微咸水補(bǔ)灌對黃河三角洲小麥旗葉衰老及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

董歡歡，李梅楨，谷強(qiáng)遠(yuǎn)，韓偉，武迪，劉義國，萬雪潔，師長海

（1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)/山東省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266109；2.山東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，山東 濟(jì)南 250100）

小麥?zhǔn)俏覈饕募Z食作物之一，小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展直接關(guān)系到國家糧食安全和社會穩(wěn)定［1］。黃河三角洲地區(qū)由于泥沙沉積和海水浸漬，鹽堿成分逐漸沉積，導(dǎo)致土壤鹽堿化［2］。該地區(qū)有大量中輕度鹽堿地，是小麥生產(chǎn)重要的后備耕地資源。該地區(qū)降水量少，蒸發(fā)量大，小麥生長季常遇干旱，容易遭受鹽旱雙重脅迫［3］。灌溉是保證小麥獲得高產(chǎn)的重要手段之一。農(nóng)業(yè)灌溉用水量大和水資源不合理開采利用使該地區(qū)淡水資源日益減少，迫使我們把目光轉(zhuǎn)移到黃河三角洲豐富的微咸水資源上［4，5］。因此，探索小麥關(guān)鍵生育期進(jìn)行合理微咸水灌溉對鹽堿地小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

國內(nèi)外研究表明，微咸水（1～3 g/L）可以用來灌溉農(nóng)作物，適當(dāng)濃度的微咸水對作物產(chǎn)量影響較小，卻能節(jié)約較多的淡水資源［6-8］。采用礦化度3 g/L微咸水噴灌處理，小麥葉片水分利用效率可以提高37.0%～106.8%；拔節(jié)期2 g/L微咸水噴灌高氮處理的小麥葉片凈光合速率比淡水噴灌處理高5.1%［9］。且微咸水灌溉與旱作相比產(chǎn)量增加［10。11］。渤海地區(qū)采用2 g/L微咸水灌溉小麥產(chǎn)量比旱作、淡水處理分別高32.8%、16.7%；而4 g/L微咸水灌溉也比旱作與淡水灌溉分別增產(chǎn)22.1%、7.4%［12］。何婧等［13］研究表明3.0 g/L微咸水灌溉可以提高鹽堿土的含水率和根系土層的保水性。且灌溉水礦化度低于3g/L對土壤表層鹽分有一定的淋洗作用［14］。但是也有研究表明，采用微咸水灌溉容易發(fā)生水分脅迫導(dǎo)致土壤積鹽，影響作物生長發(fā)育及干物質(zhì)積累甚至導(dǎo)致作物減產(chǎn)［15，16］。微咸水灌溉會將鹽分帶入土壤，鹽分隨著土壤水蒸發(fā)上移，導(dǎo)致土壤表層鹽分積累［17，18］。隨微咸水礦化度的增加，小麥葉面積、株高、干物質(zhì)和產(chǎn)量降低［19］。關(guān)于不同咸淡水交替灌溉對冬小麥生長及產(chǎn)量影響的研究表明，相同的咸淡水交替灌溉方式下，微咸水礦化度越大，對冬小麥生長及產(chǎn)量影響越大，而相同礦化度處理下，微咸水灌溉時(shí)期越靠前對小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量影響越大［20］。劉小媛等［21］分析不同礦化度微咸水對重度鹽堿土入滲的影響時(shí)指出，累積入滲量、濕潤峰運(yùn)移深度、土壤含水率隨微咸水礦化度的增加而增加。

