湯 英,唐 瑞,徐利崗,于 浩
(1. 寧夏水利科學(xué)研究院,寧夏 銀川 750021; 2. 寧夏科技特派員創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)服務(wù)中心,寧夏 銀川 750001)
葡萄是我國主要水果之一,也是西北地區(qū)主要的經(jīng)濟作物,年產(chǎn)量1 400 萬t。但在土壤鹽漬化地區(qū),水資源缺乏及不合理的灌溉則會導(dǎo)致葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)下降,極大的限制了葡萄產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。因此,大力發(fā)展節(jié)水灌溉以保證水資源高效利用及葡萄優(yōu)良品質(zhì)是葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點。而開發(fā)新型農(nóng)業(yè)水源是目前節(jié)水灌溉發(fā)展的熱點方向之一[2]。磁化水是通過外加磁場,改變灌溉水理化性質(zhì)的方法,近年來作為新型農(nóng)業(yè)灌溉水源,已逐漸被廣泛關(guān)注[3-6]。通過磁場的作用,水的表面張力系數(shù)、密度、黏度、pH值等理化性質(zhì)會發(fā)生一定程度上的改變[7-9]。同時,磁化處理可增強Ca2+、Mg2+等金屬離子水合化能力,促進細胞膜離子運輸[10]。崔路路[11]等發(fā)現(xiàn)經(jīng)過磁化處理可以有效提高種子萌發(fā)效果,影響幅度可達100%以上;王俊花等[12]研究表明磁化水可提高甜玉米種子發(fā)芽率,并增加葉片葉綠素含量,可有效提高產(chǎn)量;李錚[13]利用磁化水灌溉番茄幼苗,發(fā)現(xiàn)葉片總?cè)~綠素提高了4.1%~51.2%;劉秀梅[14]等研究發(fā)現(xiàn)磁化微咸水可使歐美楊光合特性提高5.3%~29.3%。但目前關(guān)于磁化處理下微咸水灌溉對設(shè)施葡萄影響的分析與研究鮮有報道。本文在位于寧夏銀川市西夏區(qū)的中國灌溉試驗寧夏中心站開展田間試驗,利用主成分分析法,綜合分析評價鹽脅迫下磁化水灌溉對葡萄根區(qū)土壤水分及鹽分、葡萄植株生長生理指標(biāo)及其產(chǎn)量品質(zhì)的影響,為微咸水在設(shè)施葡萄上的高效利用提供一定的理論依據(jù)及參考。
試驗于2021 年4-10 月在寧夏回族自治區(qū)銀川市西夏區(qū)中國灌溉試驗寧夏中心站試驗
基地(106°42'E,38°27'N,海拔1 115 m)設(shè)施大棚內(nèi)進行,試驗期間溫室內(nèi)平均溫度為31.6 ℃,平均濕度29.1%(圖1),試驗區(qū)土壤容重為1.47 g∕cm2,田間持水量為23.4%。試驗對象為3 年齡的葡萄樹,行株距為3 m×0.8 m。灌溉水源為試驗基地輻射井抽取的地下水,礦化度為0.53 g∕L,灌溉方式采用內(nèi)鑲式滴灌管,一行兩管,滴頭流量為2 L∕h,滴頭間距為30 cm。
圖1 生育期內(nèi)溫室溫度及濕度Fig.1 Greenhouse temperature and humidity during growth
試驗共設(shè)置有灌溉水礦化度以及磁化處理共兩個因素(表1),其中灌溉水礦化度設(shè)四個水平,分別為2.0 g∕L(S1)、3.0 g∕L(S2)、4.0 g∕L(S3)、5.0 g∕L(S4),以基地灌溉水為對照(地下水,0.53 g∕L,Sck);磁化處理設(shè)兩個水平,為非磁化(N,磁場強度為0 mT)與磁化(M,磁場強度為300 mT);一共設(shè)置10 個處理,每個處理重復(fù)3 次。每個小區(qū)面積72 m2,共有3 行,每行10 棵葡萄樹,中間行為觀測行,兩側(cè)均設(shè)有保護行。每個小區(qū)分別安裝1.5 m3的臥式塑料罐作為獨立水源,并安裝水位刻度尺,以實現(xiàn)對每個小區(qū)礦化度調(diào)配和灌溉水量的單獨、準(zhǔn)確控制(圖2)。試驗區(qū)內(nèi)葡萄樹全生育期灌水15 次,灌溉定額3 300 m3∕hm2;施肥6次,每次施肥量為120 kg∕hm2,采用復(fù)合肥(前期以高氮為主、中期以高氮高磷為主、后期以高磷高鉀為主)水肥管理方案見表2。其他各項種植、田間管理及病蟲草害植保防控措施均一致。
