新引進品種壓砂地栽培對西瓜光合產(chǎn)量及水分利用效率的影響

趙相宇田軍倉馬波

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，寧夏 銀川750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用工程研究中心，寧夏 銀川 750021)

中衛(wèi)市環(huán)香山地區(qū)長年干旱少雨，氣候干燥適宜瓜類作物生長，因此人們針對當?shù)貧夂蛱卣鳎虻刂埔诉x擇種植壓砂地西瓜、甜瓜[1]。壓砂地亦稱砂田，是將卵石、礫、粗砂和細砂的混合體或單體鋪設田塊表面，厚度約為5～16cm，并種植西瓜、甜瓜等經(jīng)濟作物[2]。壓砂地是中國西北干旱、半干旱地區(qū)獨特的抗旱保墑耕作形式，是人們長期生產(chǎn)實踐的智慧結晶。其是土壤覆蓋和減少土壤水分損失的技術之一，在水資源短缺和土壤鹽漬化現(xiàn)象日趨嚴重背景下，適應干旱少雨及鹽堿地創(chuàng)造的旱農(nóng)耕作方法[3]。我國砂田主要分布在降雨偏少的甘肅省中部，以蘭州市為中心的干旱、半干旱地區(qū)以及青海、新疆和寧夏的部分地區(qū)[4]。在世界上其它地區(qū)降水稀少并且干旱少雨的地方也有砂田，如法國南部的Montpellier，美國的Texas、Montana and Colorado,瑞士的Chamoson，以及南非等[5-7]。

寧夏中部干旱帶不同育苗模式下種植品種單一，目前壓砂地西瓜種植品種80%為“金城5號”[1,8-11]。針對多年來引進品種產(chǎn)量和品質難等問題，通過前期文獻查閱和專家咨詢，計劃選取生長環(huán)境適應性強、耗水量低、不易畸形、品質高的4個品種西瓜(品種代號“NK-TM”、“R-18”、“N-08”、“DD-87”)作為新引進品種進行研究，通過一個全生育期，觀測需水、需肥規(guī)律，在相同灌水定額和施肥條件下，研究這4個品種西瓜嫁接苗和自根苗產(chǎn)量、品質的差異性。以期為寧夏中部干旱帶壓砂地持續(xù)利用、西瓜優(yōu)質穩(wěn)產(chǎn)提供理論基礎及技術支撐，為旱區(qū)水資源高效利用學術發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于寧夏中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)香鄉(xiāng)鎮(zhèn)紅圈村尹東自然隊，N36°59′54″，E105°13′26″，海拔1710m。地處寧夏中部干旱帶環(huán)香山地區(qū)，溫帶大陸性氣候，年平均降雨量183～200mm，多集中于7—9月，全年無霜期155d。年蒸發(fā)量2100～2400mm，是降雨10倍多。全年平均日照時數(shù)為2600～2700h，日照充足，水資源緊缺。試驗小區(qū)以行為單位，每個小區(qū)長5.6m，寬1.6m，栽植7株西瓜，每個小區(qū)面積為8.96m2，將西瓜苗移植在土中，鋪設流量為2L·h-1的滴灌帶，灌水器間距為30cm。以西瓜種植位置連線為中軸線覆蓋寬度為80cm的透明地膜。

所選試驗田為表層覆12cm的砂礫石，耕層土壤類型為沙壤土，耕層土壤>100cm，0～40cm土壤容重1.36g·cm-3，田間持水率為22.1%(質量百分數(shù))，最大凍土層深1.0m。pH值為8.89，全鹽0.32g·kg-1，有機質8.14g·kg-1，有效磷7.39g·kg-1，堿解氮27.89mg·kg-1，有效鉀213.86g·kg-1。于播種前1d(4月30日)施底肥，底肥配方為有機肥1200kg·hm-2、復合肥20kg·hm-2、磷酸二銨10kg·hm-2。

1.2 試驗設計

研究采用2因素對比試驗設計，2個因素分別為品種和育苗技術。新引進4個品種分別為“NK-TM”、“R-18”、“N-08”和“DD-87”，每個品種選取2種育苗方式，即自根苗和嫁接苗。自根苗是將西瓜籽在育苗盤基質中直接播種，待其發(fā)芽生長至10cm高、4葉1心時進行移植。嫁接苗為在育苗盤播種南瓜(葫蘆科)種子，待其發(fā)芽生長至5cm高、2葉1心時采用插接技術進行嫁接。試驗共8個處理、每個處理3次重復，共24個小區(qū)。T1～T4處理為4個品種的自根苗，T5～T8處理為4個品種的嫁接苗。

