虧缺灌溉對南疆棉花生長和水分利用的影響

劉翔，張富倉*，向友珍，侯翔皓，張迎春，何平如，薛占琪，范軍亮

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100； 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

新疆是中國最大的棉花產(chǎn)業(yè)基地，棉花種植面積穩(wěn)定在250萬hm2左右，總產(chǎn)量保持在500萬t左右，棉花產(chǎn)量占全國棉花總產(chǎn)量的80%[1].新疆也是中國水資源嚴重短缺的地區(qū)之一，水資源量為8.32×1010m3，同時作為重要的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地和典型的純灌溉農(nóng)業(yè)類型區(qū)，農(nóng)業(yè)用水量為5.332 6×1010m3，農(nóng)業(yè)用水占總用水量的94.3%以上，但灌溉水利用系數(shù)僅有0.54[2].目前在南疆的塔里木河流域，由于地下水位較高，冬季或春季大水漫灌壓鹽引起的土壤次生鹽堿化威脅越來越嚴重，因此如何在節(jié)水控鹽的同時，提高作物水分利用效率是新疆農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展一個重要的科學(xué)問題.

近年來，國內(nèi)外較多學(xué)者就棉田節(jié)水灌溉理論與技術(shù)方面進行了大量研究，易小平等[3]通過研究棉花光合作用在水分虧缺條件的適應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)棉花在嚴重或輕度水分虧缺下，棉花對水分虧缺的適應(yīng)能力均較強.王允[4]通過盆栽試驗研究水分虧缺對棉花生長發(fā)育的影響，表明在棉花生長前期，適當(dāng)?shù)乃痔澣笨纱龠M養(yǎng)分從營養(yǎng)器官向生殖器官轉(zhuǎn)移，促進生殖生長，打下豐產(chǎn)架子；但過度的水分虧缺會造成幼蕾脫落，生殖生長變?nèi)?；尤其在花鈴期，營養(yǎng)生長和生殖生長并進的旺盛生長階段，對水分需求量大，水分虧缺造成蕾鈴大量脫落,從而導(dǎo)致減產(chǎn).

較多學(xué)者研究棉花的虧缺灌溉是在溫室和盆栽條件下，以砂質(zhì)或基質(zhì)栽培[5]，而在大田膜下滴灌條件下，生育期水分虧缺對棉花生長、養(yǎng)分吸收、產(chǎn)量和品質(zhì)的研究還較少.文中擬通過不同生育期虧缺灌溉對南疆棉花的生長、產(chǎn)量以及水氮利用效率的影響，旨在探究適合南疆棉花生長的虧缺灌溉模式，為南疆棉田膜下滴灌條件下高效節(jié)水灌溉制度的制定提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年4—10月在新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣二師31團二連(86°47′48″ E，40°57′6.32″ N)進行，當(dāng)?shù)貙俚湫偷谋睖貛Т箨懶愿珊祷哪畾夂?，多年平均降水?4.1 mm，年蒸發(fā)量為2 417 mm，平均氣溫 11 °C，多年日照均值為2 941.8 h，無霜期180～220 d.試驗地0～0.6 m土壤為砂壤土，0.6～1.0 m為壤砂土，0～0.8 m土層平均干容重1.59 g/cm3，田間持水量為19.39%(質(zhì)量比)，試驗區(qū)所用水源為塔里木河、孔雀河及攔蓄和調(diào)節(jié)兩河來水的恰拉水庫，恰拉水庫水質(zhì)礦化度在1.0～2.5 g/L.

1.2 試驗設(shè)計

供試作物為棉花，品種為新陸中66號，根據(jù)當(dāng)?shù)毓喔裙芾砟Ｊ?，苗期和吐絮期不實施灌溉；在棉花現(xiàn)蕾期、開花期以及結(jié)鈴期(分別記為B,F和L)分別設(shè)置3個虧缺灌溉水平(W1：50%ETc，W2：65%ETc，W3：80%ETc，ETc為作物蒸發(fā)蒸騰量)，以全生育期100%ETc灌水量為對照(CK)，共10個處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù).試驗采用一膜兩管四行種植模式(如圖1)，行距為10-10-66-10-10 cm，株距為10 cm，每個小區(qū)長為7 m，寬為6 m，滴頭流量為1.8 L/h，滴頭間距為30 cm，灌水周期為7 d.

