基于根系分区交替灌溉技术是利用作物需水信号进行主动调控的灌溉方式,它是在传统灌溉方式的基础上进行作物水分生理调控的新突破。国外已有大量关于根系分区交替灌溉抗旱性试验研究[5,6,7,8,9],包括葡萄、西红柿、油料作物、辣椒、豆类等作物,研究方向大多集中在提高水分利用效率、增加产量方面。根系分区交替灌溉可减少作物营养生长冗余,大量节水而不减产或减产幅度较小,而且使作物的品质得以改善。但研究对象主要是酿酒葡萄、番茄等蔬菜作物。国内关于根系分区交替灌溉对其他作物的生理影响也有研究[10,11,12,13],水分胁迫对抗氧化酶影响的研究表明,玉米、葡萄、烤烟和柏木等经受轻度干旱时,过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性均显著上升,随着水分胁迫程度加重,丙二醛（MDA）含量增加。但对马铃薯的相关研究较少。本研究旨在通过马铃薯温室垄沟试验,研究两个抗旱性不同的马铃薯品种(荷兰15号和克新1号）在不同灌溉方式下的生长、生理特性和水分利用效率,探讨隔沟交替灌溉技术在马铃薯生产中的应用潜力和可行性,同时为该技术在主要经济作物和其他农作物上的推广和应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
选用早熟马铃薯品种荷兰15号（干旱敏感型）和中晚熟品种克新1号（抗旱型）的脱毒原原种,两个品种均来自黑龙江省马铃薯工程技术研究中心,整薯大小50g左右,整薯播种。
1.2 试验设计
试验于2015年在黑龙江省马铃薯工程技术研究中心智能温室内进行,采用温室田间试验。试验设对照（CK）、隔沟交替灌溉（PRD）和固定隔沟灌溉（DW）3个处理。每个处理间有1行隔离行,每个处理重复3次,试验小区完全随机排列,每个小区种植4行马铃薯,每行20株,每个小区80株,株行距是30cm×65cm。试验处理当天清早对温室田浇透水,对照植株保持正常的水分供应,每隔5d浇水一次至土壤相对含水量达75%~80%。固定隔沟灌溉始终浇灌两垄中间的垄沟。隔沟交替灌溉是滴灌到马铃薯植株的半边,另半边不浇水,每5d轮换一次。
1.3 测定项目
（1）土壤相对含水量：采用WET土壤三参数测量仪测定土壤的水分。
（2）株高（cm）：用米尺测量根部（以花盆上沿为基准）至植株生长点的高度。
（3）叶面积（cm2）：用米尺测量所有叶片的长度和宽度,用系数推算叶面积,叶面积=长×宽×0.75。
（4）产量：收获期,收获全部测产区马铃薯块茎,用天平称其鲜重。
（5）水分利用效率（WUE）=Yd/I,Yd为马铃薯产量,I为全生育期内实际灌溉水量（t）。
2 结果分析
2.1 不同灌溉方式对株高的影响
图1
图1
不同灌溉处理对荷兰15号株高的影响
CK：常规灌溉,PRD：隔沟交替灌溉,DW：固定隔沟灌溉,下同
Fig.1
Effects of different irrigation methods on plant height of Helan 15
CK: conventional furrow irrigation, PRD: alternate furrows irrigation, DW: fixed furrow irrigation, the same below
图2
图2
不同灌溉处理对克新1号株高的影响
Fig.2
Effects of different irrigation methods on plant height of Kexin 1
2.2 不同灌溉方式对叶面积的影响
图3
图3
不同灌溉方式对荷兰15号叶面积的影响
Fig.3
Effects of different irrigation methods on leaf area of Helan 15
图4
图4
不同灌溉方式对克新1号叶面积的影响
Fig.4
Effects of different irrigation methods on leaf area of Kexin 1
2.3 不同灌溉方式对抗氧化酶活性的影响
图5
图5
不同灌溉方式对荷兰15号SOD活性的影响
Fig.5
Effects of different irrigation methods on SOD activities of Helan 15
图6
图6
不同灌溉方式对克新1号SOD活性的影响
Fig.6
Effects of different irrigation methods on SOD activities of Kexin 1
图7
图7
不同灌溉方式对荷兰15号CAT活性的影响
Fig.7
Effects of different irrigation methods on CAT activities of Helan 15
图8
图8
不同灌溉方式对克新1号CAT活性的影响
Fig.8
