥量增加而明显增加的变化趋势，说明施肥量过大往往加大果实硝酸盐含量，降低黄瓜品质。随着化肥施用量增加，单株产量和总产量呈现先急剧增加后微弱下降的趋势，说明施肥量在一定范围内可以提高产量，但达到一定的范围并超出后并不会增加产量，反而阻碍产量的提升；黄瓜生物量呈现不断上升趋势。盲目过多施肥超过一定范围，只会促进黄瓜植株营养生长而对生殖生长作用不大，多余化肥用量大多转化为地上茎、叶等生物量，对黄瓜果实产量提升意义不大。
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综合分析，处理2（N：68kg/hm2、P2O5：30kg/hm2、K2O：90kg/hm2）的效果较明显，其中在结果盛期，与对照相比，显著提高了茎粗8.66%、叶片数15.67%、与叶片净光合速率18.96%、气孔导度13.59%、蒸腾速率21.53%及根冠比24.02%、根总表面积9.83%、根总体积16.10%等生长指标；显著提高了根际土壤细菌数50.41%、固氮菌数24.07%、放线菌数25.50%、纤维分解细菌数23.22%，降低真菌的数量；显著提高了根际土壤过氧化氢酶活性14.00%、脲酶活性13.91%、蔗糖酶活性30.20%。在采收时，与对照相比，处理2虽然微弱降低单株产量和总产量，但与对照差异不显著，同时显著降低果实硝酸盐含量12.98%。因此，本试验中处理2的施肥量和配比在生产实践中应用推广价值较大。
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第四节 秸秆覆盖下黄瓜生长发育相关因子对不同滴灌水量的响应
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一、本试验研究技术路线
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本试验研究具体技术路线如图3-50所示。
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二、试验材料与方法
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1. 试验材料及试验地
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以黄瓜“津春改良2号”品种为试验材料，试验于2013年3～7月在内蒙古农业大学职业技术学院科技园区设施园艺实践教学基地进行。试验所用日光温室为钢骨架、拱圆形，跨度7.00m，长50.00m，脊高3.2m，抢阴8°。秸秆为周边农户粉碎后用于饲喂奶牛的玉米秸秆，滴灌管规格为Ф16mm，滴灌管间距30cm，滴头间距50cm。
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图3-50 试验研究技术路线
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2. 试验设计
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在日光温室中，3月5日育苗，4月10日定植，采用单垄双行定植方式，种植密度为42000株/hm2，地表覆盖3cm厚的玉米秸秆（秸秆用量为1.20kg/m2），之后再覆地膜，统一基施腐熟羊粪45000kg/hm2，化肥施用量N：68kg/hm2、P2O5：30kg/hm2、K2O：90kg/hm2。灌溉从高到低设4个水平，对照（CK）每次灌溉水量为430m3/hm2，减量处理1灌溉水量为344m3/hm2，减量处理2灌溉水量为258m3/hm2，减量处理3灌溉水量为172m3/hm2，通过每根滴灌管小阀门控制水量，根据天气情况每隔5～8d灌溉一次。每个处理重复3个小区，随机区组排列，每个小区面积7.0m2，每个小区边界土壤0～30cm深度之间用塑料膜隔开，以防水分侧渗。
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（1）植株地上部生长指标测定
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在黄瓜苗期、初花期、结果初期和结果盛期，分别测定植株株高、茎粗、叶片数、叶面积、叶片叶绿素含量、叶片氮含量；在结果盛期测定植株叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率。
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（2）植株地下部生长指标测定
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在黄瓜结果盛期测定植株的根系数、根冠比、根系活力、根系直径、总根长、根总表面积、根总体积。
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（3）植株果实品质、产量等指标测定
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在黄瓜结果后期，统一测定黄瓜果实可溶性糖、可溶性蛋白质、维生素C含量和果实干重／鲜重、商品瓜率，测定全株干物质重、单株结瓜数、单果重、单株产量和总产量。
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（4）植株根部、茎部和果实全氮、全磷、全钾含量测定
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在黄瓜结果盛期统一测定植株根部、茎部和果实全氮、全磷、全钾含量。
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（5）土壤养分测定
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在结果盛期统一测定根际和非根际土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷及速效钾含量。
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（6）土壤微生物数量测定
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在黄瓜结果盛期统一测定根际土壤细菌、纤维分解细菌、固氮菌、放线菌、真菌的数量。
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（7）土壤酶活性测定
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在黄瓜结果盛期统一测定根际和非根际土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性。
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3. 测定方法
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（1）植株地上部生长指标测定方法
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黄瓜地上部生长指标测定方法见第三章第二节。
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（2）植株地下部生长指标测定方法
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黄瓜地下部生长指标测定方法见第三章第二节。
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（3）植株果实品质、产量等指标测定方法
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黄瓜果实品质、产量指标测定方法见第三章第二节。
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（4）植株根部、茎部和果实全氮、全磷、全钾含量测定方法
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黄瓜根部、茎部和果实全氮含量用奈氏比色法测定，全磷含量用钒钼黄比色法测定，全钾含量用火焰光度法测定。
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（5）土壤养分测定
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黄瓜根际和非根际土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量测定方法见第三章第一节。
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（6）土壤微生物数量测定
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黄瓜根际土壤细菌、纤维分解细菌、固氮菌、放线菌、真菌数测定方法见第三章第一节。
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（7）土壤酶活性测定
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黄瓜根际土壤过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法测定，脲酶活性用奈氏比色法测定，蔗糖酶活性用3，5－二硝基水杨酸比色法测定。
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4. 数据整理与分析
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所有数据用Excel 2003软件整理，植株生长和发育指标结果均为6次重复的平均值，土壤养分含量、微生物数量、酶活性指标均为3次重复的平均值，使用SPSS 19.0统计软件进行数理统计，在符合正态分布情况下进行单因素方差分析（One-way ANOVA），用多重比较方法对数据进行差异显著性检验。采用双变量双侧相关法进行数据间相关显著性分析，用降维分析法进行主成分和因子分析，采用最大方差法进行因子旋转。
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三、结果与分析
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1. 不同处理对黄瓜株高和茎粗的影响
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从图3-51可见，对于黄瓜株高，在苗期，各处理与对照差异不显著；在初花期、结果初期和结果盛期，减量处理1、2与对照差异不显著，减量处理3低于对照且与对照差异显著。从图3-52可见，对于黄瓜茎粗，在苗期、初花期、结果初期和结果盛期，减量处理1、2、3均低于对照，但减量处理1、2与对照差异不显著，减量处理3与对照差异显著。
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图3-51 不同处理对黄瓜株高的影响
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图3-52 不同处理对黄瓜茎粗的影响
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2. 不同处理对黄瓜叶片数和叶面积的影响
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从图3-53可见，对于减量黄瓜叶片数，在苗期，处理1大于对照，减量处理2、3低于对照，但各处理与对照差异均不显著；在初花期，减量处理1、2大于对照，减量处理3低于对照，但各处理与对照差异均不显著；在结果初期，减量处理1、2高于对照但与对照差异不显著，减量处理3低于对照且与对照差异显著；在结果盛期，减量处理1与对照相近，而减量处理2高于对照但与对照差异不显著，减量处理3低于对照且与对照差异显著。从图3-54可见，对于黄瓜叶面积，在苗期、初花期、结果初期和结果盛期，减量处理1、2与对照差异均不显著，而减量处理3均低于对照且在苗期、初花期和结果盛期与对照差异显著。
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图3-53 不同处理对黄瓜叶片数的影响
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图3-54 不同处理对黄瓜叶面积的影响
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3. 不同处理对黄瓜叶片叶绿素和氮含量的影响
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从图3-55可见，对于黄瓜叶片叶绿素含量，在苗期，各处理均与对照差异不显著；在初花期，减量处理1显著低于对照，而减量处理2、3显著高于对照；在结果初期，减量处理1、2、3的叶片叶绿素含量依次增高且均与对照差异显著；在结果后期，各处理与对照差异均不显著。从图3-56可见，对于黄瓜叶片含氮量，在苗期，处理均高于对照但均差异不显著；在初花期，减量处理1低于对照，减量处理2、3高于对照，减量处理1、2与对照差异不显著，但减量处理3与对照差异显著；在结果初期，减量处理1、2、3的叶片氮含量依次增高，均高于对照且均与对照差异显著；在结果盛期，减量处理1低于对照，减量处理2、3高于对照，其中减量处理1、2与对照差异不显著，减量处理3与对照差异显著。
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图3-55 不同处理对叶片叶绿素含量的影响
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图3-56 不同处理对叶片含氮量的影响
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4. 不同处理对黄瓜根系数和根冠比的影响
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从图3-57可见，在苗期和初花期，黄瓜根系数各处理均与对照差异不显著；在结果初期，减量处理1、2、3均高于对照，其中减量处理1、2与对照差异显著，减量处理3与对照差异不显著，减量处理1、2和3分别较对照高11.19%、12.38%和8.51%；在结果盛期，各处理均高于对照，其中减量处理1与对照差异不显著，减量处理2、3与对照差异显著，减量处理1、2和3分别较对照高5.18%、12.87%和12.04%。
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图3-57 不同处理对黄瓜根系数的影响
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从图3-58可见，在黄瓜苗期，根冠比各处理均高于对照，其中减量处理1与对照差异不显著，处理2、3与对照差异显著，减量处理1、2和3分别较对照高3.31%、11.45%和13.86%；在初花期，各处理均高于对照，其中减量处理1与对照差异不显著，减量处理2、3与对照差异显著，减量处理1、2和3分别较对照高12.61%、24.77%和22.52%；在结果初期，减量处理1、2和3均高于对照，其中减量处理1与对照差异不显著，减量处理2、3与对照差异显著，减量处理1、2和3分别较对照高4.55%、23.48%和28.79%；在结果盛期，各处理均高于对照，其中减量处理1与对照差异不显著，减量而处理2、3与对照差异显著，减量处理1、2和3分别较对照高2.23%、21.65%和15.46%。
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图3-58 不同处理对根冠比的影响
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5. 不同处理对黄瓜叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率的影响
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从表3-26可见，黄瓜叶片净光合速率各处理均低于对照，呈现随灌溉水量减少而降低的变化趋势，其中减量处理1、2均与对照差异不显著，减量处理3与对照差异显著；黄瓜叶片气孔导度各处理均低于对照，其中减量处理1、2与对照差异不显著，减量处理3与对照差异显著；黄瓜叶片胞间CO2浓度各处理均低于对照，呈现随灌溉水量减少而降低的趋势，各处理均与对照差异显著；黄瓜叶片蒸腾速率各处理均低于对照，呈现随灌溉水量减少而降低的趋势，但各处理与对照差异均不显著。
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表3-26 不同处理对黄瓜叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率的影响
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6. 不同处理对黄瓜根系直径、总根长、根总表面积、根总体积和根系活力的影响
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从表3-27中可见，黄瓜根系直径和根系活力各处理与对照差异微弱且不显著；总根长减量处理1、3与对照差异不显著，而减量处理2与对照差异显著，与对照相比高13.78%；根总表面积各处理均高于对照，其中减量处理1与对照差异不显著，减量处理2与对照差异极显著，减量处理3与对照差异显著，减量处理2、3分别较对照高14.40%、8.99%；根总体积各处理均高于对照，其中减量处理1与对照差异不显著，减量处理2与对照差异极显著，减量处理3与对照差异显著，减量处理2、3分别较对照高19.31%、13.86%。
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表3-27 不同处理对黄瓜根系直径、总根长、根总表面积、根总体积及根系活力的影响
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7. 不同处理对黄瓜果实品质和产量等的影响
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从表3-28可见，对于黄瓜果实可溶性糖含量和可溶性蛋白质含量，各处理均与对照差异不显著，且均呈现随灌溉水量减少而增加的变化趋势；果实维生素C含量各处理均高于对照，且呈现随灌溉水量减少而增加的变化趋势，其中减量处理1与对照差异不显著，减量处理2与对照差异显著，减量处理3与对照差异极显著；果实硝酸盐含量各处理虽不同程度低于对照但均与对照差异不显著。
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从表3-29可见，黄瓜全株干物质重各处理均低于对照，其中减量处理1、2与对照差异不显著，减量处理3与对照差异极显著；商品瓜率各处理均与对照差异不显著；单株产量和总产量各处理均不同程度低于对照，其中减量处理1、2与对照差异不显著，减量处理3的单株产量与对照差异极显著，总产量与对照差异显著。
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表3-28 不同处理对黄瓜果实可溶性糖、可溶性蛋白质、维生素C、硝酸盐含量的影响
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表3-29 不同处理对黄瓜产量、商品瓜率和全株生物量的影响
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8. 不同处理对黄瓜土壤有机质含量的影响
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从图3-59可见，在黄瓜结果盛期，对于有机质含量，根际土壤要高于非根际土壤；对于根际和非根际土壤，土壤有机质含量减量处理1、2均高于对照但与对照差异不显著，减量处理3低于对照且与对照差异显著。
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图3-59 不同处理对土壤有机质含量的影响
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9. 不同处理对黄瓜土壤全氮和碱解氮含量的影响
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从图3-60可见，在黄瓜结果盛期，根际土壤全氮含量大于非根际。对于根际土壤，土壤全氮含量减量处理1高于对照且与对照差异显著，减量处理2、3低于对照且与对照差异显著；对于非根际土壤，减量处理1高于对照但与对照差异不显著，减量处理2、3低于对照且与对照差异显著。
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图3-60 不同处理对土壤全氮含量的影响
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从图3-61可见，在黄瓜结果盛期，根际土壤碱解氮含量稍高于非根际。根际和非根际土壤各处理碱解氮含量均与对照差异不显著，其中根际土壤碱解氮含量减量处理1、2高于对照而减量处理3低于对照，非根际土壤碱解氮含量减量处理1高于对照而减量处理2、3低于对照。
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图3-61 不同处理对土壤碱解氮含量的影响
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10. 不同处理对黄瓜土壤全磷和有效磷含量的影响
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从图3-62可见，在结果盛期，根际土壤全磷含量大于非根际。对于根际土壤，土壤全磷含量减量处理1、2、3均高于对照但均与对照差异不显著；对于非根际土壤，减量处理1高于对照且与对照差异显著，减量处理2高于对照，减量处理3低于对照，但减量处理2、3均与对照差异不显著。
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图3-62 不同处理对土壤全磷含量的影响
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从图3-63可见，在结果盛期，根际土壤有效磷含量均高于非根际。根际和非根际土壤均为减量处理1高于对照，减量处理2、3低于对照，但各处理均与对照差异不显著。
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图3-63 不同处理对土壤有效磷含量的影响
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11. 不同处理对黄瓜土壤全钾和速效钾含量的影响
