作物生理特性對(duì)微咸水-再生水混灌的響應(yīng)研究

劉春成，崔丙健，胡 超，吳海卿，馬歡歡，馬 天，高 峰

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng)453002；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京100081；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站農(nóng)業(yè)水資源高效安全利用重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，河南新鄉(xiāng)453000）

0 引 言

我國(guó)水資源十分短缺，人均水資源量不足世界平均水平的1/3[1]，且時(shí)空分布不均。我國(guó)農(nóng)業(yè)用水占總用水量的60%以上，但是我國(guó)水資源時(shí)空分布與耕地資源的不匹配性使得北方地區(qū)農(nóng)業(yè)用水難以得到滿足，嚴(yán)重制約了我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。2017年水利部文件《水利部關(guān)于非常規(guī)水源納入水資源統(tǒng)一配置的指導(dǎo)意見》明確指出，將再生水、微咸水等非常規(guī)水源納入水資源統(tǒng)一配置。根據(jù)九部委聯(lián)合發(fā)布的《全民節(jié)水行動(dòng)》，要求到2020年缺水城市再生水利用率達(dá)到20%以上，京津冀區(qū)域達(dá)到30%以上。這遠(yuǎn)低于國(guó)外一些國(guó)家再生水利用率（達(dá)70%以上）。因此，合理利用微咸水、再生水等非常規(guī)水資源對(duì)緩解淡水資源的短缺和保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)再生水和微咸水進(jìn)行了大量研究。再生水利用研究主要涉及再生水灌溉對(duì)作物生長(zhǎng)[2?5]及品質(zhì)[6?8]和土壤環(huán)境的影響[4,9,10]、再生水灌溉對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響[11]、再生水灌溉對(duì)地下水的影響[12,13]、再生水適宜灌水技術(shù)[14?16]等。微咸水利用主要從微咸水礦化度、灌溉土壤質(zhì)地、適宜作物以及田間管理等方面進(jìn)行了大量的實(shí)踐研究，并逐步形成了較為完整的技術(shù)體系。綜上，目前微咸水和再生水灌溉研究多是單獨(dú)研究微咸水灌溉或是再生水灌溉對(duì)土壤性質(zhì)、作物生長(zhǎng)發(fā)育以及適宜作物類型等方面，二者組合灌溉相關(guān)方面的研究鮮見報(bào)道。為此，本研究通過盆栽試驗(yàn)，設(shè)置不同比例微咸水與再生水混合灌溉，探索微咸水與再生水混灌對(duì)上海青生理指標(biāo)的影響，以期為淡水資源匱乏地區(qū)微咸水與再生水的合理安全利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤取自河南省新鄉(xiāng)市七里營(yíng)試驗(yàn)基地大田耕層0～20 cm，土壤經(jīng)風(fēng)干、碾碎、過篩（2 mm）后備用。土壤容重為1.40 g/cm3，土壤田間質(zhì)量持水率為23.02%，1∶5 土水比土壤浸提液電導(dǎo)率為372 μS/cm，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.66%。采用BT?9300HT 型激光粒度儀對(duì)土樣顆粒分析，黏粒（<0.002 mm）、粉粒（0.002～0.02 mm）和砂粒（0.02～2 mm）占比分別為13.05%、62.46%和24.49%，土壤質(zhì)地屬于粉壤土（國(guó)際制）。

1.2 試驗(yàn)裝置與方案

試驗(yàn)于2020年5?6月在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站溫室大棚進(jìn)行。該站地處北緯35°19'，東經(jīng)113°53'，海拔73.2 m，年均氣溫為14.1 ℃，多年平均年降水量和蒸發(fā)量分別為588 mm 和2 000 mm，無霜期為210 d，多年平均年日照時(shí)間為2 398 h。

