限量灌溉对不同棉花品种干物质积累分配、产量和水分利用效率的影响

刘朋程 ，孙红春 ，刘连涛 ，张永江 ，刘玉春 ，2，白志英 ，3，李梦 ，李存东 *

（1.河北农业大学/河北省作物生长调控重点实验室，河北保定071000；2.河北农业大学城乡建设学院，河北保定071000；3.河北农业大学生命科学学院，河北保定071000；4.河北省农林科学院，河北石家庄050051）

棉花是世界上主要的经济作物，其生长过程需要消耗大量水资源[1]。但由于灌溉时间及灌溉量不当等原因，目前包括棉花在内的中国农田灌溉水利用率系数仅为0.5，远不及发达国家（0.7～0.8）[2]。因此，如何提高农业用水效率，促进农业高产高效发展成为亟需解决的问题之一[3]。

棉花苗期需水量较少，土壤相对含水量保持在60%～75%有利于棉花生殖器官的生长[4]。南建福等[5]研究认为棉花苗期适当控制水分，可以限制茎、叶的生长，有利于光合产物向生殖器官的运输，进而提高籽棉产量。申孝军等[6]研究认为，在棉花的蕾期进行适时适度的水分亏缺对棉花的产量影响不明显，可以节约灌水量，提高灌水利用效率。Papastylianou等[7]研究认为在棉花苗期和花铃期适当减少灌溉量可以提高棉花的产量。研究认为作物具有一定的补偿效应，在土壤干旱条件下作物通过调节同化物再分配和气孔开度来趋利避害[8-10]。 认为棉花在轻度干旱处理下的产量比频灌处理要高，说明一定生育时期适当的水分亏缺，不但不影响产量，而且还能提高水分利用率[11-12]。Zhao等[13]研究认为，施加一定程度的干旱胁迫于作物某阶段，复水后可以在生长、产量形成上产生补偿效应。牛静等[14]研究认为，棉花花铃期适当程度的干旱胁迫可以增加皮棉产量。

对棉花限量灌溉的研究前人已有报道[15-17]，但主要针对在棉花某一特定生育时期或在防雨旱棚条件下进行限量灌溉处理，而对于苗期、蕾期连续缺水后通过灌溉或降水实现花铃期复水对大田棉花影响的研究尚少。本研究探讨了限量灌溉对棉花不同熟性品种生长发育、土壤水分分布、产量以及水分利用效率的影响，为黄河流域棉区节水抗旱品种的开发利用以及节水栽培提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2015年和2016年在河北农业大学试验农场进行田间试验，该试验地位于保定市清苑（E115°28′，N38°53′），属于暖温带大陆性气候，土质为壤土（表1）。2015年和2016年连续2个棉花播种与生长季 （4―10月）的总降水量分别为475.2 mm和356.6 mm。2年降水量均在7月份（正值棉花生长发育的关键时期—花铃期）达到最大值，分别占整个生长季降水量的34.74%、66.88%。与常年4―10月份降水量相比，两年降水量均属正常，2015年较2016年降水分布较均匀。

1.2 试验设计

试验采取裂区设计。主处理为灌溉条件，副处理为品种。3个供试品种：早熟品种中棉所50（CCRI 50）、中早熟品种农大 601（ND601）和中熟品种冀棉 958（JM958）。 设置常规灌溉（W1）、播前限量补墒生育期不灌溉（W2）2个水分处理（表2）。2015年因播前及时降雨W2未进行灌溉；2016年 W2处理播前灌溉 300 m3·hm－2。密度 48 000株·hm－2，其它同常规栽培管理。

2015年第一次灌水前0～60 cm土层土壤相对含水量为70.76%，可以达到限量灌溉标准；2016年参考上年部分出苗偏差情况调整第一次灌溉量为300 m3·hm－2，使土壤相对含水量达到80%。灌溉量通过公式计算得到：V＝h×s×ρ×f×（Wp－Wa）/1000，式中 V 为灌水体积（m3）；h 为湿润土层深度（m）；s为湿润面积（m2）；ρ 为湿润土层土壤容重（kg·m－3）；f为田间持水量；Wp为目标土壤相对含水量；Wa为灌溉前土壤相对含水量。

表1 试验前土壤有机质、氮、磷和钾含量Table 1 Contents of organic matter，nitrogen，phosphorus and potassium in soil

