地下滴灌条件下水分胁迫对棉花生理性状及水分利用率的影响

雷成霞，申孝军，郭 银

(1.山西水利职业技术学院，山西 运城 044004；2.中国农业科学院 农田灌溉研究所 作物需水与调控重点实验室，河南 新乡 453002；3.黄河水利委员会水文局，河南 郑州 450000)

新疆是典型的干旱半干旱地区，多年平均蒸发量是降雨量的8倍以上，农作物95%以上的水主要依靠灌溉，棉花作为主要农产品之一，如何利用有限的水资源进行科学灌溉，调控农田土壤水分，提高水分利用率的同时，实现棉花优质高产，已成为关键性问题。滴灌技术在新疆得到了大面积推广应用，学者进行了大量研究，蔡焕杰和申孝军[1,2]主要研究水分亏缺对膜下滴灌棉花生长、产量及水分利用率的影响，结果表明：耗水量一定，适时适度的水分亏缺，虽降低了总生物量，但优化了各器官的分配比例，棉花经济产量和水利利用率也显著提高。马富裕和李明思[3,4]从膜下滴灌的灌溉制度及其影响因素研究，分析其优点并提出推广应用中存在的问题和相应对策；申孝军和王振华[5,6]分别通过灌水控制下限及灌水量对冬小麦生长指标和品质的影响进行研究，得出小麦高产节水的适宜灌水控制下限和灌水量；[7-9]研究了滴灌技术和不同水分处理在油葵、无土栽培红章以及青贮玉米上的广泛应用；王振华等[10,11]针对长期使用塑料薄膜引起的环境污染及棉花苗期出苗难等问题，提出了无膜移栽棉花地下滴灌技术；安俊波等[12-15]等从灌溉模式、移栽参数、灌溉定额以及灌水次数4个方面对无膜移栽棉花生长和产量的影响分别研究，结果表明北疆NFT-SDI棉花适宜移栽时间(4月下旬至5月初)及相应参数，籽棉产量和水分利用率在采用中等灌溉定额(390～450 mm)和灌水次数(19次)结合的情况下，可同时达到最高。D. Kalfountzos[16]通过不同灌溉年份，对比地下滴灌和地面滴灌条件下棉花产量，结果表明，干旱年采用地下滴灌系统，籽棉产量受水分处理影响较大。灌水控制下限是关系棉花产量高低和制定灌溉制度的重要因素之一，而关于覆膜地下滴灌(SDI)棉花灌水控制下限指标的研究报道较少，本文通过大田试验，分析棉花蕾期、铃期不同水分胁迫处理与地下滴灌棉花生理形状及水分利用率关系，为SDI棉花农田水分调控以及高效高产提供技术指导。

1 试验概况

1.1 试验地点

于2010年3-10月在石河子大学现代节水灌溉兵团重点试验站进行试验(东经85°59′47″，北纬44°19′28″，海拔412 m)。地下水埋深大于8 m，土壤质地为中壤土，大田0～130 cm土层土壤平均容重1.625 g/cm3，田间持水率为18.46%(重量百分比)。

采用地下滴灌方式，毛管埋设于地表以下35 cm，滴灌带间距90 cm，滴头间距30 cm，滴头流量1.15 L/h，每个处理分别铺设5根毛管，独立的球阀控制灌水，随水施肥。棉花试验品种采用惠远710，种植模式1膜4行，平均株距11 cm，具体布置见图1。采用干播湿出的方式于5月8日播种，全部出苗时间5月20日，开始采摘时间为9月19日，文中地下滴灌均用SDI来表示。

图1 棉花SDI布设示意图(单位：mm)Fig.1 Layout of subsurface drip irrigation under mulch on cotton

1.2 试验处理和观测项目

以膜下窄行0～70 cm土层的平均土壤含水率占田间持水率的比例为标准，并根据棉花生育期特点，苗期和吐絮期不做水分处理，对蕾期和花铃期分别设置了8个水分处理，即4个灌水水平和4个灌水控制下限，具体见表1，每个处理重复3次。

表1 地下滴灌试验设计Tab.1 Experimental design of subsurface drip irrigation

分别在宽行和窄行各选5株具有代表性的棉株，进行标记挂牌，棉花全生育期内(苗期-收获结束)每隔一周观测一次生理指标。采用精度为1 mm的钢卷尺对株高测定，同样工具测定叶片的长度和最大宽度，并通过单株叶面积与单株占地面积的比值求得叶面积指数；棉花茎粗的测量采用精度0.02 mm的游标卡尺(分东西、南北方向)测量；分批分区进行产量的测定，并转化为公顷数量。

采用美国CPN-503中子仪和烘干法相结合，每隔7天对代表性点(滴头正下方即膜下宽行、膜外裸地和膜下窄行)测定土壤含水率，降雨后和灌水前后加测一次。数据主要采用Excel2016办公软件进行处理和分析。

