覆膜方式與灌水量對滴灌甜菜葉叢生長及光合特性的影響

林 明，魯偉丹，陳友強，劉華君，潘竟海，阿不都卡地爾·庫爾班，周遠(yuǎn)航，王志敏

(1．中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，北京 100193；2．新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所，新疆 烏魯木齊 830091；3. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院瑪納斯農(nóng)業(yè)試驗站，新疆 昌吉 832299)

甜菜是最主要的糖料作物之一，甜菜糖約占世界糖產(chǎn)量的2/5，是制糖工業(yè)主要原料之一，在我國的種植面積較大[1-3]。甜菜根系發(fā)達(dá)，生長周期較長，全生育期耗水量大，水分成為了制約甜菜產(chǎn)量形成的重要因素之一[4-5]，而大規(guī)模種植甜菜的甜菜產(chǎn)區(qū)大部分位于干旱或半干旱地區(qū)，年降雨量較少且分布不均勻，水資源較為匱乏。因此需要通過科學(xué)合理的節(jié)水灌溉技術(shù)使有限的水資源得到合理利用，從而使干旱或半干旱地區(qū)甜菜種植形成節(jié)水高效、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的栽培模式。

前人對于不同覆膜方式或不同灌水量對作物生長發(fā)育的影響頗有研究：李智[6]研究發(fā)現(xiàn)膜下滴灌條件下甜菜葉面積指數(shù)同樣隨灌水量的減少而降低，且水分不僅影響作物的叢高、葉面積指數(shù)等生長指標(biāo)，同時還會影響作物的光合生理指標(biāo)，如凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度等。李升東等[7]研究表明隨著灌水量的增加，小麥旗葉光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度也增加；蒸騰速率與供水量呈顯著正相關(guān)；蒸騰速率、凈光合速率和水分利用效率之間相關(guān)關(guān)系同樣達(dá)到顯著水平。在一定范圍內(nèi)，灌水量越高，甜菜生長越旺盛，光合速率越高。缺水會造成甜菜群體光合作用受到抑制，光合能力減弱，凈光合強度降低[8-10]。董心久等[11]提出膜下滴灌甜菜灌水量控制在5 400 m3·hm-2左右，既利于甜菜產(chǎn)量的形成和糖分積累，又可以提高水分利用率，改善土壤水熱狀況、增加土壤微生物活性等，起到提升農(nóng)業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)力的作用。另外，覆膜可以改善光照條件、抑制雜草生長，有效提高作物保苗率，縮短作物的生育期[12-14]，從而使作物產(chǎn)量提高。因此地膜覆蓋是干旱半干旱地區(qū)作物高產(chǎn)的關(guān)鍵栽培技術(shù)措施之一。吳常順等[15]研究結(jié)果表明，覆膜處理與不覆膜處理相比，甜菜含糖率和產(chǎn)量均明顯增加，顯著提高了經(jīng)濟效益。高衛(wèi)時等[16]研究提出單膜和雙膜覆蓋處理下甜菜的塊根產(chǎn)量和含糖率較不覆膜甜菜均有不同程度增加，其中雙膜覆蓋比單膜覆蓋溫度波動幅度更小，更有利于作物的生長。以往研究大多側(cè)重于單因素如不同覆膜方式或不同灌水量對甜菜生長造成的影響，不同覆膜方式與不同灌水量相結(jié)合對甜菜生長影響的研究有限，因此本研究旨在探討不同覆膜方式與不同灌水量共同作用對甜菜生長可能造成的影響，以期探尋出最適宜干旱半干旱地區(qū)甜菜節(jié)水灌溉的方式。

根的初生皮層脫落至葉叢增長量達(dá)到最高值時，稱為葉叢快速生長期。此期為出苗后35～70 d，是甜菜水分敏感期。葉叢生長期不僅是甜菜的水分敏感期還是甜菜需水量較大的時期且葉叢生長期是甜菜葉片數(shù)增多、叢高增長的重要時期，而葉片是光合作用的主要器官，對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)較大；葉叢的生長對甜菜產(chǎn)量和糖分積累也有重要的作用；葉叢生長期甜菜生長狀態(tài)可以直觀說明不同覆膜方式及灌水量對甜菜生長造成的影響[17-20]。因此本研究側(cè)重于探討覆膜方式與灌水量互作對甜菜水分敏感期，即葉叢生長期生長發(fā)育及光合特性的影響，以此為干旱半干旱地區(qū)甜菜節(jié)水灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用甜菜品種為美國Beta公司生產(chǎn)的E型丸衣化單胚種‘Beta379’；滴灌帶為新疆天業(yè)節(jié)水灌溉股份有限公司生產(chǎn)的迷宮式滴灌帶；地膜為新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市新昌塑地膜廠生產(chǎn)，規(guī)格為80 cm(寬)×0.01 mm(厚)。

