亏缺灌溉对南疆棉花生长和水分利用的影响

刘翔，张富仓*，向友珍，侯翔皓，张迎春，何平如，薛占琪，范军亮

(1. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100； 2. 西北农林科技大学旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100)

新疆是中国最大的棉花产业基地，棉花种植面积稳定在250万hm2左右，总产量保持在500万t左右，棉花产量占全国棉花总产量的80%[1].新疆也是中国水资源严重短缺的地区之一，水资源量为8.32×1010m3，同时作为重要的优质棉生产基地和典型的纯灌溉农业类型区，农业用水量为5.332 6×1010m3，农业用水占总用水量的94.3%以上，但灌溉水利用系数仅有0.54[2].目前在南疆的塔里木河流域，由于地下水位较高，冬季或春季大水漫灌压盐引起的土壤次生盐碱化威胁越来越严重，因此如何在节水控盐的同时，提高作物水分利用效率是新疆农业可持续发展一个重要的科学问题.

近年来，国内外较多学者就棉田节水灌溉理论与技术方面进行了大量研究，易小平等[3]通过研究棉花光合作用在水分亏缺条件的适应性，发现棉花在严重或轻度水分亏缺下，棉花对水分亏缺的适应能力均较强.王允[4]通过盆栽试验研究水分亏缺对棉花生长发育的影响，表明在棉花生长前期，适当的水分亏缺可促进养分从营养器官向生殖器官转移，促进生殖生长，打下丰产架子；但过度的水分亏缺会造成幼蕾脱落，生殖生长变弱；尤其在花铃期，营养生长和生殖生长并进的旺盛生长阶段，对水分需求量大，水分亏缺造成蕾铃大量脱落,从而导致减产.

较多学者研究棉花的亏缺灌溉是在温室和盆栽条件下，以砂质或基质栽培[5]，而在大田膜下滴灌条件下，生育期水分亏缺对棉花生长、养分吸收、产量和品质的研究还较少.文中拟通过不同生育期亏缺灌溉对南疆棉花的生长、产量以及水氮利用效率的影响，旨在探究适合南疆棉花生长的亏缺灌溉模式，为南疆棉田膜下滴灌条件下高效节水灌溉制度的制定提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年4—10月在新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁县二师31团二连(86°47′48″ E，40°57′6.32″ N)进行，当地属典型的北温带大陆性干旱荒漠气候，多年平均降水量34.1 mm，年蒸发量为2 417 mm，平均气温 11 °C，多年日照均值为2 941.8 h，无霜期180～220 d.试验地0～0.6 m土壤为砂壤土，0.6～1.0 m为壤砂土，0～0.8 m土层平均干容重1.59 g/cm3，田间持水量为19.39%(质量比)，试验区所用水源为塔里木河、孔雀河及拦蓄和调节两河来水的恰拉水库，恰拉水库水质矿化度在1.0～2.5 g/L.

1.2 试验设计

供试作物为棉花，品种为新陆中66号，根据当地灌溉管理模式，苗期和吐絮期不实施灌溉；在棉花现蕾期、开花期以及结铃期(分别记为B,F和L)分别设置3个亏缺灌溉水平(W1：50%ETc，W2：65%ETc，W3：80%ETc，ETc为作物蒸发蒸腾量)，以全生育期100%ETc灌水量为对照(CK)，共10个处理，每个处理设置3个重复.试验采用一膜两管四行种植模式(如图1)，行距为10-10-66-10-10 cm，株距为10 cm，每个小区长为7 m，宽为6 m，滴头流量为1.8 L/h，滴头间距为30 cm，灌水周期为7 d.

2018年棉花生育期为苗期(4月21日—6月7日)、现蕾期(6月8日—7月4日)、开花期(7月5日—7月23日)、结铃期(7月24日—8月26日).试验区棉花在7月10—13日进行人工打顶，整个生育期内进行3次化学喷雾打顶技术，分别于5月20日、6月17日和7月10日.试验各处理施肥水平一致，施纯氮、P2O5和K2O分别为300, 120, 60 kg/hm2；采用容量压差式施肥方式随灌水施入.

