膜下滴灌油葵光合作用及補充灌溉制度研究

王懷博，唐 瑞，鮑子云，杜 歷

(寧夏水利科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750021)

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膜下滴灌油葵光合作用及補充灌溉制度研究

王懷博，唐 瑞，鮑子云，杜 歷

(寧夏水利科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750021)

針對寧夏中部干旱帶水資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡劣的問題，該文研究補充灌溉對油葵產(chǎn)量和節(jié)水效果的影響。采用膜下滴灌種植模式，設(shè)置3個水平的滴灌定額，研究不同補充灌溉定額對油葵成活率、葉面積指數(shù)、光合指標及水分利用效率的差異，與微集雨條件下的油葵進行對比。研究發(fā)現(xiàn)，隨著灌溉定額的增加，油葵的成活率提高，油葵葉片光合速率隨光合有效輻射、葉片溫度與空氣溫度之差增加而增大，反之，則蒸騰速率增大，最適宜的處理(675 m3/hm2)產(chǎn)量較對照增加12.13%，較灌溉定額最大的處理(1050 m3/hm2)節(jié)水20.46%。

寧夏中部干旱帶；油葵；補充灌溉；光合速率；水分利用效率

寧夏中部干旱帶是寧夏乃至全國干旱缺水最嚴重的地區(qū)，降雨稀少，時空分布不均。該區(qū)多年平均降雨量在200～400 mm之間，多年平均水面蒸發(fā)量在1210～1600 mm之間，干旱指數(shù)在3～8之間，當?shù)厝司Y源占有量50 m3，僅為寧夏全區(qū)平均水平的16%，全國平均水平的2%[1]。長期以來人口激增造成的濫墾、濫牧、濫伐等掠奪式開發(fā)導(dǎo)致自然條件惡劣，土地荒漠化嚴重，生態(tài)環(huán)境惡化。這些劣勢因素決定了當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局必須要根據(jù)當?shù)氐乃Y源條件，實施節(jié)水高效項目，發(fā)展特色農(nóng)業(yè)設(shè)施農(nóng)業(yè)。轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式對改善區(qū)域生態(tài)效益有重大影響。

補充灌溉是給作物只灌關(guān)鍵水、灌生命水，這樣勢必會在作物的某個生育時期給予主動水分虧缺。作物光合作用是決定作物物質(zhì)生產(chǎn)的重要因素，不同缺水程度會降低作物葉片氣孔導(dǎo)度，減少光合關(guān)鍵酶Rubisco及Rubisco活化酶活性，使細胞內(nèi)氣體交換變緩，導(dǎo)致光合作用和蒸騰作用速率下降，從而造成植株群體數(shù)量及質(zhì)量差異。因此摸清不同補充灌溉制度對作物需水規(guī)律的影響機理是制定合理灌溉制度提高水分利用效率的關(guān)鍵。本文擬通過田間試驗總結(jié)提出適宜寧夏中部干旱帶膜下滴灌油葵的優(yōu)化補充灌溉制度，對提高油葵產(chǎn)量，促進寧夏揚黃灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，緩解寧夏揚黃灌區(qū)水資源短缺以及提高有限水資源利用效率和綜合效益具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗基地概況

試驗于2015年在寧夏回族自治區(qū)吳忠市同心縣王團鎮(zhèn)寧夏旱作節(jié)水高效農(nóng)業(yè)科技園進行。同心縣地處鄂爾多斯臺地與黃土高原北部的銜接地帶，北緯36°58′48″，東經(jīng)105°54′24″，位于寧夏中部干旱帶核心區(qū)，東與甘肅環(huán)縣相鄰，南與固原市接壤，西與海原縣相鄰，北與中寧、紅寺堡接壤，屬典型的溫帶大陸性氣候，四季分明，日照充足，晝夜溫差大，年均降水量259 mm左右，蒸發(fā)量達2325 mm，干旱缺水是最大的自然特征。

試驗區(qū)土壤屬黏壤土，田間土壤飽和質(zhì)量含水率為22%，土壤干體積質(zhì)量為1.46 g/cm3，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為12.2 g/kg，速效氮、速效磷、速效鉀質(zhì)量分數(shù)分別為55 mg/kg、9.8mg/kg、111 mg/kg，全鹽量為0.098 g/kg，pH值為8.6。試驗田東高西低，坡度較小。試驗水源采用揚黃水，經(jīng)首部過濾加壓后進入田間管網(wǎng)系統(tǒng)，經(jīng)鋪設(shè)的一次性內(nèi)鑲貼片式滴灌帶對油葵進行灌溉。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用雙壟雙溝全覆膜，寬窄行種植，寬行60 cm，窄行40 cm，株距30 cm，種植55 500株/hm2，供試油葵品種為S606。各處理采用隨機區(qū)組排列，重復(fù)三次，小區(qū)面積60 m2(10 m×6 m)，每小區(qū)5壟10行，補灌定額設(shè)3個水平，分別為①300 m3/hm2(B1)、②675 m3/hm2(B2)、③1050 m3/hm2(B3)和④對照(CK)；補灌4次(灌水分配比例為25%、30%、30%、15%)。滴頭流量為2 L/h，灌水量用水表控制。根據(jù)油葵生長發(fā)育需水規(guī)律，分生育階段補灌，具體實施灌水時間為5月20日、6月15日、7月2日、8月1日。

