水分胁迫条件下甘蔗茎直径变化机理和监测方法

陈海波，李就好，余长洪(．华南农业大学工程基础教学与训练中心，广州 5064；．华南农业大学水利与土木工程学院，广州 5064)

0 引 言

作物茎秆直径的变化分为两种情况：一是随着作物生长过程而变化的分量，它通常呈现不可逆增加的趋势。二是由于水分状况变化而引起的茎秆直径变化分量，它的变化通常是可逆性的[1,2]。针对茎直径微变化中这一可逆性分量的变化机理及变化规律，国内外许多学者开展了研究工作[3-6]。TURNER[7]等认为，茎秆的收缩是因为植株动用了韧皮部和外层木质部导管中的水分以满足根系吸水能力与大气蒸发失水之间的差距所致。MOIZ[8]等研究发现成熟的棉花植株木质部部像一个刚性材料，在经受1.0～1.5 MPa压力时木质部发生的径向弹性变化几乎可以忽略不计。因此，在水分胁迫条件下茎秆发生的任何可测量的变化几乎都可以归因于韧皮部及相关组织内活细胞的失水。王晓森[9]等研究发现成熟番茄茎秆木质部是有直径方向的收缩、恢复变化的，为总体茎变化的 15%左右。为了探明水分胁迫条件下甘蔗茎秆直径的变化机理和监测方法，本文利用盆栽试验的方法，对甘蔗茎变化过程中韧皮部与木质部所起的作用以及甘蔗不同节位茎直径变化规律进行了研究，以期为基于茎直径变化指标指导甘蔗灌溉提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与试验设计

盆栽试验以新台糖22号为研究对象，于2011年3至2012年1月在华南农业大学校区的塑料大棚内进行。供试土壤为砖红壤土，取自雷州半岛的广东省国营幸福农场，1 m土层内耕层土壤容重1.28 g/cm3，田间持水率32.9%。 采用60 cm×60 cm×40 cm(长宽深)的聚氯乙烯箱进行盆栽，盆底部开有通气孔，且在一侧距箱口10、 20和30 cm处开有可供TRIME-P3探针插入测量土壤体积含水率的小孔，测量3处不同土壤的体积含水率，取其平均值作为该盆的土壤体积含水率。

根据甘蔗生长特点将其划分为苗期、分蘖期、伸长期和成熟期4生育阶段。在甘蔗伸长期和成熟期分别设置正常灌溉(CK)和重度干旱胁迫(S)2个不同程度的水分处理，共4个处理，每个处理重复4次，共16个小区。2个不同程度水分处理分别以田间持水率的70%～80%和40%～50%作为灌水上下限控制因素，计划湿润层为40 cm，当土壤水分下降至各处理下限时，则通过灌水定额公式计算所需的灌水量，用量杯测量进行灌溉以达到各处理水平。试验小区随机分布。

除水分不同外，其他管理水平完全一致。盆栽种植前将三元复合肥(氮、磷、钾比例 N∶P2O5∶K2O=10∶10∶10)作为底肥，每盆32 g，与土壤拌匀，分层装入塑料箱并适当压实，与大田土壤容重基本一致，然后植入甘蔗种茎，每盆都放2个种芽，种茎在盆内竖向以一字形摆放，4盆1组形成1个株行距为0.3 m×0.6 m的小区。3月种植，在6月中下旬的分蘖期每盆追施5.4 g尿素和8.1 g氯化钾。

1.2 观测项目

(1)茎直径变化：用PM-11植物生理生态系统(以色列B.F. Agritech公司)连续自动监测茎直径变化，探头安装在距土面一定距离的长势基本一致的甘蔗茎秆上，与DL2e型数据自动采集器相连接，每隔30 min自动测定一次茎直径微变化(精度2 μm)。

茎直径的周期性变化中，每日的茎直径最(maximum stem diameter，MXSD)一般出现在早上，每日的茎直径最小值(minimum stem diameter，MNSD)一般出现在中午或下午。二者的差值为MDS，用于反映茎秆一天中总的收缩幅度，mm。

DI反映茎秆直径1 d中的生长幅度，为当日与前1 d的MXSD之差，mm。

(2)土壤含水率：土壤含水率采用TRIME-P3测量系统(德国，Imko公司)结合烘干法测定，隔1 d测1次。

2 结果与分析

2.1 甘蔗茎直径变化内部机理

为了研究分析甘蔗茎变化过程中韧皮部与木质部所起的作用，设计了甘蔗茎秆韧皮部环切试验，试验开始于12月28日，此时甘蔗处于成熟期，土壤水分处理为75%左右的土壤相对含水量。甘蔗茎秆韧皮部环切处选在距地面15 cm处，切口宽度约2 cm，露出木质部，茎变化探头直接安装在甘蔗木质部上，另外在紧邻切口的上端安装另一茎变化探头，以便比较同株甘蔗环切与不环切的茎变化结果的差异，试验测定结果如图1所示。

