水分胁迫对沙漠开发区饲用甜高粱生长的影响

蒋菊芳，齐 月，李 英，魏育国，李兴宇

(1.中国气象局兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾开放实验室，甘肃兰州 730020；2.甘肃省武威市气象局农业气象试验站，甘肃武威 733000)

甜高粱(Sorghumbicolor)因其具有生物产量高、含糖量高、生长周期短、抗旱、耐盐碱和耐贫瘠等特性，被誉为“最具潜力的能源作物之一”[1-3]。针对利用能源植物带来的粮价上涨和粮食安全问题，适应我国人多耕地少的国情，我国制定了“不与民争粮，不与粮争地”的生物质能源发展原则，所以发展能源植物不得不选择能生长在边际性贫瘠土壤的非粮作物[4-6]。相关研究也表明，地理环境与甜高粱生物量和产糖量有很大关系，积温、降水对生物量具有显著影响，而气温变化和日照时间则显著影响含糖量；昼夜温差大，降水充沛，太阳辐射强的地方甜高粱的产量高，产糖量也高[7-9]。河西走廊有大片沙漠治理区需要改良保护，土壤以风沙土、灰棕漠土为主，沙性大，土体疏松，土壤养分极度贫乏，漏水漏肥，不适宜种植粮食作物，而抗旱、耐盐碱的甜高粱就成为河西走廊沙漠治理区栽培的重点潜力作物[10-12]。且随着河西走廊设施牛、羊养殖业的迅速发展壮大和封山禁牧政策的落实，饲料短缺已成为畜牧业发展的瓶颈因素，尤其是青贮饲料的储备。边际地带发展甜高粱种植，成为解决优质饲草的关键[13-16]。本试验重点解决寻找河西适宜种植甜高粱的生态气候优势带，为政府和有关生产单位在扩大生产规模和基地规划建设以及优化种植结构调整方面提供科学依据，避免盲目种植和种植效益不高的问题。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及试验设计

试验在甘肃省武威荒漠生态与农业气象试验站(37°53′N、102°53′E)进行，试验田地处腾格里沙漠边缘，为典型的内陆荒漠干旱气候区，海拔1 534.8 m。年均气温8.1 ℃，年平均降水量171 mm左右，且主要集中在6—9月；土壤质地为沙壤土，呈微碱性；地下水位25～36 m，一般采用井水漫灌；有机质含量0.7%，10～50 cm土壤容重1.45～1.49 g/cm3，田间持水量9.5%～19.6%，凋萎湿度5.4%～6.3%。

田间试验于2016年进行，大田试验小区随机排列，播种量、株距和田间管理一致。试验品种为甜高粱BJ0603，2016年4月20日播种，采用小型播种机播种。试验设计为正常灌水处理：灌溉模式灌溉4水，不遮雨，6月11日浇头水，灌溉量1 000 m3/hm2；7月6日浇拔节水，灌溉量1 200 m3/hm2；7月28日浇第3次水，灌溉量1 200 m3/hm2；8月21日浇第4次水，灌溉量800 m3/hm2。水分胁迫处理：不遮雨，4月10日只灌1次底墒水，灌溉量1 800 m3/hm2。每种处理设3个重复，试验田面积均为65 m2，行株距25 cm×30 cm，播种深度10～20 cm。播种前施尿素225 kg/hm2，磷酸二铵 187.5 kg/hm2，灌第3次水时追施尿素225 kg/hm2。甜高粱试验期内累计降水量为120.3 mm，平均气温18.5 ℃，平均最高气温26.4 ℃，平均最低气温10.7 ℃。根据中国气象局《农业气象观测规范》[17]进行观测，甜高粱生长期间每个重复固定10株，每7 d观测1次发育期、生长高度、土壤湿度、叶面积、植株干质量、鲜质量，每处理随机选取1 m2观测产量及产量构成。

1.2 统计与分析

采用Excel和DPS统计软件对试验数据进行相关分析处理。采用STATISTICA 6.0统计软件，对试验数据进行单因素方差分析(ANOVA)，利用最小显著性差异(LSD)多重比较方法，对不同处理之间的差异性进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 水分胁迫对甜高粱发育期的影响

