苦豆子绿肥对甜瓜光合性能日变化及品质的影响

齐晓晨，叶祖鹏，赵 库，韩 伟，陈波浪

（新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

甜瓜喜温、耐热、怕低温，栽培历史悠久，是新疆重要的经济作物，至2016年新疆甜瓜种植面积已达到 8.22 万 hm2，产量为 292 万 t［1］。目前甜瓜的增产主要依靠化肥的高度投入［2］，该方法虽在短期内获得了较高的经济效益，但同时造成了土壤退化、资源耗竭、环境污染等诸多负面影响［3］，难以保障甜瓜种植效益的可持续提升［4］。绿肥是一种清洁有机肥源，翻压后能增加土壤可溶性有机物［5-6］，调节土壤酸碱度［7］，改善土壤养分状况［8-11］，同时对作物提质增产具有良好效果［11-12］。苦豆子（Sophora AlopecuroidesL.）是豆科（Leguminosae）槐属的多年生草本植物，具有耐旱、耐盐碱、抗风沙性等，苦豆子不仅根系发达，是一种优良的水土保持植物，而且其根茎中蛋白含量较高，也是一种优质、清洁的绿肥，在新疆民间传统瓜果种植中常将苦豆子作为追肥施用，新疆苦豆子可作为绿肥的总贮量在10万t以上［13］。合理开发、利用苦豆子资源，对改善生态环境和提高农业经济效益具有重要作用。

光合作用为植物生长发育提供能量，并影响其水碳循环和物质分配。作物产量的90%～95%来自于光合过程中同化合成的有机物质，因此，可通过直接或间接改善作物光合性能来实现高产。张向前等［14］、许菁等［15］、何建宁等［16］研究发现，合理耕作方式能增加冬小麦的叶绿素含量，提高胞间CO2利用能力、光合速率和籽粒产量。魏峭嵘等［17］、吴晓丽等［18］、崔志燕等［19］研究表明科学的氮肥管理模式下马铃薯、小麦、烟叶等作物SPAD值与产量成正相关，光合性能和经济产量显著提高。此外，李佳佳等［20］、张珂珂等［21］研究发现水分调控对改善春玉米、小麦的光照环境，提高其光合生产力和产量具有良好的促进作用。综上所述，前人研究主要集中于作物光合作用对不同种植模式、化肥肥料施用量、水分调控的响应，而绿肥对作物光合特性的日变化规律和产量及品质的研究较少，尤其是绿肥对立架甜瓜光合性能的研究更少。因此，本研究通过盆栽试验，以新疆特色“伽师瓜”为试验材料，探讨苦豆子绿肥对立架甜瓜土壤养分状况、叶片光合特性的日变化规律、单果重及品质的影响。以期确定最佳苦豆子绿肥施用量，为甜瓜高产、高效可持续发展提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与方法

盆栽试验于2015年5月1日～8月15日在新疆农业大学草业与环境科学学院的温室中进行。供试土壤质地为壤土，pH值为8.86，有机质含量为22.80 g·kg-1，碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为 92.6 、14.7 、259 mg·kg-1。

供试甜瓜品种为“伽师瓜”，培养盆钵选择条盆（66.5 cm×26 cm×21 cm），每盆装干土22kg，共15盆。模拟大田立架栽培。氮肥（N）用量为80 mg·kg-1，磷肥（P2O5）用量为100 mg·kg-1，钾肥（K2O）用量为67 mg·kg-1，磷肥和钾肥作为基肥一次性施入，氮肥施用量以60%作基肥，40%在伸蔓前期追施，尿素、重过磷酸钙和硫酸钾每盆的具体用量分别为2.296、4.783和2.933 g。

苦豆子绿肥施用量（干重）共设 5个水平:M0，0 g·株-1，对照处理；M1，100 g·株-1（相当 于 30 t·hm-2）；M2，200 g· 株-1（ 相 当 于60 t·hm-2）；M3，300 g·株-1（相当于 90 t·hm-2）；M4，400 g·株-1，（相当于 120 t·hm-2）；每水平9重复。苦豆子绿肥（干物）以基肥施入，施用方式是在花盆1/3深处，将粉碎的苦豆子植株均匀填入花盆里，盖土后踏实。待苗长到3片真叶时定苗，每盆留长势均匀的甜瓜3株。人工及时浇水，其他管理措施同常规大田。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 光合生理指标日变化测定

