王增麗,樊曉康,溫廣貴
(1.武威市中心灌溉試驗(yàn)站, 甘肅 武威 733000; 2.甘肅省武威職業(yè)學(xué)院, 甘肅 武威 733000)
覆膜畦灌條件下不同灌溉定額對(duì)飼用甜高粱農(nóng)藝性狀及生物產(chǎn)量的影響
王增麗1,樊曉康1,溫廣貴2
(1.武威市中心灌溉試驗(yàn)站, 甘肅 武威 733000; 2.甘肅省武威職業(yè)學(xué)院, 甘肅 武威 733000)
為探索西北旱區(qū)飼用甜高粱最佳灌溉定額和節(jié)水效果,進(jìn)行了覆膜畦灌條件下飼用甜高粱需水規(guī)律及優(yōu)化灌溉制度試驗(yàn),研究了不同灌溉定額(2 400、3 000、3 600、4 200、4 800 m3·hm-2) 條件下,飼用甜高粱生育期土壤水分變化情況、農(nóng)藝性狀及生物產(chǎn)量變化。結(jié)果表明,甜高粱生育期0~100 cm土層含水量隨生育期的延長呈先降低后升高的趨勢,灌水定額對(duì)土壤水分分布的影響發(fā)生在播后62 d。當(dāng)灌溉定額小于2 400 m3·hm-2時(shí),嚴(yán)重影響甜高粱長勢,植株表現(xiàn)為矮小,莖稈增粗,干物質(zhì)累積量降低。隨灌溉定額的降低,甜高粱莖稈汁液的含糖量呈提高的趨勢。甜高粱生物產(chǎn)量的增加是由于株高(R2=0.97)、LAI(R2=0.81)、莖節(jié)數(shù)(R2=0.59)等因素共同作用的結(jié)果。從節(jié)水和增加生物量角度而言,畦灌條件下,甜高粱在全生育期灌水4次,灌水定額為900 m3·hm-2,灌溉定額為3 600 m3·hm-2的灌溉制度最優(yōu)。
飼用甜高粱;灌溉定額;農(nóng)藝性狀;生物產(chǎn)量;覆膜畦灌
甜高粱又稱糖高粱,屬于C4作物,是粒用高粱的變種,具有抗旱、耐鹽堿、耐瘠薄、綜合利用價(jià)值高等特點(diǎn),適宜在鹽堿干旱等邊際土地種植[1-2]。種植甜高粱不僅可以解決畜牧業(yè)的飼料問題、生物能源原材料問題,還能有效提高干旱半干旱地區(qū)邊際土地利用率[3-4]。
目前,關(guān)于甜高粱節(jié)水抗旱方面的研究較多。Amaducci、Dolciotti等研究結(jié)果表明,甜高粱地上部生物產(chǎn)量中莖稈生物占的比重最大[5-6]。Marcello在地中海地區(qū)的研究結(jié)果表明,在甜高粱生育前期進(jìn)行水分脅迫會(huì)抑制甜高粱生長發(fā)育,進(jìn)而導(dǎo)致生物量減產(chǎn)[7]。然而過多的灌溉也不利于作物產(chǎn)量提高,而且還導(dǎo)致作物營養(yǎng)品質(zhì)的下降[8]。有研究結(jié)果表明,在作物苗期進(jìn)行適當(dāng)控水具有改善籽仁營養(yǎng)品質(zhì)的作用[9]。
我國干旱半干旱地區(qū)光照資源充足,晝夜溫差大,有利于甜高粱莖稈糖分積累;土地資源豐富,有利于甜高粱規(guī)?;N植。因此,作為一種高效節(jié)水型作物和優(yōu)質(zhì)飼草作物,在干旱半干旱地區(qū)大力推廣種植甜高粱符合我國發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)的要求。但目前,我國關(guān)于甜高粱的研究主要集中于東部等氣候濕潤地區(qū),而對(duì)干旱半干旱區(qū)甜高粱需水規(guī)律的研究較少,更沒有提出合理的灌溉制度來指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
基于此,本研究在前人工作的基礎(chǔ)上,對(duì)石羊河流域甜高粱節(jié)水高效灌溉技術(shù)模式進(jìn)行田間試驗(yàn),研究不同灌溉定額對(duì)甜高粱農(nóng)藝性狀、生物產(chǎn)量、品質(zhì)以及水分利用效率的影響,了解甜高粱需水規(guī)律及生產(chǎn)潛力,提出最優(yōu)灌溉制度,為發(fā)展甜高粱產(chǎn)業(yè)提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。
