干旱和復(fù)水對(duì)新疆膜下滴灌棉田新陸早45 號(hào)生長發(fā)育的影響

郭燕云，楊明鳳，吉春容,3*，胡啟瑞，王雪姣，劉愛琳

（1.新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心/ 新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)氣象臺(tái)，烏魯木齊830002；2.烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，新疆 石河子832000；3.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊830002；4.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830006）

新疆作為我國最大的產(chǎn)棉區(qū)，2021 年棉花播種面積占全國棉花種植面積的83%，產(chǎn)量占全國棉花總產(chǎn)量的89%， 約占全球棉花總產(chǎn)量的20%[1]。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局公布的2021 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 新疆棉花種植面積、總產(chǎn)量、單產(chǎn)、商品調(diào)撥量已連續(xù)27年位居全國第一[2]，是名副其實(shí)的“世界棉倉”。 干旱是新疆植棉區(qū)主要的氣象災(zāi)害，水分虧缺所造成的危害超過其他逆境因子的總和[3]，嚴(yán)重制約棉花的生長發(fā)育及產(chǎn)量。 僅2015 年9 月西北內(nèi)陸棉區(qū)的旱災(zāi)發(fā)生面積就占全國監(jiān)測縣旱災(zāi)總發(fā)生面積的98.8%，其中新疆植棉區(qū)占92.4%[4]。 覆膜種植與滴灌技術(shù)相結(jié)合形成的膜下滴灌種植模式，因具有良好的節(jié)水增溫效應(yīng)在很大程度上促進(jìn)了新疆植棉業(yè)發(fā)展，是新疆植棉區(qū)最典型、最重要的棉花生產(chǎn)方式[5-6]。 而膜下滴灌作為優(yōu)良的水分管理技術(shù)，會(huì)改變棉田土壤水肥運(yùn)移進(jìn)而影響棉花產(chǎn)量及品質(zhì)。

國內(nèi)外研究人員在干旱脅迫對(duì)棉花的影響方面取得了較多研究成果[7-11]，但已有的研究大多集中在棉花光合生理特性[12-13]、產(chǎn)量[14]、水分利用效率[15]對(duì)不同水分處理的響應(yīng)，而干旱脅迫對(duì)棉花生育期和形態(tài)特征的研究報(bào)道有限。那么在當(dāng)前節(jié)水灌溉技術(shù)方式下，不同程度的干旱脅迫及復(fù)水對(duì)棉花生長發(fā)育的影響程度是否存在差異呢？ 因此，本研究以新疆綠洲棉田為研究對(duì)象，基于新陸早45 號(hào)[16-17]蕾期控水與開花期復(fù)水的田間試驗(yàn)觀測資料，從土壤供水能力和作物耐旱能力方面探討滴灌棉花干旱發(fā)生發(fā)展， 確定滴灌模式下新陸早45 號(hào)生長發(fā)育對(duì)不同程度干旱發(fā)生的響應(yīng)，以期為科學(xué)制定農(nóng)業(yè)抗旱對(duì)策和措施、確保棉花安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究于2020 年在烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站的大型農(nóng)田水分精準(zhǔn)控制試驗(yàn)場開展，該站位于新疆原沙灣縣烏蘭烏蘇鎮(zhèn) （44°17′N，85°49′E， 海拔468.5 m）。 該站1981―2020 年棉花生長季（4－10月）的平均氣溫為18.5 ℃，平均10 cm、20 cm、40 cm地溫分別為21.1 ℃、20.8 ℃和19.7 ℃；1981―2020 年平均氣溫、不同土層深度平均地溫均呈顯著上升趨勢 （P＜0.05）（圖1A）； 生長季平均降水量為162.6 mm，呈不顯著的略增多趨勢（圖1B）。

