陳立宇，張立峰，路戰(zhàn)遠，咸 豐，張建中，張向前

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河北 保定 071000；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，呼和浩特 010031）

0 引 言

【研究意義】棉花是我國主要經(jīng)濟作物之一，也是生產(chǎn)纖維和國防戰(zhàn)略物資的原材料，為我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和國防保障提供了重要物資支撐[1-3]。我國是原棉生產(chǎn)大國，也是消費大國，國內(nèi)棉花需求量與自給量的供需矛盾日益突出[4]。目前，國內(nèi)棉花生產(chǎn)因老棉區(qū)勞動力成本高、效益低下等因素造成了棉花種植面積日益銳減，極大地影響了我國棉花的安全生產(chǎn)。因此，穩(wěn)定和拓展棉花的種植面積具有重大意義。內(nèi)蒙古西部的阿拉善盟土地面積廣闊，光熱資源豐富，年降水量僅40～200 mm，無霜期150～170 d，很適宜棉花的種植和發(fā)展，具有很大的發(fā)展?jié)摿5]?！狙芯窟M展】水是保證棉花生產(chǎn)的主要自然資源之一，棉花生長發(fā)育、籽棉及皮棉產(chǎn)量形成受灌水量與灌水次數(shù)的顯著影響[6]。適量灌溉對于促進棉花生長具有重要意義[7]。棉花根系發(fā)達，對干旱具有較強的適應(yīng)性?；ㄢ徠谑敲藁焖偕L期，期間土壤水分供應(yīng)直接影響著棉花光合干物質(zhì)生產(chǎn)。阿拉善地區(qū)年均降雨量40～200 mm，蒸發(fā)量極大。如何高效利用水資源，是促進區(qū)域棉花生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。痕量灌溉技術(shù)是根據(jù)土壤毛細管作用原理，借助一定的重力，結(jié)合現(xiàn)代膜過濾技術(shù)而研發(fā)的一種新型節(jié)水灌溉技術(shù)[8]。它通過一定高度的蓄水桶、輸水管路和特制的控水頭，以極其微小的供水速度直接將水或營養(yǎng)液適量、不間斷地輸送到植物根系附近，滿足作物水分需求[9-11]。目前，痕量灌溉技術(shù)研究較為成熟，已在多種作物上開展相關(guān)研究應(yīng)用。如王志平等[12]以溫室大桃為研究對象，以畦灌、滴灌為對照，對比研究痕量灌溉系統(tǒng)在地表裸露和覆蓋地膜的2種條件下的大桃產(chǎn)量及水分利用效率，結(jié)果表明，痕量灌溉管埋深30 cm且覆蓋地膜的條件下，能起到節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)的良好效果，較畦灌、滴灌的水分利用效率分別增加了16.1 kg/（hm2·mm）和10.6 kg/（hm2·mm）。安偉順等[13]以番茄為研究對象，研究了痕量灌溉管不同埋深對其產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，灌溉管埋深20 cm和30 cm處理較對照分別增產(chǎn)了6.1%和15.2%，且番茄品質(zhì)也明顯改善。前人對痕量灌溉對不同作物的研究已有不少報道。然而，前人的研究主要集中于葡萄、溫室黃瓜、胡麻、玉米產(chǎn)量、品質(zhì)、水分利用效率的影響等作物方面[14-20]?！颈狙芯壳腥朦c】但是痕量灌溉技術(shù)在棉花上應(yīng)用報道相對較少，尤其是不同埋深條件下的痕量灌溉在棉花上的應(yīng)用與目前主流的膜下滴灌的對比研究更是鮮見報道。本研究以‘中棉所92’棉花為試驗材料，針對內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)沙化土肥力低、保水保肥能力差的特點，系統(tǒng)研究不同埋管深度對棉花花鈴期光合日變化及產(chǎn)量的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究旨在為篩選出適宜該區(qū)域棉花生產(chǎn)的合理灌溉方式，為該區(qū)域棉花節(jié)水生產(chǎn)提供理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年在內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院阿拉善盟額濟納旗棉花試驗示范基地（E100°13′，N40°59′）開始定位試驗。該區(qū)域氣候?qū)俚湫痛箨懶愿珊禋夂颉８珊瞪儆?，風(fēng)大沙多，冬寒夏熱，四季氣候特征明顯，晝夜溫差大。年平均氣溫6.0~8.5 ℃，極端最低氣溫-36.4 ℃；極端最高氣溫 41.7 ℃。年無霜期150~170 d；雨季主要集中在7、8、9月。年平均降水量為40~200 mm，年蒸發(fā)量為2 400~4 200 mm，年日照時間達2 600~3 500 h，年太陽總輻射量147～165 kcal/cm2，年平均風(fēng)速為2.9～5.0 m/s。前茬作物為棉花，0~20 cm土壤基本理化性狀見表1。

