土壤鹽分垂向非均勻分布下的番茄鹽分生產(chǎn)函數(shù)研究

陳 盛 黃 達(dá),2 王振昌 郭相平 張秫瑄

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 210098； 2.桂林理工大學(xué)廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 桂林 541004)

0 引言

科學(xué)合理地開發(fā)改造濱海墾區(qū)低產(chǎn)農(nóng)田對保障我國糧食生產(chǎn)安全、嚴(yán)守國家耕地紅線具有重要意義。濱海墾區(qū)農(nóng)田是在鹽漬淤泥的基礎(chǔ)上發(fā)育而成，圍墾初期土體鹽分含量高，過高的土壤鹽分通過滲透脅迫和離子毒害影響作物生長[1-2]。利用淡水淋洗，可在短期內(nèi)迅速降低表層土壤鹽分。然而，在灌溉間歇，可溶鹽隨著毛管水的上升向上移動，水分蒸發(fā)后，鹽分重新積聚在土壤表面。因此，淡水淋洗帶來的根區(qū)低鹽環(huán)境只能短時間維持。為了提高淋溶效率和阻止鹽分在表層土壤的重新積聚，已有的研究通過在土表以下埋設(shè)稻草、礫石或人工材料作為隔離層來打破毛管水的連續(xù)性[3-4]，其中秸稈被認(rèn)為是廉價易得的隔層材料。研究表明，將秸稈埋設(shè)于土表以下20～40 cm深處形成隔離層，在土壤水分蒸發(fā)上升過程中，秸稈隔層能夠打破土壤毛管連續(xù)性，防止深層土壤中可溶鹽隨毛管水上升并重新積聚于土表[5]。此外，在灌溉淋洗階段，秸稈隔層還被證明能夠延緩?fù)寥浪秩霛B速率，增加鹽分溶解時間，從而提高淋洗脫鹽效率[6]。最終，在灌溉淋洗和秸稈隔離的雙重作用下，作物根區(qū)易出現(xiàn)鹽分的非均勻分布，表現(xiàn)為上層土壤鹽分含量低、下層土壤鹽分含量高的非均勻分布狀態(tài)[4]。

在秸稈隔層創(chuàng)造的垂向鹽分非均勻分布條件下，上層主要根系分布層適宜的水鹽環(huán)境對于緩解作物生長受到的鹽分脅迫至關(guān)重要[5]。此外，另有研究結(jié)果表明，與均勻低鹽試驗(yàn)處理相比，在局部含鹽量升高的鹽分非均勻分布土壤環(huán)境中，高鹽區(qū)植物根系生長受到的鹽分脅迫對作物生長產(chǎn)生的影響不可忽視。BAZIHIZINA等[7]對鹽分非均勻分布條件下的作物生長研究表明，相較于單純的低鹽區(qū)域，作物生長及產(chǎn)量與根區(qū)的根系加權(quán)平均鹽分?jǐn)?shù)據(jù)關(guān)系密切。類似的，CHEN等[8]在垂向鹽分非均勻分布條件下關(guān)于番茄產(chǎn)量的研究也表明，作物整體所受的鹽分脅迫程度與高、低鹽分區(qū)域根系生物量及鹽離子吸收量所構(gòu)成的加權(quán)平均值呈現(xiàn)最為顯著的相關(guān)關(guān)系。通過對以上現(xiàn)象進(jìn)行機(jī)理分析，前人研究發(fā)現(xiàn)部分根系處于高鹽環(huán)境有助于促進(jìn)低鹽區(qū)根系出現(xiàn)生長和吸水量的“補(bǔ)償效應(yīng)”[9-11]。根系的“補(bǔ)償效應(yīng)”被認(rèn)為是環(huán)境脅迫下作物生理響應(yīng)的一種適應(yīng)性策略：“逆境”(高鹽)土壤區(qū)域中根系生長及功能受到限制時，將促使“順境”(低鹽)區(qū)域進(jìn)行根系的增量生長，以平衡受阻部分的有限功能[9]。進(jìn)一步的，KONG等[10]在鹽分非均勻分布條件下的研究表明，根區(qū)鹽分差異增加了低鹽側(cè)根系中脫落酸(ABA)含量，認(rèn)為激素水平的上升及其誘導(dǎo)的相關(guān)蛋白合成及基因表達(dá)是植物在低鹽側(cè)根系Na+離子外流和水分補(bǔ)償性吸收的調(diào)控機(jī)制。在“補(bǔ)償效應(yīng)”的作用下，處于鹽分非均勻分布條件下的植物整體根量及吸水量與均勻低鹽試驗(yàn)處理間無顯著差異[5,11]，且明顯高于鹽分總量相同的鹽分均布土壤環(huán)境，最終表現(xiàn)為促進(jìn)作物生長和產(chǎn)量累積[12]。