試驗(yàn)采用盆栽試驗(yàn)，供試用盆的規(guī)格為上口徑25 cm，下口徑14.5 cm，高19 cm；每盆裝土7 kg，所有處理均施復(fù)合肥（N?P2O5?K2O 比例為15?15?15）且全部作為基肥施入，施肥量為1 g/kg。供試作物為綠秀青梗菜（Pakchoi，俗稱上海青），播種前所有處理均灌清水造墑。于2020年5月27日播種，每盆均勻撒播，待兩葉一心時(shí)（6月11日）每盆定植5 棵幼苗，并開始不同水源灌水處理，前期每隔1 d 灌1 次，每次灌水量為400 mL，后期隨著作物需水量的增大每天灌1 次水，灌水量為400 mL。試驗(yàn)中微咸水與再生水混合比例設(shè)4 個(gè)水平，即再生水、微咸水?再生水1∶2、微咸水?再生水1∶1、微咸水；微咸水礦化度為5 g/L；并以清水灌溉種植作物與裸地灌溉為對(duì)照組。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1，微咸水、再生水水質(zhì)情況見表2。試驗(yàn)用再生水取自河南省新鄉(xiāng)市駱駝灣生活污水處理廠，該污水處理廠采用的工藝為A/O處理，污水處理后水質(zhì)符合《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB5084?2005），清水取自當(dāng)?shù)氐叵滤?，微咸水通過向清水里面添加海鹽進(jìn)行配制。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental design

表2 再生水、微咸水、清水水質(zhì)Tab.2 Quality of reclaimed water，brackish water and tap water for experiment

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

（1）土壤水鹽含量。收獲（6月28日）后取土樣，采用烘干法測(cè)定土壤含水率；同時(shí)對(duì)土壤樣品風(fēng)干、磨碎、過篩（2 mm），采用電導(dǎo)率儀測(cè)定土壤浸提液電導(dǎo)率EC1∶5（土水比1∶5）。

（2）作物生長(zhǎng)指標(biāo)。收獲（6月28日）后，將地上部、地下部分開后，用蒸餾水沖洗干凈并晾干，用天平稱量計(jì)算地上部和地下部鮮質(zhì)量，然后105 ℃殺青15 min 后于75 ℃烘至恒重，用天平稱量計(jì)算地上部和地下部干質(zhì)量。

（3）作物生理指標(biāo)。收獲后，于6月29日?6月30日采用植物葉綠素含量檢測(cè)試劑盒(索萊寶，北京)測(cè)定植物葉綠素含量；采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定可溶性蛋白質(zhì)含量；采用紫外吸收法測(cè)定植物CAT 活性，氮藍(lán)四唑光化還原法測(cè)定植物超氧化物歧化酶（SOD）活性，愈創(chuàng)木酚法測(cè)定植物過氧化物酶（POD）活性，采用硫代巴比妥酸法測(cè)定植物丙二醛（MDA）含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 軟件整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，SPSS 25.0 軟件進(jìn)行單變量方差分析，采用最小顯著差異法（Least significant difference method，LSD）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 微咸水與再生水混灌對(duì)土壤水鹽的影響

上海青收獲后，不同微咸水與再生水混灌處理土壤含水率和EC1∶5的變化如圖1所示。

從圖1可以看出，對(duì)于土壤含水率而言，較CK 相比，T1處理土壤含水率略有升高，增幅為10.31%但差異不顯著（P>0.05）；隨著灌溉水中微咸水比重的提高，土壤含水率逐漸升高，其中T1、T2 與CK 間土壤含水率差異不顯著，但T3 和T4處理土壤含水率較CK 顯著提高了51.98% 和87.07% （P<0.05）。對(duì)于土壤含鹽量而言，上海青收獲后不同比例微咸水與再生水混合灌溉處理土壤EC1∶5均顯著高于CK，且處理間差異顯著（P<0.05）。

圖1 上海青收獲后不同處理下土壤水鹽變化Fig.1 Variations of soil water and salt content after mixed irrigation with brackish water and reclaimed water

2.2 微咸水與再生水混灌對(duì)上海青生物量的影響

不同微咸水與再生水混灌后上海青地上部和地下部生物量（鮮重和干重）的變化如圖2所示。

圖2 不同微咸水與再生水混灌下上海青生物量的變化Fig.2 Variations of biomass of Pakchoi after mixed irrigation with brackish water and reclaimed water

