苦豆子綠肥對甜瓜光合性能日變化及品質的影響

齊曉晨，葉祖鵬，趙 庫，韓 偉，陳波浪

（新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052）

甜瓜喜溫、耐熱、怕低溫，栽培歷史悠久，是新疆重要的經濟作物，至2016年新疆甜瓜種植面積已達到 8.22 萬 hm2，產量為 292 萬 t［1］。目前甜瓜的增產主要依靠化肥的高度投入［2］，該方法雖在短期內獲得了較高的經濟效益，但同時造成了土壤退化、資源耗竭、環境污染等諸多負面影響［3］，難以保障甜瓜種植效益的可持續提升［4］。綠肥是一種清潔有機肥源，翻壓后能增加土壤可溶性有機物［5-6］，調節土壤酸堿度［7］，改善土壤養分狀況［8-11］，同時對作物提質增產具有良好效果［11-12］。苦豆子（Sophora AlopecuroidesL.）是豆科（Leguminosae）槐屬的多年生草本植物，具有耐旱、耐鹽堿、抗風沙性等，苦豆子不僅根系發達，是一種優良的水土保持植物，而且其根莖中蛋白含量較高，也是一種優質、清潔的綠肥，在新疆民間傳統瓜果種植中常將苦豆子作為追肥施用，新疆苦豆子可作為綠肥的總貯量在10萬t以上［13］。合理開發、利用苦豆子資源，對改善生態環境和提高農業經濟效益具有重要作用。

光合作用為植物生長發育提供能量，并影響其水碳循環和物質分配。作物產量的90%～95%來自于光合過程中同化合成的有機物質，因此，可通過直接或間接改善作物光合性能來實現高產。張向前等［14］、許菁等［15］、何建寧等［16］研究發現，合理耕作方式能增加冬小麥的葉綠素含量，提高胞間CO2利用能力、光合速率和籽粒產量。魏峭嶸等［17］、吳曉麗等［18］、崔志燕等［19］研究表明科學的氮肥管理模式下馬鈴薯、小麥、煙葉等作物SPAD值與產量成正相關，光合性能和經濟產量顯著提高。此外，李佳佳等［20］、張珂珂等［21］研究發現水分調控對改善春玉米、小麥的光照環境，提高其光合生產力和產量具有良好的促進作用。綜上所述，前人研究主要集中于作物光合作用對不同種植模式、化肥肥料施用量、水分調控的響應，而綠肥對作物光合特性的日變化規律和產量及品質的研究較少，尤其是綠肥對立架甜瓜光合性能的研究更少。因此，本研究通過盆栽試驗，以新疆特色“伽師瓜”為試驗材料，探討苦豆子綠肥對立架甜瓜土壤養分狀況、葉片光合特性的日變化規律、單果重及品質的影響。以期確定最佳苦豆子綠肥施用量，為甜瓜高產、高效可持續發展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與方法

盆栽試驗于2015年5月1日～8月15日在新疆農業大學草業與環境科學學院的溫室中進行。供試土壤質地為壤土，pH值為8.86，有機質含量為22.80 g·kg-1，堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為 92.6 、14.7 、259 mg·kg-1。

供試甜瓜品種為“伽師瓜”，培養盆缽選擇條盆（66.5 cm×26 cm×21 cm），每盆裝干土22kg，共15盆。模擬大田立架栽培。氮肥（N）用量為80 mg·kg-1，磷肥（P2O5）用量為100 mg·kg-1，鉀肥（K2O）用量為67 mg·kg-1，磷肥和鉀肥作為基肥一次性施入，氮肥施用量以60%作基肥，40%在伸蔓前期追施，尿素、重過磷酸鈣和硫酸鉀每盆的具體用量分別為2.296、4.783和2.933 g。

苦豆子綠肥施用量（干重）共設 5個水平:M0，0 g·株-1，對照處理；M1，100 g·株-1（相當 于 30 t·hm-2）；M2，200 g· 株-1（ 相 當 于60 t·hm-2）；M3，300 g·株-1（相當于 90 t·hm-2）；M4，400 g·株-1，（相當于 120 t·hm-2）；每水平9重復。苦豆子綠肥（干物）以基肥施入，施用方式是在花盆1/3深處，將粉碎的苦豆子植株均勻填入花盆里，蓋土后踏實。待苗長到3片真葉時定苗，每盆留長勢均勻的甜瓜3株。人工及時澆水，其他管理措施同常規大田。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 光合生理指標日變化測定

