覆膜方式与灌水量对滴灌甜菜叶丛生长及光合特性的影响

林 明，鲁伟丹，陈友强，刘华君，潘竟海，阿不都卡地尔·库尔班，周远航，王志敏

(1．中国农业大学农学院，北京 100193；
2．新疆农业科学院经济作物研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；
3. 新疆农业科学院玛纳斯农业试验站，新疆 昌吉 832299)

甜菜是最主要的糖料作物之一，甜菜糖约占世界糖产量的2/5，是制糖工业主要原料之一，在我国的种植面积较大[1-3]。甜菜根系发达，生长周期较长，全生育期耗水量大，水分成为了制约甜菜产量形成的重要因素之一[4-5]，而大规模种植甜菜的甜菜产区大部分位于干旱或半干旱地区，年降雨量较少且分布不均匀，水资源较为匮乏。因此需要通过科学合理的节水灌溉技术使有限的水资源得到合理利用，从而使干旱或半干旱地区甜菜种植形成节水高效、优质高产的栽培模式。

前人对于不同覆膜方式或不同灌水量对作物生长发育的影响颇有研究：李智[6]研究发现膜下滴灌条件下甜菜叶面积指数同样随灌水量的减少而降低，且水分不仅影响作物的丛高、叶面积指数等生长指标，同时还会影响作物的光合生理指标，如净光合速率、蒸腾速率、气孔导度等。李升东等[7]研究表明随着灌水量的增加，小麦旗叶光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度也增加；
蒸腾速率与供水量呈显著正相关；
蒸腾速率、净光合速率和水分利用效率之间相关关系同样达到显著水平。在一定范围内，灌水量越高，甜菜生长越旺盛，光合速率越高。缺水会造成甜菜群体光合作用受到抑制，光合能力减弱，净光合强度降低[8-10]。董心久等[11]提出膜下滴灌甜菜灌水量控制在5 400 m3·hm-2左右，既利于甜菜产量的形成和糖分积累，又可以提高水分利用率，改善土壤水热状况、增加土壤微生物活性等，起到提升农业系统生产力的作用。另外，覆膜可以改善光照条件、抑制杂草生长，有效提高作物保苗率，缩短作物的生育期[12-14]，从而使作物产量提高。因此地膜覆盖是干旱半干旱地区作物高产的关键栽培技术措施之一。吴常顺等[15]研究结果表明，覆膜处理与不覆膜处理相比，甜菜含糖率和产量均明显增加，显著提高了经济效益。高卫时等[16]研究提出单膜和双膜覆盖处理下甜菜的块根产量和含糖率较不覆膜甜菜均有不同程度增加，其中双膜覆盖比单膜覆盖温度波动幅度更小，更有利于作物的生长。以往研究大多侧重于单因素如不同覆膜方式或不同灌水量对甜菜生长造成的影响，不同覆膜方式与不同灌水量相结合对甜菜生长影响的研究有限，因此本研究旨在探讨不同覆膜方式与不同灌水量共同作用对甜菜生长可能造成的影响，以期探寻出最适宜干旱半干旱地区甜菜节水灌溉的方式。

根的初生皮层脱落至叶丛增长量达到最高值时，称为叶丛快速生长期。此期为出苗后35～70 d，是甜菜水分敏感期。叶丛生长期不仅是甜菜的水分敏感期还是甜菜需水量较大的时期且叶丛生长期是甜菜叶片数增多、丛高增长的重要时期，而叶片是光合作用的主要器官，对产量的贡献较大；
叶丛的生长对甜菜产量和糖分积累也有重要的作用；
叶丛生长期甜菜生长状态可以直观说明不同覆膜方式及灌水量对甜菜生长造成的影响[17-20]。因此本研究侧重于探讨覆膜方式与灌水量互作对甜菜水分敏感期，即叶丛生长期生长发育及光合特性的影响，以此为干旱半干旱地区甜菜节水灌溉提供理论依据。

