限量灌溉對不同棉花品種干物質(zhì)積累分配、產(chǎn)量和水分利用效率的影響

劉朋程 ，孫紅春 ，劉連濤 ，張永江 ，劉玉春 ，2，白志英 ，3，李夢 ，李存東 *

（1.河北農(nóng)業(yè)大學/河北省作物生長調(diào)控重點實驗室，河北保定071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學城鄉(xiāng)建設學院，河北保定071000；3.河北農(nóng)業(yè)大學生命科學學院，河北保定071000；4.河北省農(nóng)林科學院，河北石家莊050051）

棉花是世界上主要的經(jīng)濟作物，其生長過程需要消耗大量水資源[1]。但由于灌溉時間及灌溉量不當?shù)仍?，目前包括棉花在?nèi)的中國農(nóng)田灌溉水利用率系數(shù)僅為0.5，遠不及發(fā)達國家（0.7～0.8）[2]。因此，如何提高農(nóng)業(yè)用水效率，促進農(nóng)業(yè)高產(chǎn)高效發(fā)展成為亟需解決的問題之一[3]。

棉花苗期需水量較少，土壤相對含水量保持在60%～75%有利于棉花生殖器官的生長[4]。南建福等[5]研究認為棉花苗期適當控制水分，可以限制莖、葉的生長，有利于光合產(chǎn)物向生殖器官的運輸，進而提高籽棉產(chǎn)量。申孝軍等[6]研究認為，在棉花的蕾期進行適時適度的水分虧缺對棉花的產(chǎn)量影響不明顯，可以節(jié)約灌水量，提高灌水利用效率。Papastylianou等[7]研究認為在棉花苗期和花鈴期適當減少灌溉量可以提高棉花的產(chǎn)量。研究認為作物具有一定的補償效應，在土壤干旱條件下作物通過調(diào)節(jié)同化物再分配和氣孔開度來趨利避害[8-10]。 認為棉花在輕度干旱處理下的產(chǎn)量比頻灌處理要高，說明一定生育時期適當?shù)乃痔澣?，不但不影響產(chǎn)量，而且還能提高水分利用率[11-12]。Zhao等[13]研究認為，施加一定程度的干旱脅迫于作物某階段，復水后可以在生長、產(chǎn)量形成上產(chǎn)生補償效應。牛靜等[14]研究認為，棉花花鈴期適當程度的干旱脅迫可以增加皮棉產(chǎn)量。

對棉花限量灌溉的研究前人已有報道[15-17]，但主要針對在棉花某一特定生育時期或在防雨旱棚條件下進行限量灌溉處理，而對于苗期、蕾期連續(xù)缺水后通過灌溉或降水實現(xiàn)花鈴期復水對大田棉花影響的研究尚少。本研究探討了限量灌溉對棉花不同熟性品種生長發(fā)育、土壤水分分布、產(chǎn)量以及水分利用效率的影響，為黃河流域棉區(qū)節(jié)水抗旱品種的開發(fā)利用以及節(jié)水栽培提供理論依據(jù)和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2015年和2016年在河北農(nóng)業(yè)大學試驗農(nóng)場進行田間試驗，該試驗地位于保定市清苑（E115°28′，N38°53′），屬于暖溫帶大陸性氣候，土質(zhì)為壤土（表1）。2015年和2016年連續(xù)2個棉花播種與生長季 （4―10月）的總降水量分別為475.2 mm和356.6 mm。2年降水量均在7月份（正值棉花生長發(fā)育的關(guān)鍵時期—花鈴期）達到最大值，分別占整個生長季降水量的34.74%、66.88%。與常年4―10月份降水量相比，兩年降水量均屬正常，2015年較2016年降水分布較均勻。

1.2 試驗設計

試驗采取裂區(qū)設計。主處理為灌溉條件，副處理為品種。3個供試品種：早熟品種中棉所50（CCRI 50）、中早熟品種農(nóng)大 601（ND601）和中熟品種冀棉 958（JM958）。 設置常規(guī)灌溉（W1）、播前限量補墑生育期不灌溉（W2）2個水分處理（表2）。2015年因播前及時降雨W2未進行灌溉；2016年 W2處理播前灌溉 300 m3·hm－2。密度 48 000株·hm－2，其它同常規(guī)栽培管理。

