玉米根系控制交替灌水效果研究

玉米根系控制交替灌水效果研究

1间作物根系层的变化近年来，对农业水保护进行了大量研究，在传统的灌溉方法和方法的基础上提出了许多新的概念和方法。根据作物光合作用、蒸腾失水与叶片气孔开度的关系以及根系对作物水分利用效率的生理功能,提出了一种农田节水调控新思路——控制性分根交替灌溉(ControlledRoots-DividedAlternativeIrrigation,CRAI)。其基本概念与传统概念有所不同,传统的灌水方法,追求田间作物根系层的充分和均匀湿润,CRAI则强调在土壤垂直剖面或水平面的某个区域保持干燥,而另一部分区域灌水湿润,交替控制部分根系干燥、部分根系湿润,以利用作物部分根系处于水分胁迫时产生的根源信号脱落酸(AbscisicAcid,ABA),供给地上部叶片,以调节气孔保持最适开度,达到以不牺牲作物光合产物积累而减少其蒸腾耗水从而节水的目的。同时通过不同区域根系的交替干湿锻炼,而提高根系吸收功能,增加其对水分和养分的利用率,同时还可减少每次灌水间隙期间棵间土壤湿润面积,减少棵间蒸发损失。CRAI作为一种新的农业节水技术,其理论依据主要是:气孔开度由充分灌水逐渐过渡到水分亏缺状况时,作物蒸腾作用下降快而光合作用下降缓慢;植物一部分根系处于适宜水分状态,保证叶片水分正常供应,避免缺水引起伤害,而另一部分根系处于缺水状态,产生根源ABA,气孔开度变小,使作物没有奢侈(Luxury)的气孔开放和蒸腾损失;交替灌水可以利用植物普遍存在的补偿生长和根系生长的向水性来促进根系生长,增强根系的吸收功能。在实践中,我们已经设计出了田间CRAI隔沟灌溉系统,田间移动式控制性交替滴灌系统等,并正在进行控制性交替灌溉的新型灌水器研究。本研究则是在人工气候室内以玉米为材料,探索CRAI对作物生长的影响及其节水效益,为这种新的灌水方式提供更为充实的理论依据和实际应用时的最佳控制性分根交替灌水模式。2材料和方法2.1确定复合灌草护坡对生长盆的控制选用玉米(陕单9号杂交种),于1996年10月9日播种于内径19.5cm,高29.0cm的植物生长盆内,装入7500cm3轻壤土,容重1.1g/cm3,田间持水量24.3%。对照盆内土壤不分区,每次灌水时对盆内土壤全部均匀灌水;控制固定1/2区域灌水和1/2区域交替灌水处理的盆中用塑料布分根,以阻止两侧水分交换。控制固定1/3区域灌水和控制1/3区域交替灌水的处理是将土体等分三部分,相互之间用塑料布分隔,以阻止其水分侧向交换。各处理在盆中心位置,播种玉米种籽三粒,萌芽后选留一颗健壮苗,开始进行水分控制处理。每种处理间的施肥和其它农业技术措施均相同。各种处理的土壤含水率下限指标均控制三种水平,即:65%的田间持水率(θF),55%θF和45%θF,对应的土壤含水率分别为15.8%、13.4%和10.9%,每个处理重复2～3次。控制固定1/2或1/3区域灌水的处理,每次灌水始终让某1/2或1/3固定区域湿润,而另外固定的1/2或2/3区域始终干燥。控制1/2或1/3区域交替灌水的处理,每次交替在不同1/2或1/3区域轮流灌水。每次灌水量对照处理为M,其值为由土壤水分下限增加至95%的田间持水率所需要的水量,每次固定与交替1/2或1/3区域的灌水量则为M/2和M/3。定苗后长到2～3叶时将生长盆置于人工气候室内,控制空气相对湿度70%;温度白天30℃、夜间15℃,光照250μmol/(m2·s),试验一直延续至1997年1月23日,生长期共107d。