水分传感器位置及灌水阈值对膜下滴灌棉花生理指标及产量的影响

王风姣，王振华，张金珠，李文昊

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000)

新疆地处我国西北地区，气候干旱少雨，而农业用水需求量大，占新疆用水总量的90%以上[1]，水资源利用效率较低，尤其是农业用水不高[2]。农业节水灌溉技术在新疆发展较快，自1996年新疆生产建设兵团推广膜下滴灌技术以来，现在膜下滴灌总面积已超过266 万hm2，是全国应用滴灌技术最大的地区[3]。自动化灌溉系统是世界先进国家发展高效农业节水的重要举措[4]，水分传感器位置与灌水阈值相结合，能够长期定点监测不同土层含水率，对高效利用水资源，提高棉花产量具有重要意义。

近年来，滴灌灌溉控制的研究及应用基本仅限于温室蔬菜或花卉等，关于不同水分传感器位置及灌水阈值对棉花生理生长及产量的影响研究较少。申孝军等[5]研究发现：土壤水分测点垂直方向0～10、20～30、40～50和60～80 cm 4个深度相结合后，能够比较准确地反映土壤剖面的信息，膜下滴灌棉田土壤水分传感器可布设在此处。李芳松[6]提出监测点布设在地表下20～40 cm深度较合理，若长期监测墒情，监测点布设在地表下30～40 cm土层范围内较好。因此，基于前人研究结果并结合当地的具体情况，本试验水分传感器位置布设在地表下20、40、60 cm。

自动化控制灌溉系统是通过设定合适的灌水阈值控制灌溉。刘建军等[7]认为滴灌棉花土壤含水率保持在 60%～80%田间持水率时，作物耗水分布及水分利用率达到较好效果。俞希根 等[8]通过大田试验，得出膜下滴灌棉花4个生育阶段合适的土壤水分下限(占田间持水率的百分数)分别为55%、60%、70%、55%。综上表明设定适宜的灌水阈值，可以使土壤水分保持在合适水平，对寻求适宜的灌溉制度起积极作用。

本文通过大田试验，研究滴灌条件下不同水分传感器位置、灌水阈值因素对棉花生理生长及产量的影响，以期为新疆滴灌棉花的优质高效栽培及其棉田水分有效利用提供理论指导和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年4-10月在现代节水灌溉兵团重点实验室暨新疆石河子大学节水灌溉试验站(85°59′E、44°19′N，海拔451 m)进行。试验站位于石河子市西郊石河子大学农试验场二连，平均地面坡度为0.6%，年均日照数为2 865 h，多年平均降水量207 mm，平均蒸发量1 660 mm，年均温7.7 ℃，其中>10 ℃积温为3 463.5 ℃，>15 ℃积温为2 960.0 ℃，无霜期170 d，地下水埋深大于10 m，土壤质地为中壤土，0～100 cm土壤平均容重为1.60 g/cm3，田间持水率(质量含水率)18.65%。

1.2 试验设计

采用大田试验，小区规格为40 m×4.5 m=180 m2，试验区总面积约0.144 hm2，设置高等、中等、低等3个灌水阈值与3个水分传感器位置(20、40、60 cm)，设计9个试验小区，与1个常规灌溉小区作为对照，各处理3次重复，小区排序按灌溉决策系统记录灌水频率递增编号，见表1。小区之间设置保护区，土壤温湿度传感器埋设于保护区中间滴头正下方20、40、60 cm，防止水分渗透影响处理效果，传感器探针紧实地插入土层中，之后将挖出的土壤按照水土重量比10∶1进行回填，灌溉决策系统利用水分传感器感知作物根区土壤含水率各阶段设计的灌水下限时开始灌溉，土壤含水率达到预期灌水上限时结束灌溉。

表1 水分传感器位置与灌水阈值试验设计Tab.1 Moisture sensor location and irrigation threshold test design

试验选取棉花品种“农丰133”，播种方式采用一膜两管四行，平均株距10 cm，种植模式见图1。4月18日播种(干播湿出)，播种深度为3～4 cm， 4月25日出苗，9月4日开始采摘。灌溉水为试验基地深层地下水，矿化度低于0.3 g/L，各小区施肥尿素和磷酸钾铵按照2∶1的比例进行施肥，试验小区按比例随水施肥，用缩节胺化控4次。灌溉系统由自动化灌溉软件、土壤温湿度传感器以及田间灌溉控制器组成。滴灌带选用单翼迷宫式滴灌带，外径16 mm，壁厚0.3 mm，滴头间距30 cm。供水系统以水泵加压，管道内水压由管道前部压力表进行监测，支管闸阀开闭程度调节控制管道内压力至0.06 MPa，此时滴头流量为1.2 L/h。