图1 韧皮部环切对甘蔗茎变化的影响Fig.1 Effect of sugarcane phloem ring-cutting on its stem variation

结果表明，甘蔗茎秆木质部和韧皮部都是有直径方向的收缩、膨胀变化的，但是木质部直径方向的变化幅度比韧皮部分大，收缩要明显的多；木质部开始收缩的时间和整体茎收缩的时间基本一致，而恢复到原有直径水平要比整体茎恢复的时间迟2～3 h，这说明甘蔗茎收缩过程是由韧皮部及木质部收缩同步构成的，而茎恢复过程是不同步的，韧皮部恢复在先而木质部恢复在后，木质部补水恢复到原先厚度的时间较长。这与王晓森的温室番茄茎秆韧皮部环切试验结果不同，分析原因可能是甘蔗韧皮部比较紧而密实，它的结构与番茄的韧皮有很大的区别，甘蔗木质部由于没有了这层保护层的约束，由水势差而形成的“内聚力”对它作用时就会使它产生比较大的形变，即较大的收缩和膨胀。

2.2 甘蔗不同节位的茎直径微变化特点

在应用茎直径微变化监测与诊断甘蔗水分状况的过程中，探头安装高度的不同会对监测结果产生很大的影响，为了分析探头安装高度对茎直径微变化监测结果的影响，设计了盆栽甘蔗探头安装不同高度试验，在茎秆上下节位各安装1个探头，其中上节位探头距离地面约30 cm，而下节位探头距离地面约15 cm。

选取12月13日至19日连续7天的监测结果进行分析，伸长期监测结果如图2所示。由图2可知对于伸长期的同一株甘蔗，上下节位RV曲线变化趋势一致，在土壤供水充分的条件下，上下节位都保持快速生长地态势，但下节位的茎变化幅度要明显大于上节位的茎变化幅度；在低土壤水分条件下，上下节位保持着微弱的生长或生长基本停滞。充分灌溉条件下上下节位第6天的RV分别为1.689 mm和1.981 mm，上节位6个观测日的茎直径增长总量为下节位的70.2%，重旱处理条件下上下节位第6天的RV分别为1.233 mm和1.235 mm，上节位6个观测日的茎直径增长总量为下节位的99.1%，表明土壤水分越高上下节位茎直径微变化的差异越大，反之土壤水分越低则这种差异就越小。不同节位茎变化的差异表明在伸长期内，甘蔗茎秆直径的生长应该是自下而上的。

图2 伸长期甘蔗不同节位RV曲线Fig.2 Relative variation at different node of sugarcane stem during elongation period

成熟期监测结果分别如图3所示。

图3 成熟期甘蔗不同节位RV曲线 Fig.3 Relative variation at different node of sugarcane stem during maturity period

从图3可知，对于成熟期的同一株甘蔗来讲，上节位的茎变化幅度要大于下节位的茎变化幅度，且土壤含水量越低这种差异越明显。充分灌溉条件下上下节位第6天的RV分别为1.065 mm和1.013 mm，重旱处理条件下上下节位第6天的RV分别为1.046 mm和1.007 mm，表明在甘蔗成熟期上节位还保持着微弱的生长，而下节位则基本没有生长。

3 结 语

(1)甘蔗茎直径微变化内部机理的试验结果表明，甘蔗茎秆木质部和韧皮部都有直径方向的收缩、膨胀变化，但是木质部的直径方向的变化幅度比韧皮部分大，收缩要明显的多；甘蔗茎收缩过程是由韧皮部及木质部收缩同步构成的，而茎恢复过程则有可能是不同步的，韧皮部恢复在先而木质部恢复在后，木质部补水恢复到原先厚度的时间较长。

(2)对甘蔗不同节位茎直径微变化的研究结果表明，在茎生长阶段，甘蔗茎秆直径的生长自下而上，在水分充足的条件下上下节位的茎直径增长量保持较大的差异；在茎成熟阶段，蔗茎下节位基本停止生长而上节位还保持着微弱的生长态势。

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[1] 冯亦玺. 推广节水灌溉技术，促进甘蔗糖业发展[J]. 广西蔗糖，2008，(1)：20-23.

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[9] 王晓森，孟兆江，段爱旺，等. 基于茎直径变化监测番茄水分状况的机理与方法[J]. 农业工程学报，2010,26(12)：107-113.