不同灌水频率水分胁迫对北疆棉花生长及产量的影响

江 柱，张江辉，白云岗，加孜拉，肖 军

（1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐830052；2.新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐830049）

0 引 言

棉花是新疆农业的支柱产业，而新疆北部处在干旱、降水量少、光照充足、昼夜温差大的地区，棉花的生长势必会受到一定的影响。其中，干旱对棉花生长和产量的影响尤为严重，已有研究表明，在各种气候灾害中，干旱造成的损失量超过其他灾害的总和［1］。21 世纪以来，全球气候呈持续高温、干旱的趋势，以及新疆天山冰川等棉花灌溉有效水源的不断减少，新疆棉区的干旱缺水问题开始引起重视［2］。棉花作为抗旱性较强的作物，对水分胁迫有两种补偿效应，一是水分胁迫后复水产生的补偿效应，表现为复水后作物生长加快，光合、蒸腾速率提高；另一种是作物在干旱后的补偿效应，即作物在水分胁迫期间的变化，表现为根系活力的增加和形态的改变［3］。

前人已经开展了对水分胁迫对棉花生长发育和生理机制影响的研究。李平、申孝军等研究表明棉花苗期、蕾期具有较强的忍受水分胁迫的能力，适当水分亏缺可以促使棉花根系深扎，根冠比增大，有利于提高水分利用效率［4，5］；田又升、肖俊夫等研究表明棉花蕾期至花铃期是需水关键期，期间受到水分胁迫会造成花蕾大量脱落从而影响产量［6，7］；李志博等研究表明生育中后期是棉花生长发育和产量形成的关键时期［2］。李彦等研究发现膜下滴灌棉花在苗期、蕾期、花铃期和吐絮期适宜的灌水下限分别为60%～65%、65%～70%、80%～85%、55%～65%［8］。说明不同生育期棉花的抗旱机制存在差异。新疆北疆地区地处干旱内陆的地理条件，当地棉花种植往往通过降低灌水频率来应对干旱缺水环境。因此，本文结合当地生产实际，通过设计不同灌水频率，研究水分胁迫对棉花生长和产量的影响，并采用Logistic 模型模拟棉花地上部干物质积累过程，为干旱缺水条件下提高棉花生产效率提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年4-10月在新疆博州灌溉站进行，试验区属于典型的温带大陆性气候，多年平均降雨量约为150 mm，平均蒸发量约为1 624 mm，试验区地下水埋深大于5 m，土壤质地为黏壤土，0～60 cm 土层平均干容重1.36 g/cm3，田间持水率为35.36%（体积含水率）。

棉花供试作物为新陆早63 号。试验采用单翼迷宫式滴灌带，滴头间距为20 cm，滴头设计流量2.2 L/h，采用1 膜3 管6 行（单位地膜覆盖6行棉花，铺设3条滴灌带）的模式，膜宽2 m，膜间距离30 cm（图1）。灌溉水源为井水，采用水泵供水和水表计量，采用施肥罐进行施肥。

图1 棉花种植模式（单位：mm）Fig.1 Cotton planting pattern

1.2 试验设计与观测

棉花分为苗期、蕾期、花铃期和吐絮期4个生育阶段。试验区设置5 个处理（每个处理重复3 次），灌水频率分别为10、15、20、25、30 d，编号CK、W1、W2、W3、W4。各处理灌水定额均为375 m3/hm2，灌溉定额分别为5 250、3 375、2 625、2 250、1 875 m3/hm2。灌水设计见图2。

图2 棉花灌水设计Fig.2 Irrigation design of cotton

1.3 测定项目与方法

采用PR2 土壤剖面水分仪在覆膜中间滴灌带下、覆膜宽行及膜间中间位置测定土壤含水率，测定深度为0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm，测定时间为灌水后1 d。

从苗期开始每隔10 d 左右定点观测各处理棉花的生长发育状况，每个处理选择10 株（内外行各5 株）有代表性的棉株测定不同生育期株高（棉株子叶节到主茎生长点之间的距离，打顶棉株则量至打顶横截面处，最终株高在打顶后测定）、茎粗（以子叶节到第一片真叶节间最细处茎的直径）、叶面积（测量棉株有代表性的叶片长和宽，利用二者乘积乘以叶面积系数）、蕾铃数等。

在棉花播种后49、76、93、116、157 d 采集棉花植株样本。按生殖器官（蕾、花、铃）和营养器官（茎、叶）剪下装入纸袋，之后将样本置于105 ℃的烘箱中杀青30 min，然后降到85 ℃烘干24 h，分别测定其干重。

