張璐瑤,沈 暉,2,3,姚自凱,周海濤
(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,銀川 750021;2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心,銀川 750021; 3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心,銀川 750021)
淡水資源短缺是世界性難題[1],水資源供需不平衡的矛盾影響著農(nóng)業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[2],開發(fā)利用微咸水資源成為緩解淡水資源匱乏、擴(kuò)大農(nóng)業(yè)水源、抗旱增產(chǎn)的重要手段[3]。我國西北地區(qū)干旱少雨,蒸發(fā)強(qiáng)烈,淡水缺乏但蘊(yùn)藏地下微咸水(礦化度在2~5 g/L)資源88.7 億m3[4],豐富的地下微咸水有很大的開發(fā)應(yīng)用前景。西北地區(qū)農(nóng)業(yè)是用水大戶[5],壓砂地產(chǎn)業(yè)是西北地區(qū)的特色農(nóng)業(yè)?!皦荷暗亍庇址Q“砂田”,是用不同粒徑的礫石和粗砂覆蓋在土壤表面以達(dá)到蓄水保墑、增溫增滲等作用的獨(dú)特的保護(hù)性耕作方式,寧夏中部干旱帶環(huán)香山地區(qū)是以“壓砂瓜”為主打的壓砂地產(chǎn)業(yè)核心發(fā)展區(qū)之一,為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但壓砂地老化及重茬種植等問題使得壓砂地生產(chǎn)力下降,壓砂瓜品質(zhì)降低[6],直接影響了農(nóng)民的收入。為保持壓砂產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展,提出了在香山地區(qū)引種歐李這一生態(tài)經(jīng)濟(jì)型灌木果樹[7]。歐李是我國特有的一種小灌木果樹,因果實(shí)富含人體易吸收的果酸鈣又被稱為“鈣果”,具有抗寒、耐旱、耐貧瘠、耐鹽堿、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[8],適宜在干旱半干旱地區(qū)種植。歐李集觀賞、食用、藥用以及生態(tài)價(jià)值于一體,是適合在老壓砂地引入的理想樹種[9]。
利用微咸水灌溉對(duì)作物影響的研究一直備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[3],目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)小麥、棉花和玉米等糧食作物的研究較多[10],而微咸水灌溉對(duì)歐李的影響研究還很少,一些學(xué)者對(duì)盆栽鹽脅迫條件下[11]和海濱鹽土情況下[5]歐李的生長(zhǎng)發(fā)育[12]和生理特性[13]進(jìn)行了研究,研究結(jié)果歐李顯示出了其耐鹽性。本試驗(yàn)針對(duì)淡水資源短缺和老壓砂地問題,在壓砂地試驗(yàn)條件下探尋不同礦化度微咸水灌溉對(duì)壓砂地歐李光合作用、產(chǎn)量及品質(zhì)等的影響,以期為合理利用當(dāng)?shù)匚⑾趟喔忍峁┛茖W(xué)的理論依據(jù)和技術(shù)參考。
試驗(yàn)于2017年4-9月在寧夏中衛(wèi)市興仁鎮(zhèn)拓寨柯村(北緯36°59′,東經(jīng)105°15′)進(jìn)行。該地屬大陸性季風(fēng)氣候,平均海拔1 723 m,年均氣溫9.7 ℃,無霜期145 d。試驗(yàn)區(qū)地處寧夏中部干旱帶的核心地區(qū),干旱少雨,2017年降水量163.5 mm,其中4-9月降雨120.7 mm,占全年的73.8%;光熱資源充足,太陽年總輻射量約為5 546.5 MJ/m2,光能利用最佳期4-9月,光輻射總量達(dá)3 518.1 MJ/m2,占全年的63.4%。
