張繼峯，王振華*，張金珠，侯裕生，任作利

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shì).新疆現(xiàn)有347.6×104hm2耕地，其中1/3已經(jīng)產(chǎn)生鹽漬化現(xiàn)象，不利于新疆農(nóng)業(yè)的發(fā)展.加工番茄是新疆主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，生產(chǎn)的番茄醬遠(yuǎn)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(chǎn)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(kuò)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(duì)新疆的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義.

鹽堿脅迫會(huì)減弱植物體內(nèi)光合物質(zhì)的產(chǎn)生能力[3]，進(jìn)而導(dǎo)致植物細(xì)胞間CO2濃度降低，最終削弱作物光合作用[4].植物體內(nèi)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(jìn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié).葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)能充分揭示PSⅡ的內(nèi)部反應(yīng)、電子的供受體側(cè)，而不改變其體外功能[5-6].通過光合作用和葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)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(zhuǎn)化及其利用效率[7].

加工番茄指標(biāo)參數(shù)間存在著隱性相關(guān).如果僅對(duì)單一指標(biāo)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果就不能充分反映作物的綜合特性[8].為了對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，近現(xiàn)代學(xué)者發(fā)展了許多理論.其中，模糊綜合評(píng)價(jià)法、聚類分析和層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)度綜合評(píng)價(jià)法是常用的評(píng)價(jià)方法[9-10].灰色關(guān)聯(lián)度分析法是將灰色系統(tǒng)中各個(gè)要素進(jìn)行綜合描述和量化的一種評(píng)價(jià)方法，是一種全面、客觀的評(píng)價(jià)方法，而不會(huì)因?yàn)槠渲刑乩齼?yōu)良的性能而錯(cuò)誤識(shí)別出其特征.該評(píng)價(jià)方法克服了采用單一性狀對(duì)作物進(jìn)行評(píng)價(jià)的缺點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域[11].研究表明[12]，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)烤煙農(nóng)藝性狀與主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)間的關(guān)系進(jìn)行分析，其結(jié)果可以直觀地看出各性狀的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)品種進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，而對(duì)于樣本的多少和有無規(guī)律性此方法都同樣適用，結(jié)論具有更好的合理性和科學(xué)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(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論尋找與產(chǎn)量關(guān)系緊密的指標(biāo)參數(shù)；結(jié)合該指標(biāo)參數(shù)對(duì)不同鹽堿脅迫的響應(yīng)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(xué)有效的理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年4—9月在石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站暨現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)基地(86°03′47″E，44°19′12″N)進(jìn)行.試驗(yàn)站年均日照時(shí)間達(dá)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(yàn)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(yàn)期間降雨、蒸散和平均氣溫分布

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)以加工番茄“3166”為試驗(yàn)品種，進(jìn)行了露天桶栽試驗(yàn).桶體尺寸為0.60 m×0.55 m×0.45 m(頂高×頂內(nèi)徑×底內(nèi)徑).這些桶被并排放置在一個(gè)50 cm深的測(cè)試坑中.土壤樣品取自石河子市121團(tuán)農(nóng)場(112°42′50″E，44°46′59″N)鹽堿土(土層平均鹽分質(zhì)量比為24.84 g/kg)和石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站(土層平均鹽分質(zhì)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(zhì)見表1，表中h為土層深度；γ為干容重，ω為肥料質(zhì)量比，θ為田間持水率.

表1 土壤0～40 cm的基本理化性質(zhì)

根據(jù)羅家雄[13]的土壤鹽堿分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)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(yàn)設(shè)計(jì)，各處理下設(shè)3個(gè)重復(fù)，每桶種植加工番茄3株，株距30 cm.

試驗(yàn)以氯化鉀KCl(K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)57 %)、尿素CO(NH2)2(N質(zhì)量分?jǐn)?shù)46.4 %)和磷酸一銨NH4H2PO4(P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)60.5 %)為試驗(yàn)用肥.施肥量根據(jù)種子培育機(jī)構(gòu)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(jié)合陳秀香等[14]研究的灌溉制度與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活實(shí)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(gè)試驗(yàn)用桶的灌水量，滴頭流量控制為1.8 L/h；在整個(gè)生育期內(nèi)，共進(jìn)行9次灌溉和8次施肥.表2為灌水施肥設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 生理指標(biāo)

于2017年4—8月，使用美國Li-6400型光合作用測(cè)定系統(tǒng)對(duì)加工番茄光合速率Pn[μmol/(m2·s)]、氣孔導(dǎo)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(biāo)進(jìn)行測(cè)定.采用德國PAM-2 500調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)量加工番茄葉綠素?zé)晒鈪?shù).在暗適應(yīng)下測(cè)定最小熒光產(chǎn)量(F0)和最大熒光產(chǎn)量(Fm)，在光適應(yīng)條件下測(cè)定其穩(wěn)定熒光(F′)、光下最小熒光產(chǎn)量(F′0)和光下最大熒光產(chǎn)量(F′m)，計(jì)算光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)淬滅的量子產(chǎn)量Y(NO)、實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)以及非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)等熒光指標(biāo).