2015年第一次灌水前0～60 cm土層土壤相對含水量為70.76%，可以達到限量灌溉標準；2016年參考上年部分出苗偏差情況調(diào)整第一次灌溉量為300 m3·hm－2，使土壤相對含水量達到80%。灌溉量通過公式計算得到：V＝h×s×ρ×f×（Wp－Wa）/1000，式中 V 為灌水體積（m3）；h 為濕潤土層深度（m）；s為濕潤面積（m2）；ρ 為濕潤土層土壤容重（kg·m－3）；f為田間持水量；Wp為目標土壤相對含水量；Wa為灌溉前土壤相對含水量。

表1 試驗前土壤有機質(zhì)、氮、磷和鉀含量Table 1 Contents of organic matter，nitrogen，phosphorus and potassium in soil

表2 2015年和2016年灌溉方法Table 2 Test methods of irrigation in 2015 and 2016

1.3 測定項目及方法

由于2015年和2016年天氣情況不同，影響田間作業(yè)時間，所以同一指標在兩年中測定時間有所差異。但均按照棉花生育時期進行，以方便比較。測定時間分四個階段：苗期，苗后0～45 d；蕾期，苗后 45～70 d；花鈴期，苗后 70～120 d；吐絮期，苗后120～180 d。

1.3.1降水量。在試驗地旁安放雨量計，記錄棉花生育期內(nèi)降水量。

1.3.2土壤含水量。采用取土烘干法，取樣深度為1 m。

1.3.3葉面積指數(shù)。選取長勢均勻一致的植株，用直尺測量葉片長和寬，采用長寬系數(shù)法（0.75）計算葉面積，再根據(jù)實際棉花株數(shù)和小區(qū)面積計算葉面積指數(shù)（Leaf area index,LAI）。每小區(qū)3個重復。

1.3.4干物質(zhì)積累動態(tài)。自苗期開始，每隔15 d在每個小區(qū)選3株代表性植株，從子葉節(jié)處取地上部，將植株按照主莖葉、果枝葉、莖、生殖器官分解，并將各部分105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重。

1.3.5棉田耗水量計算。不同處理棉田耗水量由水量平衡公式計算：

式中，ET為作物蒸發(fā)蒸騰量 （mm），R為降水量 （mm），I為灌水量 （mm），F(xiàn)為地表徑流量（mm），Q 為上移或下滲量 （mm），ΔW為土壤貯水量的減少量（mm）?？紤]到棉田試驗期間無地表徑流和滲漏發(fā)生，此處取F＝0，Q＝0。

1.3.6產(chǎn)量水平的水分利用效率

式中 Y 為籽棉產(chǎn)量（kg·hm－2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用MS Excel 2013和SPSS 21.0軟件進行數(shù)據(jù)整理，采用最小顯著差異法（LSD）進行差異顯著性檢驗（α＝0.05）。圖中用*表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 限量灌溉對土壤含水量的影響

2015年W2處理下，3個品種在苗后 40 d（苗期）、苗后 54 d（盛蕾期）、苗后 86 d（盛花期）的土壤含水量均達到輕度干旱脅迫水平（土壤相對含水量60%±5%）；在苗后114 d（盛鈴期），CCRI 50的土壤含水量達到輕度干旱脅迫水平，ND 601、JM 958均達到中度干旱脅迫水平（45%±5%）。苗后114 d，CCRI 50在2種灌溉條件土壤含水量無顯著差異，而其它2個品種均為W2處理顯著低于W1處理，這可能是因為早熟品種CCRI 50進入吐絮期早，后期耗水量少（表3）。

2016年2種灌溉處理下，3個品種在苗后54 d（盛蕾期）均處于輕度干旱脅迫狀態(tài)；W2處理下，3 個品種在苗后 40 d（苗期）、54 d、66 d（初花期）均處于輕度干旱脅迫狀態(tài)，CCRI 50在這3個時期土壤相對含水量較W1處理均顯著降低，ND 601和JM 958在苗后54 d、66 d土壤相對含水量較W1處理顯著降低。2016年花期降水較多，因此，各處理土壤含水量在苗后88 d（盛花期）差異不顯著（表4）。