分別選擇甜瓜苗期、伸蔓期內無風或微風晴朗天（2015年6月24日、7月14日），用LI-6400便攜式光合系統分析儀（美國）于10:00～18:00之間每隔2 h測定一次。每個處理隨機選取植株高度和生長勢相近的3株，進行測定其功能葉（從植株頂部向下第一片完全展開功能葉）的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Evap）、瞬時水分利用效率（iWUE），取平均值。iWUE=Pn/Evap［22］。

1.2.2 SPAD值測定

與葉片光合生理指標測定同步，每個處理隨機選取3株植株功能葉用SPAD-502葉綠素計分別測定SPAD值，每個葉片記錄穩定讀數3組，取平均值。

1.2.3 土壤養分含量測定

甜瓜苗期、伸蔓期各處理隨機選取3盆土樣混合均勻后取1kg，土樣自然風干后過0.25和1 mm篩，用以測定土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀。有機質采用重鉻酸鉀-外加熱法測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3法測定，速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定［23］。

1.2.4 單果重及品質測定

在甜瓜成熟期各處理隨機選取3個果實進行測定，單果重用電子稱稱量，果實形態（果實縱、橫徑）用游標卡尺測定，粗蛋白含量測定采用凱氏定氮法，Vc采用鉬藍比色法，水解后還原糖采用斐林試劑滴定法［23］。果形指數=橫徑/縱徑。

1.3 數據處理

所獲數據用Excel 2010進行數據分析，用SPSS 20.0軟件進行統計分析，采用LSD法進行差異顯著性分析（P＜0.05），Pearson法進行相關性分析（P＜0.05，P＜0.01）， 以 Excel 2010和 Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 苦豆子綠肥施用量對立架甜瓜土壤養分含量及pH值的影響

不同苦豆子綠肥用量對甜瓜土壤養分含量影響見圖1，施用苦豆子綠肥能提高立架甜瓜土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量。苗期和伸蔓期M2-M4處理立架甜瓜土壤有機質含量顯著高于M0處理，分別提高了32.09%、40.43%、59.26%和52.14%、32.92%、70.05%。兩個生育期M2-M4處理較M0處理立架甜瓜土壤堿解氮含量差異顯著（P＜0.05），分別提高了31.62%～259.45%、80.26%～226.63%。苗期土壤有效磷含量M2較M0處理顯著提高19.32%，伸蔓期M1-M4處理土壤有效磷含量則較M0顯著提高14.11%～53.78%，且各處理間差異顯著（P＜0.05）。施用苦豆子綠肥處理的立架甜瓜土壤速效鉀含量均高于不施綠肥處理M0，苗期M2-M4處理較M0土壤有效磷含量顯著提高了4.75%～43.75%，伸蔓期M1-M4處理則提高了12.85%～51.63%。另外，苗期M2-M4處理和伸蔓期M4處理較M0立架甜瓜土壤pH值顯著降低。

圖1 苦豆子綠肥施用量對立架甜瓜土壤養分含量及pH值的影響

2.2 不同苦豆子施用量立架甜瓜光合性能的變化及與土壤養分相關性分析

2.2.1 苦豆子施用量對立架甜瓜葉片凈光合速率日變化的影響

不同苦豆子綠肥施用量立架甜瓜葉片凈光合速率（Pn）具有明顯的日變化特征（圖2），除苗期M0、M3處理外，各處理為雙峰曲線變化特征。兩峰分別出現在12:00和16:00，且在14:00呈現“午休”現象。從整體來看，兩個生育期施用苦豆子綠肥處理高于不施苦豆子綠肥處理，且12:00時M2處理的Pn均達到最大值，分別比其他處理高7.9%～62.7%、11.0%～50.7%，各處理日平均Pn大小順序分別為M1＞M2＞M3＞M4＞M0（苗期）、M2＞M3＞M1＞M4＞M0（伸蔓期）。

