向日葵調(diào)虧灌溉研究進(jìn)展

陳謝田，張恒嘉，雷 聯(lián)，展英國

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省民樂縣洪水河管理處，甘肅 民樂 734500)

0 引言

作為世界第4大油料作物，向日葵在世界各地均有廣泛種植[1]。向日葵籽粒含油量35%～50%，主要由不飽和脂肪酸組成，是人類食用的理想選擇[2]。2018年，全世界向日葵總產(chǎn)量接近5 000萬t，其中超過85%的向日葵來自歐盟國家、俄羅斯、阿根廷、烏克蘭和中國[3]。目前，我國向日葵種植區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古、吉林、河北、新疆和甘肅等省區(qū)，其他地區(qū)有零星種植[4]。研究表明，向日葵全生育期總耗水量相對較高，每生產(chǎn)1 g干物質(zhì)所需水量470～570 g，向日葵是一種種植面積廣且需水量高的油料作物[5]。然而，由于降水時空分布不均，在干旱和半干旱地區(qū)種植向日葵經(jīng)常出現(xiàn)季節(jié)性缺水，從而影響向日葵正常生理活動，造成其產(chǎn)量降低。

調(diào)虧灌溉作為一項(xiàng)高效節(jié)水灌溉技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。調(diào)虧灌溉的原理是在作物生長發(fā)育的某一時期人為施加一定的水分虧缺，從而影響其光合產(chǎn)物向不同組織器官的重新分配，在提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的同時避免營養(yǎng)器官的生長冗余，進(jìn)而達(dá)到農(nóng)業(yè)節(jié)水、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和可持續(xù)發(fā)展的目的[6-7]。目前，調(diào)虧灌溉理論和技術(shù)已在小麥、夏玉米、馬鈴薯、番茄、辣椒、洋蔥、西瓜和菘藍(lán)等作物的試驗(yàn)研究中取得顯著成果，并在部分地區(qū)得以推廣[8-15]。針對調(diào)虧灌溉在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，部分學(xué)者對向日葵的調(diào)虧灌溉機(jī)制也進(jìn)行了研究，但相比其他作物，當(dāng)前國內(nèi)外對向日葵進(jìn)行調(diào)虧灌溉的研究相對較少，向日葵調(diào)虧灌溉理論體系尚不完善[16-18]。本文在國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，歸納和總結(jié)了水分虧缺對向日葵生長指標(biāo)、光合生理特性、耗水規(guī)律、水分利用效率及產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，分析了目前向日葵水分調(diào)虧技術(shù)推廣應(yīng)用面臨的問題，并提出了解決方案，研究成果可為今后向日葵調(diào)虧灌溉研究提供理論依據(jù)。

1 生長發(fā)育

適宜的水分虧缺可以調(diào)控作物的生長發(fā)育，使其根、莖、葉不產(chǎn)生過量生長，控制作物各部分保持在最優(yōu)生長量，從而避免生長冗余并提高水分利用效率[19]。云文麗等[16]研究表明，在向日葵苗期進(jìn)行水分調(diào)虧會顯著降低向日葵株高、葉面積和生物量，并在后期進(jìn)行充分灌水之后，雖然復(fù)水補(bǔ)償效應(yīng)顯著，但在所有處理中各個觀測指標(biāo)仍處于最低。研究表明，向日葵整個生育期適宜水分為幼苗期和成熟期保持在田間持水量的55%～70%，其余生育期保持在70%～90%。李建軍[20]在河套灌區(qū)對向日葵進(jìn)行了不同灌水量的試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，在不同灌水量條件下，向日葵在全生育期的生物積累量呈現(xiàn)出“緩慢-迅速-緩慢-迅速”的趨勢。此外，張麗等[5]研究了不同時期水分脅迫對向日葵形態(tài)特征的影響，結(jié)果表明，向日葵在現(xiàn)蕾期和開花期對于水分虧缺最為敏感，在這兩個生育期進(jìn)行水分調(diào)虧將會降低向日葵的株高、莖粗、葉面積和生物量，不利于向日葵的生長。

