亏缺灌溉下异根嫁接提高黄瓜产量和水分利用效率.pdf

第 29 卷第 2 期农 业 工 程 学 报Vol.29No.2 2013 年1 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringJan. 2013117 亏缺灌溉下异根嫁接提高黄瓜产量和水分利用效率 张晓英，梁新书，张振贤，高丽红 （中国农业大学农学与生物技术学院，设施蔬菜生长发育调控北京市重点实验室，北京 100193） 摘要：为了研究异根嫁接黄瓜对适度亏缺灌溉的响应，该试验以中农 26 号黄瓜（Cucumis sativas L.）为材料， 以自根嫁接黄瓜适宜水分管理（每次 20 m3/667m2）为对照，研究异根嫁接黄瓜的根系、产量、品质和水分利用效 率等指标对适度亏缺灌溉（每次 12 m3/667m2）的响应。结果表明：与对照比较，亏缺灌溉条件下，异根嫁接可明 显促进根系生长，提高了水分利用效率，果实品质也有所改善，根系表面积、根干质量和水分利用效率分别提高 8.0%、14.2%、和 42.1%53.9%。这一结果明确了通过异根嫁接可以提高黄瓜水分利用效率，同时也证明异根嫁 接可以作为设施黄瓜农艺节水的最重要措施之一。 关键词：灌溉，温室，果实，嫁接，根系，产量 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.02.017 中图分类号：S275文献标志码：A文章编号：1002-6819(2013)-02-0117-08 张晓英， 梁新书， 张振贤， 等. 亏缺灌溉下异根嫁接提高黄瓜产量和水分利用效率J. 农业工程学报， 2013， 29(2)： 117124. Zhang Xiaoying, Liang Xinshu, Zhang Zhenxian, et al. Improving cucumber yield and water use efficiency by different- root grafting under water- deficient conditionJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(2): 117124. (in Chinese with English abstract) 0引言 黄瓜（Cucumis sativas L.）是中国栽培面积较 大的蔬菜作物之一，喜水喜肥，目前生产中普遍存 在灌水量偏大，水分利用效率低，水分浪费严重等 问题1- 3。中国是一个水资源短缺的国家，水资源供 需矛盾日益尖锐，而蔬菜又是耗水量很大的作物， 因此近几年有关蔬菜农艺节水技术及机理研究受 到重视。作为现代农业代表的设施蔬菜生产，搞好 其农田节水，合理利用水资源，提高水分利用效率 具有十分重要的意义4- 5。 诸多研究表明，亏缺灌溉可以提高水分利用效 率6- 9。Girona 等10指出亏缺灌溉虽导致梨树的茎 干生长量降低 8%， 但灌溉用水节约 40%。 白伟等11 研究发现，重度水分亏缺降低大豆地上部分质量和 根质量，会造成减产，而根冠比增大；中度调亏对 产量影响不显著，而水分利用效率最高。也有研究 收稿日期：2012- 05- 11修订日期：2012- 12- 25 基金项目：水利部公益性行业科技项目（201001061） ；现代农业产业技 术体系建设专项资金资助（CARS- 25- C- 12） 作者简介：张晓英（1987） ，女，研究方向为设施环境与无土栽培。 北京中国农业大学农学与生物技术学院， 设施蔬菜生长发育调控北京 市重点实验室，100193。Email：yyzxy 通信作者：高丽红（1967） ，女，教授，博士生导师，研究方向为 温室土壤修复与水肥高效利用。 北京中国农业大学农学与生物技术学 院，设施蔬菜生长发育调控北京市重点实验室，100193。 Email：gaolh 认为亏缺灌溉可提高果实的品质12- 14。 嫁接处理后砧本根系取代了接穗植株的根系， 因此，嫁接可能会提高植株吸收养分和水分的能 力。