蒙 強(qiáng),劉靜霞,羅玉峰,,羅紅英,李玉慶,張文賢,李 丹
(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院,西藏 林芝 860000;2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430072)
春青稞是藏區(qū)農(nóng)牧民基本口糧,屬傳統(tǒng)灌溉類農(nóng)作物之一。因其生育期短、產(chǎn)量高且秸稈可作為牲畜越冬季飼草料[1],在高原農(nóng)區(qū)被廣泛種植。但藏區(qū)高原輻射強(qiáng)、蒸發(fā)量大及降水變率明顯,且降水多與作物耗水盛期錯位,加之耕作土層淺、土壤貯水能力弱,導(dǎo)致土壤水分易散失,使作物頻繁受旱。目前干旱已成為影響藏區(qū)青稞生長和產(chǎn)量提升的主要?dú)庀鬄?zāi)害事件[2-4]。
近年來,有學(xué)者研究了干旱脅迫下的青稞生長、耗水特性及產(chǎn)量效應(yīng),并取得了既具有理論意義和又有應(yīng)用價值的成果[5]。時學(xué)雙[6]采用盆栽法在規(guī)避降雨影響下對春青稞全生育期開展不同程度水分脅迫試驗(yàn),表明春青稞耗水量、株高及產(chǎn)量構(gòu)成因素均隨水分脅迫程度的加劇而減小。白羿雄等[7]研究認(rèn)為輕度水分脅迫促進(jìn)青稞根系生長,重度水分脅迫起抑制作用且不利于其穗部發(fā)育,進(jìn)而降低產(chǎn)量。候維海等[8]研究發(fā)現(xiàn)水分脅迫加速了青稞葉片衰老,導(dǎo)致葉片捕光能力及氣孔導(dǎo)度下降,最終影響產(chǎn)量。徐冰等[9]通過試驗(yàn)表明青稞出苗前、抽雄期、灌漿期施以水分脅迫會出現(xiàn)減產(chǎn),Ogrodowicz等[10]也指出青稞旗葉階段的水分脅迫不利于產(chǎn)量形成。但適時適量的水分脅迫有助于激發(fā)作物抗逆性,誘發(fā)其旱后復(fù)水的補(bǔ)償效應(yīng),進(jìn)而發(fā)揮增益作用[11,12]。有研究認(rèn)為,青稞苗期、拔節(jié)期、分蘗期和灌漿期實(shí)施輕度水分脅迫、成熟期實(shí)施重度脅迫能獲得高產(chǎn)[6],但受品種特性差異影響,產(chǎn)量變化對水分脅迫的響應(yīng)存在明顯差異。侯亞紅等[13]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)青稞“藏青25”較“藏青320”對水分變化更為敏感,“藏青320”能在輕度水分脅迫下獲得高產(chǎn),而“藏青25”高產(chǎn)需保證充足的水分供應(yīng)。因此,系統(tǒng)研究春青稞生長對土壤水分變化的響應(yīng)機(jī)制,對精準(zhǔn)測算青稞灌水量及最大限度提高有限水資源承載力下高原農(nóng)田生產(chǎn)力具有重要的意義。
從以上分析可以看出,前人雖對水分調(diào)控下青稞生長發(fā)育、耗水規(guī)律、光合性能及產(chǎn)量有過研究,但多為盆栽試驗(yàn),缺乏大田實(shí)踐的可操作性。此外,關(guān)于不同土壤水分調(diào)控下限對春青稞產(chǎn)量、干物質(zhì)積累及農(nóng)田土壤貯水穩(wěn)定性的影響研究鮮有報道。因此,本研究以春青稞田耗水特性、土壤貯水穩(wěn)定性、干物質(zhì)積累及產(chǎn)量為主要內(nèi)容,通過探究春青稞耗水特性、產(chǎn)量對不同水分調(diào)控下限的響應(yīng),以期為科學(xué)建立高原旱作農(nóng)業(yè)抗旱防旱機(jī)制提供理論參考。
