微咸水补灌对黄河三角洲小麦旗叶衰老及产量构成的影响

董欢欢，李梅桢，谷强远，韩伟，武迪，刘义国，万雪洁，师长海

（1.青岛农业大学/山东省旱作农业技术重点实验室，山东 青岛 266109；2.山东省农业技术推广中心，山东 济南 250100）

小麦是我国主要的粮食作物之一，小麦产业发展直接关系到国家粮食安全和社会稳定［1］。黄河三角洲地区由于泥沙沉积和海水浸渍，盐碱成分逐渐沉积，导致土壤盐碱化［2］。该地区有大量中轻度盐碱地，是小麦生产重要的后备耕地资源。该地区降水量少，蒸发量大，小麦生长季常遇干旱，容易遭受盐旱双重胁迫［3］。灌溉是保证小麦获得高产的重要手段之一。农业灌溉用水量大和水资源不合理开采利用使该地区淡水资源日益减少，迫使我们把目光转移到黄河三角洲丰富的微咸水资源上［4，5］。因此，探索小麦关键生育期进行合理微咸水灌溉对盐碱地小麦高产稳产具有重要意义。

国内外研究表明，微咸水（1～3 g/L）可以用来灌溉农作物，适当浓度的微咸水对作物产量影响较小，却能节约较多的淡水资源［6-8］。采用矿化度3 g/L微咸水喷灌处理，小麦叶片水分利用效率可以提高37.0%～106.8%；拔节期2 g/L微咸水喷灌高氮处理的小麦叶片净光合速率比淡水喷灌处理高5.1%［9］。且微咸水灌溉与旱作相比产量增加［10。11］。渤海地区采用2 g/L微咸水灌溉小麦产量比旱作、淡水处理分别高32.8%、16.7%；而4 g/L微咸水灌溉也比旱作与淡水灌溉分别增产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盐碱土的含水率和根系土层的保水性。且灌溉水矿化度低于3g/L对土壤表层盐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发生水分胁迫导致土壤积盐，影响作物生长发育及干物质积累甚至导致作物减产［15，16］。微咸水灌溉会将盐分带入土壤，盐分随着土壤水蒸发上移，导致土壤表层盐分积累［17，18］。随微咸水矿化度的增加，小麦叶面积、株高、干物质和产量降低［19］。关于不同咸淡水交替灌溉对冬小麦生长及产量影响的研究表明，相同的咸淡水交替灌溉方式下，微咸水矿化度越大，对冬小麦生长及产量影响越大，而相同矿化度处理下，微咸水灌溉时期越靠前对小麦生长发育及产量影响越大［20］。刘小媛等［21］分析不同矿化度微咸水对重度盐碱土入渗的影响时指出，累积入渗量、湿润峰运移深度、土壤含水率随微咸水矿化度的增加而增加。

由以上分析看出，尽管前人就微咸水灌溉对小麦生长发育影响的研究取得一定进展，但其对农作物是否有利存在一定争议。为此，本试验以青麦6号为材料，采用不同矿化度的微咸水进行灌溉试验，研究黄河三角洲地区微咸水灌溉对小麦旗叶衰老及产量构成的影响，以探明适合该地区小麦生长及满足产量要求的灌溉水矿化度，为小麦生产和微咸水资源利用提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验点位于黄河三角洲的山东省利津县汀罗镇，距黄河故道约2 km（118°40′E，37°65′N）。该地属于暖温带大陆性季风气候，年平均气温12.5℃，年平均降水量735 mm。土壤为黏质潮土，播种时0～20 cm土层土壤含盐量平均为2.01g/kg（土壤含盐量范围1.72‰～2.18‰），有机质14.96 g/kg、全氮1.26 g/kg、碱解氮95.34mg/kg、有效磷4.31 mg/kg、速效钾201.1 mg/kg，pH值8.03。

1.2 试验材料、设计与田间管理

供试小麦品种为青麦6号。

试验设4个微咸水灌溉处理，灌溉水含盐量分别为0、2、3、4 g/L，其中0 g/L为淡水对照（CK）。采用随机区组设计，重复3次。小区面积6 m×8 m=48 m2。

