基于产量、品质和水氮利用效率的油橄榄水氮耦合方案优选

刘欢平, 郑彩霞, 刘 涛, 石琪仙, 兰 波, 陈 茜, 闫 敏, 余文俊, 袁小虎, 张志亮

(1.四川农业大学水利水电学院,四川 雅安 625000; 2.聚峰谷农业科技开发有限公司,四川 成都 610000)

油橄榄(OleaeuropaeaL.)又名齐墩果,属于木犀科(Oleaceae)木犀榄属(Olea),是世界四大木本油料作物之一[1],原产自地中海沿岸国家[2]。中国于20世纪60年代开始引种油橄榄,经过划区试种[3]、选种育种[4-5]、高产栽培[6-7]等发展历程,2018年中国油橄榄种植面积3.96×105hm2,四川省油橄榄种植面积2.40×104hm2,其中龙泉山区种植面积4 400 hm2,年产鲜果5.5×103t,经济效益显著,已成为当地特色作物和优势经济作物[8]。但因该地区季节性干旱严重,降雨量分配不均及田间水肥管理不科学等导致油橄榄座果率低下、产量不稳定及橄榄油品质参差不齐,严重制约了油橄榄的高产、优质发展。因此,研究水氮耦合机理、优化油橄榄水肥管理模式对油橄榄集约化、高效、绿色生产和形成可持续发展产业具有重大意义。科学合理的灌溉施肥制度对油橄榄的生长发育、产量及橄榄油品质的提升至关重要。有研究结果表明,干旱胁迫对油橄榄幼苗的生长存在一定的抑制作用[9],干旱程度加剧会提高叶片相对电导率和叶片渗透调节物质含量,降低叶绿素含量[10]。适度的亏缺灌溉可增加作物吸水量、提高油橄榄产量和水分生产率[11]。朱绍丹等[12]研究发现中度干旱(土壤含水率12%)与生草间作可提高油橄榄叶片含水量和光合色素含量,提升根系活力,促进植株生长发育。适度的氮素亏缺可显著提高油橄榄单株结果数量和单株产量,过量施氮(150 kg/hm2以上)会使橄榄油的酸值和多不饱和脂肪酸含量增加、总多酚含量和单不饱和脂肪酸含量显著降低,导致油脂品质及稳定性整体下降[13]。Haberman等[14]的研究结果表明,适宜的施氮量是集约化橄榄园高产、稳产的基础。养分供应在作物不同生育期发挥的作用存在较大差异,促进氮素吸收利用以及提高氮素利用率的关键在于确定适宜的氮素施用量。水肥耦合效应根据作物不同生育阶段的需水、需肥要求,从时空、数量、方式等多方面合理分配养分和水分,实现以水促肥、以肥调水,综合提高农田水肥利用效率[15]。但想同时实现高产、优质、节水、省肥,因地制宜地建立科学、合理的复合评价体系必不可少。

衡量油橄榄的水氮利用效率、鲜果产量及橄榄油品质的标准各不相同,但又存在一定的相关性,仅凭单项指标无法明确该山区油橄榄最佳的水氮组合处理。优劣解距离(Technique for order performance by similarity to an ideal solution,TOPSIS)法[16]因具有原始数据应用充分、信息量损失较少的优点,在中药材品质评价体系中已得到广泛应用[17]。为进一步提高橄榄油品质综合评价的准确性及科学性,本研究拟采用TOPSIS法对橄榄油品质进行综合分析与评价,利用变异系数法求出各项评价指标所占权重,用综合评分法消除尺度差异造成的影响,最后得出油橄榄水氮投入与产量、品质回报的综合评价值,探索龙泉山区滴灌水肥一体化条件下油橄榄最佳的水氮管理制度,以期为推动当地油橄榄产业绿色、高产、稳产、优质以及向集约化、农业现代化方向发展提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年1月-2021年12月在四川省聚峰谷农业科技开发有限公司(104°34′E,30°44′N)进行。试验区为油橄榄次适生区,平均海拔733 m,属于亚热带季风气候,年降水量820 mm,多集中于夏季;年平均气温16.6 ℃,大于10.0 ℃有效积温为5 450.0 ℃;年平均日照1 268.7 h,年相对湿度60%～80%。供试土壤为紫色土,pH值为7.5,田间最大持水量0.246 cm3/cm3,试验区耕层土壤基本养分状况见表1。供试品种为9年生格洛桑,理论种植密度为1 hm2400株,株高2.5～3.0 m,树体长势均匀;树体修剪、病虫害防治等其他田间农艺管理措施均参考当地油橄榄生产实际进行相同处理。月平均气象条件见表2。

