河套灌區(qū)代表性地下水鹽分與灌水量對枸杞產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

婁 帥，楊樹青※，劉 月，張萬鋒，呂欣河

河套灌區(qū)代表性地下水鹽分與灌水量對枸杞產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

婁 帥1，楊樹青1※，劉 月1，張萬鋒2，呂欣河1

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古師范大學旅游學院，呼和浩特 010028）

為明確不同微咸水水質(zhì)下枸杞種植效益較高的灌水量范圍，揭示枸杞干果產(chǎn)量、外觀品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)在微咸水不同鹽濃度和灌水量下的變化規(guī)律，該研究對河套灌區(qū)不同代表性地下水鹽分與灌水量組合下的枸杞干果產(chǎn)量、外觀品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)進行綜合評價?；?（41×24）正交表在河套灌區(qū)開展2 a田間試驗，共設(shè)置8個處理，灌水量為4個水平（60、70、80和100 mm），典型鹽（NaCl、CaCl2、NaHCO3、Na2SO4）濃度設(shè)置為2個水平（分別按研究區(qū)地下水中離子濃度的1、2倍水平調(diào)配）。結(jié)果表明：1）干果產(chǎn)量、百粒干質(zhì)量、果形指數(shù)、鮮干果比、黃酮含量受灌水量影響較大；產(chǎn)量、總糖含量受NaCl影響較大，隨NaCl升高而降低；類胡蘿卜素、甜菜堿、氨基酸總量受CaCl2影響較大，隨CaCl2濃度升高而升高。2）綜合評分發(fā)現(xiàn)，高灌水、高CaCl2的T8處理營養(yǎng)品質(zhì)貼合度C和種植效益貼合度C最高，而高灌水、高NaCl濃度的T5處理兩指標均最低。C分別與Ca2+、Na+濃度極顯著正、負相關(guān)（<0.01），與Cl-顯著負相關(guān)（<0.05）。Ca2+主要促進枸杞營養(yǎng)品質(zhì)發(fā)展，與黃酮、類胡蘿卜素、甜菜堿、氨基酸總量極顯著正相關(guān)，Na+、Cl-主要抑制產(chǎn)量、外觀品質(zhì)，分別與干果產(chǎn)量、百粒干質(zhì)量極顯著、顯著負相關(guān)。3）高斯回歸發(fā)現(xiàn)，Na+、Ca2+、Cl-濃度分別為34.8～38.8、15.3～15.6、50.9～55.9 mmol/L的微咸水較適宜，單次灌水96.9～97.9 mm下種植效益貼合度C>0.7；基于與C顯著相關(guān)的Na+、Ca2+、Cl-濃度，提出了不同離子條件下枸杞種植效益較高的灌水量。研究結(jié)果可為河套灌區(qū)因地制宜利用微咸水、提高枸杞種植效益提供科學依據(jù)。

灌溉；產(chǎn)量；品質(zhì)；微咸水；枸杞；Topsis

0 引 言

枸杞具有抗衰老、保護視神經(jīng)、抗癌、預防糖尿病等營養(yǎng)價值，被國內(nèi)外普遍譽為“超級水果”[1]，又因其對鹽脅迫具有較強的抗逆性，枸杞種植成為河套鹽漬化地區(qū)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)之一[2]。烏拉特前旗先鋒鎮(zhèn)位于河套灌區(qū)下游，枸杞種植面積達1 600 hm2，年產(chǎn)干果439萬kg，約占全國枸杞總產(chǎn)量的十分之一，年收入8 500多萬元[3]。然而，河套灌區(qū)淡水資源極其緊張，利用當?shù)剌^豐富的地下微咸水灌溉成為必然[4]。

控制灌水量是提高枸杞種植效益的有效方法，加孜拉等[5]指出，灌水量從5 100 m3/hm2提高到6 000 m3/hm2時，枸杞產(chǎn)量提升1 497 kg/hm2。趙敏[6]發(fā)現(xiàn)，采用65%～75%的作物需水量灌溉能提高枸杞百粒干質(zhì)量，降低產(chǎn)量?？梢姡嗨繉﹁坭疆a(chǎn)量、百粒干質(zhì)量的影響趨勢不同，以單指標為依據(jù)制定灌水策略較困難。枸杞屬于藥食同源作物，其種植效益不僅受產(chǎn)量影響，也受到以營養(yǎng)品質(zhì)和商品品質(zhì)決定的市場價值的影響[7]。研究發(fā)現(xiàn)，黃酮、類胡蘿卜素、甜菜堿、氨基酸、總糖為枸杞中發(fā)揮藥用價值的主要成分[8-9]，根據(jù)GB/T18672—2014，單粒干質(zhì)量是枸杞分級的重要指標[10]。因此，在提出灌水量時，需綜合考慮枸杞產(chǎn)量、單粒干質(zhì)量和主要營養(yǎng)成分含量。

