敦煌綠洲區(qū)覆膜補灌對谷子光合特性農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響

劉天鵬，何繼紅，董孔軍，任瑞玉，張 磊，許 巖，楊天育，

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所， 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學生命科學技術(shù)學院， 甘肅 蘭州 730070)

敦煌綠洲區(qū)覆膜補灌對谷子光合特性農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響

劉天鵬1，何繼紅1，董孔軍1，任瑞玉1，張 磊1，許 巖2，楊天育1，2

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所， 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學生命科學技術(shù)學院， 甘肅 蘭州 730070)

在年降雨量不足40 mm的敦煌綠洲灌區(qū)，以谷子為材料，采用裂區(qū)試驗, 研究了覆膜栽培條件下拔節(jié)、抽穗和灌漿各階段灌一次水對其光合特性、農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響。結(jié)果顯示：在播前統(tǒng)一灌600 m3·hm-2底墑水的情況下，抽穗期灌600 m3·hm-2水處理(A3),谷子的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)及葉綠素含量顯著的高于生育期內(nèi)不灌水(A1)、拔節(jié)期灌600 m3·hm-2水(A2)和灌漿期灌600 m3·hm-2水(A4)處理，胞間CO2濃度(Ci)因品種不同各處理間也存在較大差異；抽穗期灌600 m3·hm-2水(A3) 不僅抽穗明顯提前，株高、主穗長、單株穗重、單株粒重、單株草重顯著高于A1、A2、A4，且產(chǎn)量也極顯著高于A1、A2、A4；相關(guān)分析表明，不同處理凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、葉綠素含量均與產(chǎn)量顯著正相關(guān)，光合速率、蒸騰速率、氣孔導度間彼此極顯著相關(guān)。

谷子；灌水；光合特性；農(nóng)藝性狀；產(chǎn)量

敦煌西陲于河西走廊，地處我國西北干旱區(qū)，被戈壁、沙漠包圍的綠洲是其賴以生存的基礎(chǔ)[1-2]。近年來全球氣候的變化使敦煌自然綠洲、濕地萎縮[3]，土地荒漠化凈增[4]，地下水位下降[5]，嚴重威脅著敦煌綠洲的安全。自20世紀90年代以來，城鎮(zhèn)化擴張[6]、人口的增長[7]、旅游業(yè)的發(fā)展[8]，地下水的大規(guī)模開采，促使原本脆弱的敦煌綠洲生態(tài)環(huán)境進一步惡化，而倚重水資源的農(nóng)業(yè)又是敦煌經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)[9]，以漫灌為主要灌溉方式，以高耗水量作物棉花[10]、葡萄[11]等為主的敦煌農(nóng)業(yè)其用水高達總水資源利用量的89.34%[12]，加劇了水資源危機，1980—2012年敦煌農(nóng)業(yè)水足跡結(jié)構(gòu)特征的研究顯示其水資源利用呈不可持續(xù)狀態(tài)，調(diào)整經(jīng)濟作物種植結(jié)構(gòu)，成為緩解敦煌水資源問題的主要措施[13]。谷子(SetariaitalicaL.)是高光合C4作物，具有抗旱耐瘠，水分利用效率高、營養(yǎng)豐富、糧飼兼用等突出特點，被認為是應(yīng)對未來水資源短缺的戰(zhàn)略貯備作物，建設(shè)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的生態(tài)作物以及人們膳食結(jié)構(gòu)調(diào)整和平衡營養(yǎng)的特色作物[14-16]。近年來，河西走廊的武威、張掖等地區(qū)已大面積種植谷子，敦煌也開始零星種植，但關(guān)于谷子在綠洲區(qū)覆膜灌溉栽培方面的研究很少，僅有Zhao等[17]在敦煌進行了抗旱雜交谷子節(jié)水效果的研究，提出播前只灌一次水(1 200 m3·hm-2)結(jié)合稀植鋪膜栽培的技術(shù)適用于極度干旱地區(qū)，既保證雜交谷子穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，也有利于保護水資源。本試驗利用常規(guī)育成谷子品種，比較研究了覆膜栽培條件下播前灌一次水(600 m3·hm-2)結(jié)合不同生育階段灌一次水(600 m3·hm-2)對谷子光合特性和生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響，旨在為敦煌綠洲區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟作物結(jié)構(gòu)調(diào)整下谷子的栽培提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用東北平原區(qū)春谷品種公谷61號、黃土高原區(qū)春谷品種大同32號為試驗材料，種子由甘肅省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所提供。

