不同生長階段咸水灌溉對(duì)櫻桃番茄生長、產(chǎn)量及質(zhì)量的影響

黃翠華，彭 飛，薛 嫻，尤全剛，2，王 濤(．中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所中國科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000;2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 00049)

水資源短缺是全球性的問題，尤其在干旱區(qū)更為嚴(yán)重，在干旱地區(qū)，水是關(guān)鍵的生態(tài)環(huán)境因子，是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成、發(fā)展和穩(wěn)定的基礎(chǔ)，持續(xù)的人口增加而引發(fā)的食品安全問題，導(dǎo)致干旱區(qū)不得不利用鹽分較高的地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉［1］。咸水灌溉引起的滲透效應(yīng)將影響作物的產(chǎn)量［2－3］、干物質(zhì)、生長率［4］、可溶性固形物總量(TSS)［5］、果實(shí)保存期［6］、CO2凈同化率、蒸騰作用和氣孔導(dǎo)度［7］，這些生理和生產(chǎn)參數(shù)的變化決定了作物各個(gè)時(shí)期的生長狀況［8］。如Del Amo等［9］的研究表明番茄在移植后16 d進(jìn)行咸水灌溉比移植后36和66 d進(jìn)行咸水灌溉的產(chǎn)量明顯下降。在華北平原進(jìn)行的試驗(yàn)表明移植后30 d對(duì)番茄使用電導(dǎo)率為1．4～4．9 dS/m的水進(jìn)行灌溉對(duì)其產(chǎn)量沒有明顯的影響［10］。對(duì)番茄進(jìn)行高頻灌溉可以增強(qiáng)水分利用率［11］。

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)的分類標(biāo)準(zhǔn)，番茄屬于鹽分敏感性作物，它的鹽分臨界值為2．5 dS/m，高于此值時(shí)每增高單位土壤電導(dǎo)率其產(chǎn)量下降9．9%。番茄的不同生長階段對(duì)鹽分的敏感性不同，生殖生長期比營養(yǎng)生長期敏感。溫室內(nèi)試驗(yàn)研究表明番茄的花期和第一坐果期的鹽分脅迫對(duì)其產(chǎn)量影響明顯。盡管有些研究者對(duì)番茄不同生長階段對(duì)鹽分的敏感性進(jìn)行了研究［9－10］，但很少對(duì)其整個(gè)生長期進(jìn)行跟蹤試驗(yàn)，而且多數(shù)試驗(yàn)在溫室進(jìn)行。櫻桃番茄(Lycopersivon esculentum Mill．)是番茄的一個(gè)品系，早在19世紀(jì)早期就開始在中國、美國和歐洲南部被作為經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行種植。櫻桃番茄自1996年起開始在民勤綠洲種植，現(xiàn)在已成為一種重要的經(jīng)濟(jì)作物。作為我國水資源開發(fā)程度較高的內(nèi)陸河流之一，石羊河流域水資源緊缺程度引起社會(huì)各界的高度關(guān)注［12］。民勤綠洲淡水資源匱乏，降雨量低而蒸發(fā)強(qiáng)烈，20世紀(jì)50年代紅崖山水庫和躍進(jìn)渠的修建以及水資源的不合理利用導(dǎo)致尾閭湖的消失，綠洲北部水資源極其匱乏［13］。為了維持生計(jì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民不得不利用鹽分較高的地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，但長期使用高鹽分地下水進(jìn)行灌溉引起了一系列問題，如地下水水位下降、水質(zhì)惡化和綠洲土地鹽漬化。在民勤綠洲內(nèi)部，南部地下水礦化度約為0．8 g/L，而在中部和北部分別為2．0和5．0 g/L［13］。在民勤綠洲的實(shí)際農(nóng)業(yè)活動(dòng)中，咸水和淡水輪番使用進(jìn)行灌溉。該研究對(duì)櫻桃番茄不同生長階段進(jìn)行咸水灌溉試驗(yàn)，評(píng)價(jià)不同試驗(yàn)處理?xiàng)l件下作物的生長、產(chǎn)量及果實(shí)質(zhì)量，由此確定櫻桃番茄在民勤綠洲合理的灌溉方法。