分别选择甜瓜苗期、伸蔓期内无风或微风晴朗天（2015年6月24日、7月14日），用LI-6400便携式光合系统分析仪（美国）于10:00～18:00之间每隔2 h测定一次。每个处理随机选取植株高度和生长势相近的3株，进行测定其功能叶（从植株顶部向下第一片完全展开功能叶）的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Evap）、瞬时水分利用效率（iWUE），取平均值。iWUE=Pn/Evap［22］。

1.2.2 SPAD值测定

与叶片光合生理指标测定同步，每个处理随机选取3株植株功能叶用SPAD-502叶绿素计分别测定SPAD值，每个叶片记录稳定读数3组，取平均值。

1.2.3 土壤养分含量测定

甜瓜苗期、伸蔓期各处理随机选取3盆土样混合均匀后取1kg，土样自然风干后过0.25和1 mm筛，用以测定土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾。有机质采用重铬酸钾-外加热法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3法测定，速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定［23］。

1.2.4 单果重及品质测定

在甜瓜成熟期各处理随机选取3个果实进行测定，单果重用电子称称量，果实形态（果实纵、横径）用游标卡尺测定，粗蛋白含量测定采用凯氏定氮法，Vc采用钼蓝比色法，水解后还原糖采用斐林试剂滴定法［23］。果形指数=横径/纵径。

1.3 数据处理

所获数据用Excel 2010进行数据分析，用SPSS 20.0软件进行统计分析，采用LSD法进行差异显著性分析（P＜0.05），Pearson法进行相关性分析（P＜0.05，P＜0.01）， 以 Excel 2010和 Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 苦豆子绿肥施用量对立架甜瓜土壤养分含量及pH值的影响

不同苦豆子绿肥用量对甜瓜土壤养分含量影响见图1，施用苦豆子绿肥能提高立架甜瓜土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量。苗期和伸蔓期M2-M4处理立架甜瓜土壤有机质含量显著高于M0处理，分别提高了32.09%、40.43%、59.26%和52.14%、32.92%、70.05%。两个生育期M2-M4处理较M0处理立架甜瓜土壤碱解氮含量差异显著（P＜0.05），分别提高了31.62%～259.45%、80.26%～226.63%。苗期土壤有效磷含量M2较M0处理显著提高19.32%，伸蔓期M1-M4处理土壤有效磷含量则较M0显著提高14.11%～53.78%，且各处理间差异显著（P＜0.05）。施用苦豆子绿肥处理的立架甜瓜土壤速效钾含量均高于不施绿肥处理M0，苗期M2-M4处理较M0土壤有效磷含量显著提高了4.75%～43.75%，伸蔓期M1-M4处理则提高了12.85%～51.63%。另外，苗期M2-M4处理和伸蔓期M4处理较M0立架甜瓜土壤pH值显著降低。

图1 苦豆子绿肥施用量对立架甜瓜土壤养分含量及pH值的影响

2.2 不同苦豆子施用量立架甜瓜光合性能的变化及与土壤养分相关性分析

2.2.1 苦豆子施用量对立架甜瓜叶片净光合速率日变化的影响

不同苦豆子绿肥施用量立架甜瓜叶片净光合速率（Pn）具有明显的日变化特征（图2），除苗期M0、M3处理外，各处理为双峰曲线变化特征。两峰分别出现在12:00和16:00，且在14:00呈现“午休”现象。从整体来看，两个生育期施用苦豆子绿肥处理高于不施苦豆子绿肥处理，且12:00时M2处理的Pn均达到最大值，分别比其他处理高7.9%～62.7%、11.0%～50.7%，各处理日平均Pn大小顺序分别为M1＞M2＞M3＞M4＞M0（苗期）、M2＞M3＞M1＞M4＞M0（伸蔓期）。

