不同控水處理對(duì)枸杞生長(zhǎng)和水分利用效率的影響

蔣正文,岳宏偉,陳 嬌,劉 晗

(寧夏回族自治區(qū)灌溉排水服務(wù)中心,寧夏銀川 750016)

淡水資源時(shí)空分配不均是影響我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的嚴(yán)重障礙[1],同時(shí)水資源的不合理利用加劇了干旱的發(fā)生[2-3]。在干旱、半干旱地區(qū)實(shí)施合理灌溉是促進(jìn)植物生長(zhǎng)和提高產(chǎn)量的重要措施之一[4]。因此,在當(dāng)前寧夏社會(huì)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)發(fā)展中開(kāi)展高效節(jié)水的研究是急需解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,合理確定作物的最佳灌溉量是解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)體系問(wèn)題和農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)模式研究的必要前提[5]。研究表明,分蘗期適度控水在復(fù)水后能夠顯著提高水稻葉片凈光合速率等光合特性,同時(shí)減少無(wú)效分蘗數(shù)、提高產(chǎn)量[6]。控水灌溉有效促進(jìn)了藍(lán)莓植株生長(zhǎng)、冠幅增加以及枝條伸長(zhǎng)、增粗[4]。適當(dāng)?shù)目厮喔纫部梢燥@著提高小麥產(chǎn)量和水分利用效率[7]。

寧夏枸杞(LyciumbarbarumL.)為茄科枸杞屬多年生灌木,具有耐鹽堿、耐干旱等優(yōu)點(diǎn),是寧夏、甘肅、青海、內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)脫貧的重要經(jīng)濟(jì)林品種[8]。實(shí)踐表明,合理的灌溉栽培措施有利于枸杞增產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)水分利用最大化。侯建安等[9]研究灌水頻率和定額對(duì)枸杞園土壤水熱分布及產(chǎn)量的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)最佳灌水下限宜控制在田間最大持水量的85%,此條件下產(chǎn)量、單果質(zhì)量、果實(shí)縱橫徑、2 cm以上等級(jí)率均優(yōu)于其他處理。徐利崗等[10]認(rèn)為當(dāng)灌水量為3 750 m3/hm2時(shí)枸杞鮮果產(chǎn)量、干果產(chǎn)量、百粒重、粒度及多糖含量均最高,水分利用效率最高且品質(zhì)相對(duì)較好。前人的相關(guān)研究多側(cè)重于單一生育期控水對(duì)枸杞產(chǎn)量、光合、品質(zhì)及水分利用效率的影響,而關(guān)于不同生育期控水的研究鮮有報(bào)道。筆者以寧杞7號(hào)為試驗(yàn)材料,分別在春梢期、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和盛花期、盛果期、秋果期進(jìn)行不同控水處理研究,測(cè)定了生長(zhǎng)指標(biāo)、光合參數(shù)、產(chǎn)量、品質(zhì)、耗水量和水分利用效率等指標(biāo),通過(guò)隸屬函數(shù)值法對(duì)上述各指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),篩選出最佳控水組合,旨在為寧夏枸杞的水分合理調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)利用寧夏水利科學(xué)研究院灌溉試驗(yàn)站已建的測(cè)坑和蒸滲儀,以3年齡枸杞為研究對(duì)象,試驗(yàn)品種為寧杞7號(hào)。測(cè)定土壤類(lèi)型為砂壤土,最大田間持水量為22.5%;分別在春梢期、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和盛花期、盛果期、秋果期進(jìn)行不同的控制水分供給研究。其中,春梢期控制灌溉枸杞根區(qū)土壤含水量為土壤最大持水量(θf(wàn))的50%(50%θf(wàn));營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和盛花期控制灌溉枸杞根區(qū)土壤含水量為50%θf(wàn)、65%θf(wàn)和75%θf(wàn),盛果期控制灌溉枸杞根區(qū)土壤含水量為65%θf(wàn)和75%θf(wàn),秋果期控制灌溉枸杞根區(qū)土壤含水量為55%θf(wàn)。此外,4月中下旬春灌及10月下旬冬灌水量分別為450和675 m3/hm2。設(shè)置6個(gè)處理,3次重復(fù),共18個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。全生育期施肥8次,每次90 kg/hm2,各個(gè)生育期灌水量如表1所示。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定。利用游標(biāo)卡尺及鋼卷尺測(cè)定植株地徑、株高、東西冠幅、南北冠幅、每個(gè)枝條的條長(zhǎng)及莖粗。在東、西、南、北各選1條枝條進(jìn)行標(biāo)記,然后每個(gè)生育期后期進(jìn)行觀測(cè),落葉期后進(jìn)行最后一次觀測(cè)。

