敦煌绿洲区覆膜补灌对谷子光合特性农艺性状及产量的影响

刘天鹏，何继红，董孔军，任瑞玉，张 磊，许 岩，杨天育，

(1.甘肃省农业科学院作物研究所， 甘肃 兰州 730070； 2.甘肃农业大学生命科学技术学院， 甘肃 兰州 730070)

敦煌绿洲区覆膜补灌对谷子光合特性农艺性状及产量的影响

刘天鹏1，何继红1，董孔军1，任瑞玉1，张 磊1，许 岩2，杨天育1，2

(1.甘肃省农业科学院作物研究所， 甘肃 兰州 730070； 2.甘肃农业大学生命科学技术学院， 甘肃 兰州 730070)

在年降雨量不足40 mm的敦煌绿洲灌区，以谷子为材料，采用裂区试验, 研究了覆膜栽培条件下拔节、抽穗和灌浆各阶段灌一次水对其光合特性、农艺性状及产量的影响。结果显示：在播前统一灌600 m3·hm-2底墒水的情况下，抽穗期灌600 m3·hm-2水处理(A3),谷子的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)及叶绿素含量显著的高于生育期内不灌水(A1)、拔节期灌600 m3·hm-2水(A2)和灌浆期灌600 m3·hm-2水(A4)处理，胞间CO2浓度(Ci)因品种不同各处理间也存在较大差异；抽穗期灌600 m3·hm-2水(A3) 不仅抽穗明显提前，株高、主穗长、单株穗重、单株粒重、单株草重显著高于A1、A2、A4，且产量也极显著高于A1、A2、A4；相关分析表明，不同处理净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、叶绿素含量均与产量显著正相关，光合速率、蒸腾速率、气孔导度间彼此极显著相关。

谷子；灌水；光合特性；农艺性状；产量

敦煌西陲于河西走廊，地处我国西北干旱区，被戈壁、沙漠包围的绿洲是其赖以生存的基础[1-2]。近年来全球气候的变化使敦煌自然绿洲、湿地萎缩[3]，土地荒漠化净增[4]，地下水位下降[5]，严重威胁着敦煌绿洲的安全。自20世纪90年代以来，城镇化扩张[6]、人口的增长[7]、旅游业的发展[8]，地下水的大规模开采，促使原本脆弱的敦煌绿洲生态环境进一步恶化，而倚重水资源的农业又是敦煌经济发展的支柱产业[9]，以漫灌为主要灌溉方式，以高耗水量作物棉花[10]、葡萄[11]等为主的敦煌农业其用水高达总水资源利用量的89.34%[12]，加剧了水资源危机，1980—2012年敦煌农业水足迹结构特征的研究显示其水资源利用呈不可持续状态，调整经济作物种植结构，成为缓解敦煌水资源问题的主要措施[13]。谷子(SetariaitalicaL.)是高光合C4作物，具有抗旱耐瘠，水分利用效率高、营养丰富、粮饲兼用等突出特点，被认为是应对未来水资源短缺的战略贮备作物，建设可持续农业的生态作物以及人们膳食结构调整和平衡营养的特色作物[14-16]。近年来，河西走廊的武威、张掖等地区已大面积种植谷子，敦煌也开始零星种植，但关于谷子在绿洲区覆膜灌溉栽培方面的研究很少，仅有Zhao等[17]在敦煌进行了抗旱杂交谷子节水效果的研究，提出播前只灌一次水(1 200 m3·hm-2)结合稀植铺膜栽培的技术适用于极度干旱地区，既保证杂交谷子稳产高产，也有利于保护水资源。本试验利用常规育成谷子品种，比较研究了覆膜栽培条件下播前灌一次水(600 m3·hm-2)结合不同生育阶段灌一次水(600 m3·hm-2)对谷子光合特性和生长发育及产量的影响，旨在为敦煌绿洲区农业经济作物结构调整下谷子的栽培提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用东北平原区春谷品种公谷61号、黄土高原区春谷品种大同32号为试验材料，种子由甘肃省农业科学院作物研究所提供。

