基于土壤墑情變化的甘蔗關鍵生長期根系吸水動態(tài)和缺水脅迫診斷研究

莫 凡，黃忠華，羅維鋼，農夢玲

(1. 南寧市灌溉試驗站，廣西 南寧 530001；2. 廣西大學農學院，廣西 南寧 530005)

【研究意義】甘蔗屬于需水量較大的長周期作物，從蔗苗萌發(fā)開始主要通過根系從土壤中汲取水分以滿足植株生長的需求。土壤含水量不足將抑制甘蔗根系對水分的吸收，導致葉片失水，產生干旱脅迫，進而影響蔗莖產量。因此，掌握土壤墑情的實時變化是進行干旱預測和提高農業(yè)用水效率的基礎，開展蔗區(qū)墑情研究工作，監(jiān)測土壤水分狀況，及時追蹤根系吸水活動，有助于快速、準確判斷干旱發(fā)生過程及旱害程度，為制定防旱決策和科學灌溉提供依據?！厩叭搜芯窟M展】土壤墑情對當地氣候變化和農業(yè)旱情具有重要的指示作用[1]，在已有的研究中，尹正杰等[2]、陳小鳳等[3]及張曉月等[4]利用土壤墑情建立農業(yè)干旱預測模型，實踐表明各模型對當地作物旱情評估準確，所得結果與實際情況基本相符；林阿典等[5]以土壤含水量、濕潤層深度和土質類型構建蔗田墑情評價指標體系，用于指導甘蔗各生育階段的灌溉排水工作，經過田間試驗后發(fā)現相關指標參數均得到準確驗證，說明所建體系科學合理，可以作為蔗區(qū)精準灌溉的依據；房穩(wěn)靜等[6]則基于土壤墑情劃分不同程度的干旱標準，并以此詳細研究河南省冬小麥的干旱特征和旱災分布趨勢；張云等[7]也開展類似研究，根據2008-2012年云南省水文水資源局23個土壤監(jiān)測站的墑情和降雨資料，從時間和空間上分析全省的干旱形勢，為主管部門提供旱情區(qū)劃和時空演變信息。【本研究切入點】前人多聚焦于應用土壤墑情對農業(yè)干旱進行宏觀方面的分析、預測與評估，而通過實時監(jiān)測根際土壤墑情的變化，并據此直觀診斷甘蔗缺水脅迫的研究則鮮見報端。【擬解決的關鍵問題】通過在大棚甘蔗試區(qū)安裝“智墑”水分測定儀，實時監(jiān)測苗期、分蘗期、伸長期主要根區(qū)的土壤墑情變化，追蹤根系每天的吸水動態(tài)，為直觀、準確的診斷甘蔗水分虧缺以及制定精準灌溉決策提供技術手段和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年3-12月在南寧市灌溉試驗站甘蔗種植大棚進行，棚高5.5 m，上方覆蓋避雨透光薄膜，大棚四周通透，除降雨外其他條件與自然環(huán)境相同。棚內供試土壤為典型的赤紅壤，質地為重粘土，容重1.37 g/cm3， pH 5.9，田間持水量32.4 %。下種后安裝貼片式滴灌帶，保證甘蔗水分供給。

1.2 試驗材料

以南寧市糖業(yè)股份有限公司武鳴香山糖廠提供的桂糖42號作為試驗品種，于2018年3月5號開溝種植，行距90 cm，下種量135 000芽/hm2。植前將蔗莖砍成雙芽段，品字形擺放在溝內，芽朝兩側，覆土后噴芽前除草劑，其余水、肥、藥等管理措施與大田栽培相同。

1.3 土壤墑情監(jiān)測

采用北京東方潤澤生態(tài)科技股份有限公司生產的“智墑”墑情儀監(jiān)測土壤水分，試驗前布置3個監(jiān)測點，均設在長勢相近的2株蔗苗中間位置，用配套的土鉆打孔至目標深度，先灌滿泥漿，然后將設備插入孔中，待設備與周圍土壤緊密結合后(2～3 d)開始測量?！爸菈劇庇商柲茈姵匕骞╇?，每隔60 min讀取10、20、30、40、50及60 cm深度的土壤含水量，并實時傳送至云服務器，通過手機或電腦可以直接查看和下載所得數據。