試驗(yàn)于2018年3-7月在西藏農(nóng)牧學(xué)院農(nóng)水綜合試驗(yàn)場(29°40′ N,94°20′ E,海拔2980 m)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于尼洋河下游河谷,多年平均氣溫8.9 ℃,年平均降雨量650~750 mm,4-7月降水占全年降水量的50.6%,多年蒸發(fā)量1 792.2 mm(林芝國家基準(zhǔn)氣候站),全年無霜期172 d,年日照時數(shù)2 000 h,≥10 ℃的有效積溫2 150~2 200 ℃。試驗(yàn)區(qū)土地平整,土質(zhì)分布均勻,土壤類型為沙質(zhì)壤土,平均土層深度為40 cm(以下沙礫石層),0~40 cm土層田間持水量為22.1%(重量含水率),0~10、10~20、20~30和30~40 cm土層的容重分別為1.27、1.31、1.39、1.46 g/cm3。耕層土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效磷和速效鉀養(yǎng)分含量分別為18.5 g/kg、1.98 g/kg、1.15 g/kg、7.04 g/kg、28.13 mg/kg和151.89 mg/kg。試驗(yàn)?zāi)甓却呵囡L季(4-7月)氣象要素見表1。
表1 試驗(yàn)?zāi)甓却呵囡L季(4-7月)氣象要素Tab.1 Meteorological parameters during the spring barley growing season (April-July ) of 2018
試材為林芝市農(nóng)牧局提供的藏農(nóng)區(qū)主播春青稞品種“喜馬拉22號”,并按當(dāng)?shù)卮呵囡シN時間開始大田試驗(yàn)。各試驗(yàn)處理小區(qū)面積72 m2(12 m×6 m),小區(qū)間用混凝土筑埂相互隔離(混凝土埂埋深55 cm),總試驗(yàn)場地面積1 624 m2,且四周設(shè)保護(hù)行(寬2 m)。試驗(yàn)設(shè)5個處理,包括4個土壤水分調(diào)控下限和1個旱作處理(雨養(yǎng)灌溉),分別記為CF、QK1、QK2、QK3、CK,采用隨機(jī)區(qū)組布置,每個處理重復(fù)3次。春青稞全生育期內(nèi),當(dāng)土壤含水量達(dá)到或接近表2所示土壤含水率下限時,進(jìn)行灌水,灌水上限均為田間持水率(θf),并依據(jù)土壤容重、計(jì)劃濕潤層深度(0.4 m)計(jì)算灌水量,灌水方式為畦灌,并用水表精量控制。種植模式為等行距人工條播、行距25 cm。試驗(yàn)小區(qū)播前灌水,待足墑后翻耕播種,人工除草,并及時防治病蟲害。按當(dāng)?shù)馗髁?xí)慣,播前施底肥磷酸二氫銨(18%N、46%P2O5)、尿素(46%N),肥料用量均為150 kg/hm2,拔節(jié)期追40%氮肥和磷肥,其他田間管理措施按常規(guī)方法進(jìn)行。
表2 全生育期不同處理灌溉土壤水分下限Tab.2 Lower limit of soil moisture at the whole growth stages for various treatments
注:θf為田間持水率。
(1)土壤水分。土鉆法分別取0~10、10~20、20~30、30~40 cm 土樣,播前1 d、播后全生育期內(nèi)每隔7 d、灌水及降雨后分別取土,采用烘干法測定土壤水分,以各土層含水量的加權(quán)平均值為0~40 cm土層土壤含水量。
(2)耗水量及土壤貯水量。試驗(yàn)區(qū)地下水埋深大于10 m,故地下水補(bǔ)給量不計(jì)。因本試驗(yàn)灌水量小,灌水后經(jīng)測算土壤貯水,無滲漏產(chǎn)生, 故用公式(1)計(jì)算春青稞生育期耗水量:
ETa=M+P+ΔW
(1)
式中:ETa為春青稞實(shí)際耗水量,mm;M為階段內(nèi)灌水量,mm;P為降雨量,mm;ΔW為時段初與末土壤貯水量變化。
用公式(2)計(jì)算土壤貯水量:
(2)
式中:Wi為第i層土壤貯水量,mm;γi為第i層土壤干容重,g/cm3;γ水為水的容重,g/cm3;Hi為第i層的土層厚度,cm;βi為第i層土壤質(zhì)量含水量,%。
