增温水滴灌对棉花生物量、养分吸收及产量的影响

2022-04-12孟阿静齐莹莹付彦博王治国王新勇冯耀祖

新疆农业科学 2022年3期

孟阿静，齐莹莹，付彦博，王治国，王新勇，冯耀祖

(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091；2.新疆农业科学院科技成果转化中心，乌鲁木齐 830091)

0 引言

【研究意义】棉花是喜温作物，温度是影响棉花生长发育，物质代谢的重要能量因素[1]。棉花亦是温度敏感型作物，温度过高会导致棉株呼吸强度增加，光合速率下降，引起光合产物缺失，棉株生理性早衰，导致减产[2-4]，温度过低会引起棉花活性氧积累而引起氧化胁迫，导致棉花生长发育失调，品质下降，减产等[5]。适宜温度对棉花生长发育、提高产量和品质具有重要意义。【前人研究进展】膜下滴灌技术作为一种节水高产的灌溉技术，在新疆棉花种植中广泛应用。棉花膜下滴灌推广多与地下水开发配套进行，地下井水水温低，春季井水平均水温约9℃[6]，一般夏季井水温度为10～15℃，80%的棉花滴灌时抽取地下井水不进行任何增温处理就滴入棉田，而低温井水与土壤环境温度存在差异，进入土壤必然会与其发生热量交换与转移。土壤水热分布状况是作物优质高产的关键环境条件之一，土壤水分和温度的适宜范围是作物良好生长的重要土壤环境参数，不适合的土壤水分、温度环境将明显改变作物的正常生长，冯玉龙[7]研究发现，土温对植物的影响是多方面的，它影响植物的生长模式、地上地下干物质的积累和根冠比。灌溉水温变化对作物生长发育，及对养分的吸收利用都有着重要影响，是土壤肥力的重要影响因素之一[6]。陈先根[8]在研究灌溉水温对二季稻的影响时发现低温灌水后二季水稻发苗慢，有效穗和穗粒数减少，结实率降低，导致减产32.1%～56.5%。刘盈茹[9]研究低温水灌溉对花生植株生长动态的影响表明，低温水灌溉可显著降低花生株高，减少主侧茎茎节数、总分枝数和有效分枝数，延长新生叶片出叶时间、降低新生叶片数量。随灌溉水温的降低，对植株生长的影响越明显。而吴佳鹏[10]研究发现，低温水灌溉对小麦的生长影响较小。【本研究切入点】不同作物对温度敏感性不同，不同作物对低温水灌溉的响应不同，目前有关棉花滴灌技术研究多集中灌溉方式[11-12]、水氮耦合[13-14]、水盐调控[15-16]等方面，而有关滴灌灌溉水温对棉花生长影响的研究少有报道。亟需研究增温水滴灌对棉花生物量、养分吸收及产量的影响。【拟解决的关键问题】以棉花为材料，研究增温水滴灌与井水滴灌相比棉花的生长、干物质分配、养分吸收及产量的差异，为新疆低温井水滴灌技术提出应对措施。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2015年4～10月在新疆乌鲁木齐市国家灰漠土肥力与肥料效益重点野外科学观测试验站(N：43°95′26″，E：87°46′45″)进行。该试验站位于新疆乌鲁木齐市以北22 km 的新疆农业科学院安宁区综合试验场内。国家灰漠土肥力与肥料效益重点野外科学观测试验站，海拔高度约680 m，4月20日～10月20日棉花生育期平均气温20.25℃，年降水量约230 mm，年蒸发量2 000 mm左右，年均日照时数2 594 h，无霜期156 d，属干旱半干旱荒漠气候。试验土壤类型为中度熟化的灰漠土。表1

表1 试验地土壤基本情况

试验设6个小区，每个小区面积9.6 m2。全生育期灌水量为3 800 m3/hm2，每周灌水1次，共灌水12次；全生育期共施入尿素、磷酸二铵、磷酸二氢钾为300、300、75 kg/hm2，其中尿素30%基施，70%追施，磷酸二铵、磷酸二氢钾全部基施；播种日期为4月27日，调查采样日期分别为6月16日(蕾期)、7月2日(初花期)、7月18日(花铃期)和8月14日(盛铃期)，10月1日测产收获。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

