不同水量交替灌溉对木薯产量和水分利用的影响

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不同水量交替灌溉对木薯产量和水分利用的影响

赵馀, 杨启良, 王亓剑, 刘小刚, 王卫华

(昆明理工大学现代农业工程学院, 云南 昆明 650500)

摘要: 为探讨作物旱后复水的补偿效应,采用不同水量交替灌溉方式研究木薯的生长、产量及水分利用效率的变化规律,设计了5种水分处理模式,分别为3种常规灌水处理(处理T1,T2和T3的灌水定额分别为10,20,30 mm)和2种交替灌水处理(处理T4:即对灌水定额10和20 mm进行轮回交替;处理T5:即对灌水定额10和30 mm进行轮回交替)．结果表明:与处理T2相比,处理T5的总叶面积、总干物质量、产量和水分利用效率分别显著增加31.1%,20.3%,64.6%和114.0%．与处理T3相比,处理T5节水33.3%,其总干物质量下降较小,而根系干物质量、水分利用效率和产量分别显著增加11.2%,119.0%和13.3%．因此,处理T5是有利于木薯产量和水分利用效率提高的最佳灌溉模式．

关键词: 木薯;不同水量;交替灌溉;滴灌;产量;水分利用

赵馀, 杨启良, 王亓剑, 等. 不同水量交替灌溉对木薯产量和水分利用的影响[J]. 排灌机械工程学报,2016,34(8):715-721.

ZHAO Yu, YANG Qiliang, WANG Qijian, et al. Effects of alternate different irrigation amount modes on yield and water use efficiency of Cassava[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2016,34(8):715-721. (in Chinese)

木薯(Cassava)为多年生亚灌木植物,属大戟科(Euphorbiaceae)木薯属(Manihot),学名为Manihot esculenta Crantz,又称树薯、木番薯、树番薯,起源于南美洲热带地区的亚马逊河流域,与马铃薯和甘薯并列为世界三大薯类作物[1],广泛分布于热带及亚热带地区,在中国的华南及西南地区有着悠久的种植历史．木薯号称酒精树,是一种淀粉含量较高的块根作物,利用其淀粉可加工生物乙醇[2],随着石油、煤炭、天然气等不可再生资源的逐渐枯竭,生物燃料乙醇作为一种可再生清洁能源得到了国内外广泛关注[3]．在可再生能源日益受到重视的大背景下,其具有非常大的开发利用潜能[4-5]．近年来,木薯在金沙江流域的干热河谷区广泛种植,但该地区正面临着降雨期与木薯关键需水期严重错位的突出问题,导致木薯的产量较低,已成为制约以木薯为主的生物燃料乙醇产业较快发展的最大障碍,因此,在有限可利用的水资源条件下如何提高木薯产量显得尤为重要．

水分是影响木薯生长、生理、产量和水分利用效率的关键因素．虽然木薯具有较强的适应自然环境的能力,在自然降雨条件下,极其贫瘠的土地上也具有一定的产量[6],但其生长和产量对土壤水分非常敏感,适宜的土壤水分会促进木薯植株生长[7-8]、产量和水分利用效率的提高[9-10]．在国外, DAELLENBACHA等[11]对于以木薯为主体的间种、套种模式进行了大量研究,摸索了一套木薯优质高产的栽培种植体系,发现木薯与其他作物套种减少土壤的裸露面积有利于木薯产量的提高．

作物旱后复水后其生长和产量具有明显的补偿效应[12]．近年来,针对空间的变化,许多学者围绕根系分区交替灌溉处理对马铃薯、玉米、辣椒、棉花和小麦进行了较多的试验研究[13-17],结果表明,在作物根区两侧进行轮回交替灌水,不断地对干燥侧根系进行复水,这种灌水技术在节约灌溉用水的同时,作物产量下降甚微甚至有所提高,而作物水分利用效率显著提高．针对水量的变化,杨启良等[18]研究发现,采用不同的水量交替灌溉处理后,小桐子体内的含水率得到提高,根系和总干质量增加,而蒸发量和蒸腾量均显著降低,因此显著提高了小桐子的水分利用效率．木薯为热带的块茎类作物,灌水量和灌溉方式的不同势必会影响其产量的变化,但目前对于不同水量交替灌溉条件下关于木薯生长、根区土壤水分、产量和水分利用效率的研究较少．文中采用不同水量交替灌溉方式研究木薯的生长、产量及水分利用效率的变化规律,探讨不同的水量交替灌溉条件下木薯节水和增产的调控机制,拟为木薯种植过程中的高效用水管理提供参考．