1.2 試驗區(qū)自然條件

試驗于2020年在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院安寧渠試驗場(43°77′N，87°17′E)開展。當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?℃～7℃，冬季平均氣溫-11.9℃，極端最低氣溫-30℃，最大凍土層79 cm，年降水量150～200 mm，蒸發(fā)量1600～2 200 mm，屬于干旱半干旱荒漠氣候帶農(nóng)業(yè)區(qū)。

試驗地土壤類型為灰漠土，質(zhì)地為砂壤，前茬作物玉米。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如下：速效氮66.9 mg·kg-1，速效磷11.1 mg·kg-1，速效鉀205 mg·kg-1。

1.3 試驗設(shè)計

本試驗為雙因素試驗，設(shè)不覆膜(N)、覆單膜(T)、覆雙膜(D)3種覆膜方式(M)，雙管配置，灌水量以全生育期灌水量5 700 m3·hm-2(W1)為最高處理，然后再分別設(shè)置4 200 m3·hm-2(W2)、2 700 m3·hm-2(W3)兩個灌水量處理(W)，每個處理3次重復(fù)，共9個處理，隨機區(qū)組排列。小區(qū)面積為10 m×2 m=20 m2,一膜雙行雙管配置；行距為50 cm，株距為18 cm。各處理采用水表控制灌溉量，表1為葉叢期灌水時間及灌水量表。甜菜種植時間為2020年4月28日—2020年10月2日；甜菜營養(yǎng)生長周期分為苗期、葉叢生長期、塊根增長期、糖分積累期4個時期，表2為甜菜生育時期劃分表。試驗所用化肥為：尿素(N46%)、磷酸一銨(N≥12%，P2O5≥61%)、硫酸鉀(K2O≥50%)。其余間苗、定苗、中耕等田間管理措施參照當(dāng)?shù)卮筇锍Ｒ?guī)管理方法，各處理保持一致。

表1 甜菜葉叢期灌水時間及灌水量表/(m3·hm-2)

表2 甜菜生育時期劃分表

1.4 測定指標(biāo)與方法

甜菜倒4葉面積：在葉叢快速生長期，對各小區(qū)選取5個代表性植株測倒4葉面積，用CI-202葉面積儀(CID生物科學(xué)有限公司，美國)進(jìn)行測定。

植株干物質(zhì)積累量：在葉叢快速生長期，對每處理選取長勢一致的甜菜5株，帶回實驗室將植株分為葉片、莖和根，稱重并用軟尺測量甜菜根圍，分別裝袋置于105℃烘箱中殺青30 min，80℃烘至恒重，電子天平稱重(精準(zhǔn)度為0.001 g，美樂MTS300D,慈溪市華徐衡器實業(yè)有限公司)。

光合特性：在甜菜葉叢生長期，于晴朗無云的一天(6月15日)，在10∶00—12∶00之間，各處理選取3株長勢一致的植株，每株選取倒4葉葉片用CIRAS-3便攜式光合儀(PP systems，美國)在田間測定各處理甜菜葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)。

其他生長指標(biāo)：葉叢快速生長期，對每處理選取長勢一致的甜菜5株，每隔1 d記錄甜菜葉片數(shù)，同時用直尺測量甜菜葉叢高度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆膜方式與灌水量對甜菜生長的影響

由表3可以看出，不同覆膜方式與灌水量均對甜菜生長存在顯著影響；甜菜各項生長指標(biāo)均隨灌水量的增加而增加，且覆膜處理同樣較不覆膜處理顯著提高甜菜各項生長指標(biāo)。在相同覆膜方式下，根圍、單根質(zhì)量、葉面積均隨灌水量的減少呈降低趨勢，其中W3處理根圍、單根質(zhì)量、葉面積分別平均較W1處理顯著降低18.18%、22.66%、15.12%(P<0.05)；較W2處理顯著降低11.06%、15.13%、7.6%(P<0.05)；相同灌水量處理下，甜菜根圍、單根質(zhì)量、葉面積均表現(xiàn)為D>T>N；不覆膜處理下，根圍、單根質(zhì)量、葉面積平均分別較覆單膜處理顯著降低7.72%、10.46%、11.78%(P<0.05)；覆雙膜處理較單膜處理顯著增加3.13%、6.22%、8.71%(P<0.05)；覆雙膜處理較不覆膜處理根圍、單根質(zhì)量、葉面積平均分別增加11.08%、17.33%、21.52%，存在顯著性差異(P<0.05)。不同覆膜方式與不同灌水量互作對甜菜生長影響不顯著(P>0.05)。

