灌溉时段及水温对膜下滴灌棉花生长及产量的影响

王振华，武小荻，王天宇，宗睿，王东旺，陈睿

（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）

棉花是世界上最重要的经济作物之一，同时也是全球种植最广泛的纤维作物[1].中国是棉花生产大国，棉花产量约占全球总产量的31%[2].新疆作为中国最大的棉花生产基地，2020年棉花播种面积为2.541×106hm2，占全国棉花播种面积的76.08%[3-4].温度是影响棉花生长后期纤维合成的关键因素[5-6]，土壤温度变化更是直接或间接影响土壤水分、养分吸收及棉花生长[7].灌溉水温的变化直接反映到土壤温度上，土壤温度过高或过低均会对棉花生长不利.

前人研究发现, 土壤温度过低会导致棉花根系活力降低，抑制根系对养分及水分的吸收，导致棉花品质下降[8-9].土壤温度过高则会抑制根系对氧气的吸收[10]，抑制光合作用，导致产量降低.JIA等[9]研究发现，低温会抑制水稻对氮素的吸收，导致减产.薛鹤等[11]研究发现，对根区土壤进行增温能够促进黄瓜生长，提高氮肥利用效率，增加产量.夏镇卿等[12]研究表明，适宜的土壤温度能够促进玉米根系发育，提高光合速率，增加产量.

气温是影响土壤温度的重要因素之一.新疆地区昼夜温差极大，灌溉时段必然会对灌后的土壤温度产生影响，而前人对这方面的考虑较少.文中拟探究不同灌溉时段下增温灌溉对膜下滴灌棉花生长及产量的影响，确定对膜下滴灌棉花产量的最适灌溉时段及该时段下的最适水温，为膜下滴灌条件下棉花增温灌溉时段及温度的选择提供科学依据.

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′ E，44°19′ N，海拔410 m）开展.试验站位于新疆生产建设兵团农八师石河子市西郊石河子大学农试场二连，海拔450 m，年均日照时数2 950 h，年降水量在220 mm左右.2020年棉花生育期气象数据如图1所示,图中hR为相对湿度，E为日平均气温，θ为降雨量.供试土壤为中壤土，试验区0～100 cm土壤年平均容重为1.56 g/cm3,田间持水率为21.12%（体积含水量）.

1.2 试验设计

2020年4月23日播种，供试棉花为“新陆早42号”，依据当地习惯采用“一膜三管六行”的机采棉种植模式，膜宽为2.05 m，宽行行距66 cm，窄行行距10 cm，株距10 cm.滴灌带选用新疆天业集团生产的迷宫式薄壁式滴灌带，滴头间距30 cm.

根据前人研究[13]并结合当地实践经验确定灌溉定额为4 650 m3/hm2.全生育期共施尿素wN600 kg/hm2，磷酸二氢钾wK300 kg/hm2，采用随水滴肥方式施入.详细灌溉制度及施肥制度如表1所示，表中q为灌水量，n为次数.

试验设灌溉水温和灌溉时段2个因素.灌溉时段设2个水平，分别为灌溉全部在白天进行（DW）和灌溉全部在夜间进行（NW）.通过测量发现正常灌溉井水水温为13.00～15.00 ℃，确定灌溉水温T设置4个水平，分别为15.00，20.00，25.00，30.00 ℃，共计8个试验处理，24个试验小区，每个小区的面积为12 m2.处理详情如表2所示.

表1 灌溉及施肥制度表

图2为增温灌溉装置示意图.灌溉水由水源进入太阳能增温装置进行增温（夜间灌溉及阴天时依靠电能辅助增温装置进行增温）后流入蓄水桶中，经由潜水泵抽出进入田间滴灌管道.滴灌带滴头处设置瞬时温度计来监测滴头处的水温，并通过减少输水管道的长度及用塑料海绵包裹管道来减少输水过程中的水温损失.

表2 试验处理设置

1.3 测定项目与方法

1） 土壤温度

用直角地温计于棉花苗期至花铃期每次灌水后10 min分别测量各处理0～25 cm深度的土壤温度.

2） 株高、茎粗

于打顶后第3天（2020年7月15日），每个小区随机选取3株棉花，用卷尺测量株高（cm），用游标卡尺测量茎粗（mm）.

3） 叶面积指数

在花铃期，各小区分别随机选取3株棉花，用钢尺测量每片叶片的长和宽，叶面积指数计算公式[13]为

（1）

式中：λ为叶片形状系数，取0.84；RLAI为叶面积指数；L，W分别为叶片长度和宽度，m；A为所占土地面积，m2.

