水分脅迫對沙漠開發(fā)區(qū)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(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)開放實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730020；2.甘肅省武威市氣象局農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，甘肅武威 733000)

甜高粱(Sorghumbicolor)因其具有生物產(chǎn)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(yù)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(jià)上漲和糧食安全問題，適應(yīng)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(zhì)能源發(fā)展原則，所以發(fā)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(guān)研究也表明，地理環(huán)境與甜高粱生物量和產(chǎn)糖量有很大關(guān)系，積溫、降水對生物量具有顯著影響，而氣溫變化和日照時(shí)間則顯著影響含糖量；晝夜溫差大，降水充沛，太陽輻射強(qiáng)的地方甜高粱的產(chǎn)量高，產(chǎn)糖量也高[7-9]。河西走廊有大片沙漠治理區(qū)需要改良保護(hù)，土壤以風(fēng)沙土、灰棕漠土為主，沙性大，土體疏松，土壤養(yǎng)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(qū)栽培的重點(diǎn)潛力作物[10-12]。且隨著河西走廊設(shè)施牛、羊養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展壯大和封山禁牧政策的落實(shí)，飼料短缺已成為畜牧業(yè)發(fā)展的瓶頸因素，尤其是青貯飼料的儲(chǔ)備。邊際地帶發(fā)展甜高粱種植，成為解決優(yōu)質(zhì)飼草的關(guān)鍵[13-16]。本試驗(yàn)重點(diǎn)解決尋找河西適宜種植甜高粱的生態(tài)氣候優(yōu)勢帶，為政府和有關(guān)生產(chǎn)單位在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模和基地規(guī)劃建設(shè)以及優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方面提供科學(xué)依據(jù)，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(yàn)區(qū)概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在甘肅省武威荒漠生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(37°53′N、102°53′E)進(jìn)行，試驗(yàn)田地處騰格里沙漠邊緣，為典型的內(nèi)陸荒漠干旱氣候區(qū)，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(zhì)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(jī)質(zhì)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(yàn)于2016年進(jìn)行，大田試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)排列，播種量、株距和田間管理一致。試驗(yàn)品種為甜高粱BJ0603，2016年4月20日播種，采用小型播種機(jī)播種。試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jié)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(shè)3個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)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(shí)追施尿素225 kg/hm2。甜高粱試驗(yàn)期內(nèi)累計(jì)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(jù)中國氣象局《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[17]進(jìn)行觀測，甜高粱生長期間每個(gè)重復(fù)固定10株，每7 d觀測1次發(fā)育期、生長高度、土壤濕度、葉面積、植株干質(zhì)量、鮮質(zhì)量，每處理隨機(jī)選取1 m2觀測產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成。

1.2 統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel和DPS統(tǒng)計(jì)軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析處理。采用STATISTICA 6.0統(tǒng)計(jì)軟件，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫對甜高粱發(fā)育期的影響

大田甜高粱出苗天數(shù)為14～15 d，苗期達(dá)59～63 d，全生育期為147～151 d。水分脅迫對甜高粱發(fā)育期的影響從分蘗期開始表現(xiàn)(表1)，水分脅迫條件下，分蘗期提前2 d，7葉期和拔節(jié)期分別提前4 d，成熟期提前5 d。苗期(出苗期—拔節(jié)期)以根為生長中心，是甜高粱扎根、長葉和分化莖節(jié)的關(guān)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(jié)期縮短 1 d；生殖生長階段(拔節(jié)期—成熟期)，水分脅迫處理拔節(jié)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(dá)到極顯著(Fi=398.57>F0.01=16.26)，說明水分脅迫加速甜高粱的發(fā)育進(jìn)程，促使其提前成熟。

表1 不同水分處理下甜高粱發(fā)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(xiàn)“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(xiàn)≥35 ℃高溫時(shí)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(jié)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(shù)(LAI)和綠葉數(shù)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(shù)增長較快，出苗后126 d達(dá)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(shí)達(dá)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(xiàn)緩慢增加—快速增加—緩慢減小，出苗132 d后出現(xiàn)負(fù)增長率，且≥35 ℃高溫時(shí)段水分脅迫處理LAI增長率出現(xiàn)負(fù)值，高溫加劇了干旱脅迫。隨著甜高粱的生長發(fā)育進(jìn)程，2處理間差異逐漸顯現(xiàn)(P<0.01)，水分脅迫處理的甜高粱葉片表現(xiàn)為狹長型，葉寬小于正常灌水0.1～0.5 cm。

葉片數(shù)量直接影響作物光合作用的進(jìn)行。2種處理下，綠葉數(shù)呈快速增多—緩慢減少，出現(xiàn)2葉至5葉的時(shí)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(shù)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(shù)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(zhì)積累分配的影響

