不同灌溉量对新疆棉花生长发育及产量形成的影响

张 慧， 张 凯， 陈 冰， 杨 川， 柳 萍

（1.新疆农业大学资源与环境学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆土壤与植物生态过程重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052）

棉花作为一种重要的经济作物，在全国乃至全世界都占有举足轻重的地位［1］。新疆气候干燥、积温较高且光照充足，具有得天独厚的植棉优势。据2020年报道，新疆棉花总产量高达516.1×104t，占全国总产量的87.33%［2］，成为新疆的支柱产业之一。新疆属于典型的温带大陆性干旱气候［3］，年均降水量150 mm，年均蒸发量1600～2200 mm，是我国水资源严重短缺的地区［4］；而棉花作为新疆的主导产业消耗了大量的农业用水，农业用水匮乏和分布不均制约着新疆棉花产业的可持续发展［5］。因此，节水灌溉是新疆棉花产业发展的根本出路。

国内外学者就灌溉量和灌溉时期对棉花生长发育的影响进行了大量的研究。灌溉量对棉花高产及节水灌溉尤为重要。过量灌溉不仅会造成水资源浪费，还会导致棉花旺长，如主茎节间延长、果枝长度增加、植株个体偏大［6-7］，同时棉花成熟时间延后［7］、根系分布浅，也会影响植株对土壤养分的吸收和利用［8］。而水分亏缺则会使棉花生物量降低，果枝台位、总铃数减少，单铃重变小［9］，并造成棉花早衰［10］，导致棉花产量降低［11-12］。棉花在不同生育期对水分亏缺的响应不同。王允［13］研究表明，棉花在苗期、蕾期进行水分胁迫，可以控制营养生长，提高干物质积累速率，进而提高棉花产量；姜梦辉等［14-16］研究表明，水分对棉花蕾期至花铃期影响最为显著，此时期亏缺灌溉处理会造成花蕾大量脱落、结铃性差，进而降低产量；李志博等［17-18］研究表明，棉花盛铃期是棉花生长发育和产量形成的关键时期。因此，明确棉花不同生育期对水分亏缺的响应及其对籽棉产量的影响尤为重要。

本文结合新疆棉田膜下滴灌模式，通过设置不同灌溉量处理，研究了棉花生长发育特征和产量形成过程对水分亏缺的响应，旨在明确棉花产量形成与灌溉量之间的关系，评估灌溉量对棉花产量和灌溉水利用效率的影响，为新疆棉田的节水灌溉和水资源可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于新疆阜康市彭家湾村（88°0′44.30"E，44°10′21.05"N）冰湖三队棉花种植区，地处天山东段（博格达山）北麓，属于典型的大陆性干旱气候，年平均气温6.8 ℃，7 月平均气温25.2 ℃，年均无霜期176 d，年日照时数2933 h，光热资源充足，年降雨量226.9 mm，田间持水率为15.46%，适宜棉花的生长。该地区农业主要利用干流河道和区域地下水灌溉，土壤类型主要是灌耕土，属于典型干旱灌溉农业区。

1.2 试验设计

为明确膜下滴灌条件下水分调控对棉花生长发育及产量形成的影响，以及棉花各生育期的需水特点。本研究于2021年4月27日开始播种，棉花品种为新陆早74号，种植模式为膜下滴灌，采用“一膜一带两行”的方式种植，膜宽70 cm，两膜间宽10 cm，每行内棉花株距10 cm。

试验以当地正常灌溉量为对照（3071 m3·hm-2），设置4 个亏缺灌溉梯度，轻度缺水（正常灌溉的85%，2686 m3·hm-2），中度缺水（正常灌溉的75%，2421 m3·hm-2），重度缺水（正常灌溉的60%，1955 m3·hm-2），分别以I100、I85、I75、I60代表4种不同的处理小区。每个处理4 个重复，共设置16 个小区，小区面积为6 m×8 m。棉花灌溉参考当地农户灌溉情况，在整个生育期共进行了6次滴水，滴水量及滴水时间如表1所示（7月4日，农户灌溉时，试验地棉花未表现缺水状况，故未进行灌溉；其他灌溉时间同农户）。于6月13日—8月10日进行滴灌处理，灌溉量由水表测定。棉田肥料施用一致，磷肥采用磷酸一铵（N含量12%，P2O5含量61%），用量为150 kg·hm-2、氮肥采用尿素（N 含量46%），用量为250 kg·hm-2、钾肥采用农业用硫酸钾（K2O 含量50%），用量为75 kg·hm-2，在棉花各生育期分6 次随水滴灌施入，施肥状况如表2所示。本研究除滴灌量不同外，棉田生育期内其他管理与农艺措施均按常规大田进行。

