水氮配置对地下渗灌枣树光合特性及产量的影响

李兴强，孙兆军，*，焦炳忠，韩 磊，何 俊，王 蓉，强晓玲

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学环境工程研究院，宁夏 银川750021；3.教育部中阿旱区特色资源与环境治理国际合作联合实验室，宁夏 银川 750021）

宁夏同心属于干旱半干旱地区，地处农林牧等产业的交会处，红枣是当地主要特色产业之一。枣树的生长和产量主要受到水分的制约［1］，肥料的正确使用也是提高产量的主要因素，氮肥是作物三大肥料之一，施氮量也是影响产量的主要因子，水氮协同效应有利于旱地作物增产增效［2］，过量的氮肥施入量影响农区环境污染。不同水肥组合影响作物光合特性、农艺性状、产量，当前，如何通过调节作物水氮配置来改善叶片光合特性和叶绿素含量，提高作物产量和肥料偏生产力，达到节水、节肥、增产效果，已成为重点研究的问题［3-5］。已有大量研究表明，合理的灌溉量和肥料的组合，有利于提高作物叶片光合特性和叶绿素含量［1，6-7］。滴灌条件下的水肥耦合效应，对作物产量、水分利用效率都有提高作用［8-11］。许多学者对水氮耦合下的玉米等作物也开展了研究，表明适宜的水氮耦合有利于作物水分利用效率和产量的提高［12-14］。

地下灌溉技术是一种高效节水灌溉方法，通过埋入地下的灌水器将灌溉水和肥料直接输送到作物根系周围进而被作物吸收和利用，能有效地减少土壤表面的水分蒸发和肥料运移过程的损失，节水节肥效果明显［15］。因此实现地下渗灌条件下最优水氮配置，对发展节水型农业起到关键作用。目前，有学者对马铃薯［16］和黄瓜［17］采用地下渗灌方式设置不同施氮量进行研究，提出了适宜的灌水方式和施氮量的组合，且有利于节水节肥。对地下渗灌在枣树的应用，韩懂懂等［18］设置不同灌溉定额与滴灌、管灌进行对比研究，得出地下渗灌较滴灌更有利于提高产量和水分利用效率。以上研究仅限于某个特定地区，并且关于以地下渗灌为灌水器条件的同心圆枣水氮配置的研究鲜有报道。

本文通过设置不同的灌溉量和施氮量处理，对同心圆枣的光合特性、叶片叶绿素含量和氮含量、水分利用效率、氮肥偏生产力及产量进行分析比较，筛选出适宜的水氮配置，为同心圆枣地下渗灌节水高产高效管理提供最佳水氮配置模式。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区位于宁夏中部干旱带的同心县王团镇科技示范园。该地区干旱少雨，年平均气温8.6℃，年平均降水量仅为270 mm，枣树生长期内降水季节性分配不均，主要集中在7～9月。2017年枣树生育期有效降水量225.60 mm（图1）。多年平均蒸发量为2325 mm，无霜期120～218 d，多年平均日照达3024 h。研究区土壤为砂壤土，入渗能力较强，田间持水率为23.10%。试验地0～100 cm土壤理化性质均值如表1所示。

表1 土壤理化性质

图1 2017年枣树生育期内降水量

1.2 试验设计

试验设置不同灌溉定额（W1：2250 m3/hm2、W2：3000 m3/hm2、W3：3750 m3/hm2）和 施 氮 量（N1：240 kg/hm2、N2：300 kg/hm2、N3：360 kg/hm2）的水氮配置2因素3水平试验，每个处理设3次重复，一次重复3棵枣树，共27个小区。

供试作物为8年生成龄同心圆枣，行株距为2.5 m×3.5 m，胸径52～68 mm，株高为289～348 cm，冠幅为174～223 cm。地下渗灌管是采用橡胶和聚乙烯按一定比例混合加工而成的渗灌管道，出水量为300～400 mL/（m·min）。在枣树萌芽展叶期开始前，对所处理的枣树进行修剪，对枣树行进行旋耕。地下渗灌铺设采用人工开沟，管道长度以枣树树干为圆心，直径为80 cm，确定其长度，深度以地表为起点，埋深为15 cm，埋管前对管道进行通水，每次灌溉量通过水表读数记录。依据枣树的需肥规律和灌溉方式，采用少量多次进行施肥，开花期施2次，坐果期施3次，果实膨大期施3次。将肥料完全溶解于肥料罐中，施肥通过自制文丘里施肥装置施入，施肥前10 min灌水，停水前30 min结束施肥。供试肥料为复合肥滴灌肥（N、P2O5和K2O占 比 分 别 为33%、12%和5%）。整个试验过程的灌溉和施肥制度如表2所示。

