微咸水膜下滴灌对棉花生长发育及其产量的影响研究

宋有玺, 安进强, 何岸镕， 陈丽娟

(1.甘肃农业大学 工学院, 兰州 730070; 2.甘肃大禹节水集团股份有限公司 工程设计公司,甘肃 酒泉 735000； 3.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所， 兰州 730000)

注：T表示快速累积持续期。



微咸水膜下滴灌对棉花生长发育及其产量的影响研究

宋有玺1,2, 安进强1, 何岸镕1， 陈丽娟3

(1.甘肃农业大学 工学院, 兰州 730070; 2.甘肃大禹节水集团股份有限公司 工程设计公司,甘肃 酒泉 735000； 3.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所， 兰州 730000)

微咸水膜下滴灌是缓解全球农业用水短缺的有效途径之一。通过开展不同灌溉水矿化度条件下的农田控制试验，围绕微咸水膜下滴灌对棉花叶面积、地上生物量积累及其分配、棉株叶片含水率、棉花产量及产量构成因素等的影响进行了研究，同时结合Logistic模型，对地上干物质积累规律进行了探讨。结果表明：利用矿化度低于6.0 g/L的微咸水膜下滴灌比淡水灌溉更有利于棉花叶面积的生长；微咸水矿化度在2.0 g/L时会促进棉花干物质的积累，而当矿化度≥4.0 g/L时，干物质积累量随着矿化度的增加而减少，矿化度的增加会使干物质快速积累起始时间推迟且持续时间缩短。当矿化度≤4.0 g/L时，棉花生育后期生殖器官所占比重随灌水矿化度的增加而增大，但当矿化度达到6.0 g/L时生殖器官所占比重减小；灌溉水矿化度对棉花产量的影响有明显的分段性，民勤绿洲区种植棉花的灌溉水矿化度阈值为3.51 g/L，即在矿化度<3.51 g/L时，微咸水灌溉的棉花产量与淡水灌溉产量差异不明显，高于此阈值时，则会造成减产。

微咸水; 棉花; 膜下滴灌; 产量

淡水资源匮乏已成为世界性的问题，严重影响了全球粮食安全和生态系统健康[1]。利用微咸水灌溉能缓解农业生产对淡水资源造成的压力，是解决农业用水短缺的有效途径之一。国外利用微咸水进行农业灌溉已经有一百多年的历史，我国也有近半个世纪[2]。合理评价微咸水灌溉对农田生态系统的影响一直是国内外专家学者关注的热点问题之一[3-6]。

使用微咸水灌溉可能会对作物不同生育期的生长产生不同程度的影响[7-9]，大多数耐盐作物在花期和成熟期耐盐性达到最高，后期的微咸水灌溉对产量影响不显著[10]。膜下滴灌技术能有效缓解微咸水中盐分在作物根区的聚集，降低盐分对作物生长的影响，因此，被认为是最适合用于微咸水灌溉的方式[3]。在美国、以色列等国家，80%以上的微咸水采用滴灌技术进行灌溉[11]。近年来，针对微咸水膜下滴灌对作物的影响成为众多研究人员关注的焦点[12-14]，本文就民勤地区微咸水膜下滴灌对棉花叶面积、地上部生物量及其产量等的影响进行试验研究，旨在为揭示棉花生长对微咸水膜下滴灌的响应机理提供科学依据，同时为该地区微咸水资源的有效利用提供试验基础。

1　材料与方法

1.1试验区概况

试验于2014年4—11月在甘肃省水利科学研究院民勤节水农业及生态建设试验示范基地进行。该试验示范基地位于民勤县城以北约13.5 km处的泉山区大滩乡东大村，地理位置为103°12′03.4″E，38°42′40.2″N，海拔1 347 m。基地处于绿洲和腾格里沙漠交界地带，属典型的大陆性荒漠气候，气候干燥，降水稀少，蒸发量大，风沙多，自然灾害频繁。多年平均气温7.8℃，极端最高气温41.1℃，极端最低气温-27.3℃，平均湿度45%，多年平均降水量110 mm，多年平均蒸发量2 644 mm。年日照时数3 028 h，光热资源丰富，≥10℃积温3 145℃，≥0℃积温3 550℃，无霜期150 d，最大冻土深115 cm。地下水矿化度为0.92 g/L，埋深为18～25 m。试验区0—40 cm土壤以壤土为主，干容重1.57 g/cm3。试验前0—60 cm土壤肥力及盐分特性见表1—2。