表1 不同处理滴灌时间和滴灌水量Tab.1 Drip irrigation time and amount of drip irrigation in different treatments

表2 施肥时间及施肥量Tab.2 Fertilization time and fertilizer application

1.3 测定方法

生育期调查方法：出苗后在每个小区内选取连续的10 株棉花，内外行各5 株，调查棉花的生育进程（苗期、蕾期、花期、盛铃期、吐絮期），记录棉花进入各生育时期的日期。

生长发育性状测定：在棉花的全生育期对16个小区棉花的生长性状进行定点测定，每小区选取长势均匀的连续10株（内外行各5株）标记定点调查，在第一次灌溉处理后开始记录棉花的株高（从子叶节至主茎生长点）、主茎节数、果枝数、果枝台位，蕾、花、铃生长及其脱落的数量，测定时间分别是6月24日、7月6日、7月18日、8月7日、8月27日、9月13 日。吐絮期测定植株上层（上部冠层总果枝的1/3）、中层（中部冠层总果枝的1/3）和下层（下部冠层总果枝的1/3）蕾、花、铃生长及其脱落的数量。

产量测定方法：在每个处理的小区内选择长势整齐的地方随机取1 m×1 m 样点，记录植株密度和单株铃数；在每个小区分别随机摘取冠层上、中、下部位棉花各10 朵，装入纱网袋中自然风干，随后对籽棉称重；计算单位面积籽棉产量=植株密度×单株铃数×单铃重。

灌溉水利用效率计算：IWUE=Y/I。IWUE 表示灌溉水利用率（IWUE，irrigation water use efficien⁃cy），kg·m-3；Y为棉花的籽棉产量，kg·hm-2；I为滴灌棉花全生育期灌水量，m3·hm-2。

1.4 数据处理

实验数据为平均值±标准误差，采用单因素方差分析比较不同处理间某一测定指标的差异显著性，多重比较采用LSD 检验法，用SPSS 25.0 统计软件（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）进行分析，对数据以Microsoft Excel 2019 进行整理后Origin 2021绘图。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉处理对棉花生长发育的影响

2.1.1 生育时期 由表3 可知，亏缺灌溉处理比对照处理的生育时期要提前。与对照组相比，随着水分亏缺程度的加剧，棉花的蕾期、花期、盛铃期、吐絮期的时间分别比对照组提前了1～2 d、2～4 d、3～8 d、4～11 d。

表3 不同灌溉条件下棉花生育时期的变化Tab.3 Changes of cotton growth period under different irrigation conditions

2.1.2 生长发育过程 株高和主茎节间长度可反映棉花生长情况［19］。由图1a和图1b可知，随着生育时期的进程，棉花株高和主茎节间长度呈现先快速增长又逐渐趋于平缓的趋势。在6 月24 日进入现蕾期之后株高和主茎节间长度均以轻度亏缺的I85处理最大，I75处理最低，且不同处理组之间存在显著性差异（P＜0.05），7月18日以后，株高随着灌溉量的减少而降低，主茎节间长度无明显变化。

棉花的坐果台位无明显变化，果枝数呈现先快速增长又逐渐趋于平缓的趋势（图1c、图1d）。从不同的灌溉处理来看，开花期之后棉花的果枝数随着灌溉量的减少而降低，在8 月7 日盛铃期果枝数在各处理间达到显著性差异（P＜0.05）。

图1 不同灌溉处理对棉花株高、主茎节间长度、坐果台位、果枝数的影响Fig.1 Effects of different irrigation treatments on cotton plant height,main stem internode length,fruit setting platform position and fruit branch number

2.2 不同灌溉处理对棉花产量形成过程的影响

2.2.1 不同生育期单株蕾铃数和单位水量的蕾铃荷载量 棉花单株蕾铃数在不同生育期对灌水量的响应不同。在蕾期、花期不同灌水量对棉花蕾铃生长影响不大，在幼铃期和成铃期随着灌水量的减少，棉铃数量呈现明显的递减趋势（图2a），表明幼铃期和成铃期棉花对水分较敏感。另外，在棉花的各个时期随着灌水量的减少，单位水量蕾铃荷载量呈现增多的趋势，以I60处理最多，以蕾期和花期梯度变化差异最大（图2b）。

图2 不同灌溉量对不同生育期蕾铃荷载量的影响Fig.2 Effect of unit water volume in different growth periods on the load of buds and bolls under different irrigation

