灌溉頻率對棉花干物質積累及水分利用效率的影響

吳鳳全，湯秋香，王 亮，祖米來提·吐爾干，崔建平，郭仁松，3，徐海江，林 濤，3，4

(1.新疆農業大學農學院，烏魯木齊 830052 ；2.新疆農業科學院經濟作物研究所，烏魯木齊 830091；3.農業部荒漠綠洲作物生理生態與耕作重點實驗室，烏魯木齊 830091；4.中國農業科學院/農業環境與可持續發展研究所， 北京 100081)

0 引 言

【研究意義】水資源短缺是制約新疆農業持續快速發展的關鍵因素。如何提高水的生產效率，滿足作物的正常需求，是新疆農業面臨的主要瓶頸問題[1]，因此，選用適宜的灌溉技術和有針對性地實施節水策略，對提高生產效率，更加充分利用水分生均有重要作用[2-3]。【前人研究進展】膜下滴灌技術對新疆干旱地區棉花生產中具有節水增產效果[4]。灌水頻率對于膜下滴灌技術而言是十分關鍵的重要參數[5]，能夠對土壤的水分布與熱分布狀況產生影響作用，因此，它必然影響農作物的生長，同時也會影響作物的水分利用情況，最終影響到作物的生產[6]。一般來說，提高灌溉頻率可以使植物根系更好的吸收土壤中的水分，利于提高作物的產量和水分利用效率[7-8]。王小兵等[9]證實，在充分灌水條件下，灌水頻率從6 d/次增加到3 d/次，棉花主根變短，單株結鈴數增多，產量提升7.3%～17.4%。但過高的灌溉頻率可能導致表土層含水率較高而深層土壤濕潤不夠，根系分布較淺，水分補給不及時降低植株的抗旱性能[10]，而較低的灌溉頻率也可能導致水分的下滲和側滲，會造成相對不利的水分條件和鹽分條件,均不利于棉花生長[11]，弋鵬飛等[12]研究表明，在新疆北部地區，灌溉周期為5 d/棉花的最佳土壤含水量。蔣桂英等[13]研究表明，降低灌溉頻率，會導致小麥的產量與水分利用率下降。張瓊等[14]指出，在含鹽量較高的土壤中，高頻灌溉能夠有效降低棉花處于鈴期時濕潤體土壤中的鹽分，并且能夠提高棉花產量，對含鹽量較低的土壤，灌水頻率對棉花生長和產量無顯著影響。有不少研究認為，灌水頻率逐漸增多，可以在一定程度上提高花鈴期耗水量與最終產量[15,16]。【本研究切入點】只有適度的灌溉頻率才能最大限度地提高作物產量[17]，研究使綠洲農田在膜下滴灌的條件下獲得較高的水分生產效率，實現光合產物的迅速積累和分配，達到高產節水的目標。【擬解決的關鍵問題】研究南疆干旱地區 ，在灌溉總量相同的條件下，比較不同灌溉頻率對相同條件下膜下棉花生長和產量的影響，研究不同灌溉頻率對膜下滴灌棉花生長及產量的影響，為新疆綠洲節水灌溉技術和可持續發展提供理論研究。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2016年4～10月在新疆阿克蘇地區阿瓦提縣新疆農業科學院驗站進行(N 40°06', E 80°44', 海拔1 025 m)。該區年均降水量46.4 mm，年日照時數2 679 h，≥10℃年積溫為3 987.7℃，無霜期為115 d，屬于典型的暖溫帶大陸性干旱氣候，農業生產完全依賴于灌溉。試驗區土壤質地為沙質壤土，有機質含量8.3 g/kg，全氮0.5g/kg，速效氮58.4 mg/kg，速效磷35.4 mg/kg，速效鉀130.7 mg/kg。供試品種為新陸中47號。采用145 cm地膜，種植模式為“一膜雙管四行”，2根滴灌帶之間的距離為76 cm，滴頭間距25 cm，滴頭的設計流量2.1 L/h。株行配置(25+55+25+55) cm×11 cm，小區覆膜凈寬145 cm，膜兩側各留15 cm裸地。試驗田地下水在40 m以下，地下水不能補充到作物根系分布層，向上補給量忽略不計。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗選擇隨機區組展開設計，灌水頻率一共設5個處理(具體是：T3，3 d/次；T6，6 d/次；T9，9 d/次；T12,12 d/次；T15，15 d/次，其次T6大田規灌溉頻率CK)重復6次，其中3個為取樣小區，3個為定點觀測小區。1個試驗小區包括3幅膜，長度為6.5 m、寬度為4.5 m，面積為29.25 m2，每處理重復3次，共9個小區。為降低邊際效益，小區的第1和第3幅膜作為保護行，第2幅膜作為取樣調查小區。試驗于2016年4月13日播種，9月21日開始收獲，合計天數為158 d，棉花生育期劃分為：苗期5月11日～6月6日，蕾期6月7日～7月9日，花鈴期7月10日～8月21日，吐絮期8月22日～9月25日，全生育期5月10日～9月25日。采取“一水一肥”(即每次滴施尿素115.4 kg/hm2)這樣的處理方式，其他日常管理同大田。

