膜下滴灌條件下高產(chǎn)甜菜灌溉的生理指標(biāo)

李 智 李國龍 張永豐 于 超 蘇文斌 樊福義 張少英,*內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)甜菜生理研究所, 內(nèi)蒙古呼和浩特 0008;內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院特色作物研究所, 內(nèi)蒙古呼和浩特 0003

膜下滴灌條件下高產(chǎn)甜菜灌溉的生理指標(biāo)

李 智1李國龍1張永豐1于 超1蘇文斌2樊福義2張少英1,*1內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)甜菜生理研究所, 內(nèi)蒙古呼和浩特 010018;2內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院特色作物研究所, 內(nèi)蒙古呼和浩特 010031

甜菜是我國重要的糖料作物, 其生物產(chǎn)量高, 需水量大, 合理灌溉是節(jié)約用水、提高產(chǎn)量的有效措施之一。本試驗連續(xù)兩年研究了內(nèi)蒙古半干旱地區(qū)膜下滴灌條件下, 不同灌水量甜菜塊根產(chǎn)量與葉面積指數(shù)、凈光合速率、蒸騰速率、葉水勢、土壤含水量和耗水量之間的關(guān)系, 以及不同灌水量對甜菜產(chǎn)量和水分利用效率的影響。結(jié)果表明, 高產(chǎn)甜菜的葉面積指數(shù)在葉叢快速生長期大于7.37, 在塊根糖分增長期和糖分積累期分別為6.08～6.51和4.19～5.57, 在葉叢快速生長期、塊根糖分增長期和糖分積累期葉水勢分別為–0.09～ –0.22、–0.18～ –0.39 和–0.26～ –0.48 MPa, 凈光合速率分別為 21.28～28.23、21.90～28.75和 22.06～26.58 μmol m–2s–1, 蒸騰速率在葉叢快速生長期和塊根糖分增長期分別為9.36～10.21 mmol m–2s–1和6.37～7.73 mmol m–2s–1, 在糖分積累期大于4.69 mmol m–2s–1, 耗水量分別為140.15～312.78、44.93～200.45和 56.32～113.06 mm。甜菜產(chǎn)量、產(chǎn)糖量、水分利用效率均高的合理灌溉量, 在豐雨年份(生育期降雨量＞500 mm)為1350 m3hm–2, 在少雨年份(生育期降雨量＜300 mm)為1800 m3hm–2, 為甜菜節(jié)水灌溉提供了理論依據(jù)和生理指標(biāo)。

膜下滴灌; 甜菜; 生理指標(biāo); 產(chǎn)量; 含糖率

Abstract:Sugar beet is one of the important sugar crops in China, having high biological yield and high water consumption. The reasonable irrigation is one of the effective measures to save water and improve yield. In this experiment, the relationship among sugar beet yield, leaf area index, net photosynthetic rate, transpiration rate, leaf water potential, soil moisture and water consumption, and different irrigation water effects on sugar beet yield and water use efficiency were studied under plastic mulching with drip irrigation for two consecutive years in Inner Mongolia semi-arid regions. In high yielding sugar beet leaf area index was more than 7.37 in fast growth stage of leaf, 6.08–6.51, and 4.19–5.57 in root growth and sugar accumulation periods, in fast growth stage of leaf, root growth and sugar accumulation periods leaf water potential was 0.09–0.22, 0.18–0.39, and 0.26–0.48 MPa, net photosynthetic rate was 21.28–28.23, 21.90–28.75, and 22.06–26.58 μmol m–2s–1, respectively, transpiration rate in fast growth stage of leaf and root growth period was 9.36–10.21 mmol m–2s–1and 6.37–7.73 mmol m–2s–1, respectively, and more than 4.69 mmol m–2s–1in sugar accumulation period, water consumption was 140.15–312.78, 44.93–200.45, and 44.93–113.06 mm in the three growth stages, respectively. For high yield, high sugar yield and high water use efficiency, the reasonable irrigation water should be 1350 m3hm–2in the year of abundant rain (growth periods rainfall ＞ 500 mm)and 1800 m3hm–2in the year of little rain(growth periods rainfall ＜ 300 mm), which provides a theoretical basis and physiological indicators for sugar beet water-saving irrigation.

