水氮耦合对微咸水膜下滴灌棉花光合特性及产量的影响

马 凯，王振华，王天宇，宗 睿，王东旺

(1.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832000；3.农业农村部西北绿洲节水农业重点实验室，新疆石河子 832000)

棉花(Gossypiumspp)是当今世界纯天然纺织纤维原料之一[1]。新疆日照强度大且时间长，十分适合棉花种植，是中国重要的棉花产区。但水资源短缺和水肥利用率低等问题抑制了新疆农业的发展潜力[2]。自1996年新疆生产建设兵团(简称兵团)推广膜下滴灌技术以来，目前已成为全国大田作物应用滴灌技术规模最大的片区[3]。为缓解新疆干旱缺水的现状，科学开发利用地下可开采的微咸水已成为重要解决措施之一[4]。西北内陆地下微咸水可开采量为42.39亿m3/a，其中新疆占40.70%(17.24亿m3/a)，微咸水资源储量丰富[5]。由于微咸水灌溉的双重性，如何科学合理地既能使用微咸水灌溉，又能保证作物正常生长发育是现有研究关注的问题[6]。

近年来，众多学者研究了微咸水灌溉对作物的影响。Singh等[7]研究表明，微咸水灌溉会增加土壤渗透势，从而引起植物渗透胁迫，最终会抑制作物的生长和产量。马丽娟等[8]研究发现，使用微咸水灌溉抑制作物正常生理生长，但对作物产量的影响不大甚至有增产效果。同样有研究发现，长期不合理微咸水灌溉会导致土壤盐分聚集到作物根系层[9-10]。氮素不但是作物发育过程中必不可少的养分元素，还是增加作物产量所必需的肥料。有研究表明，通过增施氮肥能够缓解盐分对作物形成的负面影响[11]。侯森等[12]研究证实，微咸水灌溉条件下，过量的水氮供应能明显增大棉花生物量。范雪梅等[13]研究发现，低灌水量时增施氮肥，一方面可以增强作物光合速率，另一方面还可以缓解水分短缺对作物构成的负面影响。Miner等[14]研究发现，适宜灌水量时，增加施氮量可以显著促进作物的生长，增加根、茎、叶养分的累积，最终增加作物产量。在作物发育过程中，水、氮两因素相互影响，一方面灌水可以加速作物根系的发育，另一方面根系又能提高作物吸收氮素的效率[15]。

目前，新疆膜下滴灌棉花的水氮耦合研究主要集中在淡水灌溉、盐碱化土壤上，但对微咸水灌溉条件下棉花的水氮耦合效应研究鲜见报道。因此本文采用大田小区试验，研究水氮耦合对微咸水膜下滴灌棉花光合参数、产量和水肥利用效率的影响，综合评价满足各指标的最优灌水施氮量区间，对干旱缺水地区微咸水科学利用和提高微咸水膜下滴灌棉花水肥利用率提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年4-10月在新疆石河子市现代节水灌溉兵团重点实验室试验基地暨石河子大学节水灌溉试验站(85°59′47″E，44°19′28″N，海拔451 m)进行。试验地区年均日照时间2 865 h，年平均降水量、蒸发量分别为207 mm、1 660 mm。试验区地下水埋深大于8 m，土壤质地为中壤土，0～100 cm土壤年平均体积质量为1.42 g/cm3，田间持水率为18.65%，全氮含量为18.66 g/kg，全磷含量为0.85 g/kg，全钾含量为7.80 g/kg，速效磷含量为30.27 g/kg，速效钾含量为403.94 g/kg，土壤有机质含量为8.27 g/kg，pH为7.58。棉花种植期间降雨量和平均气温如图1所示。