(3)日耗水強(qiáng)度。耗水強(qiáng)度是表征植株群體在單位時間內(nèi)的耗水量,反映生育階段灌水、氣象對作物生長發(fā)育的綜合影響,日耗水強(qiáng)度為某一階段耗水量除以該階段持續(xù)的天數(shù)。
(4)地上干物重。在苗期、分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、乳熟期、成熟期,于每小區(qū)選取15株春青稞,并裝入牛皮袋后放入105 ℃的烘箱中殺青30 min,后調(diào)至80 ℃烘8 h后(干物質(zhì)量恒定后)測定干物重。
(5)產(chǎn)量。春青稞成熟后于每小區(qū)選擇長勢均勻的1 m×1 m樣方,單獨(dú)脫粒測產(chǎn)。
采用 Microsoft Office Excel 2010處理數(shù)據(jù)和作圖,用軟件SPSS 19.0進(jìn)行相關(guān)性分析,并用 LSD分析數(shù)據(jù)差異的顯著性(p<0.05)。
由圖1可知,旱作處理的春青稞生育期耗水量較灌水處理低[誤差線表示平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=3);不同小寫字母表示各處理的數(shù)值在P<0.05水平上差異顯著,圖3同]。灌水處理下的春青稞耗水量變化近似為先升高后降低再升高,其耗水量峰值在拔節(jié)期—抽穗期。拔節(jié)期各處理的階段耗水量占生育期總耗水量的比重最大(25.22%)。各處理間,CF全生育期耗水量最大(572.25 mm),CK最低(262.50 mm)。與CF相比,QK1、QK2、QK3均降低了春青稞全生育期耗水量,且隨著土壤水分調(diào)控下限的降低,春青稞耗水量逐漸減少。
春青稞生育期日耗水強(qiáng)度與耗水量變化趨勢基本一致,且在拔節(jié)—抽穗期日耗水強(qiáng)度達(dá)到峰值。全生育內(nèi)處理CK的日耗水強(qiáng)度最低,平均日耗水強(qiáng)度為2.37 mm/d。處理CF平均日耗水強(qiáng)度為5.88 mm/d,較CK增幅92.31%。不同生長階段,處理QK1、QK2、QK3間日耗水強(qiáng)度無顯著差異。
圖1 不同處理對春青稞耗水量及耗水強(qiáng)度的影響Fig.1 Evapotranspiration and Water consumption intensity of spring barley as affected by different treatments
2.2.1 干物質(zhì)積累動態(tài)及其對氣象因子的響應(yīng)
如圖2所示,全生育內(nèi)春青稞干物質(zhì)積累曲線呈“S”形,即春青稞在生育前期及后期干物質(zhì)積累緩慢、中期較快。整體上,各生育階段不同處理間干物質(zhì)積累無明顯差異。處理CF、QK1、QK2、QK3較CK明顯提高了干物質(zhì)積累量,平均增幅16.08%,其中以抽穗期增幅最顯著。抽穗至成熟期,處理QK1干物質(zhì)積累量始終最大,較CK平均提高了37.47%。與CF相比,處理QK1、QK2、QK3均不同程度地降低了春青稞各生育時期干物質(zhì)積累量,但降幅不明顯。此外,春青稞干物質(zhì)積累量在生長后期隨著水分調(diào)控下限的降低而減少。
相關(guān)分析(表3)表明,春青稞干物質(zhì)積累量與生長季平均風(fēng)速(r=-0.68)和總輻射(r=-0.59)相關(guān)不顯著,與日照時數(shù)(r=0.84**),降水量(r=0.98**)、相對濕度(r=0.94**)極顯著正相關(guān),與平均氣溫(r=0.89*)顯著正相關(guān)。為準(zhǔn)確描述不同氣象因子對干物質(zhì)積累的響應(yīng),以相對濕度X1、日照時數(shù)X2、平均氣溫X3、降水量X4、平均風(fēng)速X5、總輻射X6為自變量與生育期干物質(zhì)積累量(Yma)建立的最優(yōu)回歸方程Yma=-0.218+0.041X4[R=0.980 3**、R2=0.960 9、F=73.786 5、P=0.003 3、r(X4,Yma)=0.980 3**]表明降水量與干物質(zhì)積累間線性回歸關(guān)系極顯著。
