不同阳离子组成微咸水灌溉对生菜光合和离子吸收特性的影响

乔若楠，程 煜，闫思慧，罗 敏，张通港，王 春，张体彬，冯 浩

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；3.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

淡水资源短缺已成为制约我国干旱半干旱地区农业发展的主要因子之一。而在一些地区，地下咸水、微咸水资源相对丰富，据统计，中国地下微咸水资源约200亿m/a，其中可开采量为130亿m，且绝大部分埋藏于地下10—100 m处，适宜被开采利用。因此，科学利用微咸水资源，对于缓解淡水资源危机、扩大农业水源等方面有着极其重要的作用。

与淡水灌溉相比，微咸水灌溉具有双重效应：一方面为作物提供生长所需要的水分，节约淡水资源；另一方面，增加土壤的含盐量，进而影响作物生长。目前，我国已经开展了许多微咸水灌溉对土壤水盐及作物生长影响的研究工作。李慧等研究发现，在微咸水灌溉过程中容易发生土壤积盐情况，且土壤含盐量与入渗水的种类有关；郑复乐等研究发现，采用微咸水滴灌葵花不会造成显著的盐分积累，但土壤盐分中Na、Cl含量显著增加，引起土壤钠质化；王艳娜等通过大田试验研究了咸水灌溉对棉花生长和离子吸收的影响，结果表明，棉株体内Cl、Ca和Na含量在棉花生育期内整体呈升高趋势。光合作用是植物进行生命活动的能量源泉，一般认为，盐分胁迫抑制植物的光合作用，但也有一些研究发现，低盐胁迫对作物的光合作用没有影响，甚至能够加强作物的光合能力。宋姗姗等研究发现，调节Na、K比为20∶1时，能改善叶片的光合性能，有利于叶绿素的合成，从而提高长春花的生物量；雷晶等研究发现，不同钠钾比例对棉苗生长和叶片光合性能的影响不同。

虽然前人关于微咸水对作物生长的影响开展了大量的工作，但对于不同离子组成微咸水下作物光合特性效应方面仍有待研究。另外，Na和K是灌溉水中存在的主要盐分阳离子，其组成比例不同对土壤和作物产生不同的影响，而前人关于微咸水灌溉的负面效应研究方面，更多关注的是整体盐分输入带来的盐分胁迫，而较少关注不同阳离子组成可能产生的效应差异。本研究通过温室盆栽试验，研究不同阳离子组成微咸水对土壤盐分和生菜光合、离子吸收特性及生长的影响，以期为微咸水的安全利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年10—12月在西北农林科技大学科研温室进行。试验期间日光温室平均温度17.3 ℃，平均湿度56.1%(图1)。供试土壤取自陕西省杨陵示范区典型农田(34°16′49″N，108°02′54″E)，采集深度为0—30 cm耕作层。土壤类型为塿土，砂粒、粉粒、黏粒组成分别为25%，44%，31%；供试土壤的Na、K、Ca、Mg、Cl、SO等离子含量分别为2.47，0.04，4.80，1.90，3.06，8.65 mmol/L；土壤饱和提取液电导率1.64 dS/m，土壤pH 7.6。试验所用塑料盆内径24 cm，盆高26 cm。土壤均匀混合经风干、过5 mm筛后，盆底部铺设2层滤纸，按照容重1.30 g/cm分层装盆，层间打毛，盆内装土总高度为22 cm。同时，室内测定过筛土的持水性能(water holding capacity，WHC)为41.2%。盆下放置塑料托盘，用来收集灌溉水渗出液。盆栽放置在3 cm高的隔空垫板上，以保证盆底部透风通气。

图1 试验周期内日平均温度与空气相对湿度

1.2 处理设置

本研究考虑钠钾比对土壤和作物的影响以及作物耐盐性，以石膏(CaSO·2HO)的饱和溶液(实测值为1.88 dS/m)为对照处理(CK)，其他处理是在保持值和盐分阳离子总摩尔浓度相同的情况下，向去离子水中添加不同氯化物盐分，配置不同离子组成的微咸水处理，分别为Na(T)、Na/K比为1∶1(T)和K(T)(表1)。需要说明的是，之所以以石膏饱和溶液为对照，以及其他处理也均添加少量Ca，是考虑Ca作为土壤中常见的二价阳离子，能改善土壤结构，维持土壤物理性质，缓解过量Na、K等一价阳离子可能对土壤结构产生的破坏作用；另外，石膏中的阴离子为SO，还可以作为判断其他添加氯盐处理是否存在Cl毒害的对照。所有处理均重复8盆。