歐李品種采用“農(nóng)大5號(hào)”,2015年3月28日定植,行距1.5 m,株距0.8 m,種植密度556株/667 m2。供試大田為21年老壓砂地,土質(zhì)為砂壤土,砂石覆蓋厚度15~25 cm,土壤為肥力較高的強(qiáng)堿性非鹽漬化土,土壤基本理化性質(zhì)見表1。田間持水率θf為23.7%。試驗(yàn)灌溉用水采用凈化水和地下微咸水,水質(zhì)情況如表2所示。
表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of the selected soil
表2 試驗(yàn)灌溉用水水質(zhì)Tab.2 Quality of the irrigation water of test
試驗(yàn)采用對(duì)比設(shè)計(jì),在歐李種植方式、施肥量及田間管理等均相同的條件下,設(shè)置灌溉水礦化度分別為淡水0.22 g/L(T0)、混水2.35 g/L(T1)和微咸水4.07 g/L(T2),共3個(gè)處理,其中T0為對(duì)照,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),共9個(gè)小區(qū)(每個(gè)小區(qū)3株)。淡化水由當(dāng)?shù)叵趟?jīng)寧夏大學(xué)自主研發(fā)的淡化咸水裝置過濾后而成,礦化度為0.1~0.4 g/L;混水由當(dāng)?shù)氐叵滤c凈化后的淡水按比例配制而成。由于開花期灌水會(huì)降低坐果率,試驗(yàn)于開花期后根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤炅考癟DR觀測(cè)土壤含水率情況確定灌水日期,于2017年6月16日(幼果期)、2017年7月16日(硬核期)和2017年8月3日(果實(shí)膨大期)灌水,灌水方式與當(dāng)?shù)貧W李保持一致,采用補(bǔ)灌。2017年8月24日收獲各處理果實(shí),采收時(shí)將果實(shí)與結(jié)果枝一起剪下。試驗(yàn)各處理灌水方案如表3所示。
光合指標(biāo):選擇晴朗天氣,每個(gè)處理選取生長(zhǎng)健康、長(zhǎng)勢(shì)一致、光照均勻的同位葉片,采用Li-6400便攜式光合儀在2017年7月7日和2017年8月15日8∶00-18∶00每隔2 h測(cè)量一次歐李葉片的光合指標(biāo),得到凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)等光合指標(biāo),各處理求取兩次測(cè)量平均值后繪制光合日變化曲線。
表3 不同礦化度微咸水灌溉試驗(yàn)方案Tab.3 Experiment scheme on irrigating with brackish water in different salinity
葉綠素相對(duì)含量:在每株試驗(yàn)歐李中層選取5片葉子,采用便攜式SPAD-502葉綠素儀測(cè)定試驗(yàn)其葉片中部的SPAD值。取5片葉子的平均值作為該株歐李葉片葉綠素相對(duì)含量。測(cè)量時(shí)間為2017年7月5日(硬核期)、2017年7月30日(果實(shí)膨大期)和2017年8月23日(成熟期)。
單位面積產(chǎn)量:收獲歐李果實(shí)后,量取各小區(qū)果實(shí)產(chǎn)量,單位面積產(chǎn)量=小區(qū)產(chǎn)量÷小區(qū)株數(shù)×種植密度。
單果重:各小區(qū)果實(shí)各自混合均勻后,分別隨機(jī)選取100顆果實(shí)稱重,稱取數(shù)值除以100得出單果重。
