灰色理論關于滴灌加工番茄生理特性在鹽化土中的應用

張繼峯，王振華*，張金珠，侯裕生，任作利

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003；2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832003)

隨著全球環(huán)境惡化及人為不合理耕作，造成的土壤鹽漬化現(xiàn)象呈現(xiàn)逐年加重的趨勢.新疆現(xiàn)有347.6×104hm2耕地，其中1/3已經產生鹽漬化現(xiàn)象，不利于新疆農業(yè)的發(fā)展.加工番茄是新疆主要的經濟作物之一，生產的番茄醬遠銷國外，使中國成為僅次于美國和意大利的第三大加工番茄生產國[1-2].加工番茄耐鹽程度較低，并且由于新疆鹽堿土地廣泛，為了充分利用新疆土地資源，擴大加工番茄種植面積，因此尋找適宜加工番茄種植的土壤鹽分含量范圍對新疆的農業(yè)生產具有重要意義.

鹽堿脅迫會減弱植物體內光合物質的產生能力[3]，進而導致植物細胞間CO2濃度降低，最終削弱作物光合作用[4].植物體內的PSⅡ是光系統(tǒng)中較為敏感的部分，其是作物合理利用光能、保證光合作用正常進行的一個重要環(huán)節(jié).葉綠素熒光誘導動力學能充分揭示PSⅡ的內部反應、電子的供受體側，而不改變其體外功能[5-6].通過光合作用和葉綠素熒光誘導動力學分析，可以從微觀角度了解作物光合系統(tǒng)中的光能傳遞、轉化及其利用效率[7].

加工番茄指標參數(shù)間存在著隱性相關.如果僅對單一指標的試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，結果就不能充分反映作物的綜合特性[8].為了對農作物進行綜合評價，近現(xiàn)代學者發(fā)展了許多理論.其中，模糊綜合評價法、聚類分析和層次分析法、灰色關聯(lián)度綜合評價法是常用的評價方法[9-10].灰色關聯(lián)度分析法是將灰色系統(tǒng)中各個要素進行綜合描述和量化的一種評價方法，是一種全面、客觀的評價方法，而不會因為其中特例優(yōu)良的性能而錯誤識別出其特征.該評價方法克服了采用單一性狀對作物進行評價的缺點，近年來被廣泛應用于農業(yè)研究領域[11].研究表明[12]，運用灰色關聯(lián)度分析法對烤煙農藝性狀與主要經濟指標間的關系進行分析，其結果可以直觀地看出各性狀的優(yōu)缺點，并對品種進行綜合評價，而對于樣本的多少和有無規(guī)律性此方法都同樣適用，結論具有更好的合理性和科學性.

文中采用人工配制不同梯度的鹽分含量土壤，研究加工番茄在不同梯度的鹽堿脅迫條件下生理特性和水肥利用效率的變化規(guī)律，運用灰色關聯(lián)理論尋找與產量關系緊密的指標參數(shù)；結合該指標參數(shù)對不同鹽堿脅迫的響應情況，確定適宜加工番茄在新疆種植的土壤鹽分范圍，為在新疆鹽漬化土壤上種植和推廣加工番茄提供科學有效的理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017年4—9月在石河子大學節(jié)水灌溉試驗站暨現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室試驗基地(86°03′47″E，44°19′12″N)進行.試驗站年均日照時間達2 870 h，作物種植期間(4—8月)總降水和平均溫度分別為81.8 mm和31.2 ℃，無霜期為170 d.圖1為2017年試驗期間降雨量P、蒸散量ET0和平均氣溫ta分布情況.

