趙豐年 王興鵬 張磊 郭遠航 程國 殷姿 李明發(fā) 王洪博

摘要：【目的】研究“以肥調(diào)水”緩解干旱對南疆無膜滴灌棉花生理生長的調(diào)控作用，提高水資源限制條件下棉花產(chǎn)量?！痉椒ā恳灾忻?19為供試材料，設(shè)置虧缺灌溉（W1：45 mm）和充分灌溉（W2：54 mm）2種灌水定額，低氮（F1：150 kg·hm－2）、中氮（F2：225 kg·hm－2）和高氮（F3：300 kg·hm－2）3個施氮量，分析不同灌水定額和施氮量對棉花生理生長指標和籽棉產(chǎn)量的影響?！窘Y(jié)果】灌水定額的增加促進了棉花生長，提高了棉花2年平均葉面積指數(shù)（leaf area index， LAI）、葉綠素相對含量（soil and plant analyzer development， SPAD值）和凈光合速率（net photosynthetic rate，? Pn），降低了棉花超氧化物歧化酶（superoxide dismutase， SOD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）、過氧化物酶（peroxidase， POD）活性和丙二醛（malondialdehyde， MDA）含量。隨著施氮量的增加，棉花2年平均LAI、SPAD值、抗氧化酶活性和Pn隨之增加，MDA含量減少，棉花受水分虧缺的影響減輕。W1處理下施氮量的增加提高了棉花產(chǎn)量，W2處理下隨著施氮量的增加棉花產(chǎn)量呈先增后減趨勢，在水氮交互作用下，W2F2處理下2年平均產(chǎn)量最高（6 821.86 kg·hm－2），其次是W1F3處理（6 717.72 kg·hm－2）。在優(yōu)劣解距離法（technique for order preference by similarity to ideal solution， TOPSIS）分析中，W1F3和W2F2處理的綜合評分較為接近，分別為0.57和0.56，并且W1F3和W2F2處理下籽棉產(chǎn)量差異不顯著?！窘Y(jié)論】虧缺灌溉下增加施氮量可有效緩解干旱對棉花生理性狀和籽棉產(chǎn)量的不利影響。推薦南疆無膜滴灌棉田45 mm灌水定額（生育期灌水10次）搭配300 kg·hm－2施氮量作為灌溉和施肥策略，以保障在水資源限制條件下的棉花產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：棉花；無膜滴灌；生理；產(chǎn)量；以肥調(diào)水

Mitigating the impact of drought on physiological characteristics and yield of non-film drip-irrigated cotton through fertigation regulation

Abstract： [Objective] This study aims to investigate the regulatory effect of "fertigation adjusted water management" on the physiology and the growth of drip-irrigated cotton in alleviating drought stress， and to enhance cotton yield under limited water resource. [Methods] Using Zhongmian 619 as the test material， two types of irrigation quotas for deficient irrigation （W1： 45 mm） and full irrigation （W2： 54 mm） in combination of three nitrogen input doses， including low nitrogen （F1： 150 kg·hm-2）， medium nitrogen （F2： 225 kg·hm-2）， and high nitrogen （F3： 300 kg·hm-2） were set. The effects of different irrigation quotas and nitrogen doses on cotton physiological growth indicators and seed cotton yield were analyzed. [Results] The results indicated that increased irrigation quotas promoted cotton growth， enhanced two-year average leaf area index （LAI）， relative chlorophyll content （soil and plant analyzer development， SPAD value）， and? net photosynthetic rate （Pn）， while redued the activities of cotton superoxide dismutase （SOD）， catalase （CAT）， peroxidase （POD）， and malondialdehyde （MDA） content. With the increase of nitrogen application， LAI， SPAD， Pn， and antioxidant enzyme activity were increased， MDA content was decreased on average， and the influence of water deficiency on cotton development was alleviated. Under W1 treatment， increased nitrogen application improved cotton yield， while under W2 treatment， cotton yield showed the trend of increasing first and then decreasing with the increase of nitrogen application. Under water-nitrogen interaction， the highest two-year average seed cotton yield （6 821.86 kg·hm-2） was recorded under W2F2 treatment followed by W1F3 treatment （6 717.72 kg·hm-2）. In the technique for order preference by similarity to ideal solution（TOPSIS） analysis， the comprehensive scores of W1F3 and W2F2 were 0.57 and 0.56， respectively， and the differences between the two-year yield of W1F3 and W2F2 treatments were not significant. [Conclusion] Increased nitrogen application under deficit irrigation effectively alleviates the adverse effects of drought on the physiological characteristics and yield in cotton. It is recommended to use 45 mm irrigation quota combined with 300 kg·hm-2 nitrogen application as the fertigation strategy for the filmless drip-irrigated cotton in southern Xinjiang， to effectively ensure cotton yield under limited water resource.