表1土壤肥力

土层/cm有机质/%全氮/%全磷/%全钾/%碱解性氮/(mg·kg-1)速效磷/(mg·kg-1)速效钾/(mg·kg-1)0—200.650.0580.121.7528.9019.0214020—400.730.0560.111.7526.104.0114040—600.510.0580.121.7517.501.72140

表2土壤盐分含量

土层/cmCO2-3/(g·kg-1)HCO-3/(g·kg-1)Cl-/(g·kg-1)SO2-4/(g·kg-1)Ca2+/(g·kg-1)Mg2+/(g·kg-1)K+/(g·kg-1)Na+/(g·kg-1)全盐量/(g·kg-1)pH值0—200.140.450.030.130.100.110.050.201.217.9220—40—0.480.060.300.030.160.030.391.457.4540—600.030.500.090.500.040.220.030.481.898.05

1.2试验设计

试验以灌溉水矿化度作为试验因素，按2.0，4.0，6.0 g/L设计，分别用T1，T2，T3表示，以矿化度为0.92 g/L的深井淡水作为对照(CK)，每个处理设3次重复，共布置12个小区。不同灌水矿化度拟用位于民勤湖区西渠镇皇辉村(103°36′11.9″E，39°02′56.4″N)的浅井苦咸水(矿化度14.10 g/L)与试验基地深井淡水(矿化度0.92 g/L)配置而成，配制依据见公式(1)。每次灌水前使用电导率仪标定水质矿化度，灌水方式拟将不同矿化度的灌溉水贮存在容积为10 m3的蓄水池中，由微型泵供应，每个小区用安装在输水管上的水闸与水表进行灌水控制。

(1) 式中：M——试验所需灌水矿化度(g/L)；Mf——深井淡水矿化度(g/L)；Ms——浅井苦咸水矿化度(g/L)；Qf——深井淡水量(m3)；Qs——浅井苦咸水量(m3)。

棉花参试品种为“新陆早七号”，试验小区按试验地自然地形随机区组设计，小区面积15 m×3.4 m。膜下滴灌采用幅宽140 cm的地膜，膜间间距为30 cm，一膜下面铺设两根毛管，两根毛管间距80 cm。每膜种植4行棉花，采用宽窄行种植，即宽行50 cm，窄行30 cm(毛管铺在两个窄行中间)，棉花株距20 cm。滴灌带膜下固定，滴头间距30 cm，额定工作压力为0.1 MPa，额定滴头流量为2.0 L/h。为保证棉花出苗，在4月22日采用淡水进行第一次灌溉，之后5次采用微咸水灌溉，灌水时间分别为6月22日、7月12日、7月27日、8月11日和8月24日，每次灌水量为300 m3/hm2。施肥与农药喷洒措施等参照当地大田。

1.3观测项目与方法

样品采集：棉花各生育期，在各小区选择生长均匀一致的棉花10株，将根、茎(茎+果枝+叶柄)、叶、蕾(花铃)分离并装入采样袋，尽快带回实验室测定鲜重，本试验均采用精度为0.001的电子天平测定重量。

叶面积指数(LAI)：用鲜样称重法推求棉花叶面积。在每个小区随机采摘N片棉花叶片，均裁取4 cm2的部分测定鲜重为M，由此推出重量—面积系数为M/(N×4)，然后根据小区棉株数求得小区棉花总叶面积，进而得到叶面积指数。

叶片含水率：根据各生育期采集的叶片鲜重和干重，计算棉株叶片含水率。

干物质：各生育期采集的样品测定鲜重后放入烘箱，105℃杀青30 min后，70℃恒温烘6～8 h至恒重，测定干物质重量。

产量及产量构成因素：在盛铃期调查各处理小区的单株铃数；吐絮期每小区摘取吐絮顺畅的100铃，计算百铃重；收获小区产量后，折算籽棉产量(kg/hm2)，去籽后求得衣分。

1.4生物量动态增长模型及参数计算

棉株干物质积累规律的拟合采用Logistic模型，其基本形式为：

(2)

式中：W——棉花干物质积累量；A——干物质积累量的理论最大值；t——第1次取样日起的天数；a，b——生长系数。

Logistic模型蕴含着丰富的生物生态学特性信息，利用这些信息求得的参数能较好地解析棉株生物量增长特点，从而对其进行定量分析。分别对公式(2)求1阶、2阶和3阶导数，可得相应生长曲线的最快生长时段的起始时间(t1)、终止时间(t2)、最大相对生长速率(Vm)及其出现时间(tm)。计算公式为：