農(nóng)田水分精準(zhǔn)控制試驗(yàn)場設(shè)有大型自動(dòng)遮雨棚，每個(gè)小區(qū)面積為35.0 m2（7.0 m×5.0 m），小區(qū)之間有長3.0 m、寬0.3 m、高3.5 m 的防滲混凝土水泥隔離墻，可防止水分水平交換。 試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為砂壤土，pH 為7.8，含有機(jī)質(zhì)11.9 g·kg－1，全氮1.25 g·kg－1，堿解氮78.0 mg·kg－1，速效磷91.5 mg·kg－1，速效鉀315 mg·kg－1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試棉花品種為研究區(qū)內(nèi)主栽品種新陸早45號(hào)，該品種是北疆近些年推廣面積較大的陸地棉品種，且對(duì)水分條件敏感，具有水分高效利用等特點(diǎn)[18]。 于2020 年4 月20 日播種，10 月1 日收獲。采用滴灌覆膜1 膜6 行寬窄行栽培模式， 膜寬250 cm，棉花行距為（10＋66）cm，株距為9.5 cm，保苗密度約為25 萬株·hm－2。

棉花全生育期內(nèi)利用遮雨棚遮擋自然降水，前期各小區(qū)適當(dāng)灌溉，保證棉苗正常生長，其他田間管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)高產(chǎn)棉田。經(jīng)計(jì)算，蕾期、花鈴期每666.7 m2實(shí)際平均灌溉量分別為45 m3和60 m3（注： 灌溉量是根據(jù)歷年同期自然降水量和人工灌水量的總和計(jì)算得到的平均值；相關(guān)數(shù)據(jù)來源于烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站、石河子農(nóng)業(yè)局統(tǒng)計(jì)資料）。

2018 年干旱脅迫預(yù)試驗(yàn)研究表明， 若要在棉花蕾期形成干旱梯度， 則需要在棉花現(xiàn)蕾期前7 d提前進(jìn)行灌溉。 經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出2009―2019 年平均烏蘭烏蘇試驗(yàn)站棉花現(xiàn)蕾期為6 月4 日、開花期為7 月6 日。因此，確定2020 年本試驗(yàn)灌溉日期為5 月28 日。

干旱脅迫處理前各小區(qū)所有管理措施均一致，并保證土壤相對(duì)濕度在60%以上， 且無顯著差異。干旱脅迫試驗(yàn)：現(xiàn)蕾前7 d（5 月28 日）分別按照5個(gè)梯度， 即蕾期實(shí)際灌溉量的30%、50%、70%、90%、100%（分別記為T1、T2、T3、T4 和T5）進(jìn)行一次性灌溉，然后T1 不復(fù)水，持續(xù)干旱，其余4 個(gè)處理持續(xù)不灌水直至開花前期（7 月6 日）復(fù)水。 對(duì)照（CK）按照當(dāng)?shù)啬は碌喂嗟某Ｒ?guī)方式全生育期內(nèi)水分正常供給，共灌水10 次，每666.7 m2總灌水量約為400 m3。 每個(gè)處理3 次重復(fù)，共設(shè)置18 個(gè)小區(qū)，田間隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1土壤相對(duì)濕度。 分別于出苗期（4 月29 日）、梯度灌水前1 d（5 月27 日）、蕾期（6 月3 日至7 月1 日，每隔7～10 d）、開花期（7 月8 日）、盛花期（7月16 日），在每小區(qū)2 行棉花中間隨機(jī)選取1 個(gè)取樣點(diǎn)，各小區(qū)取樣位置基本相同。 采用土鉆法選取0～50 cm 土層土壤，按每10 cm 一層，采用烘干稱量法測定土壤濕度，采用田間小區(qū)灌水法測定土壤田間持水量[19]。 參照農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)[19]進(jìn)行土壤相對(duì)濕度指數(shù)計(jì)算及干旱強(qiáng)度劃分： 無旱（Rsm≥60%），輕旱（50%≤Rsm＜60%），中旱（40%≤Rsm＜50%），重旱（30%≤Rsm＜40%）和特旱（Rsm＜30%）；計(jì)算公式如下：