表1 研究区橄榄园土壤基本养分状况

表2 试验区月平均气象数据

1.2 试验设计

试验采用完全随机区组设计,根据油橄榄基地多年水肥生产管理经验、地域特点与相关文献资料[18],设置4个灌水量(I1:50.00%I4;I2:66.66%I4;I3:83.33%I4;I4:90.00%θfc;θfc:田间最大持水量)和4个追施氮肥水平(N1: 0 kg/hm2N;N2:150 kg/hm2N,低氮;N3:300 kg/hm2N,中氮;N4:450 kg/hm2N,高氮),共16个处理,灌水量和氮肥用量见表3;每个处理重复3次,共48棵树。参照公式(1)[19]计算I4处理的单次灌水量,在I4处理小区内埋设土壤水分传感器(DECAGON公司产品),监测深度0～0.6 m,定期采用烘干法进行校核。

M=s×h×γ×ρ×θfc×(q1-q2)/η

(1)

式中:M为灌水定额(m3/hm2);s为灌溉面积(m2);h为土壤计划湿润深度,全生育期均为0.6 m;γ为土壤容重,1.53 g/cm3;ρ为设计土壤湿润比,作物为经济果林木、灌溉方式为滴灌,故取0.35;θfc为田间最大持水量,0.246 cm3/cm3;q1为灌水上限土壤水分含水量;q2为实测土壤水分含水量;η为水分利用系数,滴灌取1.0[20]。

氮肥(尿素,含氮量46.6%)追施,于文丘里施肥罐中溶解后经滴灌系统施入田间;基肥(有机肥,N含量+P2O5含量+K2O含量≥5%,有机质含量≥45%,1棵树10 kg)于1月份环状沟施;为避免水、肥侧向流动,小区之间预埋深度0.50 m的不透水膜;将相同灌水水平的12棵树划为一个小区,试验地为大块梯田,几乎无坡度,不会产生地表径流。

滴灌管道系统采用一行一管布置,毛管间距5.0 m、管径20.0 mm;距树干0.6 m处环状布置4个压力补偿式滴头,相邻滴头间距1.0 m,滴头设计流量4.0 L/h。灌水与施氮均由滴灌系统控制,小区内单设水量表、压力表及控制阀精确控制灌水量;本试验油橄榄物候期内年有效降雨量为792.1 mm。

1.3 测定项目及方法

产量的测定:单株产量用电子天平(精度0.01 g)测定,每个处理测3株取平均值,折合成单位面积产量。

品质的测定:包括酸值、过氧化值、不饱和脂肪酸含量、油酸含量、亚油酸含量及棕榈油酸含量。酸值采用冷溶剂指示剂滴定法测定;过氧化值采用滴定法测定;脂肪酸组成采用气相色谱-质谱联用法(GC-MS法)测定。

氮肥偏生产力(NPFP)为施氮区油橄榄鲜果总产量与氮肥施入总量之比;灌溉水利用效率(iWUE)为油橄榄鲜果总产量与总灌水量之比。

1.4 评价方法

1.4.1 TOPSIS法 本研究采用TOPSIS法按如下步骤对橄榄油各类指标进行计算[21]:

第一,归一化处理:原始数据可表示为原始矩阵X=(Xij)a×b(Xij为第i个处理的第j个指标的原始数据),共有a个评价对象,b个评价指标。

表3 灌水量和氮肥用量

(2)

式中,Zij表示原始数据的归一化矩阵;i=(1,2,…,a),j=(1,2,…,b)。

第二,归一化矩阵Z=(Zij)a×b,计算各列最大值、最小值构成的最优向量、最劣向量。

Z+=(Z1max,Z2max,…,Zbmax)

(3)

Z-=(Z1min,Z2min,…,Zbmin)

(4)

式中,Z+表示最优向量;Z-表示最劣向量;Zjmax表示第j个指标的最大值,j=(1,2,…,b);Zjmin表示第j个指标的最小值,j=(1,2,…,b)。

第三,计算第i个处理与最优、最劣方案的加权距离。

(5)

(6)

第四,计算不同水氮处理与最优方案的贴合度(Ci)。

(7)

1.4.2 综合评分法 本研究以油橄榄产量、橄榄油品质、灌溉水利用效率和氮肥偏生产力作为评价指标进行综合评分,按照如下步骤进行计算[22]:

第一,设有m个评价对象,n个评价指标,Xij表示第i个处理的第j个指标,对实测值进行归一化处理(Yij)。

(8)

