齊曉晨,葉祖鵬,趙 庫,韓 偉,陳波浪
(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052)
甜瓜喜溫、耐熱、怕低溫,栽培歷史悠久,是新疆重要的經(jīng)濟(jì)作物,至2016年新疆甜瓜種植面積已達(dá)到 8.22 萬 hm2,產(chǎn)量為 292 萬 t[1]。目前甜瓜的增產(chǎn)主要依靠化肥的高度投入[2],該方法雖在短期內(nèi)獲得了較高的經(jīng)濟(jì)效益,但同時(shí)造成了土壤退化、資源耗竭、環(huán)境污染等諸多負(fù)面影響[3],難以保障甜瓜種植效益的可持續(xù)提升[4]。綠肥是一種清潔有機(jī)肥源,翻壓后能增加土壤可溶性有機(jī)物[5-6],調(diào)節(jié)土壤酸堿度[7],改善土壤養(yǎng)分狀況[8-11],同時(shí)對(duì)作物提質(zhì)增產(chǎn)具有良好效果[11-12]??喽棺樱⊿ophora AlopecuroidesL.)是豆科(Leguminosae)槐屬的多年生草本植物,具有耐旱、耐鹽堿、抗風(fēng)沙性等,苦豆子不僅根系發(fā)達(dá),是一種優(yōu)良的水土保持植物,而且其根莖中蛋白含量較高,也是一種優(yōu)質(zhì)、清潔的綠肥,在新疆民間傳統(tǒng)瓜果種植中常將苦豆子作為追肥施用,新疆苦豆子可作為綠肥的總貯量在10萬t以上[13]。合理開發(fā)、利用苦豆子資源,對(duì)改善生態(tài)環(huán)境和提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要作用。
光合作用為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供能量,并影響其水碳循環(huán)和物質(zhì)分配。作物產(chǎn)量的90%~95%來自于光合過程中同化合成的有機(jī)物質(zhì),因此,可通過直接或間接改善作物光合性能來實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。張向前等[14]、許菁等[15]、何建寧等[16]研究發(fā)現(xiàn),合理耕作方式能增加冬小麥的葉綠素含量,提高胞間CO2利用能力、光合速率和籽粒產(chǎn)量。魏峭嶸等[17]、吳曉麗等[18]、崔志燕等[19]研究表明科學(xué)的氮肥管理模式下馬鈴薯、小麥、煙葉等作物SPAD值與產(chǎn)量成正相關(guān),光合性能和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量顯著提高。此外,李佳佳等[20]、張珂珂等[21]研究發(fā)現(xiàn)水分調(diào)控對(duì)改善春玉米、小麥的光照環(huán)境,提高其光合生產(chǎn)力和產(chǎn)量具有良好的促進(jìn)作用。綜上所述,前人研究主要集中于作物光合作用對(duì)不同種植模式、化肥肥料施用量、水分調(diào)控的響應(yīng),而綠肥對(duì)作物光合特性的日變化規(guī)律和產(chǎn)量及品質(zhì)的研究較少,尤其是綠肥對(duì)立架甜瓜光合性能的研究更少。因此,本研究通過盆栽試驗(yàn),以新疆特色“伽師瓜”為試驗(yàn)材料,探討苦豆子綠肥對(duì)立架甜瓜土壤養(yǎng)分狀況、葉片光合特性的日變化規(guī)律、單果重及品質(zhì)的影響。以期確定最佳苦豆子綠肥施用量,為甜瓜高產(chǎn)、高效可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。
盆栽試驗(yàn)于2015年5月1日~8月15日在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院的溫室中進(jìn)行。供試土壤質(zhì)地為壤土,pH值為8.86,有機(jī)質(zhì)含量為22.80 g·kg-1,堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為 92.6 、14.7 、259 mg·kg-1。
供試甜瓜品種為“伽師瓜”,培養(yǎng)盆缽選擇條盆(66.5 cm×26 cm×21 cm),每盆裝干土22kg,共15盆。模擬大田立架栽培。氮肥(N)用量為80 mg·kg-1,磷肥(P2O5)用量為100 mg·kg-1,鉀肥(K2O)用量為67 mg·kg-1,磷肥和鉀肥作為基肥一次性施入,氮肥施用量以60%作基肥,40%在伸蔓前期追施,尿素、重過磷酸鈣和硫酸鉀每盆的具體用量分別為2.296、4.783和2.933 g。