式中，Rsm為土壤相對(duì)濕度指數(shù)（%），α 為作物發(fā)育期調(diào)節(jié)系數(shù)（本研究苗期α 取1.1，水分臨界期即棉花開花期至成鈴期α 取0.9，其余時(shí)期α 取1.0），wi為第i層土壤濕度（%），fci為第i層土壤田間持水量（%），n為各觀測層次土壤濕度測值的個(gè)數(shù)（本研究中n＝5）。

1.3.2棉花形態(tài)特性。 （1）生育時(shí)期觀測：按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[20]進(jìn)行觀測并記錄棉花達(dá)到各生育時(shí)期的日期，當(dāng)50%的植株進(jìn)入某一物候即認(rèn)為棉花達(dá)到該生育時(shí)期（播種期除外），包括出苗期、現(xiàn)蕾期、開花期、盛花期、裂鈴期、吐絮期、停止生長期，以現(xiàn)蕾期作為棉花進(jìn)入生殖生長的標(biāo)志。

（2）生物量及葉面積指數(shù)測定：于蕾期、開花期、盛花期、盛鈴期、裂鈴期各進(jìn)行1 次棉花生物量及葉面積指數(shù)測定。 每小區(qū)連續(xù)選擇10 株棉株測定株高，取平均值；再選擇長勢均勻一致的3 株棉花，根據(jù)面積（系數(shù)）法計(jì)算出葉面積指數(shù)（leaf area index,LAI）， 再測定平均每株地上部干物質(zhì)質(zhì)量及含水率[22]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 16.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和單因素方差分析（其中土壤相對(duì)濕度指數(shù)和植株含水率通過了正態(tài)性檢驗(yàn)）， 用鄧肯多重范圍檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較。 利用Microsoft Excel 2016 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤相對(duì)濕度變化

從棉田土壤相對(duì)濕度指數(shù)的變化曲線 （圖2）可以看出，對(duì)照處理（CK）的土壤相對(duì)濕度指數(shù)在62.0%至84.0%之間波動(dòng)；蕾期（6 月3 日至7 月1日）形成棉田干旱脅迫梯度，蕾期各干旱脅迫處理隨脅迫時(shí)間延長， 土壤相對(duì)濕度指數(shù)逐漸下降，從梯度灌水后6 d（6 月3 日）至梯度灌水后30 d（6 月27 日），T1、T2 處理形成重旱，T3 處理形成中旱，而T4、T5 形成輕旱；開花期復(fù)水后（7 月8 日）各處理（T1 不復(fù)水除外）土壤相對(duì)濕度指數(shù)均大于60%，恢復(fù)到無旱棉田土壤濕度水平。 可見，試驗(yàn)處理達(dá)到預(yù)設(shè)蕾期控水、花期復(fù)水效果。

圖2 不同處理棉田土壤相對(duì)濕度指數(shù)的變化

2.2 新陸早45 號(hào)生育時(shí)期變化特征

由表1 可知， 蕾期干旱脅迫加快了新陸早45號(hào)生育進(jìn)程。 蕾期持續(xù)干旱（T1）、重旱（T2）處理的開花期比對(duì)照提前了2 d，而蕾期中旱（T3）和輕旱（T4、T5）處理的開花期與對(duì)照相同；持續(xù)干旱處理T1 的裂鈴期和吐絮期，與對(duì)照出現(xiàn)明顯差異，較對(duì)照提前了13 d 和15 d；開花期復(fù)水的T2、T3、T4 和T5 處理，裂鈴期、吐絮期分別較對(duì)照提前5～9 d、4～8 d， 呈現(xiàn)出越干旱生育時(shí)期越提前的規(guī)律；干旱處理縮短了生殖生長階段（現(xiàn)蕾期- 吐絮期），與對(duì)照相比，T1、T2、T3、T4 和T5 處理時(shí)生殖生長期分別縮短了15 d、8 d、8 d、4 d 和4 d。

表1 不同處理新陸早45 號(hào)的關(guān)鍵生育時(shí)期

2.3 不同處理下新陸早45 號(hào)形態(tài)特征變化

2.3.1株高。 由表2 可知，株高隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)總體呈增長態(tài)勢，但是不同干旱處理對(duì)株高的影響有所差異。 盛花期前（6 月20 日），各處理株高無顯著差異。 盛花期（7 月12 日）至裂鈴期，T1、T2、T3、T4 處理的株高均顯著低于對(duì)照， 且T1＜T2＜T3＜T4；T5 處理除盛花期（7 月12 日）顯著低于對(duì)照外，其余時(shí)段與對(duì)照均無顯著差異。

