水氮調(diào)控對輕度鹽化土滴灌棉花生理特性與產(chǎn)量的影響

王振華 朱延凱 張金珠 李文昊 扁青永

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

0 引言

棉花是世界上最主要的天然紡織纖維原料，也是世界范圍內(nèi)大宗國際貿(mào)易的特殊商品，棉花產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展意義重大[1]。西北內(nèi)陸是我國三大主產(chǎn)棉區(qū)之一，其面積占全國的35%，總產(chǎn)量占全國的41%，保持我國棉花生產(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展對農(nóng)村經(jīng)濟穩(wěn)定具有重要意義[2]。20世紀80年代以來，我國新增耕地的重心逐漸從東北向西北轉移，而西北耕地開墾中心轉向了西北綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)。因此，新疆已成為我國的糧食安全后備基地及糧棉生產(chǎn)基地[3]。新疆地處西北內(nèi)陸干旱區(qū)，土壤鹽漬化問題嚴重，新疆第二次土壤普查數(shù)據(jù)表明，新疆耕地總面積為4.09×106hm2，鹽漬化耕地面積1.27×106hm2，占耕地總面積的31.10%，輕度鹽漬化占耕地面積的22.32%，中重度鹽漬化占耕地面積的8.78%[4]。土壤鹽漬化嚴重降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平，并對新疆的糧食產(chǎn)量及農(nóng)業(yè)安全構成了嚴重威脅[5]。棉花耐鹽性較強，是開發(fā)利用鹽堿地的先鋒作物。利用棉花耐鹽性強的特點發(fā)展鹽堿地植棉，一直備受政府的高度重視[6]。因此，在淡水資源短缺及糧棉爭地形勢更加嚴峻的情況下，發(fā)展和研究鹽堿地植棉技術成為保證棉花生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施[7]。

鹽漬化地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關鍵是水、肥的合理配合，研究水肥之間的相互關系，可對鹽脅迫條件下如何提高水肥利用效率及作物產(chǎn)量進行科學指導[8]。氮素是核酸和蛋白質的重要組成部分，施氮可以顯著調(diào)控棉花產(chǎn)量的形成[9]。合理的水氮投入不僅可以提高水氮利用效率和產(chǎn)量，也可起到節(jié)水調(diào)質的作用[10]。過量的灌水和施氮不僅造成水肥資源的浪費，還容易導致土壤鹽漬化進而使產(chǎn)量及品質下降[11]?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)的關注點是水氮之間的耦合效應，氮素和水分是膜下滴灌棉花獲得高產(chǎn)及光合作用的主要限制因子[12]。近年來，國內(nèi)外學者對作物的水氮高效利用進行了大量研究。范雪梅等[13]研究表明，在干旱脅迫條件下，施用氮肥可以提高作物的光合作用，同時可降低水分脅迫對作物造成的不利影響；MORGAN[14]認為，施氮降低了干旱脅迫下作物的RUBP羧化酶活性和葉片凈光合速率；馬冬云等[15]認為，在正常供水條件下，適量增施氮肥可提高葉綠素熒光動力學參數(shù)Fv/Fm和Fv/F0；劉瑞顯等[16]發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下過量施氮加重了棉花受旱程度，并降低了PSⅡ量子產(chǎn)量、PSⅡ最大光化學效率等；SINGH等[17]研究顯示，當灌水量在(0.8～1.0) ETc(棉花蒸騰蒸發(fā)量)時，棉花產(chǎn)量隨施氮量的增加而增大，最大適宜施氮量為200 kg/hm2；謝志良等[18]發(fā)現(xiàn)，水分虧缺減弱了氮素的增產(chǎn)效果；胡順軍等[19]研究表明，水肥之間具有協(xié)同作用，且水的效力高于肥的效力。

長期以來，新疆棉花水氮調(diào)控研究主要集中在非鹽化土上，而對于綠洲區(qū)鹽化土棉田水氮調(diào)控效應的研究少見報道，且鹽脅迫下水氮調(diào)控機理更加復雜。因此，本文通過桶栽對照試驗，研究不同水氮調(diào)控組合對輕度鹽化土棉花生理特性及產(chǎn)量品質的影響，尋求鹽漬化灌區(qū)水氮高效利用模式，以期探明新疆綠洲區(qū)鹽漬化棉田需水需肥規(guī)律，為新疆鹽漬化地區(qū)植棉技術提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017年4—10月在現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室試驗基地暨石河子大學節(jié)水灌溉試驗站進行。試驗站位于石河子市西郊石河子大學試驗場二連，85°59′47″E，44°19′28″N，海拔412 m，平均地面坡度為0.6%，地下水埋深在5 m以下。年均日照時間為2 865 h，多年平均降雨量為198 mm，平均蒸發(fā)量為1 340 mm，大于10℃積溫為3 463.5℃，大于15℃積溫為2 960.0℃，無霜期170 d。年平均風速為1.5 m/s。

