灌溉和种植模式对无膜滴灌棉花幼苗生长及光合特性的影响

龚珂宁，黄炳川，张 楠，李明发，王兴鹏

（1.塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆阿拉尔 843300；2.塔里木大学现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔 843300；3.新疆生产建设兵团第一师水文水资源管理中心，新疆阿拉尔 843300）

0 引 言

由于新疆独特的气候环境及地理位置，现已成为我国棉花种植大省[1]。膜下滴灌棉花种植面积由2002年的94 万hm2增加到2017年的225.4 万hm2，15年间扩大了2.4 倍[2,3]。然而，随着膜下滴灌棉花种植面积的不断增加，地膜残留污染已成为影响区域农业可持续发展的环境问题[4]。在新疆地区开展无膜滴灌棉花种植是解决残膜污染较为可行的途径之一[5]，而棉花无膜种植栽培模式尚处于起步探索阶段，无膜滴灌棉花种植与水肥管理模式的研究成果还不够完善，需要开展进一步研究。

灌溉和种植模式对棉花生长发育及产量具有显著的影响，研究发现随着种植密度的升高，棉花的株高、茎粗和叶面积均呈降低趋势，过高的种植密度会导致叶片重叠程度加重，倒四叶的叶绿素含量和下层RAP 截获率减小，从而影响叶片净光合速率，使得棉花干物质积累量降低，而过低的种植密度则会造成田间漏光率降低，减小光能利用率，也不利于棉花高产[6-10]，因此，需构建适宜的群体结构以实现棉花的优质高产[11,12]。灌水定额是灌溉制度的基本参数之一，对棉花生长及产量具有重要影响[13]。研究表明南疆膜下滴灌棉花适宜的灌溉定额为300～420 mm[14]，各地略有不同，在极端干旱地区可以达到500 mm 以上[15]。在南疆地区，杜江涛等[16]研究表明膜下滴灌棉花在ETC-P累计值达到25 mm时进行灌溉，灌水定额30 mm 和生育期内灌水11 次的组合有利于提高棉花产量和水分利用效率，崔永生等[13]认为较高灌水定额可以显著增加株高，提高光合产物累积量，生育期灌溉定额4 200 m3/hm2，蕾期灌水间隔7 d，花铃期间隔5 d是南疆干旱区较为适宜的灌溉制度，何平如等[17]发现灌溉定额为334 mm，生育期灌水12 次可将较多的盐分淋洗出作物根区，在保证棉花产量的同时达到节水排盐的目的，忠智博等[18]在北疆地区研究发现灌水量为3 750 m3/hm2，施氮量为262.5 kg/hm2时，棉花单铃质量和单株铃数均为最大，且棉花产量较高。棉花无膜种植失去了地膜在增温保墒方面的作用，使得土壤水分消耗增大，保水性降低[19,20]，因此，需提高灌水定额以满足无膜棉花的生长发育。因此，本试验开展不同灌溉种植模式下无膜滴灌棉花幼苗生长、根系发育、叶片光合参数的研究，旨在探明南疆无膜滴灌棉花适宜的灌溉和种植模式，以期为南疆无膜滴灌棉花的推广应用提供前期研究基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于一师阿拉尔市水利局灌溉试验基地（81°17′56.52″E，40°32′36.90″N）开展。试验区属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，昼夜温差极大，气候干燥，常年干旱少雨。多年平均气温11 ℃左右，降雨量50 mm左右，年蒸发量2 100 mm左右，无霜期200～220 d，地下水深约为3 m 左右。试验区为沙壤土，物理性质见表1。

表1 土壤物理性质Tab.1 Soil physical properties

1.2 试验设计

本试验种植棉花品种为“中棉619”，于2020年4月22日播种，4月29日进行出苗补水，灌水量为45 mm，5月5日齐苗后开展试验。通过计算每日参考作物蒸发蒸腾量与降雨量的差值（ET0-P）确定灌水频率，依据前人研究成果，当ET0-P 累计值达到45 mm 时进行灌溉[3,12]，ET0计算公式如下，田间气象数据由试验基地内安装的HOBO 自动气象站提供，包括降雨、风速、气温等气象因子，试验周期内田间气象数据如图1所示。

