早期适度干旱对棉花产量、纤维品质及水分利用效率影响

万华龙 ，刘朋程 ，刘连涛 ，张永江 ，刘玉春 ,2，白志英 ,3，李存东 *，孙红春 *

（1.河北农业大学/河北省作物生长调控重点实验室，河北保定071000；2.河北农业大学城乡建设学院，河北保定071000；3.河北农业大学生命科学学院，河北保定071000）

随着水资源供需矛盾日益加剧，水资源短缺已成为制约黄河流域棉区棉花生产的主要因素[1]。近年来我国农业用水效率均值总体呈下降趋势，由2011年的0.613下降到2012年的0.608，2013年保持在0.608[2]。因此，研究适度干旱下作物的生长发育对节约水资源、解决水源匮乏问题尤为重要。

棉花生长发育具有较强的可塑性，产量由单位面积铃数、铃重和衣分构成，通常可根据水分条件的变化，通过调整铃数或铃重、生物产量及其分配来确保产量的稳定性[3]。水分是作物吸收养分的媒介，探讨水分胁迫对棉花生长过程和产量构成特征的影响，有助于棉花需水高峰期补水抗旱措施的正确实施，确保棉花优质结铃期降低脱落率，提高优质铃比例[4-5]。高超等[6]研究表明，水分胁迫下，棉株为了保持运输功能，主根会分叉，整个根系分布较浅，而且根的分布密度较大，这有利于吸收土壤表层的有效水分及养分。南建福等[7]研究认为棉花苗期适当控制水分，可以限制茎、叶的生长，有利于光合产物向生殖器官的运输，进而提高经济产量。刘素华等[8]研究表明调亏灌溉显著抑制营养生长，但提高了收获指数。黄河流域属暖温带季风气候，降水多集中在夏季，而此时正值棉花的花铃期，需水量最大，这为实施棉花早期适度干旱或生育期免灌溉提供了可能性。闫曼曼等[9]对海岛棉研究表明，轻度调亏灌溉（900 m3·hm－2）下，单株结铃数多，铃重大，皮棉产量高；而重度调亏（0 m3·hm－2）处理水分亏缺严重，无法满足海岛棉棉铃发育的营养需求，使铃重和单株结铃数显著下降，导致皮棉产量最低。

纤维品质高低与水分环境存在密切的联系。孟兆江等[10]研究表明苗期和蕾期轻中度调亏，可以显著增强棉花断裂比强度。Papastylianou等[11]对地中海地区棉花的研究表明，滴灌条件下灌水量降低25%可大大提高水分利用效率，对棉花产量和纤维品质没有显著影响。李培岭等[12]研究表明，与交替和固定隔沟灌相比，常规隔沟灌，棉田水分利用效率增加，产量显著提高。

在棉花适度干旱处理方面的研究前人已有报道，但主要针对在棉花某一特定生育时期进行节水灌溉处理，而对于苗期、蕾期连续缺水或仅苗期少量灌水后通过充分利用自然降水实现花铃期复水对大田棉花影响的研究尚少。本研究探讨了早期适度干旱处理对棉花不同熟性品种产量水平、产量构成因素、纤维品质及水分利用效率的影响，为黄河流域棉区抗旱品种筛选和节水管理提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015和2016年在河北农业大学清苑试验站进行。该区域属于暖温带大陆性气候。试验地供试土质为壤土，土壤肥沃，2015年耕层土壤含有机质 19.92 g·kg－1， 碱解氮 70.82 mg·kg－1， 速效磷40.56 mg·kg－1， 速效钾 150.05 mg·kg－1。2016 年含有机质 17.70 g·kg－1， 碱解氮49.60 mg·kg－1， 速效磷 26.75 mg·kg－1， 速效钾180.26 mg·kg－1。

1.2 试验设计

试验为裂区设计。主区为水分：常规灌溉（W1）、干旱处理（播前限量补墒生育期不灌溉，W2）。其中：W2处理在2015年因播前及时降雨，未进行灌溉；2016年W2处理播前灌溉300 m3·hm－2，为常规灌溉的 40%（表 1）。副区为品种：中棉所 50（CCRI 50，早熟）；农大棉 601（ND 601，中早熟）；冀棉 958（JM 958，中熟）。试验小区面积为88 m2，设置3次重复。大小行种植，大行距100 cm，小行距50 cm。于4月24日进行播种，采用人工覆膜、点播，种植密度为4.8万株·hm－2，土壤饱和含水量为24.6%，其他同常规栽培管理。

