劉朋程 ，孫紅春 ，劉連濤 ，張永江 ，劉玉春 ，2，白志英 ，3，李夢(mèng) ，李存東 *

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)/河北省作物生長(zhǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北保定071000；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河北保定071000；4.河北省農(nóng)林科學(xué)院，河北石家莊050051）

棉花是世界上主要的經(jīng)濟(jì)作物，其生長(zhǎng)過(guò)程需要消耗大量水資源[1]。但由于灌溉時(shí)間及灌溉量不當(dāng)?shù)仍颍壳鞍藁ㄔ趦?nèi)的中國(guó)農(nóng)田灌溉水利用率系數(shù)僅為0.5，遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國(guó)家（0.7～0.8）[2]。因此，如何提高農(nóng)業(yè)用水效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)高效發(fā)展成為亟需解決的問(wèn)題之一[3]。

棉花苗期需水量較少，土壤相對(duì)含水量保持在60%～75%有利于棉花生殖器官的生長(zhǎng)[4]。南建福等[5]研究認(rèn)為棉花苗期適當(dāng)控制水分，可以限制莖、葉的生長(zhǎng)，有利于光合產(chǎn)物向生殖器官的運(yùn)輸，進(jìn)而提高籽棉產(chǎn)量。申孝軍等[6]研究認(rèn)為，在棉花的蕾期進(jìn)行適時(shí)適度的水分虧缺對(duì)棉花的產(chǎn)量影響不明顯，可以節(jié)約灌水量，提高灌水利用效率。Papastylianou等[7]研究認(rèn)為在棉花苗期和花鈴期適當(dāng)減少灌溉量可以提高棉花的產(chǎn)量。研究認(rèn)為作物具有一定的補(bǔ)償效應(yīng)，在土壤干旱條件下作物通過(guò)調(diào)節(jié)同化物再分配和氣孔開(kāi)度來(lái)趨利避害[8-10]。 認(rèn)為棉花在輕度干旱處理下的產(chǎn)量比頻灌處理要高，說(shuō)明一定生育時(shí)期適當(dāng)?shù)乃痔澣?，不但不影響產(chǎn)量，而且還能提高水分利用率[11-12]。Zhao等[13]研究認(rèn)為，施加一定程度的干旱脅迫于作物某階段，復(fù)水后可以在生長(zhǎng)、產(chǎn)量形成上產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng)。牛靜等[14]研究認(rèn)為，棉花花鈴期適當(dāng)程度的干旱脅迫可以增加皮棉產(chǎn)量。

對(duì)棉花限量灌溉的研究前人已有報(bào)道[15-17]，但主要針對(duì)在棉花某一特定生育時(shí)期或在防雨旱棚條件下進(jìn)行限量灌溉處理，而對(duì)于苗期、蕾期連續(xù)缺水后通過(guò)灌溉或降水實(shí)現(xiàn)花鈴期復(fù)水對(duì)大田棉花影響的研究尚少。本研究探討了限量灌溉對(duì)棉花不同熟性品種生長(zhǎng)發(fā)育、土壤水分分布、產(chǎn)量以及水分利用效率的影響，為黃河流域棉區(qū)節(jié)水抗旱品種的開(kāi)發(fā)利用以及節(jié)水栽培提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

于2015年和2016年在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行田間試驗(yàn)，該試驗(yàn)地位于保定市清苑（E115°28′，N38°53′），屬于暖溫帶大陸性氣候，土質(zhì)為壤土（表1）。2015年和2016年連續(xù)2個(gè)棉花播種與生長(zhǎng)季 （4―10月）的總降水量分別為475.2 mm和356.6 mm。2年降水量均在7月份（正值棉花生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期—花鈴期）達(dá)到最大值，分別占整個(gè)生長(zhǎng)季降水量的34.74%、66.88%。與常年4―10月份降水量相比，兩年降水量均屬正常，2015年較2016年降水分布較均勻。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采取裂區(qū)設(shè)計(jì)。主處理為灌溉條件，副處理為品種。3個(gè)供試品種：早熟品種中棉所50（CCRI 50）、中早熟品種農(nóng)大 601（ND601）和中熟品種冀棉 958（JM958）。 設(shè)置常規(guī)灌溉（W1）、播前限量補(bǔ)墑生育期不灌溉（W2）2個(gè)水分處理（表2）。2015年因播前及時(shí)降雨W2未進(jìn)行灌溉；2016年 W2處理播前灌溉 300 m3·hm－2。密度 48 000株·hm－2，其它同常規(guī)栽培管理。