1.1 试验材料

试验所用甜菜品种为美国Beta公司生产的E型丸衣化单胚种‘Beta379’；
滴灌带为新疆天业节水灌溉股份有限公司生产的迷宫式滴灌带；
地膜为新疆维吾尔自治区昌吉市新昌塑地膜厂生产，规格为80 cm(宽)×0.01 mm(厚)。

1.2 试验区自然条件

试验于2020年在新疆农业科学院安宁渠试验场(43°77′N，87°17′E)开展。当地年平均气温5℃～7℃，冬季平均气温-11.9℃，极端最低气温-30℃，最大冻土层79 cm，年降水量150～200 mm，蒸发量1600～2 200 mm，属于干旱半干旱荒漠气候带农业区。

试验地土壤类型为灰漠土，质地为砂壤，前茬作物玉米。土壤基础理化性质如下：速效氮66.9 mg·kg-1，速效磷11.1 mg·kg-1，速效钾205 mg·kg-1。

1.3 试验设计

本试验为双因素试验，设不覆膜(N)、覆单膜(T)、覆双膜(D)3种覆膜方式(M)，双管配置，灌水量以全生育期灌水量5 700 m3·hm-2(W1)为最高处理，然后再分别设置4 200 m3·hm-2(W2)、2 700 m3·hm-2(W3)两个灌水量处理(W)，每个处理3次重复，共9个处理，随机区组排列。小区面积为10 m×2 m=20 m2,一膜双行双管配置；
行距为50 cm，株距为18 cm。各处理采用水表控制灌溉量，表1为叶丛期灌水时间及灌水量表。甜菜种植时间为2020年4月28日—2020年10月2日；
甜菜营养生长周期分为苗期、叶丛生长期、块根增长期、糖分积累期4个时期，表2为甜菜生育时期划分表。试验所用化肥为：尿素(N46%)、磷酸一铵(N≥12%，P2O5≥61%)、硫酸钾(K2O≥50%)。其余间苗、定苗、中耕等田间管理措施参照当地大田常规管理方法，各处理保持一致。

表1 甜菜叶丛期灌水时间及灌水量表/(m3·hm-2)

表2 甜菜生育时期划分表

1.4 测定指标与方法

甜菜倒4叶面积：在叶丛快速生长期，对各小区选取5个代表性植株测倒4叶面积，用CI-202叶面积仪(CID生物科学有限公司，美国)进行测定。

植株干物质积累量：在叶丛快速生长期，对每处理选取长势一致的甜菜5株，带回实验室将植株分为叶片、茎和根，称重并用软尺测量甜菜根围，分别装袋置于105℃烘箱中杀青30 min，80℃烘至恒重，电子天平称重(精准度为0.001 g，美乐MTS300D,慈溪市华徐衡器实业有限公司)。

光合特性：在甜菜叶丛生长期，于晴朗无云的一天(6月15日)，在10∶00—12∶00之间，各处理选取3株长势一致的植株，每株选取倒4叶叶片用CIRAS-3便携式光合仪(PP systems，美国)在田间测定各处理甜菜叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)。

其他生长指标：叶丛快速生长期，对每处理选取长势一致的甜菜5株，每隔1 d记录甜菜叶片数，同时用直尺测量甜菜叶丛高度。

2.1 不同覆膜方式与灌水量对甜菜生长的影响

由表3可以看出，不同覆膜方式与灌水量均对甜菜生长存在显著影响；
甜菜各项生长指标均随灌水量的增加而增加，且覆膜处理同样较不覆膜处理显著提高甜菜各项生长指标。在相同覆膜方式下，根围、单根质量、叶面积均随灌水量的减少呈降低趋势，其中W3处理根围、单根质量、叶面积分别平均较W1处理显著降低18.18%、22.66%、15.12%(P<0.05)；
较W2处理显著降低11.06%、15.13%、7.6%(P<0.05)；
相同灌水量处理下，甜菜根围、单根质量、叶面积均表现为D>T>N；
不覆膜处理下，根围、单根质量、叶面积平均分别较覆单膜处理显著降低7.72%、10.46%、11.78%(P<0.05)；
覆双膜处理较单膜处理显著增加3.13%、6.22%、8.71%(P<0.05)；
覆双膜处理较不覆膜处理根围、单根质量、叶面积平均分别增加11.08%、17.33%、21.52%，存在显著性差异(P<0.05)。不同覆膜方式与不同灌水量互作对甜菜生长影响不显著(P>0.05)。

