膜下滴灌油葵光合作用及补充灌溉制度研究

王怀博，唐 瑞，鲍子云，杜 历

(宁夏水利科学研究院，宁夏 银川 750021)



膜下滴灌油葵光合作用及补充灌溉制度研究

王怀博，唐 瑞，鲍子云，杜 历

(宁夏水利科学研究院，宁夏 银川 750021)

针对宁夏中部干旱带水资源短缺和生态环境恶劣的问题，该文研究补充灌溉对油葵产量和节水效果的影响。采用膜下滴灌种植模式，设置3个水平的滴灌定额，研究不同补充灌溉定额对油葵成活率、叶面积指数、光合指标及水分利用效率的差异，与微集雨条件下的油葵进行对比。研究发现，随着灌溉定额的增加，油葵的成活率提高，油葵叶片光合速率随光合有效辐射、叶片温度与空气温度之差增加而增大，反之，则蒸腾速率增大，最适宜的处理(675 m3/hm2)产量较对照增加12.13%，较灌溉定额最大的处理(1050 m3/hm2)节水20.46%。

宁夏中部干旱带；油葵；补充灌溉；光合速率；水分利用效率

宁夏中部干旱带是宁夏乃至全国干旱缺水最严重的地区，降雨稀少，时空分布不均。该区多年平均降雨量在200～400 mm之间，多年平均水面蒸发量在1210～1600 mm之间，干旱指数在3～8之间，当地人均水资源占有量50 m3，仅为宁夏全区平均水平的16%，全国平均水平的2%[1]。长期以来人口激增造成的滥垦、滥牧、滥伐等掠夺式开发导致自然条件恶劣，土地荒漠化严重，生态环境恶化。这些劣势因素决定了当地的农业产业发展布局必须要根据当地的水资源条件，实施节水高效项目，发展特色农业设施农业。转变农业生产方式对改善区域生态效益有重大影响。

补充灌溉是给作物只灌关键水、灌生命水，这样势必会在作物的某个生育时期给予主动水分亏缺。作物光合作用是决定作物物质生产的重要因素，不同缺水程度会降低作物叶片气孔导度，减少光合关键酶Rubisco及Rubisco活化酶活性，使细胞内气体交换变缓，导致光合作用和蒸腾作用速率下降，从而造成植株群体数量及质量差异。因此摸清不同补充灌溉制度对作物需水规律的影响机理是制定合理灌溉制度提高水分利用效率的关键。本文拟通过田间试验总结提出适宜宁夏中部干旱带膜下滴灌油葵的优化补充灌溉制度，对提高油葵产量，促进宁夏扬黄灌区种植结构调整，缓解宁夏扬黄灌区水资源短缺以及提高有限水资源利用效率和综合效益具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验基地概况

试验于2015年在宁夏回族自治区吴忠市同心县王团镇宁夏旱作节水高效农业科技园进行。同心县地处鄂尔多斯台地与黄土高原北部的衔接地带，北纬36°58′48″，东经105°54′24″，位于宁夏中部干旱带核心区，东与甘肃环县相邻，南与固原市接壤，西与海原县相邻，北与中宁、红寺堡接壤，属典型的温带大陆性气候，四季分明，日照充足，昼夜温差大，年均降水量259 mm左右，蒸发量达2325 mm，干旱缺水是最大的自然特征。

试验区土壤属黏壤土，田间土壤饱和质量含水率为22%，土壤干体积质量为1.46 g/cm3，有机质质量分数为12.2 g/kg，速效氮、速效磷、速效钾质量分数分别为55 mg/kg、9.8mg/kg、111 mg/kg，全盐量为0.098 g/kg，pH值为8.6。试验田东高西低，坡度较小。试验水源采用扬黄水，经首部过滤加压后进入田间管网系统，经铺设的一次性内镶贴片式滴灌带对油葵进行灌溉。

1.2 试验设计

试验采用双垄双沟全覆膜，宽窄行种植，宽行60 cm，窄行40 cm，株距30 cm，种植55 500株/hm2，供试油葵品种为S606。各处理采用随机区组排列，重复三次，小区面积60 m2(10 m×6 m)，每小区5垄10行，补灌定额设3个水平，分别为①300 m3/hm2(B1)、②675 m3/hm2(B2)、③1050 m3/hm2(B3)和④对照(CK)；补灌4次(灌水分配比例为25%、30%、30%、15%)。滴头流量为2 L/h，灌水量用水表控制。根据油葵生长发育需水规律，分生育阶段补灌，具体实施灌水时间为5月20日、6月15日、7月2日、8月1日。

