基于產量、品質和水氮利用效率的油橄欖水氮耦合方案優選

劉歡平, 鄭彩霞, 劉 濤, 石琪仙, 蘭 波, 陳 茜, 閆 敏, 余文俊, 袁小虎, 張志亮

(1.四川農業大學水利水電學院,四川 雅安 625000; 2.聚峰谷農業科技開發有限公司,四川 成都 610000)

油橄欖(OleaeuropaeaL.)又名齊墩果,屬于木犀科(Oleaceae)木犀欖屬(Olea),是世界四大木本油料作物之一[1],原產自地中海沿岸國家[2]。中國于20世紀60年代開始引種油橄欖,經過劃區試種[3]、選種育種[4-5]、高產栽培[6-7]等發展歷程,2018年中國油橄欖種植面積3.96×105hm2,四川省油橄欖種植面積2.40×104hm2,其中龍泉山區種植面積4 400 hm2,年產鮮果5.5×103t,經濟效益顯著,已成為當地特色作物和優勢經濟作物[8]。但因該地區季節性干旱嚴重,降雨量分配不均及田間水肥管理不科學等導致油橄欖座果率低下、產量不穩定及橄欖油品質參差不齊,嚴重制約了油橄欖的高產、優質發展。因此,研究水氮耦合機理、優化油橄欖水肥管理模式對油橄欖集約化、高效、綠色生產和形成可持續發展產業具有重大意義?？茖W合理的灌溉施肥制度對油橄欖的生長發育、產量及橄欖油品質的提升至關重要。有研究結果表明,干旱脅迫對油橄欖幼苗的生長存在一定的抑制作用[9],干旱程度加劇會提高葉片相對電導率和葉片滲透調節物質含量,降低葉綠素含量[10]。適度的虧缺灌溉可增加作物吸水量、提高油橄欖產量和水分生產率[11]。朱紹丹等[12]研究發現中度干旱(土壤含水率12%)與生草間作可提高油橄欖葉片含水量和光合色素含量,提升根系活力,促進植株生長發育。適度的氮素虧缺可顯著提高油橄欖單株結果數量和單株產量,過量施氮(150 kg/hm2以上)會使橄欖油的酸值和多不飽和脂肪酸含量增加、總多酚含量和單不飽和脂肪酸含量顯著降低,導致油脂品質及穩定性整體下降[13]。Haberman等[14]的研究結果表明,適宜的施氮量是集約化橄欖園高產、穩產的基礎。養分供應在作物不同生育期發揮的作用存在較大差異,促進氮素吸收利用以及提高氮素利用率的關鍵在于確定適宜的氮素施用量。水肥耦合效應根據作物不同生育階段的需水、需肥要求,從時空、數量、方式等多方面合理分配養分和水分,實現以水促肥、以肥調水,綜合提高農田水肥利用效率[15]。但想同時實現高產、優質、節水、省肥,因地制宜地建立科學、合理的復合評價體系必不可少。

衡量油橄欖的水氮利用效率、鮮果產量及橄欖油品質的標準各不相同,但又存在一定的相關性,僅憑單項指標無法明確該山區油橄欖最佳的水氮組合處理。優劣解距離(Technique for order performance by similarity to an ideal solution,TOPSIS)法[16]因具有原始數據應用充分、信息量損失較少的優點,在中藥材品質評價體系中已得到廣泛應用[17]。為進一步提高橄欖油品質綜合評價的準確性及科學性,本研究擬采用TOPSIS法對橄欖油品質進行綜合分析與評價,利用變異系數法求出各項評價指標所占權重,用綜合評分法消除尺度差異造成的影響,最后得出油橄欖水氮投入與產量、品質回報的綜合評價值,探索龍泉山區滴灌水肥一體化條件下油橄欖最佳的水氮管理制度,以期為推動當地油橄欖產業綠色、高產、穩產、優質以及向集約化、農業現代化方向發展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2021年1月-2021年12月在四川省聚峰谷農業科技開發有限公司(104°34′E,30°44′N)進行。試驗區為油橄欖次適生區,平均海拔733 m,屬于亞熱帶季風氣候,年降水量820 mm,多集中于夏季;年平均氣溫16.6 ℃,大于10.0 ℃有效積溫為5 450.0 ℃;年平均日照1 268.7 h,年相對濕度60%～80%。供試土壤為紫色土,pH值為7.5,田間最大持水量0.246 cm3/cm3,試驗區耕層土壤基本養分狀況見表1。供試品種為9年生格洛桑,理論種植密度為1 hm2400株,株高2.5～3.0 m,樹體長勢均勻;樹體修剪、病蟲害防治等其他田間農藝管理措施均參考當地油橄欖生產實際進行相同處理。月平均氣象條件見表2。

