蔬菜咸水灌溉研究進(jìn)展*

陳 佩,王金濤,董心亮,田 柳,張雪佳,劉小京,孫宏勇**

(1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心 石家莊 050022; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

蔬菜是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚氖澄?隨著人民生活水平的不斷提高,對(duì)蔬菜的需求量也不斷增加,2019年我國(guó)蔬菜種植面積達(dá)2086.3 萬(wàn)hm,年產(chǎn)量7.21 億t,人均占有量超500 kg,均居世界第一位。同時(shí),蔬菜也是耗水量較大作物,30%的農(nóng)田用水用于蔬菜灌溉,年耗水量在750.6～893.1 mm 之間。水是支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展不可或缺的重要資源,我國(guó)是水資源相對(duì)匱乏的國(guó)家,人均水資源量?jī)H占全球平均水資源量的1/4 左右。從20世紀(jì)70年代開始,我國(guó)北方地區(qū)為了追求農(nóng)業(yè)高產(chǎn)過(guò)度抽取地下水灌溉導(dǎo)致了地下水水位的不斷下降,引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。發(fā)展節(jié)水技術(shù)和開發(fā)利用水源成為環(huán)境水資源供需矛盾的重要途徑。世界范圍內(nèi)淺層地下咸水資源較為豐富,科學(xué)合理開發(fā)利用咸水資源已成為咸水分布地區(qū)解決水資源短缺問(wèn)題的有效途徑。國(guó)內(nèi)外大量研究和實(shí)踐證明,科學(xué)合理地開發(fā)利用咸水資源,不僅對(duì)緩解淡水資源短缺、擴(kuò)大農(nóng)業(yè)水源、抗旱增產(chǎn)具有重要作用,對(duì)地下水資源更新、淡水存儲(chǔ)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)也具有積極作用。咸水灌溉雖然可以提供作物生長(zhǎng)所需要的水分,但是同時(shí)也帶來(lái)了鹽分,直接或間接地影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育。因此,科學(xué)合理安全高效地利用咸水資源一直是世界范圍內(nèi)缺水地區(qū)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。咸水灌溉既增辟了灌溉水源,又有效提高了作物的灌溉保障率,是緩解水資源短缺和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)矛盾的重要舉措之一。本文就國(guó)內(nèi)外咸水安全利用現(xiàn)狀和潛力、咸水灌溉對(duì)蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響機(jī)理、調(diào)控措施及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié),以期為缺水區(qū)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量綠色發(fā)展提供水資源保障。

1 咸水資源安全利用潛力與現(xiàn)狀

1.1 咸水資源利用潛力

水資源是指具有一定數(shù)量和可用質(zhì)量能從自然界獲得補(bǔ)充并可資利用的水。咸水資源是針對(duì)水體礦化度(即每升水含有的礦物質(zhì)含量)而言,把礦化度＞1 g·L的水資源定義為咸水資源。一般而言,礦化度＜1 g·L的水被認(rèn)為是淡水(電導(dǎo)率＜1.43 dS·m);礦化度在1～5 g·L的水為低鹽度咸水,包括微咸水(礦化度為1～3 g·L)和半咸水(礦化度3～5 g·L); 礦化度在5～10 g·L的水為中鹽度咸水; 礦化度＞10 g·L的水為高鹽度咸水; 礦化度在 50～500 g·L的水為鹵水。＜5 g·L的地下水區(qū)域面積占全國(guó)地下水總面積的93.88%,礦化度為5～10 g·L的地下咸水分布面積占4.87%,礦化度10～50 g·L的地下咸水分布面積占0.58%,礦化度50～200 g·L的地下咸水分布面積占0.55%,礦化度＞200 g·L的地下咸水分布面積占0.12%。

我國(guó)咸水資源儲(chǔ)量豐富,地下微咸水資源和半咸水資源分別為277 億m和121 億m,其中有開采價(jià)值尚待開采利用的微咸水和半咸水資源量分別為144 億m和56.46 億m,絕大部分位于地下10～100 m 處,宜于開采利用。咸水的合理開發(fā)利用,對(duì)于緩解水資源矛盾、擴(kuò)大農(nóng)業(yè)水源、抗旱增產(chǎn)等方面有非常重要的意義。

