早期適度干旱對棉花產(chǎn)量、纖維品質(zhì)及水分利用效率影響

萬華龍 ，劉朋程 ，劉連濤 ，張永江 ，劉玉春 ,2，白志英 ,3，李存東 *，孫紅春 *

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)/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(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北保定071000；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河北保定071000）

隨著水資源供需矛盾日益加劇，水資源短缺已成為制約黃河流域棉區(qū)棉花生產(chǎn)的主要因素[1]。近年來我國農(nóng)業(yè)用水效率均值總體呈下降趨勢，由2011年的0.613下降到2012年的0.608，2013年保持在0.608[2]。因此，研究適度干旱下作物的生長發(fā)育對節(jié)約水資源、解決水源匱乏問題尤為重要。

棉花生長發(fā)育具有較強的可塑性，產(chǎn)量由單位面積鈴數(shù)、鈴重和衣分構(gòu)成，通常可根據(jù)水分條件的變化，通過調(diào)整鈴數(shù)或鈴重、生物產(chǎn)量及其分配來確保產(chǎn)量的穩(wěn)定性[3]。水分是作物吸收養(yǎng)分的媒介，探討水分脅迫對棉花生長過程和產(chǎn)量構(gòu)成特征的影響，有助于棉花需水高峰期補水抗旱措施的正確實施，確保棉花優(yōu)質(zhì)結(jié)鈴期降低脫落率，提高優(yōu)質(zhì)鈴比例[4-5]。高超等[6]研究表明，水分脅迫下，棉株為了保持運輸功能，主根會分叉，整個根系分布較淺，而且根的分布密度較大，這有利于吸收土壤表層的有效水分及養(yǎng)分。南建福等[7]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，進而提高經(jīng)濟產(chǎn)量。劉素華等[8]研究表明調(diào)虧灌溉顯著抑制營養(yǎng)生長，但提高了收獲指數(shù)。黃河流域?qū)倥瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候，降水多集中在夏季，而此時正值棉花的花鈴期，需水量最大，這為實施棉花早期適度干旱或生育期免灌溉提供了可能性。閆曼曼等[9]對海島棉研究表明，輕度調(diào)虧灌溉（900 m3·hm－2）下，單株結(jié)鈴數(shù)多，鈴重大，皮棉產(chǎn)量高；而重度調(diào)虧（0 m3·hm－2）處理水分虧缺嚴重，無法滿足海島棉棉鈴發(fā)育的營養(yǎng)需求，使鈴重和單株結(jié)鈴數(shù)顯著下降，導(dǎo)致皮棉產(chǎn)量最低。

纖維品質(zhì)高低與水分環(huán)境存在密切的聯(lián)系。孟兆江等[10]研究表明苗期和蕾期輕中度調(diào)虧，可以顯著增強棉花斷裂比強度。Papastylianou等[11]對地中海地區(qū)棉花的研究表明，滴灌條件下灌水量降低25%可大大提高水分利用效率，對棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)沒有顯著影響。李培嶺等[12]研究表明，與交替和固定隔溝灌相比，常規(guī)隔溝灌，棉田水分利用效率增加，產(chǎn)量顯著提高。

