加气对西北旱区膜下滴灌棉花光合及水分利用效率的影响

韩美琪,王振华*,朱艳,温越

(1. 石河子大学水利建筑工程学院,新疆 石河子 832003; 2. 现代节水灌溉兵团重点实验室,新疆 石河子 832003; 3. 农业农村部西北绿洲节水农业重点实验室,新疆 石河子 832003)

新疆地区水资源匮乏,蒸发强度大.随着规模化节水技术膜下滴灌的推广,保障了农业水土资源可持续利用[1],但也带来了一系列新的问题,例如滴灌过程中作物根区容易形成持续饱和湿润区,引发根际缺氧[2];覆膜技术阻碍了植株地表土壤直接与周围大气系统发生气体交换,降低了地表土壤的通气性能[3].为缓解低氧胁迫,科学开发利用加气灌溉技术已成为重要解决措施之一.

随着人们对加气灌溉方式的不断探索,加气灌溉种类也随之增加[4-5].独立式加气灌溉主要指将灌溉与加气2个过程分开进行;物理曝气式加气灌溉则是将加气与灌溉同步进行的加气灌溉方式,这2种加气方式都需要额外的电力,在一定程度上增加了灌溉成本,降低了加气灌溉所带来的效益.化学增氧加气灌溉是一种简单便捷的加气灌溉方式,通过施加化学增氧剂,作物根区土壤的增氧效果明显,但不同的化学增氧剂会对土壤和作物产生潜在的影响.而文丘里式加气灌溉通过增加流速、减小压强,将空气吸入到灌溉水中达到增氧的目的,且不受应用场地的限制,适用性强,成本可控.

近年来,众多学者研究论证了加气灌溉改变了土壤氧气条件,直接受到影响的是根系.根系生长状况会影响到作物对水分和营养的吸收,进而影响地上部分生长,这其中包括作物生长形态、光合特性以及产量品质等.研究数据表明,加气灌溉通过改变田间土壤的通气状况,最终对温室作物的生长及产量产生了积极的影响.朱艳等[6]研究结果显示,加气灌溉使得番茄单株产量、单果重、IWUE分别显著增加了21.2%,23.9%和21.0%.李江等[7]研究认为,加气灌溉可以增加水稻光合作用的有效性,促进干物质积累,从而使水稻增产19.7%.吴梅等[8]利用文丘里空气射流器对玉米进行加气灌溉,结果显示加气滴灌提高了玉米株高、茎粗、叶面积指数,减少了玉米耗水量.但是关于加气灌溉技术对作物生长生理方面的作用机理研究主要集中在全生育期上,对不同时期灌溉条件下作物对加气效应的响应研究较为匮乏,且在大田膜下滴灌系统中的应用还鲜有研究,在新疆特殊环境条件下的加气灌溉对土壤环境、作物生长等方面的影响还有待科学论证.

针对以上问题,文中以棉花为试验对象,通过文丘里加气灌溉方式,采用大田小区试验,分析不同生育期棉花光合特性及干物质积累对加气灌溉的响应,以期确定满足各指标的最优加气灌溉时期,为西北旱区棉花高效生产提供科学指导.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区石河子大学节水灌溉试验站位于85°59′47″E,44°19′28″N.试验于2021年4月15日至9月30日开展.≥10 ℃积温为3 563.50 ℃·d,≥15 ℃积温为2 960 ℃·d,昼夜温差大.土壤质地为壤土,平均密度为1.60 g/cm3.2021年棉花生育期内气象图如图1所示,P为降雨量,θ为气温.

图1 2021年棉花生育期内气象图

1.2 试验设计

试验以不加气滴灌(溶解氧质量浓度为5 mg/L)为对照CK,按棉花不同需水生育阶段加气滴灌(溶解氧质量浓度为15 mg/L)分为5个处理:苗期加气灌溉(AS),蕾期加气灌溉(AB),花铃期加气灌溉(AF),蕾期和花铃期加气灌溉(ABF),苗期、蕾期以及花铃期加气灌溉(AW);18个小区,每个小区面积20 m×3 m.选用以色列耐特菲姆滴灌管,管间距66 cm,埋深15 cm.种植模式设置为“1膜3管6行”,膜间距30 cm,棉花株距10 cm.

