甘肅引黃灌區(qū)不同施氮水平對枸杞間作大豆光合特性、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

賴桑迪，齊廣平*，蔡玲惠，趙敏，王金恒，王建軍

（1甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，蘭州 730070；2甘肅省景泰川電力提灌管理局灌溉試驗站，景泰 730400）

甘肅引黃灌區(qū)是西北主要灌區(qū)之一，年均降水量少，蒸發(fā)量大，灌區(qū)主要以種植耐干旱、耐鹽堿作物為主［1］。枸杞作為灌區(qū)內(nèi)主要經(jīng)濟(jì)作物，多采用單一的種植模式。農(nóng)民為追求產(chǎn)量，濫用肥料，盲目擴(kuò)大種植面積，造成土地利用率低，土地貧瘠，灌區(qū)本就脆弱的生態(tài)環(huán)境日益惡化［2，3］。如何實現(xiàn)枸杞增產(chǎn)和肥料高效利用，已成為灌區(qū)急需解決的問題。

間作能增強(qiáng)作物對空間環(huán)境和養(yǎng)分資源的利用，提高單位土地生產(chǎn)力［4］。許華森等［5］研究表明，核桃間作大豆種植模式可以增強(qiáng)根系新陳代謝，改善大豆生長狀況。大豆是我國食用油和豆制品的主要來源［6］，在與牧草間作中能改善其適口性，提高蛋白含量［7］，是一種高效利用有限資源增產(chǎn)的作物搭配組合［8］。氮是作物生長發(fā)育必需的元素。賀春燕等［9］研究表明，增施氮肥能促進(jìn)枸杞產(chǎn)量和品質(zhì)的提升，但氮肥施用量超過646 kg/hm2則不能顯著提高枸杞產(chǎn)量。

前人的研究多集中在不同施氮水平對單作枸杞的影響［10，11］，而枸杞間作大豆條件下氮肥供應(yīng)對枸杞影響的研究尚不多見。本研究對不同施氮水平以及枸杞間作大豆模式下的枸杞光合特性、產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行分析，以期為探索適宜引黃灌區(qū)枸杞高產(chǎn)高效的氮肥調(diào)控模式提供理論支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地區(qū)概況

試驗于2020年4—8月在甘肅省景泰縣景泰川電力提灌管理試驗站（37°23′N，104°08′E）進(jìn)行。試驗區(qū)海拔2 028 m，屬于溫帶干旱大陸性氣候，年平均氣溫8.4℃，年平均降水量187.4 mm，年蒸發(fā)量3 500.6 mm，全年無霜期184 d。土壤為沙壤土，pH值8.65，有機(jī)質(zhì)13.23 g/kg、硝態(tài)氮9.56 mg/kg、銨態(tài)氮4.35 mg/kg、堿解氮55.2 mg/kg、有效磷23.24 mg/kg。

1.2 材料

供試大豆品種為中作J13065，于2020年5月2日播種；枸杞為定植5年的寧杞1號。試驗用氮肥為尿素（含N≥46.4%），基肥為過磷酸鈣（含P2O5≥16%）和硫酸鉀（含K2O≥20%）。

圖1 試驗區(qū)枸杞生育期內(nèi)降水量與平均氣溫Fig.1 Rainfall and mean temperature during the growth period of Lycium barbarum L.

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。設(shè)置枸杞單作（DG）和枸杞間作大豆（JG）兩種種植模式。參考當(dāng)?shù)罔坭绞┓仕?，設(shè)置3個施氮水平：高肥N1（724 kg/hm2）、中肥N2（484 kg/hm2）、低肥N3（246 kg/hm2）。試驗共6個處理，3次重復(fù)，共18個小區(qū)，小區(qū)面積為45 m2（6 m×7.5 m），枸杞株距1.5 m，行距3 m。大豆采用等距離點播的方式種植，行距為35 cm，距離枸杞65 cm，穴距30 cm，每行24穴，共9行。各小區(qū)邊緣埋設(shè)2 m深塑料薄膜，試驗區(qū)四周設(shè)置2 m的保護(hù)帶。

全年試驗設(shè)計純氮素用量的25%隨基肥一起施入。剩余氮肥分別于枸杞頭茬期、夏果期、秋果期分別施入氮素全年設(shè)計用量的30%、25%、20%。其他管理措施與當(dāng)?shù)罔坭椒N植保持一致。

