膜下滴灌棉花早衰發(fā)生的可能機(jī)制研究—從生長與養(yǎng)分的角度

買文選，田長彥

(1中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆烏魯木齊830011;2中國科學(xué)院研究生院，北京100049;3國家綠洲生態(tài)與荒漠環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊830011)

植棉業(yè)是新疆的經(jīng)濟(jì)支柱。同時，新疆棉區(qū)是一個極度干旱而又多風(fēng)沙的典型灌溉農(nóng)業(yè)帶，干旱、風(fēng)沙及鹽堿是其主要特點(diǎn)，三者緊密聯(lián)系，相互影響，而核心是水分的利用管理。近年來，膜下滴灌技術(shù)由于其高效節(jié)水的特點(diǎn)而在新疆被大面積推廣使用。目前，約有1/2面積采用膜下滴灌技術(shù)(兵團(tuán)達(dá)到90%以上)［1］，取得了很好的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益。但是，隨著膜下滴灌技術(shù)的大面積采用，有關(guān)棉花早衰的報(bào)道也較之前采用大水漫灌時日益增多［2］，僅2003～2004年兵團(tuán)因早衰導(dǎo)致棉花產(chǎn)量下降達(dá)40～50萬噸，減收10%，經(jīng)濟(jì)損失60～63億元［3］，同時種子和纖維品質(zhì)全面下降，而且由于早衰棉具體面積統(tǒng)計(jì)困難，實(shí)際情況可能更嚴(yán)重。

在美國，棉花早衰現(xiàn)象主要發(fā)生在對鉀具有強(qiáng)烈吸附［4］及本身鉀含量不高的土壤上［5］，所以，棉花早衰現(xiàn)象被認(rèn)為是由于棉花在生長發(fā)育后期的鉀素供應(yīng)不足造成的，這一說法具有合理性。首先，現(xiàn)代高產(chǎn)棉品種對鉀的需求較之前更大［6］，而高產(chǎn)棉品種形成了更多的鈴，大大增加了對鉀的需求，因此容易造成后期鉀缺乏而發(fā)生早衰;其次，作為纖維類作物，棉花對鉀的需求時間相對集中(主要在花鈴期，占整個生育期的80%左右)［7］。與美國的研究結(jié)果相似，澳大利亞學(xué)者也認(rèn)為棉花早衰的根源是其生長發(fā)育后期鉀素供應(yīng)不足，測定結(jié)果顯示早衰葉中鉀含量僅為正常葉的 1/2［8］。與國外學(xué)者的研究不同，徐邦發(fā)等［9］認(rèn)為，引發(fā)棉花早衰的根源更可能是后期氮素供應(yīng)不足造成的，而非鉀素供應(yīng)不足，并從癥狀的發(fā)生部位、發(fā)生時期以及葉片中養(yǎng)分含量測定等各方面提出了例證。但由于相關(guān)文獻(xiàn)較少，而且棉花的早衰問題比較復(fù)雜，不同的地域其原因可能存在差異，因此，目前關(guān)于棉花早衰的原因依然沒有定論，而就膜下滴灌棉花早衰機(jī)制的研究則更少。

本文利用田間試驗(yàn)方法，以漫灌為對照，對膜下滴灌條件下棉花的生長發(fā)育及其養(yǎng)分狀況進(jìn)行了探討，希望為膜下滴灌棉花早衰問題的解決提供一些理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2009年4月至11月在庫爾勒市包頭湖農(nóng)場進(jìn)行。該地屬典型的干旱氣候區(qū)，年平均降雨量56 mm，蒸發(fā)量2497 mm，年均日照時數(shù)2878 h，≥10℃的積溫4252℃，無霜期205 d。土壤為沙壤土，耕層(0—20 cm)基本理化性狀為：EC 2.38 mS/cm(水土比1∶1)、有機(jī)質(zhì)含量7.65 g/kg、－N 36.54 mg/kg、－N 6.53 mg/kg、速效磷(P)2.88 mg/kg、速效鉀(K)187.2 mg/kg。

