河套灌区代表性地下水盐分与灌水量对枸杞产量及品质的影响

娄 帅，杨树青※，刘 月，张万锋，吕欣河

河套灌区代表性地下水盐分与灌水量对枸杞产量及品质的影响

娄 帅1，杨树青1※，刘 月1，张万锋2，吕欣河1

（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古师范大学旅游学院，呼和浩特 010028）

为明确不同微咸水水质下枸杞种植效益较高的灌水量范围，揭示枸杞干果产量、外观品质、营养品质在微咸水不同盐浓度和灌水量下的变化规律，该研究对河套灌区不同代表性地下水盐分与灌水量组合下的枸杞干果产量、外观品质、营养品质进行综合评价。基于8（41×24）正交表在河套灌区开展2 a田间试验，共设置8个处理，灌水量为4个水平（60、70、80和100 mm），典型盐（NaCl、CaCl2、NaHCO3、Na2SO4）浓度设置为2个水平（分别按研究区地下水中离子浓度的1、2倍水平调配）。结果表明：1）干果产量、百粒干质量、果形指数、鲜干果比、黄酮含量受灌水量影响较大；产量、总糖含量受NaCl影响较大，随NaCl升高而降低；类胡萝卜素、甜菜碱、氨基酸总量受CaCl2影响较大，随CaCl2浓度升高而升高。2）综合评分发现，高灌水、高CaCl2的T8处理营养品质贴合度C和种植效益贴合度C最高，而高灌水、高NaCl浓度的T5处理两指标均最低。C分别与Ca2+、Na+浓度极显著正、负相关（<0.01），与Cl-显著负相关（<0.05）。Ca2+主要促进枸杞营养品质发展，与黄酮、类胡萝卜素、甜菜碱、氨基酸总量极显著正相关，Na+、Cl-主要抑制产量、外观品质，分别与干果产量、百粒干质量极显著、显著负相关。3）高斯回归发现，Na+、Ca2+、Cl-浓度分别为34.8～38.8、15.3～15.6、50.9～55.9 mmol/L的微咸水较适宜，单次灌水96.9～97.9 mm下种植效益贴合度C>0.7；基于与C显著相关的Na+、Ca2+、Cl-浓度，提出了不同离子条件下枸杞种植效益较高的灌水量。研究结果可为河套灌区因地制宜利用微咸水、提高枸杞种植效益提供科学依据。

灌溉；产量；品质；微咸水；枸杞；Topsis

0 引 言

枸杞具有抗衰老、保护视神经、抗癌、预防糖尿病等营养价值，被国内外普遍誉为“超级水果”[1]，又因其对盐胁迫具有较强的抗逆性，枸杞种植成为河套盐渍化地区传统农业支柱产业之一[2]。乌拉特前旗先锋镇位于河套灌区下游，枸杞种植面积达1 600 hm2，年产干果439万kg，约占全国枸杞总产量的十分之一，年收入8 500多万元[3]。然而，河套灌区淡水资源极其紧张，利用当地较丰富的地下微咸水灌溉成为必然[4]。

控制灌水量是提高枸杞种植效益的有效方法，加孜拉等[5]指出，灌水量从5 100 m3/hm2提高到6 000 m3/hm2时，枸杞产量提升1 497 kg/hm2。赵敏[6]发现，采用65%～75%的作物需水量灌溉能提高枸杞百粒干质量，降低产量。可见，灌水量对枸杞产量、百粒干质量的影响趋势不同，以单指标为依据制定灌水策略较困难。枸杞属于药食同源作物，其种植效益不仅受产量影响，也受到以营养品质和商品品质决定的市场价值的影响[7]。研究发现，黄酮、类胡萝卜素、甜菜碱、氨基酸、总糖为枸杞中发挥药用价值的主要成分[8-9]，根据GB/T18672—2014，单粒干质量是枸杞分级的重要指标[10]。因此，在提出灌水量时，需综合考虑枸杞产量、单粒干质量和主要营养成分含量。