1.1 試驗(yàn)地概況
該研究于2015年4月—10月在武威市中心灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行,地理位置東經(jīng)102°50′50″,北緯37°52′20″,海拔1 582 m,為典型內(nèi)陸性干旱荒漠生態(tài)區(qū)。年均降水量163.2 mm,多年平均蒸發(fā)量2 019.9 mm,土壤干容重1.54 g·cm-3,土壤質(zhì)地為灰鈣質(zhì)粉質(zhì)壤土,田間持水率為30%。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法
試驗(yàn)采用甜高粱品種為BJ0603,于2015年4月23日播種,同年9月28日收獲。試驗(yàn)共設(shè)置5種灌水定額(其中:T1處理為重度干旱,T2、T3為輕度干旱,T4、T5處理為水分充盈),每處理重復(fù)3次,共計(jì)15個(gè)小區(qū)。在旋耕整地前進(jìn)行春灌,灌溉定額為900 m3·hm-2,并施入基肥:尿素300 kg·hm-2,磷酸二氫銨525 kg·hm-2,K肥150 kg·hm-2,Zn肥30 kg·hm-2。播前按照試驗(yàn)要求設(shè)置小區(qū)后進(jìn)行覆膜,膜寬1.40 m,種植方式為一膜四行。采用穴播機(jī)進(jìn)行播種,行距40 cm,株距20 cm,小區(qū)面積為68 m2(10 m×6.8 m),周圍布置1 m寬的保護(hù)帶。在7月上旬隨水追施尿素1次,追肥量195 kg·hm-2。灌溉水源來自試驗(yàn)站內(nèi)水井。為保證灌水量準(zhǔn)確,水管直接通至每小區(qū),并在出水口安裝水表進(jìn)行計(jì)量。
表1 甜高粱灌溉定額設(shè)置
1.3 測定項(xiàng)目與內(nèi)容
1.3.1 土壤水分測定 土壤水分測定采用烘干法,土壤深度為0~100 cm,分[0,20],(20,40),(40,60],(60,80],(80,100] cm 5層進(jìn)行測定,生育期每隔15 d測定1次,灌水、降雨前后加測,測點(diǎn)布置在行間。
1.3.2 農(nóng)藝性狀測定 每小區(qū)選取5穴有代表性、長勢一致的植株進(jìn)行掛牌標(biāo)記。自播后40 d左右開始,每隔15 d采用直尺法測定株高、莖粗、葉面積。采用烘干稱重法測定不同生育期甜高粱干物質(zhì)累積量。
1.3.3 水分利用效率計(jì)算 作物收獲后,各小區(qū)取3穴株進(jìn)行考種??疾焯鸶吡恢旮?、莖粗、葉面積指數(shù)、莖稈含糖量及生物量鮮干重。并根據(jù)以下公式計(jì)算作物耗水量和水分利用效率。
采用農(nóng)田土壤水量平衡公式進(jìn)行耗水量計(jì)算。由于該試驗(yàn)田地下水埋深在40 m以下,可視地下水補(bǔ)給量為0,降水入滲深度不超過1 m,可視深層滲漏為0。作物生長所需水分主要來源灌溉水和降雨。
Ec=P+I-ΔW
(1)
WUE=Y/Ec
(2)
式中,Ec為作物生育期耗水量(mm);P為生育期降水量(mm);I為生育期內(nèi)灌溉量(mm);ΔW為作物生育期土壤蓄水變化量(mm)。WUE為水分利用效率(kg·m-3);Y為干生物產(chǎn)量(kg·hm-2)。
1.3.4 降雨及氣象資料 作物生育期氣象資料由武威市中心灌溉試驗(yàn)站自動(dòng)氣象站獲取,甜高粱生育期降雨量147.2mm,有效降雨量112.6mm。
1.4 數(shù)據(jù)處理
采用Excel及SPSS15.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,利用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。