1.2.2 測試項目

1.2.2.1 農藝性狀

在每個試驗小區選取第二膜長勢均勻的10株，內外行各5株。在棉花關鍵生育期，調查棉花的株高、葉數、果枝數、蕾數等指標，并測定棉花收獲期的產量。

1.2.2.2 干物質

在試驗田內設置取樣小區，取生長均勻具有代表性的區域。在棉花苗期、蕾期、花期、鈴期及吐絮期取長勢均勻的6株植株(邊行選擇3株、中行選擇3株)，對其進行分解成莖葉、蕾鈴、根，105℃殺青30 min后80℃溫度條件下烘干至恒重，稱干重。求其均值并計算分配率。

1.2.3 Logistic方程模擬

通過Logistic方程對棉花干物質積累進行擬合具體變化規律，Logistic方程以相關的幾個特征值[18]：W=Wm/(1+(e(a-bt)))。W代表棉花干物質積累量，t代表棉花出苗后天數，a、b、Wm均為待定系數，都有生物學意義。在t0=-a/b條件下，Vm= -bWm/4，t0代表干物質積累速率最大時刻，Vm為干物質最大積累速率。t1與t2將Logistic生長曲線劃分成了3個階段,在0～t1時間內，干物質的積累速度較慢；在t1～t2時間內干物質積累速率加快，幾乎呈直線增長趨勢；在t2時刻以后，干物質的積累開始變得緩慢，使W最終開始與Wm接近。Δt具體代表的是干物質迅速積累的增長期的時間范圍，實際上代表棉花處于旺盛生長階段的時間長短。

1.3 數據處理

采用Excel2007和DPS7.05軟件進行數據統計和分析，方差分析均為0.05水平，采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 灌溉頻率對棉花形態指標的影響

研究表明，蕾期受到灌溉頻率的影響，株高和葉片數的影響均為T3>T6>T9>T15>T12，但各處理同T6之間不存在顯著差異。而蕾期果枝數和蕾數為T6>T12>T3>T15>T9，在果枝數和蕾數上T6比T9分別多38.06%、52.87% 。在花期灌溉頻率對株高、葉片數、果枝數和蕾數影響不大，而花數表現為T3>T6 >T12>T15>T9。T3與T9相比增加了46.42%，而T6與其他處理沒有差異。在盛鈴期的鈴數的變化為T3>T6>T9>T12>T15，其中T3、T6兩個處理比T15高28.05%、22.62%。高灌溉頻率T3對于結鈴具有促進作用。在實際生產中，在一定量的灌溉定額中，棉花處于生殖生長的階段，適當的增加灌溉次數，縮短灌水周期，能夠促進棉花的開花結鈴。表1

表1 不同灌溉頻率下單株棉花農藝性狀變化
Table 1 The agronomic characters of single cotton in different irrigation frequencies

生育時期Growth and development age處理Treatment株高Height of plant(cm)葉片數Number of leaves果枝數Number of fruit branch蕾數Buds花數Flowers鈴數Bolls蕾期Bud stageT335.67a10.75a4.68abc6.45abc//T632.29ab10.3ab5.28a8.55a//T929.52ab9.75ab3.27c4.03c//T1228.05b9.3b5.09ab7.53ab//T1530.42ab9.75ab3.69bc4.72bc//花期Flowering stageT375.75a14.05a9.05a13.33a1.4a1.45aT670.84a12.77a8.16a12.94a0.96ab1.45abT969.60a13.20a8.7a13.34a0.75b0.90abT1270.67a13.91a8.75a15.15a0.8ab0.55bT1569.82a13.72a9.056a14.95a0.9ab1.10ab鈴期Boll stageT3///7.75a1.66a7.13aT6///7.09ab1.13ab6.63abT9///6.69ab1.25ab6.00abT12///5.30bc0.88b5.81abT15///4.41c0.714b5.13b