灌溉水平处理依据试验田安装的自动气象站观测的参考作物蒸发蒸腾量ET0，结合当地作物系数Kc计算棉田的棉花蒸发蒸腾量ETc(mm/d)，其计算公式为

ETc=Kc·ET0，

(1)

式中：Kc为棉花的作物系数，根据不同生育阶段而定，现蕾期取0.70、花铃前期取1.15和花铃后期取0.70[6].

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植株形态的测定

分别在各试验小区选取连续 6 株长势均匀的植株挂牌定点观测，现蕾期开始，每间隔 10～15 d 观测1次，记录棉花株高、果枝数和蕾铃数；棉花叶面积应用打孔器打孔的方法测定，叶面积指数计算公式为

LAI(叶面积指数)=叶片总面积/所占土地面积.

(2)

1.3.2 地上干物质累积量的测定

分别在棉花苗期、现蕾期、开花期、结铃期和吐絮期，随机选取有代表性棉花3株，取棉花植株的地上部，去除表面污垢，按照茎、叶、蕾、籽棉、棉壳分开，放入105 ℃ 烘箱中杀青 0.5 h后，80 ℃烘至恒重，冷却后用电子秤称其干质量；最后换算成群体干物质质量(kg/hm2).

1.3.3 植株氮素累积吸收量的测定

将棉花各个生育期的干样(茎、叶、蕾、花和铃壳)分别充分磨碎混匀后，过1 mm目筛，称取植物样0.1～0.2 g，用H2SO4-H2O2消煮，消煮液用于养分的测定：各个器官全氮利用AA3型连续流动分析仪测定；计算棉花植株氮素累积吸收量(kg/hm2).

1.3.4 产量及其构成要素的测定

在棉花收获期，于每个小区选取3个有代表性1.52 m2(长为1.00 m,宽为1.52 m)的区域，共4.56 m2；在该区域测定棉花株数和总有效铃数后，拾取区域中上-中-下层棉花的棉絮共100朵，测定其百铃质量，最后换算成群体籽棉产量( kg/hm2) .

1.3.5 生育期耗水量

作物耗水量是指棉花的植株蒸腾量、棵间蒸发量以及构成植株体的水量之和，作物耗水量通过水量平衡法计算可得，计算公式[7]为

ET=I+P+K-R0-D-ΔW,

(3)

式中:ET为棉田耗水量,mm;I为灌水量,mm；P为有效降雨量,mm；K为地下水补给量,mm；R0为地表径流量,mm；D为深层渗漏量,mm；ΔW为棉花生育期内土壤储水量变化,mm.试验区在棉花整个生育期内地下水埋深平均埋深为1.5 m，地下水可以在土壤上升毛管水的作用下补充到根系吸水层中，根据试验区地下水埋深，结合阿维里扬诺夫公式[8]计算棉花生育期内的地下水补给量K为144.86 mm.

1.3.6 水分利用效率

水分利用效率(WUE)计算公式[9]为

WUE=Y/(10ET),

(4)

式中:Y为籽棉产量， kg/hm2；ET为棉花全生育期内累积耗水量，mm.

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2010软件分析试验数据，SPSS 23.0软件对数据进行统计分析，Origin 9.0 软件绘图.

2 结果与分析

2.1 对吐絮期形态指标的影响

不同生育期亏缺灌溉和水平对吐絮期棉花株高、叶面积指数、果枝数的影响见表1，表中h为株高，LAI为叶面积指数，n为果枝数.不同生育期亏缺灌溉和灌水水平对棉花株高、叶面积指数、果枝数的影响都在0.01水平下具有统计学意义，其交互作用影响不具有统计学意义.