表3 不同覆膜方式與灌水量對甜菜生長的影響

2.2 不同覆膜方式與灌水量對甜菜叢高、葉片數(shù)的影響

圖1為葉叢生長期甜菜叢高生長動態(tài)圖，由圖1與表4可以看出葉叢生長期初期各處理間不存在顯著性差異，后期灌水量與覆膜均顯著影響甜菜叢高。其中NW2與NW3處理生長緩慢，后期顯著低于DW1與DW2處理(P<0.05)，DW1、DW2與TW1、TW2間不存在顯著性差異(P>0.05)。不同覆膜方式間比較，甜菜叢高整體表現(xiàn)為N處理顯著低于D處理(P<0.05)，而D處理與T處理間不存在顯著性差異(P>0.05)，其中D處理與T處理平均分別較N處理顯著增加7.56%與4.22%(P<0.05);不同灌水量間比較，甜菜叢高整體表現(xiàn)為：W1處理與W2處理間不存在顯著性差異(P>0.05)，但均顯著高于W3處理(P<0.05)；W1處理與W2處理平均分別較W3處理顯著增加7.27%與3.95%(P<0.05)。

圖1 不同覆膜方式與灌水量對甜菜叢高的影響Fig.1 Effects of film mulching methods and irrigation amount on plant height of sugar beet

由圖2與表4可以看出，灌水量顯著影響甜菜葉片數(shù)，灌水量較高時，甜菜葉片數(shù)增長迅速，反之增長緩慢且枯萎脫落甜菜葉的數(shù)量增加。覆膜方式對甜菜葉片數(shù)的影響不存在顯著差異(P>0.05)，覆膜與灌水量的交互作用同樣對甜菜葉片數(shù)影響較小(P>0.05)。在葉叢生長期前期，各處理間甜菜葉片數(shù)不存在顯著性差異，后期表現(xiàn)為DW3、TW3、NW2、NW3處理顯著低于DW1與TW1處理(P<0.05)，其余處理間并不存在顯著性差異(P>0.05)。在葉叢生長期后期(7月13日至7月23日)D處理與T處理分別平均較N處理顯著增加6.19%與3.87%(P<0.05)；W1處理與W2處理分別較W3處理顯著增加7.94%與5.00%(P<0.05)。

圖2 不同覆膜方式與灌水量對甜菜葉片數(shù)的影響Fig.2 Effects of film mulching methods and irrigation amount on the number of sugar beet leaves

表4 覆膜方式、灌水量及其交互作用對甜菜叢高、葉片數(shù)影響的F值

2.3 不同覆膜方式與灌水量對甜菜光合特性的影響

由表5可以看出，不同覆膜方式顯著影響甜菜胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率以及蒸騰速率；其中覆雙膜處理可以有效減少田間土壤水分蒸發(fā)，為甜菜光合作用提供良好的土壤環(huán)境，雙膜(D)處理氣孔導(dǎo)度、凈光合速率以及蒸騰速率分別較不覆膜(N)處理平均顯著增加65.66%、16.26%、64.83%(P<0.05)。不覆膜(N)處理下甜菜胞間CO2濃度較覆雙膜處理平均顯著高18.34%(P<0.05)。不同灌水量同樣對甜菜光合作用造成顯著影響；W1處理下甜菜氣孔導(dǎo)度、凈光合速率以及蒸騰速率平均分別較W2處理增加3.53%、12.73%、12.83%；W1處理下甜菜氣孔導(dǎo)度、凈光合速率以及蒸騰速率分別平均較W3處理增加6.56%、27.39%、26.38%。而W1處理胞間CO2濃度分別較W2與W3處理顯著降低8.72%和20.54%(P<0.05)。

表5 不同覆膜方式與灌水量對甜菜光合特性的影響/(μmol·m-2·s-1)