1 研究區(qū)概況與試驗(yàn)方法

民勤綠洲地處河西走廊東北部，位于102°45'～103°55'E，38°20'～39°10'N，西鄰巴丹吉林沙漠，東北靠騰格里沙漠［14］。民勤全縣面積1．600萬km2，其中綠洲面積為0．144萬km2，僅占9%。民勤20世紀(jì)50年代以來年平均降水量在115 mm左右，作物生長期降雨量占全年降雨量的90%，根據(jù)Penman-Monteith公式計(jì)算的年參考蒸發(fā)蒸騰總量(ET0)為995 mm，作物生長期ET0為798 mm［2－3］。民勤風(fēng)沙大，盛行西北風(fēng)，平均風(fēng)速2．8 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)31．0 m/s。由于民勤日照時(shí)間長，光輻射強(qiáng)，晝夜溫差大，所以非常適宜農(nóng)作物尤其是瓜果類的糖分積累，具有良好的市場前景，適宜大規(guī)模種植。

該試驗(yàn)在甘肅省民勤綜合防沙治沙試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)土壤沙粒和黏粒含量達(dá)到90%，土壤容重為1．55 g/cm3，pH為8．3［15］。試驗(yàn)灌溉用水的淡水(試驗(yàn)站水塔水)電導(dǎo)率0．7 dS/m，咸水電導(dǎo)率為7 dS/m，共設(shè)4個(gè)處理，淡水灌溉處理(C，整個(gè)生長季使用淡水灌溉)、先淡水后咸水灌溉處理(T1，定植50 d之內(nèi)為淡水灌溉，之后改為咸水)、先咸水后淡水灌溉處理(T2，定植50 d之內(nèi)為咸水灌溉，之后改為淡水)和咸水灌溉處理(T3，整個(gè)生長季使用咸水灌溉)。試驗(yàn)前使用淡水進(jìn)行漫灌處理(1 500 m3/hm2)。櫻桃番茄5月23日至6月14日在溫室進(jìn)行育苗，6月15日苗高15 cm左右時(shí)移植到試驗(yàn)田。株距為40 cm，行距為50 cm和70 cm(大小行)，試驗(yàn)樣方大小為9 m×7 m。第1次膜下滴灌在定植后當(dāng)天進(jìn)行，滴灌帶在植株根部0～5 cm范圍內(nèi)，定植后第15天之前和63天之后每7 d灌溉1次，定植15～63 d之間每3～4 d灌溉1次。定植后第15天之前每次灌水量為85 m3/hm2，定植15～63 d之間每次灌溉量為38 m3/hm2，8月底和9月份每次灌溉量為40 m3/hm2，10月份每次灌溉量為18 m3/hm2。不同處理整個(gè)生長季灌溉總量相同。灌溉用的咸水組成與民勤縣西渠鎮(zhèn)姜桂村灌溉用井井水性質(zhì)相同，灌溉用咸水通過在治沙站的井水(礦化度為0．46 g/L)中加入化學(xué)試劑(CaCl2、MgCl2、MgSO4、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3、NaNO3)，人工配制成礦化度為5．00 g/L的水進(jìn)行灌溉試驗(yàn)，具體性質(zhì)如表1所示。

土壤電導(dǎo)率(ECe)通過2．5∶1水土比提取液使用雷磁DDS-308 電導(dǎo)率儀測定。定植后1、8、26、41、55、74、87 和 102 d分別在 0～0．2 m 和0．2～0．4 m 深度上取樣;定植后10、24、38、62、74、88 和100 d 在每個(gè)樣方取 3 株植物樣品，測定單株植物葉面積，莖、葉鮮重和干重，通過Hunt的方法確定植物葉面積指數(shù)(LAI)和葉面積持續(xù)時(shí)間(LAD)［16］，葉重比為葉干重與植株干重之比，莖重比為莖干重與植株干重之比，收獲指數(shù)為果實(shí)干重與植株干重之比。在定植后39、57、72和93 d時(shí)進(jìn)行熟果收獲，以確定作物最終產(chǎn)量;每個(gè)樣方采集9個(gè)成熟果實(shí)測定其可溶性固形物總量，每個(gè)果實(shí)重復(fù)測3次，用WYT-4型手持測糖儀測定;使用Li-cor 6400光合儀在定植后25 d和53 d每日上午11:00測定其凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(gs)和蒸騰速率(Tr)，每個(gè)樣方測定3株，每株重復(fù)測定3次，水分利用效率等于光合速率與蒸騰速率之比。

