咸淡水交替灌溉对滨海垦区夏玉米生理生长的影响

朱成立 强 超 黄明逸 翟亚明 吕 雯

(1.南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室， 南京 210098；2.河海大学农业工程学院， 南京 210098)

0 引言

随着沿海地区经济的迅速发展，对土地资源的需求也日益增长。近年来，由于耕地占补平衡制度的推行，大量沿海滩涂被相继开垦用于农业生产，至今我国东部沿海滩涂围垦耕地面积已逾2 600 km2[1]，利用这一潜在的土地资源以扩大农业生产已经引起了全球关注。新围滨海垦区土壤盐分含量较高，土壤质量较差，对作物的生长及产量有较大影响[2]。此外，滨海围垦活动使得垦区从海洋系统向陆地系统转化[3]，因其地下水位浅、矿化度高，加之灌排管理不善等，极易发生土壤次生盐渍化。同时，水资源时空分布不均致使部分滨海地区经常发生季节性干旱。因此，淡水资源缺乏和不稳定性加剧了沿海农业水资源的供需矛盾，阻碍了沿海农业的发展。

滨海地区微咸水分布广，储量大，研究表明：利用微咸水灌溉可以有效解决淡水资源不足的问题，提高粮食产量[4-5]，但过多地利用微咸水进行灌溉，会增加土壤中的盐分，导致土壤退化，从而对土地资源的可持续利用产生不利的影响[6-7]。作物不同的生育期对土壤的耐盐程度不同，如果土壤含盐量超过了作物的耐盐程度，就会影响作物体内部分重要的代谢过程，包括光合作用、呼吸作用和植物体内酶活性等[8-10]。此外，盐分胁迫还通过增加活性氧物质对植物造成二次氧化应激，导致玉米叶片净光合速率降低，气孔导度减小，胞间CO2浓度增大[11]，植物体内活性氧含量及膜脂过氧化程度上升，抗氧化酶活性也随之升高，但随着胁迫的增强，活性氧消除速度低于活性氧产生速度，对植物细胞造成伤害，抑制植物生长[12]。因此，采用的微咸水灌溉方式以减轻盐分胁迫造成的植物损伤和减产至关重要。已有研究表明，微咸水与淡水交替灌溉是一种有效的方式[13-14]。咸淡水交替灌溉的重点在于选择作物耐盐生长阶段进行微咸水灌溉，而在作物盐分胁迫敏感阶段灌溉淡水。玉米作为对盐分中度敏感的作物[15]，是滨海地区的主要粮食作物之一，是用于研究盐分胁迫的良好材料。本文针对我国滨海垦区水土资源现状，采集具有区域代表性的垦区土壤，通过盆栽试验，研究不同矿化度微咸水灌溉模式下，夏玉米不同生育阶段对盐分胁迫的抗性，以确定适宜夏玉米生长的咸淡水交替灌溉模式，为滨海垦区水土资源农业可持续利用提供科学依据和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年6月23日—10月29日在河海大学节水园区节水与农业生态试验场中的大棚内进行，试验区地处北纬31°86′、东经118°60′，属亚热带湿润气候。

1.2 供试土壤基本性质

根据《国际制土壤质地分级标准》，供试土壤为滨海垦区粉砂质粘壤土，取自东南沿海的盐城市东川农场滨海垦区(北纬32°96′、东经120°87′)，与试验地点同属亚热带湿润气候，年平均气温与年降雨量相近。土壤基本物理性质如表1所示。

表1 供试土壤基本物理性质Tab.1 Basic physical properties of experimental soil

注：田间持水率以质量分数计。

1.3 试验设计

采用直径35 cm、高65 cm的圆桶进行夏玉米避雨盆栽试验，供试品种为当地广泛种植的苏玉29。每盆使用79.7 kg土壤，土壤经过室外风干后过2 mm筛，然后均匀地填充至60 cm高度，平均土壤容重为原农田实际土壤容重1.38 g/cm3。于桶的底部用电钻在四周钻出4个直径为2 cm的排水孔。玉米生长所需的肥料在播种前被均匀地混合到0～20 cm的土壤中。