圖2 苦豆子綠肥施用量對立架甜瓜葉片凈光合速率日變化的影響

2.2.2 苦豆子綠肥施用量對立架甜瓜葉片氣孔導度日變化的影響

不同苦豆子綠肥施用量立架甜瓜葉片氣孔導度（Gs）日變化趨勢（圖3）與Pn日變化趨勢相同。兩個生育期，各處理10:00～12:00 Gs均高于16:00～18:00。苗期12:00～16:00和伸蔓期各時刻，施用苦豆子綠肥均能顯著增加立架甜瓜葉片Gs。在12:00，苗期M1處理Gs值最大， 比M0、M2、M3、M4分 別 高32.1%、4.1%、27.7%、15.3%；伸蔓期則M2處理Gs值最大，比其他處理依次高84.6%、27.0%、35.0%、34.4%。苗期和伸蔓期各處理日平均Gs大小順序分別為M1＞M2＞M4＞M3＞M0、M2＞M4＞M1＞M3＞M0。

圖3 苦豆子綠肥施用量對立架甜瓜葉片氣孔導度日變化的影響

2.2.3 苦豆子綠肥施用量對立架甜瓜葉片蒸騰速率日變化的影響

如圖4所示，苗期立架甜瓜葉片蒸騰速率（Evap）日變化亦呈雙峰曲線，在14:00時出現低谷，在12:00和16:00時出現峰值。12:00時M1、M3處理Evap大于M0，分別高9.7%、8.2%，其他時刻施用苦豆子綠肥對Evap沒有促進作用。伸蔓期M0-M2處理Evap日變化曲線呈雙峰型，M3、M4處理則為單峰曲線，各處理均在12:00出現峰值，其中僅M4處理Evap值高于M0（高27.4%）。

圖4 苦豆子綠肥施用量對立架甜瓜葉片蒸騰速率日變化的影響

2.2.4 苦豆子綠肥施用量對立架甜瓜葉片瞬時水分利用效率日變化的影響

由圖5可見，除M0處理外，苗期和伸蔓期立架甜瓜葉片水分利用效率（iWUE）日變化規律為雙峰變化趨勢，苗期第一峰在10:00，第二峰在14:00～16:00，10:00時不同苦豆子綠肥施用量葉片 iWUE影響的大小順序是:M3＞M2＞M4＞M0＞M1。伸蔓期第一峰在10:00～12:00，第二峰在16:00～18:00。16:00不同苦豆子綠肥施用量對立架甜瓜葉片iWUE 影 響 的 大 小 順 序 是:M4＞M3＞M1＞M0＞M2；兩個時期日平均iWUE大小順序分別是:M2＞M3＞M4＞M1＞M0、M3＞M4＞M1＞M2＞M0。

圖5 苦豆子綠肥施用量對立架甜瓜葉片瞬時水分利用率日變化的影響

2.2.5 苦豆子綠肥施用量對立架甜瓜葉片SPAD值的影響

由圖6可知，立架甜瓜葉片SPAD值總體變化規律為:苗期＞伸蔓期。苗期M2-M4處理SPAD值顯著高于M0，較M0分別提高了14.3%、34.7%、27.1%，伸蔓期施用苦豆子均能提高立架甜瓜葉片SPAD值，但各處理間差異不顯著，增幅為15.6%～19.6%。兩個生育期，M3處理SPAD值均達到了最大值，比其他處理依次高32.8%、40.5%、16.2%、1.4%和23.2%、4.8%、4.2%、1.0%。

圖6 苦豆子綠肥施用量對立架甜瓜葉片SPAD值的影響

2.2.6 立架甜瓜光合指標與土壤養分指標相關性分析

立架甜瓜光合特性與土壤養分相關性顯示（表1），土壤養分對立架甜瓜葉片Evap、iWUE、SPAD產生一定影響。Evap與土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀呈極顯著負相關（P＜0.01），與pH值呈極顯著正相關（P＜0.01）。iWUE與土壤有機質、有效磷呈極顯著正相關（P＜0.01），與堿解氮呈顯著正相關（P＜0.05）。SPAD與土壤有機質、堿解氮、有效磷呈極顯著正相關（P＜0.01），與速效鉀呈顯著正相關（P＜0.05），與pH則呈極顯著負相關（P＜0.01）。

