微咸水灌溉模式对向日葵产量和品质的影响

王瑞萍，夏玉红，刘雅君，张义强，尚松浩

（1.巴彦淖尔市水利科学研究所，内蒙古巴彦淖尔015000；2.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084）

0 引 言

向日葵具有耐盐碱、耐干旱、耐瘠薄、适应性强等特性[1]，是河套灌区主要经济作物之一，油用向日葵由于产量低，目前在河套灌区种植面积较小，食用向日葵品种推陈出新，产量和经济效益高，种植面积逐年增加，其种植面积从2000年的3 150 万hm2增加到了2018年的6 315 万hm2，种植面积增大了两倍，且从2006年以来，一直是种植面积最大的作物，所占比例在22.5%～41.6%之间，多年平均种植比例为33%。向日葵籽粒的重要作用是食用和榨油，随着人们生活水平的提高，向日葵籽粒的食用价值更加凸显，向日葵籽粒的营养成分也备受关注。向日葵籽粒营养成分丰富，其中，脂肪主要为不饱和脂肪，且不含胆固醇；脂肪酸中亚油酸、油酸含量可达85%，油酸、亚油酸具有降血脂，促进细胞生长，免疫调节等生理功能，在提高免疫功能及抗肿瘤等方面都表现出潜在的价值[2]；向日葵籽粒蛋白质营养价值在植物类食品中名列前茅，是人类蛋白质食品的一大来源；所含的维生素E具有抗衰老、抗氧化、抗肿瘤等功效[3]，此外，还含有矿物质等其他营养成分。河套灌区地面以下40 m 以内地下水水质矿化度＜5 g/L 的面积占总面积的83.65%[4]。另外，灌区内还存在大量的田间排水和退水，这部分水如果水质符合要求完全可以再开发利用[5]。因此，开发利用微咸水和咸水资源具有缓解黄河流域水资源短缺供需矛盾的重要作用和广阔的应用前景。毕远杰等[6]的试验结果表明，底墒水矿化度＞3 g/L 会引起向日葵盘径、百粒质量和单株产量等产量要素的显著降低。刘娟等[7]研究发现由于盐分胁迫，向日葵茎粗发育受到抑制，茎粗表现为随矿化度的增加而降低。贺新等[8]利用主成分分析对油葵微咸水调亏灌溉条件下的产量、品质、土壤电导率等要素进行了综合评价，结果表明：油葵微咸水灌溉的临界矿化度为3.5 g/L，最适宜进行水分亏缺的时期为现蕾期，微咸水矿化度＜3.5 g/L 时，对油葵产量和品质的影响较小。郑凤杰等[9]通过油葵微咸水滴灌试验证明矿化度2.0～3.5 g/L对作物籽粒的营养品质影响最大。目前，国内外对向日葵的研究主要集中在选育、栽培技术、施肥及淡水灌溉制度对生长动态指标、产量及品质的影响等方面[10,11]，向日葵微咸水灌溉试验开展的较少，研究对象多是油用向日葵，采用的方法主要是盆栽和滴灌，大田食用向日葵微咸水畦灌试验研究很少。本研究以耐盐作物食用向日葵为研究对象，采用淡+咸+咸畦灌模式，开展不同矿化度微咸水灌溉对向日葵产量和品质指标的影响研究，通过研究确定产量减少幅度较小而品质指标综合得分较大的微咸水矿化度最优组合，形成协调向日葵生产及环境保护的微咸水与淡水联合调控安全灌溉技术。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

向日葵微咸水灌溉试验在巴彦淖尔市水利科学研究所曙光试验站进行，该试验站位于临河区城关镇旭光村，北纬40°43'，东经107°13'，属河套灌区中游，海拔1 042 m，年均气温6.9 ℃，年均降雨量142.1 mm，年均蒸发量2 306.5 mm，日照时数3 189 h，属中温带大陆性气候。试验采用测坑法，测坑长1.3 m，宽1.1 m，面积1.43 m2，测坑四周埋设截渗膜，埋深80 cm。测坑内0～40 cm 为壤土，土壤容重为1.52～1.73 g/cm3，40 cm 以下为沙土，土壤容重为1.45～1.59 g/cm3。土壤0～40 cm 有机质含量为7.325～11.885 g/kg，全氮0.488～0.735 g/kg，全磷0.573～0.649 g/kg，硝态氮0.09～3.35 mg/kg，氨态氮6.48～30.09 mg/kg。全盐0.094～0.360 g/100 g，pH 值7.88～8.50，EC值0.327～0.447 mS/cm。

