馬 凱，王振華，王天宇，宗 睿，王東旺

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子 832000；2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832000；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北綠洲節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832000)

棉花(Gossypiumspp)是當(dāng)今世界純天然紡織纖維原料之一[1]。新疆日照強(qiáng)度大且時(shí)間長，十分適合棉花種植，是中國重要的棉花產(chǎn)區(qū)。但水資源短缺和水肥利用率低等問題抑制了新疆農(nóng)業(yè)的發(fā)展?jié)摿2]。自1996年新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)(簡稱兵團(tuán))推廣膜下滴灌技術(shù)以來，目前已成為全國大田作物應(yīng)用滴灌技術(shù)規(guī)模最大的片區(qū)[3]。為緩解新疆干旱缺水的現(xiàn)狀，科學(xué)開發(fā)利用地下可開采的微咸水已成為重要解決措施之一[4]。西北內(nèi)陸地下微咸水可開采量為42.39億m3/a，其中新疆占40.70%(17.24億m3/a)，微咸水資源儲(chǔ)量豐富[5]。由于微咸水灌溉的雙重性，如何科學(xué)合理地既能使用微咸水灌溉，又能保證作物正常生長發(fā)育是現(xiàn)有研究關(guān)注的問題[6]。

近年來，眾多學(xué)者研究了微咸水灌溉對(duì)作物的影響。Singh等[7]研究表明，微咸水灌溉會(huì)增加土壤滲透勢，從而引起植物滲透脅迫，最終會(huì)抑制作物的生長和產(chǎn)量。馬麗娟等[8]研究發(fā)現(xiàn)，使用微咸水灌溉抑制作物正常生理生長，但對(duì)作物產(chǎn)量的影響不大甚至有增產(chǎn)效果。同樣有研究發(fā)現(xiàn)，長期不合理微咸水灌溉會(huì)導(dǎo)致土壤鹽分聚集到作物根系層[9-10]。氮素不但是作物發(fā)育過程中必不可少的養(yǎng)分元素，還是增加作物產(chǎn)量所必需的肥料。有研究表明，通過增施氮肥能夠緩解鹽分對(duì)作物形成的負(fù)面影響[11]。侯森等[12]研究證實(shí)，微咸水灌溉條件下，過量的水氮供應(yīng)能明顯增大棉花生物量。范雪梅等[13]研究發(fā)現(xiàn)，低灌水量時(shí)增施氮肥，一方面可以增強(qiáng)作物光合速率，另一方面還可以緩解水分短缺對(duì)作物構(gòu)成的負(fù)面影響。Miner等[14]研究發(fā)現(xiàn)，適宜灌水量時(shí)，增加施氮量可以顯著促進(jìn)作物的生長，增加根、莖、葉養(yǎng)分的累積，最終增加作物產(chǎn)量。在作物發(fā)育過程中，水、氮兩因素相互影響，一方面灌水可以加速作物根系的發(fā)育，另一方面根系又能提高作物吸收氮素的效率[15]。

目前，新疆膜下滴灌棉花的水氮耦合研究主要集中在淡水灌溉、鹽堿化土壤上，但對(duì)微咸水灌溉條件下棉花的水氮耦合效應(yīng)研究鮮見報(bào)道。因此本文采用大田小區(qū)試驗(yàn)，研究水氮耦合對(duì)微咸水膜下滴灌棉花光合參數(shù)、產(chǎn)量和水肥利用效率的影響，綜合評(píng)價(jià)滿足各指標(biāo)的最優(yōu)灌水施氮量區(qū)間，對(duì)干旱缺水地區(qū)微咸水科學(xué)利用和提高微咸水膜下滴灌棉花水肥利用率提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2020年4-10月在新疆石河子市現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)基地暨石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站(85°59′47″E，44°19′28″N，海拔451 m)進(jìn)行。試驗(yàn)地區(qū)年均日照時(shí)間2 865 h，年平均降水量、蒸發(fā)量分別為207 mm、1 660 mm。試驗(yàn)區(qū)地下水埋深大于8 m，土壤質(zhì)地為中壤土，0～100 cm土壤年平均體積質(zhì)量為1.42 g/cm3，田間持水率為18.65%，全氮含量為18.66 g/kg，全磷含量為0.85 g/kg，全鉀含量為7.80 g/kg，速效磷含量為30.27 g/kg，速效鉀含量為403.94 g/kg，土壤有機(jī)質(zhì)含量為8.27 g/kg，pH為7.58。棉花種植期間降雨量和平均氣溫如圖1所示。

