不同灌水頻率水分脅迫對北疆棉花生長及產(chǎn)量的影響

江 柱，張江輝，白云崗，加孜拉，肖 軍

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊830052；2.新疆水利水電科學研究院，烏魯木齊830049）

0 引 言

棉花是新疆農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，而新疆北部處在干旱、降水量少、光照充足、晝夜溫差大的地區(qū)，棉花的生長勢必會受到一定的影響。其中，干旱對棉花生長和產(chǎn)量的影響尤為嚴重，已有研究表明，在各種氣候災害中，干旱造成的損失量超過其他災害的總和［1］。21 世紀以來，全球氣候呈持續(xù)高溫、干旱的趨勢，以及新疆天山冰川等棉花灌溉有效水源的不斷減少，新疆棉區(qū)的干旱缺水問題開始引起重視［2］。棉花作為抗旱性較強的作物，對水分脅迫有兩種補償效應，一是水分脅迫后復水產(chǎn)生的補償效應，表現(xiàn)為復水后作物生長加快，光合、蒸騰速率提高；另一種是作物在干旱后的補償效應，即作物在水分脅迫期間的變化，表現(xiàn)為根系活力的增加和形態(tài)的改變［3］。

前人已經(jīng)開展了對水分脅迫對棉花生長發(fā)育和生理機制影響的研究。李平、申孝軍等研究表明棉花苗期、蕾期具有較強的忍受水分脅迫的能力，適當水分虧缺可以促使棉花根系深扎，根冠比增大，有利于提高水分利用效率［4，5］；田又升、肖俊夫等研究表明棉花蕾期至花鈴期是需水關鍵期，期間受到水分脅迫會造成花蕾大量脫落從而影響產(chǎn)量［6，7］；李志博等研究表明生育中后期是棉花生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的關鍵時期［2］。李彥等研究發(fā)現(xiàn)膜下滴灌棉花在苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期適宜的灌水下限分別為60%～65%、65%～70%、80%～85%、55%～65%［8］。說明不同生育期棉花的抗旱機制存在差異。新疆北疆地區(qū)地處干旱內陸的地理條件，當?shù)孛藁ǚN植往往通過降低灌水頻率來應對干旱缺水環(huán)境。因此，本文結合當?shù)厣a(chǎn)實際，通過設計不同灌水頻率，研究水分脅迫對棉花生長和產(chǎn)量的影響，并采用Logistic 模型模擬棉花地上部干物質積累過程，為干旱缺水條件下提高棉花生產(chǎn)效率提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年4-10月在新疆博州灌溉站進行，試驗區(qū)屬于典型的溫帶大陸性氣候，多年平均降雨量約為150 mm，平均蒸發(fā)量約為1 624 mm，試驗區(qū)地下水埋深大于5 m，土壤質地為黏壤土，0～60 cm 土層平均干容重1.36 g/cm3，田間持水率為35.36%（體積含水率）。

棉花供試作物為新陸早63 號。試驗采用單翼迷宮式滴灌帶，滴頭間距為20 cm，滴頭設計流量2.2 L/h，采用1 膜3 管6 行（單位地膜覆蓋6行棉花，鋪設3條滴灌帶）的模式，膜寬2 m，膜間距離30 cm（圖1）。灌溉水源為井水，采用水泵供水和水表計量，采用施肥罐進行施肥。

圖1 棉花種植模式（單位：mm）Fig.1 Cotton planting pattern

1.2 試驗設計與觀測

棉花分為苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期4個生育階段。試驗區(qū)設置5 個處理（每個處理重復3 次），灌水頻率分別為10、15、20、25、30 d，編號CK、W1、W2、W3、W4。各處理灌水定額均為375 m3/hm2，灌溉定額分別為5 250、3 375、2 625、2 250、1 875 m3/hm2。灌水設計見圖2。

圖2 棉花灌水設計Fig.2 Irrigation design of cotton

1.3 測定項目與方法

采用PR2 土壤剖面水分儀在覆膜中間滴灌帶下、覆膜寬行及膜間中間位置測定土壤含水率，測定深度為0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm，測定時間為灌水后1 d。

