地下滴灌條件下水分脅迫對(duì)棉花生理性狀及水分利用率的影響

雷成霞，申孝軍，郭 銀

(1.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044004；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所 作物需水與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002；3.黃河水利委員會(huì)水文局，河南 鄭州 450000)

新疆是典型的干旱半干旱地區(qū)，多年平均蒸發(fā)量是降雨量的8倍以上，農(nóng)作物95%以上的水主要依靠灌溉，棉花作為主要農(nóng)產(chǎn)品之一，如何利用有限的水資源進(jìn)行科學(xué)灌溉，調(diào)控農(nóng)田土壤水分，提高水分利用率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)棉花優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，已成為關(guān)鍵性問(wèn)題。滴灌技術(shù)在新疆得到了大面積推廣應(yīng)用，學(xué)者進(jìn)行了大量研究，蔡煥杰和申孝軍[1,2]主要研究水分虧缺對(duì)膜下滴灌棉花生長(zhǎng)、產(chǎn)量及水分利用率的影響，結(jié)果表明：耗水量一定，適時(shí)適度的水分虧缺，雖降低了總生物量，但優(yōu)化了各器官的分配比例，棉花經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和水利利用率也顯著提高。馬富裕和李明思[3,4]從膜下滴灌的灌溉制度及其影響因素研究，分析其優(yōu)點(diǎn)并提出推廣應(yīng)用中存在的問(wèn)題和相應(yīng)對(duì)策；申孝軍和王振華[5,6]分別通過(guò)灌水控制下限及灌水量對(duì)冬小麥生長(zhǎng)指標(biāo)和品質(zhì)的影響進(jìn)行研究，得出小麥高產(chǎn)節(jié)水的適宜灌水控制下限和灌水量；[7-9]研究了滴灌技術(shù)和不同水分處理在油葵、無(wú)土栽培紅章以及青貯玉米上的廣泛應(yīng)用；王振華等[10,11]針對(duì)長(zhǎng)期使用塑料薄膜引起的環(huán)境污染及棉花苗期出苗難等問(wèn)題，提出了無(wú)膜移栽棉花地下滴灌技術(shù)；安俊波等[12-15]等從灌溉模式、移栽參數(shù)、灌溉定額以及灌水次數(shù)4個(gè)方面對(duì)無(wú)膜移栽棉花生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響分別研究，結(jié)果表明北疆NFT-SDI棉花適宜移栽時(shí)間(4月下旬至5月初)及相應(yīng)參數(shù)，籽棉產(chǎn)量和水分利用率在采用中等灌溉定額(390～450 mm)和灌水次數(shù)(19次)結(jié)合的情況下，可同時(shí)達(dá)到最高。D. Kalfountzos[16]通過(guò)不同灌溉年份，對(duì)比地下滴灌和地面滴灌條件下棉花產(chǎn)量，結(jié)果表明，干旱年采用地下滴灌系統(tǒng)，籽棉產(chǎn)量受水分處理影響較大。灌水控制下限是關(guān)系棉花產(chǎn)量高低和制定灌溉制度的重要因素之一，而關(guān)于覆膜地下滴灌(SDI)棉花灌水控制下限指標(biāo)的研究報(bào)道較少，本文通過(guò)大田試驗(yàn)，分析棉花蕾期、鈴期不同水分脅迫處理與地下滴灌棉花生理形狀及水分利用率關(guān)系，為SDI棉花農(nóng)田水分調(diào)控以及高效高產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

于2010年3-10月在石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)試驗(yàn)站進(jìn)行試驗(yàn)(東經(jīng)85°59′47″，北緯44°19′28″，海拔412 m)。地下水埋深大于8 m，土壤質(zhì)地為中壤土，大田0～130 cm土層土壤平均容重1.625 g/cm3，田間持水率為18.46%(重量百分比)。

采用地下滴灌方式，毛管埋設(shè)于地表以下35 cm，滴灌帶間距90 cm，滴頭間距30 cm，滴頭流量1.15 L/h，每個(gè)處理分別鋪設(shè)5根毛管，獨(dú)立的球閥控制灌水，隨水施肥。棉花試驗(yàn)品種采用惠遠(yuǎn)710，種植模式1膜4行，平均株距11 cm，具體布置見(jiàn)圖1。采用干播濕出的方式于5月8日播種，全部出苗時(shí)間5月20日，開(kāi)始采摘時(shí)間為9月19日，文中地下滴灌均用SDI來(lái)表示。

圖1 棉花SDI布設(shè)示意圖(單位：mm)Fig.1 Layout of subsurface drip irrigation under mulch on cotton