表1 2015年和2016年试验灌溉处理方法Table 1 Irrigation treatment in 2015 and 2016 m3·hm－2

由表2可知，2015年和2016年棉花播种与生长季总降水量分别为475.21 mm和356.62mm，且降水均集中于7月，分别占整个棉花生育期的34.7%和66.9%，而此时正值棉花生长发育的关键时期——花铃期。相对于2016年，2015年降水分布较均匀。

表2 2015年和2016年棉花生育期内各月份降水情况Table 2 Precipitation conditions during the period of cotton growth in 2015 and 2016 mm

1.3 测定项目及方法

1.3.1降水量。在清苑试验站安放雨量计进行监测。

1.3.2土壤相对含水量。用土钻取不同时期对应土层的土壤，装入铝盒，带回实验室称取湿土质量，然后85℃烘干至质量恒定，放入干燥器中降至室温，称量干土质量，最后计算土壤相对含水量。公式：土壤相对含水量=土壤质量含水量/田间持水量。

1.3.3单株铃数、铃重、脱落率。选取长势均匀的棉株进行调查。

1.3.4“三桃”比例。于7月15日、8月15日和9月10日选取长势均匀且具有代表性的50株棉株进行成铃数调查，并挂牌。

1.3.5纤维品质。称量理论产量中轧花去籽后的棉样20 g，采用瑞士乌斯特有限公司生产的USTERRHVI 1000大容量棉花测试仪，在河北农业大学农学院棉花育种组，测定各处理的纤维长度整齐度指数、马克隆值和断裂比强度。

1.3.6棉田耗水量计算。棉田耗水量由水量平衡公式计算：ET＝R＋I－F±Q＋ΔW.式中，ET为作物蒸发蒸腾量（mm），R为降水量（mm），I为灌水量（mm），F为地表径流（mm），Q为上移或下渗量（mm）。华北地区水资源紧缺，土壤含水量较低，降雨一般不会引起地表径流，不考虑深层土壤水分渗漏[13]，此处取F＝0，Q＝0；ΔW为土壤贮水量的减少量（mm），自然状况下一定土层厚度的土壤能够容纳的实际含水量的减少量＝土壤容重×土壤厚度×（实测土壤质量含水量－播前土壤质量含水量）。

1.3.7产量水平的水分利用效率。每小区选取4行从未进行破坏取样的棉株，人工收取棉絮，称量得其实收籽棉产量。按下式计算水分利用效率（Water use efficiency，WUE）：WUE＝Y/ET.式中Y为籽棉产量（kg·hm－2）。

1.4 数据处理

采用MS Excel 2010和SPSS 21.0进行数据分析，采用最小显著差异法（LSD）进行差异显著性检验（α＝0.05）。

2 结果与分析

2.1 早期适度干旱对土壤相对含水量的影响

2015年，W2处理下，3个品种土壤相对含水量在苗后 40 d（苗期）、苗后 54 d（盛蕾期）、苗后86 d（盛花期）均达到轻度干旱胁迫（60%±5%），但苗后114 d（吐絮期）CCRI 50达到轻度干旱胁迫，ND 601和JM 958达到中度干旱胁迫（50%±5%），可能是由于CCRI 50属早熟品种，后期耗水较少。2016年3个品种均在苗后40 d（苗期）达到轻度干旱胁迫，在苗后54 d（盛蕾期）和苗后66 d（初花期）达到中度干旱胁迫，由于后期降雨较多，棉田旱情解除，土壤相对含水量在苗后88 d（盛花期）达到正常范围（表 3）。

2.2 早期适度干旱处理对棉花“三桃”比例的影响

由表 4知，2015年，干旱处理（W2）下，伏前桃和秋桃比例升高，伏桃比例下降。其中，由于早熟品种CCRI 50受水分胁迫影响，其伏前桃比例高于ND 601和JM 958，而秋桃比例明显低于ND 601和 JM 958。

表3 2015年和2016年棉花各时期土壤相对含水量Table 3 The relative water content of soil during each period of cotton in 2015 and 2016

表4 2015和2016年早期适度干旱对棉花“三桃”比例的影响Table 4 Effect of early moderate drought on the ratio of seasonal-boll in 2015 and 2016

