武育芳，楊官凱，曹行行，王曉東，張雪艷

(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水量呈現(xiàn)急劇增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，農(nóng)業(yè)灌溉用水量約占總用水量的62%[1]。寧夏地區(qū)主要依靠黃河水來(lái)滿足農(nóng)業(yè)用水需求，但近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生態(tài)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的提高，黃河的可用水量逐漸減少，使得淡水資源的供需矛盾日益突出。盡管節(jié)水灌溉、高效用水等措施不斷推出，但依舊難以滿足寧夏地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水的需求。而我國(guó)地下微咸水分布的面積廣，總量大，其中西北地區(qū)地下微咸水資源為88.6億m3·a-1，可開(kāi)采量為42.390億m3·a-1[2]，因此利用微咸水緩解農(nóng)業(yè)用水供需矛盾具有很大潛力[3]。

微咸水灌溉具有兩面性，一方面為植物生長(zhǎng)提供所需要的水分，另一方面長(zhǎng)期大量灌溉會(huì)導(dǎo)致土壤含鹽量升高，甚至使土壤鹽堿化，造成植物生長(zhǎng)受限、產(chǎn)量和品質(zhì)下降，最終影響經(jīng)濟(jì)效益。因此，減輕鹽脅迫對(duì)植物的危害成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。前人對(duì)合理灌水制度、添加緩解物質(zhì)等方面進(jìn)行了較多研究，其中，添加緩解鹽脅迫物質(zhì)是減輕鹽脅迫對(duì)植物危害的有效途徑之一，而蚯蚓糞和生物炭在緩解鹽脅迫、改善作物生長(zhǎng)發(fā)育方面應(yīng)用廣泛[4-5]。蚯蚓糞是蚯蚓轉(zhuǎn)化廢棄物后的二次產(chǎn)物，有很好的通氣性和排水性，具有良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和較大的表面積，能夠促進(jìn)許多有益微生物的繁殖與活性，并且具有良好吸收和保持營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力，因此對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育有較好的促進(jìn)作用[6]。生物炭具有豐富的碳元素以及較強(qiáng)的穩(wěn)定性，且疏松多孔、容重小，可以提高作物對(duì)土壤養(yǎng)分的利用率，減少養(yǎng)分淋失，為微生物創(chuàng)造良好的生存空間，在較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)增強(qiáng)并保持土壤的生產(chǎn)能力[7]。陳莉莉等[8]研究得出，施用蚯蚓糞在短時(shí)間內(nèi)可降低土壤電導(dǎo)率和含鹽量，促進(jìn)青菜生長(zhǎng)和產(chǎn)量增加。孫萍等[9]研究表明，蚯蚓糞具有延緩和修復(fù)設(shè)施草莓土壤鹽漬化、促進(jìn)草莓生長(zhǎng)、提高草莓品質(zhì)和產(chǎn)量的效果。田飛等[10]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭作為隔鹽層可在鹽堿土淋洗改良中加快土壤脫鹽速率，使得土壤更快到達(dá)淋洗終點(diǎn)，縮短淋洗時(shí)間，優(yōu)于傳統(tǒng)的礫石隔鹽層。朱成立等[11]研究得出，生物炭能緩解微咸水灌溉造成的土壤鹽分表聚現(xiàn)象，減輕玉米受鹽脅迫的危害程度，使得玉米各生長(zhǎng)階段光合參數(shù)與葉綠素含量以及株高和葉面積有所增加，在高礦化度微咸水處理下效果尤其突出。另外草炭作為無(wú)土栽培的常用基質(zhì)也具有一定緩解鹽脅迫的能力[12]，但其為不可再生資源，儲(chǔ)量有限，因此混合添加其他基質(zhì)可減少草炭用量，對(duì)維持生態(tài)環(huán)境具有重要意義[13]。