式中,i=(1,2,…,m),j=(1,2,…,n);Xij表示第i个处理的第j个指标;Xijmin表示Xij的最小值;Xijmax表示Xij的最大值。

(9)

(10)

第三,计算变异系数(Zj)。

(11)

式中,Sj表示标准差。

第四,计算权重(Wj)。

(12)

第五,计算综合得分(Csj)。

(13)

1.5 数据分析

采用SPSS 27.0软件进行方差分析和多重比较。利用Origin 9.1进行绘图,用Excel进行综合评分法和TOPSIS法的计算。

2 结果与分析

2.1 灌水、施氮处理对油橄榄产量的影响

表4显示,灌水、施氮处理分别对油橄榄鲜果产量影响极显著(P<0.01),水氮耦合处理对油橄榄鲜果产量影响不显著(P>0.05),灌水对产量的影响大于施氮。图1显示,N1I2处理油橄榄鲜果产量最低(4 333 kg/hm2),N4I3处理产量最高(11 027 kg/hm2)。相同灌水条件下,产量随着施氮量的增加总体呈上升趋势。低氮、中氮条件下灌水量对产量的影响不稳定,高氮条件下灌水量对产量有较强的正效应,但存在阈值。

表4 不同处理因素对油橄榄鲜果产量的影响

N1:0 kg/hm2 N;N2:150 kg/hm2 N,低氮;N3:300 kg/hm2 N,中氮;N4:450 kg/hm2 N,高氮;I1:50.00%I4;I2:66.66%I4;I3:83.33%I4;I4:90.00%θfc。θfc为田间最大持水量。图1 不同水氮处理对油橄榄鲜果产量的影响Fig.1 Effects of different water and nitrogen treatments on fresh fruit yield of olive

2.2 灌水、施氮处理对橄榄油品质的影响

表5显示,灌水、施氮及水氮耦合处理对橄榄油酸值影响极显著,影响大小表现为水氮耦合>灌水>施氮。表6显示,N1条件下,随着灌水量的增加,酸值呈上升趋势;N3条件下,随着灌水量的增加,酸值总体呈下降趋势;N2条件下,I3处理的酸值显著高于其他灌水处理(P<0.05),具体表现为I1水氮耦合>灌水。N1、N2、N3条件下,随着灌水量的增加,过氧化值呈上升趋势,最大值分别为9.05 mmol/kg、9.66 mmol/kg、9.44 mmol/kg,最小值分别为8.05 mmol/kg、7.68 mmol/kg、7.38 mmol/kg。

表7显示,灌水、施氮、水氮耦合处理对油酸含量、亚油酸含量和不饱和脂肪酸含量影响极显著(P<0.01),对油酸含量和亚油酸含量的影响大小依次为施氮>灌水>水氮耦合,对不饱和脂肪酸含量的影响大小依次为灌水>施氮>水氮耦合。施氮、水氮耦合处理对棕榈油酸含量影响极显著(P<0.01),灌水处理对棕榈油酸含量影响显著(P<0.05)。

表5 不同处理因素对橄榄油酸值和过氧化值的影响

表6 不同水氮处理对橄榄油品质的影响

表7 不同处理因素对橄榄油组成成分的影响

图2a显示,N1、N2条件下,I3处理油酸含量高于其他灌水处理;N3、N4条件下,随灌水量的增加,油酸含量呈上升趋势,N3I4、N4I4处理油酸含量最高,分别为76.24%、76.47%,N3I1、N4I1处理油酸含量最低,分别为69.01%、67.03%;N1条件下不同灌水量处理间油酸含量的最大差值小于N4条件下不同灌水量处理间油酸含量的最大差值。说明随着施氮量的增加,油酸含量受灌水量的影响不断增强。

图2b显示,相同灌水条件下,棕榈油酸含量随着施氮量的增多,基本呈先增加后减少的趋势;相同施氮条件下,随灌水量的增加,棕榈油酸含量没有表现出相似的变化趋势。N2条件下,棕榈油酸含量随灌水量的增加呈上升趋势;N4条件下,棕榈油酸含量随灌水量的增加呈下降趋势。表明在本试验条件下,水氮耦合效应对棕榈油酸含量的影响为“单峰型”,水、氮过量会导致棕榈油酸含量下降。