研究表明，微咸水水質(zhì)和灌水量的協(xié)同調(diào)控有助于提升作物產(chǎn)量和品質(zhì)的綜合效果。龔一丹等[11]發(fā)現(xiàn)，淡水灌溉的番茄產(chǎn)量要高于微咸水灌溉，但是綜合考慮產(chǎn)量、品質(zhì)等因素，利用含鹽量2.0 g/L的微咸水進行灌溉，且控制在60%～70%的田間持水量時效果最好。張美桃[12]開展灌溉水礦化度、灌水量的交叉試驗，發(fā)現(xiàn)礦化度為5.0 g/L的微咸水灌溉255 mm能夠保證玉米產(chǎn)量和百粒干質(zhì)量。Cucci等[13]發(fā)現(xiàn)，以100%蒸散量（ETc）下利用礦化度為5 dS/m的微咸水灌溉玉米，在獲得最大產(chǎn)量的同時，籽粒中蛋白質(zhì)含量較淡水提高6.90%。可見，前人已在不同礦化度下提出了適宜的微咸水灌水量。但河套灌區(qū)地域廣袤，地下水鹽分類型多樣[14]，不同類型鹽分對作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響大小和方式不同。張維霞等[15]指出，Na+比Cl-更有利于小白菜氨基酸累積，Cl-比Na+更有利于小白菜干物質(zhì)累積和光合速率。段書延[16]發(fā)現(xiàn)，葡萄中的氨基酸含量隨Ca2+濃度升高而升高。孟智鵬等[17]指出，經(jīng)CaCl2處理后，各品種蘋果果實品質(zhì)的綜合得分均高于對照。因此，在微咸水灌溉區(qū)制定灌水策略時，不僅需要考慮微咸水的礦化度，還需要因地制宜地對不同水質(zhì)區(qū)微咸水的鹽離子成分予以關(guān)注。此外，微咸水鹽離子對枸杞產(chǎn)量和品質(zhì)的研究有待豐富。

河套灌區(qū)微咸水主要可分為HCO3-Na型、SO4-Na型和Cl-Na型[18]，而Ca2+是河套灌區(qū)地下水廣泛分布的優(yōu)勢離子[14]。因此，本研究開展NaCl、CaCl2、NaHCO3、Na2SO4共4種灌區(qū)代表性地下水鹽分的濃度與灌水量的正交試驗，綜合考慮枸杞中總糖、黃酮、類胡蘿卜素、甜菜堿、氨基酸總量及干果產(chǎn)量、百粒干質(zhì)量，對枸杞種植效益進行Topsis評價?；诤Y選的對枸杞種植效益綜合評分影響較大的敏感離子，構(gòu)建敏感離子濃度、灌水量與枸杞種植效益評分間的高斯映射關(guān)系。以幾種敏感離子的濃度組合代表河套灌區(qū)不同水質(zhì)條件，最終得到不同水質(zhì)下適宜的灌水量范圍，以期為不同水質(zhì)區(qū)枸杞灌溉提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于河套灌區(qū)下游烏拉特灌域紅衛(wèi)試驗站（40o42'N，107o24'E，海拔1 040 m），屬中溫帶半干旱大陸性氣候，年均降水量為143.8～233.4 mm，2019和2020年降雨量分別為157.3和146.7 mm，屬枯水年。多年均蒸發(fā)量2 383 mm，年均氣溫7.9 ℃，無霜期145 d，春冬季地表返鹽較嚴重。試驗于2019年4月10日開始，至2020年10月31日結(jié)束。供試土壤為粉土，土壤容重1.55 g/cm3，屬中度鹽堿地（全鹽量0.48%～0.84%）。枸杞生育期內(nèi)日降雨量及溫度變化如圖1所示。試驗區(qū)平均地下水埋深1.83 m，地下微咸水礦化度3.84 g/L，其中Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-濃度分別為18.55、8.77、9.37、63.02、6.25和5.50 mmol/L。

圖1 枸杞生育期內(nèi)日降雨量和溫度

1.2 試驗設(shè)計

采用8（41×24）正交表開展NaCl、NaHCO3、Na2SO4、CaCl2濃度和灌水量五因素正交試驗，包含8個處理，3次重復，共24個小區(qū)。試驗開始前，于紅衛(wèi)村及先鋒鎮(zhèn)的枸杞主要種植區(qū)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)不同農(nóng)戶由于所在區(qū)域微咸水礦化度及枸杞樹齡、品種間差異，習慣灌水量不同，單次灌溉約為60～100 mm。因此，本試驗在此區(qū)間內(nèi)設(shè)四水平灌水量（60、70、80、100 mm）。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)不同水質(zhì)區(qū)地下水中Na+、Ca2+、Cl-、SO42-、HCO3-濃度范圍分別為13.8～100.4、0.9～13.3、11.5～108.8、1.7～23.6、4.0～18.7 mmol/L[18-19]，但并非所有地區(qū)均采用地下微咸水灌溉，且礦化度過高的地區(qū)多為荒地，不適宜種植作物。作為枸杞主產(chǎn)區(qū)，烏拉特前旗地處灌區(qū)下游，淡水供應(yīng)存在滯后性，無法保證枸杞生育期內(nèi)及時灌溉，主要采用微咸水灌溉。為盡量貼合實際和考慮不同地區(qū)水質(zhì)，以烏拉特前旗水質(zhì)為基礎(chǔ)、以河套灌區(qū)各鹽分離子濃度范圍為參照來調(diào)配各處理不同類型鹽濃度。綜合考慮各類鹽中的陰陽離子比例，將各處理NaCl、CaCl2、NaHCO3和Na2SO4的2個水平分別按研究區(qū)地下水中Na+、Ca2+、HCO3-和SO42-的濃度的1、2倍水平調(diào)配微咸水。其中1倍代表維持當?shù)叵鄳?yīng)鹽離子濃度，不另加鹽，2倍代表在當?shù)匚⑾趟疂舛然A(chǔ)上再加入1倍相應(yīng)種類的鹽分。調(diào)配后的各處理中Na+、Ca2+、Cl-、HCO3-和SO42-離子濃度分別介于18.6～55.1、8.8～17.5、63.0～99.1、6.3～12.5、5.5～11.0 mmol/L，基本符合或涵蓋烏拉特前旗與河套灌區(qū)的鹽離子濃度上限構(gòu)成的區(qū)間，具有參考價值。