作物生產(chǎn)函數(shù)被廣泛應(yīng)用于預(yù)測逆境條件下的作物產(chǎn)量[13]，其中分階段生產(chǎn)函數(shù)是構(gòu)建于假設(shè)作物各個生長階段的逆境脅迫對作物產(chǎn)量的影響是獨(dú)立的，再將各個生長階段的影響進(jìn)行加法或乘法計算后得到綜合效應(yīng)[14]。前人在研究土壤水分與作物產(chǎn)量間相關(guān)關(guān)系時，傳統(tǒng)的作物水分生產(chǎn)函數(shù)被大量使用，包括Blank模型、Stewart模型及Sudar模型等加法模型，以及Jensen模型、Minhas模型以及Hanks模型等乘法模型。而在近年的研究中，亦有研究者引入土壤鹽分參數(shù)，參照傳統(tǒng)的水分生產(chǎn)函數(shù)模型，構(gòu)建了水鹽生產(chǎn)函數(shù)或鹽分生產(chǎn)函數(shù)。如HAGHVERDI等[15]將作物生產(chǎn)函數(shù)作為糧食產(chǎn)量與水鹽等因素間數(shù)學(xué)關(guān)系的經(jīng)濟(jì)分析工具，以Jensen等模型公式為基礎(chǔ)，研究了作物不同生育階段水鹽因子影響最終產(chǎn)量的敏感程度。賀新[16]在微咸水灌溉條件下以Jensen函數(shù)為基礎(chǔ)，利用土壤鹽分因子構(gòu)建了產(chǎn)量預(yù)測函數(shù)。

然而，在已有的研究成果中，考慮了鹽分非均勻分布土壤環(huán)境下的作物分階段產(chǎn)量預(yù)測函數(shù)尚未見報道。本研究在鹽分垂向非均勻分布條件下，以番茄不同生育階段、不同土壤區(qū)域中根系分布與含鹽率監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)置不同形式的鹽分因子，構(gòu)建生產(chǎn)函數(shù)，旨在進(jìn)一步明確土壤鹽分非均勻分布狀態(tài)下番茄產(chǎn)量與作物不同生育階段根系及鹽分分布特征間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)于2016年4—7月在位于江蘇省南京市的南方地區(qū)高效排灌農(nóng)業(yè)水土環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)大棚內(nèi)開展，大棚采用無滴膜覆蓋，四周通風(fēng)，無額外溫度或光照補(bǔ)償設(shè)施。試驗(yàn)盆體積為20.0 L(上下直徑分別為30 cm和25 cm，深42 cm)，底部設(shè)有直徑0.5 cm的排水孔。試驗(yàn)用土取自江蘇東臺沿海地區(qū)，屬粉砂，初始容重及含鹽量分別為1.50 g/cm3和9.1 g/kg，土壤中主要離子含量(質(zhì)量比)見表1。

將部分土壤淋洗脫鹽后風(fēng)干，脫鹽后土壤含鹽量為0.1 g/kg，將脫鹽土(含鹽量0.1 g/kg)和原始土(含鹽量9.1 g/kg)按不同比例混合后得到含鹽量分別為0.3、0.7、1.0、1.3、1.7、2.0、3.0、3.3、4.0、5.0、6.7、8.3 g/kg的供試用土?；谇捌谘芯恐杏^察到番茄生長過程中所能耐受的鹽分上限，考慮生產(chǎn)實(shí)際中濱海鹽土作物種植所受鹽分脅迫存在的高、中、低差異，供試土壤含鹽量均值分別定為1、3、5 g/kg。

為模擬鹽土農(nóng)田作物種植前利用淡水充分淋洗、未充分淋洗及未淋洗3種狀態(tài)，分別選用上下層土壤鹽分比例為1∶5、2∶4和3∶3開展研究。綜上，試驗(yàn)共設(shè)置9個處理(表2)，每個處理14個重復(fù)。

