调亏灌溉对黑豆产量及水分利用效率的影响研究

邰恩博，凡久彬，佟 威，张更元

(1. 辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003；2. 沈阳市水务事务服务与行政执法中心，辽宁 沈阳 110015)

黑豆具有适应性强、抗干旱、耐土地瘠薄等特点，是我国北方地区旱作农业中重要的经济和粮食作物[1]。辽北地区是辽宁省主要的黑豆生产地区，其中彰武黑豆已获得全国农产品地理标志。据统计2014年，彰武县黑豆种植面积达6666.67 hm2，总产量可达3万t以上，经济效益1.5亿元[2]。辽北地区大多为干旱、半干旱地区，年降水量仅为300～500 mm，黑豆的生产效益受干旱影响较大，在水资源极度紧缺和土壤条件较差的辽北地区推广节水灌溉，促进作物对有限水资源的充分利用是该地区黑豆生产实践的发展方向之一。

作物调亏灌溉是指在作物特定的生长发育阶段人为主动的施加一定程度的水分胁迫，以此来达到节水和提高水分利用效率的灌溉方式[3]，且已广泛应用于花生、大豆和玉米等作物上[4-6]。本次试验针对辽北风沙区特色农业——黑豆产业，设置在不同生育期进行不同调亏程度的微喷灌溉试验，以期阐明调亏灌溉对黑豆生长、产量和水分利用效率的影响，明确辽北地区黑豆生产中调亏灌溉的节水效果和应用潜力。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年在辽宁省阿尔乡灌溉试验站进行，该试验站地理位置为北纬42°08′59″，东经120°30′44″，地处科尔沁沙地南缘，属于温带半干旱季风气候，其主要特征是干燥、风沙大。多年平均气温6.1 ℃，多年平均湿度58%，无霜期154 d；多年平均降水量为307 mm，降水量年内分布不均，夏季降水量占全年的66%以上；多年平均蒸发量1777.6～1783.4 mm；多年平均风速3.7～4.2 m/s，最大风速24 m/s，干燥系数1.0～1.8。试验区地下水埋深为6.08 m。土壤为风沙土，干容重1.69 g/cm，田间持水量为21.53%θf(θf，体积含水率)，全氮6.13 mg/kg，速效磷1.7 mg/kg，速效钾19.1 mg/kg。

1.2 试验设计

采用单因素试验设计，设置三种水分处理：(1)常规灌溉CK，全生育期土壤含水率在90%θf～75%θf。(2)轻度调亏灌溉SR，苗期和成熟期土壤含水率在65%θf～90%θf，其他生育期同CK。(3)全生育期连续调亏灌溉CR，苗期和成熟期土壤含水率在50%θf～90%θf，分枝、结荚和鼓粒期土壤含水率在60%θf～90%θf，开花期土壤含水率在65%θf～90%θf。每个处理设3次重复，共9个小区。以黑美仁2号为材料，采用传统栽培模式，行距60 cm，株距30 cm，垄长20 m。齐苗后每穴单株定苗。黑豆于5月8日播种，9月28日收获。播种时一次性施入氮磷钾复合肥每亩30 kg。灌水均采用压片式微喷带灌溉技术，设计工作压力为0.15 MPa，每条喷灌带铺设长度20 m，喷水幅宽8 m(两侧各4 m，控制4条垄)，平均单孔出水量为3 L/h，每百米喷水量为8.4 m3/h。每个小区布置8垄，在中间垄沟布设一条微喷带。每个小区安装独立水表以记录灌水量。其他种植管理方式按当地常规进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水率和降雨量

利用便携式土壤水分测量仪(Trime-PICO TDR)测定10 cm，20 cm，30 cm，40 cm，50 cm，60 cm深处的土壤含水率。每5天测定一次含水率，灌溉前后、各生育阶段始末及降雨前后加测。气温、湿度、降雨量、日照时数、风速、风向、气压及水面蒸发量，采用自动气象站进行数据的收集。

1.3.2 株高、茎粗、叶面积指数和SPAD值

于6月20日起各小区选取长势一致的黑豆植株5株挂牌标记，每隔10 d利用钢尺测定株高，利用游标卡尺测定茎粗，利用AccuPAR-LP80植物冠层分析仪测定叶面积指数(LAI)，采用SPAD-502型叶绿素仪测定叶片SPAD值。