1.2 試驗方法

本試驗以棉花品種“農(nóng)豐133”為研究對象，采用桶栽試驗，規(guī)格為45 cm×50 cm(內(nèi)徑×高)，桶底開孔，供試土壤預先鹽處理，采用重鹽堿土與中壤土按比例摻合，自然晾干碾碎去石塊混合均勻后，按容重1.40 g/cm3分層裝土45 cm。進行滴灌條件下水氮鹽三因素(水氮3水平、鹽分1水平)桶栽試驗,棉花播種深度為3～4 cm。

設尿素3個水平：300、600、900 kg/hm2(分別標記為N1、N2、N3);灌水3個水平：灌溉定額分別為2 750、3 750、4 750 m3/hm2(分別標記為W1、W2、W3)；1種土壤含鹽水平：輕度鹽化土(4～5 g/kg)。3次重復，采用隨機排列，共27個桶。全生育期灌溉次數(shù)為12次，灌水定額、灌溉次數(shù)結合鄭旭榮等[20]前期對滴灌棉花灌水制度研究制定。氮肥施量定額結合吳立峰等[21]對滴灌棉花不同施肥水平研究定制，并參閱石河子及周邊農(nóng)場近年滴灌棉花灌溉、施肥水平實際定額制定。土壤含鹽水平根據(jù)耕地土壤鹽化程度分級標準制定[22]。磷肥、鉀肥以磷酸二氫鉀作基肥一次施入，各處理均為300 kg/hm2。每個桶單獨控制灌水，采用醫(yī)用輸液管模擬滴頭，可保證每個桶精確控制灌水量與施肥量，灌水滴頭流量1.8 L/h左右。各生育期具體灌水、施肥處理詳見表1。

1.3 測試項目與方法

1.3.1光合指標

使用美國產(chǎn)CI-340型手持光合測量儀在棉花盛花期(7月7日)、盛鈴期(8月1日)、吐絮期(9月12日)測定其功能葉(倒四葉)光合特性，并對測定的葉子做好標記。測定項目包括棉花蒸騰速率(Tr)、凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、細胞間CO2濃度(Ci)光合生理指標。選取棉花功能葉在每個生育期晴朗無云的一天，從08:00時開始測量至18:00結束，時間間隔為2 h，各處理連續(xù)測量3株，試驗數(shù)據(jù)為全天測定的平均值。

1.3.2熒光指標

采用PAM2500型熒光儀及2030B型光適應葉夾(Walz，Germany)測量葉片的葉綠素熒光參數(shù)，熒光參數(shù)的測定與氣體交換參數(shù)同時進行，各處理所測葉片與測定氣體交換參數(shù)時的葉片相同。在凌晨太陽未升起前測量葉片最大熒光產(chǎn)量(Fm)及葉片初始熒光產(chǎn)量(F0)。先測定初始熒光產(chǎn)量(F0)和最大熒光產(chǎn)量(Fm)，在測量葉綠素熒光參數(shù)之前，手動輸入對應葉片的Fm和F0。隨后以自然光為光化光，打開飽和脈沖進行猝滅分析，測定任意時間段的實際熒光產(chǎn)量(F′)及光適應下的最大熒光產(chǎn)量(F′m)，計算最大光化學效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在活性(Fv/F0)、光化學猝滅系數(shù)(qp)、非光化學猝滅系數(shù)(NPQ)、實際光化學效率(Y(Ⅱ))及表觀電子傳遞速率(ETR)。各熒光參數(shù)計算公式參照ROHEK的方法[23]，即

Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm

(1)

Fv/F0=(Fm-F0)/F0

(2)

qp=(F′m-F′)/(F′m-F′0)

(3)

FNPQ=Fm/F′m-1

(4)

FY(Ⅱ)=(F′m-F′)/F′m

(5)

FETR=FPARFY(Ⅱ)×0.84×0.5

(6)

式中Fv——可變熒光產(chǎn)量

FNPQ——非光化學猝滅系數(shù)

FY(Ⅱ)——實際光化學效率

FETR——表觀電子傳遞速率，μmol/(m2·s)

FPAR——光合有效輻射，μmol/(m2·s)

F′0——光適應下的最小熒光產(chǎn)量

1.3.3產(chǎn)量與棉纖維品質指標

分別于8月25日、9月10日和9月28日分3次采摘吐絮較好的棉花，每個處理選取棉樣20 g，委托農(nóng)業(yè)部棉花質量檢測中心(烏魯木齊)測定棉纖維馬克隆值、纖維長度、整齊度指數(shù)、斷裂比強度及伸長率，使用HVI 1000M 700型棉花纖維檢測儀進行檢測，采用HVICC進行校準。各處理棉花實行單打單收，以實收產(chǎn)量計算籽棉產(chǎn)量。

1.3.4水、肥利用效率

灌溉水利用效率(iWUE)計算公式[24]為

iWUE=Y/I

(7)