Effects of different irrigation methods on CAT activities of Kexin 1
图9
图9
不同灌溉方式对荷兰15号POD活性的影响
Fig.9
Effects of different irrigation methods on POD activities of Helan 15
图10
图10
不同灌溉方式对克新1号POD活性的影响
Fig.10
Effects of different irrigation methods on POD activities of Kexin 1
图11
图11
不同灌溉方式对荷兰15号MDA含量的影响
Fig.11
Effects of different irrigations on MDA contents of Helan 15
图12
图12
不同灌溉方式对克新1号MDA含量的影响
Fig.12
Effects of different irrigation methods on MDA contents of Kexin 1
2.4 不同灌溉方式对产量和水分利用效率的影响
2.4.1 不同灌溉方式对产量的影响 由图13可以看出,荷兰15号隔沟交替灌溉处理的产量比对照低7.5%,对照产量最高,但两者差异不显著。隔沟交替灌溉和对照的产量均显著高于固定隔沟灌溉处理。亏水程度较重的固定隔沟灌溉处理产量最低。
图13
图13
不同灌溉方式对荷兰15号产量的影响
不同小写字母表示0.05水平差异显著,下同
Fig.13
Effects of different irrigation methods on yield of Helan 15
Different small letter indicates significant difference at 0.05 level, the same below
由图14可以看出,克新1号隔沟交替灌溉处理的产量比对照高3.84%,但两者差异不显著,且隔沟交替灌溉和对照的产量均显著高于固定隔沟灌溉处理。说明隔沟交替灌溉处理在适度的水分亏缺后及时复水,可以刺激作物的补偿生长效应。
图14
图14
不同灌溉方式对克新1号产量的影响
Fig.14
Effects of different irrigation methods on yield of Kexin 1
2.4.2 不同灌溉方式对水分利用效率的影响 由图15可以看出,荷兰15号隔沟交替灌溉处理的水分利用效率分别较对照和固定隔沟灌溉高28.0%和11.9%,且处理间差异显著。
图15
图15
不同灌溉方式对荷兰15号水分利用效率的影响
Fig.15
Effects of different irrigation methods on water use efficiency of Helan 15
由图16可以看出,克新1号隔沟交替灌溉处理的水分利用效率分别比对照和固定隔沟交替灌溉高35.0%和12.1%,且处理间差异显著。可见,隔沟交替灌溉处理能显著提高马铃薯灌水利用效率。
图16
图16
不同灌溉方式对克新1号水分利用效率的影响
Fig.16
Effects of different irrigation methods on water use efficiency of Kexin 1
结合以上产量分析得出,隔沟交替灌溉处理能够提高产量,并且在保证产量的情况下,能显著提高水分利用效率;在两个品种比较中,克新1号是水分利用效率高的品种。
3 讨论与结论
SOD、POD和CAT是植物在逆境中最主要的抗氧化酶,能够提高植物组织的抗氧化能力,以维持体内正常的生理代谢,均可作为衡量植物抗旱性的指标。本研究结果是马铃薯植株在不同程度干旱胁迫下,不同灌溉处理植株随着土壤含水量的降低,叶片SOD、CAT和POD活性、MDA含量都有变化,前期上升后期下降,其中隔沟交替灌溉处理的各抗氧化酶的活性较高,MDA含量较低。这也和以往研究结果[22,23,24,25,26]一致,在水分胁迫强度比较轻、胁迫时间比较短和水分亏缺速度比较慢的情况下,马铃薯叶片中诱导的抗氧化酶POD、SOD、CAT活性都是上升趋势,而相反,膜相对透性增加较小,膜质过氧化的伤害程度较轻。随着水分胁迫程度的逐渐加重、水分胁迫持续时间的逐渐延长,植株体内诱导的抗氧化酶POD、SOD和CAT活性下降,而MDA含量升高,活性氧等脂质过氧化作用增强。
自康绍忠提出根系分区交替灌溉概念、理论基础与技术体系以来,众多学者对该灌溉方式开展了大量相关的试验研究,研究作物涉及苹果[27]、小麦[28]、玉米[29]、桃树[30]、草莓[31]和蔬菜[32,33]等。研究发现,部分根区交替灌溉可有效提高水分利用效率。但部分根区交替灌溉对作物产量的影响研究结果尚不一致。前人[34,35,36]研究结果也表明,马铃薯生产应用分根交替灌溉技术有利于提高其水分利用效率。Zorica等[37]研究表明,分根交替灌溉处理与沟灌产量相近,灌溉处理的水分利用效率平均提高32%,同时淀粉含量提高。本试验也证明适度的水分亏缺后及时复水,刺激作物产生后生长效应,从而提高马铃薯产量,说明隔沟交替灌溉是适合应用在马铃薯上的一种高效、保产和节水的灌溉技术。
