龔珂寧，黃炳川，張 楠，李明發(fā)，王興鵬

（1.塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300；2.塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾 843300；3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師水文水資源管理中心，新疆阿拉爾 843300）

0 引 言

由于新疆獨(dú)特的氣候環(huán)境及地理位置，現(xiàn)已成為我國(guó)棉花種植大省[1]。膜下滴灌棉花種植面積由2002年的94 萬(wàn)hm2增加到2017年的225.4 萬(wàn)hm2，15年間擴(kuò)大了2.4 倍[2,3]。然而，隨著膜下滴灌棉花種植面積的不斷增加，地膜殘留污染已成為影響區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境問(wèn)題[4]。在新疆地區(qū)開(kāi)展無(wú)膜滴灌棉花種植是解決殘膜污染較為可行的途徑之一[5]，而棉花無(wú)膜種植栽培模式尚處于起步探索階段，無(wú)膜滴灌棉花種植與水肥管理模式的研究成果還不夠完善，需要開(kāi)展進(jìn)一步研究。

灌溉和種植模式對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量具有顯著的影響，研究發(fā)現(xiàn)隨著種植密度的升高，棉花的株高、莖粗和葉面積均呈降低趨勢(shì)，過(guò)高的種植密度會(huì)導(dǎo)致葉片重疊程度加重，倒四葉的葉綠素含量和下層RAP 截獲率減小，從而影響葉片凈光合速率，使得棉花干物質(zhì)積累量降低，而過(guò)低的種植密度則會(huì)造成田間漏光率降低，減小光能利用率，也不利于棉花高產(chǎn)[6-10]，因此，需構(gòu)建適宜的群體結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)棉花的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[11,12]。灌水定額是灌溉制度的基本參數(shù)之一，對(duì)棉花生長(zhǎng)及產(chǎn)量具有重要影響[13]。研究表明南疆膜下滴灌棉花適宜的灌溉定額為300～420 mm[14]，各地略有不同，在極端干旱地區(qū)可以達(dá)到500 mm 以上[15]。在南疆地區(qū)，杜江濤等[16]研究表明膜下滴灌棉花在ETC-P累計(jì)值達(dá)到25 mm時(shí)進(jìn)行灌溉，灌水定額30 mm 和生育期內(nèi)灌水11 次的組合有利于提高棉花產(chǎn)量和水分利用效率，崔永生等[13]認(rèn)為較高灌水定額可以顯著增加株高，提高光合產(chǎn)物累積量，生育期灌溉定額4 200 m3/hm2，蕾期灌水間隔7 d，花鈴期間隔5 d是南疆干旱區(qū)較為適宜的灌溉制度，何平如等[17]發(fā)現(xiàn)灌溉定額為334 mm，生育期灌水12 次可將較多的鹽分淋洗出作物根區(qū)，在保證棉花產(chǎn)量的同時(shí)達(dá)到節(jié)水排鹽的目的，忠智博等[18]在北疆地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)灌水量為3 750 m3/hm2，施氮量為262.5 kg/hm2時(shí)，棉花單鈴質(zhì)量和單株鈴數(shù)均為最大，且棉花產(chǎn)量較高。棉花無(wú)膜種植失去了地膜在增溫保墑方面的作用，使得土壤水分消耗增大，保水性降低[19,20]，因此，需提高灌水定額以滿(mǎn)足無(wú)膜棉花的生長(zhǎng)發(fā)育。因此，本試驗(yàn)開(kāi)展不同灌溉種植模式下無(wú)膜滴灌棉花幼苗生長(zhǎng)、根系發(fā)育、葉片光合參數(shù)的研究，旨在探明南疆無(wú)膜滴灌棉花適宜的灌溉和種植模式，以期為南疆無(wú)膜滴灌棉花的推廣應(yīng)用提供前期研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于一師阿拉爾市水利局灌溉試驗(yàn)基地（81°17′56.52″E，40°32′36.90″N）開(kāi)展。試驗(yàn)區(qū)屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，晝夜溫差極大，氣候干燥，常年干旱少雨。多年平均氣溫11 ℃左右，降雨量50 mm左右，年蒸發(fā)量2 100 mm左右，無(wú)霜期200～220 d，地下水深約為3 m 左右。試驗(yàn)區(qū)為沙壤土，物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土壤物理性質(zhì)Tab.1 Soil physical properties