Keywords： cotton; drip irrigation without film; physiological characteristics; yield; fertigation adjusted water management

新疆獨特的氣候環(huán)境有利于棉花的生長和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[1]，該地區(qū)已成為中國最大的優(yōu)質(zhì)棉花生產(chǎn)基地[2]。然而，南疆地區(qū)用水需求日趨增大以及塔里木河干流水量減少，成為制約南疆地區(qū)棉花可持續(xù)生產(chǎn)的主要問題之一。水分虧缺會打破植物細胞中的氧化還原平衡，損壞細胞膜結(jié)構(gòu)，導致膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛（malondialdehyde， MDA）含量增加[3]。水分虧缺還會使得葉片氣孔關(guān)閉，蒸騰作用減弱，光合能力減弱[4]，從而降低產(chǎn)量[5]。因此，如何在水資源限制條件下提高資源利用效率和棉花產(chǎn)量，是新疆棉花生產(chǎn)上要解決的關(guān)鍵問題之一。

目前，干旱半干旱地區(qū)用來緩解水資源短缺的常用手段為虧缺灌溉和適量增施氮肥。研究表明，一定程度的虧缺灌溉不會對作物生長產(chǎn)生顯著影響，這是因為植物在抗氧化酶，包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase， SOD）、過氧化氫酶（catalase， CAT）和過氧化物酶（peroxidase， POD）的作用下有效地清除對植物細胞有害的活性氧自由基，降低MDA含量，從而減輕植物受到的傷害[6]。當灌水量不足導致棉花受到干旱脅迫時，其生長發(fā)育會受到限制，株高、莖粗、干物質(zhì)質(zhì)量、葉面積指數(shù)（leaf area index， LAI）和光合速率等均會受到影響[7]。在干旱脅迫條件下，施用氮肥可以增強棉花的光合作用，促進作物根系生長發(fā)育以及作物攝取和轉(zhuǎn)運土壤水分[8]，擴大作物吸取水分和養(yǎng)分的土壤空間，增強棉花耐干旱能力[9]，有助于增加冠層面積并提高其光合作用[10]，為提高棉花產(chǎn)量和經(jīng)濟收益打下基礎(chǔ)[11]。增加水肥投入是提高作物產(chǎn)量的主要途徑[12]，但盲目灌水和施肥導致作物減產(chǎn)、水資源利用效率和經(jīng)濟收益降低、土壤污染和溫室氣體排放增加。因此，需在水分受限制的條件下合理使用肥料，達到“以肥調(diào)水、以水促肥”的目的，增強棉花抗旱性，提高棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)，促進其對有限水資源的充分利用[13]。

