不同控水处理对枸杞生长和水分利用效率的影响

蒋正文,岳宏伟,陈 娇,刘 晗

(宁夏回族自治区灌溉排水服务中心,宁夏银川 750016)

淡水资源时空分配不均是影响我国农业生产发展的严重障碍[1],同时水资源的不合理利用加剧了干旱的发生[2-3]。在干旱、半干旱地区实施合理灌溉是促进植物生长和提高产量的重要措施之一[4]。因此,在当前宁夏社会经济和农业发展中开展高效节水的研究是急需解决的一个关键问题,合理确定作物的最佳灌溉量是解决农业生产技术体系问题和农业综合生产模式研究的必要前提[5]。研究表明,分蘖期适度控水在复水后能够显著提高水稻叶片净光合速率等光合特性,同时减少无效分蘖数、提高产量[6]。控水灌溉有效促进了蓝莓植株生长、冠幅增加以及枝条伸长、增粗[4]。适当的控水灌溉也可以显著提高小麦产量和水分利用效率[7]。

宁夏枸杞(LyciumbarbarumL.)为茄科枸杞属多年生灌木,具有耐盐碱、耐干旱等优点,是宁夏、甘肃、青海、内蒙古、新疆等地区脱贫的重要经济林品种[8]。实践表明,合理的灌溉栽培措施有利于枸杞增产和实现水分利用最大化。侯建安等[9]研究灌水频率和定额对枸杞园土壤水热分布及产量的影响,结果发现最佳灌水下限宜控制在田间最大持水量的85%,此条件下产量、单果质量、果实纵横径、2 cm以上等级率均优于其他处理。徐利岗等[10]认为当灌水量为3 750 m3/hm2时枸杞鲜果产量、干果产量、百粒重、粒度及多糖含量均最高,水分利用效率最高且品质相对较好。前人的相关研究多侧重于单一生育期控水对枸杞产量、光合、品质及水分利用效率的影响,而关于不同生育期控水的研究鲜有报道。笔者以宁杞7号为试验材料,分别在春梢期、营养生长期和盛花期、盛果期、秋果期进行不同控水处理研究,测定了生长指标、光合参数、产量、品质、耗水量和水分利用效率等指标,通过隶属函数值法对上述各指标进行综合评价,筛选出最佳控水组合,旨在为宁夏枸杞的水分合理调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计利用宁夏水利科学研究院灌溉试验站已建的测坑和蒸渗仪,以3年龄枸杞为研究对象,试验品种为宁杞7号。测定土壤类型为砂壤土,最大田间持水量为22.5%;分别在春梢期、营养生长期和盛花期、盛果期、秋果期进行不同的控制水分供给研究。其中,春梢期控制灌溉枸杞根区土壤含水量为土壤最大持水量(θf)的50%(50%θf);营养生长期和盛花期控制灌溉枸杞根区土壤含水量为50%θf、65%θf和75%θf,盛果期控制灌溉枸杞根区土壤含水量为65%θf和75%θf,秋果期控制灌溉枸杞根区土壤含水量为55%θf。此外,4月中下旬春灌及10月下旬冬灌水量分别为450和675 m3/hm2。设置6个处理,3次重复,共18个试验小区。全生育期施肥8次,每次90 kg/hm2,各个生育期灌水量如表1所示。

1.2 测定项目与方法

1.2.1生长指标的测定。利用游标卡尺及钢卷尺测定植株地径、株高、东西冠幅、南北冠幅、每个枝条的条长及茎粗。在东、西、南、北各选1条枝条进行标记,然后每个生育期后期进行观测,落叶期后进行最后一次观测。

表1 各时期控制灌溉枸杞根区土壤含水量 Table 1 Soil water content in the root zone of L.barbarum under controlled irrigation in different periods

1.2.2光合参数的测定。使用CI-340 便携式光合测定仪 (美国CID公司) 测定,测定叶片气孔导度 (Gs)、净光合速率 (Pn) 、蒸腾速率 (Tr)和胞间CO2浓度 (Ci) 。每个处理测定3个重复,每个重复待稳定后读取10个数据。

1.2.3产量、品质指标的测定。夏果和秋果成熟后全部采摘(成熟1批,采摘1批),经处理后晾晒称量干果重。多糖含量采用苯酚-硫酸法比色测定[11];参照刘根红等[12]的方法测定甜菜碱含量;采用索氏抽提法[13]测定粗脂肪含量;氨基酸含量参照朱楠等[14]的方法测定。

