揭膜种植方式下不同灌水量对棉花干物质积累及产量的影响

牛 媛，杨相昆，张占琴，马富裕

(1.石河子大学农学院/新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003；2.新疆农垦科学院作物研究所，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意义】新疆农作物的种植方式主要采用覆膜技术，覆膜和滴灌技术在长期实践基础上形成了独特的膜下滴灌技术[1]，该技术“少量多次”的水肥供应特点及覆膜的增温保墒作用提高了棉花单产水平。2014～2017年新疆覆膜面积从331×104hm2增加到379.59×104hm2[2,3]。残膜在土壤中会累积形成地膜污染，影响土壤理化性质、降低出苗率，造成棉花不同程度减产[4,5]。研究揭膜种植方式下不同灌水量对棉花干物质积累及产量的影响，对滴灌棉花揭膜后水分管理有重要意义。【前人研究进展】地膜覆盖时间小于100 d显著降低单株成铃数、单铃重，从而降低产量[6]；棉花头水前揭膜较全生育期覆膜处理，单株铃数、单铃重和产量无明显差异[7,8]；严昌荣等[9]通过对作物地膜覆盖安全期估算法计算认为，新疆石河子地膜覆盖安全期为70 d。吴军虎等[10]探究了膜下滴灌条件下不同灌水量对棉花生长及产量的影响后认为，随着灌水量增加，棉花生长速度加快，棉花株高、茎粗、叶片数、叶面积指数均增大。而李君[11]探索了棉花不同生育期揭膜对土壤水分、盐分运移及产量的影响发现，棉花花期前揭膜可导致土壤含水量显著降低，而在花期后揭膜则对土壤含水量无显著影响，不同时期揭膜可降低0～40 cm土层的土壤含盐量。 【本研究切入点】前人对棉花揭膜种植的相关研究多集中于相同灌水量下不同揭膜时间对棉花生长及土壤水分、盐分运移的影响，而在相同揭膜时间下不同灌水量对棉花生长的影响鲜有研究。亟需研究揭膜后不同灌水量对棉花植株器官干物质积累量、干物质积累特征值及产量的影响。【拟解决的关键问题】以对水分迟钝型的棉花品种新陆早45号和对水分敏感型品种新陆早42号为试材，设置3个水分处理，采用裂区试验，研究不同灌水量对棉花生长发育的影响。分析适合新疆滴灌棉区揭膜种植的最佳灌量，为新疆滴灌棉花揭膜种植的水分管理提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2016～2017年于新疆农垦科学院农试场试验地(44°18'25''N、86°0'12″E，海拔460 m)进行。当地多年无霜期为168～171 d，年日照时数为2 721～2 818 h，≥10℃的活动积温为3 570～3 729℃，年降水量125.0～207.7 mm，属典型的温带大陆性气候。试验地土壤有机质含量为16.4 g/kg，水解性氮109 mg/kg，有效钾540 mg/kg，全氮1.1 g/kg，全磷0.9 g/kg。

以新陆早42号(水分敏感型)和新陆早45号(水分迟钝型)2个品种为供试材料。按以往试验确定最优的揭膜时间为出苗后40 d左右，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

水分设置3个处理，即全生育期灌水量为4 425 m3/hm2(W1)、5 310 m3/hm2(W2)、6 637.5 m3/hm2(W3)。全生育期覆膜，灌水量为W1(T1)；出苗后40 d揭膜，灌水量为W1(T2)；出苗后40 d揭膜，灌水量为W2(T3)；出苗后40 d揭膜，灌水量为W3(T4)。采用裂区完全随机设计，主区为品种，副区为水分，小区面积为25 m×2.3 m，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，各小区间埋设深度为60 cm的防渗膜。

