基于土壤水分下限的宁夏枸杞滴灌灌溉制度试验研究

徐利岗，王怀博，鲍子云，李金泽

(宁夏回族自治区水利科学研究院，宁夏 银川 750021)

水分在土壤-植物-大气连续体中不断地循环迁移，而当土壤含水率降到一定范围时，作物的生长发育及其产量、品质的形成与水分利用效率都会受到限制和影响，而作物则会通过改变形态及繁殖过程适应少水环境，达到结构与功能的平衡[1-2].如何确定不同作物各生育期灌溉适宜的下限指标及其对作物生长、产量、品质与水分利用效率的影响是研究热点[3-5]；枸杞是茄科枸杞属的多枝灌木植物，广泛分布于中国甘肃、青海、新疆及内蒙古等省份，但唯有宁夏枸杞获国家原产地域保护并载入《中华人民共和国药典：2010年版》.徐利岗等[6-7]系统研究了宁夏干旱区枸杞树干液流、蒸腾耗水变化特征及其影响因素，建立了枸杞水分亏缺多参数诊断模型并形成定额形式的灌溉制度；张继林[8]探讨了不同灌溉水量对枸杞生长、产量、水分利用和果实品质的影响.

目前，现有关于枸杞灌溉制度及水分利用方面的报道多是从定额的方式进行研究，而从土壤水分上下限控制及不同水分胁迫程度的角度，探讨其土壤水分存贮利用、光合生理、产量及品质影响的研究成果较少.文中以宁杞7号枸杞为研究对象，在宁夏中部同心县河西镇开展田间试验研究，设置不同控水期及不同梯度的土壤水分控制下限处理，研究在不同水分胁迫下枸杞对土壤水分利用、光合生理指标、经济产量与品质、耗水量与水分利用效率的变化特征，综合分析并提出宁夏枸杞滴灌条件下全生育期土壤水分控制指标，为干旱区枸杞科学灌溉及种植管理提供技术支撑.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2016年4月—2017年10月在宁夏吴忠市同心县河西镇同德村(105°43′E，37°11′N)开展，当地海拔1 189 m.多年平均降水量272.6 mm，其中7—9月降水量占全年降水量的66.5%；多年平均蒸发量为2 387.0 mm，年平均气温为8.6 ℃，多年平均日照3 024 h，无霜期为154 d.试验区土质为轻壤土，容重为1.4～1.6 g/cm3，孔隙度为46%，田间持水率为13.4～15.1%，全盐质量比为4.79 g/kg.当地地下水埋深为20～25 m，灌溉水为黄河水，矿化度为0.6 g/kg.枸杞生育期为4—10月，研究区2016—2017年枸杞生育期内平均降水量为170.2 mm，具体数据见表1，表中P为降水量.

表1 研究区2016—2017年枸杞生育期降水量表

Tab.1 Precipitation in growth stage ofLyciumbarbarumin 2016—2017

年份P/mm4月5月6月7月8月9月10月合计20162.529.210.446.622.412.16.5129.7201708.336.568.354.816.925.8210.6平均值1.318.823.557.538.614.516.2170.2

1.2 试验方案

1.2.1 试验设计

试验供试作物为5 a生枸杞树，品种为宁杞7号.每小区尺寸为12 m×9 m，株行距为0.70 m×3.00 m.采用滴灌方式，滴头间距为30 cm，滴头流量为2 L/h，每行布设1条毛管.依据生育期划分春梢期、花期、夏果期及秋果期等4个控水期，设置8个水分处理S1—S8，见表2，表中θ和F分别为田间土壤水分控制下限(占田间持水率θf的百分率)、施肥量，每个处理重复3次.此外，4月中下旬春灌量及10月下旬—11月上旬冬灌水量分别为375及450 m3/hm2.分别测定各小区(0，20]，(20，60] cm土壤田间持水率和容重，各处理计划湿润层深度60 cm，灌水上限为95%田间持水率，分两层(0，20]，(20，60] cm分别计算所需灌溉水量，各小区灌水总量为2个土层需灌水量之和，利用水表进行灌水量控制.各试验小区田间管理方式一致，全生育期滴灌施肥8次，每次105 kg/hm2；3—4月进行春季整形修剪；5—9月，根据病虫害发生规律采用黏虫板及化学药剂进行综合防治.

