兰州地区草地早熟禾水分最优调亏灌溉模式
张琼1, 马莉1, 谢晓蓉2, 卢建男1, 贾儒康1, 刘金荣1
1.兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州 730020
2.甘肃中医药大学,甘肃 兰州 730020
通信作者:刘金荣(1967-),男,甘肃张掖人,教授,博士,主要从事逆境生理生态研究。E-mail: liujinr@lzu.edu.cn

第一作者:张琼(1990-),女,甘肃会宁人,在读硕士生,主要从事草学研究。E-mail:zhangq15@lzu.edu.cn

摘要

草地早熟禾( Poa pratensis)在北方城市园林绿化中应用广泛,干旱是限制其生长的主要因子,但冷季型草坪草在经受适度干旱胁迫再复水后普遍存在着补偿或激发效应。因此,研究草地早熟禾在兰州地区的调亏灌溉方法意义重大。本研究以兰州地区绿化常用的冷季型草坪草草地早熟禾为研究对象,使其在春、夏、秋三季的灌水量从对照下降到各处理的灌溉下限后复水至对照,每个季节至少经历3次“干旱胁迫-复水”的循环过程。通过田间试验测定不同程度干旱胁迫以及复水处理条件(对照灌溉下限:70%~80% FWC,处理Ⅰ:65%~56% FWC,处理Ⅱ:55%~46% FWC,处理Ⅱ:45%~36% FWC,处理Ⅳ:35%~26% FWC,处理Ⅴ:25%~16% FWC,FWC为田间持水量)下其在各生长季节的蒸散量、草坪质量、生理指标,分析草地早熟禾在该地区的耗水规律,以确定不同季节最适宜的灌水量,从而为节水灌溉提供理论支持。结果表明,春秋季,处理Ⅰ对草地早熟禾的各指标无影响,处理Ⅱ和处理Ⅲ使其各指标产生显著变化,而处理Ⅳ和处理Ⅴ使其各指标的变化程度进一步增大;夏季,处理Ⅱ对草地早熟禾产生显著影响,但复水后各指标可完全恢复,而其它处理使其各指标变化程度更大,复水后很难完全恢复。因此,兰州地区适合于草地早熟禾的最低灌溉下限:春季和秋季为40% FWC,夏季为50% FWC。

关键词: 调亏灌溉; 兰州地区; 草地早熟禾; 生长特性; 生理特性
中图分类号:S543+.907 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2017)05-0997-11 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0305
Optimized regulated deficit irrigation of Kentucky bluegrass in Lanzhou
Zhang Qiong1, Ma Li1, Xie Xiao-rong2, Lu Jian-nan1, Jia Ru-kang1, Liu Jin-rong1
1.College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China
2.Gansu College Traditional Chinese Medicine, Lanzhou 730020, China
Corresponding author: Liu Jin-rong E-mail:liujinr@lzu.edu.cn
Abstract

Kentucky bluegrass ( Poa pratensis) is widely used as the turfgrass for city landscaping in the north of China, and drought is the main factor limiting the growth of turfgrass. Typically, plants exhibit a compensation or growth stimulating effect after drought and re-watering. Therefore, study on regulated deficit irrigation methods of Kentucky bluegrass in Lanzhou is very important. In this study, we conducted repetitive treatments of ‘drought-rewatering-drought-rewatering’ during the growth season of Kentucky bluegrass, which is widely planted in Lanzhou. We analysed the evapotranspiration, turf quality, physiological index, and water consumption pattern of the turfgass during different seasons to determine the optimum irrigation. The following treatments were performed: control, 70%-80% field water holding capacity (FWC); treatment Ⅰ, 65%~56% FWC; treatment Ⅱ, 55%~46% FWC; treatment Ⅲ, 45%~36% FWC; treatment Ⅳ, 35%~26% FWC; treatment Ⅴ, 25%~16% FWC. The results showed that during spring and autumn, the treatment Ⅰ had no significant effect on the analysed indexes of Kentucky bluegrass, whereas the treatments Ⅱ and Ⅲ significantly changed all indexes, and the treatments Ⅳ and Ⅴ resulted in increases of all indexes. The treatment Ⅱ had significant effects on the analysed indexes of Kentucky bluegrass during summer, but complete recovery was noted after rewatering, while in the other treatments, the indexes were more greatly altered and complete recovery was difficult even after rewatering. Therefore, the minimum irrigation limit for Kentucky bluegrass grown in Lanzhou is 40% FWC in spring and autumn and 50% FWC in summer.