1.4 試驗項目及方法

(1)根系土壤剖面分布：分別在苗期、分蘗期和伸長期各選擇1個監(jiān)測點附近有代表性的植株，用根鉆采集以蔗蔸為中心、左右間隔10 cm、縱深間隔5～10 cm的不同層次土壤中的根系，沖洗干凈后測量根系長度，計算根長密度，制作根系土壤剖面分布圖。

(2)根系晝夜吸水動態(tài)：結合不同生長期甘蔗根系在土壤剖面的分布特征，挑選“智墑”資料庫中停止灌水后不同深度(苗期10 cm、分蘗期20 cm、伸長期30 cm)的土壤含水量數據，繪制連續(xù)4 d從上午8:00開始到翌日8:00的各關鍵生長期根系晝夜吸水曲線。

(3)根系水分虧缺診斷：利用“智墑”監(jiān)測苗期、分蘗期和伸長期在人為控制灌水的時間段內主根區(qū)土壤水分，當墑情曲線停止波動下降并趨于平緩時，可以判斷根系吸水受到抑制，甘蔗進入缺水脅迫狀態(tài)，并以此計算灌溉周期。

1.5 數據處理

用Microsoft Excel 2003辦公軟件制作數據圖表，用SigmaPlot 12.5繪制根系土壤剖面分布圖。

2 結果與分析

2.1 甘蔗關鍵生長期根系土壤剖面分布

從圖1可以直觀的發(fā)現，各關鍵生長期甘蔗根系大體以蔗莖為中心往水平、垂直兩個方向擴展。苗期根系主要集中在縱深5～15 cm、蔗莖兩側5 cm的狹窄區(qū)域，其根長密度達到6～8 cm/cm3。離蔗莖越遠，根長密度越低。與苗期相比，分蘗期根系在土壤剖面的活動范圍明顯增大，主要根群聚集在蔗莖左右兩側10 cm、縱深15～25 cm的區(qū)域內，呈現出蝶形分布狀態(tài)。部分根系繼續(xù)向下深扎，其余則往水平方向延伸，不斷擴大吸肥吸水面積。進入伸長期后，甘蔗長大根，抽大葉，根系長勢旺盛，蝶狀密集區(qū)域擴張至縱深15～40 cm、蔗莖兩側20 cm的剖面上，根長密度高達8.2 cm/cm3。40 cm以下土壤為犁底層，質地比較堅硬，根系分布稀疏，根長密度僅為1～3 cm/cm3。

圖1 甘蔗關鍵生長期根長密度土壤剖面分布(cm/cm3)

圖2 甘蔗關鍵生長期根際土壤水分晝夜變化規(guī)律

圖3 甘蔗關鍵生長期不同深度土壤水分動態(tài)變化

2.2 甘蔗關鍵生長期根系吸水動態(tài)和缺水脅迫診斷

2.2.1 根系晝夜吸水規(guī)律 在無外源水分干擾的條件下，甘蔗苗期、分蘗期和伸長期主要吸水根區(qū)的土壤水分含量均表現出非常相似的晝夜變化規(guī)律。從上午8:00左右開始，土壤含水量隨著時間推移呈現出階梯狀的下降趨勢，傍晚18:00之后，水分曲線趨于平緩，說明根區(qū)土壤水分的消耗基本發(fā)生在白天，夜間微乎其微，可以忽略不計。土壤消耗水分主要用于棵間蒸發(fā)和葉面蒸騰，由于棵間蒸發(fā)主要是在5 cm以上的淺土層進行，10 cm以下土壤含水量的下降可推斷是根系在白天持續(xù)吸水以供給蔗葉蒸騰所致。入夜后蔗葉進入休眠狀態(tài)，氣孔關閉，蒸騰停止，因此夜間根際的土壤水分基本沒有損耗。

