水氮调控对轻度盐化土滴灌棉花生理特性与产量的影响

王振华 朱延凯 张金珠 李文昊 扁青永

(1.石河子大学水利建筑工程学院， 石河子 832000； 2.石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室， 石河子 832000)

0 引言

棉花是世界上最主要的天然纺织纤维原料，也是世界范围内大宗国际贸易的特殊商品，棉花产业的健康发展意义重大[1]。西北内陆是我国三大主产棉区之一，其面积占全国的35%，总产量占全国的41%，保持我国棉花生产的稳定发展对农村经济稳定具有重要意义[2]。20世纪80年代以来，我国新增耕地的重心逐渐从东北向西北转移，而西北耕地开垦中心转向了西北绿洲农业区。因此，新疆已成为我国的粮食安全后备基地及粮棉生产基地[3]。新疆地处西北内陆干旱区，土壤盐渍化问题严重，新疆第二次土壤普查数据表明，新疆耕地总面积为4.09×106hm2，盐渍化耕地面积1.27×106hm2，占耕地总面积的31.10%，轻度盐渍化占耕地面积的22.32%，中重度盐渍化占耕地面积的8.78%[4]。土壤盐渍化严重降低了农业生产力水平，并对新疆的粮食产量及农业安全构成了严重威胁[5]。棉花耐盐性较强，是开发利用盐碱地的先锋作物。利用棉花耐盐性强的特点发展盐碱地植棉，一直备受政府的高度重视[6]。因此，在淡水资源短缺及粮棉争地形势更加严峻的情况下，发展和研究盐碱地植棉技术成为保证棉花生产可持续发展的重要措施[7]。

盐渍化地区农业生产的关键是水、肥的合理配合，研究水肥之间的相互关系，可对盐胁迫条件下如何提高水肥利用效率及作物产量进行科学指导[8]。氮素是核酸和蛋白质的重要组成部分，施氮可以显著调控棉花产量的形成[9]。合理的水氮投入不仅可以提高水氮利用效率和产量，也可起到节水调质的作用[10]。过量的灌水和施氮不仅造成水肥资源的浪费，还容易导致土壤盐渍化进而使产量及品质下降[11]。现代农业的关注点是水氮之间的耦合效应，氮素和水分是膜下滴灌棉花获得高产及光合作用的主要限制因子[12]。近年来，国内外学者对作物的水氮高效利用进行了大量研究。范雪梅等[13]研究表明，在干旱胁迫条件下，施用氮肥可以提高作物的光合作用，同时可降低水分胁迫对作物造成的不利影响；MORGAN[14]认为，施氮降低了干旱胁迫下作物的RUBP羧化酶活性和叶片净光合速率；马冬云等[15]认为，在正常供水条件下，适量增施氮肥可提高叶绿素荧光动力学参数Fv/Fm和Fv/F0；刘瑞显等[16]发现，在干旱胁迫下过量施氮加重了棉花受旱程度，并降低了PSⅡ量子产量、PSⅡ最大光化学效率等；SINGH等[17]研究显示，当灌水量在(0.8～1.0) ETc(棉花蒸腾蒸发量)时，棉花产量随施氮量的增加而增大，最大适宜施氮量为200 kg/hm2；谢志良等[18]发现，水分亏缺减弱了氮素的增产效果；胡顺军等[19]研究表明，水肥之间具有协同作用，且水的效力高于肥的效力。

长期以来，新疆棉花水氮调控研究主要集中在非盐化土上，而对于绿洲区盐化土棉田水氮调控效应的研究少见报道，且盐胁迫下水氮调控机理更加复杂。因此，本文通过桶栽对照试验，研究不同水氮调控组合对轻度盐化土棉花生理特性及产量品质的影响，寻求盐渍化灌区水氮高效利用模式，以期探明新疆绿洲区盐渍化棉田需水需肥规律，为新疆盐渍化地区植棉技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年4—10月在现代节水灌溉兵团重点实验室试验基地暨石河子大学节水灌溉试验站进行。试验站位于石河子市西郊石河子大学试验场二连，85°59′47″E，44°19′28″N，海拔412 m，平均地面坡度为0.6%，地下水埋深在5 m以下。年均日照时间为2 865 h，多年平均降雨量为198 mm，平均蒸发量为1 340 mm，大于10℃积温为3 463.5℃，大于15℃积温为2 960.0℃，无霜期170 d。年平均风速为1.5 m/s。