2.4 不同覆膜方式與灌水量對甜菜干物質(zhì)積累量的影響

由表6與圖3可以看出，不同覆膜方式與灌水量均顯著影響甜菜干物質(zhì)積累，不覆膜處理下，W3處理的甜菜干物質(zhì)積累顯著低于W1與W2處理，各灌水量間干物質(zhì)積累表現(xiàn)為：W1>W2>W3；覆單膜處理下，W1處理W2處理間不存在顯著性差異(P>0.05)，但均顯著高于W3處理(P<0.05)，W1處理塊根和莖葉干物質(zhì)積累量平均分別較W3處理高16.27%與14.95%。雙膜處理中，W1處理與W2處理同樣不存在顯著性差異(P>0.05)，分別較W3處理甜菜塊根干物質(zhì)積累量顯著高9.69%與8.47%(P<0.05)。在同一灌水量處理下，D處理甜菜干物質(zhì)積累略高于T處理，不存在顯著性差異(P>0.05)，但均顯著高于N處理(P<0.05)；N處理塊根干物質(zhì)積累量平均較T處理與D處理降低13.98%與18.49%，D處理塊根干物質(zhì)積累量較T處理增加3.96%；N處理莖葉干物質(zhì)積累量平均較T處理與D處理降低16.23%與21.17%。不同覆膜方式與不同灌水量互作對甜菜塊根干物質(zhì)積累量不存在顯著影響(P>0.05)，但顯著影響莖葉干物質(zhì)積累(P<0.05)。

注：同行各柱間不同小寫字母表示甜菜不同部位處理間差異顯著(P<0.05)。Note: Different lowercase letters between the columns of the same line indicate that there are significant differences between treatments in different parts of sugar beet (P<0.05).

表6 覆膜方式、灌水量及其交互作用對 甜菜干物質(zhì)積累影響的F值

2.5 甜菜生長、光合特性與干物質(zhì)積累量的相關(guān)性分析

由表7可以看出，甜菜生長發(fā)育指標(biāo)、光合特性指標(biāo)以及干物質(zhì)積累量間存在顯著的相關(guān)性。叢高與葉片數(shù)間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，根圍與單根質(zhì)量、根干物質(zhì)、葉面積、凈光合速率、蒸騰速率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，單根質(zhì)量、葉面積、凈光合速率、蒸騰速率以及根、莖干物質(zhì)量之間同樣存在極顯著正相關(guān)關(guān)系;而胞間CO2濃度與其他光合指標(biāo)以及生長發(fā)育指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且除與叢高和葉片數(shù)之間差異不顯著外，與其余指標(biāo)間均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率以及根莖干物質(zhì)之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；葉片蒸騰速率與根莖干物質(zhì)間同樣存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

表7 甜菜生長、光合特性與干物質(zhì)積累的相關(guān)性分析

3 討 論

3.1 不同覆膜方式與灌水量對甜菜生長的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，覆膜方式與灌水量均顯著影響甜菜葉面積，覆膜方式與灌水量的交互作用對其不存在顯著影響。葉片是光合作用的主要器官，對產(chǎn)量貢獻(xiàn)較大；葉叢的生長對甜菜產(chǎn)量和糖分積累也有重要作用。本研究發(fā)現(xiàn)，覆膜與灌水均顯著影響甜菜叢高、葉面積、單根質(zhì)量以及根圍，其中雙膜5 700 m3·hm-2灌水處理、雙膜4 200 m3·hm-2灌水處理以及單膜5 700 m3·hm-2灌水處理顯著優(yōu)于其他處理。梁哲軍、Zhou等[21-22]研究表明，玉米叢高和葉面積指數(shù)隨灌水量的增加而增加。韓凱虹[23]研究發(fā)現(xiàn)灌水量的減少會明顯抑制甜菜的叢高、葉片數(shù)、葉面積及根粗的生長，這與本研究結(jié)果基本一致。高衛(wèi)時等[16]研究提出不同覆膜處理間植株葉片數(shù)無顯著性差異，且表明影響甜菜葉片數(shù)的因素多為甜菜品種本身；在本試驗中，單膜和雙膜覆蓋葉叢高度之間無顯著性差異，但顯著高于不覆膜處理，雙膜5 700 m3·hm-2灌水處理與雙膜4 200 m3·hm-2灌水處理葉片數(shù)顯著高于不覆膜2 700 m3·hm-2灌水處理，這可能是由于不覆膜2 700 m3·hm-2灌水處理難以滿足甜菜生長所需要的水分，葉片萎蔫脫落造成的。

