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Effects of Biostimulants Combined with Reduced Irrigation on Growth, Yield and Irrigation Water

花匠小妙招
2024-12-24 08:48

0 引言

农业灌溉用水增加是中国干旱半干旱地区粮食生产面临的最大挑战[1, 2]。如何在减少灌溉用水条件下保障粮食不减产，是旱区农业亟待解决的问题。“生物刺激剂”最早于1974年被提出，并于2012年被欧盟生物刺激素产业联盟给出如下定义：含有植物活性成分、微生物物质、生物刺激物等，以较小用量施用于植物即能起到抗逆和促生作用的物质[3-5]。作为一种有别于肥料和农药的独特物质，生物刺激剂能促进植物新陈代谢，增强植物抗逆性，还能改善植物光合作用，促进根系对矿质养分的吸收[6]，因此在助力农作物抗逆栽培与增产增效领域具有重要应用价值。

黄腐酸（FA）和甜菜碱（GB）是2种典型的生物刺激剂产品。黄腐酸是腐殖酸中分子量最小，活性基团含量最高的一种水溶性有机物，外源施用进入植物体后，能发挥出积极的生理调控作用[7]。甜菜碱是与氨基酸结构相似的一类可溶性季铵碱物质，能够保护植物免受非生物胁迫[8]。研究表明，叶面喷施FA可促进玉米[9-11]、甘薯[12]、番茄[13-15]和油菜[16, 17]生长及增产，降低叶片蒸腾，增加有机物质合成。叶面喷施GB在向日葵[18, 19]、棉花[20, 21]、番茄[22-24]、甘蔗[25, 26]、辣椒[27, 28]、小麦[29-31]和水稻[32, 33]表现出改善植物光合及生长的调控效果。生物刺激剂的抗逆促生作用被大量研究所证实，但有关生物刺激剂与其他农业措施联合调控的研究鲜见文献报道。

减量灌溉是旱区农业多年普遍采用的一种灌溉策略，在保障粮食生产、提升灌溉水利用效率及减少灌水投入和损失方面发挥了重要作用[34, 35]。我们前期针对生菜的研究设置的灌水量处于偏低水平，减量灌溉存在调亏过度的问题，导致没有兼顾增产节水目标。因此，本研究在重新调整灌水量及减水幅度的基础上，以秋冬茬芹菜为目标作物开展大田实证研究，考察外源施用FA和GB 2种生物刺激剂与灌水量耦合对农作物生长、产量、品质与灌溉水利用效率的调控效应，并分析不同组合措施的成本与经济效益。进而探讨多措施联合调控在协助节水方面的实际效益及增产增效和节水多目标实现的可行性，服务国家农业可持续发展战略。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在北京大兴区农业技术推广站的温室内进行。土壤为褐土，质地疏松。大棚内蔬菜种植模式为春番茄秋芹菜的轮作模式。试验地土壤性质如下：有机质16.8 g/kg，全氮1.7 g/kg，硝态氮36 mg/kg，有效磷50 mg/kg，有效钾73 mg/kg。试验芹菜品种为“文图拉”，2022年8月22日开始育苗。2022年9月27日施用基肥（磷酸二铵，375 kg/hm2；硫酸钾，225 kg/hm2），肥料撒施土表后，翻耕表层30 cm土壤，使土壤与肥料混合均匀。2022年10月21日追施一次高氮水溶性肥料（35-11-12，120 kg/hm2），2022年12月17日追施一次高钾水溶性肥料（12-9-37，180 kg/hm2）芹菜植株于2023年1月15日收获，整个生长期为108 d。

试验采用裂区设计。主小区为灌溉处理，副小区为生物刺激剂处理。每个处理设置5次重复，随机布设，以减少试验误差。主小区灌溉处理设置2个水平，分别为：①园区常规灌溉量，1 517 m3/hm2（CI）；②减量灌溉，1 103 m3/hm2（RI，73% CI）。副处理设置3个水平，分别为：清水对照组（CK）；叶施黄腐酸（FA）；叶施甘氨酸甜菜碱（GB）。试验共6个组合处理（