图1 棉花种植期间降雨量与平均气温Fig.1 Rainfall and average temperature during cotton planting

1.2 试验方法

采用大田小区试验，每个小区为4.5 m×5 m，种植方式为一膜三管六行(图2)，其中滴灌带间距为80 cm，膜间距40 cm，窄行间距10 cm，宽行间距60 cm。试验为微咸水膜下滴灌条件下，水、氮2因素(灌溉定额3水平、施氮量4水平)试验。根据生产实践及前人研究[16]，设置3个水平的灌溉定额：2 500、3 500、4 500 m3/hm2(W1、W2、W3)；设置4个水平的施氮量：100、200、300、400 kg/hm2(纯N)(N1、N2、N3、N4)。共设置12个处理，3次重复。试验设计如表1所示。采用新疆天业有限公司生产的单翼迷宫式滴灌带，外径16 mm，壁厚0.30 mm，滴头间距30 cm，滴头流量1.8 L/h。2020年4月27日播种，10月2日收获，全生育期共计159 d。试验区利用蓄水桶，通过独立的系统控制各处理的灌水量和施氮量。借鉴前人[16-17]对大田膜下滴灌棉花灌水制度研究成果，全生育期灌水11次，随水施肥。氮肥使用尿素(N:46.4%)，磷肥和钾肥统一使用磷酸二氢钾(P2O5:51.5%)295 kg/hm2。试验站地下井水矿化度为1.35 g/L。其他田间农艺措施与当地农户种植习惯一致。各生育期灌水施肥方案如表2所示。

表1 试验设计Table 1 Experimental design

表2 各生育期灌水施肥试验方案Table 2 Experimental scheme of irrigation and fertilization in each growth period

图2 棉花种植模式Fig.2 Cotton planting mode

1.3 测试项目与方法

1.3.1 光合指标 使用LI-6800便携式光合荧光测量仪(LI-COR，美国)分别在棉花蕾期(7月4日)、花铃期(8月19日)、吐絮期(9月21日)测量棉花光合特性。选取棉花上部已标记功能叶在各生育期晴朗无云的一天，从10:00时开始测量至20:00结束，时间间隔为2 h，各处理测量3株，取平均值。其中，测量光合指标为净光合速率(Pn、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和细胞间CO2浓度(Ci)等。

1.3.2 产量及水肥利用效率 于花铃期末(10月2日)进行测产。各小区单打单收，以实收产量计算籽棉产量。

灌溉水利用效率(Irrigation Water-Use Efficiency，iWUE，kg/m3)计算公式[18]为：

iWUE=Y/I

式中Y相应处理籽棉产量，kg/hm2；I相应处理灌水量，m3/hm2。

氮肥偏生产力(Nitrogen Partial Factor Productivity，NPFP，kg/kg)计算公式[19]为：

NPFP=Y/N

式中N相应处理施氮量，kg/hm2。

1.4 数据处理与分析

数据整理使用Excel 2010软件，绘图运用Origin 2019b软件，显著性分析采用Spss 26软件，多元回归分析及极值求解运用Matlab 2018a 软件。

2 结果与分析

2.1 水氮耦合对微咸水膜下滴灌棉花光合特性的影响

不同水氮耦合处理对微咸水膜下滴灌棉花Pn、Tr、Gs及Ci的影响如图3所示。由图3可知，随着生育期的推进，棉花Pn、Tr及Gs变化规律为先增大后减小。蕾期变化较小，花铃期变化最大，吐絮期变化最小。增加灌溉定额，棉花各生育期Pn、Tr及Gs持续上升。灌溉定额相同时，增加施氮量，棉花各生育期Pn、Tr及Gs均表现为先增加后减小。以花铃期数据为例，W2水平较W1、W3水平棉花Pn依次增高30.10%、 3.06%，Tr、Gs分别增高25.56%、2.74%和 18.54%、2.40%。在W1灌水水平下，棉花Pn、Tr及Gs最大值N2处理比最小值N4处理分别增加了30.13%、49.16%和30.27%(P<0.05)；在W2灌水水平下，最大值N2处理比最小值N1处理分别增加了37.46%、38.82%及29.11% (P<0.05)；在W3灌水水平下，最大值N3处理较最小值N1处理分别增加了15.50%、9.39%和7.95%(P<0.05)。

不同字母表示0.05水平差异显著。Different letters indicate significant differences at the level of 0.05.图3 水氮耦合对微咸水膜下滴灌棉花光合参数的影响Fig.3 Photosynthetic parameters of drip irrigated and film mulching cotton with brackish water under treatment of water and nitrogen coupling