1.2 試驗(yàn)處理和觀測(cè)項(xiàng)目

以膜下窄行0～70 cm土層的平均土壤含水率占田間持水率的比例為標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)棉花生育期特點(diǎn)，苗期和吐絮期不做水分處理，對(duì)蕾期和花鈴期分別設(shè)置了8個(gè)水分處理，即4個(gè)灌水水平和4個(gè)灌水控制下限，具體見(jiàn)表1，每個(gè)處理重復(fù)3次。

表1 地下滴灌試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental design of subsurface drip irrigation

分別在寬行和窄行各選5株具有代表性的棉株，進(jìn)行標(biāo)記掛牌，棉花全生育期內(nèi)(苗期-收獲結(jié)束)每隔一周觀測(cè)一次生理指標(biāo)。采用精度為1 mm的鋼卷尺對(duì)株高測(cè)定，同樣工具測(cè)定葉片的長(zhǎng)度和最大寬度，并通過(guò)單株葉面積與單株占地面積的比值求得葉面積指數(shù)；棉花莖粗的測(cè)量采用精度0.02 mm的游標(biāo)卡尺(分東西、南北方向)測(cè)量；分批分區(qū)進(jìn)行產(chǎn)量的測(cè)定，并轉(zhuǎn)化為公頃數(shù)量。

采用美國(guó)CPN-503中子儀和烘干法相結(jié)合，每隔7天對(duì)代表性點(diǎn)(滴頭正下方即膜下寬行、膜外裸地和膜下窄行)測(cè)定土壤含水率，降雨后和灌水前后加測(cè)一次。數(shù)據(jù)主要采用Excel2016辦公軟件進(jìn)行處理和分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 調(diào)虧灌溉對(duì)棉花生理性狀的影響

2.1.1 株 高

由圖2看出，SDI棉花的株高與灌水控制下限有直接關(guān)系，不同生育階段水分脅迫越明顯，對(duì)應(yīng)處理棉花株高受影響越大。蕾期SDI-4充足供水，株高(以播種后62 d為例)為30.27 cm，分別比SDI-1、SDI-2和SDI-3增長(zhǎng)了10.9%、5.4%和4.5%，SDI-1株高受水分脅迫影響最大，僅為27.29 cm。進(jìn)入花鈴期，SDI-1～SDI-4均正常供水，蕾期受水分脅迫最重SDI-1處理，花鈴后期逐漸趕上SDI-4，虧水補(bǔ)償效應(yīng)明顯。SDI-5和SDI-6處理因蕾期灌水下限控制相同，前期株高差異不大，但均小于SDI-8。以播種后92 d(花鈴盛期)測(cè)定的棉苗株高為例，SDI-8(全生育期充足供水)株高為58.38 cm，分別比SDI-5、SDI-6和SDI-7增長(zhǎng)了7.3%、5.2%和-0.03%，SDI-7與SDI-8株高差異主要由蕾期水分脅迫累積效應(yīng)所致，而SDI-5株高(54.40 cm)明顯低于SDI-8，與花鈴期重度水分脅迫有關(guān)。此外，SDI-5株高比SDI-1降低了0.6%，說(shuō)明同等程度的水分脅迫，花鈴期產(chǎn)生的負(fù)面影響要大于蕾期。

圖2 不同水分處理對(duì)SDI棉花株高的影響Fig.2 Effect of different irrigation treatments on cotton plant height with subsurface drip irrigation under mulch

2.1.2 莖 粗

棉花莖稈的茁壯程度對(duì)后期籽棉產(chǎn)量的形成有著重要作用，因?yàn)橹饕ㄟ^(guò)其輸送養(yǎng)分和水分，并對(duì)棉鈴有支撐，防止倒伏的效果。由圖3可以看出，棉花莖粗生長(zhǎng)初期發(fā)育較慢，莖粗生長(zhǎng)速率隨水分的增加而變粗，在播后100 d左右時(shí)，莖粗基本達(dá)到峰值并趨于穩(wěn)定，整體變化符合“S”型曲線。苗期各處理不做水分處理，莖粗差異不明顯。以盛蕾期(75 d)為例，SDI-4莖粗分別比SDI-1、SDI-2和SDI-3提高了6.1%、4.0%和1.6%，進(jìn)入花鈴期，各處理正常供水，SDI-3莖粗逐漸趕上SDI-4，發(fā)育較快，并在播后102 d時(shí)達(dá)到峰值，SDI-3莖粗10.35 cm，比SDI-4提高了2.0%，這與各處理蕾期灌水控制下限有關(guān)，還說(shuō)明蕾期水分過(guò)高也不利于棉花莖粗的生長(zhǎng)，而SDI-1鈴期雖有水分補(bǔ)償效應(yīng)，但蕾期水分脅迫嚴(yán)重，莖粗與SDI-2接近。整個(gè)花鈴期SDI-5和SDI-6莖粗均明顯小于SDI-8，分別比SDI-8降低了8.6%和6.2%，SDI-7與SDI-8僅相差1.8%。