供試作物為10 a生“寧杞一號”枸杞，田間試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計。2019年分別在5月15日、6月17日、7月6日和8月9日按設(shè)計水量進行灌溉，2020年分別在5月17日、6月17日、7月8日和8月9日進行灌溉。灌溉方式為畦灌，小區(qū)面積30 m2，各小區(qū)間設(shè)2 m的保護帶，四周用埋深1.2 m的聚乙烯塑料膜隔開，頂部留30 cm，防止水肥互竄，田間管理與當?shù)剞r(nóng)戶管理一致。播種前機耕翻地，各處理采用統(tǒng)一施肥水平。枸杞全生育期采用人工剪枝，機械除草。枸杞種植株距1.0 m，行距3.0 m，4月末萌芽，8月中收獲。各處理單次的灌水量和鹽分濃度設(shè)置詳見表1。

表1 試驗因素水平及鹽分調(diào)配設(shè)計

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 枸杞產(chǎn)量和百粒干質(zhì)量測定

將每茬枸杞鮮果按小區(qū)編號分開排布到果棧子上，并統(tǒng)一在試驗場的熱泵烘干裝置（烘房）中用煤火進行烘干，烘房濕度為25%，烘干溫度60～70 ℃，每隔2 h進行稱量，至枸杞質(zhì)量不變時取出，烘干時長約8 h左右（各茬及各處理枸杞因單果大小不同時長略有差異）。烘干后稱量各小區(qū)枸杞干質(zhì)量，經(jīng)折算獲得單位面積干果產(chǎn)量。從各小區(qū)干果中各隨機取100粒干果，稱取枸杞百粒干質(zhì)量，重復5次，取平均后得各小區(qū)枸杞百粒干質(zhì)量。

1.3.2 枸杞營養(yǎng)品質(zhì)測定

測定對象為枸杞果實干樣，總糖采用蒽酮比色法測定，黃酮采用盧丁比色法測定，總糖、黃酮采用的儀器均為UV-1800紫外-可見分光光度計（NRJJ-S-031）。類胡蘿卜素、甜菜堿均采用高效液相色譜法測定，測定儀器為Altus A-10高效液相色譜儀（NRJJ-S-002）。氨基酸依照GB5009.124—2016測定，儀器為氨基酸自動分析儀（L-8900）。

1.4 極差分析

因素的極差R代表該因素對某指標的影響大小，計算式為

式中為該因素的某水平在所有處理中重復的次數(shù)，y為當該因素處于某水平下所有處理的指標值。

1.5 基于Topsis法的枸杞果實綜合評價

本文擬從枸杞的產(chǎn)量和品質(zhì)的綜合評價出發(fā)，提出適合不同水質(zhì)區(qū)的微咸水灌水量。Topsis法近年來被廣泛用于作物產(chǎn)量、品質(zhì)的綜合評價中，并取得了較好效果[21-22]。本文利用Topsis 法對枸杞產(chǎn)量、營養(yǎng)品質(zhì)、外觀品質(zhì)進行綜合評分。首先將枸杞總糖、甜菜堿、類胡蘿卜素、黃酮、氨基酸總量5種主要營養(yǎng)物質(zhì)綜合評價得到枸杞營養(yǎng)品質(zhì)貼合度C，然后對產(chǎn)量、百粒干質(zhì)量、營養(yǎng)品質(zhì)貼合度進行綜合評價，得到枸杞的種植效益貼合度C。

Topsis 法計算步驟[23]如下：

1）構(gòu)建原始評價參數(shù)矩陣：設(shè)有個評價對象，個評價指標，原始數(shù)據(jù)可寫為矩陣=(x)，x為第個樣本的第個指標。對指標進行歸一化，即

2）得到歸一化矩陣=(z)，由于以上5個營養(yǎng)品質(zhì)指標及產(chǎn)量、百粒干質(zhì)量均為數(shù)值越大越有利，因此各列最大值最小值構(gòu)成的最優(yōu)、最劣向量分別記為

+=(max1,max2, ...,maxb)（4）

-=(min1,min2, ...,minb)（5）

3）第個評價對象與最優(yōu)D、最劣方案D的距離分別為

4）第個評價對象與最優(yōu)方案的貼合度C為

1.6 基于高斯過程回歸的枸杞綜合評分預測

大田試驗以年為周期，所能獲得的果實品質(zhì)數(shù)據(jù)有限。因此，需充分考慮數(shù)值方法對小樣本數(shù)據(jù)的適應(yīng)性。采用斯皮爾曼（Spearman）相關(guān)性分析對于小樣本非正態(tài)數(shù)據(jù)具有較強的適應(yīng)性[24]。高斯過程回歸近年來在小樣本特征的研究中被證明具有較高精度[25-27]。本研究首先對歸一化后數(shù)據(jù)采用Spearman法篩選出與枸杞種植效益貼合度C相關(guān)性較高的敏感離子，并建立灌水量、敏感離子濃度與C的高斯映射，基于模擬結(jié)果得到每種水質(zhì)下適宜的灌水量范圍。

