水分傳感器位置及灌水閾值對膜下滴灌棉花生理指標及產量的影響

王風姣，王振華，張金珠，李文昊

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

新疆地處我國西北地區，氣候干旱少雨，而農業用水需求量大，占新疆用水總量的90%以上[1]，水資源利用效率較低，尤其是農業用水不高[2]。農業節水灌溉技術在新疆發展較快，自1996年新疆生產建設兵團推廣膜下滴灌技術以來，現在膜下滴灌總面積已超過266 萬hm2，是全國應用滴灌技術最大的地區[3]。自動化灌溉系統是世界先進國家發展高效農業節水的重要舉措[4]，水分傳感器位置與灌水閾值相結合，能夠長期定點監測不同土層含水率，對高效利用水資源，提高棉花產量具有重要意義。

近年來，滴灌灌溉控制的研究及應用基本僅限于溫室蔬菜或花卉等，關于不同水分傳感器位置及灌水閾值對棉花生理生長及產量的影響研究較少。申孝軍等[5]研究發現：土壤水分測點垂直方向0～10、20～30、40～50和60～80 cm 4個深度相結合后，能夠比較準確地反映土壤剖面的信息，膜下滴灌棉田土壤水分傳感器可布設在此處。李芳松[6]提出監測點布設在地表下20～40 cm深度較合理，若長期監測墑情，監測點布設在地表下30～40 cm土層范圍內較好。因此，基于前人研究結果并結合當地的具體情況，本試驗水分傳感器位置布設在地表下20、40、60 cm。

自動化控制灌溉系統是通過設定合適的灌水閾值控制灌溉。劉建軍等[7]認為滴灌棉花土壤含水率保持在 60%～80%田間持水率時，作物耗水分布及水分利用率達到較好效果。俞希根 等[8]通過大田試驗，得出膜下滴灌棉花4個生育階段合適的土壤水分下限(占田間持水率的百分數)分別為55%、60%、70%、55%。綜上表明設定適宜的灌水閾值，可以使土壤水分保持在合適水平，對尋求適宜的灌溉制度起積極作用。

本文通過大田試驗，研究滴灌條件下不同水分傳感器位置、灌水閾值因素對棉花生理生長及產量的影響，以期為新疆滴灌棉花的優質高效栽培及其棉田水分有效利用提供理論指導和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017年4-10月在現代節水灌溉兵團重點實驗室暨新疆石河子大學節水灌溉試驗站(85°59′E、44°19′N，海拔451 m)進行。試驗站位于石河子市西郊石河子大學農試驗場二連，平均地面坡度為0.6%，年均日照數為2 865 h，多年平均降水量207 mm，平均蒸發量1 660 mm，年均溫7.7 ℃，其中>10 ℃積溫為3 463.5 ℃，>15 ℃積溫為2 960.0 ℃，無霜期170 d，地下水埋深大于10 m，土壤質地為中壤土，0～100 cm土壤平均容重為1.60 g/cm3，田間持水率(質量含水率)18.65%。

1.2 試驗設計

采用大田試驗，小區規格為40 m×4.5 m=180 m2，試驗區總面積約0.144 hm2，設置高等、中等、低等3個灌水閾值與3個水分傳感器位置(20、40、60 cm)，設計9個試驗小區，與1個常規灌溉小區作為對照，各處理3次重復，小區排序按灌溉決策系統記錄灌水頻率遞增編號，見表1。小區之間設置保護區，土壤溫濕度傳感器埋設于保護區中間滴頭正下方20、40、60 cm，防止水分滲透影響處理效果，傳感器探針緊實地插入土層中，之后將挖出的土壤按照水土重量比10∶1進行回填，灌溉決策系統利用水分傳感器感知作物根區土壤含水率各階段設計的灌水下限時開始灌溉，土壤含水率達到預期灌水上限時結束灌溉。

表1 水分傳感器位置與灌水閾值試驗設計Tab.1 Moisture sensor location and irrigation threshold test design

