咸淡水交替灌溉對濱海墾區(qū)夏玉米生理生長的影響

朱成立 強 超 黃明逸 翟亞明 呂 雯

(1.南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室， 南京 210098；2.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 南京 210098)

0 引言

隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對土地資源的需求也日益增長。近年來，由于耕地占補平衡制度的推行，大量沿海灘涂被相繼開墾用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，至今我國東部沿海灘涂圍墾耕地面積已逾2 600 km2[1]，利用這一潛在的土地資源以擴大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)引起了全球關(guān)注。新圍濱海墾區(qū)土壤鹽分含量較高，土壤質(zhì)量較差，對作物的生長及產(chǎn)量有較大影響[2]。此外，濱海圍墾活動使得墾區(qū)從海洋系統(tǒng)向陸地系統(tǒng)轉(zhuǎn)化[3]，因其地下水位淺、礦化度高，加之灌排管理不善等，極易發(fā)生土壤次生鹽漬化。同時，水資源時空分布不均致使部分濱海地區(qū)經(jīng)常發(fā)生季節(jié)性干旱。因此，淡水資源缺乏和不穩(wěn)定性加劇了沿海農(nóng)業(yè)水資源的供需矛盾，阻礙了沿海農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

濱海地區(qū)微咸水分布廣，儲量大，研究表明：利用微咸水灌溉可以有效解決淡水資源不足的問題，提高糧食產(chǎn)量[4-5]，但過多地利用微咸水進行灌溉，會增加土壤中的鹽分，導(dǎo)致土壤退化，從而對土地資源的可持續(xù)利用產(chǎn)生不利的影響[6-7]。作物不同的生育期對土壤的耐鹽程度不同，如果土壤含鹽量超過了作物的耐鹽程度，就會影響作物體內(nèi)部分重要的代謝過程，包括光合作用、呼吸作用和植物體內(nèi)酶活性等[8-10]。此外，鹽分脅迫還通過增加活性氧物質(zhì)對植物造成二次氧化應(yīng)激，導(dǎo)致玉米葉片凈光合速率降低，氣孔導(dǎo)度減小，胞間CO2濃度增大[11]，植物體內(nèi)活性氧含量及膜脂過氧化程度上升，抗氧化酶活性也隨之升高，但隨著脅迫的增強，活性氧消除速度低于活性氧產(chǎn)生速度，對植物細胞造成傷害，抑制植物生長[12]。因此，采用的微咸水灌溉方式以減輕鹽分脅迫造成的植物損傷和減產(chǎn)至關(guān)重要。已有研究表明，微咸水與淡水交替灌溉是一種有效的方式[13-14]。咸淡水交替灌溉的重點在于選擇作物耐鹽生長階段進行微咸水灌溉，而在作物鹽分脅迫敏感階段灌溉淡水。玉米作為對鹽分中度敏感的作物[15]，是濱海地區(qū)的主要糧食作物之一，是用于研究鹽分脅迫的良好材料。本文針對我國濱海墾區(qū)水土資源現(xiàn)狀，采集具有區(qū)域代表性的墾區(qū)土壤，通過盆栽試驗，研究不同礦化度微咸水灌溉模式下，夏玉米不同生育階段對鹽分脅迫的抗性，以確定適宜夏玉米生長的咸淡水交替灌溉模式，為濱海墾區(qū)水土資源農(nóng)業(yè)可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017年6月23日—10月29日在河海大學(xué)節(jié)水園區(qū)節(jié)水與農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗場中的大棚內(nèi)進行，試驗區(qū)地處北緯31°86′、東經(jīng)118°60′，屬亞熱帶濕潤氣候。

1.2 供試土壤基本性質(zhì)

根據(jù)《國際制土壤質(zhì)地分級標準》，供試土壤為濱海墾區(qū)粉砂質(zhì)粘壤土，取自東南沿海的鹽城市東川農(nóng)場濱海墾區(qū)(北緯32°96′、東經(jīng)120°87′)，與試驗地點同屬亞熱帶濕潤氣候，年平均氣溫與年降雨量相近。土壤基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of experimental soil