對于給定的數(shù)據(jù)集合={(,)}=1（輸入數(shù)據(jù)矩陣∈，輸出數(shù)據(jù)矩陣∈），((1))、((2))、...、((n))可構(gòu)成隨機變量的一個集合，且具有聯(lián)合高斯分布，高斯過程的全部統(tǒng)計特征由均值函數(shù)()和協(xié)方差函數(shù)(,)組成，即

()～GP((),(,'))（9）

將含噪聲考慮到觀測目標值中，可建立高斯過程回歸問題的一般模型，即

=()+（10）

式中為獨立的高斯白噪聲，符合高斯分布，均值為0，方差為2，即可記做～(0,2)。對于式（10），由于噪聲為獨立于()的白噪聲，當() 服從高斯分布，則同樣服從高斯分布，則其有限觀測值聯(lián)合分布的集合可形成一個高斯過程，即

((),(,) +σ2δ)（11）

式中()為均值函數(shù)；δ為 Kronecker delta 函數(shù)，當=時，函數(shù)δ=1；協(xié)方差函數(shù)以矩陣形式表達為

(,) =(,)+σ2（12）

式中表示×的單位矩陣，(,) 表示×的3協(xié)方差矩陣，()表示×的核矩陣，其元素K=(x,x)。構(gòu)成核矩陣(,)的函數(shù)稱為核函數(shù)。本研究選取徑向基核函數(shù)中的高斯核（Gaussian Kernel）作為高斯回歸的核函數(shù)[28]，如下式：

（13）

由此可以得到主要的GP回歸方程，即

cov(*)

以2019年枸杞果實數(shù)據(jù)進行模型構(gòu)建，2020年數(shù)據(jù)進行驗證。模型驗證的統(tǒng)計判據(jù)包括決定系數(shù)2、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）。

1.7 數(shù)據(jù)處理方法與建模環(huán)境

采用SPSS 21軟件進行數(shù)據(jù)-score歸一化、Spearman等級相關(guān)分析和LSD（Least Significant Difference）多重比較（=0.05）。Topsis評分、高斯過程回歸分別主要采用Python環(huán)境下的numpy和sklearn包完成，2019–2020年降雨和蒸發(fā)組合圖采用Microsoft Excel 2016 軟件繪制，等值線圖采用Origin2018繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 微咸水灌水量和不同典型鹽分濃度對枸杞產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

2.1.1 產(chǎn)量和外觀品質(zhì)

如表2，2019、2020年間各處理變化趨勢相似，以2019年為例，低水高NaCl、NaHCO3的T2處理產(chǎn)量最低（1 076.15 kg/hm2），中水低NaCl、Na2SO4的T3處理產(chǎn)量最高（4 585.42 kg/hm2），高水高CaCl2的T8處理百粒干質(zhì)量、果形指數(shù)最高（82.93 g、2.62）。對比發(fā)現(xiàn)，高CaCl2、低NaCl的T8處理干果產(chǎn)量、百粒干質(zhì)量較高NaCl、低CaCl2的T5處理顯著升高27.77%、42.66%，鮮干果比顯著降低11.87%（<0.05），說明高CaCl2、低NaCl對提升產(chǎn)量和百粒干質(zhì)量有利。2020年降水較少，中水高NaCl低CaCl2的T5處理產(chǎn)量較2019降低6.87%，而高水高CaCl2的T8處理百粒干質(zhì)量較2019年提高1.97%?？梢婋S降雨減小，NaCl、CaCl2對產(chǎn)量、百粒干質(zhì)量的影響均提高。

表2 各處理的干果產(chǎn)量和外觀品質(zhì)指標

注：不同小寫字母代表不同處理間存數(shù)據(jù)在顯著差異，<0.05。下同。

Note: Different lowercase letters represent significant differences in data stored between different processes,<0.05. Same below.

表3 各因素對枸杞干果產(chǎn)量、外觀品質(zhì)影響極差分析結(jié)果

注：W代表灌水量因素，W1、W2、W3、W4分別代表灌水量為60、70、80、100 mm。下同。

Note: W represents irrigation quantity factor, while W1, W2, W3, and W4 respectively represent irrigation quantity of 60, 70, 80, and 100 mm. Same below.

2.1.2 營養(yǎng)品質(zhì)

由表4可知，2 a間各處理變化趨勢相近，以2019年為例，高灌水+高CaCl2濃度處理（T8），甜菜堿、氨基酸總量、黃酮含量最高（16.7g/kg、16.09 g/100 g、2.18%），低灌水+高Na2SO4處理（T1）總糖最高（81.1%）。對比T8和T5發(fā)現(xiàn)，其他因素變化不大，提高CaCl2濃度、同時降低NaCl濃度，甜菜堿、氨基酸總量、黃酮分別升高33.60%、195.77%、38.85%（<0.05）。降雨較少的2020年，高水高CaCl2的T8處理下類胡蘿卜素、甜菜堿、氨基酸總量較2019年高8.70%、1.20%。同年，高水高NaCl下總糖較2019年降低5.02%，可見高灌水下降水減少，CaCl2對類胡蘿卜素、甜菜堿促進作用及NaCl對總糖的抑制作用更強。