注：不同的小寫字母代表具有顯著差異(P<0.05)，下同

Note: Different lowercase letters indicate significant differences at (P<0.05), The same as below

2.2 灌溉頻率對棉花干物質動態模擬

研究表明，棉花干物質積累對于產量的形成具有重要的基礎作用[19]，不同灌溉頻率下，對棉花干物質展開Logistic方程的模擬，具有顯著的效果。棉花處于生長階段，干物質積累表現出的趨勢為：開始是緩慢增長，然后是快速增長，最后又出現了緩慢增長。其中各處理出現2個拐點的時間不同，T3處理是出苗后95和151 d。T6處理與T15處理出現在98、146和85、125 d。表明T3處理出現第一個拐點的時間相對較晚，但從快速增長階段的時間來看，明顯較長，速度特征值(Vm)與T6比較要低8.28%。而T15第一個拐點出現最早，但快速增長期的時間短，速度特征值小，與T6相比低了12.10%； 在干物質積累最大量Ymax上看，T3比T6多4.63%，而T15比T6少13.86%。以上表明在相同的管理措施下，適當的增加灌溉頻率，能夠使棉花快速增長期明顯延長，提高干物質的積累量，有助于棉花生長。表2

表2 不同灌溉頻率下總干物質積累模型方程
Table 2 The total dry matter accumulation model equation in different irrigation frequencies

處理Treatment回歸方程Regression equationVm(g/(d·株))t0Ymaxt1t2δtR2T3Y=244.10/[1+e(5.82-0.05 t)]2.88123.44244.1095.51151.3755.870.993 6T6Y=232.81/[1+e(6.61-0.05 t)]3.14122.55232.8198.12146.9848.860.997 4T9Y=204.58/[1+e6.49-0.06 t)]2.86116.16204.5892.61139.7247.120.998 4T12Y=199.81/[1+e(7.71-0.07 t)]3.41112.76199.8193.49132.0338.540.999T15Y=169.92[1+e(6.86-0.06 t)]2.76105.57169.9285.30125.8440.550.999 7

2.3 灌溉頻率對棉花干物質分配率的影響

研究表明，在各種灌溉管理措施下，棉花干物質分配具有較大的影響。棉花成熟后，棉花的干物質在各個器官的分配率上為生殖器官>莖葉>根。灌溉頻率的不同對各個器官的分配率的影響不同，隨著灌溉頻率的增加根系的分配率在逐漸減少，T15根的分配率均高于其他處理。莖葉的分配率大小為T6>T9>T12>T15>T3，其中T6的分配率已經超過了40%。但對于生殖器官而言，T3的分配率最高，接近于70%，而T9、T12和T15三個處理的分配率最低，且三個處理之間差異不大。由此可以說明灌溉頻率的增加降低了干物質在根系的分配，但提高生殖器官的分配率。高頻率灌溉條件下生殖器官分配較多。因此，在相同的灌溉量下，適當的采取少量多次的灌溉有助于棉花干物質向生殖器官分配，從而達到提高產量的效果。圖1

圖1 不同灌溉頻率下鈴期干物質分配率
Fig.1 The rate of dry matter in different irrigation frequencies at boll stage

2.4 灌溉頻率對棉花產量及水分利用效率影響

研究表明，灌溉頻率對水分利用效率及產量有顯著的影響。灌水頻率對棉花產量的收獲株數、衣分方面的影響差異不顯著。各處理之間的單鈴在質量與單株結鈴數量方面存在很明顯的差異。隨著灌溉頻率的增加，單株結鈴數為T6>T3>T15>T9>T12，但低灌溉頻率之間無顯著性水平差異。T12比T6減少了18.42%。T6比T3高了4.73%。從單鈴質量看T3>T6>T9> T12 > T15。其中T3的單鈴質量高達6.48 g，而籽棉產量與單鈴質量的趨勢基本一致。就水分利用情況來看，T3的水分利用效率最高，為1.38 m3/kg，其次是T6，為1.35 m3/kg，兩者差異不顯著，T15是水分利用效率最低的 ，為1.07 m3/kg，T3比T15高出21.48%。由此可以看出，在南疆膜下滴灌棉田中，在相同灌水量和施肥量下，在棉花生長過程中，適當的增加灌溉頻率，采用少量多次的灌溉措施有助于提高棉田的產量和水分利用效率。表3

