膜下滴灌水量对谷子光合作用及水分利用效率影响

潘永霞，田军仓,2,3，沈 晖,2,3，马 波,2,3，张会梅

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2. 宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021； 3. 旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021)

谷子与玉米、高粱同属C4植物，固定CO2能力强，净光合速率较高，属高产作物类型，单产潜力大[1,2]。学者分别从不同的方面对谷子的光合作用进行了研究，刘子会等[3]于河北省农林科学院大河实验站研究了杂交谷子和常规谷子灌浆期旗叶的光合速率差异；廖建雄等[4]研究了通过降低空气湿度、增加CO2浓度、烫叶鞘破坏韧皮部等处理对谷子叶片光合速率日变化和水分利用效率的影响；姜净卫等[5]在河北省张家口市农科院宣化试验站研究了露地平地种植、全膜平铺平地种植、沟植不覆盖地膜、垄膜覆盖膜侧沟植4种种植方式下地膜覆盖对张杂谷 3 号光合作用等生理特征、产量及水分利用的影响；张丽娜等[6]研究了不同谷子品种，在同一密度下的生理性状与光合水分特性。但未见关于北方干旱沙漠绿洲农区谷子全生育期光合作用的变化过程以及水分利用效率的研究。本试验通过研究谷子全生育期光合作用特性、抽穗期光合作用日变化规律和水分利用效率，为当地膜下滴灌谷子精准灌溉提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

于2013-2014年在内蒙古阿拉善左旗巴彦浩特镇希尼套海嘎查膜下滴灌基地进行了2 a的田间试验,谷子品种为“张杂谷5号”，灌溉水源为当地地下水。阿拉善左旗属温带荒漠干旱区，为典型的大陆性气候，年降雨量80～220 mm，年蒸发量2 900～3 300 mm[7]，水资源紧缺，节水迫在眉睫。试验田的土壤类型为沙壤土，pH值为8.38，土壤呈现碱性，密度为1.42 g/cm3，田间持水率为24.21%(质量百分数)，土壤营养物质含量见表1。

1.2 试验设计与实施

试验采用对比设计，设置了膜下滴灌3个不同灌水量处理，即低水处理(1 500 m3/hm2)、中水处理(3 000 m3/hm2)和高水处理(4 500 m3/hm2)，并分别以处理1、处理2和处理3代表。每个处理3次重复，每个重复为1个小区，共9个小区。为保证能够正常出苗和所有处理出苗的一致性，在播种前均灌水750 m3/hm2。

表1 试验田土壤营养物质含量Tab.1 Soil’s nutrient substance in experimental field

5月14日播种，种植时采用自主研发的开沟、施肥、铺管、覆膜、膜上打孔种植一体机种植，拖拉机为18.375 kW，播种深度为3～5 cm，播幅为1.8 m，播6行，采用宽行，一窄一宽，宽行40 cm，窄行22 cm，穴距12.5 cm。窄行之间铺设一条内镶片式滴灌带, 管径16 mm，滴头间距30 cm。底肥为600 kg/hm2的有机肥。种植示意图见图1。

图1 谷子种植示意图(单位：cm)Fig.1 Sketch map of millet planting(unit:cm)

1.3 测定内容与分析方法

(1)土壤含水率。分别在每个处理的上、中、下3个区域的2行谷子之间安装一根深度为1 m的土壤水分TDR测管，观测点距离作物11 cm。采用TDR(时域反射仪)分别测量0～20、20～40、40～60 cm土层深度的土壤含水率，每次灌水前后和降雨过后，观测土壤含水率，并计算成质量含水率。将各个处理上、中、下3个区域的土壤质量含水率平均后，作为该处理的土壤质量含水率。

(2)光合作用。采用LI-6400便携式光系统测定仪，在谷子各个生育期选取晴朗无云的天气，从上午8∶00开始，分别在8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00和18∶00测定不同处理的叶片净光合速率Pn、蒸腾速率Tr、气孔导度Gs和胞间CO2浓度Ci。每次测定选取长势基本一致的3个叶片，取平均值作为结果。

(3)叶片水分生产效率采用公式Pn/Tr计算。

(4)灌溉水分利用效率用实际产量与灌溉定额之比计算。

2 结果与分析

2.1 不同生育阶段膜下滴灌不同灌溉定额对谷子叶片光合特性的影响

(1)不同生育阶段膜下滴灌不同处理对谷子日平均净光合速率的影响。从图2看出，谷子不同生育期日平均净光合速率呈现出“单峰”变化，先增大后减小，在抽穗期达到峰值。处理1、处理2和处理3的峰值分别为42.00、44.70和52.54 μmol/(m2·s)，处理2和处理3比处理1的峰值分别增大6.4%和25.1%，处理3比处理2的峰值增大了17.5%。谷子在抽穗期生长达到了高峰期，叶片的生长最旺盛，故光合速率较其他生育期大。在滴灌水量一定范围内，不同处理的日净光合速率均随着滴灌水量的增加而增大，可见灌溉定额大，则土壤水分大，植株长势良好，叶片光合特性强，净光合速率大。