2.2.2 根系缺水脅迫診斷 通過土壤墑情系統(tǒng)實時監(jiān)測的水分數據，可以清晰反饋甘蔗各關鍵生長期根系每天的吸水變化及其扎根程度。在幼苗階段，10 cm深度的土壤含水量下降最為明顯，表明所處土層為根系的密集駐扎區(qū)域。同理可以推斷出，分蘗期和伸長期的主要根系分別下扎至20、30 cm的土層內并在其中大量吸收水分。結合圖1可以發(fā)現，甘蔗各關鍵生長期的主要吸水根區(qū)與同期根長密度的集中分布帶大體相符。隨著時間的推移，甘蔗各根際土層的含水量均表現出“下降-停止-下降-停止……”的周期性晝夜變化規(guī)律。當土壤水分曲線由階梯狀最終變平緩時，根系開始停止吸水，甘蔗出現水分虧缺。說明土壤含水量的不斷下降使根系從中吸收的水分逐漸無法滿足蔗葉蒸騰所需，于是葉片失水，氣孔關閉，反過來抑制根系活動，導致吸水停滯。因此在無外源水分補充的情況下，隨著主根區(qū)土壤含水量停止下跌并趨于穩(wěn)定，可以判斷此時甘蔗已經進入缺水脅迫狀態(tài)。同時，根據墑情曲線計算土壤含水量從開始下降至止跌所需的時間，就可以得出完整的灌水周期，據此算出苗期、分蘗期和伸長期的灌水周期大約為7、11和17 d。在灌水周期行將結束時進行灌溉，可以恰到好處地補充水分，從而避免干旱脅迫。

3 討 論

作物遭遇干旱脅迫，通常是由于土壤水分不足引起的。據此可以從根際土壤墑情方面入手，探討基于其變化特征的作物發(fā)生水分虧缺的診斷方法。傳統(tǒng)上科研工作者主要通過觀察葉片萎蔫癥狀來確定作物缺水脅迫的產生[8-12]，但此方法有其弊端和缺陷。根據作物受旱的生理和形態(tài)變化特點，先是根系供水不足，導致葉片蒸騰停止、氣孔關閉，然后才出現葉尖下垂、葉緣卷曲萎縮等凋萎現象[13]?？梢娙~片萎蔫是作物面對持續(xù)干旱脅迫而向外發(fā)出的危險信號，表明植株受到嚴重傷害，無法繼續(xù)抵御高溫惡劣的外界環(huán)境[14]，必須采取措施立刻灌水以緩解旱情。但由于傷害已經產生，此時灌溉并非恰到好處，反而存在較明顯的滯后。由此看來僅僅依靠葉片萎蔫來判斷作物虧水脅迫的方法容易出現人為主觀因素造成的偏差，并導致灌溉決策延誤，錯過最佳補救時機。因此很有必要尋找作物水分虧缺的臨界點，在植株凋萎之前及時灌水，以解除脅迫的危害。在前人研究基礎上，本研究組采用“智墑”水分測定儀實時監(jiān)測甘蔗各關鍵生長期根區(qū)土壤墑情，分析根系每天的吸水變化。在試驗過程中發(fā)現，當墑情曲線由階梯狀變平緩時，根系停止吸水，甘蔗剛好進入缺水脅迫狀態(tài)。結果表明，與傳統(tǒng)方法相比，利用土壤墑情的變化特征可以有效掌握作物根系的吸水動態(tài)，并準確找到干旱脅迫發(fā)生的臨界點，為實現精準灌溉提供定量信息。同時根據墑情變化曲線，計算從土壤水分含量下降開始到止跌所需的時間，便可以得到甘蔗各生長階段完整的灌水周期，進而調整蔗區(qū)的灌溉制度，實現科學合理的用水安排，避免因盲目灌溉造成的供水不足或浪費，最終達到節(jié)水灌溉的目的。目前，試驗是在大棚內進行，與實際田間生產相比仍有較大的差別，因此還需要在原有的基礎上繼續(xù)研究，完善相關測試，爭取為蔗區(qū)旱情預測和水分精準管理提供實用可靠的研究方法和技術手段。

4 結 論

基于根區(qū)土壤墑情的實時變化能夠有效反饋根系的吸水活動，并對甘蔗缺水脅迫的發(fā)生做出直觀準確的診斷。