圖1 棉花種植期間降雨量與平均氣溫Fig.1 Rainfall and average temperature during cotton planting

1.2 試驗(yàn)方法

采用大田小區(qū)試驗(yàn)，每個(gè)小區(qū)為4.5 m×5 m，種植方式為一膜三管六行(圖2)，其中滴灌帶間距為80 cm，膜間距40 cm，窄行間距10 cm，寬行間距60 cm。試驗(yàn)為微咸水膜下滴灌條件下，水、氮2因素(灌溉定額3水平、施氮量4水平)試驗(yàn)。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐及前人研究[16]，設(shè)置3個(gè)水平的灌溉定額：2 500、3 500、4 500 m3/hm2(W1、W2、W3)；設(shè)置4個(gè)水平的施氮量：100、200、300、400 kg/hm2(純N)(N1、N2、N3、N4)。共設(shè)置12個(gè)處理，3次重復(fù)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。采用新疆天業(yè)有限公司生產(chǎn)的單翼迷宮式滴灌帶，外徑16 mm，壁厚0.30 mm，滴頭間距30 cm，滴頭流量1.8 L/h。2020年4月27日播種，10月2日收獲，全生育期共計(jì)159 d。試驗(yàn)區(qū)利用蓄水桶，通過獨(dú)立的系統(tǒng)控制各處理的灌水量和施氮量。借鑒前人[16-17]對(duì)大田膜下滴灌棉花灌水制度研究成果，全生育期灌水11次，隨水施肥。氮肥使用尿素(N:46.4%)，磷肥和鉀肥統(tǒng)一使用磷酸二氫鉀(P2O5:51.5%)295 kg/hm2。試驗(yàn)站地下井水礦化度為1.35 g/L。其他田間農(nóng)藝措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶種植習(xí)慣一致。各生育期灌水施肥方案如表2所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design

表2 各生育期灌水施肥試驗(yàn)方案Table 2 Experimental scheme of irrigation and fertilization in each growth period

圖2 棉花種植模式Fig.2 Cotton planting mode

1.3 測試項(xiàng)目與方法

1.3.1 光合指標(biāo) 使用LI-6800便攜式光合熒光測量儀(LI-COR，美國)分別在棉花蕾期(7月4日)、花鈴期(8月19日)、吐絮期(9月21日)測量棉花光合特性。選取棉花上部已標(biāo)記功能葉在各生育期晴朗無云的一天，從10:00時(shí)開始測量至20:00結(jié)束，時(shí)間間隔為2 h，各處理測量3株，取平均值。其中，測量光合指標(biāo)為凈光合速率(Pn、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和細(xì)胞間CO2濃度(Ci)等。

1.3.2 產(chǎn)量及水肥利用效率 于花鈴期末(10月2日)進(jìn)行測產(chǎn)。各小區(qū)單打單收，以實(shí)收產(chǎn)量計(jì)算籽棉產(chǎn)量。

灌溉水利用效率(Irrigation Water-Use Efficiency，iWUE，kg/m3)計(jì)算公式[18]為：

iWUE=Y/I

式中Y相應(yīng)處理籽棉產(chǎn)量，kg/hm2；I相應(yīng)處理灌水量，m3/hm2。

氮肥偏生產(chǎn)力(Nitrogen Partial Factor Productivity，NPFP，kg/kg)計(jì)算公式[19]為：

NPFP=Y/N

式中N相應(yīng)處理施氮量，kg/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)整理使用Excel 2010軟件，繪圖運(yùn)用Origin 2019b軟件，顯著性分析采用Spss 26軟件，多元回歸分析及極值求解運(yùn)用Matlab 2018a 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合對(duì)微咸水膜下滴灌棉花光合特性的影響

