痕量灌溉对棉花花铃期光合性能日变化及产量的影响

陈立宇，张立峰，路战远，咸 丰，张建中，张向前

（1.河北农业大学 农学院，河北 保定 071000；2.内蒙古自治区农牧业科学院，呼和浩特 010031）

0 引 言

【研究意义】棉花是我国主要经济作物之一，也是生产纤维和国防战略物资的原材料，为我国国民经济的发展和国防保障提供了重要物资支撑[1-3]。我国是原棉生产大国，也是消费大国，国内棉花需求量与自给量的供需矛盾日益突出[4]。目前，国内棉花生产因老棉区劳动力成本高、效益低下等因素造成了棉花种植面积日益锐减，极大地影响了我国棉花的安全生产。因此，稳定和拓展棉花的种植面积具有重大意义。内蒙古西部的阿拉善盟土地面积广阔，光热资源丰富，年降水量仅40～200 mm，无霜期150～170 d，很适宜棉花的种植和发展，具有很大的发展潜力[5]。【研究进展】水是保证棉花生产的主要自然资源之一，棉花生长发育、籽棉及皮棉产量形成受灌水量与灌水次数的显著影响[6]。适量灌溉对于促进棉花生长具有重要意义[7]。棉花根系发达，对干旱具有较强的适应性。花铃期是棉花快速生长期，期间土壤水分供应直接影响着棉花光合干物质生产。阿拉善地区年均降雨量40～200 mm，蒸发量极大。如何高效利用水资源，是促进区域棉花生产的关键所在。痕量灌溉技术是根据土壤毛细管作用原理，借助一定的重力，结合现代膜过滤技术而研发的一种新型节水灌溉技术[8]。它通过一定高度的蓄水桶、输水管路和特制的控水头，以极其微小的供水速度直接将水或营养液适量、不间断地输送到植物根系附近，满足作物水分需求[9-11]。目前，痕量灌溉技术研究较为成熟，已在多种作物上开展相关研究应用。如王志平等[12]以温室大桃为研究对象，以畦灌、滴灌为对照，对比研究痕量灌溉系统在地表裸露和覆盖地膜的2种条件下的大桃产量及水分利用效率，结果表明，痕量灌溉管埋深30 cm且覆盖地膜的条件下，能起到节水稳产的良好效果，较畦灌、滴灌的水分利用效率分别增加了16.1 kg/（hm2·mm）和10.6 kg/（hm2·mm）。安伟顺等[13]以番茄为研究对象，研究了痕量灌溉管不同埋深对其产量的影响，结果表明，灌溉管埋深20 cm和30 cm处理较对照分别增产了6.1%和15.2%，且番茄品质也明显改善。前人对痕量灌溉对不同作物的研究已有不少报道。然而，前人的研究主要集中于葡萄、温室黄瓜、胡麻、玉米产量、品质、水分利用效率的影响等作物方面[14-20]。【本研究切入点】但是痕量灌溉技术在棉花上应用报道相对较少，尤其是不同埋深条件下的痕量灌溉在棉花上的应用与目前主流的膜下滴灌的对比研究更是鲜见报道。本研究以‘中棉所92’棉花为试验材料，针对内蒙古阿拉善地区沙化土肥力低、保水保肥能力差的特点，系统研究不同埋管深度对棉花花铃期光合日变化及产量的影响。【拟解决的关键问题】本研究旨在为筛选出适宜该区域棉花生产的合理灌溉方式，为该区域棉花节水生产提供理论和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年在内蒙古农牧业科学院阿拉善盟额济纳旗棉花试验示范基地（E100°13′，N40°59′）开始定位试验。该区域气候属典型大陆性干旱气候。干旱少雨，风大沙多，冬寒夏热，四季气候特征明显，昼夜温差大。年平均气温6.0~8.5 ℃，极端最低气温-36.4 ℃；极端最高气温 41.7 ℃。年无霜期150~170 d；雨季主要集中在7、8、9月。年平均降水量为40~200 mm，年蒸发量为2 400~4 200 mm，年日照时间达2 600~3 500 h，年太阳总辐射量147～165 kcal/cm2，年平均风速为2.9～5.0 m/s。前茬作物为棉花，0~20 cm土壤基本理化性状见表1。

