滴灌量對北疆復播大豆耗水特性及干物質積累、轉運的影響

張永強, 張 娜, 李亞杰, 彭姜龍, 蘇麗麗, 徐文修

(新疆農業大學 農學院, 烏魯木齊 830052)

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滴灌量對北疆復播大豆耗水特性及干物質積累、轉運的影響

張永強, 張 娜, 李亞杰, 彭姜龍, 蘇麗麗, 徐文修

(新疆農業大學 農學院, 烏魯木齊 830052)

為北疆麥后復播大豆高產、節水栽培提供理論依據。在大田滴灌條件下，采用單因子隨機區組試驗設計，研究了不同滴灌量(3 000，3 600，4 200，4 800 m3/hm2，分別用W1，W2，W3，W4表示)對復播大豆耗水特性及干物質積累、轉運的影響。結果表明，隨著滴灌量的增加，復播大豆各生育時期0—60 cm土層土壤含水量均呈增大趨勢，且處理間0—40 cm土層中土壤含水量差異較大，而40—60 cm土層的差異較小；總耗水量增加，土壤貯水消耗量明顯減少。不同處理復播大豆全生育期單株干物質均呈“S”型變化趨勢；干物質最大積累速率(Vm)、快增期持續時間(Δt)及干物質總量均以W3處理最高；花前、花后的干物質轉運量與籽粒產量均呈正相關關系，但花后干物質轉運對產量的影響較大，各處理花后同化物轉運量、轉運率及對籽粒貢獻率均表現為：W3>W4>W2>W1。產量以W3處理最高，達3 741.23 kg/hm2，較W1，W2和W4分別高出30.42%，13.98，8.44%，差異顯著(p<0.05)。各處理水分利用效率表現為：W3>W4>W2>W1；灌溉水利用效率(IWUE)在W1，W2，W3處理間差異不顯著，但均顯著高于W4處理。

滴灌量; 復播大豆; 耗水特性; 干物質積累與轉運

新疆地處亞歐大陸腹地，氣候干燥，降雨稀少，蒸發強烈，水資源匱乏，是我國典型的綠洲灌溉農業區，92.4%的耕地為灌溉農業，沒有水就沒有新疆的農業[1]。然而新疆農業灌溉用水浪費很大，水分利用效率低，節水潛力巨大。因此，如何利用有限的水資源，提高作物產量和水分利用效率是發展干旱綠洲區節水農業的關鍵[2]。滴灌作為一種先進的節水灌溉技術，可根據作物需水規律，將水分和養分均勻持續地運送到植株根部，最大限度地降低了土壤水分滲漏和農業用水的浪費，可有效緩解水資源不足與農業用水利用率不高的矛盾[3]，其水分利用效率顯著高于漫灌[3-4]。近年來，在全球氣候急劇變化和溫室效應劇增的背景下，北疆地區秋季氣溫也明顯增高、初霜期有所推遲，使該區一年兩熟高產成為了可能[5]。小麥是新疆播種面積最大的糧食作物，在其6月底7月初收獲后仍有較多的光熱資源可以進行復播大豆[6]，僅北疆復播大豆種植面積在3.33萬hm2左右[7]，但小麥收獲后正逢棉花、春播玉米等作物需水高峰期，麥后復播大豆無疑會加重農業用水的緊張。因此，探索復播大豆的節水高產高效栽培技術，對北疆麥后復播大豆的大面積推廣具有重要現實意義。

大豆是一種需水量較多的作物，每形成1 g干物質，需要消耗水600～800 g，生產1 kg大豆籽粒，耗水量達2 t左右[8]，因此，水分多少會直接影響大豆的干物質積累及產量的形成。前人研究表明，大豆在花莢期對水分最為敏感，但不同時期的土壤水分脅迫對大豆植株生長都有一定影響[9-10]。王培武等[11]研究表明不同灌水量會對大豆的干物質生產總量及根、莖、葉、莢各部分的干物質生產造成影響。毛洪霞[12]研究認為，不同水分處理對大豆植株干物質的積累差異顯著，低灌溉量不利于大豆植株干物質的積累。但這些研究基本建立在常規灌溉的基礎上，對于滴灌大豆耗水特性及干物質積累分配的研究較少，尤其在生育期較短的復播大豆上的研究更是鮮有報道。為此，本試驗在滴灌條件下，通過設置不同的滴灌量，研究不同滴灌量處理下復播大豆耗水特性及干物質積累分配的變化規律，以期探求出復播大豆獲得節水、高產的最佳滴灌量，為北疆復播大豆栽培提供理論依據和技術支撐。

