增溫水滴灌對棉花生物量、養分吸收及產量的影響

孟阿靜，齊瑩瑩，付彥博，王治國，王新勇，馮耀祖

(1.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆農業科學院科技成果轉化中心，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】棉花是喜溫作物，溫度是影響棉花生長發育，物質代謝的重要能量因素[1]。棉花亦是溫度敏感型作物，溫度過高會導致棉株呼吸強度增加，光合速率下降，引起光合產物缺失，棉株生理性早衰，導致減產[2-4]，溫度過低會引起棉花活性氧積累而引起氧化脅迫，導致棉花生長發育失調，品質下降，減產等[5]。適宜溫度對棉花生長發育、提高產量和品質具有重要意義。【前人研究進展】膜下滴灌技術作為一種節水高產的灌溉技術，在新疆棉花種植中廣泛應用。棉花膜下滴灌推廣多與地下水開發配套進行，地下井水水溫低，春季井水平均水溫約9℃[6]，一般夏季井水溫度為10～15℃，80%的棉花滴灌時抽取地下井水不進行任何增溫處理就滴入棉田，而低溫井水與土壤環境溫度存在差異，進入土壤必然會與其發生熱量交換與轉移。土壤水熱分布狀況是作物優質高產的關鍵環境條件之一，土壤水分和溫度的適宜范圍是作物良好生長的重要土壤環境參數，不適合的土壤水分、溫度環境將明顯改變作物的正常生長，馮玉龍[7]研究發現，土溫對植物的影響是多方面的，它影響植物的生長模式、地上地下干物質的積累和根冠比。灌溉水溫變化對作物生長發育，及對養分的吸收利用都有著重要影響，是土壤肥力的重要影響因素之一[6]。陳先根[8]在研究灌溉水溫對二季稻的影響時發現低溫灌水后二季水稻發苗慢，有效穗和穗粒數減少，結實率降低，導致減產32.1%～56.5%。劉盈茹[9]研究低溫水灌溉對花生植株生長動態的影響表明，低溫水灌溉可顯著降低花生株高，減少主側莖莖節數、總分枝數和有效分枝數，延長新生葉片出葉時間、降低新生葉片數量。隨灌溉水溫的降低，對植株生長的影響越明顯。而吳佳鵬[10]研究發現，低溫水灌溉對小麥的生長影響較小。【本研究切入點】不同作物對溫度敏感性不同，不同作物對低溫水灌溉的響應不同，目前有關棉花滴灌技術研究多集中灌溉方式[11-12]、水氮耦合[13-14]、水鹽調控[15-16]等方面，而有關滴灌灌溉水溫對棉花生長影響的研究少有報道。亟需研究增溫水滴灌對棉花生物量、養分吸收及產量的影響。【擬解決的關鍵問題】以棉花為材料，研究增溫水滴灌與井水滴灌相比棉花的生長、干物質分配、養分吸收及產量的差異，為新疆低溫井水滴灌技術提出應對措施。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2015年4～10月在新疆烏魯木齊市國家灰漠土肥力與肥料效益重點野外科學觀測試驗站(N：43°95′26″，E：87°46′45″)進行。該試驗站位于新疆烏魯木齊市以北22 km 的新疆農業科學院安寧區綜合試驗場內。國家灰漠土肥力與肥料效益重點野外科學觀測試驗站，海拔高度約680 m，4月20日～10月20日棉花生育期平均氣溫20.25℃，年降水量約230 mm，年蒸發量2 000 mm左右，年均日照時數2 594 h，無霜期156 d，屬干旱半干旱荒漠氣候。試驗土壤類型為中度熟化的灰漠土。表1

表1 試驗地土壤基本情況

試驗設6個小區，每個小區面積9.6 m2。全生育期灌水量為3 800 m3/hm2，每周灌水1次，共灌水12次；全生育期共施入尿素、磷酸二銨、磷酸二氫鉀為300、300、75 kg/hm2，其中尿素30%基施，70%追施，磷酸二銨、磷酸二氫鉀全部基施；播種日期為4月27日，調查采樣日期分別為6月16日(蕾期)、7月2日(初花期)、7月18日(花鈴期)和8月14日(盛鈴期)，10月1日測產收獲。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

設置增溫水灌溉(ZW)和井水灌溉(CK)2個處理，ZW處理是將從井里抽出的水，流入容積400 L的桶中，桶內置一增壓泵與即時熱水器相連，即井水流入儲水桶中，增壓泵將水泵入熱水器中，加熱后在流入桶中，當桶中溫度升至30℃[17]及膜下滴灌棉花土壤溫度動態變化規律確定[18]時進行灌溉；CK處理即直接用井水灌溉，通過瞬時溫度計測定滴頭溫度，ZW處理滴頭溫度為28～32℃，CK處理滴頭溫度16～19℃。圖1