图1 试验周期内田间气象数据Fig.1 Field meteorological data during the experiment period

式中：ET0为参考作物蒸发蒸腾量，mm/d；Rn为净辐射量，MJ/（m2·d）；G为土壤热通量，MJ/（m2·d）；γ为湿度计常数，kPa/℃；T为日均气温，℃；μ2为距地面2 m 高处风速，m/s；es为饱和水气压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；Δ为温度-饱和水汽压关系曲线T处的的切线斜率，kPa/℃。

目前南疆膜下滴灌棉花的灌水定额在30 mm 左右，考虑无膜滴灌棉花土壤蒸发量较大，并参考已有的研究结果倍[3,12]，本试验设置在膜下滴灌的基础上分别提高20%、50%和80%，即T1（36 mm）、T2（45 mm）和T3（54 mm）,棉花采用等行间距模式进行种植，种植模式I1（行距30 cm，播种密度为33万株/hm2）、I2（行距40 cm，播种密度为24 万株/hm2），共计6个试验处理，每个处理3 次重复，并以膜下滴灌棉花为CK 处理（当地冬春灌灌水量较大，覆膜种植土壤水分蒸发量较低，且土壤表层温度较高，棉花萌发及生长速率较快，因此CK 处理无灌水），CK 处理种植模式为一模两带六行，行距为（66+10）cm，株距10 cm。共21 个试验小区，小区规格为20 m×1.5 m（长×宽）。

滴灌带布置方式为1 带2 行，滴灌带选用内向贴片式，滴头间距20 cm，规格Φ16，滴头额定流量3.0 L/h，灌水压力采用0.1 MPa。田间管理措施如施肥、打药等均与当地农田管理方式保持一致。

1.3 试验测定项目和方法

(1)棉花生长指标测定。在苗期末期（CK 处理6月9日，无膜棉花6月19日），每个小区内随机选择3 株长势均匀的样株，用电子游标卡尺（0.01 mm）测量其茎粗，钢尺（1 mm）测量棉花株高和棉花叶片的最大长度和宽度，用“单叶面积=长×宽×0.75”计算所有叶片的面积，进而计算出棉花单株叶面积。

(2)根系发育指标。将各处理的根系用蒸馏水冲洗干净，采用Epson 扫描仪对根系进行扫描，并将图像存入电脑，用WinRHIZO 根系分析系统软件获取总根长，根总表面积，根平均直径等指标，分析后将根系放入60 ℃的恒温干燥箱至恒重，测定根系干重。

(3)叶片SPAD 值。于每个小区内随机选择3 株长势均匀的样株，使用TYS-4N 植株营养测定仪测定棉花主茎倒三叶的SPAD值，测量时间为上午10∶00-12∶00。

(4)光合作用。在苗期末期使用Li-6400xt光合仪10∶00-12∶00 测定一次不同处理的净光合速率(Photosynthetic rate，Pn)、蒸腾速率(Transpiration rate，Tr)、气孔导度(Stomatal conductance，Gs)、 胞间CO2摩尔浓度(Intercellular CO2concentration，Ci)。

(5)综合指标CIi参考程建权[21]的方法计算：

式中：CIi表示第i个综合指标；Eij表示第i个主成分第j个单项指标对应的特征向量；Xj’表示第j个单项指标的标准化值。

隶属函数值u（xij）、综合指标的权重wj及综合评价值（Di）参照王贺正[22]的方法计算：

式中：xij表示第i材料主成分分析中第j个综合指标值；xjmax、xjmin分别表示指标的最大值和最小值。

式中：wj表示第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度；pj为主成分分析中第j个综合指标的贡献率。

式中：Di表示第i个材料用综合指标评价所得的综合评价值。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2019对数据进行整理分析，SPSS统计软件对数据进行方差分析，并使用Origin 2018进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉和种植模式对无膜滴灌棉花幼苗生长及叶片SPAD值的影响

