揭膜種植方式下不同灌水量對棉花光合特性及產(chǎn)量的影響

牛媛 楊相昆 張占琴 費聰 趙陽 馬富裕

摘要：以減少地膜污染為出發(fā)點，研究揭膜條件下灌水量對棉花光合特性及產(chǎn)量的影響，選擇棉花揭膜種植方式下的優(yōu)化灌溉方案，為新疆維吾爾自治區(qū)棉區(qū)推廣棉花揭膜種植技術(shù)提供依據(jù)。選用對水分敏感性不同的新陸早45號和新陸早42號為試驗材料，在出苗后第1次灌水前1 d揭膜，在田間設(shè)置3個水分處理，揭膜后開始測定土壤含水量，于打頂后5 d測定棉花功能葉片（倒2葉）光合特性，每10 d測定1次，每個處理選取3株長勢相同的植株進行測定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2個品種的產(chǎn)量及水分利用效率隨灌水量的增加而降低，最優(yōu)灌水量為4 575 m3/hm2。當灌水量超過4 575 m3/hm2時，再繼續(xù)增加灌水量，新陸早45號的凈光合速率隨生育期推進呈持續(xù)遞減趨勢，而新陸早42號則當灌水量超過5 460 m3/hm2時有此變化趨勢。2個品種的氣孔導度、蒸騰速率在各水分處理下與凈光合速率有相似的變化趨勢。打頂后5～35 d氣孔因素是限制光合速率的主要因素，之后非氣孔因素為主要限制因素。揭膜條件下，增加灌水并不會增加產(chǎn)量，反而造成水資源的浪費。因此得出，在本試驗條件下，揭膜種植方式的最適灌水量為 4 575 m3/hm2，與常規(guī)膜下滴灌種植方式的灌水量相同，說明揭膜種植模式可以不增加灌水成本，就達到減少地膜污染的目的。

關(guān)鍵詞：棉花;揭膜種植;光合特性;灌溉方案;產(chǎn)量;地膜污染

中圖分類號： S562.04 ?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）16-0082-07

收稿日期：2018-04-10

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（編號：2017YFD0201901）;公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（編號：201503120）。

作者簡介：牛 媛（1992—），女，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事作物信息技術(shù)與精準栽培方式研究。

通信作者：馬富裕，博士，教授，博士生導師，主要從事作物生理生態(tài)、農(nóng)業(yè)信息技術(shù)化研究。

膜下滴灌技術(shù)對新疆維吾爾自治區(qū)棉花生產(chǎn)具有重要意義。自1996年新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團首次將滴灌技術(shù)與覆膜技術(shù)相結(jié)合至今，已形成相對完整的種植模式。截至2014年，新疆覆膜種植面積超過331萬hm2[1]，且使用膜下滴灌技術(shù)的種植面積每年都在遞增。膜下滴灌在給新疆農(nóng)業(yè)帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也帶來了另一個嚴重問題——地膜污染。在地膜使用過程中，農(nóng)戶為了節(jié)約成本會選擇厚度小于?0.01 mm 的薄膜，增加了地膜回收的困難。嚴昌榮等對新疆20個縣的覆膜田地進行調(diào)查，結(jié)果顯示，地膜平均殘留量達253.20 kg/hm2，高出全國平均水平4～5倍[2]。周明冬等的研究結(jié)果表明，地膜的功能在6月下旬基本喪失，全生育期覆膜會使作物根系分布淺且根體較小，還會使作物在后期早衰，造成不同程度減產(chǎn)[3-5]。因此，為降低殘膜污染，科學家們提出了諸多解決方案[6-7]，如通過用寬膜代替窄膜、采用厚度較高的地膜或一膜多次種植等方法來提高地膜的使用率，或者使用可降解地膜。在作物生長的某個階段進行適時揭膜具有重要意義，研究發(fā)現(xiàn)，適時揭膜能夠促進作物生長[8-13]。