表1 試驗設(shè)計表Tab.1 Design of experiments table
表2 試驗區(qū)水肥管理方案表Tab.2 Management scheme of water and fertilizer in experimental area
圖2 試驗區(qū)布設(shè)圖Fig.2 Arrangement of experiment area
1.3.1 土壤含水率及鹽分測定
(1)土壤含水率,采用PR2土壤剖面水分速測儀(英國,Delta-T)進行測量。每個處理選擇1 個典型樣株,在距離樹干15 cm 處按照PR2 監(jiān)測管1 個。全生育期內(nèi)每10 d 監(jiān)測一次,灌水前后各加測一次,測定時間為上午10∶00,測量深度為0~100 cm,分層分別為10、20、40、60 及100 cm。每2 個月采用烘干法對器測數(shù)據(jù)進行校正。
(2)土壤鹽分含量,采用電導(dǎo)率法測定。分別在開花坐果期(4 月25 日)、果實膨大期(6 月1 日)、果實成熟期(7 月28 日)和休眠期(10月20日)距典型樣株主干15 cm處,根區(qū)0~20、20~40、40~60 及60~100 cm,分4 層采取土樣。土樣經(jīng)風(fēng)干、碾磨及過篩后,配置1∶5土水比土壤浸提液,使用電導(dǎo)率儀測定土壤鹽分含量。
1.3.2 葡萄樹生長及生理指標(biāo)
(1)葡萄樹生長指標(biāo)。每個處理選取一根長勢良好的新生枝條作為代表枝條,掛牌標(biāo)記。全生育期每10 d 監(jiān)測1 次新稍生長量、莖粗及葉面積,每個處理重復(fù)三次。其中新梢生長量采用精度為1 mm 的鋼卷尺測量;新梢莖粗采用精度為0.02 mm的電子游標(biāo)卡尺測量;葉面積采用葉面系數(shù)法測量,量取葡萄葉片樣品最大長度L1及最大寬度L2,葉片實際面積為S=L1L2k,k為葉面積系數(shù),經(jīng)統(tǒng)計測量本試驗k取值為0.64。
(2)光合速率使用CI-340手持式光合作用測量系統(tǒng)進行測量(美國,CID),每個生育期選擇典型晴天進行觀測,測定時間為早上8∶00到下午18∶00,每2 h測定一次,每個處理重復(fù)3次。
1.3.3 產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率
(1)產(chǎn)量及品質(zhì)。每個處理選取三株長勢相近的葡萄樹作為典型植株進行測產(chǎn)。使用精度為0.01 kg 電子秤測量葡萄果實重量。采用數(shù)顯折光儀測量可溶性固形物;VC 含量采用鉬藍比色法進行測量,采用蒽酮法測量可溶性糖含量,采用高錳酸鉀滴定法測量還原性糖含量。
(2)水分利用效率,采用下式進行計算:
式中:Y為葡萄產(chǎn)量,kg;ET為枸杞整個生育期的蒸發(fā)蒸騰量,mm。
(3)土壤貯存水量,計算公式:
式中:V為土壤水分總貯存量,mm;Hi為第i層土層的厚度,cm;mi為第i層土壤的容重,g∕cm3;θit為第i土層t時段末的土壤重量含水率,%;θi(t-1)為第i土層t時段初的土壤重量含水率,%;i=1,2,3。
采用Excel 2019 對采集的試驗數(shù)據(jù)進行整理統(tǒng)計計算,使用SPSS25.0 軟件進行軟件對各處理試驗數(shù)據(jù)進行分析,采用Origin 2021進行數(shù)據(jù)繪圖。
2.1.1 土壤含水率的時空變化
