加氣對(duì)西北旱區(qū)膜下滴灌棉花光合及水分利用效率的影響

韓美琪,王振華*,朱艷,溫越

(1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子 832003; 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 832003; 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 832003)

新疆地區(qū)水資源匱乏,蒸發(fā)強(qiáng)度大.隨著規(guī)?；?jié)水技術(shù)膜下滴灌的推廣,保障了農(nóng)業(yè)水土資源可持續(xù)利用[1],但也帶來了一系列新的問題,例如滴灌過程中作物根區(qū)容易形成持續(xù)飽和濕潤區(qū),引發(fā)根際缺氧[2];覆膜技術(shù)阻礙了植株地表土壤直接與周圍大氣系統(tǒng)發(fā)生氣體交換,降低了地表土壤的通氣性能[3].為緩解低氧脅迫,科學(xué)開發(fā)利用加氣灌溉技術(shù)已成為重要解決措施之一.

隨著人們對(duì)加氣灌溉方式的不斷探索,加氣灌溉種類也隨之增加[4-5].獨(dú)立式加氣灌溉主要指將灌溉與加氣2個(gè)過程分開進(jìn)行;物理曝氣式加氣灌溉則是將加氣與灌溉同步進(jìn)行的加氣灌溉方式,這2種加氣方式都需要額外的電力,在一定程度上增加了灌溉成本,降低了加氣灌溉所帶來的效益.化學(xué)增氧加氣灌溉是一種簡單便捷的加氣灌溉方式,通過施加化學(xué)增氧劑,作物根區(qū)土壤的增氧效果明顯,但不同的化學(xué)增氧劑會(huì)對(duì)土壤和作物產(chǎn)生潛在的影響.而文丘里式加氣灌溉通過增加流速、減小壓強(qiáng),將空氣吸入到灌溉水中達(dá)到增氧的目的,且不受應(yīng)用場(chǎng)地的限制,適用性強(qiáng),成本可控.

近年來,眾多學(xué)者研究論證了加氣灌溉改變了土壤氧氣條件,直接受到影響的是根系.根系生長狀況會(huì)影響到作物對(duì)水分和營養(yǎng)的吸收,進(jìn)而影響地上部分生長,這其中包括作物生長形態(tài)、光合特性以及產(chǎn)量品質(zhì)等.研究數(shù)據(jù)表明,加氣灌溉通過改變田間土壤的通氣狀況,最終對(duì)溫室作物的生長及產(chǎn)量產(chǎn)生了積極的影響.朱艷等[6]研究結(jié)果顯示,加氣灌溉使得番茄單株產(chǎn)量、單果重、IWUE分別顯著增加了21.2%,23.9%和21.0%.李江等[7]研究認(rèn)為,加氣灌溉可以增加水稻光合作用的有效性,促進(jìn)干物質(zhì)積累,從而使水稻增產(chǎn)19.7%.吳梅等[8]利用文丘里空氣射流器對(duì)玉米進(jìn)行加氣灌溉,結(jié)果顯示加氣滴灌提高了玉米株高、莖粗、葉面積指數(shù),減少了玉米耗水量.但是關(guān)于加氣灌溉技術(shù)對(duì)作物生長生理方面的作用機(jī)理研究主要集中在全生育期上,對(duì)不同時(shí)期灌溉條件下作物對(duì)加氣效應(yīng)的響應(yīng)研究較為匱乏,且在大田膜下滴灌系統(tǒng)中的應(yīng)用還鮮有研究,在新疆特殊環(huán)境條件下的加氣灌溉對(duì)土壤環(huán)境、作物生長等方面的影響還有待科學(xué)論證.

針對(duì)以上問題,文中以棉花為試驗(yàn)對(duì)象,通過文丘里加氣灌溉方式,采用大田小區(qū)試驗(yàn),分析不同生育期棉花光合特性及干物質(zhì)積累對(duì)加氣灌溉的響應(yīng),以期確定滿足各指標(biāo)的最優(yōu)加氣灌溉時(shí)期,為西北旱區(qū)棉花高效生產(chǎn)提供科學(xué)指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站位于85°59′47″E,44°19′28″N.試驗(yàn)于2021年4月15日至9月30日開展.≥10 ℃積溫為3 563.50 ℃·d,≥15 ℃積溫為2 960 ℃·d,晝夜溫差大.土壤質(zhì)地為壤土,平均密度為1.60 g/cm3.2021年棉花生育期內(nèi)氣象圖如圖1所示,P為降雨量,θ為氣溫.

