灌水頻率對綠洲菊芋耗水特征及水分利用效率的影響

張恒嘉，康燕霞

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院農(nóng)業(yè)水利工程系，蘭州 730070)

灌水頻率對作物耗水特征和水分利用效率有重要影響，但對以收獲地下塊莖為主要目的的經(jīng)濟(jì)作物研究并不多見。在干旱半干旱環(huán)境下，提高作物水分利用效率是實(shí)現(xiàn)高效用水的中心和潛力所在[1,2]。然而，水分利用效率取決于光合產(chǎn)物的形成和水分蒸散兩大過程，而光合產(chǎn)物的形成和水分蒸散則是水、肥、氣、熱、光、土和生物等多種因素共同作用的結(jié)果[3,4]。因此，合理灌溉和節(jié)約灌溉用水，灌好關(guān)鍵水，通過不同灌水頻率調(diào)控作物不同生育期的耗水特征，對提高作物水分利用效率具有明顯的促進(jìn)作用。在作物需水關(guān)鍵期補(bǔ)充灌水后，雖然耗水量增加，但產(chǎn)量增加幅度更大，水分利用效率仍維持在較高水平[5]。適宜灌水頻率下，作物經(jīng)受適度干旱，雖然生長受到一定抑制，但卻強(qiáng)化了作物體能量代謝和一系列生物合成，增強(qiáng)了細(xì)胞持水能力，既節(jié)約了灌溉用水，降低了耗水量，又提高了作物的水分利用效率[6,7]。研究表明，灌水頻率增加有利于作物產(chǎn)量增加和水分利用效率提高[8-10]，而灌水量減少20%，玉米水分利用效率僅下降10.9%左右[5]。

目前，以收獲地下塊莖為主的菊芋灌溉研究仍多側(cè)重于對其產(chǎn)品品質(zhì)、施肥栽培技術(shù)、生態(tài)適應(yīng)性及不同濃度海水處理或咸水灌溉對菊芋幼苗生長發(fā)育、光合特性及水分利用效率影響的研究[11-13]，對不同灌水頻率下菊芋非充分灌溉的研究嚴(yán)重不足。本研究通過不同灌水頻率對河西走廊綠洲菊芋階段耗水量、耗水強(qiáng)度、耗水模數(shù)、全生育期耗水量及水分利用效率的系統(tǒng)測定和比較分析，探求菊芋不同生育期的水分需求特性和高效用水機(jī)理，為該區(qū)菊芋非充分灌溉制度的合理制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究于2009年3-10月在張掖市灌溉試驗(yàn)站(東經(jīng)100°26′，北緯38°56′，海拔1 483 m)進(jìn)行。試區(qū)氣候干燥，水源不足，地下水位較低，無鹽堿化影響，屬大陸性干旱氣候, 具有干旱少雨(多年平均降水量為127.5 mm)、蒸發(fā)量大(多年平均蒸發(fā)量2 047.9 mm)、日照時(shí)間長(年日照時(shí)數(shù)2 932～3 085 h)和晝夜溫差大等特點(diǎn)。4月下旬至9月上旬，菊芋生育期內(nèi)總降雨量110.7 mm，其中3月和10月無降雨，4月降雨量最少，累計(jì)為2.8 mm，占全生育期2.53%，5、6、7、8四月累計(jì)降雨量分別為10.8、7.0、6.8和38.2 mm，占全生育期降雨總量的9.76%、6.32%、6.14%和34.51%，9月不但降雨次數(shù)最多，累計(jì)降雨量也最高，為47.9 mm，占全生育期總降雨量的43.27%。試區(qū)土壤為壤質(zhì)灌漠土，田間持水量22.5%，土壤密度1.5 g/cm3，pH值8.4，0～20 cm耕層有機(jī)質(zhì)含量1.37%，堿解氮61.8 mg/kg，速效磷13.4 mg/kg，速效鉀190.4 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試菊芋品種為青芋2號(hào)，于2009年3月28日播種，10月28日收獲。試驗(yàn)灌水方式為小畦灌，水表嚴(yán)格控制灌水量，并及時(shí)進(jìn)行中耕和防治病蟲草害。試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)面積3.5 m×10 m，株行距60 cm×60 cm。試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，1個(gè)對照(表1)，結(jié)合土壤水分調(diào)虧程度和當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶灌水實(shí)際確定各次灌水量，分別在苗期、枝繁葉茂期、現(xiàn)蕾期和開花期施加不同灌水組合，包括苗期600 m3/hm2(S600，下同)處理J1、S600+L600為J2、S600+B600為J3、S600+L300+B900為J4、S600+L900+B300為J5、S600+L600+B300+F900為J6及全生育期不灌水的對照CK。