1.2 咸水灌溉的應(yīng)用現(xiàn)狀

咸水灌溉在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有百年的歷史,許多國(guó)家設(shè)立了咸水灌溉研究機(jī)構(gòu),研究咸水灌溉的理論和技術(shù),在灌溉制度(灌溉水鹽濃度、咸水灌溉量和灌溉時(shí)期)、灌溉方法(噴灌、漫灌、溝灌、滴灌)以及咸水灌溉對(duì)作物產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率的影響機(jī)理等方面進(jìn)行了深入的理論和技術(shù)研究。

國(guó)外利用微咸水灌溉擁有較長(zhǎng)的歷史和豐富的經(jīng)驗(yàn),主要分布在淡水資源相對(duì)短缺而咸水資源相對(duì)豐富的地區(qū),如日本、西班牙、突尼斯、摩洛哥、奧地利、以色列、伊拉克、科威特等國(guó)家和地區(qū)。在意大利的一些地區(qū)咸水已多年被用于灌溉,農(nóng)田土壤未發(fā)生積鹽現(xiàn)象。埃及是一個(gè)極度干旱的國(guó)家,50 多年來(lái)成功地利用咸水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉,土壤從沙土到黏土,種植作物包括水稻()、小麥()、甜菜()和棉花(spp.)等。中國(guó)北方干旱、半干旱和沿海地區(qū)在咸水灌溉實(shí)踐中取得了顯著成效,天津、河北、河南、寧夏、甘肅、內(nèi)蒙古、陜西、山東等省(自治區(qū)、直轄市),都已進(jìn)行咸水灌溉實(shí)踐。寧夏南部山區(qū)地下咸水灌溉已有五十多年的歷史,用咸水灌溉小麥、大麥()的產(chǎn)量可比旱地提高3～4 倍,并根據(jù)取得的經(jīng)驗(yàn)制定了適于當(dāng)?shù)叵趟喔鹊乃|(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。從20世紀(jì)70年代開始,河北省滄州地區(qū)一直采用礦化度小于5 g·L的咸水灌溉小麥,與旱地種植相比,小麥產(chǎn)量可增加10%～30%,最高可達(dá)49%; 1990年衡水地區(qū)開始大規(guī)模采用咸、淡混合灌溉技術(shù),使小麥、玉米()、棉花普遍增產(chǎn)。天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院利用咸水灌溉小麥,發(fā)現(xiàn)4.5 g·L咸水灌溉較旱作小麥生物量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量分別增加15%～40%和10%～30%。1991-1995年,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所利用咸水灌溉總面積約8.7 萬(wàn)hm,增產(chǎn)糧食5.15 億kg,棉花513 萬(wàn)kg,獲經(jīng)濟(jì)效益2.5 億元。這些咸水灌溉的成功經(jīng)驗(yàn),為淡水資源短缺地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了保障。

2 國(guó)內(nèi)外蔬菜咸水灌溉研究進(jìn)展

2.1 不同蔬菜種類的耐鹽性

耐鹽臨界值作為評(píng)價(jià)耐鹽性的指標(biāo),即由低鹽到高鹽脅迫的中轉(zhuǎn)濃度,是所有耐鹽指標(biāo)由低鹽處理不規(guī)律變化到高鹽處理受抑制過(guò)程中的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。耐鹽性強(qiáng)的作物在不同生長(zhǎng)期,其耐鹽性也存在差異。對(duì)各蔬菜耐鹽閾值的研究結(jié)果表明: 百合科(Liliacaea)和十字花科(Brassicaceae)耐鹽性較強(qiáng),茄科(Solanaceae)耐鹽性最弱,葫蘆科(Cucurbitaceae)、豆科(Leguminosae)和傘形科(Apiaceae)居中。表1為FAO56提供的用飽和土壤提取液的電導(dǎo)率上限(ECthreshold)和作物產(chǎn)量隨鹽分增加而下降的斜率表示的蔬菜作物的耐鹽度。

