不同灌溉水源加磁对生菜生长品质及水分利用效率的影响

王丽学 ，王晓帆 ，，张钟莉莉 ，吴 勇 ，钟永红 ，于景鑫

（1.沈阳农业大学 水利学院，沈阳110161；2.北京农业信息技术研究中心，北京100097；3.全国农业技术推广服务中心，北京100125）

我国是一个水资源短缺国家，日益严峻的水资源问题已成为我国社会经济可持续发展中一个亟待解决的难点[1]。2018年中国水资源公报显示，农业用水3693．1亿m3，占全国用水总量的61．4%。在此形势下，发展农业节水，是缓解水资源短缺，建设现代化农业的关键举措[2]。有研究表明，水通过磁场可以被磁化，成为磁化水[3-5]。经磁场处理的水性能发生变化，如电导率（EC）、pH、溶解氧（DO）增大，表面张力降低等[6-8]。对磁化水的研究始于20世纪40年代，前期主要用于工业中的锅炉防垢。1945年，VERMEIREN[9]首先发现磁化水能抑制水垢的形成，并获得专利，磁化水引起更多学者的关注。目前研究领域主要涉及工业、农业、医学、畜牧业等[10-12]。磁化水灌溉促进植物生长，提高作物产量和水分利用效率[13-15]。朱练峰等[16]通过大田试验研究表明，磁化水灌溉的水稻较未磁化水灌溉的产量和品质显著提高。张佳等[17]研究表明，磁化水灌溉明显提高番茄株高、茎粗和植株干物质量。但邱念伟等[18]研究表明，磁化水灌溉对小麦幼苗生长无明显的生物学效应。磁化水灌溉对作物产量和品质的影响机理，一方面可能是在磁化处理下，水分子部分氢键断裂，增大溶解氧含量，促进作物根系发育；另一方面磁化处理提高了水中盐类离解度，有利于作物对养分的吸收，进而提高产量和品质[19-20]。目前磁化水灌溉在农业生产中的研究，水源主要以淡水为主，但磁化处理是直接对水产生改变效应，对不同水源影响效应不同。随着农业对非常规水资源的开发利用，有必要研究磁化处理对不同灌溉水源的影响效应。此外，目前研究作物主要为豆类、水稻、小麦等，近年来对设施蔬菜，例如番茄、黄瓜的研究逐步增多，对叶菜类蔬菜研究较少，生菜是叶菜类蔬菜的典型代表，营养含量丰富，种植规模迅速增长。基于此，本研究通过日光温室盆栽试验研究不同灌溉水源加磁灌溉对生菜生长发育和水分利用效率的影响，以期为磁化水处理技术在农业节水方面的推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2018年11月至2019年1月在国家精准农业研究基地日光温室内进行，试验期温室平均温度13．30℃，平均湿度68．25%。土壤取自基地农田0～20cm的土层，自然风干后粉碎过2mm筛。试验所用塑料盆内径28cm，盆高 23cm。 每盆装有 10kg风干土，施用尿素 1．96g（含 N46%）、磷酸二胺 1．91g（含 N12%，P2O542%）、硫酸钾 1．92g（含 K2O 52%），并与土壤拌和均匀。盆栽土土壤全氮 1．39g·kg-1，铵态氮 16．60mg·kg-1，硝态氮 45．80mg·kg-1，有效磷 36．40mg·kg-1，速效钾 158mg·kg-1，田间持水量 30．59%（体积百分率），土壤容重1．44g·cm-3。供试对象为意大利生菜（Lactuca sativa L），淡水取自日光温室水管中，再生水采用北京碧水再生水厂处理的二级出水，执行标准为DB11890-2012[21]，微咸水（矿化度 2．46g·L-1）通过向淡水按照 2g·L-1的标准添加分析纯氯化钠制备。磁化设备采用上海宣通公司生产的ZK型磁化器，磁化器形成静态梯度磁场，当灌溉水以垂直方向流经该磁场时，水分子产生共振，形成磁化水。灌溉时，采用50L水桶供应灌溉水，额定功率750W增压泵增压，使得管道压力为0．30MPa，灌溉水以 2．2m3·h-1的流量通过磁化器，制得磁化水，为保证磁化效果，磁化时间为5min，磁化水设备示意图如图1。