试验用棉花品种为“新陆早42号”,2021年4月15日下午播种,灌溉定额为360 mm,施氮肥用尿素(N:46.4%)600 kg/hm2,施磷钾肥用磷酸二氢钾(P2O5∶51.5%,K2O∶34.0%)300 kg/hm2,其余管理与当地农户一致;经记录全生育期为167 d.每个处理都由单独的蓄水桶供水,肥料直接倒入蓄水桶中,待完全溶解后再利用文丘里进行加气灌溉,在每小区前安装旋翼式水表控制水量.

1.3 测定指标与方法

1) 光合指标.采用LI-6400便携式光合仪,在各生育阶段末灌水结束2 d后晴朗无云天气的11:00—19:00,每隔2 h测1次,每次测3个重复,每次测定使用的叶片相同.测定棉花净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)等光合指标,用各指标测定结果的平均值作为后续统计分析的数值.

2) 棉花干物质[9].每个生育期末于每小区选择3株长势均匀有代表性的植株,将棉株分成茎、叶、蕾/铃,于105 ℃杀青30 min,然后75 ℃烘干至恒重,称取其干物质量.

3) 土壤含水率和土壤容重.土壤质量含水率(θs)采取烘干法测定,土壤容重采取环刀法测定,在播种前和收获后均以10 cm为间隔取到1 m.

4) 棉花产量与品质.每小区截取20 m2的中心区域,全部采摘称重,最终换算为标准产量.棉花收获后,各小区采集棉花纤维200 g,送至中国农业科学院棉花研究所(河南省安阳市),测量方法依据标准《棉花 长绒棉》(GB 19635—2005),对相关品质指标进行测定:上半部平均长度、整齐度指数、断裂比强度、马克隆值及伸长率.

5) 土壤贮水量[8].

W=10ρiHωi,

(1)

式中:W为试验地块的土壤贮水量,mm;ρi为试验地块不同土层深度对应的土壤容重,g/cm3;H为土层厚度,cm;ωi为不同土层深度对应的土壤含水质量比,g/g.

6) 水分利用效率[10].

WUE=0.1Y/(ΔW+Pr+I),

(2)

式中:WUE为水分利用效率,kg/m3;Y为棉花标准产量,kg/hm2;ΔW为试验地块棉花收获与播种当天的土壤贮水量的变化量,mm;Pr为试验区棉花全生育期有效降雨量,mm;I为总灌溉量,mm.

1.4 数据处理及分析方法

观测数据采用Excel软件进行记录处理,作图采用Origin 2022,指标之间的显著性分析和相关性分析采用SPSS进行统计比较.

2 试验结果与分析

2.1 加气灌溉对滴灌棉花光合作用的影响

图2为不同加气灌溉处理下的棉花Pn,Tr,Gs,Ci.由图可知加气灌溉显著影响棉花光合作用(P<0.05).随着棉花生育进程推进,Pn,Tr和Gs整体趋势为先升高后降低,峰值均出现在蕾期末;Ci整体趋势为先降低后升高,最低点出现在蕾期末.

图2 不同加气灌溉处理下的棉花Pn,Tr,Gs和Ci

苗期,处理AS和AW(苗期加气灌溉)的平均Pn,Tr和Gs分别较处理AB,AF,ABF,CK(苗期未加气)平均显著提高了14.03%,37.12%和41.45%(P<0.05),Ci平均显著降低了14.84%(P<0.05);蕾期,处理AB,ABF,AW(蕾期灌溉加气)的平均Pn,Tr和Gs分别较处理AS,AF,CK(蕾期未加气)平均显著提高10.96%,22.41%和32.95%(P<0.05),Ci显著降低了9.3%(P<0.05);花铃期,处理ABF,AF和AW(花铃期灌溉加气)的Pn,Tr和Gs分别比处理AS,AB,CK(花铃期未加气)平均提高22.68%,41.19%和33.42%(P<0.05),Ci平均显著降低了16.22%(P<0.05).

2.2 加气灌溉对滴灌棉花干物质积累的影响

图3为不同加气灌溉处理下的棉花苗期、现蕾期、盛蕾期、初花期、盛花期、吐絮期地上部生物量mt.