1.2 試驗區(qū)概況及田間設(shè)計

試驗在甘肅省敦煌市甘肅省農(nóng)業(yè)科學院敦煌試驗站進行(東經(jīng)94°43′，北緯40°08′)，該區(qū)屬于典型的暖溫帶干旱性氣候，平均海拔1 187 m，年均降水量39.9 mm，年均蒸發(fā)量2 486 mm，干燥度19.6，年均氣溫9.4℃，年無霜期142 d，年均日照時數(shù)3 246.7。谷子生育期內(nèi)降水量為23.5 mm。

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，A因素為灌水時期，設(shè)4個水平：生育期內(nèi)不灌水、拔節(jié)期灌水、抽穗期灌水、灌漿期灌水，灌水量均為600 m3·hm-2；B因素為品種，設(shè)2個水平：公谷61號、大同32號。試驗重復3次，小區(qū)面積15 m2(15行區(qū)，行距25 cm、行長400 cm)，共計24個小區(qū)。為保證出苗整齊播前統(tǒng)一灌40 m3·667m-2的底墑水，當土壤含水達15±3%時，施底肥旋耕，施N 165 kg·hm-2、P2O5195 kg·hm-2、K2O 105 kg·hm-2，然后用幅寬1.4 m厚度0.10 mm的可降解聚乙烯膜平展覆蓋地面，膜間不留縫隙；2014年4月9日播種，3葉期間苗，5葉期定苗并除草和培土 ,留苗45 萬株·hm-2，抽穗期搭網(wǎng)防止鳥害。

1.3 測定指標

1.3.1 光合參數(shù)測定 灌漿期選晴朗天氣于9∶30—12∶00，用LI-6400便攜式光合作用測定儀測定葉片光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)，連續(xù)測定3天，各小區(qū)隨機測定5株谷子旗葉光合特征參數(shù)值，最終結(jié)果以天為單位取其平均值作為每一小區(qū)的最終值。

1.3.2 SPAD值測定 葉綠素采用葉綠素計SPAD-502Plus在晴朗天氣于10∶00—11∶00分別測定谷子倒一葉、倒二葉、倒三葉葉綠素含量，每小區(qū)隨機測定5株，連續(xù)測定3 d，最終結(jié)果以天為單位取倒一葉、倒二葉、倒三葉葉綠素含量的平均值作為每一小區(qū)的最終值。

1.3.3 形態(tài)指標及產(chǎn)量測定 記載各生育時期，成熟后各處理每小區(qū)隨機取10株樣，參照《谷子種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[18]，分別對株高、主莖粗、主穗長、單株穗重、單株粒重、單株草重、千粒重7個性狀進行室內(nèi)考種，收獲各小區(qū)計產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理及分析采用Excel2010、SPSS17.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同階段灌水處理對谷子灌漿期光合特性的影響

光合作用的強弱能夠反映物質(zhì)合成的能力。從圖1可以看出，光合作用相關(guān)的特征參數(shù)凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、葉綠素在兩個參試品種上從處理A1至A4均表現(xiàn)為先增大后下降的趨勢。圖1(A)顯示，兩品種灌漿期旗葉凈光合速率均表現(xiàn)出A3>A4>A2>A1的趨勢，公谷61號處理A3與A1、A2、A4差異均達到了顯著水平，大同32號僅有處理A3與A1差異達到了顯著水平；圖1(B)顯示，兩品種蒸騰速率處理A3均與其他處理差異顯著，但處理A1、A2、A4間差異不顯著，公谷61號表現(xiàn)為A3>A1>A2>A4，而大同31號表現(xiàn)為A3>A2>A4>A1；圖1(C)為不同處理下兩品種氣孔導度的變化，由圖可知，兩品種氣孔導度的變化均表現(xiàn)出相同趨勢，且僅有處理A3與A1差異達到了顯著水平；圖1(D)顯示不同處理下兩品種胞間CO2濃度的差異，可以看出，胞間CO2濃度是5個光合作用特征參數(shù)中兩品種間差異較大的一個指標，公谷61號表現(xiàn)為A3>A1>A2>A4，且A3與A1、A2、A4，A1與A2、A4差異均達到了顯著水平，而大同32號表現(xiàn)為A2>A3>A1>A4，僅A2與A4差異達到了顯著水平，說明不同生態(tài)型品種在不同時期灌水處理下胞間CO2濃度變化差異較大。

葉綠素含量直接影響作物光合作用。圖1(E)可以看出，不同處理下兩品種葉綠素含量變化趨勢基本一致，均為A3>A2>A4>A1，但公谷61號處理A3與A1、A2、A4差異均達到顯著水平，而大同32號僅處理A3與A1、A4差異達到顯著水平，說明不同生態(tài)區(qū)的品種葉綠素含量變化存在一定差異。

注：不同小寫字表示在0.05水平差異顯著。下同。Note：The different lowercase letters indicate the difference significance at 0.05 level. The same below.