2.2.2 棉花结铃和坐果特征 不同灌溉处理对棉花冠层不同部位的结铃和坐果特征影响不同［20］。从图3 可以看出，棉花的结铃和坐果大多分布于中部和下部冠层，且随着灌水量的减少而减少。在棉花上部冠层，随灌溉量的减少，结铃呈现先增多后降低的变化趋势，以I85灌溉处理的总结铃数最多，为5.05 个·株-1。从不同冠层来看，下部冠层的坐果数最多，上部冠层的坐果数最少，中部冠层的坐果数在不同的灌溉处理组之间存在显著性差异（P＜0.05），且随着灌溉量的降低而减少，降幅为26%。

图3 不同灌溉处理对棉花结铃、脱落及坐果特征的影响Fig.3 Effects of different irrigation treatments on boll setting,abscission and fruit setting characteristics of cotton

2.2.3 棉花节枝比和棉铃脱落率 节枝比即棉花单株平均果节数与果枝数的比值，节枝比越大，单台果枝平均果节数越多。从图4 中可以看出，相比于上部冠层，棉花中部冠层和下部冠层的节枝比更大。在棉花上部冠层，随着灌水量的减少，节枝比呈先增大后减小的趋势，且存在显著性差异（P＜0.05），以I85处理最大，为1.46。

图4 不同灌溉处理对棉花节枝比的影响Fig.4 Effects of different irrigation treatments on cotton branch ratio

本研究中不同冠层的棉铃脱落率表现为：上部冠层＞中部冠层＞下部冠层（图5）。从不同灌溉处理来看，在棉花上部冠层，棉铃脱落率以I85 最高，为81.19%，以I75 最低，为73.6%；在棉花中部冠层，随灌溉量的减少，棉铃脱落率呈现先减少后增多的趋势，以I85最低，为59.59%；在棉花下部冠层，棉铃脱落率以I75最高，为47.9%，以I85最低，为36.47%。

图5 不同灌溉处理对棉铃脱落率的影响Fig.5 Effect of different irrigation treatments on cotton boll abscission rate

2.3 不同灌溉处理对棉花干物质积累与分配的影响

灌溉量显著影响棉花各器官的干物质积累。采收期各处理棉花干物质积累量依次为：I100＞I85＞I75＞I60（表4），表明灌溉量越高越有助于棉花生物量生产。从各器官干物质分配来看，生殖器官与营养器官在正常灌溉组与亏缺灌溉组之间存在显著性差异（P＜0.05），随水分亏缺程度的增加，生殖器官干物质积累量逐渐减少，营养器官干物质积累量表现为：I100最大，I75最小。随水分亏缺的增加，群体干物质向生殖器官分配比例有下降趋势，生殖器官生物量占总生物量的比例依次为：I100＞I75＞I85＞I60。

表4 不同灌溉量对棉花各器官生物量的影响Tab.4 Effects of different irrigation rates on biomass of cotton organs

2.4 不同灌溉处理对棉花产量及构成因子的影响

将不同灌溉处理下棉花植株的单株结铃数、单铃重和籽棉产量进行显著性分析，结果表明：正常灌溉的单株结铃数、籽棉产量分别比亏缺灌溉组高出3.5%～24.9%和7.4%～27.3%，且存在显著性差异(P＜0.05)（表5）。可见，水分主要通过影响单株结铃数而影响产量，而单铃重对籽棉产量影响不大。

表5 不同灌溉量对棉花产量及产量构成因子的影响Tab.5 Effects of different irrigation rates on cotton yield and yield components

2.5 不同灌溉处理下棉花生长发育过程与产量构成的相关性分析

由表6可以看出，棉花生长发育过程指标中，与单株结铃数正相关系数最大的是节枝比，相关系数为0.37，其次是株高和主茎节间长度；棉铃脱落率与单株结铃数呈显著负相关（P＜0.01）。与单铃重正相关系数最大的是节枝比和脱落率，相关系数为0.28和0.29。

表6 棉花生长发育过程与产量构成的相关性分析Tab.6 Correlation analysis between cotton growth and yield components

2.6 不同灌溉处理下灌溉水利用效率与产量的相互关系

对不同灌溉量处理的籽棉产量和灌溉水利用效率进行分析，结果表明：籽棉产量随着灌溉量的增加，呈现逐渐增加的趋势，在充足灌溉时产量达到最大，为6090 kg·hm-2；灌溉水利用效率随着灌水量的增加，呈现逐渐降低的趋势，在亏缺灌溉I60处理时灌溉水利用效率最高，为2.27 kg·m-3（图6）。

图6 灌溉水利用效率与产量的相互关系Fig.6 Relationship between irrigation water use efficiency and yield

