朱和,田軍倉,2,3*,楊凡,馬波,2,3,閆新房,2,3,郝向峰
(1. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,寧夏 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,寧夏 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,寧夏 銀川 750021; 4. 寧夏百瑞源枸杞股份有限公司,寧夏 銀川 750200)
作物的生長發(fā)育受生長環(huán)境的影響.近年來,通過水肥一體化灌溉以達(dá)到農(nóng)作物節(jié)水增產(chǎn)效果的國內(nèi)外研究成果較多[1-2],而且已在農(nóng)田中推廣應(yīng)用,有較好的效果[3].但是長期水肥一體化滴灌灌溉易導(dǎo)致土壤板結(jié)酸化、次生鹽堿化等問題[4],進(jìn)而造成土壤通氣透水性和土壤溫度下降,使得土壤養(yǎng)分失衡.因此,除了關(guān)注作物水肥條件外,還不能忽略氣熱條件.
關(guān)于土壤通氣性和根區(qū)溫度對作物影響的研究成果較少.良好的土壤通氣性是作物正常發(fā)育的基本保證,通過改善土壤的通氣性,能夠顯著提高作物根區(qū)土壤的導(dǎo)氣率,改善作物根區(qū)土壤微環(huán)境和土壤酶活性并保障土壤微生物活動[5],進(jìn)而能夠很好地協(xié)調(diào)土壤水肥氣熱四因素間的關(guān)系,提高水分利用效率[6],增加作物產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)[7-8].而調(diào)節(jié)地溫能夠提高作物根區(qū)溫度,增加作物的出苗率、成苗率,促進(jìn)作物生長發(fā)育,提高產(chǎn)量[9];另外,有效增加土壤根區(qū)溫度還可以縮短作物生育歷時(shí),調(diào)節(jié)作物根系活性,以改善水分供需平衡,從而提高土壤水分利用效率[10].因此,土壤環(huán)境對作物的生長發(fā)育起著非常重要的作用,水肥氣熱耦合灌溉成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中新的熱點(diǎn)和發(fā)展方向.
枸杞的藥用價(jià)值非常高,具有滋補(bǔ)肝腎、益精明目、潤肺等功效[11].作為寧夏的優(yōu)勢經(jīng)濟(jì)作物和品牌特色作物,枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展對寧夏地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)增收有非常大的支撐作用.以寧夏銀川賀蘭山百瑞源枸杞種植基地為例,近年來通過水肥一體化灌溉和管理,有效地節(jié)約水肥資源,減緩地區(qū)缺水情況,且園區(qū)枸杞產(chǎn)量和品質(zhì)相對較好,但是長期滴灌易導(dǎo)致土壤通氣性變差;另外,賀蘭山下早晚溫差大,容易影響枸杞的生長,所以綜合調(diào)控水肥氣熱環(huán)境對枸杞提質(zhì)增效具有重要意義.
近年來,對枸杞水肥耦合[12]和水氣耦合[13]的研究成果較多,而枸杞水肥氣熱耦合的研究未見報(bào)道.目前通過水肥氣熱耦合對番茄[14]、西瓜[15]和辣椒[16]等作物影響的研究工作取得了一定的成果,但是土壤水肥氣熱耦合對枸杞影響的作用機(jī)理還不清楚.文中以此為切入點(diǎn),研究水肥氣熱耦合試驗(yàn)對枸杞生長、增產(chǎn)的機(jī)理和光合作用,為枸杞高效節(jié)水灌溉和提質(zhì)增效提供理論依據(jù).
試驗(yàn)于2019年4—10月在寧夏百瑞源枸杞賀蘭山種植基地進(jìn)行.該試驗(yàn)區(qū)位于寧夏銀川市賀蘭縣賀蘭山東麓,地處106°05′E,38°39′N,海拔1 102 m.2019年枸杞生育期(4月15日—10月15日)降水量為135.1 mm.試驗(yàn)地土壤類型為沙壤土,于4月試驗(yàn)前測得田間持水率為18.68%;土壤干容重為1.47 g/cm3,土壤理化性質(zhì)見表1,表中h為土層深度,c為肥料質(zhì)量比.2019年生育期內(nèi)監(jiān)測地下水位埋深為12 m,滴灌水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2005)要求.
表1 試驗(yàn)點(diǎn)供試土壤理化性質(zhì)
試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)方法,設(shè)置了通氣量(土壤通氣性,A)、灌溉定額(B)、施肥量(C)、根區(qū)溫度(覆膜方式,D)4個因素,每個因素設(shè)3個水平,每個處理3次重復(fù),共設(shè)27個小區(qū).以灌水量4 815 m3/hm2、施低肥、土壤不耕、不覆膜為對照(CK).試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯吭诘喂鄺l件下,水肥氣熱耦合對枸杞生長、光合和產(chǎn)量的影響,以便確定枸杞水肥氣熱最佳組合方案.正交試驗(yàn)方案見表2.