圖1 不同時期灌水處理下谷子光合特征的差異

Fig.1 The difference of photosynthetic characteristics of foxtail millet under different irrigation treatments

2.2 不同階段灌水處理對谷子生育期的影響

谷子生育期的長短受遺傳控制，但栽培措施不同對谷子生育期影響也較大。圖2(A)顯示，在播前統(tǒng)一灌一次底墑水的情況下，不同處理對出苗期幾乎沒有影響，但拔節(jié)期灌水(圖2(B))明顯的延長了春谷品種公谷61號和大同32號的拔節(jié)時期，且與處理A1、A3、A4差異達到了顯著水平，而抽穗期灌水(圖2(C))反而促進春谷抽穗，顯著的縮短了其抽穗時期，同時拔節(jié)期灌水亦利于谷子抽穗，但效果較抽穗期灌水較差，其原因是拔節(jié)期和抽穗期水分供給充足，有利于谷子的貪青徒長和穗分化發(fā)育，因此拔節(jié)期延長，抽穗期提前；而拔節(jié)期和抽穗期干旱(不灌水)生長和穗發(fā)育受阻，出現(xiàn)“卡脖旱”現(xiàn)象，致使谷子難以抽穗，抽穗期延長，出現(xiàn)了抽穗期灌水促進抽穗、縮短抽穗時期的現(xiàn)象。灌漿期灌水(圖2(D))由于前期的水分缺乏嚴重影響了谷子生長發(fā)育，其作用與全生育期不灌水相接近。

2.3 不同階段灌水處理對谷子主要農(nóng)藝性狀的影響

谷子主要農(nóng)藝性狀值可以反映其生長發(fā)育狀況。表1方差分析顯示，不同處理下公谷61號主莖粗、主穗長及單株草重三個性狀差異不顯著，而株高、單株穗重、單株粒重、千粒重存在不同程度差異；大同32號除主穗長、單株草重差異不顯著外，株高、主莖粗、單株穗重、單株粒重、千粒重均存在差異，說明兩品種對不同時期灌水的生長響應(yīng)有所不同。表1也可以看出，兩品種不同處理間的株高、單株穗重、單株粒重、千粒重均表現(xiàn)為A3>A2>A4>A1，并且A1、A4與A3存在顯著差異，說明抽穗期灌水顯著的影響谷子的生長發(fā)育。

圖2 不同階段灌水處理谷子生育期的變化

Fig.2 The change of growth period of foxtail millet under different irrigation treatments

表1 不同時期灌水對谷子主要農(nóng)藝性狀的影響

2.4 不同階段灌水處理對谷子產(chǎn)量的影響

產(chǎn)量結(jié)果通常是衡量栽培技術(shù)的核心指標。圖3可以看出，在處理A1、A2、A3、A4下，公谷61號的產(chǎn)量依次為1 491.41、2 384.12、4 554.23、1 648.08 kg·hm-2，大同32號產(chǎn)量依次為1 554.74、2 508.13、4 872.24、2 677.48 kg·hm-2。方差分析顯示，抽穗期灌水(A3) 公谷61號和大同32號的產(chǎn)量極顯著的高于拔節(jié)期灌(A2)水、灌漿期灌水(A4)及全生育期不灌水(A1)，而公谷61號拔節(jié)期灌水(A2)產(chǎn)量極顯著高于灌漿期灌水(A4)、全生育期不灌水(A1)，灌漿期灌水(A4)與全生育期不灌水(A1)兩處理產(chǎn)量差異不顯著；大同32號拔節(jié)期灌水(A2)產(chǎn)量極顯著高于全生育期不灌水(A1)，但與灌漿期灌水(A4)差異不顯著，說明不同生態(tài)區(qū)春谷品種在覆膜條件下，雖然抽穗期灌水極顯著的提高了產(chǎn)量，但不同生育時期灌水處理產(chǎn)量響應(yīng)卻存在差異。

注：不同小寫字母和大寫字母分別表示在0.05和0.01水平差異顯著。

Note：The different lowercase and uppercase letters indicate the difference significance at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