圖1 2021年棉花生育期內(nèi)氣象圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以不加氣滴灌(溶解氧質(zhì)量濃度為5 mg/L)為對(duì)照CK,按棉花不同需水生育階段加氣滴灌(溶解氧質(zhì)量濃度為15 mg/L)分為5個(gè)處理:苗期加氣灌溉(AS),蕾期加氣灌溉(AB),花鈴期加氣灌溉(AF),蕾期和花鈴期加氣灌溉(ABF),苗期、蕾期以及花鈴期加氣灌溉(AW);18個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積20 m×3 m.選用以色列耐特菲姆滴灌管,管間距66 cm,埋深15 cm.種植模式設(shè)置為“1膜3管6行”,膜間距30 cm,棉花株距10 cm.

試驗(yàn)用棉花品種為“新陸早42號(hào)”,2021年4月15日下午播種,灌溉定額為360 mm,施氮肥用尿素(N:46.4%)600 kg/hm2,施磷鉀肥用磷酸二氫鉀(P2O5∶51.5%,K2O∶34.0%)300 kg/hm2,其余管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一致;經(jīng)記錄全生育期為167 d.每個(gè)處理都由單獨(dú)的蓄水桶供水,肥料直接倒入蓄水桶中,待完全溶解后再利用文丘里進(jìn)行加氣灌溉,在每小區(qū)前安裝旋翼式水表控制水量.

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1) 光合指標(biāo).采用LI-6400便攜式光合儀,在各生育階段末灌水結(jié)束2 d后晴朗無云天氣的11:00—19:00,每隔2 h測(cè)1次,每次測(cè)3個(gè)重復(fù),每次測(cè)定使用的葉片相同.測(cè)定棉花凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)等光合指標(biāo),用各指標(biāo)測(cè)定結(jié)果的平均值作為后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)值.

2) 棉花干物質(zhì)[9].每個(gè)生育期末于每小區(qū)選擇3株長勢(shì)均勻有代表性的植株,將棉株分成莖、葉、蕾/鈴,于105 ℃殺青30 min,然后75 ℃烘干至恒重,稱取其干物質(zhì)量.

3) 土壤含水率和土壤容重.土壤質(zhì)量含水率(θs)采取烘干法測(cè)定,土壤容重采取環(huán)刀法測(cè)定,在播種前和收獲后均以10 cm為間隔取到1 m.

4) 棉花產(chǎn)量與品質(zhì).每小區(qū)截取20 m2的中心區(qū)域,全部采摘稱重,最終換算為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量.棉花收獲后,各小區(qū)采集棉花纖維200 g,送至中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所(河南省安陽市),測(cè)量方法依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《棉花 長絨棉》(GB 19635—2005),對(duì)相關(guān)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定:上半部平均長度、整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值及伸長率.

5) 土壤貯水量[8].

W=10ρiHωi,

(1)

式中:W為試驗(yàn)地塊的土壤貯水量,mm;ρi為試驗(yàn)地塊不同土層深度對(duì)應(yīng)的土壤容重,g/cm3;H為土層厚度,cm;ωi為不同土層深度對(duì)應(yīng)的土壤含水質(zhì)量比,g/g.

6) 水分利用效率[10].

WUE=0.1Y/(ΔW+Pr+I),

(2)

式中:WUE為水分利用效率,kg/m3;Y為棉花標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量,kg/hm2;ΔW為試驗(yàn)地塊棉花收獲與播種當(dāng)天的土壤貯水量的變化量,mm;Pr為試驗(yàn)區(qū)棉花全生育期有效降雨量,mm;I為總灌溉量,mm.

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析方法

觀測(cè)數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行記錄處理,作圖采用Origin 2022,指標(biāo)之間的顯著性分析和相關(guān)性分析采用SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 加氣灌溉對(duì)滴灌棉花光合作用的影響

圖2為不同加氣灌溉處理下的棉花Pn,Tr,Gs,Ci.由圖可知加氣灌溉顯著影響棉花光合作用(P<0.05).隨著棉花生育進(jìn)程推進(jìn),Pn,Tr和Gs整體趨勢(shì)為先升高后降低,峰值均出現(xiàn)在蕾期末;Ci整體趨勢(shì)為先降低后升高,最低點(diǎn)出現(xiàn)在蕾期末.

