“土壤—根系—微生物及酶”根区土壤微环境是一个复杂的系统,各因素相互作用共同决定了土壤与地面植株之间的物质交换和能量流动,最终影响作物的生长发育与产量。在一定的肥力、气候、土壤基质条件下,特别是在干旱、半干旱缺水地区的大棚作物种植中,灌溉方式对土壤根区微环境变化具有不可忽视的影响,因此,研究不同覆膜滴灌模式条件下土壤微环境的变化过程,可揭示根区“土壤—根系—微生物及酶”的作用机理,为大棚作物合理配置灌溉技术与管理模式提供理论基础。本研究以大棚甜瓜和番茄根区土壤为对象,设置了不同的覆膜滴灌布设方式(覆膜方式、滴灌毛管密度、灌水下限)和滴灌供水方式(地上滴灌、地下滴灌、交替滴灌)等控制措施,应用高通量测序技术和传统微生物培养相结合的方法,研究了根区土壤微生物、细菌群落结构,以及根区土壤微生物、土壤酶、作物根系三者交互作用对根区土壤水热环境变化的响应,分析了根区“土壤—根系—微生物及酶”动态变化对土壤氮、磷等养分活化和吸收、作物生长、光合产物分配、产量和品质、土壤温室气体排放等的影响,探讨了大棚覆膜滴灌影响作物产量和品质的土壤内在机理,主要取得以下结论:(1)半膜覆盖可以提高土壤养分活性,促进作物生长,提高产量。半膜覆盖显著促进作物全生育期内根区土壤细菌、放线菌增长,保持较高根系活力,显著提高土壤酶活性,地上植株鲜质量和干质量分别比无膜覆盖显著提高12.45%和7.57%,根鲜质量分别比无膜和全膜覆盖显著高22.77%和10.83%,根冠比分别比无膜和全膜覆盖显著提高14.36%和16.92%。半膜覆盖有利于光合产物向果实分配,植株重比分别比无膜和全膜覆盖降低11.03%和8.34%,果实重比分别比无膜和全膜覆盖提高4.79%和3.31%,氮肥偏生产力比无膜和全膜覆盖显著提高22.64%和7.4%,甜瓜产量分别比无膜和全膜覆盖高29.26%和7.99%。(2)灌水量下限显著影响光合产物分配。60%F(Field capacity,F)根区土壤处在一定的干旱胁迫下,使光合产物更有利于向根系和植株分配,根重比分别比70%F和80%F显著增加13.74%和9.5%,植株重比比70%F显著增加13.92%,果实重比比70%F显著减少5.18%,氮肥偏生产力分别比70%F和80%F显著降低18.42%和16.45%;80%F根区土壤较高的土壤含水率使光合产物更多向植株分配,80%F植株重比比70%F显著增加13.12%;70%F根区土壤适中的土壤含水率,促进土壤养分活化利用,土壤全氮和有机质消耗比80%F显著增加151.8%和9.7%,使光合产物更多分配到果实,果实重比比80%F显著增加4.96%,甜瓜产量分别比60%和80%F显著高22.58%和2.42%。(3)毛管密度过大限制产量提升。3管4行毛管布设显著提高了甜瓜生育期根区土壤脲酶活性,促进根系生长,根冠比分别比1管2行和1管1行高17.75%和48.72%,光合产物更多向果实分配,果实重比比1管1行显著增加14.20%,甜瓜产量分别比1管2行和1管1行高3.37%和8.56%;1管2行毛管布设的开花坐果期根区土壤脲酶活性比3管4行显著高17.14%,果实膨大期和成熟期的根区土壤磷酸酶比3管4行分别高31.99%和15.06%,根冠比仅次于3管4行,也促进了光合产物向果实分配,果实重比比1管1行显著增加12.29%,甜瓜产量和氮肥偏生产力与3管4行无显著差异;1管1行毛管布设的根面积和根体积显著低于3管4行,根系活力劣于1管2行,甜瓜产量和氮肥偏生产力最低。(4)适宜灌水下限的交替滴灌促进根系生长,优化土壤细菌群落结构、促进土壤养分吸收,显著提高产量。60%f交替滴灌的根长、根面积和根分叉数分别为地面滴灌的1.41、1.33和2.26倍,根系活力显著提高45.81%;70%f交替滴灌根长、根面积和根分叉数分别为地面滴灌的1.27、1.29和2.86倍,根系活力显著提高48.60%。