不同矿化度微咸水灌溉对压砂地 欧李光合作用及产量品质的影响

张璐瑶，沈 晖,2,3，姚自凯，周海涛

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021； 3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021)

淡水资源短缺是世界性难题[1]，水资源供需不平衡的矛盾影响着农业和社会经济的可持续发展[2]，开发利用微咸水资源成为缓解淡水资源匮乏、扩大农业水源、抗旱增产的重要手段[3]。我国西北地区干旱少雨，蒸发强烈，淡水缺乏但蕴藏地下微咸水(矿化度在2～5 g/L)资源88.7 亿m3[4]，丰富的地下微咸水有很大的开发应用前景。西北地区农业是用水大户[5]，压砂地产业是西北地区的特色农业。“压砂地”又称“砂田”，是用不同粒径的砾石和粗砂覆盖在土壤表面以达到蓄水保墒、增温增渗等作用的独特的保护性耕作方式，宁夏中部干旱带环香山地区是以“压砂瓜”为主打的压砂地产业核心发展区之一，为当地农民带来巨大的经济效益。但压砂地老化及重茬种植等问题使得压砂地生产力下降，压砂瓜品质降低[6]，直接影响了农民的收入。为保持压砂产业的持续发展，提出了在香山地区引种欧李这一生态经济型灌木果树[7]。欧李是我国特有的一种小灌木果树，因果实富含人体易吸收的果酸钙又被称为“钙果”，具有抗寒、耐旱、耐贫瘠、耐盐碱、适应性强等特点[8]，适宜在干旱半干旱地区种植。欧李集观赏、食用、药用以及生态价值于一体，是适合在老压砂地引入的理想树种[9]。

利用微咸水灌溉对作物影响的研究一直备受国内外学者关注[3]，目前国内外学者对小麦、棉花和玉米等粮食作物的研究较多[10]，而微咸水灌溉对欧李的影响研究还很少，一些学者对盆栽盐胁迫条件下[11]和海滨盐土情况下[5]欧李的生长发育[12]和生理特性[13]进行了研究，研究结果欧李显示出了其耐盐性。本试验针对淡水资源短缺和老压砂地问题，在压砂地试验条件下探寻不同矿化度微咸水灌溉对压砂地欧李光合作用、产量及品质等的影响，以期为合理利用当地微咸水灌溉提供科学的理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年4-9月在宁夏中卫市兴仁镇拓寨柯村(北纬36°59′，东经105°15′)进行。该地属大陆性季风气候，平均海拔1 723 m，年均气温9.7 ℃，无霜期145 d。试验区地处宁夏中部干旱带的核心地区，干旱少雨，2017年降水量163.5 mm，其中4-9月降雨120.7 mm，占全年的73.8%；光热资源充足，太阳年总辐射量约为5 546.5 MJ/m2，光能利用最佳期4-9月，光辐射总量达3 518.1 MJ/m2，占全年的63.4%。

1.2 试验材料

欧李品种采用“农大5号”，2015年3月28日定植，行距1.5 m，株距0.8 m，种植密度556株/667 m2。供试大田为21年老压砂地，土质为砂壤土，砂石覆盖厚度15～25 cm，土壤为肥力较高的强碱性非盐渍化土，土壤基本理化性质见表1。田间持水率θf为23.7%。试验灌溉用水采用净化水和地下微咸水，水质情况如表2所示。

表1 供试土壤基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of the selected soil

表2 试验灌溉用水水质Tab.2 Quality of the irrigation water of test

1.3 试验设计

试验采用对比设计，在欧李种植方式、施肥量及田间管理等均相同的条件下，设置灌溉水矿化度分别为淡水0.22 g/L(T0)、混水2.35 g/L(T1)和微咸水4.07 g/L(T2)，共3个处理，其中T0为对照，每个处理3个重复，共9个小区(每个小区3株)。淡化水由当地咸水经宁夏大学自主研发的淡化咸水装置过滤后而成，矿化度为0.1～0.4 g/L；混水由当地地下水与净化后的淡水按比例配制而成。由于开花期灌水会降低坐果率，试验于开花期后根据当地降雨量及TDR观测土壤含水率情况确定灌水日期，于2017年6月16日(幼果期)、2017年7月16日(硬核期)和2017年8月3日(果实膨大期)灌水，灌水方式与当地欧李保持一致，采用补灌。2017年8月24日收获各处理果实，采收时将果实与结果枝一起剪下。试验各处理灌水方案如表3所示。

1.4 观测内容及方法

光合指标：选择晴朗天气，每个处理选取生长健康、长势一致、光照均匀的同位叶片，采用Li-6400便携式光合仪在2017年7月7日和2017年8月15日8∶00-18∶00每隔2 h测量一次欧李叶片的光合指标，得到净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)等光合指标，各处理求取两次测量平均值后绘制光合日变化曲线。