1.2 试验区概况及田间设计

试验在甘肃省敦煌市甘肃省农业科学院敦煌试验站进行(东经94°43′，北纬40°08′)，该区属于典型的暖温带干旱性气候，平均海拔1 187 m，年均降水量39.9 mm，年均蒸发量2 486 mm，干燥度19.6，年均气温9.4℃，年无霜期142 d，年均日照时数3 246.7。谷子生育期内降水量为23.5 mm。

试验采用裂区设计，A因素为灌水时期，设4个水平：生育期内不灌水、拔节期灌水、抽穗期灌水、灌浆期灌水，灌水量均为600 m3·hm-2；B因素为品种，设2个水平：公谷61号、大同32号。试验重复3次，小区面积15 m2(15行区，行距25 cm、行长400 cm)，共计24个小区。为保证出苗整齐播前统一灌40 m3·667m-2的底墒水，当土壤含水达15±3%时，施底肥旋耕，施N 165 kg·hm-2、P2O5195 kg·hm-2、K2O 105 kg·hm-2，然后用幅宽1.4 m厚度0.10 mm的可降解聚乙烯膜平展覆盖地面，膜间不留缝隙；2014年4月9日播种，3叶期间苗，5叶期定苗并除草和培土 ,留苗45 万株·hm-2，抽穗期搭网防止鸟害。

1.3 测定指标

1.3.1 光合参数测定 灌浆期选晴朗天气于9∶30—12∶00，用LI-6400便携式光合作用测定仪测定叶片光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)，连续测定3天，各小区随机测定5株谷子旗叶光合特征参数值，最终结果以天为单位取其平均值作为每一小区的最终值。

1.3.2 SPAD值测定 叶绿素采用叶绿素计SPAD-502Plus在晴朗天气于10∶00—11∶00分别测定谷子倒一叶、倒二叶、倒三叶叶绿素含量，每小区随机测定5株，连续测定3 d，最终结果以天为单位取倒一叶、倒二叶、倒三叶叶绿素含量的平均值作为每一小区的最终值。

1.3.3 形态指标及产量测定 记载各生育时期，成熟后各处理每小区随机取10株样，参照《谷子种质资源描述规范和数据标准》[18]，分别对株高、主茎粗、主穗长、单株穗重、单株粒重、单株草重、千粒重7个性状进行室内考种，收获各小区计产。

1.4 数据分析

数据处理及分析采用Excel2010、SPSS17.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同阶段灌水处理对谷子灌浆期光合特性的影响

光合作用的强弱能够反映物质合成的能力。从图1可以看出，光合作用相关的特征参数净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、叶绿素在两个参试品种上从处理A1至A4均表现为先增大后下降的趋势。图1(A)显示，两品种灌浆期旗叶净光合速率均表现出A3>A4>A2>A1的趋势，公谷61号处理A3与A1、A2、A4差异均达到了显著水平，大同32号仅有处理A3与A1差异达到了显著水平；图1(B)显示，两品种蒸腾速率处理A3均与其他处理差异显著，但处理A1、A2、A4间差异不显著，公谷61号表现为A3>A1>A2>A4，而大同31号表现为A3>A2>A4>A1；图1(C)为不同处理下两品种气孔导度的变化，由图可知，两品种气孔导度的变化均表现出相同趋势，且仅有处理A3与A1差异达到了显著水平；图1(D)显示不同处理下两品种胞间CO2浓度的差异，可以看出，胞间CO2浓度是5个光合作用特征参数中两品种间差异较大的一个指标，公谷61号表现为A3>A1>A2>A4，且A3与A1、A2、A4，A1与A2、A4差异均达到了显著水平，而大同32号表现为A2>A3>A1>A4，仅A2与A4差异达到了显著水平，说明不同生态型品种在不同时期灌水处理下胞间CO2浓度变化差异较大。

叶绿素含量直接影响作物光合作用。图1(E)可以看出，不同处理下两品种叶绿素含量变化趋势基本一致，均为A3>A2>A4>A1，但公谷61号处理A3与A1、A2、A4差异均达到显著水平，而大同32号仅处理A3与A1、A4差异达到显著水平，说明不同生态区的品种叶绿素含量变化存在一定差异。

注：不同小写字表示在0.05水平差异显著。下同。Note：The different lowercase letters indicate the difference significance at 0.05 level. The same below.

