不同控水處理對枸杞生長和水分利用效率的影響

蔣正文,岳宏偉,陳 嬌,劉 晗

(寧夏回族自治區灌溉排水服務中心,寧夏銀川 750016)

淡水資源時空分配不均是影響我國農業生產發展的嚴重障礙[1],同時水資源的不合理利用加劇了干旱的發生[2-3]。在干旱、半干旱地區實施合理灌溉是促進植物生長和提高產量的重要措施之一[4]。因此,在當前寧夏社會經濟和農業發展中開展高效節水的研究是急需解決的一個關鍵問題,合理確定作物的最佳灌溉量是解決農業生產技術體系問題和農業綜合生產模式研究的必要前提[5]。研究表明,分蘗期適度控水在復水后能夠顯著提高水稻葉片凈光合速率等光合特性,同時減少無效分蘗數、提高產量[6]。控水灌溉有效促進了藍莓植株生長、冠幅增加以及枝條伸長、增粗[4]。適當的控水灌溉也可以顯著提高小麥產量和水分利用效率[7]。

寧夏枸杞(LyciumbarbarumL.)為茄科枸杞屬多年生灌木,具有耐鹽堿、耐干旱等優點,是寧夏、甘肅、青海、內蒙古、新疆等地區脫貧的重要經濟林品種[8]。實踐表明,合理的灌溉栽培措施有利于枸杞增產和實現水分利用最大化。侯建安等[9]研究灌水頻率和定額對枸杞園土壤水熱分布及產量的影響,結果發現最佳灌水下限宜控制在田間最大持水量的85%,此條件下產量、單果質量、果實縱橫徑、2 cm以上等級率均優于其他處理。徐利崗等[10]認為當灌水量為3 750 m3/hm2時枸杞鮮果產量、干果產量、百粒重、粒度及多糖含量均最高,水分利用效率最高且品質相對較好。前人的相關研究多側重于單一生育期控水對枸杞產量、光合、品質及水分利用效率的影響,而關于不同生育期控水的研究鮮有報道。筆者以寧杞7號為試驗材料,分別在春梢期、營養生長期和盛花期、盛果期、秋果期進行不同控水處理研究,測定了生長指標、光合參數、產量、品質、耗水量和水分利用效率等指標,通過隸屬函數值法對上述各指標進行綜合評價,篩選出最佳控水組合,旨在為寧夏枸杞的水分合理調控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計利用寧夏水利科學研究院灌溉試驗站已建的測坑和蒸滲儀,以3年齡枸杞為研究對象,試驗品種為寧杞7號。測定土壤類型為砂壤土,最大田間持水量為22.5%;分別在春梢期、營養生長期和盛花期、盛果期、秋果期進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土壤含水量為土壤最大持水量(θf)的50%(50%θf);營養生長期和盛花期控制灌溉枸杞根區土壤含水量為50%θf、65%θf和75%θf,盛果期控制灌溉枸杞根區土壤含水量為65%θf和75%θf,秋果期控制灌溉枸杞根區土壤含水量為55%θf。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。設置6個處理,3次重復,共18個試驗小區。全生育期施肥8次,每次90 kg/hm2,各個生育期灌水量如表1所示。

1.2 測定項目與方法

1.2.1生長指標的測定。利用游標卡尺及鋼卷尺測定植株地徑、株高、東西冠幅、南北冠幅、每個枝條的條長及莖粗。在東、西、南、北各選1條枝條進行標記,然后每個生育期后期進行觀測,落葉期后進行最后一次觀測。

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

1.2.2光合參數的測定。使用CI-340 便攜式光合測定儀 (美國CID公司) 測定,測定葉片氣孔導度 (Gs)、凈光合速率 (Pn) 、蒸騰速率 (Tr)和胞間CO2濃度 (Ci) 。每個處理測定3個重復,每個重復待穩定后讀取10個數據。

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

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

耗水量的計算公式如下:

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

(1)

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

由于測坑是一個相對獨立空間,與外部水分隔絕,沒有水分交換,故深層滲漏量(D)、地下水補給量(K)和地表徑流量(R)忽略不計,因此耗水量公式可簡化如下:

ET=WO-Wt+I+M

(2)

水分利用效率(WUE)的計算公式如下:

WUE=0.1×產量/ET

(3)

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

1.3 數據處理采用Excel 2013軟件進行試驗數據整理與統計,使用SPSS 24.0軟件進行方差分析,不同處理間差異顯著性檢驗采用Duncan法。采用模糊數學中的隸屬函數值法對生長指標和生理指標進行綜合分析。

當指標性狀間呈正相關時,隸屬函數公式:

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

(4)

當指標性狀間呈負相關時,隸屬函數公式:

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

(5)

其中:U(Xj)表示隸屬函數值;Xj表示某指標的測定值;Xmin和Xmax表示參試水平系中某一指標內的最小值和最大值。

2 結果與分析

2.1 不同控水處理對枸杞生長指標的影響從圖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T1、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T1、T2、T3、T4處理的1.13、1.07、1.10和1.25倍。由此可見,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T1、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T1、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T1、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T1、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T1、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T1、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T1、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度均存在差異,T1處理的枸杞枝條長度顯著低于其他處理(P<0.05),僅為34.68 cm;T4處理的枸杞枝條長度顯著高于T1、T2、T5、T6處理(P<0.05),T4處理的枸杞枝條長度分別為T1、T2、T5、T6處理的1.32、1.13、1.05和1.12倍。