試驗(yàn)用棉花品種為新陸中9號，于4月25日播種，采用一膜四行種植模式，行距20、50、20 cm，一膜鋪設(shè)一條滴灌帶，每小區(qū)24行棉花。膜寬1.2 m，膜間寬0.5 m，株距10 cm，種植密度22.2萬株/hm2(圖1)。試驗(yàn)設(shè)2個處理：膜下滴灌(以下簡稱為滴灌，DI)、漫灌(FI);隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次，共6個小區(qū)，小區(qū)面積120 m2(10 m×12 m)。滴灌和漫灌的灌水量分別為4000和6000 m3/hm2。從6月12日開始，滴灌分10次進(jìn)行，漫灌分4次進(jìn)行。

圖1 栽培模式示意圖Fig．1 Plant spacing and irrigation system used in the experiment

肥料管理方案如下：磷肥(P2O5)、鉀肥(K2O)(用量均為150 kg/hm2)全部做基肥，在播種時一次性施入。滴灌處理氮肥20%作為基肥在播前施入土壤，隨水追施N 280 kg/hm2，總量為N 350 kg/hm2;漫灌氮肥用量N 400 kg/hm2，50%做基肥，50%做追肥，追肥次數(shù)3次(第一次在頭水期，用量12%左右;第二次在盛花期，用量25%左右;第三次在結(jié)鈴期，用量13%)。氮肥品種為尿素。具體水肥管理措施見表1。水肥管理及農(nóng)藝措施與新疆普遍采用的生產(chǎn)管理模式保持一致。

表1 水肥處理時間安排Table 1 Dates of water and nitrogen fertilizer applications in the drip irrigation below mulch film(DI)and flooding irrigation(FI)treatments

1.2 樣品采集

分別在苗期(播種后40 d)、蕾期(播種后65 d)、初花期(播種后82 d)、盛花期(播種后96 d)、結(jié)鈴盛期(播種后110 d)、結(jié)鈴后期(播種后125 d)和吐絮期(播種后160 d)分7次采樣。采樣方法：隨機(jī)選取連續(xù)生長的4株棉花，齊根剪斷，分器官裝入袋中(莖、葉及生殖器官)，同時挖取根系，90℃下殺青30 min，70℃烘干，并稱取干重，最后粉碎待測。由于不同部位的棉花葉片對與其相隔距離不同的生殖器官所起的功能有差異，因此，在開花后如果仍籠統(tǒng)地將地上部按莖、葉、生殖器官3部分分開并測定相關(guān)指標(biāo)并不能完全說明養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)、同化物分配等問題。所以，本試驗(yàn)從初花期開始將地上部各器官分為上、中、下3段進(jìn)行采集，具體做法是：從第一果枝算起，1～3作為下段，4～7作為中段，7以上作為上段。

1.3 測定方法

棉花根系及地上部樣品經(jīng)H2SO4－HClO4消煮后，分別用開氏定氮儀法(KDY－9820)、釩鉬黃比色法、原子吸收分光光度計(jì)法(AA320CRT)測定全氮、全磷及全鉀含量［10］。

從盛花期(播種后96 d)開始，在每小區(qū)隨機(jī)選取連續(xù)生長的10株棉花，用便攜式葉綠素儀(SPAD-502)測定其倒四葉SPAD值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理棉花地上部在生長狀況比較

在本試驗(yàn)條件下，從結(jié)鈴后期(播種后125 d左右)開始，滴灌處理棉花即逐漸顯現(xiàn)出早衰特征，棉葉枯黃、發(fā)紅，直至脫落，且隨著生育期的推進(jìn)表現(xiàn)的愈加明顯。而漫灌處理棉花始終保持著較為健康的生長狀態(tài)，到吐絮盛期(10月中旬)，兩處理間不僅葉色存在明顯差異，漫灌處理棉花吐絮狀況也明顯優(yōu)于滴灌(圖2)。