1　材料與方法

1.1試驗區概況

試驗于2013年7—10月在伊犁哈薩克自治州伊寧縣農業科技示范園進行。該區位于天山西段，伊犁河谷中部，地理坐標為81°13′40″—82°42′20″E，43°35′10″—44°29′30″N，屬溫帶大陸性半干旱氣候，冬春溫暖濕潤，夏秋干燥較熱，晝夜溫差明顯，年平均日照時數可達2 800～3 000 h，年平均氣溫8.9℃，年均降水量257 mm。全年無霜期169～175 d。試驗地為砂土，0—20 cm土壤耕層的本底值是：有機質2.35 g/kg，堿解氮85.2 mg/kg，速效磷21.8 mg/kg，速效鉀116 mg/kg，pH值8.4。

1.2試驗設計

采取單因素隨機區組試驗設計。共設置3 000 m3/hm2(W1)，3 600 m3/hm2(W2)，4 200 m3/hm2(W3)，4 800 m3/hm2(W4)4個滴灌量處理；各處理均重復三次。小區面積18 m2(3.6 m×5 m)，各小區進水口均有水表控制進水量，為防止水流外滲，不同小區間設置1 m寬的隔離帶。大豆品種為黑河43，種植密度52.5萬株/hm2，30 cm等行距播種(株距約6.3 cm)，每小區播種12行，毛管采用1管2的鋪設方式，毛管間距60 cm。播前結合整地，深施尿素75 kg/hm2，在開花期隨水滴施尿素150 kg/hm2，結莢期、鼓粒期各葉片噴施以色列產KH2PO4一次，其他田間管理措施同當地。

各處理每次灌水定額依次為375，450，525，600 m3，全生育期灌水8次，具體灌水量及分配時期見表1。

1.3測試項目與方法

1.3.1土壤含水量測定沿小區對角線等距離選3個樣點，用英國產PR2土壤剖面水分速測儀，測定播種前及復播大豆苗期、開花期、結莢期、鼓粒期和成熟期不同處理0—10，10—20，20—30，30—40，40—60 cm的土層土壤含水量。

1.3.2干物質測定自苗期開始，每隔10 d分別從各處理各小區分別選取大豆3～5株，分莖、葉柄、葉、莢、粒等器官，于105℃殺青30 min，80℃下烘干至恒重，稱干重。

采用Logistic方程擬合復播大豆干物質及養分積累變化：

y=k/[1+e(a-bt)]

式中：y——復播大豆出苗后t天單株干物質積累量(g/株)；t——大豆出苗后的天數(d)；k——復播大豆單株干物質理論最大積累量(g/株)；a，b——待定系數。

干物質積累與轉運量的計算方法如下[13]：

花前同化物轉運量(g)=開花期營養器官干重(g)-成熟期營養器官干重(g)

花后同化物轉運量(g)=成熟期籽粒干重(g)-花前同化物轉運量(g)

花前同化物轉運率(%)=花前同化物轉運量(g)/開花期營養器官干重(g)×100%

花后同化物轉運率(%)=花后同化物轉運量(g)/[收獲時全株干重(g)-開花時全株干重(g)] ×100%

花前同化物對籽粒的貢獻率(%)=花前同化物轉運量(g)/成熟期籽粒干重(g)×100%

花后同化物對籽粒的貢獻率(%)=花后同化物轉運量(g)/成熟期籽粒干重(g)×100%

表1　不同處理各階段的滴灌量　m3/hm2

1.3.3產量和水分利用效率的測定成熟后實收小區產量，每處理每重復分別取連續的10株進行考種，調查單株單株有效莢數、單株粒數、單株粒重和百粒重。根據下式計算水分利用效率[14]：

