虧缺灌溉對機采棉水分利用及產量形成的影響

林 濤 ，梅旭榮，郝衛平，田立文，崔建平，郭仁松，王 亮，鄭子漂

(1. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；2.新疆農業科學院經濟作物研究所，烏魯木齊 830091；3.農業農村部荒漠綠洲作物生理生態與耕作重點實驗室，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】水資源短缺、農田蒸發量大，是阻礙新疆地區農業可持續發展的主要問題[1]，優化灌溉措施，提高水分利用效率，實現棉花節水優質高產，研究膜下滴灌條件下，虧缺灌溉對新疆機采棉產量及水分利用效率的影響，對于提質增效和綠色發展具有重要意義[2-4]。【前人研究進展】水分是棉花生長及產量形成最主要的限制因素[5-6]；干旱協迫抑制根系發育，促進根系下扎，增加深層土壤中根系分布[7]，也會降低葉片凈光合速率、氣孔導度和胞間CO2濃度[8]，最終影響光合產物的積累[9]和產量的形成[10]。而水分增加能夠提高棉花光合產物的積累，能夠避免由于水分供應不足而造成的產量下降[11-12]，但水分過量會促進棉花地上部分營養器官的旺盛生長，減小根冠比，使棉花將封行過早，田間透光透氣性變差，使蕾鈴脫落現象嚴重，導致產量下降[13]。水分過高也會使棉花在生育后期易出現倒伏，影響棉花的正常脫葉和吐絮，不利于機械采收。適宜的水分能夠協調棉花根冠生長，維持適宜的根冠比[14]，提高干物質的積累量，能夠協調生殖生長，促進光合產物向產品器官運轉與分配，為保鈴增產創造條件，有充分挖掘節水高產潛力，塑造具有適宜機械采收的棉花群體[15-16]。【本研究切入點】郭仁松等[17]研究發現，輕度調虧灌溉不會降低棉花的凈光合速率和氣孔導度，也能夠優化吐絮效果、降低倒伏率，有利于提高棉花機械采收質量[18]，提高水資源利用效率[19]。研究促進棉花產量和水分利用效率提高合理的灌溉量。【擬解決的關鍵問題】在新疆典型機采棉地區，以新陸早54號為材料，設置5個灌溉定額，研究虧缺灌溉條件下，對棉花光合產物積累與水分消耗的關系，為提高新疆棉花產量、水分利用效率及生物節水提供理論依據，為機采棉高效節水栽培提供理論技術指導。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2016～2018年在新疆阿瓦提縣(N41°06′，E80°44′，海拔1 025 m)農業農村部荒漠綠洲耕作與栽培野外綜合觀測試驗站進行。該站屬暖溫帶大陸性干旱氣候，年均氣溫10.4℃，降水量46.7 mm，蒸發量1 890.7 mm，無霜期211 d，日照時數2 679 h。土壤質地為沙壤土，采用Malvern Mastersizer 2000 激光粒度分析儀(Malvern Instruments Ltd.UK)測得粉粒、砂粒、黏粒質量分數分別為 36.42%、60.72%和2.86%。0～30 cm土層平均土壤容重為1.5 g/cm3，田間持水量23.5%，凋萎系數為7.5%，有機質含量 82.3 mg/kg，全氮4.3 mg/kg，銨態氮 2.5 mg/kg，硝態氮 2.5 mg/kg，速效磷 30.5 mg/kg，土壤pH 6.5。

以新陸中54號為供試材料，10月中下旬收獲，機械覆膜打孔，人工點播，每穴放入3～4粒種子，出苗后保留1棵健壯植株，其余拔除。播種前1個月采用大水漫灌方式灌溉120 mm底墑水，壓鹽造墑，確保出苗。2.05 m寬度地膜覆蓋1膜6行2管方式種植，基本種植單元包括窄行、寬行、裸行配置模式為 [(10+66+10)+66]cm×11 cm。接行距離0.45 m，地膜覆蓋度約為80%。滴灌用毛管位于地膜下方為Φ15內鑲式壓力補償滴灌帶，帶間距90 cm，滴頭間距25 cm，設計滴頭流量2.1 L/h。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用單因子隨機區組設計，灌溉定額分別為225、285、345、405和465 mm(CK，100%作物蒸散需水量，由渦度協方差系統測得)，記為Ir1，Ir2，Ir3，Ir4和Ir5處理。小區面積48 m2(長8.0 m，寬6.0 m)，重復3次。所有小區施肥量和施肥頻率均保持一致，灌溉和施肥頻率均為7 d/次。底肥一次性投入磷酸二銨(P2O553.8%，N 21.2%)450 kg/hm2，硫酸鉀(K2O 51%)225 kg/hm2，尿素300 kg/hm2(N 46.4%)。生育期采用1水1肥灌溉施肥方式追施尿素600 kg/hm2。全生育期灌溉8～10次，6月中旬開始，8月下旬結束。每個小區采用水表和開關單獨控水，小區邊界挖0～50 cm窄溝，采用PVC薄板阻隔。