2016年试验于4月27日播种，因出苗时遇强降雨，造成严重缺苗，于5月5日补种，14日出苗。2017年试验于4月21日播种，27日出苗，采用1膜6行(66 cm+10 cm)宽窄行种植模式，地膜宽205 mm。播种后当日滴出苗水，各处理出苗水均为150 m3/hm2，2年试验均在出苗后40 d左右揭膜，6月30日人工打顶，2017年分别在6月25日、7月5日、7月29日进入初花期、盛花期、盛铃期。2年均通过人工采摘籽棉，采收时间分别为2016年9月30日和2017年9月21日。其他管理措施同大田生产。表1

表1 各试验处理灌水及施肥方案Table 1 Irrigation and fertilization methods for each treatment

1.2.2 测定指标

在棉花揭膜后第4 d取样，后每14 d取样1次，共取样6次，取样时选取每个小区内具有代表性的棉花5株，分器官(茎、叶、蕾铃、根)置于纸袋中在80℃恒温条件下烘干至恒重，即为各处理干物质量。采用Logistic方程描述干物质量积累特征值。

Y=K/(1+ea-bx).

式中，Y为棉花出苗后xd时的干物质积累量(g)，x为出苗后天数(d)，K为干物质最大积累量(g)，a、b为待定系数。根据方程导出：

(1)x0=a/b，x1=[a-ln(2+1.732)]/(-b)，x2=[a+ln(2+1.732)]/(-b)。当x=x0时，干物质积累速率最大，其值为Vm= -bK/4。

(2)x1、x2是模拟期限的2个突变点，在x1之前和x2之后干物质积累都很慢，在x1、x2之间Y与x几乎成线性关系，即为棉花生长的关键时期，Δx=x2-x1，棉花进入关键时期所持续的天数。

(3)GT= -bK(x2-x1)/4，称“生长特征值”(棉花关键时期积累量达最大积累量的65%以上)。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2007对数据进行初步整理，使用SPSS16.0进行数据差异性分析，SigmaPlot 12.5进行数据绘图，使用CurveExpert1.4对干物质数据进行方程拟合并计算相关参数。

2 结果与分析

2.1 揭膜后不同灌水量对根系干物质积累量的影响

研究表明，2品种年际间根系干物质积累量随生育期推进呈持续增加趋势，且2016年高于2017年。在T1、T2处理间，新陆早45号在年际间均表现为T2>T1，2016年在出苗后105 d T2与T1处理间有显著差异，而在2017年2处理在出苗后48和106 d差异显著，且出苗后105 d的T2处理较T1处理高15.25%。新陆早42号的T1高于T2处理，但2处理年际间根系干物质积累量均无差异。在T2、T3、T4处理根系干物质累积量动态变化中，2品种根系干物质累积量在各处理间均呈增加趋势，2016年各处理根系干物质累积量高于2017年。其中，新陆早45号增加灌水量后根系干物质累积量降低， 而新陆早42号增加灌水量后根系干物质累积量增加，但2品种在处理间差异均不显著。图1

2.2 揭膜后不同灌水量对茎干物质积累量影响

研究表明，同一品种在不同年际间茎干物质积累量均表现出持续增长趋势，且2016年高于2017年。T1较T2出现干物质最大积累期的时间提前。新陆早45号茎干物质累积量符合先缓慢增长，后快速增长，再缓慢增长的动态变化。但2年干物质快速积累期出现的时间不同，2016年、2017年T1茎的干物质积累最大时期分别在出苗后63～77 d、出苗后78～92 d，平均日累积量分别为13.06和6.61 g/(m2·d)，而T2、T3、T4处理的茎干物质最大积累时期分别在出苗后49～63 d、出苗后64～78 d。

新陆早42号以T1处理有较高的茎干物质累积量，且与其他处理间有显著或极显著差异，出苗后91～105 d T1、T2、T4处理再次出现快速积累，平均累积量分别达到6.75、9.37、5.03 g/(m2·d)，T3处理在出苗后77～91 d有最大累积速率，平均日累积量为10.95 g/(m2·d)，且与其他处理间有显著差异。不同品种在同一年际间茎干物质快速累积时期相同。图2

