膜下滴灌水量對谷子光合作用及水分利用效率影響

潘永霞，田軍倉,2,3，沈 暉,2,3，馬 波,2,3，張會梅

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2. 寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021； 3. 旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

谷子與玉米、高粱同屬C4植物，固定CO2能力強(qiáng)，凈光合速率較高，屬高產(chǎn)作物類型，單產(chǎn)潛力大[1,2]。學(xué)者分別從不同的方面對谷子的光合作用進(jìn)行了研究，劉子會等[3]于河北省農(nóng)林科學(xué)院大河實(shí)驗(yàn)站研究了雜交谷子和常規(guī)谷子灌漿期旗葉的光合速率差異；廖建雄等[4]研究了通過降低空氣濕度、增加CO2濃度、燙葉鞘破壞韌皮部等處理對谷子葉片光合速率日變化和水分利用效率的影響；姜凈衛(wèi)等[5]在河北省張家口市農(nóng)科院宣化試驗(yàn)站研究了露地平地種植、全膜平鋪平地種植、溝植不覆蓋地膜、壟膜覆蓋膜側(cè)溝植4種種植方式下地膜覆蓋對張雜谷 3 號光合作用等生理特征、產(chǎn)量及水分利用的影響；張麗娜等[6]研究了不同谷子品種，在同一密度下的生理性狀與光合水分特性。但未見關(guān)于北方干旱沙漠綠洲農(nóng)區(qū)谷子全生育期光合作用的變化過程以及水分利用效率的研究。本試驗(yàn)通過研究谷子全生育期光合作用特性、抽穗期光合作用日變化規(guī)律和水分利用效率，為當(dāng)?shù)啬は碌喂喙茸泳珳?zhǔn)灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

于2013-2014年在內(nèi)蒙古阿拉善左旗巴彥浩特鎮(zhèn)希尼套海嘎查膜下滴灌基地進(jìn)行了2 a的田間試驗(yàn),谷子品種為“張雜谷5號”，灌溉水源為當(dāng)?shù)氐叵滤?。阿拉善左旗屬溫帶荒漠干旱區(qū)，為典型的大陸性氣候，年降雨量80～220 mm，年蒸發(fā)量2 900～3 300 mm[7]，水資源緊缺，節(jié)水迫在眉睫。試驗(yàn)田的土壤類型為沙壤土，pH值為8.38，土壤呈現(xiàn)堿性，密度為1.42 g/cm3，田間持水率為24.21%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，土壤營養(yǎng)物質(zhì)含量見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

試驗(yàn)采用對比設(shè)計(jì)，設(shè)置了膜下滴灌3個(gè)不同灌水量處理，即低水處理(1 500 m3/hm2)、中水處理(3 000 m3/hm2)和高水處理(4 500 m3/hm2)，并分別以處理1、處理2和處理3代表。每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)為1個(gè)小區(qū)，共9個(gè)小區(qū)。為保證能夠正常出苗和所有處理出苗的一致性，在播種前均灌水750 m3/hm2。

表1 試驗(yàn)田土壤營養(yǎng)物質(zhì)含量Tab.1 Soil’s nutrient substance in experimental field

5月14日播種，種植時(shí)采用自主研發(fā)的開溝、施肥、鋪管、覆膜、膜上打孔種植一體機(jī)種植，拖拉機(jī)為18.375 kW，播種深度為3～5 cm，播幅為1.8 m，播6行，采用寬行，一窄一寬，寬行40 cm，窄行22 cm，穴距12.5 cm。窄行之間鋪設(shè)一條內(nèi)鑲片式滴灌帶, 管徑16 mm，滴頭間距30 cm。底肥為600 kg/hm2的有機(jī)肥。種植示意圖見圖1。

圖1 谷子種植示意圖(單位：cm)Fig.1 Sketch map of millet planting(unit:cm)

1.3 測定內(nèi)容與分析方法

(1)土壤含水率。分別在每個(gè)處理的上、中、下3個(gè)區(qū)域的2行谷子之間安裝一根深度為1 m的土壤水分TDR測管，觀測點(diǎn)距離作物11 cm。采用TDR(時(shí)域反射儀)分別測量0～20、20～40、40～60 cm土層深度的土壤含水率，每次灌水前后和降雨過后，觀測土壤含水率，并計(jì)算成質(zhì)量含水率。將各個(gè)處理上、中、下3個(gè)區(qū)域的土壤質(zhì)量含水率平均后，作為該處理的土壤質(zhì)量含水率。