表2 各時(shí)期不同處理新陸早45 號(hào)株高的比較 cm

研究結(jié)果表明，蕾期不同程度的干旱對(duì)株高的影響不大，但是開花期復(fù)水后，受旱時(shí)間越早，受旱程度越重，株高受到抑制越明顯；部分輕旱處理在恢復(fù)灌溉后，株高可以逐漸恢復(fù)，但中旱和重旱處理后再復(fù)水株高也會(huì)受到較大抑制。

2.3.2LAI 變化特征。 由表3 可知，各干旱復(fù)水處理LAI 均隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)持續(xù)提高， 且T2＜T3＜T4＜T5＜CK；持續(xù)干旱處理（T1）的LAI 隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并持續(xù)顯著低于對(duì)照及各干旱復(fù)水處理。

表3 各時(shí)期不同處理下新陸早45 號(hào)LAI 的比較

蕾期（6 月20 日），持續(xù)干旱（T1）、重旱（T2）處理的LAI 顯著低于對(duì)照，而中旱（T3）和輕旱（T4、T5）處理的LAI 與對(duì)照相比差異不顯著；而隨著生育進(jìn)程推進(jìn)， 在整個(gè)花鈴期（7 月12 日至8 月27日），干旱復(fù)水處理LAI 均存在顯著差異，且都顯著低于對(duì)照， 表明花鈴期新陸早45 號(hào)對(duì)水分的需求更敏感，干旱脅迫顯著影響了棉花LAI。

2.3.3生物量變化。棉花地上部生物量的積累直接影響產(chǎn)量因素。 從蕾期至裂鈴期前后（8 月27 日），新陸早45 號(hào)單株地上部干物質(zhì)質(zhì)量不斷增大（圖3A）， 但是不同水分條件下， 存在較明顯的差異。 持續(xù)干旱處理（T1）盛鈴期（8 月4 日）單株地上部干物質(zhì)質(zhì)量較對(duì)照降低了60.2%，不同程度的干旱 處 理T2、T3、T4、T5 較 對(duì) 照 處 理 分 別 降 低 了42.7%、32.0%、29.3%、16.0%。 干旱脅迫對(duì)地上部干物質(zhì)質(zhì)量的影響可能存在滯后效應(yīng)： 梯度灌水后23 d（6 月20 日），各干旱處理的地上部干物質(zhì)質(zhì)量與對(duì)照均無顯著差異；復(fù)水后12 d（7 月20 日）至裂鈴期前后（8 月27 日），各干旱處理的地上部干物質(zhì)質(zhì)量均顯著低于對(duì)照，且大致表現(xiàn)為受旱越重地上部干物質(zhì)質(zhì)量越低的趨勢。

圖3 不同處理各時(shí)期新陸早45 號(hào)地上部干物質(zhì)質(zhì)量（A）及植株含水率（B）的比較

圖3B 反映了新陸早45 號(hào)植株含水率的變化特征，除持續(xù)干旱處理（T1）外，其余處理從蕾期至裂鈴期植株含水率均在70%以上；梯度灌水后23 d（6 月20 日）， 各干旱處理的植株含水率與對(duì)照均無顯著差異；復(fù)水后4 d（7 月12 日），各處理的植株含水率顯著低于對(duì)照；復(fù)水后12 d（7 月20 日）及盛鈴期（8 月4 日），T1 處理植株含水率顯著低于對(duì)照，其余處理與對(duì)照無顯著差異；裂鈴期前后（8月27 日），T1、T2 處理植株含水率顯著低于對(duì)照，其余處理與對(duì)照無顯著差異。