图2c显示,相同施氮条件(N1除外)下,I2处理的亚油酸含量高于其他灌水处理,表明灌水量过高会对亚油酸含量产生负效应。

图2d显示,无氮(N1)条件下,不同灌水处理的不饱和脂肪酸含量间的最大差值较小;随着施氮量的增加,中氮(N3)条件下不同灌水处理的不饱和脂肪酸含量间的最大差值变大;高氮(N4)处理下,不同灌水处理的不饱和脂肪酸含量的最大差值达到最大值。表明随着施氮量的增加,灌水量对不饱和脂肪酸含量的影响愈加明显。

2.3 灌水、施氮处理对水氮利用效率的影响

表8显示,灌水、施氮处理对NPFP和iWUE影响极显著,施氮处理对二者的影响大于灌水处理;水氮耦合处理对二者的影响不显著。N1为无氮处理,故不考虑NPFP状况。相同施氮条件下,NPFP随灌水量的增加总体呈上升趋势;相同灌水条件下,NPFP随着施氮量的增加总体呈降低趋势(图3)。说明施氮量的增加对NPFP有消极影响,过量施氮会削弱水氮耦合对油橄榄的影响,抑制油橄榄对氮素的吸收与转化利用,从而降低NPFP。图4显示,N1、N4条件下,各灌水处理间iWUE差异不显著;N2、N3条件下,I1处理的iWUE大于其他处理;I1条件下,各施氮处理间的iWUE差异不显著;I2条件下,N4I2处理的iWUE较大,为84.44 kg/m3;I3、I4条件下,N4处理的iWUE高于其他处理。

图中不同小写字母表示相同施氮条件下不同灌水量处理之间存在显著差异(P<0.05)。N1:0 kg/hm2 N;N2:150 kg/hm2 N,低氮;N3:300 kg/hm2 N,中氮;N4:450 kg/hm2 N,高氮;I1:50.00%I4;I2:66.66%I4;I3:83.33%I4;I4:90.00%θfc。θfc为田间最大持水量。图2 不同水氮处理对橄榄油品质的影响Fig.2 Effects of different water and nitrogen treatments on olive oil quality

表8 灌水、施氮、水氮耦合处理对水氮利用的影响

图中不同小写字母表示相同施氮条件下不同灌水量处理之间存在显著差异(P<0.05)。N1:0 kg/hm2 N;N2:150 kg/hm2 N,低氮;N3:300 kg/hm2 N,中氮;N4:450 kg/hm2 N,高氮;I1:50.00%I4;I2:66.66%I4;I3:83.33%I4;I4:90.00%θfc。θfc为田间最大持水量。图3 不同水氮处理对氮肥偏生产力(NPFP)的影响Fig.3 Effects of different water and nitrogen treatments on nitrogen partial factor productivity (NPFP)

图中不同小写字母表示相同施氮条件下不同灌水量处理之间存在显著差异(P<0.05)。N1:0 kg/hm2 N;N2:150 kg/hm2 N,低氮;N3:300 kg/hm2 N,中氮;N4:450 kg/hm2 N,高氮;I1:50.00%I4;I2:66.66%I4;I3:83.33%I4;I4:90.00%θfc。θfc为田间最大持水量。图4 不同水氮处理对灌溉水利用效率(iWUE)的影响Fig.4 Effects of different water and nitrogen treatments on irrigation water use efficiency (iWUE)

2.4 橄榄油综合品质评价

对橄榄油品质指标的实测值进行归一化处理,采用TOPSIS法计算不同处理下橄榄油整体品质与最优方案的贴合度(Ci)。Ci值的大小能直接反映出橄榄油综合品质的优劣。表9显示,I1、I2和I3处理下,Ci值的大小为N2>N3>N4>N1;即橄榄油综合品质的优劣表现为N2>N3>N4>N1。I4处理下,Ci值的大小为N3>N1>N2>N4。相同施氮条件(N1除外)下,Ci值随着灌水量的增加表现为先增大后减小。N1I3处理的Ci值最小(0.111),N2I2处理的Ci值最大(0.787)。

2.5 油橄榄水氮耦合方案综合评价

本试验条件下,将油橄榄鲜果产量、橄榄油品质指标、NPFP和iWUE作为综合评价指标,运用综合评分法对不同水、氮处理进行综合分析与评价。首先利用变异系数法求出各项指标所占权重。其中,品质权重占比最高(0.500),NPFP次之(0.281),产量权重占比0.128,iWUE所占权重最小(0.091)。然后计算各项指标的隶属度,最后求出综合得分。综合得分越高,表明水氮处理越优。表10显示,综合得分最高为0.753(N2I3处理),其次为0.690(N2I4处理)。

