苜蓿田地下滴灌灌溉指標(biāo)研究

張樹(shù)振，張鮮花，朱進(jìn)忠

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊　830052)

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苜蓿田地下滴灌灌溉指標(biāo)研究

張樹(shù)振，張鮮花，朱進(jìn)忠

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830052)

摘要：【目的】研究地下滴灌條件下苜蓿適宜灌溉指標(biāo)，為苜蓿高效節(jié)水灌溉提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā窟\(yùn)用快速便攜式測(cè)墑?dòng)?jì)測(cè)定土壤含水率,利用便攜式葉綠素儀測(cè)定葉片SPAD值，使用比色卡確定葉片顏色?！窘Y(jié)果】隨土壤水分虧缺，植株含水量降低，葉片SPAD和葉片顏色指標(biāo)呈上升趨勢(shì)，植株干鮮重在灌溉20 d后停止增長(zhǎng)；土壤含水率與植株含水量呈極顯著正相關(guān)，上部、中部葉片SPAD值與植株含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)，葉片青色和黑色指標(biāo)與植株含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)?！窘Y(jié)論】隨土壤水分虧缺，上部葉片SPAD值和青色呈先升高后下降趨勢(shì)，且與植株干、鮮重，植株含水率相關(guān)系數(shù)最高，有望成為適宜苜蓿生產(chǎn)的灌溉指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：苜蓿；地下滴灌；灌溉指標(biāo)；土壤含水率；葉片顏色；SPAD值

0引 言

【研究意義】近年來(lái)，國(guó)家對(duì)苜蓿種植支持力度逐年提升，明確提出加快發(fā)展草牧業(yè)，支持青貯玉米和苜蓿等飼草料種植，開(kāi)展糧改飼和種養(yǎng)結(jié)合模式試點(diǎn)，促進(jìn)糧食、經(jīng)濟(jì)作物、飼草料三元種植結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)發(fā)展。新疆作為我國(guó)五大牧區(qū)之一，苜蓿在畜牧業(yè)發(fā)展中占有重要地位，然而新疆歷來(lái)水資源緊缺，加上苜蓿又為高耗水作物，其生育期耗水量最高達(dá)2 250 mm[1]。鑒于此，發(fā)展節(jié)水灌溉的苜蓿種植模式具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】適宜的灌溉指標(biāo)可以準(zhǔn)確指示作物水分的虧缺狀況，根據(jù)適宜的灌溉指標(biāo)進(jìn)行適時(shí)適量灌溉，是發(fā)展高效節(jié)水灌溉的重要手段之一[2]。當(dāng)前灌溉指標(biāo)主要基于土壤含水率、植物生理指標(biāo)和數(shù)學(xué)模型等指標(biāo)[3]，其中土壤含水率指標(biāo)是目前研究比較成熟的可行指標(biāo)[4]。但植物自身的水分信息不僅和土壤水分狀況有關(guān)，還受到氣象因素和作物自身生長(zhǎng)發(fā)育的影響，生產(chǎn)中除考慮土壤水分狀況外，還應(yīng)考慮作物本身的狀況來(lái)確定灌溉的適宜時(shí)期和灌溉量[5]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】已有灌溉指標(biāo)的研究大多數(shù)集中在傳統(tǒng)的糧食和經(jīng)濟(jì)作物，有關(guān)牧草特別是苜蓿灌溉指標(biāo)的研究鮮有報(bào)道。以地下滴灌苜蓿田為對(duì)象，研究灌溉后隨土壤水分虧缺，土壤含水率、葉片SPAD值、葉片顏色、植株含水量、植株鮮(干)重的變化趨勢(shì)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】分析各指標(biāo)之間的相關(guān)性，探討地下滴灌苜蓿田適宜灌溉指標(biāo)。通過(guò)適宜的灌溉指標(biāo)指導(dǎo)苜蓿生產(chǎn)，為苜蓿田的高效節(jié)水灌溉提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2014年5～6月在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)呼圖壁草地生態(tài)試驗(yàn)站進(jìn)行。該站位于442N，866E，海拔439～454 m；光熱資源豐富，年太陽(yáng)輻射量5.56102kJ/cm2，年照射時(shí)數(shù)3 110 h，年日照百分率70%；年降水量161.3 mm，蒸發(fā)量2 112.7 m，無(wú)霜期165～190 d；試驗(yàn)地土壤為鹽化灰漠土，pH值在8.5以上。

1.2材 料

試驗(yàn)材料為地下滴灌條件下生長(zhǎng)第3年的新牧1號(hào)雜花苜蓿(Medicagovariacv. ‘Xinmu No. 1’)，試驗(yàn)小區(qū)面積5 m×7 m，行距0.15 m。地下滴灌由支管道(Φ63 pvc管)連接給水滴灌帶，滴灌帶為內(nèi)鑲貼片式，埋深20 cm，鋪設(shè)間距60 cm，滴頭標(biāo)定流量1.38 L/h，試驗(yàn)工作壓力80～90 kPa。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)小區(qū)。