研究表明，微咸水水质和灌水量的协同调控有助于提升作物产量和品质的综合效果。龚一丹等[11]发现，淡水灌溉的番茄产量要高于微咸水灌溉，但是综合考虑产量、品质等因素，利用含盐量2.0 g/L的微咸水进行灌溉，且控制在60%～70%的田间持水量时效果最好。张美桃[12]开展灌溉水矿化度、灌水量的交叉试验，发现矿化度为5.0 g/L的微咸水灌溉255 mm能够保证玉米产量和百粒干质量。Cucci等[13]发现，以100%蒸散量（ETc）下利用矿化度为5 dS/m的微咸水灌溉玉米，在获得最大产量的同时，籽粒中蛋白质含量较淡水提高6.90%。可见，前人已在不同矿化度下提出了适宜的微咸水灌水量。但河套灌区地域广袤，地下水盐分类型多样[14]，不同类型盐分对作物产量和品质的影响大小和方式不同。张维霞等[15]指出，Na+比Cl-更有利于小白菜氨基酸累积，Cl-比Na+更有利于小白菜干物质累积和光合速率。段书延[16]发现，葡萄中的氨基酸含量随Ca2+浓度升高而升高。孟智鹏等[17]指出，经CaCl2处理后，各品种苹果果实品质的综合得分均高于对照。因此，在微咸水灌溉区制定灌水策略时，不仅需要考虑微咸水的矿化度，还需要因地制宜地对不同水质区微咸水的盐离子成分予以关注。此外，微咸水盐离子对枸杞产量和品质的研究有待丰富。

河套灌区微咸水主要可分为HCO3-Na型、SO4-Na型和Cl-Na型[18]，而Ca2+是河套灌区地下水广泛分布的优势离子[14]。因此，本研究开展NaCl、CaCl2、NaHCO3、Na2SO4共4种灌区代表性地下水盐分的浓度与灌水量的正交试验，综合考虑枸杞中总糖、黄酮、类胡萝卜素、甜菜碱、氨基酸总量及干果产量、百粒干质量，对枸杞种植效益进行Topsis评价。基于筛选的对枸杞种植效益综合评分影响较大的敏感离子，构建敏感离子浓度、灌水量与枸杞种植效益评分间的高斯映射关系。以几种敏感离子的浓度组合代表河套灌区不同水质条件，最终得到不同水质下适宜的灌水量范围，以期为不同水质区枸杞灌溉提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于河套灌区下游乌拉特灌域红卫试验站（40o42'N，107o24'E，海拔1 040 m），属中温带半干旱大陆性气候，年均降水量为143.8～233.4 mm，2019和2020年降雨量分别为157.3和146.7 mm，属枯水年。多年均蒸发量2 383 mm，年均气温7.9 ℃，无霜期145 d，春冬季地表返盐较严重。试验于2019年4月10日开始，至2020年10月31日结束。供试土壤为粉土，土壤容重1.55 g/cm3，属中度盐碱地（全盐量0.48%～0.84%）。枸杞生育期内日降雨量及温度变化如图1所示。试验区平均地下水埋深1.83 m，地下微咸水矿化度3.84 g/L，其中Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-浓度分别为18.55、8.77、9.37、63.02、6.25和5.50 mmol/L。

图1 枸杞生育期内日降雨量和温度

1.2 试验设计

采用8（41×24）正交表开展NaCl、NaHCO3、Na2SO4、CaCl2浓度和灌水量五因素正交试验，包含8个处理，3次重复，共24个小区。试验开始前，于红卫村及先锋镇的枸杞主要种植区调研，发现不同农户由于所在区域微咸水矿化度及枸杞树龄、品种间差异，习惯灌水量不同，单次灌溉约为60～100 mm。因此，本试验在此区间内设四水平灌水量（60、70、80、100 mm）。内蒙古河套灌区不同水质区地下水中Na+、Ca2+、Cl-、SO42-、HCO3-浓度范围分别为13.8～100.4、0.9～13.3、11.5～108.8、1.7～23.6、4.0～18.7 mmol/L[18-19]，但并非所有地区均采用地下微咸水灌溉，且矿化度过高的地区多为荒地，不适宜种植作物。作为枸杞主产区，乌拉特前旗地处灌区下游，淡水供应存在滞后性，无法保证枸杞生育期内及时灌溉，主要采用微咸水灌溉。为尽量贴合实际和考虑不同地区水质，以乌拉特前旗水质为基础、以河套灌区各盐分离子浓度范围为参照来调配各处理不同类型盐浓度。综合考虑各类盐中的阴阳离子比例，将各处理NaCl、CaCl2、NaHCO3和Na2SO4的2个水平分别按研究区地下水中Na+、Ca2+、HCO3-和SO42-的浓度的1、2倍水平调配微咸水。其中1倍代表维持当地相应盐离子浓度，不另加盐，2倍代表在当地微咸水浓度基础上再加入1倍相应种类的盐分。调配后的各处理中Na+、Ca2+、Cl-、HCO3-和SO42-离子浓度分别介于18.6～55.1、8.8～17.5、63.0～99.1、6.3～12.5、5.5～11.0 mmol/L，基本符合或涵盖乌拉特前旗与河套灌区的盐离子浓度上限构成的区间，具有参考价值。