(2)光合作用。采用LI-6400便攜式光系統(tǒng)測定儀，在谷子各個(gè)生育期選取晴朗無云的天氣，從上午8∶00開始，分別在8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00和18∶00測定不同處理的葉片凈光合速率Pn、蒸騰速率Tr、氣孔導(dǎo)度Gs和胞間CO2濃度Ci。每次測定選取長勢基本一致的3個(gè)葉片，取平均值作為結(jié)果。

(3)葉片水分生產(chǎn)效率采用公式Pn/Tr計(jì)算。

(4)灌溉水分利用效率用實(shí)際產(chǎn)量與灌溉定額之比計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生育階段膜下滴灌不同灌溉定額對谷子葉片光合特性的影響

(1)不同生育階段膜下滴灌不同處理對谷子日平均凈光合速率的影響。從圖2看出，谷子不同生育期日平均凈光合速率呈現(xiàn)出“單峰”變化，先增大后減小，在抽穗期達(dá)到峰值。處理1、處理2和處理3的峰值分別為42.00、44.70和52.54 μmol/(m2·s)，處理2和處理3比處理1的峰值分別增大6.4%和25.1%，處理3比處理2的峰值增大了17.5%。谷子在抽穗期生長達(dá)到了高峰期，葉片的生長最旺盛，故光合速率較其他生育期大。在滴灌水量一定范圍內(nèi)，不同處理的日凈光合速率均隨著滴灌水量的增加而增大，可見灌溉定額大，則土壤水分大，植株長勢良好，葉片光合特性強(qiáng)，凈光合速率大。

圖2 膜下滴灌不同處理谷子不同生育期平均光合作用變化Fig.2 The average Photosynthetic Changes of different treatments in different growth stages

(2)不同生育階段膜下滴灌不同處理對谷子日平均蒸騰速率的影響。谷子不同生育期日平均蒸騰速率呈現(xiàn)出“單峰”變化，先增大后減小，在抽穗期達(dá)到峰值。處理1、處理2和處理3的峰值分別為3.95、5.05和6.14 mmol/(m2·s)，處理2和處理3比處理1的峰值分別增大27.8%和55.4%，處理3比處理2的峰值增大了21.8%?？梢?，在試驗(yàn)條件下，隨著灌溉定額(土壤水分)的增大，谷子日平均蒸騰速率也增大。

(3)不同生育階段膜下滴灌不同處理對谷子日平均氣孔導(dǎo)度的影響。谷子不同生育期日平均氣孔導(dǎo)度變化呈現(xiàn)出“單峰”規(guī)律，先增大后減小，在抽穗期達(dá)到峰值。處理1、處理2和處理3的峰值分別為0.133、0.199和0.285 mmol/(m2·s)，處理2和處理3比處理1分別增大了49.8%和114.4%，處理2比處理3降低了30.1%。由此可見，在試驗(yàn)條件下，隨著滴灌水量的增大，谷子不同生育期日平均氣孔導(dǎo)度值也增大，故氣孔導(dǎo)度對土壤水分比較敏感[8,9]。

(4)不同生育階段膜下滴灌不同處理對谷子日平均胞間CO2濃度的影響。谷子不同生育期日平均胞間CO2濃度呈現(xiàn)出“V”形變化規(guī)律，在抽穗期達(dá)到谷值。處理1、處理2和處理3日平均胞間CO2濃度低谷值分別是154.29、116.91和75.71 mmol/(m2·s)，處理3比處理2和處理1分別降低35.2%和50.9%；處理2比處理3增大54.4%，比處理1降低24.2%；處理1比處理2和處理3分別增大32%和103.8%。可見，在同一測定時(shí)間，谷子不同生育期日平均胞間CO2濃度隨土壤水分增大而減小。

(5)膜下滴灌不同處理對谷子不同生育階段日平均葉片水分利用效率的影響。根據(jù)谷子不同生育期日平均凈光合速率和蒸騰速率計(jì)算出谷子不同生育階段日平均葉片水分利用效率，見表2。

表2 谷子不同生育階段日平均葉片水分利用效率 μmol(CO2)/mmol(H2O)