4） 物候期

文中选取棉花出苗、现蕾、开花、吐絮、收获5个棉花物候期，记录各物候期的时间（以出苗后的天数表示）.选取出苗—现蕾、现蕾—开花、开花—吐絮、吐絮—收获4个生育阶段.计算棉花苗期、蕾期、花铃期及吐絮期的持续天数.

5） 光合指标

在蕾期（7月10日）、花铃期（7月28日），每个小区随机选取3株棉花，于10—14点（北京时间）采用美国LI-COR公司生产的LI-6800光合-荧光测量仪测量净光合速率Pn、蒸腾速率Tr、胞间CO2浓度Ci、气孔导度Gs.蕾期、花铃期规律类似，由于文章篇幅有限，文中只展示花铃期的数据.

6） 棉花产量指标

于收获期各小区分别测量记录单铃质量、单株成铃数和总株数.实收计产，各小区单株籽棉产量为各小区籽棉产量除以各小区棉花株数；单株产量为各小区单株产量的平均值，最终换算成标准产量.

1.4 数据处理分析

采用WPS Office和SPSS 24数据软件对数据进行处理、分析，采用Origin 2019和CAD软件绘图.

2 试验结果与分析

2.1 土壤温度

不同处理的灌后0～25 cm各深度土壤温度t如图3所示.日间灌前土壤温度低于气温且温差较大；夜间气温低于灌前土壤温度，二者温差较小.土层深度D和灌溉水温T对土壤温度t的双因素方差分析如表3所示.土层深度及灌溉水温对土壤温度影响均在0.01水平下具有统计学意义，且二者交互作用极显著.夜间灌溉时，土层深度对土壤温度的影响较日间灌溉更为显著.

增温灌溉显著提高0～20 cm土层的土壤温度，但对25 cm处土壤温度影响不具有统计意义，且夜间增温灌溉对土壤温度的影响较日间更加显著.对于日间灌溉，灌溉水温为20.00，25.00，30.00 ℃时较15.00 ℃时0～5 cm深度的平均土壤温度分别提高了0.96，1.87，4.90 ℃;5～10 cm深度的平均土壤温度分别提高了0.81，1.83，3.92 ℃;10～15 cm深度的平均土壤温度分别提高了0.72，1.48，2.64 ℃;15～20 cm深度的平均土壤温度分别提高了0.31，0.90，1.70 ℃.对于夜间灌溉，灌溉水温为20.00，25.00，30.00 ℃时较15.00 ℃时的0～5 cm深度的平均土壤温度分别提高了0.88，3.34，5.43 ℃;5～10 cm深度的平均土壤温度分别提高了0.78，2.66，4.33 ℃;10～15 cm深度的平均土壤温度分别提高了0.74，1.84，3.22 ℃;15～20 cm深度的平均土壤温度分别提高了0.92，1.78，1.92 ℃.对于0～20 cm深度的土壤，随着土层深度的加深，土壤温度的变化幅度逐渐减小.

表3 土层深度和灌溉水温对土壤温度的双因素方差分析

Tab.3 Two-factor variance analysis of soil depth and irrigation water temperature to soil temperature

因素日间灌溉土壤温度F值夜间灌溉土壤温度F值D791.933∗∗47.106∗∗T2 499.374∗∗2 052.021∗∗D×T264.235∗∗218.905∗∗

2.2 棉花生长指标

灌溉时段及水温对棉花各生育期时长的影响如图4所示，其中k为播种后天数.

日间增温灌溉显著缩短棉花苗期和蕾期时长，延长吐絮期DW20，DW25，DW30较CK的苗期时长分别缩短了1.67，3.33，5.67 d，蕾期时长分别缩短了1.67，4.00，5.67 d，吐絮期时长分别提前了3.00，7.67，12.00 d；对于夜间灌溉处理，除处理NW15外，夜间增温灌溉显著缩短棉花苗期和蕾期时间，增加吐絮时间.处理NW15较CK的苗期时长延长了2.33 d，处理NW20，NW25，NW30较CK的苗期时长分别缩短了1.33，6.67，8.00 d，处理NW15较CK的蕾期时长延长了1.00 d，处理NW20，NW25，NW30较CK的蕾期时长分别缩短了1.00，5.67，7.00 d，处理NW15较CK的吐絮期推迟了3.00 d，处理NW20，NW25，NW30较CK的吐絮期分别提前了2.00，13.00，16.00 d.各处理对花铃期的影响不具有统计学意义.灌溉水温过低时进行夜间灌溉会导致棉花苗期、蕾期延长，吐絮延后.

