不同水源磁化處理對生菜光合和礦質元素及產量的影響

王曉帆，吳勇，張鐘莉莉，郭瑞，王麗學

不同水源磁化處理對生菜光合和礦質元素及產量的影響

王曉帆1,2，吳勇3，張鐘莉莉2，郭瑞2，王麗學1*

（1.沈陽農業大學 水利學院，沈陽 110161；2.北京農業信息技術研究中心，北京 100097；3.全國農業技術推廣服務中心，北京 100125）

探究不同水源磁化處理對生菜光合特性等生理生化和產量的影響。在日光溫室條件下，以意大利生菜為供試對象，采用隨機區組設計，設置2個因素：磁化（M）和灌溉水源（T），磁化設置未磁化處理（M0）和磁化處理（M1）2個水平，灌溉水源設置淡水（T1）、再生水（T2）、微咸水（T3）3個水平，共6個處理。通過盆栽試驗研究了3種水源磁化處理對生菜凈光合速率、抗氧化酶活性、礦質元素及產量等的影響。不同水源磁化處理灌溉效果有所差異。生長中期，M1T1、M1T2處理分別較M0T1、M0T2處理的凈光合速率顯著提高11.16%、14.73%。3種水源磁化處理灌溉的超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶活性顯著提高12.77%~23.09%。M1T1、M1T2處理分別較M0T1、M0T2處理的生菜葉片氮質量分數顯著提高7.71%、6.83%，生菜產量分別顯著提高9.42%、10.15%，但M1T3與M0T3處理的生菜產量無顯著差異。不同水源磁化處理的生菜葉片P、Ca、Mg、Na、K質量分數有不同程度的提高，水分利用效率提高5.03%~11.65%。磁化水灌溉有利于生菜光合等生理生化活動，提高產量和水分利用效率，淡水和再生水磁化效果優于微咸水。

磁化水；生菜；光合特性；礦質元素；產量；水分利用效率

0 引言

【研究意義】隨著社會經濟發展，我國農產品需求日益增長，國家農產品安全與水土資源約束的矛盾日益尖銳，提高農業水土資源的高效利用是實現農業可持續發展的重要舉措[1]。除了對傳統的節水技術深入研究外，農業節水研究還向磁場、激光等更廣泛的領域拓展，其中磁化水技術受到越來越多學者的關注。

【研究進展】水通過磁場后性能發生改變，成為磁化水[2-4]。對磁化水的研究始于20世紀40年代，Vermeiren首先發現磁化水能抑制水垢的形成，并獲得專利[5]。目前對磁化水的研究已涉及工業、農業、醫學等多個領域[6-8]。磁化水在農業生產上的應用主要為磁化水灌溉，磁化水灌溉能夠提高土壤和作物體內的酶活性[9-10]，影響作物光合效率[11]。韋業等[12]研究發現，磁化水灌溉顯著提高葡萄葉片的凈光合速率，而蒸騰速率無顯著差異，表明磁化水處理下的植株光合性能提高，有利于植物有機物的合成累積。磁化水灌溉能夠提高作物礦質元素質量分數和產量[13-15]。El-Shafik等[16]通過2 a不同占比的農業排水和淡水交替灌溉研究表明，磁化水灌溉的番茄產量2 a分別顯著提高7.71%、8.59%。彭遙等[17]研究發現，田間小區滴灌條件下，磁化水灌溉不僅提高了棉花產量，同時水分利用效率提高了8.4%~12.9%。

