土壤深层水和施肥深度对棉花生长发育及水分利用效率的影响

王远远，乔 露，陈宗奎，马 卉，夏 军，高宏云，罗宏海

(石河子大学 农学院/新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003)

明确不同水肥管理方式对棉花生长发育和生物量积累及水分利用效率的影响，以期为干旱区棉花高产高效栽培提供科学依据。在干旱半干旱地区，水资源短缺是限制农业可持续发展的重要生态因子[1]。干旱区棉田中约有40%以上得不到及时灌水，每年因缺水造成的损失约占总产量的10%～15%[2-3]，肥料的投入大而利用率低更加重资源的浪费[4]。因此，制定合理的水肥供应方案是提高干旱区水分利用率并获得高产的有效途径[5-6]。

前人对增加水肥利用效率的水肥管理策略进行大量研究，表明常规施肥下生育期适量水分调亏能提高水肥利用效率[7-8]，促进生殖生长，促进光合产物的运转与分配，提高经济产量并改善部分品质指标[8-10]；或者适当降低生育期水分无效消耗(例如减少非关键生育期供水量)，协调棉株生育后期生殖器官和营养器官的生长发育，并且改善株型[10-11]，可增加产量并提高水分利用效率。另外，许多研究也表明，增加土壤水肥可用性，可降低水肥供应量，并能增加单位水肥的生产能力，最为显著的是通过水肥空间组合方式，提高作物产量和水肥利用效率[12-15]，例如，在灌水量一致情况下，通过交替灌溉方式，可提高玉米的光合产物运转速率、干物质累积和灌溉水利用效率[16]；整层施肥与整层供水或浅层供水耦合，可增加小麦生长后期旗叶的净光合速率、蒸腾速率、产量和水分利用效率[17]；在土壤有深层储水(播前灌溉)的基础上，能提高水分利用效率以及干物质向生殖器官积累[17-18]；土壤上层干旱下层湿润条件下，磷肥浅施使水分利用效率提高2.37%～19.13%，显著增加小麦籽粒产量[19]。

合理的水肥空间组合方式可以增加土壤水肥可用性，减少水肥供应量，增加产量和水肥利用效率。但是变动土壤剖面水肥分布的耦合方式多见于玉米、小麦等作物(须根系作物)，土壤深层水(播前灌溉)配合基肥施用深度对棉花(直根系作物)水分利用等的影响研究相对较少。因此，本试验在前期研究的基础上，通过土壤深层水与基肥施用深度，变动土壤剖面的水肥分布，明确不同空间层次水肥分布对棉花生长发育和物质生产的影响，探索增加棉花产量和水分利用效率的可能途径与技术措施。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015-2016年在石河子大学农学试验站(86°03′E，45°19′N)进行。施肥前取土样(0～120 cm土层)混匀测定基础肥力。土壤质地为中壤土，pH为7.6，有机质12.5 g·kg-1，全氮1.45 g·kg-1，碱解氮54.9 mg·kg-1，速效磷0.23 g·kg-1，速效钾149 g·kg-1。

1.2 试验设计

采用双因素随机区组试验设计，共4个处理，每个处理6个重复，每个重复4个土柱。其中水分处理设2个：有土壤深层水(W80)和无土壤深层水(W0)；施肥处理设2个：基肥表施(F10)和基肥深施(F30)。其中W80处理是播种前在距土柱上部80～120 cm的土层灌水0.28 m3(田间持水量为85%左右)；W0处理是播种前整个土柱内不浇水。F10处理是在距土柱上部0～10 cm施入氮、磷和钾肥；F30处理则是在距土柱上部30～40 cm施入氮、磷和钾肥。磷钾肥全部基施，氮肥基施∶追施=3∶7。全生育期每个土柱总计施入尿素[w(N)= 46%]20 g，其中基施6 g、追施14 g；KH2PO4[w(P2O5)=52%，w(K2O)=35%)]按每千克干土施入0.15 g P2O5和0.22 g K2O，合计28 g，全部基施，其他田间管理措施同高产棉田。