陈小燕等15研究表明，嫁接后黄瓜的总根长和 水分利用效率均显著高于自根黄瓜。此外，嫁接还 可通过提高根系活力，增加作物产量16- 17。 在适度水分亏缺下， 异根嫁接对黄瓜的水分利用 效率影响鲜见报道。 为了探讨异根嫁接提高黄瓜水分 利用效率和改善植株生长的可能机理， 本试验以自根 嫁接为对照（因为嫁接有一个伤口愈合过程，异根嫁 接的真正对照应该是自根嫁接更合理和科学），研究 了异根嫁接黄瓜根系生长与分布、果实产量、干物质 累积与品质等指标对适度亏缺灌溉的响应， 旨在为设 施栽培黄瓜农艺节水措施制定提供参考。 1材料与方法 1.1试验材料 试验于 2011 年 4 月至 2012 年 1 月在北京市房 山区良乡龙人藤业设施农业生态园的日光温室内 进行。供试黄瓜（Cucumis sativas L.）品种为中农 26 号，砧木为白籽南瓜（绿洲天使），采用贴接法 嫁接。冬春茬黄瓜苗于 2011 年 4 月 9 日定植，7 月 底拉秧；秋冬茬黄瓜苗于 2011 年 9 月 13 日定植， 2012 年 1 月初拉秧。采用小高畦（沟宽 50 cm、畦 宽 80 cm）双行栽培，株距 33 cm，畦面覆盖地膜。 供试温室耕层 （030 cm） 土壤基础理化性状： 农业工程学报2013 年 118 有机质 1.36%，全氮 1.18 g/kg，有效磷 63.9 mg/kg， 速效 钾 104.9 mg/kg， pH 值 7.51，体积质 量 1.44 g/cm3，田间持水量 25.2%。 1.2试验设计 土壤类型、田间最大持水量、每次灌水量及 2 次灌水的间隔时间均会影响土壤持水量。在前期研 究的基础上，根据试验地的土壤类型、一般栽培条 件下的灌水间隔时间，确定 12 m3/667m2为黄瓜每 次的适度亏缺灌水量（W1）18- 20。利用常规方法 辅助检测表明，该灌水量下土壤相对含水率大部分 时间能维持在约 60%左右，对黄瓜而言基本属于适 度水分亏缺。为了研究异根嫁接黄瓜对适度亏缺灌 溉的响应， 试验设计了适度亏缺灌溉 （12 m3/667m2， W1）和适宜灌溉（20 m3/667m2，W2）2 个处理， 每种灌溉水量分别进行自根嫁接（采用与异根嫁接 相同的嫁接方法，把同一株黄瓜苗嫁接到自己的根 上）（G0）、异根嫁接（G1），即适度亏缺灌溉 自根嫁接（W1G0）、适度亏缺灌溉异根嫁接 （W1G1）、适宜灌溉自根嫁接（W2G0，CK）和适 宜灌溉异根嫁接（W2G1）4 个处理，每个处理 3 次重复，共 12 个小区，小区面积为 13 m2。温室东 西两侧各留两畦作为保护行，各处理随机区组排 列。为防止侧渗而造成的试验误差，处理之间垂直 埋深 50 cm 的塑料薄膜隔开。定植缓苗后（根瓜坐 住后）进行不同灌水处理，灌水时间以 W2 的自根 嫁接苗出现萎蔫来确定，2 种灌水量处理同时进行 灌水，灌水量用精度为 0.001 m3的水表计量，冬春 茬 5 月 12 日在根瓜座果后进行灌水处理，处理前 总灌水量 50.2 m3/667m2，整个生育期共处理 8 次， 因此 W1 和 W2 处理整个生育期总灌水量分别为 146.2 和 210.2 m3/667m2； 秋冬茬 10 月 18 日在根瓜 座 果 后 进 行 灌 水 处 理 ， 处 理 前 总 灌 水 量 为 48.1 m3/667m2， 整个生育期共处理 5 次， W1 和 W2 处 理 整 个 生 育 期 总 灌 水 量 分 别 为 108.1 和 148.1 m3/667m2。其他管理措施一致。 开始处理后，每次灌水前测定土壤含水率，计 算出灌水相对田间持水量下限，根据公式21：M=r pshf(q1- q2)/ （M 为灌水量，m3；r 为土 壤体积质量，g/cm3；p 为土壤湿润比（需水量大的 果菜用 0.9）；s 为灌水面积，m2；h 为灌水计划层 （0.4 m）；f为田间持水量，%；q1、q2为灌水相对 田间持水量上限、下限；为水分利用系数（覆膜 栽培约为 100%），计算出灌水相对田间持水量 上限。 