從圖2可以看出，對(duì)于上海青地上部而言，較CK 相比，T1 處理上海青鮮重降低了0.50%，干重升高了5.64%，但均無顯著性差異，說明再生水灌溉不會(huì)顯著降低作物產(chǎn)量。此外，總體上，微咸水?再生水混合液中微咸水占比越高，地上部生物量（鮮重和干重）越低；與T1 相比，T2、T3、T4 處理上海青鮮重和干重均顯著降低（P<0.05），降幅分別為40.14%～52.10%和28.21%～41.96%。對(duì)于上海青地下部而言，較CK 相比，T1 處理鮮重降低了4.80%，干重提高了17.14%，但均無顯著差異（P>0.05），且隨著微咸水?再生水混合液中微咸水比重的升高，鮮重和干重亦無顯著差異。可見，微咸水與再生水混灌對(duì)上海青地下部生物量無顯著影響。

2.3 微咸水與再生水混灌對(duì)上海青生理指標(biāo)的影響

2.3.1 葉綠素

不同比例微咸水與再生水混灌后上海青葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量的變化情況如圖3所示。

從圖3可以看出，葉綠素a、葉綠素b 和葉綠素總量處理間均差異不顯著，且其變化趨勢(shì)一致，即T1 處理較CK 略高3.97%、5.61%和4.47%；與T1 相比，T2 處理葉綠素a、葉綠素b 和葉綠素總量分別降低7.63%、13.99%和9.61%，T3 處理分別降低7.85%、12.73%和9.37%，T4 處理分別降低5.15%、9.28%和6.43%?？梢姡⑾趟?再生水混灌處理對(duì)上海青葉綠素含量沒有顯著影響。

圖3 微咸水與再生水混灌后上海青葉綠素含量的變化Fig.3 Variations of chlorophyll contents of Pakchoi under mixed irrigation with brackish water and reclaimed water

2.3.2 可溶性蛋白含量

不同微比例咸水與再生水混灌后上海青可溶性蛋白含量的變化情況如圖4所示。

圖4 微咸水與再生水混灌后上海青可溶性蛋白含量的變化Fig.4 Variation of soluble protein content of Pakchoi after mixed irrigation with brackish water and reclaimed water

從圖4可看出，T1 處理上海青可溶性蛋白含量較CK 略微降低了0.88%。與T1 相比，T2 處理可溶性蛋白含量降低了1.51%，T3 和T4 則分別升高了3.48%和2.79%?？傮w上，微咸水?再生水混灌處理對(duì)上海青可溶性蛋白含量沒有顯著影響。

2.3.3 丙二醛（MDA）含量

不同比例微咸水與再生水混灌后上海青MDA 含量的變化情況如圖5所示。

從圖5可看出，T1處理上海青MDA含量較CK略微降低了0.62%。與T1相比，隨著灌溉水中微咸水比重的升高，上海青丙二醛含量先升高后降低?？傮w上不同處理間上海青MDA 含量無顯著性差異（P>0.05）。可見，微咸水?再生水混灌處理對(duì)上海青MDA含量沒有顯著影響。

圖5 微咸水與再生水混灌后上海青MDA含量的變化Fig.5 Variation of MDA content after mixed irrigation with brackish water and reclaimed water

2.3.4 酶活性

不同比例微咸水與再生水混灌后上海青抗氧化酶活性的變化情況如圖6所示。

如圖6(a)所示，T1 處理上海青CAT 活性較CK 降低了31.88%，但差異不顯著（P>0.05）；與T1 相比，T2 和T3 處理上海青CAT 活性分別提高了53.60%和32.27%，差異不顯著（P>0.05），而T4 處理則降低了12.53%，差異不顯著（P>0.05）。因此，總體上微咸水?再生水混灌處理對(duì)上海青CAT活性沒有顯著影響。

如圖6(b)所示，T1 處理上海青SOD 活性較CK 降低了22.40%，但差異不顯著（P>0.05）；與T1 相比，T2 處理上海青SOD 活性提高了144.31%，差異顯著（P<0.05），T3 處理和T4處理上海青SOD活性分別提高了66.46%和61.99%，但差異不顯著（P>0.05）；T2 處理與T3、T4 處理均差異顯著（P<0.05）。可見，微咸水?再生水混灌處理對(duì)上海青SOD活性有一定的提升效果。

