揭膜種植方式下不同灌水量對(duì)棉花干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響

牛 媛，楊相昆，張占琴，馬富裕

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832003；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院作物研究所，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意義】新疆農(nóng)作物的種植方式主要采用覆膜技術(shù)，覆膜和滴灌技術(shù)在長(zhǎng)期實(shí)踐基礎(chǔ)上形成了獨(dú)特的膜下滴灌技術(shù)[1]，該技術(shù)“少量多次”的水肥供應(yīng)特點(diǎn)及覆膜的增溫保墑作用提高了棉花單產(chǎn)水平。2014～2017年新疆覆膜面積從331×104hm2增加到379.59×104hm2[2,3]。殘膜在土壤中會(huì)累積形成地膜污染，影響土壤理化性質(zhì)、降低出苗率，造成棉花不同程度減產(chǎn)[4,5]。研究揭膜種植方式下不同灌水量對(duì)棉花干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響，對(duì)滴灌棉花揭膜后水分管理有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】地膜覆蓋時(shí)間小于100 d顯著降低單株成鈴數(shù)、單鈴重，從而降低產(chǎn)量[6]；棉花頭水前揭膜較全生育期覆膜處理，單株鈴數(shù)、單鈴重和產(chǎn)量無明顯差異[7,8]；嚴(yán)昌榮等[9]通過對(duì)作物地膜覆蓋安全期估算法計(jì)算認(rèn)為，新疆石河子地膜覆蓋安全期為70 d。吳軍虎等[10]探究了膜下滴灌條件下不同灌水量對(duì)棉花生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響后認(rèn)為，隨著灌水量增加，棉花生長(zhǎng)速度加快，棉花株高、莖粗、葉片數(shù)、葉面積指數(shù)均增大。而李君[11]探索了棉花不同生育期揭膜對(duì)土壤水分、鹽分運(yùn)移及產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)，棉花花期前揭膜可導(dǎo)致土壤含水量顯著降低，而在花期后揭膜則對(duì)土壤含水量無顯著影響，不同時(shí)期揭膜可降低0～40 cm土層的土壤含鹽量。 【本研究切入點(diǎn)】前人對(duì)棉花揭膜種植的相關(guān)研究多集中于相同灌水量下不同揭膜時(shí)間對(duì)棉花生長(zhǎng)及土壤水分、鹽分運(yùn)移的影響，而在相同揭膜時(shí)間下不同灌水量對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響鮮有研究。亟需研究揭膜后不同灌水量對(duì)棉花植株器官干物質(zhì)積累量、干物質(zhì)積累特征值及產(chǎn)量的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以對(duì)水分遲鈍型的棉花品種新陸早45號(hào)和對(duì)水分敏感型品種新陸早42號(hào)為試材，設(shè)置3個(gè)水分處理，采用裂區(qū)試驗(yàn)，研究不同灌水量對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響。分析適合新疆滴灌棉區(qū)揭膜種植的最佳灌量，為新疆滴灌棉花揭膜種植的水分管理提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2016～2017年于新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)試場(chǎng)試驗(yàn)地(44°18'25''N、86°0'12″E，海拔460 m)進(jìn)行。當(dāng)?shù)囟嗄隉o霜期為168～171 d，年日照時(shí)數(shù)為2 721～2 818 h，≥10℃的活動(dòng)積溫為3 570～3 729℃，年降水量125.0～207.7 mm，屬典型的溫帶大陸性氣候。試驗(yàn)地土壤有機(jī)質(zhì)含量為16.4 g/kg，水解性氮109 mg/kg，有效鉀540 mg/kg，全氮1.1 g/kg，全磷0.9 g/kg。