從表2看出，谷子不同生育階段日平均葉片水分利用效率呈“單峰”變化，峰值出現(xiàn)在抽穗期，處理1、處理2和處理3的峰值分別為10.63、8.85和8.56 μmol(CO2)/mmol(H2O)，且處理1>處理2>處理3。處理1的峰值比處理2和處理3分別增大20.1%和24.2%；處理2比處理1降低16.7%，比處理3增加3.4%；處理3比處理1和處理2分別降低19.5%和3.3%。可見，適當(dāng)?shù)母珊得{迫可以提高葉片水分利用效率，處理2的葉片水分利用效率適中。

2.2 抽穗期膜下滴灌不同灌溉定額對谷子葉片光合特性的影響

測得谷子抽穗期的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞間隙CO2濃度的變化見圖3。

圖3 谷子抽穗期不同處理光合作用日變化Fig.3 Diurnal changes of photosynthesis in different treatments of millet heading stage

(1)抽穗期膜下滴灌不同處理對谷子凈光合速率的影響。從圖3看出，谷子抽雄期凈光合速率的日變化呈現(xiàn)出“單峰”規(guī)律，先增大后減小，即在8∶00-12∶00逐漸增大，在中午12∶00達(dá)到峰值，12∶00-18∶00逐漸減小。在8∶00-12∶00隨著時(shí)間的推移，光照強(qiáng)度逐漸增大，導(dǎo)致凈光合速率也逐漸增大。在12∶00-18∶00，隨著光照強(qiáng)度的減弱，凈光合速率逐漸降低。不同處理的凈光合速率均在12∶00達(dá)到峰值，處理1、處理2和處理3的凈光合速率峰值分別為53.03、55.12、60.41 μmol/(m2·s)，且處理3>處理2>處理1，處理2和處理3比處理1的峰值分別增大了13.9%和3.9%，而處理3比處理2的峰值增大了9.6%。在滴灌水量一定范圍內(nèi)，不同處理的日凈光合速率均隨著滴灌水量的增加而增大，可見灌溉定額大，則土壤水分大，植株長勢良好，葉片光合特性強(qiáng)，凈光合速率大。

(2)抽穗期膜下滴灌不同處理對谷子蒸騰速率的影響。從圖3看出，抽穗期蒸騰速率日變化呈現(xiàn)出“單峰”規(guī)律，先增大后減小，即在8∶00-12∶00逐漸增大，在中午12∶00達(dá)到峰值，12∶00-18∶00逐漸減小。這是因?yàn)樵?2∶00氣溫達(dá)到了最大，葉片出于對自身的保護(hù)，增加了水分的蒸騰，以降低葉片溫度。處理1、處理2和處理3日蒸騰速率的峰值分別為6.14、6.82和8.71 mmol/(m2·s)，處理3比處理2和處理1分別增大27.7%和41.9%；其次是處理2，較處理1增大了11.1%，較處理3減小了21.7%?？梢?，在試驗(yàn)條件下，隨著灌溉定額(土壤水分)的增大，日蒸騰速率也增大。

(3)抽穗期膜下滴灌不同處理對谷子氣孔導(dǎo)度的影響。從圖3看出，氣孔導(dǎo)度的日變化呈現(xiàn)出“單峰”規(guī)律，8∶00-12∶00逐漸增大，在12∶00達(dá)到最大值，12∶00-18∶00逐漸減小。處理1、處理2和處理3的峰值分別為0.25、0.38和0.66 mmol/(m2·s)，且處理3>處理2>處理1，處理2和處理3比處理1分別增大了73.68%和164%，處理2比處理1增大了52%，比處理3降低了42.42%。由此可見，在試驗(yàn)條件下，隨著滴灌水量的增大，氣孔導(dǎo)度值也增大，故氣孔導(dǎo)度對土壤水分比較敏感。

(4)抽穗期膜下滴灌不同處理對谷子胞間CO2濃度的影響。從圖3看出，胞間CO2濃度的日變化規(guī)律呈現(xiàn)出“V”形規(guī)律，即在8∶00-12∶00逐漸減小，在12∶00出現(xiàn)最小值，12∶00-18∶00逐漸增大。處理1、處理2和處理3胞間CO2濃度低谷值分別是98.83、60.86和39.20 mmol/(m2·s)。處理3胞間CO2濃度比處理2和處理1分別降低35.6%和60.3%；處理2比處理3增大55.3%，比處理1降低38.4%；處理1比處理2和處理3分別增大62.4%和152.1%。植物光合作用碳的主要來源是胞間CO2，胞間CO2控制著植物的光合作用[10]。在8∶00-12∶00隨著光照強(qiáng)度和溫度的升高，凈光合速率逐漸增大，光合作用所需要的碳元素量逐漸增大，從而導(dǎo)致胞間CO2濃度降低。在同一測定時(shí)間，胞間CO2濃度隨土壤水分增大而減小。