收获时记录棉花单铃重、衣分及皮棉产量等并进行考种。

1.4 生物量动态增长模型及参数计算

棉花地上部干物质积累过程采用Logistic模型模拟，其基本形式为：

式中：y为单株棉花地上部干物质积累量，g；A为地上部干物质积累量的理论最大值；t为播种后天数，d；a、b为参数。

对Logistic模型方程求导，可得到地上部干物质积累的有关参数指标。对方程求二阶导数，当t0= -a/b时，地上部干物质积累速率达到最大值，此时的积累速率即为最大速率（Vm）。对方程求三阶导，当d3y/d3t= 0时，可求得地上部干物质积累曲线上的2 个时间拐点：t1和t2。t0为地上部干物质积累最大速率出现时间，t1和t2分别为棉花进入旺盛生长时间和结束旺盛生长时间，Δt=t2-t1为棉花旺盛生长持续时间。

1.5 耗水量的计算

根据水利部颁发的《灌溉试验规范》（SL13-2015）规定，耗水量计算公式如下：

式中：ET1-2为计算时段内耗水量；i为土壤层次号数；n为土壤层次总数目；γi为第i层土壤干容重，g/cm3；Hi为第i层土壤的厚度，cm；Wi1、Wi2为第i层土壤在时段始末的含水率（干土重的百分率）；M、P、K、C分别为时段内的灌水量、降雨量、地下水补给量和排水量，mm。由于地下水埋深大于5 m 和灌溉方式为膜下滴灌，K=0、C=0。

1.6 数据处理与分析

采用Excel 软件进行数据整理，Sigmplot14.0 软件绘图，SPSS25.0软件进行显著性分析。

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2 结果与分析

2.1 不同灌水频率对棉花株高和茎粗的影响

如图3所示，在苗期由于气温较低棉花生长缓慢，水分胁迫对各处理株高和茎粗影响较小。进入蕾期后随着气温上升，棉花株高和茎粗开始快速增长，各处理无显著差异，但处理W3和W4 大于其他处理，说明早期合理水分胁迫后的补偿效应有利于株高和径粗增长；处理W2株高和径粗均小于其他处理，说明处理W2对蕾期株高和径粗增长有一定抑制。进入花铃期后各水分胁迫处理株高均低于处理CK，处理W2 和W4 株高显著低于处理CK，处理W3 在花铃前期复水后由于作物亏水后复水产生的补偿效应株高较快增长；在花铃期打顶后各水分胁迫处理株高不再增长，仅处理CK 有一定增长；花铃期径粗仍无明显差异。进入吐絮期后，各水分胁迫处理株高显著低于处理CK，处理W1 和W2 株高差异不大；吐絮期处理W4 径粗最小，且与处理CK和处理W1有显著差异。

图3 不同灌水频率对棉花株高、径粗的影响Fig.3 Effects of different irrigation frequency on plant height and diameter diameter of cotton

2.2 不同灌水频率对棉花叶面积指数和叶绿素相对含量的影响

如图4、图5所示，苗期各处理叶面积指数相差不大，叶绿素相对含量在苗期和蕾期随水分胁迫程度的提高呈增加趋势。处理W1在花铃期前叶面积指数与处理CK 基本一致，在花铃前期达到最大值后处理W1受水分胁迫较处理CK 减小。处理W2叶面积和叶绿素相对含量在蕾期受到抑制，叶面积和叶绿素相对含量在蕾期明显低于其他处理，进入花铃期后叶面积增长较快。在花铃期各处理叶绿素相对含量无明显差异。处理W3和W4 叶面积指数在蕾期早期大于处理CK，蕾期后期开始由于持续受到水分胁迫较处理CK 减小，处理W3 和W4 叶绿素相对含量在蕾期和花铃期与处理CK 相差不大；在吐絮期叶绿素相对含量随着水分胁迫程度的增加而减小。

图4 不同灌水频率对棉花叶面积指数的影响Fig.3 Effect of different irrigation frequency on leaf area index of cotton

图5 不同灌水频率对棉花叶绿素相对含量的影响Fig.4 The effect of different irrigation frequency on the relative content of chlorophyll in cotton

