不同灌溉方式和灌水量对棉花冠层叶铃配置的影响

杜刚锋，汪江涛，孙雪冰，向 导，勾 玲，张旺锋

(1.石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003；2.新疆乌兰乌苏农业气象试验站，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】作物生产过程中，协调源库比例是寻求高产的有效手段[1-2]，尤其对于棉花生产更是如此，良好的叶铃配置是棉花高产的基础。棉花叶片作为植物光合作用的主要场所和冠层的重要组成部分，其分布情况决定了冠层对光能的截获[3-4]，进而影响群体光合生产力，保留适宜的叶面积指数至关重要[5-7]。张新国等[8]认为，棉花要实现高产，单独优化冠层是不够的，应考虑棉铃空间分布状况，合理调控叶铃配置，塑造优良株型。研究发现，高产棉田的棉花冠层叶铃配置优良，与冠层的光分布高度耦合，源库比例合理，对光合产物向生殖器官快速转运十分有利[9-10]。研究棉花叶铃配置关系对于提高棉花产量具有重要意义。【前人研究进展】棉花叶片生长和结铃分布受诸如植物形状、植物数量和行宽等因素的影响[11]；研究表明，灌溉策略的改变亦影响叶铃分布状况[12-13]。灌溉水量过多，易造成冠层上部叶片增多，叶片间相互遮盖加剧，对叶片的投资和消耗增大，不利于棉铃成熟，单铃重不足，产量不高[14-17]；而适宜灌水或轻量水分胁迫在保留足够叶面积的同时有利于上部冠层打开，为生育后期光合产物的累积提供源动力[14,18]。【本研究切入点】目前，对膜下滴灌和灌水量变化对棉花叶铃配置关系的影响有相当研究，但对于传统漫灌和膜下滴灌棉花叶铃配置差异的研究仍有不足。研究不同灌溉方式和灌水量对棉花叶铃配置的影响。【拟解决的关键问题】分析两种灌溉方式对叶铃关系的调控机理，改善群体冠层结构、提高产量的途径。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2017～2018年在石河子大学农学试验站(86°03′E，45°19′N)进行，土壤质地为中壤土，全氮1.1 g/kg，碱解氮54.9 mg/kg，速效磷19 mg/kg，速效钾194 mg/kg。两年供试品种均为新陆早45号，2017年4月21日播种，4月29日出苗；2018年4月21日播种，4月27日出苗。膜下滴灌方式采用传统的地膜覆盖毛管系统，以井水为主要水源，滴灌带(北京绿源灌溉有限责任公司)外径16 mm，壁厚0.2 mm，滴孔间距0.3 m，流量2.7 L/h，工作压力为100 kPa，滴灌带间距为80 cm。滴灌棉花采用一膜两管的种植模式，株行距配置为：20 cm+60 cm+20 cm，其他管理方式均同于兵团大田滴灌棉花。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验设两种灌溉方式：膜下滴灌(Drip irrigation，DI)和传统漫灌(Flood irrigation，FI)，两个灌水量：3 900 (北疆膜下滴灌水量)和6 000 m3/hm2(北疆传统漫灌水量)，共4个处理(FI-3：膜下滴灌水量用传统漫灌方式灌入；FI-6：漫灌水量6 000 m3/hm2；DI-3：滴灌水量3 900 m3/hm2；DI-6：传统漫灌水量用膜下滴灌方式灌入)，3次重复，采用随机区组设计，共12个小区。各小区之间埋置60 cm深的防渗膜(聚乙烯材质)，防止各小区之间串水串肥，灌水时间均与生产上相一致。滴灌处理和漫灌处理生育期灌水次数分别为7和4次。