Keyword: regulated deficit irrigation; Lanzhou; Kentucky bluegrass ( Poa pratensis); growth characteristics; physiological characteristic

水是人类生产生活最重要的资源, 具有不可再生性。地球的水储量约为1.386× 1010亿m3, 但能被人类所利用的水资源仅占0.007%。西北地区水资源占我国的8%, 兰州地处西北干旱区, 全市可利用的水资源总量约为1.59亿m3, 人均占有量仅为742 m3, 不到国际人均水平1 800 m3的一半[1]

城市建设中, 草坪种植的面积较大, 灌溉草坪所使用的水量很大, 导致城市绿地用水与人们生产及日常生活用水之间的矛盾日益凸显。因此, 在提倡生态文明和注重环境保护的今天, 草坪的节水灌溉问题逐渐被更多的人所关注[2]。调亏灌溉就是一种很好的节水灌溉措施。但我国关于草坪的调亏灌溉研究还甚少, 较其它国家相对滞后。如果调亏灌溉的时期和程度控制不到位, 反而会对草坪产生严重干旱胁迫, 使草坪草的生长不可恢复甚至导致死亡[3, 4]。而适时适度的干旱不会使植物致死, 复水后细胞内参与生理生化反应的物质能有所恢复, 各种代谢活动就能基本恢复到正常水平[5, 6]。草坪草在自然界的生长状况会经历若干次“ 干旱-复水” 的过程, 且遭受干旱胁迫的时间和程度都不尽相同。本研究以兰州地区绿化常用的冷季型草坪草草地早熟禾(Poa pratensis)品种肯塔基(Kentucky)为研究对象, 测定不同程度干旱胁迫以及复水处理条件下其在各生长季节的蒸散量、草坪质量、生理指标, 分析草地早熟禾在该地区的耗水规律, 以确定不同季节最适宜的灌水量, 从而为兰州地区的节水灌溉提供理论支持。

1 材料与方法
1.1 试验地概况

试验于2015年8月至2016年10月在兰州市永登县上川镇草坪种植基地进行(37° 07' N, 103° 06' E, 海拔1 800-2 200 m)。该区地处北温带干旱区, 属大陆季风性气候, 年均温5 ℃左右, 年均降水量231 mm, 年日照时数1 709.2 h, 年均风速2.3 m· s-1, 无霜期126 d, 年均太阳辐射量4.893× 106 kJ· cm-2。气候干燥, 年蒸发量高达1 879.9 mm, 为降水量的6.5倍。土壤为黄绵土, 质地沙壤, pH 7.48, 有机质含量0.698%, 全氮0.056%, 碱解氮34.24 mg· kg-1, 速效钾145.32 mg· kg-1, 全磷0.071%, 速效磷5.12 mg· kg-1。0-40 cm土层的土壤容重和田间持水量分别约为1.45 g· cm-3和24.3%。

1.2 试验材料

试验选择广泛用于半干旱地区的冷季型草坪草种草地早熟禾品种肯塔基, 由北京绿冠集团提供。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 试验采用完全随机区组设计, 设6个灌溉下限处理水平, 分别为对照(CK):70%~80%田间持水量(FWC); 处理Ⅰ : 65%~56% FWC; 处理Ⅱ :55%~46% FWC; 处理Ⅲ :45%~36% FWC; 处理Ⅳ :35%~26% FWC; 处理Ⅴ :25%~16% FWC。每个处理重复3次, 每个处理为半径1.0 m的圆形地块, 在每一地块中心埋设1个蒸散仪(直径10 cm、高40 cm的PVC管, 底部用纱网封住, 管内所装土与处理小区内相一致), 用以测定小区蒸散量。小区间隔1 m, 周围设置60 cm深的厚塑料膜用以防渗, 下雨时人工覆盖遮雨布, 用以遮挡试验区的自然降水。

