微咸水灌溉模式對向日葵產量和品質的影響

王瑞萍，夏玉紅，劉雅君，張義強，尚松浩

（1.巴彥淖爾市水利科學研究所，內蒙古巴彥淖爾015000；2.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京100084）

0 引 言

向日葵具有耐鹽堿、耐干旱、耐瘠薄、適應性強等特性[1]，是河套灌區主要經濟作物之一，油用向日葵由于產量低，目前在河套灌區種植面積較小，食用向日葵品種推陳出新，產量和經濟效益高，種植面積逐年增加，其種植面積從2000年的3 150 萬hm2增加到了2018年的6 315 萬hm2，種植面積增大了兩倍，且從2006年以來，一直是種植面積最大的作物，所占比例在22.5%～41.6%之間，多年平均種植比例為33%。向日葵籽粒的重要作用是食用和榨油，隨著人們生活水平的提高，向日葵籽粒的食用價值更加凸顯，向日葵籽粒的營養成分也備受關注。向日葵籽粒營養成分豐富，其中，脂肪主要為不飽和脂肪，且不含膽固醇；脂肪酸中亞油酸、油酸含量可達85%，油酸、亞油酸具有降血脂，促進細胞生長，免疫調節等生理功能，在提高免疫功能及抗腫瘤等方面都表現出潛在的價值[2]；向日葵籽粒蛋白質營養價值在植物類食品中名列前茅，是人類蛋白質食品的一大來源；所含的維生素E具有抗衰老、抗氧化、抗腫瘤等功效[3]，此外，還含有礦物質等其他營養成分。河套灌區地面以下40 m 以內地下水水質礦化度＜5 g/L 的面積占總面積的83.65%[4]。另外，灌區內還存在大量的田間排水和退水，這部分水如果水質符合要求完全可以再開發利用[5]。因此，開發利用微咸水和咸水資源具有緩解黃河流域水資源短缺供需矛盾的重要作用和廣闊的應用前景。畢遠杰等[6]的試驗結果表明，底墑水礦化度＞3 g/L 會引起向日葵盤徑、百粒質量和單株產量等產量要素的顯著降低。劉娟等[7]研究發現由于鹽分脅迫，向日葵莖粗發育受到抑制，莖粗表現為隨礦化度的增加而降低。賀新等[8]利用主成分分析對油葵微咸水調虧灌溉條件下的產量、品質、土壤電導率等要素進行了綜合評價，結果表明：油葵微咸水灌溉的臨界礦化度為3.5 g/L，最適宜進行水分虧缺的時期為現蕾期，微咸水礦化度＜3.5 g/L 時，對油葵產量和品質的影響較小。鄭鳳杰等[9]通過油葵微咸水滴灌試驗證明礦化度2.0～3.5 g/L對作物籽粒的營養品質影響最大。目前，國內外對向日葵的研究主要集中在選育、栽培技術、施肥及淡水灌溉制度對生長動態指標、產量及品質的影響等方面[10,11]，向日葵微咸水灌溉試驗開展的較少，研究對象多是油用向日葵，采用的方法主要是盆栽和滴灌，大田食用向日葵微咸水畦灌試驗研究很少。本研究以耐鹽作物食用向日葵為研究對象，采用淡+咸+咸畦灌模式，開展不同礦化度微咸水灌溉對向日葵產量和品質指標的影響研究，通過研究確定產量減少幅度較小而品質指標綜合得分較大的微咸水礦化度最優組合，形成協調向日葵生產及環境保護的微咸水與淡水聯合調控安全灌溉技術。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區概況

向日葵微咸水灌溉試驗在巴彥淖爾市水利科學研究所曙光試驗站進行，該試驗站位于臨河區城關鎮旭光村，北緯40°43'，東經107°13'，屬河套灌區中游，海拔1 042 m，年均氣溫6.9 ℃，年均降雨量142.1 mm，年均蒸發量2 306.5 mm，日照時數3 189 h，屬中溫帶大陸性氣候。試驗采用測坑法，測坑長1.3 m，寬1.1 m，面積1.43 m2，測坑四周埋設截滲膜，埋深80 cm。測坑內0～40 cm 為壤土，土壤容重為1.52～1.73 g/cm3，40 cm 以下為沙土，土壤容重為1.45～1.59 g/cm3。土壤0～40 cm 有機質含量為7.325～11.885 g/kg，全氮0.488～0.735 g/kg，全磷0.573～0.649 g/kg，硝態氮0.09～3.35 mg/kg，氨態氮6.48～30.09 mg/kg。全鹽0.094～0.360 g/100 g，pH 值7.88～8.50，EC值0.327～0.447 mS/cm。