表1 各時(shí)期控制灌溉枸杞根區(qū)土壤含水量 Table 1 Soil water content in the root zone of L.barbarum under controlled irrigation in different periods

1.2.2光合參數(shù)的測(cè)定。使用CI-340 便攜式光合測(cè)定儀 (美國(guó)CID公司) 測(cè)定,測(cè)定葉片氣孔導(dǎo)度 (Gs)、凈光合速率 (Pn) 、蒸騰速率 (Tr)和胞間CO2濃度 (Ci) 。每個(gè)處理測(cè)定3個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)待穩(wěn)定后讀取10個(gè)數(shù)據(jù)。

1.2.3產(chǎn)量、品質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定。夏果和秋果成熟后全部采摘(成熟1批,采摘1批),經(jīng)處理后晾曬稱(chēng)量干果重。多糖含量采用苯酚-硫酸法比色測(cè)定[11];參照劉根紅等[12]的方法測(cè)定甜菜堿含量;采用索氏抽提法[13]測(cè)定粗脂肪含量;氨基酸含量參照朱楠等[14]的方法測(cè)定。

1.2.4耗水量和水分利用效率的測(cè)定。降雨量的測(cè)定:生育期間降雨量采用雨量器測(cè)定。

耗水量的計(jì)算公式如下:

ET=WO-Wt+I+M+K-D-R

(1)

式中:ET為耗水量;WO和Wt分別為初始時(shí)段和t時(shí)段測(cè)坑水量;I為灌水量;M為降雨量;K為地下水補(bǔ)給量;D為深層滲漏量;R為地表徑流量。

由于測(cè)坑是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立空間,與外部水分隔絕,沒(méi)有水分交換,故深層滲漏量(D)、地下水補(bǔ)給量(K)和地表徑流量(R)忽略不計(jì),因此耗水量公式可簡(jiǎn)化如下:

ET=WO-Wt+I+M

(2)

水分利用效率(WUE)的計(jì)算公式如下:

WUE=0.1×產(chǎn)量/ET

(3)

式中:WUE為作物水分利用效率,單位kg/m3;產(chǎn)量為枸杞干果重,單位kg/hm2;ET為耗水量。

1.3 數(shù)據(jù)處理采用Excel 2013軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì),使用SPSS 24.0軟件進(jìn)行方差分析,不同處理間差異顯著性檢驗(yàn)采用Duncan法。采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)值法對(duì)生長(zhǎng)指標(biāo)和生理指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。

當(dāng)指標(biāo)性狀間呈正相關(guān)時(shí),隸屬函數(shù)公式:

U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(4)

當(dāng)指標(biāo)性狀間呈負(fù)相關(guān)時(shí),隸屬函數(shù)公式:

U(Xj)=1-(Xmax-Xj)/(Xmax-Xmin)

(5)

其中:U(Xj)表示隸屬函數(shù)值;Xj表示某指標(biāo)的測(cè)定值;Xmin和Xmax表示參試水平系中某一指標(biāo)內(nèi)的最小值和最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同控水處理對(duì)枸杞生長(zhǎng)指標(biāo)的影響從圖1A可以看出,不同控水處理之間枸杞地徑均存在差異,其中T5和T6處理的枸杞地徑均顯著高于其他處理(P<0.05),分別為5.25和5.30 mm,T5處理的枸杞地徑分別為T(mén)1、T2、T3、T4處理的1.12、1.06、1.09和1.24倍,T6處理的枸杞地徑分別為T(mén)1、T2、T3、T4處理的1.13、1.07、1.10和1.25倍。由此可見(jiàn),T5和T6處理能有效提高枸杞的地徑。

從圖1B可以看出,不同控水處理間枸杞株高均存在差異,其中T6處理的枸杞株高顯著低于其他處理(P<0.05),僅為20.43 cm;T2和T5處理的枸杞株高顯著高于其他處理(P<0.05),T2處理的枸杞株高分別為T(mén)1、T3、T4、T6處理的1.06、1.09、1.18和2.05倍,T5處理的枸杞株高分別為T(mén)1、T3、T4、T6處理的1.03、1.06、1.15和2.00倍。