圖3 不同水分處理對(duì)SDI棉花莖粗的影響Fig.3 Effect of different irrigation treatments on cotton stem diameter with subsurface drip irrigation under mulch

2.1.3 葉面積指數(shù)

不同水肥處理影響棉花生長(zhǎng)效應(yīng)，而衡量棉花生長(zhǎng)指標(biāo)的重要因素之一是LAI(葉面積指數(shù))，因?yàn)槿~面積過(guò)大和過(guò)小，均不利于葉片光合作用充分完成，甚至影響作物品質(zhì)和獲得高產(chǎn)。從圖4看出，無(wú)論蕾期還是花鈴期進(jìn)行水分脅迫，或蕾期不做水分處理花鈴期進(jìn)行水分脅迫，或蕾期水分脅迫花齡期正常供水，各處理棉花的葉面積指數(shù)均會(huì)受到影響，但程度不同。SDI-1蕾期水分脅迫最嚴(yán)重，且在脅迫階段葉面積指數(shù)一直最小，以盛蕾期(播后75天)為例，分別比SDI-2、SDI-3和SDI-4降低了6.4%、10.0%和8.9%，花鈴期正常供水后，以播種后92 d為例(花鈴盛期)，SDI-1的LAI已超過(guò)了SDI-2和SDI-3，分別提高了0.69%和0.71%，說(shuō)明花鈴期的水分補(bǔ)償效應(yīng)對(duì)棉花葉片的發(fā)育影響較大，而SDI-4水分在蕾期和花鈴期均保持較高，但葉面積指數(shù)并非一直最大，這說(shuō)明并非水分越高越利于棉株葉片的發(fā)育。SDI-5分別比SDI-6、SDI-7和SDI-8(播后92天為例)降低了3.8%、9.9%和7.3%，說(shuō)明花鈴期重度水分脅迫會(huì)使葉面積指數(shù)大幅降低，直接導(dǎo)致棉花后期產(chǎn)量下降。

圖4 不同水分處理對(duì)SDI棉花葉面積指數(shù)的影響Fig.4 Effect of different irrigation treatments on cotton leaf area index with subsurface drip irrigation under mulch

2.2 調(diào)虧灌溉對(duì)棉花產(chǎn)量和水分利用率的影響

2.2.1 產(chǎn) 量

SDI棉花吐絮時(shí)間為9月4日，產(chǎn)量采收分三批進(jìn)行，第一批采收時(shí)間9月18日(霜前產(chǎn)量)，第二批10月2日采收，第三批多為霜后花，包括個(gè)別棉鈴因霜降原因未完成吐絮被迫中止，采收時(shí)間10月20日。從圖5可以看出，各處理棉花吐絮變化趨勢(shì)一致，均由快到慢，且霜前產(chǎn)量均大于霜后產(chǎn)量。SDI-1～SDI-4處理霜前棉花產(chǎn)量分別為3 408.96、4 713.86、4 253.39和3 900.32 kg/hm2；籽棉總產(chǎn)量分別為3 831.51、5 178.22、4 858.82和4 538.62 kg/hm2。SDI-2(蕾期適度水分脅迫，花鈴期正常供水)霜前產(chǎn)量分別比SDI-1、SDI-3和SDI-4提高了38.3%、10.8%和20.8%，籽棉總產(chǎn)量分別提高了35.1%、6.6%和14.1%。SDI-5處理(花鈴期重度水分脅迫)的霜前棉花產(chǎn)量，分別比SDI-6、SDI-7和SDI-8降低了6.8%、19.4%和7.0%，總產(chǎn)量分別降低了7.8%、24.2%和15.1%。對(duì)比8個(gè)處理，SDI-7籽棉總產(chǎn)量最高，比SDI-8(生育期充足供水)提高了11.6%，SDI-2次之，說(shuō)明棉花蕾期適度水分脅迫，花鈴期充足供水，利于棉花產(chǎn)量的提高。SDI-1霜前產(chǎn)量和籽棉總產(chǎn)量均最低，分別比SDI-7降低了22.1%和26.2%，說(shuō)明蕾期重度水分脅迫影響棉花根系吸水，不利于棉苗生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)入鈴期，雖有虧水水分補(bǔ)償，但效果不明顯，SDI-5次之，這是由花鈴期水分重度脅迫引起的，此階段為棉苗生殖生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的關(guān)鍵階段，一旦缺水，會(huì)導(dǎo)致籽棉產(chǎn)量大幅降低。

