水氮配置對地下滲灌棗樹光合特性及產量的影響

李興強，孫兆軍，*，焦炳忠，韓 磊，何 俊，王 蓉，強曉玲

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學環境工程研究院，寧夏 銀川750021；3.教育部中阿旱區特色資源與環境治理國際合作聯合實驗室，寧夏 銀川 750021）

寧夏同心屬于干旱半干旱地區，地處農林牧等產業的交會處，紅棗是當地主要特色產業之一。棗樹的生長和產量主要受到水分的制約［1］，肥料的正確使用也是提高產量的主要因素，氮肥是作物三大肥料之一，施氮量也是影響產量的主要因子，水氮協同效應有利于旱地作物增產增效［2］，過量的氮肥施入量影響農區環境污染。不同水肥組合影響作物光合特性、農藝性狀、產量，當前，如何通過調節作物水氮配置來改善葉片光合特性和葉綠素含量，提高作物產量和肥料偏生產力，達到節水、節肥、增產效果，已成為重點研究的問題［3-5］。已有大量研究表明，合理的灌溉量和肥料的組合，有利于提高作物葉片光合特性和葉綠素含量［1，6-7］。滴灌條件下的水肥耦合效應，對作物產量、水分利用效率都有提高作用［8-11］。許多學者對水氮耦合下的玉米等作物也開展了研究，表明適宜的水氮耦合有利于作物水分利用效率和產量的提高［12-14］。

地下灌溉技術是一種高效節水灌溉方法，通過埋入地下的灌水器將灌溉水和肥料直接輸送到作物根系周圍進而被作物吸收和利用，能有效地減少土壤表面的水分蒸發和肥料運移過程的損失，節水節肥效果明顯［15］。因此實現地下滲灌條件下最優水氮配置，對發展節水型農業起到關鍵作用。目前，有學者對馬鈴薯［16］和黃瓜［17］采用地下滲灌方式設置不同施氮量進行研究，提出了適宜的灌水方式和施氮量的組合，且有利于節水節肥。對地下滲灌在棗樹的應用，韓懂懂等［18］設置不同灌溉定額與滴灌、管灌進行對比研究，得出地下滲灌較滴灌更有利于提高產量和水分利用效率。以上研究僅限于某個特定地區，并且關于以地下滲灌為灌水器條件的同心圓棗水氮配置的研究鮮有報道。

本文通過設置不同的灌溉量和施氮量處理，對同心圓棗的光合特性、葉片葉綠素含量和氮含量、水分利用效率、氮肥偏生產力及產量進行分析比較，篩選出適宜的水氮配置，為同心圓棗地下滲灌節水高產高效管理提供最佳水氮配置模式。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區位于寧夏中部干旱帶的同心縣王團鎮科技示范園。該地區干旱少雨，年平均氣溫8.6℃，年平均降水量僅為270 mm，棗樹生長期內降水季節性分配不均，主要集中在7～9月。2017年棗樹生育期有效降水量225.60 mm（圖1）。多年平均蒸發量為2325 mm，無霜期120～218 d，多年平均日照達3024 h。研究區土壤為砂壤土，入滲能力較強，田間持水率為23.10%。試驗地0～100 cm土壤理化性質均值如表1所示。

表1 土壤理化性質

圖1 2017年棗樹生育期內降水量

1.2 試驗設計

試驗設置不同灌溉定額（W1：2250 m3/hm2、W2：3000 m3/hm2、W3：3750 m3/hm2）和 施 氮 量（N1：240 kg/hm2、N2：300 kg/hm2、N3：360 kg/hm2）的水氮配置2因素3水平試驗，每個處理設3次重復，一次重復3棵棗樹，共27個小區。

供試作物為8年生成齡同心圓棗，行株距為2.5 m×3.5 m，胸徑52～68 mm，株高為289～348 cm，冠幅為174～223 cm。地下滲灌管是采用橡膠和聚乙烯按一定比例混合加工而成的滲灌管道，出水量為300～400 mL/（m·min）。在棗樹萌芽展葉期開始前，對所處理的棗樹進行修剪，對棗樹行進行旋耕。地下滲灌鋪設采用人工開溝，管道長度以棗樹樹干為圓心，直徑為80 cm，確定其長度，深度以地表為起點，埋深為15 cm，埋管前對管道進行通水，每次灌溉量通過水表讀數記錄。依據棗樹的需肥規律和灌溉方式，采用少量多次進行施肥，開花期施2次，坐果期施3次，果實膨大期施3次。將肥料完全溶解于肥料罐中，施肥通過自制文丘里施肥裝置施入，施肥前10 min灌水，停水前30 min結束施肥。供試肥料為復合肥滴灌肥（N、P2O5和K2O占 比 分 別 為33%、12%和5%）。整個試驗過程的灌溉和施肥制度如表2所示。

