灌水频率对绿洲菊芋耗水特征及水分利用效率的影响

张恒嘉，康燕霞

(甘肃农业大学 工学院农业水利工程系，兰州 730070)

灌水频率对作物耗水特征和水分利用效率有重要影响，但对以收获地下块茎为主要目的的经济作物研究并不多见。在干旱半干旱环境下，提高作物水分利用效率是实现高效用水的中心和潜力所在[1,2]。然而，水分利用效率取决于光合产物的形成和水分蒸散两大过程，而光合产物的形成和水分蒸散则是水、肥、气、热、光、土和生物等多种因素共同作用的结果[3,4]。因此，合理灌溉和节约灌溉用水，灌好关键水，通过不同灌水频率调控作物不同生育期的耗水特征，对提高作物水分利用效率具有明显的促进作用。在作物需水关键期补充灌水后，虽然耗水量增加，但产量增加幅度更大，水分利用效率仍维持在较高水平[5]。适宜灌水频率下，作物经受适度干旱，虽然生长受到一定抑制，但却强化了作物体能量代谢和一系列生物合成，增强了细胞持水能力，既节约了灌溉用水，降低了耗水量，又提高了作物的水分利用效率[6,7]。研究表明，灌水频率增加有利于作物产量增加和水分利用效率提高[8-10]，而灌水量减少20%，玉米水分利用效率仅下降10.9%左右[5]。

目前，以收获地下块茎为主的菊芋灌溉研究仍多侧重于对其产品品质、施肥栽培技术、生态适应性及不同浓度海水处理或咸水灌溉对菊芋幼苗生长发育、光合特性及水分利用效率影响的研究[11-13]，对不同灌水频率下菊芋非充分灌溉的研究严重不足。本研究通过不同灌水频率对河西走廊绿洲菊芋阶段耗水量、耗水强度、耗水模数、全生育期耗水量及水分利用效率的系统测定和比较分析，探求菊芋不同生育期的水分需求特性和高效用水机理，为该区菊芋非充分灌溉制度的合理制定提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究于2009年3-10月在张掖市灌溉试验站(东经100°26′，北纬38°56′，海拔1 483 m)进行。试区气候干燥，水源不足，地下水位较低，无盐碱化影响，属大陆性干旱气候, 具有干旱少雨(多年平均降水量为127.5 mm)、蒸发量大(多年平均蒸发量2 047.9 mm)、日照时间长(年日照时数2 932～3 085 h)和昼夜温差大等特点。4月下旬至9月上旬，菊芋生育期内总降雨量110.7 mm，其中3月和10月无降雨，4月降雨量最少，累计为2.8 mm，占全生育期2.53%，5、6、7、8四月累计降雨量分别为10.8、7.0、6.8和38.2 mm，占全生育期降雨总量的9.76%、6.32%、6.14%和34.51%，9月不但降雨次数最多，累计降雨量也最高，为47.9 mm，占全生育期总降雨量的43.27%。试区土壤为壤质灌漠土，田间持水量22.5%，土壤密度1.5 g/cm3，pH值8.4，0～20 cm耕层有机质含量1.37%，碱解氮61.8 mg/kg，速效磷13.4 mg/kg，速效钾190.4 mg/kg。

1.2 试验设计

供试菊芋品种为青芋2号，于2009年3月28日播种，10月28日收获。试验灌水方式为小畦灌，水表严格控制灌水量，并及时进行中耕和防治病虫草害。试验采用单因素随机区组设计，3次重复，小区面积3.5 m×10 m，株行距60 cm×60 cm。试验共设6个处理，1个对照(表1)，结合土壤水分调亏程度和当地农户灌水实际确定各次灌水量，分别在苗期、枝繁叶茂期、现蕾期和开花期施加不同灌水组合，包括苗期600 m3/hm2(S600，下同)处理J1、S600+L600为J2、S600+B600为J3、S600+L300+B900为J4、S600+L900+B300为J5、S600+L600+B300+F900为J6及全生育期不灌水的对照CK。

表1 试验灌水频率设计

注：此设计不包括播前灌溉。

1.3 土壤水分及产量测定

作物生长期间每隔7 d左右用烘干称重法测定一次土壤水分，主要生育期和灌水后各加测1次，共分为6层测定：0～10，10～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm。每个重复取3个样。

菊芋成熟时各小区均整区收获计产，各处理产量为3个重复小区块茎产量的平均值。

1.4 相关指标计算

1.4.1 阶段耗水量

试验条件下，菊芋阶段耗水量用下式计算：

(1)

