揭膜种植方式下不同灌水量对棉花光合特性及产量的影响

牛媛 杨相昆 张占琴 费聪 赵阳 马富裕

摘要：以减少地膜污染为出发点，研究揭膜条件下灌水量对棉花光合特性及产量的影响，选择棉花揭膜种植方式下的优化灌溉方案，为新疆维吾尔自治区棉区推广棉花揭膜种植技术提供依据。选用对水分敏感性不同的新陆早45号和新陆早42号为试验材料，在出苗后第1次灌水前1 d揭膜，在田间设置3个水分处理，揭膜后开始测定土壤含水量，于打顶后5 d测定棉花功能叶片（倒2叶）光合特性，每10 d测定1次，每个处理选取3株长势相同的植株进行测定。结果发现，2个品种的产量及水分利用效率随灌水量的增加而降低，最优灌水量为4 575 m3/hm2。当灌水量超过4 575 m3/hm2时，再继续增加灌水量，新陆早45号的净光合速率随生育期推进呈持续递减趋势，而新陆早42号则当灌水量超过5 460 m3/hm2时有此变化趋势。2个品种的气孔导度、蒸腾速率在各水分处理下与净光合速率有相似的变化趋势。打顶后5～35 d气孔因素是限制光合速率的主要因素，之后非气孔因素为主要限制因素。揭膜条件下，增加灌水并不会增加产量，反而造成水资源的浪费。因此得出，在本试验条件下，揭膜种植方式的最适灌水量为 4 575 m3/hm2，与常规膜下滴灌种植方式的灌水量相同，说明揭膜种植模式可以不增加灌水成本，就达到减少地膜污染的目的。

关键词：棉花;揭膜种植;光合特性;灌溉方案;产量;地膜污染

中图分类号： S562.04  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）16-0082-07

收稿日期：2018-04-10

基金项目：国家重点研发计划（编号：2017YFD0201901）;公益性行业（农业）科研专项（编号：201503120）。

作者简介：牛 媛（1992—），女，山东菏泽人，硕士研究生，主要从事作物信息技术与精准栽培方式研究。

通信作者：马富裕，博士，教授，博士生导师，主要从事作物生理生态、农业信息技术化研究。

膜下滴灌技术对新疆维吾尔自治区棉花生产具有重要意义。自1996年新疆生产建设兵团首次将滴灌技术与覆膜技术相结合至今，已形成相对完整的种植模式。截至2014年，新疆覆膜种植面积超过331万hm2[1]，且使用膜下滴灌技术的种植面积每年都在递增。膜下滴灌在给新疆农业带来巨大经济效益的同时，也带来了另一个严重问题——地膜污染。在地膜使用过程中，农户为了节约成本会选择厚度小于 0.01 mm 的薄膜，增加了地膜回收的困难。严昌荣等对新疆20个县的覆膜田地进行调查，结果显示，地膜平均残留量达253.20 kg/hm2，高出全国平均水平4～5倍[2]。周明冬等的研究结果表明，地膜的功能在6月下旬基本丧失，全生育期覆膜会使作物根系分布浅且根体较小，还会使作物在后期早衰，造成不同程度减产[3-5]。因此，为降低残膜污染，科学家们提出了诸多解决方案[6-7]，如通过用宽膜代替窄膜、采用厚度较高的地膜或一膜多次种植等方法来提高地膜的使用率，或者使用可降解地膜。在作物生长的某个阶段进行适时揭膜具有重要意义，研究发现，适时揭膜能够促进作物生长[8-13]。

李生秀等研究了不同覆膜方式对棉花生长的影响，结果发现，在头水后揭膜，棉花的根系侧根数、单株结铃数、单铃质量、产量等都高于全生育期覆膜和无膜处理[8-9]。郝玉莲对马铃薯进行不同时期的揭膜比较试验，结果表明，在幼苗期揭膜比在现蕾期揭膜马铃薯的生育期迟，说明过早揭膜会影响马铃薯的生育期[10]。蒋耿民等研究了不同揭膜时期和施氮量对陕西省关中地区夏玉米生理生长、产量及水分利用效率的影响，结果表明，该试验选取的揭膜时期——中抽雄期为当地最适揭膜时期[11]。何泉等研究了不同海拔揭膜培土对烤烟生长的影响，结果表明，揭膜培土可抑制病虫害的发生，促进不定根生长，可使烤烟增产300 kg/hm2[12]。另外有学者对不同降解膜的降解特征进行了比较试验，结果发现，降解膜的降解受环境因素影响较大，相同区域不同降解膜的降解过程也存在显著差异，从而对棉花产量造成不同影响[13]。本试验在前人研究的基础上，选择在棉花出苗后灌第1水前1 d（出苗后40 d）进行揭膜，对棉花揭膜种植方式下的水分管理效应开展研究，通过探讨不同水分处理对棉花叶片光合特性、灌溉水利用效率及产量的影响，选择出适合揭膜种植方式的最佳灌溉方案，旨在为新疆棉区滴灌棉花的揭膜种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