表2 水氮配置下棗樹全生育期灌溉施肥制度

1.3 測定指標及方法

降水量觀測：距離樣地50 m空曠處安裝有自動氣象站（auto weather station AR5），長期監測研究區降水量、溫度、風速、太陽輻射等氣象資料。

光 合 指 標：于2017年7月3日（8：00～18：00）坐 果 期 和2017年7月27日（8：00～18：00）果實膨大期，采用Li-6400便攜式光合測定儀（Li-Cor Inc，USA）進行測定各處理葉片光合指標（凈光合速率Pn、蒸騰速率Tr、氣孔導度Gs、胞間CO2濃度Ci）。每個處理選取2棵棗樹，在每棵棗樹上選取東西南北4個枝條，并在每個枝條上選取相同大小的葉片測定。測定前對葉片做好標記，下同。

葉片葉綠素相對含量（SPAD）：采用便攜式葉綠素儀SPAD-502測定，在開花期、坐果期和果實膨大期每次灌水施肥后2 d，每個處理分別選取東西南北4個枝條的上、中、下3片葉子進行測定，每個處理共測12片葉并取其平均值。

葉片氮含量（N）：分別在棗樹開花期、坐果期和果實膨大期，在每棵棗樹上選取東西南北4個方向的上、中、下各12片，裝入保鮮袋中，放在4℃左右的冰箱里。帶回實驗室，清洗、烘干、粉碎。稱取葉片干物質0.05 g于消煮管中，采用H2SO4-H2O2方法于260～270℃消化，并運用流動分析儀測定消化液的氮素含量。

土壤含水率：采用Trime-IPH管式（200 cm）TDR土 壤 水 分 測 量 系 統（IMKO，Ettlingen，Germany），于棗樹生長期內監測0～200 cm土層土壤含水率，每隔20 cm測定一次，測定時間為灌水前后和降雨后。

氮肥偏生產力（kg/kg）=每公頃果實產量/每公頃施氮量。

產量：棗樹果實成熟后按各處理收獲，進行產量測定。

1.4 數據分析

利用Excel 2010進行數據整理和繪圖，利用SPSS 22.0對數據進行分析，選擇Duncan法進行處理間的差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 水氮配置對棗樹生理指標的影響

水氮配置下棗樹生育階段內光合作用特性如表3所示。水氮交互作用下，除W1N2和W1N3之 間 的Pn，W3N3和W3N2之 間 的Tr、Gs W1N3和W2N1、W2N2和W2N3之 間 的Gs，W1N2和W2N2之間的Ci無顯著差異外，其他處理之間的Pn、Tr、Gs、Ci均達到顯著性差異（P＜0.05）。相同施氮條件下，不同灌溉定額Pn、Tr、Gs均為W3處理＞W2處理＞W1處理，Ci為W1處理＞W2處理＞W3處理；N3處理條件下，W3處理Pn比W2、W1處理分別提高12.81%、31.63%；N2處理條件下，W3處理的Tr比W2、W1處理分別提高20.71%、154.46%；N2處理條件下，W3處理的Gs比W2、W1處理分別提高51.43%、231.25%；N3處理條件下，W1處理的Ci比W2、W3處理分別提高4.05%、11.95%。說明隨著灌溉定額的增加Pn、Tr、Gs均增加，而Ci降低。相同的灌溉定額條件下，隨著施氮量的增加光合作用參數Pn、Tr、Gs、Ci均增加，并且N3處理的Pn、Tr、Gs、Ci比N1處理分別增加14.47%、44.53%、30.73%、21.85%，在灌溉定額為W2、W3處理時，N2處理的Tr、Gs比N1、N3處理高，說明灌溉量的增加有助于水氮交互作用影響光合作用的蒸騰速率Tr和氣孔導度Gs。

表3 水氮配置下的棗樹生育階段光合及蒸騰特性

2.2 水氮配置對棗樹葉片中葉綠素SPAD及氮含量的影響

水氮配置下棗樹開花期、坐果期、果實膨大期內各組合下葉片的SPAD和N含量的變化如表4所示。3個生育期內，水氮交互下葉片的SPAD和N含量都存在顯著性差異，3個生育期內W2N3和W3N2葉片的SPAD含量之間無顯著性差異，相同灌溉定額下，隨著施氮量的增加，葉片的SPAD和N含量逐漸增加，在W1處理條件下，N1和N2處理之間SPAD增幅較大，W2處理條件下，N1和N2處理之間SPAD增幅較小，W3處理條件下，N1和N2處理之間SPAD增幅又變大，說明水氮交互作用下，可根據水氮的配置來調節作物的生長，不需要高水高肥。各水氮組合棗樹葉片的SPAD、N含量均為果實膨大期＞坐果期＞開花期，坐果期和果實膨大期均施氮3次，開花期施氮2次，開花期單次施氮量均高于坐果期和果實膨大期單次施氮量。3個生育期葉片的SPAD為36.29（W1N1）～58.44（W3N3），果實膨大期W3N3的SPAD比開花期W1N1提高了37.90%。自開花期至果實膨大期，葉片N含量逐漸升高，果實膨大期W3N3處理最高，比開花期W1N1多39.87%，說明水氮交互有利于棗樹各生育時期葉片SPAD和N含量的增加。