圖1 2017年試驗期間降雨、蒸散和平均氣溫分布

1.2 試驗過程

試驗以加工番茄“3166”為試驗品種，進行了露天桶栽試驗.桶體尺寸為0.60 m×0.55 m×0.45 m(頂高×頂內徑×底內徑).這些桶被并排放置在一個50 cm深的測試坑中.土壤樣品取自石河子市121團農場(112°42′50″E，44°46′59″N)鹽堿土(土層平均鹽分質量比為24.84 g/kg)和石河子大學節(jié)水灌溉試驗站(土層平均鹽分質量比為1.15 g/kg，土壤鹽漬化程度為非鹽漬土).土壤樣本自然干燥，粉碎，篩分，并移除碎石.具體土壤理化性質見表1，表中h為土層深度；γ為干容重，ω為肥料質量比，θ為田間持水率.

表1 土壤0～40 cm的基本理化性質

根據(jù)羅家雄[13]的土壤鹽堿分級標準，將2份土樣按比例混合均勻地裝在桶里，制成4種不同處理的鹽堿土，鹽分質量比分別為1.5，4.0，7.0，10.0 g/kg(分別記為CK，S1，S2，S3，表示非鹽化土、輕度、中度和重度鹽化土)，采用完全試驗設計，各處理下設3個重復，每桶種植加工番茄3株，株距30 cm.

試驗以氯化鉀KCl(K2O質量分數(shù)57 %)、尿素CO(NH2)2(N質量分數(shù)46.4 %)和磷酸一銨NH4H2PO4(P2O5質量分數(shù)60.5 %)為試驗用肥.施肥量根據(jù)種子培育機構的要求，全生育期尿素為300 kg/hm2，磷酸一銨和氯化鉀均為225 kg/hm2，換算為全生育期為每盆尿素7.12 g，磷酸一銨和氯化鉀各5.35 g，各處理施肥量相同.結合陳秀香等[14]研究的灌溉制度與當?shù)厣a生活實際，確定灌溉量為4 500 m3/hm2.采用塑料軟管和螺旋止水卡模擬滴灌條件，精確控制每個試驗用桶的灌水量，滴頭流量控制為1.8 L/h；在整個生育期內，共進行9次灌溉和8次施肥.表2為灌水施肥設計，表中I，NW，WF，NF分別為灌水量、灌水次數(shù)、施肥量、施肥次數(shù).

表2 灌水施肥設計

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生理指標

于2017年4—8月，使用美國Li-6400型光合作用測定系統(tǒng)對加工番茄光合速率Pn[μmol/(m2·s)]、氣孔導度Gs[mol/(m2·s)]、胞間CO2濃度Ci[μmol/(m2·s)]和蒸騰速率Tr[mmol/(m2·s)]等光合指標進行測定.采用德國PAM-2 500調制葉綠素熒光儀測量加工番茄葉綠素熒光參數(shù).在暗適應下測定最小熒光產量(F0)和最大熒光產量(Fm)，在光適應條件下測定其穩(wěn)定熒光(F′)、光下最小熒光產量(F′0)和光下最大熒光產量(F′m)，計算光化學猝滅系數(shù)(qP)、非光化學淬滅的量子產量Y(NO)、實際光化學效率(ΦPSⅡ)以及非光化學猝滅系數(shù)(NPQ)等熒光指標.

各熒光參數(shù)[15]采用以下公式計算，即

qP=(F′m-F′)/(F′m-F′0)，

(1)

NPQ=Fm/F′m-1，

(2)

ΦPSII=(F′m-F′)/F′m，

(3)

Y(NO)=1/[NPQ+1+qL·(Fm/F0-1)]，

(4)

qL=qP·F0′/F′.

(5)

1.3.2 番茄產量、水分利用效率和氮肥偏生產力

在8月1日進入成熟期后，每7 d進行1次人工采收，每次采收每桶單獨計數(shù)并稱量.水分利用效率[16]WUEET計算公式為

WUEET=Y/ET，

(6)

ET=I+Pr+ΔW-R-S，

(7)

式中：Y為經濟產量，kg/盆；ET為作物耗水量，mm；I為灌水量，mm；Pr為降雨量，mm；ΔW為土體貯水量的變化量(通過土壤含水率測定)，mm；R為土壤徑流量，mm；S為土體下邊界凈通量(向上為負，向下為正)，mm.