表1

），每个试验小区面积为6.5 m×11 m。芹菜采用平畦栽培技术，单行排列，行距25 cm，株距30 cm。

表1 不同生物刺激剂与灌水量处理对芹菜叶片光合参数的影响

Tab.1 Effect of different biostimulant and irrigation water treatments on photosynthetic parameters of celery leaves

因素水平叶温/℃ 气孔导度 /cm 净光合速率/（μmol•m-2•s-1）蒸腾速率/（mmol•m-2•s-1）蒸腾效率/（μmol•mmol-1） W CI 15.5±0.19b 0.078±0.008a 97.7±3.82a 0.267±0.037a 391±22.7b RI 16.3±0.18a 0.033±0.007b 97.6±3.77a 0.152±0.037b 433±21.6a E CK 16.5±0.23a 0.138±0.01a 102±4.68a 0.598±0.046a 215±32.1b FA 15.4±0.20b 0.058±0.010b 93.2±4.66a 0.220±0.044b 430±45.2a GB 15.5±0.21b 0.023±0.010b 97.2±4.77a 0.183±0.011b 416±36.2a ANOVA L W S S NS S NS Eta-W 0.134 0.226 0 0.233 0.093 L E S S NS S S Eta-E 0.165 0.665 0.037 0.721 0.533 L W×E S S NS NS NS Eta-W×E 0.190 0.260 0.025 0.035 0.085注：数据以均值±标准差形式显示；L W代表灌水处理的显著性；L E代表生物刺激剂处理的显著性；L W×E代表灌水与生物刺激剂的交互效应；Eta-W、Eta-E 和Eta-W×E代表因素对参数变化的贡献；S代表显著，NS代表不显著；下同。

试验采用自压式滴灌系统。每个定植垄上安装2条滴灌管，喷头间距为40 cm。2022年9月27日、10月21日和12月17日的3次灌水处理，形成2个灌溉处理的灌水量差异。所有地块均由宽约20 cm的埂隔离，可独立供水和排水。实际灌溉量由数字水表测量。

FA和GB生物刺激剂分别于2022年10月22日、11月5日和11月18日分3次叶施处理。每次叶施浓度均为0.5 g/L，叶施总投入量均为1.399 kg/hm2。

1.2 取样与测量

在晴天上午9∶00-11∶00，每个处理随机选取20片芹菜叶片（测量位置为从上往下数的第3或第4片复叶上的成熟叶片），使用便携式光合仪（英国，LC Pro-SD）测量叶片的光合速率和蒸腾速率。

芹菜收获期，随机选取30棵植株，测定芹菜单棵重、产量和品质等参数。对每个试验小区的芹菜集中采收用于计产。用电子台秤称量每个小区的芹菜产量。

土壤分析参照文献[33, 34]。有机质含量采用重铬酸钾容量法和外部加热法，总氮含量采用半微量—凯氏定氮法，硝态氮含量采用苯酚二磺酸分光光度法，速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3消解和Mo—Sb比色法，速效钾含量采用1 mol/L中性NH4OAc消解—火焰分光光度法。

品质分析参照文献[35-37]。Vc（维生素C）含量采用2,6—二氯靛酚滴定法测量，硝酸盐含量采用紫外光谱法测量。

1.3 数据处理和计算

数据采用Excel 2007和SPSS 22.0统计软件进行分析。采用Two-way Anova作双因子试验数据显著性差异分析，以评估灌水和外施生物刺激剂对芹菜生产的影响。当F值显著时，采用Turkey检验进行多重比较。如果观察到的显著性水平p小于0.05，则认为处理间差异显著。芹菜的灌溉水利用效率按以下公式计算：灌溉水利用效率（IWP）=芹菜产量（Y）/灌溉水量（IWQ）。