2.2 枸杞產(chǎn)量、品質(zhì)綜合評價

2.2.1 營養(yǎng)品質(zhì)綜合評價

各果實藥用品質(zhì)指標歸一化后實測值如表6，將實測值歸一化后利用Topsis法得到個各處理的藥用品質(zhì)貼合度C。C越大，說明枸杞藥用品質(zhì)越高。結(jié)果表明，T8、T6處理枸杞C分別排在前兩位（0.895、0.708）。T7、T5處理C分別排在后兩位（0.191、0.172），T7處理氨基酸總量最低，T5處理總糖、類胡蘿卜素最低（<0.05）。T8、T6處理灌水量處于高水平（100 mm），CaCl2濃度較高（17.54 mmol/L）、NaCl濃度較低（18.55 mmol/L）；T7、T5灌水量同樣處于高水平（100 mm），但CaCl2濃度較低（8.77 mmol/L）、NaCl濃度較高（37.11 mmol/L），說明當微咸水中CaCl2濃度較高且NaCl較低時，高灌水量對枸杞藥用品質(zhì)有利，反之不利。

表4 各處理枸杞營養(yǎng)品質(zhì)

表5 各因素對枸杞營養(yǎng)品質(zhì)影響的極差分析結(jié)果

注：表中W、N、C代表灌水量、NaCl、CaCl2因素，N1、N2代表加入微咸水中的NaCl濃度為0、18.55 mmol·L-1，C1、C2代表加入的CaCl2濃度為0、8.77 mmol·L-1。

Note: In the table, W, N, and C represent irrigation amount, while N1 and N2 represented 0 and 18.55 mmol·L-1NaCl added to brackish water, C1 and C2 represented 0 and 8.77 mmol·L-1CaCl2added to brackish water, respectively.

表6 基于Topsis法的枸杞果實營養(yǎng)品質(zhì)歸一化結(jié)果評價及排序

注：C表示營養(yǎng)品質(zhì)貼合度；Z+、Z-分別表示將各指標歸一化后得到的最優(yōu)和最劣解向量；D+、D-分別表示歸一化后各處理與最優(yōu)和最劣解的距離。下同。

Note:Cdenotes the nutritional quality fitness;+-denotes the optimal and the worst solution vectors after normalization of each index, respectively;D+,D-denotes the distance between each treatment and the optimal and the worst solution after normalization, respectively. Same below.

2.2.2 枸杞產(chǎn)量、商品品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)綜合評價

將干果產(chǎn)量、百粒干質(zhì)量、營養(yǎng)品質(zhì)貼合度C歸一化后進行綜合評價，如表7，C、干果產(chǎn)量、百粒干質(zhì)量分別代表枸杞果實的藥用品質(zhì)、產(chǎn)量和商品品質(zhì)，基于以上指標利用Topsis法計算各處理種植效益貼合度C。C越大，說明種植效益越高。T8處理C（0.998）高于其他處理，該處理C、百粒干質(zhì)量顯著高于其他處理（<0.05）。T5處理C（0.200）低于其他處理，其干果產(chǎn)量顯著低于其他處理（<0.05），C顯著低于除T7外的所有處理。T8、T5處理灌水量均處于較高水平（100、80 mm），T8處理CaCl2濃度較高、NaCl濃度較低，T5處理反之，其余因素相同，說明當微咸水中CaCl2濃度較高且NaCl較低時，高灌水量對枸杞種植效益有利，反之不利。

2.3 枸杞產(chǎn)量、品質(zhì)與微咸水鹽離子濃度的相關(guān)性分析

將各處理灌水量及Na+、Ca2+、Cl-、HCO3-、SO42-離子濃度進行歸一化后，與枸杞藥用品質(zhì)、外觀品質(zhì)、產(chǎn)量進行Spearman相關(guān)性分析。由表8可知，種植效益貼合度C與Na+、Cl-呈極顯著、顯著負相關(guān)（<0.01、<0.05），與Ca2+極顯著正相關(guān)。Na+與干果產(chǎn)量、總糖極顯著負相關(guān)，與百粒干質(zhì)量顯著負相關(guān)。Ca2+與黃酮、類胡蘿卜素、甜菜堿、氨基酸總量及藥用品質(zhì)貼合度C極顯著正相關(guān)，與百粒干質(zhì)量顯著負相關(guān)。Cl-與總糖、干果產(chǎn)量極顯著負相關(guān)，與百粒干質(zhì)量顯著負相關(guān)，與黃酮、類胡蘿卜素極顯著正相關(guān)，與甜菜堿顯著正相關(guān)。根據(jù)各離子濃度與種植效益貼合度C的相關(guān)性強弱，可知Na+、Ca2+、Cl-為影響枸杞種植效益的敏感離子。

表7 基于Topsis法的各處理枸杞種植效益評價及排序

注：C表示枸杞種植效益貼合度。下同。

Note:Cdenotes theplanting benefit fit degree. Same below.