表1 試驗(yàn)灌水頻率設(shè)計(jì)

注：此設(shè)計(jì)不包括播前灌溉。

1.3 土壤水分及產(chǎn)量測定

作物生長期間每隔7 d左右用烘干稱重法測定一次土壤水分，主要生育期和灌水后各加測1次，共分為6層測定：0～10，10～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm。每個(gè)重復(fù)取3個(gè)樣。

菊芋成熟時(shí)各小區(qū)均整區(qū)收獲計(jì)產(chǎn)，各處理產(chǎn)量為3個(gè)重復(fù)小區(qū)塊莖產(chǎn)量的平均值。

1.4 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算

1.4.1 階段耗水量

試驗(yàn)條件下，菊芋階段耗水量用下式計(jì)算：

(1)

式中：ET1-2為某生育階段始末菊芋耗水量，mm；i為土層編號(hào)；n為土壤層次總數(shù)；ri為第i層土壤的干密度，g/cm3；Hi為第i層土層厚度，cm；Wi1和Wi2分別為第i層土壤時(shí)段始末重量含水率，%；M、P分別為i時(shí)段內(nèi)灌水量和有效降雨量，mm；K為i時(shí)段內(nèi)地下水補(bǔ)給量，mm，試區(qū)地下水埋深>20 m，故K值為0；C為i時(shí)段內(nèi)的排水量，mm，本研究為非充分灌溉，灌水上限不超過田間持水量的75%，不會(huì)產(chǎn)生深層滲漏，故C值為0。

因此，上式可簡化為：

(2)

1.4.2 水分利用效率

菊芋水分利用效率(WUE)根據(jù)下式計(jì)算：

WUE=Y/ETa

(3)

式中：Y為菊芋經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，kg/hm2；ETa為菊芋全生育期耗水量，mm，為各生育階段耗水量之和。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2003作圖，用SPSS18.0軟件進(jìn)行回歸分析，并用LSD多重比較法比較分析數(shù)據(jù)差異的顯著性(p<0.05)，各圖表中的數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 階段耗水量

不同灌水頻率下菊芋各生育期耗水量均以對照CK最小(表2)。菊芋苗期各灌水處理耗水量均顯著(p<0.05)高于CK，但J1、J2、J3、J4、J5、J6處理間無顯著差異(p>0.05)。枝繁葉茂期各處理間耗水量差異達(dá)顯著水平，以J5處理最高，顯著高于其他灌水處理及對照30.2%～186.0%，但J1、J3、CK間及J2、J6處理間耗水量差異均不顯著。現(xiàn)蕾期耗水量以J4處理最高，J1、J2、CK耗水量顯著低于J5和J640.8%～44.6%和40.7%～44.5%，但J1、J2、CK間及J5、J6間耗水量差異均不顯著。J3處理耗水量則顯著高于J5、J642.5%、42.8%但顯著低于J425.5%。開花期菊芋耗水量以J6處理最高，顯著高于其他灌水處理及對照。灌水處理J3、J4、J5耗水量顯著高于對照CK 28.2%、30.0%、35.3%，但J1、J2、J3、J4、J5間及J1、J2、CK間耗水量無顯著差異。

