水分脅迫對沙漠開發區飼用甜高粱生長的影響

蔣菊芳，齊 月，李 英，魏育國，李興宇

(1.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所/甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室/中國氣象局干旱氣候變化與減災開放實驗室，甘肅蘭州 730020；2.甘肅省武威市氣象局農業氣象試驗站，甘肅武威 733000)

甜高粱(Sorghumbicolor)因其具有生物產量高、含糖量高、生長周期短、抗旱、耐鹽堿和耐貧瘠等特性，被譽為“最具潛力的能源作物之一”[1-3]。針對利用能源植物帶來的糧價上漲和糧食安全問題，適應我國人多耕地少的國情，我國制定了“不與民爭糧，不與糧爭地”的生物質能源發展原則，所以發展能源植物不得不選擇能生長在邊際性貧瘠土壤的非糧作物[4-6]。相關研究也表明，地理環境與甜高粱生物量和產糖量有很大關系，積溫、降水對生物量具有顯著影響，而氣溫變化和日照時間則顯著影響含糖量；晝夜溫差大，降水充沛，太陽輻射強的地方甜高粱的產量高，產糖量也高[7-9]。河西走廊有大片沙漠治理區需要改良保護，土壤以風沙土、灰棕漠土為主，沙性大，土體疏松，土壤養分極度貧乏，漏水漏肥，不適宜種植糧食作物，而抗旱、耐鹽堿的甜高粱就成為河西走廊沙漠治理區栽培的重點潛力作物[10-12]。且隨著河西走廊設施牛、羊養殖業的迅速發展壯大和封山禁牧政策的落實，飼料短缺已成為畜牧業發展的瓶頸因素，尤其是青貯飼料的儲備。邊際地帶發展甜高粱種植，成為解決優質飼草的關鍵[13-16]。本試驗重點解決尋找河西適宜種植甜高粱的生態氣候優勢帶，為政府和有關生產單位在擴大生產規模和基地規劃建設以及優化種植結構調整方面提供科學依據，避免盲目種植和種植效益不高的問題。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況及試驗設計

試驗在甘肅省武威荒漠生態與農業氣象試驗站(37°53′N、102°53′E)進行，試驗田地處騰格里沙漠邊緣，為典型的內陸荒漠干旱氣候區，海拔1 534.8 m。年均氣溫8.1 ℃，年平均降水量171 mm左右，且主要集中在6—9月；土壤質地為沙壤土，呈微堿性；地下水位25～36 m，一般采用井水漫灌；有機質含量0.7%，10～50 cm土壤容重1.45～1.49 g/cm3，田間持水量9.5%～19.6%，凋萎濕度5.4%～6.3%。

田間試驗于2016年進行，大田試驗小區隨機排列，播種量、株距和田間管理一致。試驗品種為甜高粱BJ0603，2016年4月20日播種，采用小型播種機播種。試驗設計為正常灌水處理：灌溉模式灌溉4水，不遮雨，6月11日澆頭水，灌溉量1 000 m3/hm2；7月6日澆拔節水，灌溉量1 200 m3/hm2；7月28日澆第3次水，灌溉量1 200 m3/hm2；8月21日澆第4次水，灌溉量800 m3/hm2。水分脅迫處理：不遮雨，4月10日只灌1次底墑水，灌溉量1 800 m3/hm2。每種處理設3個重復，試驗田面積均為65 m2，行株距25 cm×30 cm，播種深度10～20 cm。播種前施尿素225 kg/hm2，磷酸二銨 187.5 kg/hm2，灌第3次水時追施尿素225 kg/hm2。甜高粱試驗期內累計降水量為120.3 mm，平均氣溫18.5 ℃，平均最高氣溫26.4 ℃，平均最低氣溫10.7 ℃。根據中國氣象局《農業氣象觀測規范》[17]進行觀測，甜高粱生長期間每個重復固定10株，每7 d觀測1次發育期、生長高度、土壤濕度、葉面積、植株干質量、鮮質量，每處理隨機選取1 m2觀測產量及產量構成。

1.2 統計與分析

采用Excel和DPS統計軟件對試驗數據進行相關分析處理。采用STATISTICA 6.0統計軟件，對試驗數據進行單因素方差分析(ANOVA)，利用最小顯著性差異(LSD)多重比較方法，對不同處理之間的差異性進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 水分脅迫對甜高粱發育期的影響