表1 蔬菜作物耐鹽度Table 1 Salt tolerance of vegetables

2.2 咸水灌溉對(duì)蔬菜生理生態(tài)指標(biāo)的影響

咸水灌溉使蔬菜處在鹽漬環(huán)境下,鹽分脅迫會(huì)干擾作物各種生理和代謝上的反應(yīng),作物對(duì)鹽分的敏感程度因其品種、生育階段以及器官的不同而不同。Wang 等發(fā)現(xiàn)在40 mmol·L和80 mmol·LNaCl 處理下花椰菜(var.botrytis)芽期葉片的脫落酸、細(xì)胞分裂素、黃銅內(nèi)酯、吲哚-3-乙酸和赤霉素的水平顯著提高,凈光合速率也隨著葉綠素含量的提高和光系統(tǒng)Ⅱ活性增加而增加。對(duì)番茄開花坐果期灌溉研究結(jié)果表明,隨著灌溉水電導(dǎo)率(EC 在0.7～7.8 dS·m之間)的增加,不同處理番茄葉片中葉綠素總量、類胡蘿卜素、丙二醛和脯氨酸量差異不顯著,但可溶性糖量顯著降低,葉面積指數(shù)、地上部和地下部生物量也都隨著EC 的增加先增加,但當(dāng)EC＞4.7 dS·m時(shí)番茄()生長(zhǎng)明顯受到抑制。萬(wàn)書勤等研究結(jié)果顯示,不同鹽分濃度咸水(1.1～4.9 dS·m)處理對(duì)番茄根干質(zhì)量密度、根長(zhǎng)密度、最大葉面積指數(shù)、總?cè)~綠素含量等均無(wú)顯著影響。武育芳等研究表明,在草炭+蚯蚓糞復(fù)合基質(zhì)栽培條件下,相比于淡水灌溉(1.15 dS·m),咸水灌溉(3 dS·m)處理使番茄葉片蒸騰速率增高49.29%、氣孔導(dǎo)度增高222%。汪洋等發(fā)現(xiàn)咸水灌溉(5.16 dS·m)與淡水灌溉(0.32 dS·m)相比,番茄株高降低21.17%,莖粗降低9.83%,葉片葉綠素增高15.50%。Chisari 等研究表明隨著鹽分濃度(2.8～4.8 dS·m)的增加生菜(cv.Duende)葉片中總酚類化合物含量緩慢下降且抗氧化活性受到抑制。翟紅梅等發(fā)現(xiàn)微咸水(3 g·L)灌溉下蔬菜受到鹽分脅迫,植株耐鹽性能降低,細(xì)胞膜完整性被破壞,導(dǎo)致番茄、青椒()和茄子的光合速率分別下降18.5%、15.3%和14.1%。