1.4 測定項目與方法

于枸杞萌芽期選擇長勢相近的植株（枸杞3株，大豆6株）掛上標(biāo)記牌。（1）光合作用。2021年7月，于枸杞夏果期，選擇晴朗無云的天氣，在小區(qū)內(nèi)選取帶有標(biāo)記的枸杞樹和大豆植株，取成熟分枝上光照條件良好的葉片，使用LI-6400XT（Li-COR，USA）便攜式光合儀從8∶00到18∶00每隔2 h測定1次枸杞和大豆的光合參數(shù)，包括凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）等。測定的環(huán)境因子有光合有效輻射（PAR）、大氣溫度（Ta）、大氣CO2濃度（Ca）和空氣相對濕度（RH）等指標(biāo)。葉片水分利用效率計算公式：

（2）作物產(chǎn)量。枸杞采摘后，立即測定鮮果百粒質(zhì)量和單株產(chǎn)量，然后晾干，測干質(zhì)量［12］。大豆成熟后，每個小區(qū)隨機(jī)選取長勢相近的大豆植株3株，用紗布袋裝好，待自然風(fēng)干后，記錄莢數(shù)和粒數(shù)，測量單株籽粒產(chǎn)量和百粒質(zhì)量。

（3）品質(zhì)。枸杞的總糖和多糖采用菲林試劑法和硫酸—苯酚比色法測定［13］；大豆蛋白質(zhì)含量采用凱式定氮法測定；大豆脂肪含量采用索氏抽提法測定［14］。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Office 2016和Origin 2018軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS22.0進(jìn)行統(tǒng)計分析。

式中，R為反射系數(shù)；θ為入射角，（°）；P為零入射角縱波反射系數(shù)（截距）；G為振幅隨入射角的變化（梯度）。

2 結(jié)果與分析

2.1 枸杞和大豆光合作用日變化特征

2.1.1 枸杞光合生理特性分析

葉片光合速率（Pn）是反映作物代謝強(qiáng)弱的指標(biāo)，影響作物體內(nèi)干物質(zhì)積累。從圖2-a可以看出，2種種植模式下枸杞的Pn日變化趨勢一致，呈明顯的雙峰曲線；12∶00時光合作用最強(qiáng)，此時單作（DG）枸杞的凈光合速率要高于間作模式（JG），但Pn最高的處理為JGN2，達(dá)23.68μmol/（m2·s），其次是DGN3處理，為23.42μmol/（m2·s）；12∶00后Pn下降，在16∶00 Pn出現(xiàn)第二峰值，其中DGN2處理最高，達(dá)17.84μmol/（m2·s）。

氣孔導(dǎo)度（Gs）反映了葉片內(nèi)細(xì)胞與外界環(huán)境進(jìn)行CO2和水汽交換能力的強(qiáng)弱。從圖2-b可以看出，Gs日變化整體呈下降趨勢，12∶00時溫度逐漸升高，氣孔逐漸關(guān)閉，14∶00后溫度和光合有效輻射（PAR）下降，氣孔開度又逐漸打開。14∶00時，JGN3處理Gs最高，為0.20 mol/（m2·s）。

胞間CO2濃度（Ci）反映的是植物葉片進(jìn)行光合作用的潛在能力，隨著8∶00以后光合速率的增加，胞間CO2被大量消耗。至12∶00，單作模式下枸杞葉片Ci含量較8∶00下降8%～23%，間作模式下枸杞葉片Ci值下降12%～31%（圖2-c）。

葉片水分利用效率（WUE）日變化呈先上升后下降趨勢。圖2-d表明，單作模式下DGN2處理和DGN3處理的第一波峰值出現(xiàn)在12∶00，分別較間作模式同氮肥用量處理高12.72%和17.56%；枸杞間作和單作模式第二次峰值出現(xiàn)在16∶00，但此時所有處理枸杞葉片水分利用效率差異不顯著，單作處理中WUE值最高的為DGN2，間作處理為JGN3。

圖2 不同施氮處理枸杞的光合指標(biāo)日變化Fig.2 Diurnal variation of photosynthetic indexes of Lycium barbarum L.under different nitrogen application treatments