表3 限量灌溉對土壤相對含水量的變化（2015年）Table 3 Effects of limited irrigation on soil relative water content(2015)

表4 限量灌溉對土壤相對含水量的變化（2016年）Table 4 Effects of limited irrigation on soil relative water content(2016)

2.2 限量灌溉對棉花群體葉面積指數(shù)的影響

如圖1所示，2015年2種灌溉處理下，苗后108 d時ND 601和JM 958的葉面積指數(shù)均顯著高于CCRI 50。各處理LAI達到最大值時，與W1處理相比，W2處理下CCRI 50、ND 601和JM 958分別降低25.54%、22.97%、29.2%。在2016年W2處理下，各品種均在苗后110 d（盛鈴期）達到最大值時低于W1處理，并且，CCRI 50顯著低于ND 601、JM 958。可能是因為早熟品種CCRI 50生育時期較早，而且生長主要集中在前中期，此時干旱脅迫對其影響較大，而中早熟品種和中熟品種生育期長，后期降水會使其產(chǎn)生補償效應。

圖1 限量灌溉對葉面積指數(shù)的影響Fig.1 Effects of limited irrigation on leaf area index

2.3 限量灌溉對棉花干物質(zhì)積累動態(tài)的影響

回歸分析表明（表5、表6），不同灌溉處理下棉花地上部群體干物質(zhì)積累動態(tài)符合Logistics方程y=k/（1＋ae－bx）的“S”型曲線。 2015 年 W1處理下，CCRI 50、JM958干物質(zhì)質(zhì)量最大增長速率較ND 601分別降低45.45%、8.37%。W2處理下，CCRI 50、JM 958干物質(zhì)質(zhì)量最大增長速率較ND 601分別降低 62.40%、23.23%；CCRI 50、ND 601、JM 958干物質(zhì)質(zhì)量最大增長速率較W1處理降低38.66%、11.01%、25.45%；最大干物質(zhì)質(zhì)量較W1處理降低 38.37%、19.81%、30.93%。在2016年，在W2處理下，CCRI 50干物質(zhì)質(zhì)量最大增長速率較 W1降低 20.49%，ND 601、JM 958較W1處理分別提高10.79%、7.44%；最大干物質(zhì)質(zhì)量較W1處理降低33.91%、16.63%、14.87%。早熟品種CCRI50較中早熟品種ND 601和中熟品種JM 958生育期短，各生長時期發(fā)生會提前，所以土壤持續(xù)的干旱脅迫對CCRI 50在生長關(guān)鍵時期的生長速率及干物質(zhì)積累影響更大。

表5 地上部干物質(zhì)積累動態(tài)的Logistics回歸方程（2015年）Table 5 The logistics equation of dry matter accumulation（2015）

表6 地上部干物質(zhì)積累動態(tài)的Logistics回歸方程（2016年）Table 6 The logistics equation of dry matter accumulation（2016）

2.4 限量灌溉對棉花生殖器官干物質(zhì)分配比例的影響

如圖2所示，2015年W1處理下，CCRI 50和ND 601在苗后40 d的分配比例顯著高于JM 958；苗后 71 d，CCRI 50顯著高于 ND 601和JM 958；苗后108 d，CCRI 50顯著高于ND 601。W2處理下，苗后71 d，CCRI 50生殖器官干物質(zhì)分配比例顯著高于ND 601和JM 958。在2016年，W1 處理下，CCRI 50 在苗后 40 d、53 d、64 d、86 d的分配比例均顯著高于ND 601和JM 958。W2處理下，CCRI 50 在苗后 53 d、64 d、86 d 顯著高于ND 601和JM 958。說明早熟品種CCRI 50前期生殖生長較快，生殖器官分配比例較ND 601和JM 958高。

圖2 限量灌溉對棉花生殖器官分配比例的影響Fig.2 Effects of limited irrigation on allocation of reproductive organs in cotton

