增溫水滴灌對(duì)棉花生物量、養(yǎng)分吸收及產(chǎn)量的影響

孟阿靜，齊瑩瑩，付彥博，王治國(guó)，王新勇，馮耀祖

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技成果轉(zhuǎn)化中心，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】棉花是喜溫作物，溫度是影響棉花生長(zhǎng)發(fā)育，物質(zhì)代謝的重要能量因素[1]。棉花亦是溫度敏感型作物，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致棉株呼吸強(qiáng)度增加，光合速率下降，引起光合產(chǎn)物缺失，棉株生理性早衰，導(dǎo)致減產(chǎn)[2-4]，溫度過(guò)低會(huì)引起棉花活性氧積累而引起氧化脅迫，導(dǎo)致棉花生長(zhǎng)發(fā)育失調(diào)，品質(zhì)下降，減產(chǎn)等[5]。適宜溫度對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育、提高產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】膜下滴灌技術(shù)作為一種節(jié)水高產(chǎn)的灌溉技術(shù)，在新疆棉花種植中廣泛應(yīng)用。棉花膜下滴灌推廣多與地下水開(kāi)發(fā)配套進(jìn)行，地下井水水溫低，春季井水平均水溫約9℃[6]，一般夏季井水溫度為10～15℃，80%的棉花滴灌時(shí)抽取地下井水不進(jìn)行任何增溫處理就滴入棉田，而低溫井水與土壤環(huán)境溫度存在差異，進(jìn)入土壤必然會(huì)與其發(fā)生熱量交換與轉(zhuǎn)移。土壤水熱分布狀況是作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)境條件之一，土壤水分和溫度的適宜范圍是作物良好生長(zhǎng)的重要土壤環(huán)境參數(shù)，不適合的土壤水分、溫度環(huán)境將明顯改變作物的正常生長(zhǎng)，馮玉龍[7]研究發(fā)現(xiàn)，土溫對(duì)植物的影響是多方面的，它影響植物的生長(zhǎng)模式、地上地下干物質(zhì)的積累和根冠比。灌溉水溫變化對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育，及對(duì)養(yǎng)分的吸收利用都有著重要影響，是土壤肥力的重要影響因素之一[6]。陳先根[8]在研究灌溉水溫對(duì)二季稻的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)低溫灌水后二季水稻發(fā)苗慢，有效穗和穗粒數(shù)減少，結(jié)實(shí)率降低，導(dǎo)致減產(chǎn)32.1%～56.5%。劉盈茹[9]研究低溫水灌溉對(duì)花生植株生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的影響表明，低溫水灌溉可顯著降低花生株高，減少主側(cè)莖莖節(jié)數(shù)、總分枝數(shù)和有效分枝數(shù)，延長(zhǎng)新生葉片出葉時(shí)間、降低新生葉片數(shù)量。隨灌溉水溫的降低，對(duì)植株生長(zhǎng)的影響越明顯。而吳佳鵬[10]研究發(fā)現(xiàn)，低溫水灌溉對(duì)小麥的生長(zhǎng)影響較小。【本研究切入點(diǎn)】不同作物對(duì)溫度敏感性不同，不同作物對(duì)低溫水灌溉的響應(yīng)不同，目前有關(guān)棉花滴灌技術(shù)研究多集中灌溉方式[11-12]、水氮耦合[13-14]、水鹽調(diào)控[15-16]等方面，而有關(guān)滴灌灌溉水溫對(duì)棉花生長(zhǎng)影響的研究少有報(bào)道。亟需研究增溫水滴灌對(duì)棉花生物量、養(yǎng)分吸收及產(chǎn)量的影響。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以棉花為材料，研究增溫水滴灌與井水滴灌相比棉花的生長(zhǎng)、干物質(zhì)分配、養(yǎng)分吸收及產(chǎn)量的差異，為新疆低溫井水滴灌技術(shù)提出應(yīng)對(duì)措施。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2015年4～10月在新疆烏魯木齊市國(guó)家灰漠土肥力與肥料效益重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站(N：43°95′26″，E：87°46′45″)進(jìn)行。該試驗(yàn)站位于新疆烏魯木齊市以北22 km 的新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院安寧區(qū)綜合試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)。國(guó)家灰漠土肥力與肥料效益重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，海拔高度約680 m，4月20日～10月20日棉花生育期平均氣溫20.25℃，年降水量約230 mm，年蒸發(fā)量2 000 mm左右，年均日照時(shí)數(shù)2 594 h，無(wú)霜期156 d，屬干旱半干旱荒漠氣候。試驗(yàn)土壤類(lèi)型為中度熟化的灰漠土。表1