注：田間持水率以質(zhì)量分數(shù)計。

1.3 試驗設(shè)計

采用直徑35 cm、高65 cm的圓桶進行夏玉米避雨盆栽試驗，供試品種為當(dāng)?shù)貜V泛種植的蘇玉29。每盆使用79.7 kg土壤，土壤經(jīng)過室外風(fēng)干后過2 mm篩，然后均勻地填充至60 cm高度，平均土壤容重為原農(nóng)田實際土壤容重1.38 g/cm3。于桶的底部用電鉆在四周鉆出4個直徑為2 cm的排水孔。玉米生長所需的肥料在播種前被均勻地混合到0～20 cm的土壤中。

以玉米不同生育期灌溉不同礦化度的微咸水為雙因素進行完全試驗，設(shè)置1個全生育期灌溉淡水(0.12 g/L NaCl)對照處理(CK)。玉米種子于2017年6月23日播種，結(jié)合往年試驗及當(dāng)?shù)毓喔冉?jīng)驗，根據(jù)作物耗水量將整個生育期劃分為3個階段:壯苗期(第3葉至第8葉期，19～41 d)、拔節(jié)抽雄期(第8葉至抽雄期，42～83 d)和灌漿成熟期(吐絲期至成熟期，84～129 d)，灌溉期同生育期[16-17]。本次試驗共設(shè)置3種咸淡交替灌溉方式:①“咸淡淡”(BFF)指壯苗期灌溉微咸水，其他時期灌溉淡水。②“淡咸淡”(FBF)指拔節(jié)抽雄期灌溉微咸水，其他時期灌溉淡水。③“淡淡咸”(FFB)指灌漿成熟期灌溉微咸水，其他時期灌溉淡水，并設(shè)置整個生長季淡水灌溉的對照處理(CK)。微咸水礦化度設(shè)3種水平鹽分含量(1、3、5 g/L)。共10個處理，每個處理3次重復(fù)，共計30個盆栽進行試驗，具體灌溉方式見表2。

表2 咸淡水交替灌溉試驗方案Tab.2 Experimental design for alternate irrigation with fresh and brackish water g/L

注：F代表淡水灌溉，數(shù)字代表不同礦化度的微咸水灌溉。

播種前采用淡水灌溉，使土壤含水率達到70%～80%的田間持水率，以保證出芽率及玉米幼苗的前期生長。每盆播種5顆玉米種子，5 d后全部出苗，在三葉期時定苗。不同礦化度微咸水均由NaCl配置而成。每隔3 d用便攜式時域反射儀(TDR)監(jiān)測土壤含水率(SWC)。將一對TDR探針分別水平放置在0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm、45～60 cm土壤隔室的中部，測定8個TDR探針平均土壤含水率，以確定是否需要灌溉。壯苗期土壤含水率控制在田間持水率的65%～80%，拔節(jié)抽雄期和灌漿成熟期土壤含水率控制在田間持水率的75%～90%，每次灌溉2.5 L水量，成熟期不再灌水，玉米在第128天后收獲，具體灌溉制度見表3。

表3 各處理灌水定額Tab.3 Irrigation amount for each irrigation treatment L

注：#表示灌溉微咸水，其他為灌溉淡水，數(shù)字代表灌溉水量。

1.4 指標測定方法

(1)土壤含鹽量

在最后一次灌水結(jié)束2 d后用土鉆分層(0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm、45～60 cm)取土進行測量，土樣經(jīng)風(fēng)干、充分研磨后過1 mm篩，采用土水體積比1∶5的方法配制和提取土壤飽和浸提液，用DS-307A型電導(dǎo)率儀測定土壤飽和浸提液的電導(dǎo)率(ECe)。

(2)光合作用交換參數(shù)