試驗灌溉水為距試驗區(qū)200m處的地下水，水井深100m，原水礦化度為4067mg·L-1，灌溉用膜處理后的凈化水，礦化度為223.15mg·L-1。灌水定額，5月5日為120m3·hm-2，5月17日為120m3·hm-2，6月4日為240m3·hm-2，6月19日為240m3·hm-2，6月30日為240m3·hm-2，7月8日為240m3·hm-2，7月14日為240m3·hm-2，7月22日為90m3·hm-2。

1.3 觀測項目及方法

1.3.1 環(huán)境因子

在試驗點安裝HOBO便攜式氣象(美國Onset公司)，傳感器包括地表溫度、降雨量、溫度、濕度、日照、輻射等，可獲得地表溫度、降水量、日最高及最低氣溫、日平均氣溫、日照時數(shù)、每日平均相對濕度等。

1.3.2 形態(tài)指標

蔓長和莖粗，方法為掛牌分別使用卷尺和游標卡尺進行測量，蔓長的測量部位是從主莖基部處起至生長點，莖粗測量位置是主莖基部第1節(jié)位，每個處理選定3株進行測量。

1.3.3 光合作用指標的測定

葉綠素(SPAD)含量：采用便攜式SPAD-502葉綠素儀測定各個處理西瓜主蔓上第5～7片的葉綠素含量，每一處理至少取3株，每株測5片葉子求其平均值。

采用LI-6800新一代光合-熒光測定系統(tǒng)分別于6月22日(西瓜開花坐果期)和7月5日(西瓜膨大期)選擇位于坐果節(jié)位附近生長狀況良好的葉片固定測量。選擇晴朗無云的天氣，從8∶00—20∶00每間隔2h測定1次，測定不同處理的葉片胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)、凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)等指標。每個小區(qū)固定葉重復3次，取平均值作為結果，選擇9∶00—11∶00的數(shù)據(jù)，并計算葉片水分利用效率。計算公式:

WUE=Pn/Tr

(1)

式中，WUE為葉片水分利用效率，μmol·mol-1；Pn為凈光合速率，μmol·m-2·s-1；Tr為蒸騰速率，mmol·m-2·s-1。

1.3.4 果實產(chǎn)量指標

至西瓜果實成熟期采收，將西瓜果實按不同處理小區(qū)統(tǒng)一采摘，將每個處理的西瓜用天平稱量其重量，然后依據(jù)每公頃的種植密度折算產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)運用SPSS 26，顯著性檢驗和方差分析用Tukey法和LSD法(α=0.05)，并將分析結果用Microsoft Excel 2018和Origin 2018繪制成圖。

2 結果與分析

2.1 新引進品種壓砂地栽培對西瓜植株生長的影響

如圖1所示，苗期，西瓜主蔓和莖粗以營養(yǎng)生長為主，通過西瓜葉片光合作用合成碳水化合物，積累作物生長所需干物質，積累量的多少直接反映在蔓長和莖粗的變化上[12,13]。伴隨著生育期的進行，各個處理西瓜蔓長和莖粗逐漸增大，但是不同的處理表現(xiàn)不同。5月17日—6月15日(苗期至伸蔓期)，T5和T6處理增長速度最快，分別增漲了236%和231%，T1和T3處理增長速度最慢，分別為125%和184%。蔓粗的增長表現(xiàn)相同，T5、T6、T7和T8的蔓粗增長比較快，其它處理蔓粗增長較慢，從整個生育期來看，這個階段蔓長和莖粗生長速度最快。6月15—25日(伸蔓期至開花結果期)，各個處理灌水量增加及滴灌頻率改變，各處理蔓長和莖粗顯著增加，產(chǎn)生了補償效應。在此階段內與前一階段呈現(xiàn)不同形式，其中T1、T2、T3和T4處理蔓長增長速度范圍在70%～82%，明顯高于T5、T6、T7和T8處理蔓長增長速度范圍在33%～57%，莖粗的表現(xiàn)與此相同。6月25日—7月1日(開花結果期至膨大期)，該階段是營養(yǎng)生長向生殖生長轉變的關鍵階段，各個處理的蔓長和莖粗開始逐漸放緩，其中T1、T2、T3和T4處理放緩的速度明顯高于T5、T6、T7和T8處理，這可能受育苗方式的影響，接嫁方式能滿足作物一部分營養(yǎng)生長和大部分生殖生長所需的能量需求，而自根方式在這方面沒有優(yōu)勢。7月1—29日(膨大期至成熟期)，蔓長和莖粗的增長趨勢進一步放緩，表明此時西瓜果實生長抑制了作物的營養(yǎng)生長，至西瓜成熟期，T5、T6、T7和T8處理蔓長和莖粗生長趨勢優(yōu)于T1、T2、T3和T4處理。從西瓜伸蔓期到果實膨大期，T5、T6、T7和T8處理較T1、T2、T3和T4處理，在西瓜根系發(fā)達狀況、生長速度和代謝效率方面表現(xiàn)優(yōu)異，所以蔓長和莖粗增長較快，各處理間的差異逐漸顯著。