表3 不同覆膜方式与灌水量对甜菜生长的影响

2.2 不同覆膜方式与灌水量对甜菜丛高、叶片数的影响

图1为叶丛生长期甜菜丛高生长动态图，由图1与表4可以看出叶丛生长期初期各处理间不存在显著性差异，后期灌水量与覆膜均显著影响甜菜丛高。其中NW2与NW3处理生长缓慢，后期显著低于DW1与DW2处理(P<0.05)，DW1、DW2与TW1、TW2间不存在显著性差异(P>0.05)。不同覆膜方式间比较，甜菜丛高整体表现为N处理显著低于D处理(P<0.05)，而D处理与T处理间不存在显著性差异(P>0.05)，其中D处理与T处理平均分别较N处理显著增加7.56%与4.22%(P<0.05);不同灌水量间比较，甜菜丛高整体表现为：W1处理与W2处理间不存在显著性差异(P>0.05)，但均显著高于W3处理(P<0.05)；
W1处理与W2处理平均分别较W3处理显著增加7.27%与3.95%(P<0.05)。

图1 不同覆膜方式与灌水量对甜菜丛高的影响Fig.1 Effects of film mulching methods and irrigation amount on plant height of sugar beet

由图2与表4可以看出，灌水量显著影响甜菜叶片数，灌水量较高时，甜菜叶片数增长迅速，反之增长缓慢且枯萎脱落甜菜叶的数量增加。覆膜方式对甜菜叶片数的影响不存在显著差异(P>0.05)，覆膜与灌水量的交互作用同样对甜菜叶片数影响较小(P>0.05)。在叶丛生长期前期，各处理间甜菜叶片数不存在显著性差异，后期表现为DW3、TW3、NW2、NW3处理显著低于DW1与TW1处理(P<0.05)，其余处理间并不存在显著性差异(P>0.05)。在叶丛生长期后期(7月13日至7月23日)D处理与T处理分别平均较N处理显著增加6.19%与3.87%(P<0.05)；
W1处理与W2处理分别较W3处理显著增加7.94%与5.00%(P<0.05)。

图2 不同覆膜方式与灌水量对甜菜叶片数的影响Fig.2 Effects of film mulching methods and irrigation amount on the number of sugar beet leaves

表4 覆膜方式、灌水量及其交互作用对甜菜丛高、叶片数影响的F值

2.3 不同覆膜方式与灌水量对甜菜光合特性的影响

由表5可以看出，不同覆膜方式显著影响甜菜胞间CO2浓度、气孔导度、净光合速率以及蒸腾速率；
其中覆双膜处理可以有效减少田间土壤水分蒸发，为甜菜光合作用提供良好的土壤环境，双膜(D)处理气孔导度、净光合速率以及蒸腾速率分别较不覆膜(N)处理平均显著增加65.66%、16.26%、64.83%(P<0.05)。不覆膜(N)处理下甜菜胞间CO2浓度较覆双膜处理平均显著高18.34%(P<0.05)。不同灌水量同样对甜菜光合作用造成显著影响；
W1处理下甜菜气孔导度、净光合速率以及蒸腾速率平均分别较W2处理增加3.53%、12.73%、12.83%；
W1处理下甜菜气孔导度、净光合速率以及蒸腾速率分别平均较W3处理增加6.56%、27.39%、26.38%。而W1处理胞间CO2浓度分别较W2与W3处理显著降低8.72%和20.54%(P<0.05)。

表5 不同覆膜方式与灌水量对甜菜光合特性的影响/(μmol·m-2·s-1)