表2 正交試驗(yàn)方案
試驗(yàn)枸杞品種是6 a樹齡的寧杞一號,枸杞行間距為3 m,株間距為1 m;每行1個處理.灌溉方式采用滴灌,滴灌管管徑為16 mm,滴頭間距為50 cm,滴頭流量為2 L/h,實(shí)施水肥一體化灌溉.
灌水:灌溉定額水平分別為高水(4 815 m3/hm2)、中水(4 005 m3/hm2)和低水(3 195 m3/hm2),對應(yīng)的灌水定額分別為高水(321 m3/hm2)、中水(267 m3/hm2)和低水(213 m3/hm2);總灌溉次數(shù)15次,其中萌芽期灌水1次,新梢生長期灌水4次,開花坐果期灌水2次,夏果期灌水5次,秋果采收期灌水3次.4月份開始進(jìn)行水分控制.
施肥:2018年10月枸杞施基肥牛糞5 kg/株,2019年追肥15次,全生育期追施化肥的總量及轉(zhuǎn)化后的純追肥量見表3,表中FW為追肥量.
表3 生育期追肥情況
通氣量:采用疏松土壤的方式改變土壤的通氣性,3個水平分別為深耕40 cm、淺耕20 cm和不耕.
根區(qū)溫度:采用覆膜的方式改變不同處理之間枸杞根區(qū)土壤的溫度,3種覆膜方式為覆透明地膜、覆黑色PP無紡布和不覆膜,用地溫計(jì)定期監(jiān)測不同覆膜方式下不同深度土壤的溫度.
疏松土壤和覆膜都在4月20日完成.
1) 地溫.用專業(yè)氣象用地溫計(jì)監(jiān)測不同覆膜方式下不同時(shí)段的地溫.
2) 光合作用.每個處理選取3株生長健康、長勢一致、光照均勻的同位葉片,采用LI-6800便攜式光系統(tǒng)測定儀測量葉片的凈光合速率[Pn,μmol/(m2·s)]、蒸騰速率[Tr,mol/(m2·s)]和胞間CO2濃度(Ci,μmol/mol).
3)鮮果產(chǎn)量.對每個試驗(yàn)小區(qū)枸杞進(jìn)行采摘、稱重,統(tǒng)計(jì)出各處理的鮮果產(chǎn)量.
枸杞不同覆膜方式下不同時(shí)段的根區(qū)平均溫度如圖1所示,圖中θ為0~25 cm地溫均值.由圖可知,同一時(shí)間不同覆膜方式下,0~25 cm深度內(nèi)地溫均值由高到低以覆膜排序?yàn)楦驳啬?,覆無紡布,不覆膜;覆地膜溫度較高是因?yàn)橥腹饽ぴ试S太陽輻射到達(dá)地面,促使土壤升溫,而同時(shí)地膜阻隔了膜下熱空氣與膜外低溫空氣之間的交換,起到保溫作用.而覆黑色的PP無紡布的土壤溫度介于其他2種覆膜方式之間,是因?yàn)闊o紡布也能有效保溫,但是無紡布是通氣透水的,膜下和膜上的空氣發(fā)生了交換,所以整個保溫效果較地膜差.同一覆膜方式不同時(shí)間段內(nèi),土壤根區(qū)溫度整體表現(xiàn)為從8:00開始一直到14:00左右,各個覆膜方式下的土壤溫度均開始上升,并在14:00左右達(dá)到峰值,從14:00左右開始到20:00溫度一直下降.
圖1 不同覆膜方式下不同時(shí)段的枸杞根區(qū)溫度
2.2.1 不同處理對枸杞植株凈光合速率的影響
圖2為不同處理對凈光合速率Pn的影響.由圖可知,整體上枸杞葉片凈光合速率日變化曲線為雙峰型.原因?yàn)樵绯抗庹諒?qiáng)度較弱,葉片溫度較低,光合速率比較慢;隨著光照增強(qiáng),枸杞葉片溫度升高,氣孔導(dǎo)度增大,光合速率逐漸增大,凈光合速率在10:00左右出現(xiàn)第1個高峰值.隨著光照強(qiáng)度繼續(xù)增大,溫度繼續(xù)升高,葉片蒸騰速率開始增大,枸杞葉片水分發(fā)生虧缺,導(dǎo)致葉片光合速率迅速減小,到12:00左右出現(xiàn)了低谷,出現(xiàn)枸杞葉片“午休”現(xiàn)象.強(qiáng)光照使得氣孔部分關(guān)閉,導(dǎo)致蒸騰速率下降,葉片蒸騰失水量變小,蒸騰拉力迫使根系吸收水分使葉片的水分得到補(bǔ)充,光合速率開始回升,于14:00左右出現(xiàn)第2個高峰值;隨后隨著光照強(qiáng)度減弱,葉片凈光合速率逐漸減小.其中,處理T1的Pn最大,T3的最小.2個峰值處的Pn,處理T1分別比CK增大了15.99%,13.59%;處理T3分別比CK降低了17.05%,29.28%.在峰谷處的Pn,處理T1的比CK增大14.11%,T3比CK降低28.52%.