總耗水量=生育期間60 cm土壤貯水消耗量+降雨量+灌溉量

土壤貯水消耗量=60 cm土層播前時貯水量—成熟時60 cm土層貯水量

水分利用效率(kg/m3)=經濟產量/生長季總耗水量

灌溉水利用效率(kg/m3)=經濟產量/生長季總灌水量

1.4數據分析及處理方法

采用Microsoft Excel作圖，用DPS 軟件統計分析試驗數據。

2　結果與分析

2.1不同滴灌量處理對土壤含水量變化的影響

由圖1可知，不同滴灌量處理復播大豆在各個生育時期的田間(0—60 cm)土壤含水量總體趨勢一致，均隨著土層深度的增加呈現“增加—降低—增加”的反“S”型變化趨勢，且處理間不同土層深度的土壤含水量在每個生育時期均表現為：W4>W3>W2>W1，即隨著滴灌量的增加，土壤含水量增大。但土層深度不同，處理間差異也不相同，具體為在0—40 cm土層中土壤含水量的差異明顯，而40—60 cm土層的差異減小。進一步分析復播大豆不同生育時期各層次的土壤含水量可知，各處理0—10 cm土層的土壤含水量，表現為成熟期最低為10.36%～11.96%，其次是苗期為12.32%～14.73%，而在復播大豆開花期、結莢期、鼓粒期土壤含水量均超過了15.60%，最高值為19.83%出現在W4處理的鼓粒期，分別較同期W1，W2和W3高出9.78%，4.40%和1.27%，與W2，W3之間差異不顯著，與W1間差異顯著(p<0.05)。這可能是由于在復播大豆苗期植株較小、成熟期葉片脫落，地表裸露程度大，土壤水分散失較大，加上在復播大豆這兩個時期滴滴灌量較小，均是導致土壤含水量較小的原因。

圖1不同處理各土層土壤含水量的變化

2.2不同滴灌量處理對復播大豆干物質積累特征的影響

干物質是光合作用的產物，是大豆產量形成的基礎[6]。對不同滴灌量處理復播大豆地上部分干物質積累進行Logistic方程模擬(表2)，可知各處理復播大豆地上部干物質積累均呈“緩增—快增—緩降”的變化趨勢，各處理的干物質進入快速增長期的起始日期(t1)隨著滴灌量的增加有滯后趨勢，但快速增長期的終止日期(t2)以W3處理的最大，分別較W1，W2和W4延長了4.4 d，2.1 d和0.7 d。較高的干物質積累量不僅需要較大的積累速率(Vm)，還需要較長的快增期持續時間(Δt)，只有二者相互統一才能獲得較高的干物質積累量，進而達到高產。由表2可知不同處理干物質快增期的持續時間(Δt)表現為：W3>W2>W1>W4；最大積累速率(Vm)卻表現為：W3>W4>W2>W1，即隨著滴灌量的增加而“先增后降”；干物質最大速率出現的時間(tm)，隨著滴灌量的增加亦有滯后的趨勢，其中W3處理出現的最晚，其次是W4處理，最早的是W1處理。綜上可以看出，適宜的滴灌量不僅可以增大干物質的積累速率，還可以延長干物質快速積累持續天數，有利于提高干物質積累量，本試驗條件下，W3處理保持有較高的Vm和Δt，故干物質積累量較高。

表2　復播大豆地上部分干物質積累的Logistic模擬及其特征值

注:t:復播大豆播種后的天數；y:復播大豆干物質積累量；tm：干物質積累最大速率出現的時間；t1和t2分別為Logistic生長函數的兩個拐點；Δt：干物質快速積累持續天數；Vm：干物質最大增長速率；**p<0.05。