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从图3-64可见，对于根际土壤，土壤全钾含量减量处理1、2高于对照，减量处理3与对照持平，各处理均与对照差异不显著；对于非根际土壤，各处理均高于对照，其中减量处理1、3与对照差异不显著，减量处理2与对照差异显著，减量处理1、2和3分别较对照高9.61%、24.09和6.70%。
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图3-64 不同处理对土壤全钾含量的影响
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从图3-65可见，对于根际土壤，减量处理1速效钾含量稍低于对照，减量处理2、3高于对照，其中减量处理1、2与对照差异不显著，减量处理3与对照差异显著，减量处理2、3分别较对照高6.97%、13.19%；对于非根际土壤，各处理速效钾含量均与对照差异不显著。
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图3-65 不同处理对土壤速效钾含量的影响
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12. 不同处理对黄瓜根部、茎部和果实氮含量分布的影响
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从图3-66可见，黄瓜果实的氮含量略高于根部和茎部。根部各处理均与对照差异不显著；茎部氮含量各处理均显著低于对照；果实氮含量各处理均不同程度高于对照，但均与对照差异不显著，各处理分别较对照高14.86%、10.33%、11.59%。
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图3-66 不同处理对氮含量分布的影响
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13. 不同处理对黄瓜根部、茎部和果实磷含量分布的影响
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从图3-67可见，黄瓜果实磷含量高于根部，根部磷含量略高于茎部。根部磷含量减量处理1、2高于对照，减量处理3低于对照，但各处理均与对照差异不显著；茎部磷含量均与对照接近且差异不显著；果实磷含量减量处理1显著高于对照，减量处理2、3低于对照但与对照差异不显著。
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图3-67 不同处理对磷含量分布的影响
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14. 不同处理对黄瓜根部、茎部和果实钾含量分布的影响
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图3-68 不同处理对钾含量分布的影响
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从图3-68可见，总体来看，黄瓜果实钾含量高于茎部，茎部钾含量远高于根部。根部钾含量减量处理1略低于对照，减量处理2、3高于对照，各处理均与对照差异不显著；茎部各处理钾含量均高于对照，其中减量处理1、2与对照差异不显著，减量处理3与对照差异显著；果实减量处理1、2略高于对照，而减量处理3略低于对照，各处理均与对照差异不显著。
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15. 不同处理对黄瓜土壤脲酶活性的影响
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从图3-69可见，根际土壤脲酶活性明显高于非根际。根际土壤脲酶活性减量处理2高于对照，而减量处理1、3低于对照，各减量处理均与对照差异不显著；非根际土壤脲酶活性减量处理1高于对照，减量处理2、3低于对照，各处理均与对照差异不显著。
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图3-69 不同处理对土壤脲酶活性的影响
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16. 不同处理对黄瓜土壤过氧化氢酶活性的影响
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从图3-70可见，黄瓜根际土壤过氧化氢酶活性明显高于非根际。根际土壤过氧化氢酶活性减量处理1、2高于对照，而减量处理3低于对照，各减量处理均与对照差异不显著；非根际土壤过氧化氢酶活性各减量处理均高于对照，减量处理1、2与对照差异显著，处理3与对照差异不显著。
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17. 不同处理对黄瓜土壤蔗糖酶活性的影响
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从图3-71可见，黄瓜根际土壤蔗糖酶活性减量处理1、2高于对照，减量处理3低于对照，其中减量处理1与对照差异显著，减量处理2、3与对照差异不显著；非根际土壤蔗糖酶各减量处理均高于对照，其中减量处理2与对照差异显著，减量处理1、3与对照差异不显著。
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图3-70 不同处理对过氧化氢酶活性的影响
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图3-71 不同处理对蔗糖酶活性的影响
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18. 不同处理对黄瓜根际土壤微生物数量的影响
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从表3-30可见，黄瓜根际土壤细菌数减量处理1、2极显著高于对照，减量处理3极显著低于对照，减量处理1、2分别较对照高46.05%、53.78%；土壤固氮菌数减量处理2显著高于对照，较对照高30.17%，减量处理1、3低于对照，其中减量处理1与对照差异不显著，减量处理3与对照差异显著；土壤放线菌数各处理均极显著高于对照，减量处理1、2和3分别较对照高34.57%、51.43%和72.57%；土壤纤维分解细菌数减量处理1、2高于对照，而减量处理3低于对照，其中减量处理2与对照差异显著，减量处理1、3与对照差异不显著，处理2较对照高45.98%；土壤真菌数减量处理1、2高于对照，减量处理3低于对照，其中减量处理1、2与对照差异显著，减量处理3与对照差异不显著，减量处理1、2分别较对照高31.74%、165.87%。
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表3-30 不同处理对土壤微生物数量的影响
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四、不同水肥处理黄瓜土壤微生物、酶活性和养分含量间相关性分析
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1. 土壤酶活性和微生物之间相关性分析
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将施肥处理和灌溉处理的根际土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶活性，各种微生物数量指标细菌、纤维分解细菌、固氮菌、放线菌、真菌数，根际土壤各种养分含量指标有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量进行相关性的显著性分析，得到相互之间的相关性关系，详见表3-31、表3-32。
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表3-31 土壤酶活性和各种微生物数量间相关性分析
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表3-32 土壤酶活性和养分含量指标间相关性分析
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从表3-31可见，黄瓜根际土壤过氧化氢酶活性与土壤细菌数呈极显著正相关关系，与土壤纤维分解细菌数呈极显著负相关关系，与土壤固氮菌数呈显著相关关系；土壤脲酶活性与纤维分解细菌数呈极显著正相关关系；土壤蔗糖酶活性与纤维分解细菌数呈极显著正相关关系。
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从表3-32可见，土壤过氧化氢酶活性与有机质含量呈极显著正相关关系，与全磷含量呈显著正相关关系；土壤脲酶活性与有机质、全磷、有效磷含量呈显著负相关关系；土壤蔗糖酶活性与速效钾呈极显著负相关关系。
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2. 影响黄瓜不同水肥处理的土壤相关因子主成分和因子分析
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将根际土壤各种微生物数量指标细菌（X1）、纤维分解细菌（X2）、固氮菌（X3）、放线菌（X4）、真菌（X5），根际土壤各种养分含量指标有机质（X6）、全氮（X7）、全磷（X8）、全钾（X9）、碱解氮（X10）、有效磷（X11）、速效钾（X12），以及根际土壤酶活性指标过氧化氢酶（X13）、脲酶（X14）、蔗糖酶（X15）进行降维，在原始结果分析基础上抽取主成分，进行最大方差法因子分析旋转，同时，显示因子得分系数矩阵。通过因子旋转，各变量在因子载荷上更加明显，这也利于对各公因子给出更合理解释。因此，试验分析中采用了基于方差最大法的因子载荷旋转，并得到旋转成分矩阵和成分得分系数矩阵，见表3-33至表3-36。
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表3-33 方差累积贡献率
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表3-34 方差累积贡献率
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表3-35 旋转成分矩阵
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表3-35 旋转成分矩阵（续）-1
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表3-36 成分得分系数矩阵
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表3-36 成分得分系数矩阵（续）-1
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从表3-33可见，前4个成分的碎石值都大于1，累计贡献率达到87.69%，经过旋转平方和载入也达到84.81%，基本接近85%，已经包括了原始数据大部分的变异信息，所以选择前4个成分作为主成分，可以起到减少变量数量且保留绝大部分原始信息的目的。经过旋转平方和载入，第一主成分单独综合了数据原始变异信息33.31%的信息，主成分主要包括过氧化氢酶活性、全磷含量、有效磷含量等指标，代表土壤过氧化氢酶活性和磷元素含量方面的信息；第二主成分单独综合了数据原始变异信息21.11%的信息，主成分主要包括全氮含量、碱解氮含量的变异信息，主要代表土壤氮元素含量方面的信息；第三主成分单独综合了数据原始变异信息16.57%的信息，主成分主要包括真菌、细菌数等指标，代表土壤微生物方面的信息；第四主成分单独综合了数据原始变异信息13.82%的信息，主成分主要包括全钾、速效钾含量指标，代表土壤钾元素含量方面的信息。
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经过降维处理、因子旋转，得到各主成分的得分系数，通过表3-36，可以得出以下4个主成分的公因子表达式。
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F1=-0.027X1-0.228X2-0.071X3-0.083X4-0.149X5+0.031X6+0.014X7+0.138X8-0.111X9-0.153X10+0.132X11+0.073X12+0.172X13-0.273X14-0.272X15
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F2=0.136X1-0.008X2-0.016X3+0.022X4-0.195X5+0.157X6+0.369X7+0.067X8+0.050X9+0.356X10+0.028X11-0.040X12+0.116X13+0.057X14+0.200X15
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F3=0.205X1+0.124X2+0.379X3-0.071X4+0.616X5+0.088X6-0.173X7+0.020X8+0.048X9-0.100X10-0.060X11-0.094X12+0.014X13+0.086X14+0.065X15
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F4=-0.044X1-0.002X2-0.089X3-0.050X4+0.123X5-0.050X6+0.039X7-0.066X8+0.507X9+0.128X10+0.296X11+0.296X12-0.117X13+0.085X14+0.008X15
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在上述的4个主成分表达式中，各个变量已经不是原始变量而是标准化的变量。
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五、小结
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在本试验中，对于黄瓜株高、茎粗、叶面积、净光合速率、单株产量、总产量等指标，处理1、处理2大多时期均与对照差异不显著，而处理3显著低于对照。对于结果盛期根系数、根冠比、根总表面积、根总体积等指标，处理1与对照差异不显著，而处理2、3却显著高于对照。对于果实氮、磷、钾含量变化来说，除了处理1果实磷含量显著高于对照外，各处理均与对照差异不显著。
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总体来看，处理2（每次灌溉水量为258m3/hm2）的效果较明显，在黄瓜产量和品质与对照差异不大前提下，可节省大量水资源，并且根系数、根冠比、根总表面积和根总体积分别较对照高12.87%、21.65%、14.40%和19.31%。通过对土壤养分、酶活性、微生物数量的分析，处理2可显著提高非根际土壤全钾含量、过氧化氢酶活性、蔗糖酶活性，根际细菌数、固氮菌数、放线菌数、纤维分解细菌数、真菌数等指标，分别较对照高24.09%、13.58%、17.21%，53.78%、30.17%、51.43%、45.98%、165.87%。
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通过相关性和主成分分析表明，在黄瓜结果盛期，根际土壤过氧化氢酶活性与土壤细菌数、有机质含量、全磷含量呈极显著正相关关系，与土壤固氮菌数呈显著相关关系，与土壤纤维分解细菌数呈极显著负相关关系。土壤脲酶活性与纤维分解细菌数呈极显著正相关关系，土壤蔗糖酶与纤维分解细菌数呈极显著正相关关系，与土壤速效钾含量呈极显著负相关关系。影响结果盛期黄瓜生长发育的第一因素主要包括土壤过氧化氢酶活性、全磷含量、有效磷含量等指标，第二因素主要包括土壤全氮含量、碱解氮含量指标，第三因素主要包括土壤真菌数、细菌数等指标，第四因素主要包括土壤全钾含量、速效钾含量指标。
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第五节 讨论和结论
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一、讨论
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1. 地表覆盖后植株生长发育的变化
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吴兴等以温室辣椒为研究对象发现：地膜+秸秆、地膜和秸秆覆盖处理都显著促进植株生长，增加结果期叶片叶绿素含量和植株干重，显著提高产量，减少耗水量，水分利用效率分别是对照的2.17倍、2.09倍和1.67倍。周茂娟认为，地表秸秆+地膜的双元覆盖能增加叶片硝酸还原酶活性、叶片叶绿素含量、根系活力，增加植株高度，显著降低脂质过氧化产物（MDA）的产生，显著提高保护酶（POD与CAT）活性、光合速率、蒸腾速率和水分利用效率。翟胜等研究表明，温室土壤地表覆盖可有效促进黄瓜植株生长，利于雌花分化，提高坐瓜率，缩短成瓜时间，降低畸形瓜比例并增加单瓜重和产量，以秸秆+地膜覆盖效果最明显，秸秆覆盖和地膜覆盖次之；3种覆盖均可使黄瓜净光合速率、光能利用效率和水分利用效率不同程度提高，同时秸秆覆盖与秸秆+地膜覆盖均可使叶片叶绿素含量显著增加，黄瓜根系活力增强。翟胜等试验表明：温室地表覆盖可以增加黄瓜可溶性糖含量与可溶性蛋白质含量、维生素C含量、干物质含量、游离氨基酸总量，其中秸秆+地膜覆盖处理效果优于单一秸秆覆盖和地膜覆盖。翟胜等研究表明，温室地表覆盖可有效改善瓜条品质，增加黄瓜干物质、可溶性糖、维生素C、可溶性蛋白质含量及游离氨基酸总量，提高正常瓜比例且以秸秆+地膜覆盖效果最好；地面覆盖黄瓜产量高于对照且差异显著，秸秆+地膜覆盖在提高早期产量与总产量方面效果最好，地膜覆盖在提高早期产量上优于秸秆覆盖但后期产量远低于秸秆覆盖处理。耿桂俊等在河套灌区研究几种覆盖方式对番茄生长影响表明，地膜覆盖可使番茄产量提高222.61%，地膜+秸秆覆盖使产量提高17.04%，而单一秸秆覆盖则使产量降低3.06%。
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本研究中的试验结果也证明了温室中地表秸秆+地膜的双元覆盖在促进植株生长发育方面优于单一的地膜或秸秆覆盖，与前人的研究结果一致；而单一秸秆覆盖在促进植株生长方面与耿桂俊等试验结果不完全一致，这可能是与该试验在河套灌区的大田中进行有关。在本试验中，总体来说，在促进温室黄瓜生长发育方面，地表双元覆盖优于地膜覆盖，地膜覆盖优于秸秆覆盖，秸秆覆盖优于不覆盖，前人秸秆覆盖后使番茄减产的试验结果可能是在大田覆盖秸秆后导致地温降低、影响根系生长等方面的原因造成的，大田环境与温室的气候环境存在较大的差别。在本试验中，虽然单一秸秆覆盖后降低地表土壤温度，但秸秆覆盖后可明显增加根际土壤养分含量和微生物数量，在一定程度上促进了温室黄瓜的生长发育，说明温室环境中单一秸秆覆盖对土壤温度的影响比大田环境中秸秆覆盖的程度弱。而通过秸秆并覆膜的双元覆盖处理后，消除了秸秆覆盖降低土壤温度的不利因素，并可以提高地温，加快秸秆分解和根际营养吸收力度，达到良好的处理效果。
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2. 地表覆盖后土壤物理性状的变化
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耿桂俊等研究发现，地膜覆盖使水分利用效率提高93.83%，秸秆+地膜覆盖提高5.90%，秸秆覆盖降低19.29%。李振东等研究温室地膜和小麦秸秆覆盖对黄瓜影响表明，地面覆盖可提高黄瓜全生育期的土壤水分渗漏率和产量，降低黄瓜耗水量。翟胜等试验表明，秸秆覆盖与秸秆+地膜覆盖处理使0～20cm土层土壤容重极显著小于地膜覆盖和对照，覆盖地膜的土壤容重略小于对照，随土层加深，各处理间土壤容重差异渐小。何传龙等用土壤深翻+秸秆覆盖和土壤深翻+秸秆覆盖+土壤改良剂两种措施在大棚研究表明，两种改良技术均使土壤>0.25mm水稳性团粒含量显著增加。秸秆还田及有机物质增施的保护性耕作措施能显著提高土壤CO2含量，秸秆覆盖和免耕相结合既有利于土壤呼吸产生CO2，又利于蔬菜产量、产值提高。本试验的结果显示，通过秸秆和地膜的双元覆盖，0～40cm土壤容重显著低于对照，使土壤>0.25mm水稳性团粒含量显著增加，显著降低土壤水分蒸发量，增加土壤表面CO2浓度，这与前人的研究结果一致。
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冯连杰研究发现，番茄栽培行间铺设秸秆后平均温度较对照高1.0℃，根际温度较对照高1.1℃。朱秋颖等试验表明：地面覆盖可提高土壤温度，地膜覆盖效果大于小麦秸秆覆盖，覆盖效果随土层深度增加而下降。地膜覆盖可显著提高土壤平均温度且对最低温度提高作用大于最高温度；秸秆覆盖延缓土壤温度变化速度，对土壤增温作用小且土壤最高温度低于对照而最低温度高于对照，土壤温度相对稳定。李振东等研究温室中地膜和小麦秸秆覆盖对黄瓜影响表明：地面覆盖可提高黄瓜全生育期的土壤温度，地膜覆盖提高不同土层温度1.0℃以上，而秸秆覆盖在前期能提高地温0.1℃以上，在后期则降低土壤温度0.5℃以上；地膜覆盖、秸秆覆盖耗水量分别降低22.5%、16.2%。翟胜等试验表明：地表秸秆覆盖具有降低最高地温和提高最低地温的作用，使土壤温度相对稳定；地膜覆盖对最高地温增幅最大而对最低地温增幅最小，导致地温变幅大；秸秆+地膜覆盖既增温又保温。本试验也表明，地表覆盖可在一定程度上提高地温，其中秸秆+地膜的双元覆盖不仅提高地温而且延缓温度变化，这与前人结果一致，而试验中单一秸秆覆盖后地表20cm处地温始终低于对照0.5℃左右的状况前人研究并没有提到。而耿桂俊等在河套灌区研究几种覆盖对番茄生长影响表明，以不覆盖为对照，测定地膜覆盖、秸秆覆盖、秸秆+地膜覆盖对土壤水热影响表明，地膜覆盖提高土壤温度，而秸秆覆盖、地膜+秸秆覆盖降低土壤温度，其中秸秆覆盖降低幅度较大。这说明大田环境与温室环境不一致，温室中地表覆盖在一定程度上提高地表浅处温度，大田环境下却在一定程度上降低地表温度。
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在本试验中，不同地表覆盖处理可以有效防止土壤水分的蒸发，与前人的研究结果一致，并且在试验中证明了双元覆盖效果优于地膜覆盖，地膜覆盖优于秸秆覆盖。对处于干旱、半干旱区的内蒙古中西部地区来说，水资源在本地区是稀缺资源，温室生产中经常是大量充分灌溉，这对于保护地面积日益增多的内蒙古自治区来说，节水灌溉在温室中的应用将越来越受到重视。秸秆+地膜的覆盖方式在增加根际土壤养分含量的同时可节约大量水资源，这种处理方式必将在生产推广中产生极大的经济效益和社会效益。
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3. 地表覆盖后土壤微生物数量和养分含量的变化