1.2 試驗設計

微咸水灌溉為淡+咸+咸畦灌模式，灌溉水礦化度分別為2.5 g/L （KX2）、3.0 g/L （KX3）、3.5 g/L （KX4） 和4.0 g/L（KX5），淡水灌溉（KX1）作為參照處理，淡水的灌溉水礦化度為1.085 g/L，試驗設置5 個處理，每個處理2 次重復，共布設10 個試驗小區。向日葵苗期采用淡水灌溉，現蕾期和灌漿期采用微咸水灌溉，微咸水按照不同礦化度要求由地下淡水與NaCl配置而成。向日葵播種時間為5月下旬至6月上旬，品種選用美葵318，覆膜種植。種肥二銨施用量為375 kg/hm2，尿素施用量為75 kg/hm2，追肥施用尿素，施用量為375 kg/hm2。向日葵生育期灌水3 次，苗期灌水量為1 200 m3/hm2，現蕾期灌水量為1 050 m3/hm2，灌漿期灌水量為900 m3/hm2，整個生育期灌水量為3 150 m3/hm2。

1.3 檢測項目與數據分析

向日葵測產完成后，對每個處理的100 g 向日葵籽粒仁進行品質檢測，檢測項目主要有蛋白質、脂肪、脂肪酸、維生素E（以下簡稱VE）等指標。其中，脂肪酸是脂肪水解的產物，包括棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸和亞麻酸等。數據分析采用Excel、SPSS 等軟件，不同礦化度灌溉水對品質指標的影響及品質指標間的相互影響采用方差分析、相關分析法進行，微咸水灌溉條件下向日葵品質指標的綜合評價采用因子分析方法，Excel軟件進行圖形制作。

2 結果與分析

2.1 微咸水灌溉對各品質指標的影響分析

向日葵的品質指標包括蛋白質、脂肪、脂肪酸、VE 等，各品質指標含量各不相同，其中脂肪含量最大，一般在50%以上；蛋白質含量次之，一般在30%以上；在脂肪酸組成指標中，亞油酸和油酸所占比例比較大，而棕櫚酸、硬脂酸和亞麻酸的比例比較小；VE 含量雖然比較小，但也是反映向日葵籽品質的一個重要指標。由于各品質指標對灌溉水的礦化度敏感性不同，同一個品質指標不同礦化度灌溉水處理之間產生的差異顯著性也不相同，2014年、2015年不同微咸水灌溉處理每一品質指標對比見圖1 和圖2，圖中每一指標字母相同者表示相應處理間的差異不顯著（5%顯著性水平）。

從圖1 和圖2 可知，VE 隨著灌溉水礦化度的增加有先增后減再增的趨勢，兩年中均以KX3 處理的VE 含量最高，KX1和KX2處理的VE含量略低于KX3處理，而KX4和KX5處理的VE 含量則顯著低于其他3 個處理（2014年分別比KX1 處理低19.59%、 12.04%， 2015年分別比KX3處理低23.53%、16.36%）。蛋白質含量隨灌溉水礦化度的增加有增加的趨勢，其中2014年KX5 處理蛋白質含量顯著高于KX1、KX2 處理（分別高8.64%、9.85%），另外兩個處理則位于KX1、KX5 之間且無顯著差異；2015年KX5 處理蛋白質含量顯著高于KX1處理（高12.06%），另外3 個處理則位于KX1、KX5 之間且無顯著差異。對于脂肪來說，其含量隨灌溉水礦化度的增加有減小的趨勢，但2014年各處理間脂肪含量差異不大，2015年KX5 處理脂肪含量明顯低于KX2 處理（低5.21%），其他各處理差異不顯著。在脂肪酸組成指標中，油酸所占比例隨著灌溉水礦化度的增加有增加的趨勢，其中2014年KX5 處理的油酸明顯高于KX1 處理，比KX1 處理高13.78%，KX2、KX3、KX4 處理位于KX5 與KX1 處理之間，且與KX5、KX1 均無顯著性差異，但2015年各處理的油酸比例沒有顯著差異；亞油酸所占比例隨灌溉水礦化度的變化正好與油酸相反，隨著灌溉水礦化度的增加有減小的趨勢，其中2014年KX4、KX5 處理亞油酸比例明顯低于KX1 處理，分別比KX1 處理低6.46%、2.42%，2015年各處理間的差異不顯著，KX4、KX5 處理分別比KX1 處理低4.18%、4.04%；棕櫚酸比例隨著灌溉水礦化度的增加有先增后減的趨勢，兩年中均以KX3 處理的最大，但2014年各處理的差別不大，2015年KX3 處理則顯著高于KX1處理，其余3個處理差異不大；硬脂酸比例也表現出類似地先增后減的趨勢，兩年中均以KX4 處理的最大，2014年各處理差異不大，2015年KX4 處理則顯著高于KX1、KX2、KX5 處理，分別比KX1、 KX2、 KX5處理高14.81%、 12.12%、9.85%。此外，各處理的亞麻酸比例比較小且在兩年中差異均不顯著。各指標隨灌溉水礦化度的變化見圖3。