图2 膜下滴灌不同处理谷子不同生育期平均光合作用变化Fig.2 The average Photosynthetic Changes of different treatments in different growth stages

(2)不同生育阶段膜下滴灌不同处理对谷子日平均蒸腾速率的影响。谷子不同生育期日平均蒸腾速率呈现出“单峰”变化，先增大后减小，在抽穗期达到峰值。处理1、处理2和处理3的峰值分别为3.95、5.05和6.14 mmol/(m2·s)，处理2和处理3比处理1的峰值分别增大27.8%和55.4%，处理3比处理2的峰值增大了21.8%。可见，在试验条件下，随着灌溉定额(土壤水分)的增大，谷子日平均蒸腾速率也增大。

(3)不同生育阶段膜下滴灌不同处理对谷子日平均气孔导度的影响。谷子不同生育期日平均气孔导度变化呈现出“单峰”规律，先增大后减小，在抽穗期达到峰值。处理1、处理2和处理3的峰值分别为0.133、0.199和0.285 mmol/(m2·s)，处理2和处理3比处理1分别增大了49.8%和114.4%，处理2比处理3降低了30.1%。由此可见，在试验条件下，随着滴灌水量的增大，谷子不同生育期日平均气孔导度值也增大，故气孔导度对土壤水分比较敏感[8,9]。

(4)不同生育阶段膜下滴灌不同处理对谷子日平均胞间CO2浓度的影响。谷子不同生育期日平均胞间CO2浓度呈现出“V”形变化规律，在抽穗期达到谷值。处理1、处理2和处理3日平均胞间CO2浓度低谷值分别是154.29、116.91和75.71 mmol/(m2·s)，处理3比处理2和处理1分别降低35.2%和50.9%；处理2比处理3增大54.4%，比处理1降低24.2%；处理1比处理2和处理3分别增大32%和103.8%。可见，在同一测定时间，谷子不同生育期日平均胞间CO2浓度随土壤水分增大而减小。

(5)膜下滴灌不同处理对谷子不同生育阶段日平均叶片水分利用效率的影响。根据谷子不同生育期日平均净光合速率和蒸腾速率计算出谷子不同生育阶段日平均叶片水分利用效率，见表2。

表2 谷子不同生育阶段日平均叶片水分利用效率 μmol(CO2)/mmol(H2O)

从表2看出，谷子不同生育阶段日平均叶片水分利用效率呈“单峰”变化，峰值出现在抽穗期，处理1、处理2和处理3的峰值分别为10.63、8.85和8.56 μmol(CO2)/mmol(H2O)，且处理1>处理2>处理3。处理1的峰值比处理2和处理3分别增大20.1%和24.2%；处理2比处理1降低16.7%，比处理3增加3.4%；处理3比处理1和处理2分别降低19.5%和3.3%。可见，适当的干旱胁迫可以提高叶片水分利用效率，处理2的叶片水分利用效率适中。

2.2 抽穗期膜下滴灌不同灌溉定额对谷子叶片光合特性的影响

测得谷子抽穗期的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、细胞间隙CO2浓度的变化见图3。

图3 谷子抽穗期不同处理光合作用日变化Fig.3 Diurnal changes of photosynthesis in different treatments of millet heading stage

(1)抽穗期膜下滴灌不同处理对谷子净光合速率的影响。从图3看出，谷子抽雄期净光合速率的日变化呈现出“单峰”规律，先增大后减小，即在8∶00-12∶00逐渐增大，在中午12∶00达到峰值，12∶00-18∶00逐渐减小。在8∶00-12∶00随着时间的推移，光照强度逐渐增大，导致净光合速率也逐渐增大。在12∶00-18∶00，随着光照强度的减弱，净光合速率逐渐降低。不同处理的净光合速率均在12∶00达到峰值，处理1、处理2和处理3的净光合速率峰值分别为53.03、55.12、60.41 μmol/(m2·s)，且处理3>处理2>处理1，处理2和处理3比处理1的峰值分别增大了13.9%和3.9%，而处理3比处理2的峰值增大了9.6%。在滴灌水量一定范围内，不同处理的日净光合速率均随着滴灌水量的增加而增大，可见灌溉定额大，则土壤水分大，植株长势良好，叶片光合特性强，净光合速率大。

(2)抽穗期膜下滴灌不同处理对谷子蒸腾速率的影响。从图3看出，抽穗期蒸腾速率日变化呈现出“单峰”规律，先增大后减小，即在8∶00-12∶00逐渐增大，在中午12∶00达到峰值，12∶00-18∶00逐渐减小。这是因为在12∶00气温达到了最大，叶片出于对自身的保护，增加了水分的蒸腾，以降低叶片温度。处理1、处理2和处理3日蒸腾速率的峰值分别为6.14、6.82和8.71 mmol/(m2·s)，处理3比处理2和处理1分别增大27.7%和41.9%；其次是处理2，较处理1增大了11.1%，较处理3减小了21.7%。可见，在试验条件下，随着灌溉定额(土壤水分)的增大，日蒸腾速率也增大。