3.2 不同覆膜方式與灌水量對甜菜光合特性的影響

水分不僅影響作物的生長指標(biāo)如叢高、葉面積指數(shù)等，而且影響作物的光合指標(biāo)如凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度等[24]。甜菜營養(yǎng)生長主要靠光合作用制造有機營養(yǎng)物質(zhì)，在本研究中，雙膜處理較單膜處理與不覆膜處理顯著增加甜菜凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度，原因或許是因為雙膜處理可以抑制田間水分的無效蒸發(fā)，提高土壤含水量和水分利用率，為甜菜光合提供良好的土壤環(huán)境。葉片水分是影響氣孔導(dǎo)度的主要原因[25]，雙膜處理以及5 700 m3·hm-2灌水處理均可增加葉片水分，因此氣孔導(dǎo)度顯著高于其他處理，F(xiàn)ranks等[26]研究發(fā)現(xiàn)，蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度的下降可認(rèn)為是植物為避免過度失水所進(jìn)行的自我調(diào)節(jié)，這與本研究中不覆膜處理以及2 700 m3·hm-2灌水處理蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度顯著低于其他處理的研究結(jié)果基本一致。張娜等[27]研究表明，冬小麥葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均隨滴灌量的增加而增加，而胞間CO2濃度隨滴灌量增加而減小，這與本研究結(jié)果基本一致。而Lin等[28]研究提出：作物遭遇水分脅迫時氣孔關(guān)閉會導(dǎo)致胞間CO2濃度降低，最終造成植物的凈光合速率下降；因此胞間CO2濃度的高低并不是簡單的隨灌水量增加而增加或減少的趨勢，胞間CO2濃度的高低還取決于不同作物品種與具體灌水量。

3.3 不同覆膜方式與灌水量對甜菜干物質(zhì)積累的影響

甜菜干物質(zhì)積累是決定甜菜產(chǎn)量的重要因素，而甜菜的干物質(zhì)積累與分配受到土壤水分條件的影響，較好的水分條件有利于甜菜的干物質(zhì)積累，增加甜菜的生物產(chǎn)量[29]。因此充足的灌水量可以顯著提高甜菜干物質(zhì)積累量，不同覆膜方式以及不同灌水量均對甜菜干物質(zhì)積累存在顯著性影響，不同灌水量與不同覆膜方式的交互作用對甜菜塊根干物質(zhì)積累量不存在顯著性影響，但顯著影響甜菜莖葉干物質(zhì)積累。在本研究中，覆單膜5 700 m3·hm-2灌水處理、4 200 m3·hm-2灌水處理以及覆雙膜5 700 m3·hm-2灌水處理、4 200 m3·hm-2灌水處理的干物質(zhì)積累量間不存在顯著性差異但均較其他處理顯著增加甜菜干物質(zhì)積累量，其中雙膜4 200 m3·hm-2灌水處理、單膜4 200 m3·hm-2灌水處理與單膜5 700 m3·hm-2灌水處理、雙膜5 700 m3·hm-2灌水處理在甜菜干物質(zhì)積累方面不存在顯著性差異，而覆單膜處理的根干物質(zhì)積累較覆雙膜處理的根干物質(zhì)積累量略有降低，但不存在顯著性差異。

4 結(jié) 論

灌水與覆膜均顯著影響甜菜生長發(fā)育、光合特性以及干物質(zhì)積累，在相同覆膜方式下，5 700 m3·hm-2灌水處理以及4 200 m3·hm-2灌水處理顯著優(yōu)于2 700 m3·hm-2灌水處理；覆雙膜處理較其他處理可以有效減少田間水分蒸發(fā)，為甜菜生長發(fā)育提供良好的土壤環(huán)境。其中覆雙膜4 200 m3·hm-2灌水處理與覆雙膜5 700 m3·hm-2灌水處理、覆單膜5 700 m3·hm-2灌水處理在甜菜生長發(fā)育、光合特性以及干物質(zhì)積累方面不存在顯著差異，但均顯著優(yōu)于其他覆膜與灌水處理；雙膜4 200 m3·hm-2灌水處理在甜菜葉面積、根圍、叢高以及單根質(zhì)量方面分別較其他覆膜與灌水處理平均分別高12.65%、12.96%、3.93%以及9.93%，因此雙膜4 200 m3·hm-2灌水處理可以在減少灌水的前提下，保證甜菜正常生長發(fā)育，達(dá)到甜菜節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)甚至增產(chǎn)的目的，為甜菜高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效節(jié)水奠定了良好的基礎(chǔ)。