表1 研究區橄欖園土壤基本養分狀況

表2 試驗區月平均氣象數據

1.2 試驗設計

試驗采用完全隨機區組設計,根據油橄欖基地多年水肥生產管理經驗、地域特點與相關文獻資料[18],設置4個灌水量(I1:50.00%I4;I2:66.66%I4;I3:83.33%I4;I4:90.00%θfc;θfc:田間最大持水量)和4個追施氮肥水平(N1: 0 kg/hm2N;N2:150 kg/hm2N,低氮;N3:300 kg/hm2N,中氮;N4:450 kg/hm2N,高氮),共16個處理,灌水量和氮肥用量見表3;每個處理重復3次,共48棵樹。參照公式(1)[19]計算I4處理的單次灌水量,在I4處理小區內埋設土壤水分傳感器(DECAGON公司產品),監測深度0～0.6 m,定期采用烘干法進行校核。

M=s×h×γ×ρ×θfc×(q1-q2)/η

(1)

式中:M為灌水定額(m3/hm2);s為灌溉面積(m2);h為土壤計劃濕潤深度,全生育期均為0.6 m;γ為土壤容重,1.53 g/cm3;ρ為設計土壤濕潤比,作物為經濟果林木、灌溉方式為滴灌,故取0.35;θfc為田間最大持水量,0.246 cm3/cm3;q1為灌水上限土壤水分含水量;q2為實測土壤水分含水量;η為水分利用系數,滴灌取1.0[20]。

氮肥(尿素,含氮量46.6%)追施,于文丘里施肥罐中溶解后經滴灌系統施入田間;基肥(有機肥,N含量+P2O5含量+K2O含量≥5%,有機質含量≥45%,1棵樹10 kg)于1月份環狀溝施;為避免水、肥側向流動,小區之間預埋深度0.50 m的不透水膜;將相同灌水水平的12棵樹劃為一個小區,試驗地為大塊梯田,幾乎無坡度,不會產生地表徑流。

滴灌管道系統采用一行一管布置,毛管間距5.0 m、管徑20.0 mm;距樹干0.6 m處環狀布置4個壓力補償式滴頭,相鄰滴頭間距1.0 m,滴頭設計流量4.0 L/h。灌水與施氮均由滴灌系統控制,小區內單設水量表、壓力表及控制閥精確控制灌水量;本試驗油橄欖物候期內年有效降雨量為792.1 mm。

1.3 測定項目及方法

產量的測定:單株產量用電子天平(精度0.01 g)測定,每個處理測3株取平均值,折合成單位面積產量。

品質的測定:包括酸值、過氧化值、不飽和脂肪酸含量、油酸含量、亞油酸含量及棕櫚油酸含量。酸值采用冷溶劑指示劑滴定法測定;過氧化值采用滴定法測定;脂肪酸組成采用氣相色譜-質譜聯用法(GC-MS法)測定。