表3 不同矿化度微咸水灌溉试验方案Tab.3 Experiment scheme on irrigating with brackish water in different salinity

叶绿素相对含量：在每株试验欧李中层选取5片叶子，采用便携式SPAD-502叶绿素仪测定试验其叶片中部的SPAD值。取5片叶子的平均值作为该株欧李叶片叶绿素相对含量。测量时间为2017年7月5日(硬核期)、2017年7月30日(果实膨大期)和2017年8月23日(成熟期)。

单位面积产量：收获欧李果实后，量取各小区果实产量，单位面积产量=小区产量÷小区株数×种植密度。

单果重：各小区果实各自混合均匀后，分别随机选取100颗果实称重，称取数值除以100得出单果重。

品质：果实采摘后送至农产品检测中心依据国家标准对钙含量(GB/T5009.92-2016，火焰原子吸收光谱法)、可溶性固形物(NY/T2637-2014)、维生素C(GB5009.86-2016， 2，6-二氯靛酚滴定法)、可溶性蛋白质(考马斯亮蓝法)、总酸(GB/T12456-2008，酸碱滴定法)和总糖(GB/T18672-2014)等品质指标进行化验。

1.5 数据分析

叶片水分利用效率(WUE)通过Pn/Tr计算，其中Pn为叶片净光合速率，Tr为蒸腾速率。

灌溉水分生产效率采用各试验小区单位面积产量除以灌溉定额得出。

统计分析和显著性采用DPS v7.05统计分析软件完成，数据计算和绘图采用Microsoft Excel 2016完成。

2 结果与分析

2.1 不同矿化度微咸水灌溉对压砂地欧李光合作用日变化的影响

2.1.1不同矿化度微咸水灌溉对压砂地欧李气孔导度Gs日变化的影响

各处理气孔导度Gs日变化呈“M”型双峰曲线，存在明显的“午休”现象。8∶00左右欧李的Gs值还较低，随着光照辐射的加强及气温上升，欧李光合作用和呼吸作用增强，气孔张开以吸收并排出气体，气孔导度缓慢增大，并于10∶00左右出现第一个峰值。但10∶00之后光合有效辐射的增强、大气中相对湿度降低和高温下强烈的蒸腾失水引起植株体内水分过少，通过关闭气孔减少水分蒸腾并降低自身温[6]，欧李植株降低气孔导度，即“光合午休”现象，此现象一直持续到14∶00左右，并在此时出现谷值。14∶00之后强光和高温消除，气孔导度恢复正常，气孔导度上升并于16:00左右出现次高峰。16∶00之后光照辐射减弱气温降低，光合作用和呼吸作用减弱，气孔导度降低。

图1 不同处理欧李叶片气孔导度日变化Fig.1 Influence on Gs of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity

各处理Gs值表现为T0>T1>T2，T0处理、T1处理和T2处理的Gs日均值分别为0.1212 mol/(m2·s)、0.114 6 mol/(m2·s)和0.104 7 mol/(m2·s)，T1处理和T2处理Gs日均值低于T0处理5.39%和13.59%。

2.1.2不同矿化度微咸水灌溉对压砂地欧李净光合速率Pn日变化的影响

净光合速率Pn日变化呈“M”型双峰曲线，伴有光合“午休”现象。从8∶00开始，光照辐射逐渐增强，欧李净光合速率显著上升，在10∶00左右出现第一个峰值。10:00之后由于光照辐射太强、温度过高，气孔导度降低，欧李叶片CO2吸收量和水蒸气排放量减少，净光合速率降低，在14∶00左右出现低谷。随后由于光照气温降低到正常水平，气孔导度升高，净光合速率上升，16:00左右净光合速率出现次高峰。16:00之后光照辐射强度降低，叶片净光合速率降低。

各处理Pn值表现为T0>T1>T2，T0处理、T1处理和T2处理的Pn日均值分别为26.32、24.65和22.20 μmol/(m2·s)，T1处理和T2处理Pn日均值低于T0处理6.35%和15.65%。

图2 不同处理欧李叶片净光合速率日变化Fig.2 Influence on Pn of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity

2.1.3不同矿化度微咸水灌溉对压砂地欧李蒸腾速率Tr日变化的影响

蒸腾速率日变化呈“M”型双峰曲线。8∶00-10∶00随着温度升高、光照强度增强、气孔导度增加，欧李叶片蒸腾速率迅速增加。10∶00-12∶00温度过高、光照过强，欧李叶片气孔导度降低，蒸腾速率升速降低，Tr的第一次峰值出现在12∶00左右。12∶00-14∶00，随着气孔导度持续降低，Tr值下降，于14∶00左右出现低谷。14∶00之后随着温度降低和光照辐射减弱，气孔导度增加，Tr值回升，于16∶00出现第二个峰值。16:00之后随着温度降低，欧李叶片气孔导度降低，蒸腾速率下降。