供试作物为生菜。对于盐胁迫，生菜属于中度敏感型作物，耐盐阈值为1.3 dS/m(小于此值对产量无影响)，为9 dS/m(大于此值产量降为零)(此耐盐阈值是基于土壤提出)。每盆点播10粒生菜种子，出苗后待植株生长稳定(约播后20天)进行间苗，每盆保留3株。之后进行微咸水灌溉处理，每5天灌水1次，灌水方式为输液器模拟滴灌。每次灌水前称盆栽重量得作物实际耗水量()，然后根据耐盐阈值和淋洗需求量(leaching requirement ratio，)，实际灌水量计算公式为：

=2()

(1)

=(1-)

(2)

式中：为淋洗需求量(%)；为灌溉水电导率(dS/m)；为作物产量降为零时的土壤(9 dS/m)；为实际灌水量(mm)；为作物实际耗水量(mm)。表1显示约为2.1 dS/m，因此，根据公式(1)和公式(2)，计算本试验灌溉水的为12%，即每次灌水按照12%的淋洗需求量执行。生菜全生育期80天，共灌微咸水9次，累积150 mm。播种前没有添加基肥，播后60天时追肥1次，每盆2 g尿素(652 kg/hm，含N 46%)溶于水中，随灌水施入。

表1 试验不同微咸水处理设置

1.3 测定方法

1.3.1 土壤盐分特性 于播种前、播种后50天及收获后(播种后80天)取0—10，10—20 cm土层土壤，土壤盐分测定采用调制饱和泥浆的方法。30 g土样加少量水经浸泡12 h后，调制成饱和泥浆，经离心(4 000 r/min，30 min)获得提取液。然后，采用电导率仪(DDS-11A，上海精密科学仪器有限公司)测定土壤饱和提取液电导率()，pH计(PHS-3C，上海精密科学仪器有限公司)测定pH，火焰光度计测定土壤饱和提取液中K、Na含量，滴定法测定Ca、Mg、HCO、Cl和SO含量。

1.3.2 生菜光合特性 于收获期选择晴天条件下测定生菜光合特性。每个处理选3盆生菜，每盆选3个叶片，利用便携式光合荧光测量系统(LI-6800，美国LI-LOR)，采用荧光光源，设定光合有效辐射(PAR)为1 200 μmol/(m·s)，大气CO浓度()为400 μmol/mol，温度为25 ℃，测定净光合速率()、蒸腾速率()、气孔导度()、胞间CO浓度()等指标。水分利用效率(WUE)和气孔限制值()计算公式为：

WUE=

(3)

=1-

(4)

1.3.3 叶片叶绿素含量 在测定光合特性的同时，针对同一叶片利用叶绿素仪(MC-100，美国)测定生菜叶片叶绿素含量。

1.3.4 生菜产量 收获期(播种后80天)将生菜从地表处剪断，称地上部鲜重，即为生菜产量，然后在105 ℃干燥箱中杀青30 min，调至60 ℃干燥至质量恒定后，称其干重，计算植株含水量。

1.3.5 植株离子含量 将烘干的生菜样品用植物粉碎机磨细，过1 mm筛，称取1 g生菜样品，加入30 mL硝酸—高氯酸混合酸消煮，然后用原子吸收分光光度计(ICE，THERMO)测定Na、K、Ca和Mg含量，滴定法测定Cl含量。

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2019和SPSS 26.0软件进行数据处理和分析，采用LSD(least significant difference)法进行单因素方差分析和差异显著性检验(=0.05)，同时采用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 微咸水灌溉对土壤ECe和pH的影响

在微咸水灌溉过程中，土壤盐分的积累是影响作物生长的主要因素。图2为生菜播后50天和播后80天不同层次土壤变化情况。与播前供试土样的(1.64 dS/m)相比，经过1个生育期的微咸水灌溉，各处理盐分均有不同程度的累积。灌水过程中，土壤盐分随着水分的入渗和再分布过程而运移，整体来看，微咸水灌溉下，生菜生长季末(图2b)各处理0—20 cm土壤较播后50天(图2a)有一定的升高，并且CK处理的显著低于其他处理(<0.05)。进一步分析不同时期土壤盐分的剖面分布特征可以发现，生菜生长季末，CK处理的盐分剖面表现为各层相近的特征，而微咸水处理的T、T和T的含盐量则基本表现为“上高下低”型，也就是0—10 cm发生了比10—20 cm更强烈的积盐现象，但差异并不显著(>0.05)。

注：同一土层深度内不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。下同。

土壤pH与土壤微生物活性、各种物质的转化以及土壤保肥保水的能力等有关。由图3可知，无论是生菜播后50天还是播后80天，土壤pH整体呈现CK>T>T>T的规律，但差异不显著(>0.05)。