表1 生育期亏缺灌溉和水平对棉花吐絮期形态指标的影响

在吐絮期，与CK比较，在轻度亏水(W3)水平下，现蕾期和结铃期亏水对棉花株高没有显著的影响，向中度亏水(W2)和管理方式亏缺(W1)下，3个生育期亏缺灌溉对株高均有显著抑制效应，其中轻度亏水(W3)对株高的抑制效应不具有统计学意义.开花期亏水，对棉花株高均有显著的抑制效应，与CK比较，处理W1，W2和W3分别降低了18.0%，12.8%和10.0%.

由表1可以看出，与CK比较，在轻度亏水(W3)水平下，现蕾期亏水对棉花吐絮期叶面积指数影响不具有统计学意义；但在中度亏水(W2)和重度亏缺(W1)下，3个生育期水分亏缺灌溉对叶面积指数均有显著的抑制效应.试验还发现，在棉花现蕾期实施轻度亏缺灌溉，复水后对棉花叶片生长无显著抑制效应；但开花期亏水，对棉花叶面积指数均有显著的抑制效应，与CK相比，处理W1，W2和W3分别降低了29.56%，22.32%和16.02%.

在吐絮期，与CK比较，在轻度亏水(W3)水平下，现蕾期和结铃期亏水对棉花果枝数没有显著的影响.但在中度亏水(W2)和重度亏缺(W1)下，3个生育期亏缺灌溉对果枝数均有显著抑制效应.在开花期实施不同程度亏缺灌溉，对棉花果枝数均有显著的抑制效应，与CK相比，处理W1,W2和W3分别降低了32.04%,25.24%和22.33%.试验结果表明，同一灌水水平下，不同生育期亏缺对棉花株高、LAI和果枝数抑制效应从大到小依次为开花期，结铃期，现蕾期.

2.2 对地上干物质累积的影响

表2为生育期亏缺灌溉和水平对棉花地上干物质累积的影响，ma为地上干物质累积量.由表2可以看出，不同生育期亏缺灌溉和水平对棉花地上干物质累积的影响在0.05和0.01水平下具有统计学意义.在现蕾期，生育期亏缺灌溉和交互作用对棉花地上干物质累积影响在0.01水平下具有统计学意义.在此时实施亏缺灌溉，棉花地上干物质在现蕾期末，与CK比较，W1，W2，W3水平分别降低了48.28%，30.59%，23.91%.

表2 生育期亏缺灌溉和水平对棉花地上干物质累积的影响

在开花期，生育期亏缺灌溉、灌水水平及其交互作用对棉花地上干物质积累的影响在0.01水平下具有统计学意义；此生育期亏水(F)，对棉花地上干物质累积有显著的抑制效应，在开花期末，与CK比较， W1，W2，W3水平分别降低了30.04%，24.28%，19.08%.现蕾期亏缺处理在复水后补偿效应下，地上干物质迅速与CK差距缩小.

在结铃期，生育期亏缺和灌水水平对棉花地上干物质累积的交互影响在0.01水平下具有统计学意义；此时期(L)实施亏缺灌溉，棉花地上干物质累积有显著的降低，与CK比较，W1，W2，W3水平显著降低了15.66%，9.85%和4.23%.在轻度亏水(W3)水平下，现蕾期亏水处理与CK比较，降低了3.46%，说明现蕾期亏水复水后，补偿效应显著；开花期亏水复水后，补偿效应不具有统计学意义，其中重度亏水(W1)水平仅为CK的68%.

在吐絮期，生育期亏缺灌溉和灌水水平对棉花地上干物质积累的影响在0.01水平下具有统计学意义.充分灌溉CK处理地上干物质累积量高达25 699.04 kg/hm2，与之相比，3个生育期亏缺灌溉处理地上干物质积累均有显著的降低；其中现蕾期亏水，地上干物质累积量降低了3.67%～14.91%；开花期亏水，地上干物质累积量降低了23.64%～31.98%；结铃期亏水，地上干物质累积量降低了4.87%～16.68%.试验还发现，在棉花不同生育期实施亏缺灌溉，复水后补偿效应均有差异，其中现蕾期亏水复水补偿效应显著，而开花期亏水补偿不具有统计学意义；在同一水分亏缺水平下，对棉花地上干物质累积抑制效应从大到小依次为开花期，结铃期，现蕾期.