式中Y——籽棉產(chǎn)量，kg/hm2

I——灌水量，m3/hm2

氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)計算公式[25]為

NPFP=Y/N

(8)

式中N——施氮量，kg/hm2

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花光合指標的影響

2.1.1鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花Pn及Tr的影響

輕度鹽脅迫不同水氮調(diào)控條件下棉花各生育期凈光合速率(Pn)變化規(guī)律及方差分析見表2?？芍?，滴灌棉花功能葉Pn在盛花期達到最大值，各處理平均值27.28 μmol/(m2·s)；盛鈴期有所下降，各處理平均值為20.21 μmol/(m2·s)；吐絮期降到最低，各處理平均值12.32 μmol/(m2·s)，自盛花期至吐絮期各處理Pn呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。在W1和W2灌溉條件下，Pn均隨著施氮量的增加先上升后下降，均在N2水平下達到最大值。在W3灌溉條件下，盛花期N3與N2比N1處理分別高14.19%和10.69%；在W1灌溉條件下，N2比N3和N1處理分別高19.3%和26.54%；在W2灌溉條件下，N2比N3和N1處理分別高23.48%和32.93%；各生育期W2N2處理的Pn值高于其他各處理，W2N2表現(xiàn)出明顯的交互效應。方差分析顯示：灌水及水氮交互作用對棉花各生育期Pn的影響達到極顯著水平(P<0.01)，施肥達到顯著水平(P<0.05)。說明，只有適宜的水氮配比才能達到“水肥相濟”的效果。

表2 鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花Pn及Tr的影響Tab.2 Effects of salt stress and water and nitrogen regulation on Pn and Tr of cotton

注：*表示差異顯著(P<0.05)，** 表示差異極顯著(P<0.01)；同一列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

由表2可知，不同處理滴灌棉花蒸騰速率(Tr)與Pn變化趨勢一致，均在盛花期達到最大值，各處理平均值5.27 mmol/(m2·s)，隨生育期的推進呈現(xiàn)出下降趨勢，至吐絮期達到最小值，各處理平均值3.27 mmol/(m2·s)，自盛花期至吐絮期各處理Tr平均降低37.95%。在W1和W2水平下，Tr隨著施氮量的增加先升高后降低，盛花期N2比N1和N3處理分別高25.52%和5.4%；在W3水平下，Tr隨著施氮量的增加而增加，均在N3處達到最大值。在W2水平下，盛花期N2比N1和N3處理分別高28.31%和10.53%；在W3水平下，盛花期N2和N3比N1處理分別高16.67%和26.10%。在N2水平下，W2處理的Tr高于W1和W3處理，W2N2處理具有顯著的交互效應。其中，灌水及水氮交互處理對Tr影響極顯著(P<0.01)，施肥對Tr影響顯著(P<0.05)。結果表明，適宜的水氮供應可減少棉花葉片的脫落酸(ABA)含量，增加細胞分裂素、生長素等的含量，從而提高凈光合速率和蒸騰速率。

2.1.2鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花Gs及Ci的影響

表3是不同水氮處理對棉花功能葉7月7日(盛花期)、8月1日(盛鈴期)及9月12日(吐絮期)氣孔導度(Gs)和細胞間CO2濃度(Ci)的影響?？梢钥闯?，氣孔導度(Gs)隨著生育期的推進逐漸減小，最大值出現(xiàn)在盛花期；細胞間CO2濃度(Ci)隨著生育期的推進逐漸增大，吐絮期各處理平均值最大。其中，灌水對棉花各生育期功能葉Gs和Ci的影響達到極顯著水平(P<0.01)，施氮對棉花各生育期Gs和Ci的影響達到顯著水平(P<0.05)，水氮交互作用對棉花各生育期Gs和Ci的影響達到極顯著水平(P<0.01)。

由表3可知，自盛花期至盛鈴期各處理Gs平均減小30.27%，盛鈴期至吐絮期各處理Gs平均降低37.98%。W1和W2水平下，Gs隨著施氮量的增加先升高后降低。W3水平下，Gs隨著施氮量的增加而增加，盛花期N3比N1和N2處理分別高1.12%和6.25%。在W1水平下，盛花期N2比N1和N3處理分別高2.67%和1.69%。在W2水平下，盛花期N2比N1和N3處理分別高12.97%和3.52%；而盛花期至盛鈴期各處理Ci平均增加16.85%，盛鈴期至吐絮期各處理Ci平均增加28.67%。W1和W2水平下，Ci隨著施氮量的增加先降低后升高。W3水平下，Ci隨著施氮量的增加而減小，盛花期N3比N1和N2處理分別低33.40%和10.53%。W1水平下，盛花期N2比N1和N3處理分別低21.53%和13.26%。W2水平下，盛花期N2比N1和N3處理分別低16.57%和2.63%。結果表明，合理的水氮用量可降低硝酸還原酶的活性，使葉片葉綠素含量增加、維管束鞘細胞的碳水化合物得到積累，進而增強棉花葉片的氣體交換能力，最終使棉株的光合碳化能力得到提高。