從圖1C可以看出,不同控水處理間枸杞東西冠幅均存在差異,T5處理的東西冠幅顯著高于其他處理(P<0.05),分別為T(mén)1、T2、T3、T4、T6處理的1.36、1.19、1.21、1.30和1.49倍。

從圖1D可以看出,T1處理的枸杞南北冠幅顯著低于其他處理(P<0.05),僅為25.33 cm;T2和T4處理的枸杞南北冠幅顯著高于T1、T5、T6處理(P<0.05),其中T2處理的枸杞南北冠幅分別為T(mén)1、T5、T6處理的1.65、1.11和1.18倍,T4處理的枸杞南北冠幅分別為T(mén)1、T5、T6處理的1.71、1.15和1.22倍。

從圖1E可以看出,T2和T3處理的枸杞枝條莖粗顯著低于其他處理(P<0.05),分別為1.74和1.79 mm;T4和T5處理的枸杞枝條莖粗顯著高于T1、T2、T3處理(P<0.05),其中T4處理的枸杞枝條莖粗分別為T(mén)1、T2、T3處理的1.16、1.45、1.41倍,T5處理的枸杞枝條莖粗分別為T(mén)1、T2、T3處理的1.22、1.52和1.48倍。

從圖1F可以看出,不同控水處理間枸杞枝條長(zhǎng)度均存在差異,T1處理的枸杞枝條長(zhǎng)度顯著低于其他處理(P<0.05),僅為34.68 cm;T4處理的枸杞枝條長(zhǎng)度顯著高于T1、T2、T5、T6處理(P<0.05),T4處理的枸杞枝條長(zhǎng)度分別為T(mén)1、T2、T5、T6處理的1.32、1.13、1.05和1.12倍。

2.2 不同控水處理對(duì)枸杞光合參數(shù)的影響分析不同控水處理枸杞的氣孔導(dǎo)度(圖2A)發(fā)現(xiàn),T1處理的氣孔導(dǎo)度為118.25 mmol/(m2·s),顯著低于T2、T3、T5、T6處理(P<0.05);T5處理的枸杞氣孔導(dǎo)度顯著高于其他處理(P<0.05),T5處理的枸杞氣孔導(dǎo)度分別為T(mén)1、T2、T3、T4、T6處理的2.50、1.29、2.09、2.28和1.36倍。

注:同一圖片中不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different small letters in the same picture indicated significant differences among different treatments (P<0.05).圖1 不同控水處理對(duì)枸杞生長(zhǎng)指標(biāo)的影響 Fig.1 Effects of different water control treatments on the growth indices of L.barbarum

通過(guò)分析不同控水處理下枸杞的凈光合速率(圖2B)發(fā)現(xiàn),不同控水處理間枸杞凈光合速率均存在差異,T4處理的凈光合速率僅18.39 mmol/(m2·s),顯著低于T2、T3、T5、T6處理(P<0.05);T5處理枸杞的凈光合速率顯著高于其他處理(P<0.05),T5處理下枸杞凈光合速率分別為T(mén)1、T2、T3、T4、T6處理的1.59、1.25、1.41、1.74和1.29倍。

注:同一圖片中不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different small letters in the same picture indicated significant differences among different treatments (P<0.05).圖2 不同控水處理對(duì)枸杞光合參數(shù)的影響 Fig.2 Effects of different water control treatments on the photosynthetic parameters of L.barbarum

通過(guò)分析不同控水處理下的枸杞蒸騰速率(圖2C)發(fā)現(xiàn),T4處理的枸杞蒸騰速率為2.00 mmol/(m2·s),顯著低于其他處理(P<0.05);T5處理的枸杞蒸騰速率顯著高于其他處理(P<0.05),T5處理的枸杞蒸騰速率分別為T(mén)1、T2、T3、T4、T6處理的1.98、1.28、1.69、3.20和1.22倍。

通過(guò)分析不同控水處理下枸杞的胞間CO2濃度(圖2D)發(fā)現(xiàn),不同控水處理枸杞胞間CO2濃度均存在差異,T4和T5處理的枸杞胞間CO2濃度分別為213.41和198.81 μL/L,顯著低于其他處理(P<0.05);T1處理枸杞的胞間CO2濃度顯著高于其他處理(P<0.05)。