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土壤中存在的微生物是土壤生态系统组成成分中极其重要的部分，在土壤的整个生态系统中最活跃，能够非常积极地参与土壤中腐殖质形成、有机质分解、营养成分转化和循环等几乎全部的生化过程，是土壤生态系统中有机质形成和降解、养分转化和吸收的重要推动力，对土壤团粒结构尤其是土壤中团聚体的形成及其稳定性起着重要的决定性作用，占据着种植土壤可持续生产中的主要地位。土壤中的微生物种类组成、数量及一些变化在一定程度上可影响土壤养分的供给状态和有效性，反之，土壤养分的状况特征也会在一定程度上影响土壤微生物的各种变化，二者存在一定的相关性。土壤有机质含量高其根际土壤微生物的种类和数量也多，在本试验中，细菌的数量与有机质的含量呈极显著正相关关系，与上述的研究结果吻合。一些研究表明，作物秸秆覆盖地表后，可以极大地提高土壤表层氨化细菌、真菌、放线菌等微生物的数量。在本试验中，除结果后期单一的秸秆覆盖处理降低了放线菌的数量外，单一的秸秆覆盖处理在结果初期和后期不同程度提高5种微生物的数量，这与以前学者们的研究结果大体一致。在结果初期，3cm厚秸秆+地膜和5cm厚秸秆+地膜2种覆盖处理在不同程度上都提高了5种微生物的数量；在结果后期，这2种处理提高细菌、纤维分解细菌数却降低了放线菌和真菌数，这些处理间微生物的变化差异很可能与不同覆盖处理后造成的光照、水分、温度、秸秆分解速度、植株生长等具体的情况有关。在本试验中，与对照相比，结果后期单一的秸秆覆盖极显著地提高了真菌数，而双元地表覆盖和单一地膜覆盖处理均极显著降低真菌数，使表层土壤的微观环境由易发病的真菌型向非常利于黄瓜生长的细菌型转变，这在一定程度上说明了地膜的存在可在结果后期有效抑制地表真菌的繁殖和生长，有效减少黄瓜植株真菌型病害的发生。
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杨黾等研究发现，不同秸秆用量可不同程度提高土壤有机质含量，增加全量氮、磷、钾和土壤速效养分含量。翟胜等试验表明，在秸秆覆盖与秸秆+地膜覆盖处理小区，耕层土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、有效磷、速效钾含量显著高于对照和地膜覆盖处理，并以地膜覆盖处理最低。利用玉米秸秆覆盖，不仅可以向土壤的种植表层提供一些营养物质，有效增加土壤中氮、磷、钾的含量，而且可以极大改善根际表层土壤微生物生长繁殖的环境，从而有效促进土壤养分的释放和循环，提高土壤中有机质和速效氮、有效磷、速效钾等营养成分的含量。在本试验中，不同的地表覆盖处理后，均在不同程度上提高了土壤中的有机质含量、全钾含量、碱解氮含量等，其中3cm厚秸秆+地膜处理效果最显著；但是，在结果初期不同地表覆盖处理提高了土壤全氮含量，而在结果后期却减少了土壤全氮含量。在温室生产条件下，随着设施种植年限的不断增加，土壤中的全氮和全磷含量不断得到累积，而全钾含量会出现一定程度的亏缺，本试验通过地表的秸秆覆盖增加了土壤表层的全钾含量，这对于土壤微观环境来说极其重要，这非常利于土壤中氮、磷、钾等营养元素的动态平衡。此外，试验中发现土壤纤维分解细菌与土壤全钾含量呈极显著正相关关系，这与徐雄等的研究结果一致。在试验过程中，不同处理的土壤养分含量存在一定的差异，这可能因为不同处理间的秸秆厚度、是否覆膜、土壤温度、土壤水分、微生物组成和数量等具体情况不同，导致土壤中产生的有机酸含量不同，从而使土壤中螯合、酸溶、竞争吸附等机制存在差异，最终使土壤中难溶态的氮、磷、钾变成速效态的氮、磷、钾含量不同所致。
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在温室黄瓜生长发育过程中，植株地下部和地上部存在着密切的相关关系，植株地上部叶片和果实的生长发育依赖于植株地下部根系吸收水肥以及制造一些氨基酸和植物内源激素，而植株根系的生长离不开与根际密切相关的土壤养分、微生物等环境因子。本试验中，秸秆+地膜的双元覆盖可以有效增加根际土壤各种微生物数量、有机质含量及其他土壤养分，地表覆盖处理可以有效提高温室土壤可持续生产能力和水分利用效率，促进植株根系生长，影响并改善植株地上部的生长状况，提高叶片净光合速率，制造更多光合产物，最终提高温室黄瓜产量和品质，增加经济效益。
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4. 不同水肥条件下温室黄瓜生长及相关因子的变化
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设施黄瓜生产施适量氮、磷肥并配合增施钾肥，可提高果实中可溶性糖和维生素C含量并降低硝酸盐含量。杨治平等试验表明，传统施肥量（2100kg/hm2）与推荐施肥量（900kg/hm2）间氮素吸收量差异不显著，传统施肥量中大量的氮肥并没有用于促进黄瓜对养分的吸收利用；同时，发现过量施用氮肥阻碍植株对其他营养元素的吸收，降低氮、磷、钾养分的利用率，而减少氮的用量黄瓜产量会降低，但二者间差异不明显。另外，推荐施肥量能提高果实维生素C含量、有效酸度（pH），改善黄瓜的口感。李亚星等研究表明，土壤氮素过剩易形成土壤盐类障碍，可抑制黄瓜对磷的吸收，而土壤磷素过剩时氮吸收也受抑。燕飞等以大棚黄瓜为材料，研究中等土壤肥力条件下不同施肥水平对黄瓜产量及品质的影响表明，所有施肥处理小区黄瓜产量和果实维生素C、可溶性蛋白质、可溶性糖及硝酸盐含量等均明显高于对照，且随施肥水平的提高而提高；但水肥过剩条件下，黄瓜产量和品质又呈下降趋势。中等土壤肥力的塑料大棚黄瓜春季栽培中，推荐最佳施肥量为每公顷施干牛粪58500kg、N 487.84kg、P2O5 305.47kg、K2O 318.02kg。张涛等研究了不同磷钾配比对两季大棚黄瓜养分吸收、产量及品质的影响结果表明，当磷和钾施用量分别为180kg/hm2（P2O5）和180kg/hm2（K2O）时，黄瓜果实品质较好，地上部生物量、养分吸收量及产量均最高。
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在本试验中也发现：一定范围内适当减少化肥施用量不会明显减少温室黄瓜的产量和品质，反而会促进黄瓜茎粗、叶片数、根冠比、根总表面积、根总体积等一些生长指标，显著增加果实磷、钾含量，利于果实品质提高，并且显著降低果实硝酸盐含量，与上述前人的研究结果一致。在本试验中，效果较好的处理2施肥量为：羊粪45000kg/hm2、N 68kg/hm2、P2O5 30kg/hm2、K2O 90kg/hm2，试验中对照及各处理的化肥施用量与前人不同处理的施肥量相比用量要小，这可能有以下几个方面的原因：第一，本地区地处北方寒旱区，积温低，肥料分解、吸收和利用率相对较低，施肥量总体偏低；第二，试验区土壤不是新建温室，土壤本身的养分含量较高，施肥量少；第三，试验区周边农户生产黄瓜有机肥用量较大，黄瓜品质较好但产量与其他地区相比不算很高，所以化肥施用量相对较小。
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贺忠群等研究表明，秋延后温室黄瓜在灌溉下限为75%、灌溉上限为90%时，黄瓜产量和水分利用率高且品质好。黄瓜从开花结果到拔秧，以灌溉定额为1934.76m3/hm2、灌水次数10次效果较好。李清明等研究发现，秋茬和春茬黄瓜，灌溉上限土壤含水量为90%田间持水量利于初花期植株生长和光合产物形成及积累，为初花期适宜的灌溉上限指标；而魏恒文等认为结瓜期土壤水分保持在75%～85%田间持水量为宜。张西平等试验表明，温室夏黄瓜结果期在膜下滴灌条件下，适宜耗水量应为120mm左右，日耗水强度为3.04～4.68mm，每隔4～5d灌1次水，灌水定额为15mm，较为理想的土壤含水量为田间持水量的85%～90%。在本试验中发现，完全利用前人的土壤相对含水量指标作为滴灌依据在本地区的土壤条件下并不现实，因为试验地区土壤多为沙壤土，保水性能差，土壤含水量很难在灌溉一次后在4～5d内保持在田间持水量的85%～90%，灌溉后隔一夜大部分就下渗，充分灌溉和非充分灌溉对于灌溉2～3d后的土壤影响效果不是特别显著。所以，在试验过程中，优化选定用每次的不同灌溉水量来控制不同的处理，筛选出处理2（每次灌溉水量为258m3/hm2）整体上的耗水定额稍高于前人结果，这与本地区土壤持水特性、气候干旱特点密切相关，但与传统经验的灌溉水量相比，节省了40%左右水量，节水效果较为明显。
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如土壤中的酶参与土壤的许多生化过程，土壤中腐殖质的合成与分解、营养物质的转化速度等，能够综合表现土壤的生物活性。徐雄等研究果－草生态系统中土壤生物因子与土壤养分关系表明，除全磷与纤维分解细菌呈负相关关系外，多数养分与生物因子呈显著正相关关系。脲酶是促进有机质积累的主要因素之一，蔗糖酶能够影响速效养分形成，而过氧化氢酶对有机质和速效养分形成起一定作用。韦泽秀等研究水肥处理对黄瓜土壤养分、酶及微生物多样性的影响发现，土壤蔗糖酶活性与有效磷、全磷含量显著相关，但与氮素各指标不相关。在本试验中，不同水肥处理下，土壤过氧化氢酶活性与有机质含量呈极显著正相关关系，与全磷含量呈显著正相关关系；脲酶活性与有机质、全磷、有效磷含量呈显著负相关关系；蔗糖酶活性与速效钾呈极显著负相关关系。另外，在本试验中，经过分析发现，土壤过氧化氢酶的影响作用超过脲酶和蔗糖酶。上述这些结果与前人的研究结果并不完全一致，造成这种差异可能是由结果盛期土壤温度、水分、肥料、根系生长、微生物等的状况具体变化而导致的。
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二、结论
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与对照相比，温室黄瓜经过不同地表覆盖处理后，均可在一定程度上提高根际土壤微生物数量和多种养分含量，降低土壤水分蒸发量和容重，增加土壤团粒结构，促进黄瓜地下部根系生长和地上部植株生长，最终促进黄瓜产量和品质的提高。与单一的秸秆和地膜覆盖相比，不同厚度的玉米秸秆+地膜的双元覆盖可促进植株的生长及果实品质和产量的提高，降低土壤水分蒸发、土壤容重及电导率，提高结果初期0～20cm和20～40cm根际土壤有机质含量，提高初、后期土壤0～20cm全钾含量。与地膜覆盖相比，单一秸秆覆盖可提高结果初、后期0～40cm根际土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾的含量；而地膜覆盖在提高土壤地温、根际放线菌数，降低水分蒸发及促进黄瓜生长和发育方面优于单一秸秆覆盖。
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对于不同厚度玉米秸秆+地膜的双元覆盖处理，3cm秸秆覆膜和5cm秸秆覆膜对温室黄瓜绝大多数的植株生长、果实品质、产量等指标优于1cm秸秆覆膜。此外，在降低土壤水分蒸发，提高地表CO2浓度，降低土壤电导率，提高土壤团粒结构，提高根际土壤纤维分解细菌和固氮菌数，提高结果初期0～20cm土壤有机质、全氮和全钾含量及20～40cm土壤有机质、全氮和碱解氮含量方面的效果也优于1cm秸秆覆膜处理。3cm秸秆覆膜和5cm秸秆覆膜两种处理在促进黄瓜生长发育、根际土壤养分和微生物等环境因子方面的差异大多不显著。综合考虑，以地表3cm秸秆+地膜覆盖处理效果最佳，在生产实践中推广价值较大。
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与对照相比，DJ2（3cm秸秆覆膜）处理显著降低土壤水分蒸发量、0～20cm土壤容重，并提高土壤团粒结构比例。在结果初期，显著提高20～40cm黄瓜根际土壤有机质含量67.85%、全氮含量27.33%、全磷含量27.16%、全钾含量7.89%、碱解氮含量46.77%、有效磷含量66.90%、速效钾含量43.89%；在结果后期，分别提高黄瓜根际土壤细菌和纤维分解细菌数及0～20cm土壤有机质、全磷、全钾和碱解氮含量82.78%、10.98%、20.83%、22.83%、5.16%和5.53%，降低真菌数33.50%，分别提高20～40cm处理土壤有机质、碱解氮和速效钾含量15.43%、6.09%和4.55%。在结果后期，显著提高黄瓜株高34.84%、茎粗8.27%、叶面积27.42%、叶片净光合速率1.25%、气孔导度24.43%、胞间CO2浓度5.82%、蒸腾速率39.42%、根系数73.24%、根系直径20.43%、总根长55.73%、根总表面积54.46%、根总体积70.37%、果实可溶性糖含量7.78%、可溶性蛋白质含量54.90%、维生素C含量33.31%，果实干重／鲜重9.80%、商品瓜率14.23%、植株干物质量21.91%、单株结瓜数30.92%、单株产量39.16%、总产量14.77%。
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在3cm秸秆+地膜的双元覆盖条件下，经过不同施肥量试验发现，与经验施肥量相比，在一定范围内适当减少化肥用量，并不会明显减少温室黄瓜的产量，降低黄瓜品质，反而会促进一些生长指标，并在一定程度上促进土壤中一些酶的活性，增加土壤微生物数量，显著提高果实磷、钾含量，利于果实品质的提高。综合各方面的状况，处理2（N：68kg/hm2、P2O5：30kg/hm2、K2O：90kg/hm2）效果较明显，与对照相比，在黄瓜单株产量和总产量差异并不显著的前提下，显著降低果实硝酸盐含量12.98%；在结果盛期，显著提高黄瓜茎粗8.66%、叶片数15.67%、净光合速率18.96%、气孔导度13.59%、蒸腾速率21.53%、根冠比24.02%、根总表面积9.83%、根总体积16.10%。显著提高根际土壤细菌数50.41%、固氮菌数24.07%、放线菌数25.50%、纤维分解细菌数23.22%，而降低土壤真菌数，显著提高根际土壤过氧化氢酶活性14.00%、脲酶活性13.91%、蔗糖酶活性30.20%。
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在地表双元覆盖条件下，经过不同滴灌水量试验发现，处理2（每次灌溉水量258m3/hm2，从定植缓苗后到采收结束共灌溉12次）的效果较明显，与对照相比，温室黄瓜产量和品质差异不大，但可节省40%水资源，并且根系数、根冠比、根总表面积和根总体积分别提高12.87%、21.65%、14.40%和19.31%，非根际土壤全钾含量、过氧化氢酶活性、蔗糖酶活性、根际细菌数、固氮菌数、放线菌数、纤维分解细菌数和真菌数分别提高24.09%、13.58%、17.21%、53.78%、30.17%、51.43%、45.98%和165.87%。
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综合相关性和因子分析的结果表明：地表秸秆+地膜双元覆盖后，可明显增加黄瓜根际土壤有机质及氮、磷、钾含量，从而促进根际土壤细菌、固氮菌、纤维分解细菌和放线菌数量的增多；同时，还可提高地表土壤温度并有效控制水分蒸发，从而促进了黄瓜根系生长，进而影响并促进植株地上部生长，提高叶片净光合速率，最终促使黄瓜产量和品质得到提高。影响温室黄瓜生长发育的主要因子是根系生长指标、根际土壤细菌数和有机质含量，然后是根际土壤氮含量、固氮菌数、真菌数及有效磷、速效钾含量。
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第四章 生物炭调控日光温室黄瓜根土互作及其机理研究
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第一节 生物炭对日光温室黄瓜根际土壤养分和细菌群落的影响
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一、试验材料和方法
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1. 试验材料
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试验于2015年和2016年的3～7月在内蒙古农业大学设施园艺基地进行，试验所用日光温室南北跨度7m，东西长52m，黄瓜品种为“津春改良2号”。土壤类型为沙壤土，土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为42.60g/kg、1.39g/kg、1.43g/kg、13.67g/kg、140.34mg/kg、155.44mg/kg和57.57mg/kg，容重1.26g/cm3，电导率101.15μS·cm。生物炭购于辽宁金和福农业开发有限公司，为当年玉米秸秆在400℃缺氧条件下燃烧8h制成，主要性质为：碳、氮和氢质量分数分别为47.17%、0.71%和3.83%，碳氮比为67.03%，pH为9.04，有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为925.74g/kg、159.15mg/kg、394.18mg/kg和783.98mg/kg。
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2. 试验方法
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采用田间试验法，以不添加生物炭为对照（CK），设C5、C10、C20、C40和C605个处理，分别在黄瓜定植前土壤表层0～30cm处每公顷均匀施入5t、10t、20t、40t和60t生物炭。黄瓜苗4月10日定植，种植密度42000株/hm2，每个处理小区面积14m2，重复3次，各处理生长期水肥等管理措施一致。在黄瓜结果初期（5月20日）、盛期（6月15日）和后期（7月15日），每种处理均用抖落法分别取3处样地（样地间距2～3m）0～20cm根际土壤，测定土壤有机碳、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量，取平均值；在结果盛期用抖落法分别取各处理6处样地（样地间距2～3m）0～20cm根际土壤均匀混合，测定土壤细菌群落。
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3. 测定方法
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土壤有机碳、全碳、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别用重铬酸钾外加热法、半微量凯氏定氮法、碱解－扩散法、碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法和乙酸铵浸提－火焰光度计法测定，碳氮比由有机碳和全氮含量的比值得出；细菌群落用16SrDNA测序的高通量测定法，采用双可变区鉴定菌种，使用高可变区PCR扩增产物建库，文库构建遵循Illumina测序仪文库构建方法，以V3、V4为目标区域进行引物设计，使用DNA模板50ng、25μL的PCR体系，使用Phusion酶扩增25～35个循环，扩增后PCR产物使用Beads纯化，之后将构建好的文库上样到cBots或簇生成系统，用于簇生成及MiSeq测序，对测序获得数据进行样品区分、拼接、过滤及Q20、Q30等质控分析，对最终获得的clean数据进行OUT聚类分析和物种分类学分析。
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4. 数据处理及分析
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试验数据用Microsoft Excel 2003软件整理，处理间养分含量差异用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA），显著性水平为0.01，结果以平均值±标准差的形式来表示，用SPSS 19.0软件作数据间Pearson相关分析；用RDP、Greengenes和NCBI数据库资源做细菌物种分类分析，并用R语言绘制物种热图（Heatmap），基于各处理的OUT组成分析结果，用欧氏距离（euclidean）、未加权unifrac距离（unweighted unifrac）、加权unifrac距离（weighted unifrac）三种不同算法计算样品间距离矩阵，用非加权分组平均法（Unweighted pair group method with arithmetic mean，UPGMA）方法对样品进行丰度相似性聚类，将聚类后结果表示在Heatmap上。
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二、结果与分析
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1. 生物炭对黄瓜结果初期、盛期和后期根际土壤养分的影响
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表4-1、表4-2和表4-3分别为黄瓜结果初期、盛期和后期0～20cm根际土壤养分含量和碳氮比值。从表4-1可见，在结果初期，各处理土壤碱解氮含量均极显著高于对照，C5、C10、C20、C40和C60处理分别较对照高33.10%、55.39%、89.15%、68.09%和70.70%；各处理有效磷含量均极显著高于对照，C5、C10、C20、C40和C60处理分别较对照高70.65%、106.43%、159.39%、156.39%和141.09%；各处理速效钾含量均极显著高于对照，C5、C10、C20、C40和C60处理分别较对照高30.25%、52.95%、104.46%、65.47%和54.96%；有机碳含量C10和C20处理均极显著高出对照40.96%和51.69%，而其他处理与对照差异不显著；全氮含量C10和C20处理均极显著高出对照33.33%和44.87%，而其他处理与对照差异不显著；碳氮比各处理均与对照差异不显著。
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从表4-2可见，在结果盛期，土壤碱解氮含量C20处理极显著高于对照，高39.86%，C10、C40和C60处理显著高于对照，分别高25.42%、30.05%和22.69%，C5处理与对照差异不显著；有效磷含量C20、C40和C60处理分别极显著高出对照135.95%、149.81%和66.45%，C10处理显著高出对照28.75%，C5处理与对照差异不显著；速效钾含量C10、C20、C40和C60处理均极显著高于对照，分别高27.80%、81.35%、72.07%和60.20%，C5处理与对照差异不显著；有机碳含量C10和C20处理极显著高出对照64.85%和82.89%，C5处理显著高出对照40.78%，C40和C60处理与对照差异不显著；全氮含量除C40处理与对照差异不显著外，其他处理均极显著高于对照，C5、C10、C20和C60处理分别较对照高75.41%、68.85%、73.77%、和57.38%；碳氮比C5和C60处理均极显著低于对照，其他处理与对照差异不显著。
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从表4-3可见，在结果后期，土壤碱解氮含量C5和C10处理均显著高出对照21.35%和24.39%，其他处理均与对照差异不显著；有效磷含量C5处理显著高出对照32.76%，C10、C20、C40和C60处理均极显著高于对照，分别高57.71%、49.57%、46.66%和41.63%；速效钾含量C10和C20处理均极显著高出对照34.39%和47.90%，其他处理均与对照差异不显著；有机碳含量C10处理极显著高出对照25.23%，C5处理显著高出对照15.44%，C20、C40和C60处理均与对照差异不显著；全氮含量C5处理极显著高出对照50.00%，C10处理显著高出对照41.11%，其他处理均与对照差异不显著；碳氮比C5处理极显著低于对照，C40处理显著低于对照，其他处理均与对照差异不显著。