在新疆农垦科学院作物研究所1～2号试验地（44°18′25″N，86°0′12″E，海拔460 m）进行揭膜灌溉试验。供试土壤的有机质含量为16.4 g/kg，水解性氮含量为 109.0 mg/kg，有效钾含量为540.0 mg/kg，全氮含量为 1.1 g/kg，全磷含量为 0.9 g/kg。选取2个新疆自育陆地棉（Gosspium hirsutum L.）品种新陆早42号、新陆早45号为试验材料，其中新陆早45号对水分胁迫不敏感，新陆早42号对水分胁迫敏感，它们均具有优质、高产、抗病虫害、适合机采等特点，适应新疆的生长环境和技术栽培要求[14-17]。通过总结前人研究结果[8-9]，从经济效益、机械操作难易程度等方面进行综合评定后，选择在出苗后第1次灌水前1 d（6月10日）进行揭膜，并在此基础上设置不同水分处理对棉花生长发育的影响试验。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验采用裂区设计，主区为品种，副区为不同水分处理，共设3个水分梯度，總灌水量分别为 4 425.0 m3/hm2（W1）、5 310.0  m3/hm2（W2）、6 637.5 m3/hm2（W3），具体为全生育期覆膜，灌水量为W1（T1）;出苗后灌第1水前1 d揭膜，灌水量为W1（T2）;出苗后灌第1水前1 d揭膜，灌水量为W2（T3）;出苗后灌第1水前1 d揭膜，灌水量为W3（T4）。

水分处理完全随机排列在主区下，每个处理3次重复，1条膜（宽2.3 m）设为一个小区，小区长25 m，每个小区面积为57.5 m2。每个小区的灌水量用水表精确控制，为防止水分在小区间侧移，各小区间埋设宽度为60 cm的防渗膜。

2016年试验于4月27日播种，2017年试验于4月21日播种，采用1膜6行45.0 cm+20.0 cm宽窄行种植模式，地膜宽205.0 cm，1条膜为1个小区，宽2.1 m，膜间行距为600 cm，株距为10.0 cm，种植密度为26万株/hm2，每个小区种植6行棉花。播种后当日滴出苗水，各处理出苗水均灌溉水 150 m3/hm2，2年试验均在6月10日进行人工揭膜，6月11日进行出苗后第1次灌溉（2年灌水及施肥安排见表1），6月30日进行人工打顶，2017年7月5日进入盛花期。其他管理措施与大田生产相同，2年均通过人工进行采摘，籽棉采收时间分别为2016年9月30日和2017年9月21日。

1.2.2 土壤含水量的测定 在2017年（2016年未测定）测定不同处理下各土层的体积含水量。分别在宽行（2滴灌带间）和窄行（滴灌带下）埋设土壤水分剖面仪（PR2/6;Delta-T，英国）测定0～10、>10～20、>20～30、>30～40、>40～60、>60～100 cm土层的土壤体积含水量，揭膜前各处理灌水量相同，各地块土壤水分含量均一，因此于出苗后第1次灌水后（2017年6月11日）开始测定土壤体积含水量，每隔3 d测定1次（试验过程中由于PR2损坏并进行了更换，7月5—22日未进行土壤体积含水量测定），灌溉前后分别加测1次，2017年8月22日为本试验最后1次灌水，此时棉花已经进入吐絮期，至2017年9月4日结束测定。因2个品种在不同处理下土壤水分含量变化特征相似，本试验以新陆早42号为代表进行说明。耗水量（ET）采用水量平衡法计算：

ET=ΔW+P+I+G-R0-Dp。（1）

式中：ΔW为某时段始末土壤水分变化量，mm;P为测定时段内的总降水量，mm;I为灌水量，mm;G为测定时段内地下水对作物耗水的补给量，mm;R0为测定时段内测定区域的地面径流量，mm;Dp为测定时段内根区的深层渗漏量，mm。由于试验地地下水位在20 m以下，降水量小且地块平整，因此G、R0、Dp可忽略不计。土壤含水率以宽行和窄行深度加权平均值表示，则