表9 基于TOPSIS法的不同水氮处理橄榄油综合品质评价及排序

3 讨 论

农田水肥管理一方面可以使土壤-作物水分、养分供应关系达到最佳状态,另一方面对于实现节水省肥、提质增效的目标发挥着重大作用[23-28]。作物产量对于不同的水肥管理制度表现出明显差异,如水肥亏缺时补充灌溉与施肥可增加产量,随着土壤肥力的提高水分作用会逐渐增大;水肥交互作用对作物产量的影响存在阈值,低于阈值,随着水肥投入的增加增产效果明显,高于阈值,增产效果不大[29]。

作物产量的提高是农业实践生产中最直接的追求目标。施肥对油橄榄年内产量无显著影响,但年际变化差异显著[30]。Ahumada-orellana等[31]研究发现水分胁迫对橄榄油产量无明显影响,轻度、中度水分胁迫对年内鲜果产量无显著影响,而年际变化存在显著差异,中高度、重度水分亏缺对鲜果产量及构成要素造成严重影响。本研究结果表明,灌水、施氮处理对油橄榄鲜果产量有极显著影响,水氮耦合处理对鲜果产量影响不显著;低氮、中氮条件下灌水量对产量影响不稳定,高氮条件下灌水量对产量有较强的正效应,但存在阈值。与上述研究结果不同可能是因为试验区气候条件不同。西班牙中部和智利马乌莱地区属于典型的地中海气候,冬季温暖多雨,夏季炎热干燥,年降雨量仅367 mm;龙泉山区属于亚热带季风气候,冬季温和多雨,夏季高温多雨、雨热同期,年降雨量达820 mm并且较多集中在夏季,这与地中海气候差异较大,会对油橄榄花芽分化、开花座果及果实产量、品质造成严重影响。

表10 基于综合评分法的油橄榄水氮耦合方案综合得分

灌水、施肥、水肥耦合处理对作物肥料偏生产力影响极显著[32]。施肥量一定,调节不同生育期施肥占比可提高作物产量和肥料偏生产力[33]。本研究结果表明,灌水、施氮处理对NPFP和iWUE影响极显著,水氮耦合处理对NPFP和iWUE影响不显著;相同施氮条件下,NPFP随灌水量的增加总体呈上升趋势;相同灌水条件下,NPFP随着施氮量的增加总体呈降低趋势。与上述结果存在差异的原因可能是不同作物对水、肥需求的关键期不同,水肥施用方式、施用量、施用阶段均会对作物的水肥吸收、利用与转化产生较大影响;不同营养元素对作物的响应不同,磷和钾参与植物糖类代谢,钾可加强植物对磷的吸收利用及光合产物的运输,促进植株体内氮代谢[34]。适宜的灌水量与施肥量耦合才能产生协同作用,促进水分与养分的吸收利用[35]。

本研究发现灌水、施氮、水氮耦合处理对棕榈油酸含量影响显著,水氮耦合对棕榈油酸含量的影响呈“单峰型”,能提高其含量,但存在阈值,这与张夸云等[36]得出“水肥调控可显著提高棕榈油酸含量”的结论不完全一致。其原因可能在于:油橄榄品种繁多,不同品种、树龄对不同的施肥方式、施肥时段以及化肥种类的响应规律存在较大差异。张夸云等[36]以雨养方式为对照,着重于探究单项或组合调控处理对油橄榄果实品质的影响。曲继鹏等[13]研究发现,低氮处理对橄榄油酸值和总多酚含量无显著影响;施氮量达到150 kg/hm2时会显著增加橄榄油酸值,降低总多酚含量;高氮处理会显著降低油酸含量,增加棕榈油酸、亚油酸含量。本研究结果表明灌水、施氮、水氮耦合处理对酸值影响显著,与上述结果不同的原因可能在于:二者氮肥梯度设置差异较大,前者氮肥梯度为0 kg/hm2、75 kg/hm2、150 kg/hm2、225 kg/hm2,氮肥施用量过低不能满足植株的需求,更无法在品质上体现出氮素的影响效果。

综上所述,水氮耦合对橄榄油品质的影响极显著(P<0.01),对鲜果产量和水氮利用效率的影响不显著(P>0.05)。N2I3处理的不饱和脂肪酸含量较高,为91.89%;N4I3处理的鲜果产量和灌溉水利用效率较高,分别为11 027 kg/hm2、85.22 kg/m3;N2I4处理的氮肥偏生产力较高,为66.00 kg/kg。依据综合评分法,N2I3处理得分最高(0.753);利用TOPSIS法进行橄榄油品质分析,N2I2处理的橄榄油品质最优。