微潤灌溉對向日葵生長的影響研究

田德龍，鄭和祥，李熙婷

(1.中國水科院牧區(qū)水利科學(xué)研究所， 呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程系，呼和浩特 010018)

0 引 言

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是國家重要的糧油生產(chǎn)基地，是一個(gè)完全依靠黃河水的生態(tài)綠洲。該灌區(qū)面臨著政策性引黃水量的銳減，農(nóng)業(yè)灌溉用水空間逐步被壓縮。缺水因素將是影響到灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。因此，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)和提高水資源利用率已成為保證經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和維護(hù)生態(tài)環(huán)境安全的關(guān)鍵所在。開發(fā)和應(yīng)用未來節(jié)水灌溉技術(shù)不僅是時(shí)代發(fā)展的必然要求，也是拓寬農(nóng)民增收和解決三農(nóng)問題的重要途徑之一。

基于微潤灌溉出流近似線源，主要依靠土壤吸力和半透膜內(nèi)外驅(qū)動(dòng)力為主的被動(dòng)供水方式，與常規(guī)的地面灌，線源滴灌、垂直線源入滲不同(張俊，2013年)，作為新技術(shù)，微潤灌溉尚缺乏完整的灌溉試驗(yàn)參數(shù)。根據(jù)生物半透膜的原理，當(dāng)管壁滲出的水遇到土壤的鹽分后，形成了鹽的濃溶液，該溶液的溶質(zhì)勢很高而水勢很低，半透膜管內(nèi)淡水的溶質(zhì)勢很低而水勢很高，會(huì)導(dǎo)致膜內(nèi)的水勢向低水勢的膜外滲透，膜外的鹽類溶質(zhì)則反向滲透。并且隨著滲透過程的進(jìn)行，膜內(nèi)鹽濃度不斷升高，當(dāng)升高至與膜外濃度相等時(shí)，內(nèi)外達(dá)到平衡，濃度不在升高，從而將鹽水排入排水溝中，水帶走土壤中一定量的鹽分。使土壤的含鹽量降低，達(dá)到改良土壤的目的。河套灌區(qū)是鹽漬化土壤發(fā)育典型地區(qū)，輕度鹽堿化土壤占耕地面積24%，中、重度鹽堿化土地面積占耕地面積31%。微潤灌溉作為一種新型灌溉技術(shù)，國內(nèi)外對其研究較少，未曾開展大量的試驗(yàn)研究，從目前有關(guān)研究文獻(xiàn)可知，對于微潤灌溉機(jī)理方面的研究主要集中于室內(nèi)模擬試驗(yàn)，土質(zhì)均一，環(huán)境恒定，試驗(yàn)條件處于理想狀態(tài)，而對于大田試驗(yàn)特別針對鹽漬化引黃灌區(qū)灌溉機(jī)理方面研究報(bào)道尚少。因此，開展鹽漬化土壤微潤灌溉試驗(yàn)研究，為微潤灌溉技術(shù)在鹽漬化灌區(qū)的適用性和應(yīng)用推廣提供參考，為指定微潤灌溉制度提供理論依據(jù)，對實(shí)現(xiàn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)磴口縣壩楞村(N 40°24′32″，E 107°02′19″，海拔1 072 m)。地處干旱、半荒漠草原帶，為中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫6.3～7.7℃，冬季嚴(yán)寒少雪，夏季少雨干旱，多年平均無霜期133～144 d，年均日照時(shí)數(shù)3 210 h，年均降水量為138.2 mm，且主要集中在7-9月份；年均蒸發(fā)量2 030～2 700 mm；年均風(fēng)速2.5～3.0 m/s；多年平均無霜期130 d。凍土層厚度1.0～1.3 m。土壤主要是灌淤土，土壤容重為1.48 kg/cm3，土壤田間持水量為21.4%，土壤凋萎系數(shù)為8%。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用美國產(chǎn)美葵909。試驗(yàn)所用微潤帶為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為厚度0.06mm的特制半透膜，其表現(xiàn)采用化學(xué)溶解方式，形成均勻而密集的微孔，孔密度約為10個(gè)/cm2，外層為無紡布保護(hù)層增加微潤帶的強(qiáng)度，防止鋪設(shè)過程中劃傷微潤帶，微潤帶直徑為16 mm。一帶兩行的種植模式，株距為26 cm，行距40 cm，播種時(shí)間為6月5日，9月28日收獲。試驗(yàn)采用灌水水平、微潤管埋深；施肥量為當(dāng)?shù)厥┓柿康?/3，二銨作為底肥一次性全部施入，尿素作為追肥，分別在現(xiàn)蕾前期(50%、150 kg/hm2)、開花期(50%、150 kg/hm2)與灌水一塊施入。灌水水平設(shè)4個(gè)，包括1個(gè)充分灌溉和3個(gè)非充分灌溉。微潤管埋深2種類型：10、20 cm；試驗(yàn)地為輕度含鹽土壤；以畦灌作為對照，共計(jì)9個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。各小區(qū)東西寬約4 m，南北長6 m，為避免試驗(yàn)小區(qū)的邊行效應(yīng)，在小區(qū)東西兩側(cè)各設(shè)1m寬，南北各設(shè)0.4 m的保護(hù)帶，在試驗(yàn)區(qū)的兩端設(shè)置寬度為2.5 m的保護(hù)區(qū)，各處理耕作等措施一致，試驗(yàn)處理見表1。

