咸水灌溉对土壤盐分分布及设施番茄生理特性的影响_马嘉莹.pdf
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1、2023 年 1 月 灌溉排水学报 第 42 卷 第 1 期 Jan.2023 Journal of Irrigation and Drainage No.1 Vol.42 64 文章编号:1672-3317(2023)01-0064-09 咸水灌溉对土壤盐分分布及设施番茄生理特性的影响 马嘉莹1,2,王兴鹏1,2,王洪博1,2,王海瑞1,2,李朝阳1,2*(1.塔里木大学 水利与建筑工程学院,新疆 阿拉尔 843300;2.塔里木大学 现代农业工程重点实验室,新疆 阿拉尔 843300)摘 要:【目的】探明咸水灌溉对土壤盐分分布与设施番茄生长及生理的影响。【方法】本试验以南疆设施番茄为研究对
2、象,设置 4 个灌溉水矿化度,分别为 T1(2 g/L)、T2(4 g/L)、T3(6 g/L)和 T4(8 g/L),并以淡水灌溉为对照(CK),开展咸水灌溉条件下设施番茄生理特性及土壤盐分分布的影响研究。【结果】在垂直方向上各处理土壤含盐量随土层深度增加逐渐减小,水平方向上盐分主要积聚在距离滴灌带 2040 cm 处;结果末期盐分主要积聚在 2060 cm 浅层土壤处,形成积盐区,且随着灌溉水矿化度增加积盐区逐渐扩大;24 g/L 的咸水灌溉,对番茄株高茎粗生长具有一定的促进作用,对干物质量无显著影响,68 g/L 咸水灌溉对作物生长抑制作用明显;当灌溉水矿化度为 2 g/L,时叶绿素总量
3、达到最大,灌溉水矿化度 4 g/L 时类胡萝卜素量达到最大;当灌溉水矿化度大于 4 g/L时,植物器官内大量积累的活性氧已经超出保护酶的清除能力;24 g/L 咸水灌溉在保证番茄产量的同时,可显著提高果实的品质。【结论】综合考虑设施番茄产量及品质,在淡水资源紧缺,地下咸水资源丰富的南疆地区,推荐采用 24 g/L 矿化度的咸水对设施番茄进行灌溉。关 键 词:番茄;咸水;植株生长;叶片生理;产量;品质 中图分类号:S275.6;S274.1;S273.4 文献标志码:A doi:10.13522/ki.ggps.2022060 OSID:马嘉莹,王兴鹏,王洪博,等.咸水灌溉对土壤盐分分布及设施番
4、茄生理特性的影响J.灌溉排水学报,2023,42(1):64-71,99.MA Jiaying,WANG Xingpeng,WANG Hongbo,et al.The Effects of Saline Water Irrigation on Soil Salinity and Physiology of Greenhouse TomatoJ.Journal of Irrigation and Drainage,2023,42(1):64-71,99.0 引 言*【研究意义】近年来,合理开发利用地下咸水资源发展农业灌溉已成为解决水资源危机的有效途径。国内外利用咸水资源进行农业灌溉已有近百年历史
5、,合理利用咸水灌溉不会造成作物减产1。但不合理利用咸水灌溉会增加土壤的次生盐渍化风险2,当土壤含盐量积聚至植物的耐盐阈值,会导致植株出现水分失衡和渗透胁迫,进而影响其正常代谢,抑制作物生长3。因此,本文尝试将咸水资源在耕作精细,可控程度较高的设施番茄种植中进行合理开发利用,分析不同矿化度咸水灌溉对土壤盐分运移、设施番茄生长、生理特征、产量及品质的影响,确定适宜南疆设施番茄灌溉需求的咸水矿化度阈值,以期为南疆地区合理利用咸水资源提供理论依据,对保障南疆农业可持续发展具有重要的理论意义和应用价值。【研究进展】国内外利用咸水进行农田灌溉的 收稿日期:2012-01-28 基金项目:塔里木大学校长基金
6、创新团队项目(TDZKC202002);国家自然科学基金项目(51669032);兵团科技攻关项目(2018AB027)作者简介:马嘉莹(1998-),女。硕士研究生,主要从事灌溉排水理论与节水灌溉研究。E-mail: 通信作者:李朝阳(1986-),男。副教授,主要从事干旱区节水灌溉理论理论与技术研究。E-mail: 实践已经具有很长的历史,众多学者在咸水灌溉研究中虽然设置的灌溉水矿化度梯度有所不同,但得出咸水灌溉后土壤平均含盐量随灌溉水矿化度的提高逐渐增大的结果4。我国学者研究发现5经过连续2 a 的咸水灌溉,发现土壤盐分主要集中分布在 030 cm 土壤中,作物根区土壤体积质量和盐分明显