图1 不同时期灌水处理下谷子光合特征的差异

Fig.1 The difference of photosynthetic characteristics of foxtail millet under different irrigation treatments

2.2 不同阶段灌水处理对谷子生育期的影响

谷子生育期的长短受遗传控制，但栽培措施不同对谷子生育期影响也较大。图2(A)显示，在播前统一灌一次底墒水的情况下，不同处理对出苗期几乎没有影响，但拔节期灌水(图2(B))明显的延长了春谷品种公谷61号和大同32号的拔节时期，且与处理A1、A3、A4差异达到了显著水平，而抽穗期灌水(图2(C))反而促进春谷抽穗，显著的缩短了其抽穗时期，同时拔节期灌水亦利于谷子抽穗，但效果较抽穗期灌水较差，其原因是拔节期和抽穗期水分供给充足，有利于谷子的贪青徒长和穗分化发育，因此拔节期延长，抽穗期提前；而拔节期和抽穗期干旱(不灌水)生长和穗发育受阻，出现“卡脖旱”现象，致使谷子难以抽穗，抽穗期延长，出现了抽穗期灌水促进抽穗、缩短抽穗时期的现象。灌浆期灌水(图2(D))由于前期的水分缺乏严重影响了谷子生长发育，其作用与全生育期不灌水相接近。

2.3 不同阶段灌水处理对谷子主要农艺性状的影响

谷子主要农艺性状值可以反映其生长发育状况。表1方差分析显示，不同处理下公谷61号主茎粗、主穗长及单株草重三个性状差异不显著，而株高、单株穗重、单株粒重、千粒重存在不同程度差异；大同32号除主穗长、单株草重差异不显著外，株高、主茎粗、单株穗重、单株粒重、千粒重均存在差异，说明两品种对不同时期灌水的生长响应有所不同。表1也可以看出，两品种不同处理间的株高、单株穗重、单株粒重、千粒重均表现为A3>A2>A4>A1，并且A1、A4与A3存在显著差异，说明抽穗期灌水显著的影响谷子的生长发育。

图2 不同阶段灌水处理谷子生育期的变化

Fig.2 The change of growth period of foxtail millet under different irrigation treatments

表1 不同时期灌水对谷子主要农艺性状的影响

2.4 不同阶段灌水处理对谷子产量的影响

产量结果通常是衡量栽培技术的核心指标。图3可以看出，在处理A1、A2、A3、A4下，公谷61号的产量依次为1 491.41、2 384.12、4 554.23、1 648.08 kg·hm-2，大同32号产量依次为1 554.74、2 508.13、4 872.24、2 677.48 kg·hm-2。方差分析显示，抽穗期灌水(A3) 公谷61号和大同32号的产量极显著的高于拔节期灌(A2)水、灌浆期灌水(A4)及全生育期不灌水(A1)，而公谷61号拔节期灌水(A2)产量极显著高于灌浆期灌水(A4)、全生育期不灌水(A1)，灌浆期灌水(A4)与全生育期不灌水(A1)两处理产量差异不显著；大同32号拔节期灌水(A2)产量极显著高于全生育期不灌水(A1)，但与灌浆期灌水(A4)差异不显著，说明不同生态区春谷品种在覆膜条件下，虽然抽穗期灌水极显著的提高了产量，但不同生育时期灌水处理产量响应却存在差异。

注：不同小写字母和大写字母分别表示在0.05和0.01水平差异显著。

Note：The different lowercase and uppercase letters indicate the difference significance at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