供试作物为10 a生“宁杞一号”枸杞，田间试验采用完全随机区组设计。2019年分别在5月15日、6月17日、7月6日和8月9日按设计水量进行灌溉，2020年分别在5月17日、6月17日、7月8日和8月9日进行灌溉。灌溉方式为畦灌，小区面积30 m2，各小区间设2 m的保护带，四周用埋深1.2 m的聚乙烯塑料膜隔开，顶部留30 cm，防止水肥互窜，田间管理与当地农户管理一致。播种前机耕翻地，各处理采用统一施肥水平。枸杞全生育期采用人工剪枝，机械除草。枸杞种植株距1.0 m，行距3.0 m，4月末萌芽，8月中收获。各处理单次的灌水量和盐分浓度设置详见表1。

表1 试验因素水平及盐分调配设计

1.3 样品采集与测定

1.3.1 枸杞产量和百粒干质量测定

将每茬枸杞鲜果按小区编号分开排布到果栈子上，并统一在试验场的热泵烘干装置（烘房）中用煤火进行烘干，烘房湿度为25%，烘干温度60～70 ℃，每隔2 h进行称量，至枸杞质量不变时取出，烘干时长约8 h左右（各茬及各处理枸杞因单果大小不同时长略有差异）。烘干后称量各小区枸杞干质量，经折算获得单位面积干果产量。从各小区干果中各随机取100粒干果，称取枸杞百粒干质量，重复5次，取平均后得各小区枸杞百粒干质量。

1.3.2 枸杞营养品质测定

测定对象为枸杞果实干样，总糖采用蒽酮比色法测定，黄酮采用卢丁比色法测定，总糖、黄酮采用的仪器均为UV-1800紫外-可见分光光度计（NRJJ-S-031）。类胡萝卜素、甜菜碱均采用高效液相色谱法测定，测定仪器为Altus A-10高效液相色谱仪（NRJJ-S-002）。氨基酸依照GB5009.124—2016测定，仪器为氨基酸自动分析仪（L-8900）。

1.4 极差分析

因素的极差R代表该因素对某指标的影响大小，计算式为

式中为该因素的某水平在所有处理中重复的次数，y为当该因素处于某水平下所有处理的指标值。

1.5 基于Topsis法的枸杞果实综合评价

本文拟从枸杞的产量和品质的综合评价出发，提出适合不同水质区的微咸水灌水量。Topsis法近年来被广泛用于作物产量、品质的综合评价中，并取得了较好效果[21-22]。本文利用Topsis 法对枸杞产量、营养品质、外观品质进行综合评分。首先将枸杞总糖、甜菜碱、类胡萝卜素、黄酮、氨基酸总量5种主要营养物质综合评价得到枸杞营养品质贴合度C，然后对产量、百粒干质量、营养品质贴合度进行综合评价，得到枸杞的种植效益贴合度C。

Topsis 法计算步骤[23]如下：

1）构建原始评价参数矩阵：设有个评价对象，个评价指标，原始数据可写为矩阵=(x)，x为第个样本的第个指标。对指标进行归一化，即

2）得到归一化矩阵=(z)，由于以上5个营养品质指标及产量、百粒干质量均为数值越大越有利，因此各列最大值最小值构成的最优、最劣向量分别记为

+=(max1,max2, ...,maxb)（4）

-=(min1,min2, ...,minb)（5）

3）第个评价对象与最优D、最劣方案D的距离分别为

4）第个评价对象与最优方案的贴合度C为

1.6 基于高斯过程回归的枸杞综合评分预测

大田试验以年为周期，所能获得的果实品质数据有限。因此，需充分考虑数值方法对小样本数据的适应性。采用斯皮尔曼（Spearman）相关性分析对于小样本非正态数据具有较强的适应性[24]。高斯过程回归近年来在小样本特征的研究中被证明具有较高精度[25-27]。本研究首先对归一化后数据采用Spearman法筛选出与枸杞种植效益贴合度C相关性较高的敏感离子，并建立灌水量、敏感离子浓度与C的高斯映射，基于模拟结果得到每种水质下适宜的灌水量范围。

对于给定的数据集合={(,)}=1（输入数据矩阵∈，输出数据矩阵∈），((1))、((2))、...、((n))可构成随机变量的一个集合，且具有联合高斯分布，高斯过程的全部统计特征由均值函数()和协方差函数(,)组成，即

()～GP((),(,'))（9）

将含噪声考虑到观测目标值中，可建立高斯过程回归问题的一般模型，即

=()+（10）

式中为独立的高斯白噪声，符合高斯分布，均值为0，方差为2，即可记做～(0,2)。对于式（10），由于噪声为独立于()的白噪声，当() 服从高斯分布，则同样服从高斯分布，则其有限观测值联合分布的集合可形成一个高斯过程，即