1.2 试验方法

本试验以棉花品种“农丰133”为研究对象，采用桶栽试验，规格为45 cm×50 cm(内径×高)，桶底开孔，供试土壤预先盐处理，采用重盐碱土与中壤土按比例掺合，自然晾干碾碎去石块混合均匀后，按容重1.40 g/cm3分层装土45 cm。进行滴灌条件下水氮盐三因素(水氮3水平、盐分1水平)桶栽试验,棉花播种深度为3～4 cm。

设尿素3个水平：300、600、900 kg/hm2(分别标记为N1、N2、N3);灌水3个水平：灌溉定额分别为2 750、3 750、4 750 m3/hm2(分别标记为W1、W2、W3)；1种土壤含盐水平：轻度盐化土(4～5 g/kg)。3次重复，采用随机排列，共27个桶。全生育期灌溉次数为12次，灌水定额、灌溉次数结合郑旭荣等[20]前期对滴灌棉花灌水制度研究制定。氮肥施量定额结合吴立峰等[21]对滴灌棉花不同施肥水平研究定制，并参阅石河子及周边农场近年滴灌棉花灌溉、施肥水平实际定额制定。土壤含盐水平根据耕地土壤盐化程度分级标准制定[22]。磷肥、钾肥以磷酸二氢钾作基肥一次施入，各处理均为300 kg/hm2。每个桶单独控制灌水，采用医用输液管模拟滴头，可保证每个桶精确控制灌水量与施肥量，灌水滴头流量1.8 L/h左右。各生育期具体灌水、施肥处理详见表1。

1.3 测试项目与方法

1.3.1光合指标

使用美国产CI-340型手持光合测量仪在棉花盛花期(7月7日)、盛铃期(8月1日)、吐絮期(9月12日)测定其功能叶(倒四叶)光合特性，并对测定的叶子做好标记。测定项目包括棉花蒸腾速率(Tr)、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、细胞间CO2浓度(Ci)光合生理指标。选取棉花功能叶在每个生育期晴朗无云的一天，从08:00时开始测量至18:00结束，时间间隔为2 h，各处理连续测量3株，试验数据为全天测定的平均值。

1.3.2荧光指标

采用PAM2500型荧光仪及2030B型光适应叶夹(Walz，Germany)测量叶片的叶绿素荧光参数，荧光参数的测定与气体交换参数同时进行，各处理所测叶片与测定气体交换参数时的叶片相同。在凌晨太阳未升起前测量叶片最大荧光产量(Fm)及叶片初始荧光产量(F0)。先测定初始荧光产量(F0)和最大荧光产量(Fm)，在测量叶绿素荧光参数之前，手动输入对应叶片的Fm和F0。随后以自然光为光化光，打开饱和脉冲进行猝灭分析，测定任意时间段的实际荧光产量(F′)及光适应下的最大荧光产量(F′m)，计算最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/F0)、光化学猝灭系数(qp)、非光化学猝灭系数(NPQ)、实际光化学效率(Y(Ⅱ))及表观电子传递速率(ETR)。各荧光参数计算公式参照ROHEK的方法[23]，即

Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm

(1)

Fv/F0=(Fm-F0)/F0

(2)

qp=(F′m-F′)/(F′m-F′0)

(3)

FNPQ=Fm/F′m-1

(4)

FY(Ⅱ)=(F′m-F′)/F′m

(5)

FETR=FPARFY(Ⅱ)×0.84×0.5

(6)

式中Fv——可变荧光产量

FNPQ——非光化学猝灭系数

FY(Ⅱ)——实际光化学效率

FETR——表观电子传递速率，μmol/(m2·s)

FPAR——光合有效辐射，μmol/(m2·s)

F′0——光适应下的最小荧光产量

1.3.3产量与棉纤维品质指标

分别于8月25日、9月10日和9月28日分3次采摘吐絮较好的棉花，每个处理选取棉样20 g，委托农业部棉花质量检测中心(乌鲁木齐)测定棉纤维马克隆值、纤维长度、整齐度指数、断裂比强度及伸长率，使用HVI 1000M 700型棉花纤维检测仪进行检测，采用HVICC进行校准。各处理棉花实行单打单收，以实收产量计算籽棉产量。

1.3.4水、肥利用效率

灌溉水利用效率(iWUE)计算公式[24]为

iWUE=Y/I

(7)

式中Y——籽棉产量，kg/hm2

I——灌水量，m3/hm2

氮肥偏生产力(NPFP)计算公式[25]为

NPFP=Y/N

(8)