從苗期開始每隔10 d 左右定點觀測各處理棉花的生長發(fā)育狀況，每個處理選擇10 株（內外行各5 株）有代表性的棉株測定不同生育期株高（棉株子葉節(jié)到主莖生長點之間的距離，打頂棉株則量至打頂橫截面處，最終株高在打頂后測定）、莖粗（以子葉節(jié)到第一片真葉節(jié)間最細處莖的直徑）、葉面積（測量棉株有代表性的葉片長和寬，利用二者乘積乘以葉面積系數(shù)）、蕾鈴數(shù)等。

在棉花播種后49、76、93、116、157 d 采集棉花植株樣本。按生殖器官（蕾、花、鈴）和營養(yǎng)器官（莖、葉）剪下裝入紙袋，之后將樣本置于105 ℃的烘箱中殺青30 min，然后降到85 ℃烘干24 h，分別測定其干重。

收獲時記錄棉花單鈴重、衣分及皮棉產(chǎn)量等并進行考種。

1.4 生物量動態(tài)增長模型及參數(shù)計算

棉花地上部干物質積累過程采用Logistic模型模擬，其基本形式為：

式中：y為單株棉花地上部干物質積累量，g；A為地上部干物質積累量的理論最大值；t為播種后天數(shù)，d；a、b為參數(shù)。

對Logistic模型方程求導，可得到地上部干物質積累的有關參數(shù)指標。對方程求二階導數(shù)，當t0= -a/b時，地上部干物質積累速率達到最大值，此時的積累速率即為最大速率（Vm）。對方程求三階導，當d3y/d3t= 0時，可求得地上部干物質積累曲線上的2 個時間拐點：t1和t2。t0為地上部干物質積累最大速率出現(xiàn)時間，t1和t2分別為棉花進入旺盛生長時間和結束旺盛生長時間，Δt=t2-t1為棉花旺盛生長持續(xù)時間。

1.5 耗水量的計算

根據(jù)水利部頒發(fā)的《灌溉試驗規(guī)范》（SL13-2015）規(guī)定，耗水量計算公式如下：

式中：ET1-2為計算時段內耗水量；i為土壤層次號數(shù)；n為土壤層次總數(shù)目；γi為第i層土壤干容重，g/cm3；Hi為第i層土壤的厚度，cm；Wi1、Wi2為第i層土壤在時段始末的含水率（干土重的百分率）；M、P、K、C分別為時段內的灌水量、降雨量、地下水補給量和排水量，mm。由于地下水埋深大于5 m 和灌溉方式為膜下滴灌，K=0、C=0。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 軟件進行數(shù)據(jù)整理，Sigmplot14.0 軟件繪圖，SPSS25.0軟件進行顯著性分析。

百強美妝連鎖負責人對此表示：老品牌高端化也有成功案例，比如百雀羚。但是對于大寶來說，要想進軍高端市場，還有很長的路要走。

2 結果與分析

2.1 不同灌水頻率對棉花株高和莖粗的影響

如圖3所示，在苗期由于氣溫較低棉花生長緩慢，水分脅迫對各處理株高和莖粗影響較小。進入蕾期后隨著氣溫上升，棉花株高和莖粗開始快速增長，各處理無顯著差異，但處理W3和W4 大于其他處理，說明早期合理水分脅迫后的補償效應有利于株高和徑粗增長；處理W2株高和徑粗均小于其他處理，說明處理W2對蕾期株高和徑粗增長有一定抑制。進入花鈴期后各水分脅迫處理株高均低于處理CK，處理W2 和W4 株高顯著低于處理CK，處理W3 在花鈴前期復水后由于作物虧水后復水產(chǎn)生的補償效應株高較快增長；在花鈴期打頂后各水分脅迫處理株高不再增長，僅處理CK 有一定增長；花鈴期徑粗仍無明顯差異。進入吐絮期后，各水分脅迫處理株高顯著低于處理CK，處理W1 和W2 株高差異不大；吐絮期處理W4 徑粗最小，且與處理CK和處理W1有顯著差異。