2 光合特性

光合作用作為植物生長過程中必不可少的生理活動，時常受到水分脅迫的抑制，研究表明，植物在受到水分脅迫時光合作用會顯著降低[21]。宋殿秀等[22]研究表明，向日葵開花期水分虧缺會降低葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，且隨著調(diào)虧時間的增加，下降幅度逐漸變大，但開花期的水分脅迫對胞間CO2濃度的影響并不顯著。云文麗等[23]認(rèn)為，隨著土壤水分的增加，最大凈光合速率隨之增大，而表觀量子效率的最大值則出現(xiàn)在水分虧缺的情況下。同時研究得出，不同程度的水分虧缺對光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)具有不同的影響，光補(bǔ)償點(diǎn)隨著土壤含水率的增加而減少，而光飽和點(diǎn)則相反。這表明，水分虧缺會對向日葵可利用光的范圍產(chǎn)生影響，而合理的調(diào)虧處理能夠增加光的可利用范圍，更有利于生物量的積累。王璐等[17]在河西綠洲膜下水分調(diào)虧試驗(yàn)中得出，向日葵苗期重度和成熟期中度的水分調(diào)虧將顯著降低凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，并指出適宜的灌溉方案是在其他生育期充分灌水的條件下，進(jìn)行苗期輕度和成熟期中度調(diào)虧。

3 耗水特性

不同時期水分虧缺對作物耗水規(guī)律有不同的影響[24-25]。趙經(jīng)華等[26]以JN361為供試材料，在阿爾泰地區(qū)研究不同灌溉定額對向日葵耗水規(guī)律的影響時發(fā)現(xiàn)，隨著灌溉水量的增加，向日葵的耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模數(shù)逐漸增大，其中全生育期耗水量變化范圍在260.3～340.1 mm，耗水強(qiáng)度的變化范圍在2.29～2.98 mm/d。結(jié)論得出，在保證開花期和成熟期充分灌水的條件下，向日葵最適宜的灌水定額為52.5 mm(輕度水分虧缺)。田德龍等[27]在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)以美葵909為試驗(yàn)材料，探究不同埋深下不同水分梯度對向日葵生長的影響，得到的研究結(jié)果與上述結(jié)果相似，向日葵全生育期耗水量隨著水分虧缺程度的加重呈現(xiàn)出增加的趨勢，耗水量值264.5～340.9 mm，其中輕度水分虧缺在保證產(chǎn)量的同時提高了水分利用效率，更有利于向日葵的節(jié)水增產(chǎn)。

4 產(chǎn)量和品質(zhì)及水分利用效率

研究表明，在作物某一生育期進(jìn)行合理的水分調(diào)虧能夠達(dá)到優(yōu)質(zhì)穩(wěn)產(chǎn)和提高水分利用效率的目的[28-29]。王璐等[17]研究表明，苗期中度和成熟期輕度水分調(diào)虧的產(chǎn)量與全生育期充分灌溉相比無明顯降低，產(chǎn)量可達(dá)4 145 kg/hm2，同時品質(zhì)處于最優(yōu)，粗脂肪和粗蛋白含量均比其余處理要高，達(dá)到了節(jié)水、穩(wěn)產(chǎn)和調(diào)質(zhì)的作用。PETCU E等[30]研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫會降低向日葵籽粒產(chǎn)量，但對于品質(zhì)而言，只有油酸的含量顯著減少，其他含量未發(fā)生明顯變化。同樣的，EBRAHIMIAN E等[18]在研究水分脅迫對油料作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響時發(fā)現(xiàn)，水分脅迫會導(dǎo)致向日葵產(chǎn)量的下降，但輕度水分脅迫不會影響向日葵的含油率，只有重度水分虧缺會導(dǎo)致其含油率顯著下滑。此外，單玉芬等[31]和賈騰月等[32]研究結(jié)果均表明，向日葵產(chǎn)量隨著灌水量的增大而增加，但輕度水分脅迫能夠提高水分利用效率，使向日葵的綜合效益達(dá)到最優(yōu)。綜上可知，合理的水分調(diào)虧會對向日葵的產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率產(chǎn)生有利影響，但土壤水分并不是影響向日葵產(chǎn)量和品質(zhì)的唯一因素，因此不同地區(qū)不同向日葵品種的試驗(yàn)研究結(jié)果存在一定差異。