灌溉和氮肥的需求可能因環(huán)境和品種而異[14-15]。賀懷杰等[16]認為北疆石河子地區(qū)最優(yōu)水氮組合為灌水量525 mm和施氮量500 kg·hm－2，鄧忠等[17]認為南疆地區(qū)最佳灌水量為585 mm、施氮量為300 kg·hm－2。趙愛琴[18]通過建立水氮耦合模型，得出北疆最佳灌水量和施氮量分別為552 mm和354 kg·hm－2，南疆最佳灌水量和施氮量分別為604 mm和325 kg·hm－2，其對應(yīng)的籽棉產(chǎn)量分別為5 961 kg·hm－2和6 773 kg·hm－2。李志軍等[19]研究了灌水量和施氮量對棉花生長和產(chǎn)量的水氮耦合效應(yīng)，得出在灌水量為100%作物蒸發(fā)蒸騰量、施氮量為300 kg·hm－2時，棉花產(chǎn)量和水肥利用效率均達到最高。由此可見，水分和氮素的合理配施能夠協(xié)調(diào)作物各器官生長，對棉花生長發(fā)育產(chǎn)生積極影響，進而提高棉花產(chǎn)量[20]。高效的水氮管理措施為作物增產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供了保障[21]。

棉花無膜栽培技術(shù)是治理棉田殘膜污染問題的重要技術(shù)途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景[22]。然而，無膜栽培模式會增加棉田土壤水分消耗，導致氮素分布發(fā)生改變，進而影響棉花生長發(fā)育和產(chǎn)量形成。因此，需要探究灌水和施氮量對南疆無膜滴灌棉花生理生長的調(diào)控效應(yīng)，建立和完善與之匹配的水氮管理措施。本文開展灌溉和施肥對無膜滴灌棉花生長、抗氧化酶活性和光合特性影響的研究，闡明“以肥調(diào)水”緩解干旱對南疆無膜滴灌棉花生理生長的調(diào)控作用及對產(chǎn)量的影響，研究結(jié)果為無膜滴灌棉花增產(chǎn)高效生產(chǎn)及大面積推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間試驗于2021年4月至2022年11月在新疆阿拉爾現(xiàn)代農(nóng)業(yè)院士專家工作站野外試驗站（81°17′56.52″E，40°32′36.90″N，海拔1 100 m）進行。試驗區(qū)屬溫帶大陸性氣候區(qū)，年降水量46 mm左右，年蒸發(fā)量2 218 mm，年平均氣溫11.3 ℃。土壤質(zhì)地為砂壤土，0～100 cm土層均勻，容重為1.58 g·cm－3，田間持水量為0.24 g·g－1，地下水位平均埋深3 m。

1.2 試驗設(shè)計

供試品種為適宜南疆地區(qū)無膜種植的中棉619。目前，南疆地區(qū)膜下滴灌棉花常規(guī)施氮量為300 kg·hm－2 [23]，無膜滴灌棉花高產(chǎn)的單次灌水定額為54 mm[24]，參考膜下滴灌施氮量設(shè)計試驗。采用裂區(qū)試驗設(shè)計，以灌水量為主區(qū)，施氮量為副區(qū)，設(shè)置W1：45 mm（虧缺灌溉）、W2：54 mm（充分灌溉）2個灌水定額，以及F1（150 kg·hm－2）、F2（225 kg·hm－2）和F3（300 kg·hm－2）3個施氮量（表1），每個處理設(shè)3個重復，共18個小區(qū)（15 m×4 m），處理間預(yù)留保護行。采用無膜滴灌種植，行距和株距分別為40 cm和10 cm。棉花分別于2021年4月25日和2022年4月29日播種，于2021年10月20日和2022年10月24日收獲。生育期內(nèi)共進行10次灌水，每2次灌水進行1次隨水施肥，共隨水施肥5次。

1.3 棉花生長和生理指標及籽棉產(chǎn)量測定

1.3.1 棉花LAI。在棉花苗期（2021年6月19日和2022年6月21日）、蕾期（2021年7月4日和2022年7月13日）、花鈴前期（2021年7月20日和2022年8月15日）和花鈴后期（2021年8月30日和2022年8月31日），每個小區(qū)隨機選取3株棉花，用直尺測量棉花葉片長度和寬度，按公式（1）計算葉面積。將單株所有葉片葉面積累加得到單株葉面積，根據(jù)植株密度計算LAI。