2.4 不同覆膜方式与灌水量对甜菜干物质积累量的影响

由表6与图3可以看出，不同覆膜方式与灌水量均显著影响甜菜干物质积累，不覆膜处理下，W3处理的甜菜干物质积累显著低于W1与W2处理，各灌水量间干物质积累表现为：W1>W2>W3；
覆单膜处理下，W1处理W2处理间不存在显著性差异(P>0.05)，但均显著高于W3处理(P<0.05)，W1处理块根和茎叶干物质积累量平均分别较W3处理高16.27%与14.95%。双膜处理中，W1处理与W2处理同样不存在显著性差异(P>0.05)，分别较W3处理甜菜块根干物质积累量显著高9.69%与8.47%(P<0.05)。在同一灌水量处理下，D处理甜菜干物质积累略高于T处理，不存在显著性差异(P>0.05)，但均显著高于N处理(P<0.05)；
N处理块根干物质积累量平均较T处理与D处理降低13.98%与18.49%，D处理块根干物质积累量较T处理增加3.96%；
N处理茎叶干物质积累量平均较T处理与D处理降低16.23%与21.17%。不同覆膜方式与不同灌水量互作对甜菜块根干物质积累量不存在显著影响(P>0.05)，但显著影响茎叶干物质积累(P<0.05)。

注：同行各柱间不同小写字母表示甜菜不同部位处理间差异显著(P<0.05)。Note: Different lowercase letters between the columns of the same line indicate that there are significant differences between treatments in different parts of sugar beet (P<0.05).

表6 覆膜方式、灌水量及其交互作用对 甜菜干物质积累影响的F值

2.5 甜菜生长、光合特性与干物质积累量的相关性分析

由表7可以看出，甜菜生长发育指标、光合特性指标以及干物质积累量间存在显著的相关性。丛高与叶片数间存在显著正相关关系(P<0.05)，根围与单根质量、根干物质、叶面积、净光合速率、蒸腾速率呈极显著正相关关系(P<0.01)，单根质量、叶面积、净光合速率、蒸腾速率以及根、茎干物质量之间同样存在极显著正相关关系;而胞间CO2浓度与其他光合指标以及生长发育指标均呈负相关关系，且除与丛高和叶片数之间差异不显著外，与其余指标间均呈极显著负相关关系。气孔导度与蒸腾速率以及根茎干物质之间均呈极显著正相关关系(P<0.01)；
叶片蒸腾速率与根茎干物质间同样存在极显著正相关关系(P<0.01)。

表7 甜菜生长、光合特性与干物质积累的相关性分析

3.1 不同覆膜方式与灌水量对甜菜生长的影响

本研究发现，覆膜方式与灌水量均显著影响甜菜叶面积，覆膜方式与灌水量的交互作用对其不存在显著影响。叶片是光合作用的主要器官，对产量贡献较大；
叶丛的生长对甜菜产量和糖分积累也有重要作用。本研究发现，覆膜与灌水均显著影响甜菜丛高、叶面积、单根质量以及根围，其中双膜5 700 m3·hm-2灌水处理、双膜4 200 m3·hm-2灌水处理以及单膜5 700 m3·hm-2灌水处理显著优于其他处理。梁哲军、Zhou等[21-22]研究表明，玉米丛高和叶面积指数随灌水量的增加而增加。韩凯虹[23]研究发现灌水量的减少会明显抑制甜菜的丛高、叶片数、叶面积及根粗的生长，这与本研究结果基本一致。高卫时等[16]研究提出不同覆膜处理间植株叶片数无显著性差异，且表明影响甜菜叶片数的因素多为甜菜品种本身；
在本试验中，单膜和双膜覆盖叶丛高度之间无显著性差异，但显著高于不覆膜处理，双膜5 700 m3·hm-2灌水处理与双膜4 200 m3·hm-2灌水处理叶片数显著高于不覆膜2 700 m3·hm-2灌水处理，这可能是由于不覆膜2 700 m3·hm-2灌水处理难以满足甜菜生长所需要的水分，叶片萎蔫脱落造成的。

