控制性分根交替灌溉提高马铃薯水分利用效率的研究

【摘要】：我国水资源严重短缺,农业用水占总用水量70%左右,灌溉水和作物的水分利用效率偏低,水肥渗漏现象严重,因此最大限度地提高水分利用效率,在农业生产中显得至关重要。分根交替灌溉(PRD)是一种在局部根系受旱时既能满足作物水分需求,又能控制蒸腾耗水的农田节水灌溉新技术,即利用植物水分胁迫时产生的根信号功能,可以有效调节气孔关闭,而湿润区的根系从土壤中吸收水分以满足作物生长的最小水量。通过分根交替灌溉使表层土壤处于干湿交替状态,可以减少棵间一直湿润时的无效蒸发损失和总灌水量,达到节水同时不减少光合产物积累的目的。为了研究分根交替灌溉对马铃薯水分利用效率的影响,开展了下列试验。 试验于2008年在中国农科院农田灌溉研究所新乡农业水土环境野外观测试验站进行,试验根据作物自身的生理生长特性,将不同灌溉方式地下滴灌(subsurface drip irrigation SI)、沟灌(furrow irrigation FI)和不同灌溉水量常规灌溉(routine irrigation RI)、交替灌溉(partial root dry PRD)相结合,设置SI、SPRD(地下滴灌分根交替灌溉)和FI、FPRD(沟灌分根交替灌溉)四个处理,通过对土壤水分运移规律、马铃薯根系生长与分布、生物指标、生理生态效应、产量与水分利用效率以及作物土壤养分环境状况的分析,较为系统的研究了地下滴灌分根交替灌溉对马铃薯的生理生长和节水效应,主要结论如下： 沟灌条件下PRD处理马铃薯产量较常规灌溉显著降低3.1%,而地下滴灌马铃薯产量处理间差异不显著；地下滴灌PRD灌溉处理的马铃薯产量较沟灌PRD处理高7.7%,处理间差异显著；与沟灌相比,地下滴灌处理能显著提高马铃薯产量,而地下滴灌PRD处理在减少30%灌水的情况下产量并不显著下降。 PRD处理的马铃薯灌水利用效率和总水分利用效率都显著高于常规灌溉处理。地下滴灌条件下,PRD处理的马铃薯灌水利用效率和总利用效率分别较常规灌溉高28.2%和10.2%,沟灌条件下,PRD处理的马铃灌水利用效率和总利用效率分别较常规灌溉高25.8%和8.7%；地下滴灌PRD处理的马铃灌水利用效率和总利用效率分别较沟灌PRD高35.6%和33.5%,地下滴灌常规灌溉处理的马铃灌水利用效率和总利用效率分别较沟灌常规灌溉高33.1%和31.2%,处理间差异显著。 相对常规灌溉处理,PRD灌溉能显著提高马铃薯块茎可滴定酸和粗蛋白含量,地下滴灌PRD处理块茎中可滴定酸和粗蛋白含量较常规灌溉提高4.17%和2.75%,沟灌PRD处理块茎中可滴定酸和粗蛋白含量较常规灌溉提高4.35%和2.08%,地下滴灌PRD处理块茎中可滴定酸和粗蛋白含量较沟灌处理高1.19%和4.17%；灌溉方式对马铃薯块茎中维C和淀粉含量影响不显著,可提高马铃薯块茎可滴定酸含量、还原糖、维C和粗蛋白。PRD可显著提高马铃薯块茎淀粉和可滴定酸含量,可滴定酸含量较清水和再生水充分滴灌分别提高4.17%和8.70%,有利于马铃薯块茎营养品质的提高；PRD处理的马铃薯还原糖含量低于常规灌溉处理,地下滴灌PRD处理马铃薯还原糖含量较常规灌溉低14.6%,处理间差异显著。PRD灌溉能够改善马铃薯块茎品质,地下滴灌PRD处理效果更明显。 分根交替灌溉处理开始后,随着交替灌溉处理的进行,0-60cm土层土壤体积含水量呈现交替上升和下降的趋势,马铃薯生育期内PRD处理中灌水的一侧土壤含水率都略高于或低于常规灌溉处理,从而保证马铃薯一部分根系能够始终生长在充足的水分环境中。常规灌溉处理不同位置处的含水率一直保持一个较高的水平,而PRD处理整个生育期内垄沟的含水率最高,垄坡次之,垄上最小 分根交替灌溉处理对马铃薯根系分布的影响,总体规律是以植株为中心,呈发射状沿不同方向减小。