品質(zhì):果實(shí)采摘后送至農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)中心依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鈣含量(GB/T5009.92-2016,火焰原子吸收光譜法)、可溶性固形物(NY/T2637-2014)、維生素C(GB5009.86-2016, 2,6-二氯靛酚滴定法)、可溶性蛋白質(zhì)(考馬斯亮藍(lán)法)、總酸(GB/T12456-2008,酸堿滴定法)和總糖(GB/T18672-2014)等品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行化驗(yàn)。
葉片水分利用效率(WUE)通過Pn/Tr計(jì)算,其中Pn為葉片凈光合速率,Tr為蒸騰速率。
灌溉水分生產(chǎn)效率采用各試驗(yàn)小區(qū)單位面積產(chǎn)量除以灌溉定額得出。
統(tǒng)計(jì)分析和顯著性采用DPS v7.05統(tǒng)計(jì)分析軟件完成,數(shù)據(jù)計(jì)算和繪圖采用Microsoft Excel 2016完成。
2.1.1不同礦化度微咸水灌溉對(duì)壓砂地歐李氣孔導(dǎo)度Gs日變化的影響
各處理氣孔導(dǎo)度Gs日變化呈“M”型雙峰曲線,存在明顯的“午休”現(xiàn)象。8∶00左右歐李的Gs值還較低,隨著光照輻射的加強(qiáng)及氣溫上升,歐李光合作用和呼吸作用增強(qiáng),氣孔張開以吸收并排出氣體,氣孔導(dǎo)度緩慢增大,并于10∶00左右出現(xiàn)第一個(gè)峰值。但10∶00之后光合有效輻射的增強(qiáng)、大氣中相對(duì)濕度降低和高溫下強(qiáng)烈的蒸騰失水引起植株體內(nèi)水分過少,通過關(guān)閉氣孔減少水分蒸騰并降低自身溫[6],歐李植株降低氣孔導(dǎo)度,即“光合午休”現(xiàn)象,此現(xiàn)象一直持續(xù)到14∶00左右,并在此時(shí)出現(xiàn)谷值。14∶00之后強(qiáng)光和高溫消除,氣孔導(dǎo)度恢復(fù)正常,氣孔導(dǎo)度上升并于16:00左右出現(xiàn)次高峰。16∶00之后光照輻射減弱氣溫降低,光合作用和呼吸作用減弱,氣孔導(dǎo)度降低。
圖1 不同處理歐李葉片氣孔導(dǎo)度日變化Fig.1 Influence on Gs of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity
各處理Gs值表現(xiàn)為T0>T1>T2,T0處理、T1處理和T2處理的Gs日均值分別為0.1212 mol/(m2·s)、0.114 6 mol/(m2·s)和0.104 7 mol/(m2·s),T1處理和T2處理Gs日均值低于T0處理5.39%和13.59%。
2.1.2不同礦化度微咸水灌溉對(duì)壓砂地歐李凈光合速率Pn日變化的影響
凈光合速率Pn日變化呈“M”型雙峰曲線,伴有光合“午休”現(xiàn)象。從8∶00開始,光照輻射逐漸增強(qiáng),歐李凈光合速率顯著上升,在10∶00左右出現(xiàn)第一個(gè)峰值。10:00之后由于光照輻射太強(qiáng)、溫度過高,氣孔導(dǎo)度降低,歐李葉片CO2吸收量和水蒸氣排放量減少,凈光合速率降低,在14∶00左右出現(xiàn)低谷。隨后由于光照氣溫降低到正常水平,氣孔導(dǎo)度升高,凈光合速率上升,16:00左右凈光合速率出現(xiàn)次高峰。16:00之后光照輻射強(qiáng)度降低,葉片凈光合速率降低。
各處理Pn值表現(xiàn)為T0>T1>T2,T0處理、T1處理和T2處理的Pn日均值分別為26.32、24.65和22.20 μmol/(m2·s),T1處理和T2處理Pn日均值低于T0處理6.35%和15.65%。
圖2 不同處理歐李葉片凈光合速率日變化Fig.2 Influence on Pn of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity
2.1.3不同礦化度微咸水灌溉對(duì)壓砂地歐李蒸騰速率Tr日變化的影響