在棉花適度干旱處理方面的研究前人已有報道，但主要針對在棉花某一特定生育時期進行節(jié)水灌溉處理，而對于苗期、蕾期連續(xù)缺水或僅苗期少量灌水后通過充分利用自然降水實現(xiàn)花鈴期復(fù)水對大田棉花影響的研究尚少。本研究探討了早期適度干旱處理對棉花不同熟性品種產(chǎn)量水平、產(chǎn)量構(gòu)成因素、纖維品質(zhì)及水分利用效率的影響，為黃河流域棉區(qū)抗旱品種篩選和節(jié)水管理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015和2016年在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)清苑試驗站進行。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶詺夂颉Ｔ囼灥毓┰囃临|(zhì)為壤土，土壤肥沃，2015年耕層土壤含有機質(zhì) 19.92 g·kg－1， 堿解氮 70.82 mg·kg－1， 速效磷40.56 mg·kg－1， 速效鉀 150.05 mg·kg－1。2016 年含有機質(zhì) 17.70 g·kg－1， 堿解氮49.60 mg·kg－1， 速效磷 26.75 mg·kg－1， 速效鉀180.26 mg·kg－1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗為裂區(qū)設(shè)計。主區(qū)為水分：常規(guī)灌溉（W1）、干旱處理（播前限量補墑生育期不灌溉，W2）。其中：W2處理在2015年因播前及時降雨，未進行灌溉；2016年W2處理播前灌溉300 m3·hm－2，為常規(guī)灌溉的 40%（表 1）。副區(qū)為品種：中棉所 50（CCRI 50，早熟）；農(nóng)大棉 601（ND 601，中早熟）；冀棉 958（JM 958，中熟）。試驗小區(qū)面積為88 m2，設(shè)置3次重復(fù)。大小行種植，大行距100 cm，小行距50 cm。于4月24日進行播種，采用人工覆膜、點播，種植密度為4.8萬株·hm－2，土壤飽和含水量為24.6%，其他同常規(guī)栽培管理。

表1 2015年和2016年試驗灌溉處理方法Table 1 Irrigation treatment in 2015 and 2016 m3·hm－2

由表2可知，2015年和2016年棉花播種與生長季總降水量分別為475.21 mm和356.62mm，且降水均集中于7月，分別占整個棉花生育期的34.7%和66.9%，而此時正值棉花生長發(fā)育的關(guān)鍵時期——花鈴期。相對于2016年，2015年降水分布較均勻。

表2 2015年和2016年棉花生育期內(nèi)各月份降水情況Table 2 Precipitation conditions during the period of cotton growth in 2015 and 2016 mm

1.3 測定項目及方法

1.3.1降水量。在清苑試驗站安放雨量計進行監(jiān)測。

1.3.2土壤相對含水量。用土鉆取不同時期對應(yīng)土層的土壤，裝入鋁盒，帶回實驗室稱取濕土質(zhì)量，然后85℃烘干至質(zhì)量恒定，放入干燥器中降至室溫，稱量干土質(zhì)量，最后計算土壤相對含水量。公式：土壤相對含水量=土壤質(zhì)量含水量/田間持水量。

1.3.3單株鈴數(shù)、鈴重、脫落率。選取長勢均勻的棉株進行調(diào)查。

1.3.4“三桃”比例。于7月15日、8月15日和9月10日選取長勢均勻且具有代表性的50株棉株進行成鈴數(shù)調(diào)查，并掛牌。

1.3.5纖維品質(zhì)。稱量理論產(chǎn)量中軋花去籽后的棉樣20 g，采用瑞士烏斯特有限公司生產(chǎn)的USTERRHVI 1000大容量棉花測試儀，在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院棉花育種組，測定各處理的纖維長度整齊度指數(shù)、馬克隆值和斷裂比強度。

1.3.6棉田耗水量計算。棉田耗水量由水量平衡公式計算：ET＝R＋I－F±Q＋ΔW.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（mm），Q為上移或下滲量（mm）。華北地區(qū)水資源緊缺，土壤含水量較低，降雨一般不會引起地表徑流，不考慮深層土壤水分滲漏[13]，此處取F＝0，Q＝0；ΔW為土壤貯水量的減少量（mm），自然狀況下一定土層厚度的土壤能夠容納的實際含水量的減少量＝土壤容重×土壤厚度×（實測土壤質(zhì)量含水量－播前土壤質(zhì)量含水量）。

1.3.7產(chǎn)量水平的水分利用效率。每小區(qū)選取4行從未進行破壞取樣的棉株，人工收取棉絮，稱量得其實收籽棉產(chǎn)量。按下式計算水分利用效率（Water use efficiency，WUE）：WUE＝Y(jié)/ET.式中Y為籽棉產(chǎn)量（kg·hm－2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用MS Excel 2010和SPSS 21.0進行數(shù)據(jù)分析，采用最小顯著差異法（LSD）進行差異顯著性檢驗（α＝0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 早期適度干旱對土壤相對含水量的影響