2.5 限量灌溉對棉花生物產(chǎn)量和水分利用效率的影響

由表7可以看出，在2015年W1處理下，苗后40～54 d，CCRI 50和ND 601水分利用效率較JM 958均顯著降低；苗后54～86 d，與ND 601和JM 958相比，CCRI 50生物產(chǎn)量和水分利用效率均顯著降低。W2處理下，苗后40～54 d，CCRI 50生物產(chǎn)量和水分利用效率較ND 601和JM 958均顯著降低。

由表8可以看出，在2016年W1處理下，苗后 40～54 d，與 JM 958相比，CCRI 50和 ND 601水分利用效率顯著降低。W2處理下，苗后40～54 d，CCRI 50水分利用效率較JM 958顯著降低；苗后88～112 d（盛蕾期到盛鈴期），與ND 601相比，CCRI50生物產(chǎn)量和水分利用效率均顯著降低。與W1處理相比，苗后54～88d，3個品種在W2處理下的生物產(chǎn)量和水分利用效率均顯著降低。

表7 限量灌溉對棉花生物產(chǎn)量及水分利用效率的影響（2015年）Table 7 Effects of limited irrigation on biological yield and water use efficiency of cotton(2015)

表8 限量灌溉對棉花生物產(chǎn)量及水分利用效率的影響（2016）Table 8 Effects of limited irrigation on biological yield and water use efficiency of cotton(2016)

2.6 限量灌溉對棉花產(chǎn)量和群體水分利用效率的影響

由表9可以看出，W2處理下，與中早熟品種ND 601和中熟品種JM 958相比，早熟品種CCRI 50籽棉產(chǎn)量均顯著降低。與W1處理相比，3個品種在W2處理下籽棉產(chǎn)量均顯著降低，CCRI50降低幅度最大，且CCRI50水分利用效率也顯著降低，而ND 601和JM 958水分利用效率顯著升高?？梢?，W2處理顯著降低了早熟品種CCRI 50的籽棉產(chǎn)量和水分利用效率，嚴重影響了其生長，雖然也顯著降低了中早熟品種的ND 601和中熟品種JM 958的籽棉產(chǎn)量，但顯著提高了水分利用效率。

表9 限量灌溉對棉花產(chǎn)量及水分利用效率的影響Table 9 Effects of limited irrigation on Yield and water use efficiency of cotton

3 討論

3.1 限量灌溉對棉花群體葉面積指數(shù)的影響

灌溉模式不僅會影響棉田土壤環(huán)境中水分分布，而且會影響棉花的營養(yǎng)生長狀況，而棉株的生長對水分最為敏感，棉花的生長發(fā)育與灌水模式密切相關(guān)[18]。鄧環(huán)等[19-20]認為良好的灌溉措施可以增大功能葉葉面積，保持冠層葉片直立性，改善群體透光率，增加光合面積，同時可延緩生育后期葉片的衰老。本研究發(fā)現(xiàn)，與W1處理相比，各品種在W2處理下LAI較W1處理顯著降低。W2處理下，ND 601、JM 958葉面積指數(shù)較W1處理有小幅度的降低，這可能使棉株受光更充分，有利于改善其群體大小，提高冠層的光合性能，進而有利于提高群體光能利用率和光合生產(chǎn)力，維持較好的產(chǎn)量水平；而CCRI 50葉面積指數(shù)降低幅度較大，雖然可以改善群體下部光照，但也會造成光能的浪費，使產(chǎn)量大幅度降低。原因可能是早熟品種CCRI 50生長主要集中在前中期，此時干旱脅迫對其影響較大；而中早熟品種和中熟品種生育期長，后期降水會使其產(chǎn)生補償效應。