2.2灌草减水剂用量测定每3天用时域反射仪(TDR)测定一次各盆中不同区域的土壤含水率,各盆不同分区中的高水分区(湿润区)土壤含水率低于其设计的土壤含水率下限时进行灌水,用量杯加水,记录各区每次的灌水量,由水量平衡方程即可计算各时期总的耗水量。水分利用效率(WaterUseEfficiency,WUE)用各处理地上部茎叶烘干重与总耗水量的比值表示,蒸腾效率用叶片光合速率与蒸腾速率的比值表示。叶片蒸腾速率、光合速率与气孔阻力用CID-301PS型光合测定系统测定。3结果分析3.1土壤水分变化实验结果表明,在同一处理中,随土壤含水率下限降低,根冠比增大,特别是全面积均匀灌水的对照处理中表现最为明显,但根系总干重则减少,这与前人结论一致。当土壤水分下限同在65%θF时,1/2交替灌水具有促进根系生长的作用,其根系干重比全部均匀灌水的对照增加;而控制1/3区域交替灌水的处理因供水周期长而相对受旱严重,根系总量下降。在55%θF下限时,对照的根系总量与控制1/2区域交替灌水处理的根系总量相接近,均高于控制1/2固定区域灌水的处理,1/2区域交替灌水的两个区中根系量相差0.802g,而固定1/2区域灌水的处理,两区根系干重相差达2.287g。由此可见,对不同区域进行交替灌水不仅能使根系总量增加,还能够使根系在土壤中均匀分布而充分利用水肥资源。总体上,土壤水分下限55%θF和65%θF时,1/2区域交替灌水处理中根系总量与根冠比均大于其它处理,与对照相比较,在耗水量与灌水量减少的条件下其根量与根冠比增加。表明控制1/2区域交替灌水方式通过对根系的干、湿交替锻炼对根系生长具有促进作用,同时与1/2固定区域相比,能够使根系在土壤中均匀分布。3.2不同含水率区域交替供水对蒸腾速率的影响由表1可以看出,控制1/3区域交替灌水的处理,随土壤含水率下限的降低,光合速率比控制1/2区域交替灌水的处理明显下降。在不同处理中土壤含水率下限为65%θF时,1/2区域交替灌水的处理比对照光合速率略有下降,其差值为0.76μmol/(m2·s),而控制1/3区域交替灌水的处理下降较大,差值达3.63μmol/(m2·s);在土壤含水率下限为55%θF时,控制1/2区域交替灌水的处理其光合速率比对照下降0.33μmol/(m2·s),而控制1/3区域交替灌水的处理比对照下降2.11μmol/(m2·s)。由此结果可以看出,当土壤含水率下限在55%θF～65%θF时,控制1/2区域交替灌水的处理,在明显减少灌水时光合速率没有明显下降。在土壤含水率下限控制为45%θF时,对照的光合速率为5.11μmol/(m2·s),而控制1/2区域交替供水的处理光合速率为5.42μmol/(m2·s)。在严重干旱条件下供水量减少,交替湿润不同根区与其它处理相比可使光合速率增加。在55%θF土壤含水率下限时,控制1/2区域交替供水处理比固定1/2区域供水的光合速率增加了34.8%,在1/3区域供水中交替供水处理比固定1/3区域供水增加了3.2%,此结果证明控制1/2区域交替供水比固定1/2区域供水能够显著提高光合速率。蒸腾速率测定结果表明(表1),在全部均匀供水的对照中,随土壤含水率下限的降低,蒸腾速率明显下降,这与以前的研究结果相一致。在65%θF土壤含水率下限时与对照相比,1/2区域交替供水的处理光合速率没有明显变化,而蒸腾速率下降了45.8%,蒸腾效率则由12.17上升到17.56μmol/mmol。在1/3区域交替供水处理中光合速率下降明显,而蒸腾速率降低幅度也较大,蒸腾效率比对照升高,而低于1/2区域交替供水的处理。