圖3 不同灌水頻率對棉花株高、徑粗的影響Fig.3 Effects of different irrigation frequency on plant height and diameter diameter of cotton

2.2 不同灌水頻率對棉花葉面積指數(shù)和葉綠素相對含量的影響

如圖4、圖5所示，苗期各處理葉面積指數(shù)相差不大，葉綠素相對含量在苗期和蕾期隨水分脅迫程度的提高呈增加趨勢。處理W1在花鈴期前葉面積指數(shù)與處理CK 基本一致，在花鈴前期達到最大值后處理W1受水分脅迫較處理CK 減小。處理W2葉面積和葉綠素相對含量在蕾期受到抑制，葉面積和葉綠素相對含量在蕾期明顯低于其他處理，進入花鈴期后葉面積增長較快。在花鈴期各處理葉綠素相對含量無明顯差異。處理W3和W4 葉面積指數(shù)在蕾期早期大于處理CK，蕾期后期開始由于持續(xù)受到水分脅迫較處理CK 減小，處理W3 和W4 葉綠素相對含量在蕾期和花鈴期與處理CK 相差不大；在吐絮期葉綠素相對含量隨著水分脅迫程度的增加而減小。

圖4 不同灌水頻率對棉花葉面積指數(shù)的影響Fig.3 Effect of different irrigation frequency on leaf area index of cotton

圖5 不同灌水頻率對棉花葉綠素相對含量的影響Fig.4 The effect of different irrigation frequency on the relative content of chlorophyll in cotton

葉面積在花鈴期達到最大值，處理CK 隨著營養(yǎng)生長向生殖生長轉移，葉面積指數(shù)在花鈴期趨于穩(wěn)定，之后隨著棉株衰老葉子才開始脫落。而各水分脅迫處理由于受水分脅迫脅迫，棉花葉子在花鈴前期便開始脫落。處理W2由于早期葉片發(fā)育受到抑制，這些葉片在進入花鈴期后脫落。處理W3 葉面積指數(shù)在花鈴前期有一次波動（由于早期旱后補償效應提前發(fā)育的葉子衰老進入花鈴期后脫落，復水后棉花枝葉進行“二次發(fā)育”葉面積指數(shù)回升），處理W4 也有類似的枝葉“二次發(fā)育”，葉面積在花鈴前期衰老葉片脫落后葉面積指數(shù)下降后回升，但是由于持續(xù)的水分脅迫導致回升幅度不大。

2.3 不同灌水頻率對棉花地上部干物質積累的影響及l(fā)ogistic模擬分析

干物質累積是光合的直接產(chǎn)物，是作物最終產(chǎn)量的基礎［9］。如圖6所示干物質積累呈S 型曲線變化，隨著棉花生育期的推進，各處理干物質積累量逐漸增大，在吐絮初期達到最大值；在苗期和蕾期各處理干物質積累量積累緩慢且相差不大；現(xiàn)蕾后增幅較大，蕾期～花鈴期快速增加，是棉花干物質積累的旺盛期；進入吐絮期后干物質積累速度減緩。蕾期后期（播種后93 d）干物質積累量各處理表現(xiàn)為：W1＞CK＞W(wǎng)4＞W(wǎng)3＞W(wǎng)2，各水分脅迫處理積累量是處理CK 的106%，89.3%，74.4%，55.4%；說明輕度水分脅迫（W1）有利于早期干物質積累，處理W2 早期干物質積累受到抑制。花鈴期經(jīng)過干物質快速增長后干物質積累量各處理表現(xiàn)為：CK＞W(wǎng)1＞W(wǎng)3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)4，各水分脅迫處理積累量是處理CK 的79.7%，74.4%，60.5%，46.1%；吐絮期達到最大值后，各水分脅迫處理積累量是處理CK 的93.6%，91.3%，90.9%，86.4%；說明花鈴期水分脅迫對棉花干物質積累抑制影響較大，快速積累期延后到了吐絮期。