玉米出苗14 d后以及39 d(壯苗期灌水結(jié)束后)、63 d(拔節(jié)抽雄期灌水3次后)、81 d(拔節(jié)抽雄期灌水結(jié)束后)、108 d(灌漿成熟期灌水結(jié)束后)時在自上向下數(shù)第3個完全展開的葉片上，分別測定對照處理和3個微咸水鹽分處理的玉米光合作用、氧化參數(shù)和抗氧化酶活性。在晴天觀測日的09:00—11:00，采用TPS-2型便攜式光合作用測定系統(tǒng)(PP，Systems,美國)在800 μmol/(m2·s)下測量各處理的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)。

圖1 不同灌水處理各層土壤飽和浸滴液電導(dǎo)率Fig.1 Electrical conductivity of soil saturated extract in different soil layers with different irrigation treatments

(3)氧化參數(shù)和抗氧化酶活性

采用分光光度法測定玉米葉片中的過氧化氫(H2O2)含量[18]；TBA法測定丙二醛(MDA)含量[18]；NBT光化還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性，以抑制NBT光化還原50%為一個活力單位表示[19]；愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性，以光吸收增加0.001 min-1為一個酶活性單位來計算[20]；紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性，以每分鐘A240(240 nm處吸光度)減少0.1酶量為一個酶活性單位[20]。SOD、POD和CAT活性的測定結(jié)果按蛋白質(zhì)含量以葉質(zhì)量的U/g表示。

(4)生長指標及水分利用效率

在全生育期結(jié)束后，測定玉米株高和葉面積。株高采用卷尺測量植株自然狀態(tài)下最高點至根莖部的垂直高度。葉面積采用LI-3000A型葉面積儀測定玉米的第2片展開葉。

作物蒸散量(ET)根據(jù)各生育期和整個季節(jié)盆內(nèi)土壤水分平衡估算[21]。試驗中無降水和徑流，排水可忽略不計。土壤水分平衡方程為

ET=I+V(θi-θf)

(1)

式中I——時段內(nèi)的總灌溉量，L

V——土壤體積，L

θi——TDR測量的初始土壤含水率，%

θf——TDR測量的最終土壤含水率，%

收集莖葉、洗滌過的根和玉米果實，先在105℃干燥箱中殺青2 h，后在65℃干燥箱中干燥至恒定質(zhì)量。測定莖葉、根的質(zhì)量以及籽粒產(chǎn)量。玉米的水分利用效率(WUE)計算為

WUE=W/ET

(2)

式中W——地上干物質(zhì)量，g

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003進行記錄和整理，采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件對不同灌溉水礦化度和不同咸淡水交替灌溉方式2個主效應(yīng)進行方差分析，采用Origin 9.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 咸淡水交替灌溉對濱海墾區(qū)土壤鹽分的影響

咸淡水交替灌溉對土壤鹽分的影響如圖1所示。土壤含鹽量隨灌溉水礦化度的增加而增加，0～15 cm、15～30 cm土層的土壤鹽分增幅較大。FBF處理的上層土壤含鹽量上升最為明顯，其次是FFB處理，而BFF處理則較低。BFF5處理的電導(dǎo)率在玉米主根區(qū)(0～15 cm、15～30 cm)相比CK處理分別上升了18.4%和174.2%，F(xiàn)BF5處理為84.1%和323.6%，F(xiàn)FB5處理為52.2%和220.4%。

2.2 咸淡水交替灌溉對夏玉米葉片光合作用交換參數(shù)的影響

如表4所示，灌溉處理前，各處理夏玉米葉片凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)及氣孔導(dǎo)度(Gs)均無明顯差異。灌溉水礦化度對玉米各生育期光合作用交換參數(shù)(Pn、Ci、Gs)具有顯著影響(P<0.01)。光合作用能力隨著玉米的生長而增強，在拔節(jié)抽雄期達到峰值，在灌漿成熟期減弱。由圖2可以看出，隨著礦化度的增加，全生育期的Pn、Gs呈逐漸減小趨勢。BFF和FFB處理中，玉米的Ci在灌溉0.12、1、3 g/L微咸水時下降，在灌溉5 g/L微咸水時上升，F(xiàn)BF處理玉米的Ci在第63天時規(guī)律與前者相同，而在第81天時則在灌溉0.12、1 g/L微咸水時下降，在灌溉3、5 g/L微咸水時上升。相同礦化度微咸水灌溉下，灌溉時期對光合作用交換參數(shù)影響由大到小表現(xiàn)為FBF、BFF、FFB。

