調(diào)虧灌溉下滴灌甜菜源庫器官的響應(yīng)特征

劉寧寧,唐利華,李陽陽,費聰,李宗飛,張麗娟,樊華

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆 石河子 832003)

甜菜是我國重要的糖料作物之一,由甜菜生產(chǎn)出的甜菜糖占我國食糖產(chǎn)量的10%～20%。新疆充分利用資源和區(qū)位優(yōu)勢,雖然甜菜生產(chǎn)規(guī)模和種植效率不斷提升,但是受水資源制約,干旱依然是限制該區(qū)甜菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心問題之一[1]。孟兆江等研究表明應(yīng)用調(diào)虧灌溉可以控制小麥、夏玉米和棉花營養(yǎng)器官的生長,進(jìn)而影響根冠比、光合速率和蒸騰速率,最終調(diào)配光合產(chǎn)物在營養(yǎng)器官和生殖器官之間的分配比例[2]。隨著水分脅迫程度的增加,光合速率、蒸騰速率和葉面積下降,葉片厚度增加,充分供水后葉面積增大[3-4]。安玉艷等研究表明,杠柳受到干旱脅迫后干物質(zhì)優(yōu)先分配至根部供其生長[5]。在生育前期進(jìn)行調(diào)虧灌溉可抑制香梨營養(yǎng)生長同時提高產(chǎn)量,生育后期進(jìn)行調(diào)虧灌溉香梨品質(zhì)不變但產(chǎn)量降低[6]。甜菜全生育期土壤含水率控制在田間持水量的60%時可獲得最高產(chǎn)量及產(chǎn)糖量[7];甜菜葉叢期、塊根膨大期、糖分積累期的土壤含水量分別為田間持水量的70%、85%、55%時水分利用效率最大[8];另有研究表明滴灌甜菜葉叢期、塊根膨大期和糖分積累期最佳控水下限分別為田間持水量的50%、50%、30%[9-11]。

綜上所述,前人關(guān)于調(diào)虧灌溉的研究多集中在水分處理期間作物農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)以及水分閾值范圍等,有關(guān)調(diào)虧灌溉結(jié)束后作物源庫器官適應(yīng)性變化方面的研究不多。為此,本試驗通過分析葉叢期調(diào)虧灌溉期間以及正常供水后甜菜地上和地下部分干物質(zhì)消長動態(tài),明確甜菜源庫器官對葉叢期調(diào)虧灌溉的適應(yīng)性響應(yīng)特征,為干旱區(qū)滴灌甜菜高產(chǎn)精準(zhǔn)灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018—2019年在新疆石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)實驗站(45°19′ N,86°03′ E)進(jìn)行。該地海拔450.8 m,年平均氣溫7.5～8.2 ℃,日照時數(shù)2 318～2 732 h,無霜期147～191 d,年降雨量180～270 mm,年蒸發(fā)量1 000～1 500 mm,屬典型的溫帶大陸性氣候。試驗區(qū)土壤為灌溉灰漠土,質(zhì)地為重壤。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于4—10月進(jìn)行。供試品種為Beta 356。在甜菜葉叢期(移苗后40～70 d)設(shè)置對照T1(70%FC)、中度虧缺T2(50% FC) 和重度虧缺T3(30%FC) 3 種土壤水分下限。每天使用稱重法監(jiān)測土壤水分,當(dāng)水分降至設(shè)定田間持水量下限時于當(dāng)日北京時間20:00—22:00補充至飽和含水量,下雨前加蓋防雨棚。為保證甜菜的成活率及均勻性,試驗采用紙筒育苗移栽法。2018年4月底和2019年5月中旬育苗,出苗水灌溉量無差異,當(dāng)甜菜生長至1對真葉時移苗(2018年5月中旬、2019年5月中下旬),移苗后灌等量緩苗水,移苗后40 d進(jìn)行水分處理至70 d結(jié)束,水分處理結(jié)束后各處理按對照供水,即當(dāng)土壤水分降至70%田間持水量時灌至飽和含水量,此過程重復(fù)進(jìn)行直至收獲。本試驗所需補充灌量的計算方法參照以下公式[12]:

式(1)中W為灌水量(g),γ為土壤體積質(zhì)量(g/cm3),H為計劃濕潤層(40 cm),A為桶的表面積(cm2);Ws為設(shè)計灌水上限(%),W0為各處理灌水下限(%),灌水量誤差±5%。

結(jié)合本試驗數(shù)據(jù)及前人試驗經(jīng)驗,作物增長量占每日水分蒸散量的百分比極小,因此可忽略不計[13]。

甜菜全生育期中,各處理除土壤水分控制不同外,其余管理措施一致。采用桶栽法,單桶單株種植,桶高60 cm,直徑40 cm,下部設(shè)5 cm砂石濾層,采用過篩壤土,裝桶前按N 225 kg/hm2、P2O5345 kg/hm2、K2O 210 kg/hm2將肥料均勻混入0～20 cm土層中。桶內(nèi)土壤平均容重1.38 g/cm3,飽和含水量26.5%,田間持水率16.5%。