5 存在的問題與解決方案

調(diào)虧灌溉是爭取在改善作物品質(zhì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)節(jié)水不減產(chǎn)的目標(biāo)。但這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)受到很多因素的制約。

首先，開展調(diào)虧灌溉需要確定作物水分虧缺程度，可用于確定水分虧缺程度指標(biāo)有土壤含水量、葉水勢和水分脅迫指數(shù)等，但目前獲取這些指標(biāo)主要是通過實(shí)驗(yàn)室分析和人工田間測量，這種方法收集的數(shù)據(jù)時效性和準(zhǔn)確性差，同時很難采集大尺度數(shù)據(jù)。針對這一情況可以將衛(wèi)星遙感技術(shù)、地面監(jiān)測及GIS等現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用到水分虧缺程度信息的獲取，這也是研究高效化調(diào)虧灌溉機(jī)制的必然趨勢。

其次，調(diào)虧灌溉涉及到很多對象和因素，靠單一的學(xué)科理論去研究水分虧缺對作物生理生化特性的影響存在局限性。所以為制定更加高效的調(diào)虧灌溉方案，需將多門學(xué)科知識結(jié)合起來綜合分析，從宏觀和微觀的角度同時出發(fā)，探索作物在受到水分脅迫時其內(nèi)在的適應(yīng)力和反應(yīng)的驅(qū)動力，并根據(jù)不同作物的生理生化特點(diǎn)，分析不同作物對水分脅迫的響應(yīng)機(jī)制，以便為調(diào)虧灌溉制度的制定提供理論依據(jù)。

最后，調(diào)虧灌溉理論體系已日趨成熟，但單一的灌溉模式遠(yuǎn)不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，所以還需結(jié)合其他高效栽培技術(shù)進(jìn)行綜合研究，如調(diào)虧灌溉與肥料利用的耦合研究、與農(nóng)藝措施的配套研究等，需不斷探索一種可行性強(qiáng)、易操作且易推廣的高效組合節(jié)水灌溉模式。

6 結(jié)束語

調(diào)虧灌溉作為非充分灌溉的一種重要形式，可以在保證作物產(chǎn)量和品質(zhì)的同時，實(shí)現(xiàn)對水資源的高效利用。水分脅迫對向日葵生理生化特性有重要影響，但對不同地區(qū)和不同向日葵品種的水分虧缺程度很難有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)。自然環(huán)境、土壤性質(zhì)、栽培模式和自身品種都是影響向日葵水分虧缺程度的因素。因此，在今后的試驗(yàn)研究中要因地制宜，探究不同地區(qū)、不同向日葵品種對水分調(diào)虧的響應(yīng)機(jī)制，尋求不同地區(qū)最優(yōu)調(diào)虧灌溉方案，促進(jìn)調(diào)虧灌溉技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的推廣與應(yīng)用。

此外，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)、遙感影像技術(shù)和地理信息系統(tǒng)等對地觀測技術(shù)的迅速發(fā)展，調(diào)虧灌溉試驗(yàn)研究中手動獲取數(shù)據(jù)信息的手段必將落伍。因此，今后的試驗(yàn)研究可以利用衛(wèi)星遙感技術(shù)、人工智能技術(shù)、地面監(jiān)測技術(shù)和GIS等現(xiàn)代信息技術(shù)與區(qū)域模型相結(jié)合，對土壤信息、作物生長狀況和作物生長環(huán)境等實(shí)現(xiàn)實(shí)時多維監(jiān)測，以此推動未來農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展。