表2 基于土壤水分下限的干旱区枸杞灌溉制度试验设计

1.2.2 监测指标及方法

1) 利用美国产Watchdog小型气象站实时连续监测试验区降水量、气温、风向、风速、太阳辐射、大气相对湿度等气象参数.

2) 利用德国产TRIME-T3C管式土壤水分仪测定土壤含水率.在每个小区选取样株，在距主干15 cm处埋设长度100 cm的套管1根，监测枸杞根区0～100 cm土层土壤含水率，每20 cm分层监测.在头水前及收获后监测各小区初始和最终土壤含水率；生育期内每7 d监测1次，灌水前、后及降雨(>5 mm)后加测.

3) 光合生理指标观测.利用美国产CI-340便携式光合测定仪进行枸杞叶片蒸腾速率、光合速率、气孔导度监测，选择晴朗天气进行，每次从8:00—18:00，每2 h监测1次.

4) 测产.枸杞总产量，选定典型植株，果实成熟后采摘称量鲜果质量，经处理后晾晒称量干果质量及50 g粒度.

5) 品质测定.送交第三方检测机构测定枸杞干果的枸杞多糖、甜菜碱、总糖、氨基酸总量等成分的含量.

1.2.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2013软件进行数据处理及绘图；采用SPSS 22.0进行方差分析.

2 结果与分析

2.1 不同水分处理下枸杞根区土壤含水率

分别统计各水分处理2016及2017年枸杞全生育期(0，20]，(20,60]及(60,100]cm土层的平均土壤质量含水率θm，具体见表3.从表中可以看出2 a各处理不同土层h土壤质量含水率变化规律基本相似，盛花期和夏果期土壤质量含水率最高，萌芽期及秋果后期次之，且萌芽期与休眠期各处理间差异不具有统计学意义.

全生育期内0～20 cm土层土壤质量含水率相对较小，20～60 cm土层土壤质量含水率最大，且随着枸杞土壤质量含水率控制下限提高而增大，盛花期和夏果期各处理差异具有统计学意义，2016年分别增加12.7%和16.7%，2017年分别增加13.6%和16.9%.各水分处理60～100 cm土层土壤质量含水率变化稳定，差异不具有统计学意义.

表3 不同水分处理枸杞全生育期各土层土壤含水率变化特征

注：不同处理的小写字母表示差异具有统计学意义(P<0.05),下同

2.2 不同水分处理对枸杞生理指标的影响

2.2.1 枸杞叶片气孔导度及光合速率

气孔导度(Gs)表征了植物叶片气孔张开的程度，可以根据环境条件的变化以调节开度的大小而使植物在损失水分较少的条件下获取最多的二氧化碳；光合速率(Pn)则是光合作用固定二氧化碳的速率.图1为不同水分处理下枸杞叶片气孔导度Gs及光合速率Pn变化过程.从图1a中可以看出，枸杞叶片气孔导度峰值出现在10:00左右，处理S8最大为299.95 mmol/(m2·s-1)，处理S1最小为66.96 mmol/(m2·s-1)；水分控制下限相对较高的处理S6，S7和S8的气孔导度较水分下限处理低的处理S1，S4和S3更大，可以获取更多的二氧化碳进行光合作用.由图1b可知光合速率变化呈双峰凸抛物线形，第1个峰值出现在12:00，下限较高的处理S8，S7和S5光合速率较高，其中处理S8最大为32.6 μmol/(m2·s-1)；各处理第2个峰值出现在16:00左右，最大值为处理S4的24.55 μmol/(m2·s-1)，随着光照强度增强，14:00左右各处理的光合速率出现明显降低，枸杞叶片出现光抑制现象.

