膜下滴灌條件下根區(qū)水分對棉花根系生長與活性及產(chǎn)量的影響

膜下滴灌條件下根區(qū)水分對棉花根系生長與活性及產(chǎn)量的影響

根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，其生長發(fā)育與土壤水分密切相關(guān)。通過改變土壤水分的狀況及其分布，調(diào)節(jié)根系的生長，可以調(diào)節(jié)高產(chǎn)和高水利用。已有研究表明,調(diào)虧灌溉下根系生物量減少,但根冠比和根系活力提高,說明調(diào)虧在量上抑制根系生長,但在形態(tài)和功能上有補(bǔ)償作用;根區(qū)交替灌水使根系總量和根冠比增加,根系分布均勻,水分利用效率顯著增加;上層干旱下層濕潤的水分環(huán)境使作物具有發(fā)達(dá)的根系,保持了較旺盛的生長活力,產(chǎn)量及水分利用效率顯著提高。因此,如何通過農(nóng)田水分調(diào)控措施,調(diào)節(jié)作物根系生長,進(jìn)而調(diào)節(jié)地上部生長,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源高效利用,已成為現(xiàn)代灌溉農(nóng)業(yè)研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一。新疆屬于典型的無灌溉即無農(nóng)業(yè)的內(nèi)陸干旱區(qū),光熱資源豐富,具有發(fā)展棉花的資源優(yōu)勢,然而水資源不足已成為制約新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心因素,發(fā)展節(jié)水灌溉是新疆農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本出路。目前,新疆推廣的大田作物膜下滴灌技術(shù)將先進(jìn)的栽培方式和滴灌技術(shù)相結(jié)合,不僅提高了農(nóng)田水肥的可控性,為作物根系生長創(chuàng)造了良好的水分和養(yǎng)分環(huán)境,而且為根系調(diào)控技術(shù)的研究提供了新的思路和方法。如何利用膜下滴灌技術(shù)可人為高精度控水的特點(diǎn),探尋通過控制根區(qū)土壤水分供應(yīng),調(diào)節(jié)根系生長,進(jìn)而調(diào)節(jié)地上部生長,最終提高棉花經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量是實現(xiàn)膜下滴灌棉花高產(chǎn)高效的重要研究內(nèi)容。為此,本試驗在新疆氣候生態(tài)條件下,選用對水分敏感程度不同的棉花品種為試材,采用土柱試驗方法,通過膜下滴灌精確控制生育期間土壤水分的供應(yīng),研究根區(qū)水分變化對膜下滴灌棉花根系生長與活力及產(chǎn)量的調(diào)節(jié)效應(yīng),旨在明確根區(qū)水分變化對棉花產(chǎn)量的影響機(jī)理,以期為棉花超高產(chǎn)和以土壤水和作物關(guān)系為中心的農(nóng)田水分調(diào)控提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1土柱和土柱的地面下水生態(tài)處理試驗在新疆石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗站進(jìn)行。參試品種為兩個對水分敏感程度不同的新陸早6號和新陸早8號。