統(tǒng)計不同礦化度(0.5~4 g∕L,S1~S4)條件下,磁化水處理(M)和非磁化水處理(N)全生育期葡萄根區(qū)0~20、20~60 和60~100 cm 各土層土壤含水率并繪制變化過程線(圖3)。從圖中可以看出,灌水后各處理的土壤含水率均明顯升高,磁化處理各土層的土壤含水率差異較大,變化規(guī)律基本相似,MS3的土壤含水率均最高,MS4最低,非磁化處理各土層土壤水變幅不大,變化特征基本相同;計算不同處理各次灌水前后0~100 cm 平均土壤含水率的變化量(表3)。從表3 中可以看出,磁化處理的土壤含水率變化量為1.72%~4.63%,非磁化處理的變化量為0.97%~3.54%。各磁化處理各次灌水前后土壤含水率變化量均高于非磁化處理。
表3 不同處理100 cm土層各次灌水前后土壤含水率變化量%Tab.3 Change of soil moisture before and after irrigation under different treatments
圖3 不同處理各土層土壤含水率變化過程圖Fig.3 Distribution of soil moisture content under different treatments
2.1.2 土壤水貯存量的變化
依據(jù)土壤水貯存量計算公式,基于各處理土壤含水率數(shù)據(jù),計算每個處理全生育期的土壤貯存總水量(表4)。從表4中可以看出,在水分輸入總量相同的條件下,磁化水處理的土壤水貯存量為9.1~16.8 mm,非磁化處理為12.1~37.3 mm,低于非磁化處理的貯存水量1.5~21.9 mm,其在葡萄生育末期(落葉期)留存在土壤里的水分較少。根據(jù)水量平衡方程,認為磁化處理葡萄的耗水量比非磁化葡萄的耗水量高。分析認為磁化處理增加了葡萄葉片的光合速率、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度,從而促進了葡萄的光合作用和蒸騰耗水能力,提高了葡萄耗水總量,也就消耗了更多土壤水分,造成了磁化水各處理土壤水貯存量的總體偏小。
表4 不同生育期各處理0~100 cm土層土壤水貯存量計算表mmTab.4 The water storage capacity of soil in different growth stages under different treatments
2.1.3 土壤鹽分
整理葡萄全生育期各處理不同土層全鹽含量數(shù)據(jù),統(tǒng)計萌芽期第一次灌水前的土壤鹽分基礎(chǔ)值與冬灌前相同位置處全鹽含量的變化量,以反映磁化處理灌溉水對葡萄根區(qū)土壤鹽分累計的影響并繪圖(圖4)。從圖4 中可以看出,多數(shù)處理不同土層非磁化處理的全鹽含量變化量即鹽分累積量均高于磁化處理,其中鹽分累積量最大的是20~60 cm 的MS4和NS4分別為0.35 和0.32 g∕kg,最小的分別是MS1處理0~20 cm 和MS2處理20~60 cm 的0.14 和0.15 g∕kg。統(tǒng)計相同礦化度的灌溉水處理,磁化與非磁化處理的不同土層全鹽含量變化量及其差值(表5)。從表5中可以看出,磁化處理0~20和20~60 cm土層的鹽分累積量均小于非磁化處理(除MS4外),其中MS3在0~20 cm 土層的鹽分累計量較NS3小29.63%,MS2在20~60 cm 土層的鹽分累計量較NS2小32.14%。60~100 cm 土層的磁化及非磁化處理鹽分累積規(guī)律不顯著。由此可見,磁化處理在一定程度上可以降低土壤鹽分的累積,改善水土環(huán)境。
表5 不同礦化度磁化和非磁化處理各土層全鹽含量變化情況表Tab.5 Variation of total salt content in each soil layer under different salinity with magnetization and non-magnetization treatments
圖4 不同處理鹽分累積量Fig.4 Accumulation of salt in different treatments
2.2.1 新梢生長量、莖粗及葉面積