图3 不同微咸水灌溉处理土壤pH

2.2 微咸水灌溉对土壤盐分阳离子含量的影响

表2为生菜收获期不同微咸水灌溉处理下土壤盐分离子含量、SAR及CROSS情况。生菜收获后各层各处理土壤盐分阳离子含量与初始土壤相比均有不同程度的增加。各处理不同土层深度下，土壤Mg含量相差不大。从离子组成上来看，T、T处理土壤主要离子的种类相同，即阳离子以Ca和Na为主，并占绝对优势，而对于0—10 cm土层，T处理主要离子为Ca和K。进一步分析发现，T处理的Na和T处理的K含量均表现为“上高下低”型。收获后，T、T处理土壤SAR均显著低于灌溉水的SAR，但仍呈现T>T>T，且表层的土壤SAR较高。各处理CROSS值的变化规律与SAR一致，但略高于SAR。

表2 生菜收获期土壤盐分特性

2.3 微咸水灌溉对生菜光合特性和叶绿素含量的影响

光合作用是植物体内重要的生理代谢活动，是判断植物生长和抗逆性强弱的重要标准。盐分胁迫导致生菜净光合速率()、蒸腾速率()、气孔导度()显著降低(<0.05)(表3)。不同离子组成微咸水灌溉后，总体呈现CK处理、、最大，T处理最小，当微咸水阳离子组成中Na/K比为1∶1时更接近CK处理。与对照CK相比，加盐胁迫T、T和T处理中分别降低115.27%，47.25%，72.61%，分别降低195.33%，39.90%，64.74%，分别降低107.92%，15.31%，39.25%，均达到显著水平(<0.05)。而胞间CO浓度()各处理间没有显著差异(>0.05)。分析不同灌溉处理下生菜的叶片尺度水分利用效率(WUE)变化规律可知，T处理WUE最高，T和T处理次之，CK处理最低。与CK相比，微咸水灌溉下WUE提高19.04%～46.73%，各处理均表现出显著差异(<0.05)，表明微咸水灌溉显著提高生菜叶片水分利用效率。微咸水灌溉后，T、T和T处理较CK处理的气孔限制值()分别提高1.8%，1.4%和2.3%，未达显著水平(>0.05)。

表3 不同微咸水灌溉处理生菜叶片光合特性

叶绿素是一种光合色素，参与光吸收，在植物光合作用中起重要作用。叶绿素含量可以作为植物生理学中研究植物耐逆性的重要指标。CK、T、T和T处理生菜叶绿素含量的平均值分别为148.82，155.98，146.77，152.77 μmol/m，各处理叶绿素含量没有显著差异(>0.05)。

2.4 微咸水灌溉对生菜产量的影响

微咸水灌溉显著降低生菜地上部生物量(表4)。在相同灌溉定额下，T、T、T处理的地上部鲜重均显著低于CK处理(<0.05)，T处理较CK减产33.52%，当微咸水阳离子组成中Na/K比为1∶1时，产量较CK处理减产17.54%，T处理较CK处理减产19.83%，说明微咸水灌溉带入的盐分对生菜的生长发育产生抑制作用。而微咸水各处理间则表现为T处理产量显著低于T和T处理(<0.05)。对于生菜地上部干重，各处理变化规律与地上部鲜重一致。植株含水量反映植株叶片内水分状况，是田间作物水分状况监测的重要指标，常用来表示作物在遭受外界条件胁迫时叶片的持水能力，各处理植株含水量没有显著差异(>0.05)。

表4 生菜产量和植株含水量

2.5 微咸水灌溉对生菜叶片离子含量的影响

在盐胁迫下，T处理生菜植株的钾离子含量与对照CK相比差异不显著(>0.05)(图4)，Na和Cl含量均显著升高，K/Na值同对照相比显著下降(<0.05)。T处理下，当微咸水阳离子组成中Na/K比为1∶1时，生菜叶片的K与T处理相比差异不显著，Na、Cl含量则显著下降，K/Na值较T处理显著升高(<0.05)。T处理的K、Cl含量、K/Na比值较T处理均显著升高，Na含量则显著下降(<0.05)。各处理的Ca、Mg含量间没有显著差异(>0.05)。对于可能存在的Cl毒害，Na/K比为1∶1时显著缓解单盐毒害效应，叶片Cl含量虽然高于CK处理，但显著低于T和T处理(<0.05)。