氮肥偏生產力(NPFP)為施氮區油橄欖鮮果總產量與氮肥施入總量之比;灌溉水利用效率(iWUE)為油橄欖鮮果總產量與總灌水量之比。

1.4 評價方法

1.4.1 TOPSIS法 本研究采用TOPSIS法按如下步驟對橄欖油各類指標進行計算[21]:

第一,歸一化處理:原始數據可表示為原始矩陣X=(Xij)a×b(Xij為第i個處理的第j個指標的原始數據),共有a個評價對象,b個評價指標。

表3 灌水量和氮肥用量

(2)

式中,Zij表示原始數據的歸一化矩陣;i=(1,2,…,a),j=(1,2,…,b)。

第二,歸一化矩陣Z=(Zij)a×b,計算各列最大值、最小值構成的最優向量、最劣向量。

Z+=(Z1max,Z2max,…,Zbmax)

(3)

Z-=(Z1min,Z2min,…,Zbmin)

(4)

式中,Z+表示最優向量;Z-表示最劣向量;Zjmax表示第j個指標的最大值,j=(1,2,…,b);Zjmin表示第j個指標的最小值,j=(1,2,…,b)。

第三,計算第i個處理與最優、最劣方案的加權距離。

(5)

(6)

第四,計算不同水氮處理與最優方案的貼合度(Ci)。

(7)

1.4.2 綜合評分法 本研究以油橄欖產量、橄欖油品質、灌溉水利用效率和氮肥偏生產力作為評價指標進行綜合評分,按照如下步驟進行計算[22]:

第一,設有m個評價對象,n個評價指標,Xij表示第i個處理的第j個指標,對實測值進行歸一化處理(Yij)。

(8)

式中,i=(1,2,…,m),j=(1,2,…,n);Xij表示第i個處理的第j個指標;Xijmin表示Xij的最小值;Xijmax表示Xij的最大值。

(9)

(10)

第三,計算變異系數(Zj)。

(11)

式中,Sj表示標準差。

第四,計算權重(Wj)。

(12)

第五,計算綜合得分(Csj)。

(13)

1.5 數據分析

采用SPSS 27.0軟件進行方差分析和多重比較。利用Origin 9.1進行繪圖,用Excel進行綜合評分法和TOPSIS法的計算。

2 結果與分析

2.1 灌水、施氮處理對油橄欖產量的影響

表4顯示,灌水、施氮處理分別對油橄欖鮮果產量影響極顯著(P<0.01),水氮耦合處理對油橄欖鮮果產量影響不顯著(P>0.05),灌水對產量的影響大于施氮。圖1顯示,N1I2處理油橄欖鮮果產量最低(4 333 kg/hm2),N4I3處理產量最高(11 027 kg/hm2)。相同灌水條件下,產量隨著施氮量的增加總體呈上升趨勢。低氮、中氮條件下灌水量對產量的影響不穩定,高氮條件下灌水量對產量有較強的正效應,但存在閾值。

表4 不同處理因素對油橄欖鮮果產量的影響

N1:0 kg/hm2 N;N2:150 kg/hm2 N,低氮;N3:300 kg/hm2 N,中氮;N4:450 kg/hm2 N,高氮;I1:50.00%I4;I2:66.66%I4;I3:83.33%I4;I4:90.00%θfc。θfc為田間最大持水量。圖1 不同水氮處理對油橄欖鮮果產量的影響Fig.1 Effects of different water and nitrogen treatments on fresh fruit yield of olive

2.2 灌水、施氮處理對橄欖油品質的影響

表5顯示,灌水、施氮及水氮耦合處理對橄欖油酸值影響極顯著,影響大小表現為水氮耦合>灌水>施氮。表6顯示,N1條件下,隨著灌水量的增加,酸值呈上升趨勢;N3條件下,隨著灌水量的增加,酸值總體呈下降趨勢;N2條件下,I3處理的酸值顯著高于其他灌水處理(P<0.05),具體表現為I1水氮耦合>灌水。N1、N2、N3條件下,隨著灌水量的增加,過氧化值呈上升趨勢,最大值分別為9.05 mmol/kg、9.66 mmol/kg、9.44 mmol/kg,最小值分別為8.05 mmol/kg、7.68 mmol/kg、7.38 mmol/kg。