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2. 生物炭对黄瓜结果盛期根际土壤细菌群落丰度的影响
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图4-1为黄瓜结果盛期根际土壤细菌门分类水上的物种Heatmap，利用Heatmap将数据进行处理间丰度相似性聚类，通过颜色梯度及相似程度来反映各处理在各分类水平上群落组成的相似性和差异性。经聚类分析可分为C20、C40、C60处理和CK、C5、C10处理两大类，其中C20、C40、C60处理为细菌物种较高的一类，CK、C5、C10处理为细菌物种相对较少的一类。这说明，生物炭量在20～60t/hm2范围内作用较明显，而在5～10t/hm2范围内作用效果不明显。进一步分析表明，C20、C40、C60处理中又以C20、C40处理为相对C60处理物种较高的一类。具体可从门、纲、目3个分类水平上作丰度的比较，见表4-4。
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表4-1 不同处理对黄瓜结果初期土壤养分的影响
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表4-2 不同处理对黄瓜结果盛期土壤养分的影响
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表4-2 不同处理对黄瓜结果盛期土壤养分的影响（续）-1
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表4-3 不同处理对黄瓜结果后期土壤养分的影响
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图4-1 不同处理根际土壤的细菌群落分类热图
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表4-4 细菌在门、纲、目分类水平的丰度比较
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如表4-4所示，在门分类水平分析表明：变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、厚壁菌门（Firmicutes）构成了黄瓜根际土壤优势细菌群落，占整个细菌群落比例达87.2%。在生物炭施用量20～60t/hm2范围内，可明显提高变形菌门、放线菌门、厚壁菌门的丰度，而降低酸杆菌门、绿弯菌门的丰度。在纲分类水平分析表明：变形菌门α－变形菌纲（Alphaproteobacteria）、δ－变形菌纲（Deltaproteobacteria）、γ－变形菌纲（Gammaproteobacteria）、β－变形菌纲（Betaproteobacteria），放线菌门放线菌纲（Actinobacteria），酸杆菌门Gp6酸杆菌纲（Acidobacteria_Gp6）为优势细菌菌群，占细菌群落的59.5%。在生物炭施用量20～60t/hm2范围内，可明显提高变形菌门α－变形菌纲、δ－变形菌纲、γ－变形菌纲，放线菌门放线菌纲丰度，明显降低酸杆菌门Gp6酸杆菌纲的丰度。在目分类水平分析表明：放线菌门放线菌纲放线菌目（Actinomycetales），酸杆菌门Gp6酸杆菌纲Gp6目（Gp6），变形菌门α－变形菌纲根瘤菌目（Rhizobiales）、δ－变形菌纲粘球菌目（Myxococcales）为优势细菌群落，占细菌群落的30.5%。在生物炭施用量20～60t/hm2范围内，可明显提高放线菌门放线菌纲放线菌目，变形菌门α－变形菌纲根瘤菌目、δ－变形菌纲粘球菌目的丰度，降低酸杆菌门Gp6酸杆菌纲Gp6目的丰度。
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3. 生物炭处理下黄瓜根际土壤养分和细菌群落比例相关性分析
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表4-5为细菌群落比例与养分含量的相关性分析，从表中可见，在门分类水平上，变形菌门比例与有效磷、速效钾含量均显著正相关，放线菌门比例与速效钾含量显著正相关，酸杆菌门比例与有效磷和速效钾含量显著负相关；在纲分类水平上，变形菌门γ－变形菌纲比例与碱解氮、有效磷、速效钾含量之间均极显著正相关，放线菌门放线菌纲比例与速效钾含量显著正相关，酸杆菌门Gp6酸杆菌纲比例与有效磷、速效钾含量显著负相关；在目分类水平上，放线菌门放线菌纲放线菌目比例与速效钾含量显著正相关，酸杆菌门Gp6酸杆菌纲Gp6目比例与有效磷、速效钾含量显著负相关。
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表4-5 土壤养分与细菌群落比例相关性分析
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表4-5 土壤养分与细菌群落比例相关性分析（续）-1
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三、讨论
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生物炭由于孔隙度发达而具吸附性，可吸附并存储养分供给作物生长，并且生物炭自身有一定养分，尤以速效钾含量较高，可满足作物对钾的部分需求。本试验中，不同处理在结果期均在一定程度提高了根际土壤速效钾含量，这对于连年种植且氮、磷肥偏多的设施土壤非常必要，极大补充了土壤中钾元素不足的短板，提高了土壤品质。本试验中，经生物炭处理，黄瓜根际土壤养分含量得到不同程度提高，这与邹春娇等和勾芒芒等的试验结果一致。试验中不同处理土壤养分含量存在差异，这可能与各处理的生物炭量差异有关：一方面，导致各处理有机酸含量不同，从而使有机酸溶解、螯合和吸附等活化土壤中难溶态养分的程度不同，产生速效态氮、磷、钾的含量也不同；另一方面，导致各处理间土壤微生物数量和种类差别不断加大，最终使得促进养分转化和循环的动力在时间和空间上存在差异。
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施用生物炭后，可促进并改良土壤微生物生态系统，许多研究表明：生物炭处理后，土壤中90%以上细菌为变形菌门、拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门、厚壁菌门、酸杆菌门和疣微菌门（Verrucomicrobia），生物炭处理可增加土壤拟杆菌门、放线菌门、酸杆菌门和疣微菌门丰度，而降低变形菌门丰度。Kolton等在沙质土壤中添加3%柑橘木生物炭发现，拟杆菌门丰度增加而变形菌门丰度降低，Nielsen等发现生物炭处理农田土壤后，酸杆菌门、放线菌门和疣微菌门丰度更高，Prayogo等发现土壤中添加柳枝生物炭可增加放线菌丰度，但Rutigliano等在小麦土壤施加生物炭发现，3个月后某些功能细菌多样性发生显著变化，但14个月后各处理间功能细菌多样性无显著差异，且试验期间生物炭对细菌基因多样性无显著影响，说明生物炭不一定具有长期效应。在本试验中，生物炭处理后变形菌门、酸杆菌门、放线菌门、绿弯菌门、厚壁菌门等构成了黄瓜根际土壤优势细菌群落，20～60t/hm2生物炭量范围内可明显提高放线菌门、厚壁菌门丰度，与前人研究结果一致，但在此范围内也可明显提高变形菌门而降低酸杆菌门、绿弯菌门丰度，与前人结果并不一致，这可能与设施和大田土壤微生物种群、不同材料生物炭性质、生物炭处理方法等方面的差异有关。
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微生物不仅是土壤有机质形成、养分转化和循环的重要动力，而且影响和调控养分供给状态，反之，土壤养分状况也深刻影响微生物种类和数量，二者间存在紧密关系。本试验中，土壤中变形菌门γ－变形菌纲比例与碱解氮、有效磷、速效钾含量间均极显著正相关，放线菌门放线菌纲放线菌目比例与速效钾含量显著正相关，酸杆菌门Gp6酸杆菌纲Gp6目比例与有效磷、速效钾含量显著负相关。这说明：生物炭通过调控并提高土壤中变形菌门γ－变形菌纲、放线菌门放线菌纲放线菌目等细菌的比例，促进土壤中碱解氮、有效磷、速效钾含量的提高，而酸杆菌门Gp6酸杆菌纲Gp6目比例的增多却降低土壤有效磷、速效钾含量，其内在的作用机制尚需进一步探索。
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四、结论
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设施黄瓜在生物炭量为5～60t/hm2时，在结果期可不同程度提高根际土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机碳、全氮含量。在生物炭量为20～60t/hm2时，可提高结果盛期根际土壤细菌物种种类并可明显提高变形菌门、放线菌门、厚壁菌门丰度而降低酸杆菌门、绿弯菌门丰度。生物炭通过调控并提高根际土壤中变形菌门γ－变形菌纲、放线菌门放线菌纲放线菌目等细菌数量和比例，促进根际土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量的提高。
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综合分析比较，20t/hm2的生物炭量处理优于其他处理，与对照相比，极显著提高结果初期根际土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机碳和全氮含量，分别为89.15%、159.39%、104.46%、51.69%和44.89%；极显著提高结果盛期根际土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机碳和全氮含量，分别为39.86%、135.95%、81.35%、82.89%和73.77%；极显著提高结果后期根际土壤有效磷和速效钾含量，分别为49.57%和47.90%。
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第二节 生物炭对日光温室黄瓜根际土壤真菌丰度和根系生长的影响
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一、试验材料和方法
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1. 试验材料
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试验于2016年3～7月在内蒙古农业大学日光温室基地开展，试验所用日光温室使用年限18年，南北跨度7m，脊高3.2m，东偏南8°，东西长52m，黄瓜品种“津春改良2号”。土壤性质为沙壤土，容重1.26g/cm3，速效养分碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为:140.34mg/kg、155.44mg/kg和57.57mg/kg。生物炭为玉米秸秆高温缺氧下制成，碳、氮和氢质量分数分别为47.17%、0.71%和3.83%，碳氮比为67.03%，pH 9.04，有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为925.74g/kg、159.15mg/kg、394.18mg/kg和783.98mg/kg，购于辽宁金和福农业开发有限公司。
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2. 试验方法
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采用田间试验法，以土壤不施入生物炭为对照（CK），设3种处理：分别在黄瓜定植前土壤表层0～30cm每公顷均匀施入20t、40t和60t生物炭，依次记为C20、C40和C60处理。黄瓜苗4月10日定植，种植密度42000株/hm2，每处理小区面积14m2，重复3次，各处理生长期水肥等管理措施一致。在黄瓜结果期（6月15日），用抖落法分别取各处理6处样地0～20cm根际土壤均匀混合，测定真菌物种群落。同时，测定黄瓜植株根系数、根冠比、根总体积和根系活力，重复6次测定。
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3. 测定方法
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真菌群落用ITS（Internal transcribed spacer）序列高通量测定，遵循Illumina测序仪文库构建方法，以ITS2为目标区域进行引物设计，使用DNA模板50ng和25μL的PCR体系，Phusion酶扩增25～35个循环，一轮PCR扩增反应后引物两端分别加上不同Barcode以区分不同样品，扩增后PCR产物使用Beads纯化，用AxyPrepTM Mag PCR Normalizer做归一化处理，构建好的文库上样到cBots或簇生成系统，用于簇生成及MiSeq测序，测序的双端数据首先根据Barcode信息进行样品区分，然后根据Overlap关系进行Merge拼接成Tag，接着进行数据过滤、Q20和Q30质控分析，对最终获得的Clean数据进行物种分类学分析。根系数为统计长度超过0.5cm一级和二级侧根的总和，根冠比通过称量植株地下部和地上部干重后计算比值获得，根系活力用TTC法测定，根总体积采用将根系均匀平铺于Epson Perfv700扫描仪扫描并保存为JPG文件，用WinRHIZO Pro 2009a软件分析测得。
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4. 数据处理及分析
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试验数据用Microsoft Excel 2003软件整理；处理间根系生长指标差异用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析（One-way ANO-VA），显著性水平为0.05，结果以平均值±标准差的形式来表示；用SPSS 19.0软件做数据间Pearson相关分析；用11.3版本的RDP（核糖体数据库）进行真菌物种分类分析。
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二、结果与分析
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1. 生物炭对黄瓜结果期根际土壤真菌多样性的影响
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图4-2为表示各处理土壤真菌物种进化关系的系统发育进化树，可概括各处理真菌物种间亲缘关系。进化树环形部分文字为分类等级，由内到外等级为由低到高，节点大小表示丰度高低，绿色覆盖区域表示低丰度，红色覆盖区域表示高丰度。从图中对比分析来看，与对照相比，C20、C40、C60处理丰度相对较多，其中C20处理内外的红色覆盖区域最多，说明该处理真菌的低级和高级物种丰度都相对最高，效果较为明显。
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图4-2 不同处理根际土壤真菌物种系统发育进化树
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表4-6为各处理在门和科2个分类水平上的真菌群落的丰度。从表中可见，门分类水平上构成黄瓜根际土壤的优势真菌群落为子囊菌门（Ascomycota），占全部群落的93.8%；其他为接合菌门（Zygomycota）、担子菌门（Basidiomycota）、壶菌门（Chytridiomycota）和球囊菌门（Glomeromycota），分别占全部群落的0.6%、0.6%、0.3%和0.1%，而其他杂菌占3.1%。与对照相比，C20、C40、C60处理可显著提高子囊菌门和接合菌门的真菌丰度，并且从无到有地增加了担子菌门、壶菌门和球囊菌门真菌群落的丰度，而极大降低杂菌比例。科分类水平上构成黄瓜根际土壤的优势真菌群落为子囊菌门未分类或未识别科、Incertae sedis 27、毛壳菌科（Chaetomiaceae）、小子囊菌科（Microascaceae）、毛球壳科（Lasiosphaeriaceae）、假散囊菌科（Pseudeurotiaceae）、爪甲团囊菌科（Onygenaceae）、裸囊菌科（Gymnoascaceae）、丛赤壳科（Nectriaceae）、Incertae sedis 3、黄丝菌科（Cephalothecaceae）、毛孢壳科（Coniochaetaceae）以及接合菌门被孢霉科（Mortierellaceae），球囊菌门球囊霉科（Glomeraceae）、担子菌门粪锈伞科（Bolbitiaceae）、壶菌门小壶菌科（Spizellomycetaceae），分别占到68.4%、5.1%、4.9%、2.3%、2.1%、1.7%、1.5%、1.0%、1.0%、0.6%、0.5%、0.5%以及0.6%、0.4%、0.1%、0.1%。与对照相比，C20、C40、C60处理均可显著提高或新增上述真菌不同科的丰度。综合门和科分类水平上的比较来看，C20处理效果最显著。
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表4-6 不同处理真菌在门和科分类水平的丰度比较
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表4-6 不同处理真菌在门和科分类水平的丰度比较（续）-1
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2. 生物炭对黄瓜结果期根系生长的影响
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表4-7为不同处理对黄瓜结果期根系生长相关指标的影响情况。从表中可见，对于根系数，C20和C60处理分别显著高出对照20.52%和16.00%，而C40处理与对照差异并不显著；对于根总体积，C20、C40和C60处理分别显著高出对照50.73%、15.67%和25.09%；对于根冠比，C20、C40和C60处理均与对照差异不显著；对于根系活力，C20和C40处理分别显著高出对照16.11%和12.44%，而C60处理与对照差异并不显著。
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表4-7 不同处理对黄瓜根系数、根总体积、根冠比和根系活力的影响
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3. 生物炭处理下真菌菌落比例和黄瓜根系生长相关性分析
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表4-8为土壤真菌群落比例和根系生长指标间相关性的分析。从表中可见，在门分类水平上，子囊菌门、接合菌门、担子菌门、壶菌门、球囊菌门比例均与根系数、根总体积、根冠比和根系活力呈一定的正相关关系，而未知杂菌比例与上述根系生长指标呈一定的负相关关系，其中根系数与子囊菌门和担子菌门比例、根总体积与接合菌门比例、根系活力与壶菌门比例均显著正相关，未知杂菌与根系数显著负相关。在科分类水平上，表中所列的真菌各科比例大多与根系数、根总体积、根冠比和根系活力均呈一定的正相关关系，其中根系数与子囊菌门Incertae sedis 27、毛球壳科、假散囊菌科、黄丝菌科比例均显著正相关，根总体积与子囊菌门假散囊菌科、接合菌门被孢霉科比例均显著正相关。
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表4-8 土壤真菌群落比例和根系生长指标之间相关性的分析
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三、讨论
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生物炭施入后由于其对土壤生物、物理及化学特性的影响和改变，在不同的程度上可调控并促进许多作物的生长，最终可提高作物的产量和品质。Steiner等在亚马孙河流域将木炭以11t/hm2比例与肥料混合施入土壤发现，水稻和高粱产量提高到单施肥料的两倍，并且该处理土壤中碳流失率远低于对照。张伟明等用盆栽试验将玉米秸秆生物炭以1%、2%和4%施入沙壤土中种植水稻发现：3个月后生物炭处理使水稻平均增产25.3%，同时使水稻根总体积、鲜重、总吸收面积和活跃吸收面积显著增加，其中以2%生物炭处理下水稻产量最高。勾芒芒等采用室内盆栽试验研究沙壤土中施加生物炭对番茄产量影响表明：每千克干土加生物炭40g可极大增加番茄产量并有效提高水肥利用效率。本试验中，经过20～60t/hm2范围内的生物炭施入土壤后，在黄瓜结果期均可不同程度提高黄瓜根系数、根总体积和根系活力，这与上述前人的试验结果一致。
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微生物是土壤有机质形成和养分转化循环的重要动力，并影响和调控土壤养分转化。研究表明，生物炭改良土壤后，接合菌门和球囊菌门的真菌数量增加，而担子菌门和变型菌门真菌的丰度却有所降低。另有试验表明：生物炭处理可使豌豆根系固氮量由对照的50%提高到72%，并使作物根际真菌繁殖能力增强；生物炭用量30%时菌根菌侵染量显著提高，生物炭通过发挥其空间保护作用可影响土壤中腐生菌、病原菌和菌根菌等真菌类型的多样性。生物炭对病原真菌结构和功能影响方面的报道较少，Matsubara等发现生物炭能增强芦笋幼苗对尖孢镰刀菌的耐受性。菌根真菌互利共生方式在植物生长中发挥着重要作用，所以生物炭影响菌根真菌方面的研究相对较多：Solaiman等每年添加桉木生物炭0.6～6t两年后，小麦根部丛生菌根（AM）数量提高20%～40%，而未添加的土壤中仅提高5%～20%；Rillig等发现生物炭能促进真菌共生并有效促进AM孢子萌发；Warnock等认为生物炭主要通过改变土壤的养分利用率、调控土壤细菌溶磷作用及黄酮类代谢产物、吸附真菌与寄主植物间CO2及萜烯类等信息素影响二者间信号传输等方面的作用，促进外生菌根菌丝的生长和繁殖，从而提高土壤质量。在本试验中，生物炭20～60t/hm2施用范围内可显著提高根际土壤真菌子囊菌门和接合菌门丰度，并且从无到有地增加担子菌门、壶菌门和球囊菌门真菌群落的丰度而极大降低杂菌比例，并可显著提高子囊菌门Incertae sedis 27、毛壳菌科、小子囊菌科、毛球壳科、假散囊菌科、爪甲团囊菌科、裸囊菌科、丛赤壳科、Incertae sedis 3、黄丝菌科、毛孢壳科以及接合菌门被孢霉科、球囊菌门球囊霉科、担子菌门粪锈伞科、壶菌门小壶菌科的丰度，本文在一定程度上丰富并补充了前人的研究。