試驗選取棉花品種“農豐133”，播種方式采用一膜兩管四行，平均株距10 cm，種植模式見圖1。4月18日播種(干播濕出)，播種深度為3～4 cm， 4月25日出苗，9月4日開始采摘。灌溉水為試驗基地深層地下水，礦化度低于0.3 g/L，各小區施肥尿素和磷酸鉀銨按照2∶1的比例進行施肥，試驗小區按比例隨水施肥，用縮節胺化控4次。灌溉系統由自動化灌溉軟件、土壤溫濕度傳感器以及田間灌溉控制器組成。滴灌帶選用單翼迷宮式滴灌帶，外徑16 mm，壁厚0.3 mm，滴頭間距30 cm。供水系統以水泵加壓，管道內水壓由管道前部壓力表進行監測，支管閘閥開閉程度調節控制管道內壓力至0.06 MPa，此時滴頭流量為1.2 L/h。

圖1 棉花種植模式及傳感器布置(單位:cm)Fig.1 Cotton planting patterns and sensor layout

1.3 測定項目和方法

1.3.1 光合生理指標

在棉花蕾期(6月15日)、花鈴期(8月15日)、吐絮期(9月6日)使用美制CI-340型手持式光合儀測定棉花的光合特性。測定葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)等光合生理指標。各小區隨機選取3株棉花，每株選取棉花功能葉3片，在各生育期晴朗無云的一天，測量時間為10∶00-20∶00(北京時間)，每隔2 h測定一次并取其平均值。根據測定的數據計算葉片光合作用氣孔限制值(Ls)[9]、葉片水分利用效率(WUE)[10]。其計算公式為：

WUE=Pn/Tr

(1)

Ls=1-Ci/Ca

(2)

1.3.2 生長指標

(1)株高H。每個小區選取長勢均勻的3株植株并標記，從苗期開始自子葉節至頂部第一片展開葉片的高度，每隔15 d左右對所選取的植株觀測一次。

(2)葉面積。每個小區選取長勢均勻的3 株植株并標記，在不破壞植株生長的情況下，用直尺對葉片進行測量，葉長為從葉片基部到葉尖，葉寬為葉片最寬處，累計算出每株葉面積，每隔15 d對所選植株觀測一次。

棉花單株葉面積=葉長×葉寬×0.84[11]

(3)

葉面積指數LAI=單株葉面積×

單位土地面積株數/單位土地面積[3]

(4)

1.3.3 產量指標

收獲時，每個小區隨機取中間行的5株棉花，測定單株鈴數、單鈴質量及籽棉產量。

1.3.4 數據處理與分析

研究獲得的數據借助Excel 2013進行分析，方差分析借助SPSS 17.0軟件完成，用Origin 2017完成繪圖。

2 結果與分析

2.1 水分傳感器位置及灌水閾值對棉花光合生理指標的影響

表2、3、4是不同水分傳感器位置及灌水閾值處理即自動化控制灌溉處理，對滴灌棉花各生育期凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、細胞間CO2濃度(Ci)、氣孔限制值(Ls)和葉片水分利用效率(WUE)的影響。其中水分傳感器位置對棉花Pn、Tr、Gs、Ci、Ls、WUE的影響達到極顯著水平(P<0.01)；灌水閾值對棉花Pn、Tr、Gs、Ci、Ls、WUE的影響不顯著(P>0.05)；水分傳感器位置及灌水閾值對棉花Pn、Tr、Gs、Ci、Ls、WUE的影響達到極顯著水平(P<0.01)。

2.1.1水分傳感器位置及灌水閾值對滴灌棉花凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)的影響

由表2可知，自動化控制灌溉處理的滴灌棉花Pn、Tr在花鈴期(6月20日)出現最大值均出現在T5處理，最大值高達31.44 μmol/(m2·s)、5.25 mmol/(m2·s)，最小值均出現在CK，最小值分別為21.01 μmol/(m2·s)、4.39 mmol/(m2·s)。T5相對于CK分別增加49.64%、19.59%。當水分傳感器位置一定時，Pn、Tr隨著灌水閾值的增加呈 “Λ”趨勢變化，具體表現為T2蕾期>吐絮期。

