灌溉和種植模式對無膜滴灌棉花幼苗生長及光合特性的影響

龔珂寧，黃炳川，張 楠，李明發，王興鵬

（1.塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆阿拉爾 843300；2.塔里木大學現代農業工程重點實驗室，新疆阿拉爾 843300；3.新疆生產建設兵團第一師水文水資源管理中心，新疆阿拉爾 843300）

0 引 言

由于新疆獨特的氣候環境及地理位置，現已成為我國棉花種植大省[1]。膜下滴灌棉花種植面積由2002年的94 萬hm2增加到2017年的225.4 萬hm2，15年間擴大了2.4 倍[2,3]。然而，隨著膜下滴灌棉花種植面積的不斷增加，地膜殘留污染已成為影響區域農業可持續發展的環境問題[4]。在新疆地區開展無膜滴灌棉花種植是解決殘膜污染較為可行的途徑之一[5]，而棉花無膜種植栽培模式尚處于起步探索階段，無膜滴灌棉花種植與水肥管理模式的研究成果還不夠完善，需要開展進一步研究。

灌溉和種植模式對棉花生長發育及產量具有顯著的影響，研究發現隨著種植密度的升高，棉花的株高、莖粗和葉面積均呈降低趨勢，過高的種植密度會導致葉片重疊程度加重，倒四葉的葉綠素含量和下層RAP 截獲率減小，從而影響葉片凈光合速率，使得棉花干物質積累量降低，而過低的種植密度則會造成田間漏光率降低，減小光能利用率，也不利于棉花高產[6-10]，因此，需構建適宜的群體結構以實現棉花的優質高產[11,12]。灌水定額是灌溉制度的基本參數之一，對棉花生長及產量具有重要影響[13]。研究表明南疆膜下滴灌棉花適宜的灌溉定額為300～420 mm[14]，各地略有不同，在極端干旱地區可以達到500 mm 以上[15]。在南疆地區，杜江濤等[16]研究表明膜下滴灌棉花在ETC-P累計值達到25 mm時進行灌溉，灌水定額30 mm 和生育期內灌水11 次的組合有利于提高棉花產量和水分利用效率，崔永生等[13]認為較高灌水定額可以顯著增加株高，提高光合產物累積量，生育期灌溉定額4 200 m3/hm2，蕾期灌水間隔7 d，花鈴期間隔5 d是南疆干旱區較為適宜的灌溉制度，何平如等[17]發現灌溉定額為334 mm，生育期灌水12 次可將較多的鹽分淋洗出作物根區，在保證棉花產量的同時達到節水排鹽的目的，忠智博等[18]在北疆地區研究發現灌水量為3 750 m3/hm2，施氮量為262.5 kg/hm2時，棉花單鈴質量和單株鈴數均為最大，且棉花產量較高。棉花無膜種植失去了地膜在增溫保墑方面的作用，使得土壤水分消耗增大，保水性降低[19,20]，因此，需提高灌水定額以滿足無膜棉花的生長發育。因此，本試驗開展不同灌溉種植模式下無膜滴灌棉花幼苗生長、根系發育、葉片光合參數的研究，旨在探明南疆無膜滴灌棉花適宜的灌溉和種植模式，以期為南疆無膜滴灌棉花的推廣應用提供前期研究基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于一師阿拉爾市水利局灌溉試驗基地（81°17′56.52″E，40°32′36.90″N）開展。試驗區屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，晝夜溫差極大，氣候干燥，常年干旱少雨。多年平均氣溫11 ℃左右，降雨量50 mm左右，年蒸發量2 100 mm左右，無霜期200～220 d，地下水深約為3 m 左右。試驗區為沙壤土，物理性質見表1。

表1 土壤物理性質Tab.1 Soil physical properties

1.2 試驗設計

本試驗種植棉花品種為“中棉619”，于2020年4月22日播種，4月29日進行出苗補水，灌水量為45 mm，5月5日齊苗后開展試驗。通過計算每日參考作物蒸發蒸騰量與降雨量的差值（ET0-P）確定灌水頻率，依據前人研究成果，當ET0-P 累計值達到45 mm 時進行灌溉[3,12]，ET0計算公式如下，田間氣象數據由試驗基地內安裝的HOBO 自動氣象站提供，包括降雨、風速、氣溫等氣象因子，試驗周期內田間氣象數據如圖1所示。

