灌溉時(shí)段及水溫對膜下滴灌棉花生長及產(chǎn)量的影響

王振華，武小荻，王天宇，宗睿，王東旺，陳睿

（1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000； 2. 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子832000； 3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北綠洲節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000）

棉花是世界上最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，同時(shí)也是全球種植最廣泛的纖維作物[1].中國是棉花生產(chǎn)大國，棉花產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的31%[2].新疆作為中國最大的棉花生產(chǎn)基地，2020年棉花播種面積為2.541×106hm2，占全國棉花播種面積的76.08%[3-4].溫度是影響棉花生長后期纖維合成的關(guān)鍵因素[5-6]，土壤溫度變化更是直接或間接影響土壤水分、養(yǎng)分吸收及棉花生長[7].灌溉水溫的變化直接反映到土壤溫度上，土壤溫度過高或過低均會對棉花生長不利.

前人研究發(fā)現(xiàn), 土壤溫度過低會導(dǎo)致棉花根系活力降低，抑制根系對養(yǎng)分及水分的吸收，導(dǎo)致棉花品質(zhì)下降[8-9].土壤溫度過高則會抑制根系對氧氣的吸收[10]，抑制光合作用，導(dǎo)致產(chǎn)量降低.JIA等[9]研究發(fā)現(xiàn)，低溫會抑制水稻對氮素的吸收，導(dǎo)致減產(chǎn).薛鶴等[11]研究發(fā)現(xiàn)，對根區(qū)土壤進(jìn)行增溫能夠促進(jìn)黃瓜生長，提高氮肥利用效率，增加產(chǎn)量.夏鎮(zhèn)卿等[12]研究表明，適宜的土壤溫度能夠促進(jìn)玉米根系發(fā)育，提高光合速率，增加產(chǎn)量.

氣溫是影響土壤溫度的重要因素之一.新疆地區(qū)晝夜溫差極大，灌溉時(shí)段必然會對灌后的土壤溫度產(chǎn)生影響，而前人對這方面的考慮較少.文中擬探究不同灌溉時(shí)段下增溫灌溉對膜下滴灌棉花生長及產(chǎn)量的影響，確定對膜下滴灌棉花產(chǎn)量的最適灌溉時(shí)段及該時(shí)段下的最適水溫，為膜下滴灌條件下棉花增溫灌溉時(shí)段及溫度的選擇提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2020年4—10月在現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)基地暨石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站（85°59′ E，44°19′ N，海拔410 m）開展.試驗(yàn)站位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師石河子市西郊石河子大學(xué)農(nóng)試場二連，海拔450 m，年均日照時(shí)數(shù)2 950 h，年降水量在220 mm左右.2020年棉花生育期氣象數(shù)據(jù)如圖1所示,圖中hR為相對濕度，E為日平均氣溫，θ為降雨量.供試土壤為中壤土，試驗(yàn)區(qū)0～100 cm土壤年平均容重為1.56 g/cm3,田間持水率為21.12%（體積含水量）.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2020年4月23日播種，供試棉花為“新陸早42號”，依據(jù)當(dāng)?shù)亓?xí)慣采用“一膜三管六行”的機(jī)采棉種植模式，膜寬為2.05 m，寬行行距66 cm，窄行行距10 cm，株距10 cm.滴灌帶選用新疆天業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)的迷宮式薄壁式滴灌帶，滴頭間距30 cm.

根據(jù)前人研究[13]并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定灌溉定額為4 650 m3/hm2.全生育期共施尿素wN600 kg/hm2，磷酸二氫鉀wK300 kg/hm2，采用隨水滴肥方式施入.詳細(xì)灌溉制度及施肥制度如表1所示，表中q為灌水量，n為次數(shù).

試驗(yàn)設(shè)灌溉水溫和灌溉時(shí)段2個(gè)因素.灌溉時(shí)段設(shè)2個(gè)水平，分別為灌溉全部在白天進(jìn)行（DW）和灌溉全部在夜間進(jìn)行（NW）.通過測量發(fā)現(xiàn)正常灌溉井水水溫為13.00～15.00 ℃，確定灌溉水溫T設(shè)置4個(gè)水平，分別為15.00，20.00，25.00，30.00 ℃，共計(jì)8個(gè)試驗(yàn)處理，24個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)的面積為12 m2.處理詳情如表2所示.