设置增温水灌溉(ZW)和井水灌溉(CK)2个处理，ZW处理是将从井里抽出的水，流入容积400 L的桶中，桶内置一增压泵与即时热水器相连，即井水流入储水桶中，增压泵将水泵入热水器中，加热后在流入桶中，当桶中温度升至30℃[17]及膜下滴灌棉花土壤温度动态变化规律确定[18]时进行灌溉；CK处理即直接用井水灌溉，通过瞬时温度计测定滴头温度，ZW处理滴头温度为28～32℃，CK处理滴头温度16～19℃。图1

注：1.水源Water；2.出水口Water outlet；3.即时热水器Instant water heater；4.控水阀Control water valve；5.储水桶Storage bucket；6.出水口Water outlet；7.入水口Entry nozzle；8.潜水泵Submersible pump；9.回水管Return pipe；10.瞬时温度计Instantaneous thermometer；11.调压阀Pressure regulating valve；12.水表Water meter；13.控水阀Control water valve；14.施肥罐Fertilization pot；15.压力表Pressure gauge；16.滴灌支管Drip irrigation pipe；17.毛管Capillary

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 生物量

各生育期每处理选取连续固定的10株棉花测定株高和茎粗；每处理采用全收获法，将棉株分成根、茎、叶和蕾铃器官、然后将各部分样品带回室内，于105℃杀青30 min后，70℃烘干至恒重(101-3A 电热鼓风恒温干燥箱，北京永光明医疗仪器厂)，称量记录(500 g/0.01 g，常熟市金羊天平仪器厂)。

根重比(Root mass ratio，RMR)=根生物量/总生物量；

茎重比(Stem mass ratio，SMR)=茎生物量/总生物量；

叶重比(Leaf mass ratio，LMR)=叶生物量/总生物量；

根叶比(Root/leaf ratio，RLR)=根生物量/叶生物量；

根冠比(Root/shoot ratio，R/S)=地下(根)生物量/地上生物量。

各生育时期不同处理选取长势相同的3株棉花，将整株叶片取下，分别用型号为3R-HSA670BT便携式叶面积仪测定单个叶片面积，将叶面积相加得到单株叶面积，将叶片在70℃的烘箱内烘干至恒量，称干质量，比叶重(LMA)为叶面积/叶片干质量。

1.2.2.2 养分

棉株样用H2SO4-H2O2消化法处理，分析氮(N)用凯氏定氮法，磷(P2O5)用钼锑抗比色法，钾(K2O)用火焰光度计法。

1.2.2.3 产量

棉花吐絮期调查小区总铃数、总株数，计算单株铃数；各小区分3次取棉株上、中、下部位各50 朵，测定单铃重。各小区单打实收计产。

1.3 数据处理

数据采用Excel和SPSS 23.0进行数据统计分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 增温水滴灌对棉花生长的影响

研究表明，增温处理促进了棉花各生育期的株高增加，4个时期中增温处理棉花株高分别比对照高出8.2、8.63、7.59和6.4 cm，增幅分别为17.95%、13.52%、11.25%和9.03%，其中蕾期、初花期、花铃期差异极显著(P<0.01)，盛铃期差异显著(P<0.05)；增温处理对不同生育时期单株叶面积也有明显促进作用，4个时期单株叶面积分别比对照高出153.27、235.88、133.74和84.56 cm2，增幅分别为25.08%、32.24%、12.03%、7.02%，其中蕾期、初花期时，差异极显著(P<0.01)，花铃期时差异显著(P<0.05)；但增温处理对棉花茎粗和比叶重影响不显著。图2

注：a、b、c 等不同字母表示同一测定时间内同一列数值在P<0.05水平上的差异显著性；A、B、C等不同字母表示同一测定时间内同一列数值在P<0.01水平上的差异显著性，下同