1.2.4耗水量和水分利用效率的测定。降雨量的测定:生育期间降雨量采用雨量器测定。

耗水量的计算公式如下:

ET=WO-Wt+I+M+K-D-R

(1)

式中:ET为耗水量;WO和Wt分别为初始时段和t时段测坑水量;I为灌水量;M为降雨量;K为地下水补给量;D为深层渗漏量;R为地表径流量。

由于测坑是一个相对独立空间,与外部水分隔绝,没有水分交换,故深层渗漏量(D)、地下水补给量(K)和地表径流量(R)忽略不计,因此耗水量公式可简化如下:

ET=WO-Wt+I+M

(2)

水分利用效率(WUE)的计算公式如下:

WUE=0.1×产量/ET

(3)

式中:WUE为作物水分利用效率,单位kg/m3;产量为枸杞干果重,单位kg/hm2;ET为耗水量。

1.3 数据处理采用Excel 2013软件进行试验数据整理与统计,使用SPSS 24.0软件进行方差分析,不同处理间差异显著性检验采用Duncan法。采用模糊数学中的隶属函数值法对生长指标和生理指标进行综合分析。

当指标性状间呈正相关时,隶属函数公式:

U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(4)

当指标性状间呈负相关时,隶属函数公式:

U(Xj)=1-(Xmax-Xj)/(Xmax-Xmin)

(5)

其中:U(Xj)表示隶属函数值;Xj表示某指标的测定值;Xmin和Xmax表示参试水平系中某一指标内的最小值和最大值。

2 结果与分析

2.1 不同控水处理对枸杞生长指标的影响从图1A可以看出,不同控水处理之间枸杞地径均存在差异,其中T5和T6处理的枸杞地径均显著高于其他处理(P<0.05),分别为5.25和5.30 mm,T5处理的枸杞地径分别为T1、T2、T3、T4处理的1.12、1.06、1.09和1.24倍,T6处理的枸杞地径分别为T1、T2、T3、T4处理的1.13、1.07、1.10和1.25倍。由此可见,T5和T6处理能有效提高枸杞的地径。

从图1B可以看出,不同控水处理间枸杞株高均存在差异,其中T6处理的枸杞株高显著低于其他处理(P<0.05),仅为20.43 cm;T2和T5处理的枸杞株高显著高于其他处理(P<0.05),T2处理的枸杞株高分别为T1、T3、T4、T6处理的1.06、1.09、1.18和2.05倍,T5处理的枸杞株高分别为T1、T3、T4、T6处理的1.03、1.06、1.15和2.00倍。

从图1C可以看出,不同控水处理间枸杞东西冠幅均存在差异,T5处理的东西冠幅显著高于其他处理(P<0.05),分别为T1、T2、T3、T4、T6处理的1.36、1.19、1.21、1.30和1.49倍。

从图1D可以看出,T1处理的枸杞南北冠幅显著低于其他处理(P<0.05),仅为25.33 cm;T2和T4处理的枸杞南北冠幅显著高于T1、T5、T6处理(P<0.05),其中T2处理的枸杞南北冠幅分别为T1、T5、T6处理的1.65、1.11和1.18倍,T4处理的枸杞南北冠幅分别为T1、T5、T6处理的1.71、1.15和1.22倍。

从图1E可以看出,T2和T3处理的枸杞枝条茎粗显著低于其他处理(P<0.05),分别为1.74和1.79 mm;T4和T5处理的枸杞枝条茎粗显著高于T1、T2、T3处理(P<0.05),其中T4处理的枸杞枝条茎粗分别为T1、T2、T3处理的1.16、1.45、1.41倍,T5处理的枸杞枝条茎粗分别为T1、T2、T3处理的1.22、1.52和1.48倍。

从图1F可以看出,不同控水处理间枸杞枝条长度均存在差异,T1处理的枸杞枝条长度显著低于其他处理(P<0.05),仅为34.68 cm;T4处理的枸杞枝条长度显著高于T1、T2、T5、T6处理(P<0.05),T4处理的枸杞枝条长度分别为T1、T2、T5、T6处理的1.32、1.13、1.05和1.12倍。

2.2 不同控水处理对枸杞光合参数的影响分析不同控水处理枸杞的气孔导度(图2A)发现,T1处理的气孔导度为118.25 mmol/(m2·s),显著低于T2、T3、T5、T6处理(P<0.05);T5处理的枸杞气孔导度显著高于其他处理(P<0.05),T5处理的枸杞气孔导度分别为T1、T2、T3、T4、T6处理的2.50、1.29、2.09、2.28和1.36倍。