播前基施磷酸二铵252 kg/hm2（N、P2O5含量分别为21.2%、53.8%）、硫酸钾75 kg/hm2（K2O含量34.0%），于拔节期追施尿素（N含量46.0%）537 kg/hm2。4月21日前降水量较少，小麦生育后期降雨量如图1所示，开花期后降雨较多。

图1 试验点小麦生育后期降雨量

于2018年10月20日等行距播种，行距22cm，播种量为150 kg/hm2。翌年4月1日（拔节期）进行微咸水滴灌，5月20日灌1次淡水。灌咸水时，先按比例将海盐（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）溶解到目标浓度，而后灌溉，灌溉量为60 mm。其它管理措施同一般大田，2019年6月14日取样测产。

1.3 取样和测定方法

1.3.1 土壤含盐量 于小麦播种前和收获后用土钻取0～160 cm土壤，每隔20 cm取一份样，于通风背阴处风干后用质量法测定土壤含盐量。

1.3.2 光合参数 小麦开花期选晴朗无云天气，于当天9∶00—11∶00采用Li-6800便携式光合作用测定仪（美国）测定净光合速率（Pn）和蒸腾速率（Tr）。测定采用闭合式气路，CO2浓度为385μmol/L，选择红蓝光源叶室，光合有效辐射为1 000μmol/（m2·s）。每小区取3片生长一致的旗叶进行测定。蒸腾效率：叶片净光合速率与蒸腾速率的比值。

1.3.3 产量性状 成熟后各处理随机取3个1m2样方小麦收割脱粒，自然晒干称重，计算公顷产量，并随机取1 000粒，称其千粒重。采用Li-3000A型叶面积仪每小区随机测量20片旗叶，然后摘下叶片于105℃杀青1 h、80℃烘干至恒重，测得比叶重（LSW=DM/LA，LSW为比叶重，DM为叶片干物质重，LA为测得的叶面积）。收获指数（%）=籽粒产量/生物产量×100。

1.3.4 生理生化特性 于开花期选同日开花的小麦植株进行标记，继而取其健康旗叶30片，液氮处理后超低温保存，用于指标测定。超氧化物歧化酶活性、脯氨酸含量参考李合生［22］的方法测定，过氧化物酶活性采用Sigma法测定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定。

1.4 数据处理

试验采用Microsoft Excel 2013和SAS软件进行数据处理、图表绘制和统计分析。

2 结果与分析

2.1 微咸水补灌对土壤含盐量的影响

由图2可知，除淡水处理外其它各处理麦收后0～40 cm土层土壤含盐量均高于播种前，且差异较大，3、4 g/L灌溉处理较对照分别增加53.9%、47.4%，表现为随着咸水浓度增加土壤含盐量也明显增加，3、4 g/L微咸水灌溉下土壤表层积盐严重；60～100 cm土层土壤含盐量变化较小，且各处理含盐量差异不显著。

2.2 微咸水补灌对小麦光合特性的影响

4 g/L灌溉处理下小麦净光合速率分别比0、2、3 g/L处理低18.3%、14.0%和13.3%，且差异显著，而其它各处理间无显著差异（图3A）。由图3B可知，随着灌溉水含盐量增加，蒸腾速率逐渐下降，且4 g/L灌溉处理显著低于其它处理，2 g/L与3 g/L处理无显著差异，4 g/L处理蒸腾速率比对照低31.0%。蒸腾效率随微咸水浓度增大而增大，4 g/L微咸水灌溉处理的蒸腾效率显著高于对照，其它处理间差异不显著（图3C）。

2.3 微咸水补灌对小麦农艺性状的影响

由表1可以看出，随着微咸水浓度增加，各处理小麦千粒重无显著差异，产量与收获指数则逐步下降。2 g/L灌溉处理下株高、比叶重、千粒重、产量及收获指数与对照相比均无显著差异。随着灌溉水含盐量的增加，小麦株高、收获指数降低，4 g/L灌溉处理显著低于0、2 g/L处理。3、4 g/L灌溉处理的产量显著低于0、2 g/L处理。