以玉米不同生育期灌溉不同矿化度的微咸水为双因素进行完全试验，设置1个全生育期灌溉淡水(0.12 g/L NaCl)对照处理(CK)。玉米种子于2017年6月23日播种，结合往年试验及当地灌溉经验，根据作物耗水量将整个生育期划分为3个阶段:壮苗期(第3叶至第8叶期，19～41 d)、拔节抽雄期(第8叶至抽雄期，42～83 d)和灌浆成熟期(吐丝期至成熟期，84～129 d)，灌溉期同生育期[16-17]。本次试验共设置3种咸淡交替灌溉方式:①“咸淡淡”(BFF)指壮苗期灌溉微咸水，其他时期灌溉淡水。②“淡咸淡”(FBF)指拔节抽雄期灌溉微咸水，其他时期灌溉淡水。③“淡淡咸”(FFB)指灌浆成熟期灌溉微咸水，其他时期灌溉淡水，并设置整个生长季淡水灌溉的对照处理(CK)。微咸水矿化度设3种水平盐分含量(1、3、5 g/L)。共10个处理，每个处理3次重复，共计30个盆栽进行试验，具体灌溉方式见表2。

表2 咸淡水交替灌溉试验方案Tab.2 Experimental design for alternate irrigation with fresh and brackish water g/L

注：F代表淡水灌溉，数字代表不同矿化度的微咸水灌溉。

播种前采用淡水灌溉，使土壤含水率达到70%～80%的田间持水率，以保证出芽率及玉米幼苗的前期生长。每盆播种5颗玉米种子，5 d后全部出苗，在三叶期时定苗。不同矿化度微咸水均由NaCl配置而成。每隔3 d用便携式时域反射仪(TDR)监测土壤含水率(SWC)。将一对TDR探针分别水平放置在0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm、45～60 cm土壤隔室的中部，测定8个TDR探针平均土壤含水率，以确定是否需要灌溉。壮苗期土壤含水率控制在田间持水率的65%～80%，拔节抽雄期和灌浆成熟期土壤含水率控制在田间持水率的75%～90%，每次灌溉2.5 L水量，成熟期不再灌水，玉米在第128天后收获，具体灌溉制度见表3。

表3 各处理灌水定额Tab.3 Irrigation amount for each irrigation treatment L

注：#表示灌溉微咸水，其他为灌溉淡水，数字代表灌溉水量。

1.4 指标测定方法

(1)土壤含盐量

在最后一次灌水结束2 d后用土钻分层(0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm、45～60 cm)取土进行测量，土样经风干、充分研磨后过1 mm筛，采用土水体积比1∶5的方法配制和提取土壤饱和浸提液，用DS-307A型电导率仪测定土壤饱和浸提液的电导率(ECe)。

(2)光合作用交换参数

玉米出苗14 d后以及39 d(壮苗期灌水结束后)、63 d(拔节抽雄期灌水3次后)、81 d(拔节抽雄期灌水结束后)、108 d(灌浆成熟期灌水结束后)时在自上向下数第3个完全展开的叶片上，分别测定对照处理和3个微咸水盐分处理的玉米光合作用、氧化参数和抗氧化酶活性。在晴天观测日的09:00—11:00，采用TPS-2型便携式光合作用测定系统(PP，Systems,美国)在800 μmol/(m2·s)下测量各处理的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)。

图1 不同灌水处理各层土壤饱和浸滴液电导率Fig.1 Electrical conductivity of soil saturated extract in different soil layers with different irrigation treatments

(3)氧化参数和抗氧化酶活性

采用分光光度法测定玉米叶片中的过氧化氢(H2O2)含量[18]；TBA法测定丙二醛(MDA)含量[18]；NBT光化还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性，以抑制NBT光化还原50%为一个活力单位表示[19]；愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性，以光吸收增加0.001 min-1为一个酶活性单位来计算[20]；紫外吸收法测定过氧化氢酶(CAT)活性，以每分钟A240(240 nm处吸光度)减少0.1酶量为一个酶活性单位[20]。SOD、POD和CAT活性的测定结果按蛋白质含量以叶质量的U/g表示。

(4)生长指标及水分利用效率

在全生育期结束后，测定玉米株高和叶面积。株高采用卷尺测量植株自然状态下最高点至根茎部的垂直高度。叶面积采用LI-3000A型叶面积仪测定玉米的第2片展开叶。

作物蒸散量(ET)根据各生育期和整个季节盆内土壤水分平衡估算[21]。试验中无降水和径流，排水可忽略不计。土壤水分平衡方程为

ET=I+V(θi-θf)

