水分处理对巨菌草蒸散发过程及地上部生长的影响

刘凤山, 林兴生, 林 辉, 罗海凌, 林占熺(福建农林大学国家菌草工程技术研究中心，福建 福州 350002)

巨菌草(Pennisetumgiganteum. sp.)是从南非引进的，隶属禾本科狼尾草属，多年生，适宜在热带、亚热带、温带生长和人工栽培[1,2].巨菌草具有适应性强、利用期长、生物量高、营养价值和适口性好等特点，可用于食用菌生产原料、牲畜饲料、生物燃料及生态治理等众多领域，在生态、经济和社会等方面具较大发展潜力[3-5].

巨菌草良好的生物学特性使其成为生态治理过程中的先锋植物，已在退化草地、荒漠地、盐碱地、沙地和崩岗等开展定点和推广试验，初步取得了良好的生态效果[6-8].巨菌草治理具有成本低、见效快、生态效益高等优点.在西藏高寒流动沙丘种植巨菌草，在较短时间内重建沙地植被，固定流沙，生物产量高，对湿润区的零星沙地治理和高效开发具有重要意义.

利用巨菌草治理尼罗河源头水土流失，建立了等高线菌草活篱与梯田套种农作物模式，土壤流失率降低89%[2,8].生态治理过程中，巨菌草的水分利用规律逐渐引起重视，尤其是巨菌草高的生物量对水分的需求旺盛，是其生态治理过程中无法回避的难题.本文通过盆栽控制试验，初步揭示了不同灌溉量条件下巨菌草的水分耗散过程，为巨菌草的产量预测、灌溉工程设计及生态功能研究提供依据[9].

1 试验区概况

试验于2015年在福建农林大学国家菌草工程技术研究中心试验楼顶楼(26°5′21″N，119°14′49″E)的白色塑料大棚中进行.该地区属于亚热带季风气候，年平均日照时间1 700～1 980 h，降水量900～2 100 mm，年均温16～20 ℃.春季雨水多，湿度大;夏季闷热高温，多雷雨台风天气;秋季日照充足.试验用土壤取自农田，pH为6.5，有机质含量0.79%，全氮、全磷、全钾含量分别为0.045 5%、0.043 4%、2.29%.

2 试验方法

2.1 试验设计

2015年6月22日，通过盆栽控制试验种植巨菌草，8月29日试验结束.试验盆直径28.5 cm，高38 cm，底部密封.巨菌草采用大小相似的种茎进行种植，每盆种植4株.巨菌草发芽后，每盆选择2株健壮、间隔较大的植株作为供试材料.苗期之前(7月16日)，所有试验盆每周灌溉17 mm水分，之后开始水分处理.设置3个处理.T1：每周灌溉25 mm水分.T2：每周灌溉50 mm水分.T3：每周灌溉75 mm水分.每个处理4次重复.试验过程中，7月10日施用尿素2 g·盆-1；7月14日，松土1次.另设3个空白对照，土壤、水分及管理措施与处理一致，但是没有种植巨菌草，重复3次.

2.2 测定方法

根据水量平衡原则，即水分输入等于水分输出，植物蒸散发通过测定其他变量求得，水量平衡方程表示如下:

ET=P-R-I-Δh

(1)

式中，ET为蒸散发，P为降水量或灌溉量，R为地表径流，I表示地下水补给和土壤下渗作用，Δh为土壤含水量的变化.

通过降水控制，并进行盆栽试验，消除了地表径流和地下水，将植物的水分循环过程限制为灌溉和蒸散发两个过程.土壤含水量的变化对通过称重法获取的蒸散发数据没有产生影响，从而将水量平衡方程简化为：

ET=E+T=P

(2)

式中，ET为蒸散发，E为土壤蒸发，T为植物蒸腾.

空白试验盆中没有植物，称重法获得的蒸散发数据实际上为土壤蒸发数据(evaporation,E)，植物蒸腾量(transpiration,T)可以通过蒸散量与蒸发量计算获得.考虑到空白试验盆后期水分无法及时蒸发到空气中，土壤含水量比有植物的试验盆高，加上没有植物遮挡，实际的蒸发比测量值低[10]，造成计算得到的植物蒸腾量偏低.由于存在称重误差，蒸散发分离的质量控制以平均值加减2倍标准差确定.

每日18：00—19：00通过称重法获得植物对水分的输入(实际灌溉量)和输出(蒸发、蒸散发)[11].蒸发和蒸散发数据的观测分为3个时期，即观测初期、集中观测期和常规观测期.观测初期分为1～7 d不等，通过分析灌溉与蒸散发的关系确定灌溉间隔；集中观测期为7月6—24日，分析灌溉后蒸散发的每日变化特征；常规观测期以7 d为1个阶段，获取蒸散发的生育期变化特征.生育期末期，从巨菌草地上部分获得各器官的鲜重，通过烘干法获得巨菌草各器官的地上部干重.

