甘肃引黄灌区不同施氮水平对枸杞间作大豆光合特性、产量和品质的影响

赖桑迪，齐广平*，蔡玲惠，赵敏，王金恒，王建军

（1甘肃农业大学水利水电工程学院，兰州 730070；2甘肃省景泰川电力提灌管理局灌溉试验站，景泰 730400）

甘肃引黄灌区是西北主要灌区之一，年均降水量少，蒸发量大，灌区主要以种植耐干旱、耐盐碱作物为主［1］。枸杞作为灌区内主要经济作物，多采用单一的种植模式。农民为追求产量，滥用肥料，盲目扩大种植面积，造成土地利用率低，土地贫瘠，灌区本就脆弱的生态环境日益恶化［2，3］。如何实现枸杞增产和肥料高效利用，已成为灌区急需解决的问题。

间作能增强作物对空间环境和养分资源的利用，提高单位土地生产力［4］。许华森等［5］研究表明，核桃间作大豆种植模式可以增强根系新陈代谢，改善大豆生长状况。大豆是我国食用油和豆制品的主要来源［6］，在与牧草间作中能改善其适口性，提高蛋白含量［7］，是一种高效利用有限资源增产的作物搭配组合［8］。氮是作物生长发育必需的元素。贺春燕等［9］研究表明，增施氮肥能促进枸杞产量和品质的提升，但氮肥施用量超过646 kg/hm2则不能显著提高枸杞产量。

前人的研究多集中在不同施氮水平对单作枸杞的影响［10，11］，而枸杞间作大豆条件下氮肥供应对枸杞影响的研究尚不多见。本研究对不同施氮水平以及枸杞间作大豆模式下的枸杞光合特性、产量和品质进行分析，以期为探索适宜引黄灌区枸杞高产高效的氮肥调控模式提供理论支撑和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地区概况

试验于2020年4—8月在甘肃省景泰县景泰川电力提灌管理试验站（37°23′N，104°08′E）进行。试验区海拔2 028 m，属于温带干旱大陆性气候，年平均气温8.4℃，年平均降水量187.4 mm，年蒸发量3 500.6 mm，全年无霜期184 d。土壤为沙壤土，pH值8.65，有机质13.23 g/kg、硝态氮9.56 mg/kg、铵态氮4.35 mg/kg、碱解氮55.2 mg/kg、有效磷23.24 mg/kg。

1.2 材料

供试大豆品种为中作J13065，于2020年5月2日播种；枸杞为定植5年的宁杞1号。试验用氮肥为尿素（含N≥46.4%），基肥为过磷酸钙（含P2O5≥16%）和硫酸钾（含K2O≥20%）。

图1 试验区枸杞生育期内降水量与平均气温Fig.1 Rainfall and mean temperature during the growth period of Lycium barbarum L.

1.3 试验设计

试验采用完全随机区组设计。设置枸杞单作（DG）和枸杞间作大豆（JG）两种种植模式。参考当地枸杞施肥水平，设置3个施氮水平：高肥N1（724 kg/hm2）、中肥N2（484 kg/hm2）、低肥N3（246 kg/hm2）。试验共6个处理，3次重复，共18个小区，小区面积为45 m2（6 m×7.5 m），枸杞株距1.5 m，行距3 m。大豆采用等距离点播的方式种植，行距为35 cm，距离枸杞65 cm，穴距30 cm，每行24穴，共9行。各小区边缘埋设2 m深塑料薄膜，试验区四周设置2 m的保护带。

全年试验设计纯氮素用量的25%随基肥一起施入。剩余氮肥分别于枸杞头茬期、夏果期、秋果期分别施入氮素全年设计用量的30%、25%、20%。其他管理措施与当地枸杞种植保持一致。

1.4 测定项目与方法

于枸杞萌芽期选择长势相近的植株（枸杞3株，大豆6株）挂上标记牌。（1）光合作用。2021年7月，于枸杞夏果期，选择晴朗无云的天气，在小区内选取带有标记的枸杞树和大豆植株，取成熟分枝上光照条件良好的叶片，使用LI-6400XT（Li-COR，USA）便携式光合仪从8∶00到18∶00每隔2 h测定1次枸杞和大豆的光合参数，包括净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）等。测定的环境因子有光合有效辐射（PAR）、大气温度（Ta）、大气CO2浓度（Ca）和空气相对湿度（RH）等指标。叶片水分利用效率计算公式：

（2）作物产量。枸杞采摘后，立即测定鲜果百粒质量和单株产量，然后晾干，测干质量［12］。大豆成熟后，每个小区随机选取长势相近的大豆植株3株，用纱布袋装好，待自然风干后，记录荚数和粒数，测量单株籽粒产量和百粒质量。