θ=（∑ni=1θi×di）/∑ni=1di。（2）

式中：θ为土壤加权平均含水率，%;di为不同土层深度，cm;θi为不同土层含水率，%;n为土层数量，层。

灌溉水利用效率（IWUE）是单位面积棉花的籽棉产量（Y）与单位面积灌水量的比值，公式为

IWUE=Y/单位面积灌水量。

1.2.3 光合参数的测定 在2017年（2016年未测定光合指标），于打顶后5 d（2017年7月5日）开始测定光合参数，以后每10 d测定1次，共测5次。测定前选择长势相似的3株棉株，标记其倒2叶用于光合特征指标的测定。测量仪器为Li6400便携式光合测量仪，选择晴天10 ∶00—12 ∶00，在自然光照下测定所标记叶片的光合参数，包括净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）。

1.2.4 产量的测定

2016、2017年在棉铃全部吐絮后通过人工分别对各处理进行整区采收计产。

1.2.5 数据处理

采用单因素方差分析（One-way ANOVA），使用最小显著性差异（LSD）法比较不同处理间光合特性及产量的差异。用SPSS 16.0软件进行显著性差异分析，Microsoft Excel 2007进行数据整理，SigmaPlot 12.5软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方案根层土壤水分含量及耗水量变化特征

由图1可知，0～40 cm土层的土壤体积含水量比>40～100 cm波动剧烈，且随土层深度的增加波动程度整体减小，0～30 cm土层窄行的土壤体积含水量整体大于宽行。各处理灌水后土壤体积含水量逐渐下降，但再次灌溉后能迅速上升。随土层深度的增加各处理土壤体积含水量整体增大。（1）0～10 cm土层。在7月5日前窄行表现为T1处理>T4处理>T3处理>T2处理，宽行表现为T4处理>T1处理>T3处理>T2处理;7月5日后，处理间土壤体积含水量灌溉前后宽、窄行表现为T4处理>T1处理>T3处理>T2处理。7月22日，再次灌水后各处理土壤体积含水量迅速上升但不能恢复到上次灌水后的水平。灌水后T4处理的土壤体积含水量能达到或高于T1处理，其他2个处理均达不到T1处理。（2）>10～40 cm土层。各处理宽、窄行土壤体积含水量在灌水后均能恢复到上次灌溉后的水平，且灌溉前后大多以T4处理的土壤体积含水量最大，T2处理最小。（3）>40～100 cm土层。各处理土层含水量与>10～40 cm相似，窄行灌水后土壤体积含水量可恢复到上次灌水后的水平，宽行不仅能回复到上次灌水后的水平，甚至高与上次灌水后的水平。随着生育期的推进，各处理土壤体积含水量有上升趋势。在>40～60 cm 土层，T3、T4处理的土壤体积含水量较T1、T2处理波动剧烈，表现为T4>T3>T1>T2。在>60～100 cm土层，各处理间土壤体积含水量沒有明显的变化规律。（4）宽、窄行。灌水前后窄行的土壤体积含水量波动整体大于宽行，在0～30 cm土层，窄行的土壤体积含水量整体高于宽行，在>30～100 cm土层，宽行土壤体积含水量整体高于窄行。宽、窄行在灌水后大多能恢复到上次灌水后的水平，且在 >30～100 cm土层宽行的土壤体积含水量甚至高于前一次灌水后的水平。

本试验中，在相同灌水量条件下，全生育期覆膜的土壤含水量总体高于揭膜处理，但随着土层深度的增加2个处理间的差距减小，与前人研究结果[8]相一致。灌水后除0～10 cm土层土壤体积含水量不能恢复到前次灌水后的水平外，其余各土层均能恢复到上次灌水后的水平。揭膜增加了表层（0～20 cm）土壤水分的蒸发。相同灌水量下，揭膜种植方式下深层（>30～60 cm）土壤的耗水量高于全生育期覆膜处理，这可能是因为揭膜降低了表层土壤的温度和湿度，从而促进根系深扎，增加了深层土壤的水分消耗。