表2 番茄盆栽試驗(yàn)處理Tab.2 Treatment of tomato pot experiment

在不同含鹽量的試驗(yàn)用土中添加1.5 g/kg基質(zhì)(GB-pindstrup substrate No.1, pH值 6.0)、0.015 g/kg尿素(CO(NH2)2)、0.116 g/kg有機(jī)肥(4%N、4%P和4%K)、0.006 g/kg硫酸鉀(K2SO4)和0.018 g/kg磷酸二氫鉀(KH2PO4)，混合完成后的土壤干容重降低至0.94 g/cm3，田間持水率為37%。以風(fēng)干后質(zhì)量為50 g、厚度為3 cm的水稻秸稈為隔離層，隔離層設(shè)置在土表以下17 cm處。秸稈隔層上下回填不同含鹽量(表2)的試驗(yàn)土壤。

番茄(SolanumlycopersiconL.var.Yazhoufenwang)于2016年3月15日播種于高10 cm、直徑5 cm的培養(yǎng)皿中。當(dāng)番茄苗出現(xiàn)第3片真葉時(4月30日)，選擇相同株高(15 cm)的幼苗連同培養(yǎng)皿土壤一同移栽到試驗(yàn)盆中，移栽時番茄根系均處于秸稈隔層上方。整個生長季分為4個階段：苗期、花期、坐果期和收獲期。當(dāng)?shù)?個花序出現(xiàn)后，對番茄植株進(jìn)行摘心，摘除其主莖上的頂芽。害蟲和雜草控制遵循當(dāng)?shù)胤N植慣例。

采用稱量法對盆栽土壤水分含量進(jìn)行監(jiān)測，并計算得到土壤含水率(θv)，用于控制灌溉。試驗(yàn)土壤在苗期保持約50%的田間持水率(θf)，此后，灌溉下限設(shè)定為50%θf(花期和坐果期)和60%θf(收獲期)，而灌溉上限在整個生育期均維持在80%θf。

1.2 指標(biāo)測定

將5TE探頭(Decagon Devices INC., Pullman, WA, 美國)分別埋入上層(土表以下9 cm處)和下層(秸稈隔層以下9 cm處)土壤的中心位置，用于連續(xù)監(jiān)測番茄盆栽上下層土壤電導(dǎo)率(EC1∶5，圖1)及無作物土柱的上下層土壤電導(dǎo)率，每10 min測定一次，測試數(shù)據(jù)傳輸至EM50數(shù)據(jù)采集器(Decagon Devices INC., Pullman, WA, 美國)。土壤含鹽量計算公式為

圖1 番茄盆栽示意圖Fig.1 Tomato pot diagram

S=2.63EC1∶5

(1)

式中S——土壤含鹽量，g/kg

EC1∶5——土壤電導(dǎo)率，mS/cm

分別在番茄生長苗期、花期、坐果期及收獲期末對每個試驗(yàn)處理隨機(jī)選取3個重復(fù)進(jìn)行破壞試驗(yàn)，以秸稈隔層為界，分別收集各盆栽上下層土壤中的番茄根系，經(jīng)干燥后測定根系干物質(zhì)量(g/株)。

在果實(shí)成熟期，每7 d對成熟果實(shí)進(jìn)行采摘測產(chǎn)。

1.3 函數(shù)構(gòu)建

針對以隔離層為界的上下層土壤鹽分分布特征，分別構(gòu)建了表層鹽分因子Rsur、平均鹽分因子Rave、根系加權(quán)平均鹽分因子Rroot，計算式為

(2)

(3)

(4)

式中Sa-upp、Sa-low——上、下層土壤的實(shí)測含鹽量，g/kg

ra-upp、ra-low——上、下層土壤中的根系干物質(zhì)量，g/株

Sm-upp、Sm-low——最高產(chǎn)量處理對應(yīng)的上、下層土壤含鹽量，g/kg

rm-upp、rm-low——最高產(chǎn)量處理對應(yīng)的上、下層根系干物質(zhì)量，g/株

本研究在設(shè)置鹽分因子的基礎(chǔ)上，分別以STEWART等[17]和JENSEN[18]提出的作物生產(chǎn)函數(shù)為基礎(chǔ)，引入表層、平均以及根系加權(quán)平均鹽分因子，構(gòu)建不同生育期番茄產(chǎn)量與土壤含鹽率的關(guān)系。

Stewart鹽分生產(chǎn)函數(shù)為

(5)

(6)

(7)

Jensen鹽分生產(chǎn)函數(shù)為

(8)

(9)

(10)

