噴施外源物質(zhì)與灌水對(duì)生菜產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用的影響

李艷梅，楊俊剛，張 琳，廖上強(qiáng)，孫 娜，孫焱鑫

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所，北京 100097；2.農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)(北方)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097)

0 引 言

全球1/3的土地位于干旱半干旱地區(qū)，缺水是這些地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的限制因子，發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)是應(yīng)對(duì)缺水問(wèn)題的必然選擇。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，“如何在限量灌溉下實(shí)現(xiàn)蔬菜高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)”是京郊蔬菜普遍關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。黃腐酸(FA)和甜菜堿(GB)是兩種具有抗旱潛力的外源調(diào)控物質(zhì)，可通過(guò)增強(qiáng)作物逆境適應(yīng)和改善其生長(zhǎng)的方式間接起到減少灌水投入的作用。FA是植酸類(lèi)分子量較小的高分子有機(jī)化合物，具有生理活性大、易溶及弱酸的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者于1996-2014年期間，系列報(bào)道了外源FA對(duì)作物生產(chǎn)的影響，研究對(duì)象涉及苗木[1-3]、玉米[4-6]、馬鈴薯[7-9]、番茄[10]、牧草[11,12]和非洲菊[13]等作物，證實(shí)了外源FA在抑制蒸騰、改善葉片水分狀況，緩減膜損傷，及促進(jìn)有機(jī)物合成方面的作用。 GB是保護(hù)植物免受非生物脅迫的一種滲透保護(hù)劑，具有無(wú)毒、易溶及易被吸收的特點(diǎn)[14,15]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者于2004-2015年期間，系列報(bào)道了外源GB對(duì)植物生產(chǎn)的影響，研究對(duì)象涉及小麥[16-19]、玉米[20]、花生[21]、棉花[22]、煙草[23]、向日葵[24,25]、甘蔗[26]、馬鈴薯[27]、番茄[28,29]、高粱[30]、水稻[31]等，證實(shí)了外源GB在改善作物光合特性、維持生物大分子結(jié)構(gòu)完整性及正常生理功能、緩減干旱損傷及增加作物產(chǎn)量方面的作用。

但從已有研究來(lái)看，前人有關(guān)FA和GB的研究多在同一灌水量下進(jìn)行，而對(duì)同種外源噴施物質(zhì)在不同灌水量下的對(duì)比資料較為缺乏；此外，F(xiàn)A和GB的性質(zhì)有所不同，其應(yīng)用效果及作用機(jī)理會(huì)存在差異，減少灌水措施對(duì)兩類(lèi)物質(zhì)的應(yīng)用效果可能會(huì)有不同的影響，而這方面的研究亦未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

基于以上所述，本研究選取京郊廣泛種植的結(jié)球生菜為研究對(duì)象，考察噴施FA和GB，及調(diào)整灌水量對(duì)生菜產(chǎn)量、水分利用、品質(zhì)、生理特性及經(jīng)濟(jì)效益的影響，旨在考察兩類(lèi)外源物質(zhì)的應(yīng)用效果是否與灌水量有關(guān)，并篩選出生產(chǎn)可用的“水量+噴施”組合，為京郊結(jié)球生菜節(jié)水高效栽培提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在平谷區(qū)東高村龐勝霖蔬菜基地日光溫室進(jìn)行。土壤類(lèi)型為褐土，質(zhì)地為壤土。播前0～20 cm土層土壤分析結(jié)果：有機(jī)質(zhì)22.8g/kg，全氮1.5 g/kg，硝態(tài)氮60 mg/kg，速效磷82 mg/kg，速效鉀170 mg/kg，pH 7.43。供試生菜品種為射手101。于2017年8月20日開(kāi)始育苗，2017年10月3日移栽定植。定植前施入三元復(fù)合肥(15-15-15)，用量855 kg/hm2，基施深度30 cm。生菜2018年1月11日收獲，全生育期98 d。