表1 供試土壤基本理化性狀Table1 Basic physical chemical characteristics of soil

1.2 供試材料

供試棉花品種為中棉所 92。痕量灌溉系統(tǒng)由北京普泉科技有限公司提供，灌溉水為地下水，水質(zhì)pH值為8.03，全鹽量為987 mg/L。

1.3 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置4個處理，分別為痕量灌溉設(shè)置地下埋深30、40、50 cm 3個處理和膜下滴灌對照。以D30、D40、D50CK。重復(fù)3次，共設(shè)置12個小區(qū)，各小區(qū)面積為26.9 m×6.84 m=184.5 m2。播種方式為（66+10）cm機采棉模式，寬2.05 m覆膜種植6行，行距（66+10）cm、株距為10 cm，密度27萬株/hm2，機器覆膜、鋪管、施肥一體化，人工點播。種肥施磷酸二銨300 kg/hm2，氯化鉀 75 kg/hm2，于蕾期和花鈴期隨水共追施尿素325 kg/hm2。除灌水方式不同外，各處理灌溉定額均為3 600 m3/hm2。其他田間管理同大田。

1.4 測定指標(biāo)與方法

1.4.1 棉花花鈴期光合性能日變化測定

選擇微風(fēng)或無風(fēng)晴天，利用LX-6800便攜式光合系統(tǒng)測定儀，分別2017年7月20日和2018年7月22日的 06:00、08:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00和20:00 測定棉花植株倒數(shù)第四片葉（功能葉）光合性能，每處理隨機選取5株長勢和葉面積均勻的棉花葉片進行測定。為避免光照強度隨時間變化對測定結(jié)果的影響，在每次測定之前，先測定自然光照強度，將人工光源光照強度設(shè)定為與自然光照強度一致，隨后進行不同處理下各棉花植株葉片的凈光合速率（Pn）、胞間CO2摩爾分數(shù)（Ci）、氣孔導(dǎo)度（gs）和蒸騰速率（Tr）的測定。

1.4.2 棉花產(chǎn)量測定

在棉花收獲期，每小區(qū)選取 2 m2測定棉花籽棉和皮棉產(chǎn)量，重復(fù)3次。

1.5 數(shù)據(jù)分析

本數(shù)據(jù)于2017、2018年監(jiān)測，用Excel 2010和SPSS 18.0進行作圖和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 痕量灌溉對棉花花鈴期凈光合速率日變化的影響