2.1.2水分傳感器位置及灌水閾值對滴灌棉花氣孔導度(Gs)、細胞間CO2濃度(Ci)及氣孔限制值(Ls)的影響

氣孔是水分和CO2交換的重要通道。由表3知，自動化控制灌溉處理的滴灌棉花各生育期T2～T9較CK差異性顯著(P<0.05)，T1較CK差異性不顯著(P>0.05)。但整體上隨棉花生育階段呈現出“上升—下降”的變化趨勢，蕾期至花鈴期氣孔導度值增加，而后花鈴期至吐絮期氣孔導度值下降，與凈光合速率變化趨勢一致。Gs最大值出現在T5處理，較CK增加31.35%。

由表3知，自動化控制灌溉處理的滴灌棉花的胞間CO2濃度(Ci)的變化趨勢與Pn、Tr、Gs變化相反，呈現出的季節變化特征，表現為花鈴期<蕾期<吐絮期。最大值出現在棉花吐絮期的T5處理，為458.19 μmol/mol；CK出現的最小值為361.78 μmol/mol，T5較CK增加26.64%。當水分傳感器位置在40 cm時，棉花細胞間CO2濃度T5處理最大，T2處理最小。此時中等灌水閾值、40 cm水分傳感器位置(T5)自動化控制灌溉處理最優。

由表4知，自動化控制灌溉處理的滴灌棉花氣孔限制值(Ls)呈現出的季節變化特征為蕾期>花鈴期>吐絮期，這可能與棉花生育后期葉肉細胞光合活性降低有關。在棉花花鈴期(6月20日)CK出現最大值為0.46，此時T5出現最小值為0.25，CK較T5增加84%。

判斷植物光合作用是否為氣孔限制因素的基礎是細胞間CO2濃度(Ci)和氣孔限制值(Ls)的變化規律[12]。通過以上分析可知，Pn、Tr、Gs、Ls均隨棉花生育期的推進呈現減少的趨勢，而Ci是隨著生育期的推進而增加。在花鈴期(6月20日)，水分傳感器位置在40 cm時，隨著灌水閾值的增加，Pn、Tr、Gs、Ci呈“Λ”形變化，而Ls呈“V”變化，這說明同一傳感器深度，隨著灌水閾值增大，Pn、Tr、Gs、Ci會受到水分的脅迫而降低。還可以看出，吐絮期的Pn、Gs、Ls均小于蕾期，而Ci卻大于蕾期，可能是由于長時間水分脅迫抑制卡爾文循環酶(如Rubisco、PECP等)的活性，從而導致Pn下降。

土壤墑情對棉花光合特性有重要影響，本試驗通過探求合適的灌水閾值與水分傳感器位置的自動化控制灌溉處理，確保棉花主要根系分布區有充足穩定的水分供給，棉花的光合特性得到提高，進而增加棉花產量。通過光合指標得出，T5的效果最佳。

2.1.3水分傳感器位置及灌水閾值對滴灌棉花葉片水分利用效率(WUE)的影響

葉片水分利用效率是指通過蒸騰作用散失單位水量時光合作用創造的有機物量，稱為水分利用效率的理論值[13]。由表4可知，與CK相比，T1處理葉片水分利用效率差異不顯著(P>0.05)，T2～T9處理較CK差異顯著(P<0.05)。花鈴期(6月20日)T5處理出現最大值較CK增加25.05%。花鈴期葉片水分利用效率顯著高于吐絮期，這可能是由于花鈴期棉花生理活動比較活躍，水分利用效率提高。花鈴期水分傳感器位置40 cm、中等灌水閾值即T5，自動化灌溉對WUE有促進作用。

表2 不同水分傳感器位置及灌水閾值處理對棉花凈光合速率和蒸騰速率的影響Tab.2 Effect of different moisture sensor position and irrigation threshold on net photosynthetic rate and transpiration rate of cotton

注：*表示差異顯著(P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01)；同列數值后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