叶面积在花铃期达到最大值，处理CK 随着营养生长向生殖生长转移，叶面积指数在花铃期趋于稳定，之后随着棉株衰老叶子才开始脱落。而各水分胁迫处理由于受水分胁迫胁迫，棉花叶子在花铃前期便开始脱落。处理W2由于早期叶片发育受到抑制，这些叶片在进入花铃期后脱落。处理W3 叶面积指数在花铃前期有一次波动（由于早期旱后补偿效应提前发育的叶子衰老进入花铃期后脱落，复水后棉花枝叶进行“二次发育”叶面积指数回升），处理W4 也有类似的枝叶“二次发育”，叶面积在花铃前期衰老叶片脱落后叶面积指数下降后回升，但是由于持续的水分胁迫导致回升幅度不大。

2.3 不同灌水频率对棉花地上部干物质积累的影响及logistic模拟分析

干物质累积是光合的直接产物，是作物最终产量的基础［9］。如图6所示干物质积累呈S 型曲线变化，随着棉花生育期的推进，各处理干物质积累量逐渐增大，在吐絮初期达到最大值；在苗期和蕾期各处理干物质积累量积累缓慢且相差不大；现蕾后增幅较大，蕾期～花铃期快速增加，是棉花干物质积累的旺盛期；进入吐絮期后干物质积累速度减缓。蕾期后期（播种后93 d）干物质积累量各处理表现为：W1＞CK＞W4＞W3＞W2，各水分胁迫处理积累量是处理CK 的106%，89.3%，74.4%，55.4%；说明轻度水分胁迫（W1）有利于早期干物质积累，处理W2 早期干物质积累受到抑制。花铃期经过干物质快速增长后干物质积累量各处理表现为：CK＞W1＞W3＞W2＞W4，各水分胁迫处理积累量是处理CK 的79.7%，74.4%，60.5%，46.1%；吐絮期达到最大值后，各水分胁迫处理积累量是处理CK 的93.6%，91.3%，90.9%，86.4%；说明花铃期水分胁迫对棉花干物质积累抑制影响较大，快速积累期延后到了吐絮期。

图6 不同灌水频率对棉株地上部干物质积累量的影响Fig.6 Effects of different irrigation frequency on dry matter accumulation of cotton shoots

应用Logistic 动态模型对各处理地上部干物质积累进行拟合［11，12］，相关系数均达显著水平（表1）。从棉花干物质积累的动态变化来看，与处理CK 相比各水分胁迫处理快速积累持续期延长，最大相对积累速率减小且其出现时间滞后。处理CK的干物质快速积累开始时间为播种后87 d，快速积累持续期16 d。各水分胁迫处理干物质快速积累开始时间W1 和W4 较CK提前6 d 和8 d，W2 和W3 与CK 相差不大，快速积累持续期均较CK 增长。各水分胁迫处理最大相对生长速率分别是处理CK的53.4%、39.4%、54.7%、25.4%，出现最大相对速率的时间较CK分别滞后了0、12、5、9 d。

表1 棉株地上部干物质积累Logistic函数生长模型及相关参数Tab.1 Logistic function growth model and related parameters of cotton shoot dry matter accumulation

2.4 不同灌水频率对根冠比的影响

水分胁迫还影响干物质的分配，致使光合产物更多地向根部输送。水分胁迫后的补偿效应—作物在水分亏缺期间的变化，表现为根系活力的增加和形态的改变。由图7可以看出早期处理W3 和W4 根冠比较高，说明处理W3 和W4 水分胁迫有利于早期根系发育。蕾期后期-花铃期各处理根冠比表现为W2＞W3＞W1＞CK＞W4，说明处理W1、W2 和W3 有利于棉花根系深扎；处理W2 根冠比在蕾期后期突增主要是由于上部干物质积累受到抑制；处理W4 由于长期水分胁迫根系发育受到抑制而减小。

图7 不同灌水频率对棉花根冠比的影响Fig.7 Effect of different irrigation frequency on root shoot ratio of cotton

2.5 不同灌水频率对棉花产量的影响

表2 不同灌水频率对棉花籽棉产量和产量构成因素的影响Tab.2 Effects of different irrigation frequency on yield and yield components of cotton seed cotton

2.6 不同灌水频率对棉花耗水规律的影响

棉花各生育阶段耗水量花铃期最大，其次是蕾期，苗期和吐絮期较小［10，11］。由表3可以看出，随着灌水频率的降低灌溉定额减小，各生育阶段耗水量均有不同程度的影响，最终将影响产量和水分利用效率。随着灌溉定额的减少灌溉定额灌溉水利用效率先增加后减小，水分利用效率先减小后增加再减小。水分利用效率处理W1、W2 和W4 低于处理CK，而处理W3高于处理CK。在所有处理中W3 灌溉水利用效率和水分利用效率均为最高。