番茄是我國(guó)重要的蔬菜作物，對(duì)鹽分十分敏感。關(guān)于灌溉水鹽分濃度對(duì)番茄生長(zhǎng)和土壤鹽分影響的研究較多，一定礦化度的微咸水灌溉可調(diào)節(jié)番茄的風(fēng)味、色澤和可溶性酸含量, 有利于提高番茄果實(shí)中的糖酸比, 改善番茄的品質(zhì)[14]。吳蘊(yùn)玉等[15]研究表明EC為3.0 dS·m-1的微咸水灌溉對(duì)番茄的生長(zhǎng)和產(chǎn)量是安全的，可明顯提高番茄果實(shí)的密度、可溶性固形物、總酸、Vc和糖酸比，提高番茄品質(zhì)。Li 等[16]研究發(fā)現(xiàn)微咸水和淡水按次交替灌溉一定程度上緩解了咸水灌溉對(duì)土壤與作物系統(tǒng)的不良影響，其番茄果實(shí)產(chǎn)量?jī)H略低于淡水灌溉，且顯著提高了番茄果實(shí)含糖量。目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)設(shè)施番茄水分調(diào)控和養(yǎng)分調(diào)控等相關(guān)研究較多，但在微咸水灌溉條件下添加緩解物質(zhì)對(duì)設(shè)施番茄光合特性、產(chǎn)量及品質(zhì)的研究較少。因此本試驗(yàn)采用草炭基質(zhì)栽培，設(shè)計(jì)添加生物炭和蚯蚓糞，并分別進(jìn)行淡水和微咸水灌溉，研究番茄植株生長(zhǎng)、光合熒光特性、果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量的變化，探究草炭添加生物炭和蚯蚓糞對(duì)不同灌溉水質(zhì)的響應(yīng)，為微咸水灌溉下番茄的持續(xù)高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在寧夏吳忠國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)日光溫室C區(qū)4號(hào)棚內(nèi)進(jìn)行，該試驗(yàn)地經(jīng)、緯度分別為106°38′54″ E、38°33′75″ N，海拔高度1 263 m。以番茄為研究對(duì)象，番茄品種為安特萊斯。采用下挖槽式栽培，栽培槽長(zhǎng)、寬、高為10 m×0.6 m×0.45 m，設(shè)計(jì)3種栽培基質(zhì)組合，并進(jìn)行淡水(f)和微咸水(b)灌溉，共為6個(gè)處理，即：(1)草炭+淡水灌溉(Pf)；(2)草炭+微咸水灌溉(Pb)；(3)草炭+蚯蚓糞+淡水灌溉(PEf)；(4)草炭+蚯蚓糞+微咸水灌溉(PEb)；(5)草炭+生物炭+淡水灌溉(PBf)；(6)草炭+生物炭+微咸水灌溉(PBb)。番茄采用雙行栽培，行距70 cm，株距45 cm。每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積6 m2。所有處理均采用滴灌供水，全生育期追肥‘以色列海法·魔力豐’(以色列海法(中國(guó))化學(xué)集團(tuán)有限公司生產(chǎn))，且所有處理灌水量和追肥量一致。微咸水的EC為3 mS·cm-1，淡水EC為1.15 mS·cm-1。草炭基質(zhì)由寧夏中青農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)，蚯蚓糞購(gòu)買(mǎi)自華盛綠能(寧夏)農(nóng)業(yè)科技有限公司，生物炭則是由玉米秸稈經(jīng)過(guò)炭化得到，由山東泰安精農(nóng)生物科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 樣品的采集和測(cè)定

1.2.1 株高和莖粗 番茄幼苗定植14 d后, 在每個(gè)處理小區(qū)內(nèi)選取代表植株5株，測(cè)定植株長(zhǎng)勢(shì)，包括株高、莖粗，連續(xù)測(cè)定4次，取其平均值。株高采用卷尺測(cè)量，為番茄根基部到頂部生長(zhǎng)點(diǎn)的長(zhǎng)度；莖粗采用游標(biāo)卡尺測(cè)定，為莖部距離地面1 cm處的直徑。利用測(cè)定的株高和莖粗計(jì)算株高相對(duì)生長(zhǎng)率(RGRh)和莖體積相對(duì)生長(zhǎng)率(RGRd)，計(jì)算方法如下：

RGRh=(lnh2-lnh1)/(T2-T1)

RGRd=[ln(d2d2h2)-ln(d1d1h1)]/(T2-T1)

式中,h1、d1和h2、d2分別代表在T1和T2時(shí)間的株高和莖粗[17]。

1.2.2 果實(shí)品質(zhì) 盛果期于每個(gè)處理小區(qū)中選取5個(gè)大小均勻、著色統(tǒng)一的代表性果實(shí)，測(cè)定果實(shí)品質(zhì)。采用折光儀測(cè)定可溶性固形物含量，采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定Vc含量，采用酸堿中和轉(zhuǎn)移法測(cè)定番茄有機(jī)酸含量，采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性總糖含量[18]。