圖2 不同處理對凈光合速率的影響
對各處理枸杞凈光合速率進(jìn)行極差分析可知RB>RD>RC>RA,則四因素的主次順序?yàn)楣喔榷~(B),根區(qū)溫度(D),施肥量(C),通氣量(A).
圖3為凈光合速率與各因素水平的變化趨勢.
圖3 凈光合速率與各因素水平的變化趨勢
由圖3可以看出,枸杞葉片凈光合速率隨通氣量、灌溉定額和施肥量增大而增大,隨根區(qū)溫度增大而呈先增大后減小的趨勢.由方差分析可知,灌溉定額和根區(qū)溫度對凈光合速率的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),施肥量對凈光合速率的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.033 3),土壤通氣量對凈光合速率的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.確定最優(yōu)組合為A1B1C1D1,與參考組合A1B1C1D1一致.
2.2.2 不同處理對枸杞胞間CO2濃度的影響
圖4為不同處理對胞間二氧化碳濃度Ci的影響.由圖可知,整體上枸杞葉片胞間CO2濃度日變化曲線為“W”型,與枸杞凈光合速率日變化曲線整體走勢相反.原因?yàn)樵绯抗庹諒?qiáng)度較弱,葉片溫度較低,光合速率比較慢,葉片的碳同化作用比較低,胞間CO2濃度較高;隨著光照增強(qiáng),枸杞葉片溫度升高,氣孔導(dǎo)度增大,光合速率逐漸增大,碳素的同化作用較強(qiáng),葉片胞間CO2被吸收轉(zhuǎn)化為有機(jī)物,胞間CO2濃度降低,在10:00左右出現(xiàn)第1個低谷值.隨著光照強(qiáng)度繼續(xù)增大,導(dǎo)致葉片氣孔導(dǎo)度降低,胞間CO2濃度升高,出現(xiàn)枸杞葉片“午休”現(xiàn)象.隨后蒸騰拉力迫使根系吸收水分使葉片的水分得到補(bǔ)充,光合速率開始回升,胞間CO2濃度開始減小,于14:00左右出現(xiàn)第2個低谷值;隨著光照強(qiáng)度的減弱,葉片凈光合速率逐漸減小,胞間CO2濃度升高.其中,處理T1的胞間CO2濃度最大,T3的最小.在2個谷值處的胞間CO2濃度,處理T1分別比CK增大0.77%,3.08%;處理T3分別比CK降低19.29%,13.03%.在峰值處的胞間CO2濃度,處理T1比CK增大7.00%,T3比CK降低11.69%.
圖4 不同處理對胞間二氧化碳濃度的影響
對各處理枸杞胞間CO2濃度進(jìn)行極差分析可知RB>RC>RA>RD,則四因素的主次順序?yàn)楣喔榷~(B),施肥量(C),通氣量(A),根區(qū)溫度(D).
圖5為胞間二氧化碳濃度與各因素水平的變化趨勢.由圖可以看出枸杞葉片胞間CO2濃度隨通氣量和灌溉定額增大而增大,隨施肥量和根區(qū)溫度增大而呈先增大后減小的趨勢.由方差分析可知,四因素對枸杞胞間CO2濃度的影響均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).按最優(yōu)水平確定的最優(yōu)組合為A1B1C2D1,與參考組合A1B1C1D1不一致.考慮C因素影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義及節(jié)本增效情況,故最優(yōu)組合確定為A1B1C1D1.
圖5 胞間二氧化碳濃度與各因素水平的變化趨勢
2.2.3 不同處理對枸杞植株蒸騰速率的影響
圖6為不同處理對蒸騰速率Tr的影響.