圖2 不同加氣灌溉處理下的棉花Pn,Tr,Gs和Ci

苗期,處理AS和AW(苗期加氣灌溉)的平均Pn,Tr和Gs分別較處理AB,AF,ABF,CK(苗期未加氣)平均顯著提高了14.03%,37.12%和41.45%(P<0.05),Ci平均顯著降低了14.84%(P<0.05);蕾期,處理AB,ABF,AW(蕾期灌溉加氣)的平均Pn,Tr和Gs分別較處理AS,AF,CK(蕾期未加氣)平均顯著提高10.96%,22.41%和32.95%(P<0.05),Ci顯著降低了9.3%(P<0.05);花鈴期,處理ABF,AF和AW(花鈴期灌溉加氣)的Pn,Tr和Gs分別比處理AS,AB,CK(花鈴期未加氣)平均提高22.68%,41.19%和33.42%(P<0.05),Ci平均顯著降低了16.22%(P<0.05).

2.2 加氣灌溉對(duì)滴灌棉花干物質(zhì)積累的影響

圖3為不同加氣灌溉處理下的棉花苗期、現(xiàn)蕾期、盛蕾期、初花期、盛花期、吐絮期地上部生物量mt.

圖3 不同加氣灌溉處理下的棉花不同生育期的地上部生物量

苗期和現(xiàn)蕾期時(shí),加氣灌溉對(duì)棉花地上部生物量無顯著影響.較處理CK,蕾干物質(zhì)積累對(duì)于苗期加氣灌溉(AS,AW)的積極響應(yīng)在現(xiàn)蕾期顯現(xiàn)出來,分別顯著增加了31.71%,39.08%(P<0.05).盛蕾期時(shí),加氣灌溉對(duì)棉花莖、葉和蕾干物質(zhì)積累均存在顯著影響(P<0.05).較處理CK,蕾期加氣灌溉(AB,ABF,AW)棉花莖干物質(zhì)積累分別顯著增加了30.71%,37.76%和47.4%;葉干物質(zhì)積累分別顯著增大了18.39%,20.06%和25.10%;蕾干物質(zhì)積累分別顯著增加了13.87%,12.76%和24.59%.較處理CK,莖干物質(zhì)積累對(duì)于苗期加氣(AS)的積極響應(yīng)在盛蕾期顯現(xiàn)出來,顯著增加了26.16%.

初花期時(shí),加氣灌溉對(duì)棉花葉干物質(zhì)積累的促進(jìn)效果不顯著,而對(duì)莖和鈴干物質(zhì)積累均存在顯著的積極影響(P<0.05).較處理CK,花鈴期加氣灌溉(AF,ABF,AW)棉花植株莖干物質(zhì)積累分別顯著增加了21.19%,39.05%和55.39%;鈴干物質(zhì)積累分別增大了34.16%,51.24%和87.52%.盛花期時(shí),加氣灌溉對(duì)棉花莖、葉和鈴干物質(zhì)積累均存在顯著影響(P<0.05).較處理CK,加氣灌溉下(AF,ABF,AW)棉花植株莖干物質(zhì)積累分別顯著增大了28.92%,29.60%和47.80%;葉干物質(zhì)積累分別顯著增加10.48%,21.72%和23.98%;鈴干物質(zhì)積累分別顯著增加31.13%,27.19%和37.82%.

吐絮期時(shí),與處理CK相比,處理AS,AB,AF,ABF和AW的莖干物質(zhì)積累分別顯著增加10.88%,15.18%,29.26%,29.57%和37.50%;處理AB,AF,ABF和AW的葉干物質(zhì)積累分別顯著增加6.27%,14.15%,11.15%和15.08%;處理AS,AB,AF,ABF和AW的鈴干物質(zhì)積累分別顯著增加25.18%,15.20%,33.41%,25.17%和33.75%(P<0.05).

圖4為不同加氣灌溉處理下的棉花莖干物質(zhì)量、葉干物質(zhì)量、蕾/鈴干物質(zhì)量mg.加氣灌溉顯著影響棉花干物質(zhì)積累(P<0.05).隨棉花生育進(jìn)程推進(jìn),棉花莖干物質(zhì)積累趨勢(shì)呈先升高后穩(wěn)定,葉干物質(zhì)積累趨勢(shì)呈先升高后降低,蕾干物質(zhì)積累趨勢(shì)逐漸升高.