表1 試驗(yàn)處理

1.3 測定內(nèi)容與數(shù)據(jù)處理

生育指標(biāo)主要測定向日葵的株高、莖粗、花盤直徑，每個(gè)小區(qū)選取3株，實(shí)行定株測定，15 d測定一次，并在試驗(yàn)結(jié)束后測量各小區(qū)產(chǎn)量及品質(zhì)。葉片數(shù)、干物質(zhì)每個(gè)生育期測定一次。

作物根系測量通過剖面法對根系進(jìn)行挖取，裝袋帶回試驗(yàn)室，過3 mm篩后將根系從土樣中分離出來，裝入保鮮袋保存，然后用水沖洗根系，采用EPSONPERFECTION4870PHOTO全彩掃描器掃描根樣，再用WinRHIZO分析軟件分析即可得到根系相關(guān)參數(shù)，每生育期測定一次。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003制作圖表,用SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析；如果差異顯著,則采用鄧肯式新復(fù)極差檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較,檢驗(yàn)不同處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 微潤灌溉對向日葵生育指標(biāo)的影響

向日葵的生育指標(biāo)包括株高、莖粗、花盤直徑及干物質(zhì)(圖1)。不同處理向日葵的株高全生育期呈“S”形曲線，如圖1(a)，總體生長趨勢經(jīng)過兩次由快到慢的過程,向日葵到后期株高明顯下降。在整個(gè)生育過程中,在8月底株高達(dá)到峰值，隨著灌漿的完成花盤重量增大，花盤下垂，自然株高降低。整個(gè)生育期內(nèi)，微潤灌溉各處理株高顯著大于CK；在相同水分處理的條件下，微潤管埋深為20 cm的充分灌溉、輕度水分虧缺、中度水分虧缺處理向日葵的株高明顯大于微潤管埋深10 cm的各處理，即KH-1>KH-5、KH-2>KH-6、KH-3>KH-7；而重度水分虧缺的向日葵為微潤管埋深為20 cm小于微潤管埋深為10 cm，即KH-8>KH-4，出現(xiàn)這種情況的原因是因?yàn)橄蛉湛档陌l(fā)達(dá)區(qū)為0-15cm土層，微潤管埋深為10 cm的KH-8可以將重度水分虧缺的少量的灌水量直接送至根系發(fā)達(dá)區(qū)便于根部的直接吸收利用；在相同微潤管埋設(shè)深度條件下，微潤管埋深為20 cm的株高規(guī)律為：充分灌溉>輕度水分虧缺>中度水分虧缺>重度水分虧缺，即KH-1>KH-2>KH-3 >KH-4，微潤管埋深為10 cm的株高規(guī)律為充分灌溉>重度水分虧缺>輕度水分虧缺>中度水分虧缺，即KH-5>KH-8>KH-6 >KH-7。