不同水氮耦合處理對(duì)微咸水膜下滴灌棉花Pn、Tr、Gs及Ci的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著生育期的推進(jìn)，棉花Pn、Tr及Gs變化規(guī)律為先增大后減小。蕾期變化較小，花鈴期變化最大，吐絮期變化最小。增加灌溉定額，棉花各生育期Pn、Tr及Gs持續(xù)上升。灌溉定額相同時(shí)，增加施氮量，棉花各生育期Pn、Tr及Gs均表現(xiàn)為先增加后減小。以花鈴期數(shù)據(jù)為例，W2水平較W1、W3水平棉花Pn依次增高30.10%、 3.06%，Tr、Gs分別增高25.56%、2.74%和 18.54%、2.40%。在W1灌水水平下，棉花Pn、Tr及Gs最大值N2處理比最小值N4處理分別增加了30.13%、49.16%和30.27%(P<0.05)；在W2灌水水平下，最大值N2處理比最小值N1處理分別增加了37.46%、38.82%及29.11% (P<0.05)；在W3灌水水平下，最大值N3處理較最小值N1處理分別增加了15.50%、9.39%和7.95%(P<0.05)。

不同字母表示0.05水平差異顯著。Different letters indicate significant differences at the level of 0.05.圖3 水氮耦合對(duì)微咸水膜下滴灌棉花光合參數(shù)的影響Fig.3 Photosynthetic parameters of drip irrigated and film mulching cotton with brackish water under treatment of water and nitrogen coupling

棉花Ci的變化規(guī)律剛好和Pn、Tr及Gs相反。棉花Ci隨著生育期的推進(jìn)，變化趨勢為先減小后增大。蕾期變化較小，花鈴期變化最小，吐絮期變化最大。增加灌溉定額，棉花各生育期Ci持續(xù)減小。同一灌水水平下，增加施氮量，棉花各生育期Ci先減小后增加。以花鈴期數(shù)據(jù)為例，W1水平比W2、W3水平棉花Ci依次高51.25%、 56.04%(P<0.05)。W1水平下，最大值N4較最小值N2處理增高15.35%(P<0.05)；W2水平下，最大值N4較最小值N2處理增高 39.66%(P<0.05)；W3水平下，最大值N1分別較最小值N3處理增高29.34%(P<0.05)。灌溉定額、水氮耦合作用對(duì)棉花Pn、Tr、Gs及Ci的影響極顯著(P<0.01)。施氮量對(duì)Pn、Gs及Ci影響極顯著(P<0.01)，對(duì)Tr影響明顯(P< 0.05)。以上分析表明：過高、過低的灌溉定額抑制棉花Pn、Tr及Gs的提高；中等灌溉定額時(shí)，次高施氮量對(duì)棉花Pn、Tr及Gs的促進(jìn)作用最大。高灌溉定額減小了棉花Ci。低、中灌溉定額時(shí)，分別為高、低施氮量提高了棉花Ci。

2.2 水氮耦合對(duì)微咸水膜下滴灌棉花產(chǎn)量及水肥利用效率的影響

不同水氮耦合處理對(duì)微咸水膜下滴灌棉花Y、iWUE及NPFP的影響和方差分析見表3。從表3中可知，灌溉定額、施氮量和水氮耦合作用對(duì)棉花Y、iWUE及NPFP的影響極顯著(P< 0.01)。棉花 隨灌溉定額的增加先上升后下降。W2水平較W1、W3水平棉花產(chǎn)量分別顯著增加20.95%、8.66%(P<0.05)。灌溉定額相同時(shí)，增加施氮量棉花產(chǎn)量先增加后降低。在W1水平下，最大值出現(xiàn)在N2處理(5 687.32 kg/hm2)較最小值提高了12.72%；在W2、W3水平下，最大值均出現(xiàn)在N3處理(6 725.89 kg/hm2、6 245.27 kg/hm2)較最小值分別增加了14.01%、 11.16%。棉花產(chǎn)量最大值、最小值分別出現(xiàn)在W2N3、W1N4處理，依次為6 725.89 kg/hm2、 5 045.54 kg/hm2，相對(duì)減少24.98%。