采用土柱的試驗方法,設(shè)3個滴水量處理,每次滴水量均為375m3·hm-2:(1)以新疆大田膜下滴灌棉花滴水定額為常規(guī)滴灌處理(滴水量為3750m3·hm-2),全生育期共滴水10次;(2)減少滴水定額1/3為限量滴灌處理(滴水量為2550m3·hm-2),全生育期共滴水6次;(3)增加滴水定額3/5為充分滴灌處理(滴水量為6000m3·hm-2),全生育期共滴水16次。采用裂區(qū)試驗設(shè)計,滴水量處理為主區(qū),品種為副區(qū),隨機(jī)排列,每處理18個重復(fù)。試驗采用的土柱外層為瀝青油氈紙、內(nèi)層為防滲膜,直徑40cm、高100cm。桶柱制作完成后,排放好放入挖好的高100cm的方形土坑中,柱桶底部用防滲膜封底,排列行距與大田相同(30cm+60cm+30cm),按照田間土壤狀況(土壤有機(jī)質(zhì)含量19.7g·kg-1,全氮含量0.91g·kg-1,堿解氮72.0mg·kg-1,速效磷43.8mg·kg-1,速效鉀200.0mg·kg-1)裝土入柱。土柱周圍用土填實,播種前1個月進(jìn)行灌水沉實,使土柱與大田狀況盡可能一致。播種日期依據(jù)本地氣候條件,于4月25-27日在土柱上布滴灌帶、鋪膜后,人工點(diǎn)播,每柱內(nèi)外行各播4穴(株距為10cm),每穴2~3粒種子,出苗后2葉期每穴定1株,棉花生長期間及時滅草和防治病蟲害。滴水量用水表和球閥控制。水分處理從6月7日開始,在第1次、第2次滴水時隨水施入尿素每公頃225kg,其它管理措施同大田膜下滴灌棉花。1.2土壤水分變化情況的調(diào)查與分析土壤水分主要采用中子水分測試儀(美國CPN公司503DR)測定,并在滴水前和滴水后1d采用烘干法對其測定值進(jìn)行校正。中子水分測試儀的探測鋁管埋深100cm,測定時按垂直方向每10cm測一個樣點(diǎn),采用美國CPN公司生產(chǎn)的、ICT公司為之配套的PROBE灌溉決策軟件,通過換算公式和校正系數(shù)可換算成土壤相對含水量來表示灌水前后土壤水分的變化情況。于盛蕾期、盛花期、鈴期、盛鈴期、吐絮期等關(guān)鍵生育時期,相應(yīng)為出苗后50、70、90、110、130d進(jìn)行取樣,每處理重復(fù)3次。取樣后,將植株地上部分分為莖、葉、蕾鈴等不同器官,鮮樣于105℃殺青30min后80℃烘48h,稱干質(zhì)量。地下部分調(diào)查時,先將土柱挖出,每隔10cm為一層面分段截取,取適量鮮根低溫保存用于室內(nèi)測定。取根系烘干,測定根系干質(zhì)量;根系活力測定參照張志良的方法;成熟期收樣,進(jìn)行室內(nèi)考種,以實收產(chǎn)量計產(chǎn)。1.3處理數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采用DPS10.0軟件,Duncan多重比較法進(jìn)行統(tǒng)計分析。作圖采用Sigmaplot9.0完成。2結(jié)果與分析2.1實行聯(lián)合下的高效節(jié)水,降壓提效不同滴水量處理,一個滴水周期內(nèi)土壤水分的動態(tài)變化結(jié)果見圖1。滴水后2d,限量滴灌、常規(guī)滴灌和充分滴灌量處理在土壤耕層內(nèi)(40cm以內(nèi))相對含水量分別保持為65%、70%和85%以上;水后4d,限量滴灌量處理在耕層內(nèi)相對含水量降至60%以下,常規(guī)滴灌量處理則在60%~65%,充分滴灌量處理可保持在80%左右。水后6d,限量滴灌和常規(guī)滴灌量處理在耕層內(nèi)相對含水量均降低至55%,接近棉花需水的臨界值;水后10d以后,常規(guī)滴灌量處理耕層內(nèi)的相對含水量可保持在50%~52%,限量滴灌量處理已降低至40%左右。