注：1.水源Water；2.出水口Water outlet；3.即時熱水器Instant water heater；4.控水閥Control water valve；5.儲水桶Storage bucket；6.出水口Water outlet；7.入水口Entry nozzle；8.潛水泵Submersible pump；9.回水管Return pipe；10.瞬時溫度計Instantaneous thermometer；11.調壓閥Pressure regulating valve；12.水表Water meter；13.控水閥Control water valve；14.施肥罐Fertilization pot；15.壓力表Pressure gauge；16.滴灌支管Drip irrigation pipe；17.毛管Capillary

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 生物量

各生育期每處理選取連續固定的10株棉花測定株高和莖粗；每處理采用全收獲法，將棉株分成根、莖、葉和蕾鈴器官、然后將各部分樣品帶回室內，于105℃殺青30 min后，70℃烘干至恒重(101-3A 電熱鼓風恒溫干燥箱，北京永光明醫療儀器廠)，稱量記錄(500 g/0.01 g，常熟市金羊天平儀器廠)。

根重比(Root mass ratio，RMR)=根生物量/總生物量；

莖重比(Stem mass ratio，SMR)=莖生物量/總生物量；

葉重比(Leaf mass ratio，LMR)=葉生物量/總生物量；

根葉比(Root/leaf ratio，RLR)=根生物量/葉生物量；

根冠比(Root/shoot ratio，R/S)=地下(根)生物量/地上生物量。

各生育時期不同處理選取長勢相同的3株棉花，將整株葉片取下，分別用型號為3R-HSA670BT便攜式葉面積儀測定單個葉片面積，將葉面積相加得到單株葉面積，將葉片在70℃的烘箱內烘干至恒量，稱干質量，比葉重(LMA)為葉面積/葉片干質量。

1.2.2.2 養分

棉株樣用H2SO4-H2O2消化法處理，分析氮(N)用凱氏定氮法，磷(P2O5)用鉬銻抗比色法，鉀(K2O)用火焰光度計法。

1.2.2.3 產量

棉花吐絮期調查小區總鈴數、總株數，計算單株鈴數；各小區分3次取棉株上、中、下部位各50 朵，測定單鈴重。各小區單打實收計產。

1.3 數據處理

數據采用Excel和SPSS 23.0進行數據統計分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 增溫水滴灌對棉花生長的影響

研究表明，增溫處理促進了棉花各生育期的株高增加，4個時期中增溫處理棉花株高分別比對照高出8.2、8.63、7.59和6.4 cm，增幅分別為17.95%、13.52%、11.25%和9.03%，其中蕾期、初花期、花鈴期差異極顯著(P<0.01)，盛鈴期差異顯著(P<0.05)；增溫處理對不同生育時期單株葉面積也有明顯促進作用，4個時期單株葉面積分別比對照高出153.27、235.88、133.74和84.56 cm2，增幅分別為25.08%、32.24%、12.03%、7.02%，其中蕾期、初花期時，差異極顯著(P<0.01)，花鈴期時差異顯著(P<0.05)；但增溫處理對棉花莖粗和比葉重影響不顯著。圖2

注：a、b、c 等不同字母表示同一測定時間內同一列數值在P<0.05水平上的差異顯著性；A、B、C等不同字母表示同一測定時間內同一列數值在P<0.01水平上的差異顯著性，下同

2.2 增溫水滴灌對不同生育時期棉花干物質積累的影響

研究表明，增溫水滴灌對棉花生物量積累影響不同生育時期表現不一。在蕾期，ZW處理單株棉花總生物量為21.31 g，相比于對照14.94 g增加了42.63%，除了根系生物量外，ZW對棉花葉片、莖及蕾鈴生物量均具有明顯促進作用，其中葉片生物量較CK增加2.65 g，增幅達39.8%(P<0.01)，莖生物量增加3.05 g，較對照增幅達51.51%(P<0.01)；初花期ZW處理下棉花單株總生物量、根生物量、葉生物量較對照分別增加了8.92、1.16、3.97 g，增幅分別為31.23%、40.84%、52.03%(P<0.01)，莖生物量與蕾鈴生物量也有所增加，但未達到顯著性差異(P>0.05)；花鈴期時，ZW處理下棉花總生物量、葉生物量分別為45.11和14.03 g，與對照相比增幅分別為21.52%、15.76%(P<0.05)；盛鈴期時，ZW處理下葉、莖及棉株總生物量、較CK明顯增加(P<0.05)，但蕾鈴干重卻略有降低。表2