表1 立架甜瓜光合指標與土壤養分指標相關性分析

2.3 苦豆子綠肥施用量對立架甜瓜單果重及品質的影響

施用苦豆子綠肥對立架甜瓜單果重影響較大（圖7），隨施用量增加呈先上升后下降的變化趨勢。施用苦豆子綠肥處理的立架甜瓜的單果重均得到顯著增加（P＜0.05），增幅為19.13%～48.48%，其中以M2處理最高。粗蛋白、Vc、還原糖含量亦呈先上升后下降的變化趨勢，但均在M3處理時達到最大值，分別較M0處理顯著增加40.50%、38.16%、37.30%（P＜0.05）。苦豆子綠肥不同施用量對果形指數無顯著影響（P＞0.05）。

圖7 苦豆子綠肥施用量對立架甜瓜單果重及品質的影響

2.4 立架甜瓜單果重及品質與光合特性和土壤養分的相關性

立架甜瓜單果重及品質與光合特性和土壤養分的相關分析表明（表2），相比立架甜瓜單果重及品質與土壤養分相關性，其與光合特性相關性較緊密。單果重與Pn、Gs呈極顯著正相關（P＜0.01），與iWUE呈顯著相關（P＜0.05）。粗蛋白與iWUE和SPAD值呈極顯著正相關（P＜0.01），與Evap則呈顯著負相關（P＜0.05）。Vc與SPAD呈極顯著正相關（P＜0.01）與Evap呈極顯著負相關（P＜0.01），與iWUE呈顯著正相關（P＜0.05）。還原糖僅與SPAD呈顯著正相關（P＜0.05）。果形指數與光合指標相關性未達到顯著水平（P＞0.05）。

表2 立架甜瓜單果重及品質與光合指標和土壤養分指標相關性分析

3 討論

3.1 立架甜瓜土壤養分對苦豆子綠肥的響應

綠肥作物對環境的適應性強，生長迅速，其發達根系有助于綠肥作物吸收利用土壤較深層的養分以及難溶性養分。豆科綠肥可通過根瘤菌的生物固氮作用供應氮素［24］，十字花科綠肥可活化土壤磷素，另外，莧科綠肥還可富集土壤鉀素。綠肥翻壓后可改善土壤物理性狀［25］，綠肥還田后，在腐解過程可產生大量的可溶性有機物［26-27］，有效改善土壤養分狀況，本研究表明，施用苦豆子綠肥能顯著調節立架甜瓜土壤酸堿度，提高土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量，其中土壤堿解氮含量增加幅度最大（259.45%），這是因苦豆子為豆科綠肥，自身氮含量較高。柴仲平等［12］研究表明，新鮮苦豆子莖、葉中氮素含量分別為36.89、49.03 g·kg-1。且豆科綠肥還田后前期氮素釋放快，鄧小華等［28］研究證實，豆科綠肥翻壓后的前14 d，氮釋放最快。此外，本試驗施用的苦豆子綠肥經過粉碎處理后加快物質腐解轉化［29］，土壤養分可得到快速增加。