以新陸早42號(hào)(水分敏感型)和新陸早45號(hào)(水分遲鈍型)2個(gè)品種為供試材料。按以往試驗(yàn)確定最優(yōu)的揭膜時(shí)間為出苗后40 d左右，設(shè)置不同水分處理對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響試驗(yàn)。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水分設(shè)置3個(gè)處理，即全生育期灌水量為4 425 m3/hm2(W1)、5 310 m3/hm2(W2)、6 637.5 m3/hm2(W3)。全生育期覆膜，灌水量為W1(T1)；出苗后40 d揭膜，灌水量為W1(T2)；出苗后40 d揭膜，灌水量為W2(T3)；出苗后40 d揭膜，灌水量為W3(T4)。采用裂區(qū)完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，主區(qū)為品種，副區(qū)為水分，小區(qū)面積為25 m×2.3 m，每個(gè)小區(qū)的灌水量用水表精確控制，為防止水分在小區(qū)間側(cè)移，各小區(qū)間埋設(shè)深度為60 cm的防滲膜。

2016年試驗(yàn)于4月27日播種，因出苗時(shí)遇強(qiáng)降雨，造成嚴(yán)重缺苗，于5月5日補(bǔ)種，14日出苗。2017年試驗(yàn)于4月21日播種，27日出苗，采用1膜6行(66 cm+10 cm)寬窄行種植模式，地膜寬205 mm。播種后當(dāng)日滴出苗水，各處理出苗水均為150 m3/hm2，2年試驗(yàn)均在出苗后40 d左右揭膜，6月30日人工打頂，2017年分別在6月25日、7月5日、7月29日進(jìn)入初花期、盛花期、盛鈴期。2年均通過人工采摘籽棉，采收時(shí)間分別為2016年9月30日和2017年9月21日。其他管理措施同大田生產(chǎn)。表1

表1 各試驗(yàn)處理灌水及施肥方案Table 1 Irrigation and fertilization methods for each treatment

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

在棉花揭膜后第4 d取樣，后每14 d取樣1次，共取樣6次，取樣時(shí)選取每個(gè)小區(qū)內(nèi)具有代表性的棉花5株，分器官(莖、葉、蕾鈴、根)置于紙袋中在80℃恒溫條件下烘干至恒重，即為各處理干物質(zhì)量。采用Logistic方程描述干物質(zhì)量積累特征值。

Y=K/(1+ea-bx).

式中，Y為棉花出苗后xd時(shí)的干物質(zhì)積累量(g)，x為出苗后天數(shù)(d)，K為干物質(zhì)最大積累量(g)，a、b為待定系數(shù)。根據(jù)方程導(dǎo)出：

(1)x0=a/b，x1=[a-ln(2+1.732)]/(-b)，x2=[a+ln(2+1.732)]/(-b)。當(dāng)x=x0時(shí)，干物質(zhì)積累速率最大，其值為Vm= -bK/4。

(2)x1、x2是模擬期限的2個(gè)突變點(diǎn)，在x1之前和x2之后干物質(zhì)積累都很慢，在x1、x2之間Y與x幾乎成線性關(guān)系，即為棉花生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，Δx=x2-x1，棉花進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)期所持續(xù)的天數(shù)。

(3)GT= -bK(x2-x1)/4，稱“生長(zhǎng)特征值”(棉花關(guān)鍵時(shí)期積累量達(dá)最大積累量的65%以上)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，使用SPSS16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)差異性分析，SigmaPlot 12.5進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖，使用CurveExpert1.4對(duì)干物質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方程擬合并計(jì)算相關(guān)參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 揭膜后不同灌水量對(duì)根系干物質(zhì)積累量的影響

研究表明，2品種年際間根系干物質(zhì)積累量隨生育期推進(jìn)呈持續(xù)增加趨勢(shì)，且2016年高于2017年。在T1、T2處理間，新陸早45號(hào)在年際間均表現(xiàn)為T2>T1，2016年在出苗后105 d T2與T1處理間有顯著差異，而在2017年2處理在出苗后48和106 d差異顯著，且出苗后105 d的T2處理較T1處理高15.25%。新陸早42號(hào)的T1高于T2處理，但2處理年際間根系干物質(zhì)積累量均無差異。在T2、T3、T4處理根系干物質(zhì)累積量動(dòng)態(tài)變化中，2品種根系干物質(zhì)累積量在各處理間均呈增加趨勢(shì)，2016年各處理根系干物質(zhì)累積量高于2017年。其中，新陸早45號(hào)增加灌水量后根系干物質(zhì)累積量降低， 而新陸早42號(hào)增加灌水量后根系干物質(zhì)累積量增加，但2品種在處理間差異均不顯著。圖1