Keywords:Drip irrigation under plastic mulching; Sugar beet; Physiological indexes; Yield; Sugar content

甜菜是我國北方重要的糖料作物, 主要種植在西北、華北和東北地區(qū)。我國北方地區(qū)大部分位于干旱或半干旱地區(qū), 水資源缺乏[1], 水分是制約甜菜產(chǎn)量的最主要因素[2]。膜下滴灌對提高作物水分利用效率效果顯著[3-4], 目前已廣泛應(yīng)用于棉花[5-7]、玉米[8-10]、小麥[11]、馬鈴薯[12]、甜菜[13-17]等多種作物。與常規(guī)灌溉相比, 膜下滴灌可以節(jié)水50%左右, 節(jié)肥 20%, 節(jié)農(nóng)藥 10%, 作物產(chǎn)量可以增加10%～20%, 綜合經(jīng)濟效益增加40%以上。當(dāng)前, 膜下滴灌甜菜種植面積逐年增加, 單產(chǎn)也有增長的趨勢, 但其總產(chǎn)波動較大[18-19], 其中一個重要原因就是甜菜生育期需要充足的水分來維持生長, 供水不足使甜菜產(chǎn)量顯著降低[20-21]。提高產(chǎn)量是農(nóng)民增效的根本, 高產(chǎn)甜菜是指甜菜塊根產(chǎn)量達(dá)到75 000 kg hm–2以上。本試驗在膜下滴灌條件下,研究不同灌水處理甜菜產(chǎn)量和生理指標(biāo)的關(guān)系, 旨在于提出膜下滴灌條件下高產(chǎn)甜菜合理灌溉的生理指標(biāo), 為甜菜合理節(jié)水灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院試驗地(40°48′N, 111°42′E, 海拔1051.5 m)土壤為黏壤土, 肥力中上等, 0～30 cm 耕層土壤理化性質(zhì)見表1, 甜菜生育期降雨量見圖1。2013年生育期降雨量為 502.4 mm, 2014年生育期降雨量為306.7 mm。

表1 土壤養(yǎng)分狀況Table 1 Soil nutrient status

圖1 降雨量分布圖Fig. 1 Rainfall distribution

1.2 試驗材料及設(shè)計

供試品種KWS7156, 是德國KWS公司單粒雜交種。試驗設(shè) 5個灌水處理(表 2), 采用膜下滴灌種植模式, 一膜 2行, 2行中間鋪一根滴灌帶, 灌溉時間和灌水量見表2, 灌水量用水表控制, 每個處理3次重復(fù), 共計15個小區(qū), 采用隨機區(qū)組排列, 小區(qū)面積7 m × 4 m, 寬行距60 cm, 窄行距40 cm, 株距25 cm, 理論株數(shù)80 000株hm–2,試驗小區(qū)周圍設(shè)有保護(hù)行。

表2 不同灌水處理灌水量Table 2 Irrigation amounts of different treatments

1.3 葉面積指數(shù)測定

在甜菜各生育時期, 從每小區(qū)隨機選取5株, 采用打孔稱重法測定葉面積指數(shù)。

1.4 光合生理指標(biāo)測定

在甜菜各生育時期, 晴天上午 9:00—11:00, 從每小區(qū)隨機選取5株, 用Li-6400光合儀測定倒三葉同一部位的光合速率(Pn, μmol m–2s–1)和蒸騰速率(Tr, mmol m–2s–1)。

1.5 葉水勢和土壤含水量測定

在甜菜各生育時期, 從每小區(qū)隨機取5株上的倒三葉,用保鮮膜包好, 帶回實驗室用3005型壓力室測定葉水勢。采用時域反射儀(TDR)測定土壤含水量, 測定土壤深度為80 cm, 每隔 10 d測定一次, 降雨或灌水前后加測一次,測定分地膜內(nèi)外, 每隔20 cm分別測土壤體積含水量, 最后取其平均值。

1.6 甜菜耗水量和水分利用效率計算

ET =I +P±ΔW+R–D

式中, ET為甜菜各生育時期耗水量(mm); I為甜菜各生育時期灌水量(mm); P為甜菜各生育時期降雨量(mm); ΔW為時段初與時段末的土壤貯水量變化(mm); R為地表徑流量; D為深層滲漏量。試驗期間未發(fā)生地表徑流, 深層滲漏量較小, 所以R和D可以忽略不計。

土壤貯水量(W, mm) = 土壤體積含水量(%) × 土層厚度(mm)

WUE = Y / ET0

WUE為水分利用效率, 單位為kg hm–2mm–1, Y為甜菜塊根產(chǎn)量(kg hm–2), ET0為甜菜生育期總耗水量(mm)。

1.7 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010和SAS9.0軟件統(tǒng)計分析試驗數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面積指數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)系

甜菜是以塊根為收獲器官的經(jīng)濟作物, 其葉面積指數(shù)是衡量植株地上部分生長狀況和源庫平衡的重要指標(biāo),從圖2可以看出, 甜菜產(chǎn)量隨葉面積指數(shù)的增加而增加。當(dāng)葉面積指數(shù)在葉叢快速生長期大于 7.37, 在塊根糖分增長期和糖分積累期分別為6.08～6.51和4.19～5.57時, 可使產(chǎn)量達(dá)到 71 000～95 000 kg hm–2。