圖6 不同處理對蒸騰速率的影響
由圖6可知,整體上枸杞葉片蒸騰速率日變化曲線為雙峰型.原因?yàn)樵绯抗庹諒?qiáng)度較弱,葉片溫度較低,蒸騰速率較低;隨著光照增強(qiáng),枸杞葉片溫度升高,氣孔導(dǎo)度增大,蒸騰速率逐漸增大,在10:00左右出現(xiàn)第1個高峰值.隨著光照強(qiáng)度繼續(xù)增大,溫度繼續(xù)升高,枸杞葉片水分發(fā)生虧缺,導(dǎo)致葉片蒸騰速率迅速減小,到12:00左右出現(xiàn)了低谷,出現(xiàn)枸杞葉片“午休”現(xiàn)象.強(qiáng)光照使得氣孔部分關(guān)閉,葉片蒸騰失水量變小,蒸騰拉力迫使根系吸收水分使葉片的水分得到補(bǔ)充,蒸騰速率開始回升,于14:00左右出現(xiàn)第2個高峰值;隨后隨著光照強(qiáng)度的減弱,葉片蒸騰速率逐漸減小.其中,處理T1的蒸騰速率最大,T3的蒸騰速率最小.在2個峰值處的蒸騰速率,處理T1分別比CK增大了9.09%和14.86%,而處理T3分別比CK降低了19.48%和13.51%,在峰谷處的蒸騰速率,處理T1比CK增大了13.24%,T3比CK降低了30.88%.
對各處理枸杞蒸騰速率進(jìn)行極差分析可知RB>RC>RD>RA,則影響四因素的主次順序?yàn)楣喔榷~(B),施肥量(C),根區(qū)溫度(D),通氣量(A).
圖7為蒸騰速率與各因素水平的變化趨勢.由圖可以看出,枸杞葉片蒸騰速率隨灌溉定額和施肥量增大而增大,隨根區(qū)溫度和土壤通氣量增大呈先增大后減小的趨勢.由方差分析可知,灌溉定額對蒸騰速率的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000 1),其他3個因素對蒸騰速率影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).按最優(yōu)水平確定的最優(yōu)組合為A2B1C1D1,與參考組合A1B1C1D1不一致.考慮因素A的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義及節(jié)本增效情況,故最優(yōu)組合確定為A1B1C1D1.
圖7 蒸騰速率與各因素水平的變化趨勢
產(chǎn)量是衡量作物經(jīng)濟(jì)效益以及農(nóng)業(yè)創(chuàng)收的重要指標(biāo).因此,枸杞產(chǎn)量是試驗(yàn)研究的一個重要指標(biāo).對各試驗(yàn)處理所有枸杞植株的產(chǎn)量進(jìn)行測產(chǎn),再做平均處理得到單位面積產(chǎn)量.
不同處理枸杞鮮果產(chǎn)量Y如圖8所示.
圖8 不同處理枸杞鮮果產(chǎn)量
對各處理進(jìn)行極差分析可知RB>RC>RA>RD,則四因素對產(chǎn)量的影響主次順序?yàn)楣喔榷~(B),施肥量(C),通氣量(A),根區(qū)溫度(D).由方差分析可知,灌溉定額和施肥量對產(chǎn)量的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),通氣量和根區(qū)溫度對產(chǎn)量的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).
圖9為產(chǎn)量與各因素水平的變化趨勢.由圖可知,產(chǎn)量隨著通氣量、灌溉定額、施肥量和根區(qū)溫度增大而增大.
圖9 產(chǎn)量與各因素水平的變化趨勢
各處理間的產(chǎn)量存在差異,處理T1的產(chǎn)量最大,為9 281.55 kg/hm2,比對照增加了25.37%.按最優(yōu)水平確定的最優(yōu)組合為A1B1C1D2,與參考組合A1B1C1D1不一致,考慮因素D的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義及節(jié)本增效情況,故最優(yōu)組合確定為A1B1C1D1.
不同處理枸杞水分利用效率WUE如圖10所示.對各處理進(jìn)行極差分析可知RC>RB>RD>RA,則四因素對水分利用效率的影響主次順序?yàn)槭┓柿?C),灌溉定額(B),根區(qū)溫度(D),通氣量(A).由方差分析可知,灌溉定額和施肥量對枸杞水分利用效率的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),通氣量和根區(qū)溫度對水分利用效率的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),
圖10 不同處理枸杞水分利用效率
圖11為水分利用效率與各因素水平的變化趨勢.由圖可知,枸杞水分利用效率隨施肥量和根區(qū)溫度增大而增大,隨灌溉定額增大而減小,隨通氣量增大先增大后減小.
由圖10可知,雖然處理T6和T2的水分利用效率分別為最大和次大,但T6和T2對應(yīng)的產(chǎn)量分別處于第5和第3名,故水分利用效率參考組合只在產(chǎn)量較高的T1和T4中考慮.由于T1水分利用效率最大,故最優(yōu)組合選取為A1B1C1D1.