表1 大氣環(huán)境因子Table 1 Atmospheric environmental factors

由圖3-a可知，大豆凈光合速率（Pn）也呈現(xiàn)雙峰變化，在14∶00存在光合午休現(xiàn)象。JDN2處理12∶00時Pn最高，為25.08μmol/（m2·s）。大豆胞間CO2濃度值（Ci）呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢。12∶00前隨著光合作用的恢復(fù)，胞間CO2被持續(xù)消耗；12∶00后隨著環(huán)境CO2濃度升高和光合午休共同作用導(dǎo)致其升高（圖3-c）。大豆氣孔導(dǎo)度（Gs）呈下降趨勢，其中JDN3處理日變化值最低，為0.29～0.55 mol/（m2·s）（圖3-b）；WUE變化趨勢與枸杞相反，18∶00時，間作模式各處理差異最大，JDN2、JDN3分別較JDN1處理高19.56%和23.91%（圖3-d）。

圖3 不同施氮處理大豆的光合指標(biāo)日變化Fig.3 Diurnal changes of photosynthetic indexes of soybean under different nitrogen application treatments

2.2 不同施氮水平對枸杞間作大豆產(chǎn)量的影響

由表2可知，各處理不同生育期枸杞單株產(chǎn)量平均值表現(xiàn)為夏果期＞秋果期＞頭茬果期。從頭茬果期來看，不同種植模式和施氮處理枸杞的百粒質(zhì)量無明顯差異；2種種植模式下，單株產(chǎn)量均為施氮量N3處理最小，分別為870和1 010 g/株，與同生育期其他施氮量（N1、N2）處理差異顯著（P＜0.05），但N1與N2產(chǎn)量無顯著差異。說明施氮量太低影響枸杞頭茬果期產(chǎn)量。從夏果期來看，單作處理枸杞百粒質(zhì)量和單株產(chǎn)量隨施氮量的降低而減低，表現(xiàn)為N1＞N2＞N3；間作枸杞各處理產(chǎn)量為N2＞N1＞N3，其中JGN2處理產(chǎn)量為2 310 g/株，較DGN2處理增加9.48%。枸杞百粒質(zhì)量最高的處理為JGN1，但不同種植模式下，N1、N2、N3處理間無顯著差異。秋果期，枸杞的生育期開始進(jìn)入末尾，JGN1處理單株產(chǎn)量最高，為1 930 g/株，比單作同處理增產(chǎn)4.89%，與其他處理（JGN2除外）差異顯著。

表2 不同施氮處理的枸杞、大豆百粒質(zhì)量與產(chǎn)量Table 2 The effects of different nitrogen application on the 100-grain weight and yield of Lycium barbarum and Soybean g

大豆百粒質(zhì)量和單株產(chǎn)量都隨施氮量的增加而增加，均以JGN1處理最大。百粒質(zhì)量各處理間差異顯著，JGN1處理為25.29 g，顯著高于其他處理，較JGN2和 JGN3處理分別提高了6.22% 和34.24%；單株產(chǎn)量為JGN1、JGN2處理顯著高于JGN3，分別提高了22.93%和22.82%。

2.3 不同施氮水平對枸杞、大豆品質(zhì)的影響

從表3可知，在單作模式下，N2處理枸杞總糖含量最高，為48.10%，較N1和N3處理高1.27和1.74百分點；間作模式下枸杞的總糖含量表現(xiàn)與單作一致。相同施氮量下，間作處理枸杞總糖含量高于單作，N1、N2、N3處理分別提高了1.26、0.28和0.38百分點。枸杞多糖含量在單作和間作種植模式下均隨施氮量的減少而降低，N3處理枸杞多糖含量最低，單作模式和間作模式下分別較N1、N2低1.33、0.97和1.74、0.67百分點。

表3 不同施氮處理下枸杞、大豆品質(zhì)指標(biāo)比較Table 3 Quality indexes of Lycium barbarum and Soybean under different nitrogen application treatments %

間作模式下，大豆蛋白質(zhì)含量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)遞增趨勢，JGN1較JGN3高1.99百分點，但處理間差異不顯著；大豆脂肪含量趨勢與蛋白質(zhì)不一致，表現(xiàn)為N2處理顯著高于N1、N3處理，含量為22.33%，較N1和N3提高了1.24和3.00百分點。