12 m3/667m2灌水处理下， 土壤含水率大部分 时间能够维持在 60%左右田间持水量， 20 m3/667m2 灌水处理下，土壤含水率大部分时间基本能够维持 在 80%田间持水量。 1.3测试项目与方法 1.3.1黄瓜根系指标的测定 拉秧前各小区选取一株有代表性的植株，每个 处理 3 次重复，用直径 8 cm，高为 15 cm 的根钻取 样（图 1），以主根为中心，每层取 9 个点，共取 3 层，取出后用 0.5 mm 的筛子冲洗，去除杂物后得 到根样， 采用 EPSON EXPRESSION 4990 根系扫描 仪进行扫描，扫描后的图片经 Adobe Photoshop 软 件处理去掉边框后， 再用 WinRHIZO 根系分析软件 分析根样22。 注：A1A9、B1B9和C1C9分别表示015 cm、1530 cm和30 45 cm土层的根系取样点。 图 1黄瓜田间根系样品采集方法示意图 Fig.1Schematic diagram of root sampling method on cucumber 1.3.2黄瓜各器官干物质的测定 拉秧前各小区选取一株有代表性的植株进行 破坏性取样，将植株的根、茎、叶、果各部位分开 烘干称质量。生长期内每畦打掉的叶子也称量记 录，最后除以每畦的黄瓜株数，折算成每株所打掉 的叶干质量。 1.3.3黄瓜果实品质的测定 于盛瓜期，分别选取不同处理具有代表性 的商品黄瓜果实进行品质分析。 Vc 含量采用 2， 6- 二氯靛酚滴定法， 可溶性糖含量采用蒽酮法， 可溶性固形物采用手持式折光仪测定，游离氨 基酸含量采用茚三酮溶液显色法，硝酸盐含量 采用硝基水杨酸比色法，亚硝酸盐含量采用磺 胺比色法23。 1.3.4产量与水分利用效率的测定 2 种灌水量下，对自根和异根嫁接黄瓜的经济 产量分别进行统计，一个小区中所有畦的产量均记 录。整个生育期结束后，根据总产量与总灌水量来 计算水分利用效率。水分利用效率=总产量/总灌水 量（kg/m3）。 1.4数据分析 采用 SPSS13.0 数据分析软件对数据进行处理 分析，选用 LSD 进行多重比较。 第 2 期张晓英等：亏缺灌溉下异根嫁接提高黄瓜产量和水分利用效率 119 2结果与分析 2.1嫁接对适度水分亏缺下黄瓜根系特征参数及 其垂直分布的影响 作为吸收水分和矿质营养的器官，根系在植物 生长中起着极其重要的作用。由表 1 可以看出，相 同灌水量下，异根嫁接黄瓜的总根长显著大于自根 嫁接黄瓜。适度亏缺（W1）灌水下，异根嫁接黄 瓜冬春和秋冬两茬口的总根长分别比自根嫁接黄 瓜显著提高了 27.5%,17.9%，冬春茬根表面积显著 提高了 29.0%，说明在适度水分亏缺条件下，与自 根嫁接黄瓜相比，异根嫁接黄瓜根系的生长发育状 况较好，表现出较强的生长优势。 与适宜水分管理（W2）相比，适度亏缺灌溉 （W1）并没有显著影响自根嫁接或异根嫁接黄瓜各 根系特征参数，说明适度亏缺灌溉下黄瓜根系能够 维持正常的生长发育。 表 1不同处理黄瓜根系特征参数的变化 Table 1Changes of cucumber root- related parameters under different treatments 茬次处理总根长/cm表面积/cm2平均直径/mm体积/cm3 W1G03656.5 106.7 b405.8 30.8 b0.39 0.02 b11.14 0.64 a W1G14661.9 139.5 a523.4 17.5 a0.47 0.04 ab12.72+1.21 a W2G03947.3 199.9 b484.5 42.2 ab0.46 0.03 ab11.17 1.12 a 冬春茬 W2G14899.5 107.0 a502.8 27.6 ab0.50 0.03 a12.06 1.24 a W1G02407.6 143.6 c406.6 8.1 a0.47 0.03 a5.85 0.10 b W1G12837.3 53.0 ab465.1 22.3 a0.52 0.01 a7.27 0.52 ab W2G02503.6 91.5 bc417.8 19.2 a0.50 0.02 a7.04 0.61 ab 秋冬茬 W2G12957.9 103.2 a456.7 22.1 a0.59 0.03 a8.26 0.65 a 注：数据表示3次重复的平均值 标准误；同一列中不同字母表示在P=0.05水平差异显著。