從圖3（a）和圖3（b）可以看出，2014年、2015年亞油酸和脂肪隨著灌溉水礦化度的增加基本呈減小趨勢，灌溉水的礦化度越大，亞油酸、脂肪含量越小，亞油酸在灌溉水礦化度為3.5 g/L（KX4）時最小，脂肪在灌溉水礦化度為4 g/L（KX5）時最小，亞油酸與灌溉水礦化度呈線性關系，脂肪與灌溉水礦化度呈二次多項式關系，且擬合效果均較好。從圖3（c）和圖3（d）可以看出，2014年、2015年蛋白質和油酸隨著灌溉水礦化度的增加基本呈增加趨勢，灌溉水的礦化度越大，油酸、蛋白質含量越大，油酸和蛋白質在灌溉水礦化度為4 g/L（KX5）時值最大，在灌溉水礦化度為1.1 g/L（KX1）時值最小，油酸與灌溉水礦化度呈線性關系，蛋白質與灌溉水礦化度呈二次多項式關系，且擬合效果均非常好；從圖3（e）和圖3（f）可以看出，2014年、2015年棕櫚酸、硬脂酸隨著灌溉水礦化度的增加呈現先增加后減小的趨勢，其中，棕櫚酸在灌溉水礦化度為3 g/L（KX3）時含量最大，硬脂酸在灌溉水礦化度為3.5 g/L（KX4）時含量最大，棕櫚酸與灌溉水礦化度呈二次多項式關系，硬脂酸與灌溉水礦化度呈三次多項式關系，且硬脂酸與灌溉水礦化度擬合效果均非常好；從圖3（g）和圖3（h）可以看出，2014年、2015年VE 隨著灌溉水礦化度的增加呈現先增加后減小再增加的趨勢，在灌溉水礦化度為3g/L 時值最大，說明適度的微咸水灌溉會增加籽粒的VE，VE和灌溉水礦化度呈三次多項式函數關系，擬合效果一般，亞麻酸在淡水灌溉處理（KX1）時含量最大，隨著灌溉水礦化度的變化整體呈減小趨勢，且變化量很小，只有0.01%或更小。因此，各指標對灌溉水礦化度的敏感性不同，隨灌溉水礦化度的變化規律也各不相同，表現為線性、二次多項式或三次多項式函數關系。