2.2 不同處理?xiàng)l件下棉花干物質(zhì)累積量變化

滴灌與漫灌棉花地上部及根系生長量在播種后110 d之前差別不大，但到播種后125 d，滴灌棉花地上部生長量明顯高于漫灌，根系生長量正好相反，也就是說與漫灌相比，滴灌棉花更小的根系承擔(dān)了更大的地上部對水分養(yǎng)分的需求，如圖3所示，此時滴灌棉花冠根比明顯高于漫灌。

而從播種后125～160 d，滴灌棉花地上部生長量突然下降(圖3)，田間觀測發(fā)現(xiàn)，其原因主要是葉片及蕾鈴的大量脫落造成的，同時滴灌棉花冠根比也快速下降至和漫灌基本一致的水平。而在同一時期，漫灌處理棉花地上部生長量及冠根比始終保持增加狀態(tài)。這些結(jié)果說明，對棉花而言，一定量的根系只能承擔(dān)與之相匹配的地上部需求，當(dāng)?shù)厣喜可L量遠(yuǎn)高于根系所能承擔(dān)的范圍時，地上部正常的生長發(fā)育必將受到影響。

從葉綠素SPAD值的變化可以進(jìn)一步證實(shí)滴灌棉花早衰的發(fā)生(圖4)。從播種后110 d開始，漫灌與滴灌處理SPAD值開始沒有降低，在播種后125 d之前，漫灌與滴灌間并無明顯差異。而在160 d，滴灌處理棉花葉綠素SPAD值顯著低于漫灌處理。

圖2 不同處理下吐絮期棉花地上部生長狀況比較Fig．2 Comparison of growth status of cotton at boll opening stage under the drip irrigation below mulch film(DI)and flooding irrigation(FI)

圖3 不同處理棉花地上部及根系生長量隨生育期的變化Fig．3 The changes of cotton shoot and root growth with changes in growth periods under drip irrigation below mulch film(DI)and flooding irrigation(FI)

2.3 不同處理?xiàng)l件下的棉花氮、磷、鉀營養(yǎng)狀況

圖4 不同處理下棉花生長后期葉片SPAD值變化Fig．4 The SPAD value of cotton leaves at the later growth stages under drip irrigation below mulch film(DI)and flooding irrigation(FI)

對棉花葉片養(yǎng)分狀況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，氮、磷表現(xiàn)出比較一致的規(guī)律：無論上、中、下部葉片，在生長發(fā)育后期均是漫灌處理高于滴灌處理(圖5)，說明在這一時期滴灌棉花將更多的氮、磷養(yǎng)分轉(zhuǎn)移至生殖器官，而漫灌處理棉花并不存在如此明顯的養(yǎng)分供應(yīng)缺口。而且，不同部位的葉片相比，無論漫灌還是滴灌，下部葉片氮、磷養(yǎng)分含量均比中、上部葉片低，這符合氮、磷在植物體內(nèi)容易移動的特點(diǎn)，但鉀卻相反：上部葉片含量較中下部低，而且滴灌處理明顯低于漫灌(圖5)。似乎說明膜下滴灌棉花后期對鉀的需求量巨大，而需求量的驟然升高使老葉的鉀無法及時轉(zhuǎn)運(yùn)至生殖器官，迫使棉株將臨近新葉中的鉀轉(zhuǎn)運(yùn)至生殖器官，以滿足其對鉀的迫切需求。