表4 水氮配置下的棗樹葉片葉綠素SPAD及氮含量

2.3 水氮配置對棗樹全生育期土壤水分的影響

水氮配置下棗樹全生育期內土壤水分變化如圖2所示。在棗樹整個生育期內，各處理土壤水分在100 cm以下隨著灌水量和施氮量變化幅度不大，呈穩定趨勢；在0～100 cm土層土壤含水率隨土層深度增加而逐漸減小。施氮量相同下，灌水量越高，0～100 cm土層土壤含水率越高；灌水量相同下，施氮量對土壤含水率的影響不明顯。

圖2 水氮配置下的棗樹全生育期土壤水分變化

2.4 水氮配置對棗樹耗水量及水分利用效率的影響

水氮配置下棗樹耗水量和水分利用效率變化如表5所示。各處理儲水量變化為收獲后田間儲水量和萌芽期之前田間儲水量之差，主要體現灌水后作物對水分吸收的變化，水氮交互作用下，高水高肥對田間水分儲水量影響最大。各處理耗水量之間存在顯著性差異（除W3N2和W2N3之外），W3N3耗水量最多，為359.94 mm，比最低的W1N1增加47.53%，灌溉量和施氮量分別對耗水量具有一定的影響。水分利用效率體現作物灌水量與產量之間的關系，W2N2水分利用效率最高，為2.54 kg/m3，W1N1和W3N1水分利用效率最低，W2N2水分利用效率比W1N1、W3N1分別高35.83%、36.56%，W2N2、W1N1、W3N1之間存在顯著性差異。水氮配置對耗水量和水分利用效率都有一定的影響，并且單因素下也影響耗水量和水分利用效率。

表5 水氮配置下的耗水量及棗樹水分利用效率

2.5 水氮配置對棗樹產量構成因素及氮肥偏生產力的影響

不同水氮配置下棗樹產量構成因素和氮肥偏生產力的影響如表6所示。單果質量的大小和單株結果數的多少是影響棗樹單株產量的主要因素。水氮交互作用下，W1N3和W2N1、W2N2和W2N3、W3N2和W2N3處理之間的單果重和單株結果數均無顯著性差異（P＞0.05），其他處理之間均存在顯著性差異（P＜0.05）。相同灌溉量下，不同施氮量各處理的單果重和單株結果數之間存在顯著性差異（P＜0.05）（除W2處理下的N2和N3處理）；相同施氮量下，不同灌溉量各處理的單果重和單株結果數之間均存在顯著性差異（P＜0.05）。隨著灌水量和施氮量的增加，單果重和單株結果數逐漸增大，W3N3處理的單果重、單株結果數均最高，分別為19.07 g、456個。

表6 水氮配置下棗樹的產量、產量構成因素及氮肥偏生產力

W2N1處理的氮肥偏生產力最高，為24.15 kg/kg，與W2N2和W3N1處理之間無顯著性差異（P＞0.05），與其他處理之間均存在顯著性差異（P＜0.05）。棗樹產量隨著灌溉定額和氮肥施入量的增加逐漸增加，W3N2和W2N3、W2N2和W2N3、W1N3和W2N1處理之間無顯著性差異（P＞0.05），其他處理均存在顯著性差異（P＜0.05）；W3N3處理產量最高，為7829.14 kg/hm2，與其他處理均存在顯著性差異，比W2N2、W2N3分別提高8.04%、10.00%，W2N2、W2N3處理的產量僅次于W3N3處理，比W3N2產量高，并且W2N2處理與W3N2、W3N3處理存在顯著性差異（P＜0.05）。W1和W3處理下不同施氮量之間均存在顯著性差異（P＜0.05），N2和N3處理下不同灌水量之間均存在顯著性差異（P＜0.05）。