表2 水氮配置下枣树全生育期灌溉施肥制度

1.3 测定指标及方法

降水量观测：距离样地50 m空旷处安装有自动气象站（auto weather station AR5），长期监测研究区降水量、温度、风速、太阳辐射等气象资料。

光 合 指 标：于2017年7月3日（8：00～18：00）坐 果 期 和2017年7月27日（8：00～18：00）果实膨大期，采用Li-6400便携式光合测定仪（Li-Cor Inc，USA）进行测定各处理叶片光合指标（净光合速率Pn、蒸腾速率Tr、气孔导度Gs、胞间CO2浓度Ci）。每个处理选取2棵枣树，在每棵枣树上选取东西南北4个枝条，并在每个枝条上选取相同大小的叶片测定。测定前对叶片做好标记，下同。

叶片叶绿素相对含量（SPAD）：采用便携式叶绿素仪SPAD-502测定，在开花期、坐果期和果实膨大期每次灌水施肥后2 d，每个处理分别选取东西南北4个枝条的上、中、下3片叶子进行测定，每个处理共测12片叶并取其平均值。

叶片氮含量（N）：分别在枣树开花期、坐果期和果实膨大期，在每棵枣树上选取东西南北4个方向的上、中、下各12片，装入保鲜袋中，放在4℃左右的冰箱里。带回实验室，清洗、烘干、粉碎。称取叶片干物质0.05 g于消煮管中，采用H2SO4-H2O2方法于260～270℃消化，并运用流动分析仪测定消化液的氮素含量。

土壤含水率：采用Trime-IPH管式（200 cm）TDR土 壤 水 分 测 量 系 统（IMKO，Ettlingen，Germany），于枣树生长期内监测0～200 cm土层土壤含水率，每隔20 cm测定一次，测定时间为灌水前后和降雨后。

氮肥偏生产力（kg/kg）=每公顷果实产量/每公顷施氮量。

产量：枣树果实成熟后按各处理收获，进行产量测定。

1.4 数据分析

利用Excel 2010进行数据整理和绘图，利用SPSS 22.0对数据进行分析，选择Duncan法进行处理间的差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 水氮配置对枣树生理指标的影响

水氮配置下枣树生育阶段内光合作用特性如表3所示。水氮交互作用下，除W1N2和W1N3之 间 的Pn，W3N3和W3N2之 间 的Tr、Gs W1N3和W2N1、W2N2和W2N3之 间 的Gs，W1N2和W2N2之间的Ci无显著差异外，其他处理之间的Pn、Tr、Gs、Ci均达到显著性差异（P＜0.05）。相同施氮条件下，不同灌溉定额Pn、Tr、Gs均为W3处理＞W2处理＞W1处理，Ci为W1处理＞W2处理＞W3处理；N3处理条件下，W3处理Pn比W2、W1处理分别提高12.81%、31.63%；N2处理条件下，W3处理的Tr比W2、W1处理分别提高20.71%、154.46%；N2处理条件下，W3处理的Gs比W2、W1处理分别提高51.43%、231.25%；N3处理条件下，W1处理的Ci比W2、W3处理分别提高4.05%、11.95%。说明随着灌溉定额的增加Pn、Tr、Gs均增加，而Ci降低。相同的灌溉定额条件下，随着施氮量的增加光合作用参数Pn、Tr、Gs、Ci均增加，并且N3处理的Pn、Tr、Gs、Ci比N1处理分别增加14.47%、44.53%、30.73%、21.85%，在灌溉定额为W2、W3处理时，N2处理的Tr、Gs比N1、N3处理高，说明灌溉量的增加有助于水氮交互作用影响光合作用的蒸腾速率Tr和气孔导度Gs。

表3 水氮配置下的枣树生育阶段光合及蒸腾特性

2.2 水氮配置对枣树叶片中叶绿素SPAD及氮含量的影响

水氮配置下枣树开花期、坐果期、果实膨大期内各组合下叶片的SPAD和N含量的变化如表4所示。3个生育期内，水氮交互下叶片的SPAD和N含量都存在显著性差异，3个生育期内W2N3和W3N2叶片的SPAD含量之间无显著性差异，相同灌溉定额下，随着施氮量的增加，叶片的SPAD和N含量逐渐增加，在W1处理条件下，N1和N2处理之间SPAD增幅较大，W2处理条件下，N1和N2处理之间SPAD增幅较小，W3处理条件下，N1和N2处理之间SPAD增幅又变大，说明水氮交互作用下，可根据水氮的配置来调节作物的生长，不需要高水高肥。各水氮组合枣树叶片的SPAD、N含量均为果实膨大期＞坐果期＞开花期，坐果期和果实膨大期均施氮3次，开花期施氮2次，开花期单次施氮量均高于坐果期和果实膨大期单次施氮量。3个生育期叶片的SPAD为36.29（W1N1）～58.44（W3N3），果实膨大期W3N3的SPAD比开花期W1N1提高了37.90%。自开花期至果实膨大期，叶片N含量逐渐升高，果实膨大期W3N3处理最高，比开花期W1N1多39.87%，说明水氮交互有利于枣树各生育时期叶片SPAD和N含量的增加。