总体上地下滴灌PRD处理的根长密度大于常规灌溉处理,但在垄脊上马铃薯种植处和滴头位置45cm以上常土层内常规灌溉处理的根长密度大于PRD处理,45cm以下以及垄坡和垄沟中PRD处理的根长密度大于常规灌溉处理；沟灌处理根系大部分都集中在表层45cm土层内,但45cm以下PRD灌溉处理的根长密度仍小于或接近常规灌溉处理,整体分析常规灌溉处理的根长密度都大于PRD灌溉处理,这可能是由沟灌和地下滴灌灌水频次的不同引起的。对比分析,马铃薯根重密度的分布与根长密度分布趋势相同。 各灌水处理叶面积和地上部干物重随着马铃薯生育期进程逐渐增大,但在成熟期由于绿叶面积减少,叶面积下降。地下滴灌处理的马铃薯叶面积大于沟灌处理,并且常规灌溉处理的叶面积都大于分根交替灌溉处理,处理间差异显著；地下滴灌处理的马铃薯地上部干物重都大于相应的沟灌处理,并且相同灌水方式下,常规灌溉处理的马铃薯地上部干物重都大于PRD灌溉处理,整个生育期各个处理地上部干物重平均增长速率为：SPRD 34.55%,SI 34.78%,FPRD 32.77%,FI 31.75%,处理间差异不显著；相同灌水方式下PRD灌溉处理的马铃薯根冠比都大于常规灌溉处理,总体而言,地下滴灌处理的马铃薯根冠比大于同时期沟灌处理。 不同灌水处理光合速率、蒸腾速率和气孔导度的变化趋势基本一致,随着灌水和降雨而升高,同时也随土壤水分的亏缺降低的幅度增大。马铃薯整个生育期中,随着马铃薯的生长,各个灌水处理的马铃薯光合速率、蒸腾速率和气孔导度都逐渐减小；无论是地下滴灌还是沟灌,PRD处理的马铃薯叶片光合速率低于常规灌溉处理,处理间差异不显著,而PRD处理的马铃薯叶片蒸腾速率和气孔导度显著低于常规灌溉处理,说明PRD处理和以减少马铃薯植株体内水分损失,从而提高水分利用效率；无论地下滴灌还是沟灌条件下,常规灌溉处理的马铃薯叶水势都高于PRD灌溉处理,沟灌处理的马铃薯叶水势高于地下滴灌处理,进行灌水处理或沟灌结束2-3天内,沟灌处理的叶水势比地下滴灌显著增高。 整个生育期中马铃薯叶片硝态氮含量呈现先增加再降低的趋势。地下滴灌PRD处理的马铃薯叶片硝态氮含量整个生育期中都高于地下滴灌常规灌溉和沟灌处理,并且沟灌条件下PRD处理的叶片硝态氮含量也大于常规灌溉处理,各个时期处理间差异不显著；常规灌水处理马铃薯植株全氮含量略低于PRD灌溉处理,地下滴灌常规灌水处理马铃薯植株全氮含量比PRD处理低2.03%,而沟灌常规灌溉处理的植株全氮含量较PRD处理低0.86%,各个处理间植株全氮含量差异不显著；PRD灌溉处理的马铃薯块茎全氮含量略高于相应的常规灌溉处理,地下滴灌PRD灌溉处理的马铃薯块茎全氮含量较常规灌溉高2.80%,沟灌PRD灌溉处理的马铃薯块茎全氮含量较常规灌溉高2.31%,；地下滴灌处理马铃薯块茎全氮含量略低于沟灌处理,处理间差异不显著；各个灌水处理土壤中全氮含量变化趋势都相同,表层土壤全氮含量最高,随着土层深度的增加,全氮含量逐渐降低,0-40cm耕作层内土壤全氮含量相对较高,40cm-60cm土层中全氮含量趋于稳定,土壤深度相同时,地下滴灌处理的土壤中全氮含量高于沟灌处理,并且常规灌溉处理的土壤中全氮含量高于PRD灌溉处理。 滴灌和交替灌溉都会带来土壤盐分的变化。地下滴灌常规灌溉处理垄脊上距表层25cm处土壤盐分含量最高,随着土层深度的增加,盐分含量逐渐降低,表层土壤盐分分布为垄坡最高、垄脊次之、垄沟相对最低；地下滴灌PRD灌溉处理的土壤盐分在马铃薯种植处、垄脊上含量最高,垄坡含量低于垄脊,垄沟盐分含量最低,但在同一水平上(y=0cm,y=18.5cm,y=37.5cm)表层土壤盐分含量最高,随着土壤深度的增加,盐分含量降低。 分根交替灌溉处理在不显著降低马铃薯产量的前提下,水分利用效率显著提高,分根交替灌溉更有利于改善马铃薯块茎品质,在灌溉用水减少30%的情况下,分根交替灌溉不影响马铃薯对土壤养分的吸收。但是,分根交替灌溉也使土壤中盐分分布不均匀,如果操作不当,容易在作物根系层产生盐害,在灌水过程中还需对分根交替灌溉技术进行具体调控。