式中：ET1-2为某生育阶段始末菊芋耗水量，mm；i为土层编号；n为土壤层次总数；ri为第i层土壤的干密度，g/cm3；Hi为第i层土层厚度，cm；Wi1和Wi2分别为第i层土壤时段始末重量含水率，%；M、P分别为i时段内灌水量和有效降雨量，mm；K为i时段内地下水补给量，mm，试区地下水埋深>20 m，故K值为0；C为i时段内的排水量，mm，本研究为非充分灌溉，灌水上限不超过田间持水量的75%，不会产生深层渗漏，故C值为0。

因此，上式可简化为：

(2)

1.4.2 水分利用效率

菊芋水分利用效率(WUE)根据下式计算：

WUE=Y/ETa

(3)

式中：Y为菊芋经济产量，kg/hm2；ETa为菊芋全生育期耗水量，mm，为各生育阶段耗水量之和。

1.5 数据分析

试验数据采用Microsoft Office Excel 2003作图，用SPSS18.0软件进行回归分析，并用LSD多重比较法比较分析数据差异的显著性(p<0.05)，各图表中的数据均为3次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 阶段耗水量

不同灌水频率下菊芋各生育期耗水量均以对照CK最小(表2)。菊芋苗期各灌水处理耗水量均显著(p<0.05)高于CK，但J1、J2、J3、J4、J5、J6处理间无显著差异(p>0.05)。枝繁叶茂期各处理间耗水量差异达显著水平，以J5处理最高，显著高于其他灌水处理及对照30.2%～186.0%，但J1、J3、CK间及J2、J6处理间耗水量差异均不显著。现蕾期耗水量以J4处理最高，J1、J2、CK耗水量显著低于J5和J640.8%～44.6%和40.7%～44.5%，但J1、J2、CK间及J5、J6间耗水量差异均不显著。J3处理耗水量则显著高于J5、J642.5%、42.8%但显著低于J425.5%。开花期菊芋耗水量以J6处理最高，显著高于其他灌水处理及对照。灌水处理J3、J4、J5耗水量显著高于对照CK 28.2%、30.0%、35.3%，但J1、J2、J3、J4、J5间及J1、J2、CK间耗水量无显著差异。

表2 不同灌水频率下菊芋耗水特征

注：数值为每个处理3次重复的平均值；同行字母不同表示试验处理间在0.05水平上差异显著，下同。

2.2 耗水强度

不同灌水频率下菊芋各生育期耗水强度仍均以对照CK最小(表2)。菊芋苗期对照CK耗水强度显著(p<0.05)小于其他灌水处理，但各灌水处理间耗水强度差异不显著(p>0.05)。枝繁叶茂期J5处理耗水强度最大，显著高于其他处理及对照，但J2、J6处理间及J1、J3、CK间耗水强度无显著差异。J4处理耗水强度显著小于J2、J6处理，但显著大于J1、J3、CK。现蕾期菊芋耗水强度以J4处理最大，显著高于其他处理及对照。J3处理耗水强度显著小于J4处理25.5%，但显著大于J5、J6处理42.5%、43.0%，J5、J6亦显著大于J1、J2、CK 72.2%、71.7%，68.6%、68.1%和79.9%、79.3%。开花期J6处理耗水强度最大，显著大于其他处理及对照，J1、J2、J3、J4、J5处理也显著大于对照CK 11.1%～30.6%，但J1、J2、J3、J4、J5处理无显著差异。此外，全生育期平均耗水强度以灌水频率最高的J6处理最大，其次为J5处理，以全生育期不灌水的对照最小。

2.3 耗水模数

不同灌水频率下，全生育期仅灌1次水的J1处理菊芋苗期耗水模数最高，比其他灌水处理J2、J3、J4、J5、J6及对照CK显著(p<0.05)增加30.9%、32.7%、66.5%、67.2%、95.1%、246.0%，以全生育期不灌水的对照CK耗水模数最低(表2)。J2、J3处理间及J4、J5处理间耗水模数无显著差异(p>0.05)，但J2、J3处理显著高于J4、J5处理，J4、J5处理显著高于J6处理，而J6处理显著高于CK。枝繁叶茂期J2、J5、CK间耗水模数差异不显著，但显著高于其他灌水处理，J1、J4、J6间差异亦不显著，但均显著高于J3处理。现蕾期耗水模数以J4处理最高，但与J3处理间差异尚未达显著水平，以J2处理耗水模数最低。J3与CK间、J1与J5间耗水模数差异也不显著，但CK显著高于J1、J5、J6、J2处理，J1、J5显著高于J6，J6则显著高于J2处理。

