不同氮肥与矿化度水平微咸水喷灌对冬小麦光合特征及产量的影响

王罕博，张栓堂，焦艳平*，陈文彬，李洁

（1.河北省水利科学研究院，石家庄 050051；2.河北省农业节水技术创新中心，石家庄 050051）

开发利用微咸水资源对于缓解淡水资源短缺、扩大农业水源、抗旱增产具有极其重要的作用[1]。河北低平原地区地表淡水资源量较少，但是地下咸水总储存量比较丰富，约为1 700 亿m3，其中2～3 g·L-1微咸水年可开采资源量为22.5 亿m3·a-1，与区域总淡水资源量相当，咸水资源利用受到越来越多的重视[2-3]。喷灌具有节省水量、不破坏土壤结构和调节地面气候等优点[4]，但微咸水喷灌条件下，作物会受到土壤盐分的胁迫，叶片也会因吸收盐分而受到损伤，从而影响叶片生理代谢和作物产量[5]。冬小麦属于中度耐盐作物，是河北低平原地区的主要农作物之一[6]。本研究选择冬小麦作为研究对象，为该地区地下咸水资源的开发利用及灌溉农业的可持续发展提供科学依据。

咸水和微咸水用于灌溉，一方面提供了作物生长所需的水分，另一方面给土壤带入大量的盐分，影响了土壤的理化特性。研究显示，微咸水灌溉影响土壤的渗透势，使土壤的孔隙度降低，短期灌溉能破坏土壤水稳性团聚体[7]，长期灌溉使土壤物理结构受到严重破坏，土壤初始入渗率逐年降低，土壤发生盐渍化，根系层盐分聚集，抑制根系对水肥的吸收，从而影响产量[8]。在冬小麦种植区1～2 g·L-1微咸水胁迫下，土壤渗透势会有所提高，反而促进作物根系对土壤水分的吸收[9]；当土壤饱和电导率（ECe）超过4 dS·m-1、灌水矿化度大于2 g·L-1时，冬小麦的生长受到抑制；当ECe超过6 dS·m-1时，ECe每上升1 dS·m-1，其产量减少7%；当ECe达到13 dS·m-1时，其产量减少50%[10-12]。氮素是作物生长发育必需的大量元素之一，是叶绿素的重要组成成分，适宜的施氮量可能会减轻盐分对作物生长和产量的不利影响[13-14]。微咸水喷灌一方面改变了土壤水分的有效性，引发土壤-植物根系-植物叶片的水势梯度变化，另一方面微咸水喷灌对叶片生理活动产生一定的影响，诱导叶片细胞膨压的改变，导致气孔导度、蒸腾作用和光合特性等一系列生理指标的调节与适应，从而对光合产物积累及其在根、茎、叶和籽粒间的分配产生显著影响[15-16]。研究表明，半干旱地区长期使用微咸水（ECe≈3.5 dS·m-1）灌溉柑橘树会使叶片硼元素的含量显著提高，果实负载量显著下降，但对叶片的气孔导度和净光合速率均无显著影响[17]。在黄河三角洲地区，微咸水灌溉冬小麦试验表明，冬小麦拔节至开花阶段，盐胁迫对光合作用有显著的抑制作用，但到了灌浆期，干旱胁迫比盐胁迫的影响更严重[18]。目前的研究热点主要是微咸水灌溉技术与制度[19]以及微咸水灌溉下土壤水盐运移规律与模型[20]、土壤微生物多样性[21-22]、作物生长和产量品质等方面，而微咸水喷灌对作物生长影响的内在生理机理及作物叶片直接受咸水喷灌影响的调节机制仍需要进一步研究。

因此，为了进一步寻求合理的微咸水利用方式，揭示微咸水喷灌下作物生理生态响应机理，本研究选择河北低平原地区的主要粮食作物——冬小麦作为研究对象，开展冬小麦微咸水喷灌田间试验研究，以期为该类地区地下非常规水资源的开发利用及灌溉农业的可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

冬小麦微咸水喷灌大田试验2018—2019 年在中国农业大学曲周实验站进行。该站位于北纬36°40′、东经114°55′，海拔39 m。属于暖温带半湿润半干旱大陆性气候，多年平均气温13.2 ℃，多年平均日照时数2 454.4 h，多年平均无霜期206.6 d，多年平均降水量518.5 mm[12]。该站潜水地下水埋深15 m，浅层咸水含盐量约为5.6 g·L-1，深层淡水含盐量约为1.04 g·L-1，1 m土层田间持水量（质量含水量）为21.9%，土壤容重为1.46 g·cm-3，土壤质地为潮土类砂壤土，耕作层土壤基本理化性质见表1。2018—2019 年冬小麦全生育期的累计降水量为112.6 mm，2018 年10 月至2019 年3 月的累计降水12.9 mm，2019 年4 月为63.5 mm，5月至收获期为36.2 mm，即为偏枯水年。