1　材料与方法

1.1　试验区概况及材料

试验于2012年12月—2014年1月在昆明理工大学现代农业工程学院的温室进行,温室地处昆明市呈贡大学城区内(102°8′E, 25°1′N)．当地属北亚热带低纬度高原山地季风气候,年平均气温为14.7 ℃,年均日照时数2 200 h,无霜期240 d,年均降水约1 031 mm,降雨期主要集中于5—10月,占全年降雨量的85%,年均蒸发量约1 200 mm,属典型的季节性干旱区．试验期间,温室中最高和最低气温分别为28.0 ℃和7.5 ℃,平均相对湿度68%．木薯育苗材料来自于地处干热河谷区的云南农科院热区生态农业研究所苴林基地,选取1 a生的木薯(华南8号)主杆为扦插育苗材料,其平均长度约20 cm,平均直径约为2 cm,保持叶芽向上,将其扦插于温室内的小区,小区之间均覆有塑料膜防侧渗,供试土壤为燥红壤土,为了避免土壤中的其他大颗粒物质如石块的影响,试验用土是通过10 mm孔径的筛网过筛并混合均匀后填入种植槽内．土壤全氮质量比为0.87 g/kg、全钾为13.9 g/kg、全磷为0.68 g/kg、有机质为13.12 g/kg．

1.2　试验设计

试验于2013年2月4日开始不同的水分处理,供水方式为滴灌,采用滴灌管与PE管通过球阀相接的分支控制法供水,压力补偿式滴头的平均流量为4 L/h,滴头间距为1 m,试验共设5个水分处理模式,分别为3种常规灌水处理(处理T1,T2和T3的灌水定额分别为10,20,30 mm)和2种交替灌水处理(处理T4:对灌水定额10,20 mm进行反复轮回交替;处理T5:对灌水定额10,30 mm进行反复轮回交替)．每行扦插6棵木薯杆,行间距1.5 m,株间距1.0 m,每个处理6次重复,灌水周期为20 d．第一次施肥于2013年1月15日进行,第二次施肥于2013年5月25日进行,氮肥用尿素(含氮量46.7%),磷肥用磷酸二氢钾(含P2O5量52%),施肥方式采用环施法,施肥半径均为距植株基部15 cm．试验期内其他管理均保持一致．5个水分处理模式下,试验期灌水定额见表1,表中M为灌水总量．

表1　木薯试验期灌水定额

Tab.1　Irrigation amount of Cassava during watering experiment　mm

水分处理灌水日期02-0402-2403-1604-0504-2505-1506-0406-2407-1408-0308-2309-12MT1101010101010101010101010120T2202020202020202020202020240T3303030303030303030303030360T4102010201020102010201020180T5103010301030103010301030240

1.3　测定项目

1) 干物质量:于2013年10月26日获取植株各器官生物量,在烘箱中保持105 ℃杀青30 min后调温至75 ℃烘至恒重,用天平测定干物质量．

2) 茎粗、叶面积和根冠比:茎粗采用螺旋测微仪测量,在每次灌水前1 d进行测量．叶面积通过剪纸称重后采用相似比法进行测定,木薯总叶面积=植株总叶干质量×单位叶干质量对应的叶面积．根冠比=根系干物质量/冠层干物质量．

3) 土壤含水率测定:全生育期土壤含水率采用取土烘干法测定,每次灌水后第3天在距木薯基部(滴头布设点)20 cm处取土样,取土点位于株距间,每隔10 cm取1层,取土深度均为0～60 cm．

