不同礦化度微咸水灌溉對壓砂地 歐李光合作用及產(chǎn)量品質(zhì)的影響

張璐瑤，沈 暉,2,3，姚自凱，周海濤

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021； 3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

淡水資源短缺是世界性難題[1]，水資源供需不平衡的矛盾影響著農(nóng)業(yè)和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[2]，開發(fā)利用微咸水資源成為緩解淡水資源匱乏、擴大農(nóng)業(yè)水源、抗旱增產(chǎn)的重要手段[3]。我國西北地區(qū)干旱少雨，蒸發(fā)強烈，淡水缺乏但蘊藏地下微咸水(礦化度在2～5 g/L)資源88.7 億m3[4]，豐富的地下微咸水有很大的開發(fā)應(yīng)用前景。西北地區(qū)農(nóng)業(yè)是用水大戶[5]，壓砂地產(chǎn)業(yè)是西北地區(qū)的特色農(nóng)業(yè)。“壓砂地”又稱“砂田”，是用不同粒徑的礫石和粗砂覆蓋在土壤表面以達到蓄水保墑、增溫增滲等作用的獨特的保護性耕作方式，寧夏中部干旱帶環(huán)香山地區(qū)是以“壓砂瓜”為主打的壓砂地產(chǎn)業(yè)核心發(fā)展區(qū)之一，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來巨大的經(jīng)濟效益。但壓砂地老化及重茬種植等問題使得壓砂地生產(chǎn)力下降，壓砂瓜品質(zhì)降低[6]，直接影響了農(nóng)民的收入。為保持壓砂產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，提出了在香山地區(qū)引種歐李這一生態(tài)經(jīng)濟型灌木果樹[7]。歐李是我國特有的一種小灌木果樹，因果實富含人體易吸收的果酸鈣又被稱為“鈣果”，具有抗寒、耐旱、耐貧瘠、耐鹽堿、適應(yīng)性強等特點[8]，適宜在干旱半干旱地區(qū)種植。歐李集觀賞、食用、藥用以及生態(tài)價值于一體，是適合在老壓砂地引入的理想樹種[9]。

利用微咸水灌溉對作物影響的研究一直備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[3]，目前國內(nèi)外學(xué)者對小麥、棉花和玉米等糧食作物的研究較多[10]，而微咸水灌溉對歐李的影響研究還很少，一些學(xué)者對盆栽鹽脅迫條件下[11]和海濱鹽土情況下[5]歐李的生長發(fā)育[12]和生理特性[13]進行了研究，研究結(jié)果歐李顯示出了其耐鹽性。本試驗針對淡水資源短缺和老壓砂地問題，在壓砂地試驗條件下探尋不同礦化度微咸水灌溉對壓砂地歐李光合作用、產(chǎn)量及品質(zhì)等的影響，以期為合理利用當(dāng)?shù)匚⑾趟喔忍峁┛茖W(xué)的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017年4-9月在寧夏中衛(wèi)市興仁鎮(zhèn)拓寨柯村(北緯36°59′，東經(jīng)105°15′)進行。該地屬大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔1 723 m，年均氣溫9.7 ℃，無霜期145 d。試驗區(qū)地處寧夏中部干旱帶的核心地區(qū)，干旱少雨，2017年降水量163.5 mm，其中4-9月降雨120.7 mm，占全年的73.8%；光熱資源充足，太陽年總輻射量約為5 546.5 MJ/m2，光能利用最佳期4-9月，光輻射總量達3 518.1 MJ/m2，占全年的63.4%。

1.2 試驗材料

歐李品種采用“農(nóng)大5號”，2015年3月28日定植，行距1.5 m，株距0.8 m，種植密度556株/667 m2。供試大田為21年老壓砂地，土質(zhì)為砂壤土，砂石覆蓋厚度15～25 cm，土壤為肥力較高的強堿性非鹽漬化土，土壤基本理化性質(zhì)見表1。田間持水率θf為23.7%。試驗灌溉用水采用凈化水和地下微咸水，水質(zhì)情況如表2所示。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of the selected soil