图3 不同处理下谷子产量的差异

Fig.3 Yield of foxtail millet under different treatments

2.5 不同灌水处理下谷子产量与光合特征参数的相关性

从表2可以看出，公谷61号和大同32号在不同处理下净光合速率、蒸腾速率、气孔导度及叶绿素含量均与产量相关性显著或极显著，说明与光合作用相关的多数指标均极显著的影响谷子最终产量的形成，而胞间CO2浓度与产量相关性不显著，原因可能为谷子为C4作物，不同处理下胞间CO2浓度含量虽存在差异，但不成为限制其产量形成的主要因子。从光合特征参数间的相关性可以看出两品种的净光合速率与蒸腾速率、气孔导度，蒸腾速率与气孔导度相关性显著，公谷61号胞间CO2浓度与蒸腾速率、气孔导度相关性显著，大同32号胞间CO2浓度与叶绿素相关性显著，说明两品种净光合速率、蒸腾速率、气孔导度间彼此影响较大，而胞间CO2浓度因品种生态类型不同，与其它光合参数间作用不同，此外，公谷61号叶绿素与净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度虽存在正相关，但均不显著，而大同32号仅与叶绿素显著正相关，说明两品种在不同处理下叶绿素含量对其光合作用的影响不同。

表2 不同处理下谷子产量、光合特征参数间的相关性

注 Note：*表示显著水平(P<0.05) represents 0.05 significant level；**表示极显著水平(P<0.01) represents 0.01 significant level.Pn: Photosynthetic rate,Tr: Transpiration rate,Gs: Stomatal conductance,Ci: Intercellular CO2concentration, Chl: Chlorophyll.

3 讨 论

3.1 谷子覆膜灌溉栽培的节水效果

谷子在我国已有8700多年的栽培历史[19]，多分布于降雨量较少的北方，长期的进化形成了与干旱少雨的自然环境协同的抗旱特性。山仑等[20]比较研究了糜子、谷子、高梁和玉米在种子吸胀、萌发、胚芽伸长和出土以及种苗初期生长各不同成苗阶段的抗旱性及需水条件，结果表明 ,四种作物出土以后,高粱和谷子幼苗的耐萎蔫能力优于玉米和糜子。古世禄等[21]比较发现谷子的水分利用效率比其他主要粮食作物都高,平均每消耗1 kg水分形成干物质3.89 g，比大麦高106.9%，比小麦高98.5%，比玉米高43.5%，比高粱高18.6%。梁宗锁等[22]在甘肃民勤干旱沙漠绿州区采用隔沟交替灌溉方式，研究了CRAI在大田条件下玉米生长、根系分布和对产量的影响及其节水效应，结果表明灌溉用水量为1 575 m3·hm-2，不引起产量下降；杨晓亚等[23]在常年降雨量为500～700 mm的黄淮海地区，以小麦品种济麦20为材料，在田间试验条件下研究了不同灌水处理对小麦的耗水特性和氮素积累分配的影响，结果显示，拔节期、开花期和灌浆期分别灌30 mm水，总灌水约900 m3·hm-2为高产节水的最佳灌水处理。可以看出主要作物在不同生态环境下的节水栽培技术亦需较高的灌水量。本研究在敦煌极度干旱条件下，发现在播前土壤含水量为15%情况下覆膜种植谷子，生育期内不灌水，亦有1 491.41～1 554.74 kg·hm-2的产量，说明谷子是禾谷类作物中具有较好的耐旱、较高水分利用率的作物。