蒸騰速率日變化呈“M”型雙峰曲線。8∶00-10∶00隨著溫度升高、光照強(qiáng)度增強(qiáng)、氣孔導(dǎo)度增加,歐李葉片蒸騰速率迅速增加。10∶00-12∶00溫度過高、光照過強(qiáng),歐李葉片氣孔導(dǎo)度降低,蒸騰速率升速降低,Tr的第一次峰值出現(xiàn)在12∶00左右。12∶00-14∶00,隨著氣孔導(dǎo)度持續(xù)降低,Tr值下降,于14∶00左右出現(xiàn)低谷。14∶00之后隨著溫度降低和光照輻射減弱,氣孔導(dǎo)度增加,Tr值回升,于16∶00出現(xiàn)第二個(gè)峰值。16:00之后隨著溫度降低,歐李葉片氣孔導(dǎo)度降低,蒸騰速率下降。
各處理Tr值表現(xiàn)為T0>T1>T2,T0處理、T1處理和T2處理的Tr日均值分別為8.18、7.91和7.57 mmol/(m2·s),T1處理和T2處理Tr日均值低于T0處理3.38%和7.50%。
圖3 不同處理歐李葉片蒸騰速率日變化Fig.3 Influence on Tr of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity
2.1.4不同礦化度微咸水灌溉對(duì)壓砂地歐李葉片水分利用效率WUE日變化的影響
葉片水分利用效率WUE表現(xiàn)為凈光合速率CO2同化量與蒸騰作用水分釋放量的比值,歐李對(duì)不同礦化度微咸水灌溉的葉片水分利用效率呈規(guī)律性變化。葉片水分利用效率日變化“M”型雙峰曲線,8∶00-10∶00由于凈光合作用的顯著增加,葉片水分利用效率增加,于10∶00左右出現(xiàn)第一個(gè)峰值。10∶00-14∶00,凈光合作用持續(xù)降低,但蒸騰速率處于較高水平,葉片水分利用效率降低。于14∶00左右出現(xiàn)低谷。14∶00-16∶00凈光合速率回升,而蒸騰速率回升幅度小,葉片水分利用效率于16∶00左右出現(xiàn)第二個(gè)峰值,之后逐步降低。
圖4 不同處理歐李葉片水分利用效率日變化Fig.4 Influence on WUE of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity
各處理WUE值表現(xiàn)為T0>T1>T2,T0處理、T1處理和T2處理的WUE日均值分別3.21、3.10和2.93 μmol/mmol,T1處理和T2處理WUE日均值低于T0處理3.41%和8.98%。
2.1.5不同礦化度微咸水灌溉對(duì)壓砂地歐李胞間CO2濃度Ci日變化的影響
歐李葉片的胞間CO2濃度日變化呈“W”型雙谷曲線。在8∶00左右Ci值最大,8∶00-10∶00隨著歐李凈光合速率增加,固定CO2能力增減,胞間CO2濃度降低,在10∶00左右出現(xiàn)第一個(gè)低谷。隨后由于光合“午休”現(xiàn)象,氣孔導(dǎo)度和凈光合速率降低,胞間CO2濃度增加,于14∶00左右到達(dá)高峰。14∶00之后光合午休現(xiàn)象解除,氣孔導(dǎo)度和凈光合速率增加,Ci值下降,于16∶00出現(xiàn)第二個(gè)谷值。16∶00之后溫度降低、光照輻射減弱,氣孔導(dǎo)度和凈光合速率降低,Ci值逐漸升高。Ci值規(guī)律與氣孔導(dǎo)度、凈光合速率和蒸騰速率相反。
圖5 不同處理歐李葉片胞間CO2濃度日變化Fig.5 Influence on Ci of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity
各處理Ci值表現(xiàn)為T0 葉綠素是植物吸收土壤的水分、養(yǎng)分及大氣光能等能量而轉(zhuǎn)化為植物同化物質(zhì)的主要指標(biāo)[14]。從圖3不同礦化度微咸水灌溉對(duì)壓砂地歐李葉綠素相對(duì)含量的影響可以看出,隨著生育期的推進(jìn),葉片中葉綠素相對(duì)含量呈先增加后降低趨勢(shì);各處理果實(shí)膨大期SPAD值較大,這主要是由于果實(shí)膨大期植株體內(nèi)水分運(yùn)輸加快,促進(jìn)植株吸收水分、養(yǎng)分、光合等能量,葉綠素合成量增加,分解量降低;隨著生育期的推進(jìn),T0、T1、T2葉片中葉綠素相對(duì)含量差異顯著性逐漸增大,這與脅迫時(shí)間的增加有關(guān)。 