圖3 不同處理下谷子產(chǎn)量的差異

Fig.3 Yield of foxtail millet under different treatments

2.5 不同灌水處理下谷子產(chǎn)量與光合特征參數(shù)的相關(guān)性

從表2可以看出，公谷61號和大同32號在不同處理下凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度及葉綠素含量均與產(chǎn)量相關(guān)性顯著或極顯著，說明與光合作用相關(guān)的多數(shù)指標均極顯著的影響谷子最終產(chǎn)量的形成，而胞間CO2濃度與產(chǎn)量相關(guān)性不顯著，原因可能為谷子為C4作物，不同處理下胞間CO2濃度含量雖存在差異，但不成為限制其產(chǎn)量形成的主要因子。從光合特征參數(shù)間的相關(guān)性可以看出兩品種的凈光合速率與蒸騰速率、氣孔導度，蒸騰速率與氣孔導度相關(guān)性顯著，公谷61號胞間CO2濃度與蒸騰速率、氣孔導度相關(guān)性顯著，大同32號胞間CO2濃度與葉綠素相關(guān)性顯著，說明兩品種凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度間彼此影響較大，而胞間CO2濃度因品種生態(tài)類型不同，與其它光合參數(shù)間作用不同，此外，公谷61號葉綠素與凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度雖存在正相關(guān)，但均不顯著，而大同32號僅與葉綠素顯著正相關(guān)，說明兩品種在不同處理下葉綠素含量對其光合作用的影響不同。

表2 不同處理下谷子產(chǎn)量、光合特征參數(shù)間的相關(guān)性

注 Note：*表示顯著水平(P<0.05) represents 0.05 significant level；**表示極顯著水平(P<0.01) represents 0.01 significant level.Pn: Photosynthetic rate,Tr: Transpiration rate,Gs: Stomatal conductance,Ci: Intercellular CO2concentration, Chl: Chlorophyll.

3 討 論

3.1 谷子覆膜灌溉栽培的節(jié)水效果

谷子在我國已有8700多年的栽培歷史[19]，多分布于降雨量較少的北方，長期的進化形成了與干旱少雨的自然環(huán)境協(xié)同的抗旱特性。山侖等[20]比較研究了糜子、谷子、高梁和玉米在種子吸脹、萌發(fā)、胚芽伸長和出土以及種苗初期生長各不同成苗階段的抗旱性及需水條件，結(jié)果表明 ,四種作物出土以后,高粱和谷子幼苗的耐萎蔫能力優(yōu)于玉米和糜子。古世祿等[21]比較發(fā)現(xiàn)谷子的水分利用效率比其他主要糧食作物都高,平均每消耗1 kg水分形成干物質(zhì)3.89 g，比大麥高106.9%，比小麥高98.5%，比玉米高43.5%，比高粱高18.6%。梁宗鎖等[22]在甘肅民勤干旱沙漠綠州區(qū)采用隔溝交替灌溉方式，研究了CRAI在大田條件下玉米生長、根系分布和對產(chǎn)量的影響及其節(jié)水效應(yīng)，結(jié)果表明灌溉用水量為1 575 m3·hm-2，不引起產(chǎn)量下降；楊曉亞等[23]在常年降雨量為500～700 mm的黃淮海地區(qū)，以小麥品種濟麥20為材料，在田間試驗條件下研究了不同灌水處理對小麥的耗水特性和氮素積累分配的影響，結(jié)果顯示，拔節(jié)期、開花期和灌漿期分別灌30 mm水，總灌水約900 m3·hm-2為高產(chǎn)節(jié)水的最佳灌水處理。可以看出主要作物在不同生態(tài)環(huán)境下的節(jié)水栽培技術(shù)亦需較高的灌水量。本研究在敦煌極度干旱條件下，發(fā)現(xiàn)在播前土壤含水量為15%情況下覆膜種植谷子，生育期內(nèi)不灌水，亦有1 491.41～1 554.74 kg·hm-2的產(chǎn)量，說明谷子是禾谷類作物中具有較好的耐旱、較高水分利用率的作物。

