微咸水喷灌对冬小麦光合特性·根系分布及产量的影响

石丽丽 冯亚 王罕博陈文彬 宋平 焦艳平 王铁强 张栓堂

摘要  為了探究合理的微咸水利用方式，因地制宜制定合理的微咸水喷灌策略，依托河北低平原咸水区试验站，通过田间小区试验探究连续2年淡水喷灌、2 g/L和 3 g/L矿化度微咸水喷灌对河北低平原地区冬小麦叶片光合特性、根系分布及产量的影响。结果表明：与淡水喷灌（CK）相比，2、3 g/L矿化度微咸水喷灌处理2020和2021年冬小麦灌浆期叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、叶片水分利用效率（LWUE）和气孔限制值（Ls）均有所降低。与淡水灌溉相比，2 g/L矿化度微咸水处理总体上并未对冬小麦的生长和产量造成显著影响，3 g/L矿化度微咸水处理对冬小麦的生长以及产量造成显著抑制作用，并且盐分的累积进一步加重了次年对冬小麦生长的抑制作用。该研究结果表明在河北低平原淡水资源相对缺乏的地区应用微咸水喷灌可以在一定程度上缓解当地干旱胁迫对冬小麦生产的影响，2 g/L矿化度微咸水喷灌在缓解农业用水紧张的同时可以减缓盐分累积对冬小麦生长和产量的抑制作用，保障正常的农业生产活动。

关键词  微咸水；冬小麦；光合特性；根长密度；产量

中图分类号  S275.5  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）09-0170-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.09.038

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Brackish Water Sprinkler Irrigation on the Photosynthetic Characteristics， Root Distribution and Yield of Winter Wheat

SHI Li-li1， FENG Ya2， WANG Han-bo3， 4 et al

（1.Hebei Water and Soil Conservation Work Station， Shijiazhuang， Hebei 050011;2.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081;3.Hebei Academy of Water Resources， Shijiazhuang， Hebei 050011;4.Hebei Technology Innovation Center of Agricultural Water Saving， Shijiazhuang， Hebei 050011）

Abstract  In order to explore the rational utilization method of brackish water and formulate a reasonable sprinkler irrigation mechanism of brackish water， based on the experimental station in Hebei low-plain salt water area， the effects of freshwater sprinkler irrigation，2 g/L and 3 g/L salinity brackish water sprinkling irrigation on the leaf photosynthesis characteristics， root distribution and yield of winter wheat were studied through two consecutive years of field plot experiment.The results showed that compared with freshwater sprinkler irrigation（CK），the leaf net photosynthetic rate（Pn），transpiration rate （Tr），leaf water use efficiency （LWUE） and limited value of stomatal （Ls） of winter wheat in grain-filling stage in 2020 and 2021 in the brackish water sprinkling irrigation treatments with the mineralization degree of 2 g/L and 3 g/L all decreased than those in freshwater sprinkler irrigation（CK）. Compared with freshwater sprinkler irrigation，2 g/L brackish water treatments had no significant effect on the growth and yield of winter wheat， while 3 g/L saline water treatment significantly inhibited the growth and yield of winter wheat，and the accumulation of salt further inhibited the growth of winter wheat in the second year.The research results indicated that the application of brackish water sprinkler irrigation could alleviate the effects of drought stress on the production of winter wheat in the low-plain areas of Hebei which was lack of freshwater resources to a certain extent. 2 g/L The saline water sprinkler irrigation with the mineralization degree of 2 g/L could relieve the water shortage in agriculture，but it also could reduce the inhibition of salt accumulation on the growth and yield of winter wheat，and ensure normal agricultural production activities.