2 试验结果与分析

2.1 调亏灌溉对棉花生理性状的影响

2.1.1 株 高

由图2看出，SDI棉花的株高与灌水控制下限有直接关系，不同生育阶段水分胁迫越明显，对应处理棉花株高受影响越大。蕾期SDI-4充足供水，株高(以播种后62 d为例)为30.27 cm，分别比SDI-1、SDI-2和SDI-3增长了10.9%、5.4%和4.5%，SDI-1株高受水分胁迫影响最大，仅为27.29 cm。进入花铃期，SDI-1～SDI-4均正常供水，蕾期受水分胁迫最重SDI-1处理，花铃后期逐渐赶上SDI-4，亏水补偿效应明显。SDI-5和SDI-6处理因蕾期灌水下限控制相同，前期株高差异不大，但均小于SDI-8。以播种后92 d(花铃盛期)测定的棉苗株高为例，SDI-8(全生育期充足供水)株高为58.38 cm，分别比SDI-5、SDI-6和SDI-7增长了7.3%、5.2%和-0.03%，SDI-7与SDI-8株高差异主要由蕾期水分胁迫累积效应所致，而SDI-5株高(54.40 cm)明显低于SDI-8，与花铃期重度水分胁迫有关。此外，SDI-5株高比SDI-1降低了0.6%，说明同等程度的水分胁迫，花铃期产生的负面影响要大于蕾期。

图2 不同水分处理对SDI棉花株高的影响Fig.2 Effect of different irrigation treatments on cotton plant height with subsurface drip irrigation under mulch

2.1.2 茎 粗

棉花茎秆的茁壮程度对后期籽棉产量的形成有着重要作用，因为主要通过其输送养分和水分，并对棉铃有支撑，防止倒伏的效果。由图3可以看出，棉花茎粗生长初期发育较慢，茎粗生长速率随水分的增加而变粗，在播后100 d左右时，茎粗基本达到峰值并趋于稳定，整体变化符合“S”型曲线。苗期各处理不做水分处理，茎粗差异不明显。以盛蕾期(75 d)为例，SDI-4茎粗分别比SDI-1、SDI-2和SDI-3提高了6.1%、4.0%和1.6%，进入花铃期，各处理正常供水，SDI-3茎粗逐渐赶上SDI-4，发育较快，并在播后102 d时达到峰值，SDI-3茎粗10.35 cm，比SDI-4提高了2.0%，这与各处理蕾期灌水控制下限有关，还说明蕾期水分过高也不利于棉花茎粗的生长，而SDI-1铃期虽有水分补偿效应，但蕾期水分胁迫严重，茎粗与SDI-2接近。整个花铃期SDI-5和SDI-6茎粗均明显小于SDI-8，分别比SDI-8降低了8.6%和6.2%，SDI-7与SDI-8仅相差1.8%。

图3 不同水分处理对SDI棉花茎粗的影响Fig.3 Effect of different irrigation treatments on cotton stem diameter with subsurface drip irrigation under mulch

2.1.3 叶面积指数

不同水肥处理影响棉花生长效应，而衡量棉花生长指标的重要因素之一是LAI(叶面积指数)，因为叶面积过大和过小，均不利于叶片光合作用充分完成，甚至影响作物品质和获得高产。从图4看出，无论蕾期还是花铃期进行水分胁迫，或蕾期不做水分处理花铃期进行水分胁迫，或蕾期水分胁迫花龄期正常供水，各处理棉花的叶面积指数均会受到影响，但程度不同。SDI-1蕾期水分胁迫最严重，且在胁迫阶段叶面积指数一直最小，以盛蕾期(播后75天)为例，分别比SDI-2、SDI-3和SDI-4降低了6.4%、10.0%和8.9%，花铃期正常供水后，以播种后92 d为例(花铃盛期)，SDI-1的LAI已超过了SDI-2和SDI-3，分别提高了0.69%和0.71%，说明花铃期的水分补偿效应对棉花叶片的发育影响较大，而SDI-4水分在蕾期和花铃期均保持较高，但叶面积指数并非一直最大，这说明并非水分越高越利于棉株叶片的发育。SDI-5分别比SDI-6、SDI-7和SDI-8(播后92天为例)降低了3.8%、9.9%和7.3%，说明花铃期重度水分胁迫会使叶面积指数大幅降低，直接导致棉花后期产量下降。

图4 不同水分处理对SDI棉花叶面积指数的影响Fig.4 Effect of different irrigation treatments on cotton leaf area index with subsurface drip irrigation under mulch