(3)

(4)

(5)

(6)

1.5数据处理

采用Excel 2007进行数据处理，1stOpt进行模型计算，应用SPSS进行统计分析。

2　结果与分析

2.1微咸水膜下滴灌对棉花叶面积指数及叶片含水率的影响

2.1.1微咸水膜下滴灌对棉花叶面积指数的影响叶面积指数(LAI)是衡量棉花冠层结构是否合理的重要指标之一，合理的叶面积指数有利于提高光能利用率，减少漏光，从而提高产量。如图1所示，T1(2.0 g/L)，T2(4.0 g/L)，T3(6.0 g/L)处理的叶面积指数均表现出随棉花生育期推进先逐渐增加，在盛铃期达到最大后逐渐减小的趋势；峰值之后各处理的叶面积指数均超过对照CK(0.92 g/L)，表明利用矿化度低于6.0 g/L的微咸水膜下滴灌比淡水灌溉更有利于棉花叶面积的生长。从对盐分的敏感性分析可以看出，在盛花期之前不同矿化度处理间叶面积指数的差距较大，说明在此之前矿化度对叶片生长的敏感性较强；盛花期之后取样调查的叶面积指数在不同矿化度处理间的差距减小，对盐分敏感性逐渐减弱。

图1不同处理棉花叶面积指数变化

2.1.2微咸水膜下滴灌对棉株叶片含水率的影响由表3可以看出，棉株叶片含水率在棉花不同生长阶段CK，T1，T2，T3处理间存在差异，此差异在盛花期和吐絮初期表现尤为明显。全生育期棉株叶片含水率T1均低于CK，微咸水处理棉株叶片含水率在现铃前随着灌溉水矿化度的增加而增大，该阶段T3叶片含水率高于CK叶片含水率；现铃后棉株叶片含水率随着灌溉水矿化度的增加而减小。说明在棉花营养生长阶段适宜矿化度的微咸水有利于棉花叶片的代谢生长，而在其生殖生长阶段使用微咸水灌溉会对棉花叶片的代谢生长产生一定程度的抑制作用，且灌溉水矿化度越高抑制程度越强。

表3不同矿化度微咸水灌溉棉株叶片含水率方差分析%

处理蕾期盛花期初铃期盛铃期吐絮初期CK76.728ab67.566c77.314ab77.267a71.571aT175.206c66.155d76.278b76.830a70.356bT275.854bc70.315b77.943a75.600b68.915cT377.350a72.433a76.170b76.830a67.137d

注：不同小写字母表示处理间差异达显著水平(p<0.05)，下表同。

2.2微咸水膜下滴灌对棉花地上部生物量积累及其分配的影响

2.2.1微咸水膜下滴灌对棉花地上部干物质的影响由图2可知，自蕾期开始，棉株干物质积累量随着生育期的推进呈现出先增加后减小的趋势，在吐絮初期积累量达到最大；除盛花期T1和CK的干物质积累量相差不大外，其他各时期均表现为T1>CK，说明当灌水矿化度在T1水平时有利于棉花干物质的积累。T2和T3的干物质积累量在棉花整个生育期均表现为：CK>T2>T3，说明当灌水矿化度≥4.0 g/L时会抑制干物质的积累，且抑制程度随灌水矿化度的增加而增强。蕾期取样的平均单株干物质积累量T2和T3分别是CK的72.98%和44.02%，盛花期为66.88%和43.29%，盛铃期为96.00%和73.94%，收获期为96.50%和82.61%。

图2不同处理棉株地上部干物质变化

对不同处理棉株地上部相对干物质积累量(不同处理干物质积累量与对照干物质积累量之比)进行方差分析(表4)，可以看出：各处理间棉株地上部相对干物质积累量的差异随棉花生育期推进逐渐减小，这

与叶面积生长对盐分的敏感性变化趋势一致，可能是由于盐分胁迫逐渐减弱及棉花耐盐能力增强的原因，说明高矿化度微咸水处理的棉花地上部干物质在中后期获得了较多的补偿生长。