1.3.2 灌溉方式和灌溉方案 每一圆形处理区中心设地埋伸缩式喷头进行喷灌(工作压力0.22 MPa, 射程1.0 m), 旋转角度360° , 灌溉量由水表精确控制。

试验处理前保证所有试验小区40 cm以上土层的平均土壤相对含水量保持在田间持水量(FWC)的(80%± 2%)(上限), 试验进行后, 使CK的土壤相对含水量保持开始状态不变, 而其它处理不再灌水, 直至降到各自的灌溉下限时再行灌水, 使土壤相对含水量达到(80%± 2%)FWC左右, 然后继续干旱, 在整个生长季(从春季到秋季)保持至少3次“ 干旱胁迫-复水” 的循环过程。

各处理由下限到上限的灌水量(I)根据公式:

I=(0.80-X)× Xf× H× S× R 计算获得。

式中:X为土壤相对含水量下限; Xf为田间持水量; H为土层深度; S为小区面积; R为土壤容重。

1.3.3 草坪种植和日常管理 草坪种植:种植时间为2015年8月19日, 播量为15 g· m-2

施肥:春季施足底肥, 夏秋季各施一次N∶ P∶ K(26∶ 4∶ 12)草坪专用缓释肥, 施肥量为21 g· m-2

修剪:日常修剪频率为每10 d修剪一次, 留茬高度7 cm。试验开始的前一天进行一次修剪, 留茬高度为7 cm, 试验期间不再修剪, 待每一季试验结束后, 再恢复日常的修剪方式。

杂草清除:人工拔除。

1.4 测定指标与方法

春(5月12日-31日)、夏(7月13日-8日2日)、秋(9月6日-30日)每个季节草地早熟禾至少经历3次从干旱到复水的过程, 每天08:00测蒸散量(蒸散仪称重法[7])、土壤相对含水量(Diviner土壤水分仪测定[8])。当各处理土壤相对含水量从上限降到相应的下限时分别测定一次草坪质量(用数码相机呈像和Sigma Scan Pro软件扫描法分析, 得分为0~100)[9, 10]、叶片相对电导率(电导法)[11]、叶片相对含水量(称重烘干法)[12]、叶绿素含量(丙酮乙醇混合液浸提法)[13, 14]

1.5 数据处理

应用SPSS 22.0软件对土壤相对含水量、蒸散量、草坪质量、电导率、叶片相对含水量、叶绿素含量进行方差分析和多重比较, 用Excel和SigmaPlot 10.0 软件制图。

2 结果与分析
2.1 调亏灌溉对土壤相对含水量的影响

春夏两季, 处理Ⅲ 和处理Ⅳ 土壤相对含水量(relative soil water content, RSWC)随胁迫程度的增大下降越缓慢(图1); 秋季随着胁迫程度的加大土壤相对含水量缓慢下降。处理Ⅰ 、处理Ⅱ 和处理Ⅲ 条件下RSWC变化规律性并不强。3个季节各处理下的RSWC与对照之间差异均显著(P< 0.05)。

图1 调亏灌溉对草地早熟禾草坪土壤相对含水量(RSWC)的影响Fig. 1 Effect of different regulated deficit irrigation treatments on relative soil water content of Kentucky bluegrass

2.2 调亏灌溉对草地早熟禾蒸散量的影响

各处理的蒸散量(evapotranspiration, ET)总体上随RSWC的减小呈下降的趋势(图2)。春秋季, 对照、处理Ⅰ 、处理Ⅱ 和处理Ⅲ 的ET变化规律不明显, 而在处理Ⅳ 、Ⅴ 的ET呈现随灌水量的减少而减小的规律; 灌溉下限到达处理Ⅰ 、处理Ⅱ 、处理Ⅲ 时的ET与对照无显著差异(P> 0.05), 而处理Ⅳ 和处理Ⅴ 显著低于对照(P< 0.05)。夏季ET从处理Ⅲ 开始随灌溉下限的降低蒸散量减少; 在处理Ⅰ 和处理Ⅱ 的土壤含水量达到灌溉下限时的ET与对照之间差异不显著(P> 0.05), 处理Ⅲ 、处理Ⅳ 、处理Ⅴ 条件下ET显著小于对照(P< 0.05)。总体来看, 在灌水充足的情况下, 夏季的ET最大, 秋季最小。