表1 灌溉及施肥制度表

圖2為增溫灌溉裝置示意圖.灌溉水由水源進(jìn)入太陽能增溫裝置進(jìn)行增溫（夜間灌溉及陰天時(shí)依靠電能輔助增溫裝置進(jìn)行增溫）后流入蓄水桶中，經(jīng)由潛水泵抽出進(jìn)入田間滴灌管道.滴灌帶滴頭處設(shè)置瞬時(shí)溫度計(jì)來監(jiān)測滴頭處的水溫，并通過減少輸水管道的長度及用塑料海綿包裹管道來減少輸水過程中的水溫?fù)p失.

表2 試驗(yàn)處理設(shè)置

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1） 土壤溫度

用直角地溫計(jì)于棉花苗期至花鈴期每次灌水后10 min分別測量各處理0～25 cm深度的土壤溫度.

2） 株高、莖粗

于打頂后第3天（2020年7月15日），每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3株棉花，用卷尺測量株高（cm），用游標(biāo)卡尺測量莖粗（mm）.

3） 葉面積指數(shù)

在花鈴期，各小區(qū)分別隨機(jī)選取3株棉花，用鋼尺測量每片葉片的長和寬，葉面積指數(shù)計(jì)算公式[13]為

（1）

式中：λ為葉片形狀系數(shù)，取0.84；RLAI為葉面積指數(shù)；L，W分別為葉片長度和寬度，m；A為所占土地面積，m2.

4） 物候期

文中選取棉花出苗、現(xiàn)蕾、開花、吐絮、收獲5個(gè)棉花物候期，記錄各物候期的時(shí)間（以出苗后的天數(shù)表示）.選取出苗—現(xiàn)蕾、現(xiàn)蕾—開花、開花—吐絮、吐絮—收獲4個(gè)生育階段.計(jì)算棉花苗期、蕾期、花鈴期及吐絮期的持續(xù)天數(shù).

5） 光合指標(biāo)

在蕾期（7月10日）、花鈴期（7月28日），每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3株棉花，于10—14點(diǎn)（北京時(shí)間）采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6800光合-熒光測量儀測量凈光合速率Pn、蒸騰速率Tr、胞間CO2濃度Ci、氣孔導(dǎo)度Gs.蕾期、花鈴期規(guī)律類似，由于文章篇幅有限，文中只展示花鈴期的數(shù)據(jù).

6） 棉花產(chǎn)量指標(biāo)

于收獲期各小區(qū)分別測量記錄單鈴質(zhì)量、單株成鈴數(shù)和總株數(shù).實(shí)收計(jì)產(chǎn)，各小區(qū)單株籽棉產(chǎn)量為各小區(qū)籽棉產(chǎn)量除以各小區(qū)棉花株數(shù)；單株產(chǎn)量為各小區(qū)單株產(chǎn)量的平均值，最終換算成標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量.

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

采用WPS Office和SPSS 24數(shù)據(jù)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，采用Origin 2019和CAD軟件繪圖.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土壤溫度

不同處理的灌后0～25 cm各深度土壤溫度t如圖3所示.日間灌前土壤溫度低于氣溫且溫差較大；夜間氣溫低于灌前土壤溫度，二者溫差較小.土層深度D和灌溉水溫T對土壤溫度t的雙因素方差分析如表3所示.土層深度及灌溉水溫對土壤溫度影響均在0.01水平下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且二者交互作用極顯著.夜間灌溉時(shí)，土層深度對土壤溫度的影響較日間灌溉更為顯著.

增溫灌溉顯著提高0～20 cm土層的土壤溫度，但對25 cm處土壤溫度影響不具有統(tǒng)計(jì)意義，且夜間增溫灌溉對土壤溫度的影響較日間更加顯著.對于日間灌溉，灌溉水溫為20.00，25.00，30.00 ℃時(shí)較15.00 ℃時(shí)0～5 cm深度的平均土壤溫度分別提高了0.96，1.87，4.90 ℃;5～10 cm深度的平均土壤溫度分別提高了0.81，1.83，3.92 ℃;10～15 cm深度的平均土壤溫度分別提高了0.72，1.48，2.64 ℃;15～20 cm深度的平均土壤溫度分別提高了0.31，0.90，1.70 ℃.對于夜間灌溉，灌溉水溫為20.00，25.00，30.00 ℃時(shí)較15.00 ℃時(shí)的0～5 cm深度的平均土壤溫度分別提高了0.88，3.34，5.43 ℃;5～10 cm深度的平均土壤溫度分別提高了0.78，2.66，4.33 ℃;10～15 cm深度的平均土壤溫度分別提高了0.74，1.84，3.22 ℃;15～20 cm深度的平均土壤溫度分別提高了0.92，1.78，1.92 ℃.對于0～20 cm深度的土壤，隨著土層深度的加深，土壤溫度的變化幅度逐漸減小.