在土壤含水率下限为55%θF时,控制1/2区域交替供水的处理蒸腾速率为0.58mmol/(m2·s),比全部面积均匀供水的(对照)0.76mmol/(m2·s)下降了31.0%,蒸腾效率(表2)由10.01增加到12.99μmol/mmol;而1/3区域交替供水处理的蒸腾速率为0.37mmol/(m2·s),比对照下降了55.3%。蒸腾效率由10.01增加至14.64μmol/mmol。在45%θF下限水平下1/2和1/3区域交替供水比对照蒸腾速率下降不明显,但由于1/2区域交替供水光合速率增加,而使蒸腾效率增加,但1/3区域交替供水光合速率下降明显,而使蒸腾效率降低。气孔阻力测定值(表1)说明,在全面积均匀供水中随土壤含水率下限降低,气孔阻力增加,在同一土壤含水率下限下,分根区供水处理的叶片含水量未发生明显变化而气孔阻力增加明显,这一结果与前人固定分根区供水的结果一致,在65%θF、55%θF和45%θF时,1/2区域交替供水的气孔阻力比对照明显增加,而55%θF下限时1/2区域交替供水比固定1/2区域供水气孔阻力小,证明交替供水和固定供水同样范围,交替供水有利于保持气孔开放,有利于CO2进入而保证光合作用正常进行。而且固定1/2区域供水蒸腾效率高于1/2区域交替供水下的蒸腾效率的原因,主要是因为在固定1/2区域供水中光合速率明显下降而蒸腾速率下降幅度更大所引起,在1/2区域交替供水中光合速率未下降而蒸腾速率明显下降,则认为是一种使气孔更为优化的调节。这有待进一步证明。3.3土壤水分一体化设计由实测结果(表3)可以看出,在全面积均匀灌水的对照处理中,随着土壤含水率的下降,耗水量依次递减,水分利用效率在中度水分亏缺时最高,当土壤含水率下限同为65%θF时,1/2与1/3区域交替灌水的处理,其WUE以1/2区域交替灌水为最高,其次为对照,而1/3区域交替灌水最低。55%θF下限水平时以1/2区域交替灌水处理的WUE最高,其值达5.55g/kg,而1/2固定区域灌水的WUE仅为4.10g/kg,低于对照的4.31g/kg。而1/3区域固定或交替灌水处理的WUE均最小,所有处理中,无论何种土壤水分下限水平,控制1/2区域交替灌水的水分利用效率最高,且对不同区域根系进行交替湿润比常规的固定某一区域湿润方式的水分利用效率明显增加。在土壤含水率下限由65%θF下降至55%θF时,控制1/2区域交替灌水的处理其干物质下降了6%～12%,而耗水量则下降了34.4%～36.8%,水分利用效率大幅度升高,节水效果明显。4分根交替用电对植物生长的影响大量的实验结果表明ABA具有控制气孔、感知土壤中可利用水量,实现最优化调节的作用。经本实验证明:控制性分根交替灌水对于玉米是适宜的,当土壤含水率下限范围在55%～65%θF内,将根系分为两个区域进行干湿交替供水,生物产量下降约6.2%～12%,而耗水量下降了34.4%～36.8%,水分利用效率明显增加。这主要由于每次1/2区域灌水后减少了棵间蒸发,另一方面气孔阻力增加使蒸腾速率明显下降,而光合速率变化不明显所引起。控制土壤水分在55%～65%θF内,1/2分根区交替灌溉能够使植株生长更加健壮。光合速率与全面积供水的对照相近,并且根系干重和根冠比增加。本实验在45%θF的土壤含水率限下时,1/2区域交替供水比对照的全面积供水耗水量减少而光合速率升高,这是否是交替供水引起作物抗旱性增强所致,正在研究之中。由于人工气候室面积有限,只设置了55%θF下限水平下固定1/2和1/3根区供水处理及1/2和1/3根区交替供水处理的比较研究,实验结果表明,交替供水比固定某一区域供水更能够增加节水效果,保持光合速率、生物产量不