下同。 灌水量与嫁接方式对根系的垂直分布也有一 定的影响。由表 2 可以看出，适度亏缺灌溉下， 两茬口异根嫁接黄瓜在1530、3045 cm 根 层的根长、3045 cm 根层的根长分配比例显著 大于自根嫁接黄瓜，其中3045 cm 根长分别提 高了 56.1%、38.0%。与适宜灌水相比，秋冬茬适 度亏缺灌溉下，异根嫁接黄瓜3045 cm 根层的 根长显著升高，1530、3045 cm 根层的根 长分配比例显著升高， 分别升高了 15.3%、 27.1%， 015 cm 的分配比例显著下降，自根嫁接黄瓜只 有冬春茬1530 cm 根层的根长分配比例显著 升高，而其它各处理间无显著差异。说明适度亏 缺灌溉下，异根嫁接黄瓜在1545 cm 根层的根 长大于自根嫁接黄瓜，表现出较强的生长优势， 并且能够促进秋冬茬黄瓜根系向深层土壤 （30 45 cm）生长。 表 2不同处理黄瓜黄瓜根系垂直分布特征 Table 2Vertical distribution characteristic of cucumber root under different treatments 不同深度根系长度/cm不同深度根系长度所占比例 茬次处理 015 cm1530 cm3045 cm015 cm1530 cm3045 cm W1G02253.3 c978.0 b425.2 b61.62%ab26.75% a11.63% b W1G12857.6ab1140.7a663.6 a61.30% b24.47%ab14.23% a W2G02514.3bc919.3 b513.8ab63.95% a23.03% b13.02%ab 冬春茬 W2G13083.1 a1184.4a632.1 a62.93%ab24.17%ab12.90%ab W1G01719.1 b402.5 b286.0 b71.40%ab16.72% a11.88% b W1G11962.5 ab480.2 a394.6 a69.17% b16.92% a13.91% a W2G01826.7 b386.1 b290.8 b72.96%ab15.42%ab11.62% b 秋冬茬 W2G12199.9 a434.3ab323.6 b74.38% a14.68% b10.94% b 2.2嫁接对适度水分亏缺下黄瓜各器官干物质积 累与分配的影响 由表 3 可以看出，无论是 W1 灌水下，还是 W2 灌水下，异根嫁接黄瓜秋冬茬的总生物量、 冬春茬的根干质量都显著大于自根嫁接黄瓜。 W1 灌水下，冬春和秋冬两茬口，异根嫁接黄瓜总生 物量分别比自根嫁接黄瓜显著提高了 11.6%和 15.2%， 冬春茬根干质量和叶干质量分别显著提高 了 19.1 %、9.7%。上述结果表明，在适度水分亏 缺条件下，冬春茬异根嫁接黄瓜在根系和叶的生 长上，明显优于自根嫁接黄瓜，并且能够积累较 多的干物质。 以冬春茬为例，与适宜水分管理相比，适度亏 缺灌溉下自根嫁接黄瓜叶干质量和总生物量分别 显著下降了 8.7%， 9.3%， 而异根嫁接黄瓜各器官干 物质积累量下降并不显著。 