供试棉花品种为‘新陆早45号’，种植在硬质PVC管(管壁厚0.01 m，直径0.3 m，高度0.2 m)的土柱中(每6个PVC管纵向用防水胶带固定为总高度1.2 m的整体)。播种前将整个根管放置于事先按尺寸挖好的高120 cm、宽35 cm的方型土坑中，土坑中先平铺1层直径约3～8 cm的石子，再在其上铺2层尼龙网(100目)。土壤选自石河子大学试验站，风干后过50目筛，再装入土柱(装入土壤必须均实，且装入高度为0.1～1.2 m)。每个土柱播4粒种子，播种深度为3 cm，同一土柱内种子间相距0.1 m，相邻土柱相邻种子间相距0.2 m。土柱顶部覆盖地膜，在膜下布置滴灌带，采用水表和球阀控制滴水量。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生育时期和农艺性状 每个处理选择3个土柱的棉花(12株)，定点定株每隔5 d记录生育期的变化。农艺性状每隔7 d测定1次，主要调查株高(从子叶节至主茎最高点)，主茎叶片数(平展叶)、果枝、蕾、花和铃的数目。单株蕾铃脱落率参照李雨等[20]的计算方法：

单株蕾铃脱落数=果节数-棉蕾数-幼铃数-成铃数；脱落率(%)=单株蕾铃脱落数/果节数。

1.3.2 干物质累积与叶面积 叶面积在棉花盛蕾期(出苗后36 d)开始取样，以后每15 d取样1次，至吐絮期(出苗后97 d)结束，共5次。每处理选取12株采用叶面积仪(Li-3000，USA)测定每株叶面积(cm2)。干物质在吐絮期(出苗后96 d)测定，每处理选取12株，分成茎、叶、蕾、铃、铃壳和籽棉等，然后 105 ℃杀青 0.5 h，85 ℃下烘干至恒量后称质量。

1.3.3 水分利用效率 土壤耗水量和单株水分利用效率参照Luo等[21]的方法，计算公式如下：

土壤耗水量=整个生育期总供应水(cm3)-棉株收获后土壤蓄水(cm3)；

总水分利用效率(g·cm-3)=棉株总干物质量(g)/耗水量(cm3)；

营养器官水分利用效率(g·cm-3)=茎叶总干物质量(g)/耗水量(cm3)；

生殖器官水分利用效率(g·cm-3)=蕾铃总干物质量(g)/耗水量(cm3)。

1.4 数据统计及分析

采用SPSS 16.0软件统计分析数据，采用邓肯氏新复极差检验法(Duncan’s)进行显著性分析，Sigmaplot 10.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理下棉花生育时期和生育进程变化

从表1可以看出，不同处理对棉花生育进程的影响差异显著。与W0处理相比，W80处理的苗期缩短5～8 d，蕾期和铃期分别延长2～7 d和4～8 d，但花期无显著差异，全生育期延长5～7 d；W0条件下，与F30处理相比，F10处理的苗期和蕾期分别延长3 d和2 d，铃期缩短2 d；W80条件下，F10处理蕾期比F30处理延长3 d，铃期延长1～2 d。说明有土壤深层水条件下基肥浅施延长蕾、铃期。

表1 不同处理下棉花的生育时期和生育进程(2015)Table 1 The cotton growing stages and process under different treatments(2015)

2.2 不同处理下棉花生长参数变化

从表2可以看出，W80处理的蕾数、果枝数、花数和铃数分别比W0高6.5%、33.7%、12.0%和24.3%，主茎叶片数、脱蕾率和脱铃率分别比W0低11.94%、9.58%和241.43%；W80条件下，F10处理的花数比F30低3.63%，而蕾数、果枝数、铃数和脱蕾率高13.1%、19.0%、9.1%和28.13%，主茎叶片数和铃脱落率无显著差异；W0条件下，F30处理的花数、铃数和主茎叶数分别比F10处理高8.33%、11.43%和8.33%，而蕾数和脱蕾率低12.66%和35.29%，果枝数和脱铃率无显著差异。

表2 不同处理下单株棉花生长发育的相关指标(2015)Table 2 The cotton growth parameters under different treatments(2015)

由图1可知，在整个生育期内，W80处理的叶面积比W0高12.2%～49.2%。在W0条件下，叶面积最大值出现在69 d之后，F10处理的叶面积比F30高2.5%～23.6%。W80条件下，叶面积最大值出现在84 d之后，F10处理的叶面积比F30高4.3%～24.9%，说明有土壤深层水、基肥浅施能增加叶面积、果枝数和铃数。

2.3 不同处理下棉花生物量与水分利用效率变化

从表3可以看出，W80处理的茎叶、蕾铃、总干物质积累量分别比W0高31.3%～44.6%、38.2%～48.2%和22.4%～30.1%。在W0条件下，F10处理的茎叶、蕾铃和总干物质量分别比F30高21.0%～22.0%、32.8%～35.6%和14.4%～16.1%；W80条件下，F10处理的茎叶和总干物质量分别比F30高11.2%和2.0%～13.9%。说明有土壤深层水条件下，基肥浅施有利于增加棉花地上部干物质的积累量。