2.4 枸杞光合因子和產(chǎn)量指標(biāo)相關(guān)性分析

從表4可以看出，單作枸杞Ci與單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，WUE與Pn、百粒質(zhì)量、多糖呈極顯著正相關(guān)。間作枸杞Pn與多糖、單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，與枸杞百粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)。

表4 不同種植模式下枸杞光合指標(biāo)與產(chǎn)量、品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient between photosynthetic index and yield and quality indexes of Lycium barbarum L.under different plant modes

根據(jù)表5，大豆百粒質(zhì)量、單株產(chǎn)量與Pn間都呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，但與大豆蛋白質(zhì)含量、脂肪含量無顯著相關(guān)性。結(jié)果表明間作種植模式下，光合因子與枸杞產(chǎn)量有更高的相關(guān)性，比單作模式對產(chǎn)量的影響更大。

表5 間作模式下大豆光合指標(biāo)與產(chǎn)量、質(zhì)量指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficient between soybean photosynthetic index and yield quality indexes under intercropping mode

3 討論

植物的干物質(zhì)積累主要靠光合作用［15］，Pn是反映作物光合作用最重要的因子［16］。袁嫚嫚等［17］研究表明，大氣光合有效輻射、溫度等對作物Pn有著顯著影響，強(qiáng)光和高溫對植物體內(nèi)能量同化生產(chǎn)有著嚴(yán)重的削弱作用。12∶00以后，隨著大氣溫度和PAR逐漸升高，觸發(fā)枸杞葉片細(xì)胞的保護(hù)機(jī)制，導(dǎo)致Gs降低，這也是午休現(xiàn)象出現(xiàn)的主要誘因。下午16∶00，隨著氣溫的降低，葉片氣孔逐漸打開，枸杞Pn逐漸回升，枸杞光合速率到達(dá)第二峰值，此時JG模式下Pn要小于DG，這可能與間作模式下大豆植株對光熱的競爭有關(guān)。

氮作為枸杞生長發(fā)育必需的大量元素，對枸杞光合作用、產(chǎn)量提高等具有重要作用［18-20］。隨著施氮量的增加，單作與間作模式下枸杞頭茬果期與秋果期單株產(chǎn)量在N1、N2水平差異不顯著，這與馬興東等［21］對黑枸杞的研究基本一致。2種種植模式下，枸杞單株產(chǎn)量主要在枸杞的夏果期和秋果期表現(xiàn)出顯著差異，可能是因為前期大豆植株較弱小，對土壤理化性質(zhì)改良效果較差［22］。大豆產(chǎn)量隨施氮量增加而遞增，與韋持章等［23］發(fā)現(xiàn)的合理施氮能促進(jìn)間作中豆科作物產(chǎn)量提高的結(jié)果相一致。

氮素深入?yún)⑴c植株細(xì)胞代謝［24］，進(jìn)而影響作物碳水化合物的積累。本研究表明，枸杞總糖和多糖在不同種植模式下無明顯差異，但間作下枸杞多糖含量高于單作。大豆蛋白質(zhì)含量N1＞N2＞N3。單作模式下枸杞Pn與WUE呈顯著相關(guān)，間作模式下枸杞Pn與百粒質(zhì)量、單株產(chǎn)量等指標(biāo)呈顯著相關(guān)性，這可能是間作條件下枸杞與大豆形成的區(qū)域小氣候?qū)夂嫌兄@著的影響所致［25］。

4 結(jié)論

隨著施氮量的增加，單作枸杞的Pn遞增，間作枸杞的Pn呈先增后減趨勢。施氮量增加并不能顯著提升枸杞產(chǎn)量，在枸杞夏果期和秋果期，過高的施氮量反而對枸杞產(chǎn)量不利。品質(zhì)上，增加施氮量主要影響枸杞多糖和大豆蛋白質(zhì)含量，間作模式下，N1、N2枸杞多糖含量較N3增加1.74和0.67百分點；大豆的蛋白質(zhì)含量較N3增加1.99和1.46百分點。分析表明，間作下Pn與百粒質(zhì)量、產(chǎn)量等呈顯著正相關(guān)，單作下，Pn與其他光合因子及產(chǎn)量相關(guān)性較弱。本試驗條件下，間作模式下484 kg/hm2的施氮量處理最適合提高枸杞的光合作用及產(chǎn)量。