表4 水氮配置下的枣树叶片叶绿素SPAD及氮含量

2.3 水氮配置对枣树全生育期土壤水分的影响

水氮配置下枣树全生育期内土壤水分变化如图2所示。在枣树整个生育期内，各处理土壤水分在100 cm以下随着灌水量和施氮量变化幅度不大，呈稳定趋势；在0～100 cm土层土壤含水率随土层深度增加而逐渐减小。施氮量相同下，灌水量越高，0～100 cm土层土壤含水率越高；灌水量相同下，施氮量对土壤含水率的影响不明显。

图2 水氮配置下的枣树全生育期土壤水分变化

2.4 水氮配置对枣树耗水量及水分利用效率的影响

水氮配置下枣树耗水量和水分利用效率变化如表5所示。各处理储水量变化为收获后田间储水量和萌芽期之前田间储水量之差，主要体现灌水后作物对水分吸收的变化，水氮交互作用下，高水高肥对田间水分储水量影响最大。各处理耗水量之间存在显著性差异（除W3N2和W2N3之外），W3N3耗水量最多，为359.94 mm，比最低的W1N1增加47.53%，灌溉量和施氮量分别对耗水量具有一定的影响。水分利用效率体现作物灌水量与产量之间的关系，W2N2水分利用效率最高，为2.54 kg/m3，W1N1和W3N1水分利用效率最低，W2N2水分利用效率比W1N1、W3N1分别高35.83%、36.56%，W2N2、W1N1、W3N1之间存在显著性差异。水氮配置对耗水量和水分利用效率都有一定的影响，并且单因素下也影响耗水量和水分利用效率。

表5 水氮配置下的耗水量及枣树水分利用效率

2.5 水氮配置对枣树产量构成因素及氮肥偏生产力的影响

不同水氮配置下枣树产量构成因素和氮肥偏生产力的影响如表6所示。单果质量的大小和单株结果数的多少是影响枣树单株产量的主要因素。水氮交互作用下，W1N3和W2N1、W2N2和W2N3、W3N2和W2N3处理之间的单果重和单株结果数均无显著性差异（P＞0.05），其他处理之间均存在显著性差异（P＜0.05）。相同灌溉量下，不同施氮量各处理的单果重和单株结果数之间存在显著性差异（P＜0.05）（除W2处理下的N2和N3处理）；相同施氮量下，不同灌溉量各处理的单果重和单株结果数之间均存在显著性差异（P＜0.05）。随着灌水量和施氮量的增加，单果重和单株结果数逐渐增大，W3N3处理的单果重、单株结果数均最高，分别为19.07 g、456个。

表6 水氮配置下枣树的产量、产量构成因素及氮肥偏生产力

W2N1处理的氮肥偏生产力最高，为24.15 kg/kg，与W2N2和W3N1处理之间无显著性差异（P＞0.05），与其他处理之间均存在显著性差异（P＜0.05）。枣树产量随着灌溉定额和氮肥施入量的增加逐渐增加，W3N2和W2N3、W2N2和W2N3、W1N3和W2N1处理之间无显著性差异（P＞0.05），其他处理均存在显著性差异（P＜0.05）；W3N3处理产量最高，为7829.14 kg/hm2，与其他处理均存在显著性差异，比W2N2、W2N3分别提高8.04%、10.00%，W2N2、W2N3处理的产量仅次于W3N3处理，比W3N2产量高，并且W2N2处理与W3N2、W3N3处理存在显著性差异（P＜0.05）。W1和W3处理下不同施氮量之间均存在显著性差异（P＜0.05），N2和N3处理下不同灌水量之间均存在显著性差异（P＜0.05）。