表1 供试土壤基本理化性状Table1 Basic physical chemical characteristics of soil

1.2 供试材料

供试棉花品种为中棉所 92。痕量灌溉系统由北京普泉科技有限公司提供，灌溉水为地下水，水质pH值为8.03，全盐量为987 mg/L。

1.3 试验设计

试验共设置4个处理，分别为痕量灌溉设置地下埋深30、40、50 cm 3个处理和膜下滴灌对照。以D30、D40、D50CK。重复3次，共设置12个小区，各小区面积为26.9 m×6.84 m=184.5 m2。播种方式为（66+10）cm机采棉模式，宽2.05 m覆膜种植6行，行距（66+10）cm、株距为10 cm，密度27万株/hm2，机器覆膜、铺管、施肥一体化，人工点播。种肥施磷酸二铵300 kg/hm2，氯化钾 75 kg/hm2，于蕾期和花铃期随水共追施尿素325 kg/hm2。除灌水方式不同外，各处理灌溉定额均为3 600 m3/hm2。其他田间管理同大田。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 棉花花铃期光合性能日变化测定

选择微风或无风晴天，利用LX-6800便携式光合系统测定仪，分别2017年7月20日和2018年7月22日的 06:00、08:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00和20:00 测定棉花植株倒数第四片叶（功能叶）光合性能，每处理随机选取5株长势和叶面积均匀的棉花叶片进行测定。为避免光照强度随时间变化对测定结果的影响，在每次测定之前，先测定自然光照强度，将人工光源光照强度设定为与自然光照强度一致，随后进行不同处理下各棉花植株叶片的净光合速率（Pn）、胞间CO2摩尔分数（Ci）、气孔导度（gs）和蒸腾速率（Tr）的测定。

1.4.2 棉花产量测定

在棉花收获期，每小区选取 2 m2测定棉花籽棉和皮棉产量，重复3次。

1.5 数据分析

本数据于2017、2018年监测，用Excel 2010和SPSS 18.0进行作图和统计分析。

2 结果与分析

2.1 痕量灌溉对棉花花铃期净光合速率日变化的影响

由图1可知，不同灌溉方式下棉花花铃期净光合速率日变化2 a均呈双峰曲线变化趋势，其峰值期均为10:00 h和14:00 h，第2峰值均小于第1峰值；12:00各处理的净光合速率均降低。06:00 h的净光合速率均为负值，2017年，以D30处理的净光合速率最高，比D40、D50处理和 CK分别提高了 28.22%、10.13%和34.70%；2018年，以D50处理的净光合速率最高，分别比 D30、D40处理和 CK提高了 7.46%、20.87%和28.26%。净光合速率第1峰值出现的时间为10:00，2017年，以D30处理的净光合速率最大，分别比D40、D50处理和CK提高了14.69%、6.02%和15.11%；2018年，也以D30处理的净光合速率最高，分别比D40、D50处理和CK提高了9.59%、8.30%和10.26%。棉花花铃期净光合速率第2峰值出现的时间为14:00，2017年，净光合速率最高的为D30处理，其次是D40处理，最低的是D50处理；2018年，净光合速率最高的处理为D30处理，其次是D40处理，最低的是膜下滴灌（CK）处理。分析2a 12:00 的净光合速率可看出，2017年和2018年，均以D30处理的净光合速率最高，其次是D50处理，最低的是CK。2 a的20:00 的净光合速率可看出，2017年，D30和D50处理的净光合速率均为正值，其值分别为 0.79 μmol/（m2·s）和 0.86 μmol/（m2·s），D40处理和CK均为负值，并D40处理> CK；2018年，各处理的净光合速率均为正值，且 D30处理>D50处理>CK>D40处理。

从2 a的日变化可看出，不同处理净光合速率日变化可分为4种变化趋势，其中06:00—10:00为直线上升时段，10:00—12:00为各处理的第1峰值出现后的下降阶段，而12:00—14:00是各处理下净光合速率上升到第2个峰值阶段，且各处理的第2峰值均小于第1峰值；14:00—18:00为净光合速率第2次下降阶段，其净光合速率变化较平缓，而18:00—20:00的净光合速率呈直线下降。由各处理2 a日均净光合速率表明，其光合速率的值序均为：D30处理>D50处理>D40处理>CK。