2 结果与分析

2.1 叶片温度、气孔导度、净光合速率、蒸腾速率和蒸腾效率

叶面喷施FA和GB显著降低了芹菜叶片的温度、气孔导度和蒸腾速率（

表1

）。喷施FA和GB对芹菜叶片净光合速率的影响不显著，叶面喷施FA和GB的芹菜叶片蒸腾速率比CK提高了1倍，叶面喷施FA和GB处理对芹菜叶片净光合速率、蒸腾速率和蒸腾效率的影响大体一致，减量灌溉对叶片净光合速率的影响未达到显著水平，叶片气孔导度和蒸腾速率均显著降低，RI灌水量处理芹菜叶片的蒸腾效率明显高于CI处理。统计分析显示，灌水量、叶面喷施处理以及灌水量×叶面喷施对芹菜叶片温度和气孔导度均存在显著影响，叶面喷施处理对芹菜叶片蒸腾效率的影响达统计学显著水平。

2.2 叶片SPAD值、株高、茎粗和单棵重

与CK相比，叶面喷施FA和GB对芹菜的叶片SPAD值、株高和茎粗的影响均未达统计学显著水平（

表2

）。与CK相比，叶面喷施FA和GB增加了芹菜单棵重，增幅分别达14%（p<0.05）和12%（p<0.05），在CI和RI灌溉水量处理组间比较显示，芹菜叶片SPAD值、株高、植株茎粗和单棵重的差异均不显著。统计分析显示，叶面喷施处理对芹菜单棵重存在显著影响。

表2 不同生物刺激剂与灌水量处理对芹菜生长参数的影响

Tab.2 Effect of different biostimulant and irrigation water treatments on growth parameters of celery

因素水平 SPAD值株高/cm 茎粗/mm 单棵重/g W CI 29.3±0.83a 67.6±0.98a 46.9±1.16a 305±6.36a RI 30.5±0.80a 69.4±0.93a 46.5±1.18a 309±6.33a E CK 29.3±1.02a 67.1±1.18a 45.2±1.43a 284±7.79b FA 29.6±1.03a 69.5±1.21a 47.6±1.38a 324±7.70a GB 30.7±1.06a 67.7±1.20a 47.3±1.43a 318±7.65a ANOVA L W NS NS NS NS Eta-W 0.017 0.049 0.001 0.010 L E NS NS NS S Eta-E 0.020 0.027 0.031 0.222 L W×E NS NS NS NS Eta-W×E 0.004 0.005 0.008 0.003

2.3 产量和灌溉水利用效率

表3

显示，与CK相比，叶面喷施FA和GB显著提高了芹菜产量，增幅分别为12 495 kg/hm2和10 475 kg/hm2；2种外源物质叶面喷施处理显著提升了芹菜的灌溉水利用效率，增幅分别为9.7 kg/m3和8.4 kg/m3。FA叶施处理芹菜产量与灌溉水利用效率与GB差异不显著。与CI相比，RI处理对芹菜产量的影响不显著，显著提升了芹菜灌溉水利用效率，增幅大24.1 kg/m3。

表3 不同生物刺激剂与灌水量处理对芹菜产量和灌溉水利用效率的影响

Tab.3 Effect of different biostimulant and irrigation water treatments on celery yield and irrigation water use efficiency

总项目分项目产量/（kg•hm-2）灌溉水利用效率/（kg•m-3） CI CK 87 762±4 370 57.8±2.85 FA 101 125±5 734 66.6±3.75 GB 97 839±4 092 64.5±2.70 RI CK 88 741±4 265 80.4±3.85 FA 100 369±5 695 90.9±5.20 GB 99 615±5 839 90.3±5.30 W CI 95 575±1 685a 63.0±1.33b RI 96 241±1 796a 87.1±1.25a E CK 88 251±2 065b 69.1±1.65b FA 100 746±2 100a 78.8±1.75a GB 98 726±1 996a 77.5±1.76a ANOVA L W NS S Eta-W 0.006 0.930 L E S S Eta-E 0.638 0.622 L W×E NS NS Eta-W×E 0.016 0.037