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本试验中，根系数与子囊菌门Incertae sedis 27、毛球壳科、假散囊菌科、黄丝菌科均显著正相关，根总体积与子囊菌门假散囊菌科和接合菌门被孢霉科均显著正相关，说明上述真菌的5个科在促进根系方面的作用更显著。黄丝菌科真菌可在一些植物根被组织聚集，促进植株根系生长、总生物量增长，并可显著促进根系对钙、锰、锌元素的吸收，本试验中根系数与黄丝菌科数量显著正相关，说明施入生物炭后增加了土壤黄丝菌科真菌比例，促进黄瓜根系吸收和生长。被孢霉科真菌是土壤有机质和养分含量丰富的标志类群，本试验中黄瓜根总体积与被孢霉科数量显著正相关，说明施入生物炭后增加了被孢霉科真菌比例，可促进土壤有机质和养分含量的提高，从而利于黄瓜根系生长并提高其体积。对于子囊菌门的Incertae sedis 27、毛球壳科、假散囊菌科真菌，目前鲜见其直接促进植物根系生长相关方面的报道，但上述3个科的真菌多为寄生于土壤动植物残体的真菌，这3个真菌科的比例与根系数或根总体积显著正相关，可能与其促进土壤中有机物质分解而间接促进根系生长有关。此外，赤壳科的一些真菌能显著提高一些植物的根系活力和生长代谢活性，毛壳菌科的许多真菌能产生纤维素酶、木聚糖酶、漆酶并可降解纤维素和木质素，生成一些生物活性物质，利于植物生长。在本试验中，子囊菌门丛赤壳科、毛壳菌科比例与黄瓜根系数或根总体积间存在一定的正相关关系但不显著，说明在一定程度上，上述两个科的真菌可提高黄瓜根系活力、促进根系生长代谢、促进根际产生生物活性物质，最终促进黄瓜根系生长。
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综上可见，设施生产中由于特殊的管理和环境，使土壤中养分积累和供应失衡现象严重，生物炭施入后可吸附养分离子，利于土壤中有益微生物的繁殖，改变真菌等微生物的群落结构，有效提高土壤肥力，最终促进植株根系生长，通过上述调控措施可促进黄瓜产量和品质的提升。
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四、结论
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日光温室中20～60t/hm2生物炭施入土壤后，在黄瓜结果期均可不同程度提高黄瓜根系数、根总体积和根系活力，可显著提高根际土壤真菌子囊菌门和接合菌门真菌丰度，从无到有地增加担子菌门、壶菌门和球囊菌门丰度而极大降低杂菌比例，明显提高子囊菌门未分类或未识别科、Incertae sedis 27、毛壳菌科、小子囊菌科、毛球壳科、假散囊菌科、爪甲团囊菌科、裸囊菌科、丛赤壳科、Incertae sedis 3、黄丝菌科、毛孢壳科以及接合菌门被孢霉科，球囊菌门球囊霉科、担子菌门粪锈伞科、壶菌门小壶菌科的丰度。
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本试验中，生物炭施入土壤后，子囊菌门Incertae sedis 27、毛球壳科、假散囊菌科、黄丝菌科和接合菌门被孢霉科的真菌在促进根系生长方面的作用最明显，上述真菌主要通过在根被组织聚集，以促进根系对营养元素吸收、提高土壤中有机质和养分含量、促进土壤中有机物质分解等方面的途径促进黄瓜的根系生长。
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经综合比较，20t/hm2的生物炭处理效果最显著，与对照相比，黄瓜结果期根系数、根总体积和根系活力分别显著提高20.52%、50.73%和16.11%。
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第三节 生物炭对设施黄瓜根际土壤养分和酶活性的影响
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一、试验材料和方法
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1. 试验材料
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试验于2015年和2016年的3～7月在内蒙古农业大学职业技术学院科技园区设施园艺园林实践教学基地日光温室进行，试验黄瓜品种为“津春改良2号”。试验地土壤容重1.26g/cm3，电导率101.15μS/cm。生物炭购于辽宁金和福农业开发有限公司，为当年玉米秸秆400℃缺氧条件下燃烧8h制成。试验所用日光温室南北跨度为7m，东西长度为50m。
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2. 试验方法
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采用田间试验法，在黄瓜种植前以温室土壤不添加生物炭为对照（CK），设C5、C10、C20、C40和C605个处理，分别在土壤表层0～30cm每公顷均匀施入5t、10t、20t、40t和60t生物炭。4月10日定植幼苗，定植密度42000株/hm2，每个处理的小区面积14m2，重复3次，各处理生长期水肥等管理措施一致。在黄瓜结果初期（5月20日）、盛期（6月15日）和后期（7月15日），用抖落法取根际20～40cm土壤，测定有机碳、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量以及脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性，每处理重复3次取样和测定。
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3. 测定方法
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土壤有机碳、全碳、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别用重铬酸钾外加热法、半微量凯氏定氮法、碱解－扩散法、碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法和乙酸铵浸提－火焰光度计法测定，碳氮比由有机碳和全氮含量比值得出；土壤过氧化氢酶活性测定用高锰酸钾滴定法，脲酶用奈氏比色法，蔗糖酶用3，5－二硝基水杨酸比色法。
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4. 数据处理及分析
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所有数据用Excel2003软件整理，使用SPSS19.0统计软件进行数理统计，在符合正态分布情况下进行单因素方差分析、差异显著性检验和相关性分析。
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二、结果与分析
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1. 生物炭对黄瓜根际土壤养分的影响
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从表4-9可见，在结果初期，对于碱解氮含量，与对照相比，C5、C10、C60处理差异不显著，C20和C40处理极显著高出98.74%和64.29%；对于有效磷含量，与对照相比，C5、C10处理差异不显著，而C20、C40、C60处理均极显著提高，分别提高了133.16%、109.29%、91.49%；对于速效钾含量，与对照相比，C40差异不显著、C60处理显著降低，C5、C10、C20处理极显著提高，分别提高了57.52%、65.41%、86.52%。对于有机碳含量，C20处理极显著高出对照62.57%，其他处理均与对照差异不显著；对于全氮含量，C20处理极显著高出对照79.55%，其他处理均显著低于对照或与对照差异不显著；对于碳氮比，C5和C10处理分别显著高出对照48.09%和45.69%，而其他处理与对照差异不显著。
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从表4-10可见，在结果盛期，对于碱解氮含量，与对照相比，C5、C60处理差异不显著，C10、C20处理极显著提高30.59%和89.49%，C40处理显著提高17.56%；对于有效磷含量，与对照相比，C5处理差异不显著，C10、C20、C40和C60处理分别极显著高出29.16%、130.68%、73.16%和58.32%；对于速效钾含量，与对照相比，C60处理差异不显著，C5、C10、C20和C40处理分别极显著高出49.49%、153.85%、231.82%和113.11%。对于有机碳含量，C60处理与对照差异不显著，C5、C10、C20和C40处理分别极显著高出对照24.31%、35.93%、103.20%和123.57%；对于全氮含量，C20处理显著高出对照43.33%，C40处理极显著高出对照70.00%，其他处理均与对照差异不显著；对于碳氮比，C20、C40处理分别显著高出对照42.17%、32.73%，而其他处理均与对照差异不显著。
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从表4-11可见，在结果后期，对于碱解氮含量，与对照相比，C5、C60处理差异不显著，C10、C20处理分别极显著高出155.17%、57.63%，C40处理显著高出37.38%；对于有效磷含量，与对照相比，C5、C10和C20处理极显著高出44.38%、151.18%和46.45%，C60处理显著高出29.29%，C40处理差异不显著；对于速效钾含量，与对照相比，C5、C10、C20、C40和C60处理分别极显著高出104.02%、204.26%、111.11%、91.37%和84.20%；对于有机碳含量，C10处理显著高出对照119.90%，C5、C20、C40和C60处理分别极显著高于对照97.30%、60.69%、30.22%和88.45%；对于全氮含量，C5、C10处理分别极显著高出对照67.86%、125.00%，C20处理显著高出对照35.71%，而C40、C60处理与对照差异不显著；对于碳氮比，C40处理显著高出对照39.78%，其他处理均与对照差异不显著。
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表4-9 不同处理对黄瓜结果初期土壤养分含量的影响
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表4-10 不同处理对黄瓜结果盛期土壤养分含量的影响
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表4-10 不同处理对黄瓜结果盛期土壤养分含量的影响（续）-1
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表4-11 不同处理对黄瓜结果后期土壤养分含量的影响
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2. 生物炭对黄瓜根际土壤酶活性的影响
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从表4-12可见，在结果初期，对于脲酶活性，与对照相比，C5处理极显著降低，C10、C40、C60处理差异不显著，C20处理极显著高出59.65%；对于蔗糖酶活性，与对照相比，C40、C60处理差异不显著，C5、C10、C20处理分别极显著高出45.78%、50.10%、83.97%；对于过氧化氢酶活性，与对照相比，C20、C60处理差异不显著，C5、C10处理极显著降低，C40处理显著降低。
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从表4-13可见，在结果盛期，对于脲酶活性，与对照相比，C20处理极显著高出38.48%，而其他处理均差异不显著；对于蔗糖酶活性，C5、C10、C20处理分别极显著高出36.38%、30.27%、76.65%，C40、C60处理显著高出24.82%、22.37%；对于过氧化氢酶活性，与对照相比，C5处理极显著高出17.14%，C60处理极显著降低，其他处理均差异不显著。
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表4-12 不同处理对黄瓜结果初期土壤酶活性的影响
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表4-13 不同处理对黄瓜结果盛期土壤酶活性的影响
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从表4-14可见，在结果后期，对于脲酶活性，与对照相比，C40、C60处理差异不显著，C5、C10、C20处理分别极显著高出46.68%、39.46%、40.33%；对于蔗糖酶活性，C5、C10、C20、C40和C60处理分别极显著高出对照58.39%、126.48%、108.95%、64.93%和71.04%；对于过氧化氢酶活性，C5、C40处理与对照差异不显著，C60处理显著高出对照15.15%，C10、C20处理分别极显著高出对照39.39%、42.42%。
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表4-14 不同处理对黄瓜结果后期土壤酶活性的影响
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3. 生物炭处理下黄瓜根际土壤养分含量和酶活性间相关性分析
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从表4-15可见，土壤碱解氮含量与有效磷、速效钾含量和过氧化氢酶活性间均显著正相关，与有机碳、全氮含量间均极显著相关；有效磷含量与有机碳、全氮含量和过氧化氢酶活性间均显著正相关；速效钾含量与有机碳含量、蔗糖酶活性间显著正相关；有机碳含量与全氮含量间极显著正相关，与蔗糖酶、过氧化氢酶活性间显著正相关；全氮含量与脲酶、过氧化氢酶活性间显著正相关；脲酶活性与蔗糖酶活性间极显著正相关。
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表4-15 土壤养分含量和酶活性间相关性分析
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三、讨论
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在设施蔬菜生产中，随着种植年限增加，往往出现土壤质量劣变，土壤肥力下降，蔬菜品质降低等问题，且多集中在20cm耕层土壤。而生物炭由于孔隙度发达并具吸附性，可在孔隙结构里吸附存储养分，当根系需肥旺盛时，孔隙部分释放养分供给作物生长，可以有效提高土壤中氮、磷、钾养分的吸收量，从而利于根系生长及微生物繁殖，显著提高土壤酶的活性。另外，生物炭自身的速效钾含量较高，可部分满足作物对钾的需求，提高肥料利用率。本试验中，不同处理在结果期均在一定程度提高了根层土壤中氮、磷、钾含量，特别是极大提高了根层（20～40cm）土壤速效钾含量，极大补充了土壤中钾元素不足的短板，提高了土壤质量。
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土壤酶活性与土壤肥力因子间存在显著相关性，是评价土壤肥力、生物学活性和生产力的重要指标，酶活性越高则说明土壤生产性状越好，土壤轻微的环境改变会使土壤中酶活性发生变化，因此土壤酶能更早地反映出土壤的质量和健康状况。徐福利等研究施肥对日光温室土壤壤酶活性表明，施肥可提高土壤脲酶、蔗糖酶活性，但对过氧化氢酶影响较小。本试验中，经过适量生物炭处理，可在不同程度上提高20～40cm土层上述三种酶活性，尤其是脲酶和蔗糖酶活性，但过氧化氢酶活性提高程度弱，这与上述研究结果一致，对于过氧化氢酶活性影响较弱可能与试验为非逆境条件有关。
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本试验中，生物炭处理下可提高土壤养分含量及脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性，并且土壤碱解氮、有效磷含量与过氧化氢酶活性间均显著正相关，速效钾含量与蔗糖酶活性间显著正相关，有机碳含量与蔗糖酶、过氧化氢酶活性间均显著正相关；全氮含量与脲酶、过氧化氢酶活性间均显著正相关。这与邹春娇等和勾芒芒等的试验结果一致。而杨敏芳等研究秸秆还田对土壤养分含量及酶活性影响发现，土壤过氧化氢酶、蔗糖酶活性与速效养分相关性显著，而脲酶活性与速效养分相关性不显著，本试验的结果也与此一致，说明秸秆生物炭在一些方面保留了秸秆的一些性质。试验中不同处理土壤养分含量存在差异，可能与各处理的生物炭量、土壤温度、含水量差异有关：一方面，导致各处理有机酸含量不同，从而使有机酸溶解、螯合和吸附等活化土壤中难溶态养分的程度不同，产生速效态氮、磷、钾含量也不同；另一方面，导致各处理间酶活性变化差距加大，最终使得养分转化和循环在时间和空间上存在差异。
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四、结论
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设施黄瓜土壤经一定量的生物炭处理后，总体上看，在黄瓜结果初期、盛期和后期可提高根层20～40cm根际土壤有机碳、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量和脲酶、蔗糖酶活性，并且土壤养分含量与脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性间存在显著的相关性。
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综合分析认为:20t/hm2的生物炭量处理优于其他处理，与对照相比，在结果初期和盛期，显著或极显著地提高20～40cm土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机碳、全氮含量和脲酶、蔗糖酶活性，在结果后期，显著或极显著提高土壤有效磷、速效钾含量和脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性。
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第四节 生物炭对日光温室黄瓜根土互作因子的影响
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一、试验材料和方法
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1. 试验材料
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试验于2015年和2016年3～7月在内蒙古农业大学日光温室基地进行，试验所用日光温室使用年限18年，跨度7m，脊高3.2m，东偏南8°，东西长52m，黄瓜品种“津春改良2号”。土壤类型为沙壤土，容重1.26g/cm3，养分含量为：有机质42.60g/kg，全氮1.39g/kg，全磷1.43g/kg，全钾13.67g/kg，碱解氮140.34mg/kg，有效磷155.44mg/kg，速效钾57.57mg/kg。生物炭为当年玉米秸秆在400℃缺氧条件下燃烧8h制成，碳、氮和氢质量分数分别为47.17%、0.71%和3.83%，碳氮比67.03%，pH 9.04，有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为925.74g/kg、159.15mg/kg、394.18mg/kg和783.98mg/kg。生物炭购于辽宁金和福农业开发有限公司。
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2. 试验方法
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采用田间试验法，设5种处理:C5、C10、C20、C40和C60，分别为在黄瓜定植前土壤表层0～30cm每公顷均匀施入5t、10t、20t、40t和60t生物炭，以不施入生物炭为对照（CK）。黄瓜苗4月10日定植，种植密度42000株/hm2，每处理小区面积14m2，重复3次，各处理生长期水肥等管理措施一致。在黄瓜结果盛期（6月15日），各处理用抖落法分别取3处样地根际0～20cm和20～40cm土壤，测定有机碳、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量以及脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性，取平均值；用抖落法分别取各处理6处样地根际0～20cm土壤均匀混合，测定细菌物种群落。
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3. 测定方法
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土壤有机碳、全碳、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别用重铬酸钾外加热法、半微量凯氏定氮法、碱解－扩散法、碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法和乙酸铵浸提－火焰光度计法测定；土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性分别用奈氏比色法、3，5－二硝基水杨酸比色法和高锰酸钾滴定法测定。
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细菌群落用16SrDNA测序高通量测定法，用双可变区鉴定菌种，用高可变区PCR扩增产物建库，遵循Illumina测序仪文库构建方法，以V3和V4为目标区域进行引物设计，使用DNA模板50ng、25μL的PCR体系，使用Phusion酶扩增25～35个循环，扩增后PCR产物使用Beads纯化，之后将构建好的文库上样到cBots或簇生成系统，用于簇生成及MiSeq测序，对测序获得数据进行样品区分、拼接、过滤及Q20、Q30等质控分析，对最终获得的clean数据进行物种分类学分析。
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4. 数据处理及分析
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试验数据用Microsoft Excel 2003软件整理；处理间养分含量差异用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA），显著性水平为0.01，结果以平均值±标准差的形式来表示；用SPSS 19.0软件做数据间Pearson相关分析；用RDP、Greengenes和NCBI数据库资源做细菌物种分类分析。
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二、结果与分析
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1. 生物炭对黄瓜结果盛期根际土壤养分含量的影响
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表4-16 不同处理对黄瓜结果盛期根际土壤养分含量的影响