表2 試驗灌溉用水水質(zhì)Tab.2 Quality of the irrigation water of test

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用對比設(shè)計，在歐李種植方式、施肥量及田間管理等均相同的條件下，設(shè)置灌溉水礦化度分別為淡水0.22 g/L(T0)、混水2.35 g/L(T1)和微咸水4.07 g/L(T2)，共3個處理，其中T0為對照，每個處理3個重復(fù)，共9個小區(qū)(每個小區(qū)3株)。淡化水由當(dāng)?shù)叵趟?jīng)寧夏大學(xué)自主研發(fā)的淡化咸水裝置過濾后而成，礦化度為0.1～0.4 g/L；混水由當(dāng)?shù)氐叵滤c凈化后的淡水按比例配制而成。由于開花期灌水會降低坐果率，試驗于開花期后根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤炅考癟DR觀測土壤含水率情況確定灌水日期，于2017年6月16日(幼果期)、2017年7月16日(硬核期)和2017年8月3日(果實膨大期)灌水，灌水方式與當(dāng)?shù)貧W李保持一致，采用補灌。2017年8月24日收獲各處理果實，采收時將果實與結(jié)果枝一起剪下。試驗各處理灌水方案如表3所示。

1.4 觀測內(nèi)容及方法

光合指標(biāo)：選擇晴朗天氣，每個處理選取生長健康、長勢一致、光照均勻的同位葉片，采用Li-6400便攜式光合儀在2017年7月7日和2017年8月15日8∶00-18∶00每隔2 h測量一次歐李葉片的光合指標(biāo)，得到凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)等光合指標(biāo)，各處理求取兩次測量平均值后繪制光合日變化曲線。

表3 不同礦化度微咸水灌溉試驗方案Tab.3 Experiment scheme on irrigating with brackish water in different salinity

葉綠素相對含量：在每株試驗歐李中層選取5片葉子，采用便攜式SPAD-502葉綠素儀測定試驗其葉片中部的SPAD值。取5片葉子的平均值作為該株歐李葉片葉綠素相對含量。測量時間為2017年7月5日(硬核期)、2017年7月30日(果實膨大期)和2017年8月23日(成熟期)。

單位面積產(chǎn)量：收獲歐李果實后，量取各小區(qū)果實產(chǎn)量，單位面積產(chǎn)量=小區(qū)產(chǎn)量÷小區(qū)株數(shù)×種植密度。

單果重：各小區(qū)果實各自混合均勻后，分別隨機選取100顆果實稱重，稱取數(shù)值除以100得出單果重。

品質(zhì)：果實采摘后送至農(nóng)產(chǎn)品檢測中心依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對鈣含量(GB/T5009.92-2016，火焰原子吸收光譜法)、可溶性固形物(NY/T2637-2014)、維生素C(GB5009.86-2016， 2，6-二氯靛酚滴定法)、可溶性蛋白質(zhì)(考馬斯亮藍法)、總酸(GB/T12456-2008，酸堿滴定法)和總糖(GB/T18672-2014)等品質(zhì)指標(biāo)進行化驗。

1.5 數(shù)據(jù)分析

葉片水分利用效率(WUE)通過Pn/Tr計算，其中Pn為葉片凈光合速率，Tr為蒸騰速率。

灌溉水分生產(chǎn)效率采用各試驗小區(qū)單位面積產(chǎn)量除以灌溉定額得出。

統(tǒng)計分析和顯著性采用DPS v7.05統(tǒng)計分析軟件完成，數(shù)據(jù)計算和繪圖采用Microsoft Excel 2016完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同礦化度微咸水灌溉對壓砂地歐李光合作用日變化的影響

2.1.1不同礦化度微咸水灌溉對壓砂地歐李氣孔導(dǎo)度Gs日變化的影響

各處理氣孔導(dǎo)度Gs日變化呈“M”型雙峰曲線，存在明顯的“午休”現(xiàn)象。8∶00左右歐李的Gs值還較低，隨著光照輻射的加強及氣溫上升，歐李光合作用和呼吸作用增強，氣孔張開以吸收并排出氣體，氣孔導(dǎo)度緩慢增大，并于10∶00左右出現(xiàn)第一個峰值。但10∶00之后光合有效輻射的增強、大氣中相對濕度降低和高溫下強烈的蒸騰失水引起植株體內(nèi)水分過少，通過關(guān)閉氣孔減少水分蒸騰并降低自身溫[6]，歐李植株降低氣孔導(dǎo)度，即“光合午休”現(xiàn)象，此現(xiàn)象一直持續(xù)到14∶00左右，并在此時出現(xiàn)谷值。14∶00之后強光和高溫消除，氣孔導(dǎo)度恢復(fù)正常，氣孔導(dǎo)度上升并于16:00左右出現(xiàn)次高峰。16∶00之后光照輻射減弱氣溫降低，光合作用和呼吸作用減弱，氣孔導(dǎo)度降低。