表2 不同增溫滴灌下單株棉花各生育時期生物量變化

2.3 增溫水滴灌對棉花生物量分配的影響

研究表明，蕾期時，增溫滴灌使棉花根重比，葉重比，根葉比及根冠比有所降低，其中根重比和根冠比降幅達顯著水平(P<0.05)，莖重比有所增加但增幅不明顯，蕾鈴重比例顯著增加(P<0.05)增幅達50%；初花期時，ZW處理與CK相比，根重比，葉重比有所增加，莖重比和蕾鈴重比例有所降低，但差異均不顯著，就根葉比和根冠比而言，根葉比與CK相比比例有所增加，而根冠比比例略有降低，但均未達顯著性差異，初花期時增溫滴灌使棉花生物量分配于根和葉片的比例增加；花鈴期時，2處理相比，根重比、葉重比和蕾鈴重比比例有所降低，莖重比比例增加明顯，根葉比和根冠比比例也有所降低但均未達到顯著水平，花鈴期增溫使生物量向莖的分配增加，而其余部位分配比例均有所減少；盛鈴期增溫處理的棉花莖重比較CK增加了10%(P<0.05)，蕾鈴重比與對照相比減少了5.1%，葉重比與根葉比分別比對照增加2%，根重比與根冠比較較對照無差異，盛鈴期增溫滴灌使棉花生物量多分配于莖，而蕾鈴重比例減少。表3

表3 不同增溫滴灌下棉花各生育時期生物分配格局變化

2.4 增溫水滴灌對棉花速效養分吸收量的影響

研究表明，ZW處理棉花各部位速效氮吸收量大致表現為鈴>葉>莖>根,這與CK處理各部位N素吸收量一致；ZW處理各器官N素吸收量均比井水灌溉處理高，其中鈴器官吸收量為122.94 kg/hm2，與CK相比，吸收量增加了69.7%(P<0.05)；其余器官吸收量均有所增加，但差異不顯著(P>0.05)，ZW處理下棉花整株N素吸收量為222.42 kg/hm2，較CK增加了57.4%(P<0.01)，ZW處理可以明顯促進植株對N素的吸收。

ZW處理中P2O5吸收表現為鈴>葉>莖>根，CK表現為鈴>莖>葉>根；ZW與CK相比，莖中P2O5吸收量略有降低但差異不顯著(P>0.05)，鈴、葉、根中P吸收量分別為47.63、8.63、2.53 kg/hm2，較CK分別增加了33.1%、24.4%、20.9%；其中鈴器官對P2O5的吸收與CK相比差異顯著(P<0.05)，增溫水灌溉可以促進棉花植株尤其是鈴器官對P2O5的吸收。

2處理中棉花各器官K2O吸收量表現為鈴>葉>莖>根。與CK相比，ZW處理下棉花各器官對K2O的吸收均有所增加，不同器官增加量有所不同，根、莖、葉、鈴中吸收量分別為8.23、37.53、35.80和129.38 kg/hm2，較CK分別增加了23.62%、53.81%、62.99%、33.95%，除根部外，其余部位K2O吸收量與CK相比，差異顯著(P<0.05)。圖3

圖3 棉花各器官養分吸收量

2.5 增溫水滴灌對棉花產量的影響

研究表明，ZW處理下棉花單株結鈴數較CK均有所增加，增幅為18.54%，單株鈴重減少8.86%，最終增產7.29%。表4

表4 不同增溫水滴灌下棉花產量變化

3 討 論

低溫會對棉花的生長發育產生重要影響[19]，李志博[20]研究表明，低溫下，棉花長勢緩慢，葉片SPAD值降低，葉片凈光合速率下降，生長發育受到脅迫。膜下滴灌多采用井水直接灌溉，而井水溫度一般在0～15℃，研究表明，低溫水灌溉對作物均有較大影響。

研究結果表明，增溫滴灌可以明顯促進棉花株高、葉面積及比葉重，莖粗也有所增加，增加灌水溫度可以促進棉花生長，葉面積和比葉重的增加能增強棉花光合作用，固定更多的CO2[21]。