葉面積＝葉長×葉寬×0.75（1）

1.3.2 棉花葉綠素含量。在棉花苗期（2021年6月7日和2022年6月21日）、蕾期（2021年7月4日和2022年7月13日）、花鈴前期（2021年8月5日和2022年7月30日）和花鈴后期（2021年8月20日和2022年8月30日），每個處理隨機選5株長勢均勻的棉花，采用SPAD-502 plus（柯尼卡美能達，日本東京）手持式葉綠素儀測定頂部3～5片葉的相對葉綠素含量（soil and plant analyzer development， SPAD值）。

1.3.3 棉花光合指標。在棉花苗期（2021年6月13日和2022年6月21日）、蕾期（2021年7月9日和2022年7月19日）和花鈴期（2021年8月22日和2022年8月27日），選擇天氣晴朗時，從每個處理隨機選取5株有代表性的植株，使用Li-6400xt便攜式光合儀，測定倒三葉凈光合速率（net photosynthetic rate， Pn）、氣孔導度（stomatal conductance， Gs）、蒸騰速率（transpiration rate， Tr）和胞間CO2濃度（intercellular CO2 concentration， Ci）。

1.3.4 棉花葉片生化指標。在2022年棉花苗期（6月11日）、蕾期（7月13日）、花鈴前期（7月30日）和花鈴后期（8月30日）分別對棉花葉片MDA含量和抗氧化酶活性進行測定。采用南京建成生物工程研究所的SOD試劑盒（WST-1法）測定棉花葉片SOD活性，采用CAT試劑盒（鉬酸銨法）測定棉花葉片CAT活性，采用POD試劑盒（分光光度比色法）測定棉花葉片POD活性，采用MDA試劑盒（硫代巴比妥酸反應(yīng)比色法）測定棉花葉片MDA含量。

1.3.5 產(chǎn)量。棉花收獲時，每個小區(qū)選取2 m×2 m樣方進行人工采摘稱量計算籽棉產(chǎn)量。

1.4 TOPSIS綜合評價

為了評估灌溉和施肥的最優(yōu)策略，使用優(yōu)劣解距離法（technique for order preference by simi-

larity to ideal solution， TOPSIS）對棉株的光合指標、MDA含量、抗氧化酶活性和籽棉產(chǎn)量進行綜合評價[25]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2019進行數(shù)據(jù)處理，運用SPSS 27進行方差分析和差異顯著性分析，采用Duncan新復極差法進行多重比較，用Origin 2021軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 “以肥調(diào)水”對棉花LAI和相對葉綠素含量的影響

灌水定額和施氮量對棉花SPAD值有極顯著影響（P＜0.01），水氮交互作用對花鈴前期和花鈴后期棉花SPAD值有極顯著影響（表2）。2021年和2022年不同處理棉花SPAD值的變化如圖1所示，棉花SPAD值隨灌水定額和施氮量的增加呈增大趨勢。在花鈴前期（整體上SPAD值最大），2021年和2022年W2處理較W1處理分別增加16.98%和6.73%；F3處理棉花SPAD值較F1和F2處理在2021年分別增加11.51%和3.31%，在2022年分別增加8.11%和4.47%。水氮耦合作用下，棉花SPAD值在W2F3處理下達到最大，較棉花SPAD值最小的W1F1處理顯著增加，2年分別增加27.61%和15.74%。

2021年和2022年棉花LAI變化如圖2所示，棉花LAI隨生育期的推進呈先增后減趨勢。各生育時期灌水定額和施氮量對棉花LAI均有極顯著影響（P＜0.01），水氮交互作用對棉花苗期、蕾期和花鈴前期LAI有極顯著影響（表2）。2年結(jié)果平均，在各個時期，棉花的LAI隨灌水定額和施氮量的增大呈增加趨勢。在棉花LAI最大的花鈴前期，2021年和2022年W2處理的棉花LAI較W1處理分別增加13.10%和32.15%；F3處理的棉花LAI較F1和F2處理在2021年分別增加52.40%和12.61%，在2022年分別增加25.46%和11.17%。水氮耦合作用下，LAI在W2F3處理下達到最大，較LAI最小的W1F1處理顯著增加，2年分別增加64.47%和57.10%。