由圖6可知，在結(jié)鈴后期(播種后125 d)，滴灌棉花地上部鉀累積量高于漫灌，但由于此時滴灌處理棉花地上部生長量明顯高于漫灌(圖4)，所以鉀含量反而較漫灌低，即所謂的“稀釋效應(yīng)”，這也從另一方面解釋了為何膜下滴灌棉花上部葉片鉀含量會明顯低于漫灌，雖然鉀累積量很高，但更多的蕾鈴對鉀的需求量卻更高，而老葉鉀轉(zhuǎn)運(yùn)無法及時到達(dá)上部蕾鈴，最終導(dǎo)致上部葉片鉀向生殖器官轉(zhuǎn)運(yùn)。然而，在有限的葉片養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)依然無法滿足地上部的需求時，大量蕾、鈴及葉片脫落，地上部生物量下降，鉀吸收量也隨之下降，而含量依然低于漫灌處理。

3 討論

膜下滴灌最大的特點(diǎn)就是水肥供應(yīng)的“少量多次”。水分由滴頭直接滴入作物根部附近的土壤，在作物根區(qū)形成一個橢球形或球形濕潤體［11］。雖然灌水次數(shù)多，但僅濕潤棉花根區(qū)土壤，濕潤深度較淺，而作物行間土壤相對保持干燥，形成了一個明顯的“干濕”界面特征，因此，滴灌條件下棉花根區(qū)表層(0—30 cm)土壤含水量較高，與漫灌相比，大量有效水集中在根部。由于膜下滴灌隨水施肥的特點(diǎn)，養(yǎng)分也集中分布在由滴水形成的濕潤體內(nèi)，在土深50 cm以下養(yǎng)分含量顯著降低［7］。因此，在膜下滴灌條件下，棉花根系往往受到抑制，而地上部生長更加旺盛。

在本試驗(yàn)中，膜下滴灌棉花根系在生長發(fā)育后期生長量明顯小于漫灌，而冠根比卻更高。因此，從滿足地上部大量的養(yǎng)分和水分角度來講，滴灌條件下形成的根系是存在風(fēng)險(xiǎn)的。由于棉花對鉀的需求不但多，而且主要集中在生長發(fā)育后期，因此，棉花早衰的根源與鉀的缺乏密切相連。國外許多研究者也持相同觀點(diǎn)［12］。

在澳大利亞，早衰棉花地土壤有效鉀含量并不低，甚至很高，但早衰棉花葉片的癥狀更加嚴(yán)重，測定結(jié)果顯示早衰葉鉀含量僅為正常葉的一半［8］。而其他作物種植在同一區(qū)域沒有顯示出任何鉀素缺乏癥狀。更令人費(fèi)解的是這種癥狀和典型的鉀缺乏有所不同［13］，其主要發(fā)生在幼葉上［14］。眾所周知，鉀在作物體內(nèi)是非常容易轉(zhuǎn)運(yùn)再利用的元素，缺素癥狀一般出現(xiàn)在老葉上。研究者對此的解釋是：由于在結(jié)鈴期生殖器官需要的鉀量非常大，以至于老葉的鉀在運(yùn)往幼葉之前，首先被轉(zhuǎn)運(yùn)到了棉花的鈴［6］。這種推測是有根據(jù)的，因?yàn)樵谄渌恍┳魑锷弦舶l(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，如，當(dāng)給三葉草［15］或小麥［16］供應(yīng)過量鎂時，往往也首先在幼葉表現(xiàn)出鉀素缺乏癥狀。此類情況在很多高產(chǎn)灌溉區(qū)也同樣被發(fā)現(xiàn)［17］。比較普遍的觀點(diǎn)是，在成鈴期對鉀需求的急劇增加迅速打破了鉀素供需平衡，從而使幼葉表現(xiàn)出鉀素的缺乏癥狀。當(dāng)然，其前提是現(xiàn)代高產(chǎn)品種的應(yīng)用及優(yōu)越的水肥供應(yīng)促使棉花形成了更多的蕾鈴。對此的反證是，在低產(chǎn)區(qū)由于整個生育時期持續(xù)低水平的水肥供應(yīng)，棉花成鈴少，后期對鉀的需求有限而幾乎沒有發(fā)現(xiàn)早衰現(xiàn)象。但是關(guān)于這一說法還存在疑問，即包括新疆采用膜下滴灌技術(shù)的大多高產(chǎn)田并不常出現(xiàn)早衰現(xiàn)象。這說明非常高的蕾鈴負(fù)荷并不是造成棉花早衰的直接原因，而似乎只能作為一個誘因。所以，就高產(chǎn)棉區(qū)的早衰問題，更為合理的解釋是高蕾鈴負(fù)荷與干擾鉀吸收的逆境條件(如成鈴期遇到漬水、降溫或土壤鹽分聚積)共同作用造成的［8］。因?yàn)檫@些因素均有可能降低棉花根系從土壤中對鉀素的吸收能力，從而使棉花根系無法保持充足的鉀供應(yīng)以滿足地上部大量蕾鈴對鉀的需求，而暫時通過對葉片中鉀素的轉(zhuǎn)移來緩解，當(dāng)葉片中儲存的有限的鉀素耗盡而其供應(yīng)依然沒有根本解決時，棉花的早衰便隨之出現(xiàn)。