Key words  Brackish water;Winter wheat;Photosynthetic characteristics;Root lenth density;Yield

基金项目  国家重点研发计划项目（2016YFC0401403）；河北省重点研发计划项目（22374205D）；河北省水利科技计划项目（2016-77，2020-07，2022-20）。

作者简介  石丽丽（1981—），女，黑龙江牡丹江人，高级工程师，博士，从事水土保持与农田水利研究。

*通信作者，高级工程师，博士，从事农田水利及土壤学等方面的研究。

收稿日期  2023-04-27

我国是世界上淡水资源严重缺乏的国家之一。2017年第三次全国农业普查数据显示，我国干旱、半干旱和无灌溉条件的旱作耕地面积超过全国总耕地面积的50%［1］。然而，近年来我国对粮食需求的不断增长以及农业淡水资源的匮乏给我国粮食生产带来了巨大挑战。基于现有农业水资源匮乏的现状，寻求可替代的农业灌溉水是实现我国农业可持续发展的重要举措。河北低平原地区位于河北省东南部，属半干旱季风气候，常年降雨量不足，是华北平原的干旱中心［2］。但是，该地区地下咸水资源比较丰富，约1 700亿m3，主要为2～3 g/L矿化度的微咸水，每年可开采资源量约占总储量的1.3%［3］。因此，合理开发利用当地微咸水资源可以在一定程度上缓解我国农业用水资源短缺的问题，对于维持农业高效生产等具有非常重要的意义。

微咸水喷灌是将天然咸水和淡水按照一定的比例混合成不同矿化度的微咸水进行喷灌的农业节水技术。微咸水喷灌在缓解农业用水供需矛盾的同时，对粮食作物的生理性状及产量也有一定影响。冬小麦是我国北方重要的粮食作物之一，其耐盐阈值为6.0 dS/m，属于中度耐盐作物［4］。探究冬小麦对盐分胁迫的耐受度，对于我国北方干旱半干旱地区实施微咸水灌溉具有重要的参考依据。陈芝芸［5］研究表明在河北中东部干旱地区应用咸水与淡水混合浇灌技术配以雨季排水洗盐可使小麦平均产量增加60%以上。张余良等［6］在天津干旱地区开展的小区试验结果表明，微咸水灌溉能够提高冬小麦的生物产量和经济产量，灌浆期使用矿化度4.5 g/L的混合水灌溉可使小麦产量提高14.21%。龚雨田等［7］在天津地区的试验表明矿化度1、2 g/L微咸水灌溉提高了小麦产量，矿化度4、5 g/L微咸水灌溉大幅度降低了小麦产量。由此可见，灌溉区土壤环境与微咸水矿化度对冬小麦的产量具有显著影响。这主要归因于不合理的微咸水灌溉导致土壤盐分累积，造成土壤盐渍化，进而改变作物根系的形成与分布，影响其生长发育和产量。研究表明，使用矿化度3 g/L的微咸水灌溉顯著增加了根层土体含盐量［8］，降低了小麦的根长密度［9］，阻碍了根系对营养元素的吸收［10］，损害了冬小麦的叶片结构，最终导致冬小麦早熟和减产［11］。大量研究表明，合理矿化度的微咸水作为农业灌溉用水，可在不影响土壤和作物的前提下起到节约淡水资源的作用。庞桂斌等［12］在黄河三角洲黄灌区的研究表明，采用矿化度3 g/L的微咸水灌溉会降低冬小麦叶片的气孔导度和蒸腾速率，但其对冬小麦叶片的净光合速率没有明显影响，并能实现粮食增产11.2%～11.4%。因此，探究河北低平原地区微咸水喷灌处理下冬小麦叶片光合特性、根系分布及产量对于该地区合理高效利用微咸水资源、保障粮食正常生产具有实际意义。

笔者选择冬小麦作为研究对象，连续2年进行微咸水喷灌田间试验，通过探究不同矿化度的微咸水灌溉对冬小麦叶片光合特性、地下0～60 cm根系分布和产量的影响，寻求适合当地冬小麦灌溉的微咸水矿化度，以期为河北低平原地区咸水资源的开发利用以及灌溉农业的可持续发展提供参考依据。

