水肥耦合對枸杞生長特性及光合作用的影響

劉宇朝，尹 娟,2,3，耿浩杰，吳 嬌

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程中心，銀川 750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

0 引 言

枸杞屬茄科植物，是多年生落葉灌木，其干燥成熟果實枸杞子為我國傳統(tǒng)名貴中藥材，同時現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)枸杞果、葉、根中都含有人體所需的多糖、氨基酸、維生素、微量元素等，具有極高的藥用價值和營養(yǎng)價值，是國家衛(wèi)生部公布的藥食同源品種之一，已有千年的用藥歷史[1]。近年來，周乾通過設定不同水肥管理方案對枸杞地膜覆蓋下生長指標及品質(zhì)產(chǎn)量進行研究[2]。周曉梅研究了環(huán)境條件對枸杞光合作用特性的影響[3]。徐利崗對干旱區(qū)枸杞進行了滴灌灌溉制度的試驗研究[4]。馬旭和鄭艷軍采用大田試驗方法，通過設定不同的灌水定額對枸杞生長特性及產(chǎn)量進行研究[5]。朱金霞和張源沛等通過對防雨棚下測坑中種植的枸杞的灌水量的控制，研究了不同灌水量下對枸杞生長特性的影響[6]。李智采用大田試驗，通過設定不同灌溉定額對枸杞光合特性及產(chǎn)量進行研究[7]。程良通過開展枸杞覆膜與不覆膜滴灌田間試驗，研究了覆膜和灌溉定額對枸杞產(chǎn)量的影響以及枸杞耗水規(guī)律[8]。由此看來，國內(nèi)水肥耦合對枸杞生長特性和光合作用影響的研究甚少，作者主要通過大田膜下滴灌試驗，研究不同水肥條件對枸杞光合作用及生長特性的影響，以此來研究出最優(yōu)水肥組合，為提高枸杞的產(chǎn)量提供重要依據(jù)。

光合速率不僅是反應植物生理特性的重要指標，也是評估光合生產(chǎn)能力的重要參數(shù)之一；生長指標則是反應植物生長發(fā)育的重要特性，兩者對本身的產(chǎn)量都有很大的影響[9]。本文主要以水肥耦合對枸杞光合作用及生長特性的影響為研究內(nèi)容，通過單因素效應分析，得出各因素對枸杞的光合作用與生長特性的影響，確立出最優(yōu)水肥管理方案。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試枸杞品種為長勢均勻且樹齡4a的“寧杞7號”。試驗所用肥料為：含N 46%的尿素、含P2O512%的過磷酸鈣、含K2O 50%的硫酸鉀。

1.2 試驗區(qū)概況

2017年4-9月在寧夏同心縣下馬關鎮(zhèn)五里墩村萬畝枸杞園進行試驗。試驗區(qū)位于寧夏中部干旱區(qū)的典型區(qū)域，該地區(qū)干旱少雨，降雨集中，蒸發(fā)強烈，風大沙多，日光充足，屬于大陸性干旱氣候。土壤為砂壤土類型，容重1.41 g/cm3。試驗田土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗土壤基本理化性質(zhì)

1.3 試驗設計

參考當?shù)刈魑镎舭l(fā)蒸騰規(guī)律及前人試驗[10]對補水量進行設定，通過結(jié)合當?shù)赝寥罈l件及以往施肥經(jīng)驗對氮(N)、磷(P2O5)、鉀肥(K2O)的施肥用量進行設定，枸杞種植采用大田膜下滴灌施肥方式，試驗因素為補灌量(X1)、施氮量(X2)、施磷量(X3)和施鉀量(X4)，采用4因素6水平均勻設計，共有6個田間試驗小區(qū)，每個小區(qū)重復3次。大田試驗因素水平設計見表2。10棵枸杞樹為1個試驗小區(qū)，小區(qū)大小為0.6 m×9.0 m，小區(qū)內(nèi)種植1行10列枸杞，株行距為1 m×3 m，將滴頭放于兩棵枸杞樹的中間。采用穴施施肥方式。鉀肥當作基肥一次性施入，其他灌水施肥分為春梢生長期、開花初期、果熟期3個時期施用，補灌量比例分別是20%、30%、50%，氮肥施量比例分別是34%、23%、43%，磷肥施量比例分別是50%、25%、25%[11]。

1.4 觀測項目及方法

(1)葉綠素。在開花初期選擇長勢均勻一致的植株，標記固定枝條的葉片，用日本Monlta公司生產(chǎn)的便攜式SPAD-502型葉綠素儀測定植株葉綠素相對含量SPAD值，在生育期每隔10 d測取標記葉片的葉綠素相對含量SPAD值。每處理選擇3片葉片，最后取其平均值。