参考文献
Hydrotropism:root growth responses to water
Effect of partial root zone drying irrigation method on water use efficiency,yield and yield components of tomato
Effects of partial root-zone drying irrigation on yield,fruit quality,and water-use efficiency in processing tomato
Photosynthetic,chlorophyll fluorescence and growth changes in hot pepper under deficit irrigation and partial root zone drying
Applications of xerophytophysiology in plant production-The potato crop improved by partial root zone drying of early season but not whole season
DOI:10.1016/j.scienta.2011.04.016 URL [本文引用: 1]
不同砧穗组合葡萄植株对部分根区干旱的生理生化响应
<FONT face=Verdana>利用自制木箱对嫁接在3309C、420A和110R砧木上的玛瓦斯亚葡萄（M）进行双侧根区交替灌溉（AI）和单侧灌溉（UI）两种水分胁迫处理，以探讨不同葡萄砧穗组合对干旱的适应能力.结果表明：水分胁迫导致葡萄叶片ABA浓度大幅度增加，AI和UI的3种组合平均分别提高了267.5％和394.7％，而气孔导度和蒸腾速率显著下降.UI处理的3种组合叶片SOD和CAT活性显著增加，脯氨酸（Pro）含量极显著增加，且均以M/110R增幅较大，M/3309C增幅较小；而AI处理的SOD和CAT活性增加较小，但Pro含量显著增加.干旱胁迫导致葡萄叶片质膜透性、MDA和H<SUB>2</SUB>O<SUB>2</SUB>含量极显著增加，以M/3309C增加最多，M/110R增加较少.不同砧穗组合适应干旱逆境的能力主要取决于砧木品种，110R适应干旱逆境的能力强于420A和3309C，其对应的嫁接植株的生长量亦呈同样趋势.与根区单侧灌溉相比，双侧根区交替灌溉对植株造成的伤害较小，是可推广的节水灌溉方式.<BR><BR></FONT>
Effects of drought stress and re-watering on the active oxygen scavenging system of Cupressus funebris seedlings in Karst area
根系分区交替滴灌对棉花产量和水分利用效率的影响
为了探讨旱区农业节水新途径，在甘肃省石羊河流域下游荒漠绿洲区采用常规滴灌和分根区交替滴灌方式研究不同灌溉方式对大田棉花生长发育、产量、水分利用效率以及土壤水分分布的影响。结果表明，交替滴灌处理棉花叶片气孔开度减小，减少了奢侈的蒸腾损失，灌溉定额较小时根系分区交替滴灌对棉花的株高抑制作用较明显，灌水定额较大时限制作用不显著。根系分区交替滴灌技术在大田条件下可使籽棉产量比常规滴灌处理提高21.1%，总水分利用效率和灌溉水利用效率分别提高17.9%和20.9%。同等产量水平下与常规滴灌相比，交替滴灌可节省30.8%的灌水量。本研究表明根系分区交替滴灌是一种切实可行的节水灌溉技术，可在干旱缺水的棉花生产地区进一步研究和推广应用。
滴灌条件下不同根区交替湿润对葡萄生长和水分利用的影响
在干旱缺水的甘肃河西荒漠绿洲区研究了滴灌条件下不同根区湿润方式对葡萄生长和水分利用的影响，结果表明，对传统的滴灌方式适当改进可以实现根系分区交替灌溉；当灌水量减半时，尽管葡萄的生长状况受到了抑制，但交替滴灌处理葡萄生长状况优于固定一侧滴灌，控制供水条件下葡萄叶片气孔导度下降，光合作用降低不明显，而蒸腾速率大大降低，水分利用效率明显提高，在控制局部根区交替供水条件下，葡萄累积茎液流量比常规双侧滴灌处理下降了25%。表明在葡萄上应用根系分区交替滴灌可以达到调控营养生长与生殖生长，减少生长冗余，大量节水而提高水分利用效率的目的。
干旱荒漠绿洲区葡萄根系分区交替灌溉试验研究
