基于土壤水分下限的寧夏枸杞滴灌灌溉制度試驗(yàn)研究

徐利崗，王懷博，鮑子云，李金澤

(寧夏回族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750021)

水分在土壤-植物-大氣連續(xù)體中不斷地循環(huán)遷移，而當(dāng)土壤含水率降到一定范圍時(shí)，作物的生長(zhǎng)發(fā)育及其產(chǎn)量、品質(zhì)的形成與水分利用效率都會(huì)受到限制和影響，而作物則會(huì)通過(guò)改變形態(tài)及繁殖過(guò)程適應(yīng)少水環(huán)境，達(dá)到結(jié)構(gòu)與功能的平衡[1-2].如何確定不同作物各生育期灌溉適宜的下限指標(biāo)及其對(duì)作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量、品質(zhì)與水分利用效率的影響是研究熱點(diǎn)[3-5]；枸杞是茄科枸杞屬的多枝灌木植物，廣泛分布于中國(guó)甘肅、青海、新疆及內(nèi)蒙古等省份，但唯有寧夏枸杞獲國(guó)家原產(chǎn)地域保護(hù)并載入《中華人民共和國(guó)藥典：2010年版》.徐利崗等[6-7]系統(tǒng)研究了寧夏干旱區(qū)枸杞樹干液流、蒸騰耗水變化特征及其影響因素，建立了枸杞水分虧缺多參數(shù)診斷模型并形成定額形式的灌溉制度；張繼林[8]探討了不同灌溉水量對(duì)枸杞生長(zhǎng)、產(chǎn)量、水分利用和果實(shí)品質(zhì)的影響.

目前，現(xiàn)有關(guān)于枸杞灌溉制度及水分利用方面的報(bào)道多是從定額的方式進(jìn)行研究，而從土壤水分上下限控制及不同水分脅迫程度的角度，探討其土壤水分存貯利用、光合生理、產(chǎn)量及品質(zhì)影響的研究成果較少.文中以寧杞7號(hào)枸杞為研究對(duì)象，在寧夏中部同心縣河西鎮(zhèn)開(kāi)展田間試驗(yàn)研究，設(shè)置不同控水期及不同梯度的土壤水分控制下限處理，研究在不同水分脅迫下枸杞對(duì)土壤水分利用、光合生理指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量與品質(zhì)、耗水量與水分利用效率的變化特征，綜合分析并提出寧夏枸杞滴灌條件下全生育期土壤水分控制指標(biāo)，為干旱區(qū)枸杞科學(xué)灌溉及種植管理提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年4月—2017年10月在寧夏吳忠市同心縣河西鎮(zhèn)同德村(105°43′E，37°11′N)開(kāi)展，當(dāng)?shù)睾０? 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%；多年平均蒸發(fā)量為2 387.0 mm，年平均氣溫為8.6 ℃，多年平均日照3 024 h，無(wú)霜期為154 d.試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)為輕壤土，容重為1.4～1.6 g/cm3，孔隙度為46%，田間持水率為13.4～15.1%，全鹽質(zhì)量比為4.79 g/kg.當(dāng)?shù)氐叵滤裆顬?0～25 m，灌溉水為黃河水，礦化度為0.6 g/kg.枸杞生育期為4—10月，研究區(qū)2016—2017年枸杞生育期內(nèi)平均降水量為170.2 mm，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，表中P為降水量.

表1 研究區(qū)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月合計(jì)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 試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)供試作物為5 a生枸杞樹，品種為寧杞7號(hào).每小區(qū)尺寸為12 m×9 m，株行距為0.70 m×3.00 m.采用滴灌方式，滴頭間距為30 cm，滴頭流量為2 L/h，每行布設(shè)1條毛管.依據(jù)生育期劃分春梢期、花期、夏果期及秋果期等4個(gè)控水期，設(shè)置8個(gè)水分處理S1—S8，見(jiàn)表2，表中θ和F分別為田間土壤水分控制下限(占田間持水率θf(wàn)的百分率)、施肥量，每個(gè)處理重復(fù)3次.此外，4月中下旬春灌量及10月下旬—11月上旬冬灌水量分別為375及450 m3/hm2.分別測(cè)定各小區(qū)(0，20]，(20，60] cm土壤田間持水率和容重，各處理計(jì)劃濕潤(rùn)層深度60 cm，灌水上限為95%田間持水率，分兩層(0，20]，(20，60] cm分別計(jì)算所需灌溉水量，各小區(qū)灌水總量為2個(gè)土層需灌水量之和，利用水表進(jìn)行灌水量控制.各試驗(yàn)小區(qū)田間管理方式一致，全生育期滴灌施肥8次，每次105 kg/hm2；3—4月進(jìn)行春季整形修剪；5—9月，根據(jù)病蟲害發(fā)生規(guī)律采用黏蟲板及化學(xué)藥劑進(jìn)行綜合防治.