李生秀等研究了不同覆膜方式對棉花生長的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在頭水后揭膜，棉花的根系側(cè)根數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、產(chǎn)量等都高于全生育期覆膜和無膜處理[8-9]。郝玉蓮對馬鈴薯進行不同時期的揭膜比較試驗，結(jié)果表明，在幼苗期揭膜比在現(xiàn)蕾期揭膜馬鈴薯的生育期遲，說明過早揭膜會影響馬鈴薯的生育期[10]。蔣耿民等研究了不同揭膜時期和施氮量對陜西省關(guān)中地區(qū)夏玉米生理生長、產(chǎn)量及水分利用效率的影響，結(jié)果表明，該試驗選取的揭膜時期——中抽雄期為當?shù)刈钸m揭膜時期[11]。何泉等研究了不同海拔揭膜培土對烤煙生長的影響，結(jié)果表明，揭膜培土可抑制病蟲害的發(fā)生，促進不定根生長，可使烤煙增產(chǎn)300 kg/hm2[12]。另外有學者對不同降解膜的降解特征進行了比較試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降解膜的降解受環(huán)境因素影響較大，相同區(qū)域不同降解膜的降解過程也存在顯著差異，從而對棉花產(chǎn)量造成不同影響[13]。本試驗在前人研究的基礎(chǔ)上，選擇在棉花出苗后灌第1水前1 d（出苗后40 d）進行揭膜，對棉花揭膜種植方式下的水分管理效應開展研究，通過探討不同水分處理對棉花葉片光合特性、灌溉水利用效率及產(chǎn)量的影響，選擇出適合揭膜種植方式的最佳灌溉方案，旨在為新疆棉區(qū)滴灌棉花的揭膜種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

在新疆農(nóng)墾科學院作物研究所1～2號試驗地（44°18′25″N，86°0′12″E，海拔460 m）進行揭膜灌溉試驗。供試土壤的有機質(zhì)含量為16.4 g/kg，水解性氮含量為 109.0 mg/kg，有效鉀含量為540.0 mg/kg，全氮含量為 1.1 g/kg，全磷含量為?0.9 g/kg。選取2個新疆自育陸地棉（Gosspium hirsutum L.）品種新陸早42號、新陸早45號為試驗材料，其中新陸早45號對水分脅迫不敏感，新陸早42號對水分脅迫敏感，它們均具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病蟲害、適合機采等特點，適應新疆的生長環(huán)境和技術(shù)栽培要求[14-17]。通過總結(jié)前人研究結(jié)果[8-9]，從經(jīng)濟效益、機械操作難易程度等方面進行綜合評定后，選擇在出苗后第1次灌水前1 d（6月10日）進行揭膜，并在此基礎(chǔ)上設(shè)置不同水分處理對棉花生長發(fā)育的影響試驗。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗采用裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)為品種，副區(qū)為不同水分處理，共設(shè)3個水分梯度，總灌水量分別為 4 425.0 m3/hm2（W1）、5 310.0 ?m3/hm2（W2）、6 637.5 m3/hm2（W3），具體為全生育期覆膜，灌水量為W1（T1）;出苗后灌第1水前1 d揭膜，灌水量為W1（T2）;出苗后灌第1水前1 d揭膜，灌水量為W2（T3）;出苗后灌第1水前1 d揭膜，灌水量為W3（T4）。

水分處理完全隨機排列在主區(qū)下，每個處理3次重復，1條膜（寬2.3 m）設(shè)為一個小區(qū)，小區(qū)長25 m，每個小區(qū)面積為57.5 m2。每個小區(qū)的灌水量用水表精確控制，為防止水分在小區(qū)間側(cè)移，各小區(qū)間埋設(shè)寬度為60 cm的防滲膜。