图2 调亏灌溉对草地早熟禾蒸散量的影响Fig. 2 Effects of different regulated deficit irrigation treatments on evapotranspiration of Kentucky bluegrass

2.3 调亏灌溉对草地早熟禾草坪质量(TQ)的影响

春秋季, 处理Ⅰ 和处理Ⅱ 对TQ的影响不大, 处理Ⅲ 、处理Ⅳ 、处理Ⅴ 条件下的干旱使TQ下降; 第一亏水阶段结束后复水, 处理Ⅲ 、处理Ⅳ 的 TQ可迅速恢复至对照水平; 第二、三亏水阶段, 处理Ⅳ 、处理Ⅴ 的TQ能基本恢复, 但显著低于对照(P< 0.05)。夏季复水TQ在处理Ⅰ 和处理Ⅱ 条件下均在78以上, 当RSWC到达处理Ⅲ 、处理Ⅳ 、处理Ⅴ 灌溉下限时, TQ均较对照显著下降(P< 0.05), 且复水后3个处理的TQ虽得以恢复但仍显著低于对照(P< 0.05)。

图3 调亏灌溉对草地早熟禾草坪质量的影响
注:* 表示同一测定时间处理与对照间差异显著(P< 0.05)。下同。
Fig. 3 Effects of different regulated deficit irrigation treatments on turf quality of Kentucky bluegrass
Note:* within the same date indicate significant difference at the 0.05 level; similary for the following figures.

2.4 调亏灌溉对草地早熟禾生理特性的影响

2.4.1 调亏灌溉对草地早熟禾叶片相对含水量(RLWC)的影响 3个季节对照和处理Ⅰ 的RLWC都保持在80%以上的较高水平, 处理Ⅱ 和处理Ⅲ 的RLWC随着RSWC降低而降低且与对照差异显著(P< 0.05)(图4)。春秋季达到处理Ⅱ 、处理Ⅲ 灌溉下限后复水, RLWC都能迅速恢复到对照水平; 夏季达到处理Ⅱ 灌溉下限后复水, RLWC能恢复到对照水平, 处理Ⅲ 的前两个阶段可以恢复, 之后不能。3个季节在处理Ⅳ 、处理Ⅴ 每个亏水阶段复水后RLWC有所恢复, 但仍显著低于对照(P< 0.05)。

图4 调亏灌溉对草地早熟禾叶片相对含水量的影响Fig. 4 Effect of different regulated deficit irrigation treatments on leaf relative water content of Kentucky bluegrass

2.4.2 调亏灌溉对草地早熟禾叶片电导率(EL)的影响 春秋季, 处理Ⅰ 和处理Ⅱ 的 EL较低且受RSWC的影响不大, 处理Ⅲ 、处理Ⅳ 、处理Ⅴ 条件下EL随RSWC的降低而增大, 且显著高于对照(P< 0.05), 处理Ⅴ 的每个亏水阶段结束后复水EL都可迅速恢复到对照水平, 到达处理Ⅳ 、处理Ⅴ 达到灌溉下限后复水, EL仍显著高于对照(P< 0.05)。夏季在处理Ⅰ 条件下EL维持较低的水平, 其它4个处理条件下随着RSWC的降低EL增高, 且显著高于对照(P< 0.05), 处理Ⅱ 的每个亏水阶段结束后复水, EL都可迅速恢复到对照水平, 处理Ⅲ 、处理Ⅳ 的第一亏水阶段结束后复水, EL能完全恢复至对照水平, 之后亏水阶段和处理Ⅴ 的每个亏水阶段结束后复水, EL有一定程度的降低, 但仍显著高于对照(P< 0.05)。