2.2 新引進品種壓砂地栽培對西瓜光合作用的影響

2.2.1 新引進品種壓砂地栽培對西瓜光合參數(shù)的影響

適宜的西瓜品種可以提高植株光合能力和葉片水分利用效率，西瓜品種差異在不同育苗技術下也會對光合作用和葉片水分利用效率產(chǎn)生影響[14,15]。從表1可知，開花結果期各處理之間，T5、T6、T7和T8處理植株凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率相近，且顯著高于其它處理植株；開花結果期各處理之間，T1、T2、T3和T4處理植株凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率相近，且顯著高于其它處理植株；在葉片水分利用效率方面，T1和T4處理具有較低的葉片水分利用效率，而T6處理則較高，其它各處理之間無顯著差異。西瓜開花坐果期是營養(yǎng)生長向生殖生長轉變的關鍵階段，與開花結果期相比整體的凈光合速率和葉綠素含量明顯上升。西瓜果實膨大期主要以果實增長為主，需水量較大，果實膨大期光合作用旺盛，加快有機物合成。該時期西瓜植株與開花坐果期相比也有所提高，而胞間CO2濃度與前一個時期相比呈明顯的降低趨勢。不同處理西瓜植株凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率明顯不同,T5、T6、T7和T8處理西瓜植株蒸騰速率較高，而T1、T2、T3和T4處理西瓜植株蒸騰速率較低。葉片水分利用效率與蒸騰速率呈現(xiàn)一樣，T5、T6、T7和T8處理植株具有較高的水分利用效率，且T6和T7葉片水分利用效率較高，分別為5.25和5.15。從表3可知，西瓜2個生育期，品種及育苗方式對西瓜光合參數(shù)的影響存在顯著性差異(P<0.05)，表現(xiàn)為嫁接處理明顯高于自根處理。

2.2.2 新引進品種壓砂地栽培對西瓜葉綠素(SPAD)含量的影響

由表2可知，不同品種在不同育苗方式下對不同生育期西瓜葉片SPAD值的影響不同。隨生育進程呈先增加后降低趨勢，峰值出現(xiàn)在開花坐果期，至成熟期后逐漸降低。苗期和開花坐果期T7處理西瓜葉片SPAD值顯著高于其它處理，膨瓜期和成熟期T8處理西瓜葉片的SPAD值顯著高于其它處理，伸蔓期T6處理西瓜葉片SPAD值最高。

苗期至伸蔓期T5處理葉片的SPAD增長速率最快，達到15.8%，而伸蔓期至開花坐果期T5處理葉片的SPAD值增長速率最快，達到16.8%。在開花坐果期至膨瓜期各個處理的SPAD值都有明顯下降，平均下降了6%。伴隨著西瓜的逐漸成熟，不同品種在自根育苗下，T1、T2、T3、T4處理葉片的SPAD分別下降了13.5%、13.5%、14.6%、11.3%,其中T4處理葉片的SPAD值降低幅度明顯低于其它3個處理；不同品種在嫁接育苗下，T5、T6、T7、T8處理葉片的SPAD分別下降了8.0%、9.5%、9.5%、10.5%,其中,T8處理葉片的SPAD值降低幅度最大，T6、T7處理降低幅度次之，降低幅度最低為處理T5。從開花坐果期到成熟期，T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8處理葉片的SPAD值分別下降了17.8%、18.0%、18.5%、17.2%、14.4%、15.5%、15.8%、15.7%，嫁接苗4個品種維持較高的SPAD值，可延長光合作用時期，為西瓜的膨大提供較充足的營養(yǎng)物質，而自根苗下SPAD值下降幅度比嫁接苗下的4個品種下降幅度大，不利于西瓜的生長，有可能降低西瓜的水分利用效率、品質和產(chǎn)量[16,17]。

表1 不同處理對新引進品種西瓜光合參數(shù)的影響

表2 不同處理對新引進品種西瓜生育期葉片葉綠素含量的影響

2.3 新引進品種壓砂地栽培對西瓜產(chǎn)量和水分利用效率的影響

新引入品種西瓜壓砂地種植，如果沒有達到相應的產(chǎn)量則直接影響農(nóng)民的收入，同時控制水分的利用效率也起重要作用[18]。對于4個品種西瓜，嫁接苗相比自根苗產(chǎn)量差異明顯(P<0.05)，其中西瓜品種為“R-18”嫁接比自根方式下產(chǎn)量高，差異最大，產(chǎn)值為34702.29kg·hm-2。在相同灌水量下，T2處理和T3處理西瓜產(chǎn)量差異不明顯(P<0.05)，T6和T7處理的西瓜產(chǎn)量較高。綜上所述，從不同的育苗技術對西瓜干物質積累量的顯著性影響來看，育苗技術對西瓜干物質積累量有顯著性影響(p<0.05)。從不同的西瓜品質對西瓜物質積累量的顯著性影響來看，西瓜品種對西瓜干物質積累量沒有顯著性影響(p>0.05)。T6、T7產(chǎn)量為43766.61kg·hm-2、41745.13kg·hm-2,且比最低產(chǎn)量的T2處理分別高出67.0%和59.0%。總體而言，在水肥一致條件下，嫁接苗比自根苗對相同和不同品種西瓜產(chǎn)量顯著提高。