图2 苦豆子绿肥施用量对立架甜瓜叶片净光合速率日变化的影响

2.2.2 苦豆子绿肥施用量对立架甜瓜叶片气孔导度日变化的影响

不同苦豆子绿肥施用量立架甜瓜叶片气孔导度（Gs）日变化趋势（图3）与Pn日变化趋势相同。两个生育期，各处理10:00～12:00 Gs均高于16:00～18:00。苗期12:00～16:00和伸蔓期各时刻，施用苦豆子绿肥均能显著增加立架甜瓜叶片Gs。在12:00，苗期M1处理Gs值最大， 比M0、M2、M3、M4分 别 高32.1%、4.1%、27.7%、15.3%；伸蔓期则M2处理Gs值最大，比其他处理依次高84.6%、27.0%、35.0%、34.4%。苗期和伸蔓期各处理日平均Gs大小顺序分别为M1＞M2＞M4＞M3＞M0、M2＞M4＞M1＞M3＞M0。

图3 苦豆子绿肥施用量对立架甜瓜叶片气孔导度日变化的影响

2.2.3 苦豆子绿肥施用量对立架甜瓜叶片蒸腾速率日变化的影响

如图4所示，苗期立架甜瓜叶片蒸腾速率（Evap）日变化亦呈双峰曲线，在14:00时出现低谷，在12:00和16:00时出现峰值。12:00时M1、M3处理Evap大于M0，分别高9.7%、8.2%，其他时刻施用苦豆子绿肥对Evap没有促进作用。伸蔓期M0-M2处理Evap日变化曲线呈双峰型，M3、M4处理则为单峰曲线，各处理均在12:00出现峰值，其中仅M4处理Evap值高于M0（高27.4%）。

图4 苦豆子绿肥施用量对立架甜瓜叶片蒸腾速率日变化的影响

2.2.4 苦豆子绿肥施用量对立架甜瓜叶片瞬时水分利用效率日变化的影响

由图5可见，除M0处理外，苗期和伸蔓期立架甜瓜叶片水分利用效率（iWUE）日变化规律为双峰变化趋势，苗期第一峰在10:00，第二峰在14:00～16:00，10:00时不同苦豆子绿肥施用量叶片 iWUE影响的大小顺序是:M3＞M2＞M4＞M0＞M1。伸蔓期第一峰在10:00～12:00，第二峰在16:00～18:00。16:00不同苦豆子绿肥施用量对立架甜瓜叶片iWUE 影 响 的 大 小 顺 序 是:M4＞M3＞M1＞M0＞M2；两个时期日平均iWUE大小顺序分别是:M2＞M3＞M4＞M1＞M0、M3＞M4＞M1＞M2＞M0。

图5 苦豆子绿肥施用量对立架甜瓜叶片瞬时水分利用率日变化的影响

2.2.5 苦豆子绿肥施用量对立架甜瓜叶片SPAD值的影响

由图6可知，立架甜瓜叶片SPAD值总体变化规律为:苗期＞伸蔓期。苗期M2-M4处理SPAD值显著高于M0，较M0分别提高了14.3%、34.7%、27.1%，伸蔓期施用苦豆子均能提高立架甜瓜叶片SPAD值，但各处理间差异不显著，增幅为15.6%～19.6%。两个生育期，M3处理SPAD值均达到了最大值，比其他处理依次高32.8%、40.5%、16.2%、1.4%和23.2%、4.8%、4.2%、1.0%。

图6 苦豆子绿肥施用量对立架甜瓜叶片SPAD值的影响

2.2.6 立架甜瓜光合指标与土壤养分指标相关性分析

立架甜瓜光合特性与土壤养分相关性显示（表1），土壤养分对立架甜瓜叶片Evap、iWUE、SPAD产生一定影响。Evap与土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾呈极显著负相关（P＜0.01），与pH值呈极显著正相关（P＜0.01）。iWUE与土壤有机质、有效磷呈极显著正相关（P＜0.01），与碱解氮呈显著正相关（P＜0.05）。SPAD与土壤有机质、碱解氮、有效磷呈极显著正相关（P＜0.01），与速效钾呈显著正相关（P＜0.05），与pH则呈极显著负相关（P＜0.01）。