2.4 不同敏感離子及灌水量影響下枸杞綜合評分預測

以對枸杞種植效益貼合度C影響最顯著的Na+、Ca2+、Cl-濃度組合代表河套灌區(qū)不同水質(zhì)條件，基于2019年枸杞數(shù)據(jù)，構(gòu)建灌水量、Na+、Ca2+、Cl-關(guān)于種植效益貼合度C的四元高斯回歸模型，并用2020年數(shù)據(jù)進行驗證。經(jīng)檢驗，高斯回歸的2為0.913，RMSE為0.018，回歸關(guān)系顯著。以0.1 mm作為灌水量步長、0.1 mmol/L作為Na+、Ca2+、Cl-濃度步長，以田間試驗的灌水量、Na+、Ca2+、Cl-濃度取值上下限作為變量取值上下限進行模擬，得到灌水量、Na+、Ca2+、Cl-變化下枸杞種植效益貼合度C。通過python的torch包篩選出相同Na+、Ca2+、Cl-取值下C最高時的灌水量，作為微咸水水質(zhì)下的適宜灌水量，相應(yīng)C值為當前水質(zhì)下的最高種植效益貼合度，記為C。由于2019年和2020年均屬枯水年，因此得出的灌水量僅適用于枯水年時的灌水策略。

如表9，Na+、Ca2+、Cl-濃度范圍分別在34.8～38.8、15.3～15.6、50.9～55.9 mmol/L的微咸水較適宜灌溉枸杞，配合96.9～97.9 mm灌水量，枸杞種植效益貼合度C>0.7。隨C標準從0.5提升到0.7，適宜灌水量范圍及微咸水中Na+、Ca2+、Cl-離子的允許濃度范圍縮小。

試驗區(qū)微咸水Cl-濃度為63.0 mmol/L，河套灌區(qū)微咸水Cl-濃度上限為99.1 mmol/L。因此，以Cl-濃度為63.0、81.0、99.1 mmol/L為例揭示C與適宜灌水量隨Na+、Ca2+、Cl-濃度的變化。如圖2a～2c，隨Cl-濃度的增加，C先增后降，Cl-為81.0mmol/L時最高（C<0.75）。C隨Na+、Ca2+濃度的變化趨勢與Cl-有關(guān)，在Cl-較低時，C隨Ca2+濃度增加而增加，但該趨勢隨Na+濃度上升而減弱，隨Na+濃度增加而降低。當Cl-較高（99.0 mmol/L）時，C隨Ca2+增加先不變后降低，隨Na+濃度先升后降。

表8 灌水量、代表性地下水鹽離子濃度與枸杞品質(zhì)、產(chǎn)量、綜合評分相關(guān)性分析結(jié)果

注：“**”代表相關(guān)性極顯著（<0.01），“*”代表相關(guān)性顯著（<0.05）。

Note: “**” indicates extremely significant correlation (<0.01), and “*” represents significant correlation (<0.05).

表9 種植效益貼合度（Cim）不同取值對應(yīng)的灌溉條件

如圖2d～2f，適宜灌水量隨Cl-濃度增加而減小，當Cl-從63.0 mmol/L提升到99.0 mmol/ L，灌水量下限從75 mm降低到70 mm。適宜灌水量隨Na+、Ca2+濃度的變化趨勢與Cl-有關(guān)，當Cl-為63.0、81.0 mmol/L時，適宜灌水量隨Na+濃度增大先減小后增大，在Na+為35.0～45.0 mmol/L時適宜灌水量較低，為75～80 mm；當Cl-為99.0 mmol/L時，適宜灌水量隨Na+濃度增大而減小，且在Na+由30提升至35.0 mmol/L時驟降，當Na+<30.0 mmol/L，適宜灌水量為95.0～97.9 mm，Na+>35.0 mmol/L時適宜灌水量為69.9～75.5 mm。以1 mm為步長分別對不同Cl-濃度下灌水量隨Na+、Ca2+濃度變化趨勢進行等值線計算，發(fā)現(xiàn)當Cl->82.0 mmol/L時，適宜灌水量隨Na+濃度增大而減小，且在Na+>30 mmol/L后發(fā)生驟減?；诨貧w結(jié)果計算不同水質(zhì)下微咸水適宜灌水量范圍，如表10。當Cl-濃度較低時，適宜灌水量僅與Na+有關(guān)，隨Na+增加而先降后增。當Cl-較高且Na+--在30.0～35.0 mmol/L之間時，適宜灌水量與Na+、Ca2+同時有關(guān)，Na+超出此范圍后，適宜灌水量僅與Na+有關(guān)。

圖2 不同離子濃度下枸杞種植效益最高評分（Cim）和對應(yīng)灌水量（W）

表10 不同離子濃度下枸杞適宜灌水量

3 討 論

NaCl和干旱脅迫對作物的影響具有相似性，均會降低根長發(fā)育[29]。在低NaCl脅迫下，植物細胞能從溶液中吸收無機離子增加細胞溶液濃度進行滲透調(diào)節(jié)，降低NaCl的影響[30]，但干旱脅迫下作物多依賴于增加根系生物量投入以提高吸收水分的能力[31]，長期脅迫下植株地上生物量降低，光合作用能力下降[32]。林慶芝等[29]發(fā)現(xiàn)，與NaCl處理相比，干旱脅迫下，刺槐幼苗生物量、幼苗含水量、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)受到的抑制更嚴重。本研究發(fā)現(xiàn)，微咸水中NaCl濃度對枸杞產(chǎn)量的影響高于Na2SO4、CaCl2和NaHCO3，但小于灌水量。任三學等[33]指出，土壤干旱使葉片有效利用光強區(qū)間縮小，光合作用減弱，而土壤干旱或高濕會造成夜間呼吸作用增強，消耗營養(yǎng)增多，“此消彼長”之下，小麥籽粒癟秕，產(chǎn)量降低。本研究發(fā)現(xiàn)，中水水平（70 mm）時產(chǎn)量最高（3 545.74 kg/hm2），與任三學發(fā)現(xiàn)的規(guī)律相似，但高水水平（100 mm）時百粒干質(zhì)量最高，與任三學的對小麥單粒形態(tài)的研究規(guī)律不同，這可能由于枸杞作為多年生灌木，根系更深，因此土壤高濕對夜間呼吸的影響較小。