图1 磁化水设备示意图Figure 1 Layout of magnetized water device

1.2 试验设计

试验设置磁化（M）和灌溉水源（T）2个因素，采用随机区组设计。磁化设置未磁化处理（M0，做对照组）和磁化处理（M1）2 个水平，灌溉水源设置淡水（T1）、再生水（T2）、微咸水（T3）3 个水平，共 6 个处理组合，分别为淡水灌溉 （M0T1）、再生水灌溉 （M0T2）、微咸水灌溉（M0T3）、淡水加磁灌溉 （M1T1）、再生水加磁灌溉（M1T2）、微咸水加磁灌溉（M1T3），每个处理 3 次重复。2018年11月24日，选用长势相同的六叶一心期生菜定植，每盆1株。设置田间持水量的80%和95%分别为灌水上下限，通过称重法计算盆栽的土壤含水量，当土壤含水量降低到灌水下限时，进行灌水使土壤含水量达到灌水上限，不同处理的灌水量如表1。

表1 不同处理下的灌水量Table 1 The amount of irrigation water under different treatments L·盆-1

1.3 项目测定与分析方法

1.3.1 水质测定 在室温 （20±2℃）条件下测定灌溉水的电导率、pH和溶解氧含量，电导率测定采用雷磁DDSJ-308F型电导率仪，pH和溶解氧测定采用连接PHC301，LDO101传感器的哈希HQ40d便携式测定仪。

1.3.2 生菜生长形态指标动态 每7d用直尺测量生菜株高（茎基部到最高点距离）、株幅、叶长、叶宽，其中株幅十字向测定两次取平均值，叶长和叶宽所测叶片为植株最大叶片。

1.3.3 生菜产量和干物质 生菜收获后先用电子秤称量地上部和地下部的鲜重，地上部鲜重即为生菜产量，然后在105℃干燥箱中杀青15min，60℃干燥至质量恒定后测定其干重。

1.3.4 耗水量和水分利用效率计算 每日早上8∶00采用电子秤测定塑料盆重量，按照灌水上下限进行灌水，记录数据，次日同一时间称重，两者差值为日耗水量（若有灌水，日耗水量为当日塑料盆重量加灌水量与次日重量差值），水分利用效率（WUE）=生菜产量/全生育期耗水量。

1.3.5 品质测定 可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝染色法，维生素C含量测定采用钼蓝比色法[22]；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法，硝酸盐含量测定采用分光光度法[23]。

1.4 数据分析

数据处理采用Microsoft Excel 2010，图表绘制采用origin2017软件，统计分析采用DPS7．05软件，多重比较采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 磁化处理对不同灌溉水源水质的影响

由表2可知，淡水、再生水和微咸水磁化处理后的EC 分别提高 2．15%、1．74%和 0．69%，但差异不显著。磁化处理和灌溉水源对pH和DO含量影响极显著，两者间交互作用不显著。淡水加磁处理后，pH和DO含量较对照分别显著提高7．06%和10．56%；再生水加磁处理后，pH和 DO含量较对照分别显著提高 5．70%和9．85%；微咸水加磁处理后，pH和DO含量较对照分别显著提高6．61%和10．29%。磁化处理后DO含量的显著提高，表明磁化处理可以改善灌溉水质。

2.2 磁化处理和不同灌溉水源对生菜生长形态的影响

由表3可知，不同灌溉水源加磁对生菜生长形态的影响表现不同，磁化处理对生菜株高、株幅和叶长影响显著，灌溉水源对生菜株高、株幅、叶长和叶宽影响极显著，但其交互作用影响不显著。淡水加磁灌溉的生菜株高、株幅、叶长较对照分别显著提高8.41%、8.65%、6.99%；再生水加磁灌溉的生菜株高、株幅较对照分别显著提高7.16%、8.66%，对叶长无显著影响；微咸水加磁灌溉的生菜株高、株幅、叶长较对照无显著影响。不同灌溉水源加磁灌溉对叶宽均无显著影响。加磁灌溉和未加磁灌溉下，生菜株高、株幅、叶宽均呈现淡水灌溉下最大，再生水灌溉居中，微咸水灌溉下最小，微咸水灌溉较淡水和再生水灌溉的生菜株高、叶长、叶宽显著降低，其中未加磁灌溉下，微咸水灌溉较淡水灌溉的株高、株幅、叶长、叶宽分别显著降低 7.38%、5.83%、10.94%、10.56%，较再生水灌溉的株高、叶长、叶宽分别显著降低和6.77%、13.27%、8.44%；加磁灌溉下，微咸水灌溉较淡水和再生水灌溉的株高、株幅、叶长、叶宽分别显著降低12.06%、9.14%、11.96%、11.39%和10.45%、6.83%、10.49%、8.93%，且加磁灌溉和未加磁灌溉下，淡水和再生水灌溉对株高、株幅、叶长、叶宽的影响无显著差异。由图2可知，不同处理下生菜生长形态指标变化趋势一致，生菜株高增长速率随定植时间的增长有增大的趋势，生菜株幅、叶长和叶宽在定植40d后增速减小。所有处理中，淡水加磁灌溉的生菜株高、株幅、叶长和叶宽平均增长速率均最大，分别为 2.58，3.95，1.98，1.94mm·d-1，较对照分别增大 0.36，0.59，0.28，0.13mm·d-1。微咸水灌溉的生菜株高、株幅、叶长和叶宽平均增长速率最小，分别为1.74，2.98，1.20，1.31mm·d-1，较淡水加磁灌溉分别降低32.56%、24.54%、39.39%和32.47%。