2.3 揭膜后不同灌水量对叶片干物质积累量的影响

研究表明，比较2年叶片干物质积累量动态变化发现，随着生育期的推进，叶片干物质积累量动态变化趋势为开口向下的抛物线，不同年际间同一品种叶片干物质累积量表现出2016年高于2017年，不同品种同一年份叶片累积峰值出现时间相同，2016年、2017年分别在出苗后77 d、出苗后92 d。2年叶片干物质累积量新陆早45号高于新陆早42号。相同灌水量下，T2处理新陆早45号的叶干物质积累量大于T1处理，新陆早42号则低于T1处理。图3

2016年揭膜后增加灌水量2品种均以T4处理最低，新陆早45号T3处理在出苗后49 d有最大值，在出苗后77 d T2处理较其他处理有最大值，为303.99 g/m2，出苗后105 d表现出T3>T2>T4，T3与T2间无差异，与T4处理差异极显著。新陆早42号出苗后77 d，叶干物质量均表现出T2>T3>T4，但各处理间无显著差异。2017年新陆早45号在出苗后92 d T3处理有最大值，为246.72 g/m2，与T2处理无差异，与T4处理有极显著差异，出苗后120 d T2有最大值，但与其他处理间差异不显著。新陆早42号以T2处理表现较好，始终有较高的叶干物质积累。图3

图1 揭膜后不同灌水量下根系干物质积累量变化Fig.1 Changes of root dry matter accumulation under different irrigation rates after uncovering plastic film

图2 揭膜后不同灌水量下茎干物质动态变化Fig.2 Dynamic changes of stem dry matter under different irrigation amount after uncovering plastic film

图3 揭膜后不同灌水量下叶片干物质动态变化Fig.3 Dynamic changes of dry matter in leaves under different irrigation rates after uncovering plastic film

2.4 揭膜后不同灌水量对蕾铃干物质积累量的影响

研究表明，T1与T2处理2品种蕾铃干物质表现为前期缓慢增长然后快速增长。2品种蕾铃干物质累积量均表现为T1T3>T4，新陆早45号2016年与2017年T2处理分别较T3、T4处理高出135.67、180.72与122.09、225.74 g/m2，新陆早42号 2016年与2017年T2处理分别较T3、T4处理高出88.29、123.92 g/m2与124.88、249.03 g/m2。2品种2017年的蕾铃干物质累积量高于2016年。图4

2.5 揭膜后不同灌水量对植株器官干物质累积特征值的影响

研究表明，2个棉花品种T2处理的总生物量和根系生物量进入快速积累期的时间较T1处理推迟，分别推迟了1～5 d和3～6 d，快速积累期维持时间缩短，但积累速率增大。新陆早45号生殖器官生物量进入快速积累期的时间T2处理较T1处理提前了3 d，新陆早42号 T2较T1推迟了10 d。营养器官生物量新陆早45号 T2较T1推迟9 d，新陆早42号 T2较T1提前了4 d。2棉花品种的干物质最大积累量(K)、最大积累速度(Vm)T2处理均高于T1处理。揭膜种植方式下不同灌水处理(T2、T3、T4)各总生物量和生殖器官生物量的累积特征值总体表现为随灌水量的增加而降低，营养器官生物量和根系生物量总体以T3处理有较高的干物质积累特征值。表2,表3

2.6 揭膜后不同灌水量对产量的影响

研究表明,2棉花品种在T2处理下的产量均高于T1处理，揭膜种植方式并不会造成棉花减产。揭膜处理后增加灌水量2品种的产量均降低，各水分处理间产量无显著差异。2年的灌溉水利用效率均表现出T2处理高于T1处理，揭膜种植方式有利于提高灌溉水利用效率。揭膜种植方式下2个棉花品种的水分利用效率均表现出随灌水量的增加而降低，处理间有极显著差异。年际间2品种的产量和灌溉水利用效率均表现出2017年高于2016年。表4

图4 揭膜后不同灌水量下蕾铃干物质动态变化Fig.4 Dynamic changes of dry matter of buds and bolls under different irrigation amounts after uncovering plastic film