表2 2015年和2016年灌溉方法Table 2 Test methods of irrigation in 2015 and 2016

1.3 测定项目及方法

由于2015年和2016年天气情况不同，影响田间作业时间，所以同一指标在两年中测定时间有所差异。但均按照棉花生育时期进行，以方便比较。测定时间分四个阶段：苗期，苗后0～45 d；蕾期，苗后 45～70 d；花铃期，苗后 70～120 d；吐絮期，苗后120～180 d。

1.3.1降水量。在试验地旁安放雨量计，记录棉花生育期内降水量。

1.3.2土壤含水量。采用取土烘干法，取样深度为1 m。

1.3.3叶面积指数。选取长势均匀一致的植株，用直尺测量叶片长和宽，采用长宽系数法（0.75）计算叶面积，再根据实际棉花株数和小区面积计算叶面积指数（Leaf area index,LAI）。每小区3个重复。

1.3.4干物质积累动态。自苗期开始，每隔15 d在每个小区选3株代表性植株，从子叶节处取地上部，将植株按照主茎叶、果枝叶、茎、生殖器官分解，并将各部分105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重。

1.3.5棉田耗水量计算。不同处理棉田耗水量由水量平衡公式计算：

式中，ET为作物蒸发蒸腾量 （mm），R为降水量 （mm），I为灌水量 （mm），F为地表径流量（mm），Q 为上移或下渗量 （mm），ΔW为土壤贮水量的减少量（mm）。考虑到棉田试验期间无地表径流和渗漏发生，此处取F＝0，Q＝0。

1.3.6产量水平的水分利用效率

式中 Y 为籽棉产量（kg·hm－2）。

1.4 数据处理

采用MS Excel 2013和SPSS 21.0软件进行数据整理，采用最小显著差异法（LSD）进行差异显著性检验（α＝0.05）。图中用*表示。

2 结果与分析

2.1 限量灌溉对土壤含水量的影响

2015年W2处理下，3个品种在苗后 40 d（苗期）、苗后 54 d（盛蕾期）、苗后 86 d（盛花期）的土壤含水量均达到轻度干旱胁迫水平（土壤相对含水量60%±5%）；在苗后114 d（盛铃期），CCRI 50的土壤含水量达到轻度干旱胁迫水平，ND 601、JM 958均达到中度干旱胁迫水平（45%±5%）。苗后114 d，CCRI 50在2种灌溉条件土壤含水量无显著差异，而其它2个品种均为W2处理显著低于W1处理，这可能是因为早熟品种CCRI 50进入吐絮期早，后期耗水量少（表3）。

2016年2种灌溉处理下，3个品种在苗后54 d（盛蕾期）均处于轻度干旱胁迫状态；W2处理下，3 个品种在苗后 40 d（苗期）、54 d、66 d（初花期）均处于轻度干旱胁迫状态，CCRI 50在这3个时期土壤相对含水量较W1处理均显著降低，ND 601和JM 958在苗后54 d、66 d土壤相对含水量较W1处理显著降低。2016年花期降水较多，因此，各处理土壤含水量在苗后88 d（盛花期）差异不显著（表4）。

表3 限量灌溉对土壤相对含水量的变化（2015年）Table 3 Effects of limited irrigation on soil relative water content(2015)

表4 限量灌溉对土壤相对含水量的变化（2016年）Table 4 Effects of limited irrigation on soil relative water content(2016)

2.2 限量灌溉对棉花群体叶面积指数的影响

如图1所示，2015年2种灌溉处理下，苗后108 d时ND 601和JM 958的叶面积指数均显著高于CCRI 50。各处理LAI达到最大值时，与W1处理相比，W2处理下CCRI 50、ND 601和JM 958分别降低25.54%、22.97%、29.2%。在2016年W2处理下，各品种均在苗后110 d（盛铃期）达到最大值时低于W1处理，并且，CCRI 50显著低于ND 601、JM 958。可能是因为早熟品种CCRI 50生育时期较早，而且生长主要集中在前中期，此时干旱胁迫对其影响较大，而中早熟品种和中熟品种生育期长，后期降水会使其产生补偿效应。