式中Ya——不同土壤鹽分處理下作物產(chǎn)量，g/株

Ym——無鹽脅迫處理下作物產(chǎn)量最大值，g/株

Sai-upp、Sai-low——各試驗(yàn)處理在生育期i期間對應(yīng)的上、下層土壤含鹽量，g/kg

Smi-upp、Smi-low——無鹽脅迫處理在生育期i期間對應(yīng)的上、下層土壤含鹽量，g/kg

rai-upp、rai-low——各試驗(yàn)處理在生育期i期間對應(yīng)的上、下層土壤中的根系干物質(zhì)量，g/株

rmi-upp、rmi-low——無鹽脅迫處理在生育期i期間對應(yīng)的上、下層土壤中的根系干物質(zhì)量，g/株

βi——Stewart鹽分生產(chǎn)函數(shù)中作物產(chǎn)量的鹽分脅迫敏感系數(shù)

λi——Jensen鹽分生產(chǎn)函數(shù)中作物產(chǎn)量的鹽分脅迫敏感指數(shù)

i——生育期n——生育期數(shù)量

1.4 函數(shù)精度評估

為評價函數(shù)對產(chǎn)量預(yù)測的準(zhǔn)確程度，對預(yù)測產(chǎn)量與實(shí)測產(chǎn)量做線性回歸，分析決定系數(shù)R2，此外，還計算了估計誤差和函數(shù)精度的指標(biāo)，包括：均方根誤差(RMSE)、平均絕對誤差(AE)、建模效率(EF)和一致性指數(shù)(dIA)。RMSE和AE越小，EF越大，dIA越接近1，表明建模精度越高。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 13.0軟件(SPSS, Chicago, IL,美國)進(jìn)行差異分析以及敏感指數(shù)與敏感系數(shù)的計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含鹽量

番茄盆栽試驗(yàn)各處理作物生育期內(nèi)上下層土壤含鹽量見圖2，在灌溉淋洗及秸稈隔層隔斷毛管水的雙重作用下，各處理上層土壤含鹽量總體呈下降趨勢。而下層土壤含鹽量呈先上升后下降的趨勢，其原因?yàn)樵诜焉捌?，隨著上部土壤中鹽分的淋洗，下部土壤鹽分上升，隨著淋洗，鹽分向更深處土壤運(yùn)移，因此，在番茄生育后期，下層土壤含鹽量又呈下降趨勢。

圖2 上下層土壤含鹽量Fig.2 Salt content of upper and lower soil

在對各生育階段上下層土壤含鹽量數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，各處理間鹽分分布差異程度仍與鹽分初始設(shè)置維持一致，即初始條件下，上下層土壤鹽分差異相對較大的試驗(yàn)處理，番茄生育期內(nèi)仍維持較大的差異性。經(jīng)計算，在番茄生長各生育期，處理間上下層土壤含鹽量比值如表3所示。

表3 不同生育期上下層土壤含鹽量比值Tab.3 Ratio of salt content in upper and lower soil at different growth stages

分析可知，相同鹽分均值的3個處理組內(nèi)鹽分差異程度由小到大依次均為T0.3∶1.7、T0.7∶1.3、T1∶1，T1∶5、T2∶4、T3∶3，T1.7∶8.3、T3.3∶6.7、T5∶5，即在含鹽量均值相同的試驗(yàn)組中，隔離層上下土壤含鹽量差異次序于番茄全生育期內(nèi)未發(fā)生改變。

2.2 根系干物質(zhì)量

盆栽番茄不同生育階段根系數(shù)據(jù)顯示，在苗期，各處理根系均處于隔離層上方土壤，且處理間無顯著差異。自花期開始，各處理根系開始穿透秸稈隔層出現(xiàn)在下層土壤。