((),(,) +σ2δ)（11）

式中()为均值函数；δ为 Kronecker delta 函数，当=时，函数δ=1；协方差函数以矩阵形式表达为

(,) =(,)+σ2（12）

式中表示×的单位矩阵，(,) 表示×的3协方差矩阵，()表示×的核矩阵，其元素K=(x,x)。构成核矩阵(,)的函数称为核函数。本研究选取径向基核函数中的高斯核（Gaussian Kernel）作为高斯回归的核函数[28]，如下式：

（13）

由此可以得到主要的GP回归方程，即

cov(*)

以2019年枸杞果实数据进行模型构建，2020年数据进行验证。模型验证的统计判据包括决定系数2、均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）。

1.7 数据处理方法与建模环境

采用SPSS 21软件进行数据-score归一化、Spearman等级相关分析和LSD（Least Significant Difference）多重比较（=0.05）。Topsis评分、高斯过程回归分别主要采用Python环境下的numpy和sklearn包完成，2019–2020年降雨和蒸发组合图采用Microsoft Excel 2016 软件绘制，等值线图采用Origin2018绘制。

2 结果与分析

2.1 微咸水灌水量和不同典型盐分浓度对枸杞产量和品质的影响

2.1.1 产量和外观品质

如表2，2019、2020年间各处理变化趋势相似，以2019年为例，低水高NaCl、NaHCO3的T2处理产量最低（1 076.15 kg/hm2），中水低NaCl、Na2SO4的T3处理产量最高（4 585.42 kg/hm2），高水高CaCl2的T8处理百粒干质量、果形指数最高（82.93 g、2.62）。对比发现，高CaCl2、低NaCl的T8处理干果产量、百粒干质量较高NaCl、低CaCl2的T5处理显著升高27.77%、42.66%，鲜干果比显著降低11.87%（<0.05），说明高CaCl2、低NaCl对提升产量和百粒干质量有利。2020年降水较少，中水高NaCl低CaCl2的T5处理产量较2019降低6.87%，而高水高CaCl2的T8处理百粒干质量较2019年提高1.97%。可见随降雨减小，NaCl、CaCl2对产量、百粒干质量的影响均提高。

表2 各处理的干果产量和外观品质指标

注：不同小写字母代表不同处理间存数据在显著差异，<0.05。下同。

Note: Different lowercase letters represent significant differences in data stored between different processes,<0.05. Same below.

表3 各因素对枸杞干果产量、外观品质影响极差分析结果

注：W代表灌水量因素，W1、W2、W3、W4分别代表灌水量为60、70、80、100 mm。下同。

Note: W represents irrigation quantity factor, while W1, W2, W3, and W4 respectively represent irrigation quantity of 60, 70, 80, and 100 mm. Same below.

2.1.2 营养品质

由表4可知，2 a间各处理变化趋势相近，以2019年为例，高灌水+高CaCl2浓度处理（T8），甜菜碱、氨基酸总量、黄酮含量最高（16.7g/kg、16.09 g/100 g、2.18%），低灌水+高Na2SO4处理（T1）总糖最高（81.1%）。对比T8和T5发现，其他因素变化不大，提高CaCl2浓度、同时降低NaCl浓度，甜菜碱、氨基酸总量、黄酮分别升高33.60%、195.77%、38.85%（<0.05）。降雨较少的2020年，高水高CaCl2的T8处理下类胡萝卜素、甜菜碱、氨基酸总量较2019年高8.70%、1.20%。同年，高水高NaCl下总糖较2019年降低5.02%，可见高灌水下降水减少，CaCl2对类胡萝卜素、甜菜碱促进作用及NaCl对总糖的抑制作用更强。

2.2 枸杞产量、品质综合评价

2.2.1 营养品质综合评价

各果实药用品质指标归一化后实测值如表6，将实测值归一化后利用Topsis法得到个各处理的药用品质贴合度C。C越大，说明枸杞药用品质越高。结果表明，T8、T6处理枸杞C分别排在前两位（0.895、0.708）。T7、T5处理C分别排在后两位（0.191、0.172），T7处理氨基酸总量最低，T5处理总糖、类胡萝卜素最低（<0.05）。T8、T6处理灌水量处于高水平（100 mm），CaCl2浓度较高（17.54 mmol/L）、NaCl浓度较低（18.55 mmol/L）；T7、T5灌水量同样处于高水平（100 mm），但CaCl2浓度较低（8.77 mmol/L）、NaCl浓度较高（37.11 mmol/L），说明当微咸水中CaCl2浓度较高且NaCl较低时，高灌水量对枸杞药用品质有利，反之不利。

表4 各处理枸杞营养品质

表5 各因素对枸杞营养品质影响的极差分析结果

注：表中W、N、C代表灌水量、NaCl、CaCl2因素，N1、N2代表加入微咸水中的NaCl浓度为0、18.55 mmol·L-1，C1、C2代表加入的CaCl2浓度为0、8.77 mmol·L-1。

Note: In the table, W, N, and C represent irrigation amount, while N1 and N2 represented 0 and 18.55 mmol·L-1NaCl added to brackish water, C1 and C2 represented 0 and 8.77 mmol·L-1CaCl2added to brackish water, respectively.