苦豆子綠肥施用量(干重)共設(shè) 5個(gè)水平:M0,0 g·株-1,對(duì)照處理;M1,100 g·株-1(相當(dāng) 于 30 t·hm-2);M2,200 g· 株-1( 相 當(dāng) 于60 t·hm-2);M3,300 g·株-1(相當(dāng)于 90 t·hm-2);M4,400 g·株-1,(相當(dāng)于 120 t·hm-2);每水平9重復(fù)??喽棺泳G肥(干物)以基肥施入,施用方式是在花盆1/3深處,將粉碎的苦豆子植株均勻填入花盆里,蓋土后踏實(shí)。待苗長(zhǎng)到3片真葉時(shí)定苗,每盆留長(zhǎng)勢(shì)均勻的甜瓜3株。人工及時(shí)澆水,其他管理措施同常規(guī)大田。
1.2.1 光合生理指標(biāo)日變化測(cè)定
分別選擇甜瓜苗期、伸蔓期內(nèi)無風(fēng)或微風(fēng)晴朗天(2015年6月24日、7月14日),用LI-6400便攜式光合系統(tǒng)分析儀(美國(guó))于10:00~18:00之間每隔2 h測(cè)定一次。每個(gè)處理隨機(jī)選取植株高度和生長(zhǎng)勢(shì)相近的3株,進(jìn)行測(cè)定其功能葉(從植株頂部向下第一片完全展開功能葉)的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Evap)、瞬時(shí)水分利用效率(iWUE),取平均值。iWUE=Pn/Evap[22]。
1.2.2 SPAD值測(cè)定
與葉片光合生理指標(biāo)測(cè)定同步,每個(gè)處理隨機(jī)選取3株植株功能葉用SPAD-502葉綠素計(jì)分別測(cè)定SPAD值,每個(gè)葉片記錄穩(wěn)定讀數(shù)3組,取平均值。
1.2.3 土壤養(yǎng)分含量測(cè)定
甜瓜苗期、伸蔓期各處理隨機(jī)選取3盆土樣混合均勻后取1kg,土樣自然風(fēng)干后過0.25和1 mm篩,用以測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀。有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定,堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定,有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3法測(cè)定,速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定[23]。
1.2.4 單果重及品質(zhì)測(cè)定
在甜瓜成熟期各處理隨機(jī)選取3個(gè)果實(shí)進(jìn)行測(cè)定,單果重用電子稱稱量,果實(shí)形態(tài)(果實(shí)縱、橫徑)用游標(biāo)卡尺測(cè)定,粗蛋白含量測(cè)定采用凱氏定氮法,Vc采用鉬藍(lán)比色法,水解后還原糖采用斐林試劑滴定法[23]。果形指數(shù)=橫徑/縱徑。
所獲數(shù)據(jù)用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用LSD法進(jìn)行差異顯著性分析(P<0.05),Pearson法進(jìn)行相關(guān)性分析(P<0.05,P<0.01), 以 Excel 2010和 Origin 9.0軟件繪圖。
不同苦豆子綠肥用量對(duì)甜瓜土壤養(yǎng)分含量影響見圖1,施用苦豆子綠肥能提高立架甜瓜土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量。苗期和伸蔓期M2-M4處理立架甜瓜土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于M0處理,分別提高了32.09%、40.43%、59.26%和52.14%、32.92%、70.05%。兩個(gè)生育期M2-M4處理較M0處理立架甜瓜土壤堿解氮含量差異顯著(P<0.05),分別提高了31.62%~259.45%、80.26%~226.63%。苗期土壤有效磷含量M2較M0處理顯著提高19.32%,伸蔓期M1-M4處理土壤有效磷含量則較M0顯著提高14.11%~53.78%,且各處理間差異顯著(P<0.05)。施用苦豆子綠肥處理的立架甜瓜土壤速效鉀含量均高于不施綠肥處理M0,苗期M2-M4處理較M0土壤有效磷含量顯著提高了4.75%~43.75%,伸蔓期M1-M4處理則提高了12.85%~51.63%。另外,苗期M2-M4處理和伸蔓期M4處理較M0立架甜瓜土壤pH值顯著降低。
圖1 苦豆子綠肥施用量對(duì)立架甜瓜土壤養(yǎng)分含量及pH值的影響
2.2.1 苦豆子施用量對(duì)立架甜瓜葉片凈光合速率日變化的影響