图5 调亏灌溉对草地早熟禾相对电导率的影响Fig. 5 Effect of different regulated deficit irrigation treatments on relative conductivity of Kentucky bluegrass

2.4.3 调亏灌溉对草地早熟禾叶绿素含量(Chl)的影响 春夏秋三季, 处理Ⅳ 、处理Ⅴ 条件下的每一个亏水阶段内Chl基本呈先上升后下降的趋势(图6)。春季在处理Ⅰ 条件下Chl基本无变化; 处理Ⅱ 、处理Ⅲ 条件下Chl较对照显著上升(P< 0.05); 在处理Ⅳ 条件下 Chl降至对照水平, 复水后略高于对照, 差异不显著(P> 0.05); 在处理Ⅴ 达到灌溉下限时Chl降为对照的90%左右, 复水后Chl能重新恢复到对照水平。夏季, 在处理Ⅰ 条件下Chl基本无变化; 当RSWC达到处理Ⅱ 、处理Ⅲ 灌溉下限时, Chl均显著上升至对照的112.8%和123.5%(P< 0.05); 在处理Ⅳ 的每一亏水阶段结束时, Chl均显著低于(P< 0.05)对照, 复水后可恢复至对照水平; 在处理Ⅴ 灌溉下限时Chl降低, 复水后Chl能重新恢复到对照水平。秋季, 在处理Ⅰ 和处理Ⅱ 草地早熟禾的Chl基本无变化; 当RSWC达到处理Ⅲ 灌溉下限时, Chl上升至对照的128%, 与对照差异显著(P< 0.05); 在处理Ⅳ 的每一亏水阶段结束时Chl维持对照水平; 在处理Ⅴ 灌溉下限时复水后Chl不能完全恢复。

图6 调亏灌溉对草地早熟禾叶绿素含量的影响Fig. 6 Effect of different regulated deficit irrigation treatments on chlorophyll content of Kentucky bluegrass

3 讨论与结论
3.1 讨论

调亏灌溉会引起草坪蒸散量、草坪质量、叶绿素含量以及叶片相对含水量和叶片电导率的变化。草坪蒸散包括草坪草蒸腾和植株间土壤蒸发[15]。影响草坪蒸散量的因素很多, 其中土壤相对含水量、不同季节的气象状况以及草坪草的植物学特征是较为重要的方面。本研究表明, 春、夏、秋三季不同处理间ET都呈现出随灌溉下限的升高而增大的规律。对狗牙根(Cynodon dactylon)的研究也表明, 当灌水量从254%分别增加到540%和808%时, 蒸散量从68%分别增大到109%和119%。蒸散量也受季节的影响。当土壤水分比较充足时, 蒸散量的变化受环境影响最大; 当土壤含水量渐渐小于某一含水量时, 土壤水分成为影响蒸散作用的主因[16]。春秋季土壤含水量到达处理Ⅳ 和处理Ⅴ 灌溉下限时RSWC对蒸散量的影响很大; 夏季达到处理Ⅰ 、处理Ⅱ 灌溉下限时ET与对照无显著差异(P> 0.05), 而从处理Ⅲ 开始ET显著低于对照(P< 0.05)。在春秋季, ET下降受土壤水分影响的阈值为处理Ⅳ 灌溉下限; 夏季为处理Ⅲ 灌溉下限。夏季温度相对最高、大气湿度相对最低, 可能是造成蒸散量高于春季和秋季的主要原因。