2.3不同滴灌量處理對復播大豆花前和花后同化物轉運的影響

由表3可知，復播大豆花前、花后的干物質轉運量均與籽粒產量呈正相關關系，相關系數R值分別為0.36，0.94，表明復播大豆花前、花后干物質的轉運量均會影響其籽粒產量的形成，且以花后影響較大。進一步分析可知，花前以W2處理同化物轉運量最大為1.49 g/株，分別較W1，W3，W4高出28.71%，13.54%，20.24%，差異顯著(p<0.05)，其同化物轉運率及對籽粒貢獻率也表現最大，分別為26.97%和14.13%，明顯高于其他處理；花后同化物轉運量、轉運率及對籽粒貢獻率均表現為：W3>W4>W2>W1，且W3處理較W1，W2，W4處理同化物轉運量增加了29.47%，21.53%，3.94%；轉運率增大了7.25%，4.86%，0.10%；對籽粒貢獻率提高了1.51%，4.05%，0.26%，表明只有在適宜的滴灌量條件下才能促進花后干物質向籽粒轉運，提高花后同化物對籽粒的貢獻率，從而提高產量。

表3　不同滴灌量處理對復播大豆花前和花后同化物轉運的影響

注：小寫字母表示處理間在0.05水平上的差異顯著性。下同

2.4不同滴灌量處理對復播大豆產量及水分利用效率的影響

由表4可知，不同滴灌量處理條件下，W4處理的總耗水量、土壤貯水消耗量與其他處理間均達到顯著性差異水平(p<0.05)，具體表現為隨著滴灌量的增加，總耗水量增加，最高為W4處理達5 665 m3/hm2，分別較W1，W2和W3增加了30.32%，16.47%和6.93%，土壤貯水消耗量卻明顯減少，以W4處理最小為865 m3/hm2，分別比W1，W2和W3減少了35.78%，31.57%和21.22%。產量隨著滴灌量的增加呈“先增后降”的變化趨勢，并以4 200 m3/hm2(W3處理)最高，為3 741.23 kg/hm2，分別較W1，W2和W4三個處理增產30.42%，13.98%和8.44%，且處理間差異顯著(p<0.05)；同時，滴灌量(x)和產量(y)的模擬方程為：y=-0.000484x2+4.1360x-5217.7998，(R2=0.92)，為開口向下的拋物線，根據方程預測，當滴灌量為4 272.73 m3/hm2，產量最高為3 618.20 kg/hm2，與實際結果吻合。各處理中以W3處理的水分利用效率最高，達0.71 kg/m3，其灌溉水利用效率為0.89 kg/m3。

表4　不同滴灌量處理對復播大豆產量及水分利用效率的影響

3　討論與結論

土壤含水量對作物生長與產量形成以及耗水特性影響顯著[15]，土壤水分嚴重虧缺會抑制作物地上部生長，降低作物生物量、產量和收獲指數[16-17]，而土壤水分過多則降低了水分利用效率[18]。吳巍等[19]研究表明，滴灌條件下，0—60 cm土層土壤水分含量變化較明顯，其中0—30 cm土壤水分含量變化最明顯，其次是30—60 cm，而對90—120 cm土層的土壤水分含量影響不大。

本研究結果表明，在復播大豆生育期間，不同生育時期各處理土壤含水量均隨著滴灌量的增加呈明顯增大的趨勢，且處理間0—40 cm土層土壤含水量差異較大，而40—60 cm以下差異較小。這可能是因為滴灌條件下做物根系分布較淺，基本在0—40 cm，而大豆根系80%以上集中在0—20 cm內[20]，使大豆根吸水主要集中在淺層，而對深層土壤水分吸收利用較少，從而導致不同處理間0—40 cm土壤含水量差異大，到60 cm處理間差異明顯減少的原因。滴灌量大，水分無效損失增加，滴灌量小，土壤貯藏水消耗增多，因此，灌水過多或過少均不利于產量和水分利用效率的提高[21]，只有適宜的灌溉時期和灌水量，才可能實現節水與高產的統一。