图1 痕量灌溉棉花花铃期净光合速率日变化Fig.1 The effects of trace irrigation on the diurnal changes of net photosynthesis during flowering and bolling stage of cotton

2.2 痕量灌溉对棉花花铃期气孔导度日变化的影响

由图2可知，不同灌溉方式下棉花花铃期叶片气孔导度 2 a均呈双峰曲线变化，达到峰值时间均为10:00和14:00，且各处理的第2峰值均小于第1峰值；12:00气孔导度呈下降趋势，该变化特征与净光合速率变化一致。

分析2 a气孔导度各时段变化可看出，20:00 气孔导度最小，2017年，CK的气孔导度要高于其他处理，分别比 D30、D40处理和 D50处理提高了 56.62%、34.54%和110.13%；2018年，以D40处理的气孔导度最大，分别比 D30、D50处理和CK提高了 10.66%、93.64%和 51.62%。气孔导度第1峰值出现的时间在10:00，2017年，以 D30处理的气孔导度最大，分别比D40、D50处理和CK提高了22.51%、12.75%和3.10%；2018年，也以D30处理的气孔导度最大，分别比D40、D50处理和CK提高了23.75%、26.06%和23.42%。第2峰值出现的时间在14:00，2017年和2018年，气孔导度最大的处理均为D30处理，其次均是D40处理，2a中最小的处理均为CK。分析2a 12:00的气孔导度可看出，2017年和2018年，均以D30处理的气孔导度最大，其次是D50处理，最小的是CK。从2 a的气孔导度日变化可看出，不同处理气孔导度日变化可分为4种变化趋势，其中06:00—10:00为直线上升时段，10:00—12:00 为各处理的第1峰值出现后的下降阶段，而12:00—14:00 是各处理下气孔导度上升到第2个峰值阶段，且各处理的第2峰值均小于第1峰值；下午14:00—18:00 h为气孔导度第2次下降阶段，其气孔导度变化较平缓，而18:00—20:00 h的气孔导度呈直线下降。

由2 a各处理日均气孔导度可看出，其气孔导度的大小顺序均表现为D30处理>D50处理>D40处理>CK。

图2 痕量灌溉棉花花铃期气孔导度日变化Fig.2 The effects of trace irrigation on the diurnal variation of stomatal conductance during flowering and bolling stage of cotton

2.3 痕量灌溉对棉花花铃期胞间CO2摩尔分数动态变化规律的影响

从图3可看出，2 a不同灌溉方式对棉花花铃期胞间CO2摩尔分数的日变化趋势相同，均呈先降低后升高的广口“V”字形曲线变化趋势。且2 a各时段的值大小也基本相同。

分析各时段的棉花叶片胞间CO2摩尔分数可看出，全天以06:00胞间CO2摩尔分数最高，2017年胞间CO2摩尔分数以CK最高，分别比D30、D40和D50处理高4.93%、10.09%和9.11%；2018年CK分别比D30、D40和D50处理高10.62%、5.41%和9.63%。20:00，各处理的胞间CO2摩尔分数均有所上升，2017年以D40处理最高，分别比CK、D30和D50处理高0.01%、5.03%和7.16%；2018年CK的摩尔分数最高，分别比D30、D40和D50处理高4.61%、2.44%和2.44%。分析2 a的胞间CO2摩尔分数数据，从08:00 h到18:00 h之间的胞间CO2摩尔分数均在120.31～148.81 μmol/mol之间，其变化幅度较小；2017年，在14:00 各处理胞间CO2摩尔分数差异较大，其值最低的处理是CK，其值为103.47 μmol/mol，CO2胞间摩尔分数最高是 D40处理，其值为127.00 μmol/mol；2018年，在08:00是各处理的胞间CO2摩尔分数差异较大，胞间CO2摩尔分数最低的是D30处理，其值为128.54 μmol/mol，CO2胞间摩尔分数最高的是CK，其值为148.91 μmol/mol。2017年不同处理间胞间CO2摩尔分数的平均日变化最高的是D30处理，其日均值比CK高0.38 μmol/mol，2018年不同处理间胞间CO2摩尔分数的平均日变化最高的是D30处理，其日均值比CK高出0.47 μmol/mol。

