調(diào)虧灌溉對(duì)黑豆產(chǎn)量及水分利用效率的影響研究

邰恩博，凡久彬，佟 威，張更元

(1. 遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003；2. 沈陽(yáng)市水務(wù)事務(wù)服務(wù)與行政執(zhí)法中心，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

黑豆具有適應(yīng)性強(qiáng)、抗干旱、耐土地瘠薄等特點(diǎn)，是我國(guó)北方地區(qū)旱作農(nóng)業(yè)中重要的經(jīng)濟(jì)和糧食作物[1]。遼北地區(qū)是遼寧省主要的黑豆生產(chǎn)地區(qū)，其中彰武黑豆已獲得全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品地理標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計(jì)2014年，彰武縣黑豆種植面積達(dá)6666.67 hm2，總產(chǎn)量可達(dá)3萬(wàn)t以上，經(jīng)濟(jì)效益1.5億元[2]。遼北地區(qū)大多為干旱、半干旱地區(qū)，年降水量?jī)H為300～500 mm，黑豆的生產(chǎn)效益受干旱影響較大，在水資源極度緊缺和土壤條件較差的遼北地區(qū)推廣節(jié)水灌溉，促進(jìn)作物對(duì)有限水資源的充分利用是該地區(qū)黑豆生產(chǎn)實(shí)踐的發(fā)展方向之一。

作物調(diào)虧灌溉是指在作物特定的生長(zhǎng)發(fā)育階段人為主動(dòng)的施加一定程度的水分脅迫，以此來(lái)達(dá)到節(jié)水和提高水分利用效率的灌溉方式[3]，且已廣泛應(yīng)用于花生、大豆和玉米等作物上[4-6]。本次試驗(yàn)針對(duì)遼北風(fēng)沙區(qū)特色農(nóng)業(yè)——黑豆產(chǎn)業(yè)，設(shè)置在不同生育期進(jìn)行不同調(diào)虧程度的微噴灌溉試驗(yàn)，以期闡明調(diào)虧灌溉對(duì)黑豆生長(zhǎng)、產(chǎn)量和水分利用效率的影響，明確遼北地區(qū)黑豆生產(chǎn)中調(diào)虧灌溉的節(jié)水效果和應(yīng)用潛力。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年在遼寧省阿爾鄉(xiāng)灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行，該試驗(yàn)站地理位置為北緯42°08′59″，東經(jīng)120°30′44″，地處科爾沁沙地南緣，屬于溫帶半干旱季風(fēng)氣候，其主要特征是干燥、風(fēng)沙大。多年平均氣溫6.1 ℃，多年平均濕度58%，無(wú)霜期154 d；多年平均降水量為307 mm，降水量年內(nèi)分布不均，夏季降水量占全年的66%以上；多年平均蒸發(fā)量1777.6～1783.4 mm；多年平均風(fēng)速3.7～4.2 m/s，最大風(fēng)速24 m/s，干燥系數(shù)1.0～1.8。試驗(yàn)區(qū)地下水埋深為6.08 m。土壤為風(fēng)沙土，干容重1.69 g/cm，田間持水量為21.53%θf(wàn)(θf(wàn)，體積含水率)，全氮6.13 mg/kg，速效磷1.7 mg/kg，速效鉀19.1 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置三種水分處理：(1)常規(guī)灌溉CK，全生育期土壤含水率在90%θf(wàn)～75%θf(wàn)。(2)輕度調(diào)虧灌溉SR，苗期和成熟期土壤含水率在65%θf(wàn)～90%θf(wàn)，其他生育期同CK。(3)全生育期連續(xù)調(diào)虧灌溉CR，苗期和成熟期土壤含水率在50%θf(wàn)～90%θf(wàn)，分枝、結(jié)莢和鼓粒期土壤含水率在60%θf(wàn)～90%θf(wàn)，開(kāi)花期土壤含水率在65%θf(wàn)～90%θf(wàn)。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)。以黑美仁2號(hào)為材料，采用傳統(tǒng)栽培模式，行距60 cm，株距30 cm，壟長(zhǎng)20 m。齊苗后每穴單株定苗。黑豆于5月8日播種，9月28日收獲。播種時(shí)一次性施入氮磷鉀復(fù)合肥每畝30 kg。灌水均采用壓片式微噴帶灌溉技術(shù)，設(shè)計(jì)工作壓力為0.15 MPa，每條噴灌帶鋪設(shè)長(zhǎng)度20 m，噴水幅寬8 m(兩側(cè)各4 m，控制4條壟)，平均單孔出水量為3 L/h，每百米噴水量為8.4 m3/h。每個(gè)小區(qū)布置8壟，在中間壟溝布設(shè)一條微噴帶。每個(gè)小區(qū)安裝獨(dú)立水表以記錄灌水量。其他種植管理方式按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)進(jìn)行。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤含水率和降雨量