式中N——施氮量，kg/hm2

2 结果与分析

2.1 盐胁迫水氮调控对棉花光合指标的影响

2.1.1盐胁迫水氮调控对棉花Pn及Tr的影响

轻度盐胁迫不同水氮调控条件下棉花各生育期净光合速率(Pn)变化规律及方差分析见表2。可知，滴灌棉花功能叶Pn在盛花期达到最大值，各处理平均值27.28 μmol/(m2·s)；盛铃期有所下降，各处理平均值为20.21 μmol/(m2·s)；吐絮期降到最低，各处理平均值12.32 μmol/(m2·s)，自盛花期至吐絮期各处理Pn呈现出逐渐降低的趋势。在W1和W2灌溉条件下，Pn均随着施氮量的增加先上升后下降，均在N2水平下达到最大值。在W3灌溉条件下，盛花期N3与N2比N1处理分别高14.19%和10.69%；在W1灌溉条件下，N2比N3和N1处理分别高19.3%和26.54%；在W2灌溉条件下，N2比N3和N1处理分别高23.48%和32.93%；各生育期W2N2处理的Pn值高于其他各处理，W2N2表现出明显的交互效应。方差分析显示：灌水及水氮交互作用对棉花各生育期Pn的影响达到极显著水平(P<0.01)，施肥达到显著水平(P<0.05)。说明，只有适宜的水氮配比才能达到“水肥相济”的效果。

表2 盐胁迫水氮调控对棉花Pn及Tr的影响Tab.2 Effects of salt stress and water and nitrogen regulation on Pn and Tr of cotton

注：*表示差异显著(P<0.05)，** 表示差异极显著(P<0.01)；同一列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

由表2可知，不同处理滴灌棉花蒸腾速率(Tr)与Pn变化趋势一致，均在盛花期达到最大值，各处理平均值5.27 mmol/(m2·s)，随生育期的推进呈现出下降趋势，至吐絮期达到最小值，各处理平均值3.27 mmol/(m2·s)，自盛花期至吐絮期各处理Tr平均降低37.95%。在W1和W2水平下，Tr随着施氮量的增加先升高后降低，盛花期N2比N1和N3处理分别高25.52%和5.4%；在W3水平下，Tr随着施氮量的增加而增加，均在N3处达到最大值。在W2水平下，盛花期N2比N1和N3处理分别高28.31%和10.53%；在W3水平下，盛花期N2和N3比N1处理分别高16.67%和26.10%。在N2水平下，W2处理的Tr高于W1和W3处理，W2N2处理具有显著的交互效应。其中，灌水及水氮交互处理对Tr影响极显著(P<0.01)，施肥对Tr影响显著(P<0.05)。结果表明，适宜的水氮供应可减少棉花叶片的脱落酸(ABA)含量，增加细胞分裂素、生长素等的含量，从而提高净光合速率和蒸腾速率。

2.1.2盐胁迫水氮调控对棉花Gs及Ci的影响

表3是不同水氮处理对棉花功能叶7月7日(盛花期)、8月1日(盛铃期)及9月12日(吐絮期)气孔导度(Gs)和细胞间CO2浓度(Ci)的影响。可以看出，气孔导度(Gs)随着生育期的推进逐渐减小，最大值出现在盛花期；细胞间CO2浓度(Ci)随着生育期的推进逐渐增大，吐絮期各处理平均值最大。其中，灌水对棉花各生育期功能叶Gs和Ci的影响达到极显著水平(P<0.01)，施氮对棉花各生育期Gs和Ci的影响达到显著水平(P<0.05)，水氮交互作用对棉花各生育期Gs和Ci的影响达到极显著水平(P<0.01)。

由表3可知，自盛花期至盛铃期各处理Gs平均减小30.27%，盛铃期至吐絮期各处理Gs平均降低37.98%。W1和W2水平下，Gs随着施氮量的增加先升高后降低。W3水平下，Gs随着施氮量的增加而增加，盛花期N3比N1和N2处理分别高1.12%和6.25%。在W1水平下，盛花期N2比N1和N3处理分别高2.67%和1.69%。在W2水平下，盛花期N2比N1和N3处理分别高12.97%和3.52%；而盛花期至盛铃期各处理Ci平均增加16.85%，盛铃期至吐絮期各处理Ci平均增加28.67%。W1和W2水平下，Ci随着施氮量的增加先降低后升高。W3水平下，Ci随着施氮量的增加而减小，盛花期N3比N1和N2处理分别低33.40%和10.53%。W1水平下，盛花期N2比N1和N3处理分别低21.53%和13.26%。W2水平下，盛花期N2比N1和N3处理分别低16.57%和2.63%。结果表明，合理的水氮用量可降低硝酸还原酶的活性，使叶片叶绿素含量增加、维管束鞘细胞的碳水化合物得到积累，进而增强棉花叶片的气体交换能力，最终使棉株的光合碳化能力得到提高。