圖2 不同處理對春青稞干物質(zhì)積累的影響Fig.2 Weight of dry matter of spring barley as affected by different treatments
表3 干物質(zhì)積累與氣象因子間的相關(guān)性Tab.3 Person's correlation coefficients between dry matter accumulation and meteorological factors
氣象因子X1/%X2/hX3/℃X4/mmX5/(m·s-1)X6/(W·m-2)相關(guān)性0.94??-0.84??0.89?0.98??-0.63-0.59
注:*和**分別表示在P<0.05和P<0.01上顯著相關(guān)。
2.2.2 干物質(zhì)相對生長率
圖3為春青稞各生育階段干物質(zhì)相對生長率。由圖3可知,全生育期春青稞干物質(zhì)相對生長率呈先升高后降低的趨勢。分蘗期后,各處理的干物質(zhì)增長速率較苗期快速升高。分蘗—拔節(jié)階段,灌水處理下的春青稞干物質(zhì)增長較CK無顯著差異,表明此階段水分并非是影響干物質(zhì)增長快慢的主導(dǎo)因素。拔節(jié)—抽穗階段,各處理間干物質(zhì)相對生長速率總體放緩。抽穗—乳熟階段,各處理的干物質(zhì)相對生長速率達(dá)到峰值,以處理QK2最高[0.11 g/(g·d)],較CF、CK分別提高了14.83%、35.53%。成熟期各處理的干物質(zhì)相對生長速率表現(xiàn)為:CK>QK1>QK2>CF>QK3,即QK3的干物質(zhì)積累速率最慢,說明在干物質(zhì)轉(zhuǎn)移分配上QK3高于其他處理,CF次之。總體上,灌水處理對春青稞生長前期、中期的干物質(zhì)積累影響顯著。
圖3 各生育階段春青稞干物質(zhì)相對生長率變化Fig.3 Change of relative growth rate of dry matter at different stages of spring barley
2.3.1 產(chǎn) 量
不同處理的春青稞產(chǎn)量如表4所示,處理CK產(chǎn)量最低,為4 064.27 kg/hm2。灌水處理較CK增產(chǎn)明顯,增產(chǎn)率介于11.74%~53.46%之間。處理QK1、QK2的產(chǎn)量與CK差異極顯著,與CF差異不顯著。當(dāng)土壤水分調(diào)控下限由75%~80%θf降至45%~50%θf時,春青稞產(chǎn)量先升高后降低,其中當(dāng)土壤水分調(diào)控下限降至55%~60%θf時,產(chǎn)量最大(6 237.05 kg/hm2),較75%~80%θf處理下限增產(chǎn)28.3%。當(dāng)灌水控制下限降至45%~50%θf時,產(chǎn)量降幅達(dá)37.33%,說明灌溉水量是影響產(chǎn)量變化的主導(dǎo)因素之一。
表4 不同水分處理春青稞產(chǎn)量 kg/hm2
注:同行不同字母表示各處理的均值(n=3)在0.05水平上差異顯著。
2.3.2 產(chǎn)量對氣象因子的響應(yīng)
研究表明,作物增產(chǎn)除產(chǎn)量構(gòu)成因素貢獻(xiàn)外,還與氣象因素影響有關(guān)。相關(guān)分析表明(表5),春青稞產(chǎn)量與其生長季日照時數(shù)、平均氣溫、平均風(fēng)速、總輻射相關(guān)不顯著,與降水量極顯著正相關(guān)(r=0.92**),與相對濕度顯著正相關(guān)(r=0.83*)。但相對濕度、降雨量又受其他氣象因子影響,致使簡單相關(guān)分析無法準(zhǔn)確判別產(chǎn)量對氣象因子的依賴性。