2.3 不同處理對谷子水分利用效率的影響

所計(jì)算的葉片水分利用效率和灌溉水分利用效率見表3。

由表3看出，在試驗(yàn)條件下，產(chǎn)量隨著灌溉定額的增大而增加。處理1較處理2和處理3分別減產(chǎn)37.8%和45.3%，減產(chǎn)嚴(yán)重。平均葉片水分利用效率較處理2和處理3分別提高14.8%和29.1%，灌溉水分生產(chǎn)效率較處理2和處理3分別提高3.7%和27.8%。

處理2較處理1增產(chǎn)60.8%，增產(chǎn)效果明顯，較處理3減產(chǎn)12%，減產(chǎn)幅度不大；平均葉片水分利用效率較處理1降低12.9%，較處理3提高12.4%，處于適中值；灌溉水分生產(chǎn)效率較處理1降低3.5%，較處理3提高23.3%，同時(shí)與處理3相比較，節(jié)水28.6%。

處理3較處理1和處理2分別增產(chǎn)82.7%和13.6% ，但其平均葉片水分利用效率較處理1和處理2降低22.6%和11.1%，灌溉水分生產(chǎn)效率較處理1和處理2分別降低21.8%和18.9%。同時(shí)，灌溉定額較處理1和處理2分別增加133%和40%。

綜上分析可見，處理2與處理1相比，產(chǎn)量有大幅度提高，灌溉水分生產(chǎn)效率降低幅度??；與處理3相比產(chǎn)量降低幅度小，水分利用效率有大幅度提高，同時(shí)還可節(jié)約用水28.6%，節(jié)水效果明顯。加之試驗(yàn)區(qū)屬于干旱地區(qū)，水資源短缺，灌溉水源為地下水，地下水已超采嚴(yán)重，節(jié)約水資源勢在必行，故綜合考慮，灌溉定額為3 750 m3/hm2是試驗(yàn)條件下膜下滴灌適宜的灌溉定額。

表3 不同處理水分利用效率Tab.3 Water use efficiency of different treatments

注：上表數(shù)據(jù)中產(chǎn)量后帶“*”表示經(jīng)過LSD檢驗(yàn)呈現(xiàn)顯著性差異，其中顯著性水平p<0.05。

3 結(jié) 論

(1)膜下滴灌谷子不同生育期不同灌水處理的日平均凈光合速率、日平均蒸騰速率、日平均氣孔導(dǎo)度日變化均呈現(xiàn)出“單峰”變化規(guī)律，均在抽穗期達(dá)到峰值；日平均胞間CO2濃度則呈現(xiàn)出“V型”變化規(guī)律，在抽穗期達(dá)到谷值。在試驗(yàn)條件下，同一生育期的日平均凈光合速率、日平均蒸騰速率和日平均氣孔導(dǎo)度隨著土壤水分的增加而增大，而日平均胞間CO2濃度則隨著土壤水分的增加而增小。谷子不同生育階段日平均葉片水分利用效率呈“單峰”變化，峰值出現(xiàn)在抽穗期，同一生育階段的葉片水分利用效率隨著土壤水分的增加而增加。

(2)谷子抽穗期膜下滴灌不同灌水處理的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度日變化均呈現(xiàn)出“單峰”變化規(guī)律，在中午12∶00達(dá)到峰值；胞間CO2濃度則呈現(xiàn)出“V型”變化規(guī)律，在中午12∶00達(dá)到谷值。在試驗(yàn)條件下，同一測定時(shí)間的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度，隨著土壤水分的增加而增大，而胞間CO2濃度則隨著土壤水分的增加而增小。

(3)處理2谷子產(chǎn)量為6 156 kg/hm2，平均葉片水分利用效率為6.60 μmol/mmol，灌溉水分生產(chǎn)效率為1.64 kg/m3，與處理1相比，產(chǎn)量有大幅度提高，灌溉水分生產(chǎn)效率降低幅度小；與處理3相比產(chǎn)量降低幅度小，水分利用效率有大幅度提高，同時(shí)還可節(jié)約用水28.6%，節(jié)水效果明顯?？紤]到試驗(yàn)區(qū)水資源短缺節(jié)約水資源勢在必行，選擇灌溉定額為3 750 m3/hm2作為試驗(yàn)條件下膜下滴灌適宜的灌溉定額。

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