表4 灌溉方式與微咸水礦化度對各參數(shù)影響的相關(guān)系數(shù)Tab.4 Correlation coefficient between irrigation method and salinity of brackish water on each parameter

注：*** 表示在P<0.001水平上顯著，** 表示在P<0.01水平上顯著，*表示在P<0.05水平上顯著。

圖2 不同灌水處理下光合作用參數(shù)變化Fig.2 Changes of photosynthetic parameters under different irrigation treatments

與全生育期淡水灌溉處理(CK)相比，在第108天時FFB1的Pn降低幅度最小，為2.14%，第81天FBF5降低幅度最大為52.69%。FFB1處理Gs降低幅度最小，為11.17%，F(xiàn)BF5同樣在第81天降低幅度最大，為54.42%。玉米葉片中的Ci在高鹽脅迫下有明顯的上升趨勢，BFF5、FBF5、FFB5的Ci均高于CK，其中FBF5在第81天時上升幅度最大，為19.44%，F(xiàn)FB5上升幅度最小，為1.38%。在灌溉微咸水水量相同的情況下(39 d與63 d)，63 d玉米光合作用參數(shù)相較CK變化幅度均小于39 d，盡管FFB處理在第108天已經(jīng)灌溉了4次微咸水，但其相對CK變化幅度仍小于其他處理。

2.3 咸淡水交替灌溉對夏玉米葉片氧化參數(shù)和抗氧化酶活性的影響

灌溉不同礦化度微咸水對玉米的H2O2、MDA含量和抗氧化酶活性有顯著影響(P<0.05),不同微咸水處理下夏玉米葉片氧化參數(shù)變化如圖3所示。在對照處理(CK)中，玉米葉片中H2O2含量整個生育期呈下降趨勢，MDA含量整個生育期呈上升趨勢。相同灌溉方式下，玉米中的H2O2含量和MDA含量隨著灌溉水礦化度增大而增大，且均在FBF5處理第81天達到最大值，分別高出同時期CK處理的82.56%和76.01%。相同礦化度不同灌溉方式下，灌溉微咸水玉米葉片中H2O2和MDA含量增幅由大到小表現(xiàn)為FBF、BFF、FFB。其中FFB與CK的H2O2含量以及FFB1、FFB3與CK的MDA含量差異不顯著(P>0.05)。

圖3 不同灌水處理下玉米葉片氧化參數(shù)變化Fig.3 Changes of oxidation parameters of maize leaves under different irrigation treatments

圖4 不同灌水處理下玉米葉片抗氧化酶活性變化Fig.4 Changes of antioxidant enzyme activities in maize leaves under different irrigation treatments

夏玉米不同生育期灌溉水礦化度對抗氧化酶活性的影響如圖4所示，玉米葉片中SOD和CAT活性均在FBF處理第81天達到峰值，在灌漿成熟期減弱，而POD活性在整個生育期呈上升趨勢。相同灌溉方式下，抗氧化酶活性隨著灌溉水礦化度增大而增大，且灌漿成熟期比壯苗期和拔節(jié)抽雄期增長更為明顯。FBF5處理存在對部分酶活性的限制，相比FBF3處理，POD活性以及CAT活性在第81天分別下降了11.27%和22.42%，但兩者仍比同時期CK處理的酶活性高出37.67%和13.71%。