图1 棉花种植模式及传感器布置(单位:cm)Fig.1 Cotton planting patterns and sensor layout

1.3 测定项目和方法

1.3.1 光合生理指标

在棉花蕾期(6月15日)、花铃期(8月15日)、吐絮期(9月6日)使用美制CI-340型手持式光合仪测定棉花的光合特性。测定叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)等光合生理指标。各小区随机选取3株棉花，每株选取棉花功能叶3片，在各生育期晴朗无云的一天，测量时间为10∶00-20∶00(北京时间)，每隔2 h测定一次并取其平均值。根据测定的数据计算叶片光合作用气孔限制值(Ls)[9]、叶片水分利用效率(WUE)[10]。其计算公式为：

WUE=Pn/Tr

(1)

Ls=1-Ci/Ca

(2)

1.3.2 生长指标

(1)株高H。每个小区选取长势均匀的3株植株并标记，从苗期开始自子叶节至顶部第一片展开叶片的高度，每隔15 d左右对所选取的植株观测一次。

(2)叶面积。每个小区选取长势均匀的3 株植株并标记，在不破坏植株生长的情况下，用直尺对叶片进行测量，叶长为从叶片基部到叶尖，叶宽为叶片最宽处，累计算出每株叶面积，每隔15 d对所选植株观测一次。

棉花单株叶面积=叶长×叶宽×0.84[11]

(3)

叶面积指数LAI=单株叶面积×

单位土地面积株数/单位土地面积[3]

(4)

1.3.3 产量指标

收获时，每个小区随机取中间行的5株棉花，测定单株铃数、单铃质量及籽棉产量。

1.3.4 数据处理与分析

研究获得的数据借助Excel 2013进行分析，方差分析借助SPSS 17.0软件完成，用Origin 2017完成绘图。

2 结果与分析

2.1 水分传感器位置及灌水阈值对棉花光合生理指标的影响

表2、3、4是不同水分传感器位置及灌水阈值处理即自动化控制灌溉处理，对滴灌棉花各生育期净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、细胞间CO2浓度(Ci)、气孔限制值(Ls)和叶片水分利用效率(WUE)的影响。其中水分传感器位置对棉花Pn、Tr、Gs、Ci、Ls、WUE的影响达到极显著水平(P<0.01)；灌水阈值对棉花Pn、Tr、Gs、Ci、Ls、WUE的影响不显著(P>0.05)；水分传感器位置及灌水阈值对棉花Pn、Tr、Gs、Ci、Ls、WUE的影响达到极显著水平(P<0.01)。

2.1.1水分传感器位置及灌水阈值对滴灌棉花净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)的影响

由表2可知，自动化控制灌溉处理的滴灌棉花Pn、Tr在花铃期(6月20日)出现最大值均出现在T5处理，最大值高达31.44 μmol/(m2·s)、5.25 mmol/(m2·s)，最小值均出现在CK，最小值分别为21.01 μmol/(m2·s)、4.39 mmol/(m2·s)。T5相对于CK分别增加49.64%、19.59%。当水分传感器位置一定时，Pn、Tr随着灌水阈值的增加呈 “Λ”趋势变化，具体表现为T2蕾期>吐絮期。

2.1.2水分传感器位置及灌水阈值对滴灌棉花气孔导度(Gs)、细胞间CO2浓度(Ci)及气孔限制值(Ls)的影响

气孔是水分和CO2交换的重要通道。由表3知，自动化控制灌溉处理的滴灌棉花各生育期T2～T9较CK差异性显著(P<0.05)，T1较CK差异性不显著(P>0.05)。但整体上随棉花生育阶段呈现出“上升—下降”的变化趋势，蕾期至花铃期气孔导度值增加，而后花铃期至吐絮期气孔导度值下降，与净光合速率变化趋势一致。Gs最大值出现在T5处理，较CK增加31.35%。

由表3知，自动化控制灌溉处理的滴灌棉花的胞间CO2浓度(Ci)的变化趋势与Pn、Tr、Gs变化相反，呈现出的季节变化特征，表现为花铃期<蕾期<吐絮期。最大值出现在棉花吐絮期的T5处理，为458.19 μmol/mol；CK出现的最小值为361.78 μmol/mol，T5较CK增加26.64%。当水分传感器位置在40 cm时，棉花细胞间CO2浓度T5处理最大，T2处理最小。此时中等灌水阈值、40 cm水分传感器位置(T5)自动化控制灌溉处理最优。