由于采用盆栽法，土壤徑流量R和凈通量S均為0.

氮肥偏生產力(nitrogen fertilizer partial productivity，NFPP)即單位投入的氮肥所能生產的作物籽粒產量，其計算公式[17]為

NUE=Y/N，

(8)

式中：N為純施肥量，g/盆.

1.4 分析方法

關聯(lián)分析采用劉思峰[18]的統(tǒng)計分析方法進行.灰色關聯(lián)分析主要對事物態(tài)勢發(fā)展的過程進行量化分析，根據(jù)因素間發(fā)展態(tài)勢的相似、相異程度衡量因素間的接近程度.根據(jù)灰色系統(tǒng)理論的要求，將加工番茄的產量與光合指標及熒光參數(shù)視為一個灰色系統(tǒng)，以指標參數(shù)為影響因素，以經濟產量為特征序列Y0作為比較的“母序列”，Y0=y0(1)，y0(2)，…，y0(n)，8個指標參數(shù)設為比較序列Xi(i=1，2，…，8)，Xi=xi(1)，xi(2)，…，xi(n).為了便于數(shù)據(jù)分析和比較，先將數(shù)據(jù)進行標準化處理，再利用劉思峰[18]的公式計算Xi與產量Y0的相關系數(shù)及各因素的相關程度.

(9)

(10)

(11)

式中：X′為X標準化后的數(shù)值；μ為樣本數(shù)據(jù)平均值；σ為樣本數(shù)據(jù)標準差；γ(y0(k),xi(k))為Xi與Y0在k點的關聯(lián)系數(shù)，簡記為γ0i(k)；γ(Y0,Xi)為Xi與Y0的關聯(lián)度；ξ為分辨系數(shù)，一般取ξ為0.5.

2 結果與分析

2.1 鹽堿脅迫對光合特性的影響

2.1.1Pn和Tr對鹽堿脅迫的響應

圖2為鹽堿脅迫下加工番茄Pn和Tr的變化情況.從圖2可以看出，各處理Pn和Tr的變化趨勢基本相同，隨著時間推移先增大后減小.在處理S1和CK下，Pn和Tr在7月27日達到最大值[26.17和25.42 μmol/(m2·s)，4.38和4.36 mmol/(m2·s)]，處理S2和S3下Pn和Tr在7月9日(膨大1期)達到最大值[17.87和13.33 μmol/(m2·s)，3.64和3.03 mmol/(m2·s)]，成熟期各處理均顯著降低.各生育期Pn和Tr的變化趨勢基本一致，處理S1與CK之間不具有統(tǒng)計學意義(P>0.05)；處理S2和S3均低于CK，Pn分別下降43.58%和64.22%，抑制效果非常顯著(P<0.01).

圖2 鹽堿脅迫下加工番茄Pn和Tr的變化情況

2.1.2 鹽堿脅迫對Gs和Ci的變化規(guī)律

圖3為加工番茄Gs和Ci對鹽堿脅迫隨時間的響應變化.由圖3a可知，隨著生育期推移，各處理的Gs在果實膨大期達到最大值，處理S1和CK在整個生長期差異不具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；處理S2和S3在整個生育期內對加工番茄都有抑制現(xiàn)象，抑制程度分別為63.04%和70.82%，處理S3抑制作用最強(P<0.01).

從圖3b可以看出，所有處理的Ci在早期生長階段隨時間而增大.開花坐果期(6月17日)后，處理S1和CK的Ci逐漸下降，在果實膨大的第2階段達到最小值，進入成熟期后又有一定程度提高.處理S2和S3的Ci在整個生育期基本上呈上升趨勢，在成熟期達到最大值，分別為290.00和322.46 μmol/(m2·s)，分別比對照高出21.85%和35.04%，其中處理S3增加最為顯著(P<0.05).