利用便攜式土壤水分測(cè)量?jī)x(Trime-PICO TDR)測(cè)定10 cm，20 cm，30 cm，40 cm，50 cm，60 cm深處的土壤含水率。每5天測(cè)定一次含水率，灌溉前后、各生育階段始末及降雨前后加測(cè)。氣溫、濕度、降雨量、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓及水面蒸發(fā)量，采用自動(dòng)氣象站進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集。

1.3.2 株高、莖粗、葉面積指數(shù)和SPAD值

于6月20日起各小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的黑豆植株5株掛牌標(biāo)記，每隔10 d利用鋼尺測(cè)定株高，利用游標(biāo)卡尺測(cè)定莖粗，利用AccuPAR-LP80植物冠層分析儀測(cè)定葉面積指數(shù)(LAI)，采用SPAD-502型葉綠素儀測(cè)定葉片SPAD值。

1.3.3 地上部分干物質(zhì)重

于苗期、分枝期、開(kāi)花期、結(jié)莢期、鼓粒期和成熟期在各小區(qū)取代表性植株3株，將地上部分植株在子葉處剪斷，清洗干凈后分裝到不同的牛皮紙袋中置于烘箱經(jīng)105 ℃殺青30 min，然后于80 ℃下烘至恒重，用電子天平稱(chēng)量地上植株干物質(zhì)重。

1.3.4 產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成及水分利用效率

黑豆成熟后，于各小區(qū)選擇中間2 m2收獲，將從植株體摘下后的大豆莢果裝在紗網(wǎng)袋中，自然風(fēng)干之后，測(cè)定各小區(qū)黑豆的單株莢數(shù)，單株粒數(shù)，單株粒重、百粒重及產(chǎn)量。黑豆的耗水量采用水量平衡方程計(jì)算得出，水分利用效率由黑豆產(chǎn)量與耗水量的比值得到。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

利用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；利用SPSS 18.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和生理指標(biāo)與產(chǎn)量的相關(guān)分析，采用最小顯著差法(least significant difference，LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)；利用Origin 9.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)虧灌溉對(duì)黑豆生長(zhǎng)性狀的影響

2.1.1 株高和莖粗

由圖1(a)可知，不同處理下黑豆株高均隨生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)先快速增長(zhǎng)后逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。三個(gè)處理的株高在苗期(6月20日)時(shí)并未表現(xiàn)出明顯的差異。分枝期～結(jié)莢期是黑豆快速生長(zhǎng)階段。進(jìn)入分枝期(6月30日)后，CK和SR處理的株高顯著高于CR處理，且均表現(xiàn)為CK>SR>CR，這種差異一直持續(xù)到生育期結(jié)束(7月10日除外)。從最終的株高表現(xiàn)來(lái)看，CK和SR處理的株高較CR處理顯著提高了25.9%和23.3%。從圖1(b)可知，不同處理下莖粗的動(dòng)態(tài)變化與株高呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)。在苗期(6月20日)時(shí)不同處理的莖粗并未產(chǎn)生顯著的差異。6月30日—9月18日，三個(gè)處理的莖粗呈現(xiàn)出顯著的差異，為CK處理的莖粗顯著大于SR和CR處理(7月30日除外)。從最終的株高表現(xiàn)來(lái)看，CK處理的莖粗較CR處理顯著提高了19.9%。

2.1.2 葉面積指數(shù)和葉綠素含量

由圖1(c)可知，各處理黑豆的葉面積指數(shù)(LAI)在全生育期內(nèi)表現(xiàn)為先增加后降低的變化趨勢(shì)。6月20日，CK和SR處理的LAI顯著大于CR處理。7月10日—8月29日，CK處理的LAI表現(xiàn)最優(yōu)，顯著高于SR和CR處理(7月30日和8月9日除外)。從8月19日后，各處理的LAI呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。9月8日和9月18日，進(jìn)入黑豆生長(zhǎng)后期，各處理間的LAI無(wú)明顯差異。由圖1(d)可以看出，各處理葉綠素含量(SPAD)的變化與LAI表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)。6月20日—8月29日，各處理的SPAD值為增加的趨勢(shì)，CK和SR處理的SPAD值顯著高于CR處理(6月20日和6月30日除外)；9月8日和9月18日，各處理的SPAD值呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且各處理間無(wú)顯著性差異。