表1 試驗(yàn)用水化學(xué)性質(zhì)

2 結(jié)果與分析

2．1 作物生長 試驗(yàn)櫻桃番茄定植后28 d進(jìn)入開花期，定植后39 d進(jìn)行第1次收獲，收獲量較小，定植后59 d和72 d達(dá)到坐果高峰期和最大收獲期。

咸水灌溉處理(T1、T2、T3)與控制處理(C)間莖葉鮮重的區(qū)別在定植50 d后比50 d內(nèi)更為明顯(圖1)。T2處理的葉鮮重增加幅度低于T3處理但高于T1處理，T2處理的莖鮮重隨定植天數(shù)延長增加最少。

最大葉面積指數(shù)、最大葉干重和最大莖干重均出現(xiàn)在定植74 d時(shí)，它們在T1、T2和T3處理使用咸水灌溉后均呈下降趨勢(表2)。T1、T2和T3處理的最大葉面積指數(shù)相對(duì)于C 處理分別下降0．16、0．13 和0．17。T1 和 T3 處理的最大莖葉干重下降幅度比T2處理大。定植74 d時(shí)T2和T3的葉重比和莖重比有所下降(表2)。自定植后38 d到最后1次測定，T2和T3處理的葉面積持續(xù)時(shí)間(LAD)增加幅度顯著下降(圖2)。

2．2 凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和水分利用效率 櫻桃番茄對(duì)不同試驗(yàn)處理的生理響應(yīng)如圖3所示。不同測量時(shí)間和試驗(yàn)處理對(duì)凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(gs)、蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE)的影響是相互獨(dú)立的。4個(gè)處理定植后25 d的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均高于定植后53 d的測量值，而WUE則表現(xiàn)為定植后53 d高于定植后25 d。T2定植后53 d的Pn下降了11%，而T1和T3沒有明顯下降(圖3Ⅰ);gs和Tr的變化趨勢與Pn相同(圖3Ⅱ和3Ⅲ)。定植后25 d的WUE只有T3處理明顯升高了17%，定植后53 d的WUE T2和T3分別增加了11%和12%(圖3Ⅳ)。

表2 不同試驗(yàn)處理對(duì)作物生長、產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)的影響

2．3 作物產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì) 盡管所有試驗(yàn)處理的種植密度一致，T1和T3處理的上市果實(shí)產(chǎn)量顯著下降，T2處理的上市果實(shí)產(chǎn)量沒有明顯降低(表2)。櫻桃番茄共收獲4次，4個(gè)處理收獲日期一致(定植39、57、72和93 d)，均在定植50 d內(nèi)收獲1次，之后收獲3次占總產(chǎn)量的77% ～82%。定植50 d內(nèi)T2和T3處理的產(chǎn)量沒有明顯變化，定植50 d后T1和T3處理的產(chǎn)量顯著下降(圖4)。T1、T2和T3處理的上市果實(shí)總產(chǎn)量分別降低了24．6%、6．0%和23．1%，T2和T3處理的收獲指數(shù)和可溶性固形物總量明顯高于C和T1處理(表2)，作物產(chǎn)量與葉面積持續(xù)時(shí)間顯著相關(guān)(R2=0．614，P ＜0．01)。