由表4知，自动化控制灌溉处理的滴灌棉花气孔限制值(Ls)呈现出的季节变化特征为蕾期>花铃期>吐絮期，这可能与棉花生育后期叶肉细胞光合活性降低有关。在棉花花铃期(6月20日)CK出现最大值为0.46，此时T5出现最小值为0.25，CK较T5增加84%。

判断植物光合作用是否为气孔限制因素的基础是细胞间CO2浓度(Ci)和气孔限制值(Ls)的变化规律[12]。通过以上分析可知，Pn、Tr、Gs、Ls均随棉花生育期的推进呈现减少的趋势，而Ci是随着生育期的推进而增加。在花铃期(6月20日)，水分传感器位置在40 cm时，随着灌水阈值的增加，Pn、Tr、Gs、Ci呈“Λ”形变化，而Ls呈“V”变化，这说明同一传感器深度，随着灌水阈值增大，Pn、Tr、Gs、Ci会受到水分的胁迫而降低。还可以看出，吐絮期的Pn、Gs、Ls均小于蕾期，而Ci却大于蕾期，可能是由于长时间水分胁迫抑制卡尔文循环酶(如Rubisco、PECP等)的活性，从而导致Pn下降。

土壤墒情对棉花光合特性有重要影响，本试验通过探求合适的灌水阈值与水分传感器位置的自动化控制灌溉处理，确保棉花主要根系分布区有充足稳定的水分供给，棉花的光合特性得到提高，进而增加棉花产量。通过光合指标得出，T5的效果最佳。

2.1.3水分传感器位置及灌水阈值对滴灌棉花叶片水分利用效率(WUE)的影响

叶片水分利用效率是指通过蒸腾作用散失单位水量时光合作用创造的有机物量，称为水分利用效率的理论值[13]。由表4可知，与CK相比，T1处理叶片水分利用效率差异不显著(P>0.05)，T2～T9处理较CK差异显著(P<0.05)。花铃期(6月20日)T5处理出现最大值较CK增加25.05%。花铃期叶片水分利用效率显著高于吐絮期，这可能是由于花铃期棉花生理活动比较活跃，水分利用效率提高。花铃期水分传感器位置40 cm、中等灌水阈值即T5，自动化灌溉对WUE有促进作用。

表2 不同水分传感器位置及灌水阈值处理对棉花净光合速率和蒸腾速率的影响Tab.2 Effect of different moisture sensor position and irrigation threshold on net photosynthetic rate and transpiration rate of cotton

注：*表示差异显著(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01)；同列数值后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

表3 不同水分传感器位置及灌水阈值处理对棉花气孔导度和细胞间CO2浓度的影响Tab.3 Effect of different moisture sensor position and irrigation threshold on stomatal conductance and intercellular CO2 concentration in cotton

表4 不同水分传感器位置及灌水阈值处理对棉花水分利用效率和气孔限制值的影响Tab.4 Different moisture sensor location and irrigation threshold on water use efficiency and stomatal limitation

2.2 水分传感器位置及灌水阈值对滴灌棉花生长的影响

棉花生长的优劣，直接反映棉花植株在不同自动化控制灌溉处理下对水分的吸收利用情况，间接地影响棉花的产量。图3显示不同自动化控制灌溉处理对棉花株高及叶面积指数的影响。水分传感器位置对棉花株高、叶面积指数的影响显著(P<0.05)；灌水阈值对棉花株高、叶面积指数影响不显著(P>0.05)；自动化控制灌溉对棉花株高、叶面积指数影响极显著(P<0.01)。

2.2.1 水分传感器位置及灌水阈值对滴灌棉花株高的影响

株高是反映棉花生长状况的重要指标，它直接影响着棉花密度及光能利用，同时也能反映各生育期内棉株生长发育情况[14]。由图2(a)知，不同自动化控制灌溉处理棉花株高最大值为T5处理，较CK增加24.35%。水分传感器位置一定时，随灌水阈值的增加，棉花株高呈“Λ”趋势，具体表现为T10.05)。因此，水分传感器位置因素对滴灌棉花株高的影响明显高于灌水阈值因素。

2.2.2水分传感器位置及灌水阈值对滴灌棉花叶面积指数的影响

叶面积指数(LAI)是作物群体结构的重要指标之一，也是衡量作物生长性状是否适当的标志[15]。由图2(b)知，不同自动化控制灌溉处理下棉花叶面积指数为3.14～4.57，最大值T5处理比最小值CK处理高45.54%。叶面积指数与株高变化规律相似，水分传感器位置一定时，随灌水阈值的增加，具体表现为T10.05)。因此，水分传感器位置对棉花叶面积指数的影响大于灌水阈值。