表3 不同灌溉頻率下的產量及水分利用效率
Table 3 Effect of ration frequency on yied and water use efficiency in cotton field

處理Treatments單株結鈴數Bolls per plant(個)單鈴重Single boll weight(g)衣分Lint percentage(%)籽棉產量Seed cotton yield(kg/hm2)水分利用效率Water use efficiency(m3/kg)T35.42ab6.47a44.91a6 410.80a1.38aT65.70a6.20ab43.27a6 297.07a1.35aT95.04bc6.08ab43.34a5 368.78b1.15bT124.65c5.79bc42.89a4 979.10c1.06cT155.15bc5.57c43.82a4 930.22c1.07c

3 討 論

3.1 灌溉頻率對根區水分及根系形態的影響

合理的灌溉制度對根區水分及根系形態有較大影響，有研究表明，在滴水量相同時，高灌溉頻率0～20 cm土層的土壤含水率較高，深層土壤的濕潤不夠，而低灌溉頻率表層土壤含水量較小，滲透深層土壤含水量大[10]，姚名澤等[20]研究發現，灌水頻率為5 d時，在膜下0～60 cm土層的平均土壤含水率較高。而灌溉頻率下降時，隨深度的不斷增加，各層根系增大的百分比也會不斷增大；根系總干重的增大主要是依賴于10 cm以下各層根重密度的增大來完成[21]。以上研究發現，在高灌溉頻率下土壤水分集中于土壤表層，而由于低頻率灌溉時間間隔較長，導致水分補給不及時，表層土壤含水量偏低。灌溉頻率較低，根系在土壤深層分布較多，保證了根系對土壤深層水分的充分吸收，而研究在干物質分配上發現，隨著灌溉頻率的降低根系的分配率越大，不利于棉花在其他器官上生長，從而會導致產量降低。

3.2 灌溉頻率對棉花干物質積累及分配的影響

適當的灌溉方式不僅能提高作物的光合產物[ 22 ]，而且可以提高作物產量[ 23 ]，根據前人的研究發現，隨著灌溉頻率的增加能夠提高干物質的最大積累速率[17]，提高灌溉頻率能夠在一定程度上提高棉花干物質積累量[23]。該試驗以灌溉頻率為研究，干物質積累量在T3處理的時候達到最大，積累的時間相對也較長，有利于棉花生物量的形成。研究發現，高灌溉頻率能夠提高蕾鈴生物量在干物質的分配比例，這與前人的研究結果類似[25]。研究中高頻率的灌溉在一定程度上使表土層的土壤含水量較高，減少了棉花在生長過程中的受旱程度，可以為棉花根系創造有利的水分吸收條件，能夠促進棉花的生長。而灌溉頻率過低，可能使土壤表層的水肥條件下降，從而制約棉花的生長。

3.3 灌溉頻率對棉花產量及水分利用效率影響

不同灌溉措施對作物產量及水分利用效率也有較大的影響，有研究表明，在420 mm灌溉定額和16次灌水有利于提高籽棉產量[26]，蔣桂英等[9通過研究得出7 d/次的灌水頻率可以保證棉花的產量較高，同時有利于棉花更好地利用水分條件，研究發現，在相同灌溉定額下，適當的采取較高灌溉頻率下，能夠通過提高單鈴質量和單株結鈴數來提高棉花產量，同時還獲得較高的水分利用效率，這與前人的研究結果類似[26，27]。研究在滴灌條件下，可能是在滴灌過程中灌水均勻性、穩定性等多方面影響，導致滴灌滲透過程存在不可避免的不確定性。對棉花灌溉頻率的研究需要進一步開展田間試驗。

4 結 論

隨著灌溉頻率的增加，棉花生物量顯著增加；但在不同灌溉頻率下干物質的分配率也不同，對根系而言，隨著灌溉頻率的增加，分配率在逐漸減少，從生殖器官來看，隨著灌溉頻率的增加，分配率也隨著增加，在4 650 m3/hm2常規灌溉定額下，3 d/次的高頻灌溉可以在一定程度上使得棉花的干物質積累量提高，有利于棉花同化物向生殖器官分配和籽棉產量及水分利用效率的提高。因此，在實際生產中，在相同灌溉量下，當棉花處于生殖生長階段，盡可能的增加灌溉次數，縮短灌水周期，對于棉花開花結鈴具有促進作用，進而實現棉花產量的提高，以促進水分利用效率。

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