2016 年，与常规灌溉（W1）相比，W2 处理下ND 601和JM 958伏前桃、伏桃比例均下降，而秋桃比例升高。这可能是由于7月降雨较多，导致棉铃大量脱落。

由表5知，2015年，W1处理下，“三桃”对产量直接通径系数的绝对值由大到小依次为秋桃＞伏桃＞伏前桃，但秋桃（－0.589）对产量的作用是负向直接作用，而伏桃 （0.313）和伏前桃（0.186）对产量的作用均是正向的。因此，伏桃对提高产量作用最大。干旱处理（W2）下，“三桃”对产量直接通径系数的绝对值由大到小依次为伏桃＞秋桃＞伏前桃，但伏桃对产量是负向作用，而伏前桃和秋桃是正向作用。因此，在干旱处理下秋桃对提高产量作用最大。

2016年，W1处理下，“三桃”对产量的直接通径系数由大到小依次为伏桃＞秋桃＞伏前桃。Only irrigating limitedly before sowing.

表5 早期适度干旱处理下 “三桃”性状对籽棉产量的通径分析Table 5 Path analysis of seasonal-boll characters to seed cotton yield in early moderate drought treatment

因此，伏桃对产量影响最大。伏桃（0.516）和秋桃（0.095）对产量有正向直接作用，秋桃通过伏前桃有负向间接作用（－0.001）。干旱处理下，“三桃”对产量的直接通径系数由大到小依次为秋桃＞伏前桃＞伏桃，且均对产量有正向直接作用。

2.3 早期适度干旱对棉花产量构成因素的影响

由表6可知，2015年，与W1相比，W2处理下ND 601和JM 958单株铃数和籽棉产量显著降低，籽棉产量以CCRI 50降低最显著（41.0%）；3个品种的脱落率均显著下降。

2016年，与W1相比，W2处理下棉花的单株铃数、铃重和脱落率均呈下降趋势。CCRI 50铃重显著低于ND601和JM958，与ND601和JM958相比，CCRI 50在W1、W2处理下铃重下降比例分别为10.94%、8.06%和10.00%、10.00%，说明较少灌水量会导致铃重降低。W2处理下，ND 601脱落率显著高于CCRI 50。

与2015年相比，2016年3个品种脱落率均升高。

表6 2015年和2016年早期适度干旱处理对单株棉花产量构成因素的影响Table 6 Effect of early moderate drought on the cotton yield components in 2015 and 2016

2.4 早期适度干旱处理对棉花纤维品质的影响

由表7知，2015年，CCRI 50和ND 601马克隆值从伏前桃到伏桃和秋桃逐渐降低。与W1相比，W2处理下CCRI 50伏前桃长度整齐度指数和断裂比强度明显升高；ND 601伏前桃马克隆值明显升高，断裂比强度明显降低；JM 958伏前桃和秋桃的马克隆值和长度整齐度指数均明显增加，但伏桃马克隆值降低。W1处理下，CCRI 50伏前桃马克隆值明显高于ND 601和JM 958，这可能是由于CCRI 50为早熟品种，伏前桃出现较早，未赶上雨季，品质受影响较小。

2016年，W2处理下，“三桃”的马克隆值较W1增加，以ND 601最显著，平均升高22.4%。长度整齐度指数间无显著差异，处于85%～88%。与W1相比，干旱处理下断裂比强度增加，且伏前桃和秋桃的断裂比强度为CCRI 50＞ND 601＞JM 958，但差异不显著。

2.5 早期适度干旱对棉花水分利用效率的影响

从表8可以看出，2015年棉田总耗水量高于2016年，但水分利用效率较2016年低，说明灌水量多不一定会获得较高的水分利用效率。2015年，CCRI 50干旱处理的水分利用效率显著低于W1。ND 601和JM 958，干旱处理水分利用效率高于W1，2年结果一致。

3 讨论

3.1 早期适度干旱处理对棉花产量构成因素的影响

伏前桃作为早期铃，可作为棉株早发稳长的标志，伏桃是构成产量的主体。本研究发现，2015年，苗后86 d之前，土壤相对含水量一直处于轻度胁迫范围内（在60%±5%），对植株生长影响较小，因此“三桃”比例差异不显著；CCRI 50属早熟品种，成熟早且植株弱小，对水分胁迫较敏感，2016年，在苗后114 d时出现中度干旱（土壤相对含水量在50%±5%），严重影响其后期生殖器官数量，其秋桃数量明显较低。2016年由于前期灌水少，植株生长较弱，制造的干物质少，因此产生的早期生殖器官较少，而7月下旬雨水充足，早期适度干旱处理旱情解除，植株后期补偿效应增强，使伏桃和秋桃数增加。2年试验结果显示，常规灌溉处理（W1）下，3个品种伏桃对产量正向直接作用均最大，而伏桃通过秋桃对产量的负向间接作用又较小，所以该种灌水量情况下，增加伏桃是提高棉花产量的主攻因素。2年试验中，早期适度干旱处理（W2）下，秋桃对产量的正向直接作用最大，且通过伏前桃和伏桃对产量的负向