由以上分析看出，盡管前人就微咸水灌溉對小麥生長發(fā)育影響的研究取得一定進(jìn)展，但其對農(nóng)作物是否有利存在一定爭議。為此，本試驗(yàn)以青麥6號為材料，采用不同礦化度的微咸水進(jìn)行灌溉試驗(yàn)，研究黃河三角洲地區(qū)微咸水灌溉對小麥旗葉衰老及產(chǎn)量構(gòu)成的影響，以探明適合該地區(qū)小麥生長及滿足產(chǎn)量要求的灌溉水礦化度，為小麥生產(chǎn)和微咸水資源利用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于黃河三角洲的山東省利津縣汀羅鎮(zhèn)，距黃河故道約2 km（118°40′E，37°65′N）。該地屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.5℃，年平均降水量735 mm。土壤為黏質(zhì)潮土，播種時(shí)0～20 cm土層土壤含鹽量平均為2.01g/kg（土壤含鹽量范圍1.72‰～2.18‰），有機(jī)質(zhì)14.96 g/kg、全氮1.26 g/kg、堿解氮95.34mg/kg、有效磷4.31 mg/kg、速效鉀201.1 mg/kg，pH值8.03。

1.2 試驗(yàn)材料、設(shè)計(jì)與田間管理

供試小麥品種為青麥6號。

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)微咸水灌溉處理，灌溉水含鹽量分別為0、2、3、4 g/L，其中0 g/L為淡水對照（CK）。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次。小區(qū)面積6 m×8 m=48 m2。

播前基施磷酸二銨252 kg/hm2（N、P2O5含量分別為21.2%、53.8%）、硫酸鉀75 kg/hm2（K2O含量34.0%），于拔節(jié)期追施尿素（N含量46.0%）537 kg/hm2。4月21日前降水量較少，小麥生育后期降雨量如圖1所示，開花期后降雨較多。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)小麥生育后期降雨量

于2018年10月20日等行距播種，行距22cm，播種量為150 kg/hm2。翌年4月1日（拔節(jié)期）進(jìn)行微咸水滴灌，5月20日灌1次淡水。灌咸水時(shí)，先按比例將海鹽（Cl-：19.10 g/kg；Na+：10.62 g/kg；SO2-4：2.66 g/kg；Mg2+：1.28 g/kg；Ca2+：0.40 g/kg；K+：0.38 g/kg）溶解到目標(biāo)濃度，而后灌溉，灌溉量為60 mm。其它管理措施同一般大田，2019年6月14日取樣測產(chǎn)。

1.3 取樣和測定方法

1.3.1 土壤含鹽量 于小麥播種前和收獲后用土鉆取0～160 cm土壤，每隔20 cm取一份樣，于通風(fēng)背陰處風(fēng)干后用質(zhì)量法測定土壤含鹽量。

1.3.2 光合參數(shù) 小麥開花期選晴朗無云天氣，于當(dāng)天9∶00—11∶00采用Li-6800便攜式光合作用測定儀（美國）測定凈光合速率（Pn）和蒸騰速率（Tr）。測定采用閉合式氣路，CO2濃度為385μmol/L，選擇紅藍(lán)光源葉室，光合有效輻射為1 000μmol/（m2·s）。每小區(qū)取3片生長一致的旗葉進(jìn)行測定。蒸騰效率：葉片凈光合速率與蒸騰速率的比值。

1.3.3 產(chǎn)量性狀 成熟后各處理隨機(jī)取3個(gè)1m2樣方小麥?zhǔn)崭蠲摿＃匀粫窀煞Q重，計(jì)算公頃產(chǎn)量，并隨機(jī)取1 000粒，稱其千粒重。采用Li-3000A型葉面積儀每小區(qū)隨機(jī)測量20片旗葉，然后摘下葉片于105℃殺青1 h、80℃烘干至恒重，測得比葉重（LSW=DM/LA，LSW為比葉重，DM為葉片干物質(zhì)重，LA為測得的葉面積）。收獲指數(shù)（%）=籽粒產(chǎn)量/生物產(chǎn)量×100。

1.3.4 生理生化特性 于開花期選同日開花的小麥植株進(jìn)行標(biāo)記，繼而取其健康旗葉30片，液氮處理后超低溫保存，用于指標(biāo)測定。超氧化物歧化酶活性、脯氨酸含量參考李合生［22］的方法測定，過氧化物酶活性采用Sigma法測定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)采用Microsoft Excel 2013和SAS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖表繪制和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 微咸水補(bǔ)灌對土壤含鹽量的影響