各熒光參數(shù)[15]采用以下公式計(jì)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(chǎn)量、水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力

在8月1日進(jìn)入成熟期后，每7 d進(jìn)行1次人工采收，每次采收每桶單獨(dú)計(jì)數(shù)并稱量.水分利用效率[16]WUEET計(jì)算公式為

WUEET=Y/ET，

(6)

ET=I+Pr+ΔW-R-S，

(7)

式中：Y為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)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(cè)定)，mm；R為土壤徑流量，mm；S為土體下邊界凈通量(向上為負(fù)，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(chǎn)力(nitrogen fertilizer partial productivity，NFPP)即單位投入的氮肥所能生產(chǎn)的作物籽粒產(chǎn)量，其計(jì)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(guān)聯(lián)分析采用劉思峰[18]的統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行.灰色關(guān)聯(lián)分析主要對(duì)事物態(tài)勢(shì)發(fā)展的過程進(jìn)行量化分析，根據(jù)因素間發(fā)展態(tài)勢(shì)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(chǎn)量與光合指標(biāo)及熒光參數(shù)視為一個(gè)灰色系統(tǒng)，以指標(biāo)參數(shù)為影響因素，以經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量為特征序列Y0作為比較的“母序列”，Y0=y0(1)，y0(2)，…，y0(n)，8個(gè)指標(biāo)參數(shù)設(shè)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再利用劉思峰[18]的公式計(jì)算Xi與產(chǎn)量Y0的相關(guān)系數(shù)及各因素的相關(guān)程度.

(9)

(10)

(11)

式中：X′為X標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差；γ(y0(k),xi(k))為Xi與Y0在k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，簡記為γ0i(k)；γ(Y0,Xi)為Xi與Y0的關(guān)聯(lián)度；ξ為分辨系數(shù)，一般取ξ為0.5.

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫對(duì)光合特性的影響

2.1.1Pn和Tr對(duì)鹽堿脅迫的響應(yīng)

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(shì)基本相同，隨著時(shí)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(dá)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(dá)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(shì)基本一致，處理S1與CK之間不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)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(duì)Gs和Ci的變化規(guī)律

圖3為加工番茄Gs和Ci對(duì)鹽堿脅迫隨時(shí)間的響應(yīng)變化.由圖3a可知，隨著生育期推移，各處理的Gs在果實(shí)膨大期達(dá)到最大值，處理S1和CK在整個(gè)生長期差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；處理S2和S3在整個(gè)生育期內(nèi)對(duì)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(qiáng)(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(shí)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(shí)膨大的第2階段達(dá)到最小值，進(jìn)入成熟期后又有一定程度提高.處理S2和S3的Ci在整個(gè)生育期基本上呈上升趨勢(shì)，在成熟期達(dá)到最大值，分別為290.00和322.46 μmol/(m2·s)，分別比對(duì)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(duì)鹽堿脅迫隨時(shí)間的響應(yīng)變化

2.2 鹽堿脅迫對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.2.1 鹽堿脅迫對(duì)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(xué)電子轉(zhuǎn)遞的份額，只有使PSⅡ的反應(yīng)中心處于“開放”狀態(tài)，才能獲得較高的光化學(xué)淬滅[19-20].隨著生育時(shí)間推移，ΦPSⅡ和qP在處理S1及CK下呈增大趨勢(shì)；處理S3進(jìn)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(duì)鹽堿脅迫隨時(shí)間的變化情況.圖4a表明，處理S2和S3分別在果實(shí)膨大第2階段(7月27日)和膨大第1階段(7月4日)達(dá)到最大值，在成熟期達(dá)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(shì)與ΦPSⅡ基本一致，處理S2和S3在膨大第1階段(7月9日)達(dá)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(jì)學(xué)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(jìn)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(duì)鹽堿脅迫隨時(shí)間的變化情況

2.2.2NPQ和Y(NO)對(duì)鹽堿脅迫的響應(yīng)

