土壤干湿交替对玉米耗水特性及水分利用的影响

第38卷第3期2001年8月

土 壤 学 报

ACTAPEDOLOGICASINICA

Vol.38,No.3 Aug.,2001

土壤干湿交替对玉米耗水特性

及水分利用的影响*

梁宗锁1 康绍忠1,2 邵明安1 张建华3

(1中国科学院水利部,水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨陵 712100)

(2西北农林科技大学农业水工工程研究所,陕西杨陵 712100)

(3香港浸会大学生物系,香港九龙塘)

EFFECTOFWETTINGANDDRYINGCYCLEOFSOILONCONSUMPTION

CHARACTEROFWATERBYMAIZE

LiangZong-suo1,2 KangShao-zhong1,2 ShaoMing-an1 ZhangJian-hua3

(1StatekeyLaboratoryofSoilErosionandDryLandontheLoessPlateau,Yangling,Shaanxi712100)

(2InstituteofAgriculturalSoilandWaterEngineering,NorthwestScienceandTechnologyUniversityofAgricultureandForestry,Yangling,Shaanxi712100)

(3HongkongBaptistUniversity,KohloonTong,HongKong)

关键词 土壤干旱,耗水特性,玉米 中图分类号 S513

旱地农业与灌溉农业中作物经常面临的土壤干旱与湿润交替变化是实际田间环境[1]。作物在生长发育的不同时期可能会遇上各不相同的土壤缺水胁迫,这些不同胁迫

会对作物诱导出适应性的生理反应和伤害性影响[2,3],对此进行研究和认识,可以在节水灌溉中控制作物生长发育不同阶段土壤水分来调节作物生理过程,避免伤害性变化的发生,而促进适应性变化的产生,以改善作物发育后期籽粒形成阶段根系和叶片的功能来提高作物产量、品质和水分利用效率,达到高效、优质的目的。本文主要研究玉米在土壤干湿交替过程中的耗水特性和叶水分状况的关系,探讨提高水分利用效率的机制,为节水农业提供优化供水模式。

1 材料与方法

于1998年在香港浸会大学生物系温室进行,将陕单9号玉米杂交种的种子播入口径16cm,高18cm的生长钵内,内装1.8kg混合土(蛭石、泥炭和沙子按体积7B3B2)混合,加入适量复合肥,在26~30e温室中生长,用高压钠灯做为光源,光合有效辐射(PAR)约为400Lmolm-2s-1。植株供水良好,每钵留两

*国家青年基金(59909007)与国家杰出青年基金(49725102)资助项目收稿日期:2000-01-03;收到修改稿日期:2000-12-25

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棵生长均匀一致的苗子,大约1个月后,待玉米长至3至4叶期开始处理,对照每天加水100ml,处理则停止浇水,使其逐渐干旱,达到处理要求后再行灌水300ml,经过两次复水,即形成干)湿)干)湿)干循环过程。历时22天,每天定时测定各项指标。111 水分指标与耗水量测定

叶水势用3005型压力室测定,渗透势用Wescor5500型蒸汽压力计测定,膨压由叶水势减去渗透势的绝对值计算,相对含水量(RWC)测定参见文献[4],每处理重复测定5片叶子。玉米蒸腾耗水量测算:在加水后用铝泊密闭封盖土面,用感量1/1000g的电子天平每天11:00~13:00称取各处理3盆,计算耗水量(g株-1h-1)。气孔导度与蒸腾速率:用Licor-1600稳态气孔计测定每处理5片叶子。

每天用直尺定植定时测量10株平均计算相对生长速率RGR=1/Lo#dL/dt;Lo为原植株高度,dL/dt为每天增量。生物量取每处理3盆,共6株,105e烘干,求单株平均值(g)。耗水量近似以总加入水量记录值计。总水分利用率=单株生物量/单株耗水量。

2 结果分析

211 土壤干湿交替对玉米水分状况和生长速率的影响

测定结果表明,对照适宜土壤水分条件下,玉米叶水势(Ww)一直在-0.5MPa左右小范围变化,而在干湿交替处理过程中,玉米叶片水势则随土壤水分变化波动较大(表1),第一次干旱过程中,7天后降到-1.5MPa,复水24h后升至-0.5MPa,经第二次干旱1周后降至-1.7MPa,叶水势随干湿交替变化明显。渗透势变化与水势变化趋势相似,但第三次干旱后,渗透势降至-2.0MPa的较低水平,比较RWC与渗透势(Ws)可以看出,渗透势在第一、二次干旱中两者接近,而第三次干旱后RWC较高时(90%左右)Ws已明显降低,证明玉米叶已发生了渗透调节。由Ww和Ws计算的叶片膨压变化趋势也可以看出,同样干旱进程中,第三次干旱中可以维持较高的膨压,而干旱下膨压的维持是叶片生长速率维持的条件。由干旱进程中叶相对生长速率也可以明显的看到经第二次干湿交替后,在第三次干旱中,同样的干旱程度能保持较高的生长速率。RGR与Ww相比较可以看出,随叶水势下降,生长速率下降,第一次干旱生长速率快速下降Ww为-1.2MPa;第二次在-1.3MPa;第三次为-1.4MPa。生长迅速下降的叶水势有随干湿交替次数增加而降低的趋势。证明渗透调节作用的存在,当复水后在同水势下相对生长速率明显高于第一次处理,证明干湿交替诱导的渗透调节能够使玉米维持干旱下的生长。