3 讨论

3.1 不同灌溉量对棉花生长发育的影响

在干旱区植棉，灌溉是调控棉花生长发育的有效手段，对棉花产量和品质有重要影响［10］。本研究结果表明，适度亏缺灌溉可造成水分胁迫，促进棉花提早进入生殖生长，这可以增加棉铃的生长时间，提高单铃重，在新疆无霜期短的环境条件下，有利于棉花的高产；而过度亏缺灌溉不利于棉花的生长，会使棉株矮小、果枝数减少、主茎节数减少、节间长度缩短，与Zhang 等［21］的研究结果相同。本研究还发现，处理I85 在蕾期有较高的株高和提前发育的果枝，这与张世民［22］和刘素华等［23］研究结果类似，这可能是因为适度的亏缺灌溉降低了土壤含水量，有利于早春地温的提升和棉花的生长发育，因此可在蕾期进行适度亏缺灌溉，为花铃期棉铃的生长打下基础。现蕾之后，果枝的生长较快；幼铃期时，果枝增长对水分较为敏感，因此，在此时期进行适量灌溉，可较快促进棉花株高的增长和果枝数的增加。

3.2 不同灌溉量对结铃及蕾铃脱落特征的影响

果枝数和节枝比是影响棉花结铃数的直接因子。本研究发现，中部和下部冠层的节枝比和结铃数在不同处理间无显著差异，而上部冠层的节枝比和结铃数均表现出随灌溉量增加而先增加后降低的趋势，表明适度亏缺灌溉可通过提高节枝比提高棉花结铃数，而过度亏缺或过量灌溉会降低节枝比和棉花结铃数。

中部冠层与下部冠层的坐果数明显多于上部冠层，且上部冠层坐果数在不同灌溉量处理间差异显著，表明水分亏缺程度的加剧严重影响棉株上部坐果，这可能与棉花不同生育时期的生长限制因子不同有关。棉花下部冠层多为伏前桃，其春季生长主要受温度控制，水分消耗量相对较低，灌溉量对其影响不显著；而中上部冠层多为伏桃，其生长发育时天气炎热，水分消耗量大，此时，灌溉量对其影响较为显著。因此，在棉花的灌溉管理中，应特别注意高温天气的水分调控。

另外，棉花下部冠层棉铃偏多，也与下部冠层棉铃生长时间长，且脱落率低有关［24］。在棉花中部及下部冠层，棉铃的脱落率随水分亏缺程度加剧略有增加趋势，这与申孝军等［7,25-27］研究结果基本一致，可能是棉花通过调节自身的蕾铃脱落来应对水分胁迫环境的结果。而在保证适量坐果数的前提下，多余蕾铃的脱落可以避免后期蕾铃间的养分竞争，确保有效铃发育成熟。

3.3 不同灌溉处理对棉花产量及灌溉水利用效率的影响

亏缺灌溉会对棉花籽棉产量造成影响［28-29］。本研究表明，在实施亏缺灌溉的环境下，下降较为明显的是单株结铃数，且盛花期和幼铃期亏缺灌溉将会对棉花单株铃数、籽棉产量造成严重的影响，这与申孝军等［30-31］的研究结果相似。这可能是盛花期为棉株营养生长和生殖生长并行的关键时期，是需水高峰期，此时对棉花进行过度水分亏缺处理将会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，降低籽棉产量。而翟中民等［32-33］研究认为，过多的灌溉量也会影响产量，这可能是因为棉花是多年生作物，过多的水分会导致棉花营养生长-生殖生长失衡，过多的资源分配到营养生长，而抑制了生殖生长，导致棉花晚熟减产。

灌溉水利用效率随灌溉量增加而降低，籽棉产量随灌溉量增加而增加（图6），二者之间存在权衡，这与申孝军等［34］研究结果一致。在综合考虑农业生产、水资源高效利用和生态环境等方面效益时，建议对新疆棉花进行适度亏缺灌溉，在保证较高作物产量的同时，提高灌溉水利用效率、节约水资源，实现社会经济和生态环境效益的最优化。

4 结论

本文研究了不同灌溉量对棉花生长发育、产量形成和灌溉水利用效率的影响，结果表明：

（1）亏缺灌溉可促进棉花开花和结铃时间的提前，缩短整个棉花的生育期。

（2）但水分过度亏缺会影响蕾铃的发育，减少果枝果节的分化和棉铃的形成，特别是中上部冠层的结铃和坐果数对水分的响应更敏感。

（3）从产量构成看，亏缺灌溉主要通过减少单株结铃数而造成产量降低。

（4）灌溉水利用效率随着灌溉量的减少而提高，籽棉产量随着灌溉量的减少而降低，二者之间存在权衡。

因此，在综合考虑农业生产、水资源高效利用和生态环境等方面效益时，建议对新疆棉花进行适度亏缺灌溉，在保证较高作物产量的同时，提高灌溉水利用效率、节约水资源，实现社会经济和生态环境效益的最优化。