作物生理特性对微咸水-再生水混灌的响应研究

刘春成，崔丙健，胡 超，吴海卿，马欢欢，马 天，高 峰

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡453002；2.中国农业科学院研究生院，北京100081；3.中国农业科学院河南新乡农业水土环境野外科学观测试验站农业水资源高效安全利用重点开放实验室，河南新乡453000）

0 引 言

我国水资源十分短缺，人均水资源量不足世界平均水平的1/3[1]，且时空分布不均。我国农业用水占总用水量的60%以上，但是我国水资源时空分布与耕地资源的不匹配性使得北方地区农业用水难以得到满足，严重制约了我国农业的可持续发展。2017年水利部文件《水利部关于非常规水源纳入水资源统一配置的指导意见》明确指出，将再生水、微咸水等非常规水源纳入水资源统一配置。根据九部委联合发布的《全民节水行动》，要求到2020年缺水城市再生水利用率达到20%以上，京津冀区域达到30%以上。这远低于国外一些国家再生水利用率（达70%以上）。因此，合理利用微咸水、再生水等非常规水资源对缓解淡水资源的短缺和保障农业可持续发展具有重要的意义。

近年来，国内外对再生水和微咸水进行了大量研究。再生水利用研究主要涉及再生水灌溉对作物生长[2−5]及品质[6−8]和土壤环境的影响[4,9,10]、再生水灌溉对土壤微生物群落结构的影响[11]、再生水灌溉对地下水的影响[12,13]、再生水适宜灌水技术[14−16]等。微咸水利用主要从微咸水矿化度、灌溉土壤质地、适宜作物以及田间管理等方面进行了大量的实践研究，并逐步形成了较为完整的技术体系。综上，目前微咸水和再生水灌溉研究多是单独研究微咸水灌溉或是再生水灌溉对土壤性质、作物生长发育以及适宜作物类型等方面，二者组合灌溉相关方面的研究鲜见报道。为此，本研究通过盆栽试验，设置不同比例微咸水与再生水混合灌溉，探索微咸水与再生水混灌对上海青生理指标的影响，以期为淡水资源匮乏地区微咸水与再生水的合理安全利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤取自河南省新乡市七里营试验基地大田耕层0～20 cm，土壤经风干、碾碎、过筛（2 mm）后备用。土壤容重为1.40 g/cm3，土壤田间质量持水率为23.02%，1∶5 土水比土壤浸提液电导率为372 μS/cm，有机质质量分数为2.66%。采用BT−9300HT 型激光粒度仪对土样颗粒分析，黏粒（<0.002 mm）、粉粒（0.002～0.02 mm）和砂粒（0.02～2 mm）占比分别为13.05%、62.46%和24.49%，土壤质地属于粉壤土（国际制）。

1.2 试验装置与方案

试验于2020年5−6月在中国农业科学院新乡农业水土环境野外科学观测试验站温室大棚进行。该站地处北纬35°19'，东经113°53'，海拔73.2 m，年均气温为14.1 ℃，多年平均年降水量和蒸发量分别为588 mm 和2 000 mm，无霜期为210 d，多年平均年日照时间为2 398 h。

试验采用盆栽试验，供试用盆的规格为上口径25 cm，下口径14.5 cm，高19 cm；每盆装土7 kg，所有处理均施复合肥（N−P2O5−K2O 比例为15−15−15）且全部作为基肥施入，施肥量为1 g/kg。供试作物为绿秀青梗菜（Pakchoi，俗称上海青），播种前所有处理均灌清水造墒。于2020年5月27日播种，每盆均匀撒播，待两叶一心时（6月11日）每盆定植5 棵幼苗，并开始不同水源灌水处理，前期每隔1 d 灌1 次，每次灌水量为400 mL，后期随着作物需水量的增大每天灌1 次水，灌水量为400 mL。试验中微咸水与再生水混合比例设4 个水平，即再生水、微咸水−再生水1∶2、微咸水−再生水1∶1、微咸水；微咸水矿化度为5 g/L；并以清水灌溉种植作物与裸地灌溉为对照组。具体试验设计见表1，微咸水、再生水水质情况见表2。试验用再生水取自河南省新乡市骆驼湾生活污水处理厂，该污水处理厂采用的工艺为A/O处理，污水处理后水质符合《农田灌溉水质标准》（GB5084−2005），清水取自当地地下水，微咸水通过向清水里面添加海盐进行配制。