2016年試驗于4月27日播種，2017年試驗于4月21日播種，采用1膜6行45.0 cm+20.0 cm寬窄行種植模式，地膜寬205.0 cm，1條膜為1個小區(qū)，寬2.1 m，膜間行距為600 cm，株距為10.0 cm，種植密度為26萬株/hm2，每個小區(qū)種植6行棉花。播種后當日滴出苗水，各處理出苗水均灌溉水 150 m3/hm2，2年試驗均在6月10日進行人工揭膜，6月11日進行出苗后第1次灌溉（2年灌水及施肥安排見表1），6月30日進行人工打頂，2017年7月5日進入盛花期。其他管理措施與大田生產(chǎn)相同，2年均通過人工進行采摘，籽棉采收時間分別為2016年9月30日和2017年9月21日。

1.2.2 土壤含水量的測定 在2017年（2016年未測定）測定不同處理下各土層的體積含水量。分別在寬行（2滴灌帶間）和窄行（滴灌帶下）埋設(shè)土壤水分剖面儀（PR2/6;Delta-T，英國）測定0～10、>10～20、>20～30、>30～40、>40～60、>60～100 cm土層的土壤體積含水量，揭膜前各處理灌水量相同，各地塊土壤水分含量均一，因此于出苗后第1次灌水后（2017年6月11日）開始測定土壤體積含水量，每隔3 d測定1次（試驗過程中由于PR2損壞并進行了更換，7月5—22日未進行土壤體積含水量測定），灌溉前后分別加測1次，2017年8月22日為本試驗最后1次灌水，此時棉花已經(jīng)進入吐絮期，至2017年9月4日結(jié)束測定。因2個品種在不同處理下土壤水分含量變化特征相似，本試驗以新陸早42號為代表進行說明。耗水量（ET）采用水量平衡法計算：

ET=ΔW+P+I+G-R0-Dp。（1）

式中：ΔW為某時段始末土壤水分變化量，mm;P為測定時段內(nèi)的總降水量，mm;I為灌水量，mm;G為測定時段內(nèi)地下水對作物耗水的補給量，mm;R0為測定時段內(nèi)測定區(qū)域的地面徑流量，mm;Dp為測定時段內(nèi)根區(qū)的深層滲漏量，mm。由于試驗地地下水位在20 m以下，降水量小且地塊平整，因此G、R0、Dp可忽略不計。土壤含水率以寬行和窄行深度加權(quán)平均值表示，則

θ=（∑ni=1θi×di）/∑ni=1di。（2）

式中：θ為土壤加權(quán)平均含水率，%;di為不同土層深度，cm;θi為不同土層含水率，%;n為土層數(shù)量，層。

灌溉水利用效率（IWUE）是單位面積棉花的籽棉產(chǎn)量（Y）與單位面積灌水量的比值，公式為

IWUE=Y/單位面積灌水量。

1.2.3 光合參數(shù)的測定 在2017年（2016年未測定光合指標），于打頂后5 d（2017年7月5日）開始測定光合參數(shù)，以后每10 d測定1次，共測5次。測定前選擇長勢相似的3株棉株，標記其倒2葉用于光合特征指標的測定。測量儀器為Li6400便攜式光合測量儀，選擇晴天10 ∶00—12 ∶00，在自然光照下測定所標記葉片的光合參數(shù)，包括凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）。

1.2.4 產(chǎn)量的測定

2016、2017年在棉鈴全部吐絮后通過人工分別對各處理進行整區(qū)采收計產(chǎn)。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析（One-way ANOVA），使用最小顯著性差異（LSD）法比較不同處理間光合特性及產(chǎn)量的差異。用SPSS 16.0軟件進行顯著性差異分析，Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理，SigmaPlot 12.5軟件進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方案根層土壤水分含量及耗水量變化特征