表2 大田試驗因素及水平表

(2)光合作用。采用CI-340型便攜式光合儀測定儀，選擇一日晴朗天氣，在8∶00-18∶00每隔2 h測量1次葉片的生理指標，得到光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)兩個參數(shù)，每個處理選擇3片葉片，最后取其平均值。

(3)生長指標。在開花初期每處理選擇3株長勢均勻一致作為觀測株，并標記固定的枝條，5月20號開始測量其植株高度、葉片面積、地徑和枝條長等參數(shù)。

株高：使用鋼卷尺測定樣株的植株高，取其平均值。

葉面積：對標記的葉片，采用便攜式葉面積儀測定其葉面積，取其平均值。

地徑：使用游標卡尺對樣株的地徑進行測量，取其平均值。

枝條長：使用鋼卷尺測定固定枝條的枝條長，取其平均值。

所有數(shù)據(jù)均采用excel2007和DPS2014軟件進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水肥條件對枸杞光合速率、蒸騰速率的影響

圖1為不同水肥條件下枸杞光合指標的日變化曲線。由圖1(a)可以看出，各處理枸杞葉片的Pn日變化均呈雙峰凸拋物線型。Pn從早上8∶00開始迅速增加，這是由于經(jīng)過夜間的富集作用，胞間CO2濃度較高，隨著氣溫的升高和光合有效輻射的上升，凈光合速率升高[12]，各處理第一個峰值均出現(xiàn)在10∶00；隨后Pn逐漸降低，各處理在14∶00均達到低谷，出現(xiàn)“午睡”現(xiàn)象，這是由于氣溫升高，光照增強，導致氣孔導度在不同程度上有所關閉[13]；14∶00之后各處理Pn逐漸升高，均在16∶00達到第二個峰值。各處理上午的凈光和速率明顯高于下午的凈光合速率，這主要是由于經(jīng)過上午的光合作用后，葉片中的光和產(chǎn)物積累發(fā)生抑制作用的原因[14]。各處理中T3光合速率最高，為24.07 μmol/(m2·s)，T6次之，為23.82 μmol/(m2·s)，T2最低，為13.71 μmol/(m2·s)。其日平均凈光合速率大小為 T3>T5>T1>T6>T4>T2，表明不同水肥條件對枸杞的日平均凈光合速率影響不同。

圖1 不同水肥條件下枸杞光和指標的日變化

從圖1(b)可以看出，Tr與Pn有相似的變化規(guī)律，各個處理均呈雙峰曲線變化，第一峰值出現(xiàn)在10∶00左右，并于16∶00出現(xiàn)了第二個峰值。日平均蒸騰速率日變化大小為T3>T6>T1>T5>T4>T2，以T3的最大，為6.31 μmol/(m2·s)。

2.2 不同水肥條件對枸杞生長特性的影響

由圖2可以看出枸杞葉綠素含量在全生育期變化規(guī)律是呈先快速增長后期穩(wěn)定的變化趨勢。各處理葉綠素含量的增長速度均在開花初期(5月20日-6月10日)最大。原因是在開花初期枸杞根系吸收的養(yǎng)分在光合作用下產(chǎn)生的養(yǎng)分化合物主要積累在葉片上；由枝莖輸送到果實，并且葉片積累的化合物也會轉(zhuǎn)化成果實形成營養(yǎng)物質(zhì)。在果熟期后期植株葉片中的葉綠素大部分轉(zhuǎn)化成葉黃素，但是部分葉片還進行著光合作用。在整個生育期內(nèi)，處理3葉綠素峰值含量最高，為75.43。而葉綠素含量全生育期平均值大小順序為：處理2>處理3>處理5>處理6>處理4>處理1，處理2的平均值最高，為65.27。

圖2 枸杞全生育期葉綠素變化曲線圖

由圖3可以看出株高在整個生育期內(nèi)呈先增長后逐漸平緩的趨勢。處理3的長勢明顯優(yōu)于其他處理。開花初期(5月20日)株高一直增長，到果熟期(6月20日)后逐漸穩(wěn)定。且各個處理之間具有明顯的一致性，株高的生長速度在開花初期(5月20日到6月10日)最快，果熟期之后逐漸平緩。整個生育期內(nèi)，枸杞株高生長速度大小順序為：處理3>處理5>處理2>處理6>處理1>處理4。其中處理3最大，為0.620 cm/d。當10月1日生育期結(jié)束時，各處理枸杞株高大小順序為：處理3>處理5>處理2>處理4>處理6>處理1。