Duran等[34]發(fā)現(xiàn)，在NaCl脅迫下，小麥中類胡蘿卜素含量下降，而外源Ca2+通過刺激小麥DH-8基因的表達降低了這種影響。此外，Ca2+信號分子通過誘發(fā)植物體內(nèi)甜菜堿的積累，普遍參與了植物對鹽堿等逆境脅迫響應(yīng)的信號傳導過程[35]。Ca2+還參與了鹽脅迫中的氨基酸合成。王玲霞[36]發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)IP3-Ca2+信號通路可以介導谷氨酸（Glu）合成-氨基丁酸（GABA）和脯氨酸（Pro），以響應(yīng)鹽分脅迫。本研究發(fā)現(xiàn)，枸杞中類胡蘿卜素、甜菜堿、氨基酸總量受微咸水中CaCl2濃度影響最大，隨CaCl2濃度的升高而升高，與上述作用機制相吻合。萬雪等[37]指出，當植株受鹽分脅迫時，會提升細胞內(nèi)的活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）含量，而活性氧通過抑制細胞內(nèi)糖的利用，增加細胞內(nèi)可溶性總糖含量，以幫助植株抵抗逆境的發(fā)生，但高濃度鹽脅迫下ROS積累到一定閾值后，啟動膜脂過氧化反應(yīng)，破壞膜結(jié)構(gòu)的完整性與穩(wěn)定性，導致細胞電解質(zhì)外滲[38]。本研究發(fā)現(xiàn)，枸杞中總糖含量受微咸水中NaCl濃度的影響最大，但當NaCl達到37.10 mmol/L時，總糖含量下降。這可能由于NaCl濃度過高導致細胞膜破裂，糖分流失。李苗等[39]發(fā)現(xiàn)，輕、中度水分脅迫下，枸杞黃酮含量上升，但重度水分脅迫下，黃酮含量下降。本研究發(fā)現(xiàn)，枸杞在灌水量最大（100 mm）時含量最高，在受到水分脅迫時降低，與李苗的研究有所不同，原因可能在于本研究采用的是微咸水灌溉，灌水量較低時枸杞受到干旱和鹽分的雙重脅迫，黃酮含量下降。劉敏[40]發(fā)現(xiàn)，當施氮量低于750 kg/m2時，枸杞黃酮和類胡蘿卜素與微咸水灌水量呈正相關(guān)，與本文規(guī)律相近。

對枸杞中主要營養(yǎng)成分總糖、黃酮、甜菜堿、類胡蘿卜素、氨基酸總量進行綜合評分，發(fā)現(xiàn)高灌水條件下，高CaCl2濃度、低NaCl濃度的T8處理營養(yǎng)品質(zhì)貼合度C最高，而低CaCl2、高NaCl的T7處理C最低。這是由于NaCl脅迫導致類胡蘿卜素、總糖減少[34,38]，而Ca2+能夠降低這種趨勢[34]。此外，Ca2+參與下的甜菜堿和部分氨基酸積累是植物抵御鹽脅迫的重要方式[35-36]。因此，外源Ca2+對NaCl和其他鹽脅迫下植物總糖、甜菜堿、類胡蘿卜素、氨基酸總量的積累均起到促進作用。

基于Na+、Ca2+、Cl-濃度與灌水量關(guān)于C的高斯回歸，并篩選出不同Na+、Ca2+、Cl-濃度下能夠獲得的最高種植效益C，發(fā)現(xiàn)在Cl-≤81.0 mmol/L情況下，當Na+<45.0 mmol/L，C隨Ca2+濃度增加而增加，而當Na+>45.0 mmol/L時，C與Ca2+濃度無關(guān)，這可能由于Na+濃度超出了枸杞承受的閾值，破壞了細胞膜結(jié)構(gòu)，增加Ca2+已無法減緩脅迫[41]。Ca2+對枸杞抵御鹽分脅迫是必需的，本研究中，在Cl-≤82.0 mmol/L情況下，C在Ca2+濃度較高時出現(xiàn)峰值，這是因為在低脅迫下，增加Ca2+濃度更有利于植物對抗鹽分逆境[35-36]，當Cl->82.0 mmol/L，C隨Ca2+升高而下降，這可能由于高鹽脅迫會抑制植物對Ca2+的吸收[42]，此時繼續(xù)增加Ca2+，無法被吸收的Ca2+會與其他鹽離子一同增加細胞外溶液濃度，加劇滲透脅迫[43]。當Na+濃度較低（18.6～30.0 mmol/L）時，適宜灌水量較高（91～99 mm），且與Ca2+、Cl-濃度變化無關(guān)。這是因為植物的根對離子具有選擇運輸能力，在低脅迫下，通過增強對Ca2+和Mg2+的吸收降低Na+的影響[44]，且輕度鹽分脅迫有利于增加植株黃酮[45]、可溶性總糖等營養(yǎng)物質(zhì)，因此增加灌水量是有利的[37]。

4 結(jié) 論

1）灌水量為影響干果產(chǎn)量、百粒干質(zhì)量、黃酮含量最大的因素，灌水100 mm時干果產(chǎn)量、黃酮最高，灌水70 mm時，枸杞百粒干質(zhì)量最高。CaCl2為影響類胡蘿卜素、甜菜堿、氨基酸總量最大的因素，隨CaCl2濃度升高而升高，總糖受NaCl影響最大，隨NaCl升高而降低。