整理各處理典型植株的新梢生長量、莖粗及葉面積數(shù)據(jù)并繪圖(圖5)。從圖5(a)中可以看出,各處理新梢生長量生長趨勢相似,在生長初期增長較快后逐漸穩(wěn)定。非磁化處理新梢生長量最大的為NSck處理,其次為NS1處理,最低為NS2處理;對于磁化處理,新稍生長量最大的為MS1處理,其次為MSck處理。這說明鹽分脅迫會影響到葡萄的枝條生長,但經(jīng)過磁化處理后,在礦化度較低時,會顯著提高作物枝條生長。從圖5(b)可知,各處理莖粗的生長規(guī)律與新稍生長量相同,前期增長速度較快,后期隨著果實膨大,莖粗生長減緩。莖粗在非磁化水進行灌溉時,大小為NSck>NS1>NS3>NS4>NS2;在使用非磁化水灌溉時,莖粗大小為MS1>MSck>MS2>MS3>MS4。由此可見,磁化處理可緩解鹽分脅迫對作物莖粗生長的影響,在一定程度上可促進莖粗生長。從圖5(c)中可以看出,在CK、S1、S2,磁化處理的葉面積均大于非磁化處理,分別提高了1.06%、4.55%和37.51%;但S3處理磁化處理葉面積降低了20.37%。
圖5 不同處理葡萄新梢生長量、莖粗及葉面積的變化Fig.5 Shoot growth, leaves varies and stem diameter under different treatments during growth period
2.2.2 生理指標(biāo)
整理分析不同處理的葡萄葉片光合速率Pn、蒸騰速率Tr及氣孔導(dǎo)度Gs數(shù)據(jù)(表6),分析鹽脅迫下,磁化處理對葉片光合生理的影響。由表3可知,隨著礦化度增加,Pn、Tr及Gs均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。與NSck相比,非磁化處理NS1的提高幅度最明顯,Pn、Tr及Gs分別提高了26.22%、45%和18.62%;磁化處理與非磁化處理相同,MS1的生理指標(biāo)提高最明顯,幅度分別為38%、16.67%和65.77%。由此可見,在一定程度鹽脅迫下會促進作物的光合特性。在相同礦化度下,磁化處理對葡萄的生理指標(biāo)有明顯的影響。在鹽分脅迫程度較低時,經(jīng)過磁化處理的灌溉水可提高葡萄光合速率,但隨著鹽分脅迫程度增加,磁化處理對光合速率的提升不明顯。使用磁化水灌溉對葡萄蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度影響顯著,但隨著鹽分脅迫的增加,磁化處理對Tr和Gs的增加效果逐漸降低。這說明,在鹽分脅迫下,磁化處理可提高葡萄的生理特性,促進光合作用、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度的增加,但在較高的鹽分脅迫程度時,磁化處理提高作用不明顯。
表6 不同處理對生理指標(biāo)的影響Tab.6 Effects of different treatments on physiological indexes
分析不同處理對葡萄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響(表7)。從表中可知,MSCK處理產(chǎn)量最大,為48.29 t∕hm2,其次是MS2,產(chǎn)量為45.83 t∕hm2;產(chǎn)量最低是NS4處理,為9.83 t∕hm2。隨著鹽分脅迫程度增加,葡萄產(chǎn)量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。但相較于非磁化處理,磁化處理后的葡萄產(chǎn)量在鹽脅迫下差異不大或有明顯增高,其中S2、S3和S4磁化處理分別為非磁化處理的1.16 倍、1.46倍和1.48倍。磁化處理葡萄WUE高于非磁化處理,鹽分脅迫下,磁化處理MS2的WUE最高為9.61 kg∕mm;在非鹽分脅迫下,MCK處理的WUE大于NCK。結(jié)果表明,輕度鹽分脅迫可以促進葡萄產(chǎn)量及WUE的增加,但隨著脅迫程度加深,葡萄減產(chǎn)明顯。從品質(zhì)來看(表7),磁化處理和鹽分脅迫對于葡萄可溶固形物、可溶性糖、VC 及還原性糖的影響較小。與非磁化處理相比,MS1和MS4處理的可VC 及還原性糖均大于NS1和NS4,分別增加12.52%和9.47%、28.39%和8.02%;MS2及MS3處理的可溶固形物及可溶性糖均小于NS2和NS3,分別降低11.35%和27.61%、27.41%和15.21%。對于可溶性固形物、可溶性糖、VC,最大值均為MS4處理;對于還原性糖,最大值為MS1處理。因此,相較于未磁化處理,磁化對于鹽脅迫下的葡萄品質(zhì)有一定促進作用,但效果并不顯著。