注:同一图片中不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different small letters in the same picture indicated significant differences among different treatments (P<0.05).图1 不同控水处理对枸杞生长指标的影响 Fig.1 Effects of different water control treatments on the growth indices of L.barbarum

通过分析不同控水处理下枸杞的净光合速率(图2B)发现,不同控水处理间枸杞净光合速率均存在差异,T4处理的净光合速率仅18.39 mmol/(m2·s),显著低于T2、T3、T5、T6处理(P<0.05);T5处理枸杞的净光合速率显著高于其他处理(P<0.05),T5处理下枸杞净光合速率分别为T1、T2、T3、T4、T6处理的1.59、1.25、1.41、1.74和1.29倍。

注:同一图片中不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different small letters in the same picture indicated significant differences among different treatments (P<0.05).图2 不同控水处理对枸杞光合参数的影响 Fig.2 Effects of different water control treatments on the photosynthetic parameters of L.barbarum

通过分析不同控水处理下的枸杞蒸腾速率(图2C)发现,T4处理的枸杞蒸腾速率为2.00 mmol/(m2·s),显著低于其他处理(P<0.05);T5处理的枸杞蒸腾速率显著高于其他处理(P<0.05),T5处理的枸杞蒸腾速率分别为T1、T2、T3、T4、T6处理的1.98、1.28、1.69、3.20和1.22倍。

通过分析不同控水处理下枸杞的胞间CO2浓度(图2D)发现,不同控水处理枸杞胞间CO2浓度均存在差异,T4和T5处理的枸杞胞间CO2浓度分别为213.41和198.81 μL/L,显著低于其他处理(P<0.05);T1处理枸杞的胞间CO2浓度显著高于其他处理(P<0.05)。

2.3 不同控水处理对枸杞品质的影响通过分析不同控水处理下枸杞的甜菜碱含量(图3A)发现,T1处理的枸杞甜菜碱含量为0.50%,显著低于其他处理(P<0.05);T5处理的枸杞甜菜碱含量高于其他处理,T5处理的枸杞甜菜碱含量分别为T1、T2、T3、T4、T6处理的1.99、1.47、1.29、1.09、1.17倍。

通过分析不同控水处理下枸杞的多糖含量(图3B)发现,不同控水处理间枸杞的多糖含量均存在差异,T1处理的多糖含量显著低于其他处理(P<0.05);T5处理的枸杞多糖含量显著高于其他处理(P<0.05),T5处理的枸杞多糖含量分别为T1、T2、T3、T4、T6处理的1.55、1.43、1.27、1.05、1.19倍。

通过分析不同控水处理的枸杞粗脂肪含量(图3C)发现,T1处理的枸杞粗脂肪含量显著低于其他处理(P<0.05);T5处理的枸杞粗脂肪含量显著高于其他处理(P<0.05),T5处理的枸杞粗脂肪含量分别为T1、T2、T3、T4、T6处理的1.67、1.45、1.31、1.13、1.22倍。

通过分析不同控水处理枸杞氨基酸含量(图3D)发现,不同控水处理间枸杞氨基酸含量均存在差异,T1处理的枸杞氨基酸含量显著低于其他处理(P<0.05);T5处理的枸杞氨基酸含量显著高于其他处理(P<0.05),T5处理的枸杞氨基酸含量分别为T1、T2、T3、T4、T6处理的1.47、1.36、1.24、1.06和1.16倍。

注:同一图片中不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different small letters in the same picture indicated significant differences among different treatments (P<0.05).图3 不同控水处理对枸杞品质的影响 Fig.3 Effects of different water control treatments on the quality of L.barbarum

2.4 不同控水处理下枸杞耗水量的变化通过分析不同控水处理下枸杞各生育期耗水量(表2)发现,夏果期耗水量最大,秋果期次之,盛花期耗水量最小。全生育期耗水量在不同控水处理下由高到低依次为T6>T5>T4>T3>T2>T1,T6处理的枸杞全生育期耗水量分别为T1、T2、T3、T4、T5处理的1.22、1.19、1.18、1.09和1.06倍。

2.5 不同控水处理下枸杞产量和水分利用效率的变化通过分析不同控水处理的枸杞产量(图4A)发现,T4和T6处理的枸杞产量显著高于其他处理(P<0.05),T4处理的枸杞产量分别为T1、T2、T3、T5处理的1.28、1.31、1.25和1.07倍。