4) 水分利用效率计算:总水分利用效率=产量/总耗水量,不同处理总耗水量由水量平衡公式计算，即

ET=P+K+M-F+ΔW,

式中：ET为作物总耗水量；P为降水量；K为地下水补给量；M为灌水量；F为地表径流；ΔW为试验开始及结束时0～60 cm土壤层中土壤平均含水量的变化量．

以上各项中,由于试验在温室内进行不受降雨影响,采用滴灌方式供水,室内陆面水平且表土疏松,因此无地表径流,同时试验所在地区地下水位超过5 m,因此该式中P,K,F均可忽略不计,ΔW根据计算获得．

1.4　数据分析及处理方法

采用Microsoft Excel 2010制图和处理数据,通过SAS软件的Duncan(P=0.05) 和ANOVA方法对数据进行多重比较和方差分析．

2　结果与分析

2.1　木薯根区土壤含水率的动态变化

不同灌水处理条件下木薯全生育期0～60 cm土层土壤含水率W的变化如图1所示．由图可见,各处理土壤含水率从2月27日开始均呈先减小后增加趋势,最低值于7月17日取得,这是由于随着木薯生育期的不断推移和幼树的不断生长,加之大气温度较高,其耗水量不断增加,消耗土壤水分较多,因此土壤含水率不断下降．从7月17日开始,木薯快速生长期结束,进入缓慢生长期,最后进入休眠期,其耗水量不断减小,消耗土壤水分较少,因此土壤含水率逐步回升．由图也可知,不同水量交替灌溉的处理T4,T5的土壤含水率呈明显交替变化的过程,这是因为处理T4,T5不断地对2种灌水量进行交替,其中一次的灌水量较少,另一次灌水量较多,因此图形中土壤含水率出现明显的上升和下降的过程．

图1　不同灌水处理下土壤含水率的动态变化
Fig.1　Temporal variation of soil water content under different irrigation treatments

2.2　对木薯茎粗的影响

木薯茎粗D的变化如图2所示,显著性分析表明,水分处理对木薯茎粗的影响具有统计学意义．数据分析表明,处理T3和T5的木薯茎粗增量明显高于其他处理,随着时间的推移这种趋势更加明显,8月8日以后差异均具有统计学意义．处理T5平均茎粗较处理T2显著增加7.5%．处理T5较处理T3节水33.3%,但其茎粗并没有显著降低．

图2　不同灌水处理对木薯茎粗的影响
Fig.2　Effects of different irrigation treatments on stem diameter of Cassava

2.3　对木薯根冠比和叶面积的影响

不同灌水处理对木薯根冠比R/S及叶面积A的影响如图3,4所示．由图3可知,随着灌水量的增加木薯的根冠比有所增加，但当灌水量增加到一定程度后根冠比反而会下降．由图4可知,随着灌水量的增加叶面积显著增加．不同水量交替灌溉具有促进根冠比和叶面积增加的作用．

由图3,4可知,与处理T2相比,处理T5的木薯根冠比显著增加7.2%,叶面积显著增加31.1%;与处理T3相比,处理T5节水33.3%,其根冠比显著增加了13.4%,但其叶面积下降3.0%．

图3　不同灌水处理对木薯根冠比的影响
Fig.3　Effects of different irrigation treatments on root-shoot ratio of Cassava

图4　不同灌水处理对木薯叶面积的影响
Fig.4　Effects of different irrigation treatments on leaf area of Cassava

2.4　对木薯干物质量和水分利用效率的影响

表2为不同灌水处理对木薯干物质量及水分利用效率的影响,其中m总为总干物质量,m根为根系干物质量,m冠为冠层干物质量,y为产量,ET为总耗水量,WUE为水分利用效率．由表可知,不同的灌水处理对木薯的干物质量、产量和水分利用效率的影响均有所不同．处理T2,T3,T4和T5下木薯的各器官干物质累积量以及总干物质量均显著高于处理T1．木薯的产量随着灌水量的增加而显著增加．不同水量交替灌溉的处理具有减小总耗水量,提高干物质量、产量和水分利用效率的作用．数据分析表明,与处理T2相比,处理T5的总干物质量、根系干物质量、冠层干物质量及水分利用效率分别显著提高20.3%,19.3%,20.1%和114.0%．与处理T3比较,处理T5节水33.3%,其冠层和总干物质量下降不明显,而根系干物质量、产量和水分利用效率分别显著增加11.2%,13.3%和119.0%．综上所述，处理T5通过灌水量的变化模拟了干旱胁迫后的复水效应，其小桐子的生长、产量和水分利用效率均存在明显的补偿效应.