表7 不同處理對葡萄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響Tab.7 Effects of different treatments on grape yield and quality
主成分分析是一種常用的多指標(biāo)綜合評價方法,其原理時采用降維手段,將多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計方法[15-18]。為分析磁化水灌溉對鹽脅迫下葡萄的影響,采用主成分分析法對葡萄生長、生理、產(chǎn)量、WUE及品質(zhì)指標(biāo)進行綜合評價(圖6)。從圖6 中可以看出,各評價指標(biāo)之間均存在較好的相關(guān)關(guān)系。通過降維處理,共得到三個主成分。分析各指標(biāo)主成分特征值和累積貢獻率(表8)可知,第一、二、三主成分的方差貢獻率分別為42.57%、23.83%和17.75%,累積貢獻率為84.16%。從各指標(biāo)成分矩陣表(表9)可知,第一主成分主要反映葡萄產(chǎn)量、WUE及葉面積;第二主成分主要反映氣孔導(dǎo)度、VC及還原性糖;第三主成分主要反映莖粗。將表6數(shù)據(jù)對應(yīng)除以主成分特征值的平方根,可得到各指標(biāo)主成分的特征向量,利用特征向量和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值的乘積的和計算出F值,3 個主成分計算公式如下:
表8 各指標(biāo)參數(shù)主成分特征值和累積貢獻率Tab.8 Principal component eigenvalue and cumulative contribution rate of each index parameter
表9 各指標(biāo)成分矩陣表Tab.9 Matrix table of each index component
圖6 不同評價指標(biāo)相關(guān)系數(shù)熱圖Fig.6 Heat map of correlation coefficients of different evaluation indexes
式中:x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9、x10、x11、x12分別代表葡萄的產(chǎn)量、可溶固形物、可溶性糖、VC、還原性糖、WUE、新稍生長量、莖粗、葉面積、光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度的標(biāo)準(zhǔn)化值。
將3 個主成分特征值的占比為權(quán)樹進行加權(quán)求均值,從而得到各處理的綜合得分(表10)。由表10 可知,各處理對葡萄影響的綜合得分從高到底為:MS1>MS2>MSck> NSck>MS3>NS1>MS4> NS3>NS2>NS4。根據(jù)得分結(jié)果可以看出,隨著鹽分脅迫程度增大,綜合排名逐漸降低,在非磁化處理內(nèi),排名為NS1>NS3>NS2>NS4;非磁化處理排名為MS1>MS2>MS3>MS4。而在相同的脅迫程度情況下,磁化處理的綜合排名均大于非磁化處理。這說明,經(jīng)過磁化處理,葡萄的各項指標(biāo)較非磁化處理綜合評價較高,有明顯的提高作用。
表10 磁化水灌溉對鹽脅迫下設(shè)施葡萄影響的綜合評價Tab.10 Comprehensive evaluation of the effects of magnetized water irrigation under salt stress