表2 不同灌水頻率下菊芋耗水特征

注：數(shù)值為每個(gè)處理3次重復(fù)的平均值；同行字母不同表示試驗(yàn)處理間在0.05水平上差異顯著，下同。

2.2 耗水強(qiáng)度

不同灌水頻率下菊芋各生育期耗水強(qiáng)度仍均以對照CK最小(表2)。菊芋苗期對照CK耗水強(qiáng)度顯著(p<0.05)小于其他灌水處理，但各灌水處理間耗水強(qiáng)度差異不顯著(p>0.05)。枝繁葉茂期J5處理耗水強(qiáng)度最大，顯著高于其他處理及對照，但J2、J6處理間及J1、J3、CK間耗水強(qiáng)度無顯著差異。J4處理耗水強(qiáng)度顯著小于J2、J6處理，但顯著大于J1、J3、CK?，F(xiàn)蕾期菊芋耗水強(qiáng)度以J4處理最大，顯著高于其他處理及對照。J3處理耗水強(qiáng)度顯著小于J4處理25.5%，但顯著大于J5、J6處理42.5%、43.0%，J5、J6亦顯著大于J1、J2、CK 72.2%、71.7%，68.6%、68.1%和79.9%、79.3%。開花期J6處理耗水強(qiáng)度最大，顯著大于其他處理及對照，J1、J2、J3、J4、J5處理也顯著大于對照CK 11.1%～30.6%，但J1、J2、J3、J4、J5處理無顯著差異。此外，全生育期平均耗水強(qiáng)度以灌水頻率最高的J6處理最大，其次為J5處理，以全生育期不灌水的對照最小。

2.3 耗水模數(shù)

不同灌水頻率下，全生育期僅灌1次水的J1處理菊芋苗期耗水模數(shù)最高，比其他灌水處理J2、J3、J4、J5、J6及對照CK顯著(p<0.05)增加30.9%、32.7%、66.5%、67.2%、95.1%、246.0%，以全生育期不灌水的對照CK耗水模數(shù)最低(表2)。J2、J3處理間及J4、J5處理間耗水模數(shù)無顯著差異(p>0.05)，但J2、J3處理顯著高于J4、J5處理，J4、J5處理顯著高于J6處理，而J6處理顯著高于CK。枝繁葉茂期J2、J5、CK間耗水模數(shù)差異不顯著，但顯著高于其他灌水處理，J1、J4、J6間差異亦不顯著，但均顯著高于J3處理。現(xiàn)蕾期耗水模數(shù)以J4處理最高，但與J3處理間差異尚未達(dá)顯著水平，以J2處理耗水模數(shù)最低。J3與CK間、J1與J5間耗水模數(shù)差異也不顯著，但CK顯著高于J1、J5、J6、J2處理，J1、J5顯著高于J6，J6則顯著高于J2處理。

菊芋開花期耗水模數(shù)以全生育期灌水頻率最高的J6處理最高，顯著高于其他處理及對照，其次為對照CK，以J4和J5處理最低。CK耗水模數(shù)比其他灌水處理顯著增加39.6%～102.7%，J1處理亦顯著高于J2、J4、J5處理，但J1、J3間，J2、J3間及J4、J5間耗水模數(shù)無顯著差異。受不同灌水頻率的影響，菊芋各處理耗水模數(shù)不同生育期最大值出現(xiàn)的時(shí)間不一致，但基本上在枝繁葉茂期和苗期，而耗水模數(shù)最小值基本上在開花期，但全生育期灌水頻率最高的J6處理最小的耗水模數(shù)出現(xiàn)在現(xiàn)蕾期，而全生育期不灌水的對照CK則出現(xiàn)在苗期。

2.4 全生育期耗水量

不同灌水頻率下，與全生育期不灌水的對照CK相比，灌水處理J1、J2、J3、J4、J5、J6菊芋全生育期耗水量(ETa)顯著(p<0.05)增加55.3%、106.2%、106.4%、157.6%、158.9%、205.6%(表3)。ETa以全生育期灌水頻率最高且灌水量最大的J6最多，比其他5個(gè)灌水處理顯著增加18.1%～96.8%。J2、J3間及J4、J5間ETa無差異(p>0.05)，但J4、J5ETa顯著高于J2和J3，24.9%、25.6%和24.8%、25.4%，J2、J3則顯著高于J132.8%和32.9%。