棉花生育期共施用纯 N 400 kg/hm2，P2O5218 kg/hm2，K2O 78 kg/hm2、油渣4 500 kg/hm2，播种前基施20% N、46% P2O5，基肥种类为尿素(N 46%)、三料磷肥( P2O546%)。其余根据棉花需肥情况追施(膜下滴灌方式下随水滴施，传统漫灌方式下灌水前开沟施)、追施N 320 kg/hm2、P2O5117 kg/hm2、K2O 78 kg/hm2，追施所用化学肥料为尿素(N 46%)、磷酸二氢钾(P2O552%、K2O 34.6%)。表1

表1 试验地灌水时间及施肥量
Table 1 Irrigation time and fertilization amount in the experimental fields

项目Item传统漫灌Conventionfloodirrigation膜下滴灌Dripirrigationundermulch灌溉日期(year-day)Irrigationdate2017年4-246-177-128-78-314-246-186-297-117-238-68-178-302018年4-226-267-178-88-304-226-257-57-167-278-78-198-29灌溉量(m3/hm2)Irrigationquantity3900531531122262746953688537610600531508382600053194116531427922539247738471000849847700追肥量(kg/hm2)TopdressingquantityN(46%)05310710753022426464644222P2O5(52.1%)02237362201016222322159

1.2.2 叶面积指数和叶面积载铃量

每个小区分别在盛蕾期、盛花期、盛铃前期、盛铃后期、吐絮期选取长势均匀的棉花4株，按株高将棉花平均分为上、中、下三层，将棉花各器官分别取下装袋，并统计各层棉铃数，重复三次。将取下的叶片用叶面积仪LI-3100(USA)扫描叶片面积，并记录，计算叶面积载铃量。计算公式：单位叶面积载铃量(个/m2)=单位棉铃数/单位叶面积。

1.2.3 株式图调查

棉花收获前，每个小区选取长势均匀的棉花6～7株，分别按不同果枝位和果节位统计吐絮棉铃、青铃情况，并记录。

1.2.4 光吸收率

光吸收率分别在盛蕾期、盛花期、盛铃前期、盛铃后期、吐絮期取样，共测定5次。测定方法参考《水稻气象生态》，将棉花按株高平均分为上、中、下3层，11：00～14：00，使用LI-250A光量子仪(LI-Cor，USA)在棉株顶部30 cm以上测定总自然光I(测量探头面板向上)、棉株反射光In(测量探头面板向下)、投射到冠层底部的光强I3，以及棉株1/3、2/3高度处的光强I2、I1，每个小区重复3～4次。测定后，计算棉株每层的光吸收率，计算公式为：上层光吸收率(%)=(1-In/I-I1/I)×100，中层光吸收率(%)=(I1/I-I2/I)×100，下层光吸收率(%)=(I2/I-I3/I)×100。

1.2.5 生物量

灌水处理开始前取样一次，其后每次灌水前一周左右取样，全生育期共取样5次，每个小区选取有代表性的棉株4株，从子叶节处剪取地上部，将地上部按株高分为上、中、下三个部位，将叶片、茎、蕾铃等器官分解，分别装入不同纸袋。将取下的叶片用叶面积仪LI-3100(USA)扫描叶片面积，并记录。将纸袋放入恒温烘箱，在105℃下杀青30 min，80℃下烘干后称重。

1.2.6 产量及产量构成指标

棉花收获前，每个小区选取长势均匀的棉花3 m(同一条膜)，将所有棉株棉铃按上、中、下三层分别采摘记录，并统计棉花株数，计算单株结铃数、单铃重及产量。

1.3 数据处理

使用Microsoft Excel 2016软件进行数据统计与处理，运用Rstudio软件进行方差分析及作图。试验处理间采用LSD(P<0.05)方法检验差异显著性，并用英文小写字母标记。图、表数据均为平均值±标准误差。