表3 鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花Gs及Ci的影響Tab.3 Effects of salt stress and water and nitrogen regulation on Gs and Ci of cotton

2.2 鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花葉綠素熒光參數(shù)的影響

2.2.1鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花Fv/Fm及Fv/F0的影響

表4是不同水氮處理對棉花功能葉盛花期、盛鈴期及吐絮期Fv/Fm和Fv/F0的影響?？芍現(xiàn)v/Fm和Fv/F0均隨著生育期的推進逐漸減小，至吐絮期達到最小值。其中，灌水對棉花各生育期功能葉Fv/Fm和Fv/F0的影響不顯著(P>0.05)，施氮對棉花各生育期Fv/Fm和Fv/F0的影響達到極顯著水平(P<0.01)，水氮交互作用對棉花各生育期Fv/Fm和Fv/F0的影響達到極顯著水平(P<0.01)。

表4 鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花Fv/Fm及Fv/F0的影響Tab.4 Effects of salt stress and water and nitrogen regulation on Fv/Fm and Fv/F0 of cotton

Fv/Fm反映了棉株光系統(tǒng)Ⅱ的最大光合量子產(chǎn)量(表4)。由表4可知，滴灌棉花功能葉Fv/Fm在盛花期達到最大值，各處理平均值為0.82；盛鈴期有所下降，各處理平均值為0.79；吐絮期降到最低，各處理平均值為0.76，自盛花期至吐絮期各處理Fv/Fm值呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。在同一灌溉水平下，棉花各生育期功能葉的Fv/Fm值隨著施氮量的增加而增加，均在W3N3處取得最大值，W1N1處取得最小值。在W1水平下，盛花期N3比N1和N2處理分別高9.23%和1.57%；在W3水平下，盛花期N3比N1和N2處理分別高5.60%和0.47%。

Fv/F0反映了棉株光系統(tǒng)Ⅱ的原初光能轉化效率(表4)。由表4可知，滴灌棉花功能葉Fv/F0在盛花期達到最大值，各處理平均值為4.01；盛鈴期有所下降，各處理平均值為3.62；吐絮期降到最低，各處理平均值為3.11，自盛花期至吐絮期各處理Fv/F0值呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。在W1和W2水平下，棉花各生育期功能葉的Fv/F0值隨著施氮量的增加先增加后減小，在W3水平下，棉花各生育期Fv/F0值隨著施氮量的增加而增加，并在W3N3處達到最大值。在W1水平下，盛花期N2比N1和N3處理分別高25.93%和6.58%；W2水平下，盛花期N2比N1和N3處理分別高30.16%和3.95%；在W3水平下，盛花期N3比N1和N2處理分別高33.67%和7.66%。說明，合理的灌水、施氮量可增強棉花光合功能葉中RUBP羧化酶的活性，提高葉綠素熒光動力學參數(shù)Fv/Fm和Fv/F0，從而提高了棉株光合產(chǎn)物的積累量。

2.2.2鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花qp及NPQ的影響

表5是不同水氮處理對棉花功能葉盛花期、盛鈴期及吐絮期qp和NPQ的影響。可知，qp隨著生育期的推進逐漸減小，至吐絮期達到最小值。NPQ隨著生育期的推進逐漸增大，至吐絮期達到最大值。其中，灌水對棉花盛花期、盛鈴期功能葉qp的影響極顯著(P<0.01)，施氮對棉花各生育期qp的影響達到顯著水平(P<0.05)；灌水對棉花各生育期功能葉NPQ的影響極顯著(P<0.01)，施氮對棉花各生育期NPQ無顯著影響(P>0.05)，水氮交互作用對棉花各生育期qp和NPQ的影響達到極顯著水平(P<0.01)。

表5 鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花qp及NPQ的影響Tab.5 Effects of salt stress and water and nitrogen regulation on qp and NPQ of cotton

qp代表了原初電子受體的QA的還原狀態(tài)(表5)。由表5可知，滴灌棉花功能葉qp在盛花期達到最大值，各處理平均值為0.87；盛鈴期有所下降，各處理平均值為0.74；吐絮期降到最低，各處理平均值為0.52，自盛花期至吐絮期各處理qp值呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。在各灌水水平下，棉花各生育期功能葉的qp值隨著施氮量的增加先增加后減小。在W1水平下，盛花期N2比N1和N3處理分別高8.64%和5.85%；W2水平下，盛花期N2比N1和N3處理分別高4.86%和5.71%；在W3水平下，盛花期N2比N1和N3處理分別高3.92%和6.55%。