不同處理向日葵的莖粗在整個(gè)生育期內(nèi)總體生長趨勢為由快到慢,向日葵到后期莖粗略有下降。在整個(gè)生育過程中,在8月底莖粗達(dá)到峰值，之后略有下降。整個(gè)生育期內(nèi)，微潤灌溉各處理莖粗顯著大于CK；在相同水分處理的條件下，微潤管埋深為20 cm的各處理向日葵的莖粗明顯大于微潤管埋深10 cm 的各處理，即KH-1>KH-5、KH-2>KH-6、KH-3>KH-7、KH-4>KH-8；在相同微潤管埋設(shè)深度條件下，微潤管埋深為20 cm的莖粗，灌漿期以前輕度水分虧缺、中度水分虧缺大于充分灌溉、重度水分虧缺，進(jìn)入灌漿期后輕度水分虧缺、中度水分虧缺莖粗生長速率減慢，而充分灌溉莖粗保持生長速率快速，在灌漿期后為充分灌溉>輕度水分虧缺>中度水分虧缺>重度水分虧缺，即KH-1>KH-2>KH-3 >KH-4，微潤管埋深為10 cm的莖粗規(guī)律與株高規(guī)律相同，均為充分灌溉>重度水分虧缺>輕度水分虧缺>中度水分虧缺，即KH-5>KH-8>KH-6 >KH-7。

圖1 不同處理對向日葵生育指標(biāo)的影響

不同處理向日葵的花盤直徑在整個(gè)生育期內(nèi)總體生長趨勢為由快到慢。在整個(gè)生育過程中, 花盤直徑在收獲時(shí)達(dá)到峰值，花期～灌漿期花盤直徑的生長速率最快，灌漿期后逐漸緩慢。整個(gè)生育期內(nèi)，微潤灌溉各處理花盤直徑顯著大于CK；在相同水分處理的條件下，微潤管埋深為20 cm的各處理向日葵的花盤直徑明顯大于微潤管埋深10 cm的各處理，即KH-1>KH-5、KH-2>KH-6、KH-3>KH-7、KH-4>KH-8；在相同微潤管埋設(shè)深度條件下，微潤管埋深為10 cm與埋深為20 cm的花盤直徑規(guī)律相同，為充分灌溉>輕度水分虧缺>中度水分虧缺>重度水分虧缺。

干物質(zhì)的累積量在一定程度上影響產(chǎn)量的大小。從苗期～現(xiàn)蕾期與花期～灌漿期的兩個(gè)時(shí)期向日葵干物質(zhì)累積速率最快。整個(gè)生育期內(nèi)，微潤灌溉各處理干物質(zhì)質(zhì)量明顯大于CK；在相同水分處理的條件下，微潤管埋深為20 cm的各處理向日葵的莖粗明顯大于微潤管埋深10 cm的各處理，即KH-1>KH-5、KH-2>KH-6、KH-3>KH-7、KH-4>KH-8；在相同微潤管埋設(shè)深度條件下，微潤管埋深為10 cm與埋深為20 cm的花盤直徑規(guī)律相同，為充分灌溉>輕度水分虧缺>中度水分虧缺>重度水分虧缺，在灌漿期～成熟期充分灌溉兩個(gè)處理的干物質(zhì)累積速率明顯大于非充分灌溉的各處理，出現(xiàn)這種情況是由于，進(jìn)入灌漿期后充足的水分條件使充分灌溉的向日葵灌漿期比非充分灌溉的灌漿期時(shí)間長，干物質(zhì)的累積量也明顯增大。

2.2 微潤灌溉對向日葵根系分布的影響

微潤灌溉向日葵的根系開花期達(dá)到最大，灌漿期到成熟期根系幾乎處于停滯狀態(tài)，成熟期開始逐漸減少老化，收獲時(shí)開始枯死，變暗。向日葵的根系主要在0～30 cm土層中，而土壤鹽堿情況嚴(yán)重對根系影響明顯，向日葵的吸水主要依靠側(cè)根進(jìn)行，對側(cè)根的根長密度、根體積密度、根表面積密度進(jìn)行分析。