图1 限量灌溉对叶面积指数的影响Fig.1 Effects of limited irrigation on leaf area index

2.3 限量灌溉对棉花干物质积累动态的影响

回归分析表明（表5、表6），不同灌溉处理下棉花地上部群体干物质积累动态符合Logistics方程y=k/（1＋ae－bx）的“S”型曲线。 2015 年 W1处理下，CCRI 50、JM958干物质质量最大增长速率较ND 601分别降低45.45%、8.37%。W2处理下，CCRI 50、JM 958干物质质量最大增长速率较ND 601分别降低 62.40%、23.23%；CCRI 50、ND 601、JM 958干物质质量最大增长速率较W1处理降低38.66%、11.01%、25.45%；最大干物质质量较W1处理降低 38.37%、19.81%、30.93%。在2016年，在W2处理下，CCRI 50干物质质量最大增长速率较 W1降低 20.49%，ND 601、JM 958较W1处理分别提高10.79%、7.44%；最大干物质质量较W1处理降低33.91%、16.63%、14.87%。早熟品种CCRI50较中早熟品种ND 601和中熟品种JM 958生育期短，各生长时期发生会提前，所以土壤持续的干旱胁迫对CCRI 50在生长关键时期的生长速率及干物质积累影响更大。

表5 地上部干物质积累动态的Logistics回归方程（2015年）Table 5 The logistics equation of dry matter accumulation（2015）

表6 地上部干物质积累动态的Logistics回归方程（2016年）Table 6 The logistics equation of dry matter accumulation（2016）

2.4 限量灌溉对棉花生殖器官干物质分配比例的影响

如图2所示，2015年W1处理下，CCRI 50和ND 601在苗后40 d的分配比例显著高于JM 958；苗后 71 d，CCRI 50显著高于 ND 601和JM 958；苗后108 d，CCRI 50显著高于ND 601。W2处理下，苗后71 d，CCRI 50生殖器官干物质分配比例显著高于ND 601和JM 958。在2016年，W1 处理下，CCRI 50 在苗后 40 d、53 d、64 d、86 d的分配比例均显著高于ND 601和JM 958。W2处理下，CCRI 50 在苗后 53 d、64 d、86 d 显著高于ND 601和JM 958。说明早熟品种CCRI 50前期生殖生长较快，生殖器官分配比例较ND 601和JM 958高。

图2 限量灌溉对棉花生殖器官分配比例的影响Fig.2 Effects of limited irrigation on allocation of reproductive organs in cotton

2.5 限量灌溉对棉花生物产量和水分利用效率的影响

由表7可以看出，在2015年W1处理下，苗后40～54 d，CCRI 50和ND 601水分利用效率较JM 958均显著降低；苗后54～86 d，与ND 601和JM 958相比，CCRI 50生物产量和水分利用效率均显著降低。W2处理下，苗后40～54 d，CCRI 50生物产量和水分利用效率较ND 601和JM 958均显著降低。

由表8可以看出，在2016年W1处理下，苗后 40～54 d，与 JM 958相比，CCRI 50和 ND 601水分利用效率显著降低。W2处理下，苗后40～54 d，CCRI 50水分利用效率较JM 958显著降低；苗后88～112 d（盛蕾期到盛铃期），与ND 601相比，CCRI50生物产量和水分利用效率均显著降低。与W1处理相比，苗后54～88d，3个品种在W2处理下的生物产量和水分利用效率均显著降低。

表7 限量灌溉对棉花生物产量及水分利用效率的影响（2015年）Table 7 Effects of limited irrigation on biological yield and water use efficiency of cotton(2015)

表8 限量灌溉对棉花生物产量及水分利用效率的影响（2016）Table 8 Effects of limited irrigation on biological yield and water use efficiency of cotton(2016)

2.6 限量灌溉对棉花产量和群体水分利用效率的影响

由表9可以看出，W2处理下，与中早熟品种ND 601和中熟品种JM 958相比，早熟品种CCRI 50籽棉产量均显著降低。与W1处理相比，3个品种在W2处理下籽棉产量均显著降低，CCRI50降低幅度最大，且CCRI50水分利用效率也显著降低，而ND 601和JM 958水分利用效率显著升高。可见，W2处理显著降低了早熟品种CCRI 50的籽棉产量和水分利用效率，严重影响了其生长，虽然也显著降低了中早熟品种的ND 601和中熟品种JM 958的籽棉产量，但显著提高了水分利用效率。

表9 限量灌溉对棉花产量及水分利用效率的影响Table 9 Effects of limited irrigation on Yield and water use efficiency of cotton