棉花Ci的变化规律刚好和Pn、Tr及Gs相反。棉花Ci随着生育期的推进，变化趋势为先减小后增大。蕾期变化较小，花铃期变化最小，吐絮期变化最大。增加灌溉定额，棉花各生育期Ci持续减小。同一灌水水平下，增加施氮量，棉花各生育期Ci先减小后增加。以花铃期数据为例，W1水平比W2、W3水平棉花Ci依次高51.25%、 56.04%(P<0.05)。W1水平下，最大值N4较最小值N2处理增高15.35%(P<0.05)；W2水平下，最大值N4较最小值N2处理增高 39.66%(P<0.05)；W3水平下，最大值N1分别较最小值N3处理增高29.34%(P<0.05)。灌溉定额、水氮耦合作用对棉花Pn、Tr、Gs及Ci的影响极显著(P<0.01)。施氮量对Pn、Gs及Ci影响极显著(P<0.01)，对Tr影响明显(P< 0.05)。以上分析表明：过高、过低的灌溉定额抑制棉花Pn、Tr及Gs的提高；中等灌溉定额时，次高施氮量对棉花Pn、Tr及Gs的促进作用最大。高灌溉定额减小了棉花Ci。低、中灌溉定额时，分别为高、低施氮量提高了棉花Ci。

2.2 水氮耦合对微咸水膜下滴灌棉花产量及水肥利用效率的影响

不同水氮耦合处理对微咸水膜下滴灌棉花Y、iWUE及NPFP的影响和方差分析见表3。从表3中可知，灌溉定额、施氮量和水氮耦合作用对棉花Y、iWUE及NPFP的影响极显著(P< 0.01)。棉花 随灌溉定额的增加先上升后下降。W2水平较W1、W3水平棉花产量分别显著增加20.95%、8.66%(P<0.05)。灌溉定额相同时，增加施氮量棉花产量先增加后降低。在W1水平下，最大值出现在N2处理(5 687.32 kg/hm2)较最小值提高了12.72%；在W2、W3水平下，最大值均出现在N3处理(6 725.89 kg/hm2、6 245.27 kg/hm2)较最小值分别增加了14.01%、 11.16%。棉花产量最大值、最小值分别出现在W2N3、W1N4处理，依次为6 725.89 kg/hm2、 5 045.54 kg/hm2，相对减少24.98%。

表3 水氮耦合对微咸水膜下滴灌棉花产量及水肥利用效率的影响Table 3 Cotton yield，water and fertilizer use efficiency of drip irrigated and film mulching cotton with brackish water under treatment of water and nitrogen coupling

增加灌溉定额，棉花iWUE持续减小，NPFP先上升后下降。W1水平较W2、W3水平棉花iWUE分别显著增加15.91%、61.01%(P< 0.05)，W2水平较W1、W3水平棉花NPFP分别显著增加14.72%、1.69%(P<0.05)。同等灌水水平下，增加施氮量，棉花iWUE先增高后降低，NPFP持续减小。棉花iWUE最大值、最小值分别出现在W1N2、W3N4处理，依次为2.27、 1.25 kg/m3。NPFP最大值、最小值分别出现在W2N1、W1N4处理，依次为58.99 kg/kg、12.61 kg/kg。以上分析表明，过多、过少的灌溉定额和施氮量会明显降低棉花产量和灌溉水利用效率，过量、过少的施用氮肥可以降低、增加氮肥偏生产力。合理水氮施用量能够增加棉花产量、灌溉水利用效率，降低氮肥偏生产力。

2.3 微咸水膜下滴灌棉田最佳水氮区间确定

以灌溉定额、施氮量两试验因素为自变量，以棉花净光合速率、产量两指标为因变量，依次建立多元非线性回归方程。由表4可知，建立的非线性回归方程的决定系数均在0.83以上，且灌溉定额、施氮量对各因变量影响均极明显(P<0.01)。

表4 微咸水灌溉下灌溉定额、施氮量与净光合速率、产量之间的回归关系Table 4 Regression relationship between irrigation quota,nitrogen application rate and net photosynthetic rate,yield under brackish water irrigation

图4-a为水氮耦合作用对棉花产量的影响，其为开口向下的上凸曲面，增加灌溉定额、施氮量，棉花产量先上升后下降，当产量最大值为6 671.4 kg/hm2时，灌溉定额、施氮量依次为3 730.4 m3/hm2、260.4 kg/hm2；从图4-b可以看出，水氮耦合对棉花净光合速率的影响与产量相类似，均为开口向下的上凸曲面，当净光合速率为最大值35.02 [μmol/(m2·s)]时，灌溉定额、施氮量分别为4 500 m3/hm2、304.8 kg/hm2。

图4 水氮耦合对微咸水膜下滴灌棉花产量、净光合速率的影响Fig.4 Cotton yield,net photosynthetic rate of drip irrigated and film mulching cotton with brackish water under treatment of water and nitrogen coupling