NPQ反映了植株光系統(tǒng)Ⅱ的熱耗散情況，可表示植物受脅迫的程度。由表5可知，滴灌棉花功能葉NPQ值在盛花期最小，各處理平均值為0.81；盛鈴期有所升高，各處理平均值為1.09；吐絮期達到最大值，各處理平均值為1.42，自盛花期至吐絮期各處理NPQ值呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢。在W1水平下，棉花各生育期功能葉的NPQ值隨著施氮量的增加先減小后增加。在W2和W3水平，NPQ值隨著施氮量的增加逐漸減小。在W1水平下，盛花期N2比N1和N3處理分別低7.98%和27.46%；W2水平下，盛花期N1比N2和N3處理分別高30.88%和67.65%；在W3水平下，盛花期N1比N2和N3處理分別高14.29%和31.26%。結果表明，合理的灌水、施氮可提高PSⅡ反應中心光化學淬滅系數(shù)及光化學活性，從而提高了植株的光合能力。

2.2.3鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花Y(Ⅱ)及ETR的影響

表6是不同水氮處理對棉花功能葉盛花期、盛鈴期及吐絮期Y(Ⅱ)和ETR的影響?？芍琘(Ⅱ)和ETR均隨著生育期的推進逐漸減小，至吐絮期達到最小值。其中，灌水對棉花盛花期、盛鈴期功能葉Y(Ⅱ)和ETR的影響顯著(P<0.05)，對棉花吐絮期Y(Ⅱ)和ETR的影響極顯著(P<0.01)；施氮對棉花盛花期Y(Ⅱ)和ETR的影響達到極顯著水平(P<0.01)，施氮對棉花盛鈴期和吐絮期Y(Ⅱ)和ETR的影響顯著(P<0.05)；水氮交互作用均對棉花各生育期Y(Ⅱ)和ETR的影響達到極顯著水平(P<0.01)。

表6 鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花Y(Ⅱ)及ETR的影響Tab.6 Effects of salt stress and water and nitrogen regulation on Y(Ⅱ) and ETR of cotton

Y(Ⅱ)和ETR分別代表了植株光系統(tǒng)Ⅱ的實際光合量子產(chǎn)量、相對電子傳遞速率(表6)。由表6可知，滴灌棉花功能葉Y(Ⅱ)在盛花期達到最大值，各處理平均值為0.69；盛鈴期有所下降，各處理平均值為0.49；吐絮期降到最低，各處理平均值為0.44，自盛花期至吐絮期各處理Y(Ⅱ)值呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。在W1水平下，盛花期N2比N1和N3處理分別高11.46%和0.44%；W2水平下，盛花期N2比N1和N3處理分別高8.37%和2.40%；在W3水平下，盛花期N3比N1和N2處理分別高9.92%和0.83%。ETR變化趨勢與Y(Ⅱ)相似：在盛花期取得最大值，隨著生育進程逐漸降低，在吐絮期降到最小值。且在W1和W2水平下，棉花各生育期ETR均隨著施氮量的增加呈先增高后降低的趨勢。在W3水平下，各生育期ETR均隨著施氮量的增加而增加。說明，合理的水氮用量可能增強了棉花葉片的抗氧化能力，使膜脂氧化速度減慢，進而提高了植株的光能利用率，使其光合電子能力得到提高、光合能力增強。

2.3 鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花產(chǎn)量及品質的影響

2.3.1鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花產(chǎn)量及水、肥利用效率的影響

表7是不同水氮處理對棉花籽棉產(chǎn)量(Y)、灌溉水利用效率(iWUE)、氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)及增產(chǎn)效應(Ei)的影響?？芍?，灌水對Y及iWUE的影響極顯著(P<0.01)，對NPFP影響顯著(P<0.05)；施氮對Y的影響達到顯著水平(P<0.05)、對NPFP的影響達到極顯著水平(P<0.01)，但對iWUE無顯著影響(P>0.05)；水氮交互作用對Y、iWUE及NPFP的影響達到極顯著水平(P<0.01)。

表7 鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花產(chǎn)量及水肥利用效率的影響Tab.7 Effects of salt stress and water and nitrogen regulation on cotton yield and utilization efficiency of water and fertilizer

由表7可知，在W1水平下，Y、iWUE均隨著施氮量的增加而增加；在W2和W3水平下，Y、iWUE均隨著施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢。其中，籽棉產(chǎn)量(Y)最大值出現(xiàn)在W2N2處理，為5 854.5 kg/hm2；最小值出現(xiàn)在W1N1處理，為3 483.75 kg/hm2，相對增加68.05%。說明，適宜的水氮條件才能使棉花產(chǎn)量、灌溉水利用效率達到最優(yōu)。在同一灌水水平下，NPFP隨著施氮量的增加逐漸減小。且在N1水平出現(xiàn)最大值，N3水平出現(xiàn)最小值；最大值出現(xiàn)在W3N1處理，為34.88 kg/kg；最小值出現(xiàn)在W1N3處理，為10.61 kg/kg。在不同水氮處理下，增產(chǎn)效應(Ei)表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，最大值出現(xiàn)在W2N2處理。這可能是由于適宜的水氮用量提高了棉花葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)等的活性，使膜脂過氧化程度降低、細胞膜的穩(wěn)定性增強，減緩了植株的衰老速度，提高了棉株單鈴質量，進而提高了棉花產(chǎn)量。