2.3 对氮素累积吸收的影响

不同生育期亏缺灌溉和水平对棉花氮素累积吸收量mN的影响如图2所示，ms为单铃质量，ne为有效铃数.在棉花整个生育期，棉花对氮素积累吸收随着生育期的推进逐渐升高，且呈现“慢-快-慢”的规律.与CK比较，任一生育期实施不同程度亏缺灌溉，棉花对氮素累积吸收均有显著的抑制效应，复水后有不同程度的补偿效应.

在现蕾期实施不同程度亏缺灌溉，3个水平对氮素累积吸收均有显著的降低，在盛蕾期，与CK比较，W1，W2，W3水平的氮素累积吸收量分别降低了40.03%，29.10%和20.93%，复水后补偿效应显著，氮素累积吸收量迅速升高.在开花期进行亏水，棉花对氮素累积吸收有显著的抑制效应，复水后补偿效应不具有统计学意义，至吐絮期，W1，W2，W3水平的氮素吸收量分别降低了24.99%，18.11%和15.44%.在结铃期亏水，与充分灌溉CK比较，各灌水水平氮素累积吸收量均有不同程度降低，至吐絮期，W1，W2，W3水平的氮素吸收量分别降低了13.06%，9.31%和5.10%.

图2 生育期亏缺灌溉和水平对棉花氮素积累吸收量、单铃质量和有效铃数的影响

2.4 对产量和水分利用效率的影响

2.4.1 对棉花产量构成因素的影响

不同生育期亏缺灌溉和水平对棉花有效铃数和单铃质量产生不同程度的抑制效应，在同一生育期亏水，随灌水水平的增加，有效铃数和单铃质量均呈升高的趋势.在全生育期充分灌溉(CK)下，棉花有效铃数和单铃质量优势明显，分别高达8.02个和5.05 g.与CK比较，现蕾期轻度亏水(W3)，对棉花单铃质量没有显著抑制作用，其余生育期亏缺灌溉处理对棉花单铃质量均有显著的抑制效应，其中开花期亏水处理，单铃质量降低了9.51%～17.20%；其中重度亏水(W1)处理单铃质量仅为4.18 g.

与充分灌溉CK比较，3个生育期亏缺灌溉处理棉花有效铃数均有显著降低；在同一灌水水平下，现蕾期和结铃期亏水对棉花抑制效应差异不具有统计学意义.在开花期实施不同程度亏缺灌溉，与CK相比，W1，W2和W3水平分别显著降低了22.32%，17.21%和15.13%.

2.4.2 对棉花产量和水分利用效率的影响

不同生育期亏缺灌溉和水平对棉花产量和水分利用效率的影响见表3，I为灌水量.不同生育期亏缺灌溉和灌水水平及其交互作用对棉花籽棉产量y、实际耗水量ET、WUE的影响在0.01水平下具有统计学意义.

由表3可以看出，生育期充分灌溉CK处理籽棉产量达到最大，高达 7 699.09 kg/hm2，与之相比，3个生育期亏缺灌溉处理籽棉产量有显著降低.在开花期亏缺灌溉处理中，W1，W2和W3水平分别降低了32.38%，24.97%和23.24%，其中重度亏水(W1)水平的籽棉产量仅为5 206.16 kg/hm2.结果表明：同一程度亏缺水平下，不同生育期对产量的抵制效应从大到小依次为开花期，结铃期，现蕾期.

表3 生育期亏缺灌溉和水平对棉花籽棉产量、实际耗水量和水分利用效率的影响

与充分灌溉CK比较，在棉花现蕾期实施不同程度亏缺灌溉，复水后均有显著的补偿效应，WUE显著提高；其中在轻度亏水(W3)水平下，WUE最高，可达1.57 kg/m3，W1和W2水平分别为1.50和1.52 kg/m3.试验还发现，在结铃期亏水，棉花对水分吸收利用有不同程度的促进效应，其中在中度亏水(W2)和轻度亏缺(W3)下，WUE均有显著升高，均为1.51 kg/m3.在开花期实施不同程度亏缺灌溉，棉花对水分吸收利用均有显著的抑制效应，WUE均显著低于CK，其中W1水平为最小值，仅1.29 kg/m3.