不同苦豆子綠肥施用量立架甜瓜葉片凈光合速率(Pn)具有明顯的日變化特征(圖2),除苗期M0、M3處理外,各處理為雙峰曲線變化特征。兩峰分別出現(xiàn)在12:00和16:00,且在14:00呈現(xiàn)“午休”現(xiàn)象。從整體來看,兩個(gè)生育期施用苦豆子綠肥處理高于不施苦豆子綠肥處理,且12:00時(shí)M2處理的Pn均達(dá)到最大值,分別比其他處理高7.9%~62.7%、11.0%~50.7%,各處理日平均Pn大小順序分別為M1>M2>M3>M4>M0(苗期)、M2>M3>M1>M4>M0(伸蔓期)。
圖2 苦豆子綠肥施用量對(duì)立架甜瓜葉片凈光合速率日變化的影響
2.2.2 苦豆子綠肥施用量對(duì)立架甜瓜葉片氣孔導(dǎo)度日變化的影響
不同苦豆子綠肥施用量立架甜瓜葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)日變化趨勢(shì)(圖3)與Pn日變化趨勢(shì)相同。兩個(gè)生育期,各處理10:00~12:00 Gs均高于16:00~18:00。苗期12:00~16:00和伸蔓期各時(shí)刻,施用苦豆子綠肥均能顯著增加立架甜瓜葉片Gs。在12:00,苗期M1處理Gs值最大, 比M0、M2、M3、M4分 別 高32.1%、4.1%、27.7%、15.3%;伸蔓期則M2處理Gs值最大,比其他處理依次高84.6%、27.0%、35.0%、34.4%。苗期和伸蔓期各處理日平均Gs大小順序分別為M1>M2>M4>M3>M0、M2>M4>M1>M3>M0。
圖3 苦豆子綠肥施用量對(duì)立架甜瓜葉片氣孔導(dǎo)度日變化的影響
2.2.3 苦豆子綠肥施用量對(duì)立架甜瓜葉片蒸騰速率日變化的影響
如圖4所示,苗期立架甜瓜葉片蒸騰速率(Evap)日變化亦呈雙峰曲線,在14:00時(shí)出現(xiàn)低谷,在12:00和16:00時(shí)出現(xiàn)峰值。12:00時(shí)M1、M3處理Evap大于M0,分別高9.7%、8.2%,其他時(shí)刻施用苦豆子綠肥對(duì)Evap沒有促進(jìn)作用。伸蔓期M0-M2處理Evap日變化曲線呈雙峰型,M3、M4處理則為單峰曲線,各處理均在12:00出現(xiàn)峰值,其中僅M4處理Evap值高于M0(高27.4%)。
圖4 苦豆子綠肥施用量對(duì)立架甜瓜葉片蒸騰速率日變化的影響
2.2.4 苦豆子綠肥施用量對(duì)立架甜瓜葉片瞬時(shí)水分利用效率日變化的影響
由圖5可見,除M0處理外,苗期和伸蔓期立架甜瓜葉片水分利用效率(iWUE)日變化規(guī)律為雙峰變化趨勢(shì),苗期第一峰在10:00,第二峰在14:00~16:00,10:00時(shí)不同苦豆子綠肥施用量葉片 iWUE影響的大小順序是:M3>M2>M4>M0>M1。伸蔓期第一峰在10:00~12:00,第二峰在16:00~18:00。16:00不同苦豆子綠肥施用量對(duì)立架甜瓜葉片iWUE 影 響 的 大 小 順 序 是:M4>M3>M1>M0>M2;兩個(gè)時(shí)期日平均iWUE大小順序分別是:M2>M3>M4>M1>M0、M3>M4>M1>M2>M0。
圖5 苦豆子綠肥施用量對(duì)立架甜瓜葉片瞬時(shí)水分利用率日變化的影響
2.2.5 苦豆子綠肥施用量對(duì)立架甜瓜葉片SPAD值的影響
由圖6可知,立架甜瓜葉片SPAD值總體變化規(guī)律為:苗期>伸蔓期。苗期M2-M4處理SPAD值顯著高于M0,較M0分別提高了14.3%、34.7%、27.1%,伸蔓期施用苦豆子均能提高立架甜瓜葉片SPAD值,但各處理間差異不顯著,增幅為15.6%~19.6%。兩個(gè)生育期,M3處理SPAD值均達(dá)到了最大值,比其他處理依次高32.8%、40.5%、16.2%、1.4%和23.2%、4.8%、4.2%、1.0%。
圖6 苦豆子綠肥施用量對(duì)立架甜瓜葉片SPAD值的影響
2.2.6 立架甜瓜光合指標(biāo)與土壤養(yǎng)分指標(biāo)相關(guān)性分析
立架甜瓜光合特性與土壤養(yǎng)分相關(guān)性顯示(表1),土壤養(yǎng)分對(duì)立架甜瓜葉片Evap、iWUE、SPAD產(chǎn)生一定影響。Evap與土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與pH值呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。iWUE與土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與堿解氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。SPAD與土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與速效鉀呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與pH則呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。