表2 揭膜后不同灌水量下植株器官干物质累积特征值(2016)Table 2 Characteristic value of dry matter accumulation under different irrigation amount after uncovering plastic film (in 2016)

续表2 揭膜后不同灌水量下植株器官干物质累积特征值(2016)Table 2 Characteristic value of dry matter accumulation under different irrigation amount after uncovering plastic film (in 2016)

表3 揭膜后不同灌水量下植株干物质累积特征值(2017)Table 3 Characteristic value of dry matter accumulation under different irrigation amount after uncovering plastic film (in 2017)

续表3 揭膜后不同灌水量下植株干物质累积特征值(2017)Table 3 Characteristic value of dry matter accumulation under different irrigation amount after uncovering plastic film (in 2017)

表4 不同灌水处理下棉花产量及灌溉水利用效率变化Table 4 Effects of different irrigation treatments on yield cotton and irrigation water utilization efficiency

3 讨 论

研究表明，增加灌水量可以增加棉花的株高、叶面积指数、果枝数、蕾铃数和铃重[13]，但不合理的水肥管理对棉花株高、叶面积指数与单株结铃数有负效应[14,15]。干物质的积累是表征光合能力的重要指标，在生长过程中光合同化物向各器官的转运与分配是衡量作物是否受到逆境胁迫或徒长的重要依据。提高土壤水分会显著降低同化物向蕾铃中的分配[16]，通过调节灌水量可以影响作物根冠关系，对光合同化物的分配方向和产量形成也有影响[17,18]。试验中，在相同灌水量的不同覆膜方式下，茎秆的干物质累积T2处理较T1处理降低，叶片、蕾铃的干物质累积量高于T1处理，揭膜处理有利于干物质向蕾铃的转运。揭膜种植方式下不同灌水处理两棉花品种各器官干物质累积量表现出“慢-快-慢”的变化趋势，茎、叶片的干物质积累均表现出2016年高于2017年，茎、叶干物质累积量均以T4处理最低，增加灌水量对棉花生长没有显著促进作用，反而抑制了棉花生长，因为试验条件下6 637.5m3/hm2的灌水量降低了棉花根系呼吸，影响根系对土壤养分的吸收。过高的土壤水分会降低植物的光合作用，降低光合同化物的累积[19-20]。

李磐[21]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；罗宏海[16,22]等比较了不同土壤含水量对棉花产量及水分利效率的影响试验，田间持水量为70%产量有最大值，土壤含水量低于或高于该值都会使棉花产量降低，且过高或过低的灌水量都会影响产量，并且灌水过多会降低水分利用效率，造成水资源浪费。雷在新[23]通过不同灌量的水分试验发现，过量灌水棉花产量并不会一直随着灌水量的增加而增加。在试验条件下，生育期揭膜种植与全生育期覆膜种植相比，棉花营养生长和生殖生长时间推迟，可以使棉花在生育后期维持较高的光合作用，利于后期干物质的积累，且揭膜种植方式较全生育期覆膜种植提高了干物质向生殖器官的转运量，使干物质快速积累期延长，提高了产量。在揭膜种植方式下提高灌水量，可能是通过降低棉花主茎叶的光合速率，导致干物质向生殖器官的转运量减少，且干物质快速积累期缩短，最终导致产量下降。试验环境下，棉花揭膜种植最适宜的灌水量为4 425 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和产量，同时也可以达到降低地膜污染的目的。

4 结 论

相同灌水量下揭膜种植方式，棉花的干物质积累量高于全生育期覆膜处理，并且提高了干物质向生殖器官的转运比例，延长了干物质快速积累期维持的时间，有利于获得高产。揭膜后增加灌水，干物质的累积量减少，向生殖器官的转运比例降低，快速积累期维持的时间缩短，不利于获得高产，在新疆滴灌棉花种植管理中，出苗后40 d揭膜后最佳灌量为4 425 m3/hm2，在该灌水量下产量和水分利用效率表现较优。