2.2 “以肥調(diào)水”對棉花光合參數(shù)的影響

2021年和2022年棉花葉片凈光合速率（Pn）見圖3A，棉花Pn均隨生育期的推進呈先增后減趨勢，隨灌水定額和施氮量的增大呈增加趨勢。由表3可知，灌水定額和施氮量對棉花Pn有極顯著影響（P＜0.01），水氮交互作用在苗期和花鈴期對棉花Pn分別有極顯著和顯著（P＜0.05）影響。在蕾期（Pn最高），2021年和2022年W2處理的棉花Pn較W1增加10.21%和29.56%；F3處理的棉花Pn較F1和F2在2021年分別增加24.32%和5.10%，在2022年分別增加21.95%和16.69%；水氮耦合作用下，W2F3處理的棉花Pn最高，較最低的W1F1處理顯著增加，2年分別增加34.79%和59.09%。

2021年和2022年棉花葉片氣孔導度（Gs）如圖3B所示，棉花Gs隨生育時期的推進呈先增后減趨勢，棉花Gs隨灌水定額和施氮量的增大呈增加趨勢。灌水定額對棉花Gs有極顯著影響，施氮量和水氮交互作用對苗期和蕾期棉花Gs有極顯著影響，水氮交互作用對花鈴期棉花Gs有顯著影響（表3）。蕾期，2021年和2022年W2處理的棉花Gs較W1增加19.25%和26.90%；F3處理的棉花Gs較F1和F2在2021年分別增加36.36%和20.75%，在2022年分別增加62.21%和29.73%；水氮耦合作用下，W2F3處理的棉花Gs最高，較最低的W1F1處理顯著增加，2年分別增加54.93%和92.98%。

2021年和2022年棉花葉片胞間CO2濃度（Ci）如圖3C所示，在不同生育時期棉花Ci的變化較小。施氮量對棉花Ci有極顯著影響，灌水定額對蕾期和花鈴期棉花Ci有極顯著影響，對苗期棉花Ci有顯著影響，水氮交互作用對蕾期棉花Ci有極顯著影響（表3）。蕾期，2021年在W1處理下各施氮量的棉花Ci差異不顯著，在W2處理下F3處理的棉花Ci顯著高于其他氮肥處理，水氮耦合作用下，在W2F3處理下達到最大（257.33 μmol·mol－1）；2022年棉花Ci隨灌水定額的增大呈減小趨勢，W2處理的棉花Ci較W1減小13.12%，同時棉花Ci隨施氮量的增大呈增加趨勢，F(xiàn)3處理棉花Ci較F1和F2分別增加17.54%和6.72%，在水氮耦合作用下，W1F3處理的棉花Ci最高，較最低的W2F1處理顯著增加35.27%。

2021年和2022年棉花葉片蒸騰速率（Tr）均隨生育期的推進呈先增后減趨勢，棉花Tr隨灌水和施氮量的增大呈增加趨勢（圖3D）。灌水定額和施氮量對棉花Tr有極顯著影響，水氮交互作用對蕾期棉花Tr有顯著影響（表3）。蕾期，2021年和2022年W2處理的棉花Tr較W1增加23.68%和7.44%；F3處理的棉花Tr較F1和F2在2021年分別增加24.25%和15.03%，在2022年分別增加35.60%和2.88%；在水氮耦合作用下，W2F3處理的棉花Tr最高，較最低的W1F1處理顯著增加，2年分別增加46.84%和41.89%。