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从表4-16可见，在结果盛期，对于全氮含量，0～20cm土层除C40处理与对照差异不显著外，其他处理均极显著高出对照;20～40cm土层C20处理显著高于对照，C40处理极显著高于对照，而其他处理与对照差异不显著。对于有机碳含量，0～20cm土层C10和C20处理极显著高于对照，C5处理显著高于对照，C40和C60处理与对照差异不显著；20～40cm土层除C60处理与对照差异不显著外，其他处理均极显著高于对照。对于碱解氮含量，0～20cm土层C20处理极显著高于对照，C10、C40和C60处理显著高于对照，C5处理与对照差异不显著；20～40cm土层C5、C60处理与对照差异不显著，C10、C20处理极显著高于对照，C40处理显著高于对照。对于有效磷含量，0～20cm土层C20、C40和C60处理均极显著高于对照，C10处理显著高于对照，而C5处理与对照差异不显著；20～40cm土层除C5处理与对照差异不显著外，其他处理均极显著高于对照。对于速效钾含量，0～20cm土层除C5处理与对照差异不显著外，其他处理均极显著高于对照；20～40cm土层除C60处理与对照差异不显著外，其他处理均极显著高于对照。综合来看，C20处理效果最明显，与对照相比，在结果盛期极显著提高0～20cm土壤全氮、有机碳、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为73.77%、82.89%、39.86%、135.95%和81.35%，显著提高20～40cm土壤全氮、有机碳、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为43.33%、103.20%、89.49%、130.68%和231.82%。
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2. 生物炭对黄瓜结果盛期根际土壤酶活性的影响
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从表4-17可见，在结果盛期，对于脲酶活性，0～20cm土层C40、C60处理与对照差异不显著，而其他处理极显著高于对照；20～40cm土层C20处理极显著高于对照，而其他处理与对照差异不显著。对于蔗糖酶活性，0～20cm土层C5处理显著高于对照，C20处理极显著高于对照，其他处理与对照差异不显著；20～40cm土层C5、C10、C20处理极显著高于对照，C40、C60处理显著高于对照。对于过氧化氢酶活性，0～20cm土层C40、C60处理极显著低于对照，而其他处理与对照差异不显著；20～40cm土层C5处理极显著高于对照，而C60处理极显著低于对照，其他处理与对照差异不显著。综合来看，C20处理效果最明显，与对照相比，在结果盛期，极显著提高0～20cm土壤脲酶和蔗糖酶活性，分别为31.58%和52.43%；极显著提高20～40cm土壤脲酶和蔗糖酶活性，分别为38.48%和76.65%。
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表4-17 不同处理对黄瓜结果盛期土壤酶活性的影响
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3. 生物炭对黄瓜结果盛期根际土壤细菌多样性的影响
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图4-3为通过各处理细菌物种所测数据绘制成的表示进化关系的系统发育进化树，可概括各处理细菌间的亲缘关系，进化树环形部分文字为分类等级，由内到外等级为由低到高，节点大小表示丰度高低，绿色覆盖区域表示低丰度，红色覆盖区域表示高丰度。从图中对比分析来看，与对照相比，C5、C10、C60处理丰度相对影响较小，而C20和C40处理内外的红色覆盖区域较多，说明细菌的低级物种和高级物种丰度都较高，效果较明显。
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图4-3 不同处理根际土壤细菌物种系统发育进化树
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表4-18为各处理在门和科2个分类水平上各细菌群落所占比例。从表中可见，门分类水平上构成黄瓜根际土壤优势细菌群落的依次为变形菌门、酸杆菌门、放线菌门、绿弯菌门（Chloroflexi）和厚壁菌门（Firmicutes），占到全部细菌比例的87.2%，在生物炭施用量5～10t/hm2范围内，这几个门的菌落比例变化较小，而在20～60t/hm2范围内则可明显提高变形菌门、放线菌门、厚壁菌门丰度，而降低酸杆菌门、绿弯菌门丰度；科分类水平上构成黄瓜根际土壤细菌群落的为酸杆菌门Gp6科、Gp16科、Gp4科、变形菌门生丝微菌科（Hyphomicrobiaceae）、红螺菌科（Rhodospirillaceae）、鞘脂单胞菌科（Sphingomonadaceae）、中华杆菌科（Sinobacteraceae）、鱼立克次体科（Piscirickettsiaceae），放线菌门小单孢菌科（Micromonosporaceae）、厚壁菌门芽孢杆菌1科（Bacillaceae 1），占到全部细菌比例的33.0%，在生物炭施用量5～10t/hm2范围内，这几个科的菌落比例变化较小，而在20～60t/hm2范围内则可明显提高变形菌门生丝微菌科、红螺菌科、鞘脂单胞菌科、中华杆菌科、鱼立克次体科、放线菌门小单孢菌科，厚壁菌门芽孢杆菌1科丰度，而明显降低酸杆菌门Gp6科、Gp16科、Gp4科丰度。
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表4-18 细菌在门、科水平的丰度比较
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表4-18 细菌在门、科水平的丰度比较（续）-1
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4. 生物炭处理下黄瓜根际土壤养分含量、酶活性和细菌群落比例间相关性分析
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从表4-19可见，全氮、有机碳、碱解氮、有效磷、速效钾含量与脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性这些指标相互之间绝大多数呈显著或极显著正相关关系。有效磷和速效钾含量与变形菌门比例、速效钾含量与放线菌门比例均显著正相关，而有效磷、速效钾含量与酸杆菌门比例显著负相关；有效磷和速效钾含量与酸杆菌门Gp6科、Gp16科、Gp4科比例均显著或极显著负相关，有效磷、速效钾含量与变形菌门中华杆菌科比例、放线菌门小单孢菌科比例均显著或极显著正相关。
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三、讨论
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生物炭施入土壤后，其本身含有的水溶性矿质元素可直接提高土壤营养元素总量和作物可利用态养分含量，同时其表面酸性官能团和金属氧化物羟基化表面的吸附与持留利于提高阳离子交换量并减少营养元素淋溶损失。此外，生物炭通过其表面含氧官能团的不断生成而直接提高土壤阳离子交换量，从而调控并提高养分的生物有效性。本试验中，不同量生物炭处理均在不同程度提高了黄瓜结果期0～40cm根际土壤全氮、有机碳、碱解氮、有效磷、速效钾含量，提高了根系吸收氮、磷、钾元素可利用态的含量，并且在很大程度上提高土壤中可利用钾素的含量和养分的生物有效性。这与邹春娇等在黄瓜土壤、勾芒芒等在番茄土壤和高德才等在室内模拟土壤中的试验结果一致。试验中不同处理间土壤养分含量的较大差异可能有以下两方面原因：一是各处理生物炭量不同导致各处理土壤阳离子交换量差距不断加大，使土壤阳离子交换、螯合、吸附、活化等程度不同，从而产生可利用态的养分含量也不同；二是各处理生物炭量不同导致官能团、表面积及矿质元素的差异，一定程度上影响土壤细菌群落变化，使土壤微生物、酶等促进养分转化的因子在时间和空间上差距加大，导致养分含量差异性也加大。
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表4-19 根际土壤养分、酶活性和细菌群落比例间相关性的分析
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作物土壤含有大量微生物，生物炭施入后其多孔性为微生物生长提供了良好环境，并可通过调控土壤环境而影响微生物群落组成和土壤酶活性。微生物能驱动作物和土壤生态系统功能的发挥，对养分循环利用和作物生长起到重要调节作用。一些研究表明，土壤施入生物炭后可增加拟杆菌门、放线菌门、酸杆菌门、疣微菌门丰度而降低变形菌门丰度。张殊慧等利用稻壳生物炭复合土壤调理剂处理山药土壤后发现，酸杆菌门、绿弯菌门、疣微菌门、芽单孢菌门、拟杆菌门丰度明显增加，变形菌门、浮霉菌门、GAL15门和AD－3门丰度降低，而Kolton等添加柑橘生物炭于沙质土壤发现，拟杆菌门特别是黄杆菌属丰度增加，而变形菌门丰度降低，但变形菌门中纤维弧菌属、噬氢菌属和脱氯单孢菌属丰度增加。本试验在生物炭施用量20～60t/hm2内，可明显提高土壤变形菌门、放线菌门、厚壁菌门丰度而降低酸杆菌门、绿弯菌门的丰度；在科分类水平则明显提高变形菌门生丝微菌科、红螺菌科、鞘脂单胞菌科、中华杆菌科、鱼立克次体科、放线菌门小单孢菌科，厚壁菌门芽孢杆菌1科丰度，而降低酸杆菌门Gp6科、Gp16科、Gp4科丰度。试验中生物炭对细菌群落丰度影响方面与前人的验结果并不完全一致，这可能与试验中具体的温室土壤生态环境、玉米秸秆生物炭特性、黄瓜根系吸收和分泌等因素有关。
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微生物是土壤有机质形成和养分转化循环的重要动力，并影响和调控土壤酶活性；反之，土壤养分和酶活性状况也深刻影响微生物种类和数量，三者间存在紧密关系。土壤微生物是土壤酶的来源之一，土壤酶活性是评价土壤肥力、生物学活性和生产力的重要指标，活性越高则土壤生产性状越好。在本试验中，土壤养分含量与脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性间大多呈显著或极显著正相关关系，说明二者间关系密切。有效磷、速效钾含量与变形菌门中华杆菌科比例、放线菌门小单孢菌科比例均显著或极显著正相关，说明变形菌门中华杆菌科和放线菌门小单孢菌科对土壤有效磷和速效钾形成起到较为重要的促进作用。有效磷、速效钾含量与酸杆菌门比例显著负相关，可能是由于生物炭偏碱性，施入土壤后在一定程度抑制了喜酸性的酸杆菌门细菌生长，而促进了变形菌门中华杆菌科、放线菌门小单孢菌科等其他细菌群落的生长繁殖，并增加其丰度，从而促进有效磷、速效钾的形成和转化。
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四、结论
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日光温室黄瓜土壤施入生物炭5～60t/hm2后，结果盛期均不同程度提高根际土壤全氮、有机碳、碱解氮、有效磷、速效钾含量和脲酶、蔗糖酶活性；20～60t/hm2施入量可明显提高根际土壤变形菌门生丝微菌科、红螺菌科、鞘脂单胞菌科、中华杆菌科、鱼立克次体科、放线菌门小单孢菌科，厚壁菌门芽孢杆菌1科丰度而降低酸杆菌门Gp6科、Gp16科、Gp4科丰度。
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试验中根际土壤养分因子和脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性因子间大多显著正相关，有效磷、速效钾含量与变形菌门中华杆菌科比例、放线菌门小单孢菌科比例均显著正相关，而二者均与酸杆菌门比例显著负相关。
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综合分析认为:20t/hm2生物炭处理效果最明显，与对照相比，在结果期分别极显著提高0～20cm根际土壤全氮、有机碳、碱解氮、有效磷、速效钾含量和脲酶、蔗糖酶活性，分别为73.77%、82.89%、39.86%、135.95%、81.35%和31.58%、52.43%，并且明显提高根际土壤细菌中低级物种和高级物种的丰度。在今后研究中应加强生物炭施入后对温室土壤生态因子后续长期影响方面的相关探索。
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第五节 生物炭对日光温室黄瓜根际土壤细菌群落结构及植株生长的影响
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一、试验材料和方法
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1. 试验材料
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黄瓜选用栽培品种“改良津春2号”，购于正规种子经销处。试验温室土壤类型为沙壤土，基本理化性状为：有机质含量为42.60g/kg，全氮1.39g/kg，全磷1.43g/kg，全钾13.67g/kg。生物炭购于辽宁金和农业开发有限公司，为玉米秸秆在400℃缺氧条件燃烧8h制成，碳、氮、氢质量分数分别为47.17%、0.71%、3.83%，碳氮比67.03%，pH 9.04，有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为925.74g/kg、159.15g/kg、394.18g/kg和783.98g/kg。试验分别于2015年和2016年3～7月在内蒙古农业大学科技园区日光温室中进行。
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2. 测定方法
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采用随机区组处理，在黄瓜定植前，土壤表层0～30cm每公顷分别均匀施入5t（C5）、10t（C10）、20t（C20）、40t（C40）和60t（C60）生物炭，以不施生物炭为对照（CK）。日光温室南北跨度为7m，东西长50m。黄瓜于4月15日定植，采用小高垄栽培，株行距为35cm×50cm。在结果盛期（6月20日）测定黄瓜茎粗、根系数、根总体积、叶面积，在结果后期（7月20日）测定黄瓜干重和总产量。茎粗用游标卡尺固定测定植株下部茎部直径；黄瓜根系数为统计长度超过0.5cm的一级侧根和二级侧根的总和；根总体积是将根系均匀平铺于Epson Perfv700扫描仪进行扫描，用WinRHIZO Pro2009a软件分析测得；叶面积采用叶形纸称重法；黄瓜干重采用烘干法测定；总产量使用千分之一天平测定。每个处理重复3次，每个重复随机选取3株进行数据测定。在结果盛期采用抖落法对各处理分别取3处样地0～20cm根际土壤均匀混合，测定有机碳、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量，各处理重复3次。每个处理重复取3次根际土壤均匀混合并过2mm筛，测定细菌群落。细菌群落用16S rDNA扩增子测序技术（16S rDNA Amplicon Sequencing）进行测定，基于Illumina HiSeq测序平台，利用双末端测序（Paired-End）的方法，构建小片段文库进行双末端测序。对最终获得的clean数据进行物种分类学分析。
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3. 数据处理及分析
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微生物数据采用通过Illumina HiSeq测序平台得到的下机数据，然后进行拼接和质控，得到Clean Tags，再进行嵌合体过滤，得到可用于后续分析的有效数据，即Effective Tags。经过以上处理后得到的Tags需要进行去除嵌合体序列的处理，Tags序列通过与数据库进行比对检测嵌合体序列，并去除其中的嵌合体序列，得到最终的有效数据，用R语言绘制Heatmap。其他数据用Microsoft Excel 2003软件整理，用SPSS19.0软件进行方差分析。
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二、结果与分析
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1. 不同处理对黄瓜结果盛期植株生长和产量的影响
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由表4-20可见，在黄瓜结果盛期，各处理的茎粗、根系数、根总体积、总产量均高于对照，C40处理的叶面积指数高于对照，C20、C40和C60处理的黄瓜干重高于对照。与对照相比，茎粗最大的是C40处理，比对照高8.10%，但与对照差异不显著；对于根系数，C10、C20、C40和C60处理与对照差异显著，分别比对照高36.01%、36.11%、49.65%和56.75%；对于根总体积，各处理均与对照呈极显著差异，C5、C10、C20、C40和C60处理分别比对照高29.31%、68.50%、72.41%、78.37%和88.09%；对于叶面积指数，C40处理比对照高8.61%，与对照差异不显著；对于黄瓜干重，C20和C40处理分别比对照高11.66%和12.34%，但与对照差异不显著；对于总产量，C20和C40处理与对照差异显著，而其他处理与对照差异不显著，C5、C10、C20、C40和C60处理分别比对照高4.43%、5.31%、12.15%、6.10%和2.65%。
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表4-20 不同处理对黄瓜结果盛期植株生长和产量的影响
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2. 生物炭对黄瓜根际土壤细菌门、纲、科、属分类水平丰度的影响
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从表4-21可以看出，细菌在门分类水平上占优势的为变形菌门、酸杆菌门、放线菌门、绿弯菌门、厚壁菌门、芽单胞菌门、拟杆菌门。与对照相比，优势门所占比例明显增多的有变形菌门、放线菌门、厚壁菌门和拟杆菌门，而绿弯菌门只有C10处理高于对照，芽单胞菌门只有C20处理高于对照，酸杆菌门只有C10处理略高于对照。与对照相比，变形菌门所占比例C20、C40和C60处理显著高于对照，分别比对照高21.18%、22.06%和13.24%；放线菌门各处理均高于对照，C5、C10、C20、C40和C60处理分别比对照高4.55%、5.84%、18.83%、18.83%和30.52%；厚壁菌门各处理均高于对照，C5、C10、C20、C40和C60处理分别比对照高7.14%、10.71%、26.79%、17.86%和53.57%；拟杆菌门各处理均高于对照，C5、C10、C20、C40和C60处理分别比对照高10.00%、50.00%、30.00%、15.00%和10.00%。
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表4-21 细菌在门、纲、科、属分类水平的丰度比较
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表4-21 细菌在门、纲、科、属分类水平的丰度比较（续）-1
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表4-21 细菌在门、纲、科、属分类水平的丰度比较（续）-2
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从表4-21可以看出，细菌在纲分类水平上占优势的纲一共有17个，其中物种总数超过10000种的纲为变形菌门α－变形菌纲、放线菌门放线菌纲和酸杆菌门Gp6酸杆菌纲。与对照相比，优势纲所占比例明显增多的有变形菌门γ－变形菌纲、放线菌门放线菌纲、厚壁菌门杆菌纲、拟杆菌门鞘脂杆菌纲。对于C20、C40处理，只有酸杆菌门Gp6酸杆菌纲、酸杆菌门Gp16酸杆菌纲、酸杆菌门Gp4酸杆菌纲、绿弯菌门厌氧绳菌纲、绿弯菌门Gitt－GS－136纲低于对照，其他纲均高于对照。
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从表4-21可以看出，细菌在科分类水平上占优势的科一共有12个，酸杆菌门Gp6科的物种总数最多。与对照相比，所有处理均高于对照的科有变形菌门中华杆菌科、放线菌门小单孢菌科和厚壁菌门芽孢杆菌1科。对于酸杆菌门Gp6科和酸杆菌门Gp4科只有C10处理高于对照，而其他处理均低于对照。变形菌门生丝微菌科的C20、C40、C60处理均高于对照，分别比对照高20.41%、40.82%和38.78%。变形菌门红螺菌科的C20、C40、C60处理均高于对照，分别比对照高31.03%、31.03%和20.69%。变形菌门鞘脂单胞菌科的C20、C40、C60处理均高于对照，分别比对照高9.52%、19.05%和28.57%。变形菌门中华杆菌科的各处理均高于对照，C5、C10、C20、C40和C60处理分别比对照高24.14%、13.79%和37.93%、48.28%和31.03%。变形菌门鱼立克次体科的C20、C40、C60处理均高于对照，分别比对照高25.00%、12.50%和6.25%。放线菌门小单孢菌科的各处理均高于对照，C5、C10、C20、C40和C60处理分别比对照高7.69%、7.69%和46.15%、69.23%和46.15%。厚壁菌门芽孢杆菌1科的各处理均高于对照，C5、C10、C20、C40和C60处理分别比对照高25.00%、8.33%和41.67%、16.67%和66.67%。
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从表4-21可以看出，细菌在属分类水平上的优势属一共有9个，其中包含4个未分类的属，已经命名的属为酸杆菌门Gp6属、酸杆菌门Gp16属、酸杆菌门Gp4属、变形菌门生丝微菌属和变形菌门紫色非硫细菌属。与对照相比，酸杆菌门Gp6属只有C10处理高4.90%，其他处理均低于对照；酸酐菌门Gp16属各处理均低于对照；酸杆菌门Gp4属只有C10处理高4.00%，其他处理均低于对照；变形菌门生丝微菌属的C20、C40、C60处理均高于对照，分别比对照高33.33%、58.33%和58.33%；变形菌门紫色非硫细菌属的C20、C40、C60处理均高于对照，分别比对照高20.00%、33.33%和6.67%。
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三、讨论与结论