表1 立架甜瓜光合指标与土壤养分指标相关性分析

2.3 苦豆子绿肥施用量对立架甜瓜单果重及品质的影响

施用苦豆子绿肥对立架甜瓜单果重影响较大（图7），随施用量增加呈先上升后下降的变化趋势。施用苦豆子绿肥处理的立架甜瓜的单果重均得到显著增加（P＜0.05），增幅为19.13%～48.48%，其中以M2处理最高。粗蛋白、Vc、还原糖含量亦呈先上升后下降的变化趋势，但均在M3处理时达到最大值，分别较M0处理显著增加40.50%、38.16%、37.30%（P＜0.05）。苦豆子绿肥不同施用量对果形指数无显著影响（P＞0.05）。

图7 苦豆子绿肥施用量对立架甜瓜单果重及品质的影响

2.4 立架甜瓜单果重及品质与光合特性和土壤养分的相关性

立架甜瓜单果重及品质与光合特性和土壤养分的相关分析表明（表2），相比立架甜瓜单果重及品质与土壤养分相关性，其与光合特性相关性较紧密。单果重与Pn、Gs呈极显著正相关（P＜0.01），与iWUE呈显著相关（P＜0.05）。粗蛋白与iWUE和SPAD值呈极显著正相关（P＜0.01），与Evap则呈显著负相关（P＜0.05）。Vc与SPAD呈极显著正相关（P＜0.01）与Evap呈极显著负相关（P＜0.01），与iWUE呈显著正相关（P＜0.05）。还原糖仅与SPAD呈显著正相关（P＜0.05）。果形指数与光合指标相关性未达到显著水平（P＞0.05）。

表2 立架甜瓜单果重及品质与光合指标和土壤养分指标相关性分析

3 讨论

3.1 立架甜瓜土壤养分对苦豆子绿肥的响应

绿肥作物对环境的适应性强，生长迅速，其发达根系有助于绿肥作物吸收利用土壤较深层的养分以及难溶性养分。豆科绿肥可通过根瘤菌的生物固氮作用供应氮素［24］，十字花科绿肥可活化土壤磷素，另外，苋科绿肥还可富集土壤钾素。绿肥翻压后可改善土壤物理性状［25］，绿肥还田后，在腐解过程可产生大量的可溶性有机物［26-27］，有效改善土壤养分状况，本研究表明，施用苦豆子绿肥能显著调节立架甜瓜土壤酸碱度，提高土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的含量，其中土壤碱解氮含量增加幅度最大（259.45%），这是因苦豆子为豆科绿肥，自身氮含量较高。柴仲平等［12］研究表明，新鲜苦豆子茎、叶中氮素含量分别为36.89、49.03 g·kg-1。且豆科绿肥还田后前期氮素释放快，邓小华等［28］研究证实，豆科绿肥翻压后的前14 d，氮释放最快。此外，本试验施用的苦豆子绿肥经过粉碎处理后加快物质腐解转化［29］，土壤养分可得到快速增加。