2.2 不同控水處理對枸杞光合參數的影響分析不同控水處理枸杞的氣孔導度(圖2A)發現,T1處理的氣孔導度為118.25 mmol/(m2·s),顯著低于T2、T3、T5、T6處理(P<0.05);T5處理的枸杞氣孔導度顯著高于其他處理(P<0.05),T5處理的枸杞氣孔導度分別為T1、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 不同控水處理對枸杞生長指標的影響 Fig.1 Effects of different water control treatments on the growth indices of L.barbarum

通過分析不同控水處理下枸杞的凈光合速率(圖2B)發現,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T1、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 不同控水處理對枸杞光合參數的影響 Fig.2 Effects of different water control treatments on the photosynthetic parameters of L.barbarum

通過分析不同控水處理下的枸杞蒸騰速率(圖2C)發現,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T1、T2、T3、T4、T6處理的1.98、1.28、1.69、3.20和1.22倍。

通過分析不同控水處理下枸杞的胞間CO2濃度(圖2D)發現,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 不同控水處理對枸杞品質的影響通過分析不同控水處理下枸杞的甜菜堿含量(圖3A)發現,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T1、T2、T3、T4、T6處理的1.99、1.47、1.29、1.09、1.17倍。

通過分析不同控水處理下枸杞的多糖含量(圖3B)發現,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T1、T2、T3、T4、T6處理的1.55、1.43、1.27、1.05、1.19倍。

通過分析不同控水處理的枸杞粗脂肪含量(圖3C)發現,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T1、T2、T3、T4、T6處理的1.67、1.45、1.31、1.13、1.22倍。

通過分析不同控水處理枸杞氨基酸含量(圖3D)發現,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T1、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 不同控水處理對枸杞品質的影響 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分析不同控水處理下枸杞各生育期耗水量(表2)發現,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T6>T5>T4>T3>T2>T1,T6處理的枸杞全生育期耗水量分別為T1、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量和水分利用效率的變化通過分析不同控水處理的枸杞產量(圖4A)發現,T4和T6處理的枸杞產量顯著高于其他處理(P<0.05),T4處理的枸杞產量分別為T1、T2、T3、T5處理的1.28、1.31、1.25和1.07倍。

通過分析不同控水處理下枸杞的水分利用效率(圖4B)發現,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T1、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的綜合評價采用模糊數學中的隸屬函數值法對地徑、株高、東西冠幅、南北冠幅、枝條莖粗、枝條長度、氣孔導度、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、產量、水分利用效率17個指標進行綜合分析,分別得到各指標隸屬函數值和平均值。如表3所示,各處理下各指標隸屬函數值平均值分別為0.16、0.40、0.43、0.62、0.89和0.57,控水效果由高到低依次為T5>T4>T6>T3>T2>T1。因此,最理想的控水處理為營養生長期和盛花期控制灌溉枸杞根區土壤含水量為75%θf,盛果期控制灌溉枸杞根區土壤含水量為65%θf。

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 討論與結論

水分是影響枸杞生長發育和產量品質的限制因素之一。適宜的灌水量可以促進枸杞的生長,而灌水過量或不足都有可能抑制其生長[15]。地徑是連接土壤和植株地上部分的重要樞紐,是影響作物生長發育過程中養分和水分吸收能力的關鍵因素[16]。株高、冠幅、枝條長度和莖粗是影響枸杞發育狀況的重要指標,反映植株生長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度優于其他處理,說明T4和T5控水處理枸杞的生長發育顯著優于其他4個處理。

表3 不同控水處理下枸杞各指標隸屬函數值及綜合評價 Table 3 Membership function values and comprehensive evaluation of the indices of L.barbarum under different water control treatments

接下表續表3

限制葉片光合速率的因素主要有非氣孔和氣孔因素,氣體交換參數是從氣體的交換量角度來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、氣孔導度、蒸騰速率等光合參數[18]。該研究在枸杞盛果期、營養生長期和盛花期進行不同控水處理,結果表明T5處理枸杞的氣孔導度、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]的研究結果類似。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,與該研究結果相一致。以上結果表明適宜的控水處理有利于枸杞氣孔導度、凈光合速率和蒸騰速率的升高,同時能降低胞間CO2濃度。

枸杞果實的大小及其品質是評價枸杞質量的重要指標[20],同時產量、品質是衡量作物經濟效益的關鍵因素。研究表明,一定時間、一定程度的干旱可能會提高產量和品質[21-22]。該研究結果表明,T5控水處理枸杞的甜菜堿、多糖、粗脂肪和氨基酸含量均優于其他處理;T4和T6處理枸杞產量顯著高于其他處理;以上結果表明適當控水處理有利于枸杞品質的提高。尹志榮等[23]研究發現適宜的灌溉條件可以有效減緩土壤速效養分向深層的遷移,進而提高根層養分的吸收利用,有利于枸杞產量和品質的改善,與該研究結果相似。由此可見,土壤速效養分向深層遷移可能是枸杞產量和品質提升的主要原因。

我國西北干旱和半干旱地區農業研究的主要目標是如何提高作物產量和水分利用效率[24]。尹志榮等[25]研究表明,在水分供應充足的情況下枸杞生育期內的水分利用效率會降低在需水關鍵期進行適當水量調控,有利于提高枸杞的產量及水分利用效率。該研究結果表明T4控水處理枸杞的產量和水分利用效率最高,說明適度的水分虧缺可以達到提高枸杞產量和水分利用效率的目的。

該研究通過對枸杞生長指標、光合參數、品質、產量、耗水量和水分利用效率等17個指標進行綜合評價,發現最理想的控水處理為營養生長期和盛花期控制灌溉枸杞根區土壤含水量為75%θf,盛果期控制灌溉枸杞根區土壤含水量為65%θf。