表1 耕层土壤主要理化性质Table 1 Physical and chemical properties of the surface soil

1.2 试验设计

试验区种植制度为冬小麦-夏玉米一年两熟制，供试冬小麦品种为龙堂1 号，播种量187.5 kg·hm-2，行距为15 cm，2018 年10 月上旬播种，次年6 月上旬收获。微咸水喷灌试验采用大区试验，试验区总面积72 m×216 m，采用全移动管道式喷灌系统，支管和喷头间距均为12 m，喷头正方形布置，每个处理一个小区，每个小区2 条支管，每条支管5 个喷头，小区面积72 m×36 m，每个处理3 个重复，每个重复面积为24 m×36 m。试验处理包括淡水喷灌中氮（FSM）、2 g·L-1微咸水喷灌高氮（2SH）、2 g·L-1微咸水喷灌中氮（2SM）、2 g·L-1微咸水喷灌低氮（2SL）、3 g·L-1微咸水喷灌中氮（3SM）、淡水小畦田地面灌中氮（FBM）6 个处理。利用供水网络和地下蓄水池配置不同矿化度的混合水，然后通过潜水泵加压进行喷灌和地面灌试验。灌溉计划在考虑降水预报的前提下，根据田间土壤墒情监测站监测数据，0～40 cm 的平均土壤含水量达到田间持水量的60%～70%开始灌溉，2019 年3 月14 日和5 月6 日分别为春一水和春二水，喷灌灌水定额675 m3·hm-2，地面灌灌水定额750 m3·hm-2。冬小麦畦灌处理中，将全部的磷、钾肥和50%的氮肥作基肥底施，其余50%的氮肥（尿素）随春一水追施；冬小麦喷灌试验，将全部的磷、钾肥和40%的氮肥作基肥底施，其余60%的氮肥随春一水和春二水喷施。冬小麦高氮处理的用氮量为275 kg·hm-2，中氮处理的用氮量为225 kg·hm-2，低氮处理的用氮量为175 kg·hm-2；不同处理的磷、钾肥用量和其他田间管理措施一致，磷肥（P2O5）用量150 kg·hm-2，钾肥（K2O）用量75 kg·hm-2。

1.3 观测指标及方法

生理指标：在2019 年冬小麦拔节期、抽穗期和开花期，每个小区选6株长势一致的植株，于晴天上午8时至10 时开始对顶端嫩叶（自下而上倒数第一片完全展开叶）使用LI-6400 型光合测定仪（环境温度和CO2浓度不控制，控制光强避免外界环境剧烈变化，设置6400-02B 红蓝光源，蓝光占10%，叶室内光合有效辐射设定为1 500 μmol·m-2·s-1，流速设定为300 μmol·s-1）测量冬小麦叶片光合速率Pn（μmol·m-2·s-1）、蒸腾速率Tr（mmol·m-2·s-1）、气孔导度Gs（mol·m-2·s-1）、胞间CO2浓度Ci（μmol·mol-1）等生理指标，并计算生态指标[23-24]：

叶片水分利用效率LWUE（μmol·mmol-1）=Pn/Tr

光能利用效率LUE（μmol·μmol-1）=Pn/PAR

气孔限制值Ls=（1-Ci/Ca）×100%，

式中：PAR为有效光合辐射，μmol·mol-1；Ca为大气CO2摩尔分数，μmol·mol-1。

叶面积指数（Leaf area index，LAI）和株高、群体密度：选取有代表性长势均匀的1 m2面积小麦，每个区选3 块并做标记，利用钢尺测量选定7 株小麦的株高和所有有效叶片长和宽，数出该1 m2面积内小麦的株数（群体密度），计算每个试验小区单位面积上的叶面积，推求叶面积指数和株高，校准参数设为0.7[25]。

考种测产：取各处理区已作标记的1 m2面积小麦，全部收获，每个处理3 个重复，每个区取回的植株先数总植株穗数，从中选出18 个有代表性的进行剪穗，测穗粒鲜质量、穗粒干质量；最后将1 m2的所有植株穗打出籽粒，晒干扬净后测量籽粒总质量，并计算千粒重。