(1)

式中I——时段内的总灌溉量，L

V——土壤体积，L

θi——TDR测量的初始土壤含水率，%

θf——TDR测量的最终土壤含水率，%

收集茎叶、洗涤过的根和玉米果实，先在105℃干燥箱中杀青2 h，后在65℃干燥箱中干燥至恒定质量。测定茎叶、根的质量以及籽粒产量。玉米的水分利用效率(WUE)计算为

WUE=W/ET

(2)

式中W——地上干物质量，g

1.5 数据分析

试验数据采用Excel 2003进行记录和整理，采用SPSS 20.0统计软件对不同灌溉水矿化度和不同咸淡水交替灌溉方式2个主效应进行方差分析，采用Origin 9.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 咸淡水交替灌溉对滨海垦区土壤盐分的影响

咸淡水交替灌溉对土壤盐分的影响如图1所示。土壤含盐量随灌溉水矿化度的增加而增加，0～15 cm、15～30 cm土层的土壤盐分增幅较大。FBF处理的上层土壤含盐量上升最为明显，其次是FFB处理，而BFF处理则较低。BFF5处理的电导率在玉米主根区(0～15 cm、15～30 cm)相比CK处理分别上升了18.4%和174.2%，FBF5处理为84.1%和323.6%，FFB5处理为52.2%和220.4%。

2.2 咸淡水交替灌溉对夏玉米叶片光合作用交换参数的影响

如表4所示，灌溉处理前，各处理夏玉米叶片净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)及气孔导度(Gs)均无明显差异。灌溉水矿化度对玉米各生育期光合作用交换参数(Pn、Ci、Gs)具有显著影响(P<0.01)。光合作用能力随着玉米的生长而增强，在拔节抽雄期达到峰值，在灌浆成熟期减弱。由图2可以看出，随着矿化度的增加，全生育期的Pn、Gs呈逐渐减小趋势。BFF和FFB处理中，玉米的Ci在灌溉0.12、1、3 g/L微咸水时下降，在灌溉5 g/L微咸水时上升，FBF处理玉米的Ci在第63天时规律与前者相同，而在第81天时则在灌溉0.12、1 g/L微咸水时下降，在灌溉3、5 g/L微咸水时上升。相同矿化度微咸水灌溉下，灌溉时期对光合作用交换参数影响由大到小表现为FBF、BFF、FFB。

表4 灌溉方式与微咸水矿化度对各参数影响的相关系数Tab.4 Correlation coefficient between irrigation method and salinity of brackish water on each parameter

注：*** 表示在P<0.001水平上显著，** 表示在P<0.01水平上显著，*表示在P<0.05水平上显著。

图2 不同灌水处理下光合作用参数变化Fig.2 Changes of photosynthetic parameters under different irrigation treatments

与全生育期淡水灌溉处理(CK)相比，在第108天时FFB1的Pn降低幅度最小，为2.14%，第81天FBF5降低幅度最大为52.69%。FFB1处理Gs降低幅度最小，为11.17%，FBF5同样在第81天降低幅度最大，为54.42%。玉米叶片中的Ci在高盐胁迫下有明显的上升趋势，BFF5、FBF5、FFB5的Ci均高于CK，其中FBF5在第81天时上升幅度最大，为19.44%，FFB5上升幅度最小，为1.38%。在灌溉微咸水水量相同的情况下(39 d与63 d)，63 d玉米光合作用参数相较CK变化幅度均小于39 d，尽管FFB处理在第108天已经灌溉了4次微咸水，但其相对CK变化幅度仍小于其他处理。

2.3 咸淡水交替灌溉对夏玉米叶片氧化参数和抗氧化酶活性的影响

灌溉不同矿化度微咸水对玉米的H2O2、MDA含量和抗氧化酶活性有显著影响(P<0.05),不同微咸水处理下夏玉米叶片氧化参数变化如图3所示。在对照处理(CK)中，玉米叶片中H2O2含量整个生育期呈下降趋势，MDA含量整个生育期呈上升趋势。相同灌溉方式下，玉米中的H2O2含量和MDA含量随着灌溉水矿化度增大而增大，且均在FBF5处理第81天达到最大值，分别高出同时期CK处理的82.56%和76.01%。相同矿化度不同灌溉方式下，灌溉微咸水玉米叶片中H2O2和MDA含量增幅由大到小表现为FBF、BFF、FFB。其中FFB与CK的H2O2含量以及FFB1、FFB3与CK的MDA含量差异不显著(P>0.05)。

