劉鳳山, 林興生, 林 輝, 羅海凌, 林占熺(福建農(nóng)林大學國家菌草工程技術研究中心，福建 福州 350002)

巨菌草(Pennisetumgiganteum. sp.)是從南非引進的，隸屬禾本科狼尾草屬，多年生，適宜在熱帶、亞熱帶、溫帶生長和人工栽培[1,2].巨菌草具有適應性強、利用期長、生物量高、營養(yǎng)價值和適口性好等特點，可用于食用菌生產(chǎn)原料、牲畜飼料、生物燃料及生態(tài)治理等眾多領域，在生態(tài)、經(jīng)濟和社會等方面具較大發(fā)展?jié)摿3-5].

巨菌草良好的生物學特性使其成為生態(tài)治理過程中的先鋒植物，已在退化草地、荒漠地、鹽堿地、沙地和崩崗等開展定點和推廣試驗，初步取得了良好的生態(tài)效果[6-8].巨菌草治理具有成本低、見效快、生態(tài)效益高等優(yōu)點.在西藏高寒流動沙丘種植巨菌草，在較短時間內(nèi)重建沙地植被，固定流沙，生物產(chǎn)量高，對濕潤區(qū)的零星沙地治理和高效開發(fā)具有重要意義.

利用巨菌草治理尼羅河源頭水土流失，建立了等高線菌草活籬與梯田套種農(nóng)作物模式，土壤流失率降低89%[2,8].生態(tài)治理過程中，巨菌草的水分利用規(guī)律逐漸引起重視，尤其是巨菌草高的生物量對水分的需求旺盛，是其生態(tài)治理過程中無法回避的難題.本文通過盆栽控制試驗，初步揭示了不同灌溉量條件下巨菌草的水分耗散過程，為巨菌草的產(chǎn)量預測、灌溉工程設計及生態(tài)功能研究提供依據(jù)[9].

1 試驗區(qū)概況

試驗于2015年在福建農(nóng)林大學國家菌草工程技術研究中心試驗樓頂樓(26°5′21″N，119°14′49″E)的白色塑料大棚中進行.該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，年平均日照時間1 700～1 980 h，降水量900～2 100 mm，年均溫16～20 ℃.春季雨水多，濕度大;夏季悶熱高溫，多雷雨臺風天氣;秋季日照充足.試驗用土壤取自農(nóng)田，pH為6.5，有機質(zhì)含量0.79%，全氮、全磷、全鉀含量分別為0.045 5%、0.043 4%、2.29%.

2 試驗方法

2.1 試驗設計

2015年6月22日，通過盆栽控制試驗種植巨菌草，8月29日試驗結束.試驗盆直徑28.5 cm，高38 cm，底部密封.巨菌草采用大小相似的種莖進行種植，每盆種植4株.巨菌草發(fā)芽后，每盆選擇2株健壯、間隔較大的植株作為供試材料.苗期之前(7月16日)，所有試驗盆每周灌溉17 mm水分，之后開始水分處理.設置3個處理.T1：每周灌溉25 mm水分.T2：每周灌溉50 mm水分.T3：每周灌溉75 mm水分.每個處理4次重復.試驗過程中，7月10日施用尿素2 g·盆-1；7月14日，松土1次.另設3個空白對照，土壤、水分及管理措施與處理一致，但是沒有種植巨菌草，重復3次.

2.2 測定方法

根據(jù)水量平衡原則，即水分輸入等于水分輸出，植物蒸散發(fā)通過測定其他變量求得，水量平衡方程表示如下:

ET=P-R-I-Δh

(1)

式中，ET為蒸散發(fā)，P為降水量或灌溉量，R為地表徑流，I表示地下水補給和土壤下滲作用，Δh為土壤含水量的變化.

通過降水控制，并進行盆栽試驗，消除了地表徑流和地下水，將植物的水分循環(huán)過程限制為灌溉和蒸散發(fā)兩個過程.土壤含水量的變化對通過稱重法獲取的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)沒有產(chǎn)生影響，從而將水量平衡方程簡化為：

ET=E+T=P

(2)

式中，ET為蒸散發(fā)，E為土壤蒸發(fā)，T為植物蒸騰.

空白試驗盆中沒有植物，稱重法獲得的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)實際上為土壤蒸發(fā)數(shù)據(jù)(evaporation,E)，植物蒸騰量(transpiration,T)可以通過蒸散量與蒸發(fā)量計算獲得.考慮到空白試驗盆后期水分無法及時蒸發(fā)到空氣中，土壤含水量比有植物的試驗盆高，加上沒有植物遮擋，實際的蒸發(fā)比測量值低[10]，造成計算得到的植物蒸騰量偏低.由于存在稱重誤差，蒸散發(fā)分離的質(zhì)量控制以平均值加減2倍標準差確定.

每日18：00—19：00通過稱重法獲得植物對水分的輸入(實際灌溉量)和輸出(蒸發(fā)、蒸散發(fā))[11].蒸發(fā)和蒸散發(fā)數(shù)據(jù)的觀測分為3個時期，即觀測初期、集中觀測期和常規(guī)觀測期.觀測初期分為1～7 d不等，通過分析灌溉與蒸散發(fā)的關系確定灌溉間隔；集中觀測期為7月6—24日，分析灌溉后蒸散發(fā)的每日變化特征；常規(guī)觀測期以7 d為1個階段，獲取蒸散發(fā)的生育期變化特征.生育期末期，從巨菌草地上部分獲得各器官的鮮重，通過烘干法獲得巨菌草各器官的地上部干重.