由圖1可知，0～40 cm土層的土壤體積含水量比>40～100 cm波動劇烈，且隨土層深度的增加波動程度整體減小，0～30 cm土層窄行的土壤體積含水量整體大于寬行。各處理灌水后土壤體積含水量逐漸下降，但再次灌溉后能迅速上升。隨土層深度的增加各處理土壤體積含水量整體增大。（1）0～10 cm土層。在7月5日前窄行表現(xiàn)為T1處理>T4處理>T3處理>T2處理，寬行表現(xiàn)為T4處理>T1處理>T3處理>T2處理;7月5日后，處理間土壤體積含水量灌溉前后寬、窄行表現(xiàn)為T4處理>T1處理>T3處理>T2處理。7月22日，再次灌水后各處理土壤體積含水量迅速上升但不能恢復到上次灌水后的水平。灌水后T4處理的土壤體積含水量能達到或高于T1處理，其他2個處理均達不到T1處理。（2）>10～40 cm土層。各處理寬、窄行土壤體積含水量在灌水后均能恢復到上次灌溉后的水平，且灌溉前后大多以T4處理的土壤體積含水量最大，T2處理最小。（3）>40～100 cm土層。各處理土層含水量與>10～40 cm相似，窄行灌水后土壤體積含水量可恢復到上次灌水后的水平，寬行不僅能回復到上次灌水后的水平，甚至高與上次灌水后的水平。隨著生育期的推進，各處理土壤體積含水量有上升趨勢。在>40～60 cm 土層，T3、T4處理的土壤體積含水量較T1、T2處理波動劇烈，表現(xiàn)為T4>T3>T1>T2。在>60～100 cm土層，各處理間土壤體積含水量沒有明顯的變化規(guī)律。（4）寬、窄行。灌水前后窄行的土壤體積含水量波動整體大于寬行，在0～30 cm土層，窄行的土壤體積含水量整體高于寬行，在>30～100 cm土層，寬行土壤體積含水量整體高于窄行。寬、窄行在灌水后大多能恢復到上次灌水后的水平，且在 >30～100 cm土層寬行的土壤體積含水量甚至高于前一次灌水后的水平。

本試驗中，在相同灌水量條件下，全生育期覆膜的土壤含水量總體高于揭膜處理，但隨著土層深度的增加2個處理間的差距減小，與前人研究結(jié)果[8]相一致。灌水后除0～10 cm土層土壤體積含水量不能恢復到前次灌水后的水平外，其余各土層均能恢復到上次灌水后的水平。揭膜增加了表層（0～20 cm）土壤水分的蒸發(fā)。相同灌水量下，揭膜種植方式下深層（>30～60 cm）土壤的耗水量高于全生育期覆膜處理，這可能是因為揭膜降低了表層土壤的溫度和濕度，從而促進根系深扎，增加了深層土壤的水分消耗。

3.1 不同灌水量對棉花產(chǎn)量及水分利用效率的影響

水是作物生長的根本，增加灌水量可以增加作物產(chǎn)量，但并不是通過增加灌水就可以無限增產(chǎn)，產(chǎn)量和灌水量之間的函數(shù)關(guān)系是一個開口向下的拋物線，最大產(chǎn)量對應的灌水量為最適灌水量，低于或超過該值都會對產(chǎn)量造成負面影響。吉恒瑩等通過畦灌試驗得出，長絨棉的最佳灌量為5 900～6 000 m3/hm2，水分虧缺或過量都會造成蕾鈴脫落，產(chǎn)量降低[19];羅宏海等比較了不同土壤含水量下棉花產(chǎn)量及水分利效率，結(jié)果表明，田間持水量為70%時，棉花產(chǎn)量達到最大值，田間持水量低于或高于該值都會使棉花產(chǎn)量降低[20];大量研究結(jié)果表明，過高或過低的灌水量都會影響作物產(chǎn)量，且灌水量過高會降低水分利用效率，造成水資源浪費[21-22]。本試驗發(fā)現(xiàn)，相同的灌水量下揭膜種植方式可提高棉花產(chǎn)量;在揭膜條件下增加灌水量，棉花產(chǎn)量不但不增加反而會降低，說明在本試驗環(huán)境下棉花揭膜種植的最適宜灌水量為?4 575 m3/hm2，在揭膜種植方式下不需要增加灌水成本，也可以獲得較高的水分利用效率，同時可以達到降低地膜污染的目的。