表3 水氮耦合對(duì)微咸水膜下滴灌棉花產(chǎn)量及水肥利用效率的影響Table 3 Cotton yield，water and fertilizer use efficiency of drip irrigated and film mulching cotton with brackish water under treatment of water and nitrogen coupling

增加灌溉定額，棉花iWUE持續(xù)減小，NPFP先上升后下降。W1水平較W2、W3水平棉花iWUE分別顯著增加15.91%、61.01%(P< 0.05)，W2水平較W1、W3水平棉花NPFP分別顯著增加14.72%、1.69%(P<0.05)。同等灌水水平下，增加施氮量，棉花iWUE先增高后降低，NPFP持續(xù)減小。棉花iWUE最大值、最小值分別出現(xiàn)在W1N2、W3N4處理，依次為2.27、 1.25 kg/m3。NPFP最大值、最小值分別出現(xiàn)在W2N1、W1N4處理，依次為58.99 kg/kg、12.61 kg/kg。以上分析表明，過多、過少的灌溉定額和施氮量會(huì)明顯降低棉花產(chǎn)量和灌溉水利用效率，過量、過少的施用氮肥可以降低、增加氮肥偏生產(chǎn)力。合理水氮施用量能夠增加棉花產(chǎn)量、灌溉水利用效率，降低氮肥偏生產(chǎn)力。

2.3 微咸水膜下滴灌棉田最佳水氮區(qū)間確定

以灌溉定額、施氮量兩試驗(yàn)因素為自變量，以棉花凈光合速率、產(chǎn)量兩指標(biāo)為因變量，依次建立多元非線性回歸方程。由表4可知，建立的非線性回歸方程的決定系數(shù)均在0.83以上，且灌溉定額、施氮量對(duì)各因變量影響均極明顯(P<0.01)。

表4 微咸水灌溉下灌溉定額、施氮量與凈光合速率、產(chǎn)量之間的回歸關(guān)系Table 4 Regression relationship between irrigation quota,nitrogen application rate and net photosynthetic rate,yield under brackish water irrigation

圖4-a為水氮耦合作用對(duì)棉花產(chǎn)量的影響，其為開口向下的上凸曲面，增加灌溉定額、施氮量，棉花產(chǎn)量先上升后下降，當(dāng)產(chǎn)量最大值為6 671.4 kg/hm2時(shí)，灌溉定額、施氮量依次為3 730.4 m3/hm2、260.4 kg/hm2；從圖4-b可以看出，水氮耦合對(duì)棉花凈光合速率的影響與產(chǎn)量相類似，均為開口向下的上凸曲面，當(dāng)凈光合速率為最大值35.02 [μmol/(m2·s)]時(shí)，灌溉定額、施氮量分別為4 500 m3/hm2、304.8 kg/hm2。

圖4 水氮耦合對(duì)微咸水膜下滴灌棉花產(chǎn)量、凈光合速率的影響Fig.4 Cotton yield,net photosynthetic rate of drip irrigated and film mulching cotton with brackish water under treatment of water and nitrogen coupling

因?yàn)槊藁▋艄夂纤俾省a(chǎn)量指標(biāo)無法同時(shí)達(dá)到最大值，且兩指標(biāo)量綱不同，無法直接比較，故將棉花凈光合速率、產(chǎn)量指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，得到水氮與棉花凈光合速率、產(chǎn)量指標(biāo)的關(guān)系(圖5)。對(duì)棉花凈光合速率、產(chǎn)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。由圖可知，在相對(duì)值為0.9的區(qū)域產(chǎn)量、凈光合速率有重合區(qū)域，且兩指標(biāo)重合區(qū)域較大，故將相對(duì)值大于等于0.9的區(qū)域定為合理的可接受范圍。

白點(diǎn)為區(qū)域內(nèi)的最大值White dots mean maximum value in the area圖5 水氮投入與膜下滴灌棉花產(chǎn)量(A)、凈光合速率(B)的歸一化相對(duì)值Fig.5 Normalized relative values of cotton yield(A) and net photosynthetic rate(B)under water and nitrogen input, drip irrigation of film mulching

將圖5中2幅圖相對(duì)值為0.9的等高線套疊得到綜合評(píng)價(jià)圖(圖6)。由圖6可知，棉花產(chǎn)量和凈光合速率同時(shí)大于等于0.9相對(duì)值的灌溉定額和施氮量區(qū)間為3 335.08～3 968.36 m3/hm2和273.83～ 344.73 kg/hm2。