2.2 微咸水灌溉條件下向日葵籽粒品質指標相關性分析

向日葵籽粒品質指標的含義各不相同，分別從不同角度反映了向日葵籽粒的營養成分含量，以各品質指標為變量，對品質指標間的相關關系進行比較分析，結果見表1。

從表1可以看出，向日葵籽粒部分品質指標之間具有比較強的相關性，其中，蛋白質與油酸之間的相關性非常顯著，相關系數比較高，蛋白質與亞油酸之間相關性比較顯著；脂肪除了與亞麻酸、蛋白質相關性不顯著之外，與脂肪酸各組成指標、VE 都有較強的相關性，脂肪-棕櫚酸、脂肪-油酸、脂肪-亞油酸之間相關性比較顯著，脂肪與硬脂酸、VE 之間相關性非常顯著，相關系數比較高；脂肪酸各組成指標中除了棕櫚酸與其他指標相關性不顯著外，其他脂肪酸組成指標之間具有比較強的相關性，亞油酸-油酸、亞油酸-硬脂酸、亞油酸-亞麻酸、油酸-亞麻酸、油酸-硬脂酸之間相關性非常顯著，相關系數很高，亞麻酸-硬脂酸之間相關性比較顯著，因此，脂肪、亞油酸、油酸與其他品質指標的相關程度較高。為了表征各指標之間的相互變化對應關系，利用曲線進行擬合，考慮到脂肪酸的5個組成指標中油酸和亞油酸占到組成的85%以上，因此，對棕櫚酸、硬脂酸、亞麻酸與其他指標的函數關系不進行研究，只考慮脂肪、蛋白質、VE、油酸、亞油酸之間的函數關系，擬合結果見圖4。

表1 向日葵籽粒品質指標相關性分析表

從圖4 可以看出，表征品質指標之間的函數關系各不相同，一個品質指標每變化一個單位，引起相對應指標的變化幅度各不相同。亞油酸-蛋白質、脂肪-亞油酸、脂肪-油酸均表現為三次多項式曲線函數關系，擬合曲線呈“S”變化，脂肪-油酸、亞油酸-蛋白質呈正“S”變化趨勢，脂肪-亞油酸呈倒“S”變化趨勢；油酸-蛋白質、亞油酸-油酸、脂肪-VE均表現為線性函數關系，油酸-蛋白質、脂肪-VE 均是正相關線性關系，亞油酸-油酸是負相關線性關系，這與李為萍、包海柱等人[12,13]的研究結果有一致性，且亞油酸和油酸的相關度很高。

2.3 微咸水灌溉條件下向日葵籽粒品質指標的綜合評價

向日葵籽粒的品質指標較多，各指標間一般存在一定的相關關系，且不同指標的評價結果可能存在不一致。關于作物品質的多指標綜合評價，目前還沒有統一的方法，現有研究中多采用主成分分析法進行評價[14-20]。主成分分析是研究如何將多指標問題轉化為較少幾個綜合指標的一種多元統計方法，這些綜合指標是原來多個指標的線性組合，彼此互不相關，從而實現用較少指標反映原來眾多指標的主要信息，因而在許多領域的綜合評價中被廣泛應用[8,14-20]。考慮到不同灌溉水礦化度對各品質指標的影響規律不同，各品質指標又體現不同的葵花籽粒營養作用，很難通過一個或兩個指標直觀地判別微咸水灌溉對品質指標的影響，因此，在相關分析的基礎上，運用主成分分析法對品質指標信息進行提取組合，根據各品質指標在公因子中的得分系數，計算各公因子及綜合因子得分排名，綜合評價不同灌溉水礦化度對品質指標的影響。根據KMO 檢驗統計量和巴特利特檢驗的結果，KMO 指標值為0.704，顯著性sig 值為0，表明數據滿足分析的前提條件，分析得到的各品質指標公因子特征值及貢獻率結果見表2。

表2 各品質指標公因子的特征值及貢獻率

從表2 可以看出，有兩個公因子的初始特征值大于1，累積百分比為83.441%，第一個公因子主要反映了硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸、蛋白質5個品質指標的信息，第二個公因子主要反映了棕櫚酸、VE、脂肪3 個品質指標的信息，選擇兩個公因子可以代替原來8個品質指標的大部分信息，兩個公因子得分系數見表3。

表3 公因子得分系數

根據表3各品質指標得分系數可以得出公因子的表達式F1和F2，通過表達式可以計算出公因子得分，結果見表4。考慮到與向日葵經濟效益相關聯的除了品質外還有產量，在考慮產量的前提下，才能更合理地對品質進行綜合評價，因此表4中列入了2014年和2015年的向日葵產量，不同微咸水灌溉條件下產量和品質指標綜合得分的對比見圖5。