表4不同矿化度微咸水灌溉对棉株地上部相对干物质积累的影响g

处理蕾期盛花期初铃期盛铃期吐絮初期收获期CK1.00b1.00a1.00ab1.00b1.00a1.00abT11.08a1.00a1.12a1.10a1.01a1.06aT20.73c0.67b0.88b0.96b0.93a0.97bT30.44d0.43c0.69c0.74c0.78b0.83b

由表5可知，棉株地上部干物质积累的Logistic动态模型反映出以下两个规律：一是随着灌水矿化度的增加干物质快速积累起始时间推迟且持续期缩短；二是随着灌水矿化度的增加棉株最大相对生长速率增大且其出现时间滞后。CK的干物质快速积累开始时间为8月初，快速积累持续期为49 d，T1的变化与CK相差不大。T2和T3的干物质快速积累开始时间较CK滞后12 d和18 d，快速积累持续期缩短10 d和15 d；T2和T3的最大相对生长速率分别是CK的122.2%和118.1%，出现最大相对速率的时间较CK滞后了7 d和11 d。

表5不同处理下棉株地上部干物质积累量的动态模型

处理模拟方程决定系数R2理论最大值/gt1/dt2/dVm/(g·d-1)tm/dT/dCKW0=54.68/(1+10.61e-0.053t)0.952254.6843920.726749T1W1=56.68/(1+11.62e-0.056t)0.946456.6843900.796747T2W2=51.69/(1+32.50e-0.068t)0.958151.6955940.887439T3W3=43.41/(1+74.78e-0.078t)0.978243.4161950.857834

注：T表示快速累积持续期。

2.2.2各器官在棉株地上部干物质中的分配由表6可知，随着棉花生育期的推进，茎和叶占棉株地上部干物质的比重逐渐减小，生殖器官所占的比重逐渐增大。不同处理间棉株各器官占地上部干物质的比重存在差异，且差异性随棉花生育期推进而逐渐减小，这种差异变化规律与叶面积生长和干物质积累的变化规律一致。与对照相比，当灌水矿化度≤4.0 g/L时，棉花生育后期生殖器官所占比重随灌水矿化度的增加而增大，但当灌水矿化度达到6.0 g/L时，生殖器官所占比重大幅减小。此规律表明使用较低矿化度的微咸水灌溉对棉花生殖生长具有一定的促进作用，促进养分从营养器官向生殖器官的转移，使用较高矿化度的微咸水灌溉会阻碍养分向生殖器官的转移。灌水矿化度对营养器官占地上部干物质比重的影响与其对生殖器官所占比重的影响相反，对叶的影响比对茎的影响大。

2.3微咸水膜下滴灌对棉花产量的影响

由表7可以看出，当灌水矿化度≥4.0 g/L时，籽棉产量开始下降，灌水矿化度对棉花株数、单株铃数、百铃重及衣分等的影响不大。灌水矿化度对籽棉产量的影响有明显的分段性，T1处理籽棉产量高于CK(增产1.31%)，T2和T3处理籽棉产量均低于CK，具体表现为：T2处理籽棉产量较CK减产1.03%，T3处理籽棉产量较CK减产1.76%。因此推断在2.0～4.0 g/L有一个对产量影响是否明显的矿化度临界值，其具体数值可计算求得。

用分段方程y=100-a(x-x0)对籽棉相对产量数据进行回归分析，并对籽棉的相对产量(CK处理的产量为100，其他处理产量与之对应的比值数)进行拟合，可得相对籽棉产量与灌水矿化度之间的数量关系方程：

y=100-0.77(x-3.51)(R2=0.914)

(7)

此方程表明民勤绿洲区种植棉花的微咸水矿化度阈值为3.51 g/L，即在矿化度小于3.51 g/L时，微咸水灌溉的棉花产量与深井淡水灌溉的产量相近，差异不明显，高于此矿化度阈值时，灌水矿化度超过的数值越大，则减产程度越大。方程斜率表示当灌水矿化度高于阈值1 g/L时，则相对籽棉产量较淡水灌溉减产0.77%。

表6不同处理棉花各器官对地上部干物质的贡献率%

项目处理蕾期盛花期初铃期盛铃期吐絮初期CK48.22a31.69b29.08a26.00b15.17b叶占T148.18a31.87b28.82a26.74ab13.56c比重T247.92a36.36a27.66b23.49c15.84abT347.96a36.64a28.85a27.50a16.63aCK42.88a41.88a31.98b29.83a22.28a茎占T145.23a35.96c27.96d27.25b21.39a比重T244.04a40.98a30.69c24.08c21.47aT343.56a37.69b35.51a29.42a23.22a生殖CK8.89a26.41b38.94c44.16b62.54a器官T16.59d32.18a43.23a46.00b62.57a占比T28.08c22.63c41.66b52.42a62.69a重T38.46b25.68b35.66d43.08b60.15b