圖3 枸杞全生育期株高變化曲線圖

枸杞全生育期較長，從4月初至10月下旬經(jīng)歷花芽分化、枝葉和根系生長、開花結(jié)果等過程。每個過程都需要大量的營養(yǎng)物質(zhì)來維持，再加上有些過程是重疊進行的，例如：枝葉和根系生長、花芽分化、果實生長等有時候是同時進行的。若養(yǎng)分供應不足，便會造成新發(fā)的枝條短、弱且花芽分化受影響，導致花量少，果實小。由圖4可以看出，6月10日到7月1日為枸杞枝條生長速度最快的時期，9月1日之后，枸杞枝條長度基本不再變化，全生育期枝條增長速度大小順序為：處理3>處理4>處理1>處理5>處理6>處理2。

圖4 枸杞全生育期枝長變化曲線圖

葉片是植物進行光合作用和水分蒸騰的主要器官，因此葉片大小對枸杞生長、產(chǎn)量及品質(zhì)有很大的影響。由圖5可以看出葉面積在整個生育期內(nèi)呈逐漸增長的趨勢，在開花初期(5月20日)的葉面積增長最快，因為進入盛花期(6月1日)和果熟期(6月20日)后，由于樹體開花結(jié)果，枝、葉的養(yǎng)分逐漸向果實轉(zhuǎn)移，所以枝葉的氮磷鉀含量減小致使葉片的面積增長有所減小，果實中養(yǎng)分含量增大[15]。葉面積在整個生育期內(nèi)生長速度大小順序為：處理3>處理1>處理6>處理2>處理5>處理4。

地徑是衡量枸杞本身生長發(fā)育狀況的重要指標之一。圖6是枸杞全生育期地徑的變化曲線，可以看出在開花初期(5月20日)增長速度是最快的，之后便趨于平緩。初期階段灌水比例大，由此可以看出地徑與灌水定額呈正相關性。地徑在整個生育期內(nèi)生長速度大小順序為：處理3>處理2>處理1>處理5>處理6>處理4。

圖5 枸杞全生育期葉面積變化曲線圖

圖6 枸杞全生育期地徑變化曲線

2.3 葉綠素回歸模型的建立

采用PLS對葉綠素數(shù)據(jù)進行回歸分析，確定為3個潛變量，計算出各自變量對因變量作用標準回歸系數(shù)(表3)。

表3 自變量對枸杞葉綠素的標準回歸系數(shù)

根據(jù)PLS建立出如下二次多項式回歸模型：

Y葉綠素=58.917 8+0.001 7X1+0.012 1X2+0.008 6X3+

0.000 005X1X4-0.000 031X2X3+

0.000 017X2X4-0.000 126X3X4

式中：Y表示枸杞葉綠素含量；X1表示補水量，m3/hm2；X2表示氮肥施量，kg/hm2；X3表示磷肥施量，kg/hm2；X4表示鉀肥施量，kg/hm2。

表4可看出，誤差平方和可以反映出二項式回歸模型的擬合效果。在提取不同潛變量個數(shù)時數(shù)據(jù)標準化后模型誤差平方和和PRESS統(tǒng)計量下降情況，及相應潛變量的模型擬合的決定系數(shù)。由模型擬合的決定系數(shù)R2可知，當提取3個潛變量時，各個回歸模型的擬合程度都較好。標準回歸系數(shù)表明，各因子對枸杞葉綠素的影響順序為：補水量(X1)>氮肥施量(X2)>磷肥施量(X3)>鉀肥施量(X4)。

表4 數(shù)據(jù)標準化后模型誤差平方和及決定系數(shù)

模型用根據(jù)設定的優(yōu)化條件進行優(yōu)化，得到各自變量的優(yōu)化值分別是：X1=1 575.000 1 m3/hm2，X2=345 kg/hm2，X3=15 kg/hm2，X4=180 kg/hm2，目標函數(shù)SPAD值最優(yōu)為66.933 8，這與葉綠素的實測值大致接近，表明可以運用PLS對均勻試驗設計進行分析。

3 結(jié) 語

(1)枸杞全生育期葉綠素呈先快速增長后期穩(wěn)定的規(guī)律。全生育期葉綠素平均值大小順序為：處理2>處理3>處理5>處理6>處理4>處理1。

(2)枸杞全生育期葉面積生長速度大小順序為：處理3>處理1>處理6>處理2>處理5>處理4。

(3)株高在整個生育期內(nèi)呈先增后減的趨勢。全生育期株高生長速度大小順序為：處理3>處理5>處理2>處理6>處理1>處理4。

(4)枸杞全生育期枝條生長速度大小順序為：處理3>處理4>處理1>處理5>處理6>處理2。

(5)枸杞全生育期地徑生長速度大小順序為：處理3>處理2>處理1>處理5>處理6>處理4。

(6)其日平均凈光合速率大小順序為：T3>T5>T1>T6>T4>T2；日平均蒸騰速率日變化大小順序為：T3>T6>T1>T5>T4>T2。

綜上分析，處理3的葉面積、株高、枝條、地徑增長速率和日均凈光合速率與日均蒸騰速率都是試驗設計處理中的最大值，葉綠素處理3為第二。