關(guān)鍵生育期不同灌溉量對甜高粱產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率的影響

解婷婷, 單立山,蘇培璽, 趙文智

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，寒旱區(qū)陸面過程與氣候變化重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；3. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院， 臨澤內(nèi)陸河流域研究站/內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

農(nóng)業(yè)用水的消耗量超過了總淡水的三分之二[1]，在全世界的許多地區(qū)，灌溉水已經(jīng)被過度開采和過度使用[2]，而且在干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為了獲得較高的作物產(chǎn)量，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民一味地增加灌溉量，從而進一步造成水資源的浪費與短缺。因此，關(guān)于研究提高作物產(chǎn)量的最佳灌溉技術(shù)就顯得尤為重要。目前，關(guān)于作物節(jié)水灌溉技術(shù)的研究已開展了較多的研究[3-5]，如Dminguez等[6]研究表明，與整個生長時期持續(xù)干旱脅迫相比，營養(yǎng)生長階段的虧缺灌溉使得玉米的籽粒產(chǎn)量提高了10%～20%。Du等[7]研究得出，與常規(guī)灌溉相比，棉花根區(qū)交替灌溉可以顯著提高其產(chǎn)量與品質(zhì)。這些研究都表明，一定生育時期的水分虧缺有利于作物產(chǎn)量的提高。

甜高粱具有抗旱、耐澇、耐鹽堿等優(yōu)良特性，對土壤的適應(yīng)能力很強，適合在新開墾的土地和低產(chǎn)田上種植。目前對甜高粱的研究主要集中在光合特性[8-9]、莖稈成分組成[10]、產(chǎn)量和含糖量[11-13]、遺傳多樣性和育種[14-16]等方面。甘肅河西走廊荒漠綠洲區(qū)光照資源充足，晝夜溫差大，有利于甜高粱莖稈糖分的積累，同時該區(qū)鹽堿地和沙荒地等邊際性土地面積較大，已成為我國甜高粱種植的主要生產(chǎn)區(qū)域[17]。我們通過對該地區(qū)干旱脅迫下甜高粱的產(chǎn)量和水分利用效率的研究，發(fā)現(xiàn)中度干旱脅迫下甜高粱的莖稈生物產(chǎn)量顯著提高，且其糖含量也增加[9]。然而，由于甜高粱的種植主要是用于飼料或者果葡糖漿的生產(chǎn)，在甜高粱的整個生育期中拔節(jié)期～孕穗期是莖稈生長的主要階段，而開花期～成熟期是糖分積累的關(guān)鍵時期，因此，進一步研究甜高粱關(guān)鍵生育期的節(jié)水灌溉技術(shù)，對緩解我國干旱區(qū)水資源短缺，實現(xiàn)甜高粱產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。本研究在河西走廊荒漠綠洲區(qū)，以每次灌溉量相同為對照，研究了拔節(jié)期～孕穗期增加灌水量和開花期～成熟期減少灌水量的不同處理對甜高粱產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率的影響，以期獲得合理的調(diào)虧灌溉方案，進而達到節(jié)水、高效、優(yōu)產(chǎn)的目的。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于甘肅省河西走廊中部黑河中游臨澤縣北部綠洲邊緣，綠洲外為巴丹吉林沙漠南緣延伸帶，也稱河西走廊沙漠，依賴黑河水，為典型的沙漠綠洲，屬于干旱荒漠氣候類型， 多年平均降水量116.8 mm，年蒸發(fā)量2 390 mm，為降水量的20多倍；年平均氣溫7.6℃，最高氣溫39.1℃，最低-27℃，≥10℃年積溫為3 088℃，無霜期165 d；主風(fēng)向為西北風(fēng)，風(fēng)沙活動集中在3～5月份，年均風(fēng)速3.2 m·s-1，大于8級大風(fēng)日數(shù)年均為15 d；年日照時數(shù)為3 045 h；凍土深度1.0 m左右。干旱、高溫和多風(fēng)是其主要氣候特點。地帶性土壤為灰棕荒漠土。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院臨澤內(nèi)陸河流域研究站(39°21′ N，100°02′ E, 1 400 m a.s.l.)進行，該區(qū)屬于邊緣綠洲，為灌溉風(fēng)沙土。試驗小區(qū)為用油氈、聚乙烯棚膜和磚及水泥修筑成4 m×4 m的防側(cè)滲無底池，側(cè)壁深1.5 m。試驗地土壤為灌溉風(fēng)沙土，0～20 cm土層土壤的容重為1.47 g·cm-3，田間持水量為20.95%。供試材料為甜高粱品種“BJ0601”。2016年4月25日播種，采用寬窄行種植，寬行距60 cm，窄行距40 cm，株距18 cm，密度為11.12×104株·hm-2。出苗后待植株具有3片真葉時，進行間苗、定苗。