【切入點】我國非常規水資源儲量豐富，2015年全國微咸水可利用量為8.78×109m3，再生水可利用量為3.67×1010m3，其中用于農業灌溉的微咸水和再生水量高達1.25×109m3[18]。緩解水資源短缺要做到開源與節流并重，在大力發展農業節水的同時，我國鼓勵開發利用微咸水和再生水資源[19-20]。磁化水灌溉在農業生產中的研究，水源主要以淡水為主，對再生水和微咸水的磁化處理灌溉研究較少，磁化處理是直接對水產生改變效應，對不同水源影響效應有所差異，有必要研究不同水源的磁化處理灌溉對作物的影響效應。目前磁化水灌溉的研究主要集中于對土壤水鹽運移、作物生長發育和產量等表觀結果[21]，缺乏對作物光合等生理活動的研究。蔬菜作為需水量較大且對水分敏感的一類作物，適宜作為磁化水灌溉的供試對象，生菜是葉菜類蔬菜的典型代表，營養豐富，兼具一定的保健價值和藥用價值，近年來栽培規模迅速增長。【擬解決的關鍵問題】本研究通過盆栽試驗研究不同水源磁化處理灌溉對生菜光合特性、抗氧化酶活性、礦質元素和產量的影響，以期從作物生理生化方面研究磁化水灌溉對作物產量的影響效應。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年10月—2020年1月在北京市昌平區小湯山鎮小湯山國家精準農業試驗基地日光溫室內進行。試驗期間日光溫室平均溫度為16.84 ℃，平均濕度為72.79%，溫濕度變化如圖1。土壤取自基地農田0～20 cm的土層，為粉砂質壤土，自然風干后粉碎過2 mm篩，土壤理化性質見表1。試驗所用塑料盆內徑28 cm，盆高23 cm。每盆裝有10 kg風干土，一次性分別施用尿素（含N 46%）、磷酸二胺（含N 12%，P2O542%）、硫酸鉀（含K2O 52%）1.96、1.91、1.92 g作為底肥，并與土壤攪拌均勻，生育期內不追肥。淡水取自日光溫室水管中，總氮、總磷、氯化物質量濃度分別為6.25、0.12、35.73 mg/L，再生水采用北京碧水再生水廠處理的二級出水，符合《城市污水再生利用農田灌溉用水水質》標準，總氮、總磷、氯化物質量濃度分別為13.41、0.58、92.60 mg/L，向淡水中添加2 g/L氯化鈉（分析純）制備微咸水（礦化度2.46 g/L）。試驗品種為意大利生菜，磁化設備采用上海宣通公司生產的Act型磁化器，磁化器形成靜態磁場，當灌溉水以垂直方向流經該磁場時，水分子產生共振，瞬時形成磁化水。灌溉時，采用50 L水桶供應灌溉水，750 W增壓泵增壓，使得灌溉水以2.2 m3/h的流量通過直徑為32 mm的PVC水管，制得磁化水，為保證磁化效果，磁化時間5 min，使得水流循環5～6次，磁化器示意如圖2。

圖1 空氣溫濕度變化

圖2 磁化器示意

1.2 試驗設計

試驗設置2個因素：磁化（M）和灌溉水源（T），采用隨機區組設計。磁化設置未磁化處理（M0）和磁化處理（M1）2個水平，灌溉水源設置淡水（T1）、再生水（T2）、微咸水（T3）3個水平，共6個處理組合，分別為未磁化淡水灌溉（M0T1）、未磁化再生水灌溉（M0T2）、未磁化微咸水灌溉（M0T3）、磁化淡水灌溉（M1T1）、磁化再生水灌溉（M1T2）、磁化微咸水灌溉（M1T3），每個處理重復3次。

2019年11月26日，選用長勢相同的6葉1心期生菜定植，每盆1株，全生育期69 d，劃分為生長前期、中期、后期，每個時期23 d左右。意大利生菜喜濕，為保證生長期內土壤水分充足，設置田間持水率的80%為灌水下限，田間持水率的95%為灌水上限，通過稱質量法計算盆栽的土壤含水率，當土壤含水率降低到灌水下限時，進行灌水使土壤含水率達到灌水上限。

表1 土壤理化性質

注 土壤養分為未添加底肥測定的值。

1.3 項目測定與分析方法

1.3.1 光合速率與蒸騰速率

每個生育期，采用美國PP Systems公司生產的CIRAS-3型光合儀，選擇晴朗天氣的09:00—11:00，選取從上往下的第二片完全展開葉測定生菜葉片的凈光合速率和蒸騰速率。

1.3.2 抗氧化酶活性

生菜收獲時，選取從上往下的第1片完全展開葉的相同部位0.5 g，分3次（2、2、1 mL）共加入5 mL，0.05 mol/L的磷酸緩沖溶液（pH值7.8）研磨、沖洗，于離心機中以4 000 r/min離心20 min，上清液用于測定抗氧化酶活性。超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）測定分別采用氮藍四唑法[22]、愈創木酚法[22]、H2O2紫外吸收法[23]。

1.3.3 葉片礦質元素

全氮采用凱氏定氮法；全磷、全鉀、全鈉、全鈣、全鎂測定采用電感耦合等離子發射光譜儀法（ICP—OES）。

1.3.4 產量

收獲時，將生菜從根莖處斷開，去離子水洗凈根部并用吸水紙吸干，先用電子秤稱量地上部和地下部的鮮質量，然后在105 ℃干燥箱中殺青15 min，60℃干燥至質量恒定后測定其干質量。