表3 盐胁迫水氮调控对棉花Gs及Ci的影响Tab.3 Effects of salt stress and water and nitrogen regulation on Gs and Ci of cotton

2.2 盐胁迫水氮调控对棉花叶绿素荧光参数的影响

2.2.1盐胁迫水氮调控对棉花Fv/Fm及Fv/F0的影响

表4是不同水氮处理对棉花功能叶盛花期、盛铃期及吐絮期Fv/Fm和Fv/F0的影响。可知，Fv/Fm和Fv/F0均随着生育期的推进逐渐减小，至吐絮期达到最小值。其中，灌水对棉花各生育期功能叶Fv/Fm和Fv/F0的影响不显著(P>0.05)，施氮对棉花各生育期Fv/Fm和Fv/F0的影响达到极显著水平(P<0.01)，水氮交互作用对棉花各生育期Fv/Fm和Fv/F0的影响达到极显著水平(P<0.01)。

表4 盐胁迫水氮调控对棉花Fv/Fm及Fv/F0的影响Tab.4 Effects of salt stress and water and nitrogen regulation on Fv/Fm and Fv/F0 of cotton

Fv/Fm反映了棉株光系统Ⅱ的最大光合量子产量(表4)。由表4可知，滴灌棉花功能叶Fv/Fm在盛花期达到最大值，各处理平均值为0.82；盛铃期有所下降，各处理平均值为0.79；吐絮期降到最低，各处理平均值为0.76，自盛花期至吐絮期各处理Fv/Fm值呈现出逐渐降低的趋势。在同一灌溉水平下，棉花各生育期功能叶的Fv/Fm值随着施氮量的增加而增加，均在W3N3处取得最大值，W1N1处取得最小值。在W1水平下，盛花期N3比N1和N2处理分别高9.23%和1.57%；在W3水平下，盛花期N3比N1和N2处理分别高5.60%和0.47%。

Fv/F0反映了棉株光系统Ⅱ的原初光能转化效率(表4)。由表4可知，滴灌棉花功能叶Fv/F0在盛花期达到最大值，各处理平均值为4.01；盛铃期有所下降，各处理平均值为3.62；吐絮期降到最低，各处理平均值为3.11，自盛花期至吐絮期各处理Fv/F0值呈现出逐渐降低的趋势。在W1和W2水平下，棉花各生育期功能叶的Fv/F0值随着施氮量的增加先增加后减小，在W3水平下，棉花各生育期Fv/F0值随着施氮量的增加而增加，并在W3N3处达到最大值。在W1水平下，盛花期N2比N1和N3处理分别高25.93%和6.58%；W2水平下，盛花期N2比N1和N3处理分别高30.16%和3.95%；在W3水平下，盛花期N3比N1和N2处理分别高33.67%和7.66%。说明，合理的灌水、施氮量可增强棉花光合功能叶中RUBP羧化酶的活性，提高叶绿素荧光动力学参数Fv/Fm和Fv/F0，从而提高了棉株光合产物的积累量。

2.2.2盐胁迫水氮调控对棉花qp及NPQ的影响

表5是不同水氮处理对棉花功能叶盛花期、盛铃期及吐絮期qp和NPQ的影响。可知，qp随着生育期的推进逐渐减小，至吐絮期达到最小值。NPQ随着生育期的推进逐渐增大，至吐絮期达到最大值。其中，灌水对棉花盛花期、盛铃期功能叶qp的影响极显著(P<0.01)，施氮对棉花各生育期qp的影响达到显著水平(P<0.05)；灌水对棉花各生育期功能叶NPQ的影响极显著(P<0.01)，施氮对棉花各生育期NPQ无显著影响(P>0.05)，水氮交互作用对棉花各生育期qp和NPQ的影响达到极显著水平(P<0.01)。

表5 盐胁迫水氮调控对棉花qp及NPQ的影响Tab.5 Effects of salt stress and water and nitrogen regulation on qp and NPQ of cotton

qp代表了原初电子受体的QA的还原状态(表5)。由表5可知，滴灌棉花功能叶qp在盛花期达到最大值，各处理平均值为0.87；盛铃期有所下降，各处理平均值为0.74；吐絮期降到最低，各处理平均值为0.52，自盛花期至吐絮期各处理qp值呈现出逐渐降低的趋势。在各灌水水平下，棉花各生育期功能叶的qp值随着施氮量的增加先增加后减小。在W1水平下，盛花期N2比N1和N3处理分别高8.64%和5.85%；W2水平下，盛花期N2比N1和N3处理分别高4.86%和5.71%；在W3水平下，盛花期N2比N1和N3处理分别高3.92%和6.55%。