試驗設(shè)計根據(jù)2015年干旱脅迫試驗的結(jié)果制定，2015年甜高粱在整個生育時期灌水8次，每次灌水定額為750 m3·hm-2，總灌水量為6 000 m3·hm-2下的莖稈生物產(chǎn)量和糖分產(chǎn)量最高，2016年在總的灌水量不變的前提下，對不同生育階段采取不同的灌水量處理，拔節(jié)期～孕穗期采取增加灌水量的措施，開花期～成熟期則降低灌水量，其它時期每次灌水定額均為750 m3·hm-2，整個生育期試驗設(shè)計如表1，采取完全隨機區(qū)組試驗設(shè)計，每個處理重復(fù)3次。播種前施氮肥112 kg·hm-2，磷肥56 kg·hm-2，拔節(jié)期施氮肥112 kg·hm-2，磷肥56 kg·hm-2，開花期施氮肥25 kg·hm-2。

表1 甜高粱關(guān)鍵生育時期灌水量設(shè)計

1.3 觀測項目與方法

1.3.1 土壤含水量的測定 每次灌溉后第2天對各處理小區(qū)進行土壤含水量測定，取0～60 cm(甜高粱根系主要分布層)深各層土壤(20 cm為1層)的土樣使用烘干法測定土壤含水量，重復(fù)3次。

1.3.2 株高和莖稈直徑的測定 收獲期，于每個小區(qū)選取10株生長健康的甜高粱植株，分別對其株高和莖稈直徑進行測定，莖稈直徑測定的是甜高粱莖稈的第二節(jié)。

1.3.3 生物產(chǎn)量的測定 為了排除邊際效應(yīng)，每個小區(qū)取樣面積為9 m2，對所有的甜高粱進行收獲，稱其鮮重，然后分別從中隨機選取10株甜高粱，將每株的地上部分分為莖稈、葉片、穗分別進行計產(chǎn)，而后將其分別進行風(fēng)干，鮮重生物產(chǎn)量經(jīng)自然風(fēng)干，在80℃下烘干至恒重后(約12 h)稱取干重，計算干鮮比，最后得出單位面積甜高粱的地上各部分的生物產(chǎn)量鮮重、干重。

采用水量平衡法計算作物生育期的耗水量：

ET=R+B-F±Q+ΔW

(1)

式中，R為降水量，采用附近氣象觀測場資料；B為灌水量，通過水表讀數(shù)得到；F為地表徑流，Q為上移或下滲量，由于試驗在防滲池進行，消除了地表徑流的發(fā)生和水分上移或下滲的發(fā)生，F(xiàn)=0，Q=0；ΔW為作物收獲時與播種時土壤儲水量之差，式中各單位均為mm。

水分利用效率(WUE，kg·hm-2·mm-1)的計算公式如下：

(2)

式中,Y為甜高粱地上部生物產(chǎn)量(kg·hm-2)；ET為整個生育期蒸散量(mm)。

1.3.4 糖分的測定 2015年對生長季末收獲的甜高粱經(jīng)烘干后，稱取干重，然后將莖稈、葉片樣品分別進行粉碎，利用菲林試劑法[18]分別測定甜高粱莖稈和葉片中的可溶糖含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

通過可溶性總糖估算乙醇產(chǎn)量的公式如下[19]：

乙醇產(chǎn)量(L·hm-2)=干物質(zhì)中可溶性糖(%)×干物質(zhì)產(chǎn)量(t·hm-2) ×0.51(糖分中乙醇的換算因子)×0.85(糖分中乙醇的制程效率)×1000/0.79(乙醇密度，g·mL-1)。

甜高粱的生物產(chǎn)量和品質(zhì)的對比分析采用單因子方差分析(one-way ANOVA), 同一指標(biāo)不同處理之間的多重比較采用最小顯著極差法(LSD法)，利用SPSS15.0軟件進行，作圖采用Origin 7.0 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 關(guān)鍵生育期不同灌溉量下土壤含水量的變化

從圖1 可以看出，在未進行灌水量處理前，三種處理下各層的土壤含水量不存在顯著差異(P>0.05)。拔節(jié)期～孕穗期增加灌水量處理后(6月15日、7月1日和7月18日)，隨著灌水量增加，各層土壤含水量均有所增加，且0～20 cm和20～40 cm土層土壤含水量不同處理間存在顯著差異(除6月15日20～40 cm土壤層之外)；開花期～成熟期減少灌水量處理后，隨著灌水量減少，土壤含水量均有所降低，且0～20 cm和20～40 cm土層的不同處理間土壤含水量均存在顯著差異，而40～60 cm土層對照的土壤含水量顯著高于T2(除8月5日外)(P<0.05)。