2.3 MDA含量及抗氧化酶活性的變化

2022年棉花葉片MDA含量隨生育期的推進呈增加趨勢，隨施氮量和灌水定額的增大呈減小的趨勢（圖4A）。灌水定額和施氮量對棉花MDA含量有極顯著影響（P＜0.01），水氮交互作用對花鈴后期棉花MDA含量有顯著影響（P＜0.05）（表4）。在花鈴后期，W2的MDA含量較W1減小了20.52%，F(xiàn)3的MDA含量較F1和F2分別減小了17.01%和6.52%。在水氮耦合作用下，花鈴后期棉花MDA含量最低的W2F3處理較最高的W1F1處理顯著降低33.80%。

2022年棉花葉片SOD活性隨生育期的推進呈先增后減的趨勢，棉花SOD活性隨灌水定額的增大而降低，隨施氮量的增大而增加（圖4B）。灌水定額和施氮量對棉花葉片SOD活性有極顯著影響，水氮交互作用對花鈴前期棉花葉片SOD活性有顯著影響（表4）。蕾期，W2處理較W1處理降低9.96%，F(xiàn)3處理較F1和F2處理提高12.73%和5.45%，在水氮耦合作用下，棉花SOD活性最高的W1F3處理較最低的W2F1處理顯著增加25.24%。

2022年棉花葉片CAT活性隨生育期的推進呈先增后減的趨勢，棉花CAT活性隨灌水定額的增大而降低，隨施氮量的增大而增加（圖4C）。灌水定額和施氮量對棉花CAT活性有極顯著影響（表4）。在花鈴前期（CAT活性最高），W2處理較W1處理降低9.81%，F(xiàn)3處理較F1和F2處理分別增加8.46%和2.51%，在水氮耦合作用下，棉花CAT活性最高的W1F3處理較最低的W2F1處理顯著增加21.93%。

2022年棉花葉片POD活性隨生育期的推進呈先增后減的趨勢，棉花POD活性隨灌水定額的增大而降低，隨施氮量的增大而增加（圖4D）。灌水定額和施氮量對棉花葉片POD活性有極顯著影響（表4）。蕾期，W2處理較W1處理降低21.91%，F(xiàn)3處理較F1和F2處理分別提高16.42%和6.80%，在水氮耦合作用下，棉花POD活性最高的W1F3處理較最低的W2F1處理顯著增加29.48%。

2.4 “以肥調(diào)水”對棉花產(chǎn)量的影響

兩年灌水定額、施氮量和水氮交互作用對籽棉產(chǎn)量有顯著影響（表5和圖5）。F1和F2氮肥水平下充分灌溉時籽棉產(chǎn)量高于虧缺灌溉，2021年W2F1和W2F2的籽棉產(chǎn)量較W1F1和W1F2處理分別顯著增加14.42%和10.00%，2022年分別增加11.56%和2.02%；F3氮肥水平下充分灌溉的棉花產(chǎn)量低于虧缺灌溉，2021年W2F3處理較W1F3顯著減少5.72%，2022年減少7.16%。W1處理條件下棉花產(chǎn)量隨施氮量增大而增加，兩年W1F3處理的籽棉產(chǎn)量較W1F1、W1F2分別增加15.44%、7.91%和14.61%、0.82%。W2處理下棉花產(chǎn)量隨施氮量增加呈先增加后減小的趨勢，2021年和2022年W2F2處理的籽棉產(chǎn)量較W2F1、W2F3分別增加2.84%、8.12%和3.96%、8.99%。水氮耦合作用下W2F2處理下籽棉產(chǎn)量最高，為6 637.34 kg·hm－2（2021年）和7 006.38 kg·hm－2（2022年），但與W1F3和W2F1處理無顯著差異。