由圖1可知，不同灌溉方式下棉花花鈴期凈光合速率日變化2 a均呈雙峰曲線變化趨勢，其峰值期均為10:00 h和14:00 h，第2峰值均小于第1峰值；12:00各處理的凈光合速率均降低。06:00 h的凈光合速率均為負值，2017年，以D30處理的凈光合速率最高，比D40、D50處理和 CK分別提高了 28.22%、10.13%和34.70%；2018年，以D50處理的凈光合速率最高，分別比 D30、D40處理和 CK提高了 7.46%、20.87%和28.26%。凈光合速率第1峰值出現(xiàn)的時間為10:00，2017年，以D30處理的凈光合速率最大，分別比D40、D50處理和CK提高了14.69%、6.02%和15.11%；2018年，也以D30處理的凈光合速率最高，分別比D40、D50處理和CK提高了9.59%、8.30%和10.26%。棉花花鈴期凈光合速率第2峰值出現(xiàn)的時間為14:00，2017年，凈光合速率最高的為D30處理，其次是D40處理，最低的是D50處理；2018年，凈光合速率最高的處理為D30處理，其次是D40處理，最低的是膜下滴灌（CK）處理。分析2a 12:00 的凈光合速率可看出，2017年和2018年，均以D30處理的凈光合速率最高，其次是D50處理，最低的是CK。2 a的20:00 的凈光合速率可看出，2017年，D30和D50處理的凈光合速率均為正值，其值分別為 0.79 μmol/（m2·s）和 0.86 μmol/（m2·s），D40處理和CK均為負值，并D40處理> CK；2018年，各處理的凈光合速率均為正值，且 D30處理>D50處理>CK>D40處理。

從2 a的日變化可看出，不同處理凈光合速率日變化可分為4種變化趨勢，其中06:00—10:00為直線上升時段，10:00—12:00為各處理的第1峰值出現(xiàn)后的下降階段，而12:00—14:00是各處理下凈光合速率上升到第2個峰值階段，且各處理的第2峰值均小于第1峰值；14:00—18:00為凈光合速率第2次下降階段，其凈光合速率變化較平緩，而18:00—20:00的凈光合速率呈直線下降。由各處理2 a日均凈光合速率表明，其光合速率的值序均為：D30處理>D50處理>D40處理>CK。

圖1 痕量灌溉棉花花鈴期凈光合速率日變化Fig.1 The effects of trace irrigation on the diurnal changes of net photosynthesis during flowering and bolling stage of cotton

2.2 痕量灌溉對棉花花鈴期氣孔導(dǎo)度日變化的影響

由圖2可知，不同灌溉方式下棉花花鈴期葉片氣孔導(dǎo)度 2 a均呈雙峰曲線變化，達到峰值時間均為10:00和14:00，且各處理的第2峰值均小于第1峰值；12:00氣孔導(dǎo)度呈下降趨勢，該變化特征與凈光合速率變化一致。

分析2 a氣孔導(dǎo)度各時段變化可看出，20:00 氣孔導(dǎo)度最小，2017年，CK的氣孔導(dǎo)度要高于其他處理，分別比 D30、D40處理和 D50處理提高了 56.62%、34.54%和110.13%；2018年，以D40處理的氣孔導(dǎo)度最大，分別比 D30、D50處理和CK提高了 10.66%、93.64%和 51.62%。氣孔導(dǎo)度第1峰值出現(xiàn)的時間在10:00，2017年，以 D30處理的氣孔導(dǎo)度最大，分別比D40、D50處理和CK提高了22.51%、12.75%和3.10%；2018年，也以D30處理的氣孔導(dǎo)度最大，分別比D40、D50處理和CK提高了23.75%、26.06%和23.42%。第2峰值出現(xiàn)的時間在14:00，2017年和2018年，氣孔導(dǎo)度最大的處理均為D30處理，其次均是D40處理，2a中最小的處理均為CK。分析2a 12:00的氣孔導(dǎo)度可看出，2017年和2018年，均以D30處理的氣孔導(dǎo)度最大，其次是D50處理，最小的是CK。從2 a的氣孔導(dǎo)度日變化可看出，不同處理氣孔導(dǎo)度日變化可分為4種變化趨勢，其中06:00—10:00為直線上升時段，10:00—12:00 為各處理的第1峰值出現(xiàn)后的下降階段，而12:00—14:00 是各處理下氣孔導(dǎo)度上升到第2個峰值階段，且各處理的第2峰值均小于第1峰值；下午14:00—18:00 h為氣孔導(dǎo)度第2次下降階段，其氣孔導(dǎo)度變化較平緩，而18:00—20:00 h的氣孔導(dǎo)度呈直線下降。