3.1 不同灌水量对棉花产量及水分利用效率的影响

水是作物生长的根本，增加灌水量可以增加作物产量，但并不是通过增加灌水就可以无限增产，产量和灌水量之间的函数关系是一个开口向下的抛物线，最大产量对应的灌水量为最适灌水量，低于或超过该值都会对产量造成负面影响。吉恒莹等通过畦灌试验得出，长绒棉的最佳灌量为5 900～6 000 m3/hm2，水分亏缺或过量都会造成蕾铃脱落，产量降低[19];罗宏海等比较了不同土壤含水量下棉花产量及水分利效率，结果表明，田间持水量为70%时，棉花产量达到最大值，田间持水量低于或高于该值都会使棉花产量降低[20];大量研究结果表明，过高或过低的灌水量都会影响作物产量，且灌水量过高会降低水分利用效率，造成水资源浪费[21-22]。本试验发现，相同的灌水量下揭膜种植方式可提高棉花产量;在揭膜条件下增加灌水量，棉花产量不但不增加反而会降低，说明在本试验环境下棉花揭膜种植的最适宜灌水量为 4 575 m3/hm2，在揭膜种植方式下不需要增加灌水成本，也可以获得较高的水分利用效率，同时可以达到降低地膜污染的目的。

3.2 不同灌水量对叶片光合性能的影响

光合作用和产量有密切的关系[23-24]，土壤水分是影响光合作用的重要因素，干旱会使植物叶片气孔导度降低，阻碍植物对CO2的吸收，降低水分的蒸发，使得光合速率和蒸腾速率降低，而过高的土壤含水量同样会使气孔导度降低[25]。马富裕等测定了不同灌水量对棉花叶片光合生理特性和水分利用效率的影响，结果发现，适量灌水比充分供水的棉花干物质量提高9.19 g/株，净光合速率在充分灌水下较高，但產量却在适量灌水下最高[26];李志刚等通过小区试验得出，当灌水量为 4 500 m3/hm2 时，棉花净光合速率最优，随灌水量的增加净光合速率降低[27];李维等对2个新疆棉花品种进行水分处理试验，结果发现，充足的灌水量对新陆早13号后期光合作用起负作用，而对新陆早33号影响不显著[28];惠海滨等对超高产小麦进行灌水量和灌水期研究，结果表明，在一定灌水范围内灌水量对Pn、Gs起正作用，超过一定阈值则起负作用[29]。

本试验中，揭膜种植方式下，新陆早45号的Pn、Gs、Tr随灌水量的增加而降低，在T2处理下有最大值。新陆早42号随着灌水量的增加，Pn、Gs、Tr最大值出现的时间推迟，继续增加灌水量，T4处理的Pn低于T2、T3处理，这与前人研究的结果[26-29]相似。但2个品种光合特征指标随生育期的变化趋势不完全相同，新陆早45号叶片Pn在T2处理下呈先升高后降低的变化趋势，其他处理下始终呈下降趋势，在打顶后45 d表现为T2处理>T3处理>T1处理>T4处理;新陆早42号叶片Pn在T2、T3处理下均呈现先升高后降低的变化趋势，其中T2处理在打顶后15 d达到最大值，T3处理在打顶后25 d达到最大值，当灌水量达到6 787.5 m3/hm2时，叶片Pn始终呈降低趋势，说明增加灌水量会推迟棉花叶片最大Pn出现的时间，且超过一定灌水量时又会对Pn产生负作用，新陆早42号比新陆早45号对干旱胁迫更敏感[17]。通过比较不同水分处理下的叶片Ci变化发现，2个品种的叶片Ci随生育期的推进始终呈升高趋势，说明在本试验时间段里，限制Pn的主要因素为非气孔因素[30]。

4 结论

在揭膜种植方式下，0～10 cm土层灌水后土壤体积含水量不能恢复到上次灌水后的水平，其余土层均可恢复到上次灌水后的水平。随土层深度的增加土壤体积含水量整体增加，灌溉前后的波动幅度减小。揭膜主要增加了0～20 cm土层的蒸发强度，随土层深度的增加，影响减弱。

揭膜提高了棉花主茎叶片的净光合速率，且在后期仍能维持较高的净光合速率。相同灌水量下，揭膜种植较全生育期覆膜种植主茎叶片最大净光合速率出现的时间推迟。揭膜条件下，增加灌水量对不同品种生长发育的影响不同，新陆早45号随着灌水量的增加净光合速率总体降低，新陆早42号在灌水量为5 460 m3/hm2时出现净光合速率最大值推迟的现象，且在生育后期仍有较大值。

揭膜种植提高了棉花的产量及灌溉水利用效率，在本试验条件下棉花产量随着灌水量的增加而降低。

参考文献：

[1]新疆维吾尔自治区统计局. 新疆统计年鉴：2015[M]. 北京：中国统计出版社，2015.

[2]严昌荣，王序俭，何清文，等. 新疆石河子地区棉田土壤中地膜残留研究[J]. 生态学报，2008，28（7）：3470-3474.

[3]周明冬，秦晓辉，候 洪，等. 新疆农田废旧地膜污染治理现状及建议[J]. 环境与可持续发展，2014，39（5）：171-174.