表1 試驗(yàn)地土壤基本情況

試驗(yàn)設(shè)6個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積9.6 m2。全生育期灌水量為3 800 m3/hm2，每周灌水1次，共灌水12次；全生育期共施入尿素、磷酸二銨、磷酸二氫鉀為300、300、75 kg/hm2，其中尿素30%基施，70%追施，磷酸二銨、磷酸二氫鉀全部基施；播種日期為4月27日，調(diào)查采樣日期分別為6月16日(蕾期)、7月2日(初花期)、7月18日(花鈴期)和8月14日(盛鈴期)，10月1日測(cè)產(chǎn)收獲。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置增溫水灌溉(ZW)和井水灌溉(CK)2個(gè)處理，ZW處理是將從井里抽出的水，流入容積400 L的桶中，桶內(nèi)置一增壓泵與即時(shí)熱水器相連，即井水流入儲(chǔ)水桶中，增壓泵將水泵入熱水器中，加熱后在流入桶中，當(dāng)桶中溫度升至30℃[17]及膜下滴灌棉花土壤溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律確定[18]時(shí)進(jìn)行灌溉；CK處理即直接用井水灌溉，通過(guò)瞬時(shí)溫度計(jì)測(cè)定滴頭溫度，ZW處理滴頭溫度為28～32℃，CK處理滴頭溫度16～19℃。圖1

注：1.水源Water；2.出水口Water outlet；3.即時(shí)熱水器Instant water heater；4.控水閥Control water valve；5.儲(chǔ)水桶Storage bucket；6.出水口Water outlet；7.入水口Entry nozzle；8.潛水泵Submersible pump；9.回水管Return pipe；10.瞬時(shí)溫度計(jì)Instantaneous thermometer；11.調(diào)壓閥Pressure regulating valve；12.水表Water meter；13.控水閥Control water valve；14.施肥罐Fertilization pot；15.壓力表Pressure gauge；16.滴灌支管Drip irrigation pipe；17.毛管Capillary

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

1.2.2.1 生物量

各生育期每處理選取連續(xù)固定的10株棉花測(cè)定株高和莖粗；每處理采用全收獲法，將棉株分成根、莖、葉和蕾鈴器官、然后將各部分樣品帶回室內(nèi)，于105℃殺青30 min后，70℃烘干至恒重(101-3A 電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱，北京永光明醫(yī)療儀器廠)，稱(chēng)量記錄(500 g/0.01 g，常熟市金羊天平儀器廠)。

根重比(Root mass ratio，RMR)=根生物量/總生物量；

莖重比(Stem mass ratio，SMR)=莖生物量/總生物量；

葉重比(Leaf mass ratio，LMR)=葉生物量/總生物量；

根葉比(Root/leaf ratio，RLR)=根生物量/葉生物量；

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

各生育時(shí)期不同處理選取長(zhǎng)勢(shì)相同的3株棉花，將整株葉片取下，分別用型號(hào)為3R-HSA670BT便攜式葉面積儀測(cè)定單個(gè)葉片面積，將葉面積相加得到單株葉面積，將葉片在70℃的烘箱內(nèi)烘干至恒量，稱(chēng)干質(zhì)量，比葉重(LMA)為葉面積/葉片干質(zhì)量。

1.2.2.2 養(yǎng)分

棉株樣用H2SO4-H2O2消化法處理，分析氮(N)用凱氏定氮法，磷(P2O5)用鉬銻抗比色法，鉀(K2O)用火焰光度計(jì)法。

1.2.2.3 產(chǎn)量

棉花吐絮期調(diào)查小區(qū)總鈴數(shù)、總株數(shù)，計(jì)算單株鈴數(shù)；各小區(qū)分3次取棉株上、中、下部位各50 朵，測(cè)定單鈴重。各小區(qū)單打?qū)嵤沼?jì)產(chǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 增溫水滴灌對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響