3.2 立架甜瓜光合性能对苦豆子绿肥的响应

施用绿肥可通过改善土壤的理化性状，为作物提供良好生长环境，从而间接提高作物光合效率，影响作物生长［30］。本研究发现，苦豆子绿肥施用下立架甜瓜土壤养分指标与其光合生理指标和SPAD值具有一定相关性（表1）。施用苦豆子绿肥对立架甜瓜光合生理指标日变化产生了影响，能提高立架甜瓜叶片Pn、Gs、Evap、iWUE等光合性能。各处理立架甜瓜叶片光合生理指标日变化趋势曲线基本相同，呈“双峰型”（图1～4），这与李为［31］研究结果相似，但与岳文俊［32］研究水肥耦合调控下甜瓜光合日变化曲线为“单峰型”存在差异。出现光合 “午休”现象可能是由于中午光照强烈、气温过高，导致土壤水分亏缺、叶片萎蔫引起的，这是作物对环境干旱胁迫的一种适应策略［33］。不同苦豆子绿肥施用量下立架甜瓜叶片Pn、Gs、Evap日变化趋势曲线出峰时间相同，第一峰出现在12:00，第二峰出现在16:00，与李为［31］研究表明薄皮甜瓜光合特性日变化趋势曲线两峰分别在10:30和12:00左右存在一定差异，可能是研究甜瓜品种、测定时期、环境条件等因素不同所致。施用中、低量（M1、M2）苦豆子绿肥对提高立架甜瓜叶片Pn、Gs效果明显，在M2处理下苗期、伸蔓期12:00立架甜瓜叶片Pn和伸蔓期12:00立架甜瓜叶片Gs均达到最大值，分别较同时刻其他处理增幅8.2%～63.3%、10.4%～51.0%、27.0%～84.6%。施用高量（M3-M4）苦豆子绿肥对提高立架甜瓜叶片Evap效果较明显，尤其是在伸蔓期12:00时M4处理下，较同时刻其他处理增幅27.0%～51.4%。瞬时水分利用效率是Pn和Evap的比值，直接受Pn、 Evap变化速率的影响。除M0处理日变化曲线为单峰曲线以外，苗期和伸蔓期其他处理立架甜瓜叶片iWUE日变化趋势曲线亦呈双峰型，但与Pn、Gs、Evap日变化趋势曲线不同在于第一出峰时间提前到10:00，这与高慧娟等［34］研究结果有所不同。前人研究发现，种植和翻压绿肥能提高土壤水分生产效率，进而作物水分利用效率得到提高［35-36］，本研究立架甜瓜在中、高量（M2-M4）苦豆子绿肥施用量下其叶片iWUE得到提高，苗期10:00 M3处理下和伸蔓期16:00 M4处理下iWUE均达到最大值，由此可见，施用适量的苦豆子绿肥能使立架甜瓜更好的适应西北地区干旱生态环境。

叶绿素是作物光合生产过程中重要的色素，其含量影响着作物光能的吸收和转换。叶绿素含量和SPAD值呈极显著正相关关系［37-38］，且 SPAD计能实时、无损、快速地测量叶片叶绿素相对值，因此常用SPAD值来表征叶片叶绿素含量。李燕青等［39］、陈蕾等［40］研究发现翻压绿肥显著提高棉花叶片、烟叶SPAD值，与前人研究相似，本研究也发现施用苦豆子绿肥能显著增加苗期和伸蔓期立架甜瓜叶片SPAD值，且在M3处理下其SPAD值较不施苦豆子绿肥处理（M0）增幅最大，苗期和伸蔓期增幅分别为32.8%、23.2%。

3.3 立架甜瓜单果重及品质对苦豆子绿肥的响应

作物产量形成主要依靠光合作用转化光能，而净光合速率是决定光合生产能力的一个重要指标，是影响作物产量形成的重要因素。巨霞等［41］研究表明，油菜苗期叶片净光合速率最高，盛花期其次，角果期最低，各生育期净光合速率均与单株产量呈极显著或显著正相关，可通过提高作物净光合速率来达到作物增产的效果。本研究发现立架甜瓜叶片苗期和伸蔓期Pn和单果重呈极显著正相关（P＜0.01）（表2）。苦豆子绿肥能显著提高立架甜瓜单果重，且与苦豆子绿肥对苗期和伸蔓期Pn的影响规律基本相似，立架甜瓜单果重在M2处理下达到了最大值，较M0处理增加48.5%。施用苦豆子绿肥为立架甜瓜生长发育提供充足养分，提高了其光合效率，利于合成更多的碳水化合物以改善立架甜瓜品质。其中，粗蛋白和Vc与iWUE呈极显著和显著相关，变化趋势相似，其中M3处理立架甜瓜粗蛋白、Vc增加量最大，较不施苦豆子绿肥处理（M0）分别显著增加40.50%、38.16%。苦豆子绿肥施用下立架甜瓜还原糖含量也得到明显增加，但未与光合生理指标呈显著相关关系，可能与其他因素有关，这还有待研究。

4 结论

施用苦豆子绿肥能提高立架甜瓜土壤供肥能力和光合作用，可以增加立架甜瓜单果重及改善品质，其中以苦豆子绿肥200～300 g·株-1（M2、M3）施用量下效果最佳，为新疆特色瓜果高产奠定基础。