磁化水灌溉研究提高了葡萄的生長及生理指標(biāo)。經(jīng)研究表明,液態(tài)水流過磁場后,水分子的締合構(gòu)造發(fā)生變化,使得水的滲透壓、表面張力、黏度系數(shù)、pH 值、介電常數(shù)與電導(dǎo)率均會發(fā)生不同程度的變化[9],且磁化水灌溉提高了土壤養(yǎng)分有效性與土壤酶活性,為作物生長發(fā)育提供良好的環(huán)境。郭學(xué)良等[19]研究了滴灌條件下,磁化水對紫花苜蓿生長狀況的影響,磁化水灌溉促進紫花苜蓿株高、葉面積以及側(cè)根的生長作用明顯;王全九等[20,21]研究結(jié)果表明,微咸水經(jīng)過磁化技術(shù)處理,磁場強度為300 mT 時,表面張力減小最明顯,溶解氧含量相對增加了8.04%~10.23%,可促進植株根系生長,提高作物對養(yǎng)分的吸收。作物的生長幾乎都依賴于光合作用的產(chǎn)物,形成作物產(chǎn)量的有機物都直接或間接來自光合產(chǎn)物,光合作用是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[15]。研究表明,磁化水灌溉可有效提高葉綠素含量[16,17],而葉綠素是影響作物光合作用重要指標(biāo)之一,在光合作用中吸收和轉(zhuǎn)化光能,因此可有效提高光合作用。
果實中的干物質(zhì)可占到葉片光合作用生產(chǎn)總量的50%,由此可知光是限制作物生長和繁殖的重要的資源性因素之一[21]。磁化水灌溉可顯著影響鹽分脅迫下作物水分利用效率、光合作用、提高葉面積等指標(biāo)。通過影響碳水化合物在作物主要器官內(nèi)的相互過程,調(diào)控光合同化產(chǎn)物的分配,從而進一步影響作物產(chǎn)量[22,23]。同時,在磁場作用下,水分子部分氫鍵斷裂,分子作用力降低,表面張力減小,從而增加了磁化水中氧氣含量,從而促進作物根系的生長[24]。鹽分脅迫下過多Na+進入植物根系,抑制植株對K+、Ca2+、Mg2+的吸收和定向運輸[25,26],而磁化作用有利于離子穩(wěn)態(tài)平衡的重建,降低鹽分脅迫對于作物的影響,從而提高產(chǎn)量。
通過試驗研究認為在鹽分脅迫下,磁化處理下不同試驗小區(qū)葡萄根區(qū)土壤含水率變幅較大,非磁化處理變幅相對較小,變化規(guī)律基本相同。灌水前后磁化處理0~100 cm 土層土壤含水率變化量從土壤水貯存量來看,磁化水處理的土壤水貯存量為9.1~16.8 mm,非磁化處理為12.1~37.3 mm,低于非磁化處理的貯存水量1.5~21.9 mm,其在葡萄生育末期(落葉期)留存在土壤里的水分較少。多數(shù)處理不同土層非磁化處理的鹽分累積量均高于磁化處理,其中鹽分累積量最大的是20~60 cm 的MS4和NS4分別為0.35 g∕kg 和0.32 g∕kg。磁化處理較非磁化處理0~20 cm 土層鹽分累積減少了13.04%~29.63%,20~60 cm 土層鹽分累積減少21.43%~32.14%;鹽分脅迫會影響到葡萄的枝條生長量、莖粗及葉面積,但經(jīng)過磁化處理后,在礦化度較低時,會顯著提高作物生長指標(biāo);磁化處理可提高葡萄的生理特性,促進光合作用、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度的增加,但在較高的鹽分脅迫程度時,磁化處理的提高作用不顯著;輕度鹽分脅迫可以促進葡萄產(chǎn)量及WUE的增加,但隨著脅迫程度加深,葡萄減產(chǎn)顯著;使用磁化水灌溉可以提高葡萄產(chǎn)量及WUE。
磁化對于鹽脅迫下的葡萄品質(zhì)有一定促進作用,但效果并不顯著。經(jīng)過主成分分析,各處理對葡萄影響的綜合得分從高到底為:MS1>MS2>MSCK>NSCK>MS3>NS1>MS4>NS3> NS2>NS4。磁化微咸水灌溉對土壤不同土層鹽分的累積具有一定的減緩作用,可以有效提高作物光合作用,并在一定程度上提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。但建議在作物休眠期時對作物進行一次大水量的洗鹽,從而將微咸水灌溉帶來的鹽分進行有效控制。本研究成果對磁化水在葡萄上的高效利用提供一定的理論依據(jù)及參考。