表1 微咸水补灌对小麦生长及产量的影响

2.4 微咸水补灌对小麦旗叶衰老的影响

2.4.1 对MDA含量的影响 由图4可见，小麦旗叶MDA含量随微咸水浓度增加呈上升趋势，4g/L灌溉处理下小麦MDA含量分别比0、2 g/L和3 g/L处理高169.8.0%、144.2.0%和43.9%，且差异显著，而2 g/L微咸水灌溉较对照无显著差异。

图4 微咸水补灌对小麦旗叶MDA含量的影响

2.4.2 对可溶性糖及脯氨酸含量的影响 随着微咸水浓度增加，小麦旗叶可溶性糖含量也随之增加。其中，3、4 g/L灌溉处理下小麦旗叶可溶性糖含量显著高于对照，2 g/L灌溉处理与对照无显著差异，4 g/L灌溉处理比0、2 g/L处理分别高31.6%、22.8%（图5A）。脯氨酸含量随着微咸水浓度增加先增加后减少，其中2、3 g/L灌溉处理下小麦旗叶脯氨酸含量显著高于对照（图5B）。

图5 微咸水补灌对小麦旗叶可溶性糖与脯氨酸含量的影响

2.4.3 对抗氧化酶活性的影响 逆境条件下，植物通过提高抗氧化酶活性来清除体内的氧自由基，缓解逆境损害［23］。由图6A可知，随着微咸水浓度增加，小麦旗叶超氧化物歧化酶（SOD）活性先增强后降低，2 g/L灌溉处理下SOD活性显著高于0、4 g/L处理。POD活性随着微咸水浓度增加而降低，3、4 g/L灌溉处理下旗叶POD活性显著低于0、2 g/L处理，4 g/L处理分别比0、2、3 g/L处理低46.4%、45.7%和35.0%（图6B）。

图6 微咸水补灌对小麦旗叶SOD、POD活性的影响

3 讨论

3.1 微咸水滴灌对土壤理化性质的影响

田间土壤水盐分布是设计灌溉方案的重要因素，要高效可持续利用微咸水资源，掌握微咸水入渗下的土壤水盐分布规律是至关重要的［24］。本研究发现，随灌溉水含盐量的增加土壤含盐量呈上升趋势，3 g/L和4 g/L微咸水滴灌处理下0～60 cm土层积盐严重。表层是作物根系的主要聚集处，这可能会对小麦生长发育影响较大［25］。长期进行微咸水灌溉或灌溉水矿化度增加都会导致土壤表层盐分聚集，且盐分会随着降雨或灌溉向下运移到作物根层，从而抑制作物对水分及养分的吸收［26］。土壤盐分随着灌溉水矿化度和灌溉量的增加而增加，非充分灌溉更容易使土壤表层积盐［27］。本研究中120～160 cm土层随灌溉水矿化度增加土壤含盐量也逐渐增加，这可能是因为取样前强降雨引起的盐分下移所致。而郭丽等［28］研究表明，长期灌溉咸水土壤盐分明显增加，灌溉处理后盐分均集中于50～80 cm土层，该研究结论与本研究不一致，其原因可能是连续6～7年长期灌溉盐分随水分运转向下渗透所致。黄河三角洲地区是否有类似现象还需进一步研究。

3.2 微咸水滴灌对小麦光合特性及农艺性状的影响

微咸水灌溉一定程度上会危害作物生长发育，影响作物光合作用及蒸腾速率［6］。关于微咸水灌溉对小麦光合及农艺性状的影响相关研究很多，但由于试验设计、小麦品种、气候、土壤等因素，研究结果不尽相同。庞桂斌等［29］研究表明，拔节、灌浆期采用3 g/L微咸水灌溉，小麦叶片气孔导度和蒸腾速率降低，但净光合速率变化却不显著，可能存在非气孔因素影响。王海霞等［30］研究表明受微咸水灌溉的影响，冬小麦灌浆期的蒸腾速率显著下降，光合速率、气孔导度降低但差异不显著。陈素英等［31］研究表明微咸水灌溉和咸淡轮灌的光合速率低于淡水灌溉。本研究中，2 g/L微咸水灌溉处理下小麦净光合速率和蒸腾效率与淡水（对照）无显著差异；而4 g/L处理下净光合速率和蒸腾速率均显著低于其它处理，但蒸腾效率显著高于对照，说明光合速率降幅小于蒸腾速率，也可能存在光合作用的非气孔因素影响，与前人试验结论基本一致。