表1 立架甜瓜光合指標(biāo)與土壤養(yǎng)分指標(biāo)相關(guān)性分析
施用苦豆子綠肥對(duì)立架甜瓜單果重影響較大(圖7),隨施用量增加呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。施用苦豆子綠肥處理的立架甜瓜的單果重均得到顯著增加(P<0.05),增幅為19.13%~48.48%,其中以M2處理最高。粗蛋白、Vc、還原糖含量亦呈先上升后下降的變化趨勢(shì),但均在M3處理時(shí)達(dá)到最大值,分別較M0處理顯著增加40.50%、38.16%、37.30%(P<0.05)??喽棺泳G肥不同施用量對(duì)果形指數(shù)無顯著影響(P>0.05)。
圖7 苦豆子綠肥施用量對(duì)立架甜瓜單果重及品質(zhì)的影響
立架甜瓜單果重及品質(zhì)與光合特性和土壤養(yǎng)分的相關(guān)分析表明(表2),相比立架甜瓜單果重及品質(zhì)與土壤養(yǎng)分相關(guān)性,其與光合特性相關(guān)性較緊密。單果重與Pn、Gs呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與iWUE呈顯著相關(guān)(P<0.05)。粗蛋白與iWUE和SPAD值呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與Evap則呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。Vc與SPAD呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)與Evap呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與iWUE呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。還原糖僅與SPAD呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。果形指數(shù)與光合指標(biāo)相關(guān)性未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。
表2 立架甜瓜單果重及品質(zhì)與光合指標(biāo)和土壤養(yǎng)分指標(biāo)相關(guān)性分析
綠肥作物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng),生長(zhǎng)迅速,其發(fā)達(dá)根系有助于綠肥作物吸收利用土壤較深層的養(yǎng)分以及難溶性養(yǎng)分。豆科綠肥可通過根瘤菌的生物固氮作用供應(yīng)氮素[24],十字花科綠肥可活化土壤磷素,另外,莧科綠肥還可富集土壤鉀素。綠肥翻壓后可改善土壤物理性狀[25],綠肥還田后,在腐解過程可產(chǎn)生大量的可溶性有機(jī)物[26-27],有效改善土壤養(yǎng)分狀況,本研究表明,施用苦豆子綠肥能顯著調(diào)節(jié)立架甜瓜土壤酸堿度,提高土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量,其中土壤堿解氮含量增加幅度最大(259.45%),這是因苦豆子為豆科綠肥,自身氮含量較高。柴仲平等[12]研究表明,新鮮苦豆子莖、葉中氮素含量分別為36.89、49.03 g·kg-1。且豆科綠肥還田后前期氮素釋放快,鄧小華等[28]研究證實(shí),豆科綠肥翻壓后的前14 d,氮釋放最快。此外,本試驗(yàn)施用的苦豆子綠肥經(jīng)過粉碎處理后加快物質(zhì)腐解轉(zhuǎn)化[29],土壤養(yǎng)分可得到快速增加。