由圖2可知，除淡水處理外其它各處理麥?zhǔn)蘸?～40 cm土層土壤含鹽量均高于播種前，且差異較大，3、4 g/L灌溉處理較對照分別增加53.9%、47.4%，表現(xiàn)為隨著咸水濃度增加土壤含鹽量也明顯增加，3、4 g/L微咸水灌溉下土壤表層積鹽嚴(yán)重；60～100 cm土層土壤含鹽量變化較小，且各處理含鹽量差異不顯著。

2.2 微咸水補(bǔ)灌對小麥光合特性的影響

4 g/L灌溉處理下小麥凈光合速率分別比0、2、3 g/L處理低18.3%、14.0%和13.3%，且差異顯著，而其它各處理間無顯著差異（圖3A）。由圖3B可知，隨著灌溉水含鹽量增加，蒸騰速率逐漸下降，且4 g/L灌溉處理顯著低于其它處理，2 g/L與3 g/L處理無顯著差異，4 g/L處理蒸騰速率比對照低31.0%。蒸騰效率隨微咸水濃度增大而增大，4 g/L微咸水灌溉處理的蒸騰效率顯著高于對照，其它處理間差異不顯著（圖3C）。

2.3 微咸水補(bǔ)灌對小麥農(nóng)藝性狀的影響

由表1可以看出，隨著微咸水濃度增加，各處理小麥千粒重?zé)o顯著差異，產(chǎn)量與收獲指數(shù)則逐步下降。2 g/L灌溉處理下株高、比葉重、千粒重、產(chǎn)量及收獲指數(shù)與對照相比均無顯著差異。隨著灌溉水含鹽量的增加，小麥株高、收獲指數(shù)降低，4 g/L灌溉處理顯著低于0、2 g/L處理。3、4 g/L灌溉處理的產(chǎn)量顯著低于0、2 g/L處理。

表1 微咸水補(bǔ)灌對小麥生長及產(chǎn)量的影響

2.4 微咸水補(bǔ)灌對小麥旗葉衰老的影響

2.4.1 對MDA含量的影響 由圖4可見，小麥旗葉MDA含量隨微咸水濃度增加呈上升趨勢，4g/L灌溉處理下小麥MDA含量分別比0、2 g/L和3 g/L處理高169.8.0%、144.2.0%和43.9%，且差異顯著，而2 g/L微咸水灌溉較對照無顯著差異。

圖4 微咸水補(bǔ)灌對小麥旗葉MDA含量的影響

2.4.2 對可溶性糖及脯氨酸含量的影響 隨著微咸水濃度增加，小麥旗葉可溶性糖含量也隨之增加。其中，3、4 g/L灌溉處理下小麥旗葉可溶性糖含量顯著高于對照，2 g/L灌溉處理與對照無顯著差異，4 g/L灌溉處理比0、2 g/L處理分別高31.6%、22.8%（圖5A）。脯氨酸含量隨著微咸水濃度增加先增加后減少，其中2、3 g/L灌溉處理下小麥旗葉脯氨酸含量顯著高于對照（圖5B）。

圖5 微咸水補(bǔ)灌對小麥旗葉可溶性糖與脯氨酸含量的影響

2.4.3 對抗氧化酶活性的影響 逆境條件下，植物通過提高抗氧化酶活性來清除體內(nèi)的氧自由基，緩解逆境損害［23］。由圖6A可知，隨著微咸水濃度增加，小麥旗葉超氧化物歧化酶（SOD）活性先增強(qiáng)后降低，2 g/L灌溉處理下SOD活性顯著高于0、4 g/L處理。POD活性隨著微咸水濃度增加而降低，3、4 g/L灌溉處理下旗葉POD活性顯著低于0、2 g/L處理，4 g/L處理分別比0、2、3 g/L處理低46.4%、45.7%和35.0%（圖6B）。