1.3.3 地上部分干物质重

于苗期、分枝期、开花期、结荚期、鼓粒期和成熟期在各小区取代表性植株3株，将地上部分植株在子叶处剪断，清洗干净后分装到不同的牛皮纸袋中置于烘箱经105 ℃杀青30 min，然后于80 ℃下烘至恒重，用电子天平称量地上植株干物质重。

1.3.4 产量、产量构成及水分利用效率

黑豆成熟后，于各小区选择中间2 m2收获，将从植株体摘下后的大豆荚果装在纱网袋中，自然风干之后，测定各小区黑豆的单株荚数，单株粒数，单株粒重、百粒重及产量。黑豆的耗水量采用水量平衡方程计算得出，水分利用效率由黑豆产量与耗水量的比值得到。

1.4 数据处理及统计分析

利用Microsoft Excel 2010进行数据整理；利用SPSS 18.0软件进行单因素方差分析和生理指标与产量的相关分析，采用最小显著差法(least significant difference，LSD)进行差异显著性检验；利用Origin 9.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 调亏灌溉对黑豆生长性状的影响

2.1.1 株高和茎粗

由图1(a)可知，不同处理下黑豆株高均随生育期的推进呈现先快速增长后逐渐趋于稳定的变化趋势。三个处理的株高在苗期(6月20日)时并未表现出明显的差异。分枝期～结荚期是黑豆快速生长阶段。进入分枝期(6月30日)后，CK和SR处理的株高显著高于CR处理，且均表现为CK>SR>CR，这种差异一直持续到生育期结束(7月10日除外)。从最终的株高表现来看，CK和SR处理的株高较CR处理显著提高了25.9%和23.3%。从图1(b)可知，不同处理下茎粗的动态变化与株高呈现出相似的变化趋势。在苗期(6月20日)时不同处理的茎粗并未产生显著的差异。6月30日—9月18日，三个处理的茎粗呈现出显著的差异，为CK处理的茎粗显著大于SR和CR处理(7月30日除外)。从最终的株高表现来看，CK处理的茎粗较CR处理显著提高了19.9%。

2.1.2 叶面积指数和叶绿素含量

由图1(c)可知，各处理黑豆的叶面积指数(LAI)在全生育期内表现为先增加后降低的变化趋势。6月20日，CK和SR处理的LAI显著大于CR处理。7月10日—8月29日，CK处理的LAI表现最优，显著高于SR和CR处理(7月30日和8月9日除外)。从8月19日后，各处理的LAI呈现逐渐降低的趋势。9月8日和9月18日，进入黑豆生长后期，各处理间的LAI无明显差异。由图1(d)可以看出，各处理叶绿素含量(SPAD)的变化与LAI表现出相似的趋势。6月20日—8月29日，各处理的SPAD值为增加的趋势，CK和SR处理的SPAD值显著高于CR处理(6月20日和6月30日除外)；9月8日和9月18日，各处理的SPAD值呈现下降的趋势，且各处理间无显著性差异。

图1 调亏灌溉对黑豆生长性状的影响

2.2 调亏灌溉对黑豆地上部分干物质重的影响

由图2可知，苗期黑豆处于生长初期，各处理间的地上部分干物质重差异较小。进入分枝期，各处理的地上部分干物质重开始表现出差异，CK处理较CR处理显著提高了9.37%的地上部分干物质重，且SR处理与CK处理无显著差异。与CR处理相比，CK和SR处理显著提高了开花期(15.5%和13.7%)、结荚期(25.8%和20.7%)、鼓粒期(22.7%和19.5%)和成熟期(23.6%和21.4%)的地上部分干物质重。可见，SR处理在苗期进行适度的水分亏缺，而在重要的营养生长和生殖生长阶段并未进行水分亏缺，并不会对其最终的地上部分生物量产生明显的负效应。但CR处理在黑豆的各生育期进行不同程度的亏水则会对其地上部分生物量产生显著的且不可补偿的负效应。

图2 不同处理下黑豆地上部分干物质重

2.3 调亏灌溉对黑豆产量及水分利用效率的影响

由表1可知，CK和SR处理的单株荚数显著高于CR处理，提高幅度分别为31.2%和30.9%。单株粒数表现为CR处理最低，为235.7个，较CK和SR处理低16.4%和15.9%，且呈显著性差异。CK和SR处理的单株粒重显著高于CR处理。三个处理间的百粒重无显著差异。各处理的产量表现为：CK>SR>CR，CK 处理的黑豆产量最高，为2918 kg/hm2，较CR处理显著提高了47.4%，SR处理的产量虽略低于CK处理，但无明显差异，较CR处理显著提高了45.5%。不同处理下的WUE表现为：SR>CK>CR，SR处理的WUE最高，为1.37 kg/m3，与CK处理的WUE无明显差异，但显著高于CR处理。与CR处理相比，SR和CK显著提高了12.4%和21.6%的WUE。综上可见，SR处理在黑豆的非需水关键期适量减少灌水量的情况下能够实现稳产增效的目标。