图3 痕量灌溉对棉花花铃期胞间CO2摩尔分数日变化的影响Fig.3 The effects of trace irrigation on the diurnal variation of intercellular CO2 during flowering and bolling stage of cotton

2.4 痕量灌溉对棉花花铃期蒸腾速率动态变化的影响

由图4可知，2 a各处理的蒸腾速率的动态变化均呈单峰曲线变化趋势，其峰值均出现在14:00，2017年，以D40处理最高，分别比CK、D30和D50处理高出10.68%、4.65%和9.75%；2018年，以D30处理最高，分别比CK、D40和D50处理高10.98%、3.72%和7.91%。蒸腾速率的最小值出现在 06:00，2017年和2018年，均以CK最小，分别比D30、D40、D50处理降低了52.44%、44.68%、44.33%和51.10%、42.87%、42.48%。不同灌溉条件下棉花蒸腾速率日变化可分为4个阶段，2017年，呼吸速率的日变化为06:00—08:00为直线上升期，从 08:00—14:00为缓慢上升期，从14:00—18:00为缓慢下降期，从18:00—20:00为直线下降期；2018年，从06:00—10:00为直线上升期，从10:00—14:00为缓慢上升期，从14:00—18:00为缓慢下降期，18:00—20:00为直线下降期，2 a的蒸腾速率变化中，14:00—18:00的差异较大，可能是由于该时段测量时的气温和空气湿度不同而造成。

峰值期前后处理间的蒸腾速率有相异的变化趋势。2017年，各处理间的蒸腾速率变化较大，这可能是由于不同处理下，气孔导度的变化不同导致，在06:00—12:00，均以D30处理的蒸腾速率最高，CK最低；14:00—16:00以 D40处理的蒸腾速率最高，16:00—20:00则以 CK的蒸腾速率最高。2018年，06:00—14:00，以D30处理的蒸腾速率最高，CK最低，16:00—20:00则以CK的蒸腾速率最高。

图4 痕量灌溉对棉花花铃期蒸腾速率日变化的影响Fig.4 The effects of trace irrigation on the diurnal variation of transpiration rate during flowering and bolling stage of cotton

2.5 痕量灌溉对棉花产量的影响

由表2可知，不同灌溉方式下各处理的棉花产量存在一定差异。分析2 a的产量数据可以看出，2017年，以CK的产量为最高，其皮棉产量分别比D30、D40和D50处理高3.97%、17.18%和23.63%，籽棉产量分别比D30、D40和D50处理高5.91%、16.20%和25.00%。2018年，以D30处理的产量为最高，其皮棉产量分别比CK、D40和D50处理高10.34%、5.01%和4.69%，其籽棉产量分别比 CK、D40和 D50处理高出 7.54%、5.01%和6.39%。

表2 不同灌溉方式对棉花产量的影响Table2 Effects of different irrigation methods on cotton yield

2017年与2018年平均产量分析得出，D30处理其籽棉产量和皮棉产量均为最高，分别为5 734.2 kg/hm2和2 454.53 kg/hm2，其中籽棉产量分别比CK（5 672.70 kg/hm2）、D40处理（5 327.85 kg/hm2）和D50处理（5 148.30 kg/hm2）高1.09%、7.63%和11.38%，皮棉产量分别比CK（2 371.43 kg/hm2）、D40处理（2 265.75 kg/hm2）和D50处理（2 218.80 kg/hm2）高3.49%、8.32%和1.61%。