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武春成等研究表明，连作土壤施用适量的生物炭可以显著降低土壤容重和电导率，提高田间持水量、pH和速效钾含量，降低土壤真菌和尖孢镰刀菌数量，提高细菌数量和细菌/真菌比值，从而改善黄瓜根际土壤微生态环境，促进黄瓜生长和产量提高。李明等研究表明，生物炭可以通过改善土壤性质，间接影响微生物群落结构，提高微生物量碳和总量PLFAs表征的微生物生物量水平。刘思宇等认为，施用益生菌后，蔬菜苗床土壤微生物数量明显增多，随着益生菌施用浓度的增加，不同蔬菜苗床土壤微生物呈现出不同的变化趋势，茄子、黄瓜、甘蓝施用浓度分别为0.3%、0.5%和0.7%。安启坤等研究结果表明：生物炭能够改变土壤功能微生物的生长状况，但是对于不同的微生物，生物炭的作用效果不同。对于部分细菌存在明显生长促进作用，其中对芽单胞菌门细菌的促进和吸附作用较明显；而对于另外一部分细菌，生物炭对其生长基本没有影响或有较小的抑制作用。陈敏等研究表明，生物炭的施用促进了土壤中微生物数量的增加，且增施生物炭后增加了烤后烟叶的总产量。谷思玉等研究表明，土壤中施入生物炭对大豆根际土壤养分含量及微生物数量产生显著影响，在300～1500kg/hm2范围内，土壤中细菌、真菌和放线菌的数量分别提高1.95倍、1.65倍和1.69倍。本研究通过针对设施黄瓜添加不同量生物炭对黄瓜生长、及根际微生物的影响结果与前人研究结果一致，生物炭的添加均能促进黄瓜植株生长，增加根际土壤微生物的数量与多样性。在土壤中施入生物炭后，在黄瓜结果盛期，各处理的茎粗、根系数、根总体积、总产量均有不同程度的提高，生物炭施用量为20t/hm2可提高黄瓜的根系数36.11%、根总体积72.41%、黄瓜干重11.66%、总产量12.15%。生物炭施用量为20t/hm2、40t/hm2、60t/hm2等较高浓度时对根际土壤细菌的丰度影响较明显，可明显提高变形菌门生丝微菌科、变形菌门红螺菌科、变形菌门鞘脂单胞菌科、变形菌门中华杆菌科、变形菌门鱼立克次体科、放线菌门小单孢菌科、厚壁菌门芽孢杆菌1科的比例，提高变形菌门生丝微菌属、变形菌门紫色非硫细菌属的比例。土壤中还有很多有益真菌，生物炭对其有无影响，还需在今后的试验中进一步探明。
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第六节 生物炭对日光温室无土基质栽培黄瓜根际土壤细菌群落的影响
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一、材料与方法
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1. 试验材料
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试验于2017年3～7月在内蒙古农业大学设施园艺基地进行，试验所用日光温室南北跨度7m，东西长52m，黄瓜品种为“津春改良2号”。试验前对日光温室进行改造，建立栽培槽，槽内径宽48cm、长6m、深40cm。试验所用进口基质原产地为德国，购于寿光欣欣然园艺有限公司，国产基质购于内蒙古蒙肥生物科技有限公司，生物炭购买于辽宁金和福农业开发有限公司。
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2. 试验方法
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采用田间试验法，以正常定植土壤（L_7_2）为对照（CK），设进口基质（JS）、进口基质并添加生物炭20kg/hm2（JSJ）、国产基质（JM）、国产基质并添加生物炭20kg/hm2（JMJ）4个处理。黄瓜苗4月6日定植，种植密度42000株/hm2，每个处理小区面积12m2，重复3次，各处理生长期光温水肥等管理措施一致。在黄瓜结果盛期（6月10日）用抖落法分别取各处理间距2～3m的6处样地0～20cm根际土壤均匀混合，测定细菌群落。
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3. 项目测定
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细菌物种用16S rDNA高通量测序法测定，采用双可变区鉴定菌种，使用高可变区PCR扩增产物建库，文库构建遵循Illumina测序仪文库构建方法，以V3、V4为目标区域进行引物设计，使用DNA模板50ng、25μL的PCR体系，使用Phusion酶扩增25～35个循环，扩增后PCR产物使用Beads纯化，之后将构建好的文库上样到cBots或簇生成系统，用于簇生成及MiSeq测序，对测序获得数据进行样品区分、拼接、过滤及Q20、Q30等质控分析，对最终获得的clean数据进行OUT聚类分析和物种分类学分析。
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4. 数据分析
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试验数据用Microsoft Excel 2007软件整理，用RDP、Greengenes和NCBI数据库资源做细菌物种分类分析，并用R语言绘制物种Heatmap。在不同分类水平上列出比例最大的前20种优势细菌群落，通过不同颜色和长度反映各处理细菌群落组成的差异性和比例，基于各处理的OUT组成分析结果，用euclidean、unweighted unifrac、weighted unifrac三种不同算法计算样品间距离矩阵，用UPGMA（Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean）方法对样品进行丰度相似性聚类，将聚类后结果表示在Heatmap上。
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二、结果与分析
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1. 门分类水平上不同处理对黄瓜根际土壤细菌群落结构的影响
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从图4-4可以看出，在门分类水平上，进口基质与进口基质并添加生物炭20kg/hm2归为一类，国产基质与上述二者有所差别，对照与上述三者有所差别，而国产基质并添加生物炭20kg/hm2与上述四者有所差别。构成黄瓜根际土壤优势细菌群落结构的为变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes），占到各细菌群落比例93.34%～95.61%。与对照相比，各处理可明显提高变形菌门、放线菌门比例，而降低酸杆菌门比例。与对照相比，进口基质添加生物炭20kg/hm2处理可明显提高变形菌门比例30.84%、放线菌门比例9.91%，降低酸杆菌门比例18.40%、绿弯菌门比例59.37%、厚壁菌门比例82.55%。
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图4-4 门分类水平上各处理细菌群落结构和物种Heatmap
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2. 纲分类水平上不同处理对黄瓜根际土壤细菌群落结构的影响
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由图4-5可知，在纲分类水平上，进口基质与进口基质并添加生物炭20kg/hm2归为一类，对照独自归为一类并与上述二者有所差别，国产基质与国产基质并添加生物炭20kg/hm2归为一类并与上述三者有所差别。除去3个未分类的纲，构成黄瓜根际优势细菌群落结构的为α－变形菌纲（Alphaproteobacteria）、放线菌纲（Actinobacteria）、γ－变形菌纲（Gammaproteobacteria）、β－变形菌纲（Betaproteobacteria）、酸杆菌Gp6纲（Acidobacteria_Gp6）、δ－变形菌纲（Deltaproteobacteria）、芽单胞菌纲（Gemmatimonadetes）、鞘脂杆菌纲（Sphingobacteriia）、厌氧绳菌纲（Anaerolineae）、酸杆菌Gp16纲（Acidobacteria_Gp16）、纤维粘网菌纲（Cytophagia）、酸杆菌Gp4纲（Acidobacteria_Gp4），占到各细菌群落比例73.22%～84.49%。与对照相比，各处理可明显提高α－变形菌纲、放线菌纲比例，而降低酸杆菌Gp6纲、δ－变形菌纲、纤维粘网菌纲和酸杆菌Gp4纲比例。与对照相比，进口基质添加生物炭20kg/hm2处理可明显提高α－变形菌纲比例71.61%、放线菌纲比例11.35%、β－变形菌纲比例109.35%、芽单胞菌纲比例20.41%、鞘脂杆菌纲比例23.69%、酸杆菌Gp16纲比例135.95%。
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3. 目分类水平上不同处理对黄瓜根际土壤细菌群落结构的影响
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图4-6表明，在目分类水平上，各处理聚类结果与纲分类水平上一致，除去8个未分类的目，构成黄瓜根际优势细菌群落结构的为放线菌目（Actinomycetales）、根瘤菌目（Rhizobiales）、黄色单胞菌目（Xanthomonadales）、Gp6目、鞘脂单胞菌目（Sphingomonadales）、芽单胞菌目（Gemmatimonadales）、红螺菌目（Rhodospirillales）、鞘脂杆菌目（Sphingobacteriales）、黏球菌目（Myxococcales）、Gp16、伯克氏菌目（Burkholderiales）、酸微菌目（Acidimicrobiales），占到各细菌群落比例43.45%～64.61%。与对照相比，各处理可明显提高放线菌目、根瘤菌目、黄色单胞菌目比例，降低Gp6目、酸微菌目比例。与对照相比，进口基质添加生物炭20kg/hm2处理可明显提高放线菌目比例74.66%、根瘤菌目比例100.18%、黄色单胞菌目比例32.42%、鞘脂单胞菌目比例77.18%、芽单胞菌目20.41%、鞘脂杆菌目25.20%、Gp16比例135.95%、伯克氏菌目比例185.57%，降低Gp6目比例16.20%、红螺菌目比例9.35%、酸微菌目比例59.40%。
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图4-5 纲分类水平上各处理细菌群落结构和物种Heatmap
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图4-6 目分类水平上各处理细菌群落结构和物种Heatmap
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4. 科分类水平上不同处理对黄瓜根际土壤细菌群落结构的影响
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从图4-7可以看出，在科分类水平上，各处理聚类结果与纲分类水平上一致，除去10个未分类的科，构成黄瓜根际优势细菌群落结构的为Gp6科、黄色单胞菌科（Xanthomonadaceae）、鞘脂单胞菌科（Sphingomonadaceae）、芽单胞菌科（Gemmatimonadaceae）、高温单孢菌科（Thermomonosporaceae）、Gp16科、Chitinophagaceae、生丝微菌科（Hyphomicrobiaceae）、链霉菌科（Streptomycetaceae）、类诺卡氏菌科（Nocardioidaceae），占到各细菌群落比例22.32%～33.12%。与对照相比，各处理可明显提高黄色单胞菌科、链霉菌科、类诺卡氏菌科比例。与对照相比，进口基质添加生物炭20kg/hm2处理可明显提高黄色单胞菌科比例135.91%、鞘脂单胞菌科比例69.91%、芽单胞菌科比例25.16%、Gp16科比例135.95%、Chitinophagaceae比例77.78%、链霉菌科比例144.64%、类诺卡氏菌科比例146.43%，降低Gp6科比例16.20%、生丝微菌科比例19.59%。
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三、讨论
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图4-7 科分类水平上各处理细菌群落结构和物种Heatmap
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张又驰等研究表明，生物炭通过促进菌根菌类微生物的生长增加其多糖分泌，从而增加土壤的固碳量，生物炭施入会增加微生物介导碳的矿化和氮的循环。李明等研究表明，适量添加生物炭可以不同程度提高黄瓜结果期根际土壤细菌变形菌门、放线菌门和厚壁菌门丰度而降低酸杆菌门、绿弯菌门丰度。顾美英等研究表明，施用生物炭均可提高新疆连作棉田根际土壤细菌和真菌数量，低量和高量生物炭处理分别提高风沙土细菌数量16.1%和35.7%，真菌数量均提高300.0%，风沙土根际和非根际土壤五类生理菌群的数量均显著提高。李明等研究表明，添加生物炭处理，微生物量碳比对照增加63.4%，秸秆炭的输入可以增加革兰氏阴性细菌（G－）、革兰氏阳性细菌（G+）、放线菌和真菌的含量，生物炭的添加可以通过改变土壤性质间接影响微生物的群落结构。本试验中生物炭的添加可以增加根际细菌的丰度，与前人研究一致。武春成等研究表明，营养基质栽培改变了黄瓜的细菌种群结构，明显提高了黄瓜根际土壤的细菌／真菌比值而降低了真菌数量，从而有助于土壤生态系统稳定性的提高，促进了黄瓜植株生长及产量提高。邹春娇等研究表明，采用营养基质栽培黄瓜，连作第五茬黄瓜产量显著高于其他茬次，微生物碳代谢能力、微生物多样性各项指标及对单一碳源的高利用碳源数均在各茬次中最高。本试验表明，进口基质并添加生物炭20kg/hm2（JSJ）处理可明显改变黄瓜根际土壤细菌群落结构，在门分类水平上，明显提高变形菌门比例30.84%、放线菌门比例9.91%；在科分类水平上，明显提高黄色单胞菌科比例135.91%、鞘脂单胞菌科比例69.91%、芽单胞菌科比例25.16%、Gp16科比例135.95%、Chitinophagaceae比例77.78%、链霉菌科比例144.64%、类诺卡氏菌科比例146.43%。上述研究结果在一定程度上补充和丰富了前人的研究。
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四、结论
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在寒旱区日光温室利用无土栽培基质代替土壤，同时施入适量的生物炭可以明显增加黄瓜根际微生物丰度，在纲、目、科的聚类分析上，均表现为进口基质与进口基质并添加生物炭20kg/hm2归为一类，对照独自归为一类并与上述二者有所差别，国产基质与国产基质并添加生物炭20kg/hm2归为一类并与上述三者有所差别。进口基质并添加生物炭20kg/hm2（JSJ）处理可降低根际土壤酸杆菌门、绿弯菌门、厚壁菌门、Gp6目、红螺菌目、酸微菌目、Gp6科、生丝微菌科比例，提高变形菌门、放线菌门、α－变形菌纲、放线菌纲、放线菌目、根瘤菌目、黄色单胞菌目、鞘脂单胞菌目、芽单胞菌目、鞘脂杆菌目、Gp16目、伯克氏菌目、黄色单胞菌科、鞘脂单胞菌科、芽单胞菌科、Gp16科、Chitinophagaceae、链霉菌科、类诺卡氏菌科比例，通过增加根际土壤氮、磷、钾速效养分供给，促进根际纤维素生成葡萄糖，刺激根系对铁吸收并促进根系生长等，最终促进黄瓜植株的生长和产量的提高。
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第五章 秸秆绿肥和基质调控日光温室黄瓜根土互作机理的研究
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第一节 秸秆绿肥调控日光温室黄瓜根土互作机理研究
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一、试验材料和方法
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1. 试验材料
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试验于2017年3～7月在内蒙古农业大学设施园艺基地进行，试验所用日光温室南北跨度7m，东西长52m，黄瓜品种为“津春改良2号”。土壤类型为沙壤土，有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为41.16g/kg、1.31g/kg、1.37g/kg、12.48g/kg，容重1.28g/cm3，电导率106.82μS/cm。
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2. 试验方法
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采用田间试验法，以正常定植土壤设为对照（CK），设A1、A2、A33种处理，分别为在黄瓜定植前40d播撒240kg/hm2、120kg/hm2、60kg/hm2高粱种子，在黄瓜定植前将长出的高粱植株翻入土壤中作绿肥。黄瓜苗4月10日定植，种植密度42000株/hm2，每个处理小区面积14m2，重复3次，各处理生长期管理措施一致。在黄瓜结果盛期（6月15日），测定植株根系数、根总体积、根冠比、茎粗、总叶面积、单株结瓜数和总产量。各处理均用抖落法分别取6处样地0～20cm根际土壤，均匀混合测定细菌群落；用抖落法取0～20cm根际土壤，测定有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量以及过氧化氢酶、脲酶活性。
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3. 测定方法
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根系数统计长度超过0.5cm的一级和二级侧根总和，根总体积通过将根系平铺于Epson Perfv700扫描仪进行扫描并用Win-RHIZO Pro 2009a软件分析测得，根冠比通过植株地下部和地上部干重比值计算，茎粗用游标卡尺测定，叶片总面积用叶面积扫描仪测定，产量使用千分之一天平测定。土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别用重铬酸钾外加热法、碱解－扩散法、碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法和乙酸铵浸提－火焰光度计法测定，过氧化氢酶活性测定用高锰酸钾滴定法，脲酶活性用奈氏比色法。细菌物种用16SrDNA高通量测序法测定，采用双可变区鉴定菌种，使用高可变区PCR扩增产物建库，文库构建遵循Illumina测序仪文库构建方法，以V3、V4为目标区域进行引物设计，使用DNA模板50ng、25μL的PCR体系，使用Phusion酶扩增25～35个循环，扩增后PCR产物使用Beads纯化，之后将构建好文库上样到cBots或簇生成系统，用于簇生成和MiSeq测序，对测序获得数据进行样品区分、拼接、过滤及Q20、Q30等质控分析，对最终获得的数据进行OUT聚类分析和物种分类学分析。
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4. 数据处理及分析
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试验数据用Microsoft Excel 2007软件整理，处理间生长指标差异用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA），显著性水平为0.05，结果以平均值±标准差的形式来表示，用SPSS 19.0软件做数据间Pearson相关分析；用RDP、Greengenes和NCBI数据库资源做细菌物种分类分析并用R语言绘制物种热图，在不同分类水平上列出比例最大的前20种优势菌群，通过不同颜色和长度反映各处理细菌群落组成的差异性和比例，基于各处理的OUT组成分析结果，用欧氏距离、未加权unifrac距离、加权unifrac距离三种不同算法计算样品间距离矩阵，用UPGMA（Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean）方法对样品进行丰度相似性聚类，将聚类结果表示在热图上。
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二、结果与分析
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1. 不同处理对黄瓜根际土壤养分指标的影响
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从表5-1可见，在黄瓜结果期，与对照相比，A1、A2、A3处理分别显著提高土壤有机质含量31.66%、15.55%、10.61%，分别显著提高碱解氮含量8.75%、5.35%、3.13%，分别显著提高有效磷含量13.89%、16.86%、20.65%，分别显著提高速效钾含量16.86%、16.45%、21.07%；与对照相比，过氧化氢酶活性各处理差异不显著，脲酶活性A1处理显著提高6.85%，而A2、A3处理差异不显著。
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2. 不同处理对黄瓜结果期生长和产量的影响
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从表5-2可见，在黄瓜结果期，与对照相比，根冠比各处理与对照差异不显著，根系数、总叶面积A1、A2处理均显著高于对照，而A3处理与对照差异不显著。对于茎粗、根总体积、单株结瓜数和总产量，A1处理均显著高出对照，而A2、A3处理均与对照差异不显著。综合来看，A1处理效果最显著，而A2、A3处理则与对照差异不显著。与对照相比，A1处理可显著提高结果期黄瓜茎粗12.83%、根系数15.81%、根总体积24.11%、总叶面积11.43%、单株结瓜数10.97%、总产量9.81%。与对照相比，A1处理每公顷可提高黄瓜产量15.95t，而仅需投入240kg的高粱种子，塑料膜、工具等生产资料不需额外投资，日常也不需要管理，经济上可行；同时，设施土壤质量得到提升，具有一定的推广前景。
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3. 不同处理对黄瓜根际土壤细菌群落结构的影响
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从图5-1可见，在门分类水平上，对照和A3处理归为一类，A2处理与上述二者有所差别，而A1处理与上述三者类别差异最大。构成黄瓜根际土壤优势细菌群落结构的为变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、芽单胞菌门Gemmatimonadetes、拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes），占到各土壤细菌群落比例91.12%～93.59%。与对照相比，各处理可明显提高放线菌门、厚壁菌门比例而降低拟杆菌门比例。与对照相比，A1处理可明显提高变形菌门比例13.84%、放线菌门比例22.83%、厚壁菌门比例17.26%，降低酸杆菌门比例18.49%、绿弯菌门比例18.69%、拟杆菌门比例22.90%。
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表5-1 不同处理对黄瓜根际土壤养分指标的影响
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表5-2 不同处理对黄瓜结果期生长和产量的影响
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图5-1 门分类水平上各处理细菌群落结构和物种热图