表2 基于土壤水分下限的干旱區(qū)枸杞灌溉制度試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)及方法

1) 利用美國(guó)產(chǎn)Watchdog小型氣象站實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)降水量、氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射、大氣相對(duì)濕度等氣象參數(shù).

2) 利用德國(guó)產(chǎn)TRIME-T3C管式土壤水分儀測(cè)定土壤含水率.在每個(gè)小區(qū)選取樣株，在距主干15 cm處埋設(shè)長(zhǎng)度100 cm的套管1根，監(jiān)測(cè)枸杞根區(qū)0～100 cm土層土壤含水率，每20 cm分層監(jiān)測(cè).在頭水前及收獲后監(jiān)測(cè)各小區(qū)初始和最終土壤含水率；生育期內(nèi)每7 d監(jiān)測(cè)1次，灌水前、后及降雨(>5 mm)后加測(cè).

3) 光合生理指標(biāo)觀測(cè).利用美國(guó)產(chǎn)CI-340便攜式光合測(cè)定儀進(jìn)行枸杞葉片蒸騰速率、光合速率、氣孔導(dǎo)度監(jiān)測(cè)，選擇晴朗天氣進(jìn)行，每次從8:00—18:00，每2 h監(jiān)測(cè)1次.

4) 測(cè)產(chǎn).枸杞總產(chǎn)量，選定典型植株，果實(shí)成熟后采摘稱量鮮果質(zhì)量，經(jīng)處理后晾曬稱量干果質(zhì)量及50 g粒度.

5) 品質(zhì)測(cè)定.送交第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)定枸杞干果的枸杞多糖、甜菜堿、總糖、氨基酸總量等成分的含量.

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖；采用SPSS 22.0進(jìn)行方差分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分處理下枸杞根區(qū)土壤含水率

分別統(tǒng)計(jì)各水分處理2016及2017年枸杞全生育期(0，20]，(20,60]及(60,100]cm土層的平均土壤質(zhì)量含水率θm，具體見(jiàn)表3.從表中可以看出2 a各處理不同土層h土壤質(zhì)量含水率變化規(guī)律基本相似，盛花期和夏果期土壤質(zhì)量含水率最高，萌芽期及秋果后期次之，且萌芽期與休眠期各處理間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

全生育期內(nèi)0～20 cm土層土壤質(zhì)量含水率相對(duì)較小，20～60 cm土層土壤質(zhì)量含水率最大，且隨著枸杞土壤質(zhì)量含水率控制下限提高而增大，盛花期和夏果期各處理差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，2016年分別增加12.7%和16.7%，2017年分別增加13.6%和16.9%.各水分處理60～100 cm土層土壤質(zhì)量含水率變化穩(wěn)定，差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

表3 不同水分處理枸杞全生育期各土層土壤含水率變化特征

注：不同處理的小寫字母表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),下同

2.2 不同水分處理對(duì)枸杞生理指標(biāo)的影響

2.2.1 枸杞葉片氣孔導(dǎo)度及光合速率

氣孔導(dǎo)度(Gs)表征了植物葉片氣孔張開(kāi)的程度，可以根據(jù)環(huán)境條件的變化以調(diào)節(jié)開(kāi)度的大小而使植物在損失水分較少的條件下獲取最多的二氧化碳；光合速率(Pn)則是光合作用固定二氧化碳的速率.圖1為不同水分處理下枸杞葉片氣孔導(dǎo)度Gs及光合速率Pn變化過(guò)程.從圖1a中可以看出，枸杞葉片氣孔導(dǎo)度峰值出現(xiàn)在10:00左右，處理S8最大為299.95 mmol/(m2·s-1)，處理S1最小為66.96 mmol/(m2·s-1)；水分控制下限相對(duì)較高的處理S6，S7和S8的氣孔導(dǎo)度較水分下限處理低的處理S1，S4和S3更大，可以獲取更多的二氧化碳進(jìn)行光合作用.由圖1b可知光合速率變化呈雙峰凸拋物線形，第1個(gè)峰值出現(xiàn)在12:00，下限較高的處理S8，S7和S5光合速率較高，其中處理S8最大為32.6 μmol/(m2·s-1)；各處理第2個(gè)峰值出現(xiàn)在16:00左右，最大值為處理S4的24.55 μmol/(m2·s-1)，隨著光照強(qiáng)度增強(qiáng)，14:00左右各處理的光合速率出現(xiàn)明顯降低，枸杞葉片出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象.