1.2 试验设计

微咸水灌溉为淡+咸+咸畦灌模式，灌溉水矿化度分别为2.5 g/L （KX2）、3.0 g/L （KX3）、3.5 g/L （KX4） 和4.0 g/L（KX5），淡水灌溉（KX1）作为参照处理，淡水的灌溉水矿化度为1.085 g/L，试验设置5 个处理，每个处理2 次重复，共布设10 个试验小区。向日葵苗期采用淡水灌溉，现蕾期和灌浆期采用微咸水灌溉，微咸水按照不同矿化度要求由地下淡水与NaCl配置而成。向日葵播种时间为5月下旬至6月上旬，品种选用美葵318，覆膜种植。种肥二铵施用量为375 kg/hm2，尿素施用量为75 kg/hm2，追肥施用尿素，施用量为375 kg/hm2。向日葵生育期灌水3 次，苗期灌水量为1 200 m3/hm2，现蕾期灌水量为1 050 m3/hm2，灌浆期灌水量为900 m3/hm2，整个生育期灌水量为3 150 m3/hm2。

1.3 检测项目与数据分析

向日葵测产完成后，对每个处理的100 g 向日葵籽粒仁进行品质检测，检测项目主要有蛋白质、脂肪、脂肪酸、维生素E（以下简称VE）等指标。其中，脂肪酸是脂肪水解的产物，包括棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸和亚麻酸等。数据分析采用Excel、SPSS 等软件，不同矿化度灌溉水对品质指标的影响及品质指标间的相互影响采用方差分析、相关分析法进行，微咸水灌溉条件下向日葵品质指标的综合评价采用因子分析方法，Excel软件进行图形制作。

2 结果与分析

2.1 微咸水灌溉对各品质指标的影响分析

向日葵的品质指标包括蛋白质、脂肪、脂肪酸、VE 等，各品质指标含量各不相同，其中脂肪含量最大，一般在50%以上；蛋白质含量次之，一般在30%以上；在脂肪酸组成指标中，亚油酸和油酸所占比例比较大，而棕榈酸、硬脂酸和亚麻酸的比例比较小；VE 含量虽然比较小，但也是反映向日葵籽品质的一个重要指标。由于各品质指标对灌溉水的矿化度敏感性不同，同一个品质指标不同矿化度灌溉水处理之间产生的差异显著性也不相同，2014年、2015年不同微咸水灌溉处理每一品质指标对比见图1 和图2，图中每一指标字母相同者表示相应处理间的差异不显著（5%显著性水平）。

从图1 和图2 可知，VE 随着灌溉水矿化度的增加有先增后减再增的趋势，两年中均以KX3 处理的VE 含量最高，KX1和KX2处理的VE含量略低于KX3处理，而KX4和KX5处理的VE 含量则显著低于其他3 个处理（2014年分别比KX1 处理低19.59%、 12.04%， 2015年分别比KX3处理低23.53%、16.36%）。蛋白质含量随灌溉水矿化度的增加有增加的趋势，其中2014年KX5 处理蛋白质含量显著高于KX1、KX2 处理（分别高8.64%、9.85%），另外两个处理则位于KX1、KX5 之间且无显著差异；2015年KX5 处理蛋白质含量显著高于KX1处理（高12.06%），另外3 个处理则位于KX1、KX5 之间且无显著差异。对于脂肪来说，其含量随灌溉水矿化度的增加有减小的趋势，但2014年各处理间脂肪含量差异不大，2015年KX5 处理脂肪含量明显低于KX2 处理（低5.21%），其他各处理差异不显著。在脂肪酸组成指标中，油酸所占比例随着灌溉水矿化度的增加有增加的趋势，其中2014年KX5 处理的油酸明显高于KX1 处理，比KX1 处理高13.78%，KX2、KX3、KX4 处理位于KX5 与KX1 处理之间，且与KX5、KX1 均无显著性差异，但2015年各处理的油酸比例没有显著差异；亚油酸所占比例随灌溉水矿化度的变化正好与油酸相反，随着灌溉水矿化度的增加有减小的趋势，其中2014年KX4、KX5 处理亚油酸比例明显低于KX1 处理，分别比KX1 处理低6.46%、2.42%，2015年各处理间的差异不显著，KX4、KX5 处理分别比KX1 处理低4.18%、4.04%；棕榈酸比例随着灌溉水矿化度的增加有先增后减的趋势，两年中均以KX3 处理的最大，但2014年各处理的差别不大，2015年KX3 处理则显著高于KX1处理，其余3个处理差异不大；硬脂酸比例也表现出类似地先增后减的趋势，两年中均以KX4 处理的最大，2014年各处理差异不大，2015年KX4 处理则显著高于KX1、KX2、KX5 处理，分别比KX1、 KX2、 KX5处理高14.81%、 12.12%、9.85%。此外，各处理的亚麻酸比例比较小且在两年中差异均不显著。各指标随灌溉水矿化度的变化见图3。