從圖5（a）可知，2014年和2015年向日葵籽粒品質指標綜合得分依次為：KX5＞KX4＞KX2＞KX3＞KX1，不同微咸水灌溉條件下，兩個年度向日葵籽粒品質指標綜合得分的變化規律具有一致性，總體表現為隨著灌溉水礦化度的增加，籽粒品質指標綜合得分也呈增加趨勢，按照品質指標綜合得分可以把微咸水對品質指標的影響劃分為3 種程度，KX5、KX4 處理為影響程度較大類，KX2、KX3 處理為影響程度居中類，KX1 處理為影響程度較小類，尤其是灌溉水礦化度為4g/L（KX5）的處理，向日葵品質指標綜合得分最大，與其他處理有明顯地區別。從圖5（b）可知，2014年向日葵籽粒產量依次為：KX3＞KX4＞KX2＞KX1＞KX5，與淡水灌溉KX1 處理相比，KX2、KX3、KX4 處理產量分別增加了0.60%、3.90%、1.70%，4 個處理產量變化不明顯，KX5 處理產量減少了19.92%，產量減少明顯；2015年向日葵籽粒產量依次為：KX1＞KX2＞KX3＞KX4＞KX5，與淡水灌溉KX1處理相比，KX2、KX3、KX4 處理產量分別減少了0.87%、3.30%、5.99%，各處理產量變化不明顯，KX5 處理產量減少了18.35%，產量減少明顯，因此，從產量和品質指標綜合得分兩個方面來看，在產量不明顯減少、品質有所提高的前提下，KX4 處理的保產增質效果比較好，即當灌溉水礦化度為3.5 g/L 時，可以在保證向日葵產量的同時，提高向日葵的品質。

表4 不同礦化度處理各品質指標因子綜合得分

鄭鳳杰等人[8,9]的研究表明適度的微咸水灌溉會增加向日葵籽粒的品質含量，與本文的結果一致。同時以上結論也與關于果樹[21]、棉花[22]、蜜瓜[23]等作物的微咸水灌溉試驗研究結論相一致。

3 結 論

根據內蒙古河套灌區向日葵微咸水灌溉試驗，分析了微咸水對向日葵產量和品質的影響，得到以下結論：

（1）該試驗研究表明向日葵籽粒中的蛋白質、油酸隨著灌溉水礦化度的增加而增加，在灌溉水礦化度為4 g/L 時值最大；亞油酸、脂肪隨著灌溉水礦化度的增加而減小，在灌溉水礦化度為4 g/L 時值最小；棕櫚酸、硬脂酸隨著灌溉水礦化度的增加呈先增加后減小的趨勢，棕櫚酸在灌溉水礦化度為3g/L 時值最大，硬脂酸在灌溉水礦化度為3.5 g/L 時值最大；VE 隨著灌溉水礦化度的增加呈現先增后減再增的趨勢，在灌溉水礦化度為3 g/L時值最大；亞麻酸含量較小且變化不明顯，不同灌溉水礦化度對品質指標的影響顯著性不同。

（2）向日葵籽粒部分品質指標之間具有比較強的相關性，蛋白質與油酸、亞油酸之間有較強的相關性，脂肪與脂肪酸各組成指標（亞麻酸除外）、VE 之間有較強的相關性，脂肪酸各組成指標中除了棕櫚酸與其他指標相關性不顯著外，其他指標之間具有比較強的相關性，因此，脂肪、亞油酸、油酸屬于關聯度范圍較大的指標，不論是指標之間還是與其他指標之間相關程度都較高；VE、蛋白質屬于關聯度范圍較低的指標，與其他指標之間相關程度較低；其他脂肪酸組成指標關聯度范圍居中，并且脂肪-油酸、亞油酸-蛋白質呈正“S”變化趨勢，脂肪-亞油酸呈倒“S”變化趨勢；脂肪-VE、油酸-蛋白質正相關線性關系，亞油酸-油酸是負相關線性關系，且亞油酸和油酸的相關度很高。

（3）2014年、2015年向日葵各處理品質指標平均綜合得分排名依次為：KX5＞KX4＞KX2＞KX3＞KX1，KX5、KX4 處理顯著大于KX2、KX3、KX1 處理，尤其KX1 得分最小。2014年、2015年向日葵各處理平均產量依次為：KX3＞KX1＞KX2＞KX4＞KX5，與對照處理KX1 相比，KX2、KX4、KX5 處理產量分別減少0.19%、2.40%、19.08%，KX3 處理比KX1 處理產量增加0.06%，因此，從產量和品質指標綜合得分兩個方面綜合來看，灌溉水礦化度為3.5 g/L（KX4）時，既可以保證向日葵的產量，又能達到提高向日葵品質的目的。