可見,滴水周期越長,棉花根區(qū)水分減少幅度越大,干旱脅迫程度加重。2.2不同外施改性對根系分布的影響根系生物量是分析根系生長最常用的指標(biāo)之一。試驗表明,棉花單株根量隨生育時期的推移均呈明顯的增加趨勢(表1),隨滴水量的增加而增加。以充分滴灌量條件下新陸早6號最高,限量滴灌量新陸早8號最低。品種間,新陸早6號充分滴灌和限量滴灌量條件下根系生物量高于新陸早8號,常規(guī)滴灌量下低于新陸早8號。對不同處理用Logistic曲線y=A/(1+a×e-bx)擬合顯著性檢驗為顯著或極顯著。兩品種在不同滴水量條件下,根系的線性增長期隨滴水量的增加而延長,以充分滴灌條件下新陸早6號較長,限量滴灌條件下新陸早8號最短;進(jìn)入線性增長期時間隨滴水量的增加而提前,其中充分滴灌量處理進(jìn)入線性增長期的時間比其它兩處理早10~15d,說明根區(qū)水分充足有利于促進(jìn)根系發(fā)育,根區(qū)水分虧缺引起棉花受到水分脅迫時,根系的生長發(fā)育進(jìn)程緩慢,生物量明顯降低。分析不同滴水量條件下棉花根系在垂直土層中的分布比例表明(表2),0~20cm土層內(nèi),根量分布的比例表現(xiàn)為充分滴灌量>常規(guī)滴灌量>調(diào)虧滴灌量處理,且處理間均達(dá)到顯著性差異;0~40cm土層內(nèi),調(diào)虧滴灌量處理根量分布的比例顯著低于其它兩個處理,充分滴灌和常規(guī)滴灌量之間無明顯差異;40cm以下土層內(nèi)調(diào)虧滴灌量處理根量分布的比例顯著高于其它兩個處理,說明隨滴水量的增加,淺層土中根量分布增多,深層土中根量分布減少;當(dāng)耕層水分較少的情況下,分布在深層中根量的比例增加。品種間,新陸早6號在限量滴灌量條件下根系在40cm以下土層內(nèi)分布的比例顯著高于新陸早8號,在常規(guī)滴灌和充分滴灌量條件下顯著低于新陸早8號。2.3不同處理間的土壤條件下根系活力TTC還原強(qiáng)度即每克鮮根單位時間內(nèi)還原TTC、生成三苯基甲簪的量,是衡量根系活力大小的重要指標(biāo)。根區(qū)水分對棉花根系活力有明顯的影響(圖2),在整個生育期內(nèi)根系活力的動態(tài)變化呈單峰型曲線,均在花后70d達(dá)到峰值;土層間隨土層深度的增加而減小,以0~20cm土層根系活力最高。不同處理間,在盛花期根系活力達(dá)峰值之前,0~40cm土層根系活力隨滴水量的增加而增加,40~100cm土層根系活力以常規(guī)滴灌量處理較高;峰值過后,常規(guī)滴灌量的根系活力在整個土層均高于充分滴灌和限量滴灌量處理。不同品種對滴水量反應(yīng)不同。新陸早8號較新陸早6號對限量滴灌量反應(yīng)敏感,表現(xiàn)為根區(qū)水分虧缺,根系活力明顯降低,且生育后期下降快。常規(guī)滴灌和充分滴灌量條件下,新陸早6號的根系活力在盛花期以前與新陸早8號無明顯差異,進(jìn)入盛鈴期后迅速下降,低于新陸早8號。與新陸早6號相比,新陸早8號在常規(guī)滴灌和充分滴灌量條件下根系活力的變化較為平穩(wěn)。2.4不同州花的根冠比土壤水分不僅影響根系生長發(fā)育及生理功能,還會改變植株器官間的生長進(jìn)程,特別是根冠比。試驗表明,根冠比的生育期變化表現(xiàn)為盛蕾期較高,隨生育進(jìn)程的推移逐漸減小,至吐絮期減至最小(圖3)。不同滴水量條件下棉花根冠比存在明顯差異,限量滴灌和常規(guī)滴灌量處理由于滴水周期長,滴水前棉花受到了水分脅迫,促使有限的光合產(chǎn)物優(yōu)先向根系分配,根冠比變大;充分滴灌處理滴水周期短,根區(qū)水分充足,地上部生長旺盛,根冠比較低。