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

圖5 加工番茄NPQ和Y(NO)對(duì)鹽堿脅迫隨時(shí)間的變化情況

非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ是一種自我保護(hù)機(jī)制，可提高非光化學(xué)的能量耗散，有助于緩解環(huán)境對(duì)光合作用的影響和過剩光能對(duì)PSⅡ反應(yīng)中心的損傷.從圖5a可以看出，除處理S3外，加工番茄在整個(gè)生育期的變化趨勢(shì)基本相同，在膨大的第2階段先增加后減少，進(jìn)入開花結(jié)果期(6月15日)后，處理S3有一定程度下降，進(jìn)入花果末期后逐漸上升，并在膨大第2階段達(dá)到最大值.各處理的變化規(guī)律由大到小排序?yàn)镃K，S1，S2，S3，處理S1和CK對(duì)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(dá)到61.51%(P<0.01).圖5b中，如果非光化學(xué)猝滅的量子產(chǎn)率Y(NO)較高，說明光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和保護(hù)調(diào)節(jié)(例如散熱)機(jī)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(shì)與其他指標(biāo)不同：苗期(5月25日)各處理的Y(NO)相對(duì)集中且較大，隨著發(fā)育時(shí)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(dá)到最大，分別為0.35和0.59.6月15日進(jìn)入開花坐果期后，2個(gè)處理的值均高于對(duì)照和S1.處理S3的增大趨勢(shì)最為顯著，是對(duì)照處理的5.32倍(P<0.01).

2.3 鹽堿脅迫對(duì)滴灌加工番茄水分利用效率及氮肥偏生產(chǎn)力的影響

加工番茄不同處理?xiàng)l件下全生育期耗水量及水分利用效率和氮肥料偏生產(chǎn)力見表3(已將單盆產(chǎn)量換算為hm2產(chǎn)量)，表中Y，θin，Δθ，W，NUE分別為產(chǎn)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(chǎn)力.表3表明，處理S1與CK相比，產(chǎn)量有所提高，增產(chǎn)率為1.28%，而WUEET基本一致；處理S2及S3在產(chǎn)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(chǎn)力均高于其他3個(gè)處理，較處理CK僅提高了1.28%；處理S2和S3的氮肥偏生產(chǎn)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(chǎn)力和水分利用效率

2.4 滴灌加工番茄各指標(biāo)間的灰色關(guān)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(chǎn)量設(shè)為母序列Y0，8個(gè)指標(biāo)參數(shù)Pn～Y(NO)設(shè)為比較序列X1～X8.按照分析方法的要求，先對(duì)各指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行Z-score標(biāo)準(zhǔn)化法，將標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果應(yīng)用于式(8)—(10)，得到表4數(shù)據(jù)，表中M，A和a分別為關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)序.由表4可以看出，各指標(biāo)參數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)序從大到小依次為非光化學(xué)猝滅系數(shù)，蒸騰速率，凈光合速率，光化學(xué)猝滅系數(shù)，實(shí)際光化學(xué)效率，氣孔導(dǎo)度，非光化學(xué)淬滅的量子產(chǎn)量，細(xì)胞間CO2濃度.由灰色關(guān)聯(lián)理論可知，關(guān)聯(lián)序越高，比較序列與參考序列越接近，反之則關(guān)系越遠(yuǎn).

表4 加工番茄產(chǎn)量與各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)序

因而，關(guān)聯(lián)序的排名及關(guān)聯(lián)度的大小可以表明某一項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)與所要分析指標(biāo)間的敏感程度.各參數(shù)指標(biāo)對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)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(biāo)的緊密度和產(chǎn)量之間有不同的表現(xiàn).在處理S1下，產(chǎn)量和Tr，Pn，Gs，ΦPSⅡ和qP的關(guān)聯(lián)系數(shù)達(dá)到最大；Y(NO)和Ci在處理S2下關(guān)聯(lián)系數(shù)達(dá)到最大；NPQ在S3下達(dá)到最大關(guān)聯(lián)系數(shù)；多數(shù)指標(biāo)在處理S1下與產(chǎn)量擁有很好的關(guān)聯(lián)度.

3 結(jié) 論

1)輕度鹽堿處理(鹽質(zhì)量比為4.0 g/kg)對(duì)加工番茄的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力無明顯的抑制作用；隨著鹽堿度增加，上述指標(biāo)逐漸降低，在鹽質(zhì)量比為10.0 g/kg的重鹽漬土處理下達(dá)到最小值，并出現(xiàn)減產(chǎn)現(xiàn)象.在鹽質(zhì)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(zhì)量比為4.0 g/kg的輕度鹽化土壤下的實(shí)際光化學(xué)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(duì)ΦPSⅡ有抑制作用，PSⅡ的光合組織受到破壞及初始光能轉(zhuǎn)換效率降低，影響其內(nèi)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(xué)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(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷.綜合分析可知，加工番茄種植在鹽質(zhì)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(yán)重阻礙其生長發(fā)育.

3)加工番茄產(chǎn)量與凈光合速率、蒸騰速率和非光化學(xué)猝滅系數(shù)呈高度灰色關(guān)聯(lián).結(jié)合3個(gè)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(zhì)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(duì)擴(kuò)大加工番茄在鹽堿地的種植面積有一定的指導(dǎo)意義.