基于土壤墒情变化的甘蔗关键生长期根系吸水动态和缺水胁迫诊断研究

2019-11-11黄忠华罗维钢农梦玲

西南农业学报 2019年9期

莫凡，黄忠华，罗维钢，农梦玲

(1. 南宁市灌溉试验站，广西南宁 530001；2. 广西大学农学院，广西南宁 530005)

【研究意义】甘蔗属于需水量较大的长周期作物，从蔗苗萌发开始主要通过根系从土壤中汲取水分以满足植株生长的需求。土壤含水量不足将抑制甘蔗根系对水分的吸收，导致叶片失水，产生干旱胁迫，进而影响蔗茎产量。因此，掌握土壤墒情的实时变化是进行干旱预测和提高农业用水效率的基础，开展蔗区墒情研究工作，监测土壤水分状况，及时追踪根系吸水活动，有助于快速、准确判断干旱发生过程及旱害程度，为制定防旱决策和科学灌溉提供依据。【前人研究进展】土壤墒情对当地气候变化和农业旱情具有重要的指示作用[1]，在已有的研究中，尹正杰等[2]、陈小凤等[3]及张晓月等[4]利用土壤墒情建立农业干旱预测模型，实践表明各模型对当地作物旱情评估准确，所得结果与实际情况基本相符；林阿典等[5]以土壤含水量、湿润层深度和土质类型构建蔗田墒情评价指标体系，用于指导甘蔗各生育阶段的灌溉排水工作，经过田间试验后发现相关指标参数均得到准确验证，说明所建体系科学合理，可以作为蔗区精准灌溉的依据；房稳静等[6]则基于土壤墒情划分不同程度的干旱标准，并以此详细研究河南省冬小麦的干旱特征和旱灾分布趋势；张云等[7]也开展类似研究，根据2008-2012年云南省水文水资源局23个土壤监测站的墒情和降雨资料，从时间和空间上分析全省的干旱形势，为主管部门提供旱情区划和时空演变信息。【本研究切入点】前人多聚焦于应用土壤墒情对农业干旱进行宏观方面的分析、预测与评估，而通过实时监测根际土壤墒情的变化，并据此直观诊断甘蔗缺水胁迫的研究则鲜见报端。【拟解决的关键问题】通过在大棚甘蔗试区安装“智墒”水分测定仪，实时监测苗期、分蘖期、伸长期主要根区的土壤墒情变化，追踪根系每天的吸水动态，为直观、准确的诊断甘蔗水分亏缺以及制定精准灌溉决策提供技术手段和理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年3-12月在南宁市灌溉试验站甘蔗种植大棚进行，棚高5.5 m，上方覆盖避雨透光薄膜，大棚四周通透，除降雨外其他条件与自然环境相同。棚内供试土壤为典型的赤红壤，质地为重粘土，容重1.37 g/cm3， pH 5.9，田间持水量32.4 %。下种后安装贴片式滴灌带，保证甘蔗水分供给。

1.2 试验材料

以南宁市糖业股份有限公司武鸣香山糖厂提供的桂糖42号作为试验品种，于2018年3月5号开沟种植，行距90 cm，下种量135 000芽/hm2。植前将蔗茎砍成双芽段，品字形摆放在沟内，芽朝两侧，覆土后喷芽前除草剂，其余水、肥、药等管理措施与大田栽培相同。

1.3 土壤墒情监测

采用北京东方润泽生态科技股份有限公司生产的“智墒”墒情仪监测土壤水分，试验前布置3个监测点，均设在长势相近的2株蔗苗中间位置，用配套的土钻打孔至目标深度，先灌满泥浆，然后将设备插入孔中，待设备与周围土壤紧密结合后(2～3 d)开始测量。“智墒”由太阳能电池板供电，每隔60 min读取10、20、30、40、50及60 cm深度的土壤含水量，并实时传送至云服务器，通过手机或电脑可以直接查看和下载所得数据。

1.4 试验项目及方法

(1)根系土壤剖面分布：分别在苗期、分蘖期和伸长期各选择1个监测点附近有代表性的植株，用根钻采集以蔗蔸为中心、左右间隔10 cm、纵深间隔5～10 cm的不同层次土壤中的根系，冲洗干净后测量根系长度，计算根长密度，制作根系土壤剖面分布图。

(2)根系昼夜吸水动态：结合不同生长期甘蔗根系在土壤剖面的分布特征，挑选“智墒”资料库中停止灌水后不同深度(苗期10 cm、分蘖期20 cm、伸长期30 cm)的土壤含水量数据，绘制连续4 d从上午8:00开始到翌日8:00的各关键生长期根系昼夜吸水曲线。

(3)根系水分亏缺诊断：利用“智墒”监测苗期、分蘖期和伸长期在人为控制灌水的时间段内主根区土壤水分，当墒情曲线停止波动下降并趋于平缓时，可以判断根系吸水受到抑制，甘蔗进入缺水胁迫状态，并以此计算灌溉周期。