1.3方 法

于2014年5月10日灌飽和水(1 350 m3/hm2)，灌溉5 d后測(cè)定各指標(biāo)，以后每隔5 d測(cè)定一次。利用MPKit-FD快速便攜式測(cè)墑?dòng)?jì)測(cè)定土壤體積含水率；每小區(qū)隨機(jī)選取20株苜蓿主枝，使用便攜式SPAD-502葉綠素儀測(cè)定上、中、下葉片的葉綠素SPAD值；用PANTONE CMYK Coated比色卡測(cè)定上部第2片功能葉片顏色，根據(jù)比色卡CMYK模式，確定葉片青(C)、品紅(M)、黃(Y)、黑(K)等不同顏色的參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[6]；將測(cè)定完以上各指標(biāo)的枝條取下測(cè)定植株鮮重、干重并計(jì)算其植株含水量。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用SPSS 17.0軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤表示測(cè)定結(jié)果，并用Duncan法對(duì)各測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較；采用Excel 2010制圖；性狀間的關(guān)系，在線性、指數(shù)和冪3種函數(shù)中，選用相關(guān)性最高的作為定量分析模型。

2結(jié)果與分析

2.1土壤含水率及苜蓿各指標(biāo)變化趨勢(shì)

灌溉5 d后土壤含水率呈下降趨勢(shì)，方差分析表明隨時(shí)間推移土壤含水率顯著降低(F(5，17)=37.34，P<0.01)。灌水后5～10土壤含水率下降最快，10～20 d次之，20 d后土壤含水率趨于平穩(wěn)降低趨勢(shì)。圖1

圖1土壤含水率變化趨勢(shì)
Fig. 1Change of the soil water content

灌溉后5～10 d植株鮮、干重均無(wú)顯著增長(zhǎng)，10～20 d植株鮮、干重增長(zhǎng)最快，20 d后(5月30日)植株干、鮮重停止增長(zhǎng)(圖2A)。灌溉后5～20 d植株含水量即呈遞減趨勢(shì)，灌溉后20～30 d內(nèi)植株含水量略有波動(dòng)，土壤含水率無(wú)顯著差異(P>0.05)(圖2B)。圖2

注：A植株干、鮮重；B植株含水量

Note: A, dry and fresh weight of alfalfa; B, water content of alfalfa

圖2 苜蓿干、鮮重及植株含水量變化趨勢(shì)
Fig. 2 Changes of dry weight, fresh weight and water content of alfalfa

苜蓿不同部位葉片SPAD值隨水分虧缺變化趨勢(shì)不同(圖3A)。上部葉片SPAD值灌溉后5～15 d無(wú)明顯變化，15～25 d后呈顯著增加，25 d后又趨于降低；中部葉片SPAD值表現(xiàn)為灌溉后10～20 d 迅速遞增，20 d達(dá)到峰值，20 d后逐漸降低；下部葉片SPAD值表現(xiàn)為5～15 d下降，15～20 d呈現(xiàn)顯著增大趨勢(shì)，20～30 d又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的周期性變化。

注：A為葉片SPAD值，上、中、下分別代表植株上部、中部和下部葉片的SPAD值；B為顏色指標(biāo)，青、黃、黑分別表示葉片對(duì)應(yīng)比色卡上的相應(yīng)顏色指標(biāo)

Note: A, the SPAD value of alfalfa in top, middle and bottom respectively represent the SPAD value of leaf that at the top, middle and bottom of alfalfa; B, leaf color index, green, yellow and black respectively represent their correspondent color indexes

圖3苜蓿葉片SPAD值及葉片顏色指標(biāo)變化趨勢(shì)
Fig. 3 Changes of SPAD value and color index of alfalfa leaf

苜蓿上部葉片顏色青、黃和黑3種指標(biāo)(試驗(yàn)中品紅(M)參數(shù)均為0)變化趨勢(shì)不同。方差分析表明三種顏色指標(biāo)隨水分虧缺均呈顯著變化(P<0.01)。各顏色指標(biāo)均表現(xiàn)為隨水分虧缺先升高后下降趨勢(shì)，峰值均出現(xiàn)在灌溉后第20 d(圖3B)。圖3

表1土壤含水率、苜蓿葉片顏色、SPAD值及其生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)性
Table 1 Correlations between soil water content and leaf color, SPAD value，dry weight, fresh weight and water content of alfalfa