（3）品质。枸杞的总糖和多糖采用菲林试剂法和硫酸—苯酚比色法测定［13］；大豆蛋白质含量采用凯式定氮法测定；大豆脂肪含量采用索氏抽提法测定［14］。

1.5 数据处理与分析

采用Office 2016和Origin 2018软件进行数据处理，采用SPSS22.0进行统计分析。

式中，R为反射系数；θ为入射角，（°）；P为零入射角纵波反射系数（截距）；G为振幅随入射角的变化（梯度）。

2 结果与分析

2.1 枸杞和大豆光合作用日变化特征

2.1.1 枸杞光合生理特性分析

叶片光合速率（Pn）是反映作物代谢强弱的指标，影响作物体内干物质积累。从图2-a可以看出，2种种植模式下枸杞的Pn日变化趋势一致，呈明显的双峰曲线；12∶00时光合作用最强，此时单作（DG）枸杞的净光合速率要高于间作模式（JG），但Pn最高的处理为JGN2，达23.68μmol/（m2·s），其次是DGN3处理，为23.42μmol/（m2·s）；12∶00后Pn下降，在16∶00 Pn出现第二峰值，其中DGN2处理最高，达17.84μmol/（m2·s）。

气孔导度（Gs）反映了叶片内细胞与外界环境进行CO2和水汽交换能力的强弱。从图2-b可以看出，Gs日变化整体呈下降趋势，12∶00时温度逐渐升高，气孔逐渐关闭，14∶00后温度和光合有效辐射（PAR）下降，气孔开度又逐渐打开。14∶00时，JGN3处理Gs最高，为0.20 mol/（m2·s）。

胞间CO2浓度（Ci）反映的是植物叶片进行光合作用的潜在能力，随着8∶00以后光合速率的增加，胞间CO2被大量消耗。至12∶00，单作模式下枸杞叶片Ci含量较8∶00下降8%～23%，间作模式下枸杞叶片Ci值下降12%～31%（图2-c）。

叶片水分利用效率（WUE）日变化呈先上升后下降趋势。图2-d表明，单作模式下DGN2处理和DGN3处理的第一波峰值出现在12∶00，分别较间作模式同氮肥用量处理高12.72%和17.56%；枸杞间作和单作模式第二次峰值出现在16∶00，但此时所有处理枸杞叶片水分利用效率差异不显著，单作处理中WUE值最高的为DGN2，间作处理为JGN3。

图2 不同施氮处理枸杞的光合指标日变化Fig.2 Diurnal variation of photosynthetic indexes of Lycium barbarum L.under different nitrogen application treatments

表1 大气环境因子Table 1 Atmospheric environmental factors

由图3-a可知，大豆净光合速率（Pn）也呈现双峰变化，在14∶00存在光合午休现象。JDN2处理12∶00时Pn最高，为25.08μmol/（m2·s）。大豆胞间CO2浓度值（Ci）呈现先下降后升高的趋势。12∶00前随着光合作用的恢复，胞间CO2被持续消耗；12∶00后随着环境CO2浓度升高和光合午休共同作用导致其升高（图3-c）。大豆气孔导度（Gs）呈下降趋势，其中JDN3处理日变化值最低，为0.29～0.55 mol/（m2·s）（图3-b）；WUE变化趋势与枸杞相反，18∶00时，间作模式各处理差异最大，JDN2、JDN3分别较JDN1处理高19.56%和23.91%（图3-d）。

图3 不同施氮处理大豆的光合指标日变化Fig.3 Diurnal changes of photosynthetic indexes of soybean under different nitrogen application treatments

2.2 不同施氮水平对枸杞间作大豆产量的影响

由表2可知，各处理不同生育期枸杞单株产量平均值表现为夏果期＞秋果期＞头茬果期。从头茬果期来看，不同种植模式和施氮处理枸杞的百粒质量无明显差异；2种种植模式下，单株产量均为施氮量N3处理最小，分别为870和1 010 g/株，与同生育期其他施氮量（N1、N2）处理差异显著（P＜0.05），但N1与N2产量无显著差异。说明施氮量太低影响枸杞头茬果期产量。从夏果期来看，单作处理枸杞百粒质量和单株产量随施氮量的降低而减低，表现为N1＞N2＞N3；间作枸杞各处理产量为N2＞N1＞N3，其中JGN2处理产量为2 310 g/株，较DGN2处理增加9.48%。枸杞百粒质量最高的处理为JGN1，但不同种植模式下，N1、N2、N3处理间无显著差异。秋果期，枸杞的生育期开始进入末尾，JGN1处理单株产量最高，为1 930 g/株，比单作同处理增产4.89%，与其他处理（JGN2除外）差异显著。

表2 不同施氮处理的枸杞、大豆百粒质量与产量Table 2 The effects of different nitrogen application on the 100-grain weight and yield of Lycium barbarum and Soybean g

