调亏灌溉下滴灌甜菜源库器官的响应特征

刘宁宁,唐利华,李阳阳,费聪,李宗飞,张丽娟,樊华

(石河子大学农学院,新疆 石河子 832003)

甜菜是我国重要的糖料作物之一,由甜菜生产出的甜菜糖占我国食糖产量的10%～20%。新疆充分利用资源和区位优势,虽然甜菜生产规模和种植效率不断提升,但是受水资源制约,干旱依然是限制该区甜菜产业发展的核心问题之一[1]。孟兆江等研究表明应用调亏灌溉可以控制小麦、夏玉米和棉花营养器官的生长,进而影响根冠比、光合速率和蒸腾速率,最终调配光合产物在营养器官和生殖器官之间的分配比例[2]。随着水分胁迫程度的增加,光合速率、蒸腾速率和叶面积下降,叶片厚度增加,充分供水后叶面积增大[3-4]。安玉艳等研究表明,杠柳受到干旱胁迫后干物质优先分配至根部供其生长[5]。在生育前期进行调亏灌溉可抑制香梨营养生长同时提高产量,生育后期进行调亏灌溉香梨品质不变但产量降低[6]。甜菜全生育期土壤含水率控制在田间持水量的60%时可获得最高产量及产糖量[7];甜菜叶丛期、块根膨大期、糖分积累期的土壤含水量分别为田间持水量的70%、85%、55%时水分利用效率最大[8];另有研究表明滴灌甜菜叶丛期、块根膨大期和糖分积累期最佳控水下限分别为田间持水量的50%、50%、30%[9-11]。

综上所述,前人关于调亏灌溉的研究多集中在水分处理期间作物农艺性状、产量品质以及水分阈值范围等,有关调亏灌溉结束后作物源库器官适应性变化方面的研究不多。为此,本试验通过分析叶丛期调亏灌溉期间以及正常供水后甜菜地上和地下部分干物质消长动态,明确甜菜源库器官对叶丛期调亏灌溉的适应性响应特征,为干旱区滴灌甜菜高产精准灌溉提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018—2019年在新疆石河子大学农学实验站(45°19′ N,86°03′ E)进行。该地海拔450.8 m,年平均气温7.5～8.2 ℃,日照时数2 318～2 732 h,无霜期147～191 d,年降雨量180～270 mm,年蒸发量1 000～1 500 mm,属典型的温带大陆性气候。试验区土壤为灌溉灰漠土,质地为重壤。

1.2 试验设计

试验于4—10月进行。供试品种为Beta 356。在甜菜叶丛期(移苗后40～70 d)设置对照T1(70%FC)、中度亏缺T2(50% FC) 和重度亏缺T3(30%FC) 3 种土壤水分下限。每天使用称重法监测土壤水分,当水分降至设定田间持水量下限时于当日北京时间20:00—22:00补充至饱和含水量,下雨前加盖防雨棚。为保证甜菜的成活率及均匀性,试验采用纸筒育苗移栽法。2018年4月底和2019年5月中旬育苗,出苗水灌溉量无差异,当甜菜生长至1对真叶时移苗(2018年5月中旬、2019年5月中下旬),移苗后灌等量缓苗水,移苗后40 d进行水分处理至70 d结束,水分处理结束后各处理按对照供水,即当土壤水分降至70%田间持水量时灌至饱和含水量,此过程重复进行直至收获。本试验所需补充灌量的计算方法参照以下公式[12]:

式(1)中W为灌水量(g),γ为土壤体积质量(g/cm3),H为计划湿润层(40 cm),A为桶的表面积(cm2);Ws为设计灌水上限(%),W0为各处理灌水下限(%),灌水量误差±5%。