3 討論

3.1 不同水氮配置對棗樹生理特性的影響

灌溉量和施氮量通過影響葉片色素［19］、氣孔或非氣孔因素［20］、光合電子的傳遞［21］以及葉片中的酶［22］等多種因素，從而對植株的光合作用造成影響，進而影響其產量和水分利用效率。灌溉量與施氮量對植株光合作用的影響是不同的，增大灌溉定額時，Pn、Tr、Gs呈增大趨勢，但增大灌溉定額對Ci無促進作用，Ci表現為隨著灌水量的增加逐漸下降，Ci隨施氮量變化顯著，相同灌溉量下隨著施氮量增加逐漸增加；自開花期至果實膨大期，棗樹葉片的葉綠素含量逐漸增多，增加灌溉量和施氮量顯著提高葉片含氮量，增加了棗樹光合作用。這可能是由于適宜水分條件下有利于提高氣孔導度，增加蒸騰速率和CO2的吸收量，進而影響作物光合速率［23-24］；在水分適宜條件下增施肥料，有利于提高作物將光能轉化為葉綠素的效率，利于增加葉綠素相對含量，滿足作物自身營養生長，進而影響作物的光合作用［5］；或者是適宜的水氮配置有利于提高土壤環境中微生物群落多樣性和穩定性，利于改善作物根際土壤生態環境，為作物提供生長養分和較好的生長環境，使得作物冠層發達，從而促進了作物的光合作用和蒸騰作用［25］；或者是適宜的灌水量能提高PSⅡ（Fv/Fm）原初光能轉換效率，促進作物葉片光合作用的原初反應，提高光合速率［21］。另外，本試驗研究結果還表明，單因素灌溉量對光合特性各指標均達到顯著差異，單因素施氮量未達到顯著差異，水氮交互作用下各指標均達到極顯著性差異，可能是因為適宜的水氮組合對于作物光合能力和葉綠素相對含量的提高具有一定的促進作用，因此，適宜的水氮配比是提高作物光合指標的關鍵［26-27］。

3.2 不同水氮配置對棗樹產量構成因素和產量的影響

產量與水分利用效率是決定作物經濟效益的首要指標，提高產量與水分利用效率是實現高產高效的基礎。水肥是影響棗樹產量及水分利用率的重要因素，發揮“以肥調水”對于提高作物的產量及水分利用率有極其重要的作用［28-29］。本試驗研究中，通過對棗樹耗水量、氮肥偏生產力、水分利用效率、產量及構成因素分析，棗樹的耗水量隨著灌溉量和施氮量的增加而增加，不同處理之間存在顯著性差異。氮肥偏生產力隨著灌溉量和施氮量的增加逐漸降低，中水與低氮（W2N1）和中氮（W2N2）組合下的氮肥偏生產力最高，與高水低氮（W3N1）組合無顯著性差異，與其他處理均存在顯著性差異。灌水量和施氮量的增加均有提高棗樹單果重、單株結果數和產量，但水氮配置比提高單一因素的灌水量或施氮量更有利于產量和產量構成因素的提高，并且水分利用效率和氮肥偏生產力達到了較高水平。這可能是由于地下滲灌可以將水分和養分輸送到作物根系分布區域，從而使作物更好地吸收水分和養分，并且高水量會導致水分在根區分布范圍廣，甚至超越根區分布范圍，導致過量的水分和養分流失，還會使生殖生長減弱，營養生長旺盛，造成生長冗余，直接影響作物產量；過高的施氮量會導致作物對養分吸收過飽和，使過量的養分留在土壤中［18，30］。高水高肥（W3N3）可以提高作物產量，但水分利用效率和氮肥偏生產力都低。這可能是適宜的水氮配比可以通過根-冠化學信號機制有效抑制營養生長，有利于作物對獲取的有限物質和能量進行最合理的分配和使用，使更多的同化產物向地下根系、地上冠層運轉，促進根系的生長發育和產量構成因素的優化，從而增加產量和提高水分利用效率，達到了節水、高效的目的［11-14，27］。

4 結論

棗樹光合特性參數中的Pn、Tr、Gs隨著灌水量和施氮量的增加而增加；Ci隨著施氮量的增加而增加，但隨著灌溉量的變化趨勢則相反。灌溉量與施氮量對棗樹光合作用的影響是不同的，水分對光合作用的影響顯著高于施氮量，兩者存在顯著的負交互作用。各水氮配置處理棗樹葉片的SPAD、N含量均表現為：果實膨大期＞坐果期＞開花期，果實膨大期高水高氮處理（W3N3）的SPAD和N含量比開花期低水低氮處理（W1N1）分別提高了37.90%和39.87%，說明水氮交互有利于棗樹各生育時期葉片SPAD和N含量的增加。因此，不同的水氮配置通過影響作物的光合特性進而對產量、水分利用率及氮肥偏生產力產生影響，它們之間具有相互影響、相互制約的關系。

通過本次試驗研究，分析得出棗樹地下滲灌適宜的水氮配置為：灌溉量3000 m3/hm2、施氮量300kg/hm2。在此條件下，棗樹的光合速率可達到8.24 μmol/（m2·s），氮肥偏生產力達到24.15 kg/kg，產量和水分利用效率分別達到7246.26 kg/hm2和2.54 kg/m3，是提高水分利用效率和氮肥偏生產力較為理想的組合，有利于實現棗樹高效生產。