圖1 試驗周期內田間氣象數據Fig.1 Field meteorological data during the experiment period

式中：ET0為參考作物蒸發蒸騰量，mm/d；Rn為凈輻射量，MJ/（m2·d）；G為土壤熱通量，MJ/（m2·d）；γ為濕度計常數，kPa/℃；T為日均氣溫，℃；μ2為距地面2 m 高處風速，m/s；es為飽和水氣壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；Δ為溫度-飽和水汽壓關系曲線T處的的切線斜率，kPa/℃。

目前南疆膜下滴灌棉花的灌水定額在30 mm 左右，考慮無膜滴灌棉花土壤蒸發量較大，并參考已有的研究結果倍[3,12]，本試驗設置在膜下滴灌的基礎上分別提高20%、50%和80%，即T1（36 mm）、T2（45 mm）和T3（54 mm）,棉花采用等行間距模式進行種植，種植模式I1（行距30 cm，播種密度為33萬株/hm2）、I2（行距40 cm，播種密度為24 萬株/hm2），共計6個試驗處理，每個處理3 次重復，并以膜下滴灌棉花為CK 處理（當地冬春灌灌水量較大，覆膜種植土壤水分蒸發量較低，且土壤表層溫度較高，棉花萌發及生長速率較快，因此CK 處理無灌水），CK 處理種植模式為一模兩帶六行，行距為（66+10）cm，株距10 cm。共21 個試驗小區，小區規格為20 m×1.5 m（長×寬）。

滴灌帶布置方式為1 帶2 行，滴灌帶選用內向貼片式，滴頭間距20 cm，規格Φ16，滴頭額定流量3.0 L/h，灌水壓力采用0.1 MPa。田間管理措施如施肥、打藥等均與當地農田管理方式保持一致。

1.3 試驗測定項目和方法

(1)棉花生長指標測定。在苗期末期（CK 處理6月9日，無膜棉花6月19日），每個小區內隨機選擇3 株長勢均勻的樣株，用電子游標卡尺（0.01 mm）測量其莖粗，鋼尺（1 mm）測量棉花株高和棉花葉片的最大長度和寬度，用“單葉面積=長×寬×0.75”計算所有葉片的面積，進而計算出棉花單株葉面積。

(2)根系發育指標。將各處理的根系用蒸餾水沖洗干凈，采用Epson 掃描儀對根系進行掃描，并將圖像存入電腦，用WinRHIZO 根系分析系統軟件獲取總根長，根總表面積，根平均直徑等指標，分析后將根系放入60 ℃的恒溫干燥箱至恒重，測定根系干重。

(3)葉片SPAD 值。于每個小區內隨機選擇3 株長勢均勻的樣株，使用TYS-4N 植株營養測定儀測定棉花主莖倒三葉的SPAD值，測量時間為上午10∶00-12∶00。

(4)光合作用。在苗期末期使用Li-6400xt光合儀10∶00-12∶00 測定一次不同處理的凈光合速率(Photosynthetic rate，Pn)、蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)、氣孔導度(Stomatal conductance，Gs)、 胞間CO2摩爾濃度(Intercellular CO2concentration，Ci)。

(5)綜合指標CIi參考程建權[21]的方法計算：

式中：CIi表示第i個綜合指標；Eij表示第i個主成分第j個單項指標對應的特征向量；Xj’表示第j個單項指標的標準化值。

隸屬函數值u（xij）、綜合指標的權重wj及綜合評價值（Di）參照王賀正[22]的方法計算：

式中：xij表示第i材料主成分分析中第j個綜合指標值；xjmax、xjmin分別表示指標的最大值和最小值。

式中：wj表示第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度；pj為主成分分析中第j個綜合指標的貢獻率。

式中：Di表示第i個材料用綜合指標評價所得的綜合評價值。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2019對數據進行整理分析，SPSS統計軟件對數據進行方差分析，并使用Origin 2018進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉和種植模式對無膜滴灌棉花幼苗生長及葉片SPAD值的影響