2.3.2鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花纖維品質的影響

表8是不同水氮處理對棉花纖維品質(馬克隆值、纖維長度、整齊度指數(shù)、斷裂比強度、伸長率)的影響。可知，灌水對馬克隆值及纖維長度的影響極顯著(P<0.01)，對整齊度指數(shù)、斷裂比強度及伸長率無顯著影響(P>0.05)；施氮對馬克隆值的影響達到顯著水平(P<0.05)，但對纖維長度、整齊度指數(shù)、斷裂比強度及伸長率無顯著影響(P>0.05)；水氮交互作用對馬克隆值的影響達到極顯著水平(P<0.01)，對其他指標則無顯著影響(P>0.05)。

表8 鹽脅迫水氮調(diào)控對棉花纖維品質的影響Tab.8 Effects of salt stress and water and nitrogen regulation on fiber quality of cotton

由表8可知，大體上，馬克隆值隨著灌水量的增加而降低。在相同灌水處理下，各處理的馬克隆值均隨著施氮量的增加逐漸增加，但不存在顯著差異。表明，影響馬克隆值的主要因素是水分，次要因素為氮肥。在相同灌水處理下，纖維長度大體上隨著施氮量的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，但N2和N3水平不存在差異性；在同一氮肥水平下，纖維長度大體隨著灌水量的增加而增加。不同水氮處理對整齊度指數(shù)、斷裂比強度及伸長率基本無影響。灌水處理對馬克隆值及纖維長度影響較大，氮肥只對馬克隆值具有顯著影響，且最優(yōu)值均為W2N2處理?？赡艿脑蚴?，水氮用量過多或過少均會使植株碳氮代謝過程受阻，導致棉株出現(xiàn)早衰或貪青晚熟現(xiàn)象，致使棉纖維品質降低。因此，只有適宜的水氮用量才會使纖維品質達到最優(yōu)。

2.4 鹽脅迫條件下綠洲區(qū)棉田最佳灌水、施氮量分析

2.4.1水氮調(diào)控與產(chǎn)量、凈光合速率、Fv/Fm、馬克隆值的關系

如表9所示，以水氮投入為自變量，以棉花產(chǎn)量、凈光合速率、Fv/Fm、馬克隆值為因變量，分別建立了二元二次回歸方程。所建立的回歸方程均在95%置信區(qū)間，水氮投入對各因變量的影響均達到極顯著水平(P<0.01)，決定系數(shù)均在0.86以上。圖1a反映了灌水量與施氮量對棉花產(chǎn)量的耦合效應為開口向下的正凸曲面，且水氮量對產(chǎn)量的影響大體一致，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，當灌水量為3 895 m3/hm2、施氮量為720 kg/hm2,產(chǎn)量達到最大值5 691 kg/hm2；由圖1b可以看出，灌水量與施氮量對棉花葉片凈光合速率耦合效應同產(chǎn)量一樣，呈現(xiàn)開口向下的正凸曲面，當灌水量為3 760 m3/hm2、施氮量為745 kg/hm2,凈光合速率達到最大值25.35 μmol/(m2·s)； 圖1c反映了灌水量與施氮量對葉片F(xiàn)v/Fm的耦合效應，整體上Fv/Fm隨灌水量、施肥量的增加而增加，當灌水量為4 680 m3/hm2、施氮量為840 kg/hm2,熒光達到最大值0.84；圖1d是灌水量與施氮量對馬克隆值的耦合效應，品質隨灌水量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，隨施肥量的增加而增加，當灌水量為3 981 m3/hm2、施氮量為871 kg/hm2,馬克隆值達到最大值5.47。

表9 鹽脅迫水氮用量與產(chǎn)量、凈光合速率、Fv/Fm及馬克隆值間的回歸關系Tab.9 Regression relationship between amount of water and nitrogen in salt stress and yield, net photosynthetic rate, Fv/Fm and Micronaire value

圖1 水氮處理對鹽脅迫棉花產(chǎn)量、凈光合速率、Fv/Fm及馬克隆值的影響Fig.1 Effects of water and nitrogen treatment on yield, net photosynthetic rate, Fv/Fm and micronutrient values of salt stress

2.4.2水氮調(diào)控與相對產(chǎn)量、相對凈光合速率、相對熒光參數(shù)(Fv/Fm)及相對馬克隆值的關系

由于棉花產(chǎn)量、凈光合速率、Fv/Fm、馬克隆值難以同時達到最大值，且具有不同的量綱，不能直接比較，因此將棉花產(chǎn)量、凈光合速率、Fv/Fm、馬克隆值進行標準化處理，即各處理棉花產(chǎn)量、凈光合速率、熒光指標、品質指標分別除以其最大值，可以得到水氮投入與相對產(chǎn)量、相對凈光合速率、相對熒光指標和相對品質指標的關系。