由番茄盆栽根系總干物質(zhì)量(上層與下層之和，見圖3，圖中小寫字母表示各處理上層或下層土壤中根系干物質(zhì)量(g/株)的差異性；大寫字母表示各處理根系干物質(zhì)總量(g/株，上下層之和)的差異性，不同字母間存在差異表示不同處理間差異顯著(P<0.05))可知，根系總干物質(zhì)量隨土壤含鹽量升高而降低，在收獲期，處理T5∶5根系干物質(zhì)量為T3∶3處理的63.5%，為T1∶1處理的40.1%。此外，土壤鹽分分布狀況也會影響根系總干物質(zhì)量，如在土壤含鹽量均值為3 g/kg和5 g/kg的處理中，鹽分垂向非均勻分布處理T1∶5與T1.7∶8.3根系干物質(zhì)量分別為鹽分均勻分布處理T3∶3和T5∶5的1.75倍和1.67倍，差異顯著(P<0.05)。分析盆栽上下層土壤中根系干物質(zhì)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在土壤含鹽量均值一致的處理中，以收獲期為例，T1∶5處理上層土壤中根系干物質(zhì)量顯著高于處理T3∶3(2.47倍)，而下層根系干物質(zhì)量則低于后者，為T3∶3處理的65.9%(P<0.05)。同樣的，在處理T1.7∶8.3與T5∶5間，前者上層根系為后者的2.47倍，而下層僅為后者的35.4%，差異顯著(P<0.05)。表明相較于鹽分均勻分布處理，在鹽分垂向非均勻分布處理中，高鹽區(qū)作物根系質(zhì)量下降，而低鹽區(qū)根系則出現(xiàn)補(bǔ)償性上升，最終，使得根系總干物質(zhì)量有所上升。

圖3 番茄根系干物質(zhì)量Fig.3 Dry matter mass of tomato roots

根系的補(bǔ)償性生長更為顯著地表現(xiàn)在處理T1∶5與處理T1∶1的比較中，前者鹽分總量約為后者3倍，但上層土壤含鹽量基本一致，作物根系數(shù)據(jù)顯示，在下層土壤根系干物質(zhì)量顯著降低的情況下(51.6%)，處理T1∶5上層根系干物質(zhì)量升高至處理T1∶1的1.33倍，差異顯著(P<0.05)，表明在部分根系受到高鹽脅迫而生長受阻的情況下，低鹽區(qū)根系將出現(xiàn)顯著的補(bǔ)償性生長，最終，處理T1∶5作物根系質(zhì)量不低于均勻低鹽處理T1∶1(提升0.25%，無顯著差異(P>0.05))。

2.3 番茄產(chǎn)量

各處理的番茄產(chǎn)量見圖4(圖中不同小寫字母表示不同處理差異顯著(P<0.05))。土壤鹽分總量升高顯著抑制了番茄產(chǎn)量，如處理T3∶3番茄產(chǎn)量為處理T1∶1的39.0%，而T5∶5處理產(chǎn)量更是顯著降低至處理T1∶1的14.3%(P<0.05)。而土壤鹽分垂向分布狀況也會影響番茄產(chǎn)量，當(dāng)土壤含鹽量均值一致時，上下層土壤含鹽量差異越大，番茄產(chǎn)量越高，在土壤含鹽量均值分別為1、3、5 g/kg的處理組內(nèi)比較中，鹽分垂向非均勻分布處理T0.3∶1.7、T1∶5和T1.7∶8.3番茄產(chǎn)量依次為鹽分均勻分布處理T1∶1、T3∶3和T5∶5的1.18、2.27、3.76倍，差異顯著(P<0.05)。

圖4 盆栽番茄產(chǎn)量Fig.4 Potted tomato yield

含鹽量均為3 g/kg的處理組中，處理T2∶4番茄產(chǎn)量為處理T1∶5的55.00%，處理T3∶3產(chǎn)量更是降低至處理T1∶5的38.12%，差異顯著(P<0.05)。

2.4 鹽分生產(chǎn)函數(shù)

以盆栽試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究番茄相對產(chǎn)量(Ya/Ym)與不同生育階段上下層土壤鹽分間的關(guān)系。選擇Steward模型基礎(chǔ)公式及Jensen模型基礎(chǔ)公式，分別利用盆栽番茄苗期、花期、坐果期及收獲期上下層土壤含鹽量(g/kg)及根系干物質(zhì)量(g/株)構(gòu)建表層鹽分因子(Rsur)、平均鹽分因子(Rave)及根系加權(quán)平均鹽分因子(Rroot)，對番茄產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測，并分析番茄產(chǎn)量對不同生育期作物生長所受鹽分脅迫的敏感程度。

函數(shù)預(yù)測產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量間R2如表4所示，根系加權(quán)平均鹽分因子預(yù)測產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量間相關(guān)度高于表層鹽分因子與平均鹽分因子，利用根系加權(quán)平均鹽分因子構(gòu)建的Steward生產(chǎn)函數(shù)預(yù)測產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量間進(jìn)行相關(guān)性分析，R2為0.867 2(P<0.05)，而Jensen生產(chǎn)函數(shù)下利用根系加權(quán)平均鹽分因子預(yù)測的產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量間相關(guān)關(guān)系則達(dá)到極顯著水平(R2為0.910 8，P<0.01)。