根長密度表示單位土壤容積里的根系總長度，可反映根系數(shù)量的多少，也間接反映根系吸收水分、養(yǎng)分的范圍和強(qiáng)度大小，是表征根系分布特性的重要指標(biāo)。苗期～現(xiàn)蕾期是向日葵的根系快速生長期，在開花期達(dá)到峰值，灌漿期后根系有萎縮現(xiàn)象，到收獲期萎縮更為明顯，根長密度如圖2(a)。整個(gè)生育期內(nèi)，微潤灌溉向日葵根長密度顯著大于CK。在相同的水分條件下，苗期、現(xiàn)蕾期、開花期的根長密度均為微潤管埋深為20 cm的充分灌溉、輕度水分虧缺、重度水分虧缺大于微潤管埋深為10 cm的，即KH-1>KH-5、KH-2>KH-6、KH-4>KH-8，而中度水分虧缺的根長密度為微潤管埋深為10 cm大于微潤管埋深為20 cm，即KH-7>KH-3；在灌漿期、成熟期根長密度均為微潤管埋深為20 cm大于微潤管埋深為10 cm。在相同的微潤管埋設(shè)深度條件下，微潤管埋深為20 cm的各處理在苗期、現(xiàn)蕾期、開花期根長密度為充分灌溉>輕度水分虧缺>重度水分虧缺>中度水分虧缺，即KH-1>KH-2>KH-4 >KH-3，出現(xiàn)這種情況是由于，當(dāng)微潤管埋深較大時(shí)，促使重度水分虧缺向日葵根長密度在主要的根系生長期的增長，便于吸收利用周圍土層中的水分，是作物對環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果；灌漿期、收獲期根長密度為充分灌溉>輕度水分虧缺>中度水分虧缺>重度水分虧缺，即KH-1>KH-2>KH-3 >KH-4。微潤管埋深為10 cm的各處理在整個(gè)生育期的根長密度均為充分灌溉>輕度水分虧缺>中度水分虧缺>重度水分虧缺，即KH-5>KH-6>KH-7 >KH-8。作物在生長后期根系出現(xiàn)萎蔫，灌水量越少的水分處理根長密度的萎蔫速率越低，是由于適當(dāng)?shù)乃痔澣笨梢员３指瞪L后期的活性，萎蔫速率也降低。

圖2 微潤灌溉對根系分布的影響

向日葵的根體積密度是反映其根系生長分布特征的另一個(gè)重要指標(biāo)。根體積密度如圖2(b)，整個(gè)生育期內(nèi)，微潤灌溉向日葵根體積密度顯著大于CK。向日葵根體積密度與根長密度的規(guī)律基本相同，均為在相同的水分條件下，苗期、現(xiàn)蕾期、開花期的根體積密度均為微潤管埋深為20 cm的充分灌溉、輕度水分虧缺、重度水分虧缺大于微潤管埋深為10 cm的各處理，即KH-1>KH-5、KH-2>KH-6、KH-4>KH-8，而中度水分虧缺的根體積密度為微潤管埋深為10 cm大于微潤管埋深為20 cm，即KH-7>KH-3；在灌漿期、成熟期根體積密度均為微潤管埋深為20 cm大于微潤管埋深為10 cm。在相同的微潤管埋設(shè)深度條件下，微潤管埋深為20 cm的各處理在苗期、現(xiàn)蕾期、開花期根體積密度為充分灌溉>輕度水分虧缺>重度水分虧缺>中度水分虧缺，即KH-1>KH-2>KH-4 >KH-3；灌漿期、收獲期根體積密度為充分灌溉>輕度水分虧缺>中度水分虧缺>重度水分虧缺，即KH-1>KH-2>KH-3 >KH-4。微潤管埋深為10 cm的各處理在整個(gè)生育期的根體積密度均為充分灌溉>輕度水分虧缺>中度水分虧缺>重度水分虧缺，即KH-5>KH-6>KH-7 >KH-8。