研究表明，增溫處理促進(jìn)了棉花各生育期的株高增加，4個(gè)時(shí)期中增溫處理棉花株高分別比對(duì)照高出8.2、8.63、7.59和6.4 cm，增幅分別為17.95%、13.52%、11.25%和9.03%，其中蕾期、初花期、花鈴期差異極顯著(P<0.01)，盛鈴期差異顯著(P<0.05)；增溫處理對(duì)不同生育時(shí)期單株葉面積也有明顯促進(jìn)作用，4個(gè)時(shí)期單株葉面積分別比對(duì)照高出153.27、235.88、133.74和84.56 cm2，增幅分別為25.08%、32.24%、12.03%、7.02%，其中蕾期、初花期時(shí)，差異極顯著(P<0.01)，花鈴期時(shí)差異顯著(P<0.05)；但增溫處理對(duì)棉花莖粗和比葉重影響不顯著。圖2

注：a、b、c 等不同字母表示同一測(cè)定時(shí)間內(nèi)同一列數(shù)值在P<0.05水平上的差異顯著性；A、B、C等不同字母表示同一測(cè)定時(shí)間內(nèi)同一列數(shù)值在P<0.01水平上的差異顯著性，下同

2.2 增溫水滴灌對(duì)不同生育時(shí)期棉花干物質(zhì)積累的影響

研究表明，增溫水滴灌對(duì)棉花生物量積累影響不同生育時(shí)期表現(xiàn)不一。在蕾期，ZW處理單株棉花總生物量為21.31 g，相比于對(duì)照14.94 g增加了42.63%，除了根系生物量外，ZW對(duì)棉花葉片、莖及蕾鈴生物量均具有明顯促進(jìn)作用，其中葉片生物量較CK增加2.65 g，增幅達(dá)39.8%(P<0.01)，莖生物量增加3.05 g，較對(duì)照增幅達(dá)51.51%(P<0.01)；初花期ZW處理下棉花單株總生物量、根生物量、葉生物量較對(duì)照分別增加了8.92、1.16、3.97 g，增幅分別為31.23%、40.84%、52.03%(P<0.01)，莖生物量與蕾鈴生物量也有所增加，但未達(dá)到顯著性差異(P>0.05)；花鈴期時(shí)，ZW處理下棉花總生物量、葉生物量分別為45.11和14.03 g，與對(duì)照相比增幅分別為21.52%、15.76%(P<0.05)；盛鈴期時(shí)，ZW處理下葉、莖及棉株總生物量、較CK明顯增加(P<0.05)，但蕾鈴干重卻略有降低。表2

表2 不同增溫滴灌下單株棉花各生育時(shí)期生物量變化

2.3 增溫水滴灌對(duì)棉花生物量分配的影響

研究表明，蕾期時(shí)，增溫滴灌使棉花根重比，葉重比，根葉比及根冠比有所降低，其中根重比和根冠比降幅達(dá)顯著水平(P<0.05)，莖重比有所增加但增幅不明顯，蕾鈴重比例顯著增加(P<0.05)增幅達(dá)50%；初花期時(shí)，ZW處理與CK相比，根重比，葉重比有所增加，莖重比和蕾鈴重比例有所降低，但差異均不顯著，就根葉比和根冠比而言，根葉比與CK相比比例有所增加，而根冠比比例略有降低，但均未達(dá)顯著性差異，初花期時(shí)增溫滴灌使棉花生物量分配于根和葉片的比例增加；花鈴期時(shí)，2處理相比，根重比、葉重比和蕾鈴重比比例有所降低，莖重比比例增加明顯，根葉比和根冠比比例也有所降低但均未達(dá)到顯著水平，花鈴期增溫使生物量向莖的分配增加，而其余部位分配比例均有所減少；盛鈴期增溫處理的棉花莖重比較CK增加了10%(P<0.05)，蕾鈴重比與對(duì)照相比減少了5.1%，葉重比與根葉比分別比對(duì)照增加2%，根重比與根冠比較較對(duì)照無(wú)差異，盛鈴期增溫滴灌使棉花生物量多分配于莖，而蕾鈴重比例減少。表3

表3 不同增溫滴灌下棉花各生育時(shí)期生物分配格局變化

2.4 增溫水滴灌對(duì)棉花速效養(yǎng)分吸收量的影響

研究表明，ZW處理棉花各部位速效氮吸收量大致表現(xiàn)為鈴>葉>莖>根,這與CK處理各部位N素吸收量一致；ZW處理各器官N素吸收量均比井水灌溉處理高，其中鈴器官吸收量為122.94 kg/hm2，與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，但差異不顯著(P>0.05)，ZW處理下棉花整株N素吸收量為222.42 kg/hm2，較CK增加了57.4%(P<0.01)，ZW處理可以明顯促進(jìn)植株對(duì)N素的吸收。