根系活力、根分叉数的提高显著增加了氮磷代谢等相关细菌丰度,优化了土壤细菌群落组成,促进土壤氮磷等养分活化和吸收,60%f、70%f交替滴灌的土壤速效氮分别是地面滴灌的2.19、1.91倍,土壤速效磷分别是地面滴灌的1.65、2.91倍,番茄根系全氮含量分别是地面滴灌的1.07、1.14倍,根系全磷含量分别是地面滴灌1.94、1.59倍,茎中全氮含量分别是地面滴灌的1.21、1.12倍,茎中全磷含量分别是地面滴灌的1.75、2.84倍,番茄单株产量分别比地面滴灌高12.77%、24.23%。(5)适中毛管埋深的地下滴灌改善土壤孔隙度,促进根系生长,提高土壤氮磷代谢、干物质累积和产量。毛管埋深20cm地下滴灌0-40cm土层内土壤孔隙度显著增加,毛管埋深30cm的0-10cm土壤孔隙度显著增加。土壤结构的改善,促进了作物根系生长,毛管埋深20cm的根长、根面积比地面滴灌显著高43.21%、20.82%,根分叉数为地面滴灌的2.76倍;毛管埋深30cm的根长比地面滴灌显著高46.10%,根分叉数为地面滴灌的2.22倍。根系生长提高土壤养分吸收利用,毛管埋深20cm、30cm的土壤速效氮分别是地面滴灌的2.28、1.54倍,土壤速效磷分别是地面滴灌的1.49、1.38倍,番茄根系全氮含量分别是地面滴灌的1.18、1.19倍,根系全磷含量分别是地面滴灌的1.47、1.20倍,茎中全氮含量分别是地面的1.11、1.03倍,茎中全磷含量分别是地面滴灌的1.66、1.07倍。土壤养分吸收的增加最终影响植株干物质累积、光合产物分配和产量提高,毛管埋深20cm的番茄茎干重、产量比地面滴灌显著高11.13%、22.35%。毛管埋深30cm的番茄干物质量、茎干重、叶干重、产量分别比地面滴灌显著高50.73%、92.67%、57.54%和19.53%。(6)适宜覆膜滴灌提高水分利用效率和改善果实品质。全膜和半膜覆盖处理的水分利用效率(iwue)分别比无膜高57.21%和56.41%,3管4行处理的iwue分别比1管1行和1管2行高3.54%和0.80%;半膜覆盖处理的甜瓜糖酸比分别为全膜和无膜覆盖的1.72和1.74倍,80%F处理的甜瓜糖酸比分别为60%F和70%F的1.61和2.08倍,1管2行处理的甜瓜糖酸比分别为1管1行和3管4行的1.57和1.5倍。70%F交替滴灌水分利用效率比地面滴灌显著提高17.05%,番茄果实有机酸显著降低43.75%、糖酸比为其1.97倍。60%F交替滴灌水分利用效率比地面滴灌显著提高19.54%,番茄果实可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白、番茄红素、糖酸比分别是地面滴灌的2.06、1.26、1.61、1.4、3.2倍。毛管埋深20 cm地下滴灌水分利用效率比地面滴灌显著高35.91%,番茄果实可溶性固形物、可溶性蛋白、维生素C、番茄红素含量及糖酸比分别显著提高10.86%、32.34%、35.66%、33.97%、53.01%。不同的覆膜方式、毛管布设密度、灌水量下限、滴灌供水方式(常规地面滴灌、地下滴灌、交替滴灌)显著改变了根区“土壤—根系—微生物及酶”,进而显著影响了作物生长。综合考虑土壤水分利用效率、土壤养分有效性、作物植株生长、果实产量及品质等因素,大棚种植覆膜滴灌设置中,半膜覆盖、1管2行毛管密度布设为适宜的布设方式,滴灌供水方式为常规地面滴灌,灌水下限采用苗期70%F、其他生育阶段80%F。交替滴灌显著促进根系生长,灌水下限60%F显著增加干物质累积、提高产量、改善果实品质,是可供选择的适宜灌水下限。毛管埋深20 cm、灌水下限60%F地下滴灌提高产量、改善品质,显著提高水分利用效率,也值得推荐。