2.2 揭膜后不同灌水量對(duì)莖干物質(zhì)積累量影響

研究表明，同一品種在不同年際間莖干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)出持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且2016年高于2017年。T1較T2出現(xiàn)干物質(zhì)最大積累期的時(shí)間提前。新陸早45號(hào)莖干物質(zhì)累積量符合先緩慢增長(zhǎng)，后快速增長(zhǎng)，再緩慢增長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化。但2年干物質(zhì)快速積累期出現(xiàn)的時(shí)間不同，2016年、2017年T1莖的干物質(zhì)積累最大時(shí)期分別在出苗后63～77 d、出苗后78～92 d，平均日累積量分別為13.06和6.61 g/(m2·d)，而T2、T3、T4處理的莖干物質(zhì)最大積累時(shí)期分別在出苗后49～63 d、出苗后64～78 d。

新陸早42號(hào)以T1處理有較高的莖干物質(zhì)累積量，且與其他處理間有顯著或極顯著差異，出苗后91～105 d T1、T2、T4處理再次出現(xiàn)快速積累，平均累積量分別達(dá)到6.75、9.37、5.03 g/(m2·d)，T3處理在出苗后77～91 d有最大累積速率，平均日累積量為10.95 g/(m2·d)，且與其他處理間有顯著差異。不同品種在同一年際間莖干物質(zhì)快速累積時(shí)期相同。圖2

2.3 揭膜后不同灌水量對(duì)葉片干物質(zhì)積累量的影響

研究表明，比較2年葉片干物質(zhì)積累量動(dòng)態(tài)變化發(fā)現(xiàn)，隨著生育期的推進(jìn)，葉片干物質(zhì)積累量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)為開口向下的拋物線，不同年際間同一品種葉片干物質(zhì)累積量表現(xiàn)出2016年高于2017年，不同品種同一年份葉片累積峰值出現(xiàn)時(shí)間相同，2016年、2017年分別在出苗后77 d、出苗后92 d。2年葉片干物質(zhì)累積量新陸早45號(hào)高于新陸早42號(hào)。相同灌水量下，T2處理新陸早45號(hào)的葉干物質(zhì)積累量大于T1處理，新陸早42號(hào)則低于T1處理。圖3

2016年揭膜后增加灌水量2品種均以T4處理最低，新陸早45號(hào)T3處理在出苗后49 d有最大值，在出苗后77 d T2處理較其他處理有最大值，為303.99 g/m2，出苗后105 d表現(xiàn)出T3>T2>T4，T3與T2間無差異，與T4處理差異極顯著。新陸早42號(hào)出苗后77 d，葉干物質(zhì)量均表現(xiàn)出T2>T3>T4，但各處理間無顯著差異。2017年新陸早45號(hào)在出苗后92 d T3處理有最大值，為246.72 g/m2，與T2處理無差異，與T4處理有極顯著差異，出苗后120 d T2有最大值，但與其他處理間差異不顯著。新陸早42號(hào)以T2處理表現(xiàn)較好，始終有較高的葉干物質(zhì)積累。圖3

圖1 揭膜后不同灌水量下根系干物質(zhì)積累量變化Fig.1 Changes of root dry matter accumulation under different irrigation rates after uncovering plastic film

圖2 揭膜后不同灌水量下莖干物質(zhì)動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of stem dry matter under different irrigation amount after uncovering plastic film

圖3 揭膜后不同灌水量下葉片干物質(zhì)動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of dry matter in leaves under different irrigation rates after uncovering plastic film