2）Na+、Ca2+、Cl-濃度與枸杞種植效益貼合度C相關(guān)性達極顯著或顯著水平。當Na+、Ca2+、Cl-濃度分別介于34.8～38.8、15.3～15.6、50.9～55.9 mmol/L時較適合灌溉枸杞，配合96.9～97.9 mm灌水量，種植效益貼合度C> 0.7。

3）基于枸杞種植效益綜合評價和高斯模擬，得到了不同敏感離子Na+、Ca2+、Cl-濃度下的適宜灌水量。

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Effects of representative groundwater salinity and irrigation amount on the yield and quality ofin the Hetao Irrigation areas

Lou Shuai1, Yang Shuqing1※, Liu Yue1, Zhang Wanfeng2, Lyu Xinhe1

(1.010018;010028)

fruit is widely used as a medicinal food in China. This study aims to clarify the effects of brackish water irrigation amount and salt ion composition on the yield, appearance quality, and nutritional quality of the. An optimal amount of brackish water was also determined under different water qualities, according to the comprehensive score after irrigation simulation. A8(41×24) orthogonal test was carried out with the “Ningqi No.1”as the test material. Eight orthogonal treatments included the four irrigation levels (60, 70, 80, and 100 mm) and two concentrations (according to 1 or 2 times of ion concentration in groundwater in the study area) of NaCl, NaHCO3, Na2SO4, and CaCl2. The optimal levels of each factor were obtained and scored for each index, including the yield, 100 grains dry mass, and nutritional quality. The greatest correlation with the comprehensive score was selected as the salt ions. A gaussian regression model was established for the sensitive ion concentration and comprehensive scoreC, in order to obtain the optimal irrigation quantity range under different water quality using the screening program. The water quality and irrigation quantity scheme achieved higher scores than before. The results showed that there were significant effects of the brackish water irrigation amount and the concentrations of NaCl, NaHCO3, Na2SO4, and CaCl2on the yield, dry mass of 100 grains, and nutritional quality. In the yield and appearance quality, the irrigation amount presented the most significant effects on the dry fruit yield, dry mass of 100 grains, fruit shape index, and dry fruit ratio. The maximum yield and dry mass of 100 grains were achieved at the irrigation amount of 70mm, and 100 mm, respectively. The NaCl effect on the dry fruit yield was higher than that of the rest salts. The maximum yield was reached at the N1 level. In the nutritional quality, the concentration of CaCl2was dominated by the total amount of carotenoids, betaine, and amino acids, the highest of which was C2 (0.24%, 15.2 g/kg, and 11.67 g/100g, respectively). NaCl was determined as the total sugar, the highest which was the N1. The highest amount of flavonoids was obtained at the irrigation amount of 100mm. The comprehensive score showed that the T8 (W4, C2, HC1, N1, and S2) treatment with the high water. The CaCl2presented the highest nutritional quality (C=0.895), and planting benefit (C=0.719). The T5 treatment with the high water and NaCl was the lowest (C=0.172,C=0.200).Cwas very negatively correlated with the concentration of Na+(<0.01), and Cl-(<0.05), whereas, there was a very significant positive correlation with the concentration of Ca2+(<0.01).Cwas significantly positively and negatively correlated with Ca2+and Na+concentrations, respectively, and negatively correlated with Cl-. Gaussian regression showed that the brackish water with the concentrations of Na+, Ca2+, and Cl-of 34.8-38.8, 15.3-15.6, and 50.9-55.9 mmol/L were better suitable for irrigation, compared with the planting benefit fitC>0.7 with 96.9-97.9 mm in the single irrigation. The optimal irrigation amount was achieved under different water quality: In the Cl-content of 63.02-81.50 mmol/L, the Na+contents were 18.55-30, 30-35, 35-40, 40-53, and 53-55 mmol/L, where the optimal irrigation amount was 91-98, 82-98, 77-83, 77-99, and 96-98 mm. In the Cl-content of 81.50-99.11 with the Na+contents of 18.55-30 and 35-55 mmol/L, the optimal irrigation amount was 97-99 and 69-77 mm. In the Na+content of 30-35 mmol/L with the Ca2+concentrations of 8.77-13.00 and 13.00-17.54 mmol/L, the optimal irrigation amount was 74-98 and 78-82 mm. The findings can provide a scientific basis to utilize the brackish water for the better planting benefits ofin the Hetao Irrigation area.

irrigation; yield; quality; brackish water;; Topsis

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.011

S273.4

A

1002-6819(2022)-22-0102-11

婁帥，楊樹青，劉月，等. 河套灌區(qū)代表性地下水鹽分與灌水量對枸杞產(chǎn)量及品質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2022，38(22)：102-112.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.011 http://www.tcsae.org

Lou Shuai, Yang Shuqing, Liu yue, et al. Effects of representative groundwater salinity and irrigation amount on the yield and quality ofin the Hetao Irrigation areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(22): 102-112. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.011 http://www.tcsae.org

2022-06-28

2022-10-30

國家自然科學基金項目（52069023）；國家自然科學基金項目（52179037）

婁帥，博士生，研究方向為鹽堿地改良。Email：865822716@qq.com

楊樹青，教授，博士生導師，研究方向為農(nóng)業(yè)水土資源利用與環(huán)境調(diào)控。Email：nmndysq@126.com