2 结果与分析

2.1 不同冠层部位叶面积指数的变化

研究表明,随生育进程的推移，冠层各部位叶面积指数呈先增长后降低的趋势，膜下滴灌棉花冠层上部叶面积指数显著高于传统漫灌棉花叶面积指数，但冠层中下部叶面积指数无明显规律。盛铃后期，膜下滴灌棉花冠层上部叶面积指数在2～3，而传统漫灌棉花仅在2以下；冠层中下部，DI-3处理棉花叶面积指数均在1以上，且显著高于其他处理。相同灌溉方式下，随灌水量的增加，冠层上部叶面积增大，但冠层中下部叶面积变化不明显。相同灌水量下，膜下滴灌处理棉花的叶面积指数大于传统漫灌处理棉花的叶面积指数；DI-3与FI-3相比，FI-3处理棉花中下部叶片会较早的进入脱落期；相反的，DI-6与FI-6相比，DI-6处理棉花中下部叶片则会更早死亡。大田常规灌溉策略下，相比传统漫灌(灌水量6 000 m3/hm2)，膜下滴灌(灌水量3 900 m3/hm2)棉花在盛铃期冠层上部叶面积指数在2以上，中下部叶面积指数在1以上，冠层结构优良，为群体光合生产提供了良好的光环境。 图1

图1 不同冠层部位叶面积指数变化
Fig.1 Changes of leaf area index under different canopy parts of cotton

2.2 不同冠层部位光吸收率的变化

研究表明,棉花叶片的分布状况影响棉株整体光能分布。不同处理棉花生长发育前期，冠层各部位光吸收率无明显差异；吐絮期，冠层各部位光吸收率差异显著，光吸收率变化与各层叶面积分布状况基本相符。相同灌水量下，DI-3和FI-3处理棉花上部叶面积适中，照射到中下部的光能更多，中下部光吸收情况较好，DI-3处理棉花中部叶面积良好，使得DI-3处理棉花中部截获的光更多，而FI-3处理冠层中下部则光损失严重。灌水量为6 000 m3/hm2时，膜下滴灌棉花上部叶面积指数显著上升，光吸收率大幅提高，而中下部光吸收量较低，光能分布不均；传统漫灌棉花上部光吸收量增加，中下部光吸收率得到改善，整体截获光能比例提高。相同灌溉方式下，棉花上部光吸收率表现为高灌水量棉花大于低灌水量棉花，说明高水量灌溉棉花上部叶片较多。中部光吸收率表现为DI-3>FI-3>FI-6>DI-6，下部光吸收率则在低灌水量下效果较好。图2

图2 不同冠层部位棉花冠层光吸收率变化
Fig.2 Changes of canopy light absorption rate under different canopy parts of cotton

2.3 不同果枝及果节位棉铃分布状态

不同灌溉方式和灌水量引起株型差异，进而影响棉花各层叶面积分布，使得棉花各层光分布不同，这些外部环境的改变也促使棉花各部位结铃状况产生差异。不同处理间棉花各果枝结铃状况及各冠层部位结铃数存在差异。随着果枝位的增加，棉铃数先是在1个棉铃水平上下波动，随后在第8、9果枝以后结铃逐渐减少，越靠近顶部结铃越少。无论膜下滴灌还是传统漫灌，随着灌水量的加大，单株结铃数增大，且冠层上部最为明显；相同灌水量下，膜下滴灌棉花单株结铃数大于传统漫灌棉花单株结铃数。整体来看，不同处理棉花结铃数主要集中于冠层中下部，而冠层上部棉铃数则相对较少。同时，膜下滴灌棉花不同果节位上结铃状况也优于传统漫灌棉花，膜下滴灌棉花在保证每果枝第一果节位成铃的同时，第二果节位成铃数也较多。而FI-3处理棉花果枝第二果节位则不能正常成铃，随着灌水量的增加，传统漫灌棉花的整体结铃状况得到改善，第二果节为成铃率上升。收获前期，各处理棉花吐絮状况差异较大，DI-6处理棉花虽然单株结铃数较高，但由于过高灌水量使得营养生长过旺，生育期延迟，造成吐絮比例大大下降，产量较低。灌水量为3 900 m3/hm2时，传统漫灌棉花棉铃基本吐絮，但由于单株结铃数不足，使得产量不高；随着灌水量的不断增加，传统漫灌棉花单株结铃数增加，同时吐絮比例较高，产量有所提高。灌水量为3 900 m3/hm2时，膜下滴灌棉花单株吐絮棉铃最多，而随着灌水量的增加，虽然单株结铃数增加，但吐絮棉铃数减少，不利于产量形成。相反的，随灌水量增加，传统漫灌棉花整体结铃数上升，有利于增产，进一步加大灌水量，有可能缩小DI-3与FI-6间产量差异。图3,图4