表7顯示,灌水、施氮、水氮耦合處理對油酸含量、亞油酸含量和不飽和脂肪酸含量影響極顯著(P<0.01),對油酸含量和亞油酸含量的影響大小依次為施氮>灌水>水氮耦合,對不飽和脂肪酸含量的影響大小依次為灌水>施氮>水氮耦合。施氮、水氮耦合處理對棕櫚油酸含量影響極顯著(P<0.01),灌水處理對棕櫚油酸含量影響顯著(P<0.05)。

表5 不同處理因素對橄欖油酸值和過氧化值的影響

表6 不同水氮處理對橄欖油品質的影響

表7 不同處理因素對橄欖油組成成分的影響

圖2a顯示,N1、N2條件下,I3處理油酸含量高于其他灌水處理;N3、N4條件下,隨灌水量的增加,油酸含量呈上升趨勢,N3I4、N4I4處理油酸含量最高,分別為76.24%、76.47%,N3I1、N4I1處理油酸含量最低,分別為69.01%、67.03%;N1條件下不同灌水量處理間油酸含量的最大差值小于N4條件下不同灌水量處理間油酸含量的最大差值。說明隨著施氮量的增加,油酸含量受灌水量的影響不斷增強。

圖2b顯示,相同灌水條件下,棕櫚油酸含量隨著施氮量的增多,基本呈先增加后減少的趨勢;相同施氮條件下,隨灌水量的增加,棕櫚油酸含量沒有表現出相似的變化趨勢。N2條件下,棕櫚油酸含量隨灌水量的增加呈上升趨勢;N4條件下,棕櫚油酸含量隨灌水量的增加呈下降趨勢。表明在本試驗條件下,水氮耦合效應對棕櫚油酸含量的影響為“單峰型”,水、氮過量會導致棕櫚油酸含量下降。

圖2c顯示,相同施氮條件(N1除外)下,I2處理的亞油酸含量高于其他灌水處理,表明灌水量過高會對亞油酸含量產生負效應。

圖2d顯示,無氮(N1)條件下,不同灌水處理的不飽和脂肪酸含量間的最大差值較小;隨著施氮量的增加,中氮(N3)條件下不同灌水處理的不飽和脂肪酸含量間的最大差值變大;高氮(N4)處理下,不同灌水處理的不飽和脂肪酸含量的最大差值達到最大值。表明隨著施氮量的增加,灌水量對不飽和脂肪酸含量的影響愈加明顯。

2.3 灌水、施氮處理對水氮利用效率的影響

表8顯示,灌水、施氮處理對NPFP和iWUE影響極顯著,施氮處理對二者的影響大于灌水處理;水氮耦合處理對二者的影響不顯著。N1為無氮處理,故不考慮NPFP狀況。相同施氮條件下,NPFP隨灌水量的增加總體呈上升趨勢;相同灌水條件下,NPFP隨著施氮量的增加總體呈降低趨勢(圖3)。說明施氮量的增加對NPFP有消極影響,過量施氮會削弱水氮耦合對油橄欖的影響,抑制油橄欖對氮素的吸收與轉化利用,從而降低NPFP。圖4顯示,N1、N4條件下,各灌水處理間iWUE差異不顯著;N2、N3條件下,I1處理的iWUE大于其他處理;I1條件下,各施氮處理間的iWUE差異不顯著;I2條件下,N4I2處理的iWUE較大,為84.44 kg/m3;I3、I4條件下,N4處理的iWUE高于其他處理。