圖4 不同加氣灌溉處理下的棉花地上部生物質(zhì)量

2.3 加氣灌溉對(duì)滴灌棉花產(chǎn)量及WUE的影響

圖5為加氣灌溉處理對(duì)棉花的產(chǎn)量和水分利用效率的影響,Y為棉籽產(chǎn)量.由圖可知加氣灌溉對(duì)籽棉產(chǎn)量具有極顯著影響(P<0.01).

圖5 加氣灌溉處理對(duì)棉花的產(chǎn)量和水分利用效率的影響

處理AF和AW的籽棉產(chǎn)量最高,差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,相較于CK,分別增加了15.82%和15.90%.與CK相比,只有處理AS,AF和AW的WUE有顯著提高,且AF的WUE最高,為1.51 kg/m3,AB的WUE最低,為1.36 kg/m3.

2.4 加氣灌溉對(duì)滴灌棉花品質(zhì)的影響

整體上,處理AF各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)均最優(yōu).表1為加氣灌溉下滴灌棉花品質(zhì)與產(chǎn)量間的相互關(guān)系.由表可知棉花各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系,按品質(zhì)指標(biāo)由大到小為纖維長度、伸長率、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值、整齊度指數(shù).

表1 加氣灌溉下滴灌棉花品質(zhì)與產(chǎn)量間的相互關(guān)系

加氣灌溉對(duì)棉花品質(zhì)的影響見表2,M為馬克隆值、L為纖維長度、Ps為斷裂比強(qiáng)度、ε為伸長率、Ui為整齊度指數(shù).

表2 加氣灌溉對(duì)膜下滴灌棉花品質(zhì)的影響

結(jié)果顯示加氣灌溉對(duì)提高棉花各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)均有積極作用.相較處理CK,處理AS,AB,AF,ABF和AW的馬克隆值分別降低了5.43%,3.46%,8.89%,7.12%和8.30%,纖維長度分別提高了5.74%,2.50%,9.57%,7.60%和9.29%,斷裂比強(qiáng)度分別提高了1.79%,3.14%,10.53%,7.30%和8.22%,伸長率分別提高了1.17%,1.23%,10.16%,5.79%和9.05%,整齊度指數(shù)分別提高了2.96%,1.88%,4.11%,3.91%和4.07%.

3 討 論

光合作用是評(píng)價(jià)作物生存的重要指標(biāo),也是作物對(duì)環(huán)境脅迫響應(yīng)最明顯的生理活動(dòng)之一.長期處于低氧脅迫下的作物,其光合作用會(huì)因光合系統(tǒng)受損而下降.而加氣灌溉可以減少植物脫落酸合成,增加葉片葉綠素含量,從而促進(jìn)光能的吸收和轉(zhuǎn)移.有研究結(jié)果表明,作物根系所處的氧氣條件能夠影響作物的光合特性:OUYANG等[11]的研究結(jié)果顯示,當(dāng)灌溉水的溶解氧質(zhì)量濃度從6.5 mg/L提高至8.5 mg/L,萵苣的光合速率提高了163.95%.氣孔是作物呼吸、蒸騰的通路,在生理學(xué)上有重要意義.蒸騰作用可以為作物水分養(yǎng)分運(yùn)輸提供動(dòng)能[6].文中研究結(jié)果表明,加氣灌溉顯著影響棉花的生理特性指標(biāo),且隨著生育期推進(jìn),棉花葉片Pn,Tr和Gs均呈先升高后降低的趨勢(shì),而Ci呈先降低再升高的趨勢(shì),這與前人[6-8]研究加氣能夠提高作物光合特性的結(jié)論一致.陳根云等[12]研究指出,葉肉細(xì)胞光合活性增強(qiáng)是導(dǎo)致胞間CO2濃度與其他光合特性指標(biāo)趨勢(shì)相反的原因.文中研究發(fā)現(xiàn),與其他時(shí)期加氣處理相比,蕾期的光合特性指標(biāo)最高,但是加氣對(duì)蕾期光合特性指標(biāo)的促進(jìn)效果較其他時(shí)期為最低;而花鈴期光合特性雖然低于蕾期,但加氣對(duì)于光合特性的促進(jìn)效果相較于其他時(shí)期最高.這是因?yàn)樵诿藁ɡ倨诩託獯龠M(jìn)了植株光合反應(yīng),但會(huì)造成蕾期葉片瘋長,田間庇蔭,光照不足;而在花鈴期加氣效果最好,最利于養(yǎng)分積累,產(chǎn)量提高.