2.3 不同控水處理對(duì)枸杞品質(zhì)的影響通過(guò)分析不同控水處理下枸杞的甜菜堿含量(圖3A)發(fā)現(xiàn),T1處理的枸杞甜菜堿含量為0.50%,顯著低于其他處理(P<0.05);T5處理的枸杞甜菜堿含量高于其他處理,T5處理的枸杞甜菜堿含量分別為T(mén)1、T2、T3、T4、T6處理的1.99、1.47、1.29、1.09、1.17倍。

通過(guò)分析不同控水處理下枸杞的多糖含量(圖3B)發(fā)現(xiàn),不同控水處理間枸杞的多糖含量均存在差異,T1處理的多糖含量顯著低于其他處理(P<0.05);T5處理的枸杞多糖含量顯著高于其他處理(P<0.05),T5處理的枸杞多糖含量分別為T(mén)1、T2、T3、T4、T6處理的1.55、1.43、1.27、1.05、1.19倍。

通過(guò)分析不同控水處理的枸杞粗脂肪含量(圖3C)發(fā)現(xiàn),T1處理的枸杞粗脂肪含量顯著低于其他處理(P<0.05);T5處理的枸杞粗脂肪含量顯著高于其他處理(P<0.05),T5處理的枸杞粗脂肪含量分別為T(mén)1、T2、T3、T4、T6處理的1.67、1.45、1.31、1.13、1.22倍。

通過(guò)分析不同控水處理枸杞氨基酸含量(圖3D)發(fā)現(xiàn),不同控水處理間枸杞氨基酸含量均存在差異,T1處理的枸杞氨基酸含量顯著低于其他處理(P<0.05);T5處理的枸杞氨基酸含量顯著高于其他處理(P<0.05),T5處理的枸杞氨基酸含量分別為T(mén)1、T2、T3、T4、T6處理的1.47、1.36、1.24、1.06和1.16倍。

注:同一圖片中不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different small letters in the same picture indicated significant differences among different treatments (P<0.05).圖3 不同控水處理對(duì)枸杞品質(zhì)的影響 Fig.3 Effects of different water control treatments on the quality of L.barbarum

2.4 不同控水處理下枸杞耗水量的變化通過(guò)分析不同控水處理下枸杞各生育期耗水量(表2)發(fā)現(xiàn),夏果期耗水量最大,秋果期次之,盛花期耗水量最小。全生育期耗水量在不同控水處理下由高到低依次為T(mén)6>T5>T4>T3>T2>T1,T6處理的枸杞全生育期耗水量分別為T(mén)1、T2、T3、T4、T5處理的1.22、1.19、1.18、1.09和1.06倍。

2.5 不同控水處理下枸杞產(chǎn)量和水分利用效率的變化通過(guò)分析不同控水處理的枸杞產(chǎn)量(圖4A)發(fā)現(xiàn),T4和T6處理的枸杞產(chǎn)量顯著高于其他處理(P<0.05),T4處理的枸杞產(chǎn)量分別為T(mén)1、T2、T3、T5處理的1.28、1.31、1.25和1.07倍。

通過(guò)分析不同控水處理下枸杞的水分利用效率(圖4B)發(fā)現(xiàn),不同控水處理間枸杞的水分利用效率均存在差異,T4處理的枸杞水分利用效率顯著高于其他處理(P<0.05),T4處理的枸杞水分利用效率分別為T(mén)1、T2、T3、T5和T6處理的1.14、1.20、1.16、1.10和1.11倍。

2.6 不同控水處理下枸杞各指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)值法對(duì)地徑、株高、東西冠幅、南北冠幅、枝條莖粗、枝條長(zhǎng)度、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度、甜菜堿、多糖、粗脂肪、氨基酸、耗水量、產(chǎn)量、水分利用效率17個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析,分別得到各指標(biāo)隸屬函數(shù)值和平均值。如表3所示,各處理下各指標(biāo)隸屬函數(shù)值平均值分別為0.16、0.40、0.43、0.62、0.89和0.57,控水效果由高到低依次為T(mén)5>T4>T6>T3>T2>T1。因此,最理想的控水處理為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和盛花期控制灌溉枸杞根區(qū)土壤含水量為75%θf(wàn),盛果期控制灌溉枸杞根區(qū)土壤含水量為65%θf(wàn)。