ZW處理中P2O5吸收表現(xiàn)為鈴>葉>莖>根，CK表現(xiàn)為鈴>莖>葉>根；ZW與CK相比，莖中P2O5吸收量略有降低但差異不顯著(P>0.05)，鈴、葉、根中P吸收量分別為47.63、8.63、2.53 kg/hm2，較CK分別增加了33.1%、24.4%、20.9%；其中鈴器官對(duì)P2O5的吸收與CK相比差異顯著(P<0.05)，增溫水灌溉可以促進(jìn)棉花植株尤其是鈴器官對(duì)P2O5的吸收。

2處理中棉花各器官K2O吸收量表現(xiàn)為鈴>葉>莖>根。與CK相比，ZW處理下棉花各器官對(duì)K2O的吸收均有所增加，不同器官增加量有所不同，根、莖、葉、鈴中吸收量分別為8.23、37.53、35.80和129.38 kg/hm2，較CK分別增加了23.62%、53.81%、62.99%、33.95%，除根部外，其余部位K2O吸收量與CK相比，差異顯著(P<0.05)。圖3

圖3 棉花各器官養(yǎng)分吸收量

2.5 增溫水滴灌對(duì)棉花產(chǎn)量的影響

研究表明，ZW處理下棉花單株結(jié)鈴數(shù)較CK均有所增加，增幅為18.54%，單株鈴重減少8.86%，最終增產(chǎn)7.29%。表4

表4 不同增溫水滴灌下棉花產(chǎn)量變化

3 討 論

低溫會(huì)對(duì)棉花的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生重要影響[19]，李志博[20]研究表明，低溫下，棉花長(zhǎng)勢(shì)緩慢，葉片SPAD值降低，葉片凈光合速率下降，生長(zhǎng)發(fā)育受到脅迫。膜下滴灌多采用井水直接灌溉，而井水溫度一般在0～15℃，研究表明，低溫水灌溉對(duì)作物均有較大影響。

研究結(jié)果表明，增溫滴灌可以明顯促進(jìn)棉花株高、葉面積及比葉重，莖粗也有所增加，增加灌水溫度可以促進(jìn)棉花生長(zhǎng)，葉面積和比葉重的增加能增強(qiáng)棉花光合作用，固定更多的CO2[21]。

作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)是以較高的生物量為前提[22]。陳德華等[23]研究表明，棉花群體干物質(zhì)生產(chǎn)與產(chǎn)量密切相關(guān)，協(xié)調(diào)好棉花群體干物質(zhì)生產(chǎn)是建立棉花高效群體結(jié)構(gòu)最本質(zhì)的基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，增溫滴灌可以促進(jìn)棉花各生育時(shí)期干物質(zhì)重，其中蕾期和初花期時(shí)表現(xiàn)較為明顯，但盛鈴期時(shí)，葉片和莖的生物量顯著增加，鈴生物量卻略有降低；蘇永忠等[24]認(rèn)為高水高肥條件可促進(jìn)棉花的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，但過(guò)旺的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)限制了生殖生長(zhǎng)，并非完全有利于產(chǎn)量的形成。而試驗(yàn)證實(shí)了盛鈴期灌溉增溫水雖然促進(jìn)了棉花的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，但生殖生長(zhǎng)卻受到脅迫，最終會(huì)有減產(chǎn)的可能。