圖6 不同灌水頻率對棉株地上部干物質積累量的影響Fig.6 Effects of different irrigation frequency on dry matter accumulation of cotton shoots

應用Logistic 動態(tài)模型對各處理地上部干物質積累進行擬合［11，12］，相關系數(shù)均達顯著水平（表1）。從棉花干物質積累的動態(tài)變化來看，與處理CK 相比各水分脅迫處理快速積累持續(xù)期延長，最大相對積累速率減小且其出現(xiàn)時間滯后。處理CK的干物質快速積累開始時間為播種后87 d，快速積累持續(xù)期16 d。各水分脅迫處理干物質快速積累開始時間W1 和W4 較CK提前6 d 和8 d，W2 和W3 與CK 相差不大，快速積累持續(xù)期均較CK 增長。各水分脅迫處理最大相對生長速率分別是處理CK的53.4%、39.4%、54.7%、25.4%，出現(xiàn)最大相對速率的時間較CK分別滯后了0、12、5、9 d。

表1 棉株地上部干物質積累Logistic函數(shù)生長模型及相關參數(shù)Tab.1 Logistic function growth model and related parameters of cotton shoot dry matter accumulation

2.4 不同灌水頻率對根冠比的影響

水分脅迫還影響干物質的分配，致使光合產(chǎn)物更多地向根部輸送。水分脅迫后的補償效應—作物在水分虧缺期間的變化，表現(xiàn)為根系活力的增加和形態(tài)的改變。由圖7可以看出早期處理W3 和W4 根冠比較高，說明處理W3 和W4 水分脅迫有利于早期根系發(fā)育。蕾期后期-花鈴期各處理根冠比表現(xiàn)為W2＞W(wǎng)3＞W(wǎng)1＞CK＞W(wǎng)4，說明處理W1、W2 和W3 有利于棉花根系深扎；處理W2 根冠比在蕾期后期突增主要是由于上部干物質積累受到抑制；處理W4 由于長期水分脅迫根系發(fā)育受到抑制而減小。

圖7 不同灌水頻率對棉花根冠比的影響Fig.7 Effect of different irrigation frequency on root shoot ratio of cotton

2.5 不同灌水頻率對棉花產(chǎn)量的影響

表2 不同灌水頻率對棉花籽棉產(chǎn)量和產(chǎn)量構成因素的影響Tab.2 Effects of different irrigation frequency on yield and yield components of cotton seed cotton

2.6 不同灌水頻率對棉花耗水規(guī)律的影響

棉花各生育階段耗水量花鈴期最大，其次是蕾期，苗期和吐絮期較?。?0，11］。由表3可以看出，隨著灌水頻率的降低灌溉定額減小，各生育階段耗水量均有不同程度的影響，最終將影響產(chǎn)量和水分利用效率。隨著灌溉定額的減少灌溉定額灌溉水利用效率先增加后減小，水分利用效率先減小后增加再減小。水分利用效率處理W1、W2 和W4 低于處理CK，而處理W3高于處理CK。在所有處理中W3 灌溉水利用效率和水分利用效率均為最高。

表3 不同灌水頻率對棉花各生育階段耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率的影響Tab.3 Effects of different irrigation frequency on water consumption，yield and water use efficiency of cotton at different growth stages