1.3.5 耗水量和水分利用效率

每日08:00采用電子秤測定塑料盆質量，按照灌水上下限進行灌水，記錄數據，次日同一時間稱質量，二者差值為日耗水量（若有灌水，日耗水量為當日塑料盆質量加灌水量與次日盆質量差值），水分利用效率（）=生菜產量/全生育期耗水量。

1.4 數據分析

數據處理采用Microsoft Excel 2010，圖表繪制采用Origin 2017軟件，統計分析采用DPS7.05軟件，多重比較采用Duncan新復極差法。

2 結果與分析

2.1 生菜光合速率與蒸騰速率分析

由圖3可知，不同水源磁化處理后灌溉，凈光合速率提高，且總體呈現生長中期凈光合速率最大，生長后期凈光合速率居中，生長前期凈光合速率最小。生長前期與后期，3種水源磁化處理灌溉均提高了生菜凈光合速率，但差異不顯著；生長中期，M1T1、M1T2處理與M0T1、M0T2處理相比，生菜凈光合速率分別顯著提高11.16%、14.73%，M1T3處理較M0T3處理的生菜凈光合速率提高4.97%，但差異不顯著。除生長前期，M0T1處理較M0T2和M0T3處理的凈光合速率無顯著差異外，不同生長時期，微咸水較淡水和再生水灌溉的凈光合速率顯著降低20.16%～31.72%。與淡水和再生水相比，微咸水顯著抑制生菜的凈光合速率。由圖4可知，不同水源磁化處理灌溉的生菜蒸騰速率有所提高，其中生長前期和中期，M1T2處理較M0T2處理的生菜蒸騰速率分別顯著提高18.35%、23.57%。微咸水處理的生菜蒸騰速率較淡水和再生水處理降低，且隨著生育期的推進，微咸水處理對蒸騰速率的抑制作用逐步增大。

圖3 生菜凈光合速率

圖4 生菜蒸騰速率

2.2 生菜抗氧化酶活性分析

由表2可知，不同水源磁化處理后灌溉，SOD、POD、CAT活性提高，M1T1處理較M0T1處理分別顯著提高18.08%、20.97%、22.54%，M1T2處理較M0T2處理分別顯著提高12.77%、18.14%、23.09%，M1T3處理較M0T3處理分別顯著提高14.68%、16.99%、18.55%。未磁化處理下，微咸水較淡水、再生水灌溉的SOD和POD活性分別顯著降低12.20%、15.57%和14.74%、14.14%；磁化處理下，微咸水較再生水灌溉的SOD活性顯著降低6.95%，微咸水較淡水、再生水灌溉的POD活性顯著降低6.48%、7.86%。微咸水與淡水、再生水灌溉的CAT活性無顯著差異。

2.3 生菜葉片礦質元素分析

由表3可知，不同水源磁化處理后灌溉，生菜葉片氮質量分數提高，M1T1、M1T2處理與M0T1、M0T2處理相比，生菜葉片氮質量分數分別顯著提高7.71%、6.83%，M1T3處理較M0T3處理，生菜葉片氮質量分數提高3.75%。M1T2、M0T3處理下的氮質量分數分別為最大和最小處理，最大處理較最小處理顯著提高15.96%。不同水源磁化處理灌溉，生菜葉片P、Ca、Mg、Na、K質量分數有不同程度的提高，但無顯著差異。P、K、Mg質量分數最大處理均為M1T1，分別為7.03、61.12、2.95 g/kg，較最小處理分別顯著提高20.17%、7.74%、26.61%；Ca、Na質量分數最大處理均為M1T3處理，最小處理為M0T1，M1T3處理較M0T1處理分別顯著提高13.03%、92.71%。微咸水與淡水、再生水灌溉相比，N、P、Mg質量分數有所降低，K、Ca質量分數有所提高，Na質量分數顯著提高。

表2 生菜抗氧化酶活性

注 不同小寫字母表示同列數據存在顯著性差異（<0.05），下同。

表3 生菜葉片礦質元素

表4 生菜產量和水分利用效率

2.4 生菜產量及水分利用效率分析

由表4可知，與M0T1、M0T2處理相比，M1T1、M1T2處理生菜地上部鮮質量（產量）分別顯著提高9.42%、10.15%，M1T3處理較M0T3處理生菜產量提高了3.94%，M1T2處理較M0T2處理生菜地下部鮮質量顯著提高19.06%，不同水源磁化處理后灌溉的地上部干質量無顯著差異，M1T1、M1T2處理較M0T1、M0T2處理的生菜地下部干質量分別顯著提高25.87%、20.35%，水分利用效率分別顯著提高8.45%、11.65%。M1T3處理較M0T3處理的生菜地下部干質量無顯著差異，水分利用效率提高5.03%。所有處理中水分利用效率最大M1T2處理（48.40 kg/m3）較最小M0T3處理（40.13 kg/m3），顯著提高20.61%。