3.2 不同灌水量對葉片光合性能的影響

光合作用和產(chǎn)量有密切的關(guān)系[23-24]，土壤水分是影響光合作用的重要因素，干旱會使植物葉片氣孔導度降低，阻礙植物對CO2的吸收，降低水分的蒸發(fā)，使得光合速率和蒸騰速率降低，而過高的土壤含水量同樣會使氣孔導度降低[25]。馬富裕等測定了不同灌水量對棉花葉片光合生理特性和水分利用效率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，適量灌水比充分供水的棉花干物質(zhì)量提高9.19 g/株，凈光合速率在充分灌水下較高，但產(chǎn)量卻在適量灌水下最高[26];李志剛等通過小區(qū)試驗得出，當灌水量為?4 500 m3/hm2 時，棉花凈光合速率最優(yōu)，隨灌水量的增加凈光合速率降低[27];李維等對2個新疆棉花品種進行水分處理試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，充足的灌水量對新陸早13號后期光合作用起負作用，而對新陸早33號影響不顯著[28];惠海濱等對超高產(chǎn)小麥進行灌水量和灌水期研究，結(jié)果表明，在一定灌水范圍內(nèi)灌水量對Pn、Gs起正作用，超過一定閾值則起負作用[29]。

本試驗中，揭膜種植方式下，新陸早45號的Pn、Gs、Tr隨灌水量的增加而降低，在T2處理下有最大值。新陸早42號隨著灌水量的增加，Pn、Gs、Tr最大值出現(xiàn)的時間推遲，繼續(xù)增加灌水量，T4處理的Pn低于T2、T3處理，這與前人研究的結(jié)果[26-29]相似。但2個品種光合特征指標隨生育期的變化趨勢不完全相同，新陸早45號葉片Pn在T2處理下呈先升高后降低的變化趨勢，其他處理下始終呈下降趨勢，在打頂后45 d表現(xiàn)為T2處理>T3處理>T1處理>T4處理;新陸早42號葉片Pn在T2、T3處理下均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，其中T2處理在打頂后15 d達到最大值，T3處理在打頂后25 d達到最大值，當灌水量達到6 787.5 m3/hm2時，葉片Pn始終呈降低趨勢，說明增加灌水量會推遲棉花葉片最大Pn出現(xiàn)的時間，且超過一定灌水量時又會對Pn產(chǎn)生負作用，新陸早42號比新陸早45號對干旱脅迫更敏感[17]。通過比較不同水分處理下的葉片Ci變化發(fā)現(xiàn)，2個品種的葉片Ci隨生育期的推進始終呈升高趨勢，說明在本試驗時間段里，限制Pn的主要因素為非氣孔因素[30]。

4 結(jié)論

在揭膜種植方式下，0～10 cm土層灌水后土壤體積含水量不能恢復到上次灌水后的水平，其余土層均可恢復到上次灌水后的水平。隨土層深度的增加土壤體積含水量整體增加，灌溉前后的波動幅度減小。揭膜主要增加了0～20 cm土層的蒸發(fā)強度，隨土層深度的增加，影響減弱。

揭膜提高了棉花主莖葉片的凈光合速率，且在后期仍能維持較高的凈光合速率。相同灌水量下，揭膜種植較全生育期覆膜種植主莖葉片最大凈光合速率出現(xiàn)的時間推遲。揭膜條件下，增加灌水量對不同品種生長發(fā)育的影響不同，新陸早45號隨著灌水量的增加凈光合速率總體降低，新陸早42號在灌水量為5 460 m3/hm2時出現(xiàn)凈光合速率最大值推遲的現(xiàn)象，且在生育后期仍有較大值。

揭膜種植提高了棉花的產(chǎn)量及灌溉水利用效率，在本試驗條件下棉花產(chǎn)量隨著灌水量的增加而降低。

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