表4 函數(shù)精度評價結(jié)果Tab.4 Function accuracy evaluation results

結(jié)合RMSE、AE、EF及dIA評價結(jié)果表明(表4)，Jensen生產(chǎn)函數(shù)預(yù)測精度優(yōu)于Steward生產(chǎn)函數(shù)，其中又以根系加權(quán)平均鹽分因子為基礎(chǔ)構(gòu)建的Jensen鹽分生產(chǎn)函數(shù)(Jensen SPF)對實(shí)際產(chǎn)量的預(yù)測精度最高，RMSE為163.57 g/株，AE為128.49 g/株，EF為0.931 4，dIA=0.974 8。

各生育期敏感系數(shù)β或敏感指數(shù)λ越大，該階段番茄生長受到鹽分脅迫對最終產(chǎn)量的影響越大。如表5所示，不同生育階段鹽分影響因子結(jié)果顯示，番茄生長苗期及收獲期土壤鹽分含量及其分布對最終產(chǎn)量影響相對較低，敏感系數(shù)β或敏感指數(shù)λ均不大于0.324 8。其中利用表層鹽分因子與根系加權(quán)平均鹽分因子構(gòu)建的Steward模型中，苗期敏感系數(shù)為負(fù)值，但趨近于0。分析認(rèn)為導(dǎo)致該結(jié)果的原因?yàn)榉延酌缫圃院?，緩苗期各處理番茄植株對水分的消耗較小且差異不大，此期間盆栽水分消耗主要來源于棵間蒸發(fā)，因此，敏感系數(shù)出現(xiàn)趨于0的負(fù)值應(yīng)為數(shù)據(jù)模擬過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差?；ㄆ诤妥邴}分因子對產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響，利用根系加權(quán)平均鹽分因子構(gòu)建的Stward 作物鹽分生產(chǎn)函數(shù)中，坐果期敏感系數(shù)β為0.456 8，而利用根系加權(quán)平均鹽分因子構(gòu)建的Jensen作物鹽分生產(chǎn)函數(shù)中，坐果期敏感指數(shù)λ更是達(dá)到0.784 9，影響程度大于其他生育階段。

表5 番茄不同生育階段鹽分敏感系數(shù)或敏感指數(shù)Tab.5 Salt sensitivity coefficent or sensitivity index of tomato at different growth stages

經(jīng)模型精度評估和敏感因子合理性分析，利用根系加權(quán)平均鹽分因子構(gòu)建的Jensen作物鹽分生產(chǎn)函數(shù)對產(chǎn)量的預(yù)測效果最優(yōu)。將不同生育階段敏感因子代入Jensen函數(shù)公式(式(10))后得到適用于本試驗(yàn)盆栽番茄的產(chǎn)量預(yù)測公式為

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3 討論

鹽分對作物生長造成的影響主要包括滲透脅迫和離子毒害，導(dǎo)致作物生長受到限制并最終影響作物產(chǎn)量。世界上約有1/3的土壤鹽分含量過高，嚴(yán)重影響著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[19]，BAZIHIZINA等[20]的研究表明，當(dāng)土壤電導(dǎo)率高于2.5 dS/m后，電導(dǎo)率每升高1 dS/m，產(chǎn)量下降10%。本研究結(jié)果也表明，當(dāng)土壤含鹽量由1 g/kg升高至3 g/kg時，處理T3∶3番茄產(chǎn)量較處理T1∶1降低61.0%，而當(dāng)土壤含鹽量進(jìn)一步升高至5 g/kg時，處理T5∶5番茄產(chǎn)量更是降低至處理T1∶1的14.3%。鹽分總量僅是影響作物產(chǎn)量的因素之一，前人在對番茄、苜蓿和高粱等的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤鹽分非均勻分布能夠有效緩解作物受到的鹽分脅迫，進(jìn)而達(dá)到保證作物生長，提升作物產(chǎn)量的目的[21-23]，因此鹽分分布特征也是影響作物產(chǎn)量的另一關(guān)鍵因素。本研究開展的番茄盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，鹽分非均勻分布處理番茄產(chǎn)量較鹽分均勻分布處理顯著上升，當(dāng)土壤含鹽量均值相同時，處理T0.3∶1.7番茄產(chǎn)量較處理T1∶1升高18.1%，處理T1∶5番茄產(chǎn)量較處理T3∶3升高127.5%，處理T1.7∶8.3番茄經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量更是升高到處理T5∶5的3.76倍。上述結(jié)果表明當(dāng)土壤總體鹽分含量一致時，土壤鹽分“上低下高”的垂向非均勻分布狀態(tài)能夠有效緩解作物所受鹽分脅迫，這與前人已有的研究結(jié)果相同[22]。同時，植株受到鹽分脅迫程度越大，即上下層土壤鹽分比例相同時(本研究中均為1∶5)，土壤總含鹽量越高，土壤鹽分非均勻分布處理對番茄產(chǎn)量的提升效果越明顯。