1.2.3 光合特性 盛果期于每個(gè)處理小區(qū)中選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株3株，選擇在晴天用美國(guó)LI-6800便攜式光合儀測(cè)定葉片光合特性，測(cè)定時(shí)間為9∶00—11∶00，每個(gè)處理重復(fù)3次；并用美國(guó)PAM-OS5p便攜式葉綠素儀測(cè)定葉片熒光參數(shù)，葉片需暗適應(yīng)20 min。

1.2.4 干物質(zhì)量 采集植株樣品，將地上部和地下部分開(kāi)，測(cè)定植株鮮質(zhì)量后置于鼓風(fēng)烘箱中105℃下殺青, 然后80℃下烘干至恒重, 用天平稱(chēng)量地上部和地下部干物質(zhì)量。

1.2.5 果實(shí)產(chǎn)量 在果實(shí)成熟期采收，記錄不同處理小區(qū)番茄產(chǎn)量，按照小區(qū)面積折合公頃產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，均值通過(guò)單因素ANOVA進(jìn)行分析。采用Duncan進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基質(zhì)下咸、淡水灌溉對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響

由表1可以看出，各基質(zhì)處理在淡水和微咸水灌溉下株高和莖體積相對(duì)生長(zhǎng)率均無(wú)顯著差異，與淡水灌溉相比，微咸水灌溉下各基質(zhì)株高及莖體積相對(duì)生長(zhǎng)率均有所下降，但差異不顯著。

表1 不同基質(zhì)下咸、淡水灌溉對(duì)番茄植株株高及莖體積相對(duì)生長(zhǎng)率的影響Table 1 Effects of brackish and fresh water irrigation on relative growth rate of tomato plant height and stem volume under different substrates

不同基質(zhì)下咸、淡水灌溉對(duì)番茄植株生物量累積的影響見(jiàn)圖1，可以看出PBf的總生物量和地上部干物質(zhì)量均為最高，顯著高于Pf和PEf，而PEf和Pf之間差異不顯著，PBf相對(duì)于Pf，總生物量和地上部干物質(zhì)量分別顯著增加了32.01%和31.21%；在微咸水處理下，相對(duì)于Pb，PEb和PBb均有利于總生物量和地上部干物質(zhì)量的增加，總生物量分別增加了49.41%和63.59%，地上部干物質(zhì)量分別增加54.04%和61.27%。在相同基質(zhì)不同灌溉水處理下，與Pf相比Pb均顯著減低總生物量和地上部干物質(zhì)量。PEb相對(duì)于PEf顯著增加了總生物量和地上部干物質(zhì)量14.7%和18.03%。PBb和PBf處理下總生物量和地上部干物質(zhì)量間無(wú)顯著差異。

2.2 不同基質(zhì)下咸、淡水灌溉對(duì)番茄光合和熒光特性的影響

由圖2可以看出，與淡水相比，相同基質(zhì)下的微咸水灌溉可顯著增加WUE，Pb和PBb的Tr、Gs與Ci顯著降低，而PEb的Tr、Pn、Gs顯著提高。不同栽培基質(zhì)在淡水灌溉下對(duì)Ci無(wú)顯著影響，與Pf相比，PEf和PBf處理均顯著降低了Tr、Pn和Gs，PEf顯著降低了WUE，而PBf顯著增加了WUE，增幅為8.76%。微咸水灌溉下，PEb與PBb相比Pb提高了Pn和Gs，分別增加13.2%、32.69%和381.75%、71.94%，且PEb顯著增加了Tr，提高了111.85%，PBb顯著增加了WUE，增幅為23.27%。

由圖3可以看出，相對(duì)草炭處理(Pf)，添加蚯蚓糞(PEf)和生物炭(PBf)可顯著增加Fm和qP，增幅分別為20.84%、8.23%和33.24%、56.71% ，PBf的ETR顯著高于Pf和PEf，而Pf和PEf之間差異不顯著，但不同栽培基質(zhì)的Fv/Fm無(wú)顯著差異。微咸水灌溉下，相對(duì)Pb，PEb和PBb顯著降低了Fm，且PBb顯著增加了qP和ETR，分別增加了58.87%和14.35%，不同栽培基質(zhì)間Fv/Fm無(wú)顯著差異。

2.3 不同基質(zhì)下咸、淡水灌溉對(duì)番茄品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