3 结果与分析

3.1 灌溉量对巨菌草蒸散发过程的影响

在水分处理之前，巨菌草的累积蒸散量(图1a)与空白试验(图1b)具有相似的变化过程，且不同处理之间差异不明显.累积蒸散发过程的差异主要来自于植物本身.

水分处理之后，巨菌草和空白对照的累积蒸散量表现出了不同的变化规律.巨菌草累积蒸散量随水分输入的增加而增加，T1处理的最小，T3处理的最大.T2处理在后期的增加幅度更大，与T3处理的差异逐渐缩小，与T1处理的差异逐渐增大.土壤蒸发随着水分输入的增多而增加，误差线表明土壤蒸发存在较大的变异性；同时由于蒸发过程较弱，即使最少水分处理输入的水分也无法及时蒸发掉，从而造成后期的蒸发过程在不同水分处理间无差异.总体而言，增加灌溉量有利于土壤蒸发.

从图1c、1d可知，水分处理前期，不同植物及其处理都表现出一致的变化过程，表明土壤、环境等因素对植物具有相似的影响过程.水分处理后，巨菌草前3天累积蒸散发增幅最快，后4天增幅变缓，重新加入水分后增幅变快；而且水分增多有利于植物生长，造成不同处理间蒸散发的差异逐渐变大.空白试验盆的蒸发过程比较稳定，水分越多，蒸发量越大，其日变化特征与气象条件关系密切.

a.巨菌草季节动态;b.巨菌草连续动态;c.空白季节动态;d.空白连续动态.图1 巨菌草累积蒸散发的变化过程Fig.1 Changes of accumulated evapotranspiration of Giant Juncao

3.2 灌溉量对巨菌草蒸腾作用的影响

随着植被的生长，蒸发占蒸散发的比例(E/ET)逐渐降低，蒸腾作用成为水分散失的主要途径.根据线性拟合公式，E/ET小于0.5的时间均出现在测量日期的第18天，这可能是因为在生育期的早期，植物蒸腾和土壤蒸发量少于水分的输入，从而对巨菌草的生长没有产生抑制作用.不同水分处理对蒸散发的作用出现在后期，此时植物蒸腾作用增强，灌溉量低的处理对巨菌草的生长产生了抑制作用.图2表明，灌溉量越大，蒸发所占比例下降的幅度越大，说明植被蒸腾作用增强的幅度更大，植物的生长和叶片的发育也更好.在研究时段内，巨菌草蒸发占蒸散发的比例随输入水分的增加从0.467下降到0.422，且下降速率随水分的增多有变缓的趋势.

3.3 水分处理对巨菌草地上部生长的影响

水分处理造成巨菌草茎鲜重、叶鲜重和总干重极显著增加，叶茎比和含水率极显著降低(表1).这些指标的变化与植物蒸腾作用有极密切的关系(R2>0.85).灌溉量减少，植物经受水分胁迫使得植物用于蒸腾作用的叶片减少，生物量的积累速度减缓.由于茎生物量的积累过程减缓更大，增大了叶茎比，叶片较高的水分含量造成含水率随灌溉量的降低而增大.

图2 巨菌草蒸散发的分配Fig.2 The partitioning of evapotranspiration into evaporation for Giant Juncao

表1 巨菌草地上部生物量特征1)Table 1 The characteristics of aboveground biomass of Giant Juncao

1)同列数据后不同字母表示差异极显著(P<0.01).

4 讨论

由于茎生物量的积累过程大大减缓，致使叶茎比增大，叶片较高的水分含量造成含水率随灌溉量的降低而增大.该结果与刺槐幼苗对水分处理的响应一致[12].基于拓扑结果虚拟的玉米生物量分配，玉米在生长24 d后，叶与总生物量的比例维持在0.17～0.30[13]，不同水分处理巨菌草的叶与总生物量的比值为0.20～0.25，与玉米具有较好的对比性.

蒸散发过程是植物生长重要的水分利用过程，与环境条件具有密切的关系.太阳辐射、水汽压差、空气温度、相对湿度和土壤水势等都是重要的环境因素[14-16].在塑料棚中进行盆栽控制试验，极大改变了土壤透气性、空气流动性、饱和水汽压差等环境特征，抑制了巨菌草的蒸散发和生长过程.盆栽试验巨菌草日蒸散量分别为1.96、2.95和3.83 mm·d-1，实际生产中巨菌草的蒸散发过程更强烈，且生物量积累更多.

环境因素和水分处理相互作用大大影响巨菌草的生长.台风天气后的连续阴雨天，造成灌溉的水分无法及时散发出去，植物长期处于积水状态[17]；而福州经常出现的高温天气[18]，增大了水分胁迫条件下的干旱程度.本试验结果表明，巨菌草对增强型的干旱胁迫和涝灾具有较强的适应性，蒸散量和地上生物量随灌溉量的增加而增大.