2.3 咸水灌溉對(duì)蔬菜產(chǎn)量的影響

鹽分脅迫對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有一定程度的干擾,可能會(huì)導(dǎo)致其生長(zhǎng)受到抑制。咸水灌溉條件下對(duì)蔬菜作物的產(chǎn)量研究存在差異,但基本呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。張薺文等研究發(fā)現(xiàn)相比于淡水灌溉(0.32 dS·m),2.74 dS·m咸水灌溉使黃瓜()產(chǎn)量下降6.21%,5.16 dS·m咸水灌溉使黃瓜產(chǎn)量下降17.71%。汪洋等發(fā)現(xiàn)相對(duì)于淡水灌溉(0.32 dS·m),咸水灌溉(5.16 dS·m)使番茄產(chǎn)量下降 44.8%。翟紅梅等發(fā)現(xiàn)基質(zhì)栽培條件下用3 g·L微咸水灌溉對(duì)番茄和茄子()的生長(zhǎng)發(fā)育有明顯抑制作用,與土壤栽培相比株高分別下降 44.1%和25.1%,生物量分別下降80.4%和48.9%,產(chǎn)量下降49.2%和27.6%,青椒的株高和生物量分別下降15.2%和27.0%,但產(chǎn)量無(wú)顯著變化。Pasternak 等研究發(fā)現(xiàn)在沙培條件下相對(duì)于淡水灌溉(1.2 dS·m),用6.2 dS·m的咸水灌溉番茄產(chǎn)量下降56.42%。Gawad 等發(fā)現(xiàn)相對(duì)于淡水灌溉(1.2 dS·m),7.5 dS·m咸水灌溉使番茄產(chǎn)量下降50%。李丹等發(fā)現(xiàn)當(dāng)灌溉咸水電導(dǎo)率(EC)在0.7～7.8 dS·m之間時(shí),番茄的產(chǎn)量隨著EC 的增加而降低,當(dāng)EC＞1.4 dS·m時(shí),EC 每增加1 dS·m,番茄的產(chǎn)量降低9.7%。Patel 等研究發(fā)現(xiàn)利用咸水(1～9 dS·m)地下滲灌技術(shù)對(duì)馬鈴薯()進(jìn)行灌溉時(shí),各處理間馬鈴薯的最終產(chǎn)量差異不明顯。焦艷平等研究表明相對(duì)于0.72 g·L淡水灌溉,2 g·L和3 g·L微咸水灌溉對(duì)大白菜()的產(chǎn)量影響沒有差異,但4.3 g·L咸水灌溉可使其產(chǎn)量降低9.0%。Savvas 等研究表明相較于基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)液(2.1 dS·m)滴灌,加入25 mmol·LNaCl 的咸水(4.7 dS·m)滴灌使茄子產(chǎn)量下降19.73%。Mendlinger研究發(fā)現(xiàn)在沙培條件下相對(duì)于淡水灌溉(1.2 dS·m),用6 dS·m或8 dS·m咸水灌溉甜瓜(),均使其產(chǎn)量下降13.55%。Sahin 等研究發(fā)現(xiàn)相對(duì)于淡水灌溉(0.25 dS·m),用5.7 dS·m咸水灌溉白菜(var.capitata),其產(chǎn)量下降45.97%; 用11.82 dS·m咸水灌溉白菜,使其產(chǎn)量下降可達(dá)63.05%。Amor 等研究發(fā)現(xiàn)相較于對(duì)照(2 dS·m),4 dS·m咸水灌溉使甜瓜產(chǎn)量下降14.5%,6 dS·m咸水灌溉使甜瓜產(chǎn)量下降38.53%,8 dS·m咸水灌溉使甜瓜產(chǎn)量下降49.35%。江雪飛等研究結(jié)果表明與淡水灌溉相比,在伸蔓期用礦化度為3 g·L的咸水進(jìn)行灌溉能夠提高甜瓜的產(chǎn)量,用礦化度為5 g·L和7 g·L咸水灌溉的甜瓜產(chǎn)量沒有顯著差異,但用礦化度為9 g·L的咸水灌溉可顯著降低甜瓜的產(chǎn)量。總之,不同蔬菜種類由于耐鹽閾值的差異,在利用不同礦化度咸水進(jìn)行灌溉時(shí),蔬菜的產(chǎn)量有隨著咸水濃度增加而降低的趨勢(shì),但不同蔬菜種類其咸水灌溉閾值不同。

2.4 咸水灌溉對(duì)蔬菜品質(zhì)的影響

蔬菜品質(zhì)的變化特征主要體現(xiàn)在可溶性固形物、有機(jī)酸、糖、維生素C、酚類化合物、類胡蘿卜素等因素方面。許多研究表明咸水灌溉可以使蔬果的可溶性固形物、有機(jī)酸和糖含量增加,從而改善果實(shí)品質(zhì)。武育芳等研究發(fā)現(xiàn)在草炭+生物炭復(fù)合基質(zhì)栽培條件下咸水(3 dS·m)灌溉使番茄果實(shí)維生素C 及可溶性糖含量相對(duì)于淡水(1.15 dS·m)灌溉分別增加37.43%和6.25%。汪洋等發(fā)現(xiàn)相對(duì)于淡水(0.32 dS·m)灌溉,5.2 dS·m咸水灌溉使番茄果實(shí)可溶性固形物含量增加74.07%、可溶性總糖含量增加41.6.0%、有機(jī)酸含量增加50.00%、 維生素C 含量增加47.42%。吳蘊(yùn)玉等研究表明秸稈覆蓋條件下咸水灌溉(5.2 dS·m)與淡水灌溉(1 dS·m)相比,番茄可溶性固形物含量增加13.20%,總酸增加19.27%,維生素C 含量增加10.64%,糖酸比增加5.86%。李丹等發(fā)現(xiàn)當(dāng)灌溉咸水EC 為0.7～7.8 dS·m時(shí),番茄果實(shí)中可溶性固形物、還原糖、有機(jī)酸含量隨著EC 的升高而增加,但果實(shí)糖酸比逐漸降低。Gawad 等研究發(fā)現(xiàn)相對(duì)于淡水(0.6 dS·m)灌溉,咸水(2.3～7.5 dS·m)灌溉可提高番茄的可溶性固形物含量和含糖量,但果實(shí)大小會(huì)隨鹽分質(zhì)量濃度的增大而減小。類似的結(jié)果在茄子、甜瓜、辣椒、南瓜()均有發(fā)現(xiàn)。但是,部分研究表明,咸水(8 dS·m)灌溉時(shí)甜椒果實(shí)的總可溶性固形物、果糖、葡萄糖和氨基酸的含量顯著降低。Sakamoto等研究發(fā)現(xiàn)咸水(12.6 dS·m)或海水(10.6 dS·m)灌溉處理下紅葉生菜(cv.mother-red)的花青素含量都較高,但只有在海水灌溉處理下紅葉生菜的葉綠素和類胡蘿卜素含量才會(huì)增加。Neocleous 等研究表明在10 mmol·LNaCl(3.6 dS·m)濃度處理下,綠葉萵苣(cv green )和紅葉萵苣(cv redpigmented)中的抗壞血酸含量顯著高于對(duì)照處理(2.2 dS·m)和20 mmol·LNaCl 處理(4.6 dS·m),但酚類化合物沒有增加。Kim 等研究表明生菜(var.ramosa)在長(zhǎng)期咸水(0～16.7 dS·m)灌溉處理下類胡蘿卜素含量高于短期高鹽度(＞8.4 dS·m)處理,總酚類物質(zhì)含量在各處理間無(wú)差異?？傊?一般蔬菜在利用＜8 dS·m咸水灌溉時(shí),其品質(zhì)有提升的趨勢(shì); 而大于該濃度咸水灌溉后,不同種類的蔬菜品質(zhì)變化趨勢(shì)不一致。