1.4 统计分析

使用IBM SPSS 19.0 软件通过单因素和双因素（不完全设计）方差分析检验各水平之间的差异显著性，显著水平α=0.05。使用Excel 2016绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理不同生育时期叶片光合特征参数

表2 是春一水灌溉后拔节期不同处理的叶片光合特征参数，由表2可见，3SM 处理的叶片Pn、Gs、Ci和Tr均呈现显著降低的趋势（P＜0.05，下同），较其他5个处理分别平均降低了20.0%、43.8%、10.9%和50.1%，LWUE和Ls均显著高于其他5 个处理，分别平均提升了65.1%和34.6%。2SH 和2SM 处理的叶片Pn、Gs、LUE与FSM 处理无显著差异，2SH 处理的叶片Pn略高于FSM 处理5.0%，两者Tr均显著高于FSM 处理（平均高出24.4%），且2SH 处理的Ci、LWUE和Ls与FSM 处理也无显著差异；2SL 处理除了叶片Pn显著低于FSM处理12.4%外，其他光合参数与FSM 处理也无显著差异。FBM 处理的叶片Ci和Tr显著高于其他5 个处理，分别平均增加了15.2%和55.7%，而LWUE为最低，显著低于其他5个处理，平均降低了44.3%。

表2 不同矿化度微咸水灌溉和不同施氮量水平下的拔节期叶片光合特征参数Table 2 Photosynthetic characteristic parameters of leaf at jointing stage under different salinity brackish water irrigation and different nitrogen application rate

表3 为抽穗期不同处理的叶片光合特征参数，3SM 处理的叶片Gs和Tr均显著低于其他5 个处理，分别平均降低了31.3%和58.1%，LWUE和Ls均显著高于其他5 个处理，分别平均提升了106.8%和17.2%；与拔节期不同的是，此时3SM 处理的Ci略低于其他5个处理，差异不显著，3SM 处理的Pn仅显著低于FSM处理，平均降低了25.0%，与其他4 个处理差异不显著。2 g·L-1矿化度喷灌3 个处理的Ci、LWUE、Ls与FSM 处理差异不显著，仅2SM 和2SL处理的叶片Pn显著低于FSM 处理，平均降低了21.0%，2SM 处理的Gs和Tr均显著低于FSM 处理，分别降低了23.6%和27.1%，其他处理的叶片Pn、Gs和Tr与FSM处理差异不显著。FBM 处理的叶片Tr显著低于2 g·L-1矿化度喷灌3 个处理和FSM 处理，平均降幅34.2%，显著高于3SM 处理68.8%；而FBM 处理的LWUE显著高于2 g·L-1矿化度喷灌和FSM 处理，平均增加34.8%，显著低于3SM 处理39.1%，而FBM 处理叶片Pn、Gs、Ci、Ls与2SM和2SL处理的差异不显著。

表3 不同矿化度微咸水灌溉和不同施氮量水平下的抽穗期叶片光合特征参数Table 3 Photosynthetic characteristic parameters of leaf at heading stage under different salinity brackish water irrigation and different nitrogen application rate

表4 显示了开花期不同处理的叶片光合特征参数，3SM 处理的Pn、Gs、Ci和Tr均显著低于2 g·L-1矿化度喷灌的3 个处理，分别平均降低了34.7%、54.3%、20.9%和43.5%；3SM 处理的LWUE显著高于2SH 和2SM 处理，平均高出37.0%；3SM 处理的叶片Ls显著高于2 g·L-1矿化度喷灌和FSM 4 个处理，平均高出38.0%。2SH 和2SM 处理的叶片Pn、Gs、Ci、Tr和Ls与FSM 处理的差异不显著，而2SH 和2SM 处理的LWUE和LUE显著低于FSM 处理，分别平均降低了41.9%和20.2%；2SH 处理的Ls高于2SM 和2SL 处理，但2SH 处理的Pn仍高于2SM 和2SL处理，分析这三个处理的叶片Ci可知，高氮处理的Ci为272.01 μmol·mol-1，低于中氮和低氮处理的299.91 μmol·mol-1和293.22 μmol·mol-1，说明开花期之后，高氮处理Pn的提升主要不是因为减少了气孔因素对光合作用的限制，而是提高了胞间CO2的利用率，使胞间CO2摩尔分数降低，从而减少了非气孔因素对光合作用的限制，提升了Pn。FBM处理叶片Pn、Gs、Tr、LWUE与2SL 和3SM 处理的差异不显著。