3.2 限量灌溉對棉花干物質(zhì)積累動態(tài)與生殖器官分配比例的影響

干物質(zhì)是作物光合作用產(chǎn)物的最終形態(tài)，其積累與合理分配及運轉(zhuǎn)是提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵[21]。適當?shù)乃痔澣笨烧{(diào)節(jié)作物光合產(chǎn)物的分配、生長中心的轉(zhuǎn)移和某些組織器官的生長發(fā)育，使整個植株的生長發(fā)育達到更經(jīng)濟、合理分配，以應對水分短缺[22]。王平等[23]研究表明，調(diào)虧灌溉可以顯著增加夏玉米干物質(zhì)積累量及生殖器官的分配比例。本研究表明，W2處理能顯著提高中早熟品種ND 601和中熟品種JM 958的最大增長速率，有利于它們的干物質(zhì)積累；與ND 601、JM 958相比，W2處理會大幅度降低早熟品種CCRI 50的最大增長速率和最大干物質(zhì)量。說明棉花生長前中期土壤持續(xù)的干旱脅迫對CCRI 50影響更大。早熟品種CCRI 50前期生殖生長較快，生殖器官分配比例較中早熟品種ND 601和中熟品種JM 958高。與W1處理相比，W2處理并未顯著降低3個品種生殖器官干物質(zhì)最大分配比例。說明W2處理可以協(xié)調(diào)源庫關(guān)系，維持較好的產(chǎn)量器官分配比例。

3.3 限量灌溉對棉花產(chǎn)量和水分利用效率的影響

水分虧缺或過量都影響棉花干物質(zhì)在不同器官及不同生育時期的累積與分配，使產(chǎn)量降低[24]。限量灌溉能夠控制作物營養(yǎng)生長與生殖生長，減少作物生長冗余，調(diào)節(jié)光合產(chǎn)物在營養(yǎng)器官和生殖器官間的關(guān)系，同時有利于提高作物水分利用效率[25]。本試驗結(jié)果表明，棉花在盛蕾期至盛花期階段，與W1處理相比，3個品種在W2處理下的生物產(chǎn)量及單株水分利用效率均顯著降低，說明此階段適當增加土壤含水量有利于提高棉花的生產(chǎn)效率。在苗后40～54 d（苗期至盛蕾期）階段，與W1處理相比，3個品種在W2處理下的單株水分利用效率均顯著升高，說明此階段適當水分虧缺可以提高棉花單株水分利用效率。

作物產(chǎn)量和水分利用效率的同步提高是當今節(jié)水農(nóng)業(yè)所追求的一個主要目標[26]。胡順軍等[27]認為棉花水分利用效率最高點與其產(chǎn)量最高點并不一致。Belder等[28]研究則認為限量灌溉導致產(chǎn)量降低。但Zhang等[29-31]研究認為限量灌溉比保持水層灌溉可提高產(chǎn)量。本試驗結(jié)果表明，W2處理下，3個品種的產(chǎn)量較W1處理均顯著降低，與前人研究[29]一致；CCRI 50水分利用效率較W1處理顯著降低，而ND 601、JM 958顯著升高，且均顯著高于CCRI 50。因此，選擇水分適應能力強的中熟和中早熟品種是實現(xiàn)限量灌溉下高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)與水分高效利用的重要條件。早熟品種對水分供應十分敏感，限量灌溉易大幅度降低產(chǎn)量。

4 結(jié)論

本試驗以常規(guī)灌溉W1（播前與生育期灌水總額為 1 275 m3·hm－2）和限量灌溉 W2（播前灌水300 m3·hm－2或不灌，生育期內(nèi)不灌水）為處理，發(fā)現(xiàn)中早熟品種ND 601和中熟品種JM 958在W2處理下均可獲得較理想LAI和良好源庫關(guān)系，并能達到合理的水分利用效率和理想產(chǎn)量。而W2處理較大幅度降低了早熟品種CCRI 50的干物質(zhì)積累，嚴重影響了生殖器官所占比重，進而造成大幅度減產(chǎn)。且CCRI 50群體LAI受水分影響變化較大，限量灌溉不易構(gòu)建高產(chǎn)群體結(jié)構(gòu)。因此，限量灌溉技術(shù)在黃河流域棉區(qū)常年氣候條件下對于中早熟品種農(nóng)大601和中熟品種冀棉958是適用的，但氣候變化對棉花的生長發(fā)育具有很大影響，在不同降雨年份棉花的生長發(fā)育對限量灌溉的反應及其生理機制仍有待于進一步研究。