產量和地上部干質量最大處理均為M1T1處理，最小處理均為M0T3處理，M1T1處理較M0T3處理的產量和地上部干質量分別顯著提高33.44%、31.29%；生菜地下部鮮質量和水分利用效率最大處理均為M1T2處理，最小處理均為M0T3處理，M1T2處理較M0T3處理顯著提高31.29%、20.61%。

3 討論

植物的光合作用為自身生長發育提供有機物，研究表明磁化水灌溉可以提高植物的光合作用[24]。本研究發現，生菜生長前期磁化水灌溉的凈光合速率有所提高，但未呈顯著差異；生菜生長中期，磁化處理顯著提高了生菜的凈光合速率；生長后期，磁化水灌溉較未磁化水灌溉，凈光合速率無顯著差異，可能是生長前期磁化水灌溉處理時間較短，隨著處理時間的增長，磁化水灌溉對生菜凈光合速率的促進效果在生菜新陳代謝最旺盛的生長中期得以體現，而在作物成熟后，磁化水灌溉對生菜的促進效果降低[25]。微咸水較淡水與再生水灌溉的生菜凈光合速率顯著降低，因為微咸水灌溉提高土壤中Na+量，過高的Na+會對植物的光合色素產生迫害作用，降低植物的凈光合速率[26]。

植物體內的活性酶對生長發育有著重要的調節作用，其中抗氧化酶SOD、POD、CAT相互協同，抵御活性氧對植物的毒害[27]。張佳等[29]研究發現，在番茄幼苗期和開花期，磁化水灌溉的番茄葉片超氧化物歧化酶、過氧化物酶及過氧化氫酶活性提高，表明磁化水灌溉提高了番茄的抗氧化能力。劉璇等[30]研究亦發現，在重金屬鎘脅迫下，磁化水灌溉較未磁化水灌溉，提高了玉米葉片的超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性。本研究中，3種水源磁化處理較未磁化處理灌溉，SOD、POD、CAT活性顯著提高，在未磁化處理和磁化處理下，微咸水較淡水、再生水灌溉的生菜葉片超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性降低，這與前人研究結果基本一致[31]，表明磁化水灌溉能夠增強植物的抗氧化防御機制。

植物礦質營養是植物維持生長代謝的需要而吸收或利用的無機營養元素，對植物生長生理有重要作用，磁化水灌溉可以影響作物的礦質元素吸收[32]。Maheshwari等[33]研究表明，磁化水灌溉的芹菜P、Ca質量分數顯著提高。本研究發現磁化水灌溉提高了生菜葉片的N、K、Ca、Mg質量分數，有助于良好品質的形成。微咸水灌溉的生菜葉片氮、磷質量分數較淡水和再生水灌溉降低，表明微咸水灌溉抑制了生菜對土壤中氮素和磷素的吸收。鈉元素是植物的必需元素，但過高的鈉質量濃度對植物的生長產生脅迫作用。淡水和再生水磁化處理灌溉，促進生菜根系生長，進而提高生菜產量。生菜是一種耐鹽度較低的蔬菜，可能是本研究中所用微咸水對生菜產生了較重的鹽脅迫，導致微咸水磁化處理灌溉的效果降低。同時在本研究中，未磁化處理和磁化處理下，再生水較淡水灌溉并沒有顯著提高生菜的產量，原因是再生水中氮素質量濃度與淡水相比，無顯著的差異，Blum[34]研究發現，利用不同氮素質量濃度的再生水灌溉時，當氮素質量濃度小于12 g/L時，對作物的生物量無顯著影響。Maheshwari等[33]研究還表明，3.0 g/L微咸水磁化處理灌溉后，芹菜產量提高，表明磁化水灌溉的效果與試驗作物有關。作物產量與光合作用密切相關，水分直接參與作物的光合作用，又是生理活動中物質運輸的媒介，同時光合效率與作物葉片氮素等必需元素，參與光合作用的酶活性等有關[35-36]。本研究中，磁化水灌溉提高了生菜葉片的光合效率和礦質元素質量分數，有利于植物有機物的累積，這可能是磁化水灌溉對作物產量和水分利用效率的一個重要影響途徑。