(3)抽穗期膜下滴灌不同处理对谷子气孔导度的影响。从图3看出，气孔导度的日变化呈现出“单峰”规律，8∶00-12∶00逐渐增大，在12∶00达到最大值，12∶00-18∶00逐渐减小。处理1、处理2和处理3的峰值分别为0.25、0.38和0.66 mmol/(m2·s)，且处理3>处理2>处理1，处理2和处理3比处理1分别增大了73.68%和164%，处理2比处理1增大了52%，比处理3降低了42.42%。由此可见，在试验条件下，随着滴灌水量的增大，气孔导度值也增大，故气孔导度对土壤水分比较敏感。

(4)抽穗期膜下滴灌不同处理对谷子胞间CO2浓度的影响。从图3看出，胞间CO2浓度的日变化规律呈现出“V”形规律，即在8∶00-12∶00逐渐减小，在12∶00出现最小值，12∶00-18∶00逐渐增大。处理1、处理2和处理3胞间CO2浓度低谷值分别是98.83、60.86和39.20 mmol/(m2·s)。处理3胞间CO2浓度比处理2和处理1分别降低35.6%和60.3%；处理2比处理3增大55.3%，比处理1降低38.4%；处理1比处理2和处理3分别增大62.4%和152.1%。植物光合作用碳的主要来源是胞间CO2，胞间CO2控制着植物的光合作用[10]。在8∶00-12∶00随着光照强度和温度的升高，净光合速率逐渐增大，光合作用所需要的碳元素量逐渐增大，从而导致胞间CO2浓度降低。在同一测定时间，胞间CO2浓度随土壤水分增大而减小。

2.3 不同处理对谷子水分利用效率的影响

所计算的叶片水分利用效率和灌溉水分利用效率见表3。

由表3看出，在试验条件下，产量随着灌溉定额的增大而增加。处理1较处理2和处理3分别减产37.8%和45.3%，减产严重。平均叶片水分利用效率较处理2和处理3分别提高14.8%和29.1%，灌溉水分生产效率较处理2和处理3分别提高3.7%和27.8%。

处理2较处理1增产60.8%，增产效果明显，较处理3减产12%，减产幅度不大；平均叶片水分利用效率较处理1降低12.9%，较处理3提高12.4%，处于适中值；灌溉水分生产效率较处理1降低3.5%，较处理3提高23.3%，同时与处理3相比较，节水28.6%。

处理3较处理1和处理2分别增产82.7%和13.6% ，但其平均叶片水分利用效率较处理1和处理2降低22.6%和11.1%，灌溉水分生产效率较处理1和处理2分别降低21.8%和18.9%。同时，灌溉定额较处理1和处理2分别增加133%和40%。

综上分析可见，处理2与处理1相比，产量有大幅度提高，灌溉水分生产效率降低幅度小；与处理3相比产量降低幅度小，水分利用效率有大幅度提高，同时还可节约用水28.6%，节水效果明显。加之试验区属于干旱地区，水资源短缺，灌溉水源为地下水，地下水已超采严重，节约水资源势在必行，故综合考虑，灌溉定额为3 750 m3/hm2是试验条件下膜下滴灌适宜的灌溉定额。

表3 不同处理水分利用效率Tab.3 Water use efficiency of different treatments

注：上表数据中产量后带“*”表示经过LSD检验呈现显著性差异，其中显著性水平p<0.05。

3 结 论

(1)膜下滴灌谷子不同生育期不同灌水处理的日平均净光合速率、日平均蒸腾速率、日平均气孔导度日变化均呈现出“单峰”变化规律，均在抽穗期达到峰值；日平均胞间CO2浓度则呈现出“V型”变化规律，在抽穗期达到谷值。在试验条件下，同一生育期的日平均净光合速率、日平均蒸腾速率和日平均气孔导度随着土壤水分的增加而增大，而日平均胞间CO2浓度则随着土壤水分的增加而增小。谷子不同生育阶段日平均叶片水分利用效率呈“单峰”变化，峰值出现在抽穗期，同一生育阶段的叶片水分利用效率随着土壤水分的增加而增加。

(2)谷子抽穗期膜下滴灌不同灌水处理的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度日变化均呈现出“单峰”变化规律，在中午12∶00达到峰值；胞间CO2浓度则呈现出“V型”变化规律，在中午12∶00达到谷值。在试验条件下，同一测定时间的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度，随着土壤水分的增加而增大，而胞间CO2浓度则随着土壤水分的增加而增小。

(3)处理2谷子产量为6 156 kg/hm2，平均叶片水分利用效率为6.60 μmol/mmol，灌溉水分生产效率为1.64 kg/m3，与处理1相比，产量有大幅度提高，灌溉水分生产效率降低幅度小；与处理3相比产量降低幅度小，水分利用效率有大幅度提高，同时还可节约用水28.6%，节水效果明显。考虑到试验区水资源短缺节约水资源势在必行，选择灌溉定额为3 750 m3/hm2作为试验条件下膜下滴灌适宜的灌溉定额。

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