大田甜高粱出苗天数为14～15 d，苗期达59～63 d，全生育期为147～151 d。水分胁迫对甜高粱发育期的影响从分蘖期开始表现(表1)，水分胁迫条件下，分蘖期提前2 d，7叶期和拔节期分别提前4 d，成熟期提前5 d。苗期(出苗期—拔节期)以根为生长中心，是甜高粱扎根、长叶和分化茎节的关键生长阶段，水分胁迫处理下，出苗—分蘖较正常灌水缩短 2 d，3～7叶期缩短4 d，分蘖期—拔节期缩短 1 d；生殖生长阶段(拔节期—成熟期)，水分胁迫处理拔节期—成熟期缩短1 d，全生育期缩短5 d。方差分析显示，处理间差异达到极显著(Fi=398.57>F0.01=16.26)，说明水分胁迫加速甜高粱的发育进程，促使其提前成熟。

表1 不同水分处理下甜高粱发育期的变化(月-日)

2.2 水分胁迫对甜高粱生长高度的影响

不同水分处理下，甜高粱植株生长高度均呈近似“S”形曲线，全生育期株高生长速度呈现“慢—快—慢”的变化趋势(图1)。水分胁迫对甜高粱生长高度前期影响较小，后期影响明显。出苗后3～57 d水分胁迫处理的甜高粱株高较正常灌水偏小0.4～7.8 cm，日增高速率水分胁迫较正常灌水偏小0.06～0.25 cm/d；出苗后63～137 d 2处理间株高相差19.8～39.0 cm，日增高速率相差0.26～0.48 cm/d，在出现≥35 ℃高温时段生长速率明显减小，日增高速率相差减小为 0.18 cm/d。方差分析结果表明，2种处理间存在极显著性差异(Fi=78.27>F0.01=8.10)，水分胁迫下甜高粱生长高度和日增长速度在出苗63 d后均显著低于正常灌水的甜高粱。

2.3 水分胁迫对甜高粱叶面积指数(LAI)和绿叶数的影响

由图2可知，不同水分处理下，大田甜高粱苗期叶面积指数增长较快，出苗后126 d达到高峰，之后随着下部叶片枯黄缓慢下降。出苗41～84 d正常灌水的甜高粱LAI为0.15～1.84，出苗98～137 d时达3.39～4.93；而水分胁迫的甜高粱LAI出苗41～84 d为0.08～1.68，出苗98～137 d为2.03～2.72；前期正常灌水较水分胁迫处理偏大0.06～0.60，后期偏大1.26～2.21。LAI增长率呈现缓慢增加—快速增加—缓慢减小，出苗132 d后出现负增长率，且≥35 ℃高温时段水分胁迫处理LAI增长率出现负值，高温加剧了干旱胁迫。随着甜高粱的生长发育进程，2处理间差异逐渐显现(P<0.01)，水分胁迫处理的甜高粱叶片表现为狭长型，叶宽小于正常灌水0.1～0.5 cm。

叶片数量直接影响作物光合作用的进行。2种处理下，绿叶数呈快速增多—缓慢减少，出现2叶至5叶的时间和间隔期基本一致，随着甜高粱植株生长所需水分的增加，正常灌水的叶片数和出叶速率明显高于水分胁迫处理，出苗30 d后正常灌水叶片数多0.5～3.0张，出叶速率偏高0.01～0.03张/d，处理间差异极显著(P<0.01)。

2.4 水分胁迫对甜高粱干物质积累分配的影响

干物质的形成受群体密度、结构、叶面积和土壤水分等因素影响，在不同阶段不同小气候环境下不尽相同，但是在干旱区仍以水分因子占主导作用。由图3可见，在苗期土壤水分条件相差较小，不同水分处理间干物质差异不大。第1次灌水后，不同水分处理对干物质的影响也并未立即显现出来，当土壤水分下降到一定阈值，水分胁迫处理下甜高粱植株生长速率减慢，叶片生理功能衰减，导致干物质明显减小，从出苗后84 d开始，干物质差异显著，水分胁迫甜高粱单株干物质较正常灌水的偏小6.6～33.6 g/株，出现高温天气时段两者相差减小。2处理间方差分析结果显示，差异极显著(Fi=15.52>F0.01=8.28)。从发育阶段和水分胁迫对干物质影响的方差分析看，拔节期至糖分积累期(出苗后72～112 d)差异极显著，反映出3叶至8叶期水分需求较小，可以限量灌溉，而拔节后是植株快速生长、干物质积累和品质形成关键期，耗水多，且此时是高温、干旱多发期，需充分灌溉才能保证高产、高品质。