大田甜高粱出苗天數為14～15 d，苗期達59～63 d，全生育期為147～151 d。水分脅迫對甜高粱發育期的影響從分蘗期開始表現(表1)，水分脅迫條件下，分蘗期提前2 d，7葉期和拔節期分別提前4 d，成熟期提前5 d。苗期(出苗期—拔節期)以根為生長中心，是甜高粱扎根、長葉和分化莖節的關鍵生長階段，水分脅迫處理下，出苗—分蘗較正常灌水縮短 2 d，3～7葉期縮短4 d，分蘗期—拔節期縮短 1 d；生殖生長階段(拔節期—成熟期)，水分脅迫處理拔節期—成熟期縮短1 d，全生育期縮短5 d。方差分析顯示，處理間差異達到極顯著(Fi=398.57>F0.01=16.26)，說明水分脅迫加速甜高粱的發育進程，促使其提前成熟。

表1 不同水分處理下甜高粱發育期的變化(月-日)

2.2 水分脅迫對甜高粱生長高度的影響

不同水分處理下，甜高粱植株生長高度均呈近似“S”形曲線，全生育期株高生長速度呈現“慢—快—慢”的變化趨勢(圖1)。水分脅迫對甜高粱生長高度前期影響較小，后期影響明顯。出苗后3～57 d水分脅迫處理的甜高粱株高較正常灌水偏小0.4～7.8 cm，日增高速率水分脅迫較正常灌水偏小0.06～0.25 cm/d；出苗后63～137 d 2處理間株高相差19.8～39.0 cm，日增高速率相差0.26～0.48 cm/d，在出現≥35 ℃高溫時段生長速率明顯減小，日增高速率相差減小為 0.18 cm/d。方差分析結果表明，2種處理間存在極顯著性差異(Fi=78.27>F0.01=8.10)，水分脅迫下甜高粱生長高度和日增長速度在出苗63 d后均顯著低于正常灌水的甜高粱。

2.3 水分脅迫對甜高粱葉面積指數(LAI)和綠葉數的影響

由圖2可知，不同水分處理下，大田甜高粱苗期葉面積指數增長較快，出苗后126 d達到高峰，之后隨著下部葉片枯黃緩慢下降。出苗41～84 d正常灌水的甜高粱LAI為0.15～1.84，出苗98～137 d時達3.39～4.93；而水分脅迫的甜高粱LAI出苗41～84 d為0.08～1.68，出苗98～137 d為2.03～2.72；前期正常灌水較水分脅迫處理偏大0.06～0.60，后期偏大1.26～2.21。LAI增長率呈現緩慢增加—快速增加—緩慢減小，出苗132 d后出現負增長率，且≥35 ℃高溫時段水分脅迫處理LAI增長率出現負值，高溫加劇了干旱脅迫。隨著甜高粱的生長發育進程，2處理間差異逐漸顯現(P<0.01)，水分脅迫處理的甜高粱葉片表現為狹長型，葉寬小于正常灌水0.1～0.5 cm。

葉片數量直接影響作物光合作用的進行。2種處理下，綠葉數呈快速增多—緩慢減少，出現2葉至5葉的時間和間隔期基本一致，隨著甜高粱植株生長所需水分的增加，正常灌水的葉片數和出葉速率明顯高于水分脅迫處理，出苗30 d后正常灌水葉片數多0.5～3.0張，出葉速率偏高0.01～0.03張/d，處理間差異極顯著(P<0.01)。

2.4 水分脅迫對甜高粱干物質積累分配的影響

干物質的形成受群體密度、結構、葉面積和土壤水分等因素影響，在不同階段不同小氣候環境下不盡相同，但是在干旱區仍以水分因子占主導作用。由圖3可見，在苗期土壤水分條件相差較小，不同水分處理間干物質差異不大。第1次灌水后，不同水分處理對干物質的影響也并未立即顯現出來，當土壤水分下降到一定閾值，水分脅迫處理下甜高粱植株生長速率減慢，葉片生理功能衰減，導致干物質明顯減小，從出苗后84 d開始，干物質差異顯著，水分脅迫甜高粱單株干物質較正常灌水的偏小6.6～33.6 g/株，出現高溫天氣時段兩者相差減小。2處理間方差分析結果顯示，差異極顯著(Fi=15.52>F0.01=8.28)。從發育階段和水分脅迫對干物質影響的方差分析看，拔節期至糖分積累期(出苗后72～112 d)差異極顯著，反映出3葉至8葉期水分需求較小，可以限量灌溉，而拔節后是植株快速生長、干物質積累和品質形成關鍵期，耗水多，且此時是高溫、干旱多發期，需充分灌溉才能保證高產、高品質。