表3 不同灌水頻率下菊芋全生育期耗水量與水分利用效率

2.5 水分利用效率

在不同灌水頻率下，水分利用效率(WUE)以全生育期不灌水的對照CK最高，分別比灌水處理J1、J2、J3、J4、J5、J6顯著(p<0.05)提高12.4%、47.0%、41.4%、55.9%、42.0%、82.9%(表3)。J2、J3、J4、J5處理間WUE差異不顯著(p>0.05)，但比WUE最小的J6處理顯著提高24.5%、29.4%、17.3%、28.8%，比J1處理則顯著降低23.5%、20.5%、27.9%、20.9%?；貧w分析發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)條件下菊芋WUE與ETa之間呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖1)，可用回歸方程描述為WUE=-3.776 4ETa+ 610.04 (R2=0.911 6)。因此，在不同灌水頻率下，河西走廊菊芋水分利用效率隨全生育期耗水量的增加呈線性遞減的趨勢。

圖1 不同灌水頻率下水分利用效率與全生育耗水量的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

枝繁葉茂期和苗期是菊芋水分消耗和需求最大的時(shí)期，其次為現(xiàn)蕾期。在不同灌水頻率下，菊芋苗期耗水量、耗水強(qiáng)度及耗水模數(shù)差異不大，但與不灌水相比差異顯著。枝繁葉茂期和現(xiàn)蕾期分別為菊芋營養(yǎng)生長期盛期和營養(yǎng)生長向生殖生長過度的并進(jìn)生長階段，這兩個(gè)時(shí)期缺水將導(dǎo)致菊芋耗水量和耗水強(qiáng)度顯著下降，影響作物蒸騰需水和光合同化作用，不利于干物質(zhì)的積累，因而保證營養(yǎng)生長期和并進(jìn)生長階段的水分供應(yīng)對菊芋產(chǎn)量形成至關(guān)重要，這與劉培等[7]干旱脅迫對冬小麥生長發(fā)育、干物質(zhì)分配及產(chǎn)量構(gòu)成的影響研究一致。開花期灌水菊芋耗水量、耗水強(qiáng)度及耗水模數(shù)顯著增大，“奢侈”蒸騰增強(qiáng)，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，水分利用效率降低，水的利用不經(jīng)濟(jì)，可能與該生育期灌水量過高有關(guān)。因此，生殖生長期適當(dāng)減少灌水量可抑制菊芋蒸騰，提高水分利用效率。

孔德杰等[13]研究寧夏干旱風(fēng)沙區(qū)日光溫室滴灌黃瓜后認(rèn)為，隨著灌水頻率的增加，土壤水分貯量逐漸增多，耗水量逐漸減少，水分利用效率明顯提高。本研究表明，菊芋全生育期耗水量隨著灌水頻率和灌水量的增大而增大，但灌水頻率和總灌水量一定時(shí)，不同生育期的灌水量分配對菊芋耗水量不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。不同灌水頻率下菊芋全生育期耗水量比不灌水顯著增加55.3%～205.6%，灌水頻率越高耗水量越大。

菊芋水分利用效率隨著灌水頻率和灌水量的增大而降低，但相同灌水頻率和灌水量下菊芋生育期內(nèi)灌水量不同時(shí)，水分利用效率差異不大。本研究上述相關(guān)結(jié)論與前人研究[13]不盡一致，這與本研究作物種類、灌水方式及試區(qū)氣候條件均與已有研究不同有關(guān)。

因此，以收獲地下塊莖為主要目的的經(jīng)濟(jì)作物在耗水規(guī)律和水分利用特征方面明顯不同于以收獲籽粒為目的的糧食作物，應(yīng)保證其營養(yǎng)生長期和并進(jìn)生長階段對水分的供應(yīng)以滿足蒸騰需水和光合同化作用對水分的需求[14-16]，而在生殖生長期則應(yīng)適當(dāng)減少灌水量以抑制作物奢侈蒸騰，提高水分利用效率。

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