圖1 調(diào)虧灌溉對(duì)黑豆生長(zhǎng)性狀的影響

2.2 調(diào)虧灌溉對(duì)黑豆地上部分干物質(zhì)重的影響

由圖2可知，苗期黑豆處于生長(zhǎng)初期，各處理間的地上部分干物質(zhì)重差異較小。進(jìn)入分枝期，各處理的地上部分干物質(zhì)重開(kāi)始表現(xiàn)出差異，CK處理較CR處理顯著提高了9.37%的地上部分干物質(zhì)重，且SR處理與CK處理無(wú)顯著差異。與CR處理相比，CK和SR處理顯著提高了開(kāi)花期(15.5%和13.7%)、結(jié)莢期(25.8%和20.7%)、鼓粒期(22.7%和19.5%)和成熟期(23.6%和21.4%)的地上部分干物質(zhì)重。可見(jiàn)，SR處理在苗期進(jìn)行適度的水分虧缺，而在重要的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)階段并未進(jìn)行水分虧缺，并不會(huì)對(duì)其最終的地上部分生物量產(chǎn)生明顯的負(fù)效應(yīng)。但CR處理在黑豆的各生育期進(jìn)行不同程度的虧水則會(huì)對(duì)其地上部分生物量產(chǎn)生顯著的且不可補(bǔ)償?shù)呢?fù)效應(yīng)。

圖2 不同處理下黑豆地上部分干物質(zhì)重

2.3 調(diào)虧灌溉對(duì)黑豆產(chǎn)量及水分利用效率的影響

由表1可知，CK和SR處理的單株莢數(shù)顯著高于CR處理，提高幅度分別為31.2%和30.9%。單株粒數(shù)表現(xiàn)為CR處理最低，為235.7個(gè)，較CK和SR處理低16.4%和15.9%，且呈顯著性差異。CK和SR處理的單株粒重顯著高于CR處理。三個(gè)處理間的百粒重?zé)o顯著差異。各處理的產(chǎn)量表現(xiàn)為：CK>SR>CR，CK 處理的黑豆產(chǎn)量最高，為2918 kg/hm2，較CR處理顯著提高了47.4%，SR處理的產(chǎn)量雖略低于CK處理，但無(wú)明顯差異，較CR處理顯著提高了45.5%。不同處理下的WUE表現(xiàn)為：SR>CK>CR，SR處理的WUE最高，為1.37 kg/m3，與CK處理的WUE無(wú)明顯差異，但顯著高于CR處理。與CR處理相比，SR和CK顯著提高了12.4%和21.6%的WUE。綜上可見(jiàn)，SR處理在黑豆的非需水關(guān)鍵期適量減少灌水量的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增效的目標(biāo)。

表1 不同處理下黑豆產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成及水分利用效率

2.4 黑豆產(chǎn)量與不同生育期生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)分析

對(duì)黑豆不同生育期的生長(zhǎng)指標(biāo)與產(chǎn)量進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)果表明(表2)，黑豆產(chǎn)量與各生育期的生長(zhǎng)指標(biāo)呈顯著相關(guān)(P<0.05)。苗期～鼓粒期LAI與產(chǎn)量呈顯著的正相關(guān)(P<0.05)。分枝期～鼓粒期SPAD值與產(chǎn)量表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)(P<0.05)，說(shuō)明在黑豆生長(zhǎng)旺盛時(shí)期較高的SPAD值利于光合產(chǎn)物的積累。分枝期～成熟期株高、莖粗和地上部分干物質(zhì)重于產(chǎn)量呈顯著的正相關(guān)(P<0.05)。以上結(jié)果表明黑豆的產(chǎn)量與其生長(zhǎng)性狀關(guān)系密切，生產(chǎn)實(shí)踐中保持黑豆較好的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)利于產(chǎn)量的提高。