干物質的快速積累是提高籽粒產量的物質基礎，而干物質的最大累積速率及其持續的時間決定著干物質最大積累量。研究表明，大豆植株干物質最大積累速率出時間越早，越有利于營養生長向生殖生長轉化，從而促進光合產物有效地向籽粒轉移[22-23]。本研究通過Logistic方程模擬得出，滴灌條件下復播大豆干物質積累量隨著滴灌量的增加呈“先增后降”的變化，以W3處理的干物質積累量最大，同時W3處理條件下延長了復播大豆干物質快速積累期的持續時間(Δt)以及干物質最大積累速率(Vm)，但繼續增大灌水量至4 800 m3/hm2，Vm和Δt卻降低了4.08%和19.61%。這與前人在漫灌和滴灌條件下春大豆干物質積累量均隨著灌水量的增加而增大[12,24]的研究結論不一致，造成這種差異的原因可能是，復播大豆生育期較短，灌水量少的W1處理，由于水分較少限制復播大豆植株后期生長；而灌水量最多的W4處理，由于生殖生長推遲，加上后期北疆地區溫度較低，造成光合產物轉運較慢，不利于干物質的積累，影響了產量的形成。干物質的分配與轉運對大豆籽粒的形成至關重要，孫貴荒[25]等研究表明，提高花后干物質轉運量，是增加粒重、提高產量的重要途徑。本研究表明，滴灌條件下復播大豆花前、花后干物質轉運量均會影響產量的形成，以花后影響顯著，且只有在適宜的滴灌量下才能促進更多的干物質向籽粒轉運，從而提高干物質的轉運率和對籽粒的貢獻率。

綜上可知，本試驗條件下，以滴灌量為4 200 m3/hm2時產量最高，為3 741.23 kg/hm2，較W1，W2，W4三個處理分別高出30.42%，13.98%，8.44%，較當地常規灌溉量節水超過40%，且水分利用效率較高，達到了節水、高產相統一的目的，可供大田生產實踐參考。

[1]張娜,張永強,唐江華,等.滴灌帶配置方式對冬小麥生長及產量的影響[J].麥類作物學報,2013,33(6):1197-1201.

[2]張磊,李福生,王連喜,等.不同灌溉量對春小麥生長及產量構成的影響[J].干旱地區農業研究,2009,27(4):46-49.

[3]Wood M L, Finger L. Influence of irrigation method on water use and production of perennial pastures in northern Victoria[J]. Australian Journal of Experimental Agriculture, 2006,46：1605-1614.

[4]Alam B, Trooien T, Rogers D. Subsurface drip irrigation for alfalfa in western Kansad[C]∥Proceedings of the 6thInternational Microirrigation Congress, South Africa,2000.

[5]徐嬌媚.伊犁河谷氣候變化及其對農業影響初探[D].烏魯木齊：新疆農業大學,2012.

[6]張永強,張娜,唐江華,等.密度對北疆復播大豆生長動態及產量的影響研究[J].新疆農業大學學報,2014,37(1):7-11.

[7]牛海生,徐文修,徐嬌媚,等.氣候突變后伊犁河谷兩熟制作物種植區的變化及風險分析[J].中國農業氣象,2014,35(5):516-521.

[8]許忠仁,張賢澤.大豆生理與生理育種[M].哈爾濱:黑龍江科,1989.

[9]楊鵬輝,李貴全,郭麗,等.干旱協迫對不同抗旱大豆品種花莢期質膜透性的影響[J].干旱地區農業研究,2003,21(3):127-129.

[10]徐淑琴,宋軍,吳硯.大豆需水規律及噴灌模式探討[J].節水灌溉,2003(3):23-25.

[11]王培武,李治遠,礒田昭弘,等.新疆大豆生產及生態的研究I開花期缺水和遮光處理對大豆干物質生產及株型的影響[J].作物學報,1995,21(2):396-403.

[12]毛洪霞.不同水分處理對滴灌大豆干物質積累及生理參數的影響[J].大豆科學,2009,28(2):247-250.

[13]Jiang D, Xie Z J, Cao W X, et al. Effects of Post-anthesis drought and water-logging on photosynthetic characteristics,assimilates transportation in winter wheat[J].Acta Agronomica Sinica, 2004,30 (2):175-182．

[14]薛麗華,胡銳,賽力汗,等.滴灌量對冬小麥耗水特性和干物質積累分配的影響[J].麥類作物學報，2013,33(1):78-83.

[15]高山,王冀川,徐雅麗,等.不同土壤水分對滴灌春小麥生長干物質積累與分配的影響[J].安徽農業科學,2011，39(9):5151-5153,5240.