圖3 加工番茄Gs和Ci對鹽堿脅迫隨時間的響應變化

2.2 鹽堿脅迫對葉綠素熒光參數(shù)的影響

2.2.1 鹽堿脅迫對ΦPSⅡ和qP的影響

qP表示的是PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學電子轉遞的份額，只有使PSⅡ的反應中心處于“開放”狀態(tài)，才能獲得較高的光化學淬滅[19-20].隨著生育時間推移，ΦPSⅡ和qP在處理S1及CK下呈增大趨勢；處理S3進入膨大第1階段(7月4日)后，逐漸下降.

圖4為加工番茄ΦPSⅡ和qP對鹽堿脅迫隨時間的變化情況.圖4a表明，處理S2和S3分別在果實膨大第2階段(7月27日)和膨大第1階段(7月4日)達到最大值，在成熟期達到最小，兩者較CK最大降低了40.10%和63.00%；圖4b表明，處理S1和CK變化趨勢與ΦPSⅡ基本一致，處理S2和S3在膨大第1階段(7月9日)達到最大，較CK分別下降了39.86%和68.42%.隨著番茄持續(xù)生長，處理S1和CK的qP和ΦPSⅡ逐漸增大，差異不具有統(tǒng)計學意義(P>0.05)；處理S3在膨大的第1階段(7月4日)后開始下降，處理S2進入成熟期后逐漸下降，其中S3處理的下降幅度最大.

圖4 加工番茄ΦPSⅡ和qP對鹽堿脅迫隨時間的變化情況

2.2.2NPQ和Y(NO)對鹽堿脅迫的響應

圖5為鹽堿脅迫下加工番茄的Y(NO)(非光化學猝滅量子產率)和NPQ(非光化學猝滅系數(shù))的過程變化.

圖5 加工番茄NPQ和Y(NO)對鹽堿脅迫隨時間的變化情況

非光化學猝滅系數(shù)NPQ是一種自我保護機制，可提高非光化學的能量耗散，有助于緩解環(huán)境對光合作用的影響和過剩光能對PSⅡ反應中心的損傷.從圖5a可以看出，除處理S3外，加工番茄在整個生育期的變化趨勢基本相同，在膨大的第2階段先增加后減少，進入開花結果期(6月15日)后，處理S3有一定程度下降，進入花果末期后逐漸上升，并在膨大第2階段達到最大值.各處理的變化規(guī)律由大到小排序為CK，S1，S2，S3，處理S1和CK對NPQ無抑制作用；處理S2和S3的抑制程度較顯著，處理S3的抑制程度最大達到61.51%(P<0.01).圖5b中，如果非光化學猝滅的量子產率Y(NO)較高，說明光化學能量轉換和保護調節(jié)(例如散熱)機制不足以完全消耗作物吸收的光能，作物將受到一定程度的損害.

由圖5b可知，Y(NO)的變化趨勢與其他指標不同：苗期(5月25日)各處理的Y(NO)相對集中且較大，隨著發(fā)育時間延長，處理S1和CK逐漸減少，此后，隨著生育期推移，處理S2和S3逐漸上升，在成熟期達到最大，分別為0.35和0.59.6月15日進入開花坐果期后，2個處理的值均高于對照和S1.處理S3的增大趨勢最為顯著，是對照處理的5.32倍(P<0.01).

2.3 鹽堿脅迫對滴灌加工番茄水分利用效率及氮肥偏生產力的影響

加工番茄不同處理條件下全生育期耗水量及水分利用效率和氮肥料偏生產力見表3(已將單盆產量換算為hm2產量)，表中Y，θin，Δθ，W，NUE分別為產量、土壤體積初始含水率、全生育期土壤體積含水率變化量、全生育期耗水量、氮肥偏生產力.表3表明，處理S1與CK相比，產量有所提高，增產率為1.28%，而WUEET基本一致；處理S2及S3在產量和WUEET上均有不同程度的抑制作用，WUEET分別下降了20.45%和52.27%，其中抑制作用最為顯著的是處理S3.處理S1的氮肥偏生產力均高于其他3個處理，較處理CK僅提高了1.28%；處理S2和S3的氮肥偏生產力較CK分別降低了19.15%和51.92%.