1.3 測定項目與方法

采用英國生產(chǎn)的PR2/6土壤剖面水分儀監(jiān)測10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、60 cm和100 cm剖面處土壤體積含水率，播前測定土壤基礎(chǔ)含水率，生育期內(nèi)每隔10 d測1次，降雨后及灌水前后加測。

監(jiān)測油葵物候期，選擇長勢基本一致的5株油葵，從上往下數(shù)第5～7片全展葉，在08:00-18:00期間采用美國產(chǎn)CI-340型便攜式光合作用測定儀每2 h測定1次油葵葉片生理指標(光合有效輻射PAR、溫度T、光合速率Pn、蒸騰速率Tr、胞間CO2摩爾分數(shù)Ci和氣孔導(dǎo)度Gs)。

采用游標卡尺測量莖粗，米尺測量株高與生長量(葉片長寬及葉片數(shù))，電子秤稱量油葵鮮(干)物質(zhì)量。每處理隨機選取9株油葵，稱其盤鮮(干)質(zhì)量，百粒鮮(干)質(zhì)量，同時選取1株，測定其根莖葉鮮(干)質(zhì)量，并獲取百粒鮮(干)質(zhì)量及單盤產(chǎn)量。

葉面積指數(shù)計算方法如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中：k為葉面積校正系數(shù)，取值為0.67；Wi為葉片寬度，cm；Li為葉片長度，cm;LA為單株葉面積,cm2；m種植密度；A為種植面積,cm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜下滴灌油葵生育期劃分及成活率統(tǒng)計

試驗在2015年4月21日進行油葵種植，種植密度為55 500株/hm2。5月5日油葵長出兩片真葉，播種到出苗共13 d，苗期共41 d。至6月15日油葵頂部出現(xiàn)直徑1 cm的星狀體，即進入現(xiàn)蕾期，現(xiàn)蕾期為23 d。7月8日田間75%油葵的舌狀花開放，進入開花期，開花期為29 d，其中初花期15 d，終花期14 d。8月6日油葵進入成熟期，成熟期持續(xù)24 d。至8月30日，9月2日收獲，全生育期共135 d。

不同水分處理下，油葵成活率也各不相同，各處理平均成活率為92.5%，即51 330株/hm2，成活率最高的是處理B3，為98%。隨著灌溉定額的增加，油葵成活率分別為90%(CK)，86%，96%，98%。

2.2 不同補充灌溉制度下油葵葉面積指數(shù)變化

油葵的光合葉面積與產(chǎn)量形成具有密切的關(guān)系，適宜的葉面積是油葵有機物質(zhì)生產(chǎn)和積累的重要生理指標，適當擴大油葵的葉面積指數(shù)也是提高油葵產(chǎn)量的重要途徑之一。油葵全生育期葉面積指數(shù)的動態(tài)變化反映了油葵群體光合葉面積在不同生育時期的規(guī)模[2]。表1為不同補灌制度油葵不同生育期葉面積指數(shù)。從表1可知油葵生育期葉面積指數(shù)最大值出現(xiàn)在7月3日到7月13日之間，6月3日到6月23日為緩慢增長階段，至7月13日間為快速增長階段，之后為衰退階段。不同處理下油葵的灌溉制度不同，其成活率有差異，反映出的油葵葉面積指數(shù)動態(tài)變化的曲線也不同。四個處理葉面積指數(shù)最大值最大的是處理B2，為4.74，其次是處理B3，為4.33，最小的是CK，為2.41，這表明葉面積指數(shù)受植株密度的影響較后期生長發(fā)育程度小，當灌溉定額達到一定水平后，灌溉定額的增加并不能引起油葵葉面積的增大。