溫度變化可以影響植物體內(nèi)有機(jī)物的合成和運(yùn)輸?shù)龋M(jìn)而影響植物生物量的分配。植物生長(zhǎng)及干物質(zhì)分配對(duì)溫度的響應(yīng)取決于不同物種和所處的環(huán)境[25]，增溫滴灌下棉花各器官的生物量分配發(fā)生了變化，其中蕾期的根冠比降低，蕾期增溫滴灌促進(jìn)了地上部分的生長(zhǎng)，而根重比、葉重比以及莖重比之間比較差異不大，蕾重比例明顯增加(P<0.05)，蕾期時(shí)增溫滴灌明顯促進(jìn)的蕾的生長(zhǎng)發(fā)育。初花期時(shí)，增溫滴灌與井水滴灌相比，葉重比與根冠比略有增加，其余比例略低，但2處理間相比差異不顯著，該時(shí)期增溫灌溉對(duì)生物量的分配影響不明顯；花鈴期時(shí)，除莖重比比例增加外，其余比例均略有降低，但差異間不顯著，增溫滴灌使生物量多分配與莖；盛鈴期時(shí)，莖重比明顯增加(P<0.05)，蕾鈴重比例明顯降低(P<0.05)，盛鈴期灌溉增溫水使生物量的分配明顯集中于莖稈中，而鈴生物量的分配明顯減少，但2處理間鈴干重卻無(wú)差異，此時(shí)期增溫水灌溉增加了棉花總生物量但對(duì)棉花產(chǎn)量形成無(wú)益。

高生物量是作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的前提，而生物量積累、產(chǎn)量形成則是以養(yǎng)分吸收為基礎(chǔ)[26]。許多研究表明，施肥種類(lèi)[27]，施肥方式[26]，灌水量[28]等與棉花對(duì)養(yǎng)分的吸收量有緊密的聯(lián)系，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，增溫滴灌與井水滴灌相比，前者增加了棉花對(duì)N、P2O5、K2O養(yǎng)分的吸收量，棉花鈴器官的養(yǎng)分分配比例最高，棉株對(duì)養(yǎng)分的吸收量與干物質(zhì)積累量成正比，這與張旺峰等[29]研究結(jié)果一致。

賀新穎等[30]研究結(jié)果表明，棉花盛鈴期時(shí)，日均溫增加2～3℃，棉鈴脫落率升高、畸形鈴增多和棉鈴個(gè)體變小，棉花最終減產(chǎn)30%～40%，試驗(yàn)中，盛鈴期時(shí)增溫水灌溉下棉花單株結(jié)鈴數(shù)較井水灌溉增加18.54%，但單鈴重卻減少了8.86%，最終僅有小幅增產(chǎn)(P>0.05)。前期增溫水灌溉促進(jìn)了鈴的形成，而盛鈴期時(shí)卻抑制了棉鈴的生長(zhǎng)發(fā)育，盛鈴期恰逢氣溫最高的時(shí)期，此時(shí)灌溉增溫水并不益于產(chǎn)量形成，在氣溫相對(duì)較低的時(shí)期，增溫水灌溉可明顯促進(jìn)棉花的生長(zhǎng)發(fā)育，而在高溫情況下，增溫灌溉對(duì)棉花的生殖生長(zhǎng)有抑制作用。

研究結(jié)果表明，灌溉增溫水可以促進(jìn)棉花的生長(zhǎng)，生物量積累和產(chǎn)量形成，但盛鈴期增溫灌溉棉花營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛，導(dǎo)致棉鈴生長(zhǎng)發(fā)育緩慢，此時(shí)期不灌溉增溫水。由于試驗(yàn)裝置的局限性，無(wú)法達(dá)到大面積灌溉的要求，采用修建井水緩沖增溫蓄水池或利用太陽(yáng)能等方法進(jìn)行大面積增溫灌溉。持續(xù)的增溫灌溉并不有益于棉花的生殖生長(zhǎng)，只有適宜的土壤溫度環(huán)境才更利于棉花生長(zhǎng)。整個(gè)生育期氣溫和地溫處于動(dòng)態(tài)變化中，通過(guò)灌溉可更加有效調(diào)控土壤溫度，今后需結(jié)合土壤溫度變化和棉花溫度需求開(kāi)展棉花不同生育期控溫灌溉研究。

4 結(jié) 論

4.1增溫水滴灌處理棉花各生育時(shí)期株高、葉面積顯著增加，莖粗略有增加。

4.2增溫水滴灌下除盛鈴期外棉花生物量顯著增加，盛鈴期棉鈴生物量減少，鈴重比略低于常溫水灌溉，因此，不建議盛鈴期增溫水滴灌。

4.3增溫水滴灌促進(jìn)了棉花對(duì)速效N、P、K的吸收，其中N吸收量較CK增加了57.4%；棉鈴中P2O5的吸收量較CK增加33.1%。

4.4增溫滴灌下棉鈴個(gè)數(shù)增加18.54%，單株鈴重減少8.86%，最終增產(chǎn)7.29%。