圖11 水分利用效率與各因素水平的變化趨勢
近年來,田軍倉團(tuán)隊(duì)[14-16]研究發(fā)現(xiàn)作物在不同水肥氣熱條件下,其作物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)有一定的差異.文中試驗(yàn)表明,水肥氣熱耦合對枸杞生長、產(chǎn)量和光合作用有一定程度的影響.
1) 水肥氣熱四因素對枸杞胞間CO2濃度和枸杞鮮果產(chǎn)量影響的主次順序?yàn)楣喔榷~(B),施肥量(C),通氣量(A),根區(qū)溫度(D);對凈光合速率影響的主次順序?yàn)楣喔榷~(B),根區(qū)溫度(D),施肥量(C),通氣量(A);對蒸騰速率影響的主次順序?yàn)楣喔榷~(B),施肥量(C),根區(qū)溫度(D),通氣量(A);對水分利用效率影響的主次順序?yàn)槭┓柿?C),灌溉定額(B),根區(qū)溫度(D),通氣量(A).說明水肥氣熱耦合對枸杞產(chǎn)量、水分利用效率和光合作用均有一定程度的影響.
2) 水肥氣熱四因素對枸杞光合指標(biāo)、產(chǎn)量和水分利用效率影響的顯著性:灌溉定額和根區(qū)溫度對凈光合速率的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),施肥量對凈光合速率的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.033 3);灌溉定額對蒸騰速率的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000 1);灌溉定額和施肥量對產(chǎn)量的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01);灌溉定額和施肥量對水分利用效率的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.說明灌溉定額、施肥量、根區(qū)溫度對枸杞產(chǎn)量、水分利用效率和光合作用影響較大一些,但通氣量影響較小一些.因而采用淺耕、深耕措施調(diào)節(jié)土壤通氣量對枸杞生長有一定作用,但由于灌溉增大了土壤容重,降低了通氣性,后期作用減弱.
3) 文中采取的土壤水肥氣熱綜合調(diào)節(jié)措施,對枸杞產(chǎn)量和光合作用具有正效應(yīng).主要原因是水肥氣熱四因素相互促進(jìn)、相互影響,水肥氣熱耦合把水分和養(yǎng)分有機(jī)協(xié)調(diào),提高了作物對水肥的利用效率,同時(shí)增強(qiáng)了土壤的通氣性,增加了枸杞根區(qū)土壤氧氣含量,促進(jìn)了根系呼吸,調(diào)節(jié)了作物根系的活性,還增加了土壤溫度,增加了土壤積溫,從而能夠協(xié)調(diào)水肥氣熱四因素間的關(guān)系,滿足作物正常生長發(fā)育,提高產(chǎn)量,改善品質(zhì).所以水肥氣熱耦合是協(xié)調(diào)和滿足枸杞正常生長發(fā)育和提質(zhì)增效的有機(jī)整體,在今后的研究中應(yīng)該重視.
增加土壤氧氣含量可以提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[17],而不同加氣方式優(yōu)缺點(diǎn)各異,且氧氣含量會隨時(shí)間發(fā)生變化[18].試驗(yàn)通過疏松土壤的方式改善土壤通氣量,方法較簡潔且可操作性強(qiáng),但是沒有定量控制,土壤通氣量會隨灌溉發(fā)生變化,所以定量控制作物根區(qū)土壤通氣量,也還需要進(jìn)一步連續(xù)地觀測.
1) 綜合考慮了水肥氣熱耦合對枸杞光合作用和產(chǎn)量的影響,土壤水肥氣熱綜合調(diào)節(jié)措施對枸杞光合作用和產(chǎn)量具有正效應(yīng).
2) 在枸杞生育期降雨量為135.1 mm、土壤為沙壤土和實(shí)施滴灌條件下,確定的適合當(dāng)?shù)罔坭降耐寥浪蕷鉄嶙顑?yōu)組合為A1B1C1D1,即土壤深耕,灌溉定額為4 815 m3/hm2,追肥量為高肥(純氮量1 395 kg/hm2,純磷量360 kg/hm2,純鉀量270 kg/hm2),覆PP無紡布增溫抑草.這個最優(yōu)組合產(chǎn)量可以達(dá)到9 281.55 kg/hm2,比對照增加25.37%,同時(shí)枸杞植株光合作用較強(qiáng),果實(shí)品質(zhì)較好.
研究結(jié)果為枸杞土壤水肥氣熱高效利用和提質(zhì)增效提供了理論依據(jù).