2．4 土壤鹽分 土壤電導(dǎo)率是反映土壤電化學(xué)性質(zhì)和肥力特性的基礎(chǔ)指標(biāo)，Rhoades［17］認(rèn)為土壤鹽分和含水率對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響明顯大于其他各因素，圖5顯示了櫻桃番茄植至收獲期0～0．4 m深度上的土壤電導(dǎo)率。定植40 d內(nèi)，T2和T3處理的土壤電導(dǎo)率呈持續(xù)上升，而C和T1處理的土壤電導(dǎo)率呈不斷下降態(tài)勢;定植40～50 d之間4個(gè)處理的土壤電導(dǎo)率均有所增加;定植50～102 d T1和T3處理的土壤電導(dǎo)率不斷上升，而T2不斷下降(圖5Ⅰ);整個(gè)生長季結(jié)束后T1和T3處理的土壤鹽分顯著增加，而C和T2處理的土壤電導(dǎo)率變化不顯著(圖5Ⅱ);T1和T3處理的土壤電導(dǎo)率分別增加了1．93和2．91 dS/m。盡管T2處理的土壤電導(dǎo)率有所下降，但生長季結(jié)束時(shí)它仍高于C處理的土壤電導(dǎo)率;C處理和T1處理的土壤鹽分隨土壤深度的增加而增加，而T2處理的土壤鹽分隨土壤深度的增加而降低，T3處理的土壤鹽分在不同土壤深度間沒有明顯差別(圖5Ⅲ)。

2．5 作物耐鹽性 根據(jù)Maas－Hoffman模型［8］作物產(chǎn)量與灌溉水礦化度通過臨界值外延至100的線性模型來評(píng)價(jià)。

Y=100－b(ECe－a)

Y是相對(duì)產(chǎn)量(%);b是斜率(單位鹽分增加引起的產(chǎn)量下降);ECe是0～0．4 m深度上土壤電導(dǎo)率的季節(jié)平均值;a是鹽分臨界值。此關(guān)系表明了臨界值a之上隨著土壤鹽分的增加作物生長率線性下降規(guī)律。

在試驗(yàn)中C處理的灌溉用水水質(zhì)較好(礦化度為0．46 g/L、電導(dǎo)率為0．7 dS/m)，其試驗(yàn)樣方的ECe也比較低。相對(duì)產(chǎn)量是通過咸水灌溉處理的測定產(chǎn)量(T1、T2和T3)與控制處理(C)的產(chǎn)量比值，通過相對(duì)產(chǎn)量與ECe的關(guān)系圖發(fā)現(xiàn)兩者的相關(guān)系數(shù)(b，斜率)，將生長時(shí)段分為定植50 d內(nèi)和50 d后2個(gè)時(shí)段進(jìn)行分析，結(jié)果顯示2個(gè)時(shí)段的相關(guān)系數(shù)(b，斜率)明顯不同(圖6)。

將所有的觀測結(jié)果合并成一個(gè)數(shù)據(jù)集得出圖6中的線性關(guān)系，應(yīng)用于適于上市產(chǎn)量分析。定植50 d內(nèi)和50 d后2個(gè)時(shí)段的臨界值a分別為2．4 dS/m和4．10 dS/m，此2個(gè)臨界值之外每增加單位土壤電導(dǎo)率作物產(chǎn)量下降率分別為1．45%和7．85%，表明櫻桃番茄在定植50 d之內(nèi)的耐鹽性較好，定植50 d以后對(duì)鹽分中等敏感。

3 討論

不同國家開展的諸多咸水灌溉對(duì)番茄影響的研究顯示，鹽分雖然降低了番茄生長、產(chǎn)量并對(duì)其生理過程產(chǎn)生影響，但是咸水灌溉提高了果實(shí)品質(zhì)，補(bǔ)償了咸水灌溉的負(fù)面作用，這一觀點(diǎn)已被廣泛接受［4］。咸水灌溉降低了櫻桃番茄最大葉面積指數(shù)、最大莖葉干物質(zhì)量和累積葉面積持續(xù)時(shí)間，但各處理間沒有顯著性差別，表明了櫻桃番茄整個(gè)生長期對(duì)鹽分脅迫的敏感性。而T1和T3處理的相對(duì)減幅比T2大，進(jìn)一步證明了櫻桃番茄生殖生長期對(duì)鹽分的敏感性比營養(yǎng)生長期對(duì)鹽分的敏感性更大。咸水灌溉明顯降低了定植后25 d的凈光合速率，但對(duì)定植50 d內(nèi)的累積葉面積持續(xù)時(shí)間沒有明顯的影響。定植50 d莖葉生長的下降表明持續(xù)的咸水灌溉影響了作物的生長，T1處理的最大葉鮮重下降和T2處理的最大莖鮮重下降表明不同生長階段作物不同器官的耐鹽性不同。T1處理的葉重比和莖重比在定植后74 d沒有明顯下降，這是因?yàn)楸M管這個(gè)時(shí)期莖葉干重明顯下降但同時(shí)產(chǎn)量的下降使得葉重比和莖重比沒有明顯變化。