干物質(zhì)積累量是光合作用的最終體現(xiàn),與產(chǎn)量大小密切相關(guān).文中試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),加氣對(duì)苗期干物質(zhì)積累的影響不顯著,而對(duì)蕾干物質(zhì)積累的顯著影響在現(xiàn)蕾期體現(xiàn)出來,對(duì)莖干物質(zhì)積累的顯著影響在盛蕾期體現(xiàn)出來(如圖3所示).這可能是因?yàn)榧託庑Ч哂袦笮訹10],且苗期棉花根系扎根較淺,根系長度尚未到達(dá)滴灌管埋深處,所以加氣對(duì)苗期促進(jìn)效果不顯著.隨著生育期推進(jìn),根系增長,苗期加氣對(duì)地上部生物量的促進(jìn)效果顯著體現(xiàn)在現(xiàn)蕾期和盛蕾期,且對(duì)產(chǎn)量促進(jìn)效果顯著.蕾期加氣灌溉對(duì)棉花地上部生物量均存在顯著影響,并延續(xù)到吐絮期,但相較于其他加氣處理,產(chǎn)量和水分利用效率均最低(如圖3—4所示).這可能是由于蕾期是棉花營養(yǎng)生長的關(guān)鍵期,加氣促進(jìn)根系大量吸收水分、養(yǎng)分主要用于莖葉生長,營養(yǎng)生長過旺,導(dǎo)致瘋長,嚴(yán)重出現(xiàn)貪青現(xiàn)象,造成了花蕾、花鈴的脫落,不利于棉花增產(chǎn).QIAN等[13]發(fā)現(xiàn)棉花在花鈴期對(duì)低氧脅迫比在其他生長階段更敏感.花鈴期加氣灌溉對(duì)棉花莖、葉和鈴干物質(zhì)積累均存在顯著影響,但對(duì)葉干物質(zhì)積累的促進(jìn)影響是在花鈴期后期才體現(xiàn)出來,且產(chǎn)量和水分利用效率最高.花鈴期是棉花生殖生長的關(guān)鍵期,加氣灌溉減緩了根際低氧脅迫,促進(jìn)了棉花生長,增加了棉鈴干物質(zhì)量,可進(jìn)一步提高棉花產(chǎn)量,獲得高產(chǎn).從吐絮期各處理地上部生物量的綜合分析,蕾期加氣相對(duì)于苗期加氣和花鈴期加氣使葉、鈴過早脫落,這與前人分析一致.

產(chǎn)量和品質(zhì)是衡量作物經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo).文中研究結(jié)果表明,加氣灌溉對(duì)棉花整體的產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率均起到積極作用,且花鈴期加氣對(duì)棉花品質(zhì)的提升效果最明顯.朱艷等[6]的研究也發(fā)現(xiàn),與常規(guī)灌溉相比,加氣灌溉使得番茄果實(shí)中番茄紅素、Vc、可溶性糖含量和糖酸分別顯著增加了28.1%,36.0%,22.8%和28.0%.綜合考慮,處理AF通過影響光合,增加干物質(zhì)積累,進(jìn)而提高產(chǎn)量,并提高了WUE,增產(chǎn)、節(jié)水、提質(zhì)的效果最佳.

4 結(jié) 論

1) 加氣灌溉棉花凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度較常規(guī)灌溉顯著提升,胞間CO2濃度顯著降低.其中花鈴期加氣較其他生育期加氣光合特性提高最顯著,凈光合速率顯著增加22.68%,蒸騰速率顯著增加41.19%,氣孔導(dǎo)度顯著增加33.42%,胞間CO2濃度顯著降低16.22%,苗期次之,蕾期增效最低.

2) 苗期加氣、蕾期加氣和花鈴期加氣對(duì)棉花莖、葉、蕾/鈴均有顯著影響.花鈴期加氣灌溉使西北旱區(qū)棉花地上部莖、葉、蕾/鈴干物質(zhì)累積量分別顯著增加29.26%,11.15%和33.41%.

3) 不同生長階段加氣灌溉對(duì)籽棉產(chǎn)量具有極顯著影響,其中處理AF的產(chǎn)量較CK提高最多,WUE也最高,為1.51 kg/m3,顯著高于AW,且其對(duì)棉花品質(zhì)的提升效果最明顯.結(jié)果表明花鈴期是棉花最適宜加氣的時(shí)期.