鹽分環(huán)境下番茄果實(shí)產(chǎn)量與作物根系生長及分布特征密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤鹽分均勻分布時，隨著土壤含鹽量的升高，根系干物質(zhì)總量呈下降趨勢，如本研究中處理T3∶3和處理T5∶5根系總干物質(zhì)量分別降低至處理T1∶1的77.2%和40.1%，與前人已有的相關(guān)研究結(jié)果趨勢相同[19-20]。而當(dāng)作物根系分布于鹽分異質(zhì)的土壤環(huán)境中時，部分根系受到的高鹽脅迫將會誘導(dǎo)另一部分處于低鹽環(huán)境中的作物根系產(chǎn)生補(bǔ)償性生長。如在處理T1∶5中，與鹽分均勻分布的處理T3∶3相比，處于土壤初始含鹽量為5 g/kg的隔離層以下土壤中的根系干物質(zhì)量下降約34.1%，而上層低鹽區(qū)根系則為處理T3∶3同區(qū)域土壤中的2.49倍。進(jìn)一步地，與均勻低鹽處理T1∶1比較，T1∶5處理上層土壤中根系質(zhì)量同樣較T1∶1處理升高了47%，兩個處理上下層土壤中根系總干物質(zhì)量間無顯著差異(P>0.05)。PEREZ-PEREZ等[24]得到了類似的研究結(jié)果，認(rèn)為鹽分非均勻分布土壤環(huán)境中低鹽區(qū)根系生長產(chǎn)生的補(bǔ)償效應(yīng)是均勻低鹽或高鹽土壤環(huán)境中不具備的，生長于鹽分非均勻分布土壤環(huán)境的作物在局部的高鹽根系環(huán)境的刺激下產(chǎn)生相應(yīng)的生理應(yīng)激反應(yīng)，如產(chǎn)生脫落酸(ABA)等物質(zhì)，促進(jìn)作物根系在低鹽區(qū)域增加根系分布并提升根系吸水能力。局部低鹽區(qū)域土壤中的根系補(bǔ)償性生長與水分吸收能力是鹽分垂向非均勻分布條件下作物所受鹽分脅迫得到緩解的關(guān)鍵因素。