1.2.2 測定指標1.2.2.1 干物質積累與分配

生育時期分別選取棉株3株，分營養器官(根、莖葉)、生殖器官(蕾、鈴、花)等，在105℃下殺青30 min，轉到80℃下烘干至恒重，測定植株的生物量(AGB)，換算成生育時期階段生物量的變化量。

1.2.2.2 光合產物積累的動力學方程

棉花干物質隨時間變化的量化特征利用利用 Logistic 曲線擬合

(1)

式中，Y為積累量(g/株)，K為理論最大積累量(kg/hm2)，t為生長天數(d)。分別對公式(1)求 1 階、2階、 3 階導數，得到相應生長曲線的快速積累期起始時期(t1)、快速積累期終止時期(t2)、最大積累速率(Vm)、最大積累速率出現時間(tm)

(2)

(3)

(4)

(5)

1.2.2.3 土壤含水量

土壤體積含水量(Soil water content, SWC)采用TDR時域反射儀(TRIME-PICO-IPH, IMKO GmbH, Germany)測定，選取膜面窄行、寬行、無覆膜裸露行3個觀測位點，每個觀測位點取樣深度0～80 cm，每10 cm深度分為一層，取樣間隔為7 d左右，灌溉和降雨前后進行加測。

1.2.2.4 作物蒸散耗水量

蒸散耗水量ETa可以采用水量平衡法決定。

ETa=P+I+Q-R-D-(Wt1-Wt0).

(6)

公式中：P是作物生長季的有效降水量；I是總灌溉量；Q是地下水的補給量；R是地表徑流；D是深層滲漏；Wt0和Wt1分別表示t0到t1時段，0～80 cm 土層土壤儲存水的變化量，公式中所有變量的單位均為mm。試驗區地勢平坦，降雨稀少，灌溉方式為滴灌，依據實地觀測沒有明顯的地表徑流量(R)和深層滲漏量(D)發生，試驗區地下水埋深度超過20 m，對土壤水分的補給作用很微弱，因此，公式(6)可以簡化為：

ETa=P+I-(Wt1-Wt0).

(7)

1.2.2.5 耗水模系數

耗水模系數(Modulus of water consumption, WCM)，即生育階段耗水量占總蒸散耗水量的比值，可用以下公式表述。

(8)

式中：ETai為作物某一生育時期的蒸散耗水量(mm)；ETa為作物全生育期的蒸散耗水量(mm)。

1.2.2.6 產量及產量構成因子

9月到10月下旬，每5～7 d進行1次人工采摘，記錄采摘時間，稱重計算出每次采摘的籽棉產量，最終這算成小區實際產量。同期收獲過程中在連續植株上、中、下部位各選取50個單鈴，曬干稱重(含水率≤11%)，室內軋花考種，分析單株收獲鈴數，皮棉產量和衣分率等產量構成因子。

1.2.2.7 水分利用效率

灌溉水分利用效率WUEI(kg/hm2·mm)和蒸散水分利用效率WUEETa(kg/hm2·mm)。

(9)

(10)

式中：Y籽棉產量(kg/hm2)；I生育期灌溉量(mm)；ETa生育期作物蒸散量(mm)。

1.3 數據處理

采用SPSS v.22.0(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)，LSD法比較顯著性水平(P<0.05)，采用皮爾遜統計進行相關分析。其它數據采用SigmaPlot v.12.0(Systat Software, Inc, USA)和Excel 2003 進行輔助分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 虧缺灌溉對耗水特征的影響