圖6 微咸水補(bǔ)灌對小麥旗葉SOD、POD活性的影響

3 討論

3.1 微咸水滴灌對土壤理化性質(zhì)的影響

田間土壤水鹽分布是設(shè)計(jì)灌溉方案的重要因素，要高效可持續(xù)利用微咸水資源，掌握微咸水入滲下的土壤水鹽分布規(guī)律是至關(guān)重要的［24］。本研究發(fā)現(xiàn)，隨灌溉水含鹽量的增加土壤含鹽量呈上升趨勢，3 g/L和4 g/L微咸水滴灌處理下0～60 cm土層積鹽嚴(yán)重。表層是作物根系的主要聚集處，這可能會對小麥生長發(fā)育影響較大［25］。長期進(jìn)行微咸水灌溉或灌溉水礦化度增加都會導(dǎo)致土壤表層鹽分聚集，且鹽分會隨著降雨或灌溉向下運(yùn)移到作物根層，從而抑制作物對水分及養(yǎng)分的吸收［26］。土壤鹽分隨著灌溉水礦化度和灌溉量的增加而增加，非充分灌溉更容易使土壤表層積鹽［27］。本研究中120～160 cm土層隨灌溉水礦化度增加土壤含鹽量也逐漸增加，這可能是因?yàn)槿忧皬?qiáng)降雨引起的鹽分下移所致。而郭麗等［28］研究表明，長期灌溉咸水土壤鹽分明顯增加，灌溉處理后鹽分均集中于50～80 cm土層，該研究結(jié)論與本研究不一致，其原因可能是連續(xù)6～7年長期灌溉鹽分隨水分運(yùn)轉(zhuǎn)向下滲透所致。黃河三角洲地區(qū)是否有類似現(xiàn)象還需進(jìn)一步研究。

3.2 微咸水滴灌對小麥光合特性及農(nóng)藝性狀的影響

微咸水灌溉一定程度上會危害作物生長發(fā)育，影響作物光合作用及蒸騰速率［6］。關(guān)于微咸水灌溉對小麥光合及農(nóng)藝性狀的影響相關(guān)研究很多，但由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)、小麥品種、氣候、土壤等因素，研究結(jié)果不盡相同。龐桂斌等［29］研究表明，拔節(jié)、灌漿期采用3 g/L微咸水灌溉，小麥葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率降低，但凈光合速率變化卻不顯著，可能存在非氣孔因素影響。王海霞等［30］研究表明受微咸水灌溉的影響，冬小麥灌漿期的蒸騰速率顯著下降，光合速率、氣孔導(dǎo)度降低但差異不顯著。陳素英等［31］研究表明微咸水灌溉和咸淡輪灌的光合速率低于淡水灌溉。本研究中，2 g/L微咸水灌溉處理下小麥凈光合速率和蒸騰效率與淡水（對照）無顯著差異；而4 g/L處理下凈光合速率和蒸騰速率均顯著低于其它處理，但蒸騰效率顯著高于對照，說明光合速率降幅小于蒸騰速率，也可能存在光合作用的非氣孔因素影響，與前人試驗(yàn)結(jié)論基本一致。