表7　不同微咸水灌溉籽棉产量和产量构成因素

3　结 论

恰当地控制灌溉微咸水的矿化度，对耐盐作物生长及其产量不会产生很大的影响，说明微咸水可替代部分淡水资源进行农业生产。本研究表明：利用矿化度低于6.0 g/L的微咸水膜下滴灌比淡水灌溉更有利于棉花叶面积的生长，叶面积生长对盐分的敏感性表现为先强后弱。微咸水矿化度在2.0 g/L水平时会促进棉花干物质的积累，当矿化度≥4.0 g/L水平时，干物质的积累随灌水矿化度的增加明显受抑。各处理间叶面积生长、干物质积累和各器官所占比重的差异程度随生育期推进逐渐缩小，这是因为盐分胁迫逐渐减弱和棉花耐盐能力增强的缘故。Logistic动态模型反映出：随着灌水矿化度的增加干物质快速积累开始时间推迟滞后，快速累积持续期缩短及棉花最大相对生长速率增大。使用较低矿化度的微咸水灌溉对棉花生殖生长具有一定的促进作用，促进养分由营养器官向生殖器官的转移，使用较高矿化度的微咸水灌溉会阻碍养分向生殖器官的转移。灌水矿化度对棉花产量的影响有明显的分段性，民勤绿洲区种植棉花的微咸水矿化度计算阈值为3.51 g/L，即在矿化度小于3.51 g/L时，微咸水灌溉条件下的棉花产量与淡水灌溉的产量差异不明显，高于此阈值时，灌水矿化度越大则产量降低越多。总之，利用适宜矿化度的微咸水膜下滴灌，可以确保缺水地区棉花产量不受影响，从而为利用微咸水资源发展持续农业提供一条途径。

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Effect of Mulched Drip Irrigation with Saline Water on Cotton Growth and Yield

SONG Youxi1，2, AN Jinqiang1, HE Anrong1， CHEN Lijuan3

(1.EngineeringCollege,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China; 2.EngineeringDesignCompany,GansuDayuWaterGroupCo.,Ltd.,Jiuquan,Gansu735000,China; 3.ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitue,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China)

Mulched drip irrigation with saline water is an effective method to relieve global agricultural water scarcity. A field experiment under different irrigation water salinity was conducted to study the effect of mulched drip irrigation with saline water on cotton leaf area index, aboveground biomass and its allocation, cotton leaf water content, yield and its component. The Logistic model was also used to analyze the regularity of dry matter accumulation. The results demonstrated that the use of brackish water film salinity below 6.0 g/L under drip irrigation was more conducive to the growth of cotton leaf area than fresh water irrigation; the dry matter accumulation of cotton increased while the total dissolved solid (TDS) of irrigation water was 2.0 g/L. However, the value was reduced with TDS increase when the TDS was greater than 4.0 g/L. In addition, the start time of quick accumulation was delayed and its duration was shortened. The proportion of reproductive organ during late growth stage increased when the TDS was less than 4.0 g/L, and reduced when TDS was 6.0 g/L. The effect of mulched drip irrigation with saline water on cotton yield had obvious stages. The threshold of irrigation water TDS in Minqin Oasis was 3.51 g/L: when the TDS was less than this value, there was no significant difference in cotton yield between saline and fresh water irrigation, while TDS is bigger than this threshold, the yield will decrease.

saline water; cotton; mulched drip irrigation; yield

2015-01-05

2015-02-06

国家自然科学基金资助项目“干旱区春小麦垄作沟灌技术参数研究”(51169002)；中科院寒旱所青年基金资助项目“荒漠绿州农田土壤—植物系统对地下灌溉的响应研究”(Y451051001)

宋有玺(1987—),男,甘肃靖远人,硕士研究生,研究方向为节水灌溉。E-mail:553121502@qq.com

安进强(1971—),男,甘肃通渭人,副教授,硕士生导师,主要从事农业节水灌溉自动化研究。E-mail:anjq@gsau.edu.cn

S275.6; S562

A

1005-3409(2016)01-0128-05