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图5-2 科分类水平上各处理细菌群落结构和物种热图
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从图5-2可见，在科分类水平上，对照和A2处理归为一类，A3处理与上述二者有所差别，而A1处理与上述三者类别差异最大。构成黄瓜根际土壤优势细菌群落结构的为Gp6科、鞘脂单胞菌科（Sphingomonadaceae）、芽单胞菌科（Gemmatimonadaceae）、黄色单胞菌科（Xanthomonadaceae）、Gp16科、Gp4科、红螺菌科（Rhodospirillaceae）、中华杆菌科（Sinobacteraceae）、生丝微菌科（Hyphomicrobiaceae），占到各土壤细菌群落比例27.22%～29.50%。各处理可明显提高红螺菌科比例。与对照相比，A1处理可明显提高鞘脂单胞菌科比例12.27%、黄色单胞菌科比例16.41%、红螺菌科比例82.35%、中华杆菌科比例23.81%、生丝微菌科比例19.20%，降低Gp6科比例20.10%、Gp16科比例13.33%、Gp4科比例43.21%。
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4. 不同处理下黄瓜生长指标和根际土壤细菌菌落比例相关性分析
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从表5-3可见，在门分类水平上，变形菌门比例与茎粗、根总体积、根冠比、单株结瓜数、总产量均呈正相关关系（R>0.9），酸杆菌门比例与茎粗、总叶面积、总产量均显著负相关，绿弯菌门比例与脲酶活性显著负相关，厚壁菌门比例与有效磷含量显著正相关，并与速效钾含量正相关（R=0.945）；在科分类水平上，Gp6科比例与茎粗、总产量呈负相关关系（R<-0.9），Gp16科与过氧化氢酶活性显著负相关，鞘脂单胞菌科比例与脲酶活性显著正相关，黄色单胞菌科比例与根总体积显著正相关，并与茎粗、根冠比、单株结瓜数、总产量呈正相关关系（R>0.9），红螺菌科比例与根系数、总叶面积、碱解氮含量显著正相关，并与有机质含量呈正相关关系（R=0.933），中华杆菌科比例与脲酶活性显著正相关。
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三、讨论
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表5-3 黄瓜生长、土壤养分指标与细菌群落比例相关性分析
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赵秋等发现，二月兰、冬油菜、草木樨3种华北绿肥对生菜增产显著，利于促进生菜根系发育，促进叶片可溶性糖、蛋白质和维生素C含量积累。冯海萍等研究表明，高丹草翻压量为3.75t/hm2并配施80%比例化肥可降低设施土壤pH，显著提高土壤全氮、碱解氮和有效磷含量，显著增加芹菜产量、土壤总菌数、细菌和放线菌的数量，减少真菌数量和比例，处理效果较好。本试验中利用高粱绿肥可提高土壤养分含量并促进设施黄瓜生长，与前人研究结论一致，但高粱绿肥种植密度60～120kg/hm2时对黄瓜生长和产量作用并不明显，而种植密度240kg/hm2时促进黄瓜生长效果明显，黄瓜茎粗、根系数、根总体积、总叶面积、单株结瓜数、总产量以及土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量与脲酶活性均显著提高。
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白小军等发现，甜玉米、高丹草、苏丹草3种绿肥可在温室夏季休闲季产生较高生物量和养分积累量，降低土壤pH，提高土壤速效养分含量，增加总菌数、细菌和放线菌数量，减少真菌数量和比例，改善土壤微生态环境。赵秋等等研究表明，毛苕子与二月兰冬绿肥可提高华北玉米土壤有机碳含量4.5%～5.7%，显著提高细菌数量2.0～3.7倍。张黎明等的试验表明：绿肥翻压处理后，土壤细菌、真菌和放线菌数量分别提高36.29%、82.88%和9.16%。禾本科绿肥对土壤微生物数量影响最大，其次是豆科绿肥，十字花科绿肥影响较小。本试验表明240kg/hm2种植密度的高粱绿肥可明显改变黄瓜根际土壤细菌群落结构，在门分类水平上可明显提高变形菌门、放线菌门、厚壁菌门比例而降低酸杆菌门、绿弯菌门、拟杆菌门比例，在科分类水平上可明显提高鞘脂单胞菌科、黄色单胞菌科、红螺菌科、中华杆菌科、生丝微菌科比例而降低Gp6科、Gp16科、Gp4科比例，上述研究结果在一定程度上补充和丰富了前人的研究。
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根际微环境中微生物可不断从土壤和根系中得到碳源和养料，导致其特定微生物数量和种群分布高于根际外，且显著差异。同时，植物还可将光合同化产物转运至根际形成根际沉淀物，促进土壤微生物生长、代谢和富集。马晓梅等认为：根际微生物种群数量和分布与植物光合有一定关系，春季林木光合固碳量增多，根际微生物数量明显高于非根际；而秋季林木根系转运有机物减少，根际微生物数量显著降低。此外，根际微生物可参与根际微环境物质循环和能量流动过程，从而影响植物生长发育、抗逆性和养分的高效利用。一些研究表明：微生物不仅是土壤有机质形成、养分转化和循环的重要动力，而且影响和调控养分供给状态；反之，土壤养分状况也影响微生物种类和数量，二者间存在紧密关系。变形菌门比例增多和酸杆菌门比例的减少可提高黄瓜根际土壤速效养分含量。Fierer等研究表明：变形菌门相对丰度随土壤施氮量增加而上升，而酸杆菌却表现出相反趋势。黄色单胞菌能够在植物根际土壤中产β－葡萄糖苷酶，该酶是纤维素分解酶系中的重要组分，参与降解纤维素生成葡萄糖的过程；红螺菌具有固氮能力并可通过提高土壤肥力使作物增产，改善土壤环境利于根系发育，红螺菌代谢分泌物中含大量氨基酸和有机酸，可刺激植物根系对铁的吸收，促进作物生长。试验相关性分析表明：黄瓜生长和产量受到根际土壤中变形菌门促进而受到酸杆菌门抑制，绿弯菌门可抑制土壤脲酶活性，厚壁菌门提高土壤有效磷和速效钾含量；Gp6科可抑制黄瓜茎粗和产量提高，Gp16科抑制过氧化氢酶活性，鞘脂单胞菌科提高脲酶活性，黄色单胞菌科促进黄瓜生长和产量提高，红螺菌科促进黄瓜根系数、总叶面积及土壤碱解氮、有机质含量的提高，中华杆菌科提高土壤脲酶活性。进一步分析表明：240kg/hm2种植密度的高粱绿肥主要通过降低根际土壤酸杆菌门、绿弯菌门和提高鞘脂单胞菌科、中华杆菌科比例而提高土壤脲酶活性，通过提高厚壁菌门、红螺菌科比例促进有效磷、速效钾、碱解氮、有机质含量的提升，最终促进黄瓜生长和产量提高。
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四、结论
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在寒旱区日光温室早春黄瓜定植前，高粱绿肥种植密度为240kg/hm2时，可显著提高黄瓜根际土壤有机质含量31.66%、碱解氮含量8.75%、有效磷含量13.89%、速效钾含量16.86%、脲酶活性6.85%，同时可显著提高结果期黄瓜茎粗12.83%、根系数15.81%、根总体积24.11%、总叶面积11.43%、单株结瓜数10.97%、总产量9.81%。该处理方法经济上可行，并且土壤质量得到提升，具有一定的应用和推广前景。
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高粱绿肥处理（A1）可明显提高黄瓜根际土壤变形菌门、放线菌门、厚壁菌门比例，而降低酸杆菌门、绿弯菌门、拟杆菌门比例，明显提高鞘脂单胞菌科、黄色单胞菌科、红螺菌科、中华杆菌科、生丝微菌科比例，而降低Gp6科、Gp16科、Gp4科比例。该处理主要通过降低根际土壤酸杆菌门、绿弯菌门和提高鞘脂单胞菌科、中华杆菌科比例而提高脲酶活性，通过提高厚壁菌门、红螺菌科比例促进有效磷、速效钾、碱解氮、有机质的含量提升，最终促进黄瓜生长和产量提高。
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第二节 深翻和秸秆基质对日光温室黄瓜生长和产量的差异性研究
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一、试验材料和方法
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1. 试验材料
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试验于2015年3～7月在内蒙古农业大学设施园艺基地进行，种植黄瓜日光温室东西长50.00m、南北宽7.00m。试验黄瓜品种为“津春改良2号”，购买于正规种子销售店。秸秆添加量为1.20kg/m2。
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2. 测定方法
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黄瓜3月8日育苗，4月12日定植，定植方式为单垄双行，种植密度42000株/hm2，以添加秸秆不深翻为对照（CK），设置深翻30cm、50cm、80cm三种处理方式，每种处理均添加秸秆，依次记为SJ1、SJ2和SJ3，均用滴灌灌溉。在初花期（5月3日）以及结果前期（5月25日）、中期（6月10日）和后期（7月2日）分别测定叶片数、叶面积、株高、茎粗、叶片光合指标、根系数、根体积、根冠比，在结果盛期测定根分层，在结果后期测定单果重、单株产量和总产量。
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叶片数采用计数法测定；叶面积采用叶形纸称重法；株高用卷尺测定植株茎基部至生长点高度；茎粗用游标卡尺固定测定植株下部茎部直径；黄瓜根系数为统计长度超过0.5cm的植株一级侧根和二级侧根的总和；根总体积是将根系均匀平铺于Epson Perfv700扫描仪进行扫描，用WinRHIZO Pro2009a软件分析测得；根冠比为称量植株地上部和地下部干重后计算比值测得；叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率用美国LI－6400便携式光合测定仪测定；根分层是分别取不同深翻深度0～20cm、20～40cm土层的根系，并用千分之一天平称重测得；单果重、单株产量和总产量用千分之一天平测定。每个处理重复3次，每个重复随机选取3株进行数据测定。
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3. 数据处理及分析
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试验数据用Microsoft Excel 2003整理，用SPSS19.0软件进行方差分析和相关性分析。所得结果均以平均值±标准差表示。
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二、结果与分析
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1. 不同处理对黄瓜叶片数、叶面积指数的影响
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从表5-4可见，各处理的黄瓜叶片数均比对照多。在初花期，SJ3处理与对照差异极显著，比对照高34.90%，SJ1和SJ2处理与对照无显著差异；在结果前期，各处理与对照均无显著性差异，SJ3、SJ2处理都比对照高4.21%；在结果中期，SJ2和SJ3处理均与对照呈显著性差异，分别比对照高12.20%和3.57%，SJ1处理与对照无显著差异；在结果后期，SJ2处理与对照存在极显著差异，比对照高38.82%，SJ1和SJ3处理与对照无显著差异。各处理的叶面积指数均较对照高，与对照相比：在初花期，各处理均差异极显著，SJ2、SJ3和SJ1处理分别比对照高69.70%、39.39%和33.33%；在结果前期，SJ3和SJ2处理差异极显著而SJ1处理差异不显著，SJ2、SJ3处理分别比对照高35.82%、25.37%；在结果中期，SJ2处理差异显著而其他处理无显著差异，SJ2处理比对照高16.67%；在结果后期，SJ2处理差异显著而其他处理无显著差异，SJ2处理比对照高30.65%。
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2. 不同处理对黄瓜株高、茎粗的影响
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从表5-5可见，对于黄瓜株高：在初花期，SJ1、SJ2和SJ3处理均低于对照；在结果前期，只有SJ1处理高于对照但差异不显著；在结果中期，SJ1、SJ2和SJ3处理均高于对照，SJ2处理与对照呈极显著差异，比对照高22.98%；在结果后期，SJ1、SJ2和SJ3处理均高于对照，SJ2处理与对照呈极显著差异，比对照高19.63%。对于黄瓜茎粗：在初花期和结果前期，SJ1、SJ2和SJ3处理均低于对照；在结果中期，SJ1、SJ2和SJ3处理均高于对照，SJ2和SJ3与对照差异极显著，分别比对照高10.00%和9.17%；在结果后期，SJ1、SJ2和SJ3处理均高于对照，SJ2和SJ3与对照差异显著，分别比对照高6.52%和5.43%。随着黄瓜生育期的推进，深翻深度对株高和茎粗的影响逐渐加大。
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表5-4 不同处理对黄瓜叶片数、叶面积指数的影响
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表5-5 不同处理对黄瓜株高、茎粗的影响
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3. 不同处理对黄瓜叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率的影响
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从表5-6可见，对于叶片净光合速率：在初花期，各处理均低于对照；在结果前期，各处理都高于对照，与对照相比，SJ2处理差异显著，高于对照12.14%；在结果中期，各处理均高于对照，且均与对照呈极显著差异，SJ1、SJ2和SJ3处理分别比对照高20.48%、50.33%和65.79%；在结果后期，各处理均高于对照，且均与对照呈极显著差异，SJ1、SJ2和SJ3处理分别比对照高23.62%、55.03%和54.52%。对于叶片气孔导度：在初花期，各处理都低于对照；在结果前期，各处理均高于对照，与对照相比，SJ2处理差异极显著，高于对照26.92%；在结果中期，各处理均高于对照，SJ3处理与对照差异极显著，高于对照50.00%；在结果后期，各处理均高于对照，与对照相比，SJ2和SJ3处理差异极显著而SJ1处理差异显著，SJ1、SJ2和SJ3处理分别比对照高20.63%、44.44%和25.40%。对于叶片胞间CO2浓度，四个时期各处理均高于对照，与对照相比：在初花期，SJ2和SJ3差异极显著，分别较对照高36.52%好30.34%；在结果前期，SJ1、SJ2和SJ3处理差异极显著，分别比对照高23.62%、29.78%和18.86%；在结果中期，SJ2和SJ3处理差异极显著，分别比对照高30.47%和53.87%；在结果后期，SJ2和SJ3处理差异极显著，分别比对照高29.88%和27.88%。对于叶片蒸腾速率：在初花期，各处理均低于对照，SJ2和SJ3处理与对照无显著差异；在结果前期，各处理均低于对照，与对照相比，SJ1处理差异极显著，SJ2处理无显著差异，SJ3处理差异显著；在结果中期，各处理均高于对照，与对照相比，SJ2和SJ3处理差异极显著，SJ1处理差异显著，SJ2和SJ3处理分别比对照高25.97%和47.40%；在结果后期，各处理均高于对照，与对照相比，SJ3处理差异极显著，SJ1和SJ2处理差异显著，SJ1、SJ2和SJ3处理分别比对照高14.58%、31.35%和36.71%。
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表5-6 不同处理对黄瓜叶片光合特性的影响
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4. 不同处理对黄瓜根系数、根体积的影响
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从表5-7可见，对于根系数：在初花期，各处理均低于对照；在结果前期，SJ1处理高于对照且与对照呈极显著差异，比对照高12.16%；在结果中期，SJ2和SJ3处理均高于对照且与对照呈极显著差异，SJ2和SJ3处理分别比对照高48.01%和48.55%；在结果后期，各处理均高于对照，SJ2和SJ3处理与对照差异极显著，分别比对照高35.30%和69.46%。对于根体积：在初花期，各处理均低于对照但差异不显著；在结果前期，SJ1处理高于对照且呈极显著差异，比对照高29.28%，其他处理虽低于对照但差异不显著；在结果中期，各处理均高于对照且呈极显著差异，SJ1、SJ2和SJ3处理分别比对照高38.72%、25.85%和56.53%；在结果后期，SJ3处理比对照高61.35%，且差异极显著，其他处理与对照无显著差异。随着黄瓜生育期的推进，深翻深度对根系数和根体积的影响逐渐加大。
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5. 不同处理对黄瓜根冠比的影响
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从表5-8可见，在初花期，各处理均高于对照，各处理均与对照差异极显著，SJ1、SJ2和SJ3处理分别提高了25.00%、50.00%和75.00%；在结果前期，各处理均高于对照，与对照相比，SJ1、SJ2处理差异极显著，SJ3处理差异不显著，SJ1和SJ2处理分别提高了75.00%和50.00%；在结果中期，各处理均低于对照，但与对照相比差异不显著；在结果后期各处理与对照无差异。在结果前期，深翻对根冠比的影响较大，随着生育期的推进，深翻对根冠比的影响变小，到了结果后期深翻对根冠比没有影响。
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6. 不同处理对黄瓜根分层及产量的影响
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从表5-9可见，对于根的分层：0～20cm土层中，各处理根重的比例均低于对照，与对照相比，SJ2和SJ3处理差异显著，SJ1处理差异不显著；20～40土层中，各处理根重的比例均高于对照，与对照相比，SJ1、SJ2和SJ3处理分别提高了29.41%、35.29%和47.06%，其中SJ2和SJ3处理差异显著，SJ1处理差异不显著。对于产量：各处理的单果重均比对照增高，其中SJ1和SJ2处理与对照差异不显著，SJ3处理与对照差异显著；各处理的单株产量均高于对照，与对照相比，SJ1、SJ2和SJ3处理分别提高15.38%、23.05%和26.70%，且均达到极显著差异；各处理的总产量均高于对照，与对照相比，SJ1、SJ2和SJ3处理分别提高11.25%、17.62%和18.32%，且均达到极显著差异。
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表5-7 不同处理对黄瓜根系数、根体积的影响
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表5-8 不同处理对黄瓜根冠比的影响
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7. 黄瓜光合特性、地上部生长指标与地下部生长指标之间相关性分析
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从表5-10分析可见，净光合速率与叶面积指数、株高、茎粗、叶片数、根系数和根体积呈极显著正相关关系，而与根冠比呈显著负相关关系；蒸腾速率与气孔导度和胞间CO2浓度呈显著正相关关系；叶面积指数与株高、茎粗、叶片数、根系数和根体积呈极显著正相关关系，而与根冠比呈极显著负相关关系；株高与茎粗、叶片数、根系数、根体积呈极显著正相关关系，而与根冠比呈极显著负相关关系；茎粗与叶片数、根系数和根体积呈极显著正相关关系而与根冠比呈极显著负相关关系；叶片数与根系数和根体积呈极显著正相关关系，而与根冠比呈显著负相关关系；根系数与根体积呈极显著正相关关系，而与根冠比呈显著负相关关系；根体积与根冠比呈极显著负相关关系。
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三、讨论与结论
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深翻50cm后添加秸秆：可显著提高黄瓜结果前期、中期和后期叶片数4.21%、12.20%和38.82%，可显著提高黄瓜初花期、结果前期、结果中期和结果后期叶面积指数69.70%、35.82%、16.67%和30.65%，可显著提高黄瓜结果中期、后期株高和茎粗；可显著提高黄瓜结果前期、中期和后期叶片光合特性；可显著提高黄瓜结果中期和后期根系数；可显著提高黄瓜20～40cm根的分布，深翻可以增加土层深处根的分配；可显著提高黄瓜产量。结合实际生产与黄瓜植株地上部与地下部的生长，认为50cm深翻并添加1.20kg/m2秸秆具有现实指导意义，在生产实践中推广价值较大。
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表5-9 不同处理对黄瓜根分层及产量的影响
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表5-10 黄瓜光合特性、地上部生长指标与地下部生长指标之间相关性分析
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张丽娟等研究表明，深翻后春玉米生长前期的干物质积累显著高于旋耕。李华伟等研究冬小麦表明，深翻可显著促进拔节后15～60cm土层根长密度、根干重密度及30～75cm土层根系总面积。战秀梅等发现，深松和深翻可以显著提高花后干物质的积累量及产量，促进根系的发育，尤其有利于30～60cm土层根系的发育，使根系在玉米生育后期保持相对较高的活力。郄春鹏等发现，深翻40cm可以显著提高三岛柴胡的根长、主根粗、根重和根平均干重／地上部平均干重。对于根的分层，我们只研究了0～20cm和20～40cm两个梯度，没有对40～60cm进行研究，以期今后可以补充。本实验三种处理均可不同程度提高黄瓜植株地上部与地下部的生长，并且可增加黄瓜产量，与前人对玉米和小麦的研究结果一致。在本实验中，未进行40cm和60cm深翻处理，没有得到这两个处理与50cm处理的比较，后期试验将进一步探明40cm、50cm和60cm深翻对设施黄瓜生长及产量的影响。本试验是在筛选不同秸秆添加量的试验基础上进行的，仅以最优秸秆添加量进行了深翻处理，未对不同秸秆添加量结合不同深翻深度进行综合处理，后期试验将进一步探明。
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