从表4可以看出，W80处理的水分消耗量比W0高2.3%～5.2%，而水分消耗率低3.7%～22.9%；茎叶、蕾铃和总水分利用效率分别比W0高30.7%～40.7%、34.6%～52.6%和16.4%～27.2%。在W0条件下，F30处理的水分消耗量和水分消耗率分别比F10处理高8.5%～11.4%和9.2%～11.3%，F10处理的茎叶、蕾铃和总水分利用效率分别比F30高25.0%～36.8%、36.4%～53.3%和23.9%～90.5%；W80条件下，F30处理的水分消耗量、水分消耗率分别比F10高1.5%～6%和19.6%，F10处理的茎叶、蕾铃和总水分利用效率分别比F30高10.7%～11.1%、18.8%～32.0%和11.3%～15.2%。说明有土壤深层水能增加水分消耗量，提高水分利用效率(包括营养器官、生殖器官和总水分利用效率)；无论有无土壤深层水，基肥浅施都有利于提高水分利用效率。

图1 不同处理的单叶面积(2015-2016)Fig.1 Change of per cotton leaf area under different treatments(2015-2016)

表3 不同处理棉花干物质的积累量Table 3 Cotton dry matter accumulation under different treatments(2015-2016) g

表4 不同处理棉花的耗水量和水分利用效率Table 4 Water consumption and water use efficiency of cotton under different treatments(2015-2016)

3 讨论与结论

生育期决定作物品种的种植季节和区域，是重要的农艺性状之一，作物生育进程容易被水肥用量、灌溉方式[22-23]、不同施肥期和不同施肥种类[24]等影响。同时，棉花株型相关指标是棉株生长发育状况的首要指标，直接影响着棉花的种植密度及光能利用率，进而影响干物质的积累以及最终产量。本研究结果表明，在土壤深层水条件下，基肥浅施处理提升叶片总叶面积，并提高棉株的蕾铃数，降低脱蕾率，明显延长棉花的生育期，且主要延长蕾、铃期，可能原因是土壤深层储水诱导根系向土壤深层(60 cm 以下)生长[25]，而基肥浅施促进表层(0～30 cm)根系生长发育和分配比例[18,26]，因此，棉花能够充分拦截灌溉水肥和利用土壤深层储备水，促进地上部生长，增加光合面积，促进光合产物向生殖器官的积累，水肥的充足供应，更降低蕾铃的生理脱落，另外，合理的水肥供应方式可以延长地上部干物质的快速积累期(花铃期)[25,27]；刘洪光[22]、李杰等[28]和杨利勇等[29]的研究表明，合理的水肥管理可延长干物质形成的关键期(花铃期)，与本研究结果一致。

李凤民等[30]和刘庚山等[26]研究发现，充足的土壤深层水增加作物深层根系的觅水空间，提高土壤水分利用效率，使有限的土壤储水发挥更大的增产作用；罗宏海等[31]研究表明，土壤深层水有利于促进地上部生长，提高水分利用效率。本研究结果也表明，有土壤深层水，基肥浅施处理的生物量累积和水分利用效率显著高于其他处理。可能的原因是，合理的水肥供应有利于促进和维持有效根系特征和高的生理活性(硝酸还原酶、根系活力、激素含量(ABA)[32]，确保根系对可利用水肥的吸收，避免植株对水肥的无效消耗，另外也保持生育期中期和后期较高的光合能力和光合效率，增加地上部生殖器官和营养器官干物质的积累和形成，因而增加水肥的生产能力，进而引起整个生育期高的生殖器官和营养器官水肥利用效率[33]。许多研究[34-37]表明，不同水肥供应方式可以影响不同器官生长发育和干物质的积累与形成，进而提高作物的水肥利用效率。氮肥、磷肥或氮磷肥混合表施[28]和充足的土壤深层水[26,30]增加作物的觅水空间，提高地上部干物质的积累。

因此，充足的土壤深层水配合基肥浅施能提高叶片总叶面积、棉株的蕾铃数，并降低脱蕾率，延长棉花关键生育期(蕾期和铃期)；通过协调水分消耗和干物质在地上部分器官间积累的关系，增加生殖器官和营养器官的生物量，最终提高营养器官和生殖器官的水分利用效率。

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