3.2 谷子在調(diào)節(jié)敦煌綠洲區(qū)經(jīng)濟作物種植結(jié)構(gòu)中的前景

敦煌水資源問題已成為限制其發(fā)展的重要自然因素[24]，而以灌溉為主的敦煌綠洲農(nóng)業(yè)又以耗水量較高的葡萄、棉花、瓜類等為主要栽培作物，加之其年降雨量少、日蒸發(fā)量大[25]，節(jié)水栽培技術(shù)較落后，表現(xiàn)出農(nóng)業(yè)水資源利用效率低的特征，因此調(diào)整其經(jīng)濟作物結(jié)構(gòu)，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)對敦煌綠洲農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。谷子是我國古老的糧飼兼用作物，有較高的水分利用效率的一種C4作物，富含粗蛋白、必需氨基酸、粗脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)，具有抗旱、耐鹽堿的特性[26]。近年來，隨著人們飲食結(jié)構(gòu)的調(diào)整，谷子備受親睞，市場需求較大，因此可成為敦煌經(jīng)濟作物結(jié)構(gòu)調(diào)整的理想作物。谷子覆膜栽培已是干旱半干旱區(qū)一項成熟的栽培技術(shù)，研究者發(fā)現(xiàn)覆膜可有效提高土壤溫度，減少蒸發(fā)，具有明顯的增溫保水效應(yīng)，顯著的促進作物生長發(fā)育[27]。Zhao等[17]發(fā)現(xiàn)在敦煌覆膜栽培結(jié)合播前只澆一次水(1 200 m3·hm-2)的情況下,抗旱性較強的13DH2、13DH3、13DH8 和13DH9 4個組合的產(chǎn)量高于3 000 kg·hm-2，本研究發(fā)現(xiàn)在播前統(tǒng)一灌一次底墑水(600 m3·hm-2)的情況下，抽穗期灌600 m3·hm-2的水較生育期內(nèi)不灌水有效的改善了谷子光合特性、農(nóng)藝性狀，顯著的提高了常規(guī)谷子的產(chǎn)量，產(chǎn)量高達4 554.23～4 872.24 kg·hm-2，且較拔節(jié)期灌600 m3·hm-2水、灌漿期灌600 m3·hm-2水效果均明顯。從市場需求及覆膜節(jié)水兩方面可以看出，谷子在敦煌經(jīng)濟作物結(jié)構(gòu)調(diào)整中有著較好的前景。

4 結(jié) 論

谷子是一種耐旱且水分利用率較高的禾谷類作物，在敦煌灌溉綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，播前灌600 m3·hm-2底墑水的情況下，全膜覆蓋結(jié)合抽穗期補灌600 m3·hm-2水的栽培技術(shù)種植谷子，既節(jié)約灌溉用水，緩解水資源壓力，又避免了生育中期干旱造成的減產(chǎn)，保證谷子穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，是敦煌綠洲區(qū)極度干旱條件下經(jīng)濟作物結(jié)構(gòu)調(diào)整的理想作物。

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Effect of supplemental irrigation on photosynthetic characteristics,agronomic traits and yield of foxtail millet under condition of film mulching in Dunhuang oasis

LIU Tian-peng1, HE Ji-hong1, DONG Kong-jun1, REN Rui-yu1, ZHANG Lei1, XU Yan2, YANG Tian-yu1,2

(1.CropResearchInstitute,GansuProvincialAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou,Gansu730070,China;2.CollegeofLifeScienceandTechnology,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

In Dunhuang oasis area where annual rainfall is less than 40 mm, a split plot experiment was conducted to explore the effect of irrigation at jointing, heading and filling stages on the photosynthetic characteristics, agronomic traits and yield of foxtail millet (SetariaitalicaL.) under the condition of film mulching. Results showed that, under the condition of identical irrigation with 600 m3·hm-2water before planting, the photosynthetic rate (Pn), transpiration rate (Tr), stomatal conductance (Gs) and chlorophyll content of foxtail millet in the treatment of heading stage irrigation with 600 m3·hm-2water (A3) were significantly higher than those in the treatments of no irrigation (A1), jointing stage irrigation with 600 m3·hm-2water (A2) and filling stage irrigation with 600 m3·hm-2water (A4). Intercellular CO2concentration (Ci) was also much different among different treatments, being affected by different cultivars. Compared with A1, A2 and A4, the treatment of A3 promoted heading time remarkably, increased plant height, main spike length, spike weight per plant, grain weight per plant and straw weight per plant significantly, and raised yield very significantly. Correlation analysis showed that photosynthetic rate, transpiration rate, stomatal conductance and chlorophyll content were significantly positively correlated with yield, while photosynthetic rate, transpiration rate and stomatal conductance were very significantly correlated with each other.

foxtail millet; irrigation; photosynthetic characteristics; agronomic traits; yield

1000-7601(2017)02-0068-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.12

2015-11-19基金項目：國家科技支撐項目課題(2013BAD01B05-9、2014BAD07B01-01)；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-07-12.5-A5)

劉天鵬(1987—)，男，碩士，研究實習員，研究方向為作物生態(tài)生理。 E-mail:13993184051@163.com。

楊天育(1968—)，研究員，主要從事小雜糧遺傳育種與栽培研究。 E-mail:13519638111@163.com。

S343.1

A