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)種植棉花品種為“中棉619”，于2020年4月22日播種，4月29日進(jìn)行出苗補(bǔ)水，灌水量為45 mm，5月5日齊苗后開(kāi)展試驗(yàn)。通過(guò)計(jì)算每日參考作物蒸發(fā)蒸騰量與降雨量的差值（ET0-P）確定灌水頻率，依據(jù)前人研究成果，當(dāng)ET0-P 累計(jì)值達(dá)到45 mm 時(shí)進(jìn)行灌溉[3,12]，ET0計(jì)算公式如下，田間氣象數(shù)據(jù)由試驗(yàn)基地內(nèi)安裝的HOBO 自動(dòng)氣象站提供，包括降雨、風(fēng)速、氣溫等氣象因子，試驗(yàn)周期內(nèi)田間氣象數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)周期內(nèi)田間氣象數(shù)據(jù)Fig.1 Field meteorological data during the experiment period

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Rn為凈輻射量，MJ/（m2·d）；G為土壤熱通量，MJ/（m2·d）；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；T為日均氣溫，℃；μ2為距地面2 m 高處風(fēng)速，m/s；es為飽和水氣壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為溫度-飽和水汽壓關(guān)系曲線(xiàn)T處的的切線(xiàn)斜率，kPa/℃。

目前南疆膜下滴灌棉花的灌水定額在30 mm 左右，考慮無(wú)膜滴灌棉花土壤蒸發(fā)量較大，并參考已有的研究結(jié)果倍[3,12]，本試驗(yàn)設(shè)置在膜下滴灌的基礎(chǔ)上分別提高20%、50%和80%，即T1（36 mm）、T2（45 mm）和T3（54 mm）,棉花采用等行間距模式進(jìn)行種植，種植模式I1（行距30 cm，播種密度為33萬(wàn)株/hm2）、I2（行距40 cm，播種密度為24 萬(wàn)株/hm2），共計(jì)6個(gè)試驗(yàn)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，并以膜下滴灌棉花為CK 處理（當(dāng)?shù)囟汗喙嗨枯^大，覆膜種植土壤水分蒸發(fā)量較低，且土壤表層溫度較高，棉花萌發(fā)及生長(zhǎng)速率較快，因此CK 處理無(wú)灌水），CK 處理種植模式為一模兩帶六行，行距為（66+10）cm，株距10 cm。共21 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)規(guī)格為20 m×1.5 m（長(zhǎng)×寬）。

滴灌帶布置方式為1 帶2 行，滴灌帶選用內(nèi)向貼片式，滴頭間距20 cm，規(guī)格Φ16，滴頭額定流量3.0 L/h，灌水壓力采用0.1 MPa。田間管理措施如施肥、打藥等均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)田管理方式保持一致。

1.3 試驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目和方法

(1)棉花生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定。在苗期末期（CK 處理6月9日，無(wú)膜棉花6月19日），每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇3 株長(zhǎng)勢(shì)均勻的樣株，用電子游標(biāo)卡尺（0.01 mm）測(cè)量其莖粗，鋼尺（1 mm）測(cè)量棉花株高和棉花葉片的最大長(zhǎng)度和寬度，用“單葉面積=長(zhǎng)×寬×0.75”計(jì)算所有葉片的面積，進(jìn)而計(jì)算出棉花單株葉面積。

(2)根系發(fā)育指標(biāo)。將各處理的根系用蒸餾水沖洗干凈，采用Epson 掃描儀對(duì)根系進(jìn)行掃描，并將圖像存入電腦，用WinRHIZO 根系分析系統(tǒng)軟件獲取總根長(zhǎng)，根總表面積，根平均直徑等指標(biāo)，分析后將根系放入60 ℃的恒溫干燥箱至恒重，測(cè)定根系干重。

(3)葉片SPAD 值。于每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇3 株長(zhǎng)勢(shì)均勻的樣株，使用TYS-4N 植株?duì)I養(yǎng)測(cè)定儀測(cè)定棉花主莖倒三葉的SPAD值，測(cè)量時(shí)間為上午10∶00-12∶00。

(4)光合作用。在苗期末期使用Li-6400xt光合儀10∶00-12∶00 測(cè)定一次不同處理的凈光合速率(Photosynthetic rate，Pn)、蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)、氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductance，Gs)、 胞間CO2摩爾濃度(Intercellular CO2concentration，Ci)。

(5)綜合指標(biāo)CIi參考程建權(quán)[21]的方法計(jì)算：

式中：CIi表示第i個(gè)綜合指標(biāo)；Eij表示第i個(gè)主成分第j個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的特征向量；Xj’表示第j個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。

隸屬函數(shù)值u（xij）、綜合指標(biāo)的權(quán)重wj及綜合評(píng)價(jià)值（Di）參照王賀正[22]的方法計(jì)算：

式中：xij表示第i材料主成分分析中第j個(gè)綜合指標(biāo)值；xjmax、xjmin分別表示指標(biāo)的最大值和最小值。

式中：wj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的重要程度；pj為主成分分析中第j個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