2.5 咸水灌溉對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響

土壤鹽分在土體中的運(yùn)移具有“鹽隨水來(lái),鹽隨水去”的特征,土壤含鹽量隨著灌溉水礦化度的提高總體呈增加趨勢(shì)。李國(guó)安等研究結(jié)果表明,淡水灌溉條件下,土壤積鹽率不超過(guò)15%,當(dāng)灌水礦化度在3.0 g·L以上時(shí),土壤剖面鹽分積累峰值在20～40 cm 土層,灌溉水帶入的鹽分有40%～80%積累在60 cm 深度。土壤浸出物的電導(dǎo)率隨灌水含鹽量(1.2～8.0 dS·m)的增加而顯著升高,隨灌水深度(5～90 cm)的增加而顯著降低。陳麗娟等研究了咸水灌溉條件下黏土夾層對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響,結(jié)果表明,黏土夾層對(duì)土壤水鹽運(yùn)移具有顯著的阻滯作用。Liu 等研究發(fā)現(xiàn),土壤質(zhì)地及其垂直非均質(zhì)性使層狀土壤剖面中水鹽時(shí)空分布與均質(zhì)土壤相比有很大差異: 均質(zhì)土壤有利于水分入滲、鹽分浸出和地下水補(bǔ)給; 在非均質(zhì)土壤中,水流受阻,鹽分積累明顯; 然而與黏土相比,黏土對(duì)水鹽運(yùn)移具有更為顯著的阻滯作用。馬文軍等研究表明土壤水鹽動(dòng)態(tài)受灌溉和降雨影響的短期波動(dòng)和受季節(jié)更替影響的長(zhǎng)期波動(dòng); 在正常降雨年份,可采用微咸水灌溉,不會(huì)導(dǎo)致土壤次生鹽漬化?？傊?咸水灌溉會(huì)增加土壤含鹽量,而鹽分的分布主要與土壤質(zhì)地、灌溉水量、降水量等因素相關(guān)。

2.6 咸水灌溉調(diào)控技術(shù)

目前,咸水灌溉技術(shù)主要包括咸淡水混灌和輪灌,而灌溉方法主要包括滴灌、畦灌、噴灌和溝灌等。宋露露等研究認(rèn)為利用處理后的淡化水和微咸水的混合灌溉方式是在淡水資源缺乏而微咸水豐富的條件下種植甜瓜的最佳灌溉方式。劉小媛等通過(guò)室內(nèi)土柱入滲試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)咸淡水間歇組合灌溉下的累積入滲率以及土壤含水量、灌水均勻度高于淡水灌溉,并且咸淡水間歇組合灌溉下根層土壤脫鹽率較微咸水直接灌溉顯著增加。楊樹青等對(duì)咸淡水輪灌的數(shù)值模擬研究表明,在淡咸咸、咸咸淡和咸淡咸3 種咸淡水輪灌方案中,淡咸咸灌溉模式下不同土層的鹽分、地下水礦化度以及含水層的鹽分較低,并且長(zhǎng)期預(yù)測(cè)中淡咸咸灌溉模式下,研究區(qū)土壤在作物非生育期的脫鹽量高于生育期的積鹽量,土壤整體表現(xiàn)出脫鹽趨勢(shì)。