从图3（a）和图3（b）可以看出，2014年、2015年亚油酸和脂肪随着灌溉水矿化度的增加基本呈减小趋势，灌溉水的矿化度越大，亚油酸、脂肪含量越小，亚油酸在灌溉水矿化度为3.5 g/L（KX4）时最小，脂肪在灌溉水矿化度为4 g/L（KX5）时最小，亚油酸与灌溉水矿化度呈线性关系，脂肪与灌溉水矿化度呈二次多项式关系，且拟合效果均较好。从图3（c）和图3（d）可以看出，2014年、2015年蛋白质和油酸随着灌溉水矿化度的增加基本呈增加趋势，灌溉水的矿化度越大，油酸、蛋白质含量越大，油酸和蛋白质在灌溉水矿化度为4 g/L（KX5）时值最大，在灌溉水矿化度为1.1 g/L（KX1）时值最小，油酸与灌溉水矿化度呈线性关系，蛋白质与灌溉水矿化度呈二次多项式关系，且拟合效果均非常好；从图3（e）和图3（f）可以看出，2014年、2015年棕榈酸、硬脂酸随着灌溉水矿化度的增加呈现先增加后减小的趋势，其中，棕榈酸在灌溉水矿化度为3 g/L（KX3）时含量最大，硬脂酸在灌溉水矿化度为3.5 g/L（KX4）时含量最大，棕榈酸与灌溉水矿化度呈二次多项式关系，硬脂酸与灌溉水矿化度呈三次多项式关系，且硬脂酸与灌溉水矿化度拟合效果均非常好；从图3（g）和图3（h）可以看出，2014年、2015年VE 随着灌溉水矿化度的增加呈现先增加后减小再增加的趋势，在灌溉水矿化度为3g/L 时值最大，说明适度的微咸水灌溉会增加籽粒的VE，VE和灌溉水矿化度呈三次多项式函数关系，拟合效果一般，亚麻酸在淡水灌溉处理（KX1）时含量最大，随着灌溉水矿化度的变化整体呈减小趋势，且变化量很小，只有0.01%或更小。因此，各指标对灌溉水矿化度的敏感性不同，随灌溉水矿化度的变化规律也各不相同，表现为线性、二次多项式或三次多项式函数关系。