结合本试验数据及前人试验经验,作物增长量占每日水分蒸散量的百分比极小,因此可忽略不计[13]。

甜菜全生育期中,各处理除土壤水分控制不同外,其余管理措施一致。采用桶栽法,单桶单株种植,桶高60 cm,直径40 cm,下部设5 cm砂石滤层,采用过筛壤土,装桶前按N 225 kg/hm2、P2O5345 kg/hm2、K2O 210 kg/hm2将肥料均匀混入0～20 cm土层中。桶内土壤平均容重1.38 g/cm3,饱和含水量26.5%,田间持水率16.5%。

1.3 测定项目与方法

于每个生育阶段最后一次灌水后第2天,使用Li-6400 (Li-Cor Inc.Lincolin USA) 便携式光合仪测定由内而外面积最大功能叶的光合速率,CO2浓度和光合有效辐射强度(PAR)分别控制在400 μmol/mol和1 800 μmol/(m2·s)。同时破坏性取样,称取各器官鲜重后,利用Li-3100(Li-Cor inc.Lincoln.Nebraska USA)叶面积仪测定甜菜叶面积,用量筒排水法测量块根体积,用游标卡尺测量根长和根宽,其中根长指从最下部叶痕到根尾的距离,根宽指块根最大直径。最后将甜菜各器官置于烘箱105 ℃杀青30 min后80 ℃烘干至恒重。收获期测定甜菜块根重量,利用锤度计测定块根可溶性固形物含量乘以0.83得到块根含糖率。以上指标2018年各处理重复3次,2019年重复5次。

1.4 数据处理

采用SPSS12.0 软件统计分析,单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较组间的差异(P＜0.05),以及Origin作图。

2 结果与分析

2.1 调亏灌溉对滴灌甜菜源器官的影响

结果(图1)显示:叶丛期调亏灌溉条件下,各处理甜菜比叶面积和单叶光合速率均随调亏程度的增加而降低,且在处理间差异显著。正常供水后,比叶面积在块根膨大期表现为T2显著低于其它处理,至糖分积累期T1显著低于其它处理;处理间的单叶光合速率无显著差异。

图1 滴灌甜菜各处理比叶面积及单叶光合速率

由结果(表1)可知:随着生育进程的推进,甜菜总叶片数和单叶面积表现为不断增加的趋势,出叶速率和叶面积增长速率先升高后降低在块根膨大期达到最大,叶片衰老速率先降低后升高在块根膨大期达到最低。叶丛期调亏灌溉显著影响该时期甜菜绿叶与黄叶数量占总叶数百分比和单叶面积,其中绿叶数量占总叶数百分比随调亏程度的增加而降低,黄叶数量占总叶数百分比随调亏程度的增加而升高。与T1处理相比,叶丛期T2处理的出叶速率和叶片衰老速率降低但不显著,正常供水后块根膨大期T2、T3出叶速率增加但不显著。表明甜菜叶丛期调亏灌溉降低该时期绿叶数量和单叶面积,增加该时期黄叶数量,正常供水后叶片生长指标逐渐恢复,其中总叶片数在糖分积累期达到最大,叶面积在块根膨大期达到最大。

表1 叶丛期调亏灌溉对滴灌甜菜叶片生长的影响

2.2 调亏灌溉对滴灌甜菜块根农艺性状的影响

由结果(表2)可知:随着生育进程的推进,甜菜库器官除维管束环数基本保持不变外,其余指标均呈现逐渐增加的趋势。块根体积随叶丛期水分亏缺程度的增加显著降低。正常供水后,各处理块根农艺性状均呈现不断增长的趋势,至糖分积累期处理间的块根体积无显著差异,但T3处理的块根干重和根宽显著低于其它处理。表明叶丛期调亏灌溉对甜菜块根体积和块根干重影响较大,中度调亏(T2)不降低甜菜块根体积和块根干物质积累。