1  材料与方法

1.1  试验地概况

试验于2019—2021年在黑龙港流域中部平原区（河北省衡水市深州市榆科镇东四王村）衡水灌溉试验站冬小麦-夏玉米连续微咸水灌溉长期定位试验基地（115°38′33″E，37°59′09″N，海拔26 m）进行，该地区浅层地下水埋深在10 m左右。气象资料从该站点小型气象站（天圻智慧型气象站ET007）获取，该地多年平均气温12.8 ℃，年降水量512.5 mm，其中夏季 6—8月降水量占全年降水量的70%左右，年蒸发量为 1 785.4 mm。试验地土壤为潮土类黏壤，0～40 cm土壤含盐量0.04％，>40～120 cm土壤含盐量 0.05％，属于非盐渍化水平。0～20 cm耕作层土壤的基本理化性质如下：有机质含量11.79 g/kg，pH 8.26，土壤电导率176 μS/cm，碱解氮、硝态氮和铵态氮含量分别为58.94、9.86和4.21 mg/kg。

1.2  试验设计

该试验所用冬小麦品种为当地主推的石家庄8号，该品种在此前的微咸水灌溉试验中表现突出［13］，且具有抗旱、节水等优点，适宜在黑龙港流域麦区、冀中北等地区大范围种植［14］。播种时间分别为2019年10月12日和 2020年10月13日，收获时间分别为2020年6月3日和2021年6月7日，农业技术措施同当地大田。

根据《农田灌溉水质标准》，将当地开采的地下咸水和淡水按照一定比例混合后进行喷灌，根据不同矿化度设置淡水喷灌（CK，矿化度0.5 g/L）、2 g/L矿化度微咸水喷灌和3 g/L矿化度微咸水喷灌3个处理，每个处理9个重复，随机区组布置。在冬小麦播种前配置水肥一体化设备，每个处理施肥量一致。根据实验站天气情况，当土壤田间持水量低于70%时进行灌水，2020年3月15日和2021年3月19日进行喷灌处理，每次灌水量定额700 m3/hm2。

1.3  测定指标与方法

1.3.1  光合指标测定。在冬小麦抽穗期和灌浆期，每个小区随机选取10株长势相似的小麦植株，在晴朗天气上午09：00—11：00，采用 SPAD-520（美能达，日本）叶绿素测定仪对小麦植株旗叶（主茎上自下而上倒数第一片完全展开叶）叶绿素相对含量（SPAD）进行测定，采用SunScan冠层分析仪（Delta-Dexices，英国）测定光合有效辐射（PAR），测量位置为距离冠层顶部15 cm处。

每个小区选取10株长势相似的植株，使用LI-6400（LI-COR，美国）便携式光合作用测量系统测定抽穗期和灌浆期冬小麦旗叶净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO2浓度（Ci），并计算叶片气孔限制值（Ls=1-Ci/Ca）和叶片瞬时水分利用效率（LWUE=Pn/Tr）［15］。其中，Ca为大气CO2摩尔分数，单位μmol/mol。

1.3.2  小麦根系测定。在小麦抽穗期和灌浆期用根钻在行间和行内进行根系取样。每个小区分为0～20、>20～40和>40～60 cm 3个土层，将每层3个点土样混匀后置于孔径0.5 mm的网袋中分离洗净，去除杂质后，利用根系扫描仪进行不同深度根系扫描，应用软件Win-RHIZO（Regent，加拿大）识别并分析根系形态结构数据，根据土芯体积和根系总长计算根长密度（RLD）［15］。然后，将根置于烘箱中105 ℃烘干至恒重，使用电子分析天平称重，并计算根干重密度（DRWD）［15］。

1.3.3  考种测产。冬小麦成熟后，在各处理区随机选取长势一致、面积2 m×2 m的小麦进行产量测算，每个处理3个重复。先统计总植株穗数，再从中选出20株长势均匀一致、具有代表性的麦穗，测定穗长、穗粒数、单株穗鲜重、单株穗干重、成穗数等指标；最后，将2 m×2 m范围内的所有麦穗打出籽粒，称重并计算千粒重和产量。