不同灌溉和種植模式對棉花幼苗生長及葉片SPAD 的影響如表2所示，種植模式相同時，無膜棉花幼苗株高、莖粗、葉面積和葉片SPAD 值均隨灌水定額的增大而增加，且T3 處理株高、莖粗和葉面積均顯著優于T1和T2處理。灌水定額相同時，I2 處理棉花株高、莖粗和SPAD 值均在灌水定額為T3 時顯著優于I1 處理，T1 和T2 灌水定額下種植密度對棉花生長及SPAD 值影響不顯著。綜合分析，T3I2 處理棉花幼苗株高、莖粗、葉面積和葉片SPAD 值最優，較CK 分別增加了37.7%、13.8%、16.4%和9.8%。

表2 莖粗及株高Tab.2 Stem diameter and plant height

2.2 不同灌溉和種植模式對棉花幼苗根系生長的影響

不同灌溉及種植模式對棉花幼苗根系生長的影響如表3所示，種植模式相同時，無膜棉花棉花根系干重和根平均直徑均隨灌水定額的增大而增加，T3 處理顯著優于T1和T2 處理，總根長和根總表面積隨灌水定額的增大而降低，T1 處理顯著優于T2 和T3 處理。灌水定額相同時，I1處理棉花總根長在灌水定額為T1 和T2 時顯著優于I2 處理。綜合分析，無膜棉花幼苗T3I2 處理根系干重和根平均直徑最優，其中根平均直徑較CK 增加了39.5%，T1I1 處理總根長和根總表面積最優，較CK 處理分別減少了19.9% 和29.2%。

表3 各處理棉花植株根系生長性狀Tab.3 Root traits of cotton plants under different treatment

2.3 不同灌溉和種植模式對棉花幼苗葉片光合參數的影響

不同灌溉和種植模式對棉花幼苗葉片光和參數的影響如表4所示，種植模式為I1 時，棉花凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均隨灌水定額的增大而增加，T3 處理顯著優于T1 和T2 處理，而種植模式為I2 時，棉花胞間CO2濃度值隨灌水定額的增大呈先增加后減小趨勢，但差異不顯著。灌水定額相同時，I2 處理棉花凈光合速率顯著優于I1 處理， I2 處理棉花胞間CO2濃度值僅在灌水定額為T1 和T2 時顯著優于I1 處理。綜合分析，T3I2 處理棉花幼苗葉片光合參數最優，較CK 處理分別增加了23.1%、47.6%、33.0%和5.6%。

表4 葉片光合參數Tab.4 Leaf photosynthetic parameters

2.4 不同灌溉和種植模式下棉花幼苗生長指標綜合評價

對棉花幼苗的株高、莖粗、葉面積、SPAD 值、總根長、根總表面積、根系干重、根平均直徑、胞間CO2濃度、氣孔導度、蒸騰速率和凈光合速率等12 個性狀進行主成分分析。如表5所示，前2 個主成分的貢獻率分別為70.35%和21.42%，累積貢獻率達91.76%，表明這2 個指標代表了原來12 個單項指標91.76%的信息，因此將原來的12 個單項指標轉換為2 個相互獨立的綜合指標（CI）。第1個主成分（PC1）中根平均直徑、氣孔導度和蒸騰速率的特征向量最大，第2 主成分（PC2）中總根長、根總表面積和根平均直徑的特征向量較大，表明根平均直徑、氣孔導度、蒸騰速率和根總表面積的貢獻率較大，對灌溉和種植模式的響應度較高。

表5 各主成分的特征值和貢獻率Tab.5 Eigenvalues and Contribution Rates of Principal Components

通過2個主成分特征向量及各指標的相對值計算不同處理棉花幼苗的2個綜合指標，由于各單項指標均為越大越優，通過公式（3）求出隸屬函數值，并結合權重得到綜合得分，各處理綜合指標、隸屬函數值和綜合評價值如表6所示，根據綜合得分將各處理棉花幼苗進行綜合排序：T3I2＞T3I1＞CK＞T2I1＞T2I2＞T1I2＞T1I1。結果表明T3I2 處理的棉花幼苗D 值最大，為0.93，說明該處理下棉花幼苗生長狀況最優。

表6 幼苗期各處理的綜合指標（CI）、隸屬函數值（μ）、綜合評價值（D）和排名Tab.6 Comprehensive index(CI),subordinate function value(μ),comprehensive evaluation value(D)and ranking of each treatment at seedling stage