圖1 枸杞不同水分處理下葉片氣孔導(dǎo)度及光合速率變化過(guò)程

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

2.2.2 枸杞葉片的蒸騰速率及水分利用效率

圖2為不同水分處理下枸杞葉片蒸騰速率Tr及水分利用效率WT變化過(guò)程.從圖2a可以看出，枸杞葉片蒸騰速率從10:00逐漸增大，12:00達(dá)到峰值，14:00后逐漸下降，整體呈單峰型曲線；在峰值時(shí)，高水分下限的處理S8，S7和S5蒸騰速率相對(duì)較大，處理S4有最小值，因此土壤水分是影響枸杞葉片蒸騰速率的重要因素.由圖2b可知各處理枸杞葉片水分利用效率(μmol CO2每mmol H2O)上午均大于下午，8：00時(shí)，枸杞葉片水分利用效率最大為24.51 μmol/mmol，最小為5.36 μmol/mmol，10:00以后趨于平穩(wěn)，在峰值階段，隨著水分下線控制指標(biāo)升高，葉片水分利用效率呈下降趨勢(shì).

2.3 不同水分處理枸杞耗水規(guī)律

整理2016和2017年不同水分處理枸杞各生育期耗水量ET及耗水模數(shù)Mwc，具體見(jiàn)表4.從表中可以看出各處理枸杞全生育期耗水量隨控水下限升高呈增加趨勢(shì)，盛花期、夏果期、秋果后期總耗水量的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而萌芽期和休眠期的耗水量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.2016年各水分處理總耗水量區(qū)間為359.97 mm(處理S3)～413.16 mm(處理S8)，增幅為12.8%；2017年為436.85 mm(處理S2)～489.54 mm(處理S8)，增幅10.8%.由枸杞不同生育期的耗水量可知，2 a各處理的耗水量隨時(shí)間都呈先增大后減小的趨勢(shì)，其中夏果期最大是寧夏枸杞的關(guān)鍵需水期.

圖2 枸杞不同水分處理下葉片蒸騰速率及葉片水分利用效率變化過(guò)程

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

表4 不同水分控制條件下枸杞的耗水變化特征

2.4 不同水分處理枸杞產(chǎn)量與品質(zhì)變化特征

2.4.1 枸杞產(chǎn)量及水分利用效率

統(tǒng)計(jì)不同水分處理的枸杞干果產(chǎn)量Y并計(jì)算其水分利用效率WUE，如圖3所示.從圖中可以看出，土壤水分控制下限升高時(shí)產(chǎn)量增加，但處理間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.2016年處理S5產(chǎn)量最高(2 208.15 kg/hm2)，與S3和S7差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但與其他各處理差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，較產(chǎn)量最低的處理S4增加9.18%.2017年處理S5產(chǎn)量最高(2 571.3 kg/hm2)，較產(chǎn)量最低的處理S4增加11.98%.2016年處理S5水分利用效率最高為0.39 kg/m3，S8最小為0.34 kg/m3；2017年處理S5水分利用效率最高為0.38 kg/m3，S2次之，S8最小為0.33 kg/m3.

圖3 不同水分處理下枸杞干果產(chǎn)量及水分利用效率

Fig.3 Yield and water use efficiency ofLyciumbarbarumin different treatments

2.4.2 枸杞品質(zhì)特征

對(duì)各處理分別進(jìn)行測(cè)產(chǎn)及品質(zhì)檢測(cè)，經(jīng)方差分析，統(tǒng)計(jì)并繪制2016和2017年枸杞營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量T變化圖，如圖4所示.

圖4 不同水分條件下枸杞品質(zhì)變化圖

Fig.4 Quality changes ofLyciumbarbarumin diffe-rent treatments

從圖4中可以看出，2016年處理S6，S7，S8之間甜菜堿含量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但與其他處理的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其中S8最高為1.04%，S5次之為0.92%.S8氨基酸含量最高為5.99%，S6最小為5.00%，但各處理的氨基酸含量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.2017年，各處理蛋白質(zhì)含量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，S1甜菜堿含量最高為0.92%，S6含量次之為0.91%.S8氨基酸含量最高為7.14%，S3次之，但各處理間氨基酸含量的差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.S1枸杞多糖含量最高為8.33%，S5次之為8.21%.S5的粗脂肪含量最高為6.22%，S2含量最小為4.70%.