作物高產、優質是以較高的生物量為前提[22]。陳德華等[23]研究表明，棉花群體干物質生產與產量密切相關，協調好棉花群體干物質生產是建立棉花高效群體結構最本質的基礎。研究發現，增溫滴灌可以促進棉花各生育時期干物質重，其中蕾期和初花期時表現較為明顯，但盛鈴期時，葉片和莖的生物量顯著增加，鈴生物量卻略有降低；蘇永忠等[24]認為高水高肥條件可促進棉花的營養生長，但過旺的營養生長限制了生殖生長，并非完全有利于產量的形成。而試驗證實了盛鈴期灌溉增溫水雖然促進了棉花的營養生長，但生殖生長卻受到脅迫，最終會有減產的可能。

溫度變化可以影響植物體內有機物的合成和運輸等，進而影響植物生物量的分配。植物生長及干物質分配對溫度的響應取決于不同物種和所處的環境[25]，增溫滴灌下棉花各器官的生物量分配發生了變化，其中蕾期的根冠比降低，蕾期增溫滴灌促進了地上部分的生長，而根重比、葉重比以及莖重比之間比較差異不大，蕾重比例明顯增加(P<0.05)，蕾期時增溫滴灌明顯促進的蕾的生長發育。初花期時，增溫滴灌與井水滴灌相比，葉重比與根冠比略有增加，其余比例略低，但2處理間相比差異不顯著，該時期增溫灌溉對生物量的分配影響不明顯；花鈴期時，除莖重比比例增加外，其余比例均略有降低，但差異間不顯著，增溫滴灌使生物量多分配與莖；盛鈴期時，莖重比明顯增加(P<0.05)，蕾鈴重比例明顯降低(P<0.05)，盛鈴期灌溉增溫水使生物量的分配明顯集中于莖稈中，而鈴生物量的分配明顯減少，但2處理間鈴干重卻無差異，此時期增溫水灌溉增加了棉花總生物量但對棉花產量形成無益。

高生物量是作物優質高產的前提，而生物量積累、產量形成則是以養分吸收為基礎[26]。許多研究表明，施肥種類[27]，施肥方式[26]，灌水量[28]等與棉花對養分的吸收量有緊密的聯系，試驗研究發現，增溫滴灌與井水滴灌相比，前者增加了棉花對N、P2O5、K2O養分的吸收量，棉花鈴器官的養分分配比例最高，棉株對養分的吸收量與干物質積累量成正比，這與張旺峰等[29]研究結果一致。

賀新穎等[30]研究結果表明，棉花盛鈴期時，日均溫增加2～3℃，棉鈴脫落率升高、畸形鈴增多和棉鈴個體變小，棉花最終減產30%～40%，試驗中，盛鈴期時增溫水灌溉下棉花單株結鈴數較井水灌溉增加18.54%，但單鈴重卻減少了8.86%，最終僅有小幅增產(P>0.05)。前期增溫水灌溉促進了鈴的形成，而盛鈴期時卻抑制了棉鈴的生長發育，盛鈴期恰逢氣溫最高的時期，此時灌溉增溫水并不益于產量形成，在氣溫相對較低的時期，增溫水灌溉可明顯促進棉花的生長發育，而在高溫情況下，增溫灌溉對棉花的生殖生長有抑制作用。

研究結果表明，灌溉增溫水可以促進棉花的生長，生物量積累和產量形成，但盛鈴期增溫灌溉棉花營養生長旺盛，導致棉鈴生長發育緩慢，此時期不灌溉增溫水。由于試驗裝置的局限性，無法達到大面積灌溉的要求，采用修建井水緩沖增溫蓄水池或利用太陽能等方法進行大面積增溫灌溉。持續的增溫灌溉并不有益于棉花的生殖生長，只有適宜的土壤溫度環境才更利于棉花生長。整個生育期氣溫和地溫處于動態變化中，通過灌溉可更加有效調控土壤溫度，今后需結合土壤溫度變化和棉花溫度需求開展棉花不同生育期控溫灌溉研究。

4 結 論

4.1增溫水滴灌處理棉花各生育時期株高、葉面積顯著增加，莖粗略有增加。

4.2增溫水滴灌下除盛鈴期外棉花生物量顯著增加，盛鈴期棉鈴生物量減少，鈴重比略低于常溫水灌溉，因此，不建議盛鈴期增溫水滴灌。

4.3增溫水滴灌促進了棉花對速效N、P、K的吸收，其中N吸收量較CK增加了57.4%；棉鈴中P2O5的吸收量較CK增加33.1%。

4.4增溫滴灌下棉鈴個數增加18.54%，單株鈴重減少8.86%，最終增產7.29%。