3 討論

前人研究表明，干旱一般會(huì)延緩植物的生長發(fā)育，使植物的物候推遲[21]，但是在輕度水分脅迫下，植物一般會(huì)加快生長進(jìn)程，這種機(jī)制被稱為“干旱逃避”[22]。 但在水分脅迫較為嚴(yán)重時(shí)，植物將會(huì)推遲發(fā)育，甚至停止生長發(fā)育[23]。 胡明新等[24]基于春玉米拔節(jié)期干旱與抽雄期和吐絲期分別復(fù)水的田間模擬試驗(yàn)表明， 干旱復(fù)水使春玉米灌漿期延長，乳熟期推遲，物候期延長；而本研究表明棉花蕾期干旱與開花期復(fù)水使裂鈴期、吐絮期提前，使棉花生殖生長期縮短，說明干旱復(fù)水對(duì)植物物候的影響因作物種類的不同而存在差異。

株高是棉花重要的生理指標(biāo)，適宜的株高是棉花高產(chǎn)的基礎(chǔ)條件。 本研究表明新陸早45 號(hào)株高隨著滴灌量的增加而增加，這與蘇里坦等[5]對(duì)分根交替膜下滴灌棉花的研究結(jié)果一致。 然而申孝軍等[25]的研究發(fā)現(xiàn)在棉花蕾期適度水分脅迫及花鈴期恢復(fù)供水處理下，棉花株高有一定的提升。 對(duì)比分析認(rèn)為，本試驗(yàn)是在開花期進(jìn)行一次性復(fù)水處理與申孝軍等[25]的花鈴期恢復(fù)正常供水有所差別，蕾期的水分脅迫會(huì)促進(jìn)棉花的側(cè)根生長和主根下扎，有利的根系可為花鈴期正常供水后的棉株生長提供助力，導(dǎo)致兩者研究結(jié)論不一致。此外，本研究中LAI 與株高對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)類似，這與前人的研究結(jié)果[26-27]較一致。

已有的研究證實(shí)，在棉花生長過程中適宜的土壤含水量有利于干物質(zhì)的積累，干旱脅迫可顯著降低棉花的干物質(zhì)積累，且隨干旱脅迫程度加重，棉花光合產(chǎn)物明顯減少，地上部干物質(zhì)積累量下降[3,28-30]。 這與本研究結(jié)論一致。 但是干旱-復(fù)水對(duì)作物生長發(fā)育過程的影響因干旱發(fā)生時(shí)間與強(qiáng)度、作物種類與生育階段不同而異[31]。 本研究僅利用1 個(gè)品種分析了干旱復(fù)水對(duì)棉花生長發(fā)育的影響規(guī)律，未來還將從多個(gè)品種的棉花生物量分配、光合生理及各物候期生理生態(tài)因子的變化等方面繼續(xù)深入探究。

4 結(jié)論

本研究基于新陸早45 號(hào)蕾期不同程度干旱與開花期復(fù)水的田間試驗(yàn)資料，分析其生育時(shí)期和形態(tài)的變化特征，揭示干旱脅迫對(duì)其生長發(fā)育的影響規(guī)律。 得到如下結(jié)論：（1）蕾期干旱與開花期復(fù)水使得裂鈴期、 吐絮期分別較對(duì)照提前5～9 d、4～8 d，從而使生殖生長期縮短4～15 d，并呈現(xiàn)出干旱程度越重發(fā)育期越提前、生殖生長期越短的規(guī)律；且蕾期干旱脅迫后即使開花期復(fù)水也將對(duì)生育時(shí)期產(chǎn)生明顯影響。 （2）蕾期不同程度的干旱對(duì)株高影響不大，但是開花期復(fù)水后，受旱時(shí)間越早，受旱程度越重，株高受到抑制越明顯；部分輕旱處理在恢復(fù)灌溉后，株高可以逐漸恢復(fù)，但中旱和重旱處理后再復(fù)水也不能完全恢復(fù)；在水分虧缺的情況下，隨著滴灌量的增加，葉面積指數(shù)、單株地上部干物質(zhì)質(zhì)量均呈增加趨勢；但輕旱脅迫對(duì)植株含水率的影響不大。