向日葵根表面積密度在一定程度上可以反映出根系對土壤資源利用能力，根表面積越大則與土壤接觸面積越大，吸收土壤水分與養(yǎng)分的能力越大。根表面積密度見圖2(c)，整個(gè)生育期內(nèi)，微潤灌溉向日葵根表面積密度顯著大于CK。在相同的水分條件下，整個(gè)生育期內(nèi)根表面積密度均為微潤管埋深為20 cm的大于微潤管埋深為10 cm的，即KH-1>KH-5、KH-2>KH-6、KH-3>KH-7、KH-4>KH-8；在相同的微潤管埋設(shè)深度條件下，微潤管埋深為20 cm的各處理在苗期、現(xiàn)蕾期根表面積密度為充分灌溉>輕度水分虧缺>重度水分虧缺>中度水分虧缺，即KH-1>KH-2>KH-4 >KH-3；開花期、灌漿期、收獲期根表面積密度為充分灌溉>輕度水分虧缺>中度水分虧缺>重度水分虧缺，即KH-1>KH-2>KH-3 >KH-4。微潤管埋深為10 cm的各處理在整個(gè)生育期的根體積密度均為充分灌溉>輕度水分虧缺>中度水分虧缺>重度水分虧缺，即KH-5>KH-6>KH-7 >KH-8。

2.3 滴灌帶埋深深度對向日葵水分利用效率的影響

根據(jù)試驗(yàn)站的氣象資料，從播種到收獲有效降雨量為45.1 mm，主要集中在苗期到開花期，灌漿期和成熟期降水較少(表2)。向日葵的整個(gè)生育期不同處理的耗水量為CK>充分灌溉處理>輕度水分虧缺處理>中度水分虧缺>重度水分虧缺處理。通過與CK的比較，微潤灌溉KH-1、KH-2、KH-3、KH-4、KH-5、KH-6、KH-7、KH-8的產(chǎn)量分別提高了69.4%、50.6%、36.7%、35.8%、57.7%、37.3%、26.2%、10.8%；水分利用效率分別提高了73.6%、79.9%、68.2%、60.4%、61.4%、64%、 55.3%、30.9%。可以看出，相同的水分條件下，微潤管埋深為20cm的各處理的產(chǎn)量、水分利用效率都顯著高于微潤管埋深為10cm；微潤管深為20cm的輕度水分虧缺處理水分利用效率最高，更有利于鹽堿地作物的節(jié)水增產(chǎn)。

表2 不同處理向日葵的耗水量及水分利用效率

3 結(jié) 語

通過微潤灌溉的田間試驗(yàn)初步得出：

(1)微潤灌溉提高了株高，增大了莖粗和花盤直徑，促進(jìn)了干物質(zhì)的累積。綜合各項(xiàng)生育指標(biāo)，微潤灌溉埋深為20 cm促進(jìn)了向日葵的生長，顯著提高了向日葵的產(chǎn)量。

(2)微潤灌溉各處理的各項(xiàng)根系指標(biāo)在不同生育期均明顯大于CK；其根長密度、根表面積密度均為微潤管埋深為20 cm大于微潤管埋深為10 cm的各處理，在灌漿期、成熟期根體積密度均為微潤管埋深為20 cm大于微潤管埋深為10 cm，且各項(xiàng)根系指標(biāo)與水分處理呈正比。

(3)微潤灌溉各處理較對照產(chǎn)量分別提高了69.4%、50.6%、36.7%、35.8%、57.7%、37.3%、26.2%、10.8%；水分利用效率分別提高了73.6%、79.9%、68.2%、60.4%、61.4%、64%、55.3%、30.9%%。

河套地區(qū)地處干旱、半荒漠草原帶，蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨量，灌溉水容易蒸發(fā)不易被土壤吸收利用。針對河套灌區(qū)的氣候及種植結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，研究微潤灌溉對向日葵生長及產(chǎn)量的影響，為今后在河套灌區(qū)微潤灌溉的向日葵生產(chǎn)提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

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