2.5 基于熵權(quán)TOPSIS的綜合評價

為了確定不同灌水定額和施氮量處理對棉花生理性狀和產(chǎn)量的影響，本文采用了熵權(quán)TOPSIS法進行綜合評價。研究將2022年棉花產(chǎn)量、LAI、SPAD值、光合參數(shù)、抗氧化酶活性和MDA含量作為評價因子進行熵權(quán)TOPSIS分析。由表6可知，W2F3處理的綜合評分指數(shù)和TOPSIS等級最佳（排名第1），其次是W1F3和W2F2處理。

3 討論

葉片是進行光合作用的主要器官，葉綠素是影響光合特性的重要生理指標，棉花葉片葉綠素含量和葉面積受水分和氮素等多重因素的影響。試驗結(jié)果表明，在相同施氮量下，水分虧缺導致棉花SPAD值和LAI下降，與吳立峰等[25]和Ennahli等[26]的研究結(jié)果一致。這是因為水分虧缺會導致棉花葉綠素含量和LAI下降，并且隨著水分虧缺程度的增加而降低，特別是在生育前期[27]。本研究中2種灌水定額下，SPAD值和LAI均隨施氮量的增加而增加，與龔珂寧[28]的研究結(jié)果一致。說明氮肥不僅有助于葉綠素的合成，還會促進棉花根系發(fā)育，提高根系吸收水分和養(yǎng)分的能力[8， 13]，進而增加葉面積。因此，虧缺灌溉條件下增施氮肥可以有效提高植株SPAD值和LAI，補償水分虧缺對棉花葉片生長發(fā)育造成的不利影響。

光合作用是與棉花生長發(fā)育和產(chǎn)量形成相關(guān)的重要生理活動，土壤水分和氮素是影響棉花光合作用的重要因素，水氮供應(yīng)不足會造成植物葉片氣孔關(guān)閉、光合相關(guān)酶活性下降、葉綠體活性受損，從而降低凈光合速率[29]。本研究表明，虧缺灌溉導致棉花Pn和Tr降低，但隨著施氮量的增加，棉花Pn和Tr有增大趨勢，與王培華等[30]和李鵬程等[31]的研究相符。表明氮肥可以在一定程度上改善干旱對棉花光合作用的抑制。Gs與Ci是判斷光合作用效率的重要指標，當Gs和Ci同時上升或下降時凈光合速率的變化主要受氣孔因素影響[32]。本研究中，棉花葉片Gs和Ci隨施氮量的增加總體上呈增大趨勢，說明施氮量通過氣孔因素影響凈光合速率。分析其原因，水力信號是植物調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉的主要途徑，葉片缺水時通過關(guān)閉氣孔減少水分散失[33]，同時也會降低光合速率，施氮量的增加促進了植物吸收水分的能力，改善了葉片內(nèi)的水分狀況，進而提高植物光合速率[34]。虧缺灌溉條件下增施氮肥可有效提高棉花葉片光合能力，促進棉花細胞中有機物的合成，為提高棉花產(chǎn)量奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。

MDA是反映植物過氧化程度的重要指標，其含量越高，表明植物受到的環(huán)境脅迫的損害越嚴重[35]。抗氧化酶對清除植物體內(nèi)多余的活性氧，維持植物細胞的代謝平衡有重要的作用，SOD、CAT和POD是植物體內(nèi)主要的抗氧化酶，SOD是植物清除活性氧的第一道防線，CAT和POD是植株清除H2O2過程中的關(guān)鍵性酶。本試驗中，虧缺灌溉處理顯著提高了SOD、CAT、POD活性和MDA含量，增加氮肥施用量降低了MDA含量，提高了SOD、CAT和POD活性。這是因為棉株受到干旱脅迫時，氧化程度加劇，MDA含量增加，誘導棉株增強抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性來清除活性氧，緩解水分脅迫帶來的損傷[36]，而增加施氮量可提高棉株體內(nèi)的抗氧化酶活性，緩解棉株受到的氧化損傷，從而降低細胞中的MDA含量。