2015年，W2處理下，3個品種土壤相對含水量在苗后 40 d（苗期）、苗后 54 d（盛蕾期）、苗后86 d（盛花期）均達到輕度干旱脅迫（60%±5%），但苗后114 d（吐絮期）CCRI 50達到輕度干旱脅迫，ND 601和JM 958達到中度干旱脅迫（50%±5%），可能是由于CCRI 50屬早熟品種，后期耗水較少。2016年3個品種均在苗后40 d（苗期）達到輕度干旱脅迫，在苗后54 d（盛蕾期）和苗后66 d（初花期）達到中度干旱脅迫，由于后期降雨較多，棉田旱情解除，土壤相對含水量在苗后88 d（盛花期）達到正常范圍（表 3）。

2.2 早期適度干旱處理對棉花“三桃”比例的影響

由表 4知，2015年，干旱處理（W2）下，伏前桃和秋桃比例升高，伏桃比例下降。其中，由于早熟品種CCRI 50受水分脅迫影響，其伏前桃比例高于ND 601和JM 958，而秋桃比例明顯低于ND 601和 JM 958。

表3 2015年和2016年棉花各時期土壤相對含水量Table 3 The relative water content of soil during each period of cotton in 2015 and 2016

表4 2015和2016年早期適度干旱對棉花“三桃”比例的影響Table 4 Effect of early moderate drought on the ratio of seasonal-boll in 2015 and 2016

2016 年，與常規(guī)灌溉（W1）相比，W2 處理下ND 601和JM 958伏前桃、伏桃比例均下降，而秋桃比例升高。這可能是由于7月降雨較多，導(dǎo)致棉鈴大量脫落。

由表5知，2015年，W1處理下，“三桃”對產(chǎn)量直接通徑系數(shù)的絕對值由大到小依次為秋桃＞伏桃＞伏前桃，但秋桃（－0.589）對產(chǎn)量的作用是負向直接作用，而伏桃 （0.313）和伏前桃（0.186）對產(chǎn)量的作用均是正向的。因此，伏桃對提高產(chǎn)量作用最大。干旱處理（W2）下，“三桃”對產(chǎn)量直接通徑系數(shù)的絕對值由大到小依次為伏桃＞秋桃＞伏前桃，但伏桃對產(chǎn)量是負向作用，而伏前桃和秋桃是正向作用。因此，在干旱處理下秋桃對提高產(chǎn)量作用最大。

2016年，W1處理下，“三桃”對產(chǎn)量的直接通徑系數(shù)由大到小依次為伏桃＞秋桃＞伏前桃。Only irrigating limitedly before sowing.

表5 早期適度干旱處理下 “三桃”性狀對籽棉產(chǎn)量的通徑分析Table 5 Path analysis of seasonal-boll characters to seed cotton yield in early moderate drought treatment

因此，伏桃對產(chǎn)量影響最大。伏桃（0.516）和秋桃（0.095）對產(chǎn)量有正向直接作用，秋桃通過伏前桃有負向間接作用（－0.001）。干旱處理下，“三桃”對產(chǎn)量的直接通徑系數(shù)由大到小依次為秋桃＞伏前桃＞伏桃，且均對產(chǎn)量有正向直接作用。

2.3 早期適度干旱對棉花產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表6可知，2015年，與W1相比，W2處理下ND 601和JM 958單株鈴數(shù)和籽棉產(chǎn)量顯著降低，籽棉產(chǎn)量以CCRI 50降低最顯著（41.0%）；3個品種的脫落率均顯著下降。

2016年，與W1相比，W2處理下棉花的單株鈴數(shù)、鈴重和脫落率均呈下降趨勢。CCRI 50鈴重顯著低于ND601和JM958，與ND601和JM958相比，CCRI 50在W1、W2處理下鈴重下降比例分別為10.94%、8.06%和10.00%、10.00%，說明較少灌水量會導(dǎo)致鈴重降低。W2處理下，ND 601脫落率顯著高于CCRI 50。