表3 不同灌水频率对棉花各生育阶段耗水量、产量和水分利用效率的影响Tab.3 Effects of different irrigation frequency on water consumption，yield and water use efficiency of cotton at different growth stages

3 讨 论

试验结果表明，不同灌水频率对棉花进行灌溉，在各生育期产生了不同程度的水分胁迫，对棉花植株根系的生长和地上部分的营养生长产生了影响。合理的水分胁迫可以减少棉花茎枝的延伸，避免大量的生长冗余，使得株型更加紧凑，通风透光条件改善［12］。苗期是棉花根系的形成期，合理的水分胁迫有利于根系深扎，增加根系的吸收、合成能力，有利于提高水分利用效率［5，9］。苗期合理的水分胁迫使棉花受到锻炼，使植株在蕾期可以更好地适应土壤的水分胁迫，处理W3、W4 蕾期较高的株高和提前发育的枝叶，有利于营养物质和干物质的积累，为花铃期棉铃的生长打下了基础；处理W3 在此基础上花铃期复水减少了花铃脱落和支持棉铃的生长，而处理W4 由于长期水分胁迫使花铃大量脱落，这与申孝军、史文娟、冯先伟和龚雨田等研究结果基本一致［5，12-14］。处理W2 在蕾期株高、径粗、叶面积、叶绿素相对含量以及地上部干物质积累量均低于其他处理，这些都不利于花铃期棉铃的生长，可能是因为处理W2在苗期灌水较早，棉株没有受到锻炼，在蕾期不能适应水分胁迫；苗期根系生长不足，为适应水分胁迫环境根系在蕾期继续下扎营养生长偏向于根系生长，这与潘俊杰、申孝军、李彦彬等研究结果一致［15-17］；进入花铃期棉花由营养生长转向了生殖生长，再加上持续的水分胁迫造成处理W2营养不足影响棉花生理特征和产量。

Logistic模型以时间为自变量，能够很好地模拟棉花的生长过程［18，19］。棉花地上部干物质以时间为自变量，通过Logistic 模型模拟棉花地上部干物质积累过程表明，水分胁迫下早期由于营养生长偏向于根系生长最大积累速率开始时间推迟；后期转入生殖生长后由于水分胁迫叶面积指数减小等原因营养物质的不足造成棉铃干物质积累周期延长、最大积累速率结束时间推迟，这与张世明、申孝军等研究结果基本一致［5，19］。产量构成因素结果表明，合理的灌水处理，抑制植株营养体冗余生长，促进生殖生长，优化光合产物的分配，处理W2较高的衣分和处理W3 较高的百铃重、衣分，说明合理的灌水处理可以改善水分胁迫对部分品质指标的影响，这与申孝军、孟兆江等研究结果基本一致［10，20］。

4 结 论

本文通过设置不同灌水频率，研究降低灌水频率水分胁迫对棉花生长、产量和水分利用效率的影响，得出以下结论。

（1）出苗水后，在棉花苗期水分胁迫，蕾期少量复水；使棉株受到锻炼，根冠比增大；可以提高棉株吸收水分的能力，优化水分分配。

（2）Logistic 动态模型反映出：水分胁迫会造成地上部干物质快速积累持续期延长，最大积累速率减小和出现时间推迟，且长期水分胁迫和水分胁迫下的不合理灌水影响更大。

（3）处理W3 在苗期、蕾期合理的水分胁迫，蕾期较高的株高和提前发育的枝叶有利于光合作用，减小了水分胁迫对棉花旺盛生长时期的影响，为花铃期减少花铃脱落和支持棉铃生长提供条件，最大程度地提高了水分胁迫条件下水分利用效率，减小了水分胁迫对产量的影响。

在以上结论基础上，在面对干旱缺水环境时，可以采取以下应急措施：“在苗期、蕾期对棉株耐旱能力进行锻炼（灌水频率25 d 一次），增加根系吸水能力，提高水分利用效率；同时将有限的灌溉水集中在关键需水期（花铃期）复水，能最大程度的保证棉花产量。而在花铃期的复水灌溉模式可以根据干旱缺水环境下的供水情况，在灌水频率25～10 d 一次之间（处理W3、CK灌水频率之间）增加灌水频率。” □