表2 磁化处理对不同灌溉水源EC、pH、DO含量的影响Table 2 Effects of magnetization treatment on EC,pH and DO contents of different irrigation water sources

表3 不同处理下生菜生长形态指标Table 3 Growth morphology parameters of lettuce under different treatments/cm

图2 不同处理下生菜生长动态Figure 2 Lettuce growth dynamics under different treatments

2.3 磁化处理和不同灌溉水源对产量的影响

由表4可知，磁化处理对生菜地上部和地下部的生物量影响显著，灌溉水源对生菜地上部鲜重干重影响显著，两者对生菜生物量的交互作用影响不显著。淡水加磁灌溉后，生菜地上部鲜重、地下部鲜重、地上部干重和地下部干重较对照分别显著提高9．75%、14．85%、8．65%和36．31%；再生水加磁灌溉后，生菜地上部鲜重、地下部鲜重和地下部干重分别显著提高7．47%、15．62%和24．58%；微咸水加磁灌溉后的生菜地上部鲜重、地下部鲜重、地下部干重较对照无显著影响。加磁灌溉和未加磁灌溉下，生菜地上部鲜重、地下部鲜重影响也呈现淡水灌溉下最大，再生水灌溉居中，微咸水灌溉下最小，微咸水灌溉较淡水和再生水灌溉的生菜地上部鲜重、地下部鲜重显著降低。未加磁灌溉下，微咸水灌溉的生菜地上部鲜重、干重较淡水和再生水灌溉分别显著降低16．21%、14．77%和 15．06%、11．72%；加磁灌溉下，微咸水灌溉的生菜地上部鲜重、干重较淡水和再生水灌溉分别显著降低 20．24%、18．64%和 17．43%、14．20%。

2.4 磁化处理和不同灌溉水源对耗水量及水分利用效率的影响

由表4可知，淡水、再生水和微咸水加磁灌溉的耗水量较对照降低，但无显著差异。未加磁灌溉下，微咸水灌溉的耗水量较淡水和再生水灌溉分别显著降低8．40%和5．73%，淡水灌溉和再生水灌溉的耗水量无显著差异；加磁灌溉下，微咸水灌溉的耗水量较淡水和再生水灌溉分别显著降低7．66%和5．48%，淡水灌溉和再生水灌溉无显著差异。淡水和再生水加磁灌溉后，水分利用效率较对照分别显著提高12．04%和9．16%，微咸水加磁灌溉对水分利用效率有所提高，但影响不显著。未加磁灌溉下，微咸水灌溉的水分利用效率较淡水灌溉和再生水灌溉分别显著降低8．47%和9．76%；加磁灌溉下，微咸水灌溉的水分利用效率较淡水灌溉和再生水灌溉分别显著降低 13．75%和 12．72%。

表4 不同处理对生菜产量、耗水量和水分利用效率的影响Table 4 Effects of different treatments on lettuce yield,water consumption and WUE