图3 不同灌水处理下玉米叶片氧化参数变化Fig.3 Changes of oxidation parameters of maize leaves under different irrigation treatments

图4 不同灌水处理下玉米叶片抗氧化酶活性变化Fig.4 Changes of antioxidant enzyme activities in maize leaves under different irrigation treatments

夏玉米不同生育期灌溉水矿化度对抗氧化酶活性的影响如图4所示，玉米叶片中SOD和CAT活性均在FBF处理第81天达到峰值，在灌浆成熟期减弱，而POD活性在整个生育期呈上升趋势。相同灌溉方式下，抗氧化酶活性随着灌溉水矿化度增大而增大，且灌浆成熟期比壮苗期和拔节抽雄期增长更为明显。FBF5处理存在对部分酶活性的限制，相比FBF3处理，POD活性以及CAT活性在第81天分别下降了11.27%和22.42%，但两者仍比同时期CK处理的酶活性高出37.67%和13.71%。

2.4 咸淡水交替灌溉对夏玉米生长和产量的影响

表5表明，不同灌溉方式下夏玉米的株高、叶面积、地上干物质量、籽粒产量以及水分利用效率均随灌溉水矿化度增加而降低。对照处理和灌溉1 g/L微咸水处理株高、叶面积等无显著差异。FFB处理株高、叶面积以及地上干物质量与同矿化度下其他处理相比较高，但随着灌溉水矿化度增加，FFB处理籽粒产量下降幅度大于BFF的处理。FBF处理各项参数减少幅度最大，其中FBF5处理的各收获参数均为所有处理中的最小值，水分利用效率相比CK减小了38.04%。相同矿化度微咸水灌溉下，水分利用效率由高到低为FFB、BFF、FBF。

表5 不同处理对夏玉米生长指标、产量及水分利用效率的影响Tab.5 Effects of different treatments on growth, yield and water use efficiency of summer maize

注：数据为平均值±标准差，同一列数据后不同小写字母表明不同矿化度处理下差异显著(P<0.05)。

3 讨论

微咸水灌溉会增加土壤中盐分累积，对土壤性质和作物生长产生不利影响，通过咸淡水交替灌溉则能有效降低土壤中灌溉水带来的盐分[22]。本研究发现，BFF处理上层土壤盐分累积较少，这可能是后期的淡水灌溉使土壤中的盐分向下层聚集。FBF和FFB处理的土壤盐分积累更为明显，FFB处理由于后期没有淡水淋洗，导致土壤盐分累积较高，尽管FBF处理最后阶段使用淡水灌溉，但上层仍有更多的盐分累积，这可能与土壤前期盐分积累，入渗能力下降有关，导致淡水灌溉时，盐分向下运移受到阻碍[23]。因此FBF和FFB处理在下一轮种植前仍需采用淡水灌溉进行淋洗，以保证土地的可持续利用。

光合作用是作物物质积累的重要方式，也是作物产量形成的基础，其对环境胁迫的变化较为敏感，可有效地评价作物对环境胁迫的抗性[24]。微咸水灌溉处理的夏玉米叶片光合作用受气孔因素和非气孔因素的影响，Ci的变化可以作为区分光合速率降低是气孔还是非气孔因素的主要依据[25-26]。其中气孔限制在低浓度微咸水灌溉处理和FFB处理中比较显著，随着灌溉水矿化度的增加，Pn逐渐下降，Gs也随之下降，与Ci变化趋势一致，说明气孔关闭限制了玉米叶片的光合作用能力，主根区的盐分累积导致作物渗透失衡，引发气孔反应，阻碍CO2进入叶绿体内，降低了CO2的可用性[27]。而在BFF和FBF灌溉高矿化度微咸水的处理中，尽管出现了Pn和Gs大幅下降，但伴随着Ci的上升，说明是非气孔因素引起光合作用的大幅减小，导致Pn的降低，这可能与高盐条件下叶绿素的降解有关[28]。灌溉水量相同时，BFF处理各光合作用交换参数相对于CK的变化幅度均大于FBF，说明夏玉米在壮苗期灌溉微咸水相较拔节抽雄期灌溉微咸水更为敏感，但是由于拔节抽雄期作物需水量较大导致灌水量较大，以及夏玉米主根区逐渐延伸至高含盐量土层，盐分胁迫加剧[29]，导致最终在第81天时FBF的处理对光合作用的抑制更为明显。