不同灌溉和种植模式对棉花幼苗生长及叶片SPAD 的影响如表2所示，种植模式相同时，无膜棉花幼苗株高、茎粗、叶面积和叶片SPAD 值均随灌水定额的增大而增加，且T3 处理株高、茎粗和叶面积均显著优于T1和T2处理。灌水定额相同时，I2 处理棉花株高、茎粗和SPAD 值均在灌水定额为T3 时显著优于I1 处理，T1 和T2 灌水定额下种植密度对棉花生长及SPAD 值影响不显著。综合分析，T3I2 处理棉花幼苗株高、茎粗、叶面积和叶片SPAD 值最优，较CK 分别增加了37.7%、13.8%、16.4%和9.8%。

表2 茎粗及株高Tab.2 Stem diameter and plant height

2.2 不同灌溉和种植模式对棉花幼苗根系生长的影响

不同灌溉及种植模式对棉花幼苗根系生长的影响如表3所示，种植模式相同时，无膜棉花棉花根系干重和根平均直径均随灌水定额的增大而增加，T3 处理显著优于T1和T2 处理，总根长和根总表面积随灌水定额的增大而降低，T1 处理显著优于T2 和T3 处理。灌水定额相同时，I1处理棉花总根长在灌水定额为T1 和T2 时显著优于I2 处理。综合分析，无膜棉花幼苗T3I2 处理根系干重和根平均直径最优，其中根平均直径较CK 增加了39.5%，T1I1 处理总根长和根总表面积最优，较CK 处理分别减少了19.9% 和29.2%。

表3 各处理棉花植株根系生长性状Tab.3 Root traits of cotton plants under different treatment

2.3 不同灌溉和种植模式对棉花幼苗叶片光合参数的影响

不同灌溉和种植模式对棉花幼苗叶片光和参数的影响如表4所示，种植模式为I1 时，棉花净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均随灌水定额的增大而增加，T3 处理显著优于T1 和T2 处理，而种植模式为I2 时，棉花胞间CO2浓度值随灌水定额的增大呈先增加后减小趋势，但差异不显著。灌水定额相同时，I2 处理棉花净光合速率显著优于I1 处理， I2 处理棉花胞间CO2浓度值仅在灌水定额为T1 和T2 时显著优于I1 处理。综合分析，T3I2 处理棉花幼苗叶片光合参数最优，较CK 处理分别增加了23.1%、47.6%、33.0%和5.6%。

表4 叶片光合参数Tab.4 Leaf photosynthetic parameters

2.4 不同灌溉和种植模式下棉花幼苗生长指标综合评价

对棉花幼苗的株高、茎粗、叶面积、SPAD 值、总根长、根总表面积、根系干重、根平均直径、胞间CO2浓度、气孔导度、蒸腾速率和净光合速率等12 个性状进行主成分分析。如表5所示，前2 个主成分的贡献率分别为70.35%和21.42%，累积贡献率达91.76%，表明这2 个指标代表了原来12 个单项指标91.76%的信息，因此将原来的12 个单项指标转换为2 个相互独立的综合指标（CI）。第1个主成分（PC1）中根平均直径、气孔导度和蒸腾速率的特征向量最大，第2 主成分（PC2）中总根长、根总表面积和根平均直径的特征向量较大，表明根平均直径、气孔导度、蒸腾速率和根总表面积的贡献率较大，对灌溉和种植模式的响应度较高。

表5 各主成分的特征值和贡献率Tab.5 Eigenvalues and Contribution Rates of Principal Components

通过2个主成分特征向量及各指标的相对值计算不同处理棉花幼苗的2个综合指标，由于各单项指标均为越大越优，通过公式（3）求出隶属函数值，并结合权重得到综合得分，各处理综合指标、隶属函数值和综合评价值如表6所示，根据综合得分将各处理棉花幼苗进行综合排序：T3I2＞T3I1＞CK＞T2I1＞T2I2＞T1I2＞T1I1。结果表明T3I2 处理的棉花幼苗D 值最大，为0.93，说明该处理下棉花幼苗生长状况最优。

表6 幼苗期各处理的综合指标（CI）、隶属函数值（μ）、综合评价值（D）和排名Tab.6 Comprehensive index(CI),subordinate function value(μ),comprehensive evaluation value(D)and ranking of each treatment at seedling stage