1.3 測定項目與方法

于每個生育階段最后一次灌水后第2天,使用Li-6400 (Li-Cor Inc.Lincolin USA) 便攜式光合儀測定由內(nèi)而外面積最大功能葉的光合速率,CO2濃度和光合有效輻射強度(PAR)分別控制在400 μmol/mol和1 800 μmol/(m2·s)。同時破壞性取樣,稱取各器官鮮重后,利用Li-3100(Li-Cor inc.Lincoln.Nebraska USA)葉面積儀測定甜菜葉面積,用量筒排水法測量塊根體積,用游標(biāo)卡尺測量根長和根寬,其中根長指從最下部葉痕到根尾的距離,根寬指塊根最大直徑。最后將甜菜各器官置于烘箱105 ℃殺青30 min后80 ℃烘干至恒重。收獲期測定甜菜塊根重量,利用錘度計測定塊根可溶性固形物含量乘以0.83得到塊根含糖率。以上指標(biāo)2018年各處理重復(fù)3次,2019年重復(fù)5次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS12.0 軟件統(tǒng)計分析,單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較組間的差異(P＜0.05),以及Origin作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)虧灌溉對滴灌甜菜源器官的影響

結(jié)果(圖1)顯示:葉叢期調(diào)虧灌溉條件下,各處理甜菜比葉面積和單葉光合速率均隨調(diào)虧程度的增加而降低,且在處理間差異顯著。正常供水后,比葉面積在塊根膨大期表現(xiàn)為T2顯著低于其它處理,至糖分積累期T1顯著低于其它處理;處理間的單葉光合速率無顯著差異。

圖1 滴灌甜菜各處理比葉面積及單葉光合速率

由結(jié)果(表1)可知:隨著生育進(jìn)程的推進(jìn),甜菜總?cè)~片數(shù)和單葉面積表現(xiàn)為不斷增加的趨勢,出葉速率和葉面積增長速率先升高后降低在塊根膨大期達(dá)到最大,葉片衰老速率先降低后升高在塊根膨大期達(dá)到最低。葉叢期調(diào)虧灌溉顯著影響該時期甜菜綠葉與黃葉數(shù)量占總?cè)~數(shù)百分比和單葉面積,其中綠葉數(shù)量占總?cè)~數(shù)百分比隨調(diào)虧程度的增加而降低,黃葉數(shù)量占總?cè)~數(shù)百分比隨調(diào)虧程度的增加而升高。與T1處理相比,葉叢期T2處理的出葉速率和葉片衰老速率降低但不顯著,正常供水后塊根膨大期T2、T3出葉速率增加但不顯著。表明甜菜葉叢期調(diào)虧灌溉降低該時期綠葉數(shù)量和單葉面積,增加該時期黃葉數(shù)量,正常供水后葉片生長指標(biāo)逐漸恢復(fù),其中總?cè)~片數(shù)在糖分積累期達(dá)到最大,葉面積在塊根膨大期達(dá)到最大。

表1 葉叢期調(diào)虧灌溉對滴灌甜菜葉片生長的影響

2.2 調(diào)虧灌溉對滴灌甜菜塊根農(nóng)藝性狀的影響

由結(jié)果(表2)可知:隨著生育進(jìn)程的推進(jìn),甜菜庫器官除維管束環(huán)數(shù)基本保持不變外,其余指標(biāo)均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。塊根體積隨葉叢期水分虧缺程度的增加顯著降低。正常供水后,各處理塊根農(nóng)藝性狀均呈現(xiàn)不斷增長的趨勢,至糖分積累期處理間的塊根體積無顯著差異,但T3處理的塊根干重和根寬顯著低于其它處理。表明葉叢期調(diào)虧灌溉對甜菜塊根體積和塊根干重影響較大,中度調(diào)虧(T2)不降低甜菜塊根體積和塊根干物質(zhì)積累。

表2 葉叢期調(diào)虧灌溉對滴灌甜菜塊根農(nóng)藝性狀的影響

2.3 調(diào)虧灌溉對滴灌甜菜產(chǎn)量和含糖率的影響

產(chǎn)量數(shù)據(jù)分析結(jié)果(表3)表明:調(diào)虧灌溉對滴灌甜菜塊根干重和含糖率影響顯著。T2處理塊根干重顯著高出其它處理(分別比T1和T3處理提高了10.58%和41.15%)。塊根含糖率隨葉叢期水分虧缺程度的增加而升高,其中T3處理的塊根含糖率分別比T1和T2處理提高了14.56%和12.04%。