表4 不同矿化度微咸水灌溉和不同施氮量水平下的开花期叶片光合特征参数Table 4 Photosynthetic characteristic parameters of leaf at flowering stage under different salinity brackish water irrigation and different nitrogen application rate

2.2 不同处理冬小麦叶面积指数、株高和群体密度

冬小麦返青期至收获期的LAI、株高和群体密度变化情况如图1 所示。拔节期，2SH 处理的冬小麦LAI均显著高于其他处理（平均高出8.4%），表明充足的氮肥促进了作物叶片生长和光合作用，作物提前进入拔节期，也验证了前面的结论，高氮处理拔节期的叶片Pn、Gs、Tr高于FSM 处理。随后，2SH 和FSM 处理的冬小麦LAI差异逐渐减小，生育后期没有显著差异。全生育期，2 g·L-1矿化度喷灌的3 个处理冬小麦LAI平均值与FSM 处理差异不显著，3SM 处理的冬小麦LAI平均值显著低于其他处理，平均降低了10.7%。全生育期不同处理间的冬小麦株高平均值无显著差异。FSM处理的各生育期分蘖数最高（平均高出其他处理5.4%～27.3%），其次是2SH处理（较2SM和2SL处理分别平均高出9.4%和16.6%），3SM处理最小。上述试验结果说明，2 g·L-1矿化度喷灌对作物的LAI、株高和群体密度无显著影响，3 g·L-1矿化度喷灌对作物的LAI和群体密度产生显著不利影响，高氮处理的作物生长发育良好，对叶面积和群体密度有明显促进作用。

图1 不同处理冬小麦叶面积指数、株高和群体密度的动态变化Figure 1 Dynamic change of leaf area index，plant height and population density of winter wheat under different treatments

2.3 不同处理冬小麦产量构成因素

图2为不同处理冬小麦产量及构成因素。由图2可知，FSM 处理的产量最高，2SH 处理次之，之后依次是FBM、2SM、2SL、3SM 处理，3SM 比FSM 处理的产量显著降低了25.9%。2 g·L-1矿化度3个处理的产量与FSM 处理均无显著差异，2SM 处理的产量比3SM 显著增加了19.7%。6 个处理之间的千粒重差异不显著。冬小麦收获期FSM 处理的群体密度最高，其次是2SH处理，最小的是3SM 处理，其中2 g·L-1矿化度喷灌3个处理的平均群体密度低于FSM 处理，平均降低了10.8%，3SM 处理的群体密度较FSM 处理显著降低了18.3%，表明2 g·L-1矿化度微咸水喷灌对作物的群体密度和产量无显著影响，3 g·L-1矿化度喷灌对作物产量和群体密度造成显著不利影响，与前人研究结论[9，12]一致。此外，本研究将FSM、2SH、2SM、2SL 和3SM 的5 个喷灌处理进行了双因素（矿化度和施氮量为两个因素，产量为因变量）方差分析，统计结果显示，用Shapiro-Wilk 检验数据正态性，任一分类都具有等方差性（P值为0.901）。主体间效应的检验结果显示，中氮（P值为0.023）的3个不同矿化度微咸水喷灌对产量的简单主效应不同，差异具有统计学意义，施氮量（P值为0.495）对产量影响不大，由于本试验未设置淡水喷灌低氮和高氮、3 g·L-1矿化度低氮和高氮的处理，所以未显示交互作用的P值。

图2 不同处理冬小麦产量及构成因素Figure 2 Yield components of winter wheat under different treatments