表6 基于Topsis法的枸杞果实营养品质归一化结果评价及排序

注：C表示营养品质贴合度；Z+、Z-分别表示将各指标归一化后得到的最优和最劣解向量；D+、D-分别表示归一化后各处理与最优和最劣解的距离。下同。

Note:Cdenotes the nutritional quality fitness;+-denotes the optimal and the worst solution vectors after normalization of each index, respectively;D+,D-denotes the distance between each treatment and the optimal and the worst solution after normalization, respectively. Same below.

2.2.2 枸杞产量、商品品质、营养品质综合评价

将干果产量、百粒干质量、营养品质贴合度C归一化后进行综合评价，如表7，C、干果产量、百粒干质量分别代表枸杞果实的药用品质、产量和商品品质，基于以上指标利用Topsis法计算各处理种植效益贴合度C。C越大，说明种植效益越高。T8处理C（0.998）高于其他处理，该处理C、百粒干质量显著高于其他处理（<0.05）。T5处理C（0.200）低于其他处理，其干果产量显著低于其他处理（<0.05），C显著低于除T7外的所有处理。T8、T5处理灌水量均处于较高水平（100、80 mm），T8处理CaCl2浓度较高、NaCl浓度较低，T5处理反之，其余因素相同，说明当微咸水中CaCl2浓度较高且NaCl较低时，高灌水量对枸杞种植效益有利，反之不利。

2.3 枸杞产量、品质与微咸水盐离子浓度的相关性分析

将各处理灌水量及Na+、Ca2+、Cl-、HCO3-、SO42-离子浓度进行归一化后，与枸杞药用品质、外观品质、产量进行Spearman相关性分析。由表8可知，种植效益贴合度C与Na+、Cl-呈极显著、显著负相关（<0.01、<0.05），与Ca2+极显著正相关。Na+与干果产量、总糖极显著负相关，与百粒干质量显著负相关。Ca2+与黄酮、类胡萝卜素、甜菜碱、氨基酸总量及药用品质贴合度C极显著正相关，与百粒干质量显著负相关。Cl-与总糖、干果产量极显著负相关，与百粒干质量显著负相关，与黄酮、类胡萝卜素极显著正相关，与甜菜碱显著正相关。根据各离子浓度与种植效益贴合度C的相关性强弱，可知Na+、Ca2+、Cl-为影响枸杞种植效益的敏感离子。

表7 基于Topsis法的各处理枸杞种植效益评价及排序

注：C表示枸杞种植效益贴合度。下同。

Note:Cdenotes theplanting benefit fit degree. Same below.

2.4 不同敏感离子及灌水量影响下枸杞综合评分预测

以对枸杞种植效益贴合度C影响最显著的Na+、Ca2+、Cl-浓度组合代表河套灌区不同水质条件，基于2019年枸杞数据，构建灌水量、Na+、Ca2+、Cl-关于种植效益贴合度C的四元高斯回归模型，并用2020年数据进行验证。经检验，高斯回归的2为0.913，RMSE为0.018，回归关系显著。以0.1 mm作为灌水量步长、0.1 mmol/L作为Na+、Ca2+、Cl-浓度步长，以田间试验的灌水量、Na+、Ca2+、Cl-浓度取值上下限作为变量取值上下限进行模拟，得到灌水量、Na+、Ca2+、Cl-变化下枸杞种植效益贴合度C。通过python的torch包筛选出相同Na+、Ca2+、Cl-取值下C最高时的灌水量，作为微咸水水质下的适宜灌水量，相应C值为当前水质下的最高种植效益贴合度，记为C。由于2019年和2020年均属枯水年，因此得出的灌水量仅适用于枯水年时的灌水策略。

如表9，Na+、Ca2+、Cl-浓度范围分别在34.8～38.8、15.3～15.6、50.9～55.9 mmol/L的微咸水较适宜灌溉枸杞，配合96.9～97.9 mm灌水量，枸杞种植效益贴合度C>0.7。随C标准从0.5提升到0.7，适宜灌水量范围及微咸水中Na+、Ca2+、Cl-离子的允许浓度范围缩小。