7、增加。咸水灌溉将盐分带入土壤,影响了作物根区土壤含盐量6,进而对作物的生长生理特性产生影响,其中短期内利用 3 g/L 矿化度的咸水灌溉对枸杞7滴灌虽使土壤盐分略有增加,但对枸杞产量影响不大,34 g/L 矿化度咸水灌溉对设施番茄株高及茎粗生长没有明显抑制作用8。咸水灌溉显著降低了番茄叶片中可溶性糖量9,随灌溉水矿化度的升高番茄幼苗叶片中过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性均逐渐升高10,但 Khan等11研究发现,耐盐性较强的作物在高浓度咸水灌溉下,可溶性糖量仍显著增大,由此可知不同作物耐盐性不同,进而可溶性糖对灌溉水矿化度的响应程度也不相同。生产实践证明
8、,作物产量和品质的好坏直接受灌溉水矿化度的影响。陈素英等12研究咸水灌溉对冬小麦及夏玉米生长的影响发现,当灌溉水矿化度为 2 g/L 时小麦的产量达到最大,小麦和玉米的耐马嘉莹 等:咸水灌溉对土壤盐分分布及设施番茄生理特性的影响 65 盐阈值分别为 4 g/L 和 3 g/L。吴蕴玉等13研究发现,咸水灌溉条件下番茄果实的总酸、可溶性固形物和 Vc量虽然有所提高,但单果质量却有所降低。【切入点】目前,国内外对咸水灌溉的研究,主要集中在降水量较高或土壤盐渍化程度相对较低的地区,但适宜极端干旱和土壤盐渍化程度较高的南疆地区的灌溉阈值尚未明确,未完全了解咸水灌溉下作物耐盐机制。【拟解决的关键问题】鉴
9、于此,本试验选用 4 组不同灌溉水矿化度对南疆设施番茄进行胁迫,进一步了解咸水灌溉对土壤盐分分布、作物生长、生理、产量和品质的影响。旨在揭示盐胁迫下番茄植株的生长生理指标的变化规律,以期为南疆地区设施农业合理利用咸水灌溉提供理论基础。1 材料与方法 1.1 试验地概况 试验于 2021 年 37 月在南疆塔里木大学水利与建筑工程学院现代农业重点实验室节水灌溉试验基地(402047414718N,792233815345E)连栋温室内进行,温室占地 800 m2(长 40 m,宽 20 m)。试验地区海拔 1 020 m,为温暖带极端大陆性干旱荒漠气候,气候干燥,蒸发量大,降水量稀少。年气温 1
10、0.814.5,年降水量 40.182.5 mm,年蒸发量 1 976.62 558.9 mm。试验地土壤质地属砂壤土,080 cm 土壤平均体积质量为 1.43 g/cm3,平均田间持水率为 0.26 g/g,平均土壤初始含盐量为 1.06 g/kg。1.2 试验设计 番茄选用当地常规品种“秦岭蔬越”,种植方式为 1 垄 2 行 1 带的起垄栽培模式,垄肩宽 60 cm,垄高 20 cm,垄间距 60 cm,番茄幼苗定植在垄的两侧,株行距为 3040 cm,选用滴头间距为 30 cm 流量 3.0 L/h 的内镶贴片式滴灌带。小区总面积 250 m2,每个小区长 4.2 m,宽 4 m,种植
11、模式如图 1 所示。设置 4 个不同矿化度梯度的咸水灌溉处理,分别为T1(2 g/L)、T2(4 g/L)、T3(6 g/L)和 T4(8 g/L),并以淡水灌溉为对照(CK),每个处理设 3 个重复,番茄全生育期灌水量为 300 mm,灌水次数为 8 次。本试验根据南疆地区地下咸水离子成分,在试验地淡水(1.01.2 g/L)的基础上,灌溉水采取淡水和(Na2SO4)、(NaCl)、(NaHCO3)、(CaCl2)、(MgCl2)=88111的化学药品混合配制成14。追肥采用水肥一体化,营养生长期以平衡肥(N)(P2O5)(K2O)=151515)为主,开花期和结果期以高钾肥(N)(P2O5
12、)(K2O)=12640)为主,用量为 45 kg/hm2,田间管理措施与当地生产实践保持一致,番茄生育期共 122 d,于 3月 10 日定植,6 月 3 日留 5 层果打顶,试验于 7 月10 日结束。图 1 种植模式 Fig.1 Planting patterns 1.3 测定项目与方法 1.3.1 土壤含盐量 采用电导法测定土壤含盐量:开花结果期(5 月3 日)和结果末期(7 月 3 日)灌水 24 h 后利用土钻在距离滴灌带水平距离 0、20、40、60 cm 处进行取样,取样深度分别为 10、20、40、60、80 cm,取样后烘干,烘干后土样经研磨后过 20 目筛,制作水土比 5