土壤含水率Soilmoisturecontent(%)上部葉片SPAD值UpperleafSPADvalue中部葉片SPAD值MiddleleafSPADvalue下部葉片SPAD值LowerleafSPADvalue植株鮮重Freshweight(g)植株干重Dryweight(g)植株含水量Plantwatercontent(%)青Green黃Yellow黑Black土壤含水率(%)Soilwatercontent1.000上部葉片SPAD值UpperleafSPADvalue-0.300**1.000中部葉片SPAD值MiddleleafSPADvalue-0.154**0.616**1.000下部葉片SPAD值LowerleafSPADvalue0.047-0.014-0.0081.000植株鮮重(g)Freshweight-0.311**0.314**0.189**-0.0371.000植株干重(g)Dryweight-0.393**0.377**0.257**-0.0370.915**1.000植株含水量(%)Plantwatercontent0.414**-0.245**-0.229**0.0300.022-0.235**1.000青Green-0.357**0.328**0.306**-0.0240.175**0.231**-0.196**1.000黃Yellow-0.0410.124*0.073-0.0180.0090.031-0.0760.656**1.000黑Black-0.160**0.258**0.214**-0.0010.0590.105-0.170**0.469**0.573**1.000

注：*表示P<0.05，**表示P<0.01；負(fù)值表示二者之間呈負(fù)相關(guān)，正值表示二者之間呈正相關(guān)

Note: ** means P<0.01; Negative expresses a kind of reverse correlation, Positive expresses a kind of positive correlation

2.2土壤含水率、苜蓿葉片顏色、SPAD值及其生長(zhǎng)指標(biāo)相關(guān)性研究

土壤含水率和植株含水量呈極顯著正相關(guān)性(P<0.01)，與植株干鮮重呈極顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.01)；青色和黑色與植株含水量呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，且青色與植株含水量的Pearson系數(shù)大于黑色；苜蓿上部和中部葉片SPAD值與植株含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與植株干、鮮重呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性(P<0.01)，且上部葉片SPAD值與苜蓿生長(zhǎng)指標(biāo)之間的Pearson系數(shù)大于中部葉片SPAD值。此外，土壤含水率與上部葉片SPAD值、中部葉片SPAD值、青色和黑色均呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；上部葉片SPAD值、中部葉片SPAD值、青色和黑色之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性(P<0.01)。表1

2.3土壤含水率與青色、葉片SPAD值回歸分析

隨土壤含水率降低，葉片顏色(青色)呈遞增趨勢(shì)?；貧w分析表明，葉片顏色(青色)和土壤含水率呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，方程為Y=361.82X-0.68，R2=0.540(X為土壤含水率，Y為青色指標(biāo))。隨土壤含水率降低，葉片SPAD值呈遞減趨勢(shì)，土壤含水率和上部葉片SPAD之間的關(guān)系呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，方程為Y=119.3X-0.27，R2=0.518(X為土壤含水率，Y為上部葉片SPAD值)。圖4

注：A土壤含水率與上部葉片青色指標(biāo)的回歸分析；B土壤含水率和上部葉片SPAD值的回歸分析

Note: A, Relationship between soil water content and color (green) index; B, Relationship between soil water content and SPAD value(Top leaf)

圖4土壤含水率和葉片顏色青色指標(biāo)、上部葉片SPAD值的回歸分析
Fig. 4 Relationship between soil water content and color (green) index, and SPAD value (Top leaf)

3 討 論

3.1通過(guò)適宜灌溉指標(biāo)預(yù)判作物水分虧缺來(lái)決策灌溉，是提高水分利用效率，解決我國(guó)水資源短缺的有效途徑之一[7]。在選擇灌溉指標(biāo)時(shí)，除考慮土壤含水率指標(biāo)外，還應(yīng)綜合作物自身指標(biāo)來(lái)確定適宜的灌溉指標(biāo)體系[5]。研究除選擇土壤含水率，還選擇了測(cè)定簡(jiǎn)單、便于操作的葉片顏色和葉片SPAD作為苜蓿灌溉指標(biāo)進(jìn)行研究，以期能夠提出一套土壤指標(biāo)和苜蓿本身性狀相結(jié)合的灌溉指標(biāo)體系，從而為苜蓿田高效節(jié)水灌溉提供科學(xué)依據(jù)。

3.2土壤含水率與作物生長(zhǎng)密切相關(guān)[5]，研究發(fā)現(xiàn)土壤含水率與植株鮮、干重和植株含水量呈極顯著相關(guān)。當(dāng)土壤含水率介于作物生長(zhǎng)阻滯含水率和田間含水量之間時(shí)，作物正常生長(zhǎng)，低于阻滯含水率即處于受旱狀態(tài)[5]。通過(guò)確定土壤水分的下限指標(biāo)，可有效指導(dǎo)灌溉時(shí)期和灌溉頻次，進(jìn)而達(dá)到高效節(jié)水灌溉[4]。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤體積含水率低于16.1%時(shí)，苜蓿鮮干重增長(zhǎng)停滯，植株含水量降到最低，且葉片顏色指標(biāo)、SPAD值的轉(zhuǎn)折點(diǎn)均出現(xiàn)在該時(shí)期，推測(cè)該土壤含水率為該地苜蓿阻滯含水率，生產(chǎn)中應(yīng)使土壤含水率高于或不使土壤含水率長(zhǎng)期低于該值。