[16]陳曉遠,羅遠培.土壤水分變動對冬小麥生長動態的影響[J].中國農業科學,2001,34(4):403-409.

[17]Wang T, Zhang X, Li C. Growth, abscisic acid content, and carbon isotope composition in wheat cultivars grown under different soil moisture[J]. Biologia Plantarum,2007,51(1):181-184.

[18]鄧潔,陳靜,賀康寧.灌水量和灌水時期對冬小麥耗水特性和生理特性的影響[J].水土保持研究,2009,16(2):191-194.

[19]吳巍,陳雨海,李全起,等.壟溝耕作條件下滴灌冬小麥田間土壤水分的動態變化[J].土壤學報,2006,43(6):1011-1017.

[20]李勁松.高產春大豆根系生長規律[D].烏魯木齊：新疆農業大學,2007.

[21]Zhang Xiying, Chen Suying, Sun Hongyong, et al. Dry matter, harvest index, grain yield and water use efficiency asaffected by water supply in winter wheat[J]. Irrigation Science, 2008,27(1):1-10.

[22]孫克剛,王英,李貴寶,等.夏大豆干物質積累和分配數學模擬研究[J].大豆科學,1996,15(3):274-277.

[23]王紅軍,吳奇峰,謝映周.大豆籽粒干物質積累規律及與產量關系的研究[J].新疆農業科學,2006,43(4)：268-270.

[24]趙恩龍,葛慧玲,龔振平,等.灌溉水平對春大豆株高及產量的影響[J].作物雜志,2014(1):125-128.

[25]孫貴荒,劉曉麗,董麗杰,等.高產大豆干物質積累與產量關系的研究[J].大豆科學,2002,21(3):199-202.

Effect of Drip Irrigation Amount on Water Consumption Characteristics and Dry Matter Accumulation and Transformation of Summer Soybean in North Xinjiang

ZHANG Yongqiang, ZHANG Na, LI Yajie, PENG Jianglong, SU Lili, XU Wenxiu

(College of Agronomy, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

The field experiment was conducted by setting four drip irrigation treatments including 3 000 m3/hm2(W1),3 600 m3/hm2(W2),4 200 m3/hm2(W3) and 4 800 m3/hm2(W4) to study the effects of different drip irrigation on water consumption characteristics, dry matter accumulation and transformation of summer soybean following randomized block design. The results showed that with the increase of drip irrigation quantities, the water content in 0—60 cm soil laye increased greatly at each growth stage of summer soybean, and the differences of soil moisture in 0—40 cm soil layer was more obviously, but little difference was observed in 40—60 cm soil layer. However, stored soil water consumption decreased while the total water consumption increased. The dry matter accumulation showed the S-shaped curve; treatment W3had the best of the continued days of dry matter rapid accumulation(Δt), the maximum increase rate of dry matter(Vm) and the total dry matter accumulation. Results from correlation and regression analysis methods indicated that there were positive correlations between yield and dry matter translocation before and after anthesis, especially the dry matter translocation after anthesis had the significant contribution to yield, in addition, all of the dry matter translocation after anthesis, its ration and contribution to grains decreased in the order: W3>W4>W2>W1. The treatment W3had the highest yield of 3 741.23 kg/hm2, which was 30.42%,13.98% and 8.44% higher than the other treatmensts, respectively, reaching the significant difference level (p<0.05). Water use efficiency decreasd in the order: W3>W4>W2>W1, the irrigation water use efficiency had no significant difference between treatment W1， W2and W3, but all of them were higher than treatment W4.

drip irrigation quantities; summer soybean; water consumption characteristics; dry matter accumulation and transformation

2015-03-23

2015-04-10

國家自然資助項目(31260312);農業部公益性行業專項(201103001)

張永強(1988—),男,河南平輿人,研究生,主要從事綠洲農作制度研究。E-mail:zyq988@yeah.net

徐文修(1962—),女,河北蠡縣人,教授,博士生導師,主要從事高效農作制度與農業生態研究工作。E-mail:xjxwx@sina.com

S565.1

A

1005-3409(2016)02-0111-06