由圖4可以看出，淡水灌溉下，PEf的可溶性固形物、Vc和可溶性糖含量均為最高，可溶性固形物顯著高于Pf和PBf19.9%和18.37，Vc含量顯著高于PBf40.64%，可溶性糖含量顯著高于Pf和PBf11.18%和26.91%，且PBf處理的Vc和可溶性糖含量均最低。在微咸水處理下，各栽培基質(zhì)Vc和有機(jī)酸含量間無(wú)顯著差異，PEb可溶性固形物含量顯著高于PBb處理，PBb和PEb處理相對(duì)Pb處理顯著降低了果實(shí)可溶性糖含量。相同基質(zhì)在不同灌水下可溶性固形物和有機(jī)酸含量間無(wú)顯著差異，而對(duì)可溶性糖的影響顯著。PEb相對(duì)PEf顯著降低了果實(shí)可溶性糖含量43.77%，而Pb和PBb相對(duì)Pf和PBf顯著增加可溶性糖含量10.72%和6.25%；對(duì)于Vc含量，PBb相對(duì)PBf顯著增加了37.43%，而Pb和PEb與Pf和PEf之間差異不顯著。

由圖5可知，微咸水與淡水相比，相同栽培基質(zhì)下各處理番茄產(chǎn)量均有所降低，但差異不顯著，其中草炭添加生物炭在不同灌溉水下均顯著高于草炭處理，與Pf相比，PBf處理顯著提高產(chǎn)量21.66%；與Pb相比，PBb處理顯著提高產(chǎn)量32.26%，而草炭添加蚯蚓糞與草炭處理之間差異不顯著。

2.4 不同處理間隸屬函數(shù)分析與綜合排序

由于單一指標(biāo)不能合理、科學(xué)地反映不同基質(zhì)對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響，因此結(jié)合生長(zhǎng)指標(biāo)、產(chǎn)量、品質(zhì)以及光合熒光特性進(jìn)行隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)分析。由表2可知，Pb和PBb相對(duì)于Pf和PBf處理顯著降低了綜合排名，而PEb相對(duì)于PEf處理排名有所上升。淡水灌溉下，PBf相對(duì)于Pf處理提高了綜合排名。微咸水灌溉下相對(duì)Pb處理，PEb、PBb均增加了綜合排名。

表2 不同處理隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)值及排序Table 2 Comprehensive evaluation and ranking of different treatments

3 討 論

鹽分脅迫是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要逆境因素之一,植物對(duì)鹽分脅迫的生理、生長(zhǎng)、品質(zhì)等響應(yīng)不同。本研究中各基質(zhì)處理在微咸水灌溉下對(duì)植株的株高及莖體積均無(wú)顯著影響，其原因可能是測(cè)量時(shí)鹽分累積不明顯，還未對(duì)植株造成嚴(yán)重的脅迫影響。與Pb相比，PEb與PBb處理在鹽脅迫下的總生物量和地上部干物質(zhì)量均顯著增加，總生物量分別增加了49.4%和63.3%，地上部干物質(zhì)量分別增加了54.04%和61.27%。這可能是土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀和有機(jī)物的含量由于添加蚯蚓糞而得到提高，從而使光合效率提高，進(jìn)而提高了生物量[19]。生物炭能夠提高植物總生物量的原因可能是通過(guò)促進(jìn)生長(zhǎng)素而增加植物細(xì)胞的擴(kuò)增，影響細(xì)胞壁松弛，從而促進(jìn)生物量的累積[20]。

光合作用是植物將光能轉(zhuǎn)換為可用于生命過(guò)程的化學(xué)能的過(guò)程，可直接反映植株對(duì)逆境的響應(yīng)能力[21]。本研究表明，Pb和PBb處理相對(duì)淡水灌溉顯著降低了Tr，這可能由于微咸水比淡水礦化度高，微咸水灌溉使得土壤水勢(shì)降低，從而影響作物根系吸水，造成生理缺水，使作物主動(dòng)調(diào)低氣孔導(dǎo)度，減少蒸騰[22]。PBb相對(duì)于PBf處理顯著增加了植株的光合速率，這與王建寧[23]的研究一致，可能是在較低的微咸水灌溉下生物炭通過(guò)增加通氣孔隙、提高土壤透氣性，改善養(yǎng)分供應(yīng)，使植物更容易從土壤中交換營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而促進(jìn)植物更好地生長(zhǎng)。相對(duì)淡水灌溉，PBb處理顯著降低了胞間CO2濃度，可能是“氣孔”因素導(dǎo)致在中午前后氣孔導(dǎo)度降低，造成胞間CO2濃度隨之減少。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠反映植物光合系統(tǒng)吸收和利用光能的能力[24]。本研究中淡水灌溉相對(duì)于Pf，PEf和PBf處理顯著增加了Fm和qP值，且PBf增加了ETR值, 說(shuō)明生物炭和蚯蚓糞的添加有利于提高植株的光合能力[25]，使番茄植株在PSII過(guò)程中用于熱消耗的光能較少，電子傳遞效率較高，光合能力較強(qiáng)。微咸水灌溉相對(duì)于Pb，PBb處理顯著增加了qP和ETR，增加量分別為58.87%和14.35%。這與生物炭改善黃連木葉綠素?zé)晒鈪?shù)的研究結(jié)果一致[26]，施用生物炭后植株的ETR值較對(duì)照有顯著提高，這與馮美玲[27]得出的結(jié)論相同，其原因可能是施用生物炭提高了植株葉片的葉綠素含量，使植株葉片光化學(xué)淬滅系數(shù)得到提高，增強(qiáng)了電子傳遞鏈的穩(wěn)定性，使得葉片用于光合電子傳遞的能量占所吸收光能的比例增加，從而提高植物的光能轉(zhuǎn)化效率，增大ETR值、qP值和Fv/Fm值。