3 讨论

3.1 不同水氮配置对枣树生理特性的影响

灌溉量和施氮量通过影响叶片色素［19］、气孔或非气孔因素［20］、光合电子的传递［21］以及叶片中的酶［22］等多种因素，从而对植株的光合作用造成影响，进而影响其产量和水分利用效率。灌溉量与施氮量对植株光合作用的影响是不同的，增大灌溉定额时，Pn、Tr、Gs呈增大趋势，但增大灌溉定额对Ci无促进作用，Ci表现为随着灌水量的增加逐渐下降，Ci随施氮量变化显著，相同灌溉量下随着施氮量增加逐渐增加；自开花期至果实膨大期，枣树叶片的叶绿素含量逐渐增多，增加灌溉量和施氮量显著提高叶片含氮量，增加了枣树光合作用。这可能是由于适宜水分条件下有利于提高气孔导度，增加蒸腾速率和CO2的吸收量，进而影响作物光合速率［23-24］；在水分适宜条件下增施肥料，有利于提高作物将光能转化为叶绿素的效率，利于增加叶绿素相对含量，满足作物自身营养生长，进而影响作物的光合作用［5］；或者是适宜的水氮配置有利于提高土壤环境中微生物群落多样性和稳定性，利于改善作物根际土壤生态环境，为作物提供生长养分和较好的生长环境，使得作物冠层发达，从而促进了作物的光合作用和蒸腾作用［25］；或者是适宜的灌水量能提高PSⅡ（Fv/Fm）原初光能转换效率，促进作物叶片光合作用的原初反应，提高光合速率［21］。另外，本试验研究结果还表明，单因素灌溉量对光合特性各指标均达到显著差异，单因素施氮量未达到显著差异，水氮交互作用下各指标均达到极显著性差异，可能是因为适宜的水氮组合对于作物光合能力和叶绿素相对含量的提高具有一定的促进作用，因此，适宜的水氮配比是提高作物光合指标的关键［26-27］。

3.2 不同水氮配置对枣树产量构成因素和产量的影响

产量与水分利用效率是决定作物经济效益的首要指标，提高产量与水分利用效率是实现高产高效的基础。水肥是影响枣树产量及水分利用率的重要因素，发挥“以肥调水”对于提高作物的产量及水分利用率有极其重要的作用［28-29］。本试验研究中，通过对枣树耗水量、氮肥偏生产力、水分利用效率、产量及构成因素分析，枣树的耗水量随着灌溉量和施氮量的增加而增加，不同处理之间存在显著性差异。氮肥偏生产力随着灌溉量和施氮量的增加逐渐降低，中水与低氮（W2N1）和中氮（W2N2）组合下的氮肥偏生产力最高，与高水低氮（W3N1）组合无显著性差异，与其他处理均存在显著性差异。灌水量和施氮量的增加均有提高枣树单果重、单株结果数和产量，但水氮配置比提高单一因素的灌水量或施氮量更有利于产量和产量构成因素的提高，并且水分利用效率和氮肥偏生产力达到了较高水平。这可能是由于地下渗灌可以将水分和养分输送到作物根系分布区域，从而使作物更好地吸收水分和养分，并且高水量会导致水分在根区分布范围广，甚至超越根区分布范围，导致过量的水分和养分流失，还会使生殖生长减弱，营养生长旺盛，造成生长冗余，直接影响作物产量；过高的施氮量会导致作物对养分吸收过饱和，使过量的养分留在土壤中［18，30］。高水高肥（W3N3）可以提高作物产量，但水分利用效率和氮肥偏生产力都低。这可能是适宜的水氮配比可以通过根-冠化学信号机制有效抑制营养生长，有利于作物对获取的有限物质和能量进行最合理的分配和使用，使更多的同化产物向地下根系、地上冠层运转，促进根系的生长发育和产量构成因素的优化，从而增加产量和提高水分利用效率，达到了节水、高效的目的［11-14，27］。

4 结论

枣树光合特性参数中的Pn、Tr、Gs随着灌水量和施氮量的增加而增加；Ci随着施氮量的增加而增加，但随着灌溉量的变化趋势则相反。灌溉量与施氮量对枣树光合作用的影响是不同的，水分对光合作用的影响显著高于施氮量，两者存在显著的负交互作用。各水氮配置处理枣树叶片的SPAD、N含量均表现为：果实膨大期＞坐果期＞开花期，果实膨大期高水高氮处理（W3N3）的SPAD和N含量比开花期低水低氮处理（W1N1）分别提高了37.90%和39.87%，说明水氮交互有利于枣树各生育时期叶片SPAD和N含量的增加。因此，不同的水氮配置通过影响作物的光合特性进而对产量、水分利用率及氮肥偏生产力产生影响，它们之间具有相互影响、相互制约的关系。

通过本次试验研究，分析得出枣树地下渗灌适宜的水氮配置为：灌溉量3000 m3/hm2、施氮量300kg/hm2。在此条件下，枣树的光合速率可达到8.24 μmol/（m2·s），氮肥偏生产力达到24.15 kg/kg，产量和水分利用效率分别达到7246.26 kg/hm2和2.54 kg/m3，是提高水分利用效率和氮肥偏生产力较为理想的组合，有利于实现枣树高效生产。