2018年棉花生育期為苗期(4月21日—6月7日)、現(xiàn)蕾期(6月8日—7月4日)、開花期(7月5日—7月23日)、結(jié)鈴期(7月24日—8月26日).試驗區(qū)棉花在7月10—13日進行人工打頂，整個生育期內(nèi)進行3次化學(xué)噴霧打頂技術(shù)，分別于5月20日、6月17日和7月10日.試驗各處理施肥水平一致，施純氮、P2O5和K2O分別為300, 120, 60 kg/hm2；采用容量壓差式施肥方式隨灌水施入.

灌溉水平處理依據(jù)試驗田安裝的自動氣象站觀測的參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0，結(jié)合當(dāng)?shù)刈魑锵禂?shù)Kc計算棉田的棉花蒸發(fā)蒸騰量ETc(mm/d)，其計算公式為

ETc=Kc·ET0，

(1)

式中：Kc為棉花的作物系數(shù)，根據(jù)不同生育階段而定，現(xiàn)蕾期取0.70、花鈴前期取1.15和花鈴后期取0.70[6].

1.3 測定項目與方法

1.3.1 植株形態(tài)的測定

分別在各試驗小區(qū)選取連續(xù) 6 株長勢均勻的植株掛牌定點觀測，現(xiàn)蕾期開始，每間隔 10～15 d 觀測1次，記錄棉花株高、果枝數(shù)和蕾鈴數(shù)；棉花葉面積應(yīng)用打孔器打孔的方法測定，葉面積指數(shù)計算公式為

LAI(葉面積指數(shù))=葉片總面積/所占土地面積.

(2)

1.3.2 地上干物質(zhì)累積量的測定

分別在棉花苗期、現(xiàn)蕾期、開花期、結(jié)鈴期和吐絮期，隨機選取有代表性棉花3株，取棉花植株的地上部，去除表面污垢，按照莖、葉、蕾、籽棉、棉殼分開，放入105 ℃ 烘箱中殺青 0.5 h后，80 ℃烘至恒重，冷卻后用電子秤稱其干質(zhì)量；最后換算成群體干物質(zhì)質(zhì)量(kg/hm2).

1.3.3 植株氮素累積吸收量的測定

將棉花各個生育期的干樣(莖、葉、蕾、花和鈴殼)分別充分磨碎混勻后，過1 mm目篩，稱取植物樣0.1～0.2 g，用H2SO4-H2O2消煮，消煮液用于養(yǎng)分的測定：各個器官全氮利用AA3型連續(xù)流動分析儀測定；計算棉花植株氮素累積吸收量(kg/hm2).

1.3.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的測定

在棉花收獲期，于每個小區(qū)選取3個有代表性1.52 m2(長為1.00 m,寬為1.52 m)的區(qū)域，共4.56 m2；在該區(qū)域測定棉花株數(shù)和總有效鈴數(shù)后，拾取區(qū)域中上-中-下層棉花的棉絮共100朵，測定其百鈴質(zhì)量，最后換算成群體籽棉產(chǎn)量( kg/hm2) .

1.3.5 生育期耗水量

作物耗水量是指棉花的植株蒸騰量、棵間蒸發(fā)量以及構(gòu)成植株體的水量之和，作物耗水量通過水量平衡法計算可得，計算公式[7]為

ET=I+P+K-R0-D-ΔW,

(3)

式中:ET為棉田耗水量,mm;I為灌水量,mm；P為有效降雨量,mm；K為地下水補給量,mm；R0為地表徑流量,mm；D為深層滲漏量,mm；ΔW為棉花生育期內(nèi)土壤儲水量變化,mm.試驗區(qū)在棉花整個生育期內(nèi)地下水埋深平均埋深為1.5 m，地下水可以在土壤上升毛管水的作用下補充到根系吸水層中，根據(jù)試驗區(qū)地下水埋深，結(jié)合阿維里揚諾夫公式[8]計算棉花生育期內(nèi)的地下水補給量K為144.86 mm.