對(duì)于淡水資源極度貧乏的地區(qū),可以利用咸水直接灌溉,但必須保證土壤含鹽量和溶液濃度在作物耐受范圍之內(nèi)才能保證作物產(chǎn)量。溝灌和漫灌下作物耗水量較大,滴灌和噴灌下作物耗水量較小。但是,在噴灌過(guò)程中,由于咸水會(huì)燒傷葉片,進(jìn)而導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低。因此,滴灌是最為安全有效的咸水灌溉方法。咸水滴灌主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn): 第一,它避免了葉面損傷; 其次,由于滴灌的淋洗作用,鹽分向濕潤(rùn)鋒附近積聚。因此,在滴灌頭下的土壤含鹽量相對(duì)較小,有利于作物生長(zhǎng),并且保持較高的基質(zhì)勢(shì)。同時(shí)在滴灌條件下,土壤含水量分布與鹽分分布正好相反,有利于作物根系的發(fā)育和生長(zhǎng),有利于水分和養(yǎng)分的吸收利用。膜下滴灌既具備滴灌的防止深層滲漏、減少棵間蒸發(fā)、節(jié)水、節(jié)肥的特點(diǎn),同時(shí)還具備地膜栽培技術(shù)的增溫、保墑作用,因此覆蓋和滴灌相結(jié)合的咸水膜下滴灌模式可以做為干旱半干旱地區(qū)咸水資源的有效利用方式之一。

生物炭具有很強(qiáng)的吸附特性,其有很高的孔隙率、比表面積和陽(yáng)離子交換能力。外源添加生物炭改良劑可以通過(guò)吸附減少瞬態(tài)鈉離子,并將鉀、鈣、鎂等礦質(zhì)養(yǎng)分釋放到土壤溶液中。Novak 等研究發(fā)現(xiàn)生物炭的添加增加了土壤中大孔隙的比例,從而增加了土壤水分保持能力,使植物更容易吸收水分。She 等研究結(jié)果表明在較高施用速率下,生物炭可以用來(lái)補(bǔ)償鹽度對(duì)番茄葉片蒸騰速率的負(fù)面影響; 咸水(3 dS·m)灌溉+生物炭(土壤質(zhì)量8%)處理組的番茄比咸水(3 dS·m)灌溉不加生物炭處理組的地上部生物量、地下部生物量、產(chǎn)量分別提高39.48%、15.79%和49.16%; 但咸水(3 dS·m)灌溉+生物炭(土壤質(zhì)量8%)處理組的番茄比淡水灌溉的地上部生物量、地下部生物量分別降低0.04%和4.72%,產(chǎn)量升高13.14%。因此外源添加生物炭改良劑具有緩解鹽分脅迫和提高作物產(chǎn)量的潛力。

大氣中應(yīng)用微量一氧化氮?dú)怏w可能是提高鹽脅迫下菠菜()生物質(zhì)產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量的有效策略。Du 等研究了在菠菜生長(zhǎng)室注入200 nL·LNO 氣體對(duì)200 mmol·LNaCl 鹽脅迫的緩解效果,結(jié)果表明NaCl+NO 處理組菠菜食用部分的鮮重和干重比NaCl 組分別增加60%和27%,并且NaCl+NO 處理組菠菜抗壞血酸、谷胱甘肽、總酚類和黃酮比NaCl 組分別增加28.15%、13.64%、16.74%和33.33%。外源性NO 氣體可以減輕鹽脅迫誘導(dǎo)的氧化損傷,從而解除了鹽脅迫對(duì)植物光合作用和生長(zhǎng)的抑制。