图4 不同微咸水灌溉处理生菜叶片中离子含量

3 讨 论

3.1 微咸水灌溉对土壤盐分特性的影响

本研究在灌溉过程中考虑了淋洗率，尽可能减少盐分输入带来的土壤盐分积累。试验过程中，在收集淋洗液时发现，各处理间淋洗液的体积差异比较明显，T处理较高，而T处理较低，是因为不同阳离子组成的微咸水灌溉对土壤结构产生差异性影响。本研究还发现，生菜生长季末各微咸水处理下0—10 cm比10—20 cm土层有更强烈的积盐现象，推测是因为微咸水灌溉处理对表层土壤的渗透性造成影响。前人利用灌溉水电导率()和钠吸附比(SAR)的关系来表征灌溉水水质对土壤结构稳定性的影响，SAR增大，意味着Na相对于其他离子所占的比例增大，使土壤颗粒分散，黏粒膨胀，土壤中大孔隙的比例减少，影响土壤的渗透性。土壤表层的SAR较大，导水能力差，所以T、T和T处理更多的盐分留在表层土壤中，造成土壤表层较高。传统上，K在土壤上的应用被认为是有利的，大量研究表明，K对土壤和作物产量有着积极影响，K作为一种单价阳离子，可以产生与Na类似的危害，它可能导致黏土的膨胀和分散，并增加整个土壤的盐分水平，从而降低土壤质量。随着土壤学的发展，人们逐步认识到土壤结构稳定性存在离子特异性效应，即同价位、不同阳离子对土壤结构效应也存在差异。所以，有必要推导和定义一个新比率来代替SAR，CROSS考虑Na和K在分散黏土中的不同作用，以及Mg和Ca在絮凝黏土中的不同作用，因此，相对于SAR，CROSS应该能够更合理反映灌溉水质对土壤性质的影响，但要想CROSS得到更多利用，还需要针对不同土壤类型，甚至不同作物生产条件开展可行性和适用性的研究。

3.2 微咸水灌溉对作物生长的影响

盐分胁迫对植物造成伤害的主要原因是离子本身的毒害及盐离子所致的渗透效应和营养效应。本研究中，微咸水较CK处理的生菜净光合速率、蒸腾速率显著降低，但叶片的水分利用效率显著提高，是因为气孔导度的下降所引起，与庞桂斌等的研究结果基本一致。植物受到盐胁迫后离子平衡被打破，K/Na比失衡。T处理生菜叶片由于不能维持体内正常的K/Na比，即不能维持体内的离子平衡，生长受到显著抑制作用。只添加K时，过量的K也不利于植株体内离子的平衡，损害光合作用，对生菜的生长造成危害。贾娜尔·阿汗等的试验认为，高浓度K对植物生长的抑制作用是由于K在细胞中的不均匀分布。KCl胁迫下，大量的K无法全部积累在液泡中，以至于细胞质中大量积累K，对细胞质中的膜系统和生物大分子造成毒害。当微咸水阳离子组成中Na/K比为1∶1时，缓解了盐胁迫造成的植株离子失衡，对生菜造成危害。另外，Cl在植物体内过多积累也能产生毒害作用，Zang等研究了3个浓度的Cl对玉米生长的毒害发现，高浓度的Cl(757.1 mg/kg)并不影响作物的生物量、光合作用和叶片含水量，但会降低叶绿素含量。考虑生菜与玉米同属中度敏感型作物，所以借鉴此阈值范围，经计算，本试验中引入的Cl浓度为257 mg/kg，远小于此阈值；同时，在灌溉过程中均保证一定的淋洗定额。从试验结果可知，与CK相比，各处理叶绿素含量没有显著差异，所以，本研究中的Cl水平不会对供试植物生长造成损害。

通常土壤盐碱化和干旱问题一起发生，可能对作物生长产生协同的负面影响。水分胁迫主要是由于细胞周围的渗透势低于细胞的水势。当植物细胞周围的盐分浓度较高时，同样使细胞周围的渗透势降低，所以，土壤盐碱化在一定意义上也属于水分胁迫。由于细胞可以吸收盐离子，因此，出现的胁迫现象不仅是水分胁迫，还包括盐离子胁迫。前人的研究发现，土壤水分胁迫影响植株叶绿素的合成，降低叶绿素含量。在本研究中各处理的叶绿素含量没有明显差异，且在试验过程中，根据作物实际耗水量，以土壤最大持水量(WHC)和指定淋洗率进行灌溉，不存在单纯的水分胁迫，而叶绿素含量的响应也证明这一点，即作物的响应是盐离子胁迫，这为讨论不同离子组成微咸水可能的效应差异提供了前提条件。

4 结 论

(1)微咸水灌溉下，生菜播后80天各处理0—20 cm土层较播前和播后50天均有一定升高，且显著高于CK处理(CaSO饱和溶液)。土壤盐分阳离子(Na、K、Ca、Mg)含量和分布特征与变化基本一致。

(2)与CK相比，单独添加Na或K均显著降低生菜的光合能力和产量，且Na的毒害作用显著大于K。

(3)当微咸水阳离子组成中Na/K为1∶1时(T处理)可以促进生菜K吸收，维持植株的离子平衡，而与T和T相比，T处理降低Cl在叶片中的积累，缓解盐胁迫对生菜生长造成的危害。