图1 枸杞不同水分处理下叶片气孔导度及光合速率变化过程

Fig.1 Leaf stomatal conductance and photosynthetic rate ofLyciumbarbarumin different treatments

2.2.2 枸杞叶片的蒸腾速率及水分利用效率

图2为不同水分处理下枸杞叶片蒸腾速率Tr及水分利用效率WT变化过程.从图2a可以看出，枸杞叶片蒸腾速率从10:00逐渐增大，12:00达到峰值，14:00后逐渐下降，整体呈单峰型曲线；在峰值时，高水分下限的处理S8，S7和S5蒸腾速率相对较大，处理S4有最小值，因此土壤水分是影响枸杞叶片蒸腾速率的重要因素.由图2b可知各处理枸杞叶片水分利用效率(μmol CO2每mmol H2O)上午均大于下午，8：00时，枸杞叶片水分利用效率最大为24.51 μmol/mmol，最小为5.36 μmol/mmol，10:00以后趋于平稳，在峰值阶段，随着水分下线控制指标升高，叶片水分利用效率呈下降趋势.

2.3 不同水分处理枸杞耗水规律

整理2016和2017年不同水分处理枸杞各生育期耗水量ET及耗水模数Mwc，具体见表4.从表中可以看出各处理枸杞全生育期耗水量随控水下限升高呈增加趋势，盛花期、夏果期、秋果后期总耗水量的差异具有统计学意义，而萌芽期和休眠期的耗水量差异不具有统计学意义.2016年各水分处理总耗水量区间为359.97 mm(处理S3)～413.16 mm(处理S8)，增幅为12.8%；2017年为436.85 mm(处理S2)～489.54 mm(处理S8)，增幅10.8%.由枸杞不同生育期的耗水量可知，2 a各处理的耗水量随时间都呈先增大后减小的趋势，其中夏果期最大是宁夏枸杞的关键需水期.

图2 枸杞不同水分处理下叶片蒸腾速率及叶片水分利用效率变化过程

Fig.2 Leaf transpiration and water use efficiency ofLyciumbarbarumin different treatments

表4 不同水分控制条件下枸杞的耗水变化特征

2.4 不同水分处理枸杞产量与品质变化特征

2.4.1 枸杞产量及水分利用效率

统计不同水分处理的枸杞干果产量Y并计算其水分利用效率WUE，如图3所示.从图中可以看出，土壤水分控制下限升高时产量增加，但处理间差异不具有统计学意义.2016年处理S5产量最高(2 208.15 kg/hm2)，与S3和S7差异不具有统计学意义，但与其他各处理差异具有统计学意义，较产量最低的处理S4增加9.18%.2017年处理S5产量最高(2 571.3 kg/hm2)，较产量最低的处理S4增加11.98%.2016年处理S5水分利用效率最高为0.39 kg/m3，S8最小为0.34 kg/m3；2017年处理S5水分利用效率最高为0.38 kg/m3，S2次之，S8最小为0.33 kg/m3.

图3 不同水分处理下枸杞干果产量及水分利用效率

Fig.3 Yield and water use efficiency ofLyciumbarbarumin different treatments

2.4.2 枸杞品质特征

对各处理分别进行测产及品质检测，经方差分析，统计并绘制2016和2017年枸杞营养物质含量T变化图，如图4所示.

图4 不同水分条件下枸杞品质变化图

Fig.4 Quality changes ofLyciumbarbarumin diffe-rent treatments

从图4中可以看出，2016年处理S6，S7，S8之间甜菜碱含量差异不具有统计学意义，但与其他处理的差异具有统计学意义，其中S8最高为1.04%，S5次之为0.92%.S8氨基酸含量最高为5.99%，S6最小为5.00%，但各处理的氨基酸含量差异不具有统计学意义.2017年，各处理蛋白质含量差异不具有统计学意义，S1甜菜碱含量最高为0.92%，S6含量次之为0.91%.S8氨基酸含量最高为7.14%，S3次之，但各处理间氨基酸含量的差异不具有统计学意义.S1枸杞多糖含量最高为8.33%，S5次之为8.21%.S5的粗脂肪含量最高为6.22%，S2含量最小为4.70%.