如圖6(c)所示，不同微咸水與再生水混合灌溉處理間上海青POD 活性均無顯著性差異（P>0.05），但均顯著高于CK。T1 處理上海青POD 活性較CK 顯著提高了33.16%（P<0.05）；與T1相比，T2處理上海青POD活性降低了3.07%，T3和T4處理上海青POD 活性分別提高了5.94%和10.73%，差異均不顯著（P>0.05）?？梢?，微咸水?再生水混灌處理對(duì)上海青POD活性有一定的提升作用。

圖6 微咸水與再生水混灌后上海青酶活性的變化Fig.6 Variation of enzyme activities after mixed irrigation with brackish water and reclaimed water

3 討 論

（1）微咸水與再生水混灌對(duì)土壤水鹽的影響。楊培嶺等[17]研究表明，相同土層深度時(shí)土壤含水率和電導(dǎo)率與微咸水礦化度正相關(guān)。YANG G 等[18]研究表明，微咸水礦化度在1～6 g/L范圍內(nèi)變化時(shí)，微咸水礦化度越大，土壤水分則越高；而微咸水礦化度在9～12 g/L范圍內(nèi)變化時(shí)，土壤含水率則與微咸水礦化度負(fù)相關(guān)。ZHANG A Q 等[19]研究也表明，土壤鹽分隨著微咸水礦化度的增加而逐漸增加。本試驗(yàn)研究表明，與清水灌溉相比，再生水灌溉后土壤水鹽含量均較高，且灌溉水中隨著微咸水比重的提升，土壤含水率和土壤含鹽量也均呈逐漸升高趨勢(shì)。因此，本文研究結(jié)果與前人研究結(jié)果[17?19]是吻合的。這是因?yàn)樵偕宣}分較清水的高，而在灌溉水中隨著微咸水比重的提高，鹽分含量也越高，灌溉后土壤含鹽量較高，土壤鹽分在一定程度上會(huì)抑制作物對(duì)水分的吸收，因此在灌水量一致的情況下隨著礦化度的升高，由于作物對(duì)水分吸收的減少，土壤含水率也就越高。

（2）微咸水與再生水混灌對(duì)上海青生物量的影響。生物量是作物產(chǎn)量的重要指標(biāo)之一，尤其是葉菜類作物。吳文勇等[20]研究表明，與清水灌溉相比，再生水灌溉可顯著增加果菜類蔬菜產(chǎn)量。許翠平等[21]研究也表明，再生水灌溉對(duì)果菜類與豆類蔬菜具有顯著增產(chǎn)效果。王璐璐等[22]研究表明，再生水灌溉黃瓜光合作用與產(chǎn)量指標(biāo)均大于自來水灌溉。而試驗(yàn)結(jié)果表明，再生水灌溉上海青生物量與清水灌溉無顯著差異，這可能與不同地區(qū)再生水水質(zhì)構(gòu)成有關(guān)。此外，本試驗(yàn)結(jié)果也表明，微咸水與再生水混灌較再生水灌溉顯著降低了地上部鮮重和干重，但對(duì)地下部鮮重和干重?zé)o顯著性影響，這是因?yàn)椋阂环矫妫虾Ｇ喔迪鄬?duì)不發(fā)達(dá)，生物量表現(xiàn)得差異不明顯；另一方面，水分先通過根系吸水，進(jìn)而傳輸?shù)饺~片，差異隨著傳輸距離的延長(zhǎng)而表現(xiàn)得越明顯。張繼峯等[23]研究結(jié)果表明，加工番茄的鮮果產(chǎn)量總體上符合“鹽高產(chǎn)低”的規(guī)律，這與本文試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。馮棣等[24]研究表明，甜脆豌豆的地上部生物量（鮮重和干重）隨灌溉水礦化度的增加而顯著降低（P<0.05），這與本試驗(yàn)結(jié)果“微咸水與再生水混灌較再生水灌溉顯著降低了地上部鮮重和干重”相吻合，這是因?yàn)辂}分濃度越高，對(duì)作物吸收水分能力的影響越強(qiáng)，影響植物含水量，最終對(duì)產(chǎn)量尤其是鮮重。