由2 a各處理日均氣孔導(dǎo)度可看出，其氣孔導(dǎo)度的大小順序均表現(xiàn)為D30處理>D50處理>D40處理>CK。

圖2 痕量灌溉棉花花鈴期氣孔導(dǎo)度日變化Fig.2 The effects of trace irrigation on the diurnal variation of stomatal conductance during flowering and bolling stage of cotton

2.3 痕量灌溉對棉花花鈴期胞間CO2摩爾分數(shù)動態(tài)變化規(guī)律的影響

從圖3可看出，2 a不同灌溉方式對棉花花鈴期胞間CO2摩爾分數(shù)的日變化趨勢相同，均呈先降低后升高的廣口“V”字形曲線變化趨勢。且2 a各時段的值大小也基本相同。

分析各時段的棉花葉片胞間CO2摩爾分數(shù)可看出，全天以06:00胞間CO2摩爾分數(shù)最高，2017年胞間CO2摩爾分數(shù)以CK最高，分別比D30、D40和D50處理高4.93%、10.09%和9.11%；2018年CK分別比D30、D40和D50處理高10.62%、5.41%和9.63%。20:00，各處理的胞間CO2摩爾分數(shù)均有所上升，2017年以D40處理最高，分別比CK、D30和D50處理高0.01%、5.03%和7.16%；2018年CK的摩爾分數(shù)最高，分別比D30、D40和D50處理高4.61%、2.44%和2.44%。分析2 a的胞間CO2摩爾分數(shù)數(shù)據(jù)，從08:00 h到18:00 h之間的胞間CO2摩爾分數(shù)均在120.31～148.81 μmol/mol之間，其變化幅度較??；2017年，在14:00 各處理胞間CO2摩爾分數(shù)差異較大，其值最低的處理是CK，其值為103.47 μmol/mol，CO2胞間摩爾分數(shù)最高是 D40處理，其值為127.00 μmol/mol；2018年，在08:00是各處理的胞間CO2摩爾分數(shù)差異較大，胞間CO2摩爾分數(shù)最低的是D30處理，其值為128.54 μmol/mol，CO2胞間摩爾分數(shù)最高的是CK，其值為148.91 μmol/mol。2017年不同處理間胞間CO2摩爾分數(shù)的平均日變化最高的是D30處理，其日均值比CK高0.38 μmol/mol，2018年不同處理間胞間CO2摩爾分數(shù)的平均日變化最高的是D30處理，其日均值比CK高出0.47 μmol/mol。

圖3 痕量灌溉對棉花花鈴期胞間CO2摩爾分數(shù)日變化的影響Fig.3 The effects of trace irrigation on the diurnal variation of intercellular CO2 during flowering and bolling stage of cotton

2.4 痕量灌溉對棉花花鈴期蒸騰速率動態(tài)變化的影響

由圖4可知，2 a各處理的蒸騰速率的動態(tài)變化均呈單峰曲線變化趨勢，其峰值均出現(xiàn)在14:00，2017年，以D40處理最高，分別比CK、D30和D50處理高出10.68%、4.65%和9.75%；2018年，以D30處理最高，分別比CK、D40和D50處理高10.98%、3.72%和7.91%。蒸騰速率的最小值出現(xiàn)在 06:00，2017年和2018年，均以CK最小，分別比D30、D40、D50處理降低了52.44%、44.68%、44.33%和51.10%、42.87%、42.48%。不同灌溉條件下棉花蒸騰速率日變化可分為4個階段，2017年，呼吸速率的日變化為06:00—08:00為直線上升期，從 08:00—14:00為緩慢上升期，從14:00—18:00為緩慢下降期，從18:00—20:00為直線下降期；2018年，從06:00—10:00為直線上升期，從10:00—14:00為緩慢上升期，從14:00—18:00為緩慢下降期，18:00—20:00為直線下降期，2 a的蒸騰速率變化中，14:00—18:00的差異較大，可能是由于該時段測量時的氣溫和空氣濕度不同而造成。