3.3植物生長(zhǎng)環(huán)境中光照、溫度、水分和土壤營(yíng)養(yǎng)元素的缺乏，會(huì)通過(guò)植物葉片的葉綠素含量、顏色、形態(tài)表現(xiàn)出來(lái)，在實(shí)際生產(chǎn)中，分析植物葉片顏色和形態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)于適時(shí)灌溉和合理施肥都有重要的參考價(jià)值[8]。葉片SPAD值是用來(lái)預(yù)測(cè)植物葉綠素含量的指標(biāo)，因其具有快速、簡(jiǎn)便和無(wú)損的優(yōu)點(diǎn)[9]，除用來(lái)預(yù)測(cè)葉片葉綠素含量外，還應(yīng)用于預(yù)測(cè)作物水分和氮素的虧缺[10]，鮑雅靜等[11]研究表明羊草葉片SPAD值和水分梯度顯著相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)苜蓿上部和中部葉片SPAD值和土壤含水率、植株干鮮重和植株含水量相關(guān)性顯著，當(dāng)水分虧缺到一定程度，葉片SPAD值顯著增加。葉片顏色也是反映作物生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)，劉偉[12]研究表明棉花葉片顏色參數(shù)可準(zhǔn)確進(jìn)行植株葉綠素、氮、磷、鉀含量估測(cè)，可對(duì)籽棉產(chǎn)量進(jìn)行準(zhǔn)確估測(cè)。利用比色卡研究苜蓿水分缺失的研究鮮有報(bào)道，研究表明，葉片顏色青色和黑色參數(shù)與土壤含水率和植株含水量呈極顯著相關(guān)，隨水分虧缺葉片顏色呈加深趨勢(shì)，且以青色指標(biāo)與苜蓿干、鮮重，植株含水量相關(guān)性最高。

4 結(jié) 論

灌溉后20 d內(nèi)土壤含水率下降顯著，第20 d土壤含水率下降到16.1%，此時(shí)苜蓿各指標(biāo)均呈現(xiàn)明顯變化，植株生物量停止增加，苜蓿葉片顏色和SPAD值均達(dá)到峰值;植株含水量等苜蓿生長(zhǎng)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)最高，且與土壤含水率呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，具有進(jìn)一步發(fā)展為苜蓿灌溉指標(biāo)的潛力。

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A Preliminary Study on Irrigation Indexes of Subsurface Drip Irrigation in Alfalfa Fields

ZHANG Shu-zhen, ZHANG Xian-hua, ZHU Jin-zhong

(CollegeofPrataculturalandEnvironmentalSciences,XinjiangAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandResourcesandEcologyofXinjiang,Urumqi830052,China)

Abstract：【Objective】 The experiment was conducted on the subsurface drip irrigation of alfalfa field to study the irrigation index of alfalfa in order to provide some theoretical references for the application of subsurface drip irrigation in alfalfa cultivation. 【Method】 The soil water content was measured by the portable fast measuring moisture meter, the SPAD value was measured by portable chlorophyll meter SPAD-502, and the leaf color was measured by color card. 【Result】 The results showed that the plant water content decreased and the color and the SPAD value of leaf increased with the increase of soil water content. The alfalfa stopped growth after irrigation 20 days. There was positive relationship between soil water content and plant water content, but negative relationship between plant water content and SPAD value of leaf that growth in the top and middle of alfalfa, and negative relationship between plant water content and leaf color index of green and black. 【Conclusion】 With the soil water deficit, leaf SPAD values and green index of leaf color increased at first, and then decreased, which could be the irrigation index for alfalfa production.

Key words:alfalfa；subsurface drip irrigation；irrigation index；soil water content；leaf color；SPAD value

中圖分類(lèi)號(hào)：S551+7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-4330(2016)03-0533-06

作者簡(jiǎn)介:張樹(shù)振(1988-)，男，山東菏澤人，講師，研究方向?yàn)槟敛菰耘啵?E-mail)zhangshuzhen1998@163.com通訊作者:朱進(jìn)忠(1953-)，男，河北唐縣人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)椴莸刭Y源，(E-mail)xjauzjz@126.com

基金項(xiàng)目:國(guó)家牧草現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(CARS35)；新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)校前期課題(XJAU201303)

收稿日期：2015-07-30

doi:10.6048/j.issn.1001-4330.2016.03.020

Fund project:Supported by National grass industry technology system project (CARS35) and Pre-school project of Xinjiang Agricultural University (XJAU201303)