此外，大量研究表明，鹽分脅迫有利于提高番茄果實(shí)的品質(zhì)[28-29]，本研究得出PEb相對(duì)PEf處理顯著降低了果實(shí)可溶性糖43.77%，這可能是因?yàn)轵球炯S具有良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，有很好的通氣性和排水性，能降低基質(zhì)的鹽分積累，減少滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的生成，而造成可溶性糖的含量下降[30]。Pb和PBb相對(duì)淡水灌溉顯著增加可溶性糖含量，在鹽脅迫下, 植物細(xì)胞內(nèi)一些大分子物質(zhì)趨向于水解，使細(xì)胞內(nèi)可溶性糖含量增加，可溶性糖能提高細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力和原生質(zhì)保護(hù)能力[31],由此可知草炭和生物炭對(duì)鹽脅迫的緩解作用略低于蚯蚓糞。PBb相對(duì)PBf處理顯著增加Vc含量37.43%，有研究表明，肥料中的中量元素可以有效提高Vc含量，而生物質(zhì)炭自身含有礦質(zhì)養(yǎng)分(鉀、鈣、鎂、硫、硅等)[32]，并且生物炭能夠影響作物體內(nèi)碳水化合物的合成與分配，提高土壤肥力,提高作物品質(zhì)。淡水灌溉下，PEf處理的可溶性固形物、Vc和可溶性糖含量均最高，在微咸水處理下，PEb可溶性固形物顯著高于PBb，這可能是因?yàn)轵球炯S中含有大量有益微生物，而微生物對(duì)土壤中的有效成分進(jìn)行活化, 分泌生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素、赤霉素等植物激素及大量多糖，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量和改良作物品質(zhì)[33]。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)草炭添加蚯蚓糞和生物炭在淡水與微咸水下均有明顯增產(chǎn)效果，蚯蚓糞有機(jī)肥中大量的氨基酸和植物生長(zhǎng)激素對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)有顯著促進(jìn)作用，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[34]。生物炭可以通過(guò)改變土壤結(jié)構(gòu)來(lái)提高土壤持水能力[35]，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量。

4 結(jié) 論

1)各基質(zhì)處理在淡水和微咸水灌溉下株高和莖體積相對(duì)生長(zhǎng)率均無(wú)顯著差異。與草炭處理相比，在淡水灌溉下草炭+生物炭顯著增加總生物量和地上部干物質(zhì)量；在微咸水灌溉下草炭添加蚯蚓糞和生物炭均顯著增加總生物量和地上部生物量。

2)相對(duì)草炭處理，淡水灌溉下，添加蚯蚓糞和生物炭可顯著增加Fm和qP，在微咸水灌溉下，草炭添加蚯蚓糞與生物炭均顯著增加光合速率和氣孔導(dǎo)度，且草炭+生物炭顯著提高WUE、qP和ETR。

3)與草炭相比，淡水灌溉下草炭+蚯蚓糞顯著增加果實(shí)可溶糖以及可溶性固形物含量，微咸水灌溉下草炭+蚯蚓糞的可溶性固形物含量顯著高于草炭+蚯蚓糞處理。各基質(zhì)處理的產(chǎn)量低于淡水處理，但是相比草炭處理，草炭添加生物炭產(chǎn)量顯著增加。

4)綜合分析表明，草炭添加生物炭和蚯蚓糞均有利于緩解微咸水脅迫，提高作物生物量。在不同灌溉水條件下，草炭+生物炭的處理綜合評(píng)價(jià)值均為最高。