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)。以灌溉量為主處理，設(shè)置兩個(gè)水平，分別是低水量DI1(800 m3/hm2)和DI2(490 m3/hm2)；以噴施外源物質(zhì)為副處理，設(shè)置3種水平，分別是不噴施(CK)、噴施黃腐酸(FA)和甜菜堿(GB)。共6個(gè)處理(詳見(jiàn)表1)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)小區(qū)規(guī)格為10 m×6.83 m，外源處理在同一灌溉量區(qū)內(nèi)隨機(jī)排列。小區(qū)內(nèi)采用起壟栽培技術(shù)，壟寬70 cm，行距40 cm，壟上雙行種植，株距30 cm，每行種植33棵，定植密度43 500 株/hm2。小區(qū)之間留2壟作保護(hù)行，防止處理間的相互影響。

表1 外源物質(zhì)與灌水組合處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Experiment design for the irrigation level and spraying external source substances

灌溉說(shuō)明：自壓式滴灌系統(tǒng)，每個(gè)定植壟上安裝兩條滴灌管，滴水頭間距40 cm。設(shè)置兩個(gè)滴灌水量處理(DI1，800 m3/hm2，常規(guī)水平的80%； DI2，490 m3/hm2，常規(guī)水平的49%)。DI1和DI2處理含定植水在內(nèi)的總灌水次數(shù)均為4次。定植水時(shí)間為10月3日，定植水量為370 m3/hm2。實(shí)施水量差異管理的時(shí)間分別為10月7日、10月23日和11月7日。DI1處理在這3次的滴灌水定額分別為160、140和130 m3/hm2。DI2處理在這3次的滴灌水定額分別為50、40、和30 m3/hm2。滴灌水量為精密水表計(jì)量所得。

噴施說(shuō)明：采用10L噴霧器，F(xiàn)A和GB在全生育期均噴施4次(定植第17、31、45和58 d)，每次噴施量均為1 076 L/hm2；噴施濃度均為0.5 g/L，4次累積噴施總量均為2.151 kg/hm2。

1.2 樣品采集與測(cè)定

于生菜結(jié)球期晴天上午9∶00-11∶00，各處理隨機(jī)選取20片完全展開(kāi)的成熟葉片，采用全自動(dòng)便攜式光合儀(英國(guó)，LC Pro-SD)測(cè)定葉片光合與蒸騰速率，測(cè)試部位為生菜自外而內(nèi)第3或第4片葉。

結(jié)球期隨機(jī)選取15棵生菜，用于生理指標(biāo)測(cè)定。每小區(qū)生菜集中采收，電子秤稱(chēng)重后，記錄實(shí)測(cè)產(chǎn)量。

生菜葉片可溶糖、脯氨酸與品質(zhì)分析參照文獻(xiàn)[32]：采用蒽酮比色法測(cè)定可溶糖含量，酸性茚三酮法測(cè)定脯氨酸含量。2,6-二氯靛酚滴定法測(cè)定VC含量，紫外分光光度法測(cè)定硝酸鹽含量。

生菜葉片抗氧化物酶活性與丙二醛含量分析參照文獻(xiàn)[33]：采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過(guò)氧化物酶活力(POD)，氮藍(lán)四唑(NBT)法測(cè)定超氧化物歧化酶活力(SOD)，高錳酸鉀滴定法測(cè)定過(guò)氧化氫酶活力(CAT)，硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛含量(MDA)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

數(shù)據(jù)整理及作圖采用Excel2007軟件完成，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS17.0中的單因素方差分析法(One Way Anova)，用新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較，處理間差異性顯著水平定為p<0.05。