品種間,無論在何種滴水量條件下,新陸早8號的根冠比均高于新陸早6號。2.5母株與激發(fā)混合結(jié)鈴量對棉蝦產(chǎn)量的影響不同滴水量條件下,棉花子棉產(chǎn)量以常規(guī)滴灌量最高。其中,新陸早8號子棉產(chǎn)量達(dá)5682.39kg·hm-2的高產(chǎn)水平,其次為充分滴灌量,限量滴灌量處理的最低(表3)。進(jìn)一步考察其產(chǎn)量構(gòu)成因素,單株結(jié)鈴數(shù)隨滴水量的增加而增加,充分滴灌與常規(guī)滴灌量處理無顯著差異,但均與限量滴灌量達(dá)到了顯著性差異;鈴重則表現(xiàn)為常規(guī)滴灌量處理最高,且與充分滴灌和限量滴灌量處理均達(dá)到了顯著性差異。充分滴灌處理棉花生物產(chǎn)量最高,但經(jīng)濟(jì)系數(shù)較低,表明同化物向生殖器官分配的比例低,棉株徒長;限量滴灌雖提高了經(jīng)濟(jì)系數(shù),但終因單株結(jié)鈴數(shù)顯著降低,產(chǎn)量水平較低;常規(guī)滴灌未增加生物產(chǎn)量,但提高了經(jīng)濟(jì)系數(shù),說明常規(guī)滴灌的增產(chǎn)作用主要是通過提高同化物向經(jīng)濟(jì)器官蕾鈴分配的比例,增加鈴重而實現(xiàn)。品種間,新陸早8號在常規(guī)滴灌和充分滴灌量條件下產(chǎn)量均高于新陸早6號,限量滴灌量條件下顯著低于新陸早6號。3不同灌溉條件對根系生長、活力及產(chǎn)量的影響3.1膜下滴灌條件下根區(qū)水分變化對棉花根系生長及分布具有明顯的調(diào)節(jié)效應(yīng)。限量滴灌和常規(guī)滴灌量處理滴水前土壤耕層內(nèi)相對含水量在40%~55%,棉株受到了輕度至中度的水分脅迫,滴水后可保持在65%~75%的根區(qū)水分環(huán)境,縮短了根系生長發(fā)育期,降低了根系生物量,且顯著增加了根系在深層土中分布的比例;充分滴灌量處理由于滴水周期短,根區(qū)水分充足,滴水前后土壤耕層中相對含水率的變化幅度不大,均保持在80%~85%,促進(jìn)了根系的生長發(fā)育,根系進(jìn)入線性增長期提前,根系生長的高峰期延長,進(jìn)而根系生物量增加,且根系在淺層土壤分布的比例顯著增加。不同品種對根區(qū)水分變化的響應(yīng)不同。新陸早6號在限量滴灌量條件下根系生物量及深層土中分布的比例均顯著高于新陸早8號,這可能是新陸早6號對限量滴灌反應(yīng)不敏感的原因之一。3.2肖凱等研究表明,根系活力與春小麥群體光合速率在春季各生育時期尤其是生育后期均呈高度正相關(guān),表明根系生理功能強(qiáng)弱與地上部群體光合能力乃至群體物質(zhì)生產(chǎn)能力有緊密的聯(lián)系。本試驗表明,常規(guī)滴灌條件下根系的生長發(fā)育受到了影響,但顯著提高了40~100cm土層中根系分布的比例及根系活力,有利于增加根系對深層土壤中的水分和養(yǎng)分的吸收。生育后期根系活力下降緩慢有利于延緩葉片衰老,從而延長產(chǎn)量形成期,提高棉花產(chǎn)量。3.3根區(qū)水分通過對棉花根系生長、活力和地上部分的影響,最終影響產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成。不同滴水量條件下棉花生物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素差異顯著。隨著滴水量的增加,棉花生物產(chǎn)量增加,充足的灌溉有利于生物