3 讨 论

本研究发现，在内蒙古自治区的阿拉善地区，膜下滴灌与痕量灌溉各处理的棉花花铃期功能叶片的净光合速率、气孔导度日变化的影响均呈双峰曲线变化趋势，第1峰值出现在10:00 ，第2峰值在14:00出现，第2峰值均小于第1峰值，各处理达到峰值的值存在一定差异，最大值在 D30处理。这一特征与Zhang等[15]的研究结果基本一致。出现双峰曲线的原因可能是由于温度和光照等因素导致的棉花“午休”现象，午间偏高的温度与光强导致棉花功能叶片气孔部分关闭，使得棉花在12:00出现净光合速率、气孔导度和胞间CO2摩尔分数下降，而蒸腾速率增高。因此，在10:00棉花群体内部温度才是光合作用达到最大值时的适宜温度，而10:00以后温度继续升高从而降低了棉花的净光合速率。不同埋管深度对棉花花铃期功能叶胞间CO2摩尔分数的影响趋势相同，均呈先降低后升高的广口“V”字形曲线变化趋势，在06:00和20:00 最大，且各时间点胞间CO2摩尔分数的差异性均较小。不同埋管深度对棉花蒸腾速率日变化影响趋势也呈现双峰变化，各处理的蒸腾速率在10:00和14:00达到峰值。光合特性影响的监测结果显示，D30处理较 CK光合速率高 1.45 μmol/（m2·s）。分析表明，14:00前D30处理较CK呈较高的蒸腾速率，这标志着棉田具有较强的土壤供水能力，由此成为D30处理具有较高的气孔导度、光合强度和最终的棉花产量的重要原因。这与黄令淼[21]、从丽君等[22]、何树斌等[23]的研究结果基本一致。

痕量灌溉是一种既能减少灌溉水的用量，同时又能保证作物产量的技术[22]，但是针对不同种作物和不同土壤条件，采取痕量灌溉的埋管深度，是关键性的问题。埋管太深则影响水分供应与利用，埋管太浅大部水分被蒸发，起不到节灌的效果[24]。在阿拉善地区沙质土壤背景下，埋管深度30 cm的痕量灌溉处理具有较好的供给棉花蒸腾水分的能力。Yang等[25]研究结果表明当痕灌管的埋深为10 cm时茄子的水分利用率最高，为23.5%，且增产14.7%。从丽君等[22]研究结果表明灌溉管埋深15 cm长势较好，地上部干、鲜质量分别较CK提髙20.6%、33.3%。灌溉管埋深0、15、30 cm小区的产量分别比常规滴灌提髙5.61%、73.1%、41.5%。凡振伶[26]研究结果表明早春茬或夏秋茬番茄，番茄单果质量、产量均随着痕量管道埋深的增加而增加。但自压条件下，番茄产量均低于滴灌CK，加压条件则高于滴灌CK，且加压埋深15 cm的产量最高，较滴灌对照，早春茬番茄单果质量和产量分别提高10.6%、25%，夏秋茬番茄单果重和产量分别提高 21.5%、14.6%。本研究结果表明，不同灌溉条件下，中棉所 92皮棉产量的大小顺序表现为 D30处理>CK>D40处理>D50处理；不同灌溉条件下对中棉所92皮棉产量的影响以D30处理最大。说明中棉所92采用痕量灌溉的灌溉方式浇水时较适宜的埋管深度为30 cm。从2a平均产量可看出，D30处理其籽棉产量和皮棉产量均为最高，其中籽棉产量分别比CK、D40和D50处理提高1.09%、7.63%和11.38%，皮棉产量分别比 CK、D40和 D50处理提高 3.49%、8.32%和1.61%。本试验结果基本与Yang等[25]、从丽君等[22]、凡振伶[26]研究一致。但与周继华等[27]研究结果有差异，可能原因是与作物根系分布特征和土壤质地差异有关。

4 结 论

各处理的净光合速率和气孔导度的日变化均呈双峰曲线趋势，D30处理的净光合速率和气孔导度的峰值均高于其他处理；蒸腾速率日变化呈单峰曲线趋势，其峰值均在14:00出现，处理间其峰值差异较小；不同处理的胞间CO2摩尔分数日变化则呈先降低后升高的广口“V”字形曲线变化趋势，最大值在06:00和20:00出现。D30处理的籽棉和皮棉产量最高。在内蒙古阿拉善地区的沙质土壤上，棉田采取痕量灌溉的较适宜埋管深度为30 cm。