各处理Tr值表现为T0>T1>T2，T0处理、T1处理和T2处理的Tr日均值分别为8.18、7.91和7.57 mmol/(m2·s)，T1处理和T2处理Tr日均值低于T0处理3.38%和7.50%。

图3 不同处理欧李叶片蒸腾速率日变化Fig.3 Influence on Tr of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity

2.1.4不同矿化度微咸水灌溉对压砂地欧李叶片水分利用效率WUE日变化的影响

叶片水分利用效率WUE表现为净光合速率CO2同化量与蒸腾作用水分释放量的比值，欧李对不同矿化度微咸水灌溉的叶片水分利用效率呈规律性变化。叶片水分利用效率日变化“M”型双峰曲线，8∶00-10∶00由于净光合作用的显著增加，叶片水分利用效率增加，于10∶00左右出现第一个峰值。10∶00-14∶00，净光合作用持续降低，但蒸腾速率处于较高水平，叶片水分利用效率降低。于14∶00左右出现低谷。14∶00-16∶00净光合速率回升，而蒸腾速率回升幅度小，叶片水分利用效率于16∶00左右出现第二个峰值，之后逐步降低。

图4 不同处理欧李叶片水分利用效率日变化Fig.4 Influence on WUE of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity

各处理WUE值表现为T0>T1>T2，T0处理、T1处理和T2处理的WUE日均值分别3.21、3.10和2.93 μmol/mmol，T1处理和T2处理WUE日均值低于T0处理3.41%和8.98%。

2.1.5不同矿化度微咸水灌溉对压砂地欧李胞间CO2浓度Ci日变化的影响

欧李叶片的胞间CO2浓度日变化呈“W”型双谷曲线。在8∶00左右Ci值最大，8∶00-10∶00随着欧李净光合速率增加，固定CO2能力增减，胞间CO2浓度降低，在10∶00左右出现第一个低谷。随后由于光合“午休”现象，气孔导度和净光合速率降低，胞间CO2浓度增加，于14∶00左右到达高峰。14∶00之后光合午休现象解除，气孔导度和净光合速率增加，Ci值下降，于16∶00出现第二个谷值。16∶00之后温度降低、光照辐射减弱，气孔导度和净光合速率降低，Ci值逐渐升高。Ci值规律与气孔导度、净光合速率和蒸腾速率相反。

图5 不同处理欧李叶片胞间CO2浓度日变化Fig.5 Influence on Ci of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity

各处理Ci值表现为T0

2.2 不同矿化度微咸水灌溉对压砂地欧李叶绿素相对含量的影响

叶绿素是植物吸收土壤的水分、养分及大气光能等能量而转化为植物同化物质的主要指标[14]。从图3不同矿化度微咸水灌溉对压砂地欧李叶绿素相对含量的影响可以看出，随着生育期的推进，叶片中叶绿素相对含量呈先增加后降低趋势；各处理果实膨大期SPAD值较大，这主要是由于果实膨大期植株体内水分运输加快，促进植株吸收水分、养分、光合等能量，叶绿素合成量增加，分解量降低；随着生育期的推进，T0、T1、T2叶片中叶绿素相对含量差异显著性逐渐增大，这与胁迫时间的增加有关。

各处理中SPAD三次测量均值T0(49.67)>T1(48.77)>T2(47.56)，T1处理比T0处理SPAD值降低1.82%，T2处理比T0处理SPAD值降低4.44%。各处理中SPAD值随灌水矿化度的增加而降低，灌水矿化度增加，土壤中盐分积累增加，植株吸收土壤中水分和养分受阻，抑制叶片叶绿素的生成，同时加快了叶绿素的分解。T0处理和T1处理均与T2处理存在显著差异(p<0.05)，T0处理与T1处理差异不显著(p>0.05)。在试验因素设计范围内，选用矿化度2.35 g/L微咸水灌溉使欧李SPAD值与淡水灌溉无显著差异。

图6 不同处理欧李叶片叶绿素相对含量Fig.6 Influence on SPAD of Cerasus humilis blade irrigating with brackish water in different salinity water 注：不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，下同，图中字母为3个时期分别分析所得。

2.3 不同矿化度微咸水灌溉对压砂地欧李产量及灌溉水分生产效率的影响

表4为不同矿化度微咸水灌溉对压砂地欧李产量(单位面积产量、单果重)及灌溉生产效率的影响。从表4可知，各处理中单果重表现为T0>T1>T2，T1处理比T0处理单果重降低0.94%，T2处理比T0处理单果重降低3.34%。T0处理与T1处理单果重差异不显著(p>0.05)，T0处理和T1处理均与T2处理单果重存在显著差异(p<0.05)。在试验因素设计范围内，选用矿化度2.35 g/L微咸水灌溉使欧李单果重与淡水灌溉无显著差异。