圖中不同小寫字母表示相同施氮條件下不同灌水量處理之間存在顯著差異(P<0.05)。N1:0 kg/hm2 N;N2:150 kg/hm2 N,低氮;N3:300 kg/hm2 N,中氮;N4:450 kg/hm2 N,高氮;I1:50.00%I4;I2:66.66%I4;I3:83.33%I4;I4:90.00%θfc。θfc為田間最大持水量。圖2 不同水氮處理對橄欖油品質的影響Fig.2 Effects of different water and nitrogen treatments on olive oil quality

表8 灌水、施氮、水氮耦合處理對水氮利用的影響

圖中不同小寫字母表示相同施氮條件下不同灌水量處理之間存在顯著差異(P<0.05)。N1:0 kg/hm2 N;N2:150 kg/hm2 N,低氮;N3:300 kg/hm2 N,中氮;N4:450 kg/hm2 N,高氮;I1:50.00%I4;I2:66.66%I4;I3:83.33%I4;I4:90.00%θfc。θfc為田間最大持水量。圖3 不同水氮處理對氮肥偏生產力(NPFP)的影響Fig.3 Effects of different water and nitrogen treatments on nitrogen partial factor productivity (NPFP)

圖中不同小寫字母表示相同施氮條件下不同灌水量處理之間存在顯著差異(P<0.05)。N1:0 kg/hm2 N;N2:150 kg/hm2 N,低氮;N3:300 kg/hm2 N,中氮;N4:450 kg/hm2 N,高氮;I1:50.00%I4;I2:66.66%I4;I3:83.33%I4;I4:90.00%θfc。θfc為田間最大持水量。圖4 不同水氮處理對灌溉水利用效率(iWUE)的影響Fig.4 Effects of different water and nitrogen treatments on irrigation water use efficiency (iWUE)

2.4 橄欖油綜合品質評價

對橄欖油品質指標的實測值進行歸一化處理,采用TOPSIS法計算不同處理下橄欖油整體品質與最優方案的貼合度(Ci)。Ci值的大小能直接反映出橄欖油綜合品質的優劣。表9顯示,I1、I2和I3處理下,Ci值的大小為N2>N3>N4>N1;即橄欖油綜合品質的優劣表現為N2>N3>N4>N1。I4處理下,Ci值的大小為N3>N1>N2>N4。相同施氮條件(N1除外)下,Ci值隨著灌水量的增加表現為先增大后減小。N1I3處理的Ci值最小(0.111),N2I2處理的Ci值最大(0.787)。

2.5 油橄欖水氮耦合方案綜合評價

本試驗條件下,將油橄欖鮮果產量、橄欖油品質指標、NPFP和iWUE作為綜合評價指標,運用綜合評分法對不同水、氮處理進行綜合分析與評價。首先利用變異系數法求出各項指標所占權重。其中,品質權重占比最高(0.500),NPFP次之(0.281),產量權重占比0.128,iWUE所占權重最小(0.091)。然后計算各項指標的隸屬度,最后求出綜合得分。綜合得分越高,表明水氮處理越優。表10顯示,綜合得分最高為0.753(N2I3處理),其次為0.690(N2I4處理)。

表9 基于TOPSIS法的不同水氮處理橄欖油綜合品質評價及排序

3 討 論

農田水肥管理一方面可以使土壤-作物水分、養分供應關系達到最佳狀態,另一方面對于實現節水省肥、提質增效的目標發揮著重大作用[23-28]。作物產量對于不同的水肥管理制度表現出明顯差異,如水肥虧缺時補充灌溉與施肥可增加產量,隨著土壤肥力的提高水分作用會逐漸增大;水肥交互作用對作物產量的影響存在閾值,低于閾值,隨著水肥投入的增加增產效果明顯,高于閾值,增產效果不大[29]。