总之，本试验6个组合处理比较而言，CIFA和RIFA处理芹菜的产量更高，RIFA和RIGB处理芹菜的灌溉水利用效率更高。

统计分析显示，叶面喷施显著影响芹菜产量与灌溉水利用效率，灌水量显著影响芹菜产量。

2.4 芹菜品质指标

表4

显示，芹菜叶片的Vc和硝酸盐含量明显高于茎杆。与CK相比，叶面喷施FA和GB降低了芹菜茎杆Vc含量，显著提高了芹菜叶片Vc含量，显著提高了芹菜茎杆硝酸盐含量。与FA相比，叶面喷施GB处理芹菜的茎杆和叶片Vc含量更高，茎杆和叶片硝酸盐含量更低，表明GB处理芹菜品质优于FA处理。

表4 不同生物刺激剂与灌水量处理对芹菜品质的影响

Tab.4 Effect of different biostimulant and irrigation water treatments on quality of celery

总项目分项目茎秆Vc含量/［mg•(100 g)-1］叶片Vc含量［mg•(100 g)-1］茎秆硝酸盐含量/（mg•kg-1）叶片硝酸盐含量/（mg•kg-1） CI CK 0.668±0.095 4.81±0.318 56.0±2.95 287±9.50 FA 0.500±0.101 9.97±0.539 99.9±22.7 367±31.0 GB 0.596±0.051 12.6±0.351 136±8.88 450±109 RI CK 0.773±0.136 4.85±0.383 135±22.1 470±22.1 FA 0.522±0.003 3.48±0.147 589±17.0 441±12.5 GB 0.638±0.051 5.12±0.532 139±32.5 370±27.1 W CI 0.588±0.029a 9.153±0.135a 97.3±6.717b 368±16.3b RI 0.645±0.026a 4.486±0.129b 287±6.772a 427±16.6a E CK 0.721±0.035a 4.833±0.166c 95.6±8.22c 379±19.9a FA 0.511±0.033b 6.728±0.166b 344±8.28a 404±16.9a GB 0.617±0.030ab 8.897±0.139a 137±8.30b 410±17.8a ANOVA L W NS S S S Eta-W 0.141 0.981 0.971 0.355 L E S S S NS Eta-E 0.600 0.962 0.978 0.102 L W×E NS S S S Eta-W×E 0.061 0.963 0.977 0.646

减量灌溉处理增加了芹菜茎秆和叶片硝酸盐含量以及茎秆Vc含量，降低了芹菜叶片Vc含量。不同灌水量的比较来看，叶施FA处理芹菜在CI灌水量时具有更高的叶片Vc含量和更低的植株地上部硝酸盐含量；叶施GB处理在RI灌水量时具有更高的植株Vc含量和更低的植株硝酸盐含量。

统计分析显示，灌水量、叶面喷施、灌水量×叶面喷施显著影响芹菜叶片Vc含量、茎杆和叶片硝酸盐含量，叶面喷施处理显著影响芹菜茎杆Vc含量。

2.5 芹菜地上部氮磷钾吸收量

表5

显示，与CK相比，叶面喷施FA和GB显著增加了芹菜氮磷钾养分吸收量，芹菜氮吸收量分别增加12%和13%，芹菜磷吸收量分别增加25%和13%，芹菜钾吸收量分别增加15%和16%。

表5 不同生物刺激剂与灌水量处理对芹菜氮磷钾元素累积的影响

Tab.5 Effect of different biostimulant and irrigation water treatments on nitrogen, phosphorus and potassium accumulation in celery