表1 不同处理下黑豆产量、产量构成及水分利用效率

2.4 黑豆产量与不同生育期生长指标的相关分析

对黑豆不同生育期的生长指标与产量进行了相关分析，结果表明(表2)，黑豆产量与各生育期的生长指标呈显著相关(P<0.05)。苗期～鼓粒期LAI与产量呈显著的正相关(P<0.05)。分枝期～鼓粒期SPAD值与产量表现为显著的正相关(P<0.05)，说明在黑豆生长旺盛时期较高的SPAD值利于光合产物的积累。分枝期～成熟期株高、茎粗和地上部分干物质重于产量呈显著的正相关(P<0.05)。以上结果表明黑豆的产量与其生长性状关系密切，生产实践中保持黑豆较好的生长态势利于产量的提高。

表2 不同生育期的生长指标与黑豆产量的相关分析

3 讨论与结论

作物在不同生育期受旱对其生长发育及产量有不同程度的影响。黑豆幼苗期比较耐旱，适宜的水分亏缺可促进根系纵向伸长，利于提高其抗旱能力。另外，在黑豆苗期进行轻度调亏，对其株高会产生的影响，但分枝期后的复水补偿作用使株高快速增长且接近CK处理水平。而亏水程度越大或持续时间较长，其生长受到的抑制作用越大。本研究结果表明，苗期和成熟期轻度水分调亏，其株高和SPAD与CK无明显差异。但在黑豆生长旺盛时期依然进行连续调亏，其株高、茎粗、LAI和SPAD显著低于CK和SR处理。较大的LAI有利于产量的提高，但并不是越大越好。LAI越大，植株群体冠层郁闭程度越大，致使植株体的中下部透光性差，不利于干物质积累和产量的形成[7]。本研究中，CK处理一直保持较大的LAI，SR处理的LAI在黑豆生长旺盛时期均与CR处理表现出明显的差异，说明SR处理能够在黑豆产量形成的重要阶段维持较高的光合物质生产力。叶绿素含量与叶片氮和光合能力密切相关[8]，CK和SR处理在分枝期～鼓粒期均保持较高的SPAD值，提高光合效率和干物质积累，从而增加黑豆产量，这也可以从本研究结果得到验证。综上所述，在黑豆苗期和成熟期进行适宜的调亏，在其营养生长和生殖生长阶段未受到严重的水分亏缺，植株生长发育较好，产量得到保障。

地上部分干物质积累是黑豆产量形成的基础。在合适的生育期进行适度的调亏能够促进干物质积累及合理分配，进而实现稳产和增产。如薛道信[9]研究表明，在马铃薯幼苗期进行轻度和中度调亏并不会显著影响干物质的积累。本研究表明，苗期和成熟期进行适度的调亏，其地上部分的干物质积累数值上低于CK处理，但无统计上的差异。但在黑豆营养生长和生殖生长时期依然进行连续调亏，则显著降低了黑豆地上部分干物质的积累。这可能是由于过度的亏水处理使作物细胞壁坚固，复水后无法恢复从而降低了生物量，这与前人研究结果相一致[10]。黑豆产量构成因素的协调发展对其实现稳产增产具有重要作用。全生育期连续调亏导致植株形成豆荚的能力降低，显著减少了单株粒数和粒重，从而降低了产量。蔡焕杰[11]等研究表明适度水分亏缺可实现作物稳产或增产的目标，调亏灌溉的适宜时段应该在作物的早期生长阶段或作物非需水关键期，故在黑豆的苗期和成熟期进行适宜的调亏灌溉能兼顾稳产和水资源充分利用的协同发展。本研究结果表明，在黑豆苗期和成熟期进行适宜的调亏，产量虽略低于CK处理，但两个处理间并无显著差异。SR处理在稳产的同时减少了耗水量，提高了水分利用效率。因此，本研究认为在辽北风沙区生产实践上，在苗期和成熟期进行适度的调亏灌溉(90%θf～65%θf)可保证黑豆稳产的同时提高水分利用效率，实现有限灌溉水资源高效利用的目标。