2.2.2 水分利用率

圖5 不同水分處理對(duì)SDI棉花籽棉產(chǎn)量的影響Fig.5 Effect of different irrigation treatments on cotton seed yield with subsurface drip irrigation under mulch

圖6中WUE(水分利用率)的數(shù)值等于SDI各處理籽棉總產(chǎn)量與棉花全生育期實(shí)際耗水量的比值；IWUE(灌溉水利用效率)的數(shù)值等于籽棉產(chǎn)量與SDI各處理生育期灌溉定額的比值。從圖6可以看出，SDI-8處理蕾期、花鈴期均處于充足供水狀態(tài)，但籽棉產(chǎn)量，WUE和IWUE均不是最高；SDI-7和SDI-2蕾期均適度缺水，花鈴期分別為充足供水和正常供水，SDI-7的籽棉產(chǎn)量和WUE均達(dá)到最高，分別為5193.19 kg/hm2和0.98，IWUE略低于SDI-6，SDI-2次之；SDI-1蕾期重度水分脅迫，鈴期正常供水，所有處理中籽棉產(chǎn)量、WUE和IWUE均最低；而SDI-5和SDI-6蕾期均適度水分脅迫；花鈴期分別為重度和適度缺水，兩者雖IWUE有所提高，但籽棉產(chǎn)量受影響極大，均與SDI-1基本接近，分別比SDI-7籽棉產(chǎn)量降低了24.2%和17.8%，SDI-3的籽棉產(chǎn)量、WUE和IWUE均大于SDI-4，各項(xiàng)指標(biāo)在所有處理中居中。

圖6 不同水分處理對(duì)SDI棉花水分利用效率的影響Fig.6 Effect of different irrigation treatments on water use efficiency with subsurface drip irrigation under mulch

3 結(jié) 論

(1)相同栽培模式條件下，SDI各處理棉花生長(zhǎng)指標(biāo)、產(chǎn)量以及水分利用率不同，這與其水分處理有關(guān)，不同生育階段受水分脅迫程度越重，棉花各項(xiàng)指標(biāo)受影響越大。生育階段不同水分脅迫相同，SDI-1株高明顯高于SDI-5，說(shuō)明前期營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段(苗期-蕾期)水分脅迫產(chǎn)生的負(fù)面影響小于生殖生長(zhǎng)階段(蕾期-鈴期)，蕾期適度的水分脅迫利于棉苗株高的發(fā)育；莖粗的生長(zhǎng)速率符合“慢-快-慢”的變化規(guī)律，SDI-1(蕾期水分重度脅迫)和SDI-4(蕾期充足供水)莖粗變化均顯著，說(shuō)明此階段水分過(guò)低或過(guò)高都不利于莖粗發(fā)育，SDI-5～SDI-8處理莖粗值由小到大，說(shuō)明莖粗隨花鈴期水分脅迫加劇而變小。葉面積指數(shù)隨棉花生育進(jìn)程推進(jìn)，呈先上升盛鈴期達(dá)到峰值后又逐漸減小的變化趨勢(shì)，蕾期其值大小隨水分脅迫加劇而減小，但花鈴期正常供水后，出現(xiàn)水分補(bǔ)償效應(yīng)，花鈴期水分脅迫對(duì)葉面積指數(shù)的影響與對(duì)莖粗影響一致。

(2)所有處理中，SDI-7籽棉產(chǎn)量和WUE均最高，分別為5 193.19 kg/hm2和0.98，SDI-2次之，SDI-1均最低，SDI-8(蕾期、花鈴期均充足供水)均不是最高，這說(shuō)明土壤水分過(guò)高或過(guò)低均不利于棉花獲得高產(chǎn)以及WUE的提高，而蕾期適度水分脅迫花鈴期充足供水，更利于籽棉產(chǎn)量和水分利用率同時(shí)達(dá)到最佳。SDI-5籽棉產(chǎn)量?jī)H次于SDI-1，花鈴期重度水分脅迫，雖IWUE有所提高，但直接導(dǎo)致籽棉霜前產(chǎn)量和總產(chǎn)量大幅降低。綜合考慮籽棉產(chǎn)量和水分利用率，SDI棉花適宜的灌溉模式，苗期和吐絮期均不進(jìn)行灌水，出苗水45 mm，蕾期和花鈴期灌水控制下限分別為田間持水率60%和75%，即灌水定額均為30 mm，更利于SDI棉花籽棉產(chǎn)量和水分利用率同時(shí)提高。