2.4 揭膜后不同灌水量對(duì)蕾鈴干物質(zhì)積累量的影響

研究表明，T1與T2處理2品種蕾鈴干物質(zhì)表現(xiàn)為前期緩慢增長(zhǎng)然后快速增長(zhǎng)。2品種蕾鈴干物質(zhì)累積量均表現(xiàn)為T1T3>T4，新陸早45號(hào)2016年與2017年T2處理分別較T3、T4處理高出135.67、180.72與122.09、225.74 g/m2，新陸早42號(hào) 2016年與2017年T2處理分別較T3、T4處理高出88.29、123.92 g/m2與124.88、249.03 g/m2。2品種2017年的蕾鈴干物質(zhì)累積量高于2016年。圖4

2.5 揭膜后不同灌水量對(duì)植株器官干物質(zhì)累積特征值的影響

研究表明，2個(gè)棉花品種T2處理的總生物量和根系生物量進(jìn)入快速積累期的時(shí)間較T1處理推遲，分別推遲了1～5 d和3～6 d，快速積累期維持時(shí)間縮短，但積累速率增大。新陸早45號(hào)生殖器官生物量進(jìn)入快速積累期的時(shí)間T2處理較T1處理提前了3 d，新陸早42號(hào) T2較T1推遲了10 d。營養(yǎng)器官生物量新陸早45號(hào) T2較T1推遲9 d，新陸早42號(hào) T2較T1提前了4 d。2棉花品種的干物質(zhì)最大積累量(K)、最大積累速度(Vm)T2處理均高于T1處理。揭膜種植方式下不同灌水處理(T2、T3、T4)各總生物量和生殖器官生物量的累積特征值總體表現(xiàn)為隨灌水量的增加而降低，營養(yǎng)器官生物量和根系生物量總體以T3處理有較高的干物質(zhì)積累特征值。表2,表3

2.6 揭膜后不同灌水量對(duì)產(chǎn)量的影響

研究表明,2棉花品種在T2處理下的產(chǎn)量均高于T1處理，揭膜種植方式并不會(huì)造成棉花減產(chǎn)。揭膜處理后增加灌水量2品種的產(chǎn)量均降低，各水分處理間產(chǎn)量無顯著差異。2年的灌溉水利用效率均表現(xiàn)出T2處理高于T1處理，揭膜種植方式有利于提高灌溉水利用效率。揭膜種植方式下2個(gè)棉花品種的水分利用效率均表現(xiàn)出隨灌水量的增加而降低，處理間有極顯著差異。年際間2品種的產(chǎn)量和灌溉水利用效率均表現(xiàn)出2017年高于2016年。表4

圖4 揭膜后不同灌水量下蕾鈴干物質(zhì)動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of dry matter of buds and bolls under different irrigation amounts after uncovering plastic film

表2 揭膜后不同灌水量下植株器官干物質(zhì)累積特征值(2016)Table 2 Characteristic value of dry matter accumulation under different irrigation amount after uncovering plastic film (in 2016)

續(xù)表2 揭膜后不同灌水量下植株器官干物質(zhì)累積特征值(2016)Table 2 Characteristic value of dry matter accumulation under different irrigation amount after uncovering plastic film (in 2016)

表3 揭膜后不同灌水量下植株干物質(zhì)累積特征值(2017)Table 3 Characteristic value of dry matter accumulation under different irrigation amount after uncovering plastic film (in 2017)

續(xù)表3 揭膜后不同灌水量下植株干物質(zhì)累積特征值(2017)Table 3 Characteristic value of dry matter accumulation under different irrigation amount after uncovering plastic film (in 2017)

表4 不同灌水處理下棉花產(chǎn)量及灌溉水利用效率變化Table 4 Effects of different irrigation treatments on yield cotton and irrigation water utilization efficiency