试验区微咸水Cl-浓度为63.0 mmol/L，河套灌区微咸水Cl-浓度上限为99.1 mmol/L。因此，以Cl-浓度为63.0、81.0、99.1 mmol/L为例揭示C与适宜灌水量随Na+、Ca2+、Cl-浓度的变化。如图2a～2c，随Cl-浓度的增加，C先增后降，Cl-为81.0mmol/L时最高（C<0.75）。C随Na+、Ca2+浓度的变化趋势与Cl-有关，在Cl-较低时，C随Ca2+浓度增加而增加，但该趋势随Na+浓度上升而减弱，随Na+浓度增加而降低。当Cl-较高（99.0 mmol/L）时，C随Ca2+增加先不变后降低，随Na+浓度先升后降。

表8 灌水量、代表性地下水盐离子浓度与枸杞品质、产量、综合评分相关性分析结果

注：“**”代表相关性极显著（<0.01），“*”代表相关性显著（<0.05）。

Note: “**” indicates extremely significant correlation (<0.01), and “*” represents significant correlation (<0.05).

表9 种植效益贴合度（Cim）不同取值对应的灌溉条件

如图2d～2f，适宜灌水量随Cl-浓度增加而减小，当Cl-从63.0 mmol/L提升到99.0 mmol/ L，灌水量下限从75 mm降低到70 mm。适宜灌水量随Na+、Ca2+浓度的变化趋势与Cl-有关，当Cl-为63.0、81.0 mmol/L时，适宜灌水量随Na+浓度增大先减小后增大，在Na+为35.0～45.0 mmol/L时适宜灌水量较低，为75～80 mm；当Cl-为99.0 mmol/L时，适宜灌水量随Na+浓度增大而减小，且在Na+由30提升至35.0 mmol/L时骤降，当Na+<30.0 mmol/L，适宜灌水量为95.0～97.9 mm，Na+>35.0 mmol/L时适宜灌水量为69.9～75.5 mm。以1 mm为步长分别对不同Cl-浓度下灌水量随Na+、Ca2+浓度变化趋势进行等值线计算，发现当Cl->82.0 mmol/L时，适宜灌水量随Na+浓度增大而减小，且在Na+>30 mmol/L后发生骤减。基于回归结果计算不同水质下微咸水适宜灌水量范围，如表10。当Cl-浓度较低时，适宜灌水量仅与Na+有关，随Na+增加而先降后增。当Cl-较高且Na+­­在30.0～35.0 mmol/L之间时，适宜灌水量与Na+、Ca2+同时有关，Na+超出此范围后，适宜灌水量仅与Na+有关。

图2 不同离子浓度下枸杞种植效益最高评分（Cim）和对应灌水量（W）

表10 不同离子浓度下枸杞适宜灌水量

3 讨 论

NaCl和干旱胁迫对作物的影响具有相似性，均会降低根长发育[29]。在低NaCl胁迫下，植物细胞能从溶液中吸收无机离子增加细胞溶液浓度进行渗透调节，降低NaCl的影响[30]，但干旱胁迫下作物多依赖于增加根系生物量投入以提高吸收水分的能力[31]，长期胁迫下植株地上生物量降低，光合作用能力下降[32]。林庆芝等[29]发现，与NaCl处理相比，干旱胁迫下，刺槐幼苗生物量、幼苗含水量、发芽率和发芽指数受到的抑制更严重。本研究发现，微咸水中NaCl浓度对枸杞产量的影响高于Na2SO4、CaCl2和NaHCO3，但小于灌水量。任三学等[33]指出，土壤干旱使叶片有效利用光强区间缩小，光合作用减弱，而土壤干旱或高湿会造成夜间呼吸作用增强，消耗营养增多，“此消彼长”之下，小麦籽粒瘪秕，产量降低。本研究发现，中水水平（70 mm）时产量最高（3 545.74 kg/hm2），与任三学发现的规律相似，但高水水平（100 mm）时百粒干质量最高，与任三学的对小麦单粒形态的研究规律不同，这可能由于枸杞作为多年生灌木，根系更深，因此土壤高湿对夜间呼吸的影响较小。