對膜下滴灌而言，生長發(fā)育后期干擾棉花對鉀吸收的因素包括根區(qū)養(yǎng)分耗竭(根系密集分布在表層所致)、后期的降溫等。而在鹽分較高的土壤，如本試驗(yàn)所在地，鹽分的局部聚積也許是最主要的干擾因素，因?yàn)槟は碌喂鄺l件下，其土壤水鹽運(yùn)移實(shí)質(zhì)上是點(diǎn)源水鹽運(yùn)移［18］。其規(guī)律可基本總結(jié)為：水平方向上，土壤鹽分向滴灌作物生長區(qū)域的兩側(cè)運(yùn)移并積累在作物行間的土壤表層;垂直方向上，由于土壤濕度常保持一個濕潤狀態(tài)，耕作層鹽分含量降低，土壤鹽分向耕作層以下運(yùn)移并發(fā)生聚積［19］。因此，在土壤鹽分較高的條件下，采用膜下滴灌技術(shù)最終會在土壤表層特別是在靠近膜間的位置聚積大量的鹽分。一方面，鹽分中的Na+離子會與K+競爭同根系的結(jié)合位點(diǎn)，阻礙棉花對鉀的吸收;另一方面，高鹽分也會對根系的生長造成傷害。

總之，棉花早衰問題非常復(fù)雜，除了與自身生長及養(yǎng)分需求有關(guān)外，還可能與棉花基因型、激素合成及調(diào)控、氣候、土壤條件等諸多因素有關(guān)，要真正了解其機(jī)理，還需要進(jìn)行大量的工作。本試驗(yàn)所得到的結(jié)果，后期滴灌棉花鉀素不足也可能是早衰后的結(jié)果，而不是原因。

盡管如此，綜合本試驗(yàn)結(jié)論并參考國外對棉花早衰的研究結(jié)果，依然可以對膜下滴灌棉花早衰的原因從養(yǎng)分及生長的角度做出較為合理的解釋：一方面，由于在膜下滴灌條件下棉花根系生長和構(gòu)型分布發(fā)生的明顯變化(側(cè)根數(shù)量增加、主根退化、根系分布淺)不利于棉花根系吸收土壤深層的水分和養(yǎng)分［20］，抗逆性減弱，對環(huán)境的改變無法做出及時的反應(yīng);另一方面，由于覆膜增溫及優(yōu)越的水肥供應(yīng)，棉花地上部生長良好，蕾鈴負(fù)擔(dān)增加，在生長發(fā)育后期對鉀的需求激增，加之外界逆境條件的影響使有限的根系無法滿足地上部對鉀的需求，并發(fā)生早衰。因此，如何通過調(diào)控構(gòu)建更為合理的地上、地下部的比例是解決膜下滴灌棉花早衰問題的關(guān)鍵。

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