圖1 不同處理歐李葉片氣孔導(dǎo)度日變化Fig.1 Influence on Gs of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity

各處理Gs值表現(xiàn)為T0>T1>T2，T0處理、T1處理和T2處理的Gs日均值分別為0.1212 mol/(m2·s)、0.114 6 mol/(m2·s)和0.104 7 mol/(m2·s)，T1處理和T2處理Gs日均值低于T0處理5.39%和13.59%。

2.1.2不同礦化度微咸水灌溉對壓砂地歐李凈光合速率Pn日變化的影響

凈光合速率Pn日變化呈“M”型雙峰曲線，伴有光合“午休”現(xiàn)象。從8∶00開始，光照輻射逐漸增強，歐李凈光合速率顯著上升，在10∶00左右出現(xiàn)第一個峰值。10:00之后由于光照輻射太強、溫度過高，氣孔導(dǎo)度降低，歐李葉片CO2吸收量和水蒸氣排放量減少，凈光合速率降低，在14∶00左右出現(xiàn)低谷。隨后由于光照氣溫降低到正常水平，氣孔導(dǎo)度升高，凈光合速率上升，16:00左右凈光合速率出現(xiàn)次高峰。16:00之后光照輻射強度降低，葉片凈光合速率降低。

各處理Pn值表現(xiàn)為T0>T1>T2，T0處理、T1處理和T2處理的Pn日均值分別為26.32、24.65和22.20 μmol/(m2·s)，T1處理和T2處理Pn日均值低于T0處理6.35%和15.65%。

圖2 不同處理歐李葉片凈光合速率日變化Fig.2 Influence on Pn of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity

2.1.3不同礦化度微咸水灌溉對壓砂地歐李蒸騰速率Tr日變化的影響

蒸騰速率日變化呈“M”型雙峰曲線。8∶00-10∶00隨著溫度升高、光照強度增強、氣孔導(dǎo)度增加，歐李葉片蒸騰速率迅速增加。10∶00-12∶00溫度過高、光照過強，歐李葉片氣孔導(dǎo)度降低，蒸騰速率升速降低，Tr的第一次峰值出現(xiàn)在12∶00左右。12∶00-14∶00，隨著氣孔導(dǎo)度持續(xù)降低，Tr值下降，于14∶00左右出現(xiàn)低谷。14∶00之后隨著溫度降低和光照輻射減弱，氣孔導(dǎo)度增加，Tr值回升，于16∶00出現(xiàn)第二個峰值。16:00之后隨著溫度降低，歐李葉片氣孔導(dǎo)度降低，蒸騰速率下降。

各處理Tr值表現(xiàn)為T0>T1>T2，T0處理、T1處理和T2處理的Tr日均值分別為8.18、7.91和7.57 mmol/(m2·s)，T1處理和T2處理Tr日均值低于T0處理3.38%和7.50%。

圖3 不同處理歐李葉片蒸騰速率日變化Fig.3 Influence on Tr of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity

2.1.4不同礦化度微咸水灌溉對壓砂地歐李葉片水分利用效率WUE日變化的影響

葉片水分利用效率WUE表現(xiàn)為凈光合速率CO2同化量與蒸騰作用水分釋放量的比值，歐李對不同礦化度微咸水灌溉的葉片水分利用效率呈規(guī)律性變化。葉片水分利用效率日變化“M”型雙峰曲線，8∶00-10∶00由于凈光合作用的顯著增加，葉片水分利用效率增加，于10∶00左右出現(xiàn)第一個峰值。10∶00-14∶00，凈光合作用持續(xù)降低，但蒸騰速率處于較高水平，葉片水分利用效率降低。于14∶00左右出現(xiàn)低谷。14∶00-16∶00凈光合速率回升，而蒸騰速率回升幅度小，葉片水分利用效率于16∶00左右出現(xiàn)第二個峰值，之后逐步降低。

圖4 不同處理歐李葉片水分利用效率日變化Fig.4 Influence on WUE of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity

各處理WUE值表現(xiàn)為T0>T1>T2，T0處理、T1處理和T2處理的WUE日均值分別3.21、3.10和2.93 μmol/mmol，T1處理和T2處理WUE日均值低于T0處理3.41%和8.98%。