草坪质量与土壤相对含水量变化关系紧密, 草坪在合适的灌溉量下可以达到较高的草坪质量[17, 18, 19, 20]。本研究显示, 在春、夏、秋三季, 随着灌溉下限的降低TQ逐渐下降, 在处理Ⅰ 条件下TQ都维持较高水平。春秋季, 在处理Ⅴ 条件下草坪质量下降到不能满足观赏价值, 且复水后TQ不能迅速恢复。依据对草坪质量的要求, 夏季, 土壤相对含水量在处理Ⅲ 以下草坪质量就达不到坪用价值标准了, 复水后TQ不能完全恢复。叶绿素是植物进行光合作用的主要色素, 植物在干旱缺水条件下抑制叶绿素的合成, 促使叶绿素分解加快[21]。本研究中, 叶绿素含量夏季较春季有明显增加, 又在秋季下降。导致这一现象的原因可能是温度因子会极大地影响酶促反应。春夏秋三季, 在处理Ⅰ 条件下的叶绿素含量都显著高于处理Ⅳ 、处理Ⅴ , 且复水后有一定程度的恢复, 但没有达到对照水平。原因是在灌水充分的条件下, 草地早熟禾生长代谢旺盛, 使得叶绿素合成增加。当RSWC到达处理Ⅲ 灌溉下限时, Chl含量为最大, 复水后Chl含量低于对照水平; 春夏季, Chl在RSWC达到处理Ⅴ 灌溉下限后复水, Chl可以恢复至对照水平; 而秋季无法恢复至对照水平。

叶片相对含水量和相对电导率是鉴定在干旱胁迫条件下植物生长能力强弱的重要指标, 相对电导率的大小随胁迫程度的加大而上升, 抗性好的植株相对电导率上升速度较缓慢[22]。本研究中, 春夏秋三季草地早熟禾的电导率都随灌溉下限的降低呈上升趋势。春秋季当RSWC到达处理Ⅲ 后复水EL能完全恢复, 在RSWC到达处理Ⅳ 、处理Ⅵ 下限后复水则不能; 夏季当RSWC到达处理Ⅱ 后复水EL能完全恢复, 在RSWC到达处理Ⅴ 、处理Ⅳ 、处理Ⅵ 下限后复水则不能。土壤相对含水量和季节状况都影响RLWC。RLWC在春季最高, 夏季最低。可能是由于春季草地早熟禾生理代谢活跃, 长势最强; 而夏季高温, 必须通过蒸腾减少体内的水分含量来降温。不同调亏灌溉处理下, RLWC随着土壤含水量的降低而下降。春夏秋三季在处理Ⅰ 和Ⅱ 条件下, RLWC下降幅度不大, 在处理Ⅳ 和Ⅴ 条件下草地早熟禾严重萎蔫, RLWC最低, 复水后不能恢复到对照水平。

兰州地区春季风大, 降水量少, 因此灌溉的频率相对较高; 夏季温度高, 降水量也较少, 蒸发量大, 因此灌水的频率也最大; 秋季为兰州的雨季, 因此灌溉频率也较小。不同土壤水分处理对生长和生理指标影响的综合分析结果表明, 处理Ⅴ 使草坪受到严重水分胁迫, 影响草坪正常生长, 因此处理Ⅴ 没有应用价值, 相比之下处理Ⅲ 对草坪草属于中度水分胁迫, 草坪基本可以正常生长, 同时在某些方面还能增强草坪的抗逆能力。可以选择处理Ⅲ 作为兰州地区草坪灌溉的最低标准; 处理Ⅱ 和对照对草坪生长和生理指标影响基本没有显著差异, 因此选择处理Ⅱ 为兰州地区草坪灌溉的最高标准。

3.2 结论

草地早熟禾在兰州地区的蒸散量主要受季节影响, 总蒸散量夏季最大, 且显著高于秋季。在兰州地区, 草地早熟禾草坪春季灌溉的最高标准应选择土壤含水量为田间持水量的65%~56%, 最低标准应选择土壤含水量为田间持水量的45%~36%, 通过春季节对草地早熟禾的灌溉频率可得出平均4 d灌一次水; 夏季灌溉的最高标准应选择土壤含水量为田间持水量的65%~56%, 最低标准应选择土壤含水量为田间持水量的55%~46%, 平均3 d灌一次水; 秋季灌溉的最高标准应选择土壤含水量为田间持水量的65%~56%, 最低标准应选择土壤含水量为田间持水量的45%~36%, 平均5 d灌一次水。

(责任编辑 武艳培)

The authors have declared that no competing interests exist.

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