3 討 論

試驗結果表明，不同灌水頻率對棉花進行灌溉，在各生育期產(chǎn)生了不同程度的水分脅迫，對棉花植株根系的生長和地上部分的營養(yǎng)生長產(chǎn)生了影響。合理的水分脅迫可以減少棉花莖枝的延伸，避免大量的生長冗余，使得株型更加緊湊，通風透光條件改善［12］。苗期是棉花根系的形成期，合理的水分脅迫有利于根系深扎，增加根系的吸收、合成能力，有利于提高水分利用效率［5，9］。苗期合理的水分脅迫使棉花受到鍛煉，使植株在蕾期可以更好地適應土壤的水分脅迫，處理W3、W4 蕾期較高的株高和提前發(fā)育的枝葉，有利于營養(yǎng)物質和干物質的積累，為花鈴期棉鈴的生長打下了基礎；處理W3 在此基礎上花鈴期復水減少了花鈴脫落和支持棉鈴的生長，而處理W4 由于長期水分脅迫使花鈴大量脫落，這與申孝軍、史文娟、馮先偉和龔雨田等研究結果基本一致［5，12-14］。處理W2 在蕾期株高、徑粗、葉面積、葉綠素相對含量以及地上部干物質積累量均低于其他處理，這些都不利于花鈴期棉鈴的生長，可能是因為處理W2在苗期灌水較早，棉株沒有受到鍛煉，在蕾期不能適應水分脅迫；苗期根系生長不足，為適應水分脅迫環(huán)境根系在蕾期繼續(xù)下扎營養(yǎng)生長偏向于根系生長，這與潘俊杰、申孝軍、李彥彬等研究結果一致［15-17］；進入花鈴期棉花由營養(yǎng)生長轉向了生殖生長，再加上持續(xù)的水分脅迫造成處理W2營養(yǎng)不足影響棉花生理特征和產(chǎn)量。

Logistic模型以時間為自變量，能夠很好地模擬棉花的生長過程［18，19］。棉花地上部干物質以時間為自變量，通過Logistic 模型模擬棉花地上部干物質積累過程表明，水分脅迫下早期由于營養(yǎng)生長偏向于根系生長最大積累速率開始時間推遲；后期轉入生殖生長后由于水分脅迫葉面積指數(shù)減小等原因營養(yǎng)物質的不足造成棉鈴干物質積累周期延長、最大積累速率結束時間推遲，這與張世明、申孝軍等研究結果基本一致［5，19］。產(chǎn)量構成因素結果表明，合理的灌水處理，抑制植株營養(yǎng)體冗余生長，促進生殖生長，優(yōu)化光合產(chǎn)物的分配，處理W2較高的衣分和處理W3 較高的百鈴重、衣分，說明合理的灌水處理可以改善水分脅迫對部分品質指標的影響，這與申孝軍、孟兆江等研究結果基本一致［10，20］。

4 結 論

本文通過設置不同灌水頻率，研究降低灌水頻率水分脅迫對棉花生長、產(chǎn)量和水分利用效率的影響，得出以下結論。

（1）出苗水后，在棉花苗期水分脅迫，蕾期少量復水；使棉株受到鍛煉，根冠比增大；可以提高棉株吸收水分的能力，優(yōu)化水分分配。

（2）Logistic 動態(tài)模型反映出：水分脅迫會造成地上部干物質快速積累持續(xù)期延長，最大積累速率減小和出現(xiàn)時間推遲，且長期水分脅迫和水分脅迫下的不合理灌水影響更大。

（3）處理W3 在苗期、蕾期合理的水分脅迫，蕾期較高的株高和提前發(fā)育的枝葉有利于光合作用，減小了水分脅迫對棉花旺盛生長時期的影響，為花鈴期減少花鈴脫落和支持棉鈴生長提供條件，最大程度地提高了水分脅迫條件下水分利用效率，減小了水分脅迫對產(chǎn)量的影響。

在以上結論基礎上，在面對干旱缺水環(huán)境時，可以采取以下應急措施：“在苗期、蕾期對棉株耐旱能力進行鍛煉（灌水頻率25 d 一次），增加根系吸水能力，提高水分利用效率；同時將有限的灌溉水集中在關鍵需水期（花鈴期）復水，能最大程度的保證棉花產(chǎn)量。而在花鈴期的復水灌溉模式可以根據(jù)干旱缺水環(huán)境下的供水情況，在灌水頻率25～10 d 一次之間（處理W3、CK灌水頻率之間）增加灌水頻率?！?□