不同咸水濃度對小麥農(nóng)藝性狀有一定的影響，含鹽量超過一定濃度小麥?zhǔn)茺}脅迫影響其株高、葉面積指數(shù)降低［19］。吳儒剛等［32］研究表明，鹽脅迫下單株成穗數(shù)與株高呈顯著正相關(guān)，隨著鹽分增加小麥單株成穗數(shù)與株高的相關(guān)性增大。中國科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站在渤海地區(qū)進(jìn)行長期微咸水灌溉試驗(yàn)，其研究表明冬小麥拔節(jié)期灌溉使用低于4 g/L的微咸水與淡水灌溉相比產(chǎn)量無顯著差異，與旱作相比小麥產(chǎn)量增加［33］。小麥穗長、穗粒數(shù)、千粒重及產(chǎn)量隨咸水礦化度的增加先增加后減少，而株高、葉面積隨咸水礦化度的增加而減小，灌溉濃度大于3 g/L時(shí)逐漸減少［34］。本研究中，3 g/L咸水灌溉處理的比葉重顯著低于對照（淡水），而4 g/L處理的比葉重與對照無顯著差異，其原因可能是鹽脅迫抑制了葉片擴(kuò)展或者同化物的輸出，使單位面積重量增加導(dǎo)致。0、2 g/L灌溉處理下小麥產(chǎn)量顯著高于3、4 g/L處理，而各濃度咸水處理?xiàng)l件下千粒重?zé)o差異，因此咸水灌溉造成產(chǎn)量差異的主要原因可能是群體穗數(shù)和穗粒數(shù)。小麥拔節(jié)期4 g/L咸水灌溉穗粒數(shù)降低的原因可能是，該濃度咸水灌溉影響了穗分化，而2、3 g/L咸水灌溉對產(chǎn)量和收獲指數(shù)影響不顯著。前人研究表明，盡管咸水灌溉會增加土壤含鹽量，但咸水濃度在3 g/L以下對土壤鹽分及作物生長發(fā)育影響較小［35］，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

3.3 微咸水滴灌對小麥衰老生理性質(zhì)的影響

植物在逆境下，往往發(fā)生膜脂過氧化作用，產(chǎn)生MDA［36］。隨灌溉水礦化度的增加，小麥植株葉片的相對電導(dǎo)率、MDA含量、Pro含量均表現(xiàn)出增加趨勢，反映了作物的逆境反應(yīng)特性，說明灌溉水礦化度越高，對小麥的傷害程度越大［37］。植物在衰老過程或遭受逆境脅迫時(shí)，體內(nèi)活性氧的代謝平衡遭到破壞，植物會啟動(dòng)自身的保護(hù)機(jī)制，主要表現(xiàn)為活性氧清除系統(tǒng)的酶活性增強(qiáng)和滲透調(diào)節(jié)物積累［38］。因此，SOD、POD活性大小和MDA、脯氨酸含量高低可以反映出植物抗脅迫能力的強(qiáng)弱。本研究中，小麥旗葉MDA含量隨微咸水濃度增加呈上升趨勢，且4 g/L處理較其它處理差異顯著，說明灌溉水含鹽量越高，對小麥的傷害程度越大，細(xì)胞膜透性越大，積累的MDA含量也越多；而脯氨酸含量和超氧化物歧化酶（SOD）活性隨灌溉水含鹽量增加而減少，2 g/L微咸水處理下小麥脯氨酸含量和SOD活性顯著高于0、4 g/L處理，可能是因?yàn)榈蜐舛认趟喔葧r(shí)，小麥可以通過累積脯氨酸，提高SOD活性來抵御鹽脅迫，但是，當(dāng)灌溉水鹽濃度達(dá)到4 g/L時(shí)，脅迫程度超出SOD的調(diào)節(jié)范圍，而脯氨酸合成累積可能受到抑制。小麥旗葉可溶性糖含量隨灌溉水含鹽量增加而增加，說明可溶性糖含量對微咸水灌溉也做出了響應(yīng)。

4 結(jié)論

本研究表明，黃河三角洲地區(qū)實(shí)施微咸水灌溉會對小麥產(chǎn)量及葉片衰老特性產(chǎn)生影響，即隨著灌溉水含鹽量增加小麥產(chǎn)量呈下降趨勢，但含鹽量2 g/L處理對土壤含鹽量影響較小，此時(shí)小麥可以通過積累脯氨酸和提高SOD活性來延緩旗葉衰老，維持同化物合成，且產(chǎn)量與對照淡水相當(dāng)。因此，在淡水資源不足條件下，2 g/L微咸水灌溉可以替代淡水進(jìn)行小麥關(guān)鍵生育期補(bǔ)灌。但不同地區(qū)微咸水灌溉受各區(qū)域氣候條件、土壤鹽堿類型和管理措施等影響而有所不同，所以需要通過該地區(qū)長期定位試驗(yàn)進(jìn)一步探討。