試驗(yàn)結(jié)果表明，櫻桃番茄整個(gè)生長季或生長季后期使用咸水進(jìn)行膜下滴灌能顯著增加0～0．4 m深度上的土壤鹽分含量，其結(jié)果與筆者之前進(jìn)行的咸水溝灌黃河蜜瓜的試驗(yàn)結(jié)果相一致［15］。櫻桃番茄定植后40～50 d 0～0．4 m深度上4個(gè)處理的土壤鹽分均有增加的趨勢，該時(shí)段作物生長達(dá)到高峰期，作物從深層土壤吸收水分，故0～0．4 m深度上的鹽分不斷增加。定植50 d使用淡水進(jìn)行灌溉有效降低了土壤鹽分。C和T1處理0～0．2 m深度上的土壤鹽分低于0．2～0．4 m深度上的土壤鹽分，T2處理0～0．2 m深度上的土壤鹽分高于0．2～0．4 m深度上的土壤鹽分，T3處理在不同土層土壤鹽分差別不大，這與溝灌咸水灌溉試驗(yàn)土壤鹽分表聚現(xiàn)象有所不同［16］。在該研究中，膜下滴灌的灌溉方式抑制了土壤水分蒸發(fā)和運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而減弱了鹽分的表聚現(xiàn)象［18］。當(dāng)土壤電導(dǎo)率高于3．0 dS/m時(shí)，番茄產(chǎn)量對(duì)鹽分的升高十分敏感［18－19］。該研究中T1和T3處理的上市果實(shí)產(chǎn)量顯著下降(分別為 24．6% 和 23．1%)，但 T2處理不顯著(6．0%)，說明生殖生長期的咸水灌溉對(duì)果實(shí)產(chǎn)量具有明顯的影響。影響果實(shí)上市產(chǎn)量的土壤電導(dǎo)率臨界值為4．10 dS/m。高于此值時(shí)每增高單位土壤電導(dǎo)率產(chǎn)量下降7．85%，這與Mass-Hoffman的研究結(jié)果一致［8］。櫻桃番茄的產(chǎn)量與葉面積持續(xù)時(shí)間高度相關(guān)(R2=0．614，P＜0．01)，相應(yīng)的T1處理的葉鮮重和產(chǎn)量明顯下降證實(shí)了葉面積持續(xù)時(shí)間可以作為產(chǎn)量的一個(gè)可信指示指標(biāo)［20］。盡管T2和T3處理的果實(shí)產(chǎn)量下降但其收獲指數(shù)上升，因?yàn)榍o葉干物質(zhì)的下降幅度小于產(chǎn)量的下降幅度;T1處理的收獲指數(shù)沒有明顯變化，因?yàn)槠淝o葉干物質(zhì)下降幅度與產(chǎn)量下降幅度相當(dāng)。果實(shí)可溶性固形物總量的上升補(bǔ)償了產(chǎn)量的下降［1，6，20－22］，這點(diǎn)在該研究中也得到了證實(shí)。

4 結(jié)論

該試驗(yàn)條件下咸水灌溉降低了櫻桃番茄的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，卻提高了水分利用效率;其生殖生長期利用咸水灌溉可大幅度減少莖葉干物質(zhì)積累量;膜下滴灌的咸水灌溉方式抑制了土壤鹽分的垂直運(yùn)動(dòng);影響果實(shí)上市產(chǎn)量的土壤電導(dǎo)率臨界值為4．10 dS/m，高于此值時(shí)每增加單位土壤電導(dǎo)率則產(chǎn)量下降7．85%;果實(shí)可溶性固形物總量在所有處理中呈不斷上升趨勢，只有在營養(yǎng)生長期才具有顯著性增長特征。因此，在不得不使用咸水進(jìn)行灌溉的條件下，生殖生長期使用淡水而在營養(yǎng)生長期使用咸水進(jìn)行膜下滴灌是櫻桃番茄在民勤綠洲種植較為合理的灌溉方式。

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