2.2 微咸水灌溉条件下向日葵籽粒品质指标相关性分析

向日葵籽粒品质指标的含义各不相同，分别从不同角度反映了向日葵籽粒的营养成分含量，以各品质指标为变量，对品质指标间的相关关系进行比较分析，结果见表1。

从表1可以看出，向日葵籽粒部分品质指标之间具有比较强的相关性，其中，蛋白质与油酸之间的相关性非常显著，相关系数比较高，蛋白质与亚油酸之间相关性比较显著；脂肪除了与亚麻酸、蛋白质相关性不显著之外，与脂肪酸各组成指标、VE 都有较强的相关性，脂肪-棕榈酸、脂肪-油酸、脂肪-亚油酸之间相关性比较显著，脂肪与硬脂酸、VE 之间相关性非常显著，相关系数比较高；脂肪酸各组成指标中除了棕榈酸与其他指标相关性不显著外，其他脂肪酸组成指标之间具有比较强的相关性，亚油酸-油酸、亚油酸-硬脂酸、亚油酸-亚麻酸、油酸-亚麻酸、油酸-硬脂酸之间相关性非常显著，相关系数很高，亚麻酸-硬脂酸之间相关性比较显著，因此，脂肪、亚油酸、油酸与其他品质指标的相关程度较高。为了表征各指标之间的相互变化对应关系，利用曲线进行拟合，考虑到脂肪酸的5个组成指标中油酸和亚油酸占到组成的85%以上，因此，对棕榈酸、硬脂酸、亚麻酸与其他指标的函数关系不进行研究，只考虑脂肪、蛋白质、VE、油酸、亚油酸之间的函数关系，拟合结果见图4。

表1 向日葵籽粒品质指标相关性分析表

从图4 可以看出，表征品质指标之间的函数关系各不相同，一个品质指标每变化一个单位，引起相对应指标的变化幅度各不相同。亚油酸-蛋白质、脂肪-亚油酸、脂肪-油酸均表现为三次多项式曲线函数关系，拟合曲线呈“S”变化，脂肪-油酸、亚油酸-蛋白质呈正“S”变化趋势，脂肪-亚油酸呈倒“S”变化趋势；油酸-蛋白质、亚油酸-油酸、脂肪-VE均表现为线性函数关系，油酸-蛋白质、脂肪-VE 均是正相关线性关系，亚油酸-油酸是负相关线性关系，这与李为萍、包海柱等人[12,13]的研究结果有一致性，且亚油酸和油酸的相关度很高。

2.3 微咸水灌溉条件下向日葵籽粒品质指标的综合评价

向日葵籽粒的品质指标较多，各指标间一般存在一定的相关关系，且不同指标的评价结果可能存在不一致。关于作物品质的多指标综合评价，目前还没有统一的方法，现有研究中多采用主成分分析法进行评价[14-20]。主成分分析是研究如何将多指标问题转化为较少几个综合指标的一种多元统计方法，这些综合指标是原来多个指标的线性组合，彼此互不相关，从而实现用较少指标反映原来众多指标的主要信息，因而在许多领域的综合评价中被广泛应用[8,14-20]。考虑到不同灌溉水矿化度对各品质指标的影响规律不同，各品质指标又体现不同的葵花籽粒营养作用，很难通过一个或两个指标直观地判别微咸水灌溉对品质指标的影响，因此，在相关分析的基础上，运用主成分分析法对品质指标信息进行提取组合，根据各品质指标在公因子中的得分系数，计算各公因子及综合因子得分排名，综合评价不同灌溉水矿化度对品质指标的影响。根据KMO 检验统计量和巴特利特检验的结果，KMO 指标值为0.704，显著性sig 值为0，表明数据满足分析的前提条件，分析得到的各品质指标公因子特征值及贡献率结果见表2。

表2 各品质指标公因子的特征值及贡献率

从表2 可以看出，有两个公因子的初始特征值大于1，累积百分比为83.441%，第一个公因子主要反映了硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸、蛋白质5个品质指标的信息，第二个公因子主要反映了棕榈酸、VE、脂肪3 个品质指标的信息，选择两个公因子可以代替原来8个品质指标的大部分信息，两个公因子得分系数见表3。

表3 公因子得分系数

根据表3各品质指标得分系数可以得出公因子的表达式F1和F2，通过表达式可以计算出公因子得分，结果见表4。考虑到与向日葵经济效益相关联的除了品质外还有产量，在考虑产量的前提下，才能更合理地对品质进行综合评价，因此表4中列入了2014年和2015年的向日葵产量，不同微咸水灌溉条件下产量和品质指标综合得分的对比见图5。