2015年第一次灌水前0～60 cm土層土壤相對(duì)含水量為70.76%，可以達(dá)到限量灌溉標(biāo)準(zhǔn)；2016年參考上年部分出苗偏差情況調(diào)整第一次灌溉量為300 m3·hm－2，使土壤相對(duì)含水量達(dá)到80%。灌溉量通過(guò)公式計(jì)算得到：V＝h×s×ρ×f×（Wp－Wa）/1000，式中 V 為灌水體積（m3）；h 為濕潤(rùn)土層深度（m）；s為濕潤(rùn)面積（m2）；ρ 為濕潤(rùn)土層土壤容重（kg·m－3）；f為田間持水量；Wp為目標(biāo)土壤相對(duì)含水量；Wa為灌溉前土壤相對(duì)含水量。

表1 試驗(yàn)前土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷和鉀含量Table 1 Contents of organic matter，nitrogen，phosphorus and potassium in soil

表2 2015年和2016年灌溉方法Table 2 Test methods of irrigation in 2015 and 2016

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

由于2015年和2016年天氣情況不同，影響田間作業(yè)時(shí)間，所以同一指標(biāo)在兩年中測(cè)定時(shí)間有所差異。但均按照棉花生育時(shí)期進(jìn)行，以方便比較。測(cè)定時(shí)間分四個(gè)階段：苗期，苗后0～45 d；蕾期，苗后 45～70 d；花鈴期，苗后 70～120 d；吐絮期，苗后120～180 d。

1.3.1降水量。在試驗(yàn)地旁安放雨量計(jì)，記錄棉花生育期內(nèi)降水量。

1.3.2土壤含水量。采用取土烘干法，取樣深度為1 m。

1.3.3葉面積指數(shù)。選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的植株，用直尺測(cè)量葉片長(zhǎng)和寬，采用長(zhǎng)寬系數(shù)法（0.75）計(jì)算葉面積，再根據(jù)實(shí)際棉花株數(shù)和小區(qū)面積計(jì)算葉面積指數(shù)（Leaf area index,LAI）。每小區(qū)3個(gè)重復(fù)。

1.3.4干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)。自苗期開(kāi)始，每隔15 d在每個(gè)小區(qū)選3株代表性植株，從子葉節(jié)處取地上部，將植株按照主莖葉、果枝葉、莖、生殖器官分解，并將各部分105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重。

1.3.5棉田耗水量計(jì)算。不同處理棉田耗水量由水量平衡公式計(jì)算：

式中，ET為作物蒸發(fā)蒸騰量 （mm），R為降水量 （mm），I為灌水量 （mm），F(xiàn)為地表徑流量（mm），Q 為上移或下滲量 （mm），ΔW為土壤貯水量的減少量（mm）?？紤]到棉田試驗(yàn)期間無(wú)地表徑流和滲漏發(fā)生，此處取F＝0，Q＝0。

1.3.6產(chǎn)量水平的水分利用效率

式中 Y 為籽棉產(chǎn)量（kg·hm－2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用MS Excel 2013和SPSS 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（α＝0.05）。圖中用*表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 限量灌溉對(duì)土壤含水量的影響

2015年W2處理下，3個(gè)品種在苗后 40 d（苗期）、苗后 54 d（盛蕾期）、苗后 86 d（盛花期）的土壤含水量均達(dá)到輕度干旱脅迫水平（土壤相對(duì)含水量60%±5%）；在苗后114 d（盛鈴期），CCRI 50的土壤含水量達(dá)到輕度干旱脅迫水平，ND 601、JM 958均達(dá)到中度干旱脅迫水平（45%±5%）。苗后114 d，CCRI 50在2種灌溉條件土壤含水量無(wú)顯著差異，而其它2個(gè)品種均為W2處理顯著低于W1處理，這可能是因?yàn)樵缡炱贩NCCRI 50進(jìn)入吐絮期早，后期耗水量少（表3）。

2016年2種灌溉處理下，3個(gè)品種在苗后54 d（盛蕾期）均處于輕度干旱脅迫狀態(tài)；W2處理下，3 個(gè)品種在苗后 40 d（苗期）、54 d、66 d（初花期）均處于輕度干旱脅迫狀態(tài)，CCRI 50在這3個(gè)時(shí)期土壤相對(duì)含水量較W1處理均顯著降低，ND 601和JM 958在苗后54 d、66 d土壤相對(duì)含水量較W1處理顯著降低。2016年花期降水較多，因此，各處理土壤含水量在苗后88 d（盛花期）差異不顯著（表4）。