表3 葉叢期調(diào)虧灌溉對滴灌甜菜產(chǎn)量性狀的影響

2.4 調(diào)虧灌溉下滴灌甜菜農(nóng)藝性狀與塊根干重的相關(guān)關(guān)系

結(jié)果(圖2)顯示:葉叢期除黃葉數(shù)、葉柄干重、塊根長和含糖率外,地上地下部各指標(biāo)均與塊根干重顯著正相關(guān)。塊根膨大期除葉鮮重外,各指標(biāo)均與塊根干重顯著正相關(guān)。糖分積累期,綠葉數(shù)、根長、根寬與塊根干重顯著正相關(guān)。

圖2 不同生育時期甜菜農(nóng)藝性狀與塊根干重的相關(guān)性

上述結(jié)果表明:生育前期(葉叢期、塊根膨大期)源庫共同調(diào)控甜菜塊根干物質(zhì)積累,糖分積累期在黃葉數(shù)量減少的情況下保持適量綠葉有利于塊根體積進(jìn)一步擴大,增加塊根干重。

圖3顯示:T1和T2處理的塊根含糖率與塊根干重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,除此之外,各處理甜菜農(nóng)藝性狀均與塊根干重顯著正相關(guān)。表明常規(guī)灌水條件下綠葉數(shù)量對塊根干重的影響大于葉面積和葉柄干重,葉叢期調(diào)虧灌溉后則表現(xiàn)為葉面積和葉柄干重對塊根干重的影響大于綠葉數(shù)量。

圖3 各處理甜菜農(nóng)藝性狀與塊根干重的相關(guān)性

3 討論

(1)調(diào)虧灌溉首先影響甜菜葉面積大小和葉片數(shù)量等地上部分的生長,其次影響塊根體積和同化物在塊根中的積累量。正常供水后甜菜冠層生長逐漸恢復(fù),其產(chǎn)生的同化物向地下運轉(zhuǎn)的過程中,優(yōu)先擴充庫容其次向庫中補充同化物,這與前人有關(guān)氮素對甜菜塊根生長影響的研究結(jié)果一致[14]。此外,調(diào)虧灌溉條件下各處理塊根維管束環(huán)數(shù)基本穩(wěn)定在6環(huán),這可能與甜菜維管束環(huán)數(shù)主要受遺傳因素的影響有關(guān)[15],HOFFMANN C M[15]、MILFORD G F J等[16]和SCHNEPEL K等[17]也證實種植密度和播期不影響甜菜維管束環(huán)數(shù)。

(2)葉叢期調(diào)虧灌溉顯著影響該時期甜菜葉片光合速率、葉片數(shù)量以及葉面積,但對塊根干重?zé)o顯著影響,表明單葉光合速率對水分靈敏度高,能較快反映滴灌甜菜葉片生理狀況,這與前人得到的缺水對葉片光合參數(shù)和根系干重影響的結(jié)果相似[18-20]。塊根膨大期正常供水后,葉叢期中度和重度調(diào)虧灌溉處理的單葉光合速率均能快速恢復(fù),但各處理甜菜優(yōu)先生長的部位不同。

(3)與對照相比,中度調(diào)虧灌溉處理在保證塊根干重的基礎(chǔ)上促進(jìn)根系伸長,塊根干重至糖分積累期達(dá)到最大,表現(xiàn)為復(fù)水后的超補償效應(yīng)[21],這與李葉蓓等[21]研究結(jié)果一致。表明甜菜葉叢期土壤含水量保持在田間持水量的50%時能夠達(dá)到節(jié)水的效果。

(4)重度調(diào)虧灌溉處理地上部產(chǎn)生大量綠葉的同時塊根體積和塊根干重增長受限,隨著新生葉叢的建成其產(chǎn)生的同化物首先促進(jìn)根系伸長,但由于受外界氣候條件的影響,新生葉叢對塊根干重的提高作用有限,至糖分積累期重度調(diào)虧灌溉處理的塊根干重仍顯著低于其它處理。表明葉叢期過度干旱會嚴(yán)重降低甜菜生長速率,降低甜菜塊根干重。

4 結(jié)論

(1)與對照相比,葉叢期中度調(diào)虧灌溉在適當(dāng)控制葉片數(shù)量的同時促進(jìn)生長中心向地下轉(zhuǎn)移,有利于同化物向塊根運轉(zhuǎn)提高產(chǎn)量。

(2)葉叢期重度調(diào)虧灌溉同時限制了源的光合活力和庫的建成,影響塊根干重。

(3)在滴灌甜菜葉叢期進(jìn)行田間持水量50%為下限的調(diào)虧灌溉,可有效避免甜菜地上部徒長,達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。