研究表明，生長季ETa均值分別為446.4 、504.9、557.1、624.2和680.1 mm。Ir5處理的ETa均值分別較Ir1～Ir4處理高52.36%、34.70%、22.09%和8.97%。Ir1～Ir5與之對應的灌溉量占耗水量百分比分別為50.38%、56.42%、61.90%、64.85%和68.34%，隨著灌溉定額的增加土壤儲水占總耗水的百分比持續降低，低灌溉定額更能充分發揮土壤的供水作用。

階段耗水量呈花鈴期>蕾期>吐絮期>苗期的變化趨勢，差異主要體現在花鈴期和吐絮期(P<0.05)，花鈴期耗水量為203.53～339.37 mm，耗水模系數為45.9%～50.7%；吐絮期耗水量為77.13～175.07 mm，耗水模系數為17.6%～25.9%；而在苗期和蕾期并無顯著差異(P>0.05)。不同灌溉定額下，同一生育期的耗水模系數具有顯著的處理間差異(P<0.05)。即隨著灌溉定額的增加，生育前期耗水模系數逐漸降低，而生育中后期耗水模系數則逐漸增加，增加灌溉定額有助于耗水向生育中后期集中，能夠緩解水分臨界期的干旱利于產量形成。表1

表 1 虧缺灌溉下耗水模系數和耗水量變化(2016～2018)Table 1 Water consumption percentage and evapotranspiration with different irrigation amounts in the growth stag e from 2016 to 2018

2.2 灌溉定額對光合產物積累與分配的影響

2.2.1 不同灌溉定額下光合產物積累的動力學方程

研究表明，不同灌溉定額單株干物質積累量在90.33～140.57 g/株。最大干物質積累速度維持在1.50～2.77 g/d。生物量快速積累時間出現在DAS 89～DAS 109，維持高速積累的時段在39～49 d。中度虧缺灌溉(Ir3)干物質積累速度大，快速積累期出現較晚，維持時間較短。而高灌溉定額(Ir5)干物質積累速度較大，快速積累期出現適中，并且維持時段適中。低灌溉定額(Ir1)干物質積累速度最低，出現較晚而維持時間最早，維持時段較短，不利于光合產物的增加后期易早衰。表2

表2 不同灌溉定額下棉花干物質積累的Logistic函數生長模型及相關參數(2016～2018)Table 2 The logistic function growth model and related parameters of dry matter accumulation for cotton from 2016 to 2018

2.2.2 灌溉定額對光合產物分配的影響

研究表明，棉花干物質隨灌溉定額的增加呈先增大后降低的變化趨勢，干物質最大積累量出現在Ir3處理，均值為113.3 g/株，Ir1處理干物質量最小，均值達89.3 g/株。其中Ir1～Ir2和Ir3～Ir5處理間無顯著差異(P>0.05)。隨灌溉定額的增加莖葉干物質分配量顯著增加(P<0.05)，其中Ir4～Ir5和Ir1～Ir3范圍內處理間無顯著差異(P>0.05)。隨灌溉定額的增加棉鈴干物質分配量呈先增加后降低的趨勢，Ir3處理分配量最大。其中Ir1、Ir4和Ir5，以及Ir1、Ir2與Ir4處理均無顯著差異(P>0.05)。莖葉占總干物質的比例隨著灌溉定額的增加而顯著增加(P<0.05)，而棉鈴占比則顯著降低(P<0.05)，其中Ir1～Ir3以及Ir4～Ir5處理間無顯著差異(P>0.05)。表3

表3 不同灌溉定額下植株干物質積累及分配變化(2016～2018)Table 3 Plant biomass accumulation and distribution for different irrigation amounts treatments in cotton from 2016 to 2018

2.3 虧缺灌溉對產量及水分利用效率的影響

研究表明，籽棉產量變化范圍在4.76～6.23 t/hm2，皮棉產量2.13 ～2.73 t/hm2，均隨灌溉定額的增加而顯著增加。在低灌溉定額(Ir1～Ir2)以及高灌溉定額(Ir4～Ir5)范圍內籽棉產量和皮棉產量無顯著的處理間差異，而Ir1、Ir3與Ir5差異顯著。其中Ir5處理分別較Ir1～Ir4處理的籽棉產量高30.86%、24.58%、14.86%和8.09%；皮棉產量增加28.13%、22.75%、12.79%和3.80%。高灌溉定額(Ir4～Ir5)獲得了更高的產量，其中Ir5處理的籽棉和皮棉產量分別高于Ir4處理8.09%和3.80%。單株結鈴數、單鈴重主要受灌溉定額、種植年度及其交互作用的影響，是產量變化的主要誘因，并隨著灌溉定額的增加而顯著增加，而衣分的變化主要受年度差異的影響。