表3 限量灌溉對(duì)土壤相對(duì)含水量的變化（2015年）Table 3 Effects of limited irrigation on soil relative water content(2015)

表4 限量灌溉對(duì)土壤相對(duì)含水量的變化（2016年）Table 4 Effects of limited irrigation on soil relative water content(2016)

2.2 限量灌溉對(duì)棉花群體葉面積指數(shù)的影響

如圖1所示，2015年2種灌溉處理下，苗后108 d時(shí)ND 601和JM 958的葉面積指數(shù)均顯著高于CCRI 50。各處理LAI達(dá)到最大值時(shí)，與W1處理相比，W2處理下CCRI 50、ND 601和JM 958分別降低25.54%、22.97%、29.2%。在2016年W2處理下，各品種均在苗后110 d（盛鈴期）達(dá)到最大值時(shí)低于W1處理，并且，CCRI 50顯著低于ND 601、JM 958?？赡苁且?yàn)樵缡炱贩NCCRI 50生育時(shí)期較早，而且生長(zhǎng)主要集中在前中期，此時(shí)干旱脅迫對(duì)其影響較大，而中早熟品種和中熟品種生育期長(zhǎng)，后期降水會(huì)使其產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng)。

圖1 限量灌溉對(duì)葉面積指數(shù)的影響Fig.1 Effects of limited irrigation on leaf area index

2.3 限量灌溉對(duì)棉花干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)的影響

回歸分析表明（表5、表6），不同灌溉處理下棉花地上部群體干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)符合Logistics方程y=k/（1＋ae－bx）的“S”型曲線。 2015 年 W1處理下，CCRI 50、JM958干物質(zhì)質(zhì)量最大增長(zhǎng)速率較ND 601分別降低45.45%、8.37%。W2處理下，CCRI 50、JM 958干物質(zhì)質(zhì)量最大增長(zhǎng)速率較ND 601分別降低 62.40%、23.23%；CCRI 50、ND 601、JM 958干物質(zhì)質(zhì)量最大增長(zhǎng)速率較W1處理降低38.66%、11.01%、25.45%；最大干物質(zhì)質(zhì)量較W1處理降低 38.37%、19.81%、30.93%。在2016年，在W2處理下，CCRI 50干物質(zhì)質(zhì)量最大增長(zhǎng)速率較 W1降低 20.49%，ND 601、JM 958較W1處理分別提高10.79%、7.44%；最大干物質(zhì)質(zhì)量較W1處理降低33.91%、16.63%、14.87%。早熟品種CCRI50較中早熟品種ND 601和中熟品種JM 958生育期短，各生長(zhǎng)時(shí)期發(fā)生會(huì)提前，所以土壤持續(xù)的干旱脅迫對(duì)CCRI 50在生長(zhǎng)關(guān)鍵時(shí)期的生長(zhǎng)速率及干物質(zhì)積累影響更大。

表5 地上部干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)的Logistics回歸方程（2015年）Table 5 The logistics equation of dry matter accumulation（2015）

表6 地上部干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)的Logistics回歸方程（2016年）Table 6 The logistics equation of dry matter accumulation（2016）

2.4 限量灌溉對(duì)棉花生殖器官干物質(zhì)分配比例的影響

如圖2所示，2015年W1處理下，CCRI 50和ND 601在苗后40 d的分配比例顯著高于JM 958；苗后 71 d，CCRI 50顯著高于 ND 601和JM 958；苗后108 d，CCRI 50顯著高于ND 601。W2處理下，苗后71 d，CCRI 50生殖器官干物質(zhì)分配比例顯著高于ND 601和JM 958。在2016年，W1 處理下，CCRI 50 在苗后 40 d、53 d、64 d、86 d的分配比例均顯著高于ND 601和JM 958。W2處理下，CCRI 50 在苗后 53 d、64 d、86 d 顯著高于ND 601和JM 958。說(shuō)明早熟品種CCRI 50前期生殖生長(zhǎng)較快，生殖器官分配比例較ND 601和JM 958高。

圖2 限量灌溉對(duì)棉花生殖器官分配比例的影響Fig.2 Effects of limited irrigation on allocation of reproductive organs in cotton