大豆百粒质量和单株产量都随施氮量的增加而增加，均以JGN1处理最大。百粒质量各处理间差异显著，JGN1处理为25.29 g，显著高于其他处理，较JGN2和 JGN3处理分别提高了6.22% 和34.24%；单株产量为JGN1、JGN2处理显著高于JGN3，分别提高了22.93%和22.82%。

2.3 不同施氮水平对枸杞、大豆品质的影响

从表3可知，在单作模式下，N2处理枸杞总糖含量最高，为48.10%，较N1和N3处理高1.27和1.74百分点；间作模式下枸杞的总糖含量表现与单作一致。相同施氮量下，间作处理枸杞总糖含量高于单作，N1、N2、N3处理分别提高了1.26、0.28和0.38百分点。枸杞多糖含量在单作和间作种植模式下均随施氮量的减少而降低，N3处理枸杞多糖含量最低，单作模式和间作模式下分别较N1、N2低1.33、0.97和1.74、0.67百分点。

表3 不同施氮处理下枸杞、大豆品质指标比较Table 3 Quality indexes of Lycium barbarum and Soybean under different nitrogen application treatments %

间作模式下，大豆蛋白质含量随着施氮量的增加呈现递增趋势，JGN1较JGN3高1.99百分点，但处理间差异不显著；大豆脂肪含量趋势与蛋白质不一致，表现为N2处理显著高于N1、N3处理，含量为22.33%，较N1和N3提高了1.24和3.00百分点。

2.4 枸杞光合因子和产量指标相关性分析

从表4可以看出，单作枸杞Ci与单株产量呈极显著正相关，WUE与Pn、百粒质量、多糖呈极显著正相关。间作枸杞Pn与多糖、单株产量呈极显著正相关，与枸杞百粒质量呈显著正相关。

表4 不同种植模式下枸杞光合指标与产量、品质指标的相关系数Table 4 Correlation coefficient between photosynthetic index and yield and quality indexes of Lycium barbarum L.under different plant modes

根据表5，大豆百粒质量、单株产量与Pn间都呈现极显著正相关，但与大豆蛋白质含量、脂肪含量无显著相关性。结果表明间作种植模式下，光合因子与枸杞产量有更高的相关性，比单作模式对产量的影响更大。

表5 间作模式下大豆光合指标与产量、质量指标的相关系数Table 5 Correlation coefficient between soybean photosynthetic index and yield quality indexes under intercropping mode

3 讨论

植物的干物质积累主要靠光合作用［15］，Pn是反映作物光合作用最重要的因子［16］。袁嫚嫚等［17］研究表明，大气光合有效辐射、温度等对作物Pn有着显著影响，强光和高温对植物体内能量同化生产有着严重的削弱作用。12∶00以后，随着大气温度和PAR逐渐升高，触发枸杞叶片细胞的保护机制，导致Gs降低，这也是午休现象出现的主要诱因。下午16∶00，随着气温的降低，叶片气孔逐渐打开，枸杞Pn逐渐回升，枸杞光合速率到达第二峰值，此时JG模式下Pn要小于DG，这可能与间作模式下大豆植株对光热的竞争有关。

氮作为枸杞生长发育必需的大量元素，对枸杞光合作用、产量提高等具有重要作用［18-20］。随着施氮量的增加，单作与间作模式下枸杞头茬果期与秋果期单株产量在N1、N2水平差异不显著，这与马兴东等［21］对黑枸杞的研究基本一致。2种种植模式下，枸杞单株产量主要在枸杞的夏果期和秋果期表现出显著差异，可能是因为前期大豆植株较弱小，对土壤理化性质改良效果较差［22］。大豆产量随施氮量增加而递增，与韦持章等［23］发现的合理施氮能促进间作中豆科作物产量提高的结果相一致。

氮素深入参与植株细胞代谢［24］，进而影响作物碳水化合物的积累。本研究表明，枸杞总糖和多糖在不同种植模式下无明显差异，但间作下枸杞多糖含量高于单作。大豆蛋白质含量N1＞N2＞N3。单作模式下枸杞Pn与WUE呈显著相关，间作模式下枸杞Pn与百粒质量、单株产量等指标呈显著相关性，这可能是间作条件下枸杞与大豆形成的区域小气候对光合有着更显著的影响所致［25］。

4 结论

随着施氮量的增加，单作枸杞的Pn递增，间作枸杞的Pn呈先增后减趋势。施氮量增加并不能显著提升枸杞产量，在枸杞夏果期和秋果期，过高的施氮量反而对枸杞产量不利。品质上，增加施氮量主要影响枸杞多糖和大豆蛋白质含量，间作模式下，N1、N2枸杞多糖含量较N3增加1.74和0.67百分点；大豆的蛋白质含量较N3增加1.99和1.46百分点。分析表明，间作下Pn与百粒质量、产量等呈显著正相关，单作下，Pn与其他光合因子及产量相关性较弱。本试验条件下，间作模式下484 kg/hm2的施氮量处理最适合提高枸杞的光合作用及产量。