作物產量的提高是農業實踐生產中最直接的追求目標。施肥對油橄欖年內產量無顯著影響,但年際變化差異顯著[30]。Ahumada-orellana等[31]研究發現水分脅迫對橄欖油產量無明顯影響,輕度、中度水分脅迫對年內鮮果產量無顯著影響,而年際變化存在顯著差異,中高度、重度水分虧缺對鮮果產量及構成要素造成嚴重影響。本研究結果表明,灌水、施氮處理對油橄欖鮮果產量有極顯著影響,水氮耦合處理對鮮果產量影響不顯著;低氮、中氮條件下灌水量對產量影響不穩定,高氮條件下灌水量對產量有較強的正效應,但存在閾值。與上述研究結果不同可能是因為試驗區氣候條件不同。西班牙中部和智利馬烏萊地區屬于典型的地中海氣候,冬季溫暖多雨,夏季炎熱干燥,年降雨量僅367 mm;龍泉山區屬于亞熱帶季風氣候,冬季溫和多雨,夏季高溫多雨、雨熱同期,年降雨量達820 mm并且較多集中在夏季,這與地中海氣候差異較大,會對油橄欖花芽分化、開花座果及果實產量、品質造成嚴重影響。

表10 基于綜合評分法的油橄欖水氮耦合方案綜合得分

灌水、施肥、水肥耦合處理對作物肥料偏生產力影響極顯著[32]。施肥量一定,調節不同生育期施肥占比可提高作物產量和肥料偏生產力[33]。本研究結果表明,灌水、施氮處理對NPFP和iWUE影響極顯著,水氮耦合處理對NPFP和iWUE影響不顯著;相同施氮條件下,NPFP隨灌水量的增加總體呈上升趨勢;相同灌水條件下,NPFP隨著施氮量的增加總體呈降低趨勢。與上述結果存在差異的原因可能是不同作物對水、肥需求的關鍵期不同,水肥施用方式、施用量、施用階段均會對作物的水肥吸收、利用與轉化產生較大影響;不同營養元素對作物的響應不同,磷和鉀參與植物糖類代謝,鉀可加強植物對磷的吸收利用及光合產物的運輸,促進植株體內氮代謝[34]。適宜的灌水量與施肥量耦合才能產生協同作用,促進水分與養分的吸收利用[35]。

本研究發現灌水、施氮、水氮耦合處理對棕櫚油酸含量影響顯著,水氮耦合對棕櫚油酸含量的影響呈“單峰型”,能提高其含量,但存在閾值,這與張夸云等[36]得出“水肥調控可顯著提高棕櫚油酸含量”的結論不完全一致。其原因可能在于:油橄欖品種繁多,不同品種、樹齡對不同的施肥方式、施肥時段以及化肥種類的響應規律存在較大差異。張夸云等[36]以雨養方式為對照,著重于探究單項或組合調控處理對油橄欖果實品質的影響。曲繼鵬等[13]研究發現,低氮處理對橄欖油酸值和總多酚含量無顯著影響;施氮量達到150 kg/hm2時會顯著增加橄欖油酸值,降低總多酚含量;高氮處理會顯著降低油酸含量,增加棕櫚油酸、亞油酸含量。本研究結果表明灌水、施氮、水氮耦合處理對酸值影響顯著,與上述結果不同的原因可能在于:二者氮肥梯度設置差異較大,前者氮肥梯度為0 kg/hm2、75 kg/hm2、150 kg/hm2、225 kg/hm2,氮肥施用量過低不能滿足植株的需求,更無法在品質上體現出氮素的影響效果。

綜上所述,水氮耦合對橄欖油品質的影響極顯著(P<0.01),對鮮果產量和水氮利用效率的影響不顯著(P>0.05)。N2I3處理的不飽和脂肪酸含量較高,為91.89%;N4I3處理的鮮果產量和灌溉水利用效率較高,分別為11 027 kg/hm2、85.22 kg/m3;N2I4處理的氮肥偏生產力較高,為66.00 kg/kg。依據綜合評分法,N2I3處理得分最高(0.753);利用TOPSIS法進行橄欖油品質分析,N2I2處理的橄欖油品質最優。