干物質(zhì)的形成受群體密度、結(jié)構(gòu)、葉面積和土壤水分等因素影響，在不同階段不同小氣候環(huán)境下不盡相同，但是在干旱區(qū)仍以水分因子占主導(dǎo)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(zhì)差異不大。第1次灌水后，不同水分處理對干物質(zhì)的影響也并未立即顯現(xiàn)出來，當(dāng)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(dǎo)致干物質(zhì)明顯減小，從出苗后84 d開始，干物質(zhì)差異顯著，水分脅迫甜高粱單株干物質(zhì)較正常灌水的偏小6.6～33.6 g/株，出現(xiàn)高溫天氣時(shí)段兩者相差減小。2處理間方差分析結(jié)果顯示，差異極顯著(Fi=15.52>F0.01=8.28)。從發(fā)育階段和水分脅迫對干物質(zhì)影響的方差分析看，拔節(jié)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(jié)后是植株快速生長、干物質(zhì)積累和品質(zhì)形成關(guān)鍵期，耗水多，且此時(shí)是高溫、干旱多發(fā)期，需充分灌溉才能保證高產(chǎn)、高品質(zhì)。

植株在不同生育階段，葉、鞘、莖和果實(shí)所占比例不同。由圖4可見，甜高粱在苗期葉片的干物質(zhì)所占比重最大，但隨生育進(jìn)程，葉片的干物質(zhì)分配率呈直線型下降趨勢，苗期葉片分配率達(dá)70%～81%，到刈割期下降至30%～35%；葉鞘的干物質(zhì)分配率在整個(gè)生育期呈單峰型變化趨勢，苗期占到18%～20%，拔節(jié)期達(dá)到峰值占30%～33%，刈割期僅占到12%～16%；莖的干物質(zhì)分配率在整個(gè)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(dá)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(jié)后干物質(zhì)向葉片和葉鞘分配轉(zhuǎn)移減小，加速向莖部轉(zhuǎn)移，且影響加大。

2.5 水分脅迫對甜高粱產(chǎn)量性狀的影響

由表2可見，收獲時(shí)，水分脅迫處理對甜高粱產(chǎn)量性狀有較大影響，2種處理間除總?cè)~數(shù)和莖節(jié)數(shù)差異不顯著外，其余產(chǎn)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(shù)和總?cè)~數(shù)分別偏少33.3%、10.2%，含糖量偏小28.4%，莖節(jié)數(shù)偏少 9.1%，單位面積鮮質(zhì)量產(chǎn)量偏小38.5%。

表2 甜高粱收獲時(shí)產(chǎn)量性狀及鮮質(zhì)量產(chǎn)量

注：同列數(shù)據(jù)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(jié)論與討論

水分脅迫加速甜高粱的發(fā)育進(jìn)程，縮短其生命周期，降低產(chǎn)量，影響各生育指標(biāo)，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(shù)減小，綠葉數(shù)減少，植株光合作用積累有機(jī)物的時(shí)間縮短，生物量也減小，降低單株產(chǎn)量，影響甜高粱營養(yǎng)物質(zhì)分配轉(zhuǎn)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(fā)育期、高度、葉面積和干物質(zhì)等差異不大。甜高粱進(jìn)入7～8葉期時(shí)，植株生長轉(zhuǎn)入莖節(jié)快速分化的伸長期。對降水稀少的干旱區(qū)而言，拔節(jié)期后進(jìn)入新陳代謝旺盛期，是需水關(guān)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(shù)減小25%～45%，綠葉數(shù)偏少0.5～1.5張，積累的單株干物質(zhì)偏小13%～27%，營養(yǎng)物質(zhì)向葉片、葉鞘分配轉(zhuǎn)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(yīng)非常敏感，水分脅迫下植株外部形態(tài)指標(biāo)與正常灌水差異達(dá)到極顯著水平，高度相差達(dá)20～39 cm，葉面積指數(shù)相差2.02～2.12，綠葉數(shù)相差達(dá)2～3張葉，干物質(zhì)相差幅度達(dá)25%～40%，養(yǎng)分運(yùn)輸中心轉(zhuǎn)向莖稈。成熟刈割時(shí)，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(shù)和總?cè)~數(shù)分別少2.8、1.0張，含糖量偏小1.78百分點(diǎn)，莖節(jié)數(shù)少0.5節(jié)，單位面積鮮質(zhì)量產(chǎn)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(jié)期后影響加大，最終導(dǎo)致產(chǎn)量大幅降低。河西走廊荒漠開發(fā)區(qū)具有日照充足、氣溫日較差大、光熱水匹配較好的氣候特點(diǎn)，且有大片需開發(fā)的沙荒地，適合甜高粱產(chǎn)業(yè)發(fā)展。對不能保證灌溉的區(qū)域，可以作為青綠飼料進(jìn)行2茬刈割，頭茬在拔節(jié)期株高150 cm左右時(shí)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。