NPQ反映了植株光系统Ⅱ的热耗散情况，可表示植物受胁迫的程度。由表5可知，滴灌棉花功能叶NPQ值在盛花期最小，各处理平均值为0.81；盛铃期有所升高，各处理平均值为1.09；吐絮期达到最大值，各处理平均值为1.42，自盛花期至吐絮期各处理NPQ值呈现出逐渐升高的趋势。在W1水平下，棉花各生育期功能叶的NPQ值随着施氮量的增加先减小后增加。在W2和W3水平，NPQ值随着施氮量的增加逐渐减小。在W1水平下，盛花期N2比N1和N3处理分别低7.98%和27.46%；W2水平下，盛花期N1比N2和N3处理分别高30.88%和67.65%；在W3水平下，盛花期N1比N2和N3处理分别高14.29%和31.26%。结果表明，合理的灌水、施氮可提高PSⅡ反应中心光化学淬灭系数及光化学活性，从而提高了植株的光合能力。

2.2.3盐胁迫水氮调控对棉花Y(Ⅱ)及ETR的影响

表6是不同水氮处理对棉花功能叶盛花期、盛铃期及吐絮期Y(Ⅱ)和ETR的影响。可知，Y(Ⅱ)和ETR均随着生育期的推进逐渐减小，至吐絮期达到最小值。其中，灌水对棉花盛花期、盛铃期功能叶Y(Ⅱ)和ETR的影响显著(P<0.05)，对棉花吐絮期Y(Ⅱ)和ETR的影响极显著(P<0.01)；施氮对棉花盛花期Y(Ⅱ)和ETR的影响达到极显著水平(P<0.01)，施氮对棉花盛铃期和吐絮期Y(Ⅱ)和ETR的影响显著(P<0.05)；水氮交互作用均对棉花各生育期Y(Ⅱ)和ETR的影响达到极显著水平(P<0.01)。

表6 盐胁迫水氮调控对棉花Y(Ⅱ)及ETR的影响Tab.6 Effects of salt stress and water and nitrogen regulation on Y(Ⅱ) and ETR of cotton

Y(Ⅱ)和ETR分别代表了植株光系统Ⅱ的实际光合量子产量、相对电子传递速率(表6)。由表6可知，滴灌棉花功能叶Y(Ⅱ)在盛花期达到最大值，各处理平均值为0.69；盛铃期有所下降，各处理平均值为0.49；吐絮期降到最低，各处理平均值为0.44，自盛花期至吐絮期各处理Y(Ⅱ)值呈现出逐渐降低的趋势。在W1水平下，盛花期N2比N1和N3处理分别高11.46%和0.44%；W2水平下，盛花期N2比N1和N3处理分别高8.37%和2.40%；在W3水平下，盛花期N3比N1和N2处理分别高9.92%和0.83%。ETR变化趋势与Y(Ⅱ)相似：在盛花期取得最大值，随着生育进程逐渐降低，在吐絮期降到最小值。且在W1和W2水平下，棉花各生育期ETR均随着施氮量的增加呈先增高后降低的趋势。在W3水平下，各生育期ETR均随着施氮量的增加而增加。说明，合理的水氮用量可能增强了棉花叶片的抗氧化能力，使膜脂氧化速度减慢，进而提高了植株的光能利用率，使其光合电子能力得到提高、光合能力增强。

2.3 盐胁迫水氮调控对棉花产量及品质的影响

2.3.1盐胁迫水氮调控对棉花产量及水、肥利用效率的影响

表7是不同水氮处理对棉花籽棉产量(Y)、灌溉水利用效率(iWUE)、氮肥偏生产力(NPFP)及增产效应(Ei)的影响。可知，灌水对Y及iWUE的影响极显著(P<0.01)，对NPFP影响显著(P<0.05)；施氮对Y的影响达到显著水平(P<0.05)、对NPFP的影响达到极显著水平(P<0.01)，但对iWUE无显著影响(P>0.05)；水氮交互作用对Y、iWUE及NPFP的影响达到极显著水平(P<0.01)。

表7 盐胁迫水氮调控对棉花产量及水肥利用效率的影响Tab.7 Effects of salt stress and water and nitrogen regulation on cotton yield and utilization efficiency of water and fertilizer