2.5 磁化处理和不同灌溉水源对生菜品质的影响

由表5可知，淡水和再生水加磁灌溉的生菜可溶性蛋白含量、可溶性糖含量和维生素C含量较对照均显著提高，其中淡水加磁灌溉较对照分别显著提高19．01%、24．65%和30．57%；再生水加磁灌溉较对照分别显著提高28．04%、28．57%和16．14%。微咸水加磁灌溉的生菜可溶性糖含量和维生素C含量较对照分别显著提高17．33%和11．34%，对可溶性蛋白含量影响不显著。淡水、再生水和微咸水加磁灌溉的硝酸盐含量较对照差异不显著，再生水灌溉的生菜硝酸盐含量最高，较硝酸盐含量最小的处理显著提高20．08%。淡水加磁灌溉的可溶性蛋白、维生素C含量在所有处理中最高，硝酸盐含量最低，表明淡水加磁灌溉的生菜品质最优。

表5 不同处理下生菜可溶性蛋白、可溶性糖、维生素C和硝酸盐含量Table 5 Contents of soluble protein,soluble sugar,vitamin C and nitrate in lettuce under different treatments mg·kg-1

3 讨论与结论

水分是影响作物生长发育的一项重要因素，不同灌溉水质可能对作物生长生理活动产生不同的影响[24]。本研究结果发现，淡水、再生水和微咸水经磁化处理后，pH和DO含量均显著提高，这与前人的研究结果一致[6]，SELIM等[25]研究表明，自来水加磁灌溉后显著提高番茄、小麦和豌豆的株高，这与本研究结果类似。淡水和再生水加磁灌溉后，除再生水加磁灌溉对生菜地上部干重影响不显著外，生菜地上部、地下部的鲜重和干重均显著提高，表明淡水和再生水加磁灌溉后，促进生菜根系生长，进而提高地上部分生长发育和产量。而微咸水加磁灌溉后，生菜形态指标，地上部、地下部的鲜重和干重无显著差异。SURENDRAN等[26]研究表明，0．5g·L-1和1．0g·L-1微咸水加磁灌溉后，牛豌豆的株高、地上部、地下部干重和产量显著提高，但2．0g·L-1微咸水加磁灌溉后，牛豌豆的株高、地上部、地下部干重和产量无显著差异，这与本研究结果类似。彭遥等[27]研究表明，微咸水加磁灌溉显著提高棉花生物量及产量。棉花耐盐性高，生菜是中等耐盐蔬菜[28]，从定植后即施加处理，可能是微咸水灌溉对生菜产生了较严重的盐胁迫，导致微咸水加磁灌溉对生菜生长的影响不显著。本研究发现磁化处理对耗水量影响不显著，加磁灌溉后水分利用效率的提高主要是通过产量的提高带来的。在未加磁与加磁灌溉下，微咸水灌溉较淡水灌溉耗水量显著降低，但同时水分利用效率显著降低，这与MAHESHWARI等[29]研究结果一致。淡水和再生水加磁灌溉的水分利用效率较对照显著提高，这对发展节水农业具有重要意义。王洪波等[30-31]研究表明磁化水滴灌较未磁化水灌溉，可以提高甜菜块根可溶性糖、蛋白质与氨基酸含量，还提高了玉米的可溶性糖、蛋白和淀粉含量。ELAOUD等[32]通过不同比例的淡水和农业排水交替滴灌研究发现，磁化水滴灌可以显著提高番茄产量，维生素C和可溶性固形物含量。不同水源加磁灌溉较对照对生菜硝酸盐含量影响不显著，再生水灌溉下的生菜硝酸盐含量较淡水和微咸水灌溉显著提高，但符合国家标准。可能是再生水灌溉后的土壤全氮富集，继而导致植物体内硝酸盐含量的提高[33]。本研究中，没有对再生水灌溉的生菜重金属残留进行检测，其安全性有待进一步研究。磁化水可以提高生菜产量，改善品质，一方面因为磁化水中溶解氧含量的提高，有利于根系发育，促进了对土壤养分的吸收，另一方面可能是磁化水具有更强的渗透能力，直接影响植物离子通道作用，有利于水分在植物体内的运输，促进新陈代谢，增加了地上部生物量和营养物质的累积[34]。

磁化处理可以提高灌溉水的pH和溶解氧含量，淡水和再生水加磁灌溉促进生菜生长，提高水分利用效率，生菜产量及水分利用效率较对照分别显著提高9．75%、12．04%和7．47%、9．16%。微咸水加磁灌溉较对照相比，产量及水分利用效率无显著差异。不同灌溉水源加磁显著提高生菜可溶性蛋白、可溶性糖和维生素C含量，淡水和再生水加磁灌溉对生菜生长品质和水分利用效率的效果优于微咸水加磁灌溉。整体来看，淡水加磁灌溉处理下，生菜生长和品质最优。