1.3.6 水分利用效率

水分利用效率(WUE)計算公式[9]為

WUE=Y/(10ET),

(4)

式中:Y為籽棉產(chǎn)量， kg/hm2；ET為棉花全生育期內(nèi)累積耗水量，mm.

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010軟件分析試驗數(shù)據(jù)，SPSS 23.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，Origin 9.0 軟件繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 對吐絮期形態(tài)指標(biāo)的影響

不同生育期虧缺灌溉和水平對吐絮期棉花株高、葉面積指數(shù)、果枝數(shù)的影響見表1，表中h為株高，LAI為葉面積指數(shù)，n為果枝數(shù).不同生育期虧缺灌溉和灌水水平對棉花株高、葉面積指數(shù)、果枝數(shù)的影響都在0.01水平下具有統(tǒng)計學(xué)意義，其交互作用影響不具有統(tǒng)計學(xué)意義.

表1 生育期虧缺灌溉和水平對棉花吐絮期形態(tài)指標(biāo)的影響

在吐絮期，與CK比較，在輕度虧水(W3)水平下，現(xiàn)蕾期和結(jié)鈴期虧水對棉花株高沒有顯著的影響，向中度虧水(W2)和管理方式虧缺(W1)下，3個生育期虧缺灌溉對株高均有顯著抑制效應(yīng)，其中輕度虧水(W3)對株高的抑制效應(yīng)不具有統(tǒng)計學(xué)意義.開花期虧水，對棉花株高均有顯著的抑制效應(yīng)，與CK比較，處理W1，W2和W3分別降低了18.0%，12.8%和10.0%.

由表1可以看出，與CK比較，在輕度虧水(W3)水平下，現(xiàn)蕾期虧水對棉花吐絮期葉面積指數(shù)影響不具有統(tǒng)計學(xué)意義；但在中度虧水(W2)和重度虧缺(W1)下，3個生育期水分虧缺灌溉對葉面積指數(shù)均有顯著的抑制效應(yīng).試驗還發(fā)現(xiàn)，在棉花現(xiàn)蕾期實施輕度虧缺灌溉，復(fù)水后對棉花葉片生長無顯著抑制效應(yīng)；但開花期虧水，對棉花葉面積指數(shù)均有顯著的抑制效應(yīng)，與CK相比，處理W1，W2和W3分別降低了29.56%，22.32%和16.02%.

在吐絮期，與CK比較，在輕度虧水(W3)水平下，現(xiàn)蕾期和結(jié)鈴期虧水對棉花果枝數(shù)沒有顯著的影響.但在中度虧水(W2)和重度虧缺(W1)下，3個生育期虧缺灌溉對果枝數(shù)均有顯著抑制效應(yīng).在開花期實施不同程度虧缺灌溉，對棉花果枝數(shù)均有顯著的抑制效應(yīng)，與CK相比，處理W1,W2和W3分別降低了32.04%,25.24%和22.33%.試驗結(jié)果表明，同一灌水水平下，不同生育期虧缺對棉花株高、LAI和果枝數(shù)抑制效應(yīng)從大到小依次為開花期，結(jié)鈴期，現(xiàn)蕾期.

2.2 對地上干物質(zhì)累積的影響

表2為生育期虧缺灌溉和水平對棉花地上干物質(zhì)累積的影響，ma為地上干物質(zhì)累積量.由表2可以看出，不同生育期虧缺灌溉和水平對棉花地上干物質(zhì)累積的影響在0.05和0.01水平下具有統(tǒng)計學(xué)意義.在現(xiàn)蕾期，生育期虧缺灌溉和交互作用對棉花地上干物質(zhì)累積影響在0.01水平下具有統(tǒng)計學(xué)意義.在此時實施虧缺灌溉，棉花地上干物質(zhì)在現(xiàn)蕾期末，與CK比較，W1，W2，W3水平分別降低了48.28%，30.59%，23.91%.