总项目分项目氮吸收/（kg•hm-2）磷吸收/（kg•hm-2）钾吸收/（kg•hm-2） CI CK 234±12.0 49.1±2.45 404±20.0 FA 264±15.0 62.6±3.55 464±26.5 GB 278±11.5 62.4±2.60 501±20.5 RI CK 243±11.5 44.5±2.15 451±21.5 FA 271±15.0 54.9±3.15 520±29.5 GB 260±15.5 44.1±2.60 495±29.0 W CI 259±5.00a 58.0±0.93a 456±8.27b RI 258±3.88a 47.8±0.69b 489±8.73a E CK 238±5.50b 46.8±1.13c 427±10.1b FA 267±5.87a 58.7±1.35a 492±11.5a GB 269±5.18a 53.2±1.19b 498±13.1a ANOVA L W NS S S Eta-W 0.001 0.834 0.389 L E S S S Eta-E 0.617 0.821 0.714 L W×E NS S NS Eta-W×E 0.250 0.624 0.316

减量灌溉处理减少了芹菜植株磷养分吸收，增加了芹菜植株钾养分吸收，对芹菜植株氮养分吸收的影响不显著。

统计分析显示，叶面喷施显著影响芹菜植株氮磷钾养分吸收，灌水量显著影响芹菜植株磷钾养分吸收，灌水量与叶面喷施对芹菜磷养分吸收的影响存在显著的交互效应。

2.6 经济效益分析

经济效益包括节省投资成本和增加种植产值。

表6

显示，种苗在总支出中所占比例最大，其次是灌溉设备、化肥、农药和劳动力，而灌溉用水和外喷生物刺激剂在总支出中所占比例最小。

表6 不同生物刺激剂与灌水量处理对芹菜种植投入与收益的影响 (元/hm2)

Tab.6 Effect of different biostimulant and irrigation water treatments on inputs and returns of celery production

处理种苗肥料农药灌溉设备灌溉水生物刺激剂劳动力总投入种植收入种植收益 CICK 13 125 3 413 3 000 5 000 728 0 0 25 266 122 867 97 601 CIFA 13 125 3 413 3 000 5 000 728 30.8 1 200 26 497 141 575 115 078 CIGB 13 125 3 413 3 000 5 000 728 770 1 200 27 236 136 975 109 739 RICK 13 125 3 413 3 000 5 000 529 0 0 25 067 124 237 99 170 RIFA 13 125 3 413 3 000 5 000 529 30.8 1 200 26 298 140 517 114 219 RIGB 13 125 3 413 3 000 5 000 529 770 1 200 27 037 139 461 112 424注：种苗0.35元/株，种植密度3.75 万株/hm2；高氮和高钾水溶肥价格0.7 万元/t；磷酸二铵和硫酸钾价格分别为0.2 万元/t和0.25 万元/t；灌溉设备投入2.5 万元/hm2，能使用5 a；灌溉耗水价格0.48 元/m3；FA和GB投入成本分别为22 元/kg和550 元/kg；生物刺激剂叶施3次，每次需要2个劳动力，每个劳动力价格200 元/hm2；种植收入=产量×单价，单价为1.4 元/kg；种植收益=种植收入-总成本。

与CK相比，叶面喷施FA和GB处理增加了外源生物刺激剂材料成本和劳动力成本。但由于种植产量增加，叶面喷施FA和GB处理芹菜的净收入增加。在这种增加效应中，叶面喷施FA处理的表现略优于叶面喷施GB处理。

减少灌溉量的措施降低了灌溉水投入成本，对芹菜生产总投入、总产值和净收入的影响不大。

总之，不同灌水条件下叶面喷施外源生物刺激剂处理能大幅增加芹菜种植产值及收益，以CIFA处理的净收入最高，RIFA和RIGB处理次之，其次是CIGB处理。

3 讨论

研究表明，与叶施清水对照相比，叶施生物刺激剂FA和GB均显著增加了芹菜的单棵重、产量和灌溉水利用效率（见

表1

）。FA的试验结果与YU等[40-42]的研究结果一致，即在2个不同灌溉量水平下，外源施用FA均可增加试验农作物的产量。GB的试验结果与RAMADAN等[43-45]的研究结果一致，即在2个灌溉量水平下，外源施用GB均能显著增加番茄产量。本研究表明，叶施FA和GB具有降低叶片温度、气孔导度和蒸腾速率，提升叶片蒸腾效率（