1.5 数据处理

用Microsoft Excel 2003办公软件制作数据图表，用SigmaPlot 12.5绘制根系土壤剖面分布图。

2 结果与分析

2.1 甘蔗关键生长期根系土壤剖面分布

从图1可以直观的发现，各关键生长期甘蔗根系大体以蔗茎为中心往水平、垂直两个方向扩展。苗期根系主要集中在纵深5～15 cm、蔗茎两侧5 cm的狭窄区域，其根长密度达到6～8 cm/cm3。离蔗茎越远，根长密度越低。与苗期相比，分蘖期根系在土壤剖面的活动范围明显增大，主要根群聚集在蔗茎左右两侧10 cm、纵深15～25 cm的区域内，呈现出蝶形分布状态。部分根系继续向下深扎，其余则往水平方向延伸，不断扩大吸肥吸水面积。进入伸长期后，甘蔗长大根，抽大叶，根系长势旺盛，蝶状密集区域扩张至纵深15～40 cm、蔗茎两侧20 cm的剖面上，根长密度高达8.2 cm/cm3。40 cm以下土壤为犁底层，质地比较坚硬，根系分布稀疏，根长密度仅为1～3 cm/cm3。

图1 甘蔗关键生长期根长密度土壤剖面分布(cm/cm3)

图2 甘蔗关键生长期根际土壤水分昼夜变化规律

图3 甘蔗关键生长期不同深度土壤水分动态变化

2.2 甘蔗关键生长期根系吸水动态和缺水胁迫诊断

2.2.1 根系昼夜吸水规律在无外源水分干扰的条件下，甘蔗苗期、分蘖期和伸长期主要吸水根区的土壤水分含量均表现出非常相似的昼夜变化规律。从上午8:00左右开始，土壤含水量随着时间推移呈现出阶梯状的下降趋势，傍晚18:00之后，水分曲线趋于平缓，说明根区土壤水分的消耗基本发生在白天，夜间微乎其微，可以忽略不计。土壤消耗水分主要用于棵间蒸发和叶面蒸腾，由于棵间蒸发主要是在5 cm以上的浅土层进行，10 cm以下土壤含水量的下降可推断是根系在白天持续吸水以供给蔗叶蒸腾所致。入夜后蔗叶进入休眠状态，气孔关闭，蒸腾停止，因此夜间根际的土壤水分基本没有损耗。

2.2.2 根系缺水胁迫诊断通过土壤墒情系统实时监测的水分数据，可以清晰反馈甘蔗各关键生长期根系每天的吸水变化及其扎根程度。在幼苗阶段，10 cm深度的土壤含水量下降最为明显，表明所处土层为根系的密集驻扎区域。同理可以推断出，分蘖期和伸长期的主要根系分别下扎至20、30 cm的土层内并在其中大量吸收水分。结合图1可以发现，甘蔗各关键生长期的主要吸水根区与同期根长密度的集中分布带大体相符。随着时间的推移，甘蔗各根际土层的含水量均表现出“下降-停止-下降-停止……”的周期性昼夜变化规律。当土壤水分曲线由阶梯状最终变平缓时，根系开始停止吸水，甘蔗出现水分亏缺。说明土壤含水量的不断下降使根系从中吸收的水分逐渐无法满足蔗叶蒸腾所需，于是叶片失水，气孔关闭，反过来抑制根系活动，导致吸水停滞。因此在无外源水分补充的情况下，随着主根区土壤含水量停止下跌并趋于稳定，可以判断此时甘蔗已经进入缺水胁迫状态。同时，根据墒情曲线计算土壤含水量从开始下降至止跌所需的时间，就可以得出完整的灌水周期，据此算出苗期、分蘖期和伸长期的灌水周期大约为7、11和17 d。在灌水周期行将结束时进行灌溉，可以恰到好处地补充水分，从而避免干旱胁迫。

3 讨论

作物遭遇干旱胁迫，通常是由于土壤水分不足引起的。据此可以从根际土壤墒情方面入手，探讨基于其变化特征的作物发生水分亏缺的诊断方法。传统上科研工作者主要通过观察叶片萎蔫症状来确定作物缺水胁迫的产生[8-12]，但此方法有其弊端和缺陷。根据作物受旱的生理和形态变化特点，先是根系供水不足，导致叶片蒸腾停止、气孔关闭，然后才出现叶尖下垂、叶缘卷曲萎缩等凋萎现象[13]。可见叶片萎蔫是作物面对持续干旱胁迫而向外发出的危险信号，表明植株受到严重伤害，无法继续抵御高温恶劣的外界环境[14]，必须采取措施立刻灌水以缓解旱情。但由于伤害已经产生，此时灌溉并非恰到好处，反而存在较明显的滞后。由此看来仅仅依靠叶片萎蔫来判断作物亏水胁迫的方法容易出现人为主观因素造成的偏差，并导致灌溉决策延误，错过最佳补救时机。因此很有必要寻找作物水分亏缺的临界点，在植株凋萎之前及时灌水，以解除胁迫的危害。在前人研究基础上，本研究组采用“智墒”水分测定仪实时监测甘蔗各关键生长期根区土壤墒情，分析根系每天的吸水变化。在试验过程中发现，当墒情曲线由阶梯状变平缓时，根系停止吸水，甘蔗刚好进入缺水胁迫状态。结果表明，与传统方法相比，利用土壤墒情的变化特征可以有效掌握作物根系的吸水动态，并准确找到干旱胁迫发生的临界点，为实现精准灌溉提供定量信息。同时根据墒情变化曲线，计算从土壤水分含量下降开始到止跌所需的时间，便可以得到甘蔗各生长阶段完整的灌水周期，进而调整蔗区的灌溉制度，实现科学合理的用水安排，避免因盲目灌溉造成的供水不足或浪费，最终达到节水灌溉的目的。目前，试验是在大棚内进行，与实际田间生产相比仍有较大的差别，因此还需要在原有的基础上继续研究，完善相关测试，争取为蔗区旱情预测和水分精准管理提供实用可靠的研究方法和技术手段。