表2 生育期虧缺灌溉和水平對棉花地上干物質(zhì)累積的影響

在開花期，生育期虧缺灌溉、灌水水平及其交互作用對棉花地上干物質(zhì)積累的影響在0.01水平下具有統(tǒng)計學(xué)意義；此生育期虧水(F)，對棉花地上干物質(zhì)累積有顯著的抑制效應(yīng)，在開花期末，與CK比較， W1，W2，W3水平分別降低了30.04%，24.28%，19.08%.現(xiàn)蕾期虧缺處理在復(fù)水后補償效應(yīng)下，地上干物質(zhì)迅速與CK差距縮小.

在結(jié)鈴期，生育期虧缺和灌水水平對棉花地上干物質(zhì)累積的交互影響在0.01水平下具有統(tǒng)計學(xué)意義；此時期(L)實施虧缺灌溉，棉花地上干物質(zhì)累積有顯著的降低，與CK比較，W1，W2，W3水平顯著降低了15.66%，9.85%和4.23%.在輕度虧水(W3)水平下，現(xiàn)蕾期虧水處理與CK比較，降低了3.46%，說明現(xiàn)蕾期虧水復(fù)水后，補償效應(yīng)顯著；開花期虧水復(fù)水后，補償效應(yīng)不具有統(tǒng)計學(xué)意義，其中重度虧水(W1)水平僅為CK的68%.

在吐絮期，生育期虧缺灌溉和灌水水平對棉花地上干物質(zhì)積累的影響在0.01水平下具有統(tǒng)計學(xué)意義.充分灌溉CK處理地上干物質(zhì)累積量高達25 699.04 kg/hm2，與之相比，3個生育期虧缺灌溉處理地上干物質(zhì)積累均有顯著的降低；其中現(xiàn)蕾期虧水，地上干物質(zhì)累積量降低了3.67%～14.91%；開花期虧水，地上干物質(zhì)累積量降低了23.64%～31.98%；結(jié)鈴期虧水，地上干物質(zhì)累積量降低了4.87%～16.68%.試驗還發(fā)現(xiàn)，在棉花不同生育期實施虧缺灌溉，復(fù)水后補償效應(yīng)均有差異，其中現(xiàn)蕾期虧水復(fù)水補償效應(yīng)顯著，而開花期虧水補償不具有統(tǒng)計學(xué)意義；在同一水分虧缺水平下，對棉花地上干物質(zhì)累積抑制效應(yīng)從大到小依次為開花期，結(jié)鈴期，現(xiàn)蕾期.

2.3 對氮素累積吸收的影響

不同生育期虧缺灌溉和水平對棉花氮素累積吸收量mN的影響如圖2所示，ms為單鈴質(zhì)量，ne為有效鈴數(shù).在棉花整個生育期，棉花對氮素積累吸收隨著生育期的推進逐漸升高，且呈現(xiàn)“慢-快-慢”的規(guī)律.與CK比較，任一生育期實施不同程度虧缺灌溉，棉花對氮素累積吸收均有顯著的抑制效應(yīng)，復(fù)水后有不同程度的補償效應(yīng).

在現(xiàn)蕾期實施不同程度虧缺灌溉，3個水平對氮素累積吸收均有顯著的降低，在盛蕾期，與CK比較，W1，W2，W3水平的氮素累積吸收量分別降低了40.03%，29.10%和20.93%，復(fù)水后補償效應(yīng)顯著，氮素累積吸收量迅速升高.在開花期進行虧水，棉花對氮素累積吸收有顯著的抑制效應(yīng)，復(fù)水后補償效應(yīng)不具有統(tǒng)計學(xué)意義，至吐絮期，W1，W2，W3水平的氮素吸收量分別降低了24.99%，18.11%和15.44%.在結(jié)鈴期虧水，與充分灌溉CK比較，各灌水水平氮素累積吸收量均有不同程度降低，至吐絮期，W1，W2，W3水平的氮素吸收量分別降低了13.06%，9.31%和5.10%.