表1

）及增加植株氮磷钾吸收（

表5

）的作用，2种生物刺激剂处理芹菜的产量与对照相比均有显著提升（

表2

和

表3

）。我们认为，芹菜生长参数、产量和灌溉水利用效率的提升与其调节芹菜叶片光合作用及改善矿质营养元素吸收有关。与CK相比，叶面喷施FA和GB增加了芹菜茎秆和叶片部分的Vc和硝酸盐含量（

表4

），不过2种制剂处理芹菜植株的硝酸盐含量均尚未超过蔬菜硝酸盐含量控制标准。试验结果还显示，FA处理植株的产量、灌溉水利用效率和净收入略高于GB处理植株，GB处理芹菜植株的茎叶Vc含量高于FA处理植株，茎叶硝酸盐含量低于FA处理植株。这表明，FA处理芹菜的生长及产量性状更佳，GB处理芹菜的品质性状更佳。

试验结果显示，灌水量从CI减至RI并未引起芹菜单棵

重及产量的显著降低（

表2

和

表3

），这与JENSEN等[46]和WANG等[47]报道的减少灌溉量引起农作物产量降低的结论不同。本试验减量灌溉未引起农作物减产的原因可能与减量灌溉幅度控制适宜有关。此外，气候条件、土壤特性、作物种类和施肥管理的差异也可能是导致研究结论不一致的原因。叶片蒸腾效率（叶片水平的水分利用效率）表示净光合速率与蒸腾速率的比值。本试验减少灌溉量未影响芹菜叶片净光合速率，降低了叶片蒸腾速率，提升了叶片蒸腾效率（

表1

）。植物灌溉水利用效率（群体水平用水效率）表示产量与灌溉水量的比值。本试验减少灌溉量在保持芹菜产量的同时，减少了灌溉水投入量，因此大幅提升了芹菜灌溉水利用效率（

表3

）。

方差分析表明，叶施生物刺激剂措施对芹菜叶片温度、气孔导度、蒸腾速率、灌溉水利用效率、NPK吸收等指标均存在显著影响，明显改善了芹菜的农艺性状、品质表现及群体灌溉水利用效率。灌水量对芹菜叶片温度、气孔导度、蒸腾速率、植株PK吸收均存在显著影响，也显著影响了芹菜品质及群体水分利用效率。灌水量与叶施生物刺激剂措施对芹菜产量和群体水分利用效率的影响不存在交互效应，对芹菜品质的影响存在显著的交互效应。

RIFA和RIGB组合处理芹菜的产量和灌溉水利用效率明显大于对照CICK处理，表明2种生物刺激剂外源施用可兼顾节水与增产目标。外源施用FA和GB增加了生产资料和劳动力投入，但通过节水和增产作用大幅提升了芹菜产值及种植收益，其中尤以FA的表现更优（

表6

）。

4 结论

与常规对照相比，叶面喷施2种生物刺激剂FA和GB处理显著增加了芹菜单棵重、产量、灌溉水利用效率和经济效益。FA和GB叶施处理降低了芹菜叶温、气孔导度和蒸腾速率，增加了芹菜叶片蒸腾效率及植株氮磷钾养分吸收。叶施FA处理的芹菜生长参数改善优于GB处理，叶施GB处理的品质调控效应优于FA处理。灌水量从CI调减至RI未引起芹菜减产，大幅提升了芹菜灌溉水利用效率。综合所有指标，CIFA和RIFA组合处理的芹菜产量和经济价值更高，RIFA和RIGB组合处理的节水价值更高，RIGB组合处理的芹菜品质价值更高。综合考虑，RIFA和RIGB分别为推荐和备选处理。

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