不同咸水浓度对小麦农艺性状有一定的影响，含盐量超过一定浓度小麦受盐胁迫影响其株高、叶面积指数降低［19］。吴儒刚等［32］研究表明，盐胁迫下单株成穗数与株高呈显著正相关，随着盐分增加小麦单株成穗数与株高的相关性增大。中国科学院南皮生态农业试验站在渤海地区进行长期微咸水灌溉试验，其研究表明冬小麦拔节期灌溉使用低于4 g/L的微咸水与淡水灌溉相比产量无显著差异，与旱作相比小麦产量增加［33］。小麦穗长、穗粒数、千粒重及产量随咸水矿化度的增加先增加后减少，而株高、叶面积随咸水矿化度的增加而减小，灌溉浓度大于3 g/L时逐渐减少［34］。本研究中，3 g/L咸水灌溉处理的比叶重显著低于对照（淡水），而4 g/L处理的比叶重与对照无显著差异，其原因可能是盐胁迫抑制了叶片扩展或者同化物的输出，使单位面积重量增加导致。0、2 g/L灌溉处理下小麦产量显著高于3、4 g/L处理，而各浓度咸水处理条件下千粒重无差异，因此咸水灌溉造成产量差异的主要原因可能是群体穗数和穗粒数。小麦拔节期4 g/L咸水灌溉穗粒数降低的原因可能是，该浓度咸水灌溉影响了穗分化，而2、3 g/L咸水灌溉对产量和收获指数影响不显著。前人研究表明，尽管咸水灌溉会增加土壤含盐量，但咸水浓度在3 g/L以下对土壤盐分及作物生长发育影响较小［35］，与本试验结果一致。

3.3 微咸水滴灌对小麦衰老生理性质的影响

植物在逆境下，往往发生膜脂过氧化作用，产生MDA［36］。随灌溉水矿化度的增加，小麦植株叶片的相对电导率、MDA含量、Pro含量均表现出增加趋势，反映了作物的逆境反应特性，说明灌溉水矿化度越高，对小麦的伤害程度越大［37］。植物在衰老过程或遭受逆境胁迫时，体内活性氧的代谢平衡遭到破坏，植物会启动自身的保护机制，主要表现为活性氧清除系统的酶活性增强和渗透调节物积累［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胁迫能力的强弱。本研究中，小麦旗叶MDA含量随微咸水浓度增加呈上升趋势，且4 g/L处理较其它处理差异显著，说明灌溉水含盐量越高，对小麦的伤害程度越大，细胞膜透性越大，积累的MDA含量也越多；而脯氨酸含量和超氧化物歧化酶（SOD）活性随灌溉水含盐量增加而减少，2 g/L微咸水处理下小麦脯氨酸含量和SOD活性显著高于0、4 g/L处理，可能是因为低浓度咸水灌溉时，小麦可以通过累积脯氨酸，提高SOD活性来抵御盐胁迫，但是，当灌溉水盐浓度达到4 g/L时，胁迫程度超出SOD的调节范围，而脯氨酸合成累积可能受到抑制。小麦旗叶可溶性糖含量随灌溉水含盐量增加而增加，说明可溶性糖含量对微咸水灌溉也做出了响应。

4 结论

本研究表明，黄河三角洲地区实施微咸水灌溉会对小麦产量及叶片衰老特性产生影响，即随着灌溉水含盐量增加小麦产量呈下降趋势，但含盐量2 g/L处理对土壤含盐量影响较小，此时小麦可以通过积累脯氨酸和提高SOD活性来延缓旗叶衰老，维持同化物合成，且产量与对照淡水相当。因此，在淡水资源不足条件下，2 g/L微咸水灌溉可以替代淡水进行小麦关键生育期补灌。但不同地区微咸水灌溉受各区域气候条件、土壤盐碱类型和管理措施等影响而有所不同，所以需要通过该地区长期定位试验进一步探讨。