13、1 浸提液并采用便携式电导仪(DDP-210)测定浸提液电导率(EC),最终利用烘干法标定出土壤含盐量与电导率的关系,换算土壤含盐量。标定结果如图 2 所示。图 2 烘干法标定结果 Fig.2 Calibration results of drying method 1.3.2 植株生长指标 株高、茎粗及干物质量:生育期末(7 月 3 日)在每个试验小区内随机选择 10 株长势一致的番茄植株,从植株基部用卷尺测量株高;茎粗用电子游标卡尺测量并采用十字交叉法读数,并取其平均值;将植株从地面根部剪下 105 杀青 30 min,然后 75 烘干至恒质量称量计算干物质量。1.3.3 植株生理指标 在
14、番茄开花结果期,每个试验小区中各选 3 株代表性植株,取其上部功能叶 3 片分别测定以下指标:叶绿素:采用 95%乙醇提取、紫外分光光度计(BIOMATE160)法测定色素量;丙二醛(MDA)量:采用硫代巴比妥酸法15测定;脯氨酸(Pro)量:采用酸性茚三酮显色法16测定;可溶性糖量:采用蒽酮比色法17测定;蛋白质量:采用考马斯亮蓝 G-250法17测定;抗氧化酶活性、过氧化物酶(POD)活性:采用愈创木酚比色法15测定;超氧化物歧化酶(SOD)y=0.004 4 x-0.286 7R2=0.9902468101205001000150020002500含盐量/(g kg-1)电导率/(Scm
15、-1)灌溉排水学报 http:/ 66 活性:采用氮蓝四唑(NBT)光还原法15测定;过氧化氢酶(CAT):采用高锰酸钾滴定法15测定。1.3.4 番茄产量 产量在设施番茄进入采摘期后,每 25 d 人工摘收1 次。每次收获时,每个小区番茄按行摘收并称质量。1.3.5 番茄品质 在开花结果盛期(6 月 29 日)进行第 1 次采摘,在各处理随机采 6 个鲜果样测定番茄果实的品质。可溶性固形物用手持折射仪(ATAGOP32,Japan)测定;还原性糖用斐林试剂法测定18;硝酸盐用硫酸-水杨酸法测定19;Vc 用二氯酚靛酚滴定法测定20。1.4 数据处理及分析 采用 Microsoft Excel
16、 2018 对数据进行整理分析,使用 Origin 2018 进行绘图,应用 Spss 20.0-Duncans法检验处理间的差异显著性。2 结果与分析 2.1 土壤盐分分布 不同灌溉水矿化度下番茄开花结果期和结果末期土壤含盐量动态变化如图 3 所示,各处理随生育期的推进在垂直方向上变化规律基本一致,土壤含盐量随土层深度增加逐渐减小,盐分主要聚集在浅层土壤;生育中期水平方向 060 cm 范围内土壤含盐量呈先增大后减小趋势,2040 cm 处土壤含盐量最大,土壤平均含盐量随灌溉水矿化度升高逐渐增大,其中T1 处理和 T2 处理在浅层土壤 2040 cm 处形成积盐区,T3、T4 处理在 040
17、 cm 土层距离滴灌带 1040 cm处形成椭球状积盐区;随生育期推进,水平方向盐分逐渐被淋洗至远离滴灌带处,土壤含盐量随水平距离提高逐渐增大,其中 T1 处理和 T2 处理积盐区水平方向运移至 4060 cm 处,T3 处理和 T4 处理土壤含盐量整体较高;表明随生育期推进咸水灌溉对滴灌带附近土壤具有一定淋洗作用,盐分淋洗至远离滴灌带位置,其中矿化度小于 4 g/L 时淋洗效果明显,滴灌带附近 030 cm 区域的土壤含盐量相对较低,形成低盐区,68 g/L 淋洗作用明显减弱。整体来看,生育期末盐分主要积聚在浅层土壤,形成积盐区,且随着灌溉水矿化度的提高积盐区逐渐扩大,其中高质量浓度咸水灌溉
18、土壤含盐量整体较大。由表 1 各土层平均积盐率可以看出,开花结果期各处理 060 cm 土壤积盐率均随土层深度增加呈先增大后减小趋势,在 1040 cm 土层最大;结果末期 T1 处理积盐率变化规律与开花结果期基本一致,T2T4 处理积盐率随土层深度增加逐渐提高,CK 积盐率在 2040 cm 最大,T1 处理积盐率在 1020 cm 处最大;随生育期推进,CK 的1080 cm 土壤积盐率逐渐减少,至生育期末 010 cm和 6080 cm 土壤处于脱盐状态,T1 处理 1060 cm 土壤积盐率逐增大,T2T4 处理 080 cm 土壤积盐率逐渐增大,增加幅度随灌溉水矿化度的增大逐渐提高。
19、图 3 生育期内土壤含盐量 Fig.3 Soil salinity during growth period 表 1 不同处理下各土层平均积盐率 Table 1 Average salt accumulation rate of each soil layer under different treatments 土层 深度/cm 土壤初始含盐量/(gkg-1)开花结果期积盐率/%结果末期积盐率/%CK T1 处理 T2 处理 T3 处理 T4 处理 CK T1 处理 T2 处理 T3 处理 T4 处理 010 4.45-32.43-7.46 40.59 4.66 70.39-10.77 68