灌溉和肥料及其交互作用對作物生長發(fā)育產(chǎn)生影響，進而影響作物產(chǎn)量[21]。灌水定額和施肥量對棉花產(chǎn)量的影響并不是簡單的正相關(guān)關(guān)系，在一定的水肥投入范圍內(nèi)，灌水定額和施肥量的增加有助于提高產(chǎn)量，然而灌水定額和施肥量超過一定閾值時會導致棉花減產(chǎn)[37-39]。本研究中施氮量和水氮交互作用對棉花產(chǎn)量產(chǎn)生了顯著影響，水分虧缺條件下增加施氮量顯著提高了棉花產(chǎn)量，然而充分灌溉處理下棉花產(chǎn)量隨施氮量的增加先增加后減小。這是因為氮素可以增強棉花抗旱能力，減輕水分虧缺對棉花生長、光合性能和產(chǎn)量的抑制作用，從而提高棉花產(chǎn)量[40]；而充分灌水下棉花對氮素的吸收能力較強，過量施用氮肥導致棉花過度生長以及僵鈴脫落增加，從而降低棉花產(chǎn)量[41]。基于棉花生理生長指標和產(chǎn)量的熵權(quán)TOPSIS綜合評價表明，W2F3（54 mm灌水定額和300 kg·hm－2施氮量）處理下棉花表現(xiàn)最優(yōu)，W1F3（45 mm灌水定額和300 kg·hm－2施氮量）處理和W2F2（54 mm灌水定額和225 kg·hm－2施氮量）處理次之。W2F3處理在葉面積指數(shù)、相對葉綠素含量、MDA含量和光合能力方面的表現(xiàn)較好，因此綜合評分指數(shù)和TOPSIS等級最高，但生理性狀的優(yōu)勢并沒有轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量優(yōu)勢，并不是本研究的最佳處理。W1F3和W2F2處理的TOPSIS綜合評分接近，W2F2處理下籽棉產(chǎn)量最高，W1F3處理次之，兩者差異不顯著，表明增加施氮量可以緩解水分虧缺對棉花籽棉產(chǎn)量的不利影響。綜上可以得出，增施氮肥可以一定程度緩解干旱脅迫，通過施肥補充土壤氮素不僅可以緩解水分脅迫的影響，還能通過提高棉花光合性能和抗氧化能力，補償水分虧缺造成的產(chǎn)量損失。

土壤水分受覆蓋方式的影響較大，與膜下種植相比，在無膜情況下土壤水分蒸發(fā)較大，棉花易受干旱脅迫的影響。合理的灌溉和施肥可以減輕干旱脅迫對棉花的影響，有助于解決棉花無膜滴灌下產(chǎn)量降低的問題。研究表明，無地膜覆蓋對作物生長初期的影響較大[42]。因此，在后續(xù)的研究中可以細化單次灌水量，以確定南疆無膜棉田最佳灌溉制度。本文主要進行了棉花生理方面的研究，初步確定了施用氮肥可以緩解干旱對棉花生理活性和產(chǎn)量的不利影響。棉花耗水、養(yǎng)分吸收、生長和產(chǎn)量由于地域、土壤質(zhì)地和種植模式等因素可能存在差異，導致無膜滴灌棉花水肥最佳施用策略不同，但水氮調(diào)控規(guī)律相差不大。同時，考慮到當前減少化肥用量的要求，應(yīng)進一步優(yōu)化氮肥用量，提高水肥利用效率和經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，增加灌水定額和施氮量可以顯著提高棉花葉面積指數(shù)，葉綠素含量和光合能力。虧缺灌溉下棉花MDA含量顯著提高，增加施氮量可以顯著提高抗氧化酶（SOD、POD和CAT）活性，從而緩解水分虧缺對棉花植株造成的傷害。增加氮肥施用量能緩解干旱造成的無膜棉產(chǎn)量損失，其中450 mm總灌溉定額和300 kg·hm－2施氮量有利于在水資源有限的南疆實現(xiàn)無膜滴灌棉花高效生產(chǎn)。

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