2.5 基于土壤水分下限控制的枸杞灌溉制度

依据各处理枸杞根区土壤含水量、光合生理指标、产量、品质及水分利用效率等综合分析，确定宁夏中部干旱带基于土壤水分下限的枸杞滴灌灌溉制度，具体见表5.全生育期6个灌水期，其中萌芽期灌水375 m3/hm2，休眠期灌水450 m3/hm2，其他生育期划分4个控水期：春梢生长期土壤质量含水率控制下限为50%θf，花期和夏果期土壤质量含水率下限为65%θf，秋果期土壤质量含水率应控制为55%θf.当土壤含水率低于各控水期下限时应及时灌水，灌水上限为95%θf.

表5 基于土壤水分下限的宁夏干旱区枸杞滴灌灌溉制度

Tab.5 Drip irrigation schedule forLyciumbarbarumin Ningxia arid area based on lower limits of soil moisture

灌水期生育期时段土壤水分控制指标萌芽期(春水) 4月中下旬375 m3/hm2春梢期控水春稍生长期4月下旬—5月上旬50%θf花期控水现蕾期5月中旬65%θf盛花期5月中旬—6月上旬65%θf夏果期控水果熟前期6月中旬65%θf盛果期6月下旬—7月上旬65%θf果熟后期7月中旬—下旬65%θf秋果期控水秋果前期8月上旬—中旬55%θf秋果后期8月下旬—9月中旬55%θf休眠期(冬灌)10月下旬—11月上旬450 m3/hm2

3 讨 论

通过对不同水分供给条件下枸杞的叶片光合指标分析，认为枸杞叶片气孔导度随土壤下限指标升高而增大，光合速率变化呈双峰凸抛物线形，14:00左右出现光抑制现象，高水分下限的蒸腾速率相对较大，而叶片水分利用效率则相反.张继林[8]也发现“光合速率随灌水量增加而增加，各生育期枸杞叶片气孔导度呈先下降后升高的趋势，随着灌水量的增加水分利用效率降低”.不同水分处理生育期耗水量随土壤水分下限升高而增大，盛果期耗水量最大，盛花期次之且差异具有统计学意义，与“枸杞对水分的消耗基本呈现为营养生长期较大、高峰为盛果期和盛花期”结论[9]基本一致.试验区位于宁夏中部干旱地区，降水稀少，蒸发强烈，较高的土壤水分下限使得灌水频繁，土壤含水率偏高，加剧了棵间蒸发与枸杞叶片的奢侈蒸腾，全生育期耗水量增大，水分利用效率降低.因此，适度水分亏缺反而会提高水分利用效率，但过度缺水会影响枸杞的产量，也将降低水分利用效率.不同水分控制对蛋白质含量影响差异不具有统计学意义，低水分处理的枸杞多糖含量相对较高且差异具有统计学意义，说明灌溉水分的合理控制及适度亏缺可以一定程度的提高枸杞的品质，与徐青等[10]研究得出的适度水分亏缺可以提高果实糖分积累结论一致.

4 结 论

通过多参数的综合分析，认为枸杞全生育期分为6个灌水期，其中萌芽期灌水(春水)为375 m3/hm2；春梢生长期、花期、夏果期、秋果期的土壤质量含水率下限分别为50%θf，65%θf，65%θf，55%θf，上限为95%θf；休眠期冬灌为450 m3/hm2.在强蒸发的宁夏中部干旱区，摸清枸杞耗水规律，掌握其各个生育期土壤水分控制指标，形成准确的灌溉制度，对当地的枸杞产业发展极为重要.文中研究也将为西北干旱地区的枸杞科学灌溉提供有益借鉴.