2.2 增温水滴灌对不同生育时期棉花干物质积累的影响

研究表明，增温水滴灌对棉花生物量积累影响不同生育时期表现不一。在蕾期，ZW处理单株棉花总生物量为21.31 g，相比于对照14.94 g增加了42.63%，除了根系生物量外，ZW对棉花叶片、茎及蕾铃生物量均具有明显促进作用，其中叶片生物量较CK增加2.65 g，增幅达39.8%(P<0.01)，茎生物量增加3.05 g，较对照增幅达51.51%(P<0.01)；初花期ZW处理下棉花单株总生物量、根生物量、叶生物量较对照分别增加了8.92、1.16、3.97 g，增幅分别为31.23%、40.84%、52.03%(P<0.01)，茎生物量与蕾铃生物量也有所增加，但未达到显著性差异(P>0.05)；花铃期时，ZW处理下棉花总生物量、叶生物量分别为45.11和14.03 g，与对照相比增幅分别为21.52%、15.76%(P<0.05)；盛铃期时，ZW处理下叶、茎及棉株总生物量、较CK明显增加(P<0.05)，但蕾铃干重却略有降低。表2

表2 不同增温滴灌下单株棉花各生育时期生物量变化

2.3 增温水滴灌对棉花生物量分配的影响

研究表明，蕾期时，增温滴灌使棉花根重比，叶重比，根叶比及根冠比有所降低，其中根重比和根冠比降幅达显著水平(P<0.05)，茎重比有所增加但增幅不明显，蕾铃重比例显著增加(P<0.05)增幅达50%；初花期时，ZW处理与CK相比，根重比，叶重比有所增加，茎重比和蕾铃重比例有所降低，但差异均不显著，就根叶比和根冠比而言，根叶比与CK相比比例有所增加，而根冠比比例略有降低，但均未达显著性差异，初花期时增温滴灌使棉花生物量分配于根和叶片的比例增加；花铃期时，2处理相比，根重比、叶重比和蕾铃重比比例有所降低，茎重比比例增加明显，根叶比和根冠比比例也有所降低但均未达到显著水平，花铃期增温使生物量向茎的分配增加，而其余部位分配比例均有所减少；盛铃期增温处理的棉花茎重比较CK增加了10%(P<0.05)，蕾铃重比与对照相比减少了5.1%，叶重比与根叶比分别比对照增加2%，根重比与根冠比较较对照无差异，盛铃期增温滴灌使棉花生物量多分配于茎，而蕾铃重比例减少。表3

表3 不同增温滴灌下棉花各生育时期生物分配格局变化

2.4 增温水滴灌对棉花速效养分吸收量的影响

研究表明，ZW处理棉花各部位速效氮吸收量大致表现为铃>叶>茎>根,这与CK处理各部位N素吸收量一致；ZW处理各器官N素吸收量均比井水灌溉处理高，其中铃器官吸收量为122.94 kg/hm2，与CK相比，吸收量增加了69.7%(P<0.05)；其余器官吸收量均有所增加，但差异不显著(P>0.05)，ZW处理下棉花整株N素吸收量为222.42 kg/hm2，较CK增加了57.4%(P<0.01)，ZW处理可以明显促进植株对N素的吸收。

ZW处理中P2O5吸收表现为铃>叶>茎>根，CK表现为铃>茎>叶>根；ZW与CK相比，茎中P2O5吸收量略有降低但差异不显著(P>0.05)，铃、叶、根中P吸收量分别为47.63、8.63、2.53 kg/hm2，较CK分别增加了33.1%、24.4%、20.9%；其中铃器官对P2O5的吸收与CK相比差异显著(P<0.05)，增温水灌溉可以促进棉花植株尤其是铃器官对P2O5的吸收。

2处理中棉花各器官K2O吸收量表现为铃>叶>茎>根。与CK相比，ZW处理下棉花各器官对K2O的吸收均有所增加，不同器官增加量有所不同，根、茎、叶、铃中吸收量分别为8.23、37.53、35.80和129.38 kg/hm2，较CK分别增加了23.62%、53.81%、62.99%、33.95%，除根部外，其余部位K2O吸收量与CK相比，差异显著(P<0.05)。图3

图3 棉花各器官养分吸收量

2.5 增温水滴灌对棉花产量的影响

研究表明，ZW处理下棉花单株结铃数较CK均有所增加，增幅为18.54%，单株铃重减少8.86%，最终增产7.29%。表4

表4 不同增温水滴灌下棉花产量变化

3 讨论

低温会对棉花的生长发育产生重要影响[19]，李志博[20]研究表明，低温下，棉花长势缓慢，叶片SPAD值降低，叶片净光合速率下降，生长发育受到胁迫。膜下滴灌多采用井水直接灌溉，而井水温度一般在0～15℃，研究表明，低温水灌溉对作物均有较大影响。