2.4 咸淡水交替灌溉對夏玉米生長和產(chǎn)量的影響

表5表明，不同灌溉方式下夏玉米的株高、葉面積、地上干物質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量以及水分利用效率均隨灌溉水礦化度增加而降低。對照處理和灌溉1 g/L微咸水處理株高、葉面積等無顯著差異。FFB處理株高、葉面積以及地上干物質(zhì)量與同礦化度下其他處理相比較高，但隨著灌溉水礦化度增加，F(xiàn)FB處理籽粒產(chǎn)量下降幅度大于BFF的處理。FBF處理各項參數(shù)減少幅度最大，其中FBF5處理的各收獲參數(shù)均為所有處理中的最小值，水分利用效率相比CK減小了38.04%。相同礦化度微咸水灌溉下，水分利用效率由高到低為FFB、BFF、FBF。

表5 不同處理對夏玉米生長指標、產(chǎn)量及水分利用效率的影響Tab.5 Effects of different treatments on growth, yield and water use efficiency of summer maize

注：數(shù)據(jù)為平均值±標準差，同一列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表明不同礦化度處理下差異顯著(P<0.05)。

3 討論

微咸水灌溉會增加土壤中鹽分累積，對土壤性質(zhì)和作物生長產(chǎn)生不利影響，通過咸淡水交替灌溉則能有效降低土壤中灌溉水帶來的鹽分[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，BFF處理上層土壤鹽分累積較少，這可能是后期的淡水灌溉使土壤中的鹽分向下層聚集。FBF和FFB處理的土壤鹽分積累更為明顯，F(xiàn)FB處理由于后期沒有淡水淋洗，導(dǎo)致土壤鹽分累積較高，盡管FBF處理最后階段使用淡水灌溉，但上層仍有更多的鹽分累積，這可能與土壤前期鹽分積累，入滲能力下降有關(guān)，導(dǎo)致淡水灌溉時，鹽分向下運移受到阻礙[23]。因此FBF和FFB處理在下一輪種植前仍需采用淡水灌溉進行淋洗，以保證土地的可持續(xù)利用。

光合作用是作物物質(zhì)積累的重要方式，也是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，其對環(huán)境脅迫的變化較為敏感，可有效地評價作物對環(huán)境脅迫的抗性[24]。微咸水灌溉處理的夏玉米葉片光合作用受氣孔因素和非氣孔因素的影響，Ci的變化可以作為區(qū)分光合速率降低是氣孔還是非氣孔因素的主要依據(jù)[25-26]。其中氣孔限制在低濃度微咸水灌溉處理和FFB處理中比較顯著，隨著灌溉水礦化度的增加，Pn逐漸下降，Gs也隨之下降，與Ci變化趨勢一致，說明氣孔關(guān)閉限制了玉米葉片的光合作用能力，主根區(qū)的鹽分累積導(dǎo)致作物滲透失衡，引發(fā)氣孔反應(yīng)，阻礙CO2進入葉綠體內(nèi)，降低了CO2的可用性[27]。而在BFF和FBF灌溉高礦化度微咸水的處理中，盡管出現(xiàn)了Pn和Gs大幅下降，但伴隨著Ci的上升，說明是非氣孔因素引起光合作用的大幅減小，導(dǎo)致Pn的降低，這可能與高鹽條件下葉綠素的降解有關(guān)[28]。灌溉水量相同時，BFF處理各光合作用交換參數(shù)相對于CK的變化幅度均大于FBF，說明夏玉米在壯苗期灌溉微咸水相較拔節(jié)抽雄期灌溉微咸水更為敏感，但是由于拔節(jié)抽雄期作物需水量較大導(dǎo)致灌水量較大，以及夏玉米主根區(qū)逐漸延伸至高含鹽量土層，鹽分脅迫加劇[29]，導(dǎo)致最終在第81天時FBF的處理對光合作用的抑制更為明顯。