式中：Di表示第i個(gè)材料用綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)所得的綜合評(píng)價(jià)值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，并使用Origin 2018進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉和種植模式對(duì)無(wú)膜滴灌棉花幼苗生長(zhǎng)及葉片SPAD值的影響

不同灌溉和種植模式對(duì)棉花幼苗生長(zhǎng)及葉片SPAD 的影響如表2所示，種植模式相同時(shí)，無(wú)膜棉花幼苗株高、莖粗、葉面積和葉片SPAD 值均隨灌水定額的增大而增加，且T3 處理株高、莖粗和葉面積均顯著優(yōu)于T1和T2處理。灌水定額相同時(shí)，I2 處理棉花株高、莖粗和SPAD 值均在灌水定額為T(mén)3 時(shí)顯著優(yōu)于I1 處理，T1 和T2 灌水定額下種植密度對(duì)棉花生長(zhǎng)及SPAD 值影響不顯著。綜合分析，T3I2 處理棉花幼苗株高、莖粗、葉面積和葉片SPAD 值最優(yōu)，較CK 分別增加了37.7%、13.8%、16.4%和9.8%。

表2 莖粗及株高Tab.2 Stem diameter and plant height

2.2 不同灌溉和種植模式對(duì)棉花幼苗根系生長(zhǎng)的影響

不同灌溉及種植模式對(duì)棉花幼苗根系生長(zhǎng)的影響如表3所示，種植模式相同時(shí)，無(wú)膜棉花棉花根系干重和根平均直徑均隨灌水定額的增大而增加，T3 處理顯著優(yōu)于T1和T2 處理，總根長(zhǎng)和根總表面積隨灌水定額的增大而降低，T1 處理顯著優(yōu)于T2 和T3 處理。灌水定額相同時(shí)，I1處理棉花總根長(zhǎng)在灌水定額為T(mén)1 和T2 時(shí)顯著優(yōu)于I2 處理。綜合分析，無(wú)膜棉花幼苗T3I2 處理根系干重和根平均直徑最優(yōu)，其中根平均直徑較CK 增加了39.5%，T1I1 處理總根長(zhǎng)和根總表面積最優(yōu)，較CK 處理分別減少了19.9% 和29.2%。

表3 各處理棉花植株根系生長(zhǎng)性狀Tab.3 Root traits of cotton plants under different treatment

2.3 不同灌溉和種植模式對(duì)棉花幼苗葉片光合參數(shù)的影響

不同灌溉和種植模式對(duì)棉花幼苗葉片光和參數(shù)的影響如表4所示，種植模式為I1 時(shí)，棉花凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均隨灌水定額的增大而增加，T3 處理顯著優(yōu)于T1 和T2 處理，而種植模式為I2 時(shí)，棉花胞間CO2濃度值隨灌水定額的增大呈先增加后減小趨勢(shì)，但差異不顯著。灌水定額相同時(shí)，I2 處理棉花凈光合速率顯著優(yōu)于I1 處理， I2 處理棉花胞間CO2濃度值僅在灌水定額為T(mén)1 和T2 時(shí)顯著優(yōu)于I1 處理。綜合分析，T3I2 處理棉花幼苗葉片光合參數(shù)最優(yōu)，較CK 處理分別增加了23.1%、47.6%、33.0%和5.6%。

表4 葉片光合參數(shù)Tab.4 Leaf photosynthetic parameters

2.4 不同灌溉和種植模式下棉花幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)

對(duì)棉花幼苗的株高、莖粗、葉面積、SPAD 值、總根長(zhǎng)、根總表面積、根系干重、根平均直徑、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和凈光合速率等12 個(gè)性狀進(jìn)行主成分分析。如表5所示，前2 個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為70.35%和21.42%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)91.76%，表明這2 個(gè)指標(biāo)代表了原來(lái)12 個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)91.76%的信息，因此將原來(lái)的12 個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為2 個(gè)相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)（CI）。第1個(gè)主成分（PC1）中根平均直徑、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的特征向量最大，第2 主成分（PC2）中總根長(zhǎng)、根總表面積和根平均直徑的特征向量較大，表明根平均直徑、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和根總表面積的貢獻(xiàn)率較大，對(duì)灌溉和種植模式的響應(yīng)度較高。

表5 各主成分的特征值和貢獻(xiàn)率Tab.5 Eigenvalues and Contribution Rates of Principal Components