表2 不同生育期的生長(zhǎng)指標(biāo)與黑豆產(chǎn)量的相關(guān)分析

3 討論與結(jié)論

作物在不同生育期受旱對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量有不同程度的影響。黑豆幼苗期比較耐旱，適宜的水分虧缺可促進(jìn)根系縱向伸長(zhǎng)，利于提高其抗旱能力。另外，在黑豆苗期進(jìn)行輕度調(diào)虧，對(duì)其株高會(huì)產(chǎn)生的影響，但分枝期后的復(fù)水補(bǔ)償作用使株高快速增長(zhǎng)且接近CK處理水平。而虧水程度越大或持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，其生長(zhǎng)受到的抑制作用越大。本研究結(jié)果表明，苗期和成熟期輕度水分調(diào)虧，其株高和SPAD與CK無(wú)明顯差異。但在黑豆生長(zhǎng)旺盛時(shí)期依然進(jìn)行連續(xù)調(diào)虧，其株高、莖粗、LAI和SPAD顯著低于CK和SR處理。較大的LAI有利于產(chǎn)量的提高，但并不是越大越好。LAI越大，植株群體冠層郁閉程度越大，致使植株體的中下部透光性差，不利于干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的形成[7]。本研究中，CK處理一直保持較大的LAI，SR處理的LAI在黑豆生長(zhǎng)旺盛時(shí)期均與CR處理表現(xiàn)出明顯的差異，說(shuō)明SR處理能夠在黑豆產(chǎn)量形成的重要階段維持較高的光合物質(zhì)生產(chǎn)力。葉綠素含量與葉片氮和光合能力密切相關(guān)[8]，CK和SR處理在分枝期～鼓粒期均保持較高的SPAD值，提高光合效率和干物質(zhì)積累，從而增加黑豆產(chǎn)量，這也可以從本研究結(jié)果得到驗(yàn)證。綜上所述，在黑豆苗期和成熟期進(jìn)行適宜的調(diào)虧，在其營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)階段未受到嚴(yán)重的水分虧缺，植株生長(zhǎng)發(fā)育較好，產(chǎn)量得到保障。

地上部分干物質(zhì)積累是黑豆產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。在合適的生育期進(jìn)行適度的調(diào)虧能夠促進(jìn)干物質(zhì)積累及合理分配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)。如薛道信[9]研究表明，在馬鈴薯幼苗期進(jìn)行輕度和中度調(diào)虧并不會(huì)顯著影響干物質(zhì)的積累。本研究表明，苗期和成熟期進(jìn)行適度的調(diào)虧，其地上部分的干物質(zhì)積累數(shù)值上低于CK處理，但無(wú)統(tǒng)計(jì)上的差異。但在黑豆?fàn)I養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)時(shí)期依然進(jìn)行連續(xù)調(diào)虧，則顯著降低了黑豆地上部分干物質(zhì)的積累。這可能是由于過(guò)度的虧水處理使作物細(xì)胞壁堅(jiān)固，復(fù)水后無(wú)法恢復(fù)從而降低了生物量，這與前人研究結(jié)果相一致[10]。黑豆產(chǎn)量構(gòu)成因素的協(xié)調(diào)發(fā)展對(duì)其實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)具有重要作用。全生育期連續(xù)調(diào)虧導(dǎo)致植株形成豆莢的能力降低，顯著減少了單株粒數(shù)和粒重，從而降低了產(chǎn)量。蔡煥杰[11]等研究表明適度水分虧缺可實(shí)現(xiàn)作物穩(wěn)產(chǎn)或增產(chǎn)的目標(biāo)，調(diào)虧灌溉的適宜時(shí)段應(yīng)該在作物的早期生長(zhǎng)階段或作物非需水關(guān)鍵期，故在黑豆的苗期和成熟期進(jìn)行適宜的調(diào)虧灌溉能兼顧穩(wěn)產(chǎn)和水資源充分利用的協(xié)同發(fā)展。本研究結(jié)果表明，在黑豆苗期和成熟期進(jìn)行適宜的調(diào)虧，產(chǎn)量雖略低于CK處理，但兩個(gè)處理間并無(wú)顯著差異。SR處理在穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)減少了耗水量，提高了水分利用效率。因此，本研究認(rèn)為在遼北風(fēng)沙區(qū)生產(chǎn)實(shí)踐上，在苗期和成熟期進(jìn)行適度的調(diào)虧灌溉(90%θf(wàn)～65%θf(wàn))可保證黑豆穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)提高水分利用效率，實(shí)現(xiàn)有限灌溉水資源高效利用的目標(biāo)。