1.3 测定项目与方法

采用英国生产的PR2/6土壤剖面水分仪监测10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、60 cm和100 cm剖面处土壤体积含水率，播前测定土壤基础含水率，生育期内每隔10 d测1次，降雨后及灌水前后加测。

监测油葵物候期，选择长势基本一致的5株油葵，从上往下数第5～7片全展叶，在08:00-18:00期间采用美国产CI-340型便携式光合作用测定仪每2 h测定1次油葵叶片生理指标(光合有效辐射PAR、温度T、光合速率Pn、蒸腾速率Tr、胞间CO2摩尔分数Ci和气孔导度Gs)。

采用游标卡尺测量茎粗，米尺测量株高与生长量(叶片长宽及叶片数)，电子秤称量油葵鲜(干)物质量。每处理随机选取9株油葵，称其盘鲜(干)质量，百粒鲜(干)质量，同时选取1株，测定其根茎叶鲜(干)质量，并获取百粒鲜(干)质量及单盘产量。

叶面积指数计算方法如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中：k为叶面积校正系数，取值为0.67；Wi为叶片宽度，cm；Li为叶片长度，cm;LA为单株叶面积,cm2；m种植密度；A为种植面积,cm2。

2 结果与分析

2.1 膜下滴灌油葵生育期划分及成活率统计

试验在2015年4月21日进行油葵种植，种植密度为55 500株/hm2。5月5日油葵长出两片真叶，播种到出苗共13 d，苗期共41 d。至6月15日油葵顶部出现直径1 cm的星状体，即进入现蕾期，现蕾期为23 d。7月8日田间75%油葵的舌状花开放，进入开花期，开花期为29 d，其中初花期15 d，终花期14 d。8月6日油葵进入成熟期，成熟期持续24 d。至8月30日，9月2日收获，全生育期共135 d。

不同水分处理下，油葵成活率也各不相同，各处理平均成活率为92.5%，即51 330株/hm2，成活率最高的是处理B3，为98%。随着灌溉定额的增加，油葵成活率分别为90%(CK)，86%，96%，98%。

2.2 不同补充灌溉制度下油葵叶面积指数变化

油葵的光合叶面积与产量形成具有密切的关系，适宜的叶面积是油葵有机物质生产和积累的重要生理指标，适当扩大油葵的叶面积指数也是提高油葵产量的重要途径之一。油葵全生育期叶面积指数的动态变化反映了油葵群体光合叶面积在不同生育时期的规模[2]。表1为不同补灌制度油葵不同生育期叶面积指数。从表1可知油葵生育期叶面积指数最大值出现在7月3日到7月13日之间，6月3日到6月23日为缓慢增长阶段，至7月13日间为快速增长阶段，之后为衰退阶段。不同处理下油葵的灌溉制度不同，其成活率有差异，反映出的油葵叶面积指数动态变化的曲线也不同。四个处理叶面积指数最大值最大的是处理B2，为4.74，其次是处理B3，为4.33，最小的是CK，为2.41，这表明叶面积指数受植株密度的影响较后期生长发育程度小，当灌溉定额达到一定水平后，灌溉定额的增加并不能引起油葵叶面积的增大。

表1 不同补灌制度油葵不同生育期叶面积指数LAI

2.3 不同补充灌溉制度下膜下滴灌油葵光合指标分析

光合有效辐射是植物生命活动、有机物质合成和产量形成的能量来源。从图1(1)中可以看到，各处理油葵叶片光合有效辐射量均呈双峰凸抛物线型曲线变化，第一个峰值出现在10:00，在监测期间，10:00数据取自10:00到11:00之间；随后光合有效辐射开始逐渐减小，到12:00降低到一个极小值，12:00数据取自12:00到13:00之间，这段时间太阳辐射较强，但是光合有效辐射降低。到14:00，光合有效辐射又回到另一个峰值，之后开始逐步降低。三个处理的光合有效辐射整体表现为：B1>B3>CK>B2，这表明油葵叶片光合有效辐射与灌溉定额无线性关系，由此可知，油葵叶片光合有效辐射不仅与太阳辐射有关系，其变化规律也与油葵叶片其他指标有关系[3]。