氧化胁迫是盐胁迫的重要组成部分，它严重破坏作物正常的细胞代谢[30]。盐胁迫限制了作物体内的卡尔文循环，使叶绿体承受过多的激发能，激发能在叶绿素分子之间传递时易形成3Chl，与O2反应生成单线态氧(1O2)[31-32]，从而增加了活性氧的产生，进而导致光合作用抑制、氧化损伤和植物生长受阻[28,33]。植物体内的过氧化氢(H2O2)含量和丙二醛(MDA)含量通常被视作评估氧化损伤程度的指标。本文通过分析玉米叶片中氧化应激指标进一步探究滨海垦区夏玉米对咸淡水交替灌溉的响应。在本试验中，两个氧化参数随着灌溉水矿化度上升而上升，同矿化度微咸水灌溉下FBF处理在第81天时H2O2和MDA的含量最大且增幅最高，说明夏玉米此时受到的氧化胁迫最为严重。FFB处理的氧化参数增幅较小，这可能与氧化损伤的减轻或酶系统的发育完全有关[11]。在盐胁迫下，玉米体内活性氧代谢失调，包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)等内源活性氧清除剂构成的酶保护系统被激活，以减缓胁迫对玉米造成的危害，随着酶系统的逐渐发育完善这种趋势在拔节抽雄期和灌浆成熟期灌溉微咸水的处理更加明显。然而，在FBF5的处理中，POD和CAT的酶活性有下降趋势，可能是因为过量的盐分胁迫引起的离子毒害破坏了酶结构和蛋白质的合成[11]。这些氧化应激指标再次反映了夏玉米在壮苗期对盐分胁迫最为敏感，但拔节抽雄期灌溉高矿化度微咸水受到的损伤最大。

灌溉微咸水导致水分利用效率下降主要是由于其抑制了光合作用，减少了生物量。玉米壮苗期对盐分胁迫最为敏感，但BFF处理能够比FBF处理获得更高的产量，可能是由于后续淡水灌溉减轻了负面影响。相同矿化度微咸水灌溉下，FBF的处理生物量最小，在这个时期，灌溉微咸水量较大，更高的盐胁迫导致光合作用降低幅度更大，玉米生长受到抑制。FFB处理中，尽管株高、叶面积、地上干物质量大于FBF，但玉米籽粒质量随着矿化度的上升而下降的幅度大于BFF，可能是由于这个时期盐胁迫下籽粒发育中的库限制和酸性转化酶活性降低[33]。然而，这个时期灌溉微咸水生物量的损失是同矿化度处理下最小的，表现出更高的水分利用效率。

4 结束语

以滨海垦区夏玉米为研究对象，进行了不同矿化度咸淡水交替灌溉对土壤盐分含量、玉米光合作用交换参数、氧化参数、抗氧化酶活性、生长指标和水分利用效率的影响试验。结果表明，壮苗期夏玉米对微咸水灌溉土壤表层积盐较少，虽然此时玉米对盐分胁迫最为敏感，但是由于拔节抽雄期需水量较大，灌溉微咸水造成的土壤盐分累积更高，盐分胁迫更强，光合作用能力下降最显著，水分利用效率最低。相较而言，灌浆成熟期灌溉微咸水对光合作用抑制较小，氧化损伤较低，且随着酶系统的发育完善，抗氧化酶活性在遭受盐胁迫时上升幅度也有所提高。结合试验结果分析，在滨海垦区采用微咸水灌溉夏玉米，可在壮苗期采用较低矿化度的微咸水进行灌溉，而较高矿化度的微咸水仅适合在灌浆成熟期进行，在拔节抽雄期仅适合使用淡水进行灌溉，同时需要通过非生育期降雨或灌溉淋洗以降低土壤次生盐碱化的风险。