與2015年相比，2016年3個品種脫落率均升高。

表6 2015年和2016年早期適度干旱處理對單株棉花產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 6 Effect of early moderate drought on the cotton yield components in 2015 and 2016

2.4 早期適度干旱處理對棉花纖維品質(zhì)的影響

由表7知，2015年，CCRI 50和ND 601馬克隆值從伏前桃到伏桃和秋桃逐漸降低。與W1相比，W2處理下CCRI 50伏前桃長度整齊度指數(shù)和斷裂比強度明顯升高；ND 601伏前桃馬克隆值明顯升高，斷裂比強度明顯降低；JM 958伏前桃和秋桃的馬克隆值和長度整齊度指數(shù)均明顯增加，但伏桃馬克隆值降低。W1處理下，CCRI 50伏前桃馬克隆值明顯高于ND 601和JM 958，這可能是由于CCRI 50為早熟品種，伏前桃出現(xiàn)較早，未趕上雨季，品質(zhì)受影響較小。

2016年，W2處理下，“三桃”的馬克隆值較W1增加，以ND 601最顯著，平均升高22.4%。長度整齊度指數(shù)間無顯著差異，處于85%～88%。與W1相比，干旱處理下斷裂比強度增加，且伏前桃和秋桃的斷裂比強度為CCRI 50＞ND 601＞JM 958，但差異不顯著。

2.5 早期適度干旱對棉花水分利用效率的影響

從表8可以看出，2015年棉田總耗水量高于2016年，但水分利用效率較2016年低，說明灌水量多不一定會獲得較高的水分利用效率。2015年，CCRI 50干旱處理的水分利用效率顯著低于W1。ND 601和JM 958，干旱處理水分利用效率高于W1，2年結(jié)果一致。

3 討論

3.1 早期適度干旱處理對棉花產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

伏前桃作為早期鈴，可作為棉株早發(fā)穩(wěn)長的標志，伏桃是構(gòu)成產(chǎn)量的主體。本研究發(fā)現(xiàn)，2015年，苗后86 d之前，土壤相對含水量一直處于輕度脅迫范圍內(nèi)（在60%±5%），對植株生長影響較小，因此“三桃”比例差異不顯著；CCRI 50屬早熟品種，成熟早且植株弱小，對水分脅迫較敏感，2016年，在苗后114 d時出現(xiàn)中度干旱（土壤相對含水量在50%±5%），嚴重影響其后期生殖器官數(shù)量，其秋桃數(shù)量明顯較低。2016年由于前期灌水少，植株生長較弱，制造的干物質(zhì)少，因此產(chǎn)生的早期生殖器官較少，而7月下旬雨水充足，早期適度干旱處理旱情解除，植株后期補償效應(yīng)增強，使伏桃和秋桃數(shù)增加。2年試驗結(jié)果顯示，常規(guī)灌溉處理（W1）下，3個品種伏桃對產(chǎn)量正向直接作用均最大，而伏桃通過秋桃對產(chǎn)量的負向間接作用又較小，所以該種灌水量情況下，增加伏桃是提高棉花產(chǎn)量的主攻因素。2年試驗中，早期適度干旱處理（W2）下，秋桃對產(chǎn)量的正向直接作用最大，且通過伏前桃和伏桃對產(chǎn)量的負向

間接作用較小，所以早期適度干旱處理下，增加秋桃數(shù)量是提高棉花產(chǎn)量的主要因素，而伏桃在2015年對產(chǎn)量的負向直接作用較大，2016年伏桃對產(chǎn)量正向直接作用低于伏前桃，所以在早期適度干旱處理下，應(yīng)主攻秋桃，合理控制伏桃數(shù)量，正確處理好伏前桃、伏桃和秋桃的關(guān)系。

表7 早期適度干旱處理對棉花纖維品質(zhì)的影響Table 7 Effect of early moderate drought on cotton fiber quality