1.4  数据统计与分析

使用Excel 2021和SPSS 22软件进行数据统计和差异显著性分析，使用Origin 2021软件进行绘图。利用LSD法对试验数据进行差异显著性分析，P<0.05表示差异显著。

2  结果与分析

2.1  微咸水喷灌对冬小麦叶片光合特性的影响

2.1.1

旗叶叶绿素相对含量和光合有效辐射。通过对抽穗期和灌浆期冬小麦叶绿素相对含量（SPAD）和光合有效辐射（PAR）的测定发现，与淡水喷灌（CK）相比，经过不同矿化度微咸水喷灌冬小麦SPAD和PAR明显降低。从图1可以看出，与CK相比，2、3 g/L矿化度微咸水喷灌处理2020年和2021年2个时期SPAD平均值分别降低3.95%和20.48%，5.22%和20.75%；与CK相比，2、3 g/L矿化度处理2020和2021年2个时期PAR平均值分别降低了3.10%和21.95%，2.37%和19.19%。3 g/L矿化度处理冬小麦抽穗期和灌浆期叶片的光合能力与2 g/L矿化度处理相比显著降低。

2.1.2

冬小麦不同时期叶片光合特征参数。由表1可知，小麦抽穗期叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、叶片水分利用效率（LWUE）和气孔限制值（Ls）均随着微咸水矿化度的升高而降低。其中，与CK和2 g/L矿化度处理相比，2020

年3 g/L矿化度微咸水喷灌处理的Pn、Tr、LWUE和Ls分别

降低了36.51%和35.07%，16.11%和11.35%，18.09%和13.42%，31.37%和28.57%，均存在显著差异（P<0.05）；CK和2 g/L矿化度处理2020和2021年Pn、Tr、LWUE和Ls均无显著差异（P>0.05）。与2020年抽穗期相比，2021年抽穗期同一处理小麦叶片Pn、Ci、LWUE和Ls均无显著差异（P>0.05）。胞间CO2浓度（Ci）随着微咸水矿化度的升高而升高，3 g/L矿化度处理2021年抽穗期与2020年同时期测定的Ci无显著差异（P>0.05）。这也说明高矿化度微咸水灌溉提高了冬小麦胞间CO2的利用率，使光合作用所能利用的CO2减少，从而降低了冬小麦的净光合速率。

由表2可知，3 g/L矿化度微咸水喷灌后2020和2021年灌浆期冬小麦叶片的Pn、LWUE和Ls均显著低于其他2个处理（P<0.05），2020年和2021年灌浆期冬小麦叶片的Pn、LWUE和Ls与CK相比分别降低了42.54%和51.68%，15.57%和25.14%，26.19%和31.25%。2 g/L矿化度微咸水喷灌处理2020年灌浆期小麦叶片光合特征参数与CK相比差异均不显著（P>0.05），2021年灌浆期2 g/L矿化度处理Ci与CK相比降低了2.06%。这些结果表明2 g/L矿化度微咸水喷灌对冬小麦叶片光合特征参数的影响较小，而3 g/L矿化度微咸水喷灌对冬小麦叶片光合特征参数的影响较大。与抽穗期相比，灌浆期小麦叶片光合能力略有下降，说明小麦抽穗期后叶片进入衰老阶段，光合能力有所下降。

2.2  微咸水喷灌对冬小麦根系分布的影响

2.2.1  根长密度。不同矿化度微咸水喷灌处理下2020年和2021年冬小麦抽穗期和灌浆期0～60 cm土层深度根长密度（RLD）见图2。从图2可以看出，2020—2021年抽穗期和灌浆期微咸水喷灌处理冬小麦RLD在行内和行间均随着土层深度的增加而降低。同一土层内，随着矿化度的增加，2020和2021年冬小麦RLD在行内和行间均出现不同程度下降。与淡水喷灌（CK）相比，2、3 g/L矿化度喷灌处理0～60 cm土层冬小麦RLD在2020年抽穗期和灌浆期行内和行间平均降幅分别为37.34%和38.58%，22.95%和24.50%；与CK相比，2、3 g/L矿化度处理RLD在2021年抽穗期和灌浆期行内和行间平均降幅分别为30.57%和35.86%，22.45%和23.84%。与淡水喷灌处理（CK）相比，2020和2021年2 g/L矿化度处理0～60 cm土层冬小麦行内和行间RLD没有显著差异（P>0.05），3 g/L矿化度处理0～60 cm土层冬小麦行内和行間RLD均存在显著差异（P<0.05）。