菊芋开花期耗水模数以全生育期灌水频率最高的J6处理最高，显著高于其他处理及对照，其次为对照CK，以J4和J5处理最低。CK耗水模数比其他灌水处理显著增加39.6%～102.7%，J1处理亦显著高于J2、J4、J5处理，但J1、J3间，J2、J3间及J4、J5间耗水模数无显著差异。受不同灌水频率的影响，菊芋各处理耗水模数不同生育期最大值出现的时间不一致，但基本上在枝繁叶茂期和苗期，而耗水模数最小值基本上在开花期，但全生育期灌水频率最高的J6处理最小的耗水模数出现在现蕾期，而全生育期不灌水的对照CK则出现在苗期。

2.4 全生育期耗水量

不同灌水频率下，与全生育期不灌水的对照CK相比，灌水处理J1、J2、J3、J4、J5、J6菊芋全生育期耗水量(ETa)显著(p<0.05)增加55.3%、106.2%、106.4%、157.6%、158.9%、205.6%(表3)。ETa以全生育期灌水频率最高且灌水量最大的J6最多，比其他5个灌水处理显著增加18.1%～96.8%。J2、J3间及J4、J5间ETa无差异(p>0.05)，但J4、J5ETa显著高于J2和J3，24.9%、25.6%和24.8%、25.4%，J2、J3则显著高于J132.8%和32.9%。

表3 不同灌水频率下菊芋全生育期耗水量与水分利用效率

2.5 水分利用效率

在不同灌水频率下，水分利用效率(WUE)以全生育期不灌水的对照CK最高，分别比灌水处理J1、J2、J3、J4、J5、J6显著(p<0.05)提高12.4%、47.0%、41.4%、55.9%、42.0%、82.9%(表3)。J2、J3、J4、J5处理间WUE差异不显著(p>0.05)，但比WUE最小的J6处理显著提高24.5%、29.4%、17.3%、28.8%，比J1处理则显著降低23.5%、20.5%、27.9%、20.9%。回归分析发现，试验条件下菊芋WUE与ETa之间呈线性负相关关系(图1)，可用回归方程描述为WUE=-3.776 4ETa+ 610.04 (R2=0.911 6)。因此，在不同灌水频率下，河西走廊菊芋水分利用效率随全生育期耗水量的增加呈线性递减的趋势。

图1 不同灌水频率下水分利用效率与全生育耗水量的关系

3 结论与讨论

枝繁叶茂期和苗期是菊芋水分消耗和需求最大的时期，其次为现蕾期。在不同灌水频率下，菊芋苗期耗水量、耗水强度及耗水模数差异不大，但与不灌水相比差异显著。枝繁叶茂期和现蕾期分别为菊芋营养生长期盛期和营养生长向生殖生长过度的并进生长阶段，这两个时期缺水将导致菊芋耗水量和耗水强度显著下降，影响作物蒸腾需水和光合同化作用，不利于干物质的积累，因而保证营养生长期和并进生长阶段的水分供应对菊芋产量形成至关重要，这与刘培等[7]干旱胁迫对冬小麦生长发育、干物质分配及产量构成的影响研究一致。开花期灌水菊芋耗水量、耗水强度及耗水模数显著增大，“奢侈”蒸腾增强，水资源浪费严重，水分利用效率降低，水的利用不经济，可能与该生育期灌水量过高有关。因此，生殖生长期适当减少灌水量可抑制菊芋蒸腾，提高水分利用效率。

孔德杰等[13]研究宁夏干旱风沙区日光温室滴灌黄瓜后认为，随着灌水频率的增加，土壤水分贮量逐渐增多，耗水量逐渐减少，水分利用效率明显提高。本研究表明，菊芋全生育期耗水量随着灌水频率和灌水量的增大而增大，但灌水频率和总灌水量一定时，不同生育期的灌水量分配对菊芋耗水量不会产生显著影响。不同灌水频率下菊芋全生育期耗水量比不灌水显著增加55.3%～205.6%，灌水频率越高耗水量越大。

菊芋水分利用效率随着灌水频率和灌水量的增大而降低，但相同灌水频率和灌水量下菊芋生育期内灌水量不同时，水分利用效率差异不大。本研究上述相关结论与前人研究[13]不尽一致，这与本研究作物种类、灌水方式及试区气候条件均与已有研究不同有关。

因此，以收获地下块茎为主要目的的经济作物在耗水规律和水分利用特征方面明显不同于以收获籽粒为目的的粮食作物，应保证其营养生长期和并进生长阶段对水分的供应以满足蒸腾需水和光合同化作用对水分的需求[14-16]，而在生殖生长期则应适当减少灌水量以抑制作物奢侈蒸腾，提高水分利用效率。

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