3 讨 论

不同生育期亏缺灌溉对棉花生长、产量和水分利用效率的影响不同，刘素华等[10]发现，在棉花生育前期轻度亏水不会明显抑制棉花营养生长，但任一生育期亏水均不利于地上干物质生长，且抑制效应从大到小依次为花期亏水，结铃期亏水，蕾期亏水.本试验结果与之类似，在现蕾期亏水，复水补偿效应显著，轻度亏缺(W3)水平对棉花株高、LAI、果枝数影响不具有统计学意义；而任一生育期亏缺均不利于地上干物质生长，这可能是开花期为棉株营养生长与生殖生长并进，且向生殖生长为中屯、转移的关键时期，是需水高峰期和临界期，此时棉花对干旱极为敏感，水分亏缺导致棉株内部正常的生理代谢失调从而引起大量蕾铃脱落[11].

本研究还发现，与CK比较，3个生育期实施任何程度水分亏缺，均显著抑制棉花对氮素的累积吸收，与海兴岩[12]研究结果不尽相同，不同之处在于棉花蕾期水分亏缺，棉株体内氮素积累量较CK处理有显著降低，但复水后，至盛花期，地上部吸氮总量与CK之间差异不具有统计学意义.导致不相同的结果可能是，海兴岩试验在出苗前进行了315 m3/hm2的灌溉，改变了土壤的墒情，有利于棉花生长，而本试验由于受当地兵团灌溉渠系管理的影响，现蕾期前没进行灌溉.

而申孝军等[13]研究表明，适时适量水分亏缺有利于提高水分利用效率，在生育前期轻度亏水对生殖生长有一定的促进作用，而在开花后10～40 d, 实施水分亏缺足以造成减产最大以及WUE最低，本试验发现与上述研究结论一致，与CK比较，任一生育期实施亏缺灌溉，棉花有效铃数均有显著降低且最终造成籽棉减产，但在现蕾期和结铃期亏水，WUE均有不同程度的提高，其中在轻度亏水(W3)水平下，现蕾期亏水对单铃质量无显著抑制效应，且WUE最高，可达1.57 kg/m3；研究还发现，在开花期亏水，各处理籽棉产量和WUE均显著低于CK，其中W1水平籽棉产量减产高达32.38%，且WUE最低，仅为1.29 kg/m3.

4 结 论

不同生育期亏缺灌溉和水平对棉花株高、叶面积指数和地上部干物质生长、氮素吸收积累、产量以及水分利用效率都产生不同程度的影响，在同一水分亏缺水平下，不同生育期亏缺对棉花生长发育的抑制效应从大到小依次为开花期，结铃期，现蕾期；且同一生育期亏缺，随灌水水平的增加，各项指标均呈递增的趋势.

1) 现蕾期和结铃期亏水，对棉花株高、LAI、地上部干物质累积、氮素累积吸收以及产量均有不同程度的抑制效应.现蕾期亏水，复水补偿效应显著，与CK处理的1.48 kg/m3比较，WUE均有显著提高；其中在轻度亏水(W3)水平下，WUE高达1.57 kg/m3.结铃期亏水，WUE有不同程度的提高；其中在中度亏水(W2)和轻度亏水(W3)水平下，WUE均为1.51 kg/m3.结果表明：现蕾期轻度亏水，允许在产量不显著降低的同时，来获得的更高的水分利用效率.

2) 开花期亏水，对棉花的株高、LAI、地上部干物质累积、氮素累积吸收、产量以及WUE均有显著的抑制效应，复水补偿效应不显著；其中W1水平WUE仅为1.29 kg/m3.结果表明：开花期亏水严重影响棉花生长发育，不利其生产.