图2 不同水分传感器位置及灌水阈值处理对棉花株高及叶面积指数的影响Fig.2 Effect of different moisture sensor positions and irrigation thresholds on plant height and leaf area index of cotton

2.3 水分传感器位置及灌水阈值对滴灌棉花产量的影响

自动化控制灌溉的不同处理对棉花产量及其构成因素的影响见表5。由表5知，水分传感器位置对单株铃数、单铃质量、籽棉产量有显著性差异(P<0.05)；灌水阈值对单株铃数、单铃质量、籽棉产量无显著性差异(P>0.05)；水分传感器位置及灌水阈值对单株铃数、单铃质量、籽棉产量有极显著性差异(P<0.01)。

由表5看出，相对于CK增产最大的是T5，最大增产率为32.54%。随着灌水阈值的增加，棉花单株铃数、单铃质量、籽棉产量均呈“Λ” 趋势变化，具体表现为T2

2.4 棉花产量与其他指标间的相关关系

产量是衡量棉花的重要经济指标，与棉花的生理生长存在一定的关系。图3显示，产量与净光合速率、叶片水分利用效率均呈三次曲线关系，决定系数分别为R2=0.84、R2=0.26，这说明产量与净光合速率密切相关，产量与叶片水分利用效率相关性不大。图4显示，产量与株高、叶面积之间分别呈线性关系、三次曲线关系，决定系数分别为R2=0.49、R2=0.78，这说明棉花产量与株高关系不大，而叶面积显著影响棉花产量。

表5 不同水分传感器位置及灌水阈值处理下产量及其构成因素的变化Tab.5 Different moisture sensor location and irrigation threshold under the changes of yield and its components

图3 棉花产量与Pn、WUE的相关关系Fig.3 Correlation between cotton yield and Pn, WUE

图4 棉花产量与株高H和叶面积S的相关关系Fig.4 Correlation between cotton yield and plant height H and leaf area S

3 讨 论

土壤水分对作物生理生长及产量有重要作用，当水分传感器位置与灌水阈值达到最优时，能够提高棉花产量。本文通过田间试验，研究了不同水分传感器位置与灌水阈值处理对滴灌棉花生理生长及产量的影响，以期为新疆自动化控制灌溉技术提供指导。

水分传感器可以长期定点监测土壤水分，较传统的取土烘干法具有省时、省力、数据连续性强的优点。因此，国内外学者对水分传感器位置进行了大量的研究。本试验水分传感器布设在棉花根系水分吸收的临界区域，将2个探头布设在根域层的2个深度处，有助于更好地反映棉花植株生长状况，这与Hagan[16,17]研究结果相似。本试验条件下，得出水分传感器位置在40 cm时，能较好地反映土壤水分信息。这与申孝军等[5]研究结果相似。

自动化控制灌溉系统大多通过设定土壤水分上下限，即灌水阈值控制灌溉。影响灌水阈值的因素很多，它因作物种类、种植环境的土壤质地和种植模式等因素不同而不同。本研究在棉花各个生育期分别设定3种灌水阈值，结果表明在棉花苗期、蕾期、花铃期、吐絮期对应40 cm土层灌水阈值(田间最大持水量百分数)分别为60%～65%、65%～70%、75%～80%、65%～70%时，棉花的生理生长及产量达到最大值，这和李彦[18]研究结果有差异，可能与水分传感器位置、种植环境以及种植模式的不同有关。棉花适宜灌水阈值对实际生产有很好的指导意义，通过对土壤水分定量的调控，实现适时适量灌溉，进而减少地表无效蒸发，最终提高水分的利用效率。

前人对土壤水分对棉花光合作用的影响进行了较多的研究，但针对自动化控制灌溉的水分传感器位置、灌水阈值对棉花的生长发育影响的研究较少。本试验研究发现棉花花铃期灌水阈值在75%～80%时棉花能够获得高产，这与罗洪海[19]研究结果有差异，可能与试验地不同环境因素有关。

不同水分传感器位置与灌水阈值导致土壤含水率存在差异，进而影响棉花光合作用。净光合速率(Pn)与蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)及气孔限制值(Ls)密切联系，说明棉花光合作用是一个有机统一的过程，各光合因子之间相互作用，土壤水分通过控制棉花蒸腾速率、胞间CO2浓度及气孔导度影响净光合速率的大小。本试验得到的最佳自动化控制灌溉处理，是在设定水分传感器位置与灌水阈值基础上得到的，未建立相应的数学模型，部分结果还需长期验证。