不同灌溉时段及水温对膜下滴灌棉花株高、茎粗及叶面积指数的影响如图5所示.其中，处理DW20，DW25，DW30分别较CK的株高显著增加了12.41%，24.77%，19.77%（P<0.01），茎粗显著增加了12.72%，23.72%，20.18%（P<0.01），叶面积指数显著增加17.7%，33.85%，25.7%（P<0.01）； 处理NW15，NW20，NW25，NW30分别较处理CK的株高显著增加了5.74%，15.65%，28.15%，26.39%（P<0.01），茎粗增加了4.97%，15.73%，26.07%，25.32%，叶面积指数显著增加了6.77%，24.8%，40.49%，31.84%（P<0.01）.

根据灌溉水温，随着灌溉水温的上升，棉花的株高h、茎粗d、叶面积指数RLAI均呈现先增后减的趋势，在一定温度范围内提高灌溉水温能够增加棉花的株高、茎粗和叶面积指数.夜间灌溉能够显著增加棉花的株高.处理NW25棉花的株高、茎粗、叶面积指数均达到所有处理的最大值，分别为97.4 cm，12.85 mm，4.13.

2.3 棉花光合指标

棉花的光合作用直接影响到棉花的产量的形成，而花铃期更是棉花产量形成的关键时期.表4为不同处理下的棉花花铃期光合指标.

表4 不同处理下的棉花花铃期光合指标

随着灌溉水温的升高，各处理棉花的净光合速率Pn、气孔导度Gs、蒸腾速率Tr均呈现出先增后减的趋势，而胞间CO2浓度Ci则呈现出先减后增的趋势.根据灌溉时段，夜间灌溉处理较日间灌溉处理的平均Pn增加了8.13%，平均Gs增加了3.93%，平均Tr增加了4.18%，平均Ci降低了2.81%.相同灌溉水温下，夜间灌溉处理的Pn，Gs，Tr均大于日间灌溉处理，Ci均小于日间灌溉处理.处理NW25棉花的Pn，Gs，Tr均达到所有处理的最大值，较处理CK分别增长了32.9%，22.56%，26.04%.灌溉水温和灌溉时段均对棉花的Pn，Gs，Tr，Ci存在极显著影响，而二者交互只对Gs存在极显著影响.

2.4 棉花产量构成

不同灌溉时段及水温对棉花产量的影响如表5所示，其中Y为棉花产量，i为单株成铃数，m为单铃质量.随着灌溉水温的升高，棉花的籽棉产量呈现出先增后减的趋势，且夜间增温灌溉下的棉花产量高于日间增温灌溉.处理DW20，DW25，DW30， NW15，NW20，NW25，NW30较处理CK的籽棉产量显著增加5.88%，10.78%，7.38%，2.95%，9.11%，14.13%，12.01%，单株成铃数显著增加10.10%，18.38%，23.84%，1.21%，11.72%，19.80%，25.05%.其中，处理DW20，DW25，DW30，NW20，NW25，NW30较处理CK单铃质量显著降低3.96%，6.37%，13.63%，1.76%，4.84%，10.55%，但处理NW15较处理CK的单铃质量显著增加1.76%（P<0.01）.显著性方差分析结果表明，灌溉水温对籽棉产量、单株成铃数和单铃质量均有极显著影响；灌溉时段对籽棉产量影响极显著，对单铃质量影响显著.

灌溉水温为20.00，25.00，30.00 ℃时较15.00 ℃平均籽棉产量分别增加5.94%，10.82%，8.10%，平均单株成铃数分别增加10.20%，18.37%，23.69%，单铃质量分别降低3.70%，6.43%，12.85%.随着灌溉水温的上升，棉花单株成铃数增大，单铃质量减小.当灌溉水温到达30.00 ℃时，单铃质量骤减，最终表现为棉花的籽棉产量随灌溉水温的升高呈现先增后减的趋势，在一定范围内提高灌溉水温能够增加棉花的籽棉产量.根据灌溉时段，夜间灌溉处理较日间灌溉处理的平均籽棉产量、平均单株成铃数、平均单铃质量分别增加了3.34%，1.21%，2.28%.

表5 不同处理下的棉花产量构成

2.5 最适灌溉水温的确定

为确定对于棉花产量的最适灌溉水温，以灌溉水温为自变量，以棉花产量为因变量，基于SPSS多元回归分析分别建立日间和夜间灌溉下灌溉水温与棉花产量关系的一元二次回归方程如表6所示.所建立的方程均在95%置信区间，灌溉水温对产量的影响均达到极显著水平（P<0.01），决定系数大于0.880.