2.1.5不同礦化度微咸水灌溉對壓砂地歐李胞間CO2濃度Ci日變化的影響

歐李葉片的胞間CO2濃度日變化呈“W”型雙谷曲線。在8∶00左右Ci值最大，8∶00-10∶00隨著歐李凈光合速率增加，固定CO2能力增減，胞間CO2濃度降低，在10∶00左右出現(xiàn)第一個低谷。隨后由于光合“午休”現(xiàn)象，氣孔導(dǎo)度和凈光合速率降低，胞間CO2濃度增加，于14∶00左右到達高峰。14∶00之后光合午休現(xiàn)象解除，氣孔導(dǎo)度和凈光合速率增加，Ci值下降，于16∶00出現(xiàn)第二個谷值。16∶00之后溫度降低、光照輻射減弱，氣孔導(dǎo)度和凈光合速率降低，Ci值逐漸升高。Ci值規(guī)律與氣孔導(dǎo)度、凈光合速率和蒸騰速率相反。

圖5 不同處理歐李葉片胞間CO2濃度日變化Fig.5 Influence on Ci of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity

各處理Ci值表現(xiàn)為T0

2.2 不同礦化度微咸水灌溉對壓砂地歐李葉綠素相對含量的影響

葉綠素是植物吸收土壤的水分、養(yǎng)分及大氣光能等能量而轉(zhuǎn)化為植物同化物質(zhì)的主要指標(biāo)[14]。從圖3不同礦化度微咸水灌溉對壓砂地歐李葉綠素相對含量的影響可以看出，隨著生育期的推進，葉片中葉綠素相對含量呈先增加后降低趨勢；各處理果實膨大期SPAD值較大，這主要是由于果實膨大期植株體內(nèi)水分運輸加快，促進植株吸收水分、養(yǎng)分、光合等能量，葉綠素合成量增加，分解量降低；隨著生育期的推進，T0、T1、T2葉片中葉綠素相對含量差異顯著性逐漸增大，這與脅迫時間的增加有關(guān)。

各處理中SPAD三次測量均值T0(49.67)>T1(48.77)>T2(47.56)，T1處理比T0處理SPAD值降低1.82%，T2處理比T0處理SPAD值降低4.44%。各處理中SPAD值隨灌水礦化度的增加而降低，灌水礦化度增加，土壤中鹽分積累增加，植株吸收土壤中水分和養(yǎng)分受阻，抑制葉片葉綠素的生成，同時加快了葉綠素的分解。T0處理和T1處理均與T2處理存在顯著差異(p<0.05)，T0處理與T1處理差異不顯著(p>0.05)。在試驗因素設(shè)計范圍內(nèi)，選用礦化度2.35 g/L微咸水灌溉使歐李SPAD值與淡水灌溉無顯著差異。

圖6 不同處理歐李葉片葉綠素相對含量Fig.6 Influence on SPAD of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity water 注：不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，下同，圖中字母為3個時期分別分析所得。

2.3 不同礦化度微咸水灌溉對壓砂地歐李產(chǎn)量及灌溉水分生產(chǎn)效率的影響

表4為不同礦化度微咸水灌溉對壓砂地歐李產(chǎn)量(單位面積產(chǎn)量、單果重)及灌溉生產(chǎn)效率的影響。從表4可知，各處理中單果重表現(xiàn)為T0>T1>T2，T1處理比T0處理單果重降低0.94%，T2處理比T0處理單果重降低3.34%。T0處理與T1處理單果重差異不顯著(p>0.05)，T0處理和T1處理均與T2處理單果重存在顯著差異(p<0.05)。在試驗因素設(shè)計范圍內(nèi)，選用礦化度2.35 g/L微咸水灌溉使歐李單果重與淡水灌溉無顯著差異。

表4 不同礦化度微咸水灌溉對歐李產(chǎn)量及灌溉水分生產(chǎn)效率的影響Tab.4 Influence on yield and irrigation water production of the Cerasus humilis irrigating with brackish water in different salinity

注：產(chǎn)值=產(chǎn)量×6元/kg。

各處理中單位面積產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)效率表現(xiàn)為T0>T1>T2，T1處理比T0處理單位面積產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)效率降低5.57%，T2處理比T0處理單位面積產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)效率降低17.34%。T0處理與T1處理單位面積產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)效率差異不顯著(p>0.05)，T0處理和T1處理均與T2處理單位面積產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)效率存在顯著差異(p<0.05)。在試驗因素設(shè)計范圍內(nèi)，選用礦化度2.35 g/L微咸水灌溉使歐李單位面積產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)效率與淡水灌溉無顯著差異。