植物为变温生物，其温度是由土壤-植物-大气连续体内的热量和水汽流决定的。油葵叶片温度与空气温度的差值变化反映了土壤供水与油葵需水之间的矛盾，膜下滴灌油葵补灌种植模式使油葵在生育期内受不同程度的水分亏缺，从而使油葵叶片的蒸腾量有所减少，油葵自身消耗能量减少，致使叶片温度增加。油葵的这一温度差可作为油葵水分亏缺诊断指标，用以指导田间补充灌溉。从图1(2)中可以看到各处理温度差均大于零，这表明补灌灌溉条件下的油葵植株内积累能量相对较多，其中处理B1、B2、B3变化规律一致，全天表现为8:00到10:00之间温差变化不大，在2.35～4.00 ℃之间，值较其他时间温差都大，这是因为该地区的昼夜温差大，地表积温多，油葵蒸腾的水分温度高于空气温度，早晨温度低，为26.10 ℃，油葵植株消耗能量较慢，使得叶片温度与空气温度之差相对较大。10:00之后温差开始急剧下降，12:00降到0.20～1.40 ℃之间，此时的空气温度为36.57 ℃，这表明此时油葵散失水分的能力增强。14:00温度差略有升高，此时的温度为37.22 ℃，这表明温度的升高并不能引起油葵水分散失的加快。16:00温差达到最小值，空气温度35.23 ℃，空气温度的降低引起温差的变小，表明油葵叶片温度不会随着空气温度的增加而无休止增加，是空气温度达到一定上限叶片温度会控制不变。18:00温差开始回升，此时空气温度与叶片温度均降低，这表明空气温度的降低速率小于油葵叶片温度的降低速率，主要原因是一天内地表积累的温度增加。对照组CK温差变化规律为“V”字型，在12:00温差降到最低点，之后持续增加，空气温度降低的情况下，叶片温度降低速度慢，这表明油葵植株输送水分和散失水分减缓，也说明油葵水分亏缺相对严重。各处理温差整体表现为B1>CK>B3>B2，这表明油葵叶片温度与空气温度之差与灌溉定额无明显关系。

光合速率是植株进行光合作用固定二氧化碳的速率，光合速率变化曲线同光合有效辐射的双峰凸抛物线型，这也表明光合有效辐射是光合速率的重要影响因素[4]。从图1(3)可知，处理B1、B2、B3变化特征较明显，从8:00开始光合速率开始逐步增加，到10:00达到第一个峰值，增幅最大的是处理B3，增幅7.36%，随后各处理光合速率开始降低，3个处理降幅分别为50.00%、43.78%、48.65%，这主要是光合有效辐射降低和气温急剧升高引起气孔关闭的结果，到14:00光合速率又回升到一个极大值，此时各处理分别较第一个峰值降低14.66%、4.73%和29.41%，处理B2光合速率的极大值相差不大，此时光合有效辐射也有回升，16:00光合速率又降低极小值，最后又有微小回升。对照处理CK光合速率在一天当中变化较为平稳，平均为13.06 umol/(m2·s)。各处理油葵叶片光合速率整体表现为B1>B3>B2>CK，这表明油葵叶片光合速率与灌溉定额无明显关系。

蒸腾作用主要是土壤水分经过植株以水蒸汽状态散失到大气中的过程，这不仅受气候条件和土壤水分的影响，还受植物本身的调节和控制，是一种复杂的生理过程。从图1(4)中可以看到，各处理蒸腾速率呈两种变化，处理B1、B2、B3呈双峰凸抛物线型变化，对照处理CK呈单峰凸抛物线型变化[4]。8:00油葵叶片的蒸腾速率较小，随后开始增加，到10:00达到第一个峰值，到12:00蒸腾速率降低到极小值，14:00时出现第二个峰值，各处理分别较第一个峰值增幅为29.03%、41.80%和8.09%，之后开始降低，到18:00降低到较小值；对照处理CK蒸腾速率从10:00到14:00变化不大，最大值出现在14:00为5.26 mmol/(m2·s)。各处理油葵叶片蒸腾速率整体表现为CK>B2>B3>B1，这表明灌溉定额对油葵叶片蒸腾速率无明显影响。