各處理中SPAD三次測(cè)量均值T0(49.67)>T1(48.77)>T2(47.56),T1處理比T0處理SPAD值降低1.82%,T2處理比T0處理SPAD值降低4.44%。各處理中SPAD值隨灌水礦化度的增加而降低,灌水礦化度增加,土壤中鹽分積累增加,植株吸收土壤中水分和養(yǎng)分受阻,抑制葉片葉綠素的生成,同時(shí)加快了葉綠素的分解。T0處理和T1處理均與T2處理存在顯著差異(p<0.05),T0處理與T1處理差異不顯著(p>0.05)。在試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)范圍內(nèi),選用礦化度2.35 g/L微咸水灌溉使歐李SPAD值與淡水灌溉無顯著差異。 圖6 不同處理歐李葉片葉綠素相對(duì)含量Fig.6 Influence on SPAD of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity water 注:不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著,下同,圖中字母為3個(gè)時(shí)期分別分析所得。 表4為不同礦化度微咸水灌溉對(duì)壓砂地歐李產(chǎn)量(單位面積產(chǎn)量、單果重)及灌溉生產(chǎn)效率的影響。從表4可知,各處理中單果重表現(xiàn)為T0>T1>T2,T1處理比T0處理單果重降低0.94%,T2處理比T0處理單果重降低3.34%。T0處理與T1處理單果重差異不顯著(p>0.05),T0處理和T1處理均與T2處理單果重存在顯著差異(p<0.05)。在試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)范圍內(nèi),選用礦化度2.35 g/L微咸水灌溉使歐李單果重與淡水灌溉無顯著差異。 表4 不同礦化度微咸水灌溉對(duì)歐李產(chǎn)量及灌溉水分生產(chǎn)效率的影響Tab.4 Influence on yield and irrigation water production of the Cerasus humilis irrigating with brackish water in different salinity 注:產(chǎn)值=產(chǎn)量×6元/kg。 各處理中單位面積產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)效率表現(xiàn)為T0>T1>T2,T1處理比T0處理單位面積產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)效率降低5.57%,T2處理比T0處理單位面積產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)效率降低17.34%。T0處理與T1處理單位面積產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)效率差異不顯著(p>0.05),T0處理和T1處理均與T2處理單位面積產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)效率存在顯著差異(p<0.05)。在試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)范圍內(nèi),選用礦化度2.35 g/L微咸水灌溉使歐李單位面積產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)效率與淡水灌溉無顯著差異。 不同礦化度微咸水灌溉對(duì)壓砂地歐李果實(shí)品質(zhì)的影響如表5所示。 表5 不同礦化度微咸水灌溉對(duì)歐李果實(shí)品質(zhì)的影響Tab.5 Influence on fruit of the Cerasus humilis irrigating with brackish water in different salinity 不同處理果實(shí)中維生素C表現(xiàn)為T2>T1>T0,T2處理高于T0處理12.61%,T1處理高于T0處理4.92%;T2處理維生素C明顯高于T1和T0處理(p<0.05),T1處理與T0處理差異不顯著(p>0.05)。