對此,本研究通過運(yùn)用多元回歸法逐步遴選出線性極顯著的因子,并建立了春青稞產(chǎn)量(Yc)與氣象因子間的最佳回歸方程:Yc=1 902.351-343.395X3+63.531X4[R=0.998,R2=0.992 3、F=3 248.100 4,P=0.012 9、r(X3,Yc)=-0.974**、r(X4,Yc)=0.994 5**],方程中因日照時數(shù)、平均風(fēng)速、總輻射對春青稞產(chǎn)量影響不顯著,未被引入方程。平均氣溫代替相對濕度進(jìn)入模型,原因?yàn)闇囟扰c相對濕度間存在此消彼長的關(guān)系,溫度變化使得產(chǎn)量對相對濕度的響應(yīng)不敏感。此外,空氣濕度的頻繁波動及不確定性降低了其顯著性。上述回歸方程表明,降水量、平均氣溫與產(chǎn)量間線性回歸關(guān)系極顯著,多元決定系數(shù)R2=0.992 3,說明降水量和平均氣溫對產(chǎn)量的綜合影響占99.23%,其他氣象因子對產(chǎn)量的影響僅為0.77%。分析偏回歸系數(shù)r(X3,Yc)=-0.974**、r(X4,Yc)=0.994 5**可知,降雨和溫度對春青稞產(chǎn)量影響極顯著,但因降雨時空變率較大,產(chǎn)量在時間尺度上的穩(wěn)定性不高。
表5 春青稞產(chǎn)量與氣象因子間的相關(guān)性Tab.5 Person’s correlation coefficients between dry matter accumulation per plant and meteorological factors
注:*和**分別表示在P<0.05和P<0.01上顯著相關(guān)。
(1)作物耗水與其生長發(fā)育階段、氣象條件、品種特性等有關(guān)。本試驗(yàn)中,苗期春青稞株體小、地面覆蓋度低,且空氣溫度不高、降水少(圖1),故春青稞耗水量、耗水強(qiáng)度低;拔節(jié)—抽穗階段,春青稞株高、葉片生長活動旺盛,同時氣溫升高、葉片氣孔開度大,加之降水增加,致使植株蒸騰耗水達(dá)到最大;抽穗期后,春青稞生殖發(fā)育逐漸取代生長發(fā)育,生長速率減緩,光合作用減弱,進(jìn)而蒸騰耗水降低;至成熟期,降雨量急劇增加使土壤長期濕潤,且空氣溫度達(dá)生育期峰值,加之試驗(yàn)區(qū)土壤平均耕作層厚度為40 cm,致使土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈,進(jìn)而引起春青稞耗水量及耗水強(qiáng)度再次升高,這是試驗(yàn)區(qū)春青稞全生育期耗水量、耗水強(qiáng)度出現(xiàn)先升高后降低再回升的變化趨勢的主要原因。
作物對土壤水的吸收具有一定的可塑性[14],水分脅迫影響作物的耗水特性。蔡倩[15]研究指出,水分脅迫與耗水量呈線性關(guān)系。本研究得到類似的結(jié)論,春青稞生育期耗水量及耗水強(qiáng)度隨土壤水分調(diào)控下限的降低而降低,主要原因?yàn)榻档凸嗨孪扪娱L了作物虧水時限,當(dāng)土壤水分調(diào)控下限低于65%~70%θf時,作物微觀表現(xiàn)為水分脅迫抑制了細(xì)胞伸長,宏觀表現(xiàn)為減緩了葉片伸展速率,使葉片受光面積減小,光合勢下降[6],影響了葉片蒸騰強(qiáng)度,進(jìn)而降低了作物耗水。
(2)有研究認(rèn)為,水分是影響作物干物質(zhì)積累的重要因子[16]。李玉慶等[17]通過耦合土壤水、氣象和氮素因子,利用青稞生長動力學(xué)模型解釋了干物質(zhì)與影響因子間的脅迫關(guān)系,認(rèn)為土壤水分或氮素狀態(tài)脅迫下的春青稞干物質(zhì)積累變化呈非線性。這與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致,即春青稞全生育內(nèi)干物質(zhì)積累變化呈“S型”。各處理間,灌水處理(CF、QK1、QK2、QK3)較旱作處理提高了春青稞干物質(zhì)積累量,平均增幅16.08%,其中以抽穗期增幅最顯著。