2.1 不同灌水定額對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)變化的影響
不同處理甜高粱生育期0~100 cm土壤水分動(dòng)態(tài)變化見圖1。由圖可知,在生育前期,各處理土壤水分含量呈連續(xù)下降的趨勢。到播后62 d,灌水和灌水后土壤才呈現(xiàn)短暫上升趨勢,隨后隨著甜高粱蒸騰強(qiáng)度加大,水分含量呈快速下降趨勢。到播后116 d,0~100 cm土層土壤含水量降到最低值,各處理含水率為12.99%~14.33%。之后因降雨增多,土壤含水量又呈上升的趨勢。
為進(jìn)一步分析不同生育期土壤含水量0~100 cm動(dòng)態(tài)變化,將播后不同時(shí)段土壤含水量變化繪于圖2。由圖可知,播后20 d,各處理土壤含水量變化曲線出現(xiàn)交叉、重疊,表明土壤含水量變化規(guī)律基本一致:均隨土壤深度的增加呈先增加后降低的趨勢。播后62 d,處理間土壤含水量差異在20~80 cm土層內(nèi)明顯。其中,T1處理最低,為17.04%,T4處理最高,為19.95%。播后96 d測定結(jié)果表明,受氣溫、蒸散作用及作物根系吸水等因素影響,土壤水分含量逐漸下降,到播后116 d,土壤水分含量降到最低值。其中,淺層土壤水分含量明顯下降,增加灌水定額使土壤水分變化曲線逐漸右移,垂直剖面土壤水分含量增加明顯,各處理0~100 cm土層內(nèi)水分含量為12.99%~15.75%,其中,T1處理最低,T5處理最高。播后145 d結(jié)果表明,在降雨和灌水措施作用下,0~100 cm土壤蓄水量較前期明顯增加。各處理土壤含水量較播后116 d 分別增加2.89%~4.97%。其中,T1處理增量最小,T5處理增量最大。
圖1 不同處理土壤含水量變化
Fig.1 Change of soil water content at 0~100 cm layer
圖2 不同處理甜高粱生育期土壤剖面含水量分布
Fig.2 The distribution of water content for soil profile in sweet sorghum growth period
研究結(jié)果表明,甜高粱生育期0~100 cm土層含水量隨生育期的延長呈先降低后升高的趨勢。灌水定額對(duì)土壤水分分布的影響發(fā)生在播后62 d,且在播后96 d灌水定額影響能明顯增加0~100 cm土層水分含量。
2.2 甜高粱農(nóng)藝性狀分析
將不同處理甜高粱生育期株高變化列于表2。由表可知,從播后到131 d生長周期內(nèi),各處理株高變化規(guī)律基本一致:均呈直線上升趨勢,且在播后131 d后株高增長幅度逐漸減緩。播后158 d測定結(jié)果表明,T1、T2、T3、T4、T5處理的株高分別為286.5 cm、298.8 cm、320.0 cm、332.0 cm、324.5 cm,其中T3、T4、T5處理較T1、T2處理能明顯促進(jìn)株高生長。莖粗測定結(jié)果可知,隨灌水定額的減少,甜高粱莖粗呈增加的趨勢。播后~62 d時(shí)段內(nèi),各處理莖粗呈直線增加趨勢。62 d后莖粗的增長速率緩慢。到播后158 d,T1、T2、T3、T4、T5處理莖粗分別為31.2 mm、27.5 mm、26.1 mm、27.3 mm、27.1 mm,其中T1與其他處理差異顯著。
表2 不同處理甜高粱生育期農(nóng)藝性狀動(dòng)態(tài)變化分析
葉面積指數(shù)(Leaf Area Index,LAI)是單位種植面積上作物葉片面積的總和。LAI的大小,不僅直接影響到作物的蒸騰量,而且影響陽光照射面積的大小與作物進(jìn)行光合作用的能力。播后到76 d內(nèi),各處理LAI上升較快,之后各處理LAI增幅逐漸下降。到收獲期,甜高粱LAI大小依次為T5>T4>T3>T2>T1。其中T5處理LAI為13.06,T1處理LAI為8.71。