2.2 凈光合速率和蒸騰速率與產(chǎn)量的關(guān)系

從圖3可以看出, 凈光合速率隨供水量的增加而增加,塊根產(chǎn)量隨凈光合速率的增加而增加, 甜菜生育前期, 凈光合速率越大, 積累光合產(chǎn)物越多, 塊根產(chǎn)量越高。當(dāng)凈光合速率在葉叢快速生長期、塊根糖分增長期和糖分積累期分別為 21.28～28.23、21.90～28.75 和 22.06～26.58 μmol m–2s–1時, 有利于甜菜產(chǎn)量的提高。

圖2 甜菜葉面積指數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 2 Relationship between LAI and yield of sugar beet

圖3 甜菜凈光合速率與產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 3 Relationship between photosynthetic rate and yield of sugar beet

蒸騰速率與植物對水分的消耗密切相關(guān)。從圖 4可以看出, 甜菜塊根產(chǎn)量隨蒸騰速率的適當(dāng)增加而增加, 植株供給的水分越多, 蒸騰速率越高, 產(chǎn)量也相應(yīng)的提高;甜菜生育后期, 蒸騰速率與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān); 蒸騰速率在葉叢快速生長期和塊根糖分增長期分別為 9.36～10.21 mmol m–2s–1和 6.37～7.73 mmol m–2s–1, 在糖分積累期大于 4.69 mmol m–2s–1。

圖4 甜菜蒸騰速率與產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 4 Relationship between transpiration rate and yield of sugar beet

2.3 葉水勢與產(chǎn)量的關(guān)系

植株葉水勢反映植物組織中水分運移狀況, 可作為合理灌溉的生理指標(biāo)。從圖5可以看出, 甜菜葉水勢隨供水量的增加而增加, 塊根產(chǎn)量隨葉水勢的增加而增加, 葉叢快速生長期, 葉片生長旺盛, 葉水勢值較高; 甜菜生育后期, 隨著葉片衰老, 葉水勢值也較低, 在葉叢快速生長期、塊根糖分增長期和糖分積累期, 葉水勢分別為–0.09～–0.22、–0.18～ –0.39 和–0.26～ –0.48 MPa, 是甜菜高產(chǎn)的水分代謝基礎(chǔ)。

2.4 土壤含水量和耗水量與產(chǎn)量的關(guān)系

土壤含水量可以直接反映甜菜生長供水狀況, 從圖6可以看出, 塊根產(chǎn)量隨土壤含水量適當(dāng)?shù)脑黾佣黾? 土壤含水量超過 26%時, 塊根產(chǎn)量下降。在葉叢快速生長期和塊根糖分增長期, 土壤含水量分別為12.06%～25.69%和17.40%～25.91%, 糖分積累期低于25.97%。

圖5 甜菜葉水勢與產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 5 Relationship between leaf water potential and yield of sugar beet

圖6 土壤含水量與甜菜產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 6 Relationship between soil moisture content and yield of sugar beet

耗水量指甜菜生育期消耗的水分, 包括土壤蒸發(fā)、植物蒸騰和代謝等消耗的所有水分。從圖7可以看出, 甜菜耗水量隨供水量的增加而增加, 塊根產(chǎn)量隨耗水量的增加而增加, 葉叢快速生長期、塊根糖分增長期耗水較多,占生育期總耗水量的42%～49%和20%～25%, 糖分積累期耗水量相對減少, 占生育期總耗水量的 12%～18%; 當(dāng)葉叢快速生長期、塊根糖分增長期和糖分積累期耗水量分別為 140.15～312.78 mm、44.93～200.45 mm 和 56.32～113.06 mm時, 塊根可達(dá)高產(chǎn)水平。

圖7 甜菜耗水量與產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 7 Relationship between water consumption and yield of sugar beet

2.5 不同灌水處理對甜菜產(chǎn)質(zhì)量和水分利用效率的影響

從表3可以看出, 甜菜不同灌水處理塊根產(chǎn)量隨灌水量的增加而增加, 2013年處理W1、W2、W3和處理W4與處理W5塊根產(chǎn)量存在顯著差異(P ＜ 0.05), 分別比處理W5高 12.27%、14.13%、17.79%和 8.53%; 2014年處理W1和處理W2與處理W5存在顯著差異(P ＜ 0.05), 分別比處理W5高18.73%和11.87%。

表3 不同灌水處理對甜菜產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量的影響Table 3 Effect of different irrigation treatments on yield , sugar content and sugar yield