农业工程学报2013 年 120 表 3不同处理黄瓜干物质积累的变化 Table 3Changes of accumulation of cucumber dry matter under different treatments 干质量/g 茬次处理 根茎叶果实总生物量根冠比 W1G01.62 b35.79 b76.16 b107.68 b221.25 b0.0074 W1G11.93 a38.25ab83.54 a123.08ab246.80 a0.0079 W2G01.69 b39.57ab83.45 a119.28ab243.99 a0.0069 冬春茬 W2G11.92 a42.70 a87.66 a131.41 a263.69 a0.0073 W1G01.19a9.94 a27.37 b25.84 a64.34 c0.0188 W1G11.43a11.74 a31.19 ab29.76 a74.12 ab0.0197 W2G01.24a11.11 a29.63 ab28.85 a70.83 bc0.0178 秋冬茬 W2G11.41a12.53 a34.30 a31.07 a79.31 a0.0181 与适宜水分管理（W2）相比，适度亏缺灌溉 （W1）下秋冬茬异根嫁接黄瓜根干物质比例显著增 加（表 4），说明适度水分亏缺可促进秋冬茬异根 嫁接黄瓜干物质向根系分配。适度亏缺灌溉并没有 显著影响地上部干物质（茎、叶和果实）分配比例 的变化，说明适度亏缺灌溉下黄瓜地上部能够维持 正常的生长发育。 2.3嫁接对适度水分亏缺下黄瓜品质的影响 与适宜水分管理相比，冬春茬适度亏缺灌溉下 异根嫁接黄瓜的 Vc 含量、自根嫁接黄瓜的可溶性 固形物和硝酸盐含量显著增加（表 5）。说明适度 亏缺灌溉在一定程度影响了果实可溶性固形物、 Vc 的形成。相同灌水量下，与自根嫁接黄瓜相比，异 根嫁接黄瓜 Vc 含量、可溶性糖、游离氨基酸等品 质指标没有显著性差异，说明异根嫁接未对这些黄 瓜品质产生不利影响。适度亏缺灌溉下，异根嫁接 黄瓜在冬春茬的硝酸盐含量和在秋冬茬的亚硝酸 盐含量显著低于自根嫁接黄瓜，说明适度亏缺灌溉 下异根嫁接可通过降低黄瓜果实硝酸盐或亚硝酸 盐含量适度提高黄瓜品质。 表 4不同处理黄瓜干物质分配比例的变化 Table 4Changes of distribution ratios of cucumber dry matter under different treatments % 茬次处理根茎叶果实 W1G00.73ab16.18 a34.42 a48.67 a W1G10.78 a15.50 a33.85 a49.87 a W2G00.69 b16.22 a34.20 a48.89 a 冬春 茬 W2G10.73ab16.19 a33.24 a49.84 a W1G01.85ab15.45 a42.54 a40.16 a W1G11.93 a15.84 a42.08 a40.15 a W2G01.75 b15.69 a41.83 a40.73 a 秋冬 茬 W2G11.78 b15.80 a43.25 a39.18 a 表 5不同处理黄瓜品质指标的变化 Table 5Changes of indices of cucumber fruit quality under different treatments 茬次处理Vc/(mg/100g) 可溶性糖 /(mg g- 1) 可溶性固形 物/% 游离氨基酸 /(ug g- 1) 硝酸盐/(ug g- 1) 亚硝酸盐 /(ug g- 1) W1G04.92 a18.26 a3.00 a44.14 a58.38 a0.74 a W1G14.81 a16.32 ab2.67ab51.65 a48.34 bc0.69 a W2G04.07 ab17.22 ab1.93 b48.95 a44.33 c0.65 a 冬春茬 W2G13.36 b14.54 b2.17 ab54.31 a45.33 c0.63 a W1G05.04 a20.22 a4.10 a38.33 a42.75 a0.60 a W1G14.76 a19.29 a3.50 b41.75 a42.55 a0.44 b W2G04.69 a22.12 a3.70 ab40.52 a38.92 a0.49 b 秋冬茬 W2G14.63 a17.91 a3.27 b45.09 a40.52 a0.43 b 2.4嫁接对适度水分亏缺下黄瓜产量和水分利用 效率的影响 如表 6 所示，适度亏缺灌溉条件下，异根嫁接 黄瓜冬春、秋冬两茬口的产量和水分利用效率显著 高于自根嫁接黄瓜，其中产量分别提高了 7.5%和 29.6%。