峰值期前后處理間的蒸騰速率有相異的變化趨勢。2017年，各處理間的蒸騰速率變化較大，這可能是由于不同處理下，氣孔導(dǎo)度的變化不同導(dǎo)致，在06:00—12:00，均以D30處理的蒸騰速率最高，CK最低；14:00—16:00以 D40處理的蒸騰速率最高，16:00—20:00則以 CK的蒸騰速率最高。2018年，06:00—14:00，以D30處理的蒸騰速率最高，CK最低，16:00—20:00則以CK的蒸騰速率最高。

圖4 痕量灌溉對棉花花鈴期蒸騰速率日變化的影響Fig.4 The effects of trace irrigation on the diurnal variation of transpiration rate during flowering and bolling stage of cotton

2.5 痕量灌溉對棉花產(chǎn)量的影響

由表2可知，不同灌溉方式下各處理的棉花產(chǎn)量存在一定差異。分析2 a的產(chǎn)量數(shù)據(jù)可以看出，2017年，以CK的產(chǎn)量為最高，其皮棉產(chǎn)量分別比D30、D40和D50處理高3.97%、17.18%和23.63%，籽棉產(chǎn)量分別比D30、D40和D50處理高5.91%、16.20%和25.00%。2018年，以D30處理的產(chǎn)量為最高，其皮棉產(chǎn)量分別比CK、D40和D50處理高10.34%、5.01%和4.69%，其籽棉產(chǎn)量分別比 CK、D40和 D50處理高出 7.54%、5.01%和6.39%。

表2 不同灌溉方式對棉花產(chǎn)量的影響Table2 Effects of different irrigation methods on cotton yield

2017年與2018年平均產(chǎn)量分析得出，D30處理其籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量均為最高，分別為5 734.2 kg/hm2和2 454.53 kg/hm2，其中籽棉產(chǎn)量分別比CK（5 672.70 kg/hm2）、D40處理（5 327.85 kg/hm2）和D50處理（5 148.30 kg/hm2）高1.09%、7.63%和11.38%，皮棉產(chǎn)量分別比CK（2 371.43 kg/hm2）、D40處理（2 265.75 kg/hm2）和D50處理（2 218.80 kg/hm2）高3.49%、8.32%和1.61%。

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)蒙古自治區(qū)的阿拉善地區(qū)，膜下滴灌與痕量灌溉各處理的棉花花鈴期功能葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度日變化的影響均呈雙峰曲線變化趨勢，第1峰值出現(xiàn)在10:00 ，第2峰值在14:00出現(xiàn)，第2峰值均小于第1峰值，各處理達到峰值的值存在一定差異，最大值在 D30處理。這一特征與Zhang等[15]的研究結(jié)果基本一致。出現(xiàn)雙峰曲線的原因可能是由于溫度和光照等因素導(dǎo)致的棉花“午休”現(xiàn)象，午間偏高的溫度與光強導(dǎo)致棉花功能葉片氣孔部分關(guān)閉，使得棉花在12:00出現(xiàn)凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2摩爾分數(shù)下降，而蒸騰速率增高。因此，在10:00棉花群體內(nèi)部溫度才是光合作用達到最大值時的適宜溫度，而10:00以后溫度繼續(xù)升高從而降低了棉花的凈光合速率。不同埋管深度對棉花花鈴期功能葉胞間CO2摩爾分數(shù)的影響趨勢相同，均呈先降低后升高的廣口“V”字形曲線變化趨勢，在06:00和20:00 最大，且各時間點胞間CO2摩爾分數(shù)的差異性均較小。不同埋管深度對棉花蒸騰速率日變化影響趨勢也呈現(xiàn)雙峰變化，各處理的蒸騰速率在10:00和14:00達到峰值。光合特性影響的監(jiān)測結(jié)果顯示，D30處理較 CK光合速率高 1.45 μmol/（m2·s）。分析表明，14:00前D30處理較CK呈較高的蒸騰速率，這標(biāo)志著棉田具有較強的土壤供水能力，由此成為D30處理具有較高的氣孔導(dǎo)度、光合強度和最終的棉花產(chǎn)量的重要原因。這與黃令淼[21]、從麗君等[22]、何樹斌等[23]的研究結(jié)果基本一致。