表3 不同水分傳感器位置及灌水閾值處理對棉花氣孔導度和細胞間CO2濃度的影響Tab.3 Effect of different moisture sensor position and irrigation threshold on stomatal conductance and intercellular CO2 concentration in cotton

表4 不同水分傳感器位置及灌水閾值處理對棉花水分利用效率和氣孔限制值的影響Tab.4 Different moisture sensor location and irrigation threshold on water use efficiency and stomatal limitation

2.2 水分傳感器位置及灌水閾值對滴灌棉花生長的影響

棉花生長的優劣，直接反映棉花植株在不同自動化控制灌溉處理下對水分的吸收利用情況，間接地影響棉花的產量。圖3顯示不同自動化控制灌溉處理對棉花株高及葉面積指數的影響。水分傳感器位置對棉花株高、葉面積指數的影響顯著(P<0.05)；灌水閾值對棉花株高、葉面積指數影響不顯著(P>0.05)；自動化控制灌溉對棉花株高、葉面積指數影響極顯著(P<0.01)。

2.2.1 水分傳感器位置及灌水閾值對滴灌棉花株高的影響

株高是反映棉花生長狀況的重要指標，它直接影響著棉花密度及光能利用，同時也能反映各生育期內棉株生長發育情況[14]。由圖2(a)知，不同自動化控制灌溉處理棉花株高最大值為T5處理，較CK增加24.35%。水分傳感器位置一定時，隨灌水閾值的增加，棉花株高呈“Λ”趨勢，具體表現為T10.05)。因此，水分傳感器位置因素對滴灌棉花株高的影響明顯高于灌水閾值因素。

2.2.2水分傳感器位置及灌水閾值對滴灌棉花葉面積指數的影響

葉面積指數(LAI)是作物群體結構的重要指標之一，也是衡量作物生長性狀是否適當的標志[15]。由圖2(b)知，不同自動化控制灌溉處理下棉花葉面積指數為3.14～4.57，最大值T5處理比最小值CK處理高45.54%。葉面積指數與株高變化規律相似，水分傳感器位置一定時，隨灌水閾值的增加，具體表現為T10.05)。因此，水分傳感器位置對棉花葉面積指數的影響大于灌水閾值。

圖2 不同水分傳感器位置及灌水閾值處理對棉花株高及葉面積指數的影響Fig.2 Effect of different moisture sensor positions and irrigation thresholds on plant height and leaf area index of cotton

2.3 水分傳感器位置及灌水閾值對滴灌棉花產量的影響

自動化控制灌溉的不同處理對棉花產量及其構成因素的影響見表5。由表5知，水分傳感器位置對單株鈴數、單鈴質量、籽棉產量有顯著性差異(P<0.05)；灌水閾值對單株鈴數、單鈴質量、籽棉產量無顯著性差異(P>0.05)；水分傳感器位置及灌水閾值對單株鈴數、單鈴質量、籽棉產量有極顯著性差異(P<0.01)。

由表5看出，相對于CK增產最大的是T5，最大增產率為32.54%。隨著灌水閾值的增加，棉花單株鈴數、單鈴質量、籽棉產量均呈“Λ” 趨勢變化，具體表現為T2

2.4 棉花產量與其他指標間的相關關系

產量是衡量棉花的重要經濟指標，與棉花的生理生長存在一定的關系。圖3顯示，產量與凈光合速率、葉片水分利用效率均呈三次曲線關系，決定系數分別為R2=0.84、R2=0.26，這說明產量與凈光合速率密切相關，產量與葉片水分利用效率相關性不大。圖4顯示，產量與株高、葉面積之間分別呈線性關系、三次曲線關系，決定系數分別為R2=0.49、R2=0.78，這說明棉花產量與株高關系不大，而葉面積顯著影響棉花產量。

表5 不同水分傳感器位置及灌水閾值處理下產量及其構成因素的變化Tab.5 Different moisture sensor location and irrigation threshold under the changes of yield and its components