与适宜灌水相比，W1 灌水下，异根嫁接黄 瓜在两茬口的水分利用效率都显著提高，分别提高 了 38.1%、 30.0%， 自根嫁接黄瓜冬春茬水分利用效 率显著提高，提高了 32.1%，但产量显著降低了 8.1%，而异根嫁接黄瓜的产量没有显著下降，同时 异根嫁接黄瓜水分利用效率提高的幅度明显高于 自根嫁接黄瓜。 第 2 期张晓英等：亏缺灌溉下异根嫁接提高黄瓜产量和水分利用效率 121 表 6不同处理黄瓜产量和水分利用效率 Table 6Cucumber yield and water use efficiency under different treatments 茬次处理 产量 /(kg (667m2)- 1) 灌水量 /(m3 (667m2)- 1) 水分利用 效率 /(kg m- 3) W1G05199.5b146.235.56b W1G15591.1a146.238.24a W2G05657.7a210.226.92c 冬春 茬 W2G15822.9a210.227.70c W1G01646.9b108.1315.23b W1G12134.7a108.1319.74a W2G01900.2ab148.1312.83b 秋冬 茬 W2G12248.2a148.1315.18b 3讨论 根系是植物吸收水分和养分的主要器官，它的 大小和在土壤中的分布与作物对水分和矿物质的吸 收能力及产量密切相关。水分亏缺下，提高深层根 量有利于增强植株利用深层水分的能力，保证水分 供应，实现节水高产。很多研究者通过对冬小麦24、 春小麦25、棉花26、黄瓜27等研究表明，水分亏缺 可以促进根系生长。 本试验发现， 与自根嫁接相比， 适度亏缺灌溉条件下异根嫁接黄瓜冬春茬根干质 量、两茬口1530 与3045 cm 根层根长及 3045 cm 根层根长分配比例均显著提高， 促进了 根系伸长。这可能是因为异根嫁接黄瓜具有较强大 的根系，根长较长、根面积较大，能够在适度水分 亏缺下，促进根系向深层土壤伸长，以吸收更多的 水分和养分，较好地协调了地上部与地下部的关 系，最终提高了水分利用效率。这与前人对小麦、 苜蓿和茄子的研究结果一致28- 30。 植株干物质积累量是体现土壤- 作物系统生产 力最重要的指标。水分亏缺下，植株干物质积累都 有所下降31。 本试验结果表明， 在适度水分亏缺下， 异根嫁接黄瓜冬春茬根干质量和两茬口总生物量 与产量显著高于自根嫁接黄瓜，这与孔祥悦32的研 究结果相似。说明适度水分亏缺条件下异根嫁接黄 瓜在促进根系发育的同时，也保证了光合产物向果 实的分配，能够更好地协调地上部与地下部生长的 关系，使产量下降不显著。 适宜水分管理下异根嫁接后黄瓜品质的各项 指标与自根嫁接黄瓜相比没有显著性差异，说明适 宜水分管理下异根嫁接未对黄瓜品质产生不利的 影响。水分亏缺在一定程度上可以促进果实品质的 形成33- 34，本试验也获得了相似结果，在亏缺灌溉 条件下冬春茬异根嫁接黄瓜的 Vc 含量和自根嫁接 黄瓜的可溶性固形物含量显著增加。 4结论 适度水分亏缺对黄瓜根系特征参数及其垂直 分布、干物质积累均有影响，适度水分亏缺下，异 根嫁接能够促进根系向深层土壤生长，吸收深层水 分的能力增强，促进光合产物向根系分配，积累较 多干物质，黄瓜产量下降不明显，但冬春茬比对照 减少灌水量 64 m3/667m2， 秋冬茬减少 40 m3/667m2， 水分利用效率显著提高，比对照提高了 42.1% 53.9%，因此异根嫁接可以实现黄瓜节水高效栽培， 是农艺节水的有效途径之一。 参考文献 1郭文忠，陈青云，高丽红，等. 设施蔬菜生产节水灌 溉制度研究现状及发展趋势J. 农业工程学报，2005， 21(增刊 2)：2427. 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