研究結(jié)果表明,灌溉定額對(duì)甜高粱生育期株高、莖粗、LAI的變化具有一定的影響。當(dāng)灌溉定額為2 400 m3·hm-2時(shí),嚴(yán)重影響甜高粱的營養(yǎng)生長,植株株高矮小,莖粗增加。當(dāng)灌溉定額大于4 200 m3·hm-2時(shí),對(duì)甜高粱的株高、莖粗及LAI的促進(jìn)作用減弱。
2.3 甜高粱生物產(chǎn)量、WUE分析
由圖3可知,隨灌溉定額的增加,甜高粱地上部生物量鮮重逐漸增加。T4、T5處理甜高粱鮮重分別為95.0 t·hm-2和94.3 t·hm-2,與其他處理差異顯著;T1處理地上部生物產(chǎn)量鮮、干重最低,分別為65.0 t·hm-2和18.99 t·hm-2,表明增加灌溉定額能顯著提高甜高粱生物產(chǎn)量,當(dāng)灌水定額增加到4 800 m3·hm-2時(shí),對(duì)生物量的促進(jìn)作用減弱。方差分析結(jié)果表明,與T4、T5處理相比,重度干旱脅迫下(T1),甜高粱地上生物產(chǎn)量鮮、干重均顯著降低(P<0.05),中度干旱脅迫(T2、T3處理)生物產(chǎn)量明顯增加。
圖3 不同處理飼用甜高粱產(chǎn)量分析
Fig.3 The analysis on biomass for sweet sorghum
水分利用效率(圖4)分析得出,各處理WUE大小依次為T3>T2>T1>T4>T5。其中,T3處理甜高粱WUE最高,為5.81 kg·m-3;T5處理最低,為5.10 kg·m-3。其中,T1、T2、T3處理與T4、T5處理差異分別達(dá)顯著性水平(P<0.05)。試驗(yàn)結(jié)果表明,甜高粱生育期進(jìn)行適度虧水,能顯著提高水分利用效率(WUE),綜合研究結(jié)果,甜高粱生育期灌水4次,灌水定額為900 m3·hm-2,灌溉定額為3 600 m3·hm-2的灌溉制度最優(yōu)。
圖4 不同處理飼用甜高粱WUE分析
Fig.4WUEof sweet sorghum under different treatment
2.4 甜高粱農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析
將甜高粱收獲期的株高、 莖粗、 LAI、 莖節(jié)數(shù)、 含糖量以及生物量5個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析, 結(jié)果見表3。 由表3可知, 甜高粱株高與莖粗呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=-0.75), 與LAI、 莖節(jié)數(shù)及生物量均為正相關(guān)關(guān)系, 說明甜高粱生物產(chǎn)量及各性狀的增加均與株高的變化有關(guān)。 生物產(chǎn)量與各性狀的相關(guān)性分析結(jié)果表明, 除含糖量、 莖粗外, 均為正相關(guān)關(guān)系, 說明甜高粱生物產(chǎn)量的增加是由于株高(R2=0.97)、 LAI(R2=0.81)、 莖節(jié)數(shù)(R2=0.59)等因素共同作用的結(jié)果。 莖粗、 含糖量與生物量呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.77,0.80), 表明莖粗增加和含糖量的提高, 不利于甜高粱生物量的增加。
表3 甜高粱產(chǎn)量、耗水量及產(chǎn)量特征值相關(guān)性分析
注:*,**分別表示P<0.05,P<0.01水平顯著相關(guān)。
Note: *, ** indicates significant difference atP<0.05 and 0.01 level respectively.