外源噴施水楊酸(SA)激活黃瓜葉片的防御反應(yīng)和系統(tǒng)獲得性抗性,還可以通過(guò)加速番茄葉片生長(zhǎng)、改善葉片生理過(guò)程和減少植物氧化損傷來(lái)緩解鹽脅迫。此外,在黃瓜和萵苣()中,SA 可通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原狀態(tài)誘導(dǎo)NRP1 的防御反應(yīng),通過(guò)上調(diào)谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(GSTS)如SlGSTL3、SlGSTS2 和SlGSTZ2的表達(dá)來(lái)減少氧化損傷。Miao 等研究表明與NaCl 處理相比,NaCl+SA 處理顯著增加了黃瓜葉片光合(/、Ⅱ和)和RSA(總根長(zhǎng)、根表面積、一級(jí)和二級(jí)側(cè)根的數(shù)量和總長(zhǎng)度)參數(shù)。外源補(bǔ)充施用Ca可以減少番茄Na的積累和改善K和Ca的吸收。另外還有許多研究報(bào)道外源施用脫落酸、腐胺、谷胱甘肽物質(zhì)能夠顯著降低黃瓜、番茄等植株葉片或根系Na和Cl含量,提高K/Na和 K/Cl比值,從而維持植物細(xì)胞的離子穩(wěn)態(tài),提高植株的抗鹽性。

黃腐酸(FA)是腐植酸的一種,可從褐煤、草炭等中提取出來(lái),具有無(wú)毒無(wú)臭、環(huán)保、生物活性強(qiáng)等特點(diǎn),其含有多種活性官能團(tuán),易被植物吸收。FA 可以控制作物葉面氣孔的開放度,減少蒸騰,增強(qiáng)根系發(fā)育和根系活力,促進(jìn)植物的生長(zhǎng),從而增加抗逆能力。外源施加FA 可以降低油菜()葉片葉綠素a 的鈍化反應(yīng)中心數(shù)量,增加電子傳遞量子產(chǎn)率和醌的平均氧化還原狀態(tài),從而抑制活性氧的產(chǎn)生,降低細(xì)胞的脂質(zhì)過(guò)氧化。適宜濃度的FA 可以促進(jìn)鹽脅迫下大豆()種子萌發(fā)且提高其萌發(fā)過(guò)程中根部過(guò)氧化氫酶及過(guò)氧化物酶的活性,提高其抗鹽能力。龐曉燕研究了FA對(duì)鹽分脅迫條件下黃瓜的影響,結(jié)果表明FA 對(duì)黃瓜葉片葉綠素含量具有顯著促進(jìn)作用,且促進(jìn)葉面積的增加,提高了光合速率; 另外,FA 還可以提高細(xì)胞膜透性,促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)吸收,可促進(jìn)糖轉(zhuǎn)化酶、淀粉磷酸化酶及一些與蛋白質(zhì)、脂肪合成有關(guān)的酶的活性,使糖分、淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、核酸、維生素等物質(zhì)的合成、累積增加,并促進(jìn)轉(zhuǎn)移酶的活性,加速各種代謝產(chǎn)物從莖葉或根部向果實(shí)和籽粒運(yùn)轉(zhuǎn),對(duì)提高并改善黃瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)有直接影響。

雖然信號(hào)物質(zhì)、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)、化控調(diào)節(jié)物質(zhì)、有機(jī)化合物等各種外源調(diào)節(jié)物質(zhì)的作用機(jī)理不同,但都對(duì)各蔬菜作物抗鹽性的提高有一定的激發(fā)效應(yīng),這些調(diào)控手段的長(zhǎng)期效應(yīng)、閾值范疇、施用適期等對(duì)蔬菜抵御鹽脅迫的效果如何,還有待于進(jìn)一步研究,尤其是這些調(diào)控措施的組合施用對(duì)蔬菜咸水灌溉的影響也是今后研究的重點(diǎn)之一。

3 存在的問(wèn)題

3.1 咸水灌溉下區(qū)域的生態(tài)效應(yīng)

咸水資源的開發(fā)利用可緩解淡水資源短缺與蔬菜生產(chǎn)之間的矛盾。一般咸水資源分布在我國(guó)干旱、半干旱或?yàn)I海地區(qū),這些區(qū)域的土壤多為鹽堿土,其受鹽堿和貧瘠的影響利用程度較低。但是,這些區(qū)域土地資源相對(duì)較為豐富,是潛在的后備耕地資源,具有發(fā)展蔬菜種植較為寬闊的空間。同時(shí),這些區(qū)域的光熱資源較為豐沛,也為蔬菜種植提供了較為適宜的環(huán)境條件。隨著由治理鹽堿地適應(yīng)作物向選育耐鹽植物適應(yīng)鹽堿地觀念的轉(zhuǎn)變,在這些區(qū)域發(fā)展蔬菜種植可以減輕耕地資源較為緊張的壓力。但是,利用咸水資源長(zhǎng)期灌溉,鹽分在土體中的累積,要從長(zhǎng)期的視覺分析其對(duì)環(huán)境的效應(yīng),比如長(zhǎng)期的咸水灌溉帶來(lái)的鹽分淋溶會(huì)降低排水水質(zhì),水質(zhì)差的灌溉回流是排水口下游地表水體的污染源。再者,要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益的綜合評(píng)價(jià),進(jìn)而研發(fā)適宜區(qū)域資源特點(diǎn)的咸水灌溉蔬菜關(guān)鍵核心技術(shù),為保障國(guó)家糧食安全,端牢中國(guó)飯碗提供技術(shù)支撐。