2.2.2  根干重密度。微咸水喷灌处理对冬小麦根干重密度的影响如图3所示。从图3可以看出，2020年抽穗期和灌浆期0～60 cm土层冬小麦行内和行间根干重密度（DRWD）随着土层深度的增加而减小。与淡水喷灌处理（CK）相比，2 g/L矿化度处理0～60 cm土层冬小麦在2020年抽穗期和灌浆期行内DRWD分别降低了23.47%和17.43%，行间DRWD分别降低了11.41%和18.59%（P>0.05）。与CK相比，3 g/L矿化度处理冬小麦在2020年抽穗期和灌浆期行内DRWD分别降低了24.89%和19.77%，行间DRWD分别降低了6.35%和14.27%（P>0.05）。此外，2021年0～60 cm土层冬小麦2、3 g/L矿化度处理DRWD较CK的降幅与2020年相比不存在显著差异（P>0.05）。这说明连续2年微咸水喷灌对冬小麦根系分布没有显著影响。

2.3   微咸水喷灌对冬小麦产量的影响

表3为连续2年不同矿化度微咸水喷灌处理下冬小麦产量及其构成因素。从表3可以看出，2020—2021年冬小麦产量随着微咸水矿化度的增加而减少。与淡水喷灌处理（CK）相比，2 g/L矿化度处理2020年和2021年冬小麦的产量分别降低了3.54%和2.35%，3 g/L矿化度处理冬小麦2020年和2021年的产量分别降低了17.28%和16.08%（P<0.05）。不同处理小麦穗粒数、千粒重、单株穗鲜重、单株穗干重以及成穗数的变化趋势与产量相一致。与CK相比，2 g/L矿化度微咸水处理2020—2021年的冬小麦穗粒数、千粒重和单株穗干重分别降低了0.53%和0.36%、1.64%和1.85%，7.82%和6.33%。与CK相比，3 g/L矿化度微咸水处理2020年和2021年的冬小麦成穗数和产量分别降低了21.16%和24.45%，17.28%和16.08%（P<0.05）。2020—2021年不同矿化度处理冬小麦穗长与CK相比差异不显著（P>0.05）。这一结果与王罕博等［2］的研究结果相一致。

与2020年相比，2021年微咸水喷灌处理冬小麦产量及其构成因素均发生不同程度降低。与2020年相比，2021年淡水喷灌（CK）、2 g/L和3 g/L矿化度处理冬小麦产量分别降低了2.38%、1.17%和0.96%，千粒重分别降低了0.14%、0.36%和0.40%，2020—2021年淡水喷灌（CK）和3 g/L矿化度处理冬小麦千粒重存在显著差异。这表明高矿化度微咸水连续喷灌不利于冬小麦产量的提高。因此，探究合适矿化度的微咸水喷灌对于保障当地冬小麦生产具有重要意义。