从以上分析可知，对于B1、B2、B3三个处理，油葵叶片光合有效辐射、温差和光合速率整体变化规律一致，均表现为B1>B3>B2，蒸腾速率与其他三个因素的变化规律正好相反。这表明光合油葵叶片的光合有效辐射和温差越大，光合速率越大，蒸腾速率则越小。微集雨处理CK的光合作用指标受水分影响较大，在4个处理中光合速率最小，蒸腾速率最大。

图1 不同补充灌溉制度下油葵叶片光合指标变化曲线

2.4 水分利用效率分析

水分生产效率指单位水资源量在一定的作物品种和耕作栽培条件下所获得的产量或产值，它是衡量农业生产水平和农业用水科学性与合理性的综合指标[5-6]。灌溉水分生产效率反映了作物的灌溉用水效率，是衡量灌区的农业生产水平、灌溉工程状况、灌溉管理水平的关键指标。试验中各处理的灌溉水生产效率和水分生产效率见表2，随着灌溉定额的增加，灌溉水生产效率减小，表现为：B1>B2>B3，水分生产效率表现为：CK>B1>B2>B3。产量最大的处理为B2，较对照CK增产12.13%，较B3节水20.46%。

表2 不同补灌处理下油葵水分利用效率分析

3 结 论

(1)补充灌溉定额的增加对提高油葵成活率有利。

(2)油葵的密度对叶面积指数有影响，但关键因素是油葵植株后期生长发育的情况，当灌溉定额达到一定水平后，其值的增加并不能引起油葵叶面积的増大。

(3)油葵叶片的光合有效辐射、温差越大，光合速率越大，反之蒸腾速率则越大。微集雨处理CK的光合作用指标受水分影响较大，在4个处理中光合作用最小，蒸腾速率最大。

(4)4个处理中产量最大的为处理B2，较对照CK增产12.13%，较B3节水20.46%。

综上所述，宁夏中部干旱带最适宜的补充灌溉制度为：灌溉定额675 m3/hm2，灌溉次数4次，分别在幼苗期(5月中旬)、现蕾期(6月中旬)、初花期(7月上旬)和成熟期(8月中旬)各灌水1次。

[1] 常倬林，崔洋，张武，等.基于CERES的宁夏空中云水资源特征及其增雨潜力研究[J].干旱区地理，2015(6)：1112-1120.

[2] 贾彪，钱瑾，马富裕.氮素对膜下滴灌棉花叶面积指数的影响[J].农业机械学报，2015,46(2)：80-87.

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[4] 王怀博，田军仓，宋露露，等.膜下滴灌水稻抽穗期水分胁迫影响研究[J].灌溉排水学报，2013,32(5):63-66.

[5] 赵丽英，邓西平，山仑.水分亏缺下作物补偿效应类型及机制研究概述[J].应用生态学报，2004,15(3)：523-526.

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Study on photosynthesis and supplementary irrigation program of drip irrigation oil sunflower under mulch

WANG Huaibo，TANG Rui，BAO Ziyun，DU Li

(TheScientificResearchInstituteoftheWaterConservancyofNingxia,Yinchuan,Ningxia750021,China)

For the problem of water resources shortage and ecological environment degradation in middle Ningxia. This paper researched the effect of supplementary irrigation on yield and water saving of oil sunflower. Using drip irrigation under mulch cultivation model, setting three levels of drip irrigation quota, studying different supplementary irrigation quota on the survival rate of oil sunflower ，leaf area index, photosynthetic indexes and the differences of water use efficiency compared with oil sunflower under the condition of micro rainwater irrigation. The study found that with the increasing of irrigation quota the survival rate were improved, photosynthetic rate added with the increasing of photosynthetically active radiation, leaf temperature and the difference of air temperature, on the contrary the transpiration rate increased, the yield of optimum treatment (675m3/hm2) increased by 12.13% than control, compared with the largest irrigation quota (1050 m3/hm2) water-saving 20.46%.

area of the central Ningxia; oil sunflower; supplementary irrigation system; photosynthetic rate; water use efficieCncy

国家科技支撑计划项目(2011BAD29B07)；宁夏科技攻关计划重大专项项目(2011ZDN04)

王怀博(1988-)，男,工程师，主要从事高效节水灌溉理论与技术研究。

S152.7

A

2096-0506(2016)10-0001-05