图3 不同果枝位结铃数变化
Fig.3 Changes of the number of bolls at different fruit branches of cotton

图4 不同果节位结铃数变化
Fig.4 Changes of the number of bolls at different fruit nodes of cotton

2.4 单位叶面积承载力的变化

研究表明,各处理间棉花叶面积载铃量随生育期的进行呈现逐渐增加的趋势，棉花生育前中期各处理之间棉花叶面积载铃量无较大差异，生育后期(盛铃后期)各处理间叶面积载铃量差异增大。相同灌溉方式下，随灌水量增加，膜下滴灌棉花单位叶面积载铃量呈降低趋势，传统漫灌棉花单位叶面积载铃量呈递增趋势。3 900 m3/hm2灌水下，传统漫灌棉花在生育后期棉花叶面积载铃量一直处于较高水平，显著高于其他处理，叶片大量脱落是造成这一现象的主要原因。DI-6处理棉花叶面积载铃量较高，但青铃比例显著高于其他处理棉花，产量不高。棉花盛铃后期，良好的透光性、较多的铃数固然重要，但如果没有足够的叶片用于承载棉铃，造成棉花源库比例失调。表2

2.5 不同灌溉方式和灌水量下棉花各层干物质分配情况

研究表明,随生长发育的进行，棉花冠层各部位干物质量逐渐递增。相同灌溉方式下，灌水量为3 900 m3/hm2时，膜下滴灌棉花各层干物质累积量大于传统漫灌棉花干物质量；灌水量为6 000 m3/hm2时，传统漫灌棉花冠层下部的干物质量高于膜下滴灌棉花，而冠层上部和中部的干物质量无显著差异。通过对不同冠层部位棉花叶片分布及光吸收率的分析可知，膜下滴灌棉花冠层各部位具有良好的叶分布和光环境，这为干物质累积及棉铃吐絮提供了有利条件。冠层中上部是干物质累积主要贡献者，DI-3(大田生产灌水量3 900 m3/hm2)处理棉花中上部棉铃比例最大，吐絮数也最多。同时，冠层下部棉铃比例也高于其他处理棉花，茎叶比重较大，为棉花干物质累积提供了有利条件。FI-3和DI-6处理棉花产量不高原因：总铃数不足，冠层中下部吐絮棉铃少，整体干物质累积量较低。图5

表2 不同处理棉花单位面积承载棉铃数变化
Table 2 Changes of the number of cotton bolls per unit area under different treatments

年份Years处理Treatment出苗后天数Daysafteremergence(d)6892117139-2017FI-35.21±1.82a31.21±1.01b67.81±13.92a87.87±17.04a-FI-61.98±0.84b45.52±3.76a51.11±13.04ab60.71±3.58b-DI-31.63±0.10b29.41±6.19b54.99±2.86ab59.04±2.19b-DI-65.71±2.21a30.77±9.33b38.12±5.22b71.03±18.32ab-年份Years处理Treatment出苗后天数Daysafteremergence(d)89971101191402018FI-335.45±1.30a46.18±3.85a53.27±2.17a57.71±8.55a90.39±16.97aFI-629.08±8.02ab43.75±0.27a53.46±8.71a72.98±13.49a73.16±4.59bDI-332.99±4.23ab41.24±3.67a61.47±4.56a59.37±4.06a75.63±1.93abDI-625.69±4.32b29.15±5.80b61.84±16.72a64.68±6.26a83.67±2.26ab