3 讨 论

幼苗期作为棉花营养器官形成和发育的主要时期，此时棉花形态结构尚未建立完善，易受到外界逆境的影响[23]，如何提高棉花在幼苗期的抗逆性、保证棉花在幼苗期的生长发育是学者们关注的热点，然而前人研究多于室内模拟条件下进行[24-26]，缺少在试验小区应用的普适性。因此，本试验开展不同灌溉和种植模式下无膜棉花幼苗生长、根系发育、叶片光合参数的研究，研究结果可为南疆无膜滴灌棉花的推广提供前期研究基础。

根系是植物直接吸收利用营养物质的重要器官，其发育状况对植物生长发育具有十分显著的影响[27]，在水分胁迫条件下，总根长、根表面积等根系指标被用于植物抗旱性研究[28]。本试验中无膜棉花幼苗总根长和根表面积均随灌水定额降低而增加，根系干重和根平均直径随灌水定额降低而减小，这与段桂芳等干旱诱导根系伸长生长，使得总根长、根表面积等增加，根系直径减小，从而增加植株根系活力，提高对干旱胁迫的抵抗能力[29,30]的结论相一致。这表明无膜种植失去了地膜在增温保墒方面的作用，且土壤蒸发较大，灌水定额T1和T2 无法满足棉花生长对水分的需求，此时根系通过增加长度、扩大其在土壤中的分布范围[31]，从而获取生长所需的土壤水分，灌水定额T3 由于土壤水分较为充足，植株通过增加根系直径使其吸水能力增大，进而保证其生长发育对水分的需求。

灌溉和种植模式对棉花生长发育有显著影响[32]，采用合理的种植密度可以减少棉花个体间的矛盾与竞争，构建出适宜的群体结构，有利于棉花的生长发育，使棉花获得高产[33]。无膜棉花幼苗茎粗、株高和叶面积均随灌水定额的增大而增加，这与潘秋艳等的研究结果相似[34,35]，说明较低的土壤水分无法充分满足棉花幼苗的生长，产生干旱胁迫。I2 处理株高在灌水定额为T3 时显著优于I1 处理，这与牛玉萍[36]等棉花株高随种植密度的增加而降低的研究结果一致，而灌水定额为T1 和T2 时I2 处理株高小于I1 处理，原因可能是灌水定额较小，I1处理棉花距离滴灌带距离更近，较I2 可以获得更多的土壤水分所致。

前人研究表明，棉花倒四叶SPAD 值可以较好的反映叶片叶绿素含量，且叶绿素含量与植株光合作用之间存在着密切关系，是植株光合作用的物质基础[37]。本试验中无膜棉花幼苗叶片净光合速率和气孔导度均随灌水定额的增加呈上升趋势，这是因为水分胁迫对气孔开度产生显著影响，亏水使部分叶片气孔关闭，同时，由于干旱胁迫程度的增强，使得叶绿素分解速率加快，从而造成叶片SPAD 值降低[38]，最终导致叶片光合速率下降[39,40]。由此可见，适宜的灌水定额可以提高棉花光合作用速率，提高其对环境的适应力，进而保证幼苗的良好发育。

通过主成分和隶属函数法分析得出棉花根平均直径、气孔导度、蒸腾速率和根总表面积对灌溉和种植模式的响应度较高，棉花幼苗各项指标综合评价值D 排序为：T3I2＞T3I1＞CK＞T2I1＞T2I2＞T1I2＞T1I1。因此，考虑不同灌水定额和播种密度对棉花幼苗生长和光合特性的影响，无膜滴管棉花适宜的灌水定额为54 mm，播种密度为24 万株/hm2,可为无膜滴灌棉花产量的形成提供良好的前期基础。

4 结 论

本文分析了灌溉和种植模式对无膜滴灌棉花幼苗生长及光合特性的影响，无膜栽培棉花株高、茎粗、叶面积、总根重、根平均直径和叶片净光合速率均随灌水定额的增大而显著增加，但总根长和根总表面积显著降低，叶片净光合速率随播种密度的增加而显著下降。棉花根平均直径、气孔导度、蒸腾速率和根总表面积对灌溉和种植模式的响应度较高，通过对棉花幼苗各指标进行综合评价，发现灌溉和种植模式分别在54 mm 灌水定额和24 万株/hm2播种密度时，无膜棉花幼苗生长状况较好。