蒸騰效率=光合速率/蒸騰速率

水分利用率=產(chǎn)量/灌水量

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量與水分利用率

表2看出，產(chǎn)量，T2、T3分別比T1明顯增加6 735、9 736 kg/hm2，T5、T6分別比T4明顯增加1 160、1 233 kg/hm2，說(shuō)明噴施FA和GB在DI1和DI2水量時(shí)均明顯增加了生菜產(chǎn)量，且DI1水量時(shí)GB處理的增產(chǎn)效果明顯優(yōu)于FA處理，F(xiàn)A和GB處理在DI1水量時(shí)的增產(chǎn)效果明顯優(yōu)于其在DI2水量時(shí)的增產(chǎn)效果。T5比T2明顯降低5 637 kg/hm2，T6比T3明顯降低8 565 kg/hm2，說(shuō)明減少水量明顯降低了FA和GB處理生菜的產(chǎn)量，且對(duì)GB處理的影響更大。

表2 外源物質(zhì)與灌水對(duì)生菜產(chǎn)量與群體水分利用的影響Tab.2 Effects of foliar spray and irrigation on yield and Irrigation water productivity of lettuce

水分利用率，T2、T3分別比T1明顯增加8.4、12.2 kg/m3，T5、T6分別比T4明顯增加2.4、2.6 kg/m3，說(shuō)明噴施FA和GB表現(xiàn)出明顯提升生菜水分利用率的作用，且在DI1水量時(shí)的提升效果更佳。T5比T2明顯增加10.6 kg/m3，T6比T3明顯增加7 kg/m3，說(shuō)明減水后，F(xiàn)A和GB處理生菜的水分利用率提升。

總之，DI1+GB和DI1+FA處理的產(chǎn)量較高，DI2+GB和DI2+FA處理的水分利用率較高。

綜合分析(表3)表明，灌水與噴施對(duì)生菜產(chǎn)量和水分利用的影響存在顯著的交互效應(yīng)，各因子對(duì)產(chǎn)量和水分利用的貢獻(xiàn)均為：灌水>噴施>互作。

表3 產(chǎn)量與水分利用的主效應(yīng)分析Tab.3 Tests of Between-Subjects Effects on yield and Irrigation water productivity of lettuce

2.2 品質(zhì)效應(yīng)

表4顯示，噴施FA和GB及減少灌水對(duì)生菜硝酸鹽的影響均不顯著。VC含量，T3比T1明顯增加19%，說(shuō)明噴施GB在DI1水量時(shí)增加了生菜VC含量。綜合分析(表5)表明，灌水與噴施對(duì)生菜VC的影響存在顯著的交互效應(yīng)，各因子對(duì)VC變化的貢獻(xiàn)差異不大。

表4 外源物質(zhì)與灌水對(duì)生菜硝酸鹽與VC的影響Tab.4 Effects of foliar spray and irrigation on nitrate and VC content of lettuce

表5 硝酸鹽與VC的主效應(yīng)分析Tab.5 Tests of Between-Subjects Effects on nitrate and VC of lettuce

2.3 可溶糖與脯氨酸含量

表6可見(jiàn)，可溶糖含量，T2、T3分別比T1明顯增加78%、77%，T4≈T5≈T6，說(shuō)明噴施FA和GB處理在DI1水量下明顯增加葉片可溶糖含量，在DI2水量下對(duì)葉片可溶糖含量的影響不明顯。T2≈T5、T3≈T6，說(shuō)明減少灌水量對(duì)葉片可溶糖含量的影響不顯著。

表6 外源物質(zhì)與灌水對(duì)生菜可溶糖與脯氨酸含量的影響Tab.6 Effects of foliar spray and irrigation on soluble sugar and proline contents of lettuce leaves

脯氨酸含量，噴施兩種外源物質(zhì)及減少灌水量的影響均不顯著。

綜合分析(表7)表明，灌水與噴施處理對(duì)葉片可溶糖含量的影響存在顯著的交互效應(yīng)，對(duì)葉片脯氨酸含量影響的交互效應(yīng)不顯著，各因子對(duì)葉片可溶糖變化的貢獻(xiàn)是：噴施(99%)≈交互(99%)>灌水(98%)。