为了探讨西北旱区葡萄节水优质高效灌溉模式，于2004～2006年在甘肃河西走廊石羊河流域干旱荒漠绿洲区进行了田间试验，研究了根系分区交替滴灌、固定部分根区滴灌和常规滴灌三种灌溉模式对鲜食葡萄产量、品质和水分利用效率的影响。研究结果表明，根系分区交替灌溉灌水量较常规滴灌减少1/2，其产量未有显著下降，而且显著提高了浆果Vc含量，使果酸含量降低，可溶性固形物含量显著提高，成熟度明显改善。根系分区交替灌溉的水分利用效率较常规滴灌提高了37.36%。采用根系分区交替灌溉可以达到大量节水、提高葡萄品质和成熟度而不明显降低产量的目的，可以作为西北旱区果园有效的节水优质高效灌溉模式。
Nitrogen dynamics in the soil-plant system under deficit and partial root-zone drying irrigation strategies in potatoes
DOI:10.1016/j.eja.2007.05.003 URL [本文引用: 1]
Modulation of plant growth, water status and anti-oxidative system of two maize (Zea mays L) cultivars induced by exogenous glycinebetaine
Daneshian J,et al. Effects of water deficit stress on seed yield and antioxidants content in soybean cultivars
三种暖季型草坪草在干旱胁迫下脯氨酸含量和抗氧化酶活性的变化
<FONT face=Verdana>测定了土壤干旱条件下矮生狗牙根、沟叶结缕草和地毯草相对含水量和相对电导率的变化。结果表明，矮生狗牙根的耐旱性较强，沟叶结缕草次之，而地毯草对干旱敏感。干旱胁迫下，地毯草积累脯氨酸最多，沟叶结缕草次之，矮生狗牙根最少，草坪草的脯氨酸的积累与耐旱性呈负相关。地毯草超氧化物歧化酶(SOD)活性持续升高，过氧化氢酶(CAT)活性在短暂升高后降低，过氧化物酶(POD)活性降低；矮生狗牙根和沟叶结缕草的SOD活性先升后降，CAT和POD活性则维持较高水平，表明草坪草的耐旱性与抗氧化酶活性有关。</FONT>
分根交替不同灌水量对苹果生长和叶片生理特性的影响
<P><FONT face=Verdana>【目的】在确保苹果树体正常生长情况下,探讨不同根区体积灌水及灌溉量对树体生长和叶片生理特性的影响,以期提高水分利用效率,节约灌溉水。【方法】以3年生盆栽分根皇家嘎拉苹果为试材,研究根系分区交替灌溉不同水量对苹果树体生长和叶片生理特性的影响。【结果】1/4和2/4根区体积灌水显著抑制了苹果新梢和干周生长,随灌溉体积增加抑制作用逐渐解除,减少灌水量也显著抑制了新梢生长。根系分区交替灌水显著影响苹果叶片水势和气孔阻力,1/4和2/4根区体积灌水处理叶片水势显著低于3/4和4/4处理,气孔阻力随灌水体积增加显著降低。减少根区灌水部位降低了苹果叶光合速率、蒸腾作用和气孔导度,并且蒸腾作用降低的幅度显著大于光合作用的,从而提高了叶片水分利用效率。但减少灌水量对苹果叶片各项生理指标均没有影响。不同生长期根区交替灌水处理对叶片光合速率、蒸腾速率、气孔导度和水分利用效率的影响一致,以春梢停长期各生理特性指标最高。【结论】灌水量是影响新梢伸长生长和主干加粗生长的主要因子,叶片生理特性主要受灌水部位调控。通过调控灌水量和根区灌水部位可以调控树体生长,并能节约灌水量。本试验中,在没有考虑自然降水的情况下,为保证植株的正常生长,根区灌溉体积不能小于50％。<BR></FONT></P>
Differential responses of stomatal morphology to partial root-zone drying and deficit irrigation in potato leaves under varied nitrogen rates
DOI:10.1016/j.scienta.2012.07.026 URL [本文引用: 1]
Effects of dynamic and static deficit and partial root zone drying irrigation strategies on yield,tuber sizes distribution,and water productivity of two field grown potato cultivars
DOI:10.1016/j.agwat.2013.11.015 URL [本文引用: 1]
Partial root-zone drying increases WUE,N and antioxidant content in field potatoes
DOI:10.1016/j.eja.2010.04.003 URL [本文引用: 1]