3  讨论

合理的微咸水灌溉模式不仅有利于缓解因水资源短缺造成的农田干旱问题，而且对地下水资源更新和淡水资源储备具有一定的促进作用。然而，不同矿化度微咸水在实际应用中除了起到给土壤和作物补充水分的作用外，还会带盐分和其他离子进入土壤，导致作物根区盐分累积，从而降低了土壤、作物根系、作物叶片之间养分和水分的传输，对冬小麦根系的形成、分布及功能产生一定影响，盐分累积严重时会导致叶片细胞膨压降低，细胞扩张速度缓慢，破坏植株叶绿体，抑制生长速度和光合作用，最终影响冬小麦的生长与产量。因此，探究合理矿化度的微咸水喷灌模式才能达到节约淡水资源且不影响正常农业生产的目的。微咸水喷灌下大部分作物叶片受到伤害是由于吸收盐分所致。研究表明，盐分会破坏作物叶片的叶绿体结构，降低气孔导度，从而降低叶片光合效率［16-17］。研究发现，当土壤中的盐分超过作物耐受值时会导致盐分胁迫，降低叶片光合作用［10，18-20］。吴永波等［21］研究表明，随着NaCl浓度的增加，3种不同品种白蜡树的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均有所下降。张川红等［22］对国槐和核桃的研究表明盐分累积会破坏反应中心的叶绿素a，造成植物净光合速率下降。郝远远等［23］和郑春莲等［24］研究发现当微咸水矿化度≥3 g/L时会对玉米叶片光合作用及生产发育产生不可逆的损害。张立志［11］研究表明盐分的累积削弱了冬小麦光能转化和光能利用潜力，最终降低了叶片的光合作用。该研究结果表明虽然与淡水喷灌处理相比，2、3 g/L矿化度微咸水喷灌降低了冬小麦2020—2021年抽穗期与灌浆期的叶绿素相对含量与光合有效辐射。

根系是作物吸收养分与水分的第一重要器官，且冬小麦属于深根系作物，因此冬小麦根系的形态分布对其生长发育具有重要作用。王萍等［25］研究表明随着土壤盐分含量的增加，小麦苗高、地上干重、根重和根数呈下降趋势。其主要机制包括盐胁迫下作物产生的大量活性氧会造成氧化胁迫，引起细胞膜脂过氧化和蛋白质被破坏，最终影响作物根系的正常生长发育，严重时甚至导致植株死亡［26］。该研究结果表明，随着喷灌用水矿化度的升高，冬小麦抽穗期和灌浆期的根长密度和根干重密度有所下降，尤其是3 g/L矿化度微咸水喷灌处理。由此可见，矿化度过高的微咸水喷灌处理容易造成土壤养分累积，从而破坏作物根系的正常生长。

高矿化度微咸水喷灌处理影响了小麦根系的正常生长，降低了叶片净光合速率，容易造成小麦减产。研究表明，≤3 g/L矿化度的混合水可以有效缓解干旱，并保障作物产量的稳定［27-29］。由此可见，合理利用微咸水喷灌可以有效缓解干旱和盐分积累带来的作物减产。该研究结果发现，2 g/L矿化度微咸水喷灌处理2020和2021年冬小麦产量略低于淡水喷灌（P>0.05），3 g/L矿化度处理的冬小麦产量与淡水喷灌处理相比显著下降（P<0.05）。 因此，建議河北低平原小麦种植区选用矿化度不超过2 g/L的微咸水喷灌，在保障较高产量的前提下实现咸水资源的合理利用。

4  结论

（1）与淡水喷灌相比，2、3 g/L矿化度微咸水喷灌处理均降低了抽穗期和灌浆期冬小麦旗叶叶绿素相对含量、光合有效辐射和抽穗期叶片的光合能力。

（2）与淡水喷灌（CK）相比，在同一土层内，随着微咸水矿化度的增加，冬小麦根长密度和根干重密度在行内和行间均呈现不同程度下降，但是2 g/L微咸水喷灌处理下冬小麦根长密度和根干重密度并没有表现出显著差异。此外，2年连续微咸水噴灌对冬小麦根系分布无显著影响。

（3）连续2年微咸水喷灌对冬小麦穗长无显著影响，穗粒数、单株穗鲜重、单株穗干重和产量则随着微咸水矿化度的增加而降低，其中2 g/L微咸水喷灌处理对冬小麦产量并没有显著影响。综合考虑微咸水喷灌对冬小麦的影响，建议研究区冬小麦微咸水矿化度不宜超过2 g/L，且不宜连续多年进行喷灌，应积极配合淡水洗盐等措施，从而保证在缓解农业用水的同时减少其对冬小麦产量的影响。

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