施用綠肥可通過改善土壤的理化性狀,為作物提供良好生長(zhǎng)環(huán)境,從而間接提高作物光合效率,影響作物生長(zhǎng)[30]。本研究發(fā)現(xiàn),苦豆子綠肥施用下立架甜瓜土壤養(yǎng)分指標(biāo)與其光合生理指標(biāo)和SPAD值具有一定相關(guān)性(表1)。施用苦豆子綠肥對(duì)立架甜瓜光合生理指標(biāo)日變化產(chǎn)生了影響,能提高立架甜瓜葉片Pn、Gs、Evap、iWUE等光合性能。各處理立架甜瓜葉片光合生理指標(biāo)日變化趨勢(shì)曲線基本相同,呈“雙峰型”(圖1~4),這與李為[31]研究結(jié)果相似,但與岳文?。?2]研究水肥耦合調(diào)控下甜瓜光合日變化曲線為“單峰型”存在差異。出現(xiàn)光合 “午休”現(xiàn)象可能是由于中午光照強(qiáng)烈、氣溫過高,導(dǎo)致土壤水分虧缺、葉片萎蔫引起的,這是作物對(duì)環(huán)境干旱脅迫的一種適應(yīng)策略[33]。不同苦豆子綠肥施用量下立架甜瓜葉片Pn、Gs、Evap日變化趨勢(shì)曲線出峰時(shí)間相同,第一峰出現(xiàn)在12:00,第二峰出現(xiàn)在16:00,與李為[31]研究表明薄皮甜瓜光合特性日變化趨勢(shì)曲線兩峰分別在10:30和12:00左右存在一定差異,可能是研究甜瓜品種、測(cè)定時(shí)期、環(huán)境條件等因素不同所致。施用中、低量(M1、M2)苦豆子綠肥對(duì)提高立架甜瓜葉片Pn、Gs效果明顯,在M2處理下苗期、伸蔓期12:00立架甜瓜葉片Pn和伸蔓期12:00立架甜瓜葉片Gs均達(dá)到最大值,分別較同時(shí)刻其他處理增幅8.2%~63.3%、10.4%~51.0%、27.0%~84.6%。施用高量(M3-M4)苦豆子綠肥對(duì)提高立架甜瓜葉片Evap效果較明顯,尤其是在伸蔓期12:00時(shí)M4處理下,較同時(shí)刻其他處理增幅27.0%~51.4%。瞬時(shí)水分利用效率是Pn和Evap的比值,直接受Pn、 Evap變化速率的影響。除M0處理日變化曲線為單峰曲線以外,苗期和伸蔓期其他處理立架甜瓜葉片iWUE日變化趨勢(shì)曲線亦呈雙峰型,但與Pn、Gs、Evap日變化趨勢(shì)曲線不同在于第一出峰時(shí)間提前到10:00,這與高慧娟等[34]研究結(jié)果有所不同。前人研究發(fā)現(xiàn),種植和翻壓綠肥能提高土壤水分生產(chǎn)效率,進(jìn)而作物水分利用效率得到提高[35-36],本研究立架甜瓜在中、高量(M2-M4)苦豆子綠肥施用量下其葉片iWUE得到提高,苗期10:00 M3處理下和伸蔓期16:00 M4處理下iWUE均達(dá)到最大值,由此可見,施用適量的苦豆子綠肥能使立架甜瓜更好的適應(yīng)西北地區(qū)干旱生態(tài)環(huán)境。
葉綠素是作物光合生產(chǎn)過程中重要的色素,其含量影響著作物光能的吸收和轉(zhuǎn)換。葉綠素含量和SPAD值呈極顯著正相關(guān)關(guān)系[37-38],且 SPAD計(jì)能實(shí)時(shí)、無損、快速地測(cè)量葉片葉綠素相對(duì)值,因此常用SPAD值來表征葉片葉綠素含量。李燕青等[39]、陳蕾等[40]研究發(fā)現(xiàn)翻壓綠肥顯著提高棉花葉片、煙葉SPAD值,與前人研究相似,本研究也發(fā)現(xiàn)施用苦豆子綠肥能顯著增加苗期和伸蔓期立架甜瓜葉片SPAD值,且在M3處理下其SPAD值較不施苦豆子綠肥處理(M0)增幅最大,苗期和伸蔓期增幅分別為32.8%、23.2%。
作物產(chǎn)量形成主要依靠光合作用轉(zhuǎn)化光能,而凈光合速率是決定光合生產(chǎn)能力的一個(gè)重要指標(biāo),是影響作物產(chǎn)量形成的重要因素。巨霞等[41]研究表明,油菜苗期葉片凈光合速率最高,盛花期其次,角果期最低,各生育期凈光合速率均與單株產(chǎn)量呈極顯著或顯著正相關(guān),可通過提高作物凈光合速率來達(dá)到作物增產(chǎn)的效果。本研究發(fā)現(xiàn)立架甜瓜葉片苗期和伸蔓期Pn和單果重呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)(表2)??喽棺泳G肥能顯著提高立架甜瓜單果重,且與苦豆子綠肥對(duì)苗期和伸蔓期Pn的影響規(guī)律基本相似,立架甜瓜單果重在M2處理下達(dá)到了最大值,較M0處理增加48.5%。施用苦豆子綠肥為立架甜瓜生長(zhǎng)發(fā)育提供充足養(yǎng)分,提高了其光合效率,利于合成更多的碳水化合物以改善立架甜瓜品質(zhì)。其中,粗蛋白和Vc與iWUE呈極顯著和顯著相關(guān),變化趨勢(shì)相似,其中M3處理立架甜瓜粗蛋白、Vc增加量最大,較不施苦豆子綠肥處理(M0)分別顯著增加40.50%、38.16%??喽棺泳G肥施用下立架甜瓜還原糖含量也得到明顯增加,但未與光合生理指標(biāo)呈顯著相關(guān)關(guān)系,可能與其他因素有關(guān),這還有待研究。
施用苦豆子綠肥能提高立架甜瓜土壤供肥能力和光合作用,可以增加立架甜瓜單果重及改善品質(zhì),其中以苦豆子綠肥200~300 g·株-1(M2、M3)施用量下效果最佳,為新疆特色瓜果高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。