表2 不同控水處理下枸杞各生育期耗水量的變化 Table 2 Changes of water consumption in each growth period of L.barbarum under different water control treatments

3 討論與結(jié)論

水分是影響枸杞生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)的限制因素之一。適宜的灌水量可以促進(jìn)枸杞的生長(zhǎng),而灌水過(guò)量或不足都有可能抑制其生長(zhǎng)[15]。地徑是連接土壤和植株地上部分的重要樞紐,是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中養(yǎng)分和水分吸收能力的關(guān)鍵因素[16]。株高、冠幅、枝條長(zhǎng)度和莖粗是影響枸杞發(fā)育狀況的重要指標(biāo),反映植株生長(zhǎng)狀況以及水肥利用效率和光能利用率[15]。該研究中T5處理的枸杞東西冠幅顯著高于其他處理;T4處理的南北冠幅和枝條長(zhǎng)度優(yōu)于其他處理,說(shuō)明T4和T5控水處理枸杞的生長(zhǎng)發(fā)育顯著優(yōu)于其他4個(gè)處理。

表3 不同控水處理下枸杞各指標(biāo)隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià) Table 3 Membership function values and comprehensive evaluation of the indices of L.barbarum under different water control treatments

接下表續(xù)表3

限制葉片光合速率的因素主要有非氣孔和氣孔因素,氣體交換參數(shù)是從氣體的交換量角度來(lái)衡量植株的同化能力[17]。水分含量顯著影響植物的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等光合參數(shù)[18]。該研究在枸杞盛果期、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和盛花期進(jìn)行不同控水處理,結(jié)果表明T5處理枸杞的氣孔導(dǎo)度、凈光合速率和蒸騰速率顯著高于其他處理,這與蔡海霞等[18]的研究結(jié)果類(lèi)似。該研究中T5處理枸杞胞間CO2濃度低于其他處理。劉軍等[19]研究表明適宜的灌溉處理降低了紫花苜蓿(MedicagosativaL.)胞間CO2濃度,與該研究結(jié)果相一致。以上結(jié)果表明適宜的控水處理有利于枸杞氣孔導(dǎo)度、凈光合速率和蒸騰速率的升高,同時(shí)能降低胞間CO2濃度。

枸杞果實(shí)的大小及其品質(zhì)是評(píng)價(jià)枸杞質(zhì)量的重要指標(biāo)[20],同時(shí)產(chǎn)量、品質(zhì)是衡量作物經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素。研究表明,一定時(shí)間、一定程度的干旱可能會(huì)提高產(chǎn)量和品質(zhì)[21-22]。該研究結(jié)果表明,T5控水處理枸杞的甜菜堿、多糖、粗脂肪和氨基酸含量均優(yōu)于其他處理;T4和T6處理枸杞產(chǎn)量顯著高于其他處理;以上結(jié)果表明適當(dāng)控水處理有利于枸杞品質(zhì)的提高。尹志榮等[23]研究發(fā)現(xiàn)適宜的灌溉條件可以有效減緩?fù)寥浪傩юB(yǎng)分向深層的遷移,進(jìn)而提高根層養(yǎng)分的吸收利用,有利于枸杞產(chǎn)量和品質(zhì)的改善,與該研究結(jié)果相似。由此可見(jiàn),土壤速效養(yǎng)分向深層遷移可能是枸杞產(chǎn)量和品質(zhì)提升的主要原因。

我國(guó)西北干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究的主要目標(biāo)是如何提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[24]。尹志榮等[25]研究表明,在水分供應(yīng)充足的情況下枸杞生育期內(nèi)的水分利用效率會(huì)降低在需水關(guān)鍵期進(jìn)行適當(dāng)水量調(diào)控,有利于提高枸杞的產(chǎn)量及水分利用效率。該研究結(jié)果表明T4控水處理枸杞的產(chǎn)量和水分利用效率最高,說(shuō)明適度的水分虧缺可以達(dá)到提高枸杞產(chǎn)量和水分利用效率的目的。

該研究通過(guò)對(duì)枸杞生長(zhǎng)指標(biāo)、光合參數(shù)、品質(zhì)、產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率等17個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)最理想的控水處理為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和盛花期控制灌溉枸杞根區(qū)土壤含水量為75%θf(wàn),盛果期控制灌溉枸杞根區(qū)土壤含水量為65%θf(wàn)。