3.2 立架甜瓜光合性能對苦豆子綠肥的響應

施用綠肥可通過改善土壤的理化性狀，為作物提供良好生長環境，從而間接提高作物光合效率，影響作物生長［30］。本研究發現，苦豆子綠肥施用下立架甜瓜土壤養分指標與其光合生理指標和SPAD值具有一定相關性（表1）。施用苦豆子綠肥對立架甜瓜光合生理指標日變化產生了影響，能提高立架甜瓜葉片Pn、Gs、Evap、iWUE等光合性能。各處理立架甜瓜葉片光合生理指標日變化趨勢曲線基本相同，呈“雙峰型”（圖1～4），這與李為［31］研究結果相似，但與岳文俊［32］研究水肥耦合調控下甜瓜光合日變化曲線為“單峰型”存在差異。出現光合 “午休”現象可能是由于中午光照強烈、氣溫過高，導致土壤水分虧缺、葉片萎蔫引起的，這是作物對環境干旱脅迫的一種適應策略［33］。不同苦豆子綠肥施用量下立架甜瓜葉片Pn、Gs、Evap日變化趨勢曲線出峰時間相同，第一峰出現在12:00，第二峰出現在16:00，與李為［31］研究表明薄皮甜瓜光合特性日變化趨勢曲線兩峰分別在10:30和12:00左右存在一定差異，可能是研究甜瓜品種、測定時期、環境條件等因素不同所致。施用中、低量（M1、M2）苦豆子綠肥對提高立架甜瓜葉片Pn、Gs效果明顯，在M2處理下苗期、伸蔓期12:00立架甜瓜葉片Pn和伸蔓期12:00立架甜瓜葉片Gs均達到最大值，分別較同時刻其他處理增幅8.2%～63.3%、10.4%～51.0%、27.0%～84.6%。施用高量（M3-M4）苦豆子綠肥對提高立架甜瓜葉片Evap效果較明顯，尤其是在伸蔓期12:00時M4處理下，較同時刻其他處理增幅27.0%～51.4%。瞬時水分利用效率是Pn和Evap的比值，直接受Pn、 Evap變化速率的影響。除M0處理日變化曲線為單峰曲線以外，苗期和伸蔓期其他處理立架甜瓜葉片iWUE日變化趨勢曲線亦呈雙峰型，但與Pn、Gs、Evap日變化趨勢曲線不同在于第一出峰時間提前到10:00，這與高慧娟等［34］研究結果有所不同。前人研究發現，種植和翻壓綠肥能提高土壤水分生產效率，進而作物水分利用效率得到提高［35-36］，本研究立架甜瓜在中、高量（M2-M4）苦豆子綠肥施用量下其葉片iWUE得到提高，苗期10:00 M3處理下和伸蔓期16:00 M4處理下iWUE均達到最大值，由此可見，施用適量的苦豆子綠肥能使立架甜瓜更好的適應西北地區干旱生態環境。

葉綠素是作物光合生產過程中重要的色素，其含量影響著作物光能的吸收和轉換。葉綠素含量和SPAD值呈極顯著正相關關系［37-38］，且 SPAD計能實時、無損、快速地測量葉片葉綠素相對值，因此常用SPAD值來表征葉片葉綠素含量。李燕青等［39］、陳蕾等［40］研究發現翻壓綠肥顯著提高棉花葉片、煙葉SPAD值，與前人研究相似，本研究也發現施用苦豆子綠肥能顯著增加苗期和伸蔓期立架甜瓜葉片SPAD值，且在M3處理下其SPAD值較不施苦豆子綠肥處理（M0）增幅最大，苗期和伸蔓期增幅分別為32.8%、23.2%。

3.3 立架甜瓜單果重及品質對苦豆子綠肥的響應

作物產量形成主要依靠光合作用轉化光能，而凈光合速率是決定光合生產能力的一個重要指標，是影響作物產量形成的重要因素。巨霞等［41］研究表明，油菜苗期葉片凈光合速率最高，盛花期其次，角果期最低，各生育期凈光合速率均與單株產量呈極顯著或顯著正相關，可通過提高作物凈光合速率來達到作物增產的效果。本研究發現立架甜瓜葉片苗期和伸蔓期Pn和單果重呈極顯著正相關（P＜0.01）（表2）。苦豆子綠肥能顯著提高立架甜瓜單果重，且與苦豆子綠肥對苗期和伸蔓期Pn的影響規律基本相似，立架甜瓜單果重在M2處理下達到了最大值，較M0處理增加48.5%。施用苦豆子綠肥為立架甜瓜生長發育提供充足養分，提高了其光合效率，利于合成更多的碳水化合物以改善立架甜瓜品質。其中，粗蛋白和Vc與iWUE呈極顯著和顯著相關，變化趨勢相似，其中M3處理立架甜瓜粗蛋白、Vc增加量最大，較不施苦豆子綠肥處理（M0）分別顯著增加40.50%、38.16%。苦豆子綠肥施用下立架甜瓜還原糖含量也得到明顯增加，但未與光合生理指標呈顯著相關關系，可能與其他因素有關，這還有待研究。

4 結論

施用苦豆子綠肥能提高立架甜瓜土壤供肥能力和光合作用，可以增加立架甜瓜單果重及改善品質，其中以苦豆子綠肥200～300 g·株-1（M2、M3）施用量下效果最佳，為新疆特色瓜果高產奠定基礎。