表3 土層深度和灌溉水溫對土壤溫度的雙因素方差分析

Tab.3 Two-factor variance analysis of soil depth and irrigation water temperature to soil temperature

因素日間灌溉土壤溫度F值夜間灌溉土壤溫度F值D791.933??47.106??T2 499.374??2 052.021??D×T264.235??218.905??

2.2 棉花生長指標(biāo)

灌溉時(shí)段及水溫對棉花各生育期時(shí)長的影響如圖4所示，其中k為播種后天數(shù).

日間增溫灌溉顯著縮短棉花苗期和蕾期時(shí)長，延長吐絮期DW20，DW25，DW30較CK的苗期時(shí)長分別縮短了1.67，3.33，5.67 d，蕾期時(shí)長分別縮短了1.67，4.00，5.67 d，吐絮期時(shí)長分別提前了3.00，7.67，12.00 d；對于夜間灌溉處理，除處理NW15外，夜間增溫灌溉顯著縮短棉花苗期和蕾期時(shí)間，增加吐絮時(shí)間.處理NW15較CK的苗期時(shí)長延長了2.33 d，處理NW20，NW25，NW30較CK的苗期時(shí)長分別縮短了1.33，6.67，8.00 d，處理NW15較CK的蕾期時(shí)長延長了1.00 d，處理NW20，NW25，NW30較CK的蕾期時(shí)長分別縮短了1.00，5.67，7.00 d，處理NW15較CK的吐絮期推遲了3.00 d，處理NW20，NW25，NW30較CK的吐絮期分別提前了2.00，13.00，16.00 d.各處理對花鈴期的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.灌溉水溫過低時(shí)進(jìn)行夜間灌溉會導(dǎo)致棉花苗期、蕾期延長，吐絮延后.

不同灌溉時(shí)段及水溫對膜下滴灌棉花株高、莖粗及葉面積指數(shù)的影響如圖5所示.其中，處理DW20，DW25，DW30分別較CK的株高顯著增加了12.41%，24.77%，19.77%（P<0.01），莖粗顯著增加了12.72%，23.72%，20.18%（P<0.01），葉面積指數(shù)顯著增加17.7%，33.85%，25.7%（P<0.01）； 處理NW15，NW20，NW25，NW30分別較處理CK的株高顯著增加了5.74%，15.65%，28.15%，26.39%（P<0.01），莖粗增加了4.97%，15.73%，26.07%，25.32%，葉面積指數(shù)顯著增加了6.77%，24.8%，40.49%，31.84%（P<0.01）.

根據(jù)灌溉水溫，隨著灌溉水溫的上升，棉花的株高h(yuǎn)、莖粗d、葉面積指數(shù)RLAI均呈現(xiàn)先增后減的趨勢，在一定溫度范圍內(nèi)提高灌溉水溫能夠增加棉花的株高、莖粗和葉面積指數(shù).夜間灌溉能夠顯著增加棉花的株高.處理NW25棉花的株高、莖粗、葉面積指數(shù)均達(dá)到所有處理的最大值，分別為97.4 cm，12.85 mm，4.13.

2.3 棉花光合指標(biāo)

棉花的光合作用直接影響到棉花的產(chǎn)量的形成，而花鈴期更是棉花產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期.表4為不同處理下的棉花花鈴期光合指標(biāo).

表4 不同處理下的棉花花鈴期光合指標(biāo)

隨著灌溉水溫的升高，各處理棉花的凈光合速率Pn、氣孔導(dǎo)度Gs、蒸騰速率Tr均呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，而胞間CO2濃度Ci則呈現(xiàn)出先減后增的趨勢.根據(jù)灌溉時(shí)段，夜間灌溉處理較日間灌溉處理的平均Pn增加了8.13%，平均Gs增加了3.93%，平均Tr增加了4.18%，平均Ci降低了2.81%.相同灌溉水溫下，夜間灌溉處理的Pn，Gs，Tr均大于日間灌溉處理，Ci均小于日間灌溉處理.處理NW25棉花的Pn，Gs，Tr均達(dá)到所有處理的最大值，較處理CK分別增長了32.9%，22.56%，26.04%.灌溉水溫和灌溉時(shí)段均對棉花的Pn，Gs，Tr，Ci存在極顯著影響，而二者交互只對Gs存在極顯著影響.