表8 早期適度干旱處理對棉花水分利用效率（WUE）的影響Table 8 Effect of early moderate drought on water use efficiency（WUE）

棉花的結(jié)鈴數(shù)和脫落率等很大程度上受水分影響，而這些因素又直接影響棉花的產(chǎn)量[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，早期適度干旱處理下，棉株相對常規(guī)灌溉長勢弱小，葉面積指數(shù)較小，致使有效光合面積小，不能制造足夠多的同化物供應(yīng)棉鈴發(fā)育，致使單株鈴數(shù)減少，鈴重降低，產(chǎn)量下降。韓會玲等[15]研究認為，蕾期和花鈴期連續(xù)受旱使棉鈴變小，產(chǎn)量大幅度降低，但限量灌溉增加通風(fēng)透光，減少棉鈴脫落。早期適度干旱對棉花衣分無顯著影響，這與Dagdelen等[16]和Karam等[17]研究結(jié)果一致，灌水量影響棉花的產(chǎn)量構(gòu)成因素，但對衣分無顯著影響。

3.2 早期適度干旱處理對棉花纖維品質(zhì)的影響

馬克隆值作為反映棉花成熟度和纖維細度的指標，其數(shù)值越高，證明纖維越粗，成熟度越大。許多研究已表明，適度減少灌水量不會導(dǎo)致棉花纖維品質(zhì)明顯下降[18-19]。本研究表明，在一定灌水量范圍內(nèi)，適度減少灌水量可增大馬克隆值?？赡苁怯捎谄贩N差異和此試驗中水分脅迫程度不同，不同灌水處理間長度整齊度指數(shù)在2016年無顯著差異。這與Karademir等[20]的研究結(jié)果一致。本研究中，在不同灌水量處理下斷裂比強度無顯著差異，然而，前人[21-22]的研究表明斷裂比強度會隨著水分虧缺程度的升高而降低，這可能是由于棉花斷裂比強度主要由一些基因決定，而受棉花生長過程中環(huán)境變化影響很小。7－8月為棉花生長關(guān)鍵時期——花鈴期，2015年降雨相對2016年分布均勻，主要集中在7－8月，為棉花的需水關(guān)鍵期，因此伏前桃和伏桃馬克隆值明顯高于2016年，而9月吐絮期降雨較多易影響纖維品質(zhì)，致使秋桃馬克隆值、斷裂比強度和長度整齊度指數(shù)降低。

3.3 早期適度干旱處理對棉田水分利用效率的影響

Li等[23]研究發(fā)現(xiàn)，適時適度的水分虧缺，可使灌溉水利用效率提高27.94%～34.85%。寧松瑞等[24]研究發(fā)現(xiàn)，利用膜下滴灌技術(shù)進行節(jié)水灌溉，與傳統(tǒng)灌溉模式相比，可明顯增加棉田的水分利用效率。本研究發(fā)現(xiàn)，早熟品種CCRI 50對水分脅迫較敏感，早期適度干旱處理（W2）下，水分利用效率下降；ND 601和JM 958屬中早熟品種和中熟品種，抗旱能力相對較強，水分脅迫對其影響不大，水分利用效率提高。2015年較2016年棉田總耗水量大，但水分利用效率卻降低，這也說明不是灌溉水越多，植物能利用的水就越多。因此，早期適度干旱對研究獲得最大水分利用效率的最優(yōu)灌水量尤為重要。

4 結(jié)論

早期適度干旱可以影響棉花的產(chǎn)量、纖維品質(zhì)和水分利用效率，尤其是對早熟品種影響較大。只灌或不灌出苗水，可以節(jié)省大量水資源，如果蕾期及時降雨，則不會導(dǎo)致產(chǎn)量顯著下降，因此早期適度干旱處理的方式與降雨年型息息相關(guān)。此外，水分對產(chǎn)量構(gòu)成因素中的單株鈴數(shù)影響最大，目前水分是本試驗的主要研究因素，在今后的試驗中，若遇到旱年，可以通過增加種植密度來改善。