表1 不同補灌制度油葵不同生育期葉面積指數(shù)LAI

2.3 不同補充灌溉制度下膜下滴灌油葵光合指標分析

光合有效輻射是植物生命活動、有機物質(zhì)合成和產(chǎn)量形成的能量來源。從圖1(1)中可以看到，各處理油葵葉片光合有效輻射量均呈雙峰凸拋物線型曲線變化，第一個峰值出現(xiàn)在10:00，在監(jiān)測期間，10:00數(shù)據(jù)取自10:00到11:00之間；隨后光合有效輻射開始逐漸減小，到12:00降低到一個極小值，12:00數(shù)據(jù)取自12:00到13:00之間，這段時間太陽輻射較強，但是光合有效輻射降低。到14:00，光合有效輻射又回到另一個峰值，之后開始逐步降低。三個處理的光合有效輻射整體表現(xiàn)為：B1>B3>CK>B2，這表明油葵葉片光合有效輻射與灌溉定額無線性關(guān)系，由此可知，油葵葉片光合有效輻射不僅與太陽輻射有關(guān)系，其變化規(guī)律也與油葵葉片其他指標有關(guān)系[3]。

植物為變溫生物，其溫度是由土壤-植物-大氣連續(xù)體內(nèi)的熱量和水汽流決定的。油葵葉片溫度與空氣溫度的差值變化反映了土壤供水與油葵需水之間的矛盾，膜下滴灌油葵補灌種植模式使油葵在生育期內(nèi)受不同程度的水分虧缺，從而使油葵葉片的蒸騰量有所減少，油葵自身消耗能量減少，致使葉片溫度增加。油葵的這一溫度差可作為油葵水分虧缺診斷指標，用以指導(dǎo)田間補充灌溉。從圖1(2)中可以看到各處理溫度差均大于零，這表明補灌灌溉條件下的油葵植株內(nèi)積累能量相對較多，其中處理B1、B2、B3變化規(guī)律一致，全天表現(xiàn)為8:00到10:00之間溫差變化不大，在2.35～4.00 ℃之間，值較其他時間溫差都大，這是因為該地區(qū)的晝夜溫差大，地表積溫多，油葵蒸騰的水分溫度高于空氣溫度，早晨溫度低，為26.10 ℃，油葵植株消耗能量較慢，使得葉片溫度與空氣溫度之差相對較大。10:00之后溫差開始急劇下降，12:00降到0.20～1.40 ℃之間，此時的空氣溫度為36.57 ℃，這表明此時油葵散失水分的能力增強。14:00溫度差略有升高，此時的溫度為37.22 ℃，這表明溫度的升高并不能引起油葵水分散失的加快。16:00溫差達到最小值，空氣溫度35.23 ℃，空氣溫度的降低引起溫差的變小，表明油葵葉片溫度不會隨著空氣溫度的增加而無休止增加，是空氣溫度達到一定上限葉片溫度會控制不變。18:00溫差開始回升，此時空氣溫度與葉片溫度均降低，這表明空氣溫度的降低速率小于油葵葉片溫度的降低速率，主要原因是一天內(nèi)地表積累的溫度增加。對照組CK溫差變化規(guī)律為“V”字型，在12:00溫差降到最低點，之后持續(xù)增加，空氣溫度降低的情況下，葉片溫度降低速度慢，這表明油葵植株輸送水分和散失水分減緩，也說明油葵水分虧缺相對嚴重。各處理溫差整體表現(xiàn)為B1>CK>B3>B2，這表明油葵葉片溫度與空氣溫度之差與灌溉定額無明顯關(guān)系。

光合速率是植株進行光合作用固定二氧化碳的速率，光合速率變化曲線同光合有效輻射的雙峰凸拋物線型，這也表明光合有效輻射是光合速率的重要影響因素[4]。從圖1(3)可知，處理B1、B2、B3變化特征較明顯，從8:00開始光合速率開始逐步增加，到10:00達到第一個峰值，增幅最大的是處理B3，增幅7.36%，隨后各處理光合速率開始降低，3個處理降幅分別為50.00%、43.78%、48.65%，這主要是光合有效輻射降低和氣溫急劇升高引起氣孔關(guān)閉的結(jié)果，到14:00光合速率又回升到一個極大值，此時各處理分別較第一個峰值降低14.66%、4.73%和29.41%，處理B2光合速率的極大值相差不大，此時光合有效輻射也有回升，16:00光合速率又降低極小值，最后又有微小回升。對照處理CK光合速率在一天當中變化較為平穩(wěn)，平均為13.06 umol/(m2·s)。各處理油葵葉片光合速率整體表現(xiàn)為B1>B3>B2>CK，這表明油葵葉片光合速率與灌溉定額無明顯關(guān)系。