研究結(jié)果表明,在灌溉水和自然降水雙重作用下,甜高粱生育期0~100 cm土層含水量隨生育期的延長呈先降低后升高的趨勢。灌水定額對(duì)土壤水分分布的影響發(fā)生在播后62 d,且在播后96 d灌水定額影響能明顯增加0~100 cm土層水分含量。
灌溉定額對(duì)甜高粱生育期株高、莖粗、LAI具有一定的影響。當(dāng)灌溉定額為2 400 m3·hm-2時(shí),嚴(yán)重影響甜高粱的營養(yǎng)生長,植株表現(xiàn)為株高矮小,莖粗增加。當(dāng)灌溉定額高于4 200 m3·hm-2時(shí),對(duì)甜高粱的株高、莖粗及LAI的促進(jìn)作用差異減弱。
Salvatore[10]研究結(jié)果表明,甜高粱生育期灌溉水量減少38%,生物產(chǎn)量減少22%左右,水分利用效率增加0.95 g·L-1。本研究結(jié)果表明,灌溉水量減少11.8%時(shí),甜高粱生物產(chǎn)量降低8.4%,水分利用效率提高4.3%。謝婷婷[11]研究結(jié)果在甜高粱生育期進(jìn)行適度土壤水分虧缺,不僅有利于甜高粱生產(chǎn)力和品質(zhì)的提高,而且有利于提高作物WUE,有效節(jié)約水資源,本研究也證明了這一點(diǎn)。在重度干旱脅迫下(T1),甜高粱地上生物產(chǎn)量鮮、干重均顯著降低(P<0.05),而中度干旱處理(T2、T3)有所升高,且差異達(dá)顯著性水平(P<0.05)。
隨灌溉定額的降低,生育期甜高粱莖稈汁液糖分含量呈增加趨勢,且在成熟期達(dá)到峰值,這與再吐尼古麗·庫爾班等[12]的研究結(jié)果相一致。
本研究結(jié)合甜高粱干物質(zhì)累積量和水分利用效率結(jié)果認(rèn)為,覆膜畦灌條件下,甜高粱生育期灌水4次,灌溉定額為3 600 m3·hm-2的灌溉制度最優(yōu)。
在西北旱區(qū),覆膜栽培方式依然是西北旱區(qū)重要的保墑措施,優(yōu)化主要農(nóng)作物的灌溉方案對(duì)該區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)生產(chǎn)依然具有重要的意義,且在干旱年增產(chǎn)節(jié)水效益尤為顯著[13-16]。
[1] 盧 峰,鄒劍秋,段有厚.甜高粱莖稈含糖量及主要農(nóng)藝性狀相關(guān)性研究[J].遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,(6):1-4.
[2] 王黎明,焦少杰,蔣艷喜,等.甜高粱主要農(nóng)藝性狀的主成分分析[J].中國糖料,2012,(12):7-8.
[3] Ali M L, Rajewski J F, Baenziger P S, et al. Assessment of ge-netic diversity and relationship among a collection of US sweet sorghum germplasm by SSR markers[J]. Molecular Breeding, 2007,21(4):497-509.
[4] 張福耀,趙威軍,平俊愛.高能作物—甜高粱[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào),2006,8(1):14-17.
[5] Amaducci S, Monti A, Venturi G. Non-structural carbohydrates and fibre components in sweet and fibre sorghum as affected by low and normal input techniques[J]. Industrial Crops and Products, 2004,20(1):111-118.
[6] Dolciotti I, Mambelli S, Grandi S, et al. Comparison of two sor-ghum genotypes for sugar and fiber production[J]. Industrial Crops and Products, 1998,7(2-3):265-272.
[7] Marcello M, Nader K, Gianfranco R. Productivity and water use effciency of sweet sorghum as affected by soil water deficit occurring at different vegetative growth stages[J]. European Journal of Agronomy, 1999,11(3):207-215.
[8] 王月福,陳建華,曲健磊,等.土壤水分對(duì)小麥籽粒品質(zhì)和產(chǎn)量的影響[J].萊陽農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),2002,19(1):7-9.