氧化脅迫是鹽脅迫的重要組成部分，它嚴重破壞作物正常的細胞代謝[30]。鹽脅迫限制了作物體內(nèi)的卡爾文循環(huán)，使葉綠體承受過多的激發(fā)能，激發(fā)能在葉綠素分子之間傳遞時易形成3Chl，與O2反應(yīng)生成單線態(tài)氧(1O2)[31-32]，從而增加了活性氧的產(chǎn)生，進而導(dǎo)致光合作用抑制、氧化損傷和植物生長受阻[28,33]。植物體內(nèi)的過氧化氫(H2O2)含量和丙二醛(MDA)含量通常被視作評估氧化損傷程度的指標。本文通過分析玉米葉片中氧化應(yīng)激指標進一步探究濱海墾區(qū)夏玉米對咸淡水交替灌溉的響應(yīng)。在本試驗中，兩個氧化參數(shù)隨著灌溉水礦化度上升而上升，同礦化度微咸水灌溉下FBF處理在第81天時H2O2和MDA的含量最大且增幅最高，說明夏玉米此時受到的氧化脅迫最為嚴重。FFB處理的氧化參數(shù)增幅較小，這可能與氧化損傷的減輕或酶系統(tǒng)的發(fā)育完全有關(guān)[11]。在鹽脅迫下，玉米體內(nèi)活性氧代謝失調(diào)，包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)等內(nèi)源活性氧清除劑構(gòu)成的酶保護系統(tǒng)被激活，以減緩脅迫對玉米造成的危害，隨著酶系統(tǒng)的逐漸發(fā)育完善這種趨勢在拔節(jié)抽雄期和灌漿成熟期灌溉微咸水的處理更加明顯。然而，在FBF5的處理中，POD和CAT的酶活性有下降趨勢，可能是因為過量的鹽分脅迫引起的離子毒害破壞了酶結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)的合成[11]。這些氧化應(yīng)激指標再次反映了夏玉米在壯苗期對鹽分脅迫最為敏感，但拔節(jié)抽雄期灌溉高礦化度微咸水受到的損傷最大。

灌溉微咸水導(dǎo)致水分利用效率下降主要是由于其抑制了光合作用，減少了生物量。玉米壯苗期對鹽分脅迫最為敏感，但BFF處理能夠比FBF處理獲得更高的產(chǎn)量，可能是由于后續(xù)淡水灌溉減輕了負面影響。相同礦化度微咸水灌溉下，F(xiàn)BF的處理生物量最小，在這個時期，灌溉微咸水量較大，更高的鹽脅迫導(dǎo)致光合作用降低幅度更大，玉米生長受到抑制。FFB處理中，盡管株高、葉面積、地上干物質(zhì)量大于FBF，但玉米籽粒質(zhì)量隨著礦化度的上升而下降的幅度大于BFF，可能是由于這個時期鹽脅迫下籽粒發(fā)育中的庫限制和酸性轉(zhuǎn)化酶活性降低[33]。然而，這個時期灌溉微咸水生物量的損失是同礦化度處理下最小的，表現(xiàn)出更高的水分利用效率。

4 結(jié)束語

以濱海墾區(qū)夏玉米為研究對象，進行了不同礦化度咸淡水交替灌溉對土壤鹽分含量、玉米光合作用交換參數(shù)、氧化參數(shù)、抗氧化酶活性、生長指標和水分利用效率的影響試驗。結(jié)果表明，壯苗期夏玉米對微咸水灌溉土壤表層積鹽較少，雖然此時玉米對鹽分脅迫最為敏感，但是由于拔節(jié)抽雄期需水量較大，灌溉微咸水造成的土壤鹽分累積更高，鹽分脅迫更強，光合作用能力下降最顯著，水分利用效率最低。相較而言，灌漿成熟期灌溉微咸水對光合作用抑制較小，氧化損傷較低，且隨著酶系統(tǒng)的發(fā)育完善，抗氧化酶活性在遭受鹽脅迫時上升幅度也有所提高。結(jié)合試驗結(jié)果分析，在濱海墾區(qū)采用微咸水灌溉夏玉米，可在壯苗期采用較低礦化度的微咸水進行灌溉，而較高礦化度的微咸水僅適合在灌漿成熟期進行，在拔節(jié)抽雄期僅適合使用淡水進行灌溉，同時需要通過非生育期降雨或灌溉淋洗以降低土壤次生鹽堿化的風(fēng)險。