蒸騰作用主要是土壤水分經(jīng)過植株以水蒸汽狀態(tài)散失到大氣中的過程，這不僅受氣候條件和土壤水分的影響，還受植物本身的調(diào)節(jié)和控制，是一種復(fù)雜的生理過程。從圖1(4)中可以看到，各處理蒸騰速率呈兩種變化，處理B1、B2、B3呈雙峰凸拋物線型變化，對照處理CK呈單峰凸拋物線型變化[4]。8:00油葵葉片的蒸騰速率較小，隨后開始增加，到10:00達到第一個峰值，到12:00蒸騰速率降低到極小值，14:00時出現(xiàn)第二個峰值，各處理分別較第一個峰值增幅為29.03%、41.80%和8.09%，之后開始降低，到18:00降低到較小值；對照處理CK蒸騰速率從10:00到14:00變化不大，最大值出現(xiàn)在14:00為5.26 mmol/(m2·s)。各處理油葵葉片蒸騰速率整體表現(xiàn)為CK>B2>B3>B1，這表明灌溉定額對油葵葉片蒸騰速率無明顯影響。

從以上分析可知，對于B1、B2、B3三個處理，油葵葉片光合有效輻射、溫差和光合速率整體變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)為B1>B3>B2，蒸騰速率與其他三個因素的變化規(guī)律正好相反。這表明光合油葵葉片的光合有效輻射和溫差越大，光合速率越大，蒸騰速率則越小。微集雨處理CK的光合作用指標受水分影響較大，在4個處理中光合速率最小，蒸騰速率最大。

圖1 不同補充灌溉制度下油葵葉片光合指標變化曲線

2.4 水分利用效率分析

水分生產(chǎn)效率指單位水資源量在一定的作物品種和耕作栽培條件下所獲得的產(chǎn)量或產(chǎn)值，它是衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和農(nóng)業(yè)用水科學(xué)性與合理性的綜合指標[5-6]。灌溉水分生產(chǎn)效率反映了作物的灌溉用水效率，是衡量灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平、灌溉工程狀況、灌溉管理水平的關(guān)鍵指標。試驗中各處理的灌溉水生產(chǎn)效率和水分生產(chǎn)效率見表2，隨著灌溉定額的增加，灌溉水生產(chǎn)效率減小，表現(xiàn)為：B1>B2>B3，水分生產(chǎn)效率表現(xiàn)為：CK>B1>B2>B3。產(chǎn)量最大的處理為B2，較對照CK增產(chǎn)12.13%，較B3節(jié)水20.46%。

表2 不同補灌處理下油葵水分利用效率分析

3 結(jié) 論

(1)補充灌溉定額的增加對提高油葵成活率有利。

(2)油葵的密度對葉面積指數(shù)有影響，但關(guān)鍵因素是油葵植株后期生長發(fā)育的情況，當灌溉定額達到一定水平后，其值的增加并不能引起油葵葉面積的増大。

(3)油葵葉片的光合有效輻射、溫差越大，光合速率越大，反之蒸騰速率則越大。微集雨處理CK的光合作用指標受水分影響較大，在4個處理中光合作用最小，蒸騰速率最大。

(4)4個處理中產(chǎn)量最大的為處理B2，較對照CK增產(chǎn)12.13%，較B3節(jié)水20.46%。

綜上所述，寧夏中部干旱帶最適宜的補充灌溉制度為：灌溉定額675 m3/hm2，灌溉次數(shù)4次，分別在幼苗期(5月中旬)、現(xiàn)蕾期(6月中旬)、初花期(7月上旬)和成熟期(8月中旬)各灌水1次。

[1] 常倬林，崔洋，張武，等.基于CERES的寧夏空中云水資源特征及其增雨潛力研究[J].干旱區(qū)地理，2015(6)：1112-1120.

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Study on photosynthesis and supplementary irrigation program of drip irrigation oil sunflower under mulch

WANG Huaibo，TANG Rui，BAO Ziyun，DU Li

(TheScientificResearchInstituteoftheWaterConservancyofNingxia,Yinchuan,Ningxia750021,China)

For the problem of water resources shortage and ecological environment degradation in middle Ningxia. This paper researched the effect of supplementary irrigation on yield and water saving of oil sunflower. Using drip irrigation under mulch cultivation model, setting three levels of drip irrigation quota, studying different supplementary irrigation quota on the survival rate of oil sunflower ，leaf area index, photosynthetic indexes and the differences of water use efficiency compared with oil sunflower under the condition of micro rainwater irrigation. The study found that with the increasing of irrigation quota the survival rate were improved, photosynthetic rate added with the increasing of photosynthetically active radiation, leaf temperature and the difference of air temperature, on the contrary the transpiration rate increased, the yield of optimum treatment (675m3/hm2) increased by 12.13% than control, compared with the largest irrigation quota (1050 m3/hm2) water-saving 20.46%.

area of the central Ningxia; oil sunflower; supplementary irrigation system; photosynthetic rate; water use efficieCncy

國家科技支撐計劃項目(2011BAD29B07)；寧夏科技攻關(guān)計劃重大專項項目(2011ZDN04)

王懷博(1988-)，男,工程師，主要從事高效節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。

S152.7

A

2096-0506(2016)10-0001-05