與CF相比,QK1、QK2、QK3均不同程度地降低了春青稞各生育時期干物質(zhì)積累量及其相對生長率,且隨著土壤水分調(diào)控下限的下降,春青稞生長后期的干物質(zhì)積累量及其相對生長率總體減小,這與張殿忠等[18]研究結(jié)論一致。春青稞各生育階段干物質(zhì)積累量與氣象因子間相關(guān)分析表明,干物質(zhì)積累與日照時數(shù),降雨量、相對濕度、平均氣溫顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.84、0.98、0.94、0.89;與平均風(fēng)速、輻射量相關(guān)不顯著,而回歸分析進(jìn)一步表明降雨量與干物質(zhì)積累間線性關(guān)系極顯著,相關(guān)系數(shù)為0.980 3。
(3)SPAC系統(tǒng)中作物蒸騰、養(yǎng)分運(yùn)輸與土壤水分密切相關(guān)。適宜的水分調(diào)控下限能改善土壤水分生境,為作物生長發(fā)育、干物質(zhì)積累及產(chǎn)量形成創(chuàng)造良好的條件[19]。本試驗(yàn)表明,灌水處理較CK增產(chǎn)作用明顯,增產(chǎn)幅度介于11.74%~53.46%之間。灌水條件下,當(dāng)土壤水分調(diào)控下限由75%~80%θf降至45%~50%θf時,春青稞產(chǎn)量先升高后降低,其中當(dāng)土壤水分調(diào)控下限降至55%~60%θf時,產(chǎn)量最高(6 237.05 kg/hm2),較CF增產(chǎn)28.30%,主要原因?yàn)樵嚥摹跋柴R拉22號”抗逆性及耐旱性強(qiáng)[20-24],且55%~60%θf的土壤水分下限調(diào)控下的葉片氣孔開度和光合速率能保持較高水平[13],適當(dāng)虧水后及時復(fù)水能提高作物群體生長率和光合凈同化率[25],進(jìn)而提高籽粒產(chǎn)量,其補(bǔ)償生長效應(yīng)顯著。對此,謝永春等[26]、侯亞紅等[13]在青稞品種“藏青320”已得到證實(shí)。當(dāng)土壤水分調(diào)控下限降至45~50%θf時,春青稞因過度水分虧缺,產(chǎn)量開始下降。
作物產(chǎn)量與自身品種特性、土壤因子、水分、溫度變化等緊密相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),西北半干旱區(qū)氣溫升高0.5~2.5 ℃,小麥約減產(chǎn)0.50%~45.5%,且增溫越明顯,減產(chǎn)越顯著[27]。而華北地區(qū)、藏區(qū)高海拔區(qū)適當(dāng)增溫,利于小麥提產(chǎn)[28-30]??梢?,研究結(jié)果因區(qū)域不同而出現(xiàn)差異。本研究表明,春青稞產(chǎn)量(Yc)與生長季日照時數(shù)、平均氣溫(X3)、平均風(fēng)速、總輻射、降雨量(X4)、相對濕度相關(guān)。在利用多元回歸分析法消除各氣象因子間的相互影響后,發(fā)現(xiàn)降水量、平均氣溫與產(chǎn)量的線性回歸關(guān)系極顯著,其中r(X3,Yc)=-0.974,r(X4,Yc)=0.994 5。由回歸關(guān)系的多元決定系數(shù)R2=0.992 3可知,說明產(chǎn)量的99.23%受降水量和氣溫共同影響,其他氣象因子對產(chǎn)量影響僅占0.77%,說明生長季降雨量、氣溫是影響高原春青稞產(chǎn)量的主要?dú)庀笠蜃?。但降雨的時空多變性易使產(chǎn)量出現(xiàn)不穩(wěn)定的波動,且升溫提高了春青稞蒸騰耗水速率,使作物遭受水分脅迫的風(fēng)險提高。當(dāng)?shù)屯寥浪终{(diào)控下限使作物長時間處于水分逆境時[31],將引起作物減產(chǎn),這可能是氣溫與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)的主要原因。