通过分析不同控水处理下枸杞的水分利用效率(图4B)发现,不同控水处理间枸杞的水分利用效率均存在差异,T4处理的枸杞水分利用效率显著高于其他处理(P<0.05),T4处理的枸杞水分利用效率分别为T1、T2、T3、T5和T6处理的1.14、1.20、1.16、1.10和1.11倍。

2.6 不同控水处理下枸杞各指标的综合评价采用模糊数学中的隶属函数值法对地径、株高、东西冠幅、南北冠幅、枝条茎粗、枝条长度、气孔导度、净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度、甜菜碱、多糖、粗脂肪、氨基酸、耗水量、产量、水分利用效率17个指标进行综合分析,分别得到各指标隶属函数值和平均值。如表3所示,各处理下各指标隶属函数值平均值分别为0.16、0.40、0.43、0.62、0.89和0.57,控水效果由高到低依次为T5>T4>T6>T3>T2>T1。因此,最理想的控水处理为营养生长期和盛花期控制灌溉枸杞根区土壤含水量为75%θf,盛果期控制灌溉枸杞根区土壤含水量为65%θf。

表2 不同控水处理下枸杞各生育期耗水量的变化 Table 2 Changes of water consumption in each growth period of L.barbarum under different water control treatments

3 讨论与结论

水分是影响枸杞生长发育和产量品质的限制因素之一。适宜的灌水量可以促进枸杞的生长,而灌水过量或不足都有可能抑制其生长[15]。地径是连接土壤和植株地上部分的重要枢纽,是影响作物生长发育过程中养分和水分吸收能力的关键因素[16]。株高、冠幅、枝条长度和茎粗是影响枸杞发育状况的重要指标,反映植株生长状况以及水肥利用效率和光能利用率[15]。该研究中T5处理的枸杞东西冠幅显著高于其他处理;T4处理的南北冠幅和枝条长度优于其他处理,说明T4和T5控水处理枸杞的生长发育显著优于其他4个处理。

表3 不同控水处理下枸杞各指标隶属函数值及综合评价 Table 3 Membership function values and comprehensive evaluation of the indices of L.barbarum under different water control treatments

接下表续表3

限制叶片光合速率的因素主要有非气孔和气孔因素,气体交换参数是从气体的交换量角度来衡量植株的同化能力[17]。水分含量显著影响植物的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率等光合参数[18]。该研究在枸杞盛果期、营养生长期和盛花期进行不同控水处理,结果表明T5处理枸杞的气孔导度、净光合速率和蒸腾速率显著高于其他处理,这与蔡海霞等[18]的研究结果类似。该研究中T5处理枸杞胞间CO2浓度低于其他处理。刘军等[19]研究表明适宜的灌溉处理降低了紫花苜蓿(MedicagosativaL.)胞间CO2浓度,与该研究结果相一致。以上结果表明适宜的控水处理有利于枸杞气孔导度、净光合速率和蒸腾速率的升高,同时能降低胞间CO2浓度。

枸杞果实的大小及其品质是评价枸杞质量的重要指标[20],同时产量、品质是衡量作物经济效益的关键因素。研究表明,一定时间、一定程度的干旱可能会提高产量和品质[21-22]。该研究结果表明,T5控水处理枸杞的甜菜碱、多糖、粗脂肪和氨基酸含量均优于其他处理;T4和T6处理枸杞产量显著高于其他处理;以上结果表明适当控水处理有利于枸杞品质的提高。尹志荣等[23]研究发现适宜的灌溉条件可以有效减缓土壤速效养分向深层的迁移,进而提高根层养分的吸收利用,有利于枸杞产量和品质的改善,与该研究结果相似。由此可见,土壤速效养分向深层迁移可能是枸杞产量和品质提升的主要原因。

我国西北干旱和半干旱地区农业研究的主要目标是如何提高作物产量和水分利用效率[24]。尹志荣等[25]研究表明,在水分供应充足的情况下枸杞生育期内的水分利用效率会降低在需水关键期进行适当水量调控,有利于提高枸杞的产量及水分利用效率。该研究结果表明T4控水处理枸杞的产量和水分利用效率最高,说明适度的水分亏缺可以达到提高枸杞产量和水分利用效率的目的。

该研究通过对枸杞生长指标、光合参数、品质、产量、耗水量和水分利用效率等17个指标进行综合评价,发现最理想的控水处理为营养生长期和盛花期控制灌溉枸杞根区土壤含水量为75%θf,盛果期控制灌溉枸杞根区土壤含水量为65%θf。