表4 不同矿化度微咸水灌溉对欧李产量及灌溉水分生产效率的影响Tab.4 Influence on yield and irrigation water production of the Cerasus humilis irrigating with brackish water in different salinity

注：产值=产量×6元/kg。

各处理中单位面积产量和灌溉水分生产效率表现为T0>T1>T2，T1处理比T0处理单位面积产量和灌溉水分生产效率降低5.57%，T2处理比T0处理单位面积产量和灌溉水分生产效率降低17.34%。T0处理与T1处理单位面积产量和灌溉水分生产效率差异不显著(p>0.05)，T0处理和T1处理均与T2处理单位面积产量和灌溉水分生产效率存在显著差异(p<0.05)。在试验因素设计范围内，选用矿化度2.35 g/L微咸水灌溉使欧李单位面积产量和灌溉水分生产效率与淡水灌溉无显著差异。

2.4 不同矿化度微咸水灌溉对压砂地欧李果实品质的影响

不同矿化度微咸水灌溉对压砂地欧李果实品质的影响如表5所示。

表5 不同矿化度微咸水灌溉对欧李果实品质的影响Tab.5 Influence on fruit of the Cerasus humilis irrigating with brackish water in different salinity

不同处理果实中维生素C表现为T2>T1>T0，T2处理高于T0处理12.61%，T1处理高于T0处理4.92%；T2处理维生素C明显高于T1和T0处理(p<0.05)，T1处理与T0处理差异不显著(p>0.05)。不同处理果实中可溶性固形物表现为T2>T1>T0，T2处理高于T0处理12.69%，T1处理高于T0处理6.35%；T2处理可溶性固形物明显高于T0处理(p<0.05)。不同处理果实中钙含量表现为T2>T1>T0，T2处理高于T0处理73.42%，T1处理高于T0处理27.48%；T2处理钙含量明显高于T1处理(p<0.05)，T1处理钙含量明显高于T0处理(p<0.05)。不同处理果实中可溶性蛋白表现为T1>T2>T0，T1处理高于T0处理70.00%，T2处理高于T0处理30.00%；T1处理可溶性蛋白明显高于T2处理(p<0.05)，T2处理可溶性蛋白明显高于T0处理(p<0.05)。不同处理中果实总糖表现为T2>T1>T0，T2处理高于T0处理8.67%，T1处理高于T0处理6.22%；各处理果实中总糖差异不显著(p>0.05)。不同处理果实中总酸表现为T2T1>T0，T2处理高于T0处理17.04%，T1处理高于T0处理9.73%；T2处理糖酸比明显高于T0处理(p<0.05)。

在本试验中，灌溉水矿化度4.07 g/L时欧李果实中维生素C、可溶性固形物、钙含量和糖酸比最高；灌溉水矿化度2.35 g/L时欧李果实中可溶性蛋白最高。说明利用当地微咸水灌溉可显著提高欧李果实品质。

3 结论与展望

(1)欧李光合响应呈规律性变化，Gs、Pn、Tr和WUE日变化呈现T0>T1>T2，Ci日变化表现为T0

(2)欧李叶绿素相对含量、单果重、单位面积产量和水分利用效率表现为T0>T1>T2，其中T0处理与T1处理差异不显著，T0处理、T1处理均与T2处理存在显著差异。

(3)欧李果实维生素C、可溶性固形物、钙含量和糖酸比等品质指标表现为T2>T1>T0，T2处理与T0处理存在差异显著性；果实中可溶性蛋白表现为T1>T2>T0，T1处理与T2处理存在差异显著性，T2处理与T0处理存在差异显著性。微咸水灌溉会提高果实品质，其中矿化度4.07 g/L时，果实综合品质最好。

(4)利用矿化度2.35 g/L左右的微咸水灌溉对压砂地欧李叶绿素相对含量、单果重、单位面积产量和灌溉水分生产效率等指标与淡水灌溉相比均无差异显著性，果实中可溶性蛋白最优，因此认为2.35 g/L左右的矿化度是该区适宜的微咸水灌溉矿化度。

(5)利用当地地下水(矿化度4.07 g/L)灌溉使欧李叶绿素相对含量、单果重、单位面积产量和灌溉水分生产效率等指标与淡水灌溉相比显著降低，但未达到耐盐阈值；果实维生素C、可溶性固形物、钙、可溶性蛋白、糖酸比等品质指标显著提升。因此认为利用当地地下微咸水灌溉也是可行的。

在大田试验条件下，利用矿化度4.07 g/L微咸水对宁夏压砂地产业区欧李进行灌溉，研究发现欧李未达到耐盐阈值，后期可进一步利用5 g/L以上的咸水灌溉欧李，对欧李的耐盐阈值进行研究。