由圖2和表3可知，在番茄生育不同階段，各處理上下層土壤鹽分差異性隨時間增大，即上層鹽分下降，下層鹽分上升，其原因主要是：①淡水灌溉淋洗使得土壤鹽分向下運(yùn)移。②秸稈隔層在灌溉間歇隔斷了土壤毛管連續(xù)性，阻斷了深層土壤鹽分的向上運(yùn)移。而在番茄不同生育階段，根系分布狀態(tài)也是動態(tài)變化的(圖3)。為了探究番茄不同生育階段受到鹽分脅迫對最終產(chǎn)量的影響規(guī)律，采用分階段作物鹽分生產(chǎn)函數(shù)，以不同生育期的土壤含鹽量及根系干物質(zhì)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建產(chǎn)量預(yù)測模型，并分析不同生育階段鹽分因子與番茄產(chǎn)量間的敏感指數(shù)。本研究分別以表層土壤含鹽量、平均土壤含鹽量以及根系加權(quán)平均土壤含鹽量構(gòu)建了3種鹽分因子，結(jié)合Steward和Jensen函數(shù)公式對番茄產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果表明，同時考慮了作物根系和鹽分分布的根系加權(quán)平均鹽分因子對番茄產(chǎn)量的預(yù)測精度最高(表4)。分析認(rèn)為，除根系加權(quán)平均鹽分因子外，其他幾個鹽分因子均存在一定的不足，如表層鹽分因子，僅以隔離層以上土壤含鹽量為控制因素，而未考慮下層土壤含鹽量。實(shí)際上，在番茄生長過程中，尤其是苗期之后，番茄生長根系穿透秸稈隔層，分布于下層土壤，此時下層土壤含鹽量對番茄生長產(chǎn)生的影響不可忽視。而在預(yù)測番茄產(chǎn)量時單獨(dú)考慮盆栽整體的土壤含鹽量均值同樣存在欠缺，以本研究盆栽番茄產(chǎn)量為例，處理T1∶5和T3∶3土壤含鹽量均值均為3 g/kg，但其果實(shí)產(chǎn)量分別為1 562.0 g/株和686.7 g/株，差異顯著(P<0.05)。利用根系加權(quán)平均后的土壤鹽分?jǐn)?shù)據(jù)對番茄產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測精度最高，與BAZIHIZINA等[7]的研究結(jié)果類似。分析認(rèn)為，根系加權(quán)平均鹽分因子可較為真實(shí)反映作物根系與土壤鹽分間的直接接觸程度，分布于高鹽區(qū)域的作物根系總量越大，則根系加權(quán)平均鹽分因子越高，作物受到的脅迫程度越大。這是其他諸如表層鹽分因子以及平均鹽分因子不具備的優(yōu)勢所在。同時，在鹽分非均勻分布土壤環(huán)境中，低鹽區(qū)作物根系的補(bǔ)償性生長使得根系加權(quán)平均鹽分含量降低，緩解作物所受鹽分脅迫的同時提升作物產(chǎn)量，與本研究實(shí)測結(jié)果相一致：即，相較于鹽分均布處理，鹽分垂向非均勻分布處理下的番茄產(chǎn)量更高。

鹽分生產(chǎn)函數(shù)中的敏感指數(shù)分析結(jié)果表明(表5)，不同生育階段土壤鹽分對最終產(chǎn)量的影響由大到小依次為坐果期、花期、收獲期、苗期。坐果期為果實(shí)體積增大的關(guān)鍵時期，當(dāng)作物受到較高的鹽分脅迫時，其水分吸收及其他各方面生理生化過程均會受到抑制，從而影響果實(shí)最終產(chǎn)量。番茄生長花期也是植株營養(yǎng)生長較為快速的階段，此階段受到鹽分脅迫會對株高、葉面積等指標(biāo)造成影響[5]，從而對此后坐果期光合產(chǎn)物的累積造成抑制，影響最終產(chǎn)量，因此，番茄生長花期對鹽分脅迫敏感性較高是合理的。收獲期植株根、莖、葉等器官開始枯萎，營養(yǎng)生長逐漸停止，果實(shí)已基本成型，果實(shí)體積不再持續(xù)增長，此階段主要是果實(shí)品質(zhì)形成期，鹽分脅迫對番茄種植最終產(chǎn)量的影響相對較小。番茄苗期受鹽分脅迫對最終產(chǎn)量的影響最小，分析認(rèn)為可能的原因是番茄移栽后統(tǒng)一灌溉5 L移苗水，以滿足番茄生長需要，這使得盆栽上層土壤鹽分得到一定的淋洗，鹽分下降，且此階段番茄根系淺，表層脫鹽土壤使得番茄苗期水鹽生長環(huán)境得到保證，此階段鹽分脅迫對最終產(chǎn)量的影響最小。

4 結(jié)束語

當(dāng)土壤鹽分均勻分布時，番茄根系干物質(zhì)量與果實(shí)產(chǎn)量隨土壤鹽分含量升高而降低。受秸稈隔層隔斷土壤垂向毛管連續(xù)性的影響，在灌溉水垂向淋洗的作用下，土壤鹽分整體呈下移趨勢。當(dāng)土壤鹽分在垂直方向上呈“上低下高”的非均勻分布時，處于隔層以下高鹽區(qū)土壤中的部分作物根系在鹽脅迫的作用下將誘導(dǎo)上層低鹽區(qū)作物根系出現(xiàn)補(bǔ)償性生長，從而緩解作物所受整體鹽分脅迫，最終促進(jìn)作物增產(chǎn)。將根系加權(quán)平均土壤鹽分因子代入Jensen函數(shù)后構(gòu)建的分階段作物鹽分生產(chǎn)函數(shù)對番茄產(chǎn)量的預(yù)測精度最高，而番茄不同生育階段敏感指數(shù)結(jié)果則表明，番茄生長坐果期的土壤含鹽量對最終果實(shí)產(chǎn)量的影響最大。