4 結論

1）3種水源磁化處理灌溉可以提高生菜凈光合速率，葉片抗氧化酶活性顯著提高12.77%~23.09%，增強了生菜抗氧化防御機制。

2）磁化處理提高生菜葉片的礦質元素質量分數，其中淡水和再生水磁化處理灌溉，生菜葉片氮質量分數分別顯著提高7.71%、6.83%，產量和水分利用效率均顯著提高。微咸水較淡水和再生水灌溉的生菜產量顯著降低，淡水和再生水磁化處理效果優于微咸水。

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Effects of Magnetization Irrigation on Photosynthesis, Mineral Elements and Yield of Lettuce Vary with Water Sources

WANG Xiaofan1,2, WU Yong3, ZHANG ZHONG Lili2, GUO Rui2, WANG Lixue1*

(1. College of Water Conservancy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China;2. Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China;3. National Agro-Tech Extension and Service Center, Beijing 100125, China)

【】Magnetizing the water prior to irrigation is a new technology developed over the past decades in China. The objective of this paper is to investigate how different irrigation water sources alter the effects of the magnetization on photosynthesis, physiological and biochemical characteristics, as well as the yield of lettuce.【】The experiment was conducted in a solar greenhouse with the Italian lettuce taken as the model plant. It consisted of non-magnetization (M0) and magnetization (M1); added to these are three irrigation water sources: fresh water (T1), reclaimed water (T2) and saline water (T3). Overall, there were six treatments which were arranged in the greenhouse by a randomized block design. For each treatment, we measured the net photosynthetic rate, transpiration rate, antioxidant enzyme activity, mineral element, yield and water use efficiency of the lettuce.【】Effects of the three water sources after magnetization on crop growth were different. For a given water source, there was no significant difference in the net photosynthetic rate between magnetization and non-magnetization in the early and late growth stage, but in the middle growth stage the magnetized fresh water and the reclaimed water increased the net photosynthetic rate of the crop by 11.16% and 14.73%, respectively. Saline water irrigation reduced the net photosynthetic rate at significant level, and there was no significant difference in net photosynthetic rate between the fresh water and reclaimed water irrigation. Magnetizing the fresh water, reclaimed and saline water increased the transpiration rate, despite not at significant, but they significantly boosted the activities of SOD by 18.08%, 12.77% and 14.68% respectively, the activities of POD by 20.97%, 18.14% and 16.99% respectively, and the activities of CAT by 22.54%, 23.09% and 18.55% respectively. In the meantime, magnetizing the fresh water and the reclaimed water increased the total nitrogen in the lettuce leaves by 7.71% and 6.83%, respectively. Magnetization also altered the content of P, Ca, Mg, Na and K in the leaves, with the alterations varying with water sources. For yield, magnetizing the fresh and the reclaimed water increased the yield by 9.42% and 10.15% at significant level, respectively, magnetizing the saline water did not lead to a noticeable change in the yield. M1T1 was most effective in improving yield and the above-ground dry mass, whereas M0T3 was the least effective. Compared with M0T3, M1T1 increased the yield and the above-ground dry mass by 33.44% and 31.29%, respectively. Depending on water sources, magnetization could also increase water use efficiency by 5.03%~11.65%.【】Magnetizing the water in irrigating lettuce was beneficial to its physiological and biochemical activities such as photosynthesis and antioxidant enzyme activity, thereby increasing yield and water use efficiency. But the improvement depends on water sources. In our study, magnetizing the fresh water and the reclaimed water was more effective than the saline water.

magnetized irrigation; lettuce; photosynthetic characteristic; mineral element; yield; water use efficiency

S121；S636.2

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020378

1672 - 3317（2021）03 - 0040 - 08

王曉帆, 吳勇, 張鐘莉莉, 等. 不同水源磁化處理對生菜光合和礦質元素及產量的影響[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(3): 40-47.

WANG Xiaofan, WU Yong, ZHANG ZHONG Lili, et al.Effects of Magnetization Irrigation on Photosynthesis, Mineral Elements and Yield of Lettuce Vary with Water Sources[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(3): 40-47.

2020-07-10

北京市農林科學院創新能力建設項目（KJCX20180704，KJCX20200430）

王曉帆（1994-），男。碩士研究生，主要從事節水灌溉及區域水資源高效利用研究。E-mail: wangxiaofan09@163.com

王麗學（1964-），女。教授，博士生導師，博士，主要從事水土資源開發利用與管理研究。E-mail: wlx1964@163.com

責任編輯：陸紅飛