（3）微咸水與再生水混灌對(duì)上海青生理指標(biāo)的影響。植物葉綠素含量與光合作用有關(guān)，是反映植物生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)。王璐璐等[22]研究結(jié)果表明，在灌溉定額相同條件下，再生水處理SPAD值平均比自來水處理高5.54%；雷瓊等[25]研究表明，再生水灌溉可以顯著提高草坪草的葉綠素含量。這與本文試驗(yàn)結(jié)果“再生水灌溉葉綠素含量高于清水灌溉”相似。MDA 含量高低可以作為考察細(xì)胞受到脅迫嚴(yán)重程度的指標(biāo)；CAT在活性氧清除系統(tǒng)中具有重要作用。雷瓊等[25]試驗(yàn)結(jié)果顯示，再生水灌溉增加草坪草的MDA 含量，提高了CAT 活性，而本試驗(yàn)結(jié)果表明再生水灌溉與清水灌溉處理間MDA 含量和CAT 活性無明顯差異，這可能是因?yàn)樵偕|(zhì)不同，前者使用的再生水是工業(yè)和生活混合出水，而本試驗(yàn)中用的是生活污水處理出水，水質(zhì)存在一定的差異。POD 具有消除過氧化氫和酚類、胺類毒性的雙重作用。閆利軍等[26]研究表明，礦井再生水灌溉處理葉片POD 和CAT 活性增幅較大，MDA 含量顯著提高。其中POD 活性的變化與本試驗(yàn)結(jié)果相似，而CAT活性和MDA 含量的變化則略有不同，究其原因一方面可能由于再生水來源不同或水質(zhì)構(gòu)成差異，另一方面則是作物類型的不同引起的。李丹等[27]研究表明，微咸水灌溉處理番茄葉片中葉綠素含量和MDA 含量與清水灌溉差異不顯著；李強(qiáng)等[28]研究也表明，咸水灌溉（2～10 g/L）與淡水灌溉處理間油葵葉綠素含量和MDA 含量差異不顯著，這與文中試驗(yàn)結(jié)果是吻合的。

4 結(jié) 論

（1）總體上，再生水灌溉與清水灌溉處理間植物生長(zhǎng)生理指標(biāo)無顯著性差異。

（2）較再生水灌溉相比，5 g/L 微咸水與再生水混灌顯著降低上海青地上部生物量，而但對(duì)地下部生物量無顯著影響。

（3）較再生水灌溉相比，5 g/L 微咸水與再生水混灌對(duì)上海青生理指標(biāo)（葉綠素含量、可溶性蛋白含量、MDA 含量、POD 活性、CAT 活性）沒有顯著影響，對(duì)SOD 活性具有一定的提升作用，尤以5 g/L 微咸水與再生水1∶2 混合灌溉提升效果最為顯著。

（4）綜合考慮土壤水鹽、作物生理指標(biāo)以及再生水資源量本身的局限性，在淡水資源匱乏地區(qū)利用微咸水灌溉時(shí)，可以考慮用再生水作為替代清水水源與微咸水配合使用，微咸水（5 g/L）?再生水混灌比例以1∶2為宜。

本試驗(yàn)僅考慮了礦化度5 g/L 微咸水與再生水不同混合灌溉處理，尚未考慮不同礦化度微咸水與再生水的混合灌溉處理。其次，咸淡輪灌是目前較為適宜的微咸水利用方式，不同礦化度的微咸水與再生水輪灌處理也有待下一步試驗(yàn)研究。再者，試驗(yàn)采用的是盆栽試驗(yàn)，由于盆的高度有限，無法體現(xiàn)土壤鹽分的剖面分布，無法進(jìn)行長(zhǎng)期試驗(yàn)研究，后期有待進(jìn)行田間試驗(yàn)研究。