不同處理果實(shí)中可溶性固形物表現(xiàn)為T2>T1>T0,T2處理高于T0處理12.69%,T1處理高于T0處理6.35%;T2處理可溶性固形物明顯高于T0處理(p<0.05)。不同處理果實(shí)中鈣含量表現(xiàn)為T2>T1>T0,T2處理高于T0處理73.42%,T1處理高于T0處理27.48%;T2處理鈣含量明顯高于T1處理(p<0.05),T1處理鈣含量明顯高于T0處理(p<0.05)。不同處理果實(shí)中可溶性蛋白表現(xiàn)為T1>T2>T0,T1處理高于T0處理70.00%,T2處理高于T0處理30.00%;T1處理可溶性蛋白明顯高于T2處理(p<0.05),T2處理可溶性蛋白明顯高于T0處理(p<0.05)。不同處理中果實(shí)總糖表現(xiàn)為T2>T1>T0,T2處理高于T0處理8.67%,T1處理高于T0處理6.22%;各處理果實(shí)中總糖差異不顯著(p>0.05)。不同處理果實(shí)中總酸表現(xiàn)為T2 在本試驗(yàn)中,灌溉水礦化度4.07 g/L時(shí)歐李果實(shí)中維生素C、可溶性固形物、鈣含量和糖酸比最高;灌溉水礦化度2.35 g/L時(shí)歐李果實(shí)中可溶性蛋白最高。說明利用當(dāng)?shù)匚⑾趟喔瓤娠@著提高歐李果實(shí)品質(zhì)。 (1)歐李光合響應(yīng)呈規(guī)律性變化,Gs、Pn、Tr和WUE日變化呈現(xiàn)T0>T1>T2,Ci日變化表現(xiàn)為T0 (2)歐李葉綠素相對(duì)含量、單果重、單位面積產(chǎn)量和水分利用效率表現(xiàn)為T0>T1>T2,其中T0處理與T1處理差異不顯著,T0處理、T1處理均與T2處理存在顯著差異。 (3)歐李果實(shí)維生素C、可溶性固形物、鈣含量和糖酸比等品質(zhì)指標(biāo)表現(xiàn)為T2>T1>T0,T2處理與T0處理存在差異顯著性;果實(shí)中可溶性蛋白表現(xiàn)為T1>T2>T0,T1處理與T2處理存在差異顯著性,T2處理與T0處理存在差異顯著性。微咸水灌溉會(huì)提高果實(shí)品質(zhì),其中礦化度4.07 g/L時(shí),果實(shí)綜合品質(zhì)最好。 (4)利用礦化度2.35 g/L左右的微咸水灌溉對(duì)壓砂地歐李葉綠素相對(duì)含量、單果重、單位面積產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)效率等指標(biāo)與淡水灌溉相比均無差異顯著性,果實(shí)中可溶性蛋白最優(yōu),因此認(rèn)為2.35 g/L左右的礦化度是該區(qū)適宜的微咸水灌溉礦化度。 (5)利用當(dāng)?shù)氐叵滤?礦化度4.07 g/L)灌溉使歐李葉綠素相對(duì)含量、單果重、單位面積產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)效率等指標(biāo)與淡水灌溉相比顯著降低,但未達(dá)到耐鹽閾值;果實(shí)維生素C、可溶性固形物、鈣、可溶性蛋白、糖酸比等品質(zhì)指標(biāo)顯著提升。因此認(rèn)為利用當(dāng)?shù)氐叵挛⑾趟喔纫彩强尚械摹?/p> 在大田試驗(yàn)條件下,利用礦化度4.07 g/L微咸水對(duì)寧夏壓砂地產(chǎn)業(yè)區(qū)歐李進(jìn)行灌溉,研究發(fā)現(xiàn)歐李未達(dá)到耐鹽閾值,后期可進(jìn)一步利用5 g/L以上的咸水灌溉歐李,對(duì)歐李的耐鹽閾值進(jìn)行研究。2.2 不同礦化度微咸水灌溉對(duì)壓砂地歐李葉綠素相對(duì)含量的影響
2.3 不同礦化度微咸水灌溉對(duì)壓砂地歐李產(chǎn)量及灌溉水分生產(chǎn)效率的影響
2.4 不同礦化度微咸水灌溉對(duì)壓砂地歐李果實(shí)品質(zhì)的影響
3 結(jié)論與展望