212 土壤干湿交替对叶片气孔导度和蒸腾速率的影响

由表2可以看出,在对照适宜土壤条件下叶片气孔导度始终维持在190~210mmolm-2s-1,蒸腾速率在3.0mmolm-2s-1左右,而在干湿交替处理过程中,气孔导度有明显变化过程。随叶水势(表1)下降气孔导度和蒸腾速率明显下降;与表1变化相一致,经第一次干旱后,气孔导度降至98mmolms,蒸腾速率降至1.22mmolms,而经复水24h后气孔导度和蒸腾未能升至对照水平,48h后气孔导度才恢复到160mmolm-2s-1,蒸腾速率升至2.46mmolm-2s-1;第二次干旱7天后,气孔导度逐渐降至70mmolm-2s-1,复水后24h升至131mmolm-2s-1;48h后升至147mmolm-2s-1,证明土壤反复干旱后气孔行为有明显后效控制作用,能有效控制复水后的蒸腾速率。

-2

-1

-2

-1

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213 干湿交替对玉米耗水量的影响

由表3可以看出,随干旱加剧(1,3,5天)蒸腾耗水量下降。第一次干旱过程中耗水量高于第二次,而第二次同样干旱条件下高于第三次。在反复干湿交替中,同一天耗水量有明显差异,在处理第3天时,干湿交替第二次过程比第一次降低11.36%,第三次比第二次降低了11.47%,而在第5天分别下降了17.4%和14.7%。一直处于湿润状态的玉米植株耗水量远大于干湿交替处理植株,并随干湿交替处理次数增加,单株蒸腾耗水量有下降趋势,这与气孔导度和蒸腾速率下降有关

干旱过程天数

123

第一次干旱2.7501.8301.245

[5,6]

。

第三次干旱2.2251.4360.873

对照一直湿润

2.9803.0213.173

表3 干湿交替对玉米蒸腾耗水量的影响(g株-1h-1)

第二次干旱2.4061.6221.023

214 土壤干湿交替对玉米生长量及总水分利用效率的影响

由表4可以看出土壤充分湿润条件下的玉米单株耗水量明显高于干湿交替处理,而生物量也有所下降,但每kg水生产干物质g数所表示的水分利用率则明显提高,根苗比明显增大,这不仅有利于提高用水效率,并且能为后期籽粒形成发育一个良好的根系。

表4 土壤干湿交替对玉米生长量及总水分利用率的影响

项目

平均单株总耗水量(ml)

地上部(g)

平均单株生物量(g)

根 部(g)总 量(g)

根冠比

水分利用效率(gkg-1)

对照210011.252.7514.000.246.67

干湿交替处理

14508.702.3011.000.267.59

3 结论

经实验证明,玉米在3至4叶期历经土壤水分缓慢亏缺,再行复水的干湿交替后,玉米的渗透调节能力增强,有利于膨压保持,维持干旱下的生长,使生长速率快速下降的水势阈值下降;在复水后同水势下的生长速率增加,证明干湿交替引起的渗透调节能够维持干旱条件下玉米的生长速率;干湿交替使生物量有所下降,但大幅度降低了耗水量,使水分利用效率明显提高,耗水量的下降主要是由于气孔导度下降,蒸腾速率降低。再行复水过程中,生长速率得到恢复,而气孔蒸腾始终不能恢复到对照水平,表现出后效作用;同时干湿交替能够使根苗比增大。这些变化对玉米生长后期籽粒的形成耐旱性的提高和灌浆速率的维持有重要作用。这些结论的获得可以为节水灌溉提供指导,通过人为控制不同生育时期的供水量和供水时间,形成干湿交替过程,促进作物渗透调节和补偿效应,以发挥作物自身潜力,实现高产、高效、优质的目的。

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参 考 文 献

1. 邵明安,梁宗锁.节水农业中的土壤学问题.西北农业学报,1999,8(6):6~11

2. 山仑,邓西平,苏佩等.挖掘作物抗旱节水潜力)))作物对多变低水环境的适应与调节.中国农业科技导报,

2000,2(2):16~70

3. 邓西平,山仑.旱地春小麦对有限灌溉水高效利用的研究.干旱地区农业研究,1995,13(3):42~454. 高俊风主编.植物生理实验技术.西安:世界图书出版公司,2000.57~715. KramerPJ.WaterRelationsofPlant,NewYork:AcademicPress,19836. JonesHG.PlantsandMicroclimate.UniversityPress.Cambridge,1992