2.4 棉花產(chǎn)量構(gòu)成

不同灌溉時(shí)段及水溫對棉花產(chǎn)量的影響如表5所示，其中Y為棉花產(chǎn)量，i為單株成鈴數(shù)，m為單鈴質(zhì)量.隨著灌溉水溫的升高，棉花的籽棉產(chǎn)量呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，且夜間增溫灌溉下的棉花產(chǎn)量高于日間增溫灌溉.處理DW20，DW25，DW30， NW15，NW20，NW25，NW30較處理CK的籽棉產(chǎn)量顯著增加5.88%，10.78%，7.38%，2.95%，9.11%，14.13%，12.01%，單株成鈴數(shù)顯著增加10.10%，18.38%，23.84%，1.21%，11.72%，19.80%，25.05%.其中，處理DW20，DW25，DW30，NW20，NW25，NW30較處理CK單鈴質(zhì)量顯著降低3.96%，6.37%，13.63%，1.76%，4.84%，10.55%，但處理NW15較處理CK的單鈴質(zhì)量顯著增加1.76%（P<0.01）.顯著性方差分析結(jié)果表明，灌溉水溫對籽棉產(chǎn)量、單株成鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量均有極顯著影響；灌溉時(shí)段對籽棉產(chǎn)量影響極顯著，對單鈴質(zhì)量影響顯著.

灌溉水溫為20.00，25.00，30.00 ℃時(shí)較15.00 ℃平均籽棉產(chǎn)量分別增加5.94%，10.82%，8.10%，平均單株成鈴數(shù)分別增加10.20%，18.37%，23.69%，單鈴質(zhì)量分別降低3.70%，6.43%，12.85%.隨著灌溉水溫的上升，棉花單株成鈴數(shù)增大，單鈴質(zhì)量減小.當(dāng)灌溉水溫到達(dá)30.00 ℃時(shí)，單鈴質(zhì)量驟減，最終表現(xiàn)為棉花的籽棉產(chǎn)量隨灌溉水溫的升高呈現(xiàn)先增后減的趨勢，在一定范圍內(nèi)提高灌溉水溫能夠增加棉花的籽棉產(chǎn)量.根據(jù)灌溉時(shí)段，夜間灌溉處理較日間灌溉處理的平均籽棉產(chǎn)量、平均單株成鈴數(shù)、平均單鈴質(zhì)量分別增加了3.34%，1.21%，2.28%.

表5 不同處理下的棉花產(chǎn)量構(gòu)成

2.5 最適灌溉水溫的確定

為確定對于棉花產(chǎn)量的最適灌溉水溫，以灌溉水溫為自變量，以棉花產(chǎn)量為因變量，基于SPSS多元回歸分析分別建立日間和夜間灌溉下灌溉水溫與棉花產(chǎn)量關(guān)系的一元二次回歸方程如表6所示.所建立的方程均在95%置信區(qū)間，灌溉水溫對產(chǎn)量的影響均達(dá)到極顯著水平（P<0.01），決定系數(shù)大于0.880.

表6 灌溉水溫與產(chǎn)量間的回歸關(guān)系

圖6反映了灌溉水溫T對產(chǎn)量Y的影響.隨著灌溉水溫的上升，產(chǎn)量呈現(xiàn)為先增大后減少的趨勢.

日間灌溉水溫為25.43 ℃時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最大值7 238.91 kg/hm2；夜間灌溉水溫為26.38 ℃時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最大值7 482.96 kg/hm2.從增產(chǎn)角度，最優(yōu)的增溫灌溉方式為灌溉水溫26.38 ℃進(jìn)行夜間灌溉.