注：图例中“Boll*”指代吐絮棉铃；图中右侧“Upper part”、“Middle part”、“Lower part”分别表示冠层上部、中部及下部

Note: “Boll*” refers to the spitting bell in the legend, and the “Upper part”, “Middle part” and “Lower part” on the right side of the figure indicate the upper, middle and lower parts of the canopy, respectively

图5 棉花不同部位干物质累积量变化
Fig.5 Changes of dry matter accumulation under different canopy parts of cotton

2.6 棉花产量及产量构成因子的变化

研究表明，各处理棉花单株结铃数差异显著，表现为DI-3>DI-6>FI-6>FI-3，膜下滴灌棉花单株结铃数大于传统漫灌。DI-3处理棉花单铃重最高，FI-3处理棉花单铃重显著低于其他处理。同时，处理间籽棉产量差异较显著，两年中DI-3处理棉花籽棉产量均最高，2017年相较于FI-3、DI-6和FI-6处理增产30.67%、9.40%、7.82%；2018年相较于DI-6、FI-3、FI-6处理增产24.27%、19.46%、14.18%。相同灌溉方式下，3 900 m3/hm2灌水量下，膜下滴灌棉花相对传统漫灌棉花增产19.46%～30.67%；而6 000 m3/hm2灌水量下，膜下滴灌棉花相对传统漫灌棉花减产1.72%～11.76%。DI-3(大田膜下滴灌水量)处理棉花在单株结铃数、总结铃数、单铃重以及产量等方面均高于传统漫灌处理棉花。不同处理棉花灌溉水利用效率的变化趋势为DI-3>FI-3>FI-6>DI-6。表3

表3 不同灌溉方式和灌水量下棉花产量构成及灌溉水利用效率
Table 3 Cotton yield composition under different irrigation methods and irrigation amounts

年份Years处理Treatment收获株数PlanNo.(104/hm2)单株铃数BollNo.(个/株)单铃重Bollweight(g)籽棉产量Seedcottonyield(kg/hm2)IWUE(kg/m3)2017FI-317.50±1.10a7.25±0.39c4.00±0.51b4739.57±395.52b1.22±0.10bFI-616.81±1.34a8.06±0.36b5.08±0.59a6301.46±421.33a1.05±0.07cDI-316.04±1.04a9.07±0.15a5.26±0.26a6835.98±350.56a1.75±0.09aDI-616.81±0.64a8.73±0.62ab5.18±0.66a6193.22±337.08a1.03±0.06c2018FI-320.00±0.88a6.63±0.41b5.13±0.25b5548.44±513.35b1.42±0.13bFI-620.16±0.60a7.40±0.71ab5.45±0.15a5912.50±522.69b0.99±0.09cDI-320.16±0.60a8.23±1.06a5.50±0.07a6889.06±531.88a1.77±0.14aDI-620.31±0.36a7.94±0.45a5.17±0.15b5217.19±337.78b0.87±0.06c