[4]代建龙，董合忠，李维江，等. 棉花早衰的表现及其机理[J]. 中国农学通报，2008，24（3）：210-214.

[5]王一民，虎胆·吐马尔白，张金珠，等. 膜下滴灌棉花根系分布特性试验研究[J]. 河北农业大学学报，2010，33（2）：103-106.

[6]袁俊霞. 农用残膜的污染与防治[J]. 农业环境与发展，2003（1）：31-32.

[7]赵红萍. 残膜对农田污染的调查及治理对策[J]. 新疆农业科技，2009（6）：57.

[8]李生秀，张占琴，魏建军. 不同覆膜方式对棉花生长的影响[J]. 新疆农业科学，2010，47（6）：1218-1223.

[9]张克礼. 棉花浇头水前揭膜试验[J]. 新疆农垦科技，1994（2）：34，42.

[10]郝玉莲. 马铃薯膜下滴灌揭膜与不揭膜的比较试验[J]. 内蒙古农业科技，2012（6）：37，49.

[11]蒋耿民，李援农，周 乾，等. 不同揭膜时期和施氮量对陕西关中地区夏玉米生理生长、产量及水分利用效率的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2013，19（5）：1065-1072.

[12]何 泉，郝建华，卜令铎，等. 不同海拔地区揭膜培土对烤烟生长特性及产值量的影响[C]//中国烟草学会2016年度优秀论文汇编——烟草农业主题，2016.

[13]何文清，赵彩霞，刘 爽，等. 全生物降解膜田间降解特征及其对棉花产量影响[J]. 中国农业大学学报，2011，16（3）：21-27.

[14]李保成，李生秀，周小凤，等. 棉花-新陆早42号[J]. 新疆农垦科技，2009，32（3）：53-54.

[15]宁新柱，邓福军，林 海，等. 早熟陆地棉新品种——新陆早45号[J]. 中国棉花，2011，38（1）：27.

[16]蔡晓莉，曾庆涛，李家胜，等. 干旱胁迫对不同早熟陆地棉品种产量和水分利用效率的影响[J]. 农业科技通讯，2012（6）：82-84.

[17]莊振刚，叶春秀，李有忠. 新疆陆地棉早熟品种花铃期抗旱性初步评价[J]. 中国棉花，2014，41（7）：5-7.

[18]周明冬，秦晓辉，候 洪，等. 新疆农田废旧地膜污染治理现状及建议[J]. 环境与可持续发展，2014，39（5）：171-174.

[19]吉恒莹，李 磐. 不同灌溉量对长绒棉产量的影响[J]. 干旱区研究，2008，25（5）：695-699.

[20]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）：1955-1962.

[21]李 杰，陈 锐，吴杨焕，等. 北疆地区滴灌冬小麦农田蒸散特征[J]. 干旱地区农业研究，2016，34（1）：31-37，80.

[22]罗宏海，朱建军，张旺锋. 滴灌棉田根区水分对棉花干物质生产及水分利用效率的影响[J]. 新疆农业科学，2011，48（4）：622-628.

[23]李雅洁，张其安，陆晓民. 不同外源物质对低温弱光次生盐渍化复合逆境下黄瓜幼苗生长、抗氧化系统及光合作用的影响[J]. 江苏农业学报，2018，34（2）：404-410.

[24]肇思迪，娄运生，庞 渤，等. UV-B辐射增强下施硅对冬小麦光合特性和产量的影响[J]. 江苏农业学报，2017，33（5）：1036-1043.

[25]张文丽，张 彤，吴冬秀，等. 土壤逐渐干旱下玉米幼苗光合速率与蒸腾速率变化的研究[J]. 中国生态农业学报，2006，14（2）：72-75.

[26]马富裕，李蒙春，张秀英，等. 控制供水对棉花叶片的光合生理特性和水分利用率的影响[J]. 棉花学报，1997，9（6）：308-313.

[27]李志刚，叶含春，肖 让. 不同灌水量对棉花光合特性的影响[J]. 广东农业科学，2013，40（22）：14-17，29.

[28]李 维，胡渊渊，张亚黎，等. 土壤水分对棉花生育后期叶片衰老及光合功能的影响[J]. 石河子大学学报（自然科学版），2012，30（3）：296-301.

[29]惠海滨，林 琪，刘义国，等. 灌水量和灌水期对超高产小麦灌浆期光合特性及产量的影响[J]. 西北农业学报，2012，21（8）：77-83.

[30]许大全. 光合作用气孔限制分析中的一些问题[J]. 植物生理学通讯，1997，33（4）：241-244.