由表7可知，在W1水平下，Y、iWUE均随着施氮量的增加而增加；在W2和W3水平下，Y、iWUE均随着施氮量的增加呈先升高后降低的趋势。其中，籽棉产量(Y)最大值出现在W2N2处理，为5 854.5 kg/hm2；最小值出现在W1N1处理，为3 483.75 kg/hm2，相对增加68.05%。说明，适宜的水氮条件才能使棉花产量、灌溉水利用效率达到最优。在同一灌水水平下，NPFP随着施氮量的增加逐渐减小。且在N1水平出现最大值，N3水平出现最小值；最大值出现在W3N1处理，为34.88 kg/kg；最小值出现在W1N3处理，为10.61 kg/kg。在不同水氮处理下，增产效应(Ei)表现出先增加后减小的趋势，最大值出现在W2N2处理。这可能是由于适宜的水氮用量提高了棉花叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)等的活性，使膜脂过氧化程度降低、细胞膜的稳定性增强，减缓了植株的衰老速度，提高了棉株单铃质量，进而提高了棉花产量。

2.3.2盐胁迫水氮调控对棉花纤维品质的影响

表8是不同水氮处理对棉花纤维品质(马克隆值、纤维长度、整齐度指数、断裂比强度、伸长率)的影响。可知，灌水对马克隆值及纤维长度的影响极显著(P<0.01)，对整齐度指数、断裂比强度及伸长率无显著影响(P>0.05)；施氮对马克隆值的影响达到显著水平(P<0.05)，但对纤维长度、整齐度指数、断裂比强度及伸长率无显著影响(P>0.05)；水氮交互作用对马克隆值的影响达到极显著水平(P<0.01)，对其他指标则无显著影响(P>0.05)。

表8 盐胁迫水氮调控对棉花纤维品质的影响Tab.8 Effects of salt stress and water and nitrogen regulation on fiber quality of cotton

由表8可知，大体上，马克隆值随着灌水量的增加而降低。在相同灌水处理下，各处理的马克隆值均随着施氮量的增加逐渐增加，但不存在显著差异。表明，影响马克隆值的主要因素是水分，次要因素为氮肥。在相同灌水处理下，纤维长度大体上随着施氮量的增加呈现出先升高后降低的趋势，但N2和N3水平不存在差异性；在同一氮肥水平下，纤维长度大体随着灌水量的增加而增加。不同水氮处理对整齐度指数、断裂比强度及伸长率基本无影响。灌水处理对马克隆值及纤维长度影响较大，氮肥只对马克隆值具有显著影响，且最优值均为W2N2处理。可能的原因是，水氮用量过多或过少均会使植株碳氮代谢过程受阻，导致棉株出现早衰或贪青晚熟现象，致使棉纤维品质降低。因此，只有适宜的水氮用量才会使纤维品质达到最优。

2.4 盐胁迫条件下绿洲区棉田最佳灌水、施氮量分析

2.4.1水氮调控与产量、净光合速率、Fv/Fm、马克隆值的关系

如表9所示，以水氮投入为自变量，以棉花产量、净光合速率、Fv/Fm、马克隆值为因变量，分别建立了二元二次回归方程。所建立的回归方程均在95%置信区间，水氮投入对各因变量的影响均达到极显著水平(P<0.01)，决定系数均在0.86以上。图1a反映了灌水量与施氮量对棉花产量的耦合效应为开口向下的正凸曲面，且水氮量对产量的影响大体一致，呈现先增加后减少的趋势，当灌水量为3 895 m3/hm2、施氮量为720 kg/hm2,产量达到最大值5 691 kg/hm2；由图1b可以看出，灌水量与施氮量对棉花叶片净光合速率耦合效应同产量一样，呈现开口向下的正凸曲面，当灌水量为3 760 m3/hm2、施氮量为745 kg/hm2,净光合速率达到最大值25.35 μmol/(m2·s)； 图1c反映了灌水量与施氮量对叶片Fv/Fm的耦合效应，整体上Fv/Fm随灌水量、施肥量的增加而增加，当灌水量为4 680 m3/hm2、施氮量为840 kg/hm2,荧光达到最大值0.84；图1d是灌水量与施氮量对马克隆值的耦合效应，品质随灌水量的增加呈现先增加后减少的趋势，随施肥量的增加而增加，当灌水量为3 981 m3/hm2、施氮量为871 kg/hm2,马克隆值达到最大值5.47。

表9 盐胁迫水氮用量与产量、净光合速率、Fv/Fm及马克隆值间的回归关系Tab.9 Regression relationship between amount of water and nitrogen in salt stress and yield, net photosynthetic rate, Fv/Fm and Micronaire value

图1 水氮处理对盐胁迫棉花产量、净光合速率、Fv/Fm及马克隆值的影响Fig.1 Effects of water and nitrogen treatment on yield, net photosynthetic rate, Fv/Fm and micronutrient values of salt stress