2.5 基于土壤水分下限控制的枸杞灌溉制度

依據(jù)各處理枸杞根區(qū)土壤含水量、光合生理指標(biāo)、產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率等綜合分析，確定寧夏中部干旱帶基于土壤水分下限的枸杞滴灌灌溉制度，具體見(jiàn)表5.全生育期6個(gè)灌水期，其中萌芽期灌水375 m3/hm2，休眠期灌水450 m3/hm2，其他生育期劃分4個(gè)控水期：春梢生長(zhǎng)期土壤質(zhì)量含水率控制下限為50%θf(wàn)，花期和夏果期土壤質(zhì)量含水率下限為65%θf(wàn)，秋果期土壤質(zhì)量含水率應(yīng)控制為55%θf(wàn).當(dāng)土壤含水率低于各控水期下限時(shí)應(yīng)及時(shí)灌水，灌水上限為95%θf(wàn).

表5 基于土壤水分下限的寧夏干旱區(qū)枸杞滴灌灌溉制度

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

灌水期生育期時(shí)段土壤水分控制指標(biāo)萌芽期(春水) 4月中下旬375 m3/hm2春梢期控水春稍生長(zhǎng)期4月下旬—5月上旬50%θf(wàn)花期控水現(xiàn)蕾期5月中旬65%θf(wàn)盛花期5月中旬—6月上旬65%θf(wàn)夏果期控水果熟前期6月中旬65%θf(wàn)盛果期6月下旬—7月上旬65%θf(wàn)果熟后期7月中旬—下旬65%θf(wàn)秋果期控水秋果前期8月上旬—中旬55%θf(wàn)秋果后期8月下旬—9月中旬55%θf(wàn)休眠期(冬灌)10月下旬—11月上旬450 m3/hm2

3 討 論

通過(guò)對(duì)不同水分供給條件下枸杞的葉片光合指標(biāo)分析，認(rèn)為枸杞葉片氣孔導(dǎo)度隨土壤下限指標(biāo)升高而增大，光合速率變化呈雙峰凸拋物線形，14:00左右出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象，高水分下限的蒸騰速率相對(duì)較大，而葉片水分利用效率則相反.張繼林[8]也發(fā)現(xiàn)“光合速率隨灌水量增加而增加，各生育期枸杞葉片氣孔導(dǎo)度呈先下降后升高的趨勢(shì)，隨著灌水量的增加水分利用效率降低”.不同水分處理生育期耗水量隨土壤水分下限升高而增大，盛果期耗水量最大，盛花期次之且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，與“枸杞對(duì)水分的消耗基本呈現(xiàn)為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期較大、高峰為盛果期和盛花期”結(jié)論[9]基本一致.試驗(yàn)區(qū)位于寧夏中部干旱地區(qū)，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，較高的土壤水分下限使得灌水頻繁，土壤含水率偏高，加劇了棵間蒸發(fā)與枸杞葉片的奢侈蒸騰，全生育期耗水量增大，水分利用效率降低.因此，適度水分虧缺反而會(huì)提高水分利用效率，但過(guò)度缺水會(huì)影響枸杞的產(chǎn)量，也將降低水分利用效率.不同水分控制對(duì)蛋白質(zhì)含量影響差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，低水分處理的枸杞多糖含量相對(duì)較高且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說(shuō)明灌溉水分的合理控制及適度虧缺可以一定程度的提高枸杞的品質(zhì)，與徐青等[10]研究得出的適度水分虧缺可以提高果實(shí)糖分積累結(jié)論一致.

4 結(jié) 論

通過(guò)多參數(shù)的綜合分析，認(rèn)為枸杞全生育期分為6個(gè)灌水期，其中萌芽期灌水(春水)為375 m3/hm2；春梢生長(zhǎng)期、花期、夏果期、秋果期的土壤質(zhì)量含水率下限分別為50%θf(wàn)，65%θf(wàn)，65%θf(wàn)，55%θf(wàn)，上限為95%θf(wàn)；休眠期冬灌為450 m3/hm2.在強(qiáng)蒸發(fā)的寧夏中部干旱區(qū)，摸清枸杞耗水規(guī)律，掌握其各個(gè)生育期土壤水分控制指標(biāo)，形成準(zhǔn)確的灌溉制度，對(duì)當(dāng)?shù)氐蔫坭疆a(chǎn)業(yè)發(fā)展極為重要.文中研究也將為西北干旱地區(qū)的枸杞科學(xué)灌溉提供有益借鑒.