植株在不同生育階段，葉、鞘、莖和果實所占比例不同。由圖4可見，甜高粱在苗期葉片的干物質所占比重最大，但隨生育進程，葉片的干物質分配率呈直線型下降趨勢，苗期葉片分配率達70%～81%，到刈割期下降至30%～35%；葉鞘的干物質分配率在整個生育期呈單峰型變化趨勢，苗期占到18%～20%，拔節期達到峰值占30%～33%，刈割期僅占到12%～16%；莖的干物質分配率在整個生育期呈直線增大趨勢，與葉片相反，苗期分配率僅3%～11%，到刈割期增大至51%～57%。方差分析顯示，2處理間差異均達到極顯著水平(F葉=165.1>F鞘=79.6>F莖=10.9>F0.01=8.4)。受水分脅迫影響，拔節后干物質向葉片和葉鞘分配轉移減小，加速向莖部轉移，且影響加大。

2.5 水分脅迫對甜高粱產量性狀的影響

由表2可見，收獲時，水分脅迫處理對甜高粱產量性狀有較大影響，2種處理間除總葉數和莖節數差異不顯著外，其余產量性狀存在顯著和極顯著差異。與正常灌水相比，水分脅迫處理株高、主莖粗偏小15.4%、19.7%，綠葉數和總葉數分別偏少33.3%、10.2%，含糖量偏小28.4%，莖節數偏少 9.1%，單位面積鮮質量產量偏小38.5%。

表2 甜高粱收獲時產量性狀及鮮質量產量

注：同列數據后不同小寫、大寫字母分別表示處理間差異顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.01)。

3 結論與討論

水分脅迫加速甜高粱的發育進程，縮短其生命周期，降低產量，影響各生育指標，尤其是甜高粱生長后期，與正常灌水差異顯著。水分脅迫處理不僅影響甜高粱生育期，還造成生長速度減緩，高度、葉面積指數減小，綠葉數減少，植株光合作用積累有機物的時間縮短，生物量也減小，降低單株產量，影響甜高粱營養物質分配轉移和含糖量的提高。

由于播前底墑處理及田間管理一致，甜高粱生育初期土壤水分條件基本處于同一水平，苗期耗水少，以扎根、長葉為主，發育期、高度、葉面積和干物質等差異不大。甜高粱進入7～8葉期時，植株生長轉入莖節快速分化的伸長期。對降水稀少的干旱區而言，拔節期后進入新陳代謝旺盛期，是需水關鍵期，水分脅迫造成水分不足，生育期提前4 d，生長高度較正常灌水減小12%～20%，葉面積指數減小25%～45%，綠葉數偏少0.5～1.5張，積累的單株干物質偏小13%～27%，營養物質向葉片、葉鞘分配轉移的速度明顯下降。出苗后98～126 d，甜高粱植株處于水分臨界期，對水分反應非常敏感，水分脅迫下植株外部形態指標與正常灌水差異達到極顯著水平，高度相差達20～39 cm，葉面積指數相差2.02～2.12，綠葉數相差達2～3張葉，干物質相差幅度達25%～40%，養分運輸中心轉向莖稈。成熟刈割時，2種處理差異顯著，水分脅迫處理株高偏小50.6 cm、主莖粗偏小3.0 mm，綠葉數和總葉數分別少2.8、1.0張，含糖量偏小1.78百分點，莖節數少0.5節，單位面積鮮質量產量偏小36 733 kg/hm2。

綜上所述，水分脅迫對甜高粱苗期影響較小，拔節期后影響加大，最終導致產量大幅降低。河西走廊荒漠開發區具有日照充足、氣溫日較差大、光熱水匹配較好的氣候特點，且有大片需開發的沙荒地，適合甜高粱產業發展。對不能保證灌溉的區域，可以作為青綠飼料進行2茬刈割，頭茬在拔節期株高150 cm左右時收割，留茬高度10 cm左右；第2茬在9月中旬至下旬早霜來臨之前收獲。