表2　不同灌水处理对木薯干物质量及水分利用效率的影响

Tab.2　Effects of different irrigation treatments on dry matter and WUE of Cassava

水分处理m根/gm冠/gm总/gy/(kg·hm-2)ET/mmWUE/(kg·hm-2·mm-1)T124.7±1.17d141.7±2.68d166.4±1.36d12769.7±198.25d127.0±0.81e100.6±1.56cT231.5±0.80c162.8±2.74c194.3±3.48c19373.6±179.07c245.1±0.74b79.1±0.73dT333.9±2.52b200.7±4.78a234.6±6.51a28127.3±784.35b364.0±0.57a77.3±2.15dT434.2±1.02b177.5±4.46b211.6±5.43b22163.6±331.16c146.8±0.63d151.0±1.77bT537.6±0.66a196.1±3.67a233.7±5.54a31866.7±536.39a188.2±0.98c169.3±2.16a

3　讨　论

3.1　对木薯根区土壤含水率的影响

土壤含水量对促进作物生长、提质和增产具有重要作用．灌溉后一段时期内土壤含水率的变化反映了作物对土壤水分的吸收利用和消耗情况．文中研究表明,灌溉量相同时,与常规灌溉模式相比,不同水量交替灌溉的处理降低了木薯根区的土壤含水率,交替灌溉模式能够更好地促进木薯对土壤水分的吸收．与处理T2相比,处理T4的平均土壤含水率下降了7.5%；与处理T3相比,处理T5的平均土壤含水率下降了9.2%(见图1)．这是由于作物旱后复水后的生长补偿效应,对根系吸水具有明显的促进作用[12],研究中不同水量交替灌溉模式优化了水量的分配,并长期处于干旱-复水这种水分交替变化的环境中,对木薯生长和水分的利用均具有明显的补偿作用,刺激木薯根系能从根区土壤中吸收更多的土壤水分．因此处理T4和T5的土壤含水率均有所下降．

3.2　对木薯生长和干物质量的影响

叶面积和茎粗是表征作物生长发育状况的重要指标[19],茎粗在作物生长发育过程中的增长量从侧面反映了作物在不同外部环境下的生长情况[20],而叶面积的大小是反应作物光合特性和蒸腾耗水的直接表征因素[21]．文中试验表明,不同水量交替灌溉对木薯茎粗和叶面积有着不同的影响,长时间的干旱胁迫会使得木薯茎粗和叶面积显著降低,这是因为木薯为了维持自身生长和体内水分平衡,通过减缓生长速率,减少叶面积,提高根冠比,从而增强了其抗干旱胁迫的能力．与处理T2比较,不同水量交替灌溉的处理T5增加了木薯的干物质量、茎粗和叶面积,这是因为植物经历干旱复水后具有明显的补偿生长效应[22],处理T5是对10,30 mm的灌水定额反复进行轮回交替灌溉,使得木薯根系长时间生长在干旱后复水的根区微环境中,具有反复刺激根系生长的作用,促进木薯根系增长,根密度增大,使得根系能够从根区有效范围内吸收更多的土壤水分,从而促进了木薯的干物质量、茎粗和叶面积增大,这与一些学者的研究结果[23]一致．