2.4.2水氮调控与相对产量、相对净光合速率、相对荧光参数(Fv/Fm)及相对马克隆值的关系

由于棉花产量、净光合速率、Fv/Fm、马克隆值难以同时达到最大值，且具有不同的量纲，不能直接比较，因此将棉花产量、净光合速率、Fv/Fm、马克隆值进行标准化处理，即各处理棉花产量、净光合速率、荧光指标、品质指标分别除以其最大值，可以得到水氮投入与相对产量、相对净光合速率、相对荧光指标和相对品质指标的关系。

图2 水氮处理与盐胁迫棉花相对产量、相对净光合速率、相对Fv/Fm及相对马克隆值的关系Fig.2 Relationship between relative yield, relative net photosynthetic rate, relative Fv/Fm and relative micronutrients of salt stress treated by water and nitrogen treatment

对棉花相对产量、相对净光合速率(Pn)、相对荧光参数(Fv/Fm)和相对品质指标(马克隆值)进行评价。由图2可以看出，各指标在相对值0.9可接受区域时相对产量、相对净光合速率、相对马克隆值有重合区域，而荧光区域相差太远；在相对值0.8可接受区域时棉花各指标有重叠区域，因此大于等于相对值0.8区域定为合理的可接受范围。

由图2可知，本研究参考了相关学者的参数估计中所用的似然函数组合方法[26]，分别记为加法组合方式C1、乘法组合方式C2和均方根组合方式C3，同时对棉花产量、净光合速率、荧光、马克隆值同时达到相对值0.8以上的区域用3种组合方式进行计算，取相对C1、C2、C3组合平均参数为最佳水肥量，通过计算得出最佳灌水施肥量为3 740 m3/hm2和754 kg/hm2。

3 讨论

光合作用是棉花生长发育及品质、产量形成的基础，灌水、施肥均会对植物光合产生重要影响[27]，而叶绿素荧光分析可反映环境胁迫下植物PSⅡ功能的变化[28]。研究不同水氮处理下盐渍化土壤上棉花生理生长特性及其机理，对寻求盐渍化地区棉花种植所需的合理水氮配比及盐碱地的改良具有现实意义。

光合作用是植物利用太阳能将大气中的水和二氧化碳等无机物转化成有机物并释放氧气的过程，植物会自动适应周围环境并朝着有利于光合作用的方向发展[29]。未来作物产量提高的方式将主要依靠光合作用转化度的提高[30]。本研究表明，在W1和W2灌溉条件下，Pn、Tr及Gs均随着施氮量的增加先上升后下降，而Ci随着施氮量的增加先降低后升高。在W3灌溉水平下，Pn、Tr及Gs均随着施氮量的增加而增加，Ci随着施氮量的增加而减小；在W2灌溉条件下，各生育期N2处理的Pn和Tr均高于N1和N3处理。说明施氮过高或过低均不利于棉花的光合作用，只有适宜的施氮量才能使光合达到最高的转化效率，且生育期光合作用呈现出明显的非气孔限制因素，这与权丽双等[31]的研究结论一致。水分胁迫影响了植物的正常光合作用，降低了棉花的Pn和Tr[32]。本研究得出，在N2水平下，W2处理的棉花Pn和Tr显著高于W1和W3处理。表明灌水量过高或过低均会降低植株的Pn和Tr，只有适宜的灌水量才能达到较好的光合效应。

适宜的灌水施氮改善了植株的光合性能，并可提高棉花叶片的PSⅡ总光化学量子产量、最大光化学效率及光能的利用效率[33]，Fv/Fm和Fv/F0的变化可作为判断植物是否受光抑制的指标[34]。本试验得出，在同一灌溉水平下，棉花各生育期功能叶的Fv/Fm值随着施氮量的增加而增加，均在W3N3处取得最大值，W1N1处取得最小值。表明增施氮肥可以提高Fv/Fm值，这可能是因为氮的供应缓解了水分胁迫引起的光抑制和光损伤[35]；在W1和W2水平下，棉花各生育期功能叶的Fv/F0值随着施氮量的增加先增加后减小，在W3水平下，棉花各生育期Fv/F0值随着施氮量的增加而增加，说明合理的水氮供应可显著提高PSⅡ反应中心光能转化效率[36]。qp表示PSⅡ反应中心的开放程度[23]，NPQ是衡量PSⅡ反应中心非辐射能量耗散的指标[37]。本试验表明，在各灌水水平下，棉花各生育期功能叶的qp值随着施氮量的增加先增加后减小；在W2和W3水平，NPQ值随着施氮量的增加逐渐减小；ETR变化趋势与Y(Ⅱ)相似：在W1和W2水平下，棉花各生育期ETR均随着施氮量的增加呈先升高后降低的趋势。在W3水平下，各生育期ETR均随着施氮量的增加而增加。说明合理的灌水施氮可以增强光能利用率，并提高光合电子传递能力[16]。