3 讨 论

3.1 各层适宜叶面积是改善光环境、提高光合生产力的关键

叶面积指数是反映作物群体光截获能力和构建合理冠层结构的重要指标[19]。叶面积在冠层中的垂直分布直接影响着光在冠层内的截获与分布状况[20-21]。研究显示，生育中后期DI-3棉花上部叶面积指数维持在2～2.5，中下部在1～1.5；同时，叶面积垂直分布均匀，上部透光率良好，中下部光吸收量提高，有利于光合物质生产。这与前人对于高产棉田冠层特性的研究结果相符[9-10,22]。FI-3处理棉花由于受干旱胁迫的影响，整体叶片脱落严重，虽然上部透光良好，但中下部叶面积不足，光能损失严重，截获光能少，光合产物不足，产量低[23-26]。相比FI-3处理棉花，FI-6处理(大田生产水量)棉花上部叶片衰老减缓，下部叶面积增大，减少了光能损失，光合生产力提高，单株结铃数增加，产量提高。DI-6处理棉花由于上部叶面积过高，造成中下部光能不足，吐絮较差，产量不高。冯国艺等[27]研究发现，棉花良好的叶配置及分布，有利于增加群体光能截获及改善光分布，提高光合生产力，保证光合产物向生殖器官转运，达到增产的效果。充足的叶面积是提高光吸收率的关键，是构建优良冠层结构的基础，而膜下滴灌棉花相对传统漫灌棉花能更轻易的控制叶面积变化，得到优异的株型。

3.2 适量膜下滴灌具有更好的叶铃配置，利于棉花生产

研究显示，随灌水量增加棉花叶面积指数呈上升趋势，单株结铃数增加，产量提高[28-30]；但当水分过高时，棉花上部叶片相互遮盖严重，棉株向营养生长的能量供应加大，不利于产量形成[14-16,29]。试验研究发现，DI-3(大田膜下滴灌水量)处理棉花叶片垂直分布均匀，单株结铃适中，单位叶面积承载的棉铃适宜，中下部光环境良好，有益于棉铃吐絮，产量最高。DI-6(大田传统漫灌水量用膜下滴灌方式灌入)处理棉花则产量不佳，主要原因在于灌水量过高，造成营养生长过盛[31-34]，冠层中上部的青铃比例过高。FI-3处理棉花由于受到水分胁迫的影响，棉株叶面积下降，棉铃大量脱落，产量下降35-36]；通过增加灌水量，传统漫灌棉花中上部成铃率增加，上部叶片适宜，使得中下部光环境良好，吐絮比例提高，产量显著增加。

3.3 优良的冠层结构有利于光合产物的累积与分配

群体叶配置和光分布与群体光合生产联系紧密，冠层各层次叶铃配置与光分布的比例耦合高，有利于提高光能利用率和群体光合生产能力，同时有助于光合产物的转运和累积[22]。DI-3处理棉花各层叶铃配置合理，上部有足够的叶面积截获光能，中下部光环境良好，浅层土壤水分分布均匀充足，有利于棉花光合产物的生产及向生殖器官转运。优良的冠层结构为DI-3处理棉花提供充足的时间累积光合产物，使得单铃重不断提高，棉花产量增加。相对膜下滴灌，传统漫灌棉花结铃主要集中在第一果节位，而第二果节位则结铃率不高，同时生育中后期棉花叶片严重脱落，尤其FI-3处理棉花：棉株冠层较小，照射到地面的光辐射增多，加速了水分蒸发，棉花缺水严重[33,37]。棉花缺水导致棉铃过早吐絮，茎秆干物质比重加大，生殖器官光合产物累积不足，单铃重降低，产量不高[25,38]。灌水量的增加改善了传统漫灌棉花上部的叶分布，下部透光降低，减缓了水分蒸发，单株结铃数增多，光合产物向生殖器官转运比重加大，单铃重显著提高，棉花得以增产。

4 结 论

灌溉方式可以进一步调节叶铃比例和产量，相比传统漫灌，膜下滴灌棉花在常规灌水量下，盛铃期上部叶面积指数维持在2～2.5，中下部在1～1.5，能够有效截获光能，为光合生产提供良好的光环境。同时适宜的叶铃比例，减小了膜下滴灌棉花的负荷，增加了光合产物向生殖器官转运的比例，有利于产量形成。过量灌溉易造成膜下滴灌棉花减产，3 900 m3/hm2灌水量下，膜下滴灌棉花相对传统漫灌棉花增产25.07%；而随灌水量增加至6 000 m3/hm2，膜下滴灌棉花相对传统漫灌棉花减产6.74%。