3.3　对木薯耗水量、产量和水分利用效率

木薯作为一种生物能源作物,在水资源日趋紧缺和可再生能源日益受重视的背景下,其节水高产的种植模式已引起国内外很多学者的高度关注．较低或较高的灌水量均不利于木薯产量和水分利用效率的提高[24]．文中研究表明,与处理T2相比,不同水量交替灌溉的处理T5其总耗水量显著下降,而木薯的产量显著提高,因此木薯的水分利用效率显著增加(见表2)．其可能的原因是:① 由于处理T5的木薯根系长时间处于干旱-复水的交替变化环境中,过去的研究发现,这种灌溉方式对根系生长具有明显的刺激作用,从而促进根系较快生长[18],这为根系获取土壤水分创造了更为有利的条件.灌水后,根系能从根区有效区域吸收更多的土壤水分供木薯利用．② 当植物处于干旱-复水的环境中,其生长和根系对水分的吸收均有明显的补偿效应[12]．文中研究发现,不同水量交替灌溉的处理T5反复在作物根区土壤进行干旱-复水的过程,这种作用机制经过长时间和反复地进行,其生长和产量会产生超补偿效应[22],因此干物质量和产量均显著增加(见表2)．③ 过去的研究也发现,不同水量交替灌溉的处理会促进作物含水率的明显增加,作物体内水分平衡的调控能力显著提高[18]．因此,与灌溉量相同的处理T2相比,处理T5通过反复刺激根系较快生长以提高根系获取根区土壤水分的能力,促进干物质量和产量显著提高,同时植物体内的贮存水能力也显著增加,提高了灌水定额较低(10 mm)时木薯体内水分平衡的调控能力,加之,木薯总耗水量显著下降,因此,不同水量交替灌溉的处理T5促进木薯水分利用效率显著提高,这与一些研究结果[15,18]保持一致．处理T3灌水量较高,在满足了木薯生长所需水量的同时，大量的水分却通过蒸散作用消耗掉,因此与处理T3相比,优化了水量分配的处理T5在节水33.3%的条件下,总耗水量显著下降,总干物质量并无显著下降,而产量显著增加13.3%,因此水分利用效率显著提高119.0%(见表2)．由此可见,不同水量交替灌溉的处理T5,当灌水量较低时能够满足木薯最小的生命需水要求,当灌水量较高时,通过旱后复水的补偿效应机制,刺激根系较快生长,提高根系从土壤中获取水分的能力,不仅节约了灌溉用水量,而且不同水量交替灌溉模式具有促进产量和水分利用效率提高的作用．

4　结　论

1) 不同水量交替灌溉不断在木薯根区进行干旱-复水的补偿效应过程,对木薯根系生长有一定的刺激作用,显著提高根系的干物质量,促进木薯根系能够从土壤中获取更多的水分,使得根区土壤含水率下降．

2) 不同水量交替灌溉具有节约灌溉用水、增加产量和提高水分利用效率的明显效果．本试验条件下,采用10和30 mm的灌水量进行交替灌溉的处理能显著提高木薯的产量和水分利用效率．

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(责任编辑　徐云峰)

doi:10.3969/j.issn.1674-8530.16.0032

收稿日期: 2016-02-17; 网络出版时间：2016-07-11

基金项目： 国家自然科学基金资助项目(51379004，51469010)；云南省应用基础研究资助项目(2013FB024，2014FB130)

作者简介: 赵馀(1989—), 男，湖南怀化人，硕士研究生([e-mail])，主要从事农业节水理论与新技术研究.

中图分类号: S275.3

文献标志码: A

文章编号： 1674-8530(2016)08-0715-07

Effects of alternate different irrigation amount modes on yield and water use efficiency of Cassava

ZHAO Yu, YANG Qiliang, WANG Qijian, LIU Xiaogang, WANG Weihua

(Faculty of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650500, China)

Abstract: In order to explore a compensatory effect of crops after encountering drought stress and then rehydration, the change of growth, yield and water use efficiency of Cassava under alternate different irrigation amount modes was studied. Five watering treatment modes were designed in this experiment, three conventional watering treatments: T1, T2, T3 (every time the irrigation amount of 10, 20, 30 mm, respectively), and two alternate watering treatments: T4 (repeated alternate two kinds of combined irrigation amount as 10 or 20 mm), T5(repeated alternate two kinds of combined irrigation amount as 10 or 30 mm). The results show that compared to T2 treatment, T5 treatment significantly increased total leaf area, total dry mass, yield and total water use efficiency by 31.1%, 20.3%, 64.6% and 114.0%, respectively. Compared to T3 treatment, T5 treatment saved irrigation water by 33.3%, the total dry mass reduced a little, but the root mass, total water use efficiency and yield significantly increased by 11.2%, 119.0% and 13.3%, respectively. Therefore, T5 treatment is the best mode to improve yield and water use efficiency of Cassava in greenhouse.

Key words: Cassava;different irrigation amount;alternate irrigation;drop irrigation;yield;water use