水分脅迫條件下甘蔗莖直徑變化機理和監測方法

陳海波，李就好，余長洪(．華南農業大學工程基礎教學與訓練中心，廣州 5064；．華南農業大學水利與土木工程學院，廣州 5064)

0 引 言

作物莖稈直徑的變化分為兩種情況：一是隨著作物生長過程而變化的分量，它通常呈現不可逆增加的趨勢。二是由于水分狀況變化而引起的莖稈直徑變化分量，它的變化通常是可逆性的[1,2]。針對莖直徑微變化中這一可逆性分量的變化機理及變化規律，國內外許多學者開展了研究工作[3-6]。TURNER[7]等認為，莖稈的收縮是因為植株動用了韌皮部和外層木質部導管中的水分以滿足根系吸水能力與大氣蒸發失水之間的差距所致。MOIZ[8]等研究發現成熟的棉花植株木質部部像一個剛性材料，在經受1.0～1.5 MPa壓力時木質部發生的徑向彈性變化幾乎可以忽略不計。因此，在水分脅迫條件下莖稈發生的任何可測量的變化幾乎都可以歸因于韌皮部及相關組織內活細胞的失水。王曉森[9]等研究發現成熟番茄莖稈木質部是有直徑方向的收縮、恢復變化的，為總體莖變化的 15%左右。為了探明水分脅迫條件下甘蔗莖稈直徑的變化機理和監測方法，本文利用盆栽試驗的方法，對甘蔗莖變化過程中韌皮部與木質部所起的作用以及甘蔗不同節位莖直徑變化規律進行了研究，以期為基于莖直徑變化指標指導甘蔗灌溉提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況與試驗設計

盆栽試驗以新臺糖22號為研究對象，于2011年3至2012年1月在華南農業大學校區的塑料大棚內進行。供試土壤為磚紅壤土，取自雷州半島的廣東省國營幸福農場，1 m土層內耕層土壤容重1.28 g/cm3，田間持水率32.9%。 采用60 cm×60 cm×40 cm(長寬深)的聚氯乙烯箱進行盆栽，盆底部開有通氣孔，且在一側距箱口10、 20和30 cm處開有可供TRIME-P3探針插入測量土壤體積含水率的小孔，測量3處不同土壤的體積含水率，取其平均值作為該盆的土壤體積含水率。

根據甘蔗生長特點將其劃分為苗期、分蘗期、伸長期和成熟期4生育階段。在甘蔗伸長期和成熟期分別設置正常灌溉(CK)和重度干旱脅迫(S)2個不同程度的水分處理，共4個處理，每個處理重復4次，共16個小區。2個不同程度水分處理分別以田間持水率的70%～80%和40%～50%作為灌水上下限控制因素，計劃濕潤層為40 cm，當土壤水分下降至各處理下限時，則通過灌水定額公式計算所需的灌水量，用量杯測量進行灌溉以達到各處理水平。試驗小區隨機分布。

除水分不同外，其他管理水平完全一致。盆栽種植前將三元復合肥(氮、磷、鉀比例 N∶P2O5∶K2O=10∶10∶10)作為底肥，每盆32 g，與土壤拌勻，分層裝入塑料箱并適當壓實，與大田土壤容重基本一致，然后植入甘蔗種莖，每盆都放2個種芽，種莖在盆內豎向以一字形擺放，4盆1組形成1個株行距為0.3 m×0.6 m的小區。3月種植，在6月中下旬的分蘗期每盆追施5.4 g尿素和8.1 g氯化鉀。

1.2 觀測項目

(1)莖直徑變化：用PM-11植物生理生態系統(以色列B.F. Agritech公司)連續自動監測莖直徑變化，探頭安裝在距土面一定距離的長勢基本一致的甘蔗莖稈上，與DL2e型數據自動采集器相連接，每隔30 min自動測定一次莖直徑微變化(精度2 μm)。

莖直徑的周期性變化中，每日的莖直徑最(maximum stem diameter，MXSD)一般出現在早上，每日的莖直徑最小值(minimum stem diameter，MNSD)一般出現在中午或下午。二者的差值為MDS，用于反映莖稈一天中總的收縮幅度，mm。

DI反映莖稈直徑1 d中的生長幅度，為當日與前1 d的MXSD之差，mm。

(2)土壤含水率：土壤含水率采用TRIME-P3測量系統(德國，Imko公司)結合烘干法測定，隔1 d測1次。

2 結果與分析

2.1 甘蔗莖直徑變化內部機理

為了研究分析甘蔗莖變化過程中韌皮部與木質部所起的作用，設計了甘蔗莖稈韌皮部環切試驗，試驗開始于12月28日，此時甘蔗處于成熟期，土壤水分處理為75%左右的土壤相對含水量。甘蔗莖稈韌皮部環切處選在距地面15 cm處，切口寬度約2 cm，露出木質部，莖變化探頭直接安裝在甘蔗木質部上，另外在緊鄰切口的上端安裝另一莖變化探頭，以便比較同株甘蔗環切與不環切的莖變化結果的差異，試驗測定結果如圖1所示。

圖1 韌皮部環切對甘蔗莖變化的影響Fig.1 Effect of sugarcane phloem ring-cutting on its stem variation