3 結果與分析

3.1 灌溉量對巨菌草蒸散發(fā)過程的影響

在水分處理之前，巨菌草的累積蒸散量(圖1a)與空白試驗(圖1b)具有相似的變化過程，且不同處理之間差異不明顯.累積蒸散發(fā)過程的差異主要來自于植物本身.

水分處理之后，巨菌草和空白對照的累積蒸散量表現(xiàn)出了不同的變化規(guī)律.巨菌草累積蒸散量隨水分輸入的增加而增加，T1處理的最小，T3處理的最大.T2處理在后期的增加幅度更大，與T3處理的差異逐漸縮小，與T1處理的差異逐漸增大.土壤蒸發(fā)隨著水分輸入的增多而增加，誤差線表明土壤蒸發(fā)存在較大的變異性；同時由于蒸發(fā)過程較弱，即使最少水分處理輸入的水分也無法及時蒸發(fā)掉，從而造成后期的蒸發(fā)過程在不同水分處理間無差異.總體而言，增加灌溉量有利于土壤蒸發(fā).

從圖1c、1d可知，水分處理前期，不同植物及其處理都表現(xiàn)出一致的變化過程，表明土壤、環(huán)境等因素對植物具有相似的影響過程.水分處理后，巨菌草前3天累積蒸散發(fā)增幅最快，后4天增幅變緩，重新加入水分后增幅變快；而且水分增多有利于植物生長，造成不同處理間蒸散發(fā)的差異逐漸變大.空白試驗盆的蒸發(fā)過程比較穩(wěn)定，水分越多，蒸發(fā)量越大，其日變化特征與氣象條件關系密切.

a.巨菌草季節(jié)動態(tài);b.巨菌草連續(xù)動態(tài);c.空白季節(jié)動態(tài);d.空白連續(xù)動態(tài).圖1 巨菌草累積蒸散發(fā)的變化過程Fig.1 Changes of accumulated evapotranspiration of Giant Juncao

3.2 灌溉量對巨菌草蒸騰作用的影響

隨著植被的生長，蒸發(fā)占蒸散發(fā)的比例(E/ET)逐漸降低，蒸騰作用成為水分散失的主要途徑.根據(jù)線性擬合公式，E/ET小于0.5的時間均出現(xiàn)在測量日期的第18天，這可能是因為在生育期的早期，植物蒸騰和土壤蒸發(fā)量少于水分的輸入，從而對巨菌草的生長沒有產(chǎn)生抑制作用.不同水分處理對蒸散發(fā)的作用出現(xiàn)在后期，此時植物蒸騰作用增強，灌溉量低的處理對巨菌草的生長產(chǎn)生了抑制作用.圖2表明，灌溉量越大，蒸發(fā)所占比例下降的幅度越大，說明植被蒸騰作用增強的幅度更大，植物的生長和葉片的發(fā)育也更好.在研究時段內(nèi)，巨菌草蒸發(fā)占蒸散發(fā)的比例隨輸入水分的增加從0.467下降到0.422，且下降速率隨水分的增多有變緩的趨勢.

3.3 水分處理對巨菌草地上部生長的影響

水分處理造成巨菌草莖鮮重、葉鮮重和總干重極顯著增加，葉莖比和含水率極顯著降低(表1).這些指標的變化與植物蒸騰作用有極密切的關系(R2>0.85).灌溉量減少，植物經(jīng)受水分脅迫使得植物用于蒸騰作用的葉片減少，生物量的積累速度減緩.由于莖生物量的積累過程減緩更大，增大了葉莖比，葉片較高的水分含量造成含水率隨灌溉量的降低而增大.

圖2 巨菌草蒸散發(fā)的分配Fig.2 The partitioning of evapotranspiration into evaporation for Giant Juncao

表1 巨菌草地上部生物量特征1)Table 1 The characteristics of aboveground biomass of Giant Juncao

1)同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異極顯著(P<0.01).

4 討論

由于莖生物量的積累過程大大減緩，致使葉莖比增大，葉片較高的水分含量造成含水率隨灌溉量的降低而增大.該結果與刺槐幼苗對水分處理的響應一致[12].基于拓撲結果虛擬的玉米生物量分配，玉米在生長24 d后，葉與總生物量的比例維持在0.17～0.30[13]，不同水分處理巨菌草的葉與總生物量的比值為0.20～0.25，與玉米具有較好的對比性.

蒸散發(fā)過程是植物生長重要的水分利用過程，與環(huán)境條件具有密切的關系.太陽輻射、水汽壓差、空氣溫度、相對濕度和土壤水勢等都是重要的環(huán)境因素[14-16].在塑料棚中進行盆栽控制試驗，極大改變了土壤透氣性、空氣流動性、飽和水汽壓差等環(huán)境特征，抑制了巨菌草的蒸散發(fā)和生長過程.盆栽試驗巨菌草日蒸散量分別為1.96、2.95和3.83 mm·d-1，實際生產(chǎn)中巨菌草的蒸散發(fā)過程更強烈，且生物量積累更多.

環(huán)境因素和水分處理相互作用大大影響巨菌草的生長.臺風天氣后的連續(xù)陰雨天，造成灌溉的水分無法及時散發(fā)出去，植物長期處于積水狀態(tài)[17]；而福州經(jīng)常出現(xiàn)的高溫天氣[18]，增大了水分脅迫條件下的干旱程度.本試驗結果表明，巨菌草對增強型的干旱脅迫和澇災具有較強的適應性，蒸散量和地上生物量隨灌溉量的增加而增大.