图3 不同加气灌溉处理下的棉花不同生育期的地上部生物量

苗期和现蕾期时,加气灌溉对棉花地上部生物量无显著影响.较处理CK,蕾干物质积累对于苗期加气灌溉(AS,AW)的积极响应在现蕾期显现出来,分别显著增加了31.71%,39.08%(P<0.05).盛蕾期时,加气灌溉对棉花茎、叶和蕾干物质积累均存在显著影响(P<0.05).较处理CK,蕾期加气灌溉(AB,ABF,AW)棉花茎干物质积累分别显著增加了30.71%,37.76%和47.4%;叶干物质积累分别显著增大了18.39%,20.06%和25.10%;蕾干物质积累分别显著增加了13.87%,12.76%和24.59%.较处理CK,茎干物质积累对于苗期加气(AS)的积极响应在盛蕾期显现出来,显著增加了26.16%.

初花期时,加气灌溉对棉花叶干物质积累的促进效果不显著,而对茎和铃干物质积累均存在显著的积极影响(P<0.05).较处理CK,花铃期加气灌溉(AF,ABF,AW)棉花植株茎干物质积累分别显著增加了21.19%,39.05%和55.39%;铃干物质积累分别增大了34.16%,51.24%和87.52%.盛花期时,加气灌溉对棉花茎、叶和铃干物质积累均存在显著影响(P<0.05).较处理CK,加气灌溉下(AF,ABF,AW)棉花植株茎干物质积累分别显著增大了28.92%,29.60%和47.80%;叶干物质积累分别显著增加10.48%,21.72%和23.98%;铃干物质积累分别显著增加31.13%,27.19%和37.82%.

吐絮期时,与处理CK相比,处理AS,AB,AF,ABF和AW的茎干物质积累分别显著增加10.88%,15.18%,29.26%,29.57%和37.50%;处理AB,AF,ABF和AW的叶干物质积累分别显著增加6.27%,14.15%,11.15%和15.08%;处理AS,AB,AF,ABF和AW的铃干物质积累分别显著增加25.18%,15.20%,33.41%,25.17%和33.75%(P<0.05).

图4为不同加气灌溉处理下的棉花茎干物质量、叶干物质量、蕾/铃干物质量mg.加气灌溉显著影响棉花干物质积累(P<0.05).随棉花生育进程推进,棉花茎干物质积累趋势呈先升高后稳定,叶干物质积累趋势呈先升高后降低,蕾干物质积累趋势逐渐升高.

图4 不同加气灌溉处理下的棉花地上部生物质量

2.3 加气灌溉对滴灌棉花产量及WUE的影响

图5为加气灌溉处理对棉花的产量和水分利用效率的影响,Y为棉籽产量.由图可知加气灌溉对籽棉产量具有极显著影响(P<0.01).

图5 加气灌溉处理对棉花的产量和水分利用效率的影响

处理AF和AW的籽棉产量最高,差异不具有统计学意义,相较于CK,分别增加了15.82%和15.90%.与CK相比,只有处理AS,AF和AW的WUE有显著提高,且AF的WUE最高,为1.51 kg/m3,AB的WUE最低,为1.36 kg/m3.

2.4 加气灌溉对滴灌棉花品质的影响

整体上,处理AF各项品质指标均最优.表1为加气灌溉下滴灌棉花品质与产量间的相互关系.由表可知棉花各项品质指标与产量的相关关系,按品质指标由大到小为纤维长度、伸长率、断裂比强度、马克隆值、整齐度指数.

表1 加气灌溉下滴灌棉花品质与产量间的相互关系

加气灌溉对棉花品质的影响见表2,M为马克隆值、L为纤维长度、Ps为断裂比强度、ε为伸长率、Ui为整齐度指数.

表2 加气灌溉对膜下滴灌棉花品质的影响

结果显示加气灌溉对提高棉花各项品质指标均有积极作用.相较处理CK,处理AS,AB,AF,ABF和AW的马克隆值分别降低了5.43%,3.46%,8.89%,7.12%和8.30%,纤维长度分别提高了5.74%,2.50%,9.57%,7.60%和9.29%,断裂比强度分别提高了1.79%,3.14%,10.53%,7.30%和8.22%,伸长率分别提高了1.17%,1.23%,10.16%,5.79%和9.05%,整齐度指数分别提高了2.96%,1.88%,4.11%,3.91%和4.07%.