3 讨论

3.1 限量灌溉对棉花群体叶面积指数的影响

灌溉模式不仅会影响棉田土壤环境中水分分布，而且会影响棉花的营养生长状况，而棉株的生长对水分最为敏感，棉花的生长发育与灌水模式密切相关[18]。邓环等[19-20]认为良好的灌溉措施可以增大功能叶叶面积，保持冠层叶片直立性，改善群体透光率，增加光合面积，同时可延缓生育后期叶片的衰老。本研究发现，与W1处理相比，各品种在W2处理下LAI较W1处理显著降低。W2处理下，ND 601、JM 958叶面积指数较W1处理有小幅度的降低，这可能使棉株受光更充分，有利于改善其群体大小，提高冠层的光合性能，进而有利于提高群体光能利用率和光合生产力，维持较好的产量水平；而CCRI 50叶面积指数降低幅度较大，虽然可以改善群体下部光照，但也会造成光能的浪费，使产量大幅度降低。原因可能是早熟品种CCRI 50生长主要集中在前中期，此时干旱胁迫对其影响较大；而中早熟品种和中熟品种生育期长，后期降水会使其产生补偿效应。

3.2 限量灌溉对棉花干物质积累动态与生殖器官分配比例的影响

干物质是作物光合作用产物的最终形态，其积累与合理分配及运转是提高作物产量的关键[21]。适当的水分亏缺可调节作物光合产物的分配、生长中心的转移和某些组织器官的生长发育，使整个植株的生长发育达到更经济、合理分配，以应对水分短缺[22]。王平等[23]研究表明，调亏灌溉可以显著增加夏玉米干物质积累量及生殖器官的分配比例。本研究表明，W2处理能显著提高中早熟品种ND 601和中熟品种JM 958的最大增长速率，有利于它们的干物质积累；与ND 601、JM 958相比，W2处理会大幅度降低早熟品种CCRI 50的最大增长速率和最大干物质量。说明棉花生长前中期土壤持续的干旱胁迫对CCRI 50影响更大。早熟品种CCRI 50前期生殖生长较快，生殖器官分配比例较中早熟品种ND 601和中熟品种JM 958高。与W1处理相比，W2处理并未显著降低3个品种生殖器官干物质最大分配比例。说明W2处理可以协调源库关系，维持较好的产量器官分配比例。

3.3 限量灌溉对棉花产量和水分利用效率的影响

水分亏缺或过量都影响棉花干物质在不同器官及不同生育时期的累积与分配，使产量降低[24]。限量灌溉能够控制作物营养生长与生殖生长，减少作物生长冗余，调节光合产物在营养器官和生殖器官间的关系，同时有利于提高作物水分利用效率[25]。本试验结果表明，棉花在盛蕾期至盛花期阶段，与W1处理相比，3个品种在W2处理下的生物产量及单株水分利用效率均显著降低，说明此阶段适当增加土壤含水量有利于提高棉花的生产效率。在苗后40～54 d（苗期至盛蕾期）阶段，与W1处理相比，3个品种在W2处理下的单株水分利用效率均显著升高，说明此阶段适当水分亏缺可以提高棉花单株水分利用效率。

作物产量和水分利用效率的同步提高是当今节水农业所追求的一个主要目标[26]。胡顺军等[27]认为棉花水分利用效率最高点与其产量最高点并不一致。Belder等[28]研究则认为限量灌溉导致产量降低。但Zhang等[29-31]研究认为限量灌溉比保持水层灌溉可提高产量。本试验结果表明，W2处理下，3个品种的产量较W1处理均显著降低，与前人研究[29]一致；CCRI 50水分利用效率较W1处理显著降低，而ND 601、JM 958显著升高，且均显著高于CCRI 50。因此，选择水分适应能力强的中熟和中早熟品种是实现限量灌溉下高产、稳产与水分高效利用的重要条件。早熟品种对水分供应十分敏感，限量灌溉易大幅度降低产量。

4 结论

本试验以常规灌溉W1（播前与生育期灌水总额为 1 275 m3·hm－2）和限量灌溉 W2（播前灌水300 m3·hm－2或不灌，生育期内不灌水）为处理，发现中早熟品种ND 601和中熟品种JM 958在W2处理下均可获得较理想LAI和良好源库关系，并能达到合理的水分利用效率和理想产量。而W2处理较大幅度降低了早熟品种CCRI 50的干物质积累，严重影响了生殖器官所占比重，进而造成大幅度减产。且CCRI 50群体LAI受水分影响变化较大，限量灌溉不易构建高产群体结构。因此，限量灌溉技术在黄河流域棉区常年气候条件下对于中早熟品种农大601和中熟品种冀棉958是适用的，但气候变化对棉花的生长发育具有很大影响，在不同降雨年份棉花的生长发育对限量灌溉的反应及其生理机制仍有待于进一步研究。