表3 加工番茄氮肥料偏生產力和水分利用效率

2.4 滴灌加工番茄各指標間的灰色關聯(lián)分析

按照灰色系統(tǒng)理論的要求，將不同鹽堿脅迫程度下加工番茄的產量設為母序列Y0，8個指標參數(shù)Pn～Y(NO)設為比較序列X1～X8.按照分析方法的要求，先對各指標參數(shù)進行Z-score標準化法，將標準化的結果應用于式(8)—(10)，得到表4數(shù)據(jù)，表中M，A和a分別為關聯(lián)系數(shù)、關聯(lián)度和關聯(lián)序.由表4可以看出，各指標參數(shù)與產量的關聯(lián)序從大到小依次為非光化學猝滅系數(shù)，蒸騰速率，凈光合速率，光化學猝滅系數(shù)，實際光化學效率，氣孔導度，非光化學淬滅的量子產量，細胞間CO2濃度.由灰色關聯(lián)理論可知，關聯(lián)序越高，比較序列與參考序列越接近，反之則關系越遠.

表4 加工番茄產量與各指標間的關聯(lián)系數(shù)、關聯(lián)度和關聯(lián)序

因而，關聯(lián)序的排名及關聯(lián)度的大小可以表明某一項參數(shù)指標與所要分析指標間的敏感程度.各參數(shù)指標對產量產生的影響，以NPQ最大，其次為Pn和Tr，Ci最小.

從表4也可以看出，在不同的鹽堿條件下，各指標的緊密度和產量之間有不同的表現(xiàn).在處理S1下，產量和Tr，Pn，Gs，ΦPSⅡ和qP的關聯(lián)系數(shù)達到最大；Y(NO)和Ci在處理S2下關聯(lián)系數(shù)達到最大；NPQ在S3下達到最大關聯(lián)系數(shù)；多數(shù)指標在處理S1下與產量擁有很好的關聯(lián)度.

3 結 論

1)輕度鹽堿處理(鹽質量比為4.0 g/kg)對加工番茄的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、水分利用效率和氮肥偏生產力無明顯的抑制作用；隨著鹽堿度增加，上述指標逐漸降低，在鹽質量比為10.0 g/kg的重鹽漬土處理下達到最小值，并出現(xiàn)減產現(xiàn)象.在鹽質量比為7.0和10.0 g/kg的中及重度鹽化土壤上種植加工番茄，其生育期有提前現(xiàn)象.

2)鹽質量比為4.0 g/kg的輕度鹽化土壤下的實際光化學效率ΦPSⅡ與1.5 g/kg的非鹽漬化土壤無異；7.0和10.0 g/kg的中及重度鹽化土對ΦPSⅡ有抑制作用，PSⅡ的光合組織受到破壞及初始光能轉換效率降低，影響其內部器官的光合能力，從而影響到加工番茄的生長發(fā)育，并且由于非光化學猝滅系數(shù)在中及重度鹽化土條件下，PSⅡ中心無法以熱耗散形式消耗多余的能量，致使加工番茄的光合結構出現(xiàn)損傷.綜合分析可知，加工番茄種植在鹽質量比為7.0 g/kg的中度以上的鹽化土上光合能力顯著降低，嚴重阻礙其生長發(fā)育.

3)加工番茄產量與凈光合速率、蒸騰速率和非光化學猝滅系數(shù)呈高度灰色關聯(lián).結合3個參數(shù)的生理規(guī)律，初步得出適宜加工番茄種植的土壤鹽分質量比范圍為1.5～4.0 g/kg，可保證加工番茄在非鹽漬化土壤和輕度鹽化土的土壤上種植有利于加工番茄生長，對擴大加工番茄在鹽堿地的種植面積有一定的指導意義.