表2 叶丛期调亏灌溉对滴灌甜菜块根农艺性状的影响

2.3 调亏灌溉对滴灌甜菜产量和含糖率的影响

产量数据分析结果(表3)表明:调亏灌溉对滴灌甜菜块根干重和含糖率影响显著。T2处理块根干重显著高出其它处理(分别比T1和T3处理提高了10.58%和41.15%)。块根含糖率随叶丛期水分亏缺程度的增加而升高,其中T3处理的块根含糖率分别比T1和T2处理提高了14.56%和12.04%。

表3 叶丛期调亏灌溉对滴灌甜菜产量性状的影响

2.4 调亏灌溉下滴灌甜菜农艺性状与块根干重的相关关系

结果(图2)显示:叶丛期除黄叶数、叶柄干重、块根长和含糖率外,地上地下部各指标均与块根干重显著正相关。块根膨大期除叶鲜重外,各指标均与块根干重显著正相关。糖分积累期,绿叶数、根长、根宽与块根干重显著正相关。

图2 不同生育时期甜菜农艺性状与块根干重的相关性

上述结果表明:生育前期(叶丛期、块根膨大期)源库共同调控甜菜块根干物质积累,糖分积累期在黄叶数量减少的情况下保持适量绿叶有利于块根体积进一步扩大,增加块根干重。

图3显示:T1和T2处理的块根含糖率与块根干重呈负相关关系,除此之外,各处理甜菜农艺性状均与块根干重显著正相关。表明常规灌水条件下绿叶数量对块根干重的影响大于叶面积和叶柄干重,叶丛期调亏灌溉后则表现为叶面积和叶柄干重对块根干重的影响大于绿叶数量。

图3 各处理甜菜农艺性状与块根干重的相关性

3 讨论

(1)调亏灌溉首先影响甜菜叶面积大小和叶片数量等地上部分的生长,其次影响块根体积和同化物在块根中的积累量。正常供水后甜菜冠层生长逐渐恢复,其产生的同化物向地下运转的过程中,优先扩充库容其次向库中补充同化物,这与前人有关氮素对甜菜块根生长影响的研究结果一致[14]。此外,调亏灌溉条件下各处理块根维管束环数基本稳定在6环,这可能与甜菜维管束环数主要受遗传因素的影响有关[15],HOFFMANN C M[15]、MILFORD G F J等[16]和SCHNEPEL K等[17]也证实种植密度和播期不影响甜菜维管束环数。

(2)叶丛期调亏灌溉显著影响该时期甜菜叶片光合速率、叶片数量以及叶面积,但对块根干重无显著影响,表明单叶光合速率对水分灵敏度高,能较快反映滴灌甜菜叶片生理状况,这与前人得到的缺水对叶片光合参数和根系干重影响的结果相似[18-20]。块根膨大期正常供水后,叶丛期中度和重度调亏灌溉处理的单叶光合速率均能快速恢复,但各处理甜菜优先生长的部位不同。

(3)与对照相比,中度调亏灌溉处理在保证块根干重的基础上促进根系伸长,块根干重至糖分积累期达到最大,表现为复水后的超补偿效应[21],这与李叶蓓等[21]研究结果一致。表明甜菜叶丛期土壤含水量保持在田间持水量的50%时能够达到节水的效果。

(4)重度调亏灌溉处理地上部产生大量绿叶的同时块根体积和块根干重增长受限,随着新生叶丛的建成其产生的同化物首先促进根系伸长,但由于受外界气候条件的影响,新生叶丛对块根干重的提高作用有限,至糖分积累期重度调亏灌溉处理的块根干重仍显著低于其它处理。表明叶丛期过度干旱会严重降低甜菜生长速率,降低甜菜块根干重。

4 结论

(1)与对照相比,叶丛期中度调亏灌溉在适当控制叶片数量的同时促进生长中心向地下转移,有利于同化物向块根运转提高产量。

(2)叶丛期重度调亏灌溉同时限制了源的光合活力和库的建成,影响块根干重。

(3)在滴灌甜菜叶丛期进行田间持水量50%为下限的调亏灌溉,可有效避免甜菜地上部徒长,达到节水增产的目的。