圖3 棉花產量與Pn、WUE的相關關系Fig.3 Correlation between cotton yield and Pn, WUE

圖4 棉花產量與株高H和葉面積S的相關關系Fig.4 Correlation between cotton yield and plant height H and leaf area S

3 討 論

土壤水分對作物生理生長及產量有重要作用，當水分傳感器位置與灌水閾值達到最優時，能夠提高棉花產量。本文通過田間試驗，研究了不同水分傳感器位置與灌水閾值處理對滴灌棉花生理生長及產量的影響，以期為新疆自動化控制灌溉技術提供指導。

水分傳感器可以長期定點監測土壤水分，較傳統的取土烘干法具有省時、省力、數據連續性強的優點。因此，國內外學者對水分傳感器位置進行了大量的研究。本試驗水分傳感器布設在棉花根系水分吸收的臨界區域，將2個探頭布設在根域層的2個深度處，有助于更好地反映棉花植株生長狀況，這與Hagan[16,17]研究結果相似。本試驗條件下，得出水分傳感器位置在40 cm時，能較好地反映土壤水分信息。這與申孝軍等[5]研究結果相似。

自動化控制灌溉系統大多通過設定土壤水分上下限，即灌水閾值控制灌溉。影響灌水閾值的因素很多，它因作物種類、種植環境的土壤質地和種植模式等因素不同而不同。本研究在棉花各個生育期分別設定3種灌水閾值，結果表明在棉花苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期對應40 cm土層灌水閾值(田間最大持水量百分數)分別為60%～65%、65%～70%、75%～80%、65%～70%時，棉花的生理生長及產量達到最大值，這和李彥[18]研究結果有差異，可能與水分傳感器位置、種植環境以及種植模式的不同有關。棉花適宜灌水閾值對實際生產有很好的指導意義，通過對土壤水分定量的調控，實現適時適量灌溉，進而減少地表無效蒸發，最終提高水分的利用效率。

前人對土壤水分對棉花光合作用的影響進行了較多的研究，但針對自動化控制灌溉的水分傳感器位置、灌水閾值對棉花的生長發育影響的研究較少。本試驗研究發現棉花花鈴期灌水閾值在75%～80%時棉花能夠獲得高產，這與羅洪海[19]研究結果有差異，可能與試驗地不同環境因素有關。

不同水分傳感器位置與灌水閾值導致土壤含水率存在差異，進而影響棉花光合作用。凈光合速率(Pn)與蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)及氣孔限制值(Ls)密切聯系，說明棉花光合作用是一個有機統一的過程，各光合因子之間相互作用，土壤水分通過控制棉花蒸騰速率、胞間CO2濃度及氣孔導度影響凈光合速率的大小。本試驗得到的最佳自動化控制灌溉處理，是在設定水分傳感器位置與灌水閾值基礎上得到的，未建立相應的數學模型，部分結果還需長期驗證。

4 結 論

(1)水分傳感器位置因素對棉花葉片光合特性[凈光合速率Pn、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、葉片水分利用效率(WUE)]、棉花株高、葉面積均影響顯著，Pn、Tr、Gs、Ci、WUE、Ls、棉花株高、葉面積最大值分別為31.44 μmol/(m2·s)、5.25 mmol/(m2·s)、432.61 mmol/(m2·s)、458.19 μmol/mol、5.99 μmol/mmol、0.46、73.58 cm、1 547.52 cm2。水分傳感器位置與灌水閾值對棉花光合生理指標、生長指標以及產量均影響顯著。

(2)滴灌條件下，不同自動化灌溉處理對棉花葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)最大值均在T5處理。棉花凈光合速率與蒸騰速率、氣孔導度之間密切相關，葉片通過控制氣孔導度的開放大小來影響棉花凈光合速率和蒸騰速率，其歸因于氣孔因素。棉花產量與葉面積S有較好的相關關系，葉面積S在一定程度上能反映棉花產量。

(3)本試驗條件下，全面考慮水分傳感器位置、灌水閾值、生理生長及產量等因素，認為自動化控制灌溉處理為T5時比較適宜，該研究為節水灌溉管理方面提供重要依據。

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