圖中斜線區(qū)域表示產(chǎn)量和凈光合速率同時(shí)大于等于0.9相對(duì)值的可接受區(qū)域The slash area in the figure indicates the acceptable area where the relative value of yield and net photosynthetic rate is greater than or equal to 0.9 at the same time圖6 基于相對(duì)最優(yōu)產(chǎn)量和凈光合速率的綜合評(píng)價(jià)Fig.6 Comprehensive evaluation based on relative optimal yield and net photosynthetic rate

3 討 論

光合作用是保證棉花生理、生長及產(chǎn)量正常的前提條件，容易受到灌溉定額、施氮量等要素的影響[20]。本試驗(yàn)表明，增加灌溉定額，提高了棉花Pn、Tr和Gs，減小了Ci。這是因?yàn)樵谥?、高水處理下，充足的灌水增加葉綠素相對(duì)含量，從而提高棉花光和能力，增強(qiáng)棉花Pn、Tr和Gs[21]；在低水處理下，供水不足會(huì)破壞葉綠素結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致色素分解，葉綠素含量降低，葉肉細(xì)胞CO2溶解度下降進(jìn)而降低作物光合速率[22]。研究發(fā)現(xiàn)，增加施氮量，光合速率增強(qiáng)，當(dāng)施氮量超過作物閾值時(shí)光合能力減弱[23]。這是因?yàn)楦呤┑科仁雇寥乐邢鯌B(tài)鹽聚集，從而導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮淋洗損失，棉花葉片早衰，葉綠體內(nèi)CO2供應(yīng)受阻，光合速率減弱[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，灌溉定額相同時(shí)，隨著施氮量增加，棉花Pn、Tr和Gs變化趨勢為先增高后減低。同等灌水水平下，Ci剛好相反。即合理的施氮量能夠增強(qiáng)作物光合作用的轉(zhuǎn)化效率。

水肥調(diào)控是協(xié)調(diào)營養(yǎng)、生殖生長，實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量增加的田間關(guān)鍵技術(shù)[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，增加灌溉定額，棉花產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力先上升后下降，但減小了灌溉水利用效率。這與邢英英等[26]的研究結(jié)果相類似。有研究表明，低、中水平的施氮量雖然限制了植物的生長[27]，但高氮施用會(huì)致使氮在土壤中積累，進(jìn)而導(dǎo)致硝酸鹽積累影響硝酸酶活性，從而迫使作物產(chǎn)量下降[28]，進(jìn)而迫使灌溉水分利用效率與氮肥偏生產(chǎn)力減小[29-30]。本研究表明，同一灌溉定額時(shí)增加施氮量，棉花產(chǎn)量、灌溉水利用效率的變化趨勢均為先增高后降低，而氮肥偏生產(chǎn)力持續(xù)減小。參考前人研究[31-32]成果的基礎(chǔ)上，本研究采用建立多元非線性回歸方程，并結(jié)合歸一化處理和空間分析的綜合辦法，可求出能夠滿足多目標(biāo)最大效益的最佳灌溉定額、施氮量區(qū)間。因?yàn)橹贿M(jìn)行了一年試驗(yàn)，所求最佳水氮區(qū)間的可靠性需要長期試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

增加灌溉定額，棉花Pn、Tr、Gs增加，Ci減小。增加施氮量，Pn、Tr及Gs先增大后減小，Ci表現(xiàn)為先減小后增大。

增加灌溉定額，棉花產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力先上升后下降，灌溉水利用效率減小；增加施氮量，棉花產(chǎn)量、灌溉水利用效率先增加后減小，而氮肥偏生產(chǎn)力持續(xù)減小。

使用多元非線性回歸方程，結(jié)合歸一化處理和空間分析辦法可知，當(dāng)灌水施氮量區(qū)間為 3 335.08～3 968.36 m3/hm2和273.83～344.73 kg/hm2時(shí)，棉花產(chǎn)量和凈光合速率同時(shí)大于等于相對(duì)值0.9重疊區(qū)域。