2.2 调亏灌溉对棉花产量和水分利用率的影响

2.2.1 产 量

SDI棉花吐絮时间为9月4日，产量采收分三批进行，第一批采收时间9月18日(霜前产量)，第二批10月2日采收，第三批多为霜后花，包括个别棉铃因霜降原因未完成吐絮被迫中止，采收时间10月20日。从图5可以看出，各处理棉花吐絮变化趋势一致，均由快到慢，且霜前产量均大于霜后产量。SDI-1～SDI-4处理霜前棉花产量分别为3 408.96、4 713.86、4 253.39和3 900.32 kg/hm2；籽棉总产量分别为3 831.51、5 178.22、4 858.82和4 538.62 kg/hm2。SDI-2(蕾期适度水分胁迫，花铃期正常供水)霜前产量分别比SDI-1、SDI-3和SDI-4提高了38.3%、10.8%和20.8%，籽棉总产量分别提高了35.1%、6.6%和14.1%。SDI-5处理(花铃期重度水分胁迫)的霜前棉花产量，分别比SDI-6、SDI-7和SDI-8降低了6.8%、19.4%和7.0%，总产量分别降低了7.8%、24.2%和15.1%。对比8个处理，SDI-7籽棉总产量最高，比SDI-8(生育期充足供水)提高了11.6%，SDI-2次之，说明棉花蕾期适度水分胁迫，花铃期充足供水，利于棉花产量的提高。SDI-1霜前产量和籽棉总产量均最低，分别比SDI-7降低了22.1%和26.2%，说明蕾期重度水分胁迫影响棉花根系吸水，不利于棉苗生长发育，进入铃期，虽有亏水水分补偿，但效果不明显，SDI-5次之，这是由花铃期水分重度胁迫引起的，此阶段为棉苗生殖生长和营养生长的关键阶段，一旦缺水，会导致籽棉产量大幅降低。

2.2.2 水分利用率

图5 不同水分处理对SDI棉花籽棉产量的影响Fig.5 Effect of different irrigation treatments on cotton seed yield with subsurface drip irrigation under mulch

图6中WUE(水分利用率)的数值等于SDI各处理籽棉总产量与棉花全生育期实际耗水量的比值；IWUE(灌溉水利用效率)的数值等于籽棉产量与SDI各处理生育期灌溉定额的比值。从图6可以看出，SDI-8处理蕾期、花铃期均处于充足供水状态，但籽棉产量，WUE和IWUE均不是最高；SDI-7和SDI-2蕾期均适度缺水，花铃期分别为充足供水和正常供水，SDI-7的籽棉产量和WUE均达到最高，分别为5193.19 kg/hm2和0.98，IWUE略低于SDI-6，SDI-2次之；SDI-1蕾期重度水分胁迫，铃期正常供水，所有处理中籽棉产量、WUE和IWUE均最低；而SDI-5和SDI-6蕾期均适度水分胁迫；花铃期分别为重度和适度缺水，两者虽IWUE有所提高，但籽棉产量受影响极大，均与SDI-1基本接近，分别比SDI-7籽棉产量降低了24.2%和17.8%，SDI-3的籽棉产量、WUE和IWUE均大于SDI-4，各项指标在所有处理中居中。

图6 不同水分处理对SDI棉花水分利用效率的影响Fig.6 Effect of different irrigation treatments on water use efficiency with subsurface drip irrigation under mulch

3 结 论

(1)相同栽培模式条件下，SDI各处理棉花生长指标、产量以及水分利用率不同，这与其水分处理有关，不同生育阶段受水分胁迫程度越重，棉花各项指标受影响越大。生育阶段不同水分胁迫相同，SDI-1株高明显高于SDI-5，说明前期营养生长阶段(苗期-蕾期)水分胁迫产生的负面影响小于生殖生长阶段(蕾期-铃期)，蕾期适度的水分胁迫利于棉苗株高的发育；茎粗的生长速率符合“慢-快-慢”的变化规律，SDI-1(蕾期水分重度胁迫)和SDI-4(蕾期充足供水)茎粗变化均显著，说明此阶段水分过低或过高都不利于茎粗发育，SDI-5～SDI-8处理茎粗值由小到大，说明茎粗随花铃期水分胁迫加剧而变小。叶面积指数随棉花生育进程推进，呈先上升盛铃期达到峰值后又逐渐减小的变化趋势，蕾期其值大小随水分胁迫加剧而减小，但花铃期正常供水后，出现水分补偿效应，花铃期水分胁迫对叶面积指数的影响与对茎粗影响一致。

(2)所有处理中，SDI-7籽棉产量和WUE均最高，分别为5 193.19 kg/hm2和0.98，SDI-2次之，SDI-1均最低，SDI-8(蕾期、花铃期均充足供水)均不是最高，这说明土壤水分过高或过低均不利于棉花获得高产以及WUE的提高，而蕾期适度水分胁迫花铃期充足供水，更利于籽棉产量和水分利用率同时达到最佳。SDI-5籽棉产量仅次于SDI-1，花铃期重度水分胁迫，虽IWUE有所提高，但直接导致籽棉霜前产量和总产量大幅降低。综合考虑籽棉产量和水分利用率，SDI棉花适宜的灌溉模式，苗期和吐絮期均不进行灌水，出苗水45 mm，蕾期和花铃期灌水控制下限分别为田间持水率60%和75%，即灌水定额均为30 mm，更利于SDI棉花籽棉产量和水分利用率同时提高。