3 討 論

GIPSON等[14]的研究認(rèn)為夜間最低溫度決定作物的生育進(jìn)程.文中隨著灌溉水溫的升高，棉花的生育進(jìn)程提前，吐絮期時(shí)長延長.隨著灌溉水溫的升高，棉花的株高、莖粗、葉面積指數(shù)均有不同程度的增長，這與張瑞彎等[15]的研究結(jié)果相似.升高土壤溫度可以增大作物葉片的氣孔導(dǎo)度[16]，而作物的氣孔導(dǎo)度增大有利于CO2的通過，進(jìn)而提高葉片中的CO2濃度，促進(jìn)葉片光合作用.當(dāng)灌溉水溫過低時(shí)，灌溉引起土壤溫度驟降，降低了根系吸水能力[9]；而灌溉水溫過高時(shí)，會使棉花的氣孔導(dǎo)度增大，蒸騰速率加快，加速棉花水分散失，同時(shí)還會抑制棉花根系對氧氣的吸收[10]，最終都會對棉花葉片的光合作用產(chǎn)生抑制.日間土壤溫度較高，灌溉水溫均低于土壤溫度，且土壤與灌溉水溫差大，灌溉后會造成土壤溫度驟降，對棉花的生長發(fā)育產(chǎn)生擾動，并對光合作用產(chǎn)生一定的抑制.夜間土壤溫度較低，與灌溉水溫差較小，對棉花正常生理生長的擾動較??；而增溫灌溉使土壤溫度升高，提高了棉花光合功能.干秀霞等[17]的研究認(rèn)為夜間增溫有利于增加葉片葉綠素含量，提高棉花光合功能，本研究結(jié)果與其基本一致.

水溫是影響土壤溫度的主要因素，灌溉水溫對土壤溫度的影響隨著土壤深度的增加逐漸減小，灌溉水溫與土壤溫度溫差越大，土壤溫度變化越明顯.本試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤溫度的變化幅度隨著土層深度的加深而減小.夜間土壤溫度較低，與灌溉水的溫差較日間更大，對土壤溫度的影響也就越顯著.這與朱紅艷等[18]的研究結(jié)果類似.

土壤溫度過高會通過抑制棉花葉片的光合作用，導(dǎo)致光合產(chǎn)物的缺失，最終導(dǎo)致減產(chǎn).本研究表明，隨著灌溉水溫的升高，棉花的籽棉產(chǎn)量呈現(xiàn)先增后減的趨勢，單株成鈴數(shù)與灌溉水溫呈正相關(guān)，單鈴質(zhì)量與灌溉水溫呈負(fù)相關(guān).增溫灌溉能夠活化棉花的生理反應(yīng)，促進(jìn)了營養(yǎng)繁殖，提高了棉花的單株成鈴數(shù).而在棉花的水肥供應(yīng)固定的條件下，單株成鈴數(shù)的增加必然會導(dǎo)致單鈴養(yǎng)分分配的下降，從而導(dǎo)致單鈴質(zhì)量的降低.

本試驗(yàn)中，相同灌溉水溫下，夜間灌溉的產(chǎn)量、單株成鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量均大于日間灌溉.夜間增溫能夠降低棉花葉片花青素含量、POD和SOD活性，延緩棉花葉片變紅衰老，進(jìn)而提高棉花單鈴質(zhì)量，提高棉花產(chǎn)量[17].對于灌溉水溫為15.00 ℃和20.00 ℃的夜間灌溉處理，灌溉延后了吐絮期，減少了棉花吐絮期的積累時(shí)長，不利于產(chǎn)量的增加.對于灌溉水溫30.00 ℃的夜間灌溉處理，灌溉提前了吐絮期，增加了棉花吐絮期的光熱累積時(shí)長，但灌溉后加劇了棉花的呼吸作用，使得單鈴質(zhì)量驟減，不利于產(chǎn)量的積累.對于灌溉水溫為25.00 ℃的夜間灌溉處理，灌溉水溫與夜間土壤溫度接近，對棉花呼吸作用影響較??；較15.00和20.00 ℃的處理，棉花提前進(jìn)入營養(yǎng)生長階段、生殖生長階段, 開花期和吐絮期明顯提前, 從而有利于提高氣候生態(tài)資源利用效率和干物質(zhì)積累[19].

4 結(jié) 論

通過控制灌溉時(shí)段及灌溉水溫，研究不同灌溉時(shí)段及水溫對膜下滴灌棉花生理生長、產(chǎn)量及作物生育期等指標(biāo)的影響，得出以下結(jié)論：

1） 增溫灌溉能夠提前棉花的生育進(jìn)程，增大株高、莖粗、葉面積指數(shù)，促進(jìn)光合作用，提高產(chǎn)量.

2） 夜間灌溉效果更好，夜間增溫灌溉增產(chǎn)效果更顯著.

3） 基于多元回歸分析探明對膜下滴灌棉花產(chǎn)量的最適增溫灌溉時(shí)段為夜間，最適灌溉水溫為26.38 ℃，對應(yīng)的產(chǎn)量為7 482.96 kg/hm2.