3.2 不同覆膜方式与灌水量对甜菜光合特性的影响

水分不仅影响作物的生长指标如丛高、叶面积指数等，而且影响作物的光合指标如净光合速率、蒸腾速率和气孔导度等[24]。甜菜营养生长主要靠光合作用制造有机营养物质，在本研究中，双膜处理较单膜处理与不覆膜处理显著增加甜菜净光合速率、蒸腾速率、气孔导度，原因或许是因为双膜处理可以抑制田间水分的无效蒸发，提高土壤含水量和水分利用率，为甜菜光合提供良好的土壤环境。叶片水分是影响气孔导度的主要原因[25]，双膜处理以及5 700 m3·hm-2灌水处理均可增加叶片水分，因此气孔导度显著高于其他处理，Franks等[26]研究发现，蒸腾速率和气孔导度的下降可认为是植物为避免过度失水所进行的自我调节，这与本研究中不覆膜处理以及2 700 m3·hm-2灌水处理蒸腾速率和气孔导度显著低于其他处理的研究结果基本一致。张娜等[27]研究表明，冬小麦叶片光合速率、气孔导度和蒸腾速率均随滴灌量的增加而增加，而胞间CO2浓度随滴灌量增加而减小，这与本研究结果基本一致。而Lin等[28]研究提出：作物遭遇水分胁迫时气孔关闭会导致胞间CO2浓度降低，最终造成植物的净光合速率下降；
因此胞间CO2浓度的高低并不是简单的随灌水量增加而增加或减少的趋势，胞间CO2浓度的高低还取决于不同作物品种与具体灌水量。

3.3 不同覆膜方式与灌水量对甜菜干物质积累的影响

甜菜干物质积累是决定甜菜产量的重要因素，而甜菜的干物质积累与分配受到土壤水分条件的影响，较好的水分条件有利于甜菜的干物质积累，增加甜菜的生物产量[29]。因此充足的灌水量可以显著提高甜菜干物质积累量，不同覆膜方式以及不同灌水量均对甜菜干物质积累存在显著性影响，不同灌水量与不同覆膜方式的交互作用对甜菜块根干物质积累量不存在显著性影响，但显著影响甜菜茎叶干物质积累。在本研究中，覆单膜5 700 m3·hm-2灌水处理、4 200 m3·hm-2灌水处理以及覆双膜5 700 m3·hm-2灌水处理、4 200 m3·hm-2灌水处理的干物质积累量间不存在显著性差异但均较其他处理显著增加甜菜干物质积累量，其中双膜4 200 m3·hm-2灌水处理、单膜4 200 m3·hm-2灌水处理与单膜5 700 m3·hm-2灌水处理、双膜5 700 m3·hm-2灌水处理在甜菜干物质积累方面不存在显著性差异，而覆单膜处理的根干物质积累较覆双膜处理的根干物质积累量略有降低，但不存在显著性差异。

灌水与覆膜均显著影响甜菜生长发育、光合特性以及干物质积累，在相同覆膜方式下，5 700 m3·hm-2灌水处理以及4 200 m3·hm-2灌水处理显著优于2 700 m3·hm-2灌水处理；
覆双膜处理较其他处理可以有效减少田间水分蒸发，为甜菜生长发育提供良好的土壤环境。其中覆双膜4 200 m3·hm-2灌水处理与覆双膜5 700 m3·hm-2灌水处理、覆单膜5 700 m3·hm-2灌水处理在甜菜生长发育、光合特性以及干物质积累方面不存在显著差异，但均显著优于其他覆膜与灌水处理；
双膜4 200 m3·hm-2灌水处理在甜菜叶面积、根围、丛高以及单根质量方面分别较其他覆膜与灌水处理平均分别高12.65%、12.96%、3.93%以及9.93%，因此双膜4 200 m3·hm-2灌水处理可以在减少灌水的前提下，保证甜菜正常生长发育，达到甜菜节水稳产甚至增产的目的，为甜菜高产优质高效节水奠定了良好的基础。