結果表明，甘蔗莖稈木質部和韌皮部都是有直徑方向的收縮、膨脹變化的，但是木質部直徑方向的變化幅度比韌皮部分大，收縮要明顯的多；木質部開始收縮的時間和整體莖收縮的時間基本一致，而恢復到原有直徑水平要比整體莖恢復的時間遲2～3 h，這說明甘蔗莖收縮過程是由韌皮部及木質部收縮同步構成的，而莖恢復過程是不同步的，韌皮部恢復在先而木質部恢復在后，木質部補水恢復到原先厚度的時間較長。這與王曉森的溫室番茄莖稈韌皮部環切試驗結果不同，分析原因可能是甘蔗韌皮部比較緊而密實，它的結構與番茄的韌皮有很大的區別，甘蔗木質部由于沒有了這層保護層的約束，由水勢差而形成的“內聚力”對它作用時就會使它產生比較大的形變，即較大的收縮和膨脹。

2.2 甘蔗不同節位的莖直徑微變化特點

在應用莖直徑微變化監測與診斷甘蔗水分狀況的過程中，探頭安裝高度的不同會對監測結果產生很大的影響，為了分析探頭安裝高度對莖直徑微變化監測結果的影響，設計了盆栽甘蔗探頭安裝不同高度試驗，在莖稈上下節位各安裝1個探頭，其中上節位探頭距離地面約30 cm，而下節位探頭距離地面約15 cm。

選取12月13日至19日連續7天的監測結果進行分析，伸長期監測結果如圖2所示。由圖2可知對于伸長期的同一株甘蔗，上下節位RV曲線變化趨勢一致，在土壤供水充分的條件下，上下節位都保持快速生長地態勢，但下節位的莖變化幅度要明顯大于上節位的莖變化幅度；在低土壤水分條件下，上下節位保持著微弱的生長或生長基本停滯。充分灌溉條件下上下節位第6天的RV分別為1.689 mm和1.981 mm，上節位6個觀測日的莖直徑增長總量為下節位的70.2%，重旱處理條件下上下節位第6天的RV分別為1.233 mm和1.235 mm，上節位6個觀測日的莖直徑增長總量為下節位的99.1%，表明土壤水分越高上下節位莖直徑微變化的差異越大，反之土壤水分越低則這種差異就越小。不同節位莖變化的差異表明在伸長期內，甘蔗莖稈直徑的生長應該是自下而上的。

圖2 伸長期甘蔗不同節位RV曲線Fig.2 Relative variation at different node of sugarcane stem during elongation period

成熟期監測結果分別如圖3所示。

圖3 成熟期甘蔗不同節位RV曲線 Fig.3 Relative variation at different node of sugarcane stem during maturity period

從圖3可知，對于成熟期的同一株甘蔗來講，上節位的莖變化幅度要大于下節位的莖變化幅度，且土壤含水量越低這種差異越明顯。充分灌溉條件下上下節位第6天的RV分別為1.065 mm和1.013 mm，重旱處理條件下上下節位第6天的RV分別為1.046 mm和1.007 mm，表明在甘蔗成熟期上節位還保持著微弱的生長，而下節位則基本沒有生長。

3 結 語

(1)甘蔗莖直徑微變化內部機理的試驗結果表明，甘蔗莖稈木質部和韌皮部都有直徑方向的收縮、膨脹變化，但是木質部的直徑方向的變化幅度比韌皮部分大，收縮要明顯的多；甘蔗莖收縮過程是由韌皮部及木質部收縮同步構成的，而莖恢復過程則有可能是不同步的，韌皮部恢復在先而木質部恢復在后，木質部補水恢復到原先厚度的時間較長。

(2)對甘蔗不同節位莖直徑微變化的研究結果表明，在莖生長階段，甘蔗莖稈直徑的生長自下而上，在水分充足的條件下上下節位的莖直徑增長量保持較大的差異；在莖成熟階段，蔗莖下節位基本停止生長而上節位還保持著微弱的生長態勢。

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[1] 馮亦璽. 推廣節水灌溉技術，促進甘蔗糖業發展[J]. 廣西蔗糖，2008，(1)：20-23.

[2] 孟兆江，段愛旺，劉祖貴，等．根據植株莖直徑變化診斷作物水分狀況研究進展[J]．農業工程學報，2005，21(2)：30-33．

[3] 張寄陽，段愛旺，孟兆江，等. 不同水分狀況下棉花莖直徑變化規律研究[J]. 農業工程學報，2005，21(5)：7-11.

[4] 陳海波，李就好，余長洪，等. 甘蔗莖直徑變化規律研究[J]. 灌溉排水學報，2014，33(1)：61-64.

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[6] 陳海波，李就好，余長洪，等. 基于莖直徑變化的甘蔗水虧缺診斷指標確定[J]. 農業工程學報，2014，30(19)：115-121.

[7] Truner NC, Waggonner PE. Effect of changing stomata width in a red pine forest on soil water content, Leaf water potential, bole diameter, and growth[J]. Plant Physiology, 1968,43:973-978.

[8] Molz F J, Klepper B. On the mechanism of water-stress-induced stem deformation. Agronomy Journal, 1973,65(2):304-306.

[9] 王曉森，孟兆江，段愛旺，等. 基于莖直徑變化監測番茄水分狀況的機理與方法[J]. 農業工程學報，2010,26(12)：107-113.