3 討 論

研究表明，增加灌水量可以增加棉花的株高、葉面積指數(shù)、果枝數(shù)、蕾鈴數(shù)和鈴重[13]，但不合理的水肥管理對(duì)棉花株高、葉面積指數(shù)與單株結(jié)鈴數(shù)有負(fù)效應(yīng)[14,15]。干物質(zhì)的積累是表征光合能力的重要指標(biāo)，在生長(zhǎng)過程中光合同化物向各器官的轉(zhuǎn)運(yùn)與分配是衡量作物是否受到逆境脅迫或徒長(zhǎng)的重要依據(jù)。提高土壤水分會(huì)顯著降低同化物向蕾鈴中的分配[16]，通過調(diào)節(jié)灌水量可以影響作物根冠關(guān)系，對(duì)光合同化物的分配方向和產(chǎn)量形成也有影響[17,18]。試驗(yàn)中，在相同灌水量的不同覆膜方式下，莖稈的干物質(zhì)累積T2處理較T1處理降低，葉片、蕾鈴的干物質(zhì)累積量高于T1處理，揭膜處理有利于干物質(zhì)向蕾鈴的轉(zhuǎn)運(yùn)。揭膜種植方式下不同灌水處理兩棉花品種各器官干物質(zhì)累積量表現(xiàn)出“慢-快-慢”的變化趨勢(shì)，莖、葉片的干物質(zhì)積累均表現(xiàn)出2016年高于2017年，莖、葉干物質(zhì)累積量均以T4處理最低，增加灌水量對(duì)棉花生長(zhǎng)沒有顯著促進(jìn)作用，反而抑制了棉花生長(zhǎng)，因?yàn)樵囼?yàn)條件下6 637.5m3/hm2的灌水量降低了棉花根系呼吸，影響根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收。過高的土壤水分會(huì)降低植物的光合作用，降低光合同化物的累積[19-20]。

李磐[21]等通過畦灌試驗(yàn)得出長(zhǎng)絨棉的最佳灌量為5 900～6 000 m3/hm2，水分虧缺或過量都會(huì)造成蕾鈴脫落、產(chǎn)量降低；羅宏海[16,22]等比較了不同土壤含水量對(duì)棉花產(chǎn)量及水分利效率的影響試驗(yàn)，田間持水量為70%產(chǎn)量有最大值，土壤含水量低于或高于該值都會(huì)使棉花產(chǎn)量降低，且過高或過低的灌水量都會(huì)影響產(chǎn)量，并且灌水過多會(huì)降低水分利用效率，造成水資源浪費(fèi)。雷在新[23]通過不同灌量的水分試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，過量灌水棉花產(chǎn)量并不會(huì)一直隨著灌水量的增加而增加。在試驗(yàn)條件下，生育期揭膜種植與全生育期覆膜種植相比，棉花營養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)時(shí)間推遲，可以使棉花在生育后期維持較高的光合作用，利于后期干物質(zhì)的積累，且揭膜種植方式較全生育期覆膜種植提高了干物質(zhì)向生殖器官的轉(zhuǎn)運(yùn)量，使干物質(zhì)快速積累期延長(zhǎng)，提高了產(chǎn)量。在揭膜種植方式下提高灌水量，可能是通過降低棉花主莖葉的光合速率，導(dǎo)致干物質(zhì)向生殖器官的轉(zhuǎn)運(yùn)量減少，且干物質(zhì)快速積累期縮短，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降。試驗(yàn)環(huán)境下，棉花揭膜種植最適宜的灌水量為4 425 m3/hm2，在揭膜種植方式下不需要增加灌水成本，也可以獲得較高的水分利用效率和產(chǎn)量，同時(shí)也可以達(dá)到降低地膜污染的目的。

4 結(jié) 論

相同灌水量下揭膜種植方式，棉花的干物質(zhì)積累量高于全生育期覆膜處理，并且提高了干物質(zhì)向生殖器官的轉(zhuǎn)運(yùn)比例，延長(zhǎng)了干物質(zhì)快速積累期維持的時(shí)間，有利于獲得高產(chǎn)。揭膜后增加灌水，干物質(zhì)的累積量減少，向生殖器官的轉(zhuǎn)運(yùn)比例降低，快速積累期維持的時(shí)間縮短，不利于獲得高產(chǎn)，在新疆滴灌棉花種植管理中，出苗后40 d揭膜后最佳灌量為4 425 m3/hm2，在該灌水量下產(chǎn)量和水分利用效率表現(xiàn)較優(yōu)。