植株在不同生育阶段，叶、鞘、茎和果实所占比例不同。由图4可见，甜高粱在苗期叶片的干物质所占比重最大，但随生育进程，叶片的干物质分配率呈直线型下降趋势，苗期叶片分配率达70%～81%，到刈割期下降至30%～35%；叶鞘的干物质分配率在整个生育期呈单峰型变化趋势，苗期占到18%～20%，拔节期达到峰值占30%～33%，刈割期仅占到12%～16%；茎的干物质分配率在整个生育期呈直线增大趋势，与叶片相反，苗期分配率仅3%～11%，到刈割期增大至51%～57%。方差分析显示，2处理间差异均达到极显著水平(F叶=165.1>F鞘=79.6>F茎=10.9>F0.01=8.4)。受水分胁迫影响，拔节后干物质向叶片和叶鞘分配转移减小，加速向茎部转移，且影响加大。

2.5 水分胁迫对甜高粱产量性状的影响

由表2可见，收获时，水分胁迫处理对甜高粱产量性状有较大影响，2种处理间除总叶数和茎节数差异不显著外，其余产量性状存在显著和极显著差异。与正常灌水相比，水分胁迫处理株高、主茎粗偏小15.4%、19.7%，绿叶数和总叶数分别偏少33.3%、10.2%，含糖量偏小28.4%，茎节数偏少 9.1%，单位面积鲜质量产量偏小38.5%。

表2 甜高粱收获时产量性状及鲜质量产量

注：同列数据后不同小写、大写字母分别表示处理间差异显著(P<0.05)、极显著(P<0.01)。

3 结论与讨论

水分胁迫加速甜高粱的发育进程，缩短其生命周期，降低产量，影响各生育指标，尤其是甜高粱生长后期，与正常灌水差异显著。水分胁迫处理不仅影响甜高粱生育期，还造成生长速度减缓，高度、叶面积指数减小，绿叶数减少，植株光合作用积累有机物的时间缩短，生物量也减小，降低单株产量，影响甜高粱营养物质分配转移和含糖量的提高。

由于播前底墒处理及田间管理一致，甜高粱生育初期土壤水分条件基本处于同一水平，苗期耗水少，以扎根、长叶为主，发育期、高度、叶面积和干物质等差异不大。甜高粱进入7～8叶期时，植株生长转入茎节快速分化的伸长期。对降水稀少的干旱区而言，拔节期后进入新陈代谢旺盛期，是需水关键期，水分胁迫造成水分不足，生育期提前4 d，生长高度较正常灌水减小12%～20%，叶面积指数减小25%～45%，绿叶数偏少0.5～1.5张，积累的单株干物质偏小13%～27%，营养物质向叶片、叶鞘分配转移的速度明显下降。出苗后98～126 d，甜高粱植株处于水分临界期，对水分反应非常敏感，水分胁迫下植株外部形态指标与正常灌水差异达到极显著水平，高度相差达20～39 cm，叶面积指数相差2.02～2.12，绿叶数相差达2～3张叶，干物质相差幅度达25%～40%，养分运输中心转向茎秆。成熟刈割时，2种处理差异显著，水分胁迫处理株高偏小50.6 cm、主茎粗偏小3.0 mm，绿叶数和总叶数分别少2.8、1.0张，含糖量偏小1.78百分点，茎节数少0.5节，单位面积鲜质量产量偏小36 733 kg/hm2。

综上所述，水分胁迫对甜高粱苗期影响较小，拔节期后影响加大，最终导致产量大幅降低。河西走廊荒漠开发区具有日照充足、气温日较差大、光热水匹配较好的气候特点，且有大片需开发的沙荒地，适合甜高粱产业发展。对不能保证灌溉的区域，可以作为青绿饲料进行2茬刈割，头茬在拔节期株高150 cm左右时收割，留茬高度10 cm左右；第2茬在9月中旬至下旬早霜来临之前收获。