表1 试验设计Tab.1 Experimental design

表2 再生水、微咸水、清水水质Tab.2 Quality of reclaimed water，brackish water and tap water for experiment

1.3 测定指标与方法

（1）土壤水盐含量。收获（6月28日）后取土样，采用烘干法测定土壤含水率；同时对土壤样品风干、磨碎、过筛（2 mm），采用电导率仪测定土壤浸提液电导率EC1∶5（土水比1∶5）。

（2）作物生长指标。收获（6月28日）后，将地上部、地下部分开后，用蒸馏水冲洗干净并晾干，用天平称量计算地上部和地下部鲜质量，然后105 ℃杀青15 min 后于75 ℃烘至恒重，用天平称量计算地上部和地下部干质量。

（3）作物生理指标。收获后，于6月29日−6月30日采用植物叶绿素含量检测试剂盒(索莱宝，北京)测定植物叶绿素含量；采用考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白质含量；采用紫外吸收法测定植物CAT 活性，氮蓝四唑光化还原法测定植物超氧化物歧化酶（SOD）活性，愈创木酚法测定植物过氧化物酶（POD）活性，采用硫代巴比妥酸法测定植物丙二醛（MDA）含量。

1.4 数据分析

采用Excel 2010 软件整理试验数据，SPSS 25.0 软件进行单变量方差分析，采用最小显著差异法（Least significant difference method，LSD）进行显著性检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 微咸水与再生水混灌对土壤水盐的影响

上海青收获后，不同微咸水与再生水混灌处理土壤含水率和EC1∶5的变化如图1所示。

从图1可以看出，对于土壤含水率而言，较CK 相比，T1处理土壤含水率略有升高，增幅为10.31%但差异不显著（P>0.05）；随着灌溉水中微咸水比重的提高，土壤含水率逐渐升高，其中T1、T2 与CK 间土壤含水率差异不显著，但T3 和T4处理土壤含水率较CK 显著提高了51.98% 和87.07% （P<0.05）。对于土壤含盐量而言，上海青收获后不同比例微咸水与再生水混合灌溉处理土壤EC1∶5均显著高于CK，且处理间差异显著（P<0.05）。

图1 上海青收获后不同处理下土壤水盐变化Fig.1 Variations of soil water and salt content after mixed irrigation with brackish water and reclaimed water

2.2 微咸水与再生水混灌对上海青生物量的影响

不同微咸水与再生水混灌后上海青地上部和地下部生物量（鲜重和干重）的变化如图2所示。

图2 不同微咸水与再生水混灌下上海青生物量的变化Fig.2 Variations of biomass of Pakchoi after mixed irrigation with brackish water and reclaimed water

从图2可以看出，对于上海青地上部而言，较CK 相比，T1 处理上海青鲜重降低了0.50%，干重升高了5.64%，但均无显著性差异，说明再生水灌溉不会显著降低作物产量。此外，总体上，微咸水−再生水混合液中微咸水占比越高，地上部生物量（鲜重和干重）越低；与T1 相比，T2、T3、T4 处理上海青鲜重和干重均显著降低（P<0.05），降幅分别为40.14%～52.10%和28.21%～41.96%。对于上海青地下部而言，较CK 相比，T1 处理鲜重降低了4.80%，干重提高了17.14%，但均无显著差异（P>0.05），且随着微咸水−再生水混合液中微咸水比重的升高，鲜重和干重亦无显著差异。可见，微咸水与再生水混灌对上海青地下部生物量无显著影响。

2.3 微咸水与再生水混灌对上海青生理指标的影响

2.3.1 叶绿素

不同比例微咸水与再生水混灌后上海青叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量的变化情况如图3所示。

从图3可以看出，叶绿素a、叶绿素b 和叶绿素总量处理间均差异不显著，且其变化趋势一致，即T1 处理较CK 略高3.97%、5.61%和4.47%；与T1 相比，T2 处理叶绿素a、叶绿素b 和叶绿素总量分别降低7.63%、13.99%和9.61%，T3 处理分别降低7.85%、12.73%和9.37%，T4 处理分别降低5.15%、9.28%和6.43%。可见，微咸水−再生水混灌处理对上海青叶绿素含量没有显著影响。

图3 微咸水与再生水混灌后上海青叶绿素含量的变化Fig.3 Variations of chlorophyll contents of Pakchoi under mixed irrigation with brackish water and reclaimed water