3 討 論

幼苗期作為棉花營養器官形成和發育的主要時期，此時棉花形態結構尚未建立完善，易受到外界逆境的影響[23]，如何提高棉花在幼苗期的抗逆性、保證棉花在幼苗期的生長發育是學者們關注的熱點，然而前人研究多于室內模擬條件下進行[24-26]，缺少在試驗小區應用的普適性。因此，本試驗開展不同灌溉和種植模式下無膜棉花幼苗生長、根系發育、葉片光合參數的研究，研究結果可為南疆無膜滴灌棉花的推廣提供前期研究基礎。

根系是植物直接吸收利用營養物質的重要器官，其發育狀況對植物生長發育具有十分顯著的影響[27]，在水分脅迫條件下，總根長、根表面積等根系指標被用于植物抗旱性研究[28]。本試驗中無膜棉花幼苗總根長和根表面積均隨灌水定額降低而增加，根系干重和根平均直徑隨灌水定額降低而減小，這與段桂芳等干旱誘導根系伸長生長，使得總根長、根表面積等增加，根系直徑減小，從而增加植株根系活力，提高對干旱脅迫的抵抗能力[29,30]的結論相一致。這表明無膜種植失去了地膜在增溫保墑方面的作用，且土壤蒸發較大，灌水定額T1和T2 無法滿足棉花生長對水分的需求，此時根系通過增加長度、擴大其在土壤中的分布范圍[31]，從而獲取生長所需的土壤水分，灌水定額T3 由于土壤水分較為充足，植株通過增加根系直徑使其吸水能力增大，進而保證其生長發育對水分的需求。

灌溉和種植模式對棉花生長發育有顯著影響[32]，采用合理的種植密度可以減少棉花個體間的矛盾與競爭，構建出適宜的群體結構，有利于棉花的生長發育，使棉花獲得高產[33]。無膜棉花幼苗莖粗、株高和葉面積均隨灌水定額的增大而增加，這與潘秋艷等的研究結果相似[34,35]，說明較低的土壤水分無法充分滿足棉花幼苗的生長，產生干旱脅迫。I2 處理株高在灌水定額為T3 時顯著優于I1 處理，這與牛玉萍[36]等棉花株高隨種植密度的增加而降低的研究結果一致，而灌水定額為T1 和T2 時I2 處理株高小于I1 處理，原因可能是灌水定額較小，I1處理棉花距離滴灌帶距離更近，較I2 可以獲得更多的土壤水分所致。

前人研究表明，棉花倒四葉SPAD 值可以較好的反映葉片葉綠素含量，且葉綠素含量與植株光合作用之間存在著密切關系，是植株光合作用的物質基礎[37]。本試驗中無膜棉花幼苗葉片凈光合速率和氣孔導度均隨灌水定額的增加呈上升趨勢，這是因為水分脅迫對氣孔開度產生顯著影響，虧水使部分葉片氣孔關閉，同時，由于干旱脅迫程度的增強，使得葉綠素分解速率加快，從而造成葉片SPAD 值降低[38]，最終導致葉片光合速率下降[39,40]。由此可見，適宜的灌水定額可以提高棉花光合作用速率，提高其對環境的適應力，進而保證幼苗的良好發育。

通過主成分和隸屬函數法分析得出棉花根平均直徑、氣孔導度、蒸騰速率和根總表面積對灌溉和種植模式的響應度較高，棉花幼苗各項指標綜合評價值D 排序為：T3I2＞T3I1＞CK＞T2I1＞T2I2＞T1I2＞T1I1。因此，考慮不同灌水定額和播種密度對棉花幼苗生長和光合特性的影響，無膜滴管棉花適宜的灌水定額為54 mm，播種密度為24 萬株/hm2,可為無膜滴灌棉花產量的形成提供良好的前期基礎。

4 結 論

本文分析了灌溉和種植模式對無膜滴灌棉花幼苗生長及光合特性的影響，無膜栽培棉花株高、莖粗、葉面積、總根重、根平均直徑和葉片凈光合速率均隨灌水定額的增大而顯著增加，但總根長和根總表面積顯著降低，葉片凈光合速率隨播種密度的增加而顯著下降。棉花根平均直徑、氣孔導度、蒸騰速率和根總表面積對灌溉和種植模式的響應度較高，通過對棉花幼苗各指標進行綜合評價，發現灌溉和種植模式分別在54 mm 灌水定額和24 萬株/hm2播種密度時，無膜棉花幼苗生長狀況較好。