3.2 谷子在调节敦煌绿洲区经济作物种植结构中的前景

敦煌水资源问题已成为限制其发展的重要自然因素[24]，而以灌溉为主的敦煌绿洲农业又以耗水量较高的葡萄、棉花、瓜类等为主要栽培作物，加之其年降雨量少、日蒸发量大[25]，节水栽培技术较落后，表现出农业水资源利用效率低的特征，因此调整其经济作物结构，发展节水农业对敦煌绿洲农业可持续发展有着重要的意义。谷子是我国古老的粮饲兼用作物，有较高的水分利用效率的一种C4作物，富含粗蛋白、必需氨基酸、粗脂肪等营养物质，具有抗旱、耐盐碱的特性[26]。近年来，随着人们饮食结构的调整，谷子备受亲睐，市场需求较大，因此可成为敦煌经济作物结构调整的理想作物。谷子覆膜栽培已是干旱半干旱区一项成熟的栽培技术，研究者发现覆膜可有效提高土壤温度，减少蒸发，具有明显的增温保水效应，显著的促进作物生长发育[27]。Zhao等[17]发现在敦煌覆膜栽培结合播前只浇一次水(1 200 m3·hm-2)的情况下,抗旱性较强的13DH2、13DH3、13DH8 和13DH9 4个组合的产量高于3 000 kg·hm-2，本研究发现在播前统一灌一次底墒水(600 m3·hm-2)的情况下，抽穗期灌600 m3·hm-2的水较生育期内不灌水有效的改善了谷子光合特性、农艺性状，显著的提高了常规谷子的产量，产量高达4 554.23～4 872.24 kg·hm-2，且较拔节期灌600 m3·hm-2水、灌浆期灌600 m3·hm-2水效果均明显。从市场需求及覆膜节水两方面可以看出，谷子在敦煌经济作物结构调整中有着较好的前景。

4 结 论

谷子是一种耐旱且水分利用率较高的禾谷类作物，在敦煌灌溉绿洲农业生产中，播前灌600 m3·hm-2底墒水的情况下，全膜覆盖结合抽穗期补灌600 m3·hm-2水的栽培技术种植谷子，既节约灌溉用水，缓解水资源压力，又避免了生育中期干旱造成的减产，保证谷子稳产高产，是敦煌绿洲区极度干旱条件下经济作物结构调整的理想作物。

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Effect of supplemental irrigation on photosynthetic characteristics,agronomic traits and yield of foxtail millet under condition of film mulching in Dunhuang oasis

LIU Tian-peng1, HE Ji-hong1, DONG Kong-jun1, REN Rui-yu1, ZHANG Lei1, XU Yan2, YANG Tian-yu1,2

(1.CropResearchInstitute,GansuProvincialAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou,Gansu730070,China;2.CollegeofLifeScienceandTechnology,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

In Dunhuang oasis area where annual rainfall is less than 40 mm, a split plot experiment was conducted to explore the effect of irrigation at jointing, heading and filling stages on the photosynthetic characteristics, agronomic traits and yield of foxtail millet (SetariaitalicaL.) under the condition of film mulching. Results showed that, under the condition of identical irrigation with 600 m3·hm-2water before planting, the photosynthetic rate (Pn), transpiration rate (Tr), stomatal conductance (Gs) and chlorophyll content of foxtail millet in the treatment of heading stage irrigation with 600 m3·hm-2water (A3) were significantly higher than those in the treatments of no irrigation (A1), jointing stage irrigation with 600 m3·hm-2water (A2) and filling stage irrigation with 600 m3·hm-2water (A4). Intercellular CO2concentration (Ci) was also much different among different treatments, being affected by different cultivars. Compared with A1, A2 and A4, the treatment of A3 promoted heading time remarkably, increased plant height, main spike length, spike weight per plant, grain weight per plant and straw weight per plant significantly, and raised yield very significantly. Correlation analysis showed that photosynthetic rate, transpiration rate, stomatal conductance and chlorophyll content were significantly positively correlated with yield, while photosynthetic rate, transpiration rate and stomatal conductance were very significantly correlated with each other.

foxtail millet; irrigation; photosynthetic characteristics; agronomic traits; yield

1000-7601(2017)02-0068-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.12

2015-11-19基金项目：国家科技支撑项目课题(2013BAD01B05-9、2014BAD07B01-01)；国家现代农业产业技术体系(CARS-07-12.5-A5)

刘天鹏(1987—)，男，硕士，研究实习员，研究方向为作物生态生理。 E-mail:13993184051@163.com。

杨天育(1968—)，研究员，主要从事小杂粮遗传育种与栽培研究。 E-mail:13519638111@163.com。

S343.1

A