3.2 咸水灌溉下蔬菜生理代謝過(guò)程變化

蔬菜遇到鹽害逆境脅迫時(shí)均會(huì)通過(guò)改變正常的生理代謝過(guò)程適應(yīng)環(huán)境脅迫,土壤鹽分過(guò)多時(shí)會(huì)降低土壤水勢(shì),使植物吸水困難,進(jìn)一步導(dǎo)致植物地上部分的水勢(shì)和膨壓降低。葉片滲透勢(shì)降低會(huì)阻礙許多生理反應(yīng),最終導(dǎo)致滲透脅迫。植物通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從土壤中吸收大量Na會(huì)抑制細(xì)胞對(duì)K的攝取,導(dǎo)致離子不平衡,離子毒性會(huì)干擾礦物質(zhì)的吸收造成營(yíng)養(yǎng)虧缺。Na的大量積累還會(huì)降低酶活性,初級(jí)代謝(卡爾文循環(huán),苯丙烷途徑,糖酵解、多胺和淀粉合成)有關(guān)的酶多數(shù)受K控制,Na取代K參與這些酶反應(yīng),使效率更低,因此相比之下這些酶的活性受到抑制。Cl的大量攝入,也會(huì)阻礙和它用相同的(非選擇性的)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)通道的NO-和SO

2的吸收。鹽分會(huì)提高植物細(xì)胞中的活性氧含量,細(xì)胞中過(guò)剩的活性氧會(huì)擾亂氧化還原穩(wěn)態(tài),產(chǎn)生氧化脅迫,導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化、膜變質(zhì)以及DNA、蛋白質(zhì)損傷和酶降解。鹽分降低了葉綠素和類胡蘿卜素的含量,扭曲了葉綠體的超微結(jié)構(gòu)和PSⅡ系統(tǒng),降低了氣孔導(dǎo)度,從而阻礙了光合作用、蒸騰和氣體交換。另外鹽分脅迫會(huì)使PEP 和RUBP 羧化酶活性降低,類囊體膜損傷,葉綠素和類胡蘿卜素的合成受到抑制,因此抑制了光合作用。但是,在咸水灌溉蔬菜方面的水鹽碳氮過(guò)程耦合機(jī)理研究方面仍有待提高,要從分子、器官、植株和群體不同尺度進(jìn)行生理代謝過(guò)程的研究。

4 研究展望

1)完善咸水資源化,安全灌溉理論研究。開展不同土壤質(zhì)地和肥力條件下的蔬菜咸水灌溉研究,揭示不同礦化度咸水灌溉下土壤鹽分、土壤結(jié)構(gòu)和蔬菜生長(zhǎng)及品質(zhì)的協(xié)同變化規(guī)律。

2)提升咸水灌溉關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品和設(shè)備研發(fā)的產(chǎn)業(yè)化。目前,我國(guó)尚未制定統(tǒng)一的咸水安全灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),只有少數(shù)地區(qū)制定了咸水灌溉地方標(biāo)準(zhǔn),其實(shí)用有一定的局限性,制約了咸水資源的高效利用。

3)協(xié)同提升咸水灌溉下的生態(tài)效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。將咸水灌溉方法和手段與農(nóng)田調(diào)控和蔬菜生產(chǎn)目標(biāo)相結(jié)合,形成咸水安全灌溉的綜合技術(shù)模式,為缺水地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源高效利用提供樣板。咸水資源的安全高效利用應(yīng)從區(qū)域生態(tài)角度、咸水灌溉下帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益共同考慮,從區(qū)域尺度和時(shí)間尺度的時(shí)空大尺度對(duì)其進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià),服務(wù)于國(guó)家糧食安全、水安全和生態(tài)安全戰(zhàn)略。