Duran等[34]发现，在NaCl胁迫下，小麦中类胡萝卜素含量下降，而外源Ca2+通过刺激小麦DH-8基因的表达降低了这种影响。此外，Ca2+信号分子通过诱发植物体内甜菜碱的积累，普遍参与了植物对盐碱等逆境胁迫响应的信号传导过程[35]。Ca2+还参与了盐胁迫中的氨基酸合成。王玲霞[36]发现，植物体内IP3-Ca2+信号通路可以介导谷氨酸（Glu）合成-氨基丁酸（GABA）和脯氨酸（Pro），以响应盐分胁迫。本研究发现，枸杞中类胡萝卜素、甜菜碱、氨基酸总量受微咸水中CaCl2浓度影响最大，随CaCl2浓度的升高而升高，与上述作用机制相吻合。万雪等[37]指出，当植株受盐分胁迫时，会提升细胞内的活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）含量，而活性氧通过抑制细胞内糖的利用，增加细胞内可溶性总糖含量，以帮助植株抵抗逆境的发生，但高浓度盐胁迫下ROS积累到一定阈值后，启动膜脂过氧化反应，破坏膜结构的完整性与稳定性，导致细胞电解质外渗[38]。本研究发现，枸杞中总糖含量受微咸水中NaCl浓度的影响最大，但当NaCl达到37.10 mmol/L时，总糖含量下降。这可能由于NaCl浓度过高导致细胞膜破裂，糖分流失。李苗等[39]发现，轻、中度水分胁迫下，枸杞黄酮含量上升，但重度水分胁迫下，黄酮含量下降。本研究发现，枸杞在灌水量最大（100 mm）时含量最高，在受到水分胁迫时降低，与李苗的研究有所不同，原因可能在于本研究采用的是微咸水灌溉，灌水量较低时枸杞受到干旱和盐分的双重胁迫，黄酮含量下降。刘敏[40]发现，当施氮量低于750 kg/m2时，枸杞黄酮和类胡萝卜素与微咸水灌水量呈正相关，与本文规律相近。

对枸杞中主要营养成分总糖、黄酮、甜菜碱、类胡萝卜素、氨基酸总量进行综合评分，发现高灌水条件下，高CaCl2浓度、低NaCl浓度的T8处理营养品质贴合度C最高，而低CaCl2、高NaCl的T7处理C最低。这是由于NaCl胁迫导致类胡萝卜素、总糖减少[34,38]，而Ca2+能够降低这种趋势[34]。此外，Ca2+参与下的甜菜碱和部分氨基酸积累是植物抵御盐胁迫的重要方式[35-36]。因此，外源Ca2+对NaCl和其他盐胁迫下植物总糖、甜菜碱、类胡萝卜素、氨基酸总量的积累均起到促进作用。

基于Na+、Ca2+、Cl-浓度与灌水量关于C的高斯回归，并筛选出不同Na+、Ca2+、Cl-浓度下能够获得的最高种植效益C，发现在Cl-≤81.0 mmol/L情况下，当Na+<45.0 mmol/L，C随Ca2+浓度增加而增加，而当Na+>45.0 mmol/L时，C与Ca2+浓度无关，这可能由于Na+浓度超出了枸杞承受的阈值，破坏了细胞膜结构，增加Ca2+已无法减缓胁迫[41]。Ca2+对枸杞抵御盐分胁迫是必需的，本研究中，在Cl-≤82.0 mmol/L情况下，C在Ca2+浓度较高时出现峰值，这是因为在低胁迫下，增加Ca2+浓度更有利于植物对抗盐分逆境[35-36]，当Cl->82.0 mmol/L，C随Ca2+升高而下降，这可能由于高盐胁迫会抑制植物对Ca2+的吸收[42]，此时继续增加Ca2+，无法被吸收的Ca2+会与其他盐离子一同增加细胞外溶液浓度，加剧渗透胁迫[43]。当Na+浓度较低（18.6～30.0 mmol/L）时，适宜灌水量较高（91～99 mm），且与Ca2+、Cl-浓度变化无关。这是因为植物的根对离子具有选择运输能力，在低胁迫下，通过增强对Ca2+和Mg2+的吸收降低Na+的影响[44]，且轻度盐分胁迫有利于增加植株黄酮[45]、可溶性总糖等营养物质，因此增加灌水量是有利的[37]。

4 结 论

1）灌水量为影响干果产量、百粒干质量、黄酮含量最大的因素，灌水100 mm时干果产量、黄酮最高，灌水70 mm时，枸杞百粒干质量最高。CaCl2为影响类胡萝卜素、甜菜碱、氨基酸总量最大的因素，随CaCl2浓度升高而升高，总糖受NaCl影响最大，随NaCl升高而降低。

2）Na+、Ca2+、Cl-浓度与枸杞种植效益贴合度C相关性达极显著或显著水平。当Na+、Ca2+、Cl-浓度分别介于34.8～38.8、15.3～15.6、50.9～55.9 mmol/L时较适合灌溉枸杞，配合96.9～97.9 mm灌水量，种植效益贴合度C> 0.7。