从图5（a）可知，2014年和2015年向日葵籽粒品质指标综合得分依次为：KX5＞KX4＞KX2＞KX3＞KX1，不同微咸水灌溉条件下，两个年度向日葵籽粒品质指标综合得分的变化规律具有一致性，总体表现为随着灌溉水矿化度的增加，籽粒品质指标综合得分也呈增加趋势，按照品质指标综合得分可以把微咸水对品质指标的影响划分为3 种程度，KX5、KX4 处理为影响程度较大类，KX2、KX3 处理为影响程度居中类，KX1 处理为影响程度较小类，尤其是灌溉水矿化度为4g/L（KX5）的处理，向日葵品质指标综合得分最大，与其他处理有明显地区别。从图5（b）可知，2014年向日葵籽粒产量依次为：KX3＞KX4＞KX2＞KX1＞KX5，与淡水灌溉KX1 处理相比，KX2、KX3、KX4 处理产量分别增加了0.60%、3.90%、1.70%，4 个处理产量变化不明显，KX5 处理产量减少了19.92%，产量减少明显；2015年向日葵籽粒产量依次为：KX1＞KX2＞KX3＞KX4＞KX5，与淡水灌溉KX1处理相比，KX2、KX3、KX4 处理产量分别减少了0.87%、3.30%、5.99%，各处理产量变化不明显，KX5 处理产量减少了18.35%，产量减少明显，因此，从产量和品质指标综合得分两个方面来看，在产量不明显减少、品质有所提高的前提下，KX4 处理的保产增质效果比较好，即当灌溉水矿化度为3.5 g/L 时，可以在保证向日葵产量的同时，提高向日葵的品质。

表4 不同矿化度处理各品质指标因子综合得分

郑凤杰等人[8,9]的研究表明适度的微咸水灌溉会增加向日葵籽粒的品质含量，与本文的结果一致。同时以上结论也与关于果树[21]、棉花[22]、蜜瓜[23]等作物的微咸水灌溉试验研究结论相一致。

3 结 论

根据内蒙古河套灌区向日葵微咸水灌溉试验，分析了微咸水对向日葵产量和品质的影响，得到以下结论：

（1）该试验研究表明向日葵籽粒中的蛋白质、油酸随着灌溉水矿化度的增加而增加，在灌溉水矿化度为4 g/L 时值最大；亚油酸、脂肪随着灌溉水矿化度的增加而减小，在灌溉水矿化度为4 g/L 时值最小；棕榈酸、硬脂酸随着灌溉水矿化度的增加呈先增加后减小的趋势，棕榈酸在灌溉水矿化度为3g/L 时值最大，硬脂酸在灌溉水矿化度为3.5 g/L 时值最大；VE 随着灌溉水矿化度的增加呈现先增后减再增的趋势，在灌溉水矿化度为3 g/L时值最大；亚麻酸含量较小且变化不明显，不同灌溉水矿化度对品质指标的影响显著性不同。

（2）向日葵籽粒部分品质指标之间具有比较强的相关性，蛋白质与油酸、亚油酸之间有较强的相关性，脂肪与脂肪酸各组成指标（亚麻酸除外）、VE 之间有较强的相关性，脂肪酸各组成指标中除了棕榈酸与其他指标相关性不显著外，其他指标之间具有比较强的相关性，因此，脂肪、亚油酸、油酸属于关联度范围较大的指标，不论是指标之间还是与其他指标之间相关程度都较高；VE、蛋白质属于关联度范围较低的指标，与其他指标之间相关程度较低；其他脂肪酸组成指标关联度范围居中，并且脂肪-油酸、亚油酸-蛋白质呈正“S”变化趋势，脂肪-亚油酸呈倒“S”变化趋势；脂肪-VE、油酸-蛋白质正相关线性关系，亚油酸-油酸是负相关线性关系，且亚油酸和油酸的相关度很高。

（3）2014年、2015年向日葵各处理品质指标平均综合得分排名依次为：KX5＞KX4＞KX2＞KX3＞KX1，KX5、KX4 处理显著大于KX2、KX3、KX1 处理，尤其KX1 得分最小。2014年、2015年向日葵各处理平均产量依次为：KX3＞KX1＞KX2＞KX4＞KX5，与对照处理KX1 相比，KX2、KX4、KX5 处理产量分别减少0.19%、2.40%、19.08%，KX3 处理比KX1 处理产量增加0.06%，因此，从产量和品质指标综合得分两个方面综合来看，灌溉水矿化度为3.5 g/L（KX4）时，既可以保证向日葵的产量，又能达到提高向日葵品质的目的。