2.4 不同礦化度微咸水灌溉對壓砂地歐李果實品質(zhì)的影響

不同礦化度微咸水灌溉對壓砂地歐李果實品質(zhì)的影響如表5所示。

表5 不同礦化度微咸水灌溉對歐李果實品質(zhì)的影響Tab.5 Influence on fruit of the Cerasus humilis irrigating with brackish water in different salinity

不同處理果實中維生素C表現(xiàn)為T2>T1>T0，T2處理高于T0處理12.61%，T1處理高于T0處理4.92%；T2處理維生素C明顯高于T1和T0處理(p<0.05)，T1處理與T0處理差異不顯著(p>0.05)。不同處理果實中可溶性固形物表現(xiàn)為T2>T1>T0，T2處理高于T0處理12.69%，T1處理高于T0處理6.35%；T2處理可溶性固形物明顯高于T0處理(p<0.05)。不同處理果實中鈣含量表現(xiàn)為T2>T1>T0，T2處理高于T0處理73.42%，T1處理高于T0處理27.48%；T2處理鈣含量明顯高于T1處理(p<0.05)，T1處理鈣含量明顯高于T0處理(p<0.05)。不同處理果實中可溶性蛋白表現(xiàn)為T1>T2>T0，T1處理高于T0處理70.00%，T2處理高于T0處理30.00%；T1處理可溶性蛋白明顯高于T2處理(p<0.05)，T2處理可溶性蛋白明顯高于T0處理(p<0.05)。不同處理中果實總糖表現(xiàn)為T2>T1>T0，T2處理高于T0處理8.67%，T1處理高于T0處理6.22%；各處理果實中總糖差異不顯著(p>0.05)。不同處理果實中總酸表現(xiàn)為T2T1>T0，T2處理高于T0處理17.04%，T1處理高于T0處理9.73%；T2處理糖酸比明顯高于T0處理(p<0.05)。

在本試驗中，灌溉水礦化度4.07 g/L時歐李果實中維生素C、可溶性固形物、鈣含量和糖酸比最高；灌溉水礦化度2.35 g/L時歐李果實中可溶性蛋白最高。說明利用當(dāng)?shù)匚⑾趟喔瓤娠@著提高歐李果實品質(zhì)。

3 結(jié)論與展望

(1)歐李光合響應(yīng)呈規(guī)律性變化，Gs、Pn、Tr和WUE日變化呈現(xiàn)T0>T1>T2，Ci日變化表現(xiàn)為T0

(2)歐李葉綠素相對含量、單果重、單位面積產(chǎn)量和水分利用效率表現(xiàn)為T0>T1>T2，其中T0處理與T1處理差異不顯著，T0處理、T1處理均與T2處理存在顯著差異。

(3)歐李果實維生素C、可溶性固形物、鈣含量和糖酸比等品質(zhì)指標(biāo)表現(xiàn)為T2>T1>T0，T2處理與T0處理存在差異顯著性；果實中可溶性蛋白表現(xiàn)為T1>T2>T0，T1處理與T2處理存在差異顯著性，T2處理與T0處理存在差異顯著性。微咸水灌溉會提高果實品質(zhì)，其中礦化度4.07 g/L時，果實綜合品質(zhì)最好。

(4)利用礦化度2.35 g/L左右的微咸水灌溉對壓砂地歐李葉綠素相對含量、單果重、單位面積產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)效率等指標(biāo)與淡水灌溉相比均無差異顯著性，果實中可溶性蛋白最優(yōu)，因此認為2.35 g/L左右的礦化度是該區(qū)適宜的微咸水灌溉礦化度。

(5)利用當(dāng)?shù)氐叵滤?礦化度4.07 g/L)灌溉使歐李葉綠素相對含量、單果重、單位面積產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)效率等指標(biāo)與淡水灌溉相比顯著降低，但未達到耐鹽閾值；果實維生素C、可溶性固形物、鈣、可溶性蛋白、糖酸比等品質(zhì)指標(biāo)顯著提升。因此認為利用當(dāng)?shù)氐叵挛⑾趟喔纫彩强尚械摹?/p>

在大田試驗條件下，利用礦化度4.07 g/L微咸水對寧夏壓砂地產(chǎn)業(yè)區(qū)歐李進行灌溉，研究發(fā)現(xiàn)歐李未達到耐鹽閾值，后期可進一步利用5 g/L以上的咸水灌溉歐李，對歐李的耐鹽閾值進行研究。