表7 可溶糖和脯氨酸的主效應(yīng)分析Tab.7 Tests of Between-Subjects Effects on soluble sugar and proline contents of lettuce leaves

2.4 抗氧化物酶活性及丙二醛含量

表8顯示，POD酶活性和MDA含量，噴施FA與GB及減少灌水的影響不顯著。

表8 外源物質(zhì)與灌水對(duì)生菜抗氧化物酶與MDA的影響Tab.8 Effects of foliar spray and irrigation on antioxidative enzymes and MDA of lettuce leaves

SOD，T1≈T2≈T3，T5、T6分別比T4明顯增加17%、12%，說(shuō)明噴施FA和GB在DI1水量時(shí)對(duì)葉片SOD酶活的影響不明顯，在DI2水量時(shí)明顯增加SOD酶活。T5明顯高于T2，T6明顯高于T3，說(shuō)明減少水量處理增加了FA和GB處理葉片的SOD酶活性。

CAT，T2、T3分別比T1明顯增加12%、122%，T2與T3間差異明顯，T5、T6分別比T4明顯降低37%、36%，說(shuō)明噴施FA和GB處理在DI1水量時(shí)明顯增加葉片CAT酶活性，在DI2水量下明顯降低葉片CAT酶活性，且DI1水量時(shí)GB處理葉片的CAT酶活明顯高于FA處理。

綜合分析(表9)表明，灌水與噴施對(duì)葉片SOD和CAT的影響存在明顯的交互效應(yīng)，各因子對(duì)SOD的貢獻(xiàn)為：灌水量(98%)>互作(62%)>噴施(58%)，對(duì)CAT的貢獻(xiàn)為：灌水量(98%)>互作(97%)>噴施(91%)。

表9 抗氧化物酶與MDA的主效應(yīng)分析Tab.9 Tests of between-subjects effects on antioxidative enzymes and MDA of lettuce leaves

2.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

表10顯示，生菜種植總成本介于11 807～14 739 元/hm2，最大相差2 932 元/hm2；總產(chǎn)值介于63 285～92 679 元/hm2，最大相差29 394 元/hm2；凈收入介于51 478～77 940 元/hm2，最大相差26 462 元/hm2?？梢?jiàn)，不同處理在種植成本上的差異較小，在總產(chǎn)值和種植收益上的差異較大。

表10 噴施與灌水處理對(duì)生菜種植收益的影響 元/hm2

從成本投入比較來(lái)看，灌溉設(shè)備占比最大，其次是種苗、肥料和勞動(dòng)力。灌溉水與噴施物質(zhì)的投入較低。比較發(fā)現(xiàn)，減少灌水量節(jié)約成本149 元/hm2，但其減產(chǎn)引起產(chǎn)值平均降低14 264 元/hm2，凈收入平均降低14 115 元/hm2。減少灌水量使FA和GB處理生菜的凈收入分別降低16 762和25 546 元/ hm2，對(duì)GB的影響更大。

與CK相比，F(xiàn)A和GB的材料成本分別增加47和1 183 元/hm2，勞動(dòng)力成本均增加1 600 元/ hm2，總成本分別增加1 647和2 783 元/hm2，但增產(chǎn)明顯，相應(yīng)的凈收入在DI1水量時(shí)分別增加18 558和26 425 元/hm2，在DI2水量時(shí)分別增加1 833和916 元/ hm2?？梢?jiàn)，噴施GB和FA在DI1水量時(shí)增收效果尤其明顯。