2.5 限量灌溉對(duì)棉花生物產(chǎn)量和水分利用效率的影響

由表7可以看出，在2015年W1處理下，苗后40～54 d，CCRI 50和ND 601水分利用效率較JM 958均顯著降低；苗后54～86 d，與ND 601和JM 958相比，CCRI 50生物產(chǎn)量和水分利用效率均顯著降低。W2處理下，苗后40～54 d，CCRI 50生物產(chǎn)量和水分利用效率較ND 601和JM 958均顯著降低。

由表8可以看出，在2016年W1處理下，苗后 40～54 d，與 JM 958相比，CCRI 50和 ND 601水分利用效率顯著降低。W2處理下，苗后40～54 d，CCRI 50水分利用效率較JM 958顯著降低；苗后88～112 d（盛蕾期到盛鈴期），與ND 601相比，CCRI50生物產(chǎn)量和水分利用效率均顯著降低。與W1處理相比，苗后54～88d，3個(gè)品種在W2處理下的生物產(chǎn)量和水分利用效率均顯著降低。

表7 限量灌溉對(duì)棉花生物產(chǎn)量及水分利用效率的影響（2015年）Table 7 Effects of limited irrigation on biological yield and water use efficiency of cotton(2015)

表8 限量灌溉對(duì)棉花生物產(chǎn)量及水分利用效率的影響（2016）Table 8 Effects of limited irrigation on biological yield and water use efficiency of cotton(2016)

2.6 限量灌溉對(duì)棉花產(chǎn)量和群體水分利用效率的影響

由表9可以看出，W2處理下，與中早熟品種ND 601和中熟品種JM 958相比，早熟品種CCRI 50籽棉產(chǎn)量均顯著降低。與W1處理相比，3個(gè)品種在W2處理下籽棉產(chǎn)量均顯著降低，CCRI50降低幅度最大，且CCRI50水分利用效率也顯著降低，而ND 601和JM 958水分利用效率顯著升高?？梢?jiàn)，W2處理顯著降低了早熟品種CCRI 50的籽棉產(chǎn)量和水分利用效率，嚴(yán)重影響了其生長(zhǎng)，雖然也顯著降低了中早熟品種的ND 601和中熟品種JM 958的籽棉產(chǎn)量，但顯著提高了水分利用效率。

表9 限量灌溉對(duì)棉花產(chǎn)量及水分利用效率的影響Table 9 Effects of limited irrigation on Yield and water use efficiency of cotton

3 討論

3.1 限量灌溉對(duì)棉花群體葉面積指數(shù)的影響

灌溉模式不僅會(huì)影響棉田土壤環(huán)境中水分分布，而且會(huì)影響棉花的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)狀況，而棉株的生長(zhǎng)對(duì)水分最為敏感，棉花的生長(zhǎng)發(fā)育與灌水模式密切相關(guān)[18]。鄧環(huán)等[19-20]認(rèn)為良好的灌溉措施可以增大功能葉葉面積，保持冠層葉片直立性，改善群體透光率，增加光合面積，同時(shí)可延緩生育后期葉片的衰老。本研究發(fā)現(xiàn)，與W1處理相比，各品種在W2處理下LAI較W1處理顯著降低。W2處理下，ND 601、JM 958葉面積指數(shù)較W1處理有小幅度的降低，這可能使棉株受光更充分，有利于改善其群體大小，提高冠層的光合性能，進(jìn)而有利于提高群體光能利用率和光合生產(chǎn)力，維持較好的產(chǎn)量水平；而CCRI 50葉面積指數(shù)降低幅度較大，雖然可以改善群體下部光照，但也會(huì)造成光能的浪費(fèi)，使產(chǎn)量大幅度降低。原因可能是早熟品種CCRI 50生長(zhǎng)主要集中在前中期，此時(shí)干旱脅迫對(duì)其影響較大；而中早熟品種和中熟品種生育期長(zhǎng)，后期降水會(huì)使其產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng)。

3.2 限量灌溉對(duì)棉花干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)與生殖器官分配比例的影響