3 讨论

一般认为，微咸水灌溉会对作物产生毒害，如降低膨压、减小细胞扩张速度、破坏叶绿体等，从而导致生长速度和光合作用降低，最终对干物质积累和产量产生不良影响[26-27]。田德龙等[28]的研究表明，随着灌溉水电导率增加，向日葵的叶片Tr随之下降，LWUE和Ls会随之提高。张余良等[29]指出，在900 m3·hm-2灌水量下，矿化度3.5 g·L-1微咸水处理的冬小麦叶片Tr和Gs分别比淡水处理降低了19% 和23%。HNILIČKOVÁ 等[30]发现，当NaCl 溶液浓度大于50 mmol·L-1时，芝麻菜叶片的Tr开始下降，到100 mmol·L-1时，叶片的Gs和Pn也开始显著降低，LWUE有所增加，但是当浓度超过200 mmol·L-1时，叶片的Tr、Gs和Pn不随盐分浓度增加而改变。WANG 等[31]的研究也得出，在盐胁迫处理期间，黄瓜幼苗的根系活力和LWUE呈先升高后降低的趋势。LI等[32]的研究表明，小麦Pn和Tr对干旱的响应程度不同，适度干旱条件下Tr对干旱的响应程度高于Pn，LWUE提高。YANG 等[33]也指出，土壤盐分含量为0.6%时，盐胁迫引发的气孔因素占主导，所以LWUE增加，但盐分含量增加到0.9%时，非气孔因素占主导，LWUE显著降低。以上研究均说明微咸水灌溉后土壤含盐量缓慢上升，土壤溶液的渗透势随之增长，降低了土壤水分的有效性，土壤-根系-叶片的水势梯度减小，起初引起部分气孔关闭，导致叶片Gs和Tr一定程度下降，LWUE提高；随着土壤含盐量继续增加，非气孔因素逐渐成为主导，光合器官光合活性显著下降，叶片Pn呈现显著降低趋势。本研究对比分析三个生育时期的不同处理叶片光合特征参数发现，3 g·L-1矿化度微咸水喷灌处理一方面会增加土壤含盐量，另一方面喷灌对叶片的直接作用以及该年降水量偏低等因素导致作物生理干旱，作物为了避免自身失水过多，减小叶片的气孔开度，Tr随之降低，由于Pn对盐胁迫响应的滞后效应，短时间内LWUE有所增加，但非气孔因素也受到不利影响，多种因素耦合对作物的光合作用产生明显的抑制效应，最终影响到作物的生物量和产量。

另外，本研究也得出，2 g·L-1矿化度微咸水灌溉也引起了叶片部分气孔关闭，但各项光合参数并没有大幅降低，尤其是高氮处理，拔节期的叶片Pn、Gs、Tr略高于淡水喷灌处理，这是因为充足的氮肥提供了作物叶片生长所必需的氮元素，作物各生长阶段也早于其他处理。而冬小麦叶片光合作用主要受气孔因素和非气孔因素影响，氮肥可一定程度上调节和改善非气孔因素，弥补气孔关闭对Pn的负面影响，使得2 g·L-1矿化度微咸水灌溉并没有显著降低冬小麦叶片Pn，且在部分生育阶段甚至出现超过淡水处理的现象，该结果与前人的研究结果[24，29]基本一致。

过去大量研究表明，3 g·L-1微咸水灌溉对华北地区冬小麦的株高、干物质量产生不利影响，产量比淡水灌溉降低了11%～15%，但可节约淡水资源60%～70%[11-12，34]。如果降水量达到年平均水平且灌溉制度合理，微咸水用于冬小麦-玉米田间灌溉前景广阔。本研究得出，2 g·L-1矿化度3 个处理的冬小麦产量与FSM 处理差异不显著，3 g·L-1矿化度处理的产量比FSM 处理显著降低了25.9%，与前人的研究结论基本一致，但考虑到本研究中冬小麦全生育期降雨量偏低，耕层土壤的盐分含量较高，对作物影响的时间较长，因此对作物生长影响的负面作用较明显，在其他水文年型下可能会有不同的结果，还需进一步开展长期定位试验。此外，该地区种植制度主要是冬小麦-夏玉米轮作体系，微咸水灌溉对下茬玉米的影响还需要结合夏玉米生育期的降雨情况开展进一步的试验研究，才能获得较为客观的结论。

4 结论

（1）微咸水2 g·L-1喷灌高氮和中氮处理的叶片光合速率、气孔导度、光能利用效率与淡水喷灌处理无显著差异，且仅拔节期微咸水2 g·L-1高氮处理的叶片光合速率高于淡水喷灌处理5.0%，抽穗期和开花期均略低于淡水喷灌处理，补氮肥可能会促进拔节期作物叶片生长和光合作用，还有待进一步试验验证。

（2）与淡水喷灌相比，微咸水3 g·L-1喷灌处理的叶片光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率均显著降低，而叶片水分利用效率整体提升。3 g·L-1矿化度微咸水喷灌显著抑制作物叶片的光合作用。

（3）2 g·L-1微咸水喷灌对冬小麦的叶面积指数、株高、群体密度和产量无显著影响，3 g·L-1矿化度微咸水对冬小麦的叶面积指数、群体密度和产量造成显著不利影响，产量显著降低25.9%。

因此，为保障河北低平原区咸水安全利用，在控制咸淡混合水矿化度不大于2 g·L-1的前提下，可采用喷灌技术，同时添加氮肥能提高冬小麦的光合作用，保证作物产量。