2.3.2 可溶性蛋白含量

不同微比例咸水与再生水混灌后上海青可溶性蛋白含量的变化情况如图4所示。

图4 微咸水与再生水混灌后上海青可溶性蛋白含量的变化Fig.4 Variation of soluble protein content of Pakchoi after mixed irrigation with brackish water and reclaimed water

从图4可看出，T1 处理上海青可溶性蛋白含量较CK 略微降低了0.88%。与T1 相比，T2 处理可溶性蛋白含量降低了1.51%，T3 和T4 则分别升高了3.48%和2.79%。总体上，微咸水−再生水混灌处理对上海青可溶性蛋白含量没有显著影响。

2.3.3 丙二醛（MDA）含量

不同比例微咸水与再生水混灌后上海青MDA 含量的变化情况如图5所示。

从图5可看出，T1处理上海青MDA含量较CK略微降低了0.62%。与T1相比，随着灌溉水中微咸水比重的升高，上海青丙二醛含量先升高后降低。总体上不同处理间上海青MDA 含量无显著性差异（P>0.05）。可见，微咸水−再生水混灌处理对上海青MDA含量没有显著影响。

图5 微咸水与再生水混灌后上海青MDA含量的变化Fig.5 Variation of MDA content after mixed irrigation with brackish water and reclaimed water

2.3.4 酶活性

不同比例微咸水与再生水混灌后上海青抗氧化酶活性的变化情况如图6所示。

如图6(a)所示，T1 处理上海青CAT 活性较CK 降低了31.88%，但差异不显著（P>0.05）；与T1 相比，T2 和T3 处理上海青CAT 活性分别提高了53.60%和32.27%，差异不显著（P>0.05），而T4 处理则降低了12.53%，差异不显著（P>0.05）。因此，总体上微咸水−再生水混灌处理对上海青CAT活性没有显著影响。

如图6(b)所示，T1 处理上海青SOD 活性较CK 降低了22.40%，但差异不显著（P>0.05）；与T1 相比，T2 处理上海青SOD 活性提高了144.31%，差异显著（P<0.05），T3 处理和T4处理上海青SOD活性分别提高了66.46%和61.99%，但差异不显著（P>0.05）；T2 处理与T3、T4 处理均差异显著（P<0.05）。可见，微咸水−再生水混灌处理对上海青SOD活性有一定的提升效果。

如图6(c)所示，不同微咸水与再生水混合灌溉处理间上海青POD 活性均无显著性差异（P>0.05），但均显著高于CK。T1 处理上海青POD 活性较CK 显著提高了33.16%（P<0.05）；与T1相比，T2处理上海青POD活性降低了3.07%，T3和T4处理上海青POD 活性分别提高了5.94%和10.73%，差异均不显著（P>0.05）。可见，微咸水−再生水混灌处理对上海青POD活性有一定的提升作用。

图6 微咸水与再生水混灌后上海青酶活性的变化Fig.6 Variation of enzyme activities after mixed irrigation with brackish water and reclaimed water

3 讨 论

（1）微咸水与再生水混灌对土壤水盐的影响。杨培岭等[17]研究表明，相同土层深度时土壤含水率和电导率与微咸水矿化度正相关。YANG G 等[18]研究表明，微咸水矿化度在1～6 g/L范围内变化时，微咸水矿化度越大，土壤水分则越高；而微咸水矿化度在9～12 g/L范围内变化时，土壤含水率则与微咸水矿化度负相关。ZHANG A Q 等[19]研究也表明，土壤盐分随着微咸水矿化度的增加而逐渐增加。本试验研究表明，与清水灌溉相比，再生水灌溉后土壤水盐含量均较高，且灌溉水中随着微咸水比重的提升，土壤含水率和土壤含盐量也均呈逐渐升高趋势。因此，本文研究结果与前人研究结果[17−19]是吻合的。这是因为再生水中盐分较清水的高，而在灌溉水中随着微咸水比重的提高，盐分含量也越高，灌溉后土壤含盐量较高，土壤盐分在一定程度上会抑制作物对水分的吸收，因此在灌水量一致的情况下随着矿化度的升高，由于作物对水分吸收的减少，土壤含水率也就越高。