圖2 生育期虧缺灌溉和水平對棉花氮素積累吸收量、單鈴質(zhì)量和有效鈴數(shù)的影響

2.4 對產(chǎn)量和水分利用效率的影響

2.4.1 對棉花產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

不同生育期虧缺灌溉和水平對棉花有效鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量產(chǎn)生不同程度的抑制效應(yīng)，在同一生育期虧水，隨灌水水平的增加，有效鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量均呈升高的趨勢.在全生育期充分灌溉(CK)下，棉花有效鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量優(yōu)勢明顯，分別高達8.02個和5.05 g.與CK比較，現(xiàn)蕾期輕度虧水(W3)，對棉花單鈴質(zhì)量沒有顯著抑制作用，其余生育期虧缺灌溉處理對棉花單鈴質(zhì)量均有顯著的抑制效應(yīng)，其中開花期虧水處理，單鈴質(zhì)量降低了9.51%～17.20%；其中重度虧水(W1)處理單鈴質(zhì)量僅為4.18 g.

與充分灌溉CK比較，3個生育期虧缺灌溉處理棉花有效鈴數(shù)均有顯著降低；在同一灌水水平下，現(xiàn)蕾期和結(jié)鈴期虧水對棉花抑制效應(yīng)差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.在開花期實施不同程度虧缺灌溉，與CK相比，W1，W2和W3水平分別顯著降低了22.32%，17.21%和15.13%.

2.4.2 對棉花產(chǎn)量和水分利用效率的影響

不同生育期虧缺灌溉和水平對棉花產(chǎn)量和水分利用效率的影響見表3，I為灌水量.不同生育期虧缺灌溉和灌水水平及其交互作用對棉花籽棉產(chǎn)量y、實際耗水量ET、WUE的影響在0.01水平下具有統(tǒng)計學(xué)意義.

由表3可以看出，生育期充分灌溉CK處理籽棉產(chǎn)量達到最大，高達 7 699.09 kg/hm2，與之相比，3個生育期虧缺灌溉處理籽棉產(chǎn)量有顯著降低.在開花期虧缺灌溉處理中，W1，W2和W3水平分別降低了32.38%，24.97%和23.24%，其中重度虧水(W1)水平的籽棉產(chǎn)量僅為5 206.16 kg/hm2.結(jié)果表明：同一程度虧缺水平下，不同生育期對產(chǎn)量的抵制效應(yīng)從大到小依次為開花期，結(jié)鈴期，現(xiàn)蕾期.

表3 生育期虧缺灌溉和水平對棉花籽棉產(chǎn)量、實際耗水量和水分利用效率的影響

與充分灌溉CK比較，在棉花現(xiàn)蕾期實施不同程度虧缺灌溉，復(fù)水后均有顯著的補償效應(yīng)，WUE顯著提高；其中在輕度虧水(W3)水平下，WUE最高，可達1.57 kg/m3，W1和W2水平分別為1.50和1.52 kg/m3.試驗還發(fā)現(xiàn)，在結(jié)鈴期虧水，棉花對水分吸收利用有不同程度的促進效應(yīng)，其中在中度虧水(W2)和輕度虧缺(W3)下，WUE均有顯著升高，均為1.51 kg/m3.在開花期實施不同程度虧缺灌溉，棉花對水分吸收利用均有顯著的抑制效應(yīng)，WUE均顯著低于CK，其中W1水平為最小值，僅1.29 kg/m3.

3 討 論

不同生育期虧缺灌溉對棉花生長、產(chǎn)量和水分利用效率的影響不同，劉素華等[10]發(fā)現(xiàn)，在棉花生育前期輕度虧水不會明顯抑制棉花營養(yǎng)生長，但任一生育期虧水均不利于地上干物質(zhì)生長，且抑制效應(yīng)從大到小依次為花期虧水，結(jié)鈴期虧水，蕾期虧水.本試驗結(jié)果與之類似，在現(xiàn)蕾期虧水，復(fù)水補償效應(yīng)顯著，輕度虧缺(W3)水平對棉花株高、LAI、果枝數(shù)影響不具有統(tǒng)計學(xué)意義；而任一生育期虧缺均不利于地上干物質(zhì)生長，這可能是開花期為棉株營養(yǎng)生長與生殖生長并進，且向生殖生長為中屯、轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵時期，是需水高峰期和臨界期，此時棉花對干旱極為敏感，水分虧缺導(dǎo)致棉株內(nèi)部正常的生理代謝失調(diào)從而引起大量蕾鈴脫落[11].