圖2 水氮處理與鹽脅迫棉花相對產(chǎn)量、相對凈光合速率、相對Fv/Fm及相對馬克隆值的關系Fig.2 Relationship between relative yield, relative net photosynthetic rate, relative Fv/Fm and relative micronutrients of salt stress treated by water and nitrogen treatment

對棉花相對產(chǎn)量、相對凈光合速率(Pn)、相對熒光參數(shù)(Fv/Fm)和相對品質指標(馬克隆值)進行評價。由圖2可以看出，各指標在相對值0.9可接受區(qū)域時相對產(chǎn)量、相對凈光合速率、相對馬克隆值有重合區(qū)域，而熒光區(qū)域相差太遠；在相對值0.8可接受區(qū)域時棉花各指標有重疊區(qū)域，因此大于等于相對值0.8區(qū)域定為合理的可接受范圍。

由圖2可知，本研究參考了相關學者的參數(shù)估計中所用的似然函數(shù)組合方法[26]，分別記為加法組合方式C1、乘法組合方式C2和均方根組合方式C3，同時對棉花產(chǎn)量、凈光合速率、熒光、馬克隆值同時達到相對值0.8以上的區(qū)域用3種組合方式進行計算，取相對C1、C2、C3組合平均參數(shù)為最佳水肥量，通過計算得出最佳灌水施肥量為3 740 m3/hm2和754 kg/hm2。

3 討論

光合作用是棉花生長發(fā)育及品質、產(chǎn)量形成的基礎，灌水、施肥均會對植物光合產(chǎn)生重要影響[27]，而葉綠素熒光分析可反映環(huán)境脅迫下植物PSⅡ功能的變化[28]。研究不同水氮處理下鹽漬化土壤上棉花生理生長特性及其機理，對尋求鹽漬化地區(qū)棉花種植所需的合理水氮配比及鹽堿地的改良具有現(xiàn)實意義。

光合作用是植物利用太陽能將大氣中的水和二氧化碳等無機物轉化成有機物并釋放氧氣的過程，植物會自動適應周圍環(huán)境并朝著有利于光合作用的方向發(fā)展[29]。未來作物產(chǎn)量提高的方式將主要依靠光合作用轉化度的提高[30]。本研究表明，在W1和W2灌溉條件下，Pn、Tr及Gs均隨著施氮量的增加先上升后下降，而Ci隨著施氮量的增加先降低后升高。在W3灌溉水平下，Pn、Tr及Gs均隨著施氮量的增加而增加，Ci隨著施氮量的增加而減小；在W2灌溉條件下，各生育期N2處理的Pn和Tr均高于N1和N3處理。說明施氮過高或過低均不利于棉花的光合作用，只有適宜的施氮量才能使光合達到最高的轉化效率，且生育期光合作用呈現(xiàn)出明顯的非氣孔限制因素，這與權麗雙等[31]的研究結論一致。水分脅迫影響了植物的正常光合作用，降低了棉花的Pn和Tr[32]。本研究得出，在N2水平下，W2處理的棉花Pn和Tr顯著高于W1和W3處理。表明灌水量過高或過低均會降低植株的Pn和Tr，只有適宜的灌水量才能達到較好的光合效應。

適宜的灌水施氮改善了植株的光合性能，并可提高棉花葉片的PSⅡ總光化學量子產(chǎn)量、最大光化學效率及光能的利用效率[33]，F(xiàn)v/Fm和Fv/F0的變化可作為判斷植物是否受光抑制的指標[34]。本試驗得出，在同一灌溉水平下，棉花各生育期功能葉的Fv/Fm值隨著施氮量的增加而增加，均在W3N3處取得最大值，W1N1處取得最小值。表明增施氮肥可以提高Fv/Fm值，這可能是因為氮的供應緩解了水分脅迫引起的光抑制和光損傷[35]；在W1和W2水平下，棉花各生育期功能葉的Fv/F0值隨著施氮量的增加先增加后減小，在W3水平下，棉花各生育期Fv/F0值隨著施氮量的增加而增加，說明合理的水氮供應可顯著提高PSⅡ反應中心光能轉化效率[36]。qp表示PSⅡ反應中心的開放程度[23]，NPQ是衡量PSⅡ反應中心非輻射能量耗散的指標[37]。本試驗表明，在各灌水水平下，棉花各生育期功能葉的qp值隨著施氮量的增加先增加后減??；在W2和W3水平，NPQ值隨著施氮量的增加逐漸減小；ETR變化趨勢與Y(Ⅱ)相似：在W1和W2水平下，棉花各生育期ETR均隨著施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢。在W3水平下，各生育期ETR均隨著施氮量的增加而增加。說明合理的灌水施氮可以增強光能利用率，并提高光合電子傳遞能力[16]。