间接作用较小，所以早期适度干旱处理下，增加秋桃数量是提高棉花产量的主要因素，而伏桃在2015年对产量的负向直接作用较大，2016年伏桃对产量正向直接作用低于伏前桃，所以在早期适度干旱处理下，应主攻秋桃，合理控制伏桃数量，正确处理好伏前桃、伏桃和秋桃的关系。

表7 早期适度干旱处理对棉花纤维品质的影响Table 7 Effect of early moderate drought on cotton fiber quality

表8 早期适度干旱处理对棉花水分利用效率（WUE）的影响Table 8 Effect of early moderate drought on water use efficiency（WUE）

棉花的结铃数和脱落率等很大程度上受水分影响，而这些因素又直接影响棉花的产量[14]。本研究发现，早期适度干旱处理下，棉株相对常规灌溉长势弱小，叶面积指数较小，致使有效光合面积小，不能制造足够多的同化物供应棉铃发育，致使单株铃数减少，铃重降低，产量下降。韩会玲等[15]研究认为，蕾期和花铃期连续受旱使棉铃变小，产量大幅度降低，但限量灌溉增加通风透光，减少棉铃脱落。早期适度干旱对棉花衣分无显著影响，这与Dagdelen等[16]和Karam等[17]研究结果一致，灌水量影响棉花的产量构成因素，但对衣分无显著影响。

3.2 早期适度干旱处理对棉花纤维品质的影响

马克隆值作为反映棉花成熟度和纤维细度的指标，其数值越高，证明纤维越粗，成熟度越大。许多研究已表明，适度减少灌水量不会导致棉花纤维品质明显下降[18-19]。本研究表明，在一定灌水量范围内，适度减少灌水量可增大马克隆值。可能是由于品种差异和此试验中水分胁迫程度不同，不同灌水处理间长度整齐度指数在2016年无显著差异。这与Karademir等[20]的研究结果一致。本研究中，在不同灌水量处理下断裂比强度无显著差异，然而，前人[21-22]的研究表明断裂比强度会随着水分亏缺程度的升高而降低，这可能是由于棉花断裂比强度主要由一些基因决定，而受棉花生长过程中环境变化影响很小。7－8月为棉花生长关键时期——花铃期，2015年降雨相对2016年分布均匀，主要集中在7－8月，为棉花的需水关键期，因此伏前桃和伏桃马克隆值明显高于2016年，而9月吐絮期降雨较多易影响纤维品质，致使秋桃马克隆值、断裂比强度和长度整齐度指数降低。

3.3 早期适度干旱处理对棉田水分利用效率的影响

Li等[23]研究发现，适时适度的水分亏缺，可使灌溉水利用效率提高27.94%～34.85%。宁松瑞等[24]研究发现，利用膜下滴灌技术进行节水灌溉，与传统灌溉模式相比，可明显增加棉田的水分利用效率。本研究发现，早熟品种CCRI 50对水分胁迫较敏感，早期适度干旱处理（W2）下，水分利用效率下降；ND 601和JM 958属中早熟品种和中熟品种，抗旱能力相对较强，水分胁迫对其影响不大，水分利用效率提高。2015年较2016年棉田总耗水量大，但水分利用效率却降低，这也说明不是灌溉水越多，植物能利用的水就越多。因此，早期适度干旱对研究获得最大水分利用效率的最优灌水量尤为重要。

4 结论

早期适度干旱可以影响棉花的产量、纤维品质和水分利用效率，尤其是对早熟品种影响较大。只灌或不灌出苗水，可以节省大量水资源，如果蕾期及时降雨，则不会导致产量显著下降，因此早期适度干旱处理的方式与降雨年型息息相关。此外，水分对产量构成因素中的单株铃数影响最大，目前水分是本试验的主要研究因素，在今后的试验中，若遇到旱年，可以通过增加种植密度来改善。