灌溉定額與種植年限顯著影響包括WUEIr和WUEETa在內的水分的利用效率。3年均值表明，隨灌溉定額的增加水分利用效率顯著降低(P<0.05)。WUEIr處理間均值16.43 kg/(hm2·mm)，變化范圍21.18～13.41 kg/(hm2·mm)，Ir1較Ir2～Ir5的WUEIr均值分別高20.59%、34.59%、48.68%和57.93%。其中Ir2～Ir3與Ir4～Ir5處理間無顯著差異(P>0.05)，而Ir1、Ir2～Ir3與Ir4～Ir5具有顯著差異(P<0.05)；WUEETa處理間均值9.76 kg/(hm2·mm)，變化范圍10.74～9.14 kg/(hm2·mm)，Ir1較Ir2～Ir5WUEETa均值分別高7.76%、9.71%、15.99%和17.25%。其中Ir1～Ir3、Ir4～Ir5和Ir2～Ir5處理間無顯著差異(P>0.05)，而低灌溉定額(Ir1)與高灌溉定額(Ir4～Ir5)處理間差異顯著(P<0.05)。表4

表4 虧缺灌溉下產量及水分利用效率變化(2016～2018)Table 4 Effects of different deficit irrigation treatments on yield and water use efficiency from 2016 to 2018

3 討 論

3.1 虧缺灌溉對棉田耗水結構的影響

作物不同生育階段的水分需求與利用特征，對于提高作物水分利用效率和實行科學節水補灌具有重要意義和參考價值[20]。研究表明，虧缺灌溉能夠降低作物全生育期的耗水強度[21]，有可能是灌溉量的降低，抑制了根系的發育，從而阻礙了根系對土壤水的利用[22]。翟超等[23]研究發現，隨著灌溉量的增加，棉花生育期總耗水量呈現遞增趨勢，其中花鈴期水分虧缺對生長影響最大，增加灌溉量能夠提高花鈴期的耗水模系數，從而緩解水分臨界期干旱，這有可能是水分虧缺條件下，棉花不減產的重要原因。但當灌溉量過大時，會提高深層土壤滲漏[26]，降低了作物對土壤水分的充分利用。因此，適當的減少灌溉量，能夠提高土壤儲水占總耗水的百分比，使得低灌溉定額更能充分發揮土壤的供水作用，有利于灌溉水分利用效率進一步得到提高。

3.2 虧缺灌溉對棉花產量形成和水分利用效率的影響

灌溉會影響植株生長發育，使光合產物積累量發生改變[27]，是影響產量的重要因素之一[28]。灌溉量不足首先表現在作物生物量積累相對下降，最終降低了同化物向生殖器官的轉移。前人研究發現，適當的虧缺灌溉能夠提高干物質積累量及轉運率[29]，從而提高經濟器官的分配量[30]。劉朋程等[31]研究發現，輕度虧缺灌溉能夠提高棉花干物質積累與分配，保持棉花不減產(增產)，若灌溉量過低，雖然可以獲得較高的水分利用效率，但使得作物產量明顯降低，若灌溉量過高，無法達到明顯的增產效果[32]，這一研究結果與研究基本一致。這有可能是灌溉量過低不利于光合同化物的積累，而灌溉量過大不利于同化物向棉鈴運輸[33]，導致單株結鈴數和單鈴重明顯下降，從而不利于產量的形成。

4 結 論

隨著灌溉定額的增加，棉花生育前期耗水量占總耗水量的比例降低，而生育中后期耗水量比例則明顯增加，增加灌溉定額能夠提高棉花干物質積累量，而適當的進行虧缺灌溉，有利于干物質積累量向生殖器官的轉移，使得單株結鈴數和單鈴重顯著提高，在新疆典型機采棉地區，在棉花生育期實際耗水量465 mm的基礎上，降低12%的灌溉量，不會顯著降低棉花產量，有利于水分利用效率的提高，超出此下限，雖然能夠提高水分利用效率，但會造成棉花產量顯著下降，不能達到節水增產的效果。