干物質(zhì)是作物光合作用產(chǎn)物的最終形態(tài)，其積累與合理分配及運(yùn)轉(zhuǎn)是提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵[21]。適當(dāng)?shù)乃痔澣笨烧{(diào)節(jié)作物光合產(chǎn)物的分配、生長(zhǎng)中心的轉(zhuǎn)移和某些組織器官的生長(zhǎng)發(fā)育，使整個(gè)植株的生長(zhǎng)發(fā)育達(dá)到更經(jīng)濟(jì)、合理分配，以應(yīng)對(duì)水分短缺[22]。王平等[23]研究表明，調(diào)虧灌溉可以顯著增加夏玉米干物質(zhì)積累量及生殖器官的分配比例。本研究表明，W2處理能顯著提高中早熟品種ND 601和中熟品種JM 958的最大增長(zhǎng)速率，有利于它們的干物質(zhì)積累；與ND 601、JM 958相比，W2處理會(huì)大幅度降低早熟品種CCRI 50的最大增長(zhǎng)速率和最大干物質(zhì)量。說(shuō)明棉花生長(zhǎng)前中期土壤持續(xù)的干旱脅迫對(duì)CCRI 50影響更大。早熟品種CCRI 50前期生殖生長(zhǎng)較快，生殖器官分配比例較中早熟品種ND 601和中熟品種JM 958高。與W1處理相比，W2處理并未顯著降低3個(gè)品種生殖器官干物質(zhì)最大分配比例。說(shuō)明W2處理可以協(xié)調(diào)源庫(kù)關(guān)系，維持較好的產(chǎn)量器官分配比例。

3.3 限量灌溉對(duì)棉花產(chǎn)量和水分利用效率的影響

水分虧缺或過(guò)量都影響棉花干物質(zhì)在不同器官及不同生育時(shí)期的累積與分配，使產(chǎn)量降低[24]。限量灌溉能夠控制作物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)，減少作物生長(zhǎng)冗余，調(diào)節(jié)光合產(chǎn)物在營(yíng)養(yǎng)器官和生殖器官間的關(guān)系，同時(shí)有利于提高作物水分利用效率[25]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，棉花在盛蕾期至盛花期階段，與W1處理相比，3個(gè)品種在W2處理下的生物產(chǎn)量及單株水分利用效率均顯著降低，說(shuō)明此階段適當(dāng)增加土壤含水量有利于提高棉花的生產(chǎn)效率。在苗后40～54 d（苗期至盛蕾期）階段，與W1處理相比，3個(gè)品種在W2處理下的單株水分利用效率均顯著升高，說(shuō)明此階段適當(dāng)水分虧缺可以提高棉花單株水分利用效率。

作物產(chǎn)量和水分利用效率的同步提高是當(dāng)今節(jié)水農(nóng)業(yè)所追求的一個(gè)主要目標(biāo)[26]。胡順軍等[27]認(rèn)為棉花水分利用效率最高點(diǎn)與其產(chǎn)量最高點(diǎn)并不一致。Belder等[28]研究則認(rèn)為限量灌溉導(dǎo)致產(chǎn)量降低。但Zhang等[29-31]研究認(rèn)為限量灌溉比保持水層灌溉可提高產(chǎn)量。本試驗(yàn)結(jié)果表明，W2處理下，3個(gè)品種的產(chǎn)量較W1處理均顯著降低，與前人研究[29]一致；CCRI 50水分利用效率較W1處理顯著降低，而ND 601、JM 958顯著升高，且均顯著高于CCRI 50。因此，選擇水分適應(yīng)能力強(qiáng)的中熟和中早熟品種是實(shí)現(xiàn)限量灌溉下高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)與水分高效利用的重要條件。早熟品種對(duì)水分供應(yīng)十分敏感，限量灌溉易大幅度降低產(chǎn)量。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)以常規(guī)灌溉W1（播前與生育期灌水總額為 1 275 m3·hm－2）和限量灌溉 W2（播前灌水300 m3·hm－2或不灌，生育期內(nèi)不灌水）為處理，發(fā)現(xiàn)中早熟品種ND 601和中熟品種JM 958在W2處理下均可獲得較理想LAI和良好源庫(kù)關(guān)系，并能達(dá)到合理的水分利用效率和理想產(chǎn)量。而W2處理較大幅度降低了早熟品種CCRI 50的干物質(zhì)積累，嚴(yán)重影響了生殖器官所占比重，進(jìn)而造成大幅度減產(chǎn)。且CCRI 50群體LAI受水分影響變化較大，限量灌溉不易構(gòu)建高產(chǎn)群體結(jié)構(gòu)。因此，限量灌溉技術(shù)在黃河流域棉區(qū)常年氣候條件下對(duì)于中早熟品種農(nóng)大601和中熟品種冀棉958是適用的，但氣候變化對(duì)棉花的生長(zhǎng)發(fā)育具有很大影響，在不同降雨年份棉花的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)限量灌溉的反應(yīng)及其生理機(jī)制仍有待于進(jìn)一步研究。