因为棉花净光合速率、产量指标无法同时达到最大值，且两指标量纲不同，无法直接比较，故将棉花净光合速率、产量指标进行归一化处理，得到水氮与棉花净光合速率、产量指标的关系(图5)。对棉花净光合速率、产量进行评价。由图可知，在相对值为0.9的区域产量、净光合速率有重合区域，且两指标重合区域较大，故将相对值大于等于0.9的区域定为合理的可接受范围。

白点为区域内的最大值White dots mean maximum value in the area图5 水氮投入与膜下滴灌棉花产量(A)、净光合速率(B)的归一化相对值Fig.5 Normalized relative values of cotton yield(A) and net photosynthetic rate(B)under water and nitrogen input, drip irrigation of film mulching

将图5中2幅图相对值为0.9的等高线套叠得到综合评价图(图6)。由图6可知，棉花产量和净光合速率同时大于等于0.9相对值的灌溉定额和施氮量区间为3 335.08～3 968.36 m3/hm2和273.83～ 344.73 kg/hm2。

图中斜线区域表示产量和净光合速率同时大于等于0.9相对值的可接受区域The slash area in the figure indicates the acceptable area where the relative value of yield and net photosynthetic rate is greater than or equal to 0.9 at the same time图6 基于相对最优产量和净光合速率的综合评价Fig.6 Comprehensive evaluation based on relative optimal yield and net photosynthetic rate

3 讨 论

光合作用是保证棉花生理、生长及产量正常的前提条件，容易受到灌溉定额、施氮量等要素的影响[20]。本试验表明，增加灌溉定额，提高了棉花Pn、Tr和Gs，减小了Ci。这是因为在中、高水处理下，充足的灌水增加叶绿素相对含量，从而提高棉花光和能力，增强棉花Pn、Tr和Gs[21]；在低水处理下，供水不足会破坏叶绿素结构，导致色素分解，叶绿素含量降低，叶肉细胞CO2溶解度下降进而降低作物光合速率[22]。研究发现，增加施氮量，光合速率增强，当施氮量超过作物阈值时光合能力减弱[23]。这是因为高施氮量迫使土壤中硝态盐聚集，从而导致土壤硝态氮淋洗损失，棉花叶片早衰，叶绿体内CO2供应受阻，光合速率减弱[24]。本研究发现，灌溉定额相同时，随着施氮量增加，棉花Pn、Tr和Gs变化趋势为先增高后减低。同等灌水水平下，Ci刚好相反。即合理的施氮量能够增强作物光合作用的转化效率。

水肥调控是协调营养、生殖生长，实现作物产量增加的田间关键技术[25]。本研究发现，增加灌溉定额，棉花产量和氮肥偏生产力先上升后下降，但减小了灌溉水利用效率。这与邢英英等[26]的研究结果相类似。有研究表明，低、中水平的施氮量虽然限制了植物的生长[27]，但高氮施用会致使氮在土壤中积累，进而导致硝酸盐积累影响硝酸酶活性，从而迫使作物产量下降[28]，进而迫使灌溉水分利用效率与氮肥偏生产力减小[29-30]。本研究表明，同一灌溉定额时增加施氮量，棉花产量、灌溉水利用效率的变化趋势均为先增高后降低，而氮肥偏生产力持续减小。参考前人研究[31-32]成果的基础上，本研究采用建立多元非线性回归方程，并结合归一化处理和空间分析的综合办法，可求出能够满足多目标最大效益的最佳灌溉定额、施氮量区间。因为只进行了一年试验，所求最佳水氮区间的可靠性需要长期试验进行验证。

4 结 论

增加灌溉定额，棉花Pn、Tr、Gs增加，Ci减小。增加施氮量，Pn、Tr及Gs先增大后减小，Ci表现为先减小后增大。

增加灌溉定额，棉花产量和氮肥偏生产力先上升后下降，灌溉水利用效率减小；增加施氮量，棉花产量、灌溉水利用效率先增加后减小，而氮肥偏生产力持续减小。

使用多元非线性回归方程，结合归一化处理和空间分析办法可知，当灌水施氮量区间为 3 335.08～3 968.36 m3/hm2和273.83～344.73 kg/hm2时，棉花产量和净光合速率同时大于等于相对值0.9重叠区域。