表6 灌溉水温与产量间的回归关系

图6反映了灌溉水温T对产量Y的影响.随着灌溉水温的上升，产量呈现为先增大后减少的趋势.

日间灌溉水温为25.43 ℃时，产量达到最大值7 238.91 kg/hm2；夜间灌溉水温为26.38 ℃时，产量达到最大值7 482.96 kg/hm2.从增产角度，最优的增温灌溉方式为灌溉水温26.38 ℃进行夜间灌溉.

3 讨 论

GIPSON等[14]的研究认为夜间最低温度决定作物的生育进程.文中随着灌溉水温的升高，棉花的生育进程提前，吐絮期时长延长.随着灌溉水温的升高，棉花的株高、茎粗、叶面积指数均有不同程度的增长，这与张瑞弯等[15]的研究结果相似.升高土壤温度可以增大作物叶片的气孔导度[16]，而作物的气孔导度增大有利于CO2的通过，进而提高叶片中的CO2浓度，促进叶片光合作用.当灌溉水温过低时，灌溉引起土壤温度骤降，降低了根系吸水能力[9]；而灌溉水温过高时，会使棉花的气孔导度增大，蒸腾速率加快，加速棉花水分散失，同时还会抑制棉花根系对氧气的吸收[10]，最终都会对棉花叶片的光合作用产生抑制.日间土壤温度较高，灌溉水温均低于土壤温度，且土壤与灌溉水温差大，灌溉后会造成土壤温度骤降，对棉花的生长发育产生扰动，并对光合作用产生一定的抑制.夜间土壤温度较低，与灌溉水温差较小，对棉花正常生理生长的扰动较小；而增温灌溉使土壤温度升高，提高了棉花光合功能.干秀霞等[17]的研究认为夜间增温有利于增加叶片叶绿素含量，提高棉花光合功能，本研究结果与其基本一致.

水温是影响土壤温度的主要因素，灌溉水温对土壤温度的影响随着土壤深度的增加逐渐减小，灌溉水温与土壤温度温差越大，土壤温度变化越明显.本试验结果表明，土壤温度的变化幅度随着土层深度的加深而减小.夜间土壤温度较低，与灌溉水的温差较日间更大，对土壤温度的影响也就越显著.这与朱红艳等[18]的研究结果类似.

土壤温度过高会通过抑制棉花叶片的光合作用，导致光合产物的缺失，最终导致减产.本研究表明，随着灌溉水温的升高，棉花的籽棉产量呈现先增后减的趋势，单株成铃数与灌溉水温呈正相关，单铃质量与灌溉水温呈负相关.增温灌溉能够活化棉花的生理反应，促进了营养繁殖，提高了棉花的单株成铃数.而在棉花的水肥供应固定的条件下，单株成铃数的增加必然会导致单铃养分分配的下降，从而导致单铃质量的降低.

本试验中，相同灌溉水温下，夜间灌溉的产量、单株成铃数、单铃质量均大于日间灌溉.夜间增温能够降低棉花叶片花青素含量、POD和SOD活性，延缓棉花叶片变红衰老，进而提高棉花单铃质量，提高棉花产量[17].对于灌溉水温为15.00 ℃和20.00 ℃的夜间灌溉处理，灌溉延后了吐絮期，减少了棉花吐絮期的积累时长，不利于产量的增加.对于灌溉水温30.00 ℃的夜间灌溉处理，灌溉提前了吐絮期，增加了棉花吐絮期的光热累积时长，但灌溉后加剧了棉花的呼吸作用，使得单铃质量骤减，不利于产量的积累.对于灌溉水温为25.00 ℃的夜间灌溉处理，灌溉水温与夜间土壤温度接近，对棉花呼吸作用影响较小；较15.00和20.00 ℃的处理，棉花提前进入营养生长阶段、生殖生长阶段, 开花期和吐絮期明显提前, 从而有利于提高气候生态资源利用效率和干物质积累[19].

4 结 论

通过控制灌溉时段及灌溉水温，研究不同灌溉时段及水温对膜下滴灌棉花生理生长、产量及作物生育期等指标的影响，得出以下结论：

1） 增温灌溉能够提前棉花的生育进程，增大株高、茎粗、叶面积指数，促进光合作用，提高产量.

2） 夜间灌溉效果更好，夜间增温灌溉增产效果更显著.

3） 基于多元回归分析探明对膜下滴灌棉花产量的最适增温灌溉时段为夜间，最适灌溉水温为26.38 ℃，对应的产量为7 482.96 kg/hm2.