2.2 關(guān)鍵生育期不同灌溉量對甜高粱株高和莖粗的影響

從圖2可以看出，收獲期三種處理條件下甜高粱的株高分別為267.9、272.1 cm和289.7 cm，與對照相比，T1和T2處理下甜高粱的株高分別增加了1.57%和8.14%。方差分析表明，三種處理下甜高粱的株高不存在顯著差異(P>0.05)；收獲期CK、T1和T2處理下甜高粱的莖粗分別為2.61、2.87 cm和2.89 cm，與對照相比，T1和T2處理下分別增加了

注：同一土層不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。 Note: Different letters in the same soil depth indicate significant differnce for different treatment (P<0.05).圖1 甜高粱整個生育時期土壤含水量的變化Fig.1 Change of soil water content during the whole growth period of sweet sorghum

9.97%和10.73%，差異性分析表明，T1和T2處理下甜高粱的莖粗顯著高于對照(P<0.05)。

2.3 關(guān)鍵生育期不同灌溉量對甜高粱地上生物產(chǎn)量的影響

從表2可以看出，收獲期甜高粱的莖稈和地上總生物產(chǎn)量鮮重最高的均為T2，其值分別為72.89 t·hm-2和89.04 t·hm-2，莖稈生物產(chǎn)量占地上總生物產(chǎn)量的81.86%；與對照相比，T1和T2處理下甜高粱的莖稈生物產(chǎn)量分別提高了9.24%和16.47%，地上總生物產(chǎn)量分別提高了9.41%和15.52%。方差分析表明：T2處理下甜高粱的莖稈和地上總生物產(chǎn)量與對照存在顯著差異(P<0.05)；而T1和T2處理之間不存在顯著差異(P>0.05)。

2.4 關(guān)鍵生育期不同灌溉量對甜高粱糖分產(chǎn)量的影響

對不同調(diào)虧灌溉方式下甜高粱的可溶性糖含量研究得出(圖3A)，T2處理下甜高粱莖稈和葉片中可溶性糖含量均最高，分別為525.59 g·kg-1和63.72 g·kg-1。與對照相比，T1處理下莖稈和葉片中的可溶性糖含量分別提高了15.90%和8.19%，T2處理下分別提高了31.27%和12.91%。差異性分析表明，三種處理之間甜高粱的莖稈和葉片中可溶性糖含量均存在顯著差異(P<0.05)。

通過計算得出，T2處理下甜高粱的糖分產(chǎn)量也最高(圖3B)，為12.47 t·hm-2，其莖稈糖分產(chǎn)量占總的糖分產(chǎn)量的97.99%；糖分產(chǎn)量最低的為對照，為8.29 t·hm-2，莖稈糖分產(chǎn)量占總的糖分產(chǎn)量的百分比為97.23%。差異性分析表明，T1、T2處理下甜高粱糖分產(chǎn)量均顯著高于對照(P<0.05)。

注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。 Note: Different letters indicate significant differnce (P<0.05), the same below.圖2 不同灌溉處理下甜高粱的株高和莖粗Fig.2 Plant height and stem diameter of sweet sorghum under regulated deficit irrigation

2.5 關(guān)鍵生育期不同灌溉量對甜高粱乙醇產(chǎn)量的影響

對不同調(diào)虧灌溉方式下甜高粱的乙醇生產(chǎn)力研究得出(圖4)， T2處理下甜高粱的乙醇產(chǎn)量也最高，為6 842.47 L· hm-2，比對照提高了50.41%；T1處理下乙醇產(chǎn)量比對照提高了26.73%；差異性分析表明，三種處理間甜高粱的乙醇產(chǎn)量存在顯著差異(P<0.05)。

表2 不同灌溉處理下甜高粱的地上生物產(chǎn)量/(t·hm-2)

圖3 不同灌溉處理下甜高粱的可溶性糖和糖分產(chǎn)量Fig.3 Total soluble sugar content and total sugar yield in the stems and leaves of sweet sorghum under regulated deficit irrigation

圖4 不同灌溉處理下甜高粱的乙醇生產(chǎn)力Fig.4 Changes in calculated ethanol yields from sugar of sweet sorghum under regulated deficit irrigation

圖5 不同灌溉處理下甜高粱的水分利用效率Fig.5 Changes in water use efficiency of sweet sorghum under regulated deficit irrigation

2.6 關(guān)鍵生育期不同灌溉量對甜高粱水分利用效率的影響

對不同調(diào)虧灌溉處理下甜高粱的水分利用效率計算得出(圖5)，T2處理下甜高粱的水分利用效率最高，為40.7 kg·m-3，對照的水分利用效率最低，為36.1 kg·m-3。與對照相比，T1和T2處理下甜高粱的水分利用效率分別提高了9.42%和12.74%。差異性分析表明，T1和T2處理下甜高粱的水分利用效率均顯著高于對照(P<0.05)。