本研究還發(fā)現(xiàn)，與CK比較，3個生育期實施任何程度水分虧缺，均顯著抑制棉花對氮素的累積吸收，與海興巖[12]研究結(jié)果不盡相同，不同之處在于棉花蕾期水分虧缺，棉株體內(nèi)氮素積累量較CK處理有顯著降低，但復(fù)水后，至盛花期，地上部吸氮總量與CK之間差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.導(dǎo)致不相同的結(jié)果可能是，海興巖試驗在出苗前進行了315 m3/hm2的灌溉，改變了土壤的墑情，有利于棉花生長，而本試驗由于受當(dāng)?shù)乇鴪F灌溉渠系管理的影響，現(xiàn)蕾期前沒進行灌溉.

而申孝軍等[13]研究表明，適時適量水分虧缺有利于提高水分利用效率，在生育前期輕度虧水對生殖生長有一定的促進作用，而在開花后10～40 d, 實施水分虧缺足以造成減產(chǎn)最大以及WUE最低，本試驗發(fā)現(xiàn)與上述研究結(jié)論一致，與CK比較，任一生育期實施虧缺灌溉，棉花有效鈴數(shù)均有顯著降低且最終造成籽棉減產(chǎn)，但在現(xiàn)蕾期和結(jié)鈴期虧水，WUE均有不同程度的提高，其中在輕度虧水(W3)水平下，現(xiàn)蕾期虧水對單鈴質(zhì)量無顯著抑制效應(yīng)，且WUE最高，可達1.57 kg/m3；研究還發(fā)現(xiàn)，在開花期虧水，各處理籽棉產(chǎn)量和WUE均顯著低于CK，其中W1水平籽棉產(chǎn)量減產(chǎn)高達32.38%，且WUE最低，僅為1.29 kg/m3.

4 結(jié) 論

不同生育期虧缺灌溉和水平對棉花株高、葉面積指數(shù)和地上部干物質(zhì)生長、氮素吸收積累、產(chǎn)量以及水分利用效率都產(chǎn)生不同程度的影響，在同一水分虧缺水平下，不同生育期虧缺對棉花生長發(fā)育的抑制效應(yīng)從大到小依次為開花期，結(jié)鈴期，現(xiàn)蕾期；且同一生育期虧缺，隨灌水水平的增加，各項指標(biāo)均呈遞增的趨勢.

1) 現(xiàn)蕾期和結(jié)鈴期虧水，對棉花株高、LAI、地上部干物質(zhì)累積、氮素累積吸收以及產(chǎn)量均有不同程度的抑制效應(yīng).現(xiàn)蕾期虧水，復(fù)水補償效應(yīng)顯著，與CK處理的1.48 kg/m3比較，WUE均有顯著提高；其中在輕度虧水(W3)水平下，WUE高達1.57 kg/m3.結(jié)鈴期虧水，WUE有不同程度的提高；其中在中度虧水(W2)和輕度虧水(W3)水平下，WUE均為1.51 kg/m3.結(jié)果表明：現(xiàn)蕾期輕度虧水，允許在產(chǎn)量不顯著降低的同時，來獲得的更高的水分利用效率.

2) 開花期虧水，對棉花的株高、LAI、地上部干物質(zhì)累積、氮素累積吸收、產(chǎn)量以及WUE均有顯著的抑制效應(yīng)，復(fù)水補償效應(yīng)不顯著；其中W1水平WUE僅為1.29 kg/m3.結(jié)果表明：開花期虧水嚴重影響棉花生長發(fā)育，不利其生產(chǎn).