（2）微咸水与再生水混灌对上海青生物量的影响。生物量是作物产量的重要指标之一，尤其是叶菜类作物。吴文勇等[20]研究表明，与清水灌溉相比，再生水灌溉可显著增加果菜类蔬菜产量。许翠平等[21]研究也表明，再生水灌溉对果菜类与豆类蔬菜具有显著增产效果。王璐璐等[22]研究表明，再生水灌溉黄瓜光合作用与产量指标均大于自来水灌溉。而试验结果表明，再生水灌溉上海青生物量与清水灌溉无显著差异，这可能与不同地区再生水水质构成有关。此外，本试验结果也表明，微咸水与再生水混灌较再生水灌溉显著降低了地上部鲜重和干重，但对地下部鲜重和干重无显著性影响，这是因为：一方面，上海青根系相对不发达，生物量表现得差异不明显；另一方面，水分先通过根系吸水，进而传输到叶片，差异随着传输距离的延长而表现得越明显。张继峯等[23]研究结果表明，加工番茄的鲜果产量总体上符合“盐高产低”的规律，这与本文试验结果基本吻合。冯棣等[24]研究表明，甜脆豌豆的地上部生物量（鲜重和干重）随灌溉水矿化度的增加而显著降低（P<0.05），这与本试验结果“微咸水与再生水混灌较再生水灌溉显著降低了地上部鲜重和干重”相吻合，这是因为盐分浓度越高，对作物吸收水分能力的影响越强，影响植物含水量，最终对产量尤其是鲜重。

（3）微咸水与再生水混灌对上海青生理指标的影响。植物叶绿素含量与光合作用有关，是反映植物生长状况的重要指标。王璐璐等[22]研究结果表明，在灌溉定额相同条件下，再生水处理SPAD值平均比自来水处理高5.54%；雷琼等[25]研究表明，再生水灌溉可以显著提高草坪草的叶绿素含量。这与本文试验结果“再生水灌溉叶绿素含量高于清水灌溉”相似。MDA 含量高低可以作为考察细胞受到胁迫严重程度的指标；CAT在活性氧清除系统中具有重要作用。雷琼等[25]试验结果显示，再生水灌溉增加草坪草的MDA 含量，提高了CAT 活性，而本试验结果表明再生水灌溉与清水灌溉处理间MDA 含量和CAT 活性无明显差异，这可能是因为再生水水质不同，前者使用的再生水是工业和生活混合出水，而本试验中用的是生活污水处理出水，水质存在一定的差异。POD 具有消除过氧化氢和酚类、胺类毒性的双重作用。闫利军等[26]研究表明，矿井再生水灌溉处理叶片POD 和CAT 活性增幅较大，MDA 含量显著提高。其中POD 活性的变化与本试验结果相似，而CAT活性和MDA 含量的变化则略有不同，究其原因一方面可能由于再生水来源不同或水质构成差异，另一方面则是作物类型的不同引起的。李丹等[27]研究表明，微咸水灌溉处理番茄叶片中叶绿素含量和MDA 含量与清水灌溉差异不显著；李强等[28]研究也表明，咸水灌溉（2～10 g/L）与淡水灌溉处理间油葵叶绿素含量和MDA 含量差异不显著，这与文中试验结果是吻合的。

4 结 论

（1）总体上，再生水灌溉与清水灌溉处理间植物生长生理指标无显著性差异。

（2）较再生水灌溉相比，5 g/L 微咸水与再生水混灌显著降低上海青地上部生物量，而但对地下部生物量无显著影响。

（3）较再生水灌溉相比，5 g/L 微咸水与再生水混灌对上海青生理指标（叶绿素含量、可溶性蛋白含量、MDA 含量、POD 活性、CAT 活性）没有显著影响，对SOD 活性具有一定的提升作用，尤以5 g/L 微咸水与再生水1∶2 混合灌溉提升效果最为显著。

（4）综合考虑土壤水盐、作物生理指标以及再生水资源量本身的局限性，在淡水资源匮乏地区利用微咸水灌溉时，可以考虑用再生水作为替代清水水源与微咸水配合使用，微咸水（5 g/L）−再生水混灌比例以1∶2为宜。

本试验仅考虑了矿化度5 g/L 微咸水与再生水不同混合灌溉处理，尚未考虑不同矿化度微咸水与再生水的混合灌溉处理。其次，咸淡轮灌是目前较为适宜的微咸水利用方式，不同矿化度的微咸水与再生水轮灌处理也有待下一步试验研究。再者，试验采用的是盆栽试验，由于盆的高度有限，无法体现土壤盐分的剖面分布，无法进行长期试验研究，后期有待进行田间试验研究。