總體看，DI1+GB的凈收益最高，其次是DI1+FA。

3 討 論

本研究通過(guò)田間試驗(yàn)考察了噴施FA與GB及調(diào)整灌水量對(duì)生菜生產(chǎn)的影響。結(jié)果表明，噴施FA與GB在DI1水量時(shí)具有增產(chǎn)增效及增收的作用，噴施FA表現(xiàn)出增加葉片可溶糖及CAT酶活性的作用。本研究噴施FA提升葉片CAT酶活性及促進(jìn)生菜生長(zhǎng)的試驗(yàn)結(jié)果與Anjum等[5]在玉米上的試驗(yàn)結(jié)果一致，再次證實(shí)FA改善缺水植物生長(zhǎng)的原因與其上調(diào)CAT酶活，增強(qiáng)抗旱能力有關(guān)。噴施GB也表現(xiàn)出增加可溶糖、CAT酶活性及產(chǎn)量的作用，這與Ibram等[29]在高粱上及Jalal等[31]在水稻上的試驗(yàn)結(jié)果一致，再次證實(shí)GB對(duì)缺水作物生長(zhǎng)的改善與其滲透和抗氧化調(diào)控有關(guān)。DI1水量時(shí)GB的表現(xiàn)優(yōu)于FA，表明GB在節(jié)水抗旱和改善生菜品質(zhì)方面的潛力。噴施FA與GB在DI2水量時(shí)仍表現(xiàn)出增產(chǎn)增效及增收作用，但作用不及其在DI1水量時(shí)。噴施FA與GB在DI2水量時(shí)的效果差異不明顯，可能與該水量值較低有關(guān)。

灌水量由DI1降至DI2后，生菜水分利用率大幅提升，但減水導(dǎo)致FA和GB處理生菜產(chǎn)量及種植收益明顯下降。本試驗(yàn)同時(shí)檢測(cè)到減水引起生菜葉片SOD和CAT酶活性大幅升高的現(xiàn)象，這可能是Reddy等[34]報(bào)道的高等植物在缺水逆境下會(huì)啟動(dòng)體內(nèi)的抗氧化物酶響應(yīng)機(jī)制有關(guān)。需要指出的是，結(jié)球生菜秋冬茬一茬灌水量一般在1 000 m3/hm2，本試驗(yàn)DI1和DI2灌水量分別為常規(guī)水平的80%和49%，由此認(rèn)為減水引起生菜明顯減產(chǎn)與DI2灌水量較低有關(guān)。繼續(xù)研究中，DI2水平可適當(dāng)提高，使生菜限制灌水引起的逆境損傷在外源物質(zhì)有效調(diào)控范圍內(nèi)，以兼顧節(jié)水與種植效益，實(shí)現(xiàn)低水量條件下的生菜高產(chǎn)高效栽培。減水引起的生菜產(chǎn)值降低明顯大于灌溉水投入成本，因而生菜種植效益明顯降低。值得注意的是，目前的農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體及種植戶(hù)根據(jù)電力抽水消耗的電量來(lái)支付灌溉水費(fèi)用，這明顯低于對(duì)城鎮(zhèn)居民收取的水資源消耗費(fèi)，這也是農(nóng)業(yè)過(guò)量灌溉一直未得到有效控制的制度原因。隨著灌溉水價(jià)改革的逐步落實(shí)，灌溉水成本隨之增加，減水對(duì)蔬菜種植效益的不利影響將大大降低。

4 結(jié) 論

(1)噴施FA和GB在DI1低水量時(shí)明顯增加了生菜產(chǎn)量、水分利用率及種植效益。噴施GB的效果明顯優(yōu)于噴施FA。噴施FA和GB在DI2低水量時(shí)仍具有增產(chǎn)增效增收作用，但效果不及其在DI1水量時(shí)。噴施FA和GB在DI2低水量時(shí)的效果差異不明顯。

(2)滴灌水量由DI1降至DI2后，生菜水分利用率提升，但減水引起生菜產(chǎn)量、產(chǎn)值及種植收益的大幅降低。

(3)噴施FA和GB改善生菜生長(zhǎng)與其對(duì)葉片的滲透和抗氧化調(diào)控有關(guān)。

(4)DI1+GB和DI1+FA管理措施可在秋冬茬結(jié)球生菜生產(chǎn)中應(yīng)用。