從實際需水量來看，T5、T6、T7和T8實際需水量比T1、T2、T3和T4平均高出10.12%，其中，實際需水量最高的是T6，為3854.70m3·hm-2，實際需水量最低的是T4，為3347.25m3·hm-2，但是在灌溉水分利用效率和水分生產(chǎn)效率2個方面，T5、T6、T7和T8比T1、T2、T3和T4平均高出10.13%和31.2%，灌溉水分利用效率和水分生產(chǎn)效率最好為T6和T7，灌溉水分利用效率分別為28.61kg·hm-2和27.28kg·hm-2，水分生產(chǎn)效率分別為11.39kg·hm-2和11.06kg·hm-2。而作物系數(shù)方面，T5、T6、T7和T8的作物系數(shù)(0.76～0.78)明顯高于T1、T2、T3和T4作物系數(shù)值(0.68～0.73)。

表3 新引進品種西瓜壓砂地育苗不同處理西瓜產(chǎn)量、灌溉水分利用率和水分利用率

3 討論與結論

傳統(tǒng)壓砂瓜種植法是將西瓜種子在發(fā)芽后直接種植到大田土壤中，直播種植西瓜苗抗病率低，而嫁接育苗方式已被用于預防枯萎病，耐極端溫度，對鹽漬土壤的抵抗力以及增加作物對水肥的吸收[19-21]。本試驗發(fā)現(xiàn)育苗方式對作物的生長和發(fā)育起著關鍵作用，與劉曉雨[22]的發(fā)現(xiàn)相似，對于4個日本品種西瓜，隨著生育階段進行自根苗出現(xiàn)整個植株的患病死亡，而嫁接苗出現(xiàn)整個植株的患病死亡比較少見。莖粗和蔓長是衡量植株生長狀況的直接表現(xiàn)，反映了植株運輸營養(yǎng)物質及水分的能力[23,24]。4個日本品種西瓜在嫁接苗下，莖粗和蔓長隨著生育期進行增長速度比自根苗快，這與張笑[25]和曹備[26]發(fā)現(xiàn)在水肥一樣的情況下，不同或者相同品種西瓜在嫁接苗比自根苗在莖粗和蔓長上表現(xiàn)優(yōu)異。

本研究西瓜凈光合速率、氣孔導度、葉片水分利用效率均在嫁接水平上表現(xiàn)最佳，嫁接處理蒸騰速率較高，胞間CO2濃度最低。諸多研究得到了相似的結論，如華斌[27]等發(fā)現(xiàn)，嫁接苗有利于促進西瓜植株生長，光合能力最強，最有利于同化產(chǎn)物的積累；葉綠素是植物進行光合作用的基礎，葉綠素量的高低在一定程度上也可間接反映作物光合作用的強弱[28]。光合能力強，株高、莖粗等生長指標生長勢良好，葉綠素量與植物生長發(fā)育密切相關，光合作用與葉綠素量呈正相關[29]。4個日本品種西瓜在嫁接方式下葉片SPAD值顯著高于自根模式，這與吳禎[30]等發(fā)現(xiàn)相似，SPAD值較高有利于干物質的產(chǎn)生，進而影響干物質的形成與積累，從而增加西瓜重量，具有更大經(jīng)濟效益。

小型西瓜產(chǎn)量和水分利用效率是影響農(nóng)民是否種植的關鍵性因素，是評價小型西瓜種植方式是否科學高效的重要依據(jù)。4個日本品種西瓜在嫁接方式下提高西瓜的用水效率，這與Ngwepe[31]在嫁接西瓜的遺傳改良研究進展回顧得到相同結果。

因此，對于4個日本品種西瓜壓砂地育苗方式不同情況下，綜合植株生長指標、生理指標和灌溉水分利用效率，在該區(qū)域可推薦種植“N-08”西瓜品種嫁接苗方式。研究只進行了1a的試驗，結果可靠性有待長期的試驗結果進行驗證。除此之外，試驗僅對地上部分的作物生長指標進行了觀測，而地下部分土壤和作物根部沒有深入涉及，并且本次試驗沒有進行灌溉梯度區(qū)分的研究，因此有待于下一步進行研究。