20、.41 107.03 174.15 204.64 1020 1.31 15.12 56.41 129.58 224.26 345.56 36.20 174.46 219.07 388.61 607.88 2040 0.64 74.71 117.98 195.11 279.28 321.14 69.11 120.14 242.38 594.11 651.64 4060 0.50 38.41 66.96 42.13 128.17 76.59 1.74 60.37 245.46 564.21 814.22 6080 0.32 141.41 100.49 84.34 86.17 6.13-28.95
21、15.67 286.02 985.02 1005.28 马嘉莹 等:咸水灌溉对土壤盐分分布及设施番茄生理特性的影响 67 综上可知,随着矿化度的增加,灌溉水对土壤淋洗效果逐渐减弱,土壤含盐量及积盐区范围明显增大。分析认为,咸水灌溉对滴灌带附近土壤盐分具有不同程度淋洗作用,部分盐分运移至深层和远离滴灌带处,滴灌带附近土壤在灌水洗盐和蒸发积盐作用下,土壤盐分处于动态平衡状态,但距离滴灌带较远位置土壤淋洗效果较弱,在淋洗排盐和蒸发积盐作用下形成明显的积盐区。2.2 咸水灌溉对植株生长指标的影响 从图 4 各处理番茄生育期末植株茎叶干物质量、株高和茎粗可知,生育期末茎叶干物质量随灌溉水矿化度的提高逐渐
22、降低,T4 处理最小达 30.49 g,较 CK减少 75.08%;茎干物质量随灌溉水矿化度的提高呈先增加后减小的趋势,与 CK 相比,T1 处理提高48.58%,T4 处理减少 47.28%;叶干物质量随灌溉水矿化度的提高呈逐渐减小的趋势;株高和茎粗随灌溉水矿化度提高呈先增加后减小趋势,在 T2 处理达到峰值,较 CK 分别增加了 7.08%和 9.25%。图 4 生育期末植株茎叶干物质量、株高和茎粗变化 Fig.4 Total dry matter mass,plant height and stem diameter at the end of growth period 综上可知,适宜
23、矿化度范围内咸水(24 g/L)灌溉可以促进植株生长,但当灌溉水矿化度大于 4 g/L时会显著抑制生长。2.3 咸水灌溉对植株生理指标的影响 2.3.1 番茄叶片叶绿素 表 2 为不同处理对番茄结果期叶片的叶绿素 a 量、叶绿素 b 量、叶绿素总量和类胡萝卜素的影响。由表2 可知,与 CK 相比,T1 处理叶绿素 a 量显著增加,其他处理均差异不显著;T1 处理叶绿素 b 量及叶绿素总量差异不显著,其他处理均显著减少;T4 处理类胡萝卜素量差异不显著,其他处理均显著增加。且各处理叶绿素 a、叶绿素 b 和叶绿素总量变化趋势一致,即随着灌溉水矿化度的增加均呈先增加后减小的规律。与 CK 相比,T
24、I 处理叶绿素总量增加 12.93%,T2、T3、T4 处理分别降低 19.53%、24.10%、45.82%。可见,盐分胁迫会导致番茄叶片叶绿素的降解,且降解程度随着灌溉水矿化度的增加而增大。表 2 番茄结果期不同处理番茄叶片的叶绿素 a、叶绿素 b、叶绿素总量和类胡萝卜素 Table 2 Chlorophyll a,chlorophyll b,total chlorophyll and carotenoids in tomato leaves of different treatments at fruiting stage 处理 叶绿素 a/(mgg-1)叶绿素 b/(mgg-1)叶绿素
25、总量/(mgg-1)类胡萝卜素/(mgg-1)CK 19.031.02b 10.570.78a 29.603.76ab 2.621.67b T1 22.152.00a 11.851.20a 34.004.17a 3.960.33a T2 18.451.23b 6.310.31b 24.772.49bc 4.050.59a T3 17.731.36b 6.120.74b 23.854.95bc 3.910.21a T4 16.650.83b 3.650.43c 20.301.50c 2.800.29b 2.3.2 番茄叶片渗透调节物质量 在盐胁迫条件下植株能够积累有机物或无机物以提高细胞液浓度,
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