3）基于枸杞种植效益综合评价和高斯模拟，得到了不同敏感离子Na+、Ca2+、Cl-浓度下的适宜灌水量。

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Effects of representative groundwater salinity and irrigation amount on the yield and quality ofin the Hetao Irrigation areas

Lou Shuai1, Yang Shuqing1※, Liu Yue1, Zhang Wanfeng2, Lyu Xinhe1

(1.010018;010028)

fruit is widely used as a medicinal food in China. This study aims to clarify the effects of brackish water irrigation amount and salt ion composition on the yield, appearance quality, and nutritional quality of the. An optimal amount of brackish water was also determined under different water qualities, according to the comprehensive score after irrigation simulation. A8(41×24) orthogonal test was carried out with the “Ningqi No.1”as the test material. Eight orthogonal treatments included the four irrigation levels (60, 70, 80, and 100 mm) and two concentrations (according to 1 or 2 times of ion concentration in groundwater in the study area) of NaCl, NaHCO3, Na2SO4, and CaCl2. The optimal levels of each factor were obtained and scored for each index, including the yield, 100 grains dry mass, and nutritional quality. The greatest correlation with the comprehensive score was selected as the salt ions. A gaussian regression model was established for the sensitive ion concentration and comprehensive scoreC, in order to obtain the optimal irrigation quantity range under different water quality using the screening program. The water quality and irrigation quantity scheme achieved higher scores than before. The results showed that there were significant effects of the brackish water irrigation amount and the concentrations of NaCl, NaHCO3, Na2SO4, and CaCl2on the yield, dry mass of 100 grains, and nutritional quality. In the yield and appearance quality, the irrigation amount presented the most significant effects on the dry fruit yield, dry mass of 100 grains, fruit shape index, and dry fruit ratio. The maximum yield and dry mass of 100 grains were achieved at the irrigation amount of 70mm, and 100 mm, respectively. The NaCl effect on the dry fruit yield was higher than that of the rest salts. The maximum yield was reached at the N1 level. In the nutritional quality, the concentration of CaCl2was dominated by the total amount of carotenoids, betaine, and amino acids, the highest of which was C2 (0.24%, 15.2 g/kg, and 11.67 g/100g, respectively). NaCl was determined as the total sugar, the highest which was the N1. The highest amount of flavonoids was obtained at the irrigation amount of 100mm. The comprehensive score showed that the T8 (W4, C2, HC1, N1, and S2) treatment with the high water. The CaCl2presented the highest nutritional quality (C=0.895), and planting benefit (C=0.719). The T5 treatment with the high water and NaCl was the lowest (C=0.172,C=0.200).Cwas very negatively correlated with the concentration of Na+(<0.01), and Cl-(<0.05), whereas, there was a very significant positive correlation with the concentration of Ca2+(<0.01).Cwas significantly positively and negatively correlated with Ca2+and Na+concentrations, respectively, and negatively correlated with Cl-. Gaussian regression showed that the brackish water with the concentrations of Na+, Ca2+, and Cl-of 34.8-38.8, 15.3-15.6, and 50.9-55.9 mmol/L were better suitable for irrigation, compared with the planting benefit fitC>0.7 with 96.9-97.9 mm in the single irrigation. The optimal irrigation amount was achieved under different water quality: In the Cl-content of 63.02-81.50 mmol/L, the Na+contents were 18.55-30, 30-35, 35-40, 40-53, and 53-55 mmol/L, where the optimal irrigation amount was 91-98, 82-98, 77-83, 77-99, and 96-98 mm. In the Cl-content of 81.50-99.11 with the Na+contents of 18.55-30 and 35-55 mmol/L, the optimal irrigation amount was 97-99 and 69-77 mm. In the Na+content of 30-35 mmol/L with the Ca2+concentrations of 8.77-13.00 and 13.00-17.54 mmol/L, the optimal irrigation amount was 74-98 and 78-82 mm. The findings can provide a scientific basis to utilize the brackish water for the better planting benefits ofin the Hetao Irrigation area.

irrigation; yield; quality; brackish water;; Topsis

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.011

S273.4

A

1002-6819(2022)-22-0102-11

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Lou Shuai, Yang Shuqing, Liu yue, et al. Effects of representative groundwater salinity and irrigation amount on the yield and quality ofin the Hetao Irrigation areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(22): 102-112. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.011 http://www.tcsae.org

2022-06-28

2022-10-30

国家自然科学基金项目（52069023）；国家自然科学基金项目（52179037）

娄帅，博士生，研究方向为盐碱地改良。Email：865822716@qq.com

杨树青，教授，博士生导师，研究方向为农业水土资源利用与环境调控。Email：nmndysq@126.com