水肥的田間管理是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個重要問題，當兩者關系達到最優(yōu)時才可能實現(xiàn)低投入、高品質和高產(chǎn)出的目標[38]，且不同灌水量所對應的最佳施氮量之間存在一定差別[17]。王振華等[39]研究表明，合理的增水增氮可以增加植株內(nèi)氮素的有效累積，促進油葵對氮素利用吸收，進而達到高產(chǎn)的目的。本試驗研究結果與以上相似：在W1水平下，Y、iWUE均隨著施氮量的增加而增加；在W2和W3水平下，Y、iWUE均隨著施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢。其中，Y最大值出現(xiàn)在W2N2處理，為5 854.5 kg/hm2。在同一灌水水平下，NPFP隨著施氮量的增加逐漸減小，這與AUJLA等[40]的研究結果一致。棉花纖維品質是其主要的目標性狀，馬克隆值、斷裂比強度及纖維長度等是評價其品質的重要指標[41]，本試驗得出，大體上，馬克隆值隨著灌水量的增加而降低，纖維長度大體隨著灌水量的增加而增加，這與李勇等[25]的研究結論相同。

對水氮投入量和棉花產(chǎn)量、凈光合速率、Fv/Fm、馬克隆值，分別建立了二元二次回歸方程，并參考似然函數(shù)組合方法，得出最佳灌水施氮量為3 740 m3/hm2和754 kg/hm2。這一灌水施肥量為鹽漬地區(qū)棉田水肥管理提供理論支撐，此優(yōu)化方法可準確量化所求目標的最優(yōu)值[26]。

4 結論

(1)輕度鹽脅迫不同水氮調(diào)控條件下，灌水量和水氮交互作用對各生育期Pn、Tr、Gs及Ci均具有極顯著影響(P<0.01)，施氮量對各生育期Pn、Tr、Gs及Ci均具有顯著影響(P<0.05)。不同處理滴灌棉花Pn、Tr、Gs均隨生育期的推進呈現(xiàn)出下降趨勢，即在盛花期達到最大，吐絮期降到最小，而Ci卻隨著生育期的推進逐漸增大，吐絮期各處理平均值最大；其中，在W1和W2水平下，Pn、Tr、Gs均隨著施氮量的增加先上升后下降，且在W2N2處達到最大值。在W3水平下，均隨著施氮量的增加而增加，而Ci卻表現(xiàn)出相反的變化趨勢。

(2)不同水氮處理滴灌棉花功能葉Fv/Fm和Fv/F0、qp、Y(Ⅱ)和ETR均隨著生育期的推進逐漸減小，至吐絮期達到最小值。而NPQ隨著生育期的推進逐漸增大，至吐絮期達到最大值。其中，灌水對棉花各生育期功能葉Fv/Fm和Fv/F0的影響不顯著(P>0.05)，對qp和NPQ、Y(Ⅱ)和ETR的影響顯著(P<0.05)；施氮對棉花各生育期功能葉NPQ的影響不顯著(P>0.05)，對Fv/Fm和Fv/F0、qp、Y(Ⅱ)和ETR的影響顯著(P<0.05)；水氮交互作用均對棉花各生育期熒光參數(shù)的影響達到極顯著水平(P<0.01)。

(3)灌水對Y、iWUE、馬克隆值及纖維長度的影響極顯著(P<0.01)，對NPFP影響顯著(P<0.05)，對整齊度指數(shù)、斷裂比強度及伸長率無顯著影響(P>0.05)；施氮對Y及馬克隆值的影響達到顯著水平(P<0.05),對NPFP的影響達到極顯著水平(P<0.01)，但對iWUE、纖維長度、整齊度指數(shù)、斷裂比強度及伸長率無顯著影響(P>0.05)；水氮交互作用對Y、iWUE、NPFP及馬克隆值的影響達到極顯著水平(P<0.01)。其中，籽棉產(chǎn)量(Y)最大值出現(xiàn)在W2N2處理，為5 854.5 kg/hm2；最小值出現(xiàn)在W1N1處理，為3 483.75 kg/hm2，二者相對增加68.05%。

(4)以水氮投入為自變量，以棉花產(chǎn)量、凈光合速率、Fv/Fm、馬克隆值為因變量，分別建立了二元二次回歸方程。水氮投入對各因變量的影響均達到極顯著水平(P<0.01)，決定系數(shù)均在0.86以上。采用似然函數(shù)組合方法，對棉花產(chǎn)量、凈光合速率、熒光指標、馬克隆值同時達到相對值0.8以上的區(qū)域用3種組合方式進行計算，得到輕度鹽堿土滴灌棉花最佳灌水施氮量為3 740 m3/hm2和754 kg/hm2。

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