表4 不同灌水處理對甜菜耗水量和WUE的影響Table 4 Effect of different irrigation treatments on water consumption and WUE

含糖率隨灌水量的增加而降低, 2013年處理W5含糖率比處理W3高1.18個百分點, 差異顯著(P ＜ 0.05); 2014年處理W5分別比處理W1和處理W2高1.23和0.94個百分點, 差異顯著(P ＜ 0.05)。

產(chǎn)糖量隨灌水量的增加而增加, 2013年處理W1、W2、W3和處理W4分別比處理W5高6.60%、8.56%、8.45%和 6.71%, 差異顯著(P ＜ 0.05); 2014年處理 W1與處理W5差異顯著(P ＜ 0.05), 比處理W5高9.55%。

兩年試驗表明, 甜菜塊根產(chǎn)量和產(chǎn)糖量隨灌水量的增加而增加, 但含糖率隨灌水量的增加而減少。在生育期降雨量為502.4 mm的年份, 處理W3產(chǎn)量和產(chǎn)糖量都較高; 在生育期降雨量為306.7 mm的年份, 處理W2不僅產(chǎn)量較高, 而且產(chǎn)糖量也較高。

從表4可以看出, 甜菜耗水量隨降雨量和灌水量的增加而增加, 2年試驗表明, 在內(nèi)蒙古半干旱地區(qū), 甜菜生育期平均耗水量在455～616 mm之間; 水分利用效率隨灌水量的增加而減小, 2013年處理 W3與處理 W1和處理W2之間存在顯著差異(P ＜ 0.05); 2014年處理W2與處理W5之間存在顯著差異(P ＜ 0.05)。甜菜耗水量受生育期降雨量的影響比較大, 而水分利用效率與耗水量密切相關(guān),2013年灌水量小于W3, 水分利用效率較高, 2014年灌水量大于W5, 水分利用效率均下降。

3 討論

水分供應(yīng)量直接影響著土壤含水量、作物水分代謝和光合性能, 進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量。膜下滴灌可以大幅度減少農(nóng)田用水, 節(jié)約水資源。戴婷婷等[22]研究表明, 膜下滴灌用水量僅僅是噴灌的1/2, 是不覆膜滴灌的 70%。研究表明, 黑花生[23]耗水量隨供水量的增加而增加, 水稻[24]產(chǎn)量隨供水量適當(dāng)?shù)脑黾佣黾? 馬鈴薯[25]水分利用效率隨供水量的增加而減少, 甜菜[26]供水量過多會影響甜菜含糖率, 適當(dāng)減少灌水量不僅可以提高甜菜含糖率, 而且可以提高水分利用效率。張娜等[27]研究冬小麥表明, 葉片光合速率和蒸騰速率均隨滴灌量的增加而增大; Monti等[28]和 Kosobryukhov等[29]研究表明, 水分脅迫使甜菜葉片光合速率下降, 適當(dāng)減少灌水量, 甜菜凈光合速率和蒸騰速率值反而較高。

本試驗中, 2013年生育期降雨量502.4 mm, 是豐雨年份, 2014年生育期降雨量306.7 mm, 屬少雨年份。由于降雨量不同, 相同水分處理的甜菜葉片凈光合速率在整個生育期2013年顯著高于2014年, 但在甜菜生育前期和后期, 凈光合速率分別為 28.23 μmol m–2s–1和 26.58 μmol m–2s–1時, 甜菜產(chǎn)量達(dá)到最大值, 說明不是凈光合速率越大, 產(chǎn)量越高, 二者關(guān)系密切。而葉片蒸騰速率兩年結(jié)果相差不大, 說明降雨量增加, 葉片蒸騰速率不會增加, 只是提高了土壤含水量和土壤蒸發(fā)量, 從而使甜菜耗水量增加。

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Physiological Indices of High-Yielding Sugar Beet under Drip Irrigation and Plastic Mulching

LI Zhi1, LI Guo-Long1, ZHANG Yong-Feng1, YU Chao1, SU Wen-Bin2, FAN Fu-Yi2, and ZHANG Shao-Ying1,*
1Sugar beet Physiological Institute, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018 China;2Special Crops Institute, Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031, China

10.3724/SP.J.1006.2017.01724

本研究由國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(CARS-210304)資助。

The study was supported by the China Agriculture Research System (CARS-210304).

*通訊作者(Corresponding author): 張少英, E-mail: syzhang@imau.edu.cn

聯(lián)系方式: E-mail: lizhi153@163.com

): 2017-03-10; Accepted(接受日期): 2017-07-23; Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期): 2017-08-01.URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170801.0807.004.html