研究结果表明，增温滴灌可以明显促进棉花株高、叶面积及比叶重，茎粗也有所增加，增加灌水温度可以促进棉花生长，叶面积和比叶重的增加能增强棉花光合作用，固定更多的CO2[21]。

作物高产、优质是以较高的生物量为前提[22]。陈德华等[23]研究表明，棉花群体干物质生产与产量密切相关，协调好棉花群体干物质生产是建立棉花高效群体结构最本质的基础。研究发现，增温滴灌可以促进棉花各生育时期干物质重，其中蕾期和初花期时表现较为明显，但盛铃期时，叶片和茎的生物量显著增加，铃生物量却略有降低；苏永忠等[24]认为高水高肥条件可促进棉花的营养生长，但过旺的营养生长限制了生殖生长，并非完全有利于产量的形成。而试验证实了盛铃期灌溉增温水虽然促进了棉花的营养生长，但生殖生长却受到胁迫，最终会有减产的可能。

温度变化可以影响植物体内有机物的合成和运输等，进而影响植物生物量的分配。植物生长及干物质分配对温度的响应取决于不同物种和所处的环境[25]，增温滴灌下棉花各器官的生物量分配发生了变化，其中蕾期的根冠比降低，蕾期增温滴灌促进了地上部分的生长，而根重比、叶重比以及茎重比之间比较差异不大，蕾重比例明显增加(P<0.05)，蕾期时增温滴灌明显促进的蕾的生长发育。初花期时，增温滴灌与井水滴灌相比，叶重比与根冠比略有增加，其余比例略低，但2处理间相比差异不显著，该时期增温灌溉对生物量的分配影响不明显；花铃期时，除茎重比比例增加外，其余比例均略有降低，但差异间不显著，增温滴灌使生物量多分配与茎；盛铃期时，茎重比明显增加(P<0.05)，蕾铃重比例明显降低(P<0.05)，盛铃期灌溉增温水使生物量的分配明显集中于茎秆中，而铃生物量的分配明显减少，但2处理间铃干重却无差异，此时期增温水灌溉增加了棉花总生物量但对棉花产量形成无益。

高生物量是作物优质高产的前提，而生物量积累、产量形成则是以养分吸收为基础[26]。许多研究表明，施肥种类[27]，施肥方式[26]，灌水量[28]等与棉花对养分的吸收量有紧密的联系，试验研究发现，增温滴灌与井水滴灌相比，前者增加了棉花对N、P2O5、K2O养分的吸收量，棉花铃器官的养分分配比例最高，棉株对养分的吸收量与干物质积累量成正比，这与张旺峰等[29]研究结果一致。

贺新颖等[30]研究结果表明，棉花盛铃期时，日均温增加2～3℃，棉铃脱落率升高、畸形铃增多和棉铃个体变小，棉花最终减产30%～40%，试验中，盛铃期时增温水灌溉下棉花单株结铃数较井水灌溉增加18.54%，但单铃重却减少了8.86%，最终仅有小幅增产(P>0.05)。前期增温水灌溉促进了铃的形成，而盛铃期时却抑制了棉铃的生长发育，盛铃期恰逢气温最高的时期，此时灌溉增温水并不益于产量形成，在气温相对较低的时期，增温水灌溉可明显促进棉花的生长发育，而在高温情况下，增温灌溉对棉花的生殖生长有抑制作用。

研究结果表明，灌溉增温水可以促进棉花的生长，生物量积累和产量形成，但盛铃期增温灌溉棉花营养生长旺盛，导致棉铃生长发育缓慢，此时期不灌溉增温水。由于试验装置的局限性，无法达到大面积灌溉的要求，采用修建井水缓冲增温蓄水池或利用太阳能等方法进行大面积增温灌溉。持续的增温灌溉并不有益于棉花的生殖生长，只有适宜的土壤温度环境才更利于棉花生长。整个生育期气温和地温处于动态变化中，通过灌溉可更加有效调控土壤温度，今后需结合土壤温度变化和棉花温度需求开展棉花不同生育期控温灌溉研究。