4 结 论

(1)水分传感器位置因素对棉花叶片光合特性[净光合速率Pn、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、叶片水分利用效率(WUE)]、棉花株高、叶面积均影响显著，Pn、Tr、Gs、Ci、WUE、Ls、棉花株高、叶面积最大值分别为31.44 μmol/(m2·s)、5.25 mmol/(m2·s)、432.61 mmol/(m2·s)、458.19 μmol/mol、5.99 μmol/mmol、0.46、73.58 cm、1 547.52 cm2。水分传感器位置与灌水阈值对棉花光合生理指标、生长指标以及产量均影响显著。

(2)滴灌条件下，不同自动化灌溉处理对棉花叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)最大值均在T5处理。棉花净光合速率与蒸腾速率、气孔导度之间密切相关，叶片通过控制气孔导度的开放大小来影响棉花净光合速率和蒸腾速率，其归因于气孔因素。棉花产量与叶面积S有较好的相关关系，叶面积S在一定程度上能反映棉花产量。

(3)本试验条件下，全面考虑水分传感器位置、灌水阈值、生理生长及产量等因素，认为自动化控制灌溉处理为T5时比较适宜，该研究为节水灌溉管理方面提供重要依据。

：

[1] 王振华,杨培岭,郑旭荣,等.膜下滴灌系统不同应用年限棉田根区盐分变化及适耕性[J].农业工程学报,2014,30(4):90-99.

[2] 阿布都卡依木·阿布力米提,赵经华,等.南疆自动化滴灌棉花灌溉制度的研究[J].节水灌溉,2017,(1):33-37.

[3] 赵 波,范文波,刘圣凡,等.兵团南北疆膜下滴灌棉花经济效益调查与分析:以农1、2、5、8师为例[J].中国农村水利水电,2014,(7):41-47.

[4] 李芳松,雷晓云,周世军,等.膜下滴灌棉田墒情监测点的横向定位研究[J].节水灌溉,2011,(4):4-6，10.

[5] 申孝军,孙景生,张寄阳,等.滴灌棉田土壤水分测点最优布设研究[J].干旱地区农业研究,2012,30(3):90-95.

[6] 李芳松.自动化膜下滴灌棉田土壤水分空间变异规律及墒情监测点的合理布设研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学, 2011.

[7] 刘建军,陈燕华,李明思.膜下滴灌棉花植株耗水率与土壤水分的关系[J].棉花学报,2002,14(4):200-203.

[8] 俞希根,孙景生.棉花适宜土壤水分下限和干旱指标研究[J].棉花学报,1999,11(1):35-38.

[9] Chaum S, Kirdmanee C. Effect of glycinebetaine on proline, water use, and photosynthetic efficiencies, and growth of rice seedlings under salt stress[J]. Turkish Journal of Agriculture & Forestry,2010,34(6):455-479.

[10] LAROCQUE G R. Coupling a detailed photosynthetic model with foliage distribution and light attenuation functions to compute daily gross photosynthesis in sugar maple(Acer Saccharum Marsh.)stands[J].Ecological Modelling,2002,148(3):213-232.

[11] 洪继仁,方光华,陈如梅,等.棉花实验方法[M].北京:农业出版社,1985.

[12] Farquhar GD, Sharkey TD. Stomatal conductance and photosynthesis[J]. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology,1982,33: 317-345.

[13] 李全起,沈加印,赵丹丹.灌溉频率对冬小麦产量及叶片水分利用效率的影响[J].农业工程学报,2011,27(3):33-36.

[14] 陈冠文,陈 谦,宋继军,等.超高产棉花苗情诊断与调控技术[M].新疆:新疆科学技术出版社,2009.

[15] SL13-2004，灌溉试验规范[S].

[16] Hagan R M, Haise H R, Edminster T W. Soil, plant, and evaporative measurements as criteria for scheduling irrigation[J]. Irrigation of agricultural lands. Agronomy, 1967,11:577-597.

[17] Stegman E C, Musick J T, Stewart J I, et al. Irrigation water management[J]. Design and operation of farm irrigation systems, 1980:763-816.

[18] 李 彦,雷晓云,白云岗. 不同灌水下限对棉花产量及水分利用效率的影响[J]. 灌溉排水学报,2013,32(4):132-134.

[19] 罗宏海,李俊华,勾 玲,等.膜下滴灌对不同土壤水分棉花花铃期光合生产、分配及籽棉产量的调节[J].中国农业科学,2008,41(7):1 955-1 962.