水肥的田间管理是农业生产中的一个重要问题，当两者关系达到最优时才可能实现低投入、高品质和高产出的目标[38]，且不同灌水量所对应的最佳施氮量之间存在一定差别[17]。王振华等[39]研究表明，合理的增水增氮可以增加植株内氮素的有效累积，促进油葵对氮素利用吸收，进而达到高产的目的。本试验研究结果与以上相似：在W1水平下，Y、iWUE均随着施氮量的增加而增加；在W2和W3水平下，Y、iWUE均随着施氮量的增加呈先升高后降低的趋势。其中，Y最大值出现在W2N2处理，为5 854.5 kg/hm2。在同一灌水水平下，NPFP随着施氮量的增加逐渐减小，这与AUJLA等[40]的研究结果一致。棉花纤维品质是其主要的目标性状，马克隆值、断裂比强度及纤维长度等是评价其品质的重要指标[41]，本试验得出，大体上，马克隆值随着灌水量的增加而降低，纤维长度大体随着灌水量的增加而增加，这与李勇等[25]的研究结论相同。

对水氮投入量和棉花产量、净光合速率、Fv/Fm、马克隆值，分别建立了二元二次回归方程，并参考似然函数组合方法，得出最佳灌水施氮量为3 740 m3/hm2和754 kg/hm2。这一灌水施肥量为盐渍地区棉田水肥管理提供理论支撑，此优化方法可准确量化所求目标的最优值[26]。

4 结论

(1)轻度盐胁迫不同水氮调控条件下，灌水量和水氮交互作用对各生育期Pn、Tr、Gs及Ci均具有极显著影响(P<0.01)，施氮量对各生育期Pn、Tr、Gs及Ci均具有显著影响(P<0.05)。不同处理滴灌棉花Pn、Tr、Gs均随生育期的推进呈现出下降趋势，即在盛花期达到最大，吐絮期降到最小，而Ci却随着生育期的推进逐渐增大，吐絮期各处理平均值最大；其中，在W1和W2水平下，Pn、Tr、Gs均随着施氮量的增加先上升后下降，且在W2N2处达到最大值。在W3水平下，均随着施氮量的增加而增加，而Ci却表现出相反的变化趋势。

(2)不同水氮处理滴灌棉花功能叶Fv/Fm和Fv/F0、qp、Y(Ⅱ)和ETR均随着生育期的推进逐渐减小，至吐絮期达到最小值。而NPQ随着生育期的推进逐渐增大，至吐絮期达到最大值。其中，灌水对棉花各生育期功能叶Fv/Fm和Fv/F0的影响不显著(P>0.05)，对qp和NPQ、Y(Ⅱ)和ETR的影响显著(P<0.05)；施氮对棉花各生育期功能叶NPQ的影响不显著(P>0.05)，对Fv/Fm和Fv/F0、qp、Y(Ⅱ)和ETR的影响显著(P<0.05)；水氮交互作用均对棉花各生育期荧光参数的影响达到极显著水平(P<0.01)。

(3)灌水对Y、iWUE、马克隆值及纤维长度的影响极显著(P<0.01)，对NPFP影响显著(P<0.05)，对整齐度指数、断裂比强度及伸长率无显著影响(P>0.05)；施氮对Y及马克隆值的影响达到显著水平(P<0.05),对NPFP的影响达到极显著水平(P<0.01)，但对iWUE、纤维长度、整齐度指数、断裂比强度及伸长率无显著影响(P>0.05)；水氮交互作用对Y、iWUE、NPFP及马克隆值的影响达到极显著水平(P<0.01)。其中，籽棉产量(Y)最大值出现在W2N2处理，为5 854.5 kg/hm2；最小值出现在W1N1处理，为3 483.75 kg/hm2，二者相对增加68.05%。

(4)以水氮投入为自变量，以棉花产量、净光合速率、Fv/Fm、马克隆值为因变量，分别建立了二元二次回归方程。水氮投入对各因变量的影响均达到极显著水平(P<0.01)，决定系数均在0.86以上。采用似然函数组合方法，对棉花产量、净光合速率、荧光指标、马克隆值同时达到相对值0.8以上的区域用3种组合方式进行计算，得到轻度盐碱土滴灌棉花最佳灌水施氮量为3 740 m3/hm2和754 kg/hm2。

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