痕量灌溉是一種既能減少灌溉水的用量，同時又能保證作物產(chǎn)量的技術(shù)[22]，但是針對不同種作物和不同土壤條件，采取痕量灌溉的埋管深度，是關(guān)鍵性的問題。埋管太深則影響水分供應(yīng)與利用，埋管太淺大部水分被蒸發(fā)，起不到節(jié)灌的效果[24]。在阿拉善地區(qū)沙質(zhì)土壤背景下，埋管深度30 cm的痕量灌溉處理具有較好的供給棉花蒸騰水分的能力。Yang等[25]研究結(jié)果表明當(dāng)痕灌管的埋深為10 cm時茄子的水分利用率最高，為23.5%，且增產(chǎn)14.7%。從麗君等[22]研究結(jié)果表明灌溉管埋深15 cm長勢較好，地上部干、鮮質(zhì)量分別較CK提髙20.6%、33.3%。灌溉管埋深0、15、30 cm小區(qū)的產(chǎn)量分別比常規(guī)滴灌提髙5.61%、73.1%、41.5%。凡振伶[26]研究結(jié)果表明早春茬或夏秋茬番茄，番茄單果質(zhì)量、產(chǎn)量均隨著痕量管道埋深的增加而增加。但自壓條件下，番茄產(chǎn)量均低于滴灌CK，加壓條件則高于滴灌CK，且加壓埋深15 cm的產(chǎn)量最高，較滴灌對照，早春茬番茄單果質(zhì)量和產(chǎn)量分別提高10.6%、25%，夏秋茬番茄單果重和產(chǎn)量分別提高 21.5%、14.6%。本研究結(jié)果表明，不同灌溉條件下，中棉所 92皮棉產(chǎn)量的大小順序表現(xiàn)為 D30處理>CK>D40處理>D50處理；不同灌溉條件下對中棉所92皮棉產(chǎn)量的影響以D30處理最大。說明中棉所92采用痕量灌溉的灌溉方式澆水時較適宜的埋管深度為30 cm。從2a平均產(chǎn)量可看出，D30處理其籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量均為最高，其中籽棉產(chǎn)量分別比CK、D40和D50處理提高1.09%、7.63%和11.38%，皮棉產(chǎn)量分別比 CK、D40和 D50處理提高 3.49%、8.32%和1.61%。本試驗結(jié)果基本與Yang等[25]、從麗君等[22]、凡振伶[26]研究一致。但與周繼華等[27]研究結(jié)果有差異，可能原因是與作物根系分布特征和土壤質(zhì)地差異有關(guān)。

4 結(jié) 論

各處理的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度的日變化均呈雙峰曲線趨勢，D30處理的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度的峰值均高于其他處理；蒸騰速率日變化呈單峰曲線趨勢，其峰值均在14:00出現(xiàn)，處理間其峰值差異較?。徊煌幚淼陌gCO2摩爾分數(shù)日變化則呈先降低后升高的廣口“V”字形曲線變化趨勢，最大值在06:00和20:00出現(xiàn)。D30處理的籽棉和皮棉產(chǎn)量最高。在內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)的沙質(zhì)土壤上，棉田采取痕量灌溉的較適宜埋管深度為30 cm。