3 讨 论

光合作用是评价作物生存的重要指标,也是作物对环境胁迫响应最明显的生理活动之一.长期处于低氧胁迫下的作物,其光合作用会因光合系统受损而下降.而加气灌溉可以减少植物脱落酸合成,增加叶片叶绿素含量,从而促进光能的吸收和转移.有研究结果表明,作物根系所处的氧气条件能够影响作物的光合特性:OUYANG等[11]的研究结果显示,当灌溉水的溶解氧质量浓度从6.5 mg/L提高至8.5 mg/L,莴苣的光合速率提高了163.95%.气孔是作物呼吸、蒸腾的通路,在生理学上有重要意义.蒸腾作用可以为作物水分养分运输提供动能[6].文中研究结果表明,加气灌溉显著影响棉花的生理特性指标,且随着生育期推进,棉花叶片Pn,Tr和Gs均呈先升高后降低的趋势,而Ci呈先降低再升高的趋势,这与前人[6-8]研究加气能够提高作物光合特性的结论一致.陈根云等[12]研究指出,叶肉细胞光合活性增强是导致胞间CO2浓度与其他光合特性指标趋势相反的原因.文中研究发现,与其他时期加气处理相比,蕾期的光合特性指标最高,但是加气对蕾期光合特性指标的促进效果较其他时期为最低;而花铃期光合特性虽然低于蕾期,但加气对于光合特性的促进效果相较于其他时期最高.这是因为在棉花蕾期加气促进了植株光合反应,但会造成蕾期叶片疯长,田间庇荫,光照不足;而在花铃期加气效果最好,最利于养分积累,产量提高.

干物质积累量是光合作用的最终体现,与产量大小密切相关.文中试验发现,加气对苗期干物质积累的影响不显著,而对蕾干物质积累的显著影响在现蕾期体现出来,对茎干物质积累的显著影响在盛蕾期体现出来(如图3所示).这可能是因为加气效果具有滞后性[10],且苗期棉花根系扎根较浅,根系长度尚未到达滴灌管埋深处,所以加气对苗期促进效果不显著.随着生育期推进,根系增长,苗期加气对地上部生物量的促进效果显著体现在现蕾期和盛蕾期,且对产量促进效果显著.蕾期加气灌溉对棉花地上部生物量均存在显著影响,并延续到吐絮期,但相较于其他加气处理,产量和水分利用效率均最低(如图3—4所示).这可能是由于蕾期是棉花营养生长的关键期,加气促进根系大量吸收水分、养分主要用于茎叶生长,营养生长过旺,导致疯长,严重出现贪青现象,造成了花蕾、花铃的脱落,不利于棉花增产.QIAN等[13]发现棉花在花铃期对低氧胁迫比在其他生长阶段更敏感.花铃期加气灌溉对棉花茎、叶和铃干物质积累均存在显著影响,但对叶干物质积累的促进影响是在花铃期后期才体现出来,且产量和水分利用效率最高.花铃期是棉花生殖生长的关键期,加气灌溉减缓了根际低氧胁迫,促进了棉花生长,增加了棉铃干物质量,可进一步提高棉花产量,获得高产.从吐絮期各处理地上部生物量的综合分析,蕾期加气相对于苗期加气和花铃期加气使叶、铃过早脱落,这与前人分析一致.

产量和品质是衡量作物经济效益的重要指标.文中研究结果表明,加气灌溉对棉花整体的产量、品质及水分利用效率均起到积极作用,且花铃期加气对棉花品质的提升效果最明显.朱艳等[6]的研究也发现,与常规灌溉相比,加气灌溉使得番茄果实中番茄红素、Vc、可溶性糖含量和糖酸分别显著增加了28.1%,36.0%,22.8%和28.0%.综合考虑,处理AF通过影响光合,增加干物质积累,进而提高产量,并提高了WUE,增产、节水、提质的效果最佳.

4 结 论

1) 加气灌溉棉花净光合速率、蒸腾速率、气孔导度较常规灌溉显著提升,胞间CO2浓度显著降低.其中花铃期加气较其他生育期加气光合特性提高最显著,净光合速率显著增加22.68%,蒸腾速率显著增加41.19%,气孔导度显著增加33.42%,胞间CO2浓度显著降低16.22%,苗期次之,蕾期增效最低.

2) 苗期加气、蕾期加气和花铃期加气对棉花茎、叶、蕾/铃均有显著影响.花铃期加气灌溉使西北旱区棉花地上部茎、叶、蕾/铃干物质累积量分别显著增加29.26%,11.15%和33.41%.

3) 不同生长阶段加气灌溉对籽棉产量具有极显著影响,其中处理AF的产量较CK提高最多,WUE也最高,为1.51 kg/m3,显著高于AW,且其对棉花品质的提升效果最明显.结果表明花铃期是棉花最适宜加气的时期.