[9] 嚴(yán)美玲,李向東,林英杰,等.苗期干旱脅迫對(duì)不同抗旱花生品種生理特性、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].作物學(xué)報(bào),2007,33(1):113-119.
[10] 再吐尼古麗·庫爾班,陳維維,葉 凱.不同播種期對(duì)甜高粱生育期糖分含量的影響[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,49(11):1978-1984.
[11] 解婷婷,蘇培璽.干旱脅迫對(duì)河西走廊邊緣綠洲甜高粱產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2011,19(2):300-304.
[12] Salvatore L C, Mariadaniela M, Giorgio T. Water and nitrogen balance of sweet sorghum (Sorghum bicolormoench (L.) cv. Keller under semi-arid conditions[J]. Industrial Crops and Products, 2012,36(1):329-342.
[13] Li Fengmin, Wang Ping, Wang Jun, et al. Effects of irrigation before sowing and plastic film mulching on yield and water uptake of spring wheat in semiarid Loess Plateau of China[J]. Agricultural Water Management, 2004,67(2):77-88.
[14] Li Fengmin, Guo Anhong, Wei Hong. Effects of clear plastic film mulch on yield of spring wheat[J]. Field Crops Research, 1999,63(1):79-86.
[15] Li Fengmin, Wang Jun, Xu Jinzhang, et al. Productivity and soil response to plastic film mulching durations for spring wheat on entisols in the semiarid Loess Plateau of China[J]. Soil and Tillage Research, 2004,78(1):9-20.
[16] Li Yongshan, Wu Lianghuan, Zhao Limei, et al. Influence of continuous plastic film mulching on yield, water use efficiency and soil properties of rice fields under non-flooding condition[J]. Soil and Tillage Research, 2007,93(2):370-378.
Effect of irrigation quota on agronomic trait and biomass of feeding sweet sorghum under condition of border irrigation with mulching
WANG Zeng-li1, FAN Xiao-kang1, WEN Guang-gui2
(1.WuweiCentralExperimentalIrrigationStation,Wuwei,Gansu733000,China;2.WuweiOccupationalCollege,Wuwei,Gansu733000,China)
In order to explore the optimal irrigation quota and water-saving effect suitable for feeding sweet sorghum under condition of border irrigation with mulching, a field experiment was conducted to study the effect of the irrigation quota (2 400, 3 000, 3 600, 4 200, 4 800 m3·hm-2respectively) on soil water content, agronomic trait and biomass. Results showed that soil water content within 0~100 cm soil layer first increased and then decreased in sweet sorghum growth period, and irrigation quota had significant effect on 0~100 cm soil moisture distribution at the 62th d after sowing. Irrigation quota which was less than 2 400 m3·hm-2seriously affected the sweet sorghum growing (such as reducing plant height, enlarging stem stalk, decreasing accumulative dry matter). Sugar content of sweet sorghum stalk juice had a trend of increase with the decrease of irrigation quota. The increase of sweet sorghum biomass was attributed to factors such as plant height, LAI and numbers of stem nodes (R2=0.97, 0.81, 0.59 respectively). In conclusion, for water-saving and increasing the biomass, irrigation schedule with irrigation quota of 3 600 m3·hm-2(irrigation frequency was 4 times) was thereby recommended as the optional practice to increase the biomass (25.29 t·hm-2) andWUE(5.76 kg·m-3) under condition of border irrigation with mulching.
feeding sweet sorghum; irrigation quota; agronomic trait; biomass; border irrigation with mulching
1000-7601(2017)02-0201-06
10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.33
2016-01-12基金項(xiàng)目:水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201501017);甘肅省隴原青年創(chuàng)新人才扶持計(jì)劃、甘肅省水利科研推廣項(xiàng)目
王增麗(1974—),女,山西祁縣人,博士,高級(jí)工程師,主要從事農(nóng)業(yè)水土資源保護(hù)與利用研究。 E-mail:wangzengli1201@163.com。
S277.9;S152.7
A