3 討 論

植物在生長過程中受到干旱脅迫時，其體內(nèi)生理代謝會發(fā)生變化，導(dǎo)致生長狀況也隨之變化[20]。Cui等[21]研究得出，萌芽～葉片展開期和開花～坐果期，重度與適度的水分虧缺均使得新枝長度、新枝直徑和花穗長顯著降低；房玉林等[22]研究得出，水分虧缺有效抑制了釀酒葡萄副梢的發(fā)生和枝條生長量(冬季修剪量)也明顯受到抑制。綦偉等[23]研究表明，適度干旱脅迫可以減少地上部營養(yǎng)器官的生長，提高葡萄的根冠比；嚴(yán)重干旱脅迫時葡萄新稍的生長受到了顯著抑制，可見，在生育初期，適度的水分虧缺可以降低植物的營養(yǎng)生長。而在本研究中，在甜高粱的拔節(jié)期～孕穗期，增加灌溉量使得作物的株高和莖粗有所增加，且莖粗顯著增加，這說明在拔節(jié)期～孕穗期這一階段，增加灌水量有利于促進甜高粱的營養(yǎng)生長。

生育早期輕微的水分虧缺可以提高作物生育后期的抗旱能力，進而保持[24]或者甚至提高作物產(chǎn)量[25]。山侖等[26]研究也得出，一定生育階段, 一定程度的水分虧缺可使禾谷類作物在節(jié)約大量用水的同時獲得較高產(chǎn)量。然而，生殖生長階段水分虧缺卻顯著降低了植物的產(chǎn)量[25，27]。雖然眾多研究得出適時適度的水分虧缺可以增加產(chǎn)量，但是水分虧缺在生產(chǎn)中有一定風(fēng)險性, 某些作物在某些生育時期輕度水分虧缺也可造成大幅度減產(chǎn)，如曾愛國[28]對玉米研究得出，隨著灌水量降低，全膜壟作溝灌下玉米的產(chǎn)量顯著降低，但土壤含水量在灌漿期的差異性卻不顯著，認為5 175 m3·hm-2可以作為石羊河流域全膜壟作溝灌條件下的適宜灌溉量，但灌漿中后期的最后一次灌水應(yīng)考慮適當(dāng)降低灌水量。因此確定作物適宜水分虧度是正確實施調(diào)虧灌溉的關(guān)鍵因素之一。本研究得出，在總的灌水量不變的情況下，拔節(jié)～孕穗期增加灌水量，開花～成熟期降低灌水量的處理顯著提高了甜高粱的生物產(chǎn)量，這主要是因為拔節(jié)期是甜高粱營養(yǎng)生長的主要時期，該時期增加灌水量有利于甜高粱莖稈的快速生長，從而使得生物產(chǎn)量提高。

水分虧缺對各項品質(zhì)指標(biāo)的影響是調(diào)虧程度和調(diào)虧歷時綜合作用的結(jié)果[29]，而且會隨著作物種類和品質(zhì)性狀的不同而不同。部分根區(qū)水分虧缺可以增加加工番茄的固形物含量，進而提高它的食用性[30]；馬鈴薯塊莖生長后期至成熟期的調(diào)虧灌溉處理顯著提高了適銷塊莖類的比例[31]；Erdem等[32]在對大田西瓜進行調(diào)虧灌溉試驗中得出，適宜水分虧缺可提高果實可溶性固形物含量和糖含量，減小瓜皮厚度。然而，調(diào)虧灌溉處理下油菜的種子含油量顯著降低[33]；Kirda等[34]研究得出調(diào)虧灌溉顯著減小了番茄果實的大小?？梢?，調(diào)虧灌溉有時可以提高作物品質(zhì)，有時又會對品質(zhì)產(chǎn)生相反的影響。本研究得出，在總的灌水量不變的情況下，拔節(jié)期增加灌水量，開花期降低灌水量的調(diào)虧處理對甜高粱莖稈和葉片中糖分積累具有顯著效果，這可能是因為自開花期開始，甜高粱由營養(yǎng)生長開始轉(zhuǎn)入生殖生長，植株體內(nèi)糖分開始迅速積累，這一時段適當(dāng)?shù)乃痔澣备欣谔鸶吡恢仓晏欠值姆e累。

4 結(jié) 論

與各生育時期灌溉量相同的處理相比，在關(guān)鍵生育時期不同灌水量條件下，甜高粱的莖粗顯著增大，莖稈和地上生物產(chǎn)量顯著提高，且顯著提高了甜高粱的糖分以及水分利用效率。得出拔節(jié)期每次灌水1 050 m3·hm-2和開花期每次灌水450 m3·hm-2的處理，達到了在總灌水量不變的情況下增產(chǎn)、提高水分利用效率、改善品質(zhì)的綜合效應(yīng)。