通過(guò)2個(gè)主成分特征向量及各指標(biāo)的相對(duì)值計(jì)算不同處理棉花幼苗的2個(gè)綜合指標(biāo)，由于各單項(xiàng)指標(biāo)均為越大越優(yōu)，通過(guò)公式（3）求出隸屬函數(shù)值，并結(jié)合權(quán)重得到綜合得分，各處理綜合指標(biāo)、隸屬函數(shù)值和綜合評(píng)價(jià)值如表6所示，根據(jù)綜合得分將各處理棉花幼苗進(jìn)行綜合排序：T3I2＞T3I1＞CK＞T2I1＞T2I2＞T1I2＞T1I1。結(jié)果表明T3I2 處理的棉花幼苗D 值最大，為0.93，說(shuō)明該處理下棉花幼苗生長(zhǎng)狀況最優(yōu)。

表6 幼苗期各處理的綜合指標(biāo)（CI）、隸屬函數(shù)值（μ）、綜合評(píng)價(jià)值（D）和排名Tab.6 Comprehensive index(CI),subordinate function value(μ),comprehensive evaluation value(D)and ranking of each treatment at seedling stage

3 討 論

幼苗期作為棉花營(yíng)養(yǎng)器官形成和發(fā)育的主要時(shí)期，此時(shí)棉花形態(tài)結(jié)構(gòu)尚未建立完善，易受到外界逆境的影響[23]，如何提高棉花在幼苗期的抗逆性、保證棉花在幼苗期的生長(zhǎng)發(fā)育是學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)，然而前人研究多于室內(nèi)模擬條件下進(jìn)行[24-26]，缺少在試驗(yàn)小區(qū)應(yīng)用的普適性。因此，本試驗(yàn)開(kāi)展不同灌溉和種植模式下無(wú)膜棉花幼苗生長(zhǎng)、根系發(fā)育、葉片光合參數(shù)的研究，研究結(jié)果可為南疆無(wú)膜滴灌棉花的推廣提供前期研究基礎(chǔ)。

根系是植物直接吸收利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要器官，其發(fā)育狀況對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育具有十分顯著的影響[27]，在水分脅迫條件下，總根長(zhǎng)、根表面積等根系指標(biāo)被用于植物抗旱性研究[28]。本試驗(yàn)中無(wú)膜棉花幼苗總根長(zhǎng)和根表面積均隨灌水定額降低而增加，根系干重和根平均直徑隨灌水定額降低而減小，這與段桂芳等干旱誘導(dǎo)根系伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，使得總根長(zhǎng)、根表面積等增加，根系直徑減小，從而增加植株根系活力，提高對(duì)干旱脅迫的抵抗能力[29,30]的結(jié)論相一致。這表明無(wú)膜種植失去了地膜在增溫保墑方面的作用，且土壤蒸發(fā)較大，灌水定額T1和T2 無(wú)法滿(mǎn)足棉花生長(zhǎng)對(duì)水分的需求，此時(shí)根系通過(guò)增加長(zhǎng)度、擴(kuò)大其在土壤中的分布范圍[31]，從而獲取生長(zhǎng)所需的土壤水分，灌水定額T3 由于土壤水分較為充足，植株通過(guò)增加根系直徑使其吸水能力增大，進(jìn)而保證其生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)水分的需求。

灌溉和種植模式對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育有顯著影響[32]，采用合理的種植密度可以減少棉花個(gè)體間的矛盾與競(jìng)爭(zhēng)，構(gòu)建出適宜的群體結(jié)構(gòu)，有利于棉花的生長(zhǎng)發(fā)育，使棉花獲得高產(chǎn)[33]。無(wú)膜棉花幼苗莖粗、株高和葉面積均隨灌水定額的增大而增加，這與潘秋艷等的研究結(jié)果相似[34,35]，說(shuō)明較低的土壤水分無(wú)法充分滿(mǎn)足棉花幼苗的生長(zhǎng)，產(chǎn)生干旱脅迫。I2 處理株高在灌水定額為T(mén)3 時(shí)顯著優(yōu)于I1 處理，這與牛玉萍[36]等棉花株高隨種植密度的增加而降低的研究結(jié)果一致，而灌水定額為T(mén)1 和T2 時(shí)I2 處理株高小于I1 處理，原因可能是灌水定額較小，I1處理棉花距離滴灌帶距離更近，較I2 可以獲得更多的土壤水分所致。

前人研究表明，棉花倒四葉SPAD 值可以較好的反映葉片葉綠素含量，且葉綠素含量與植株光合作用之間存在著密切關(guān)系，是植株光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)[37]。本試驗(yàn)中無(wú)膜棉花幼苗葉片凈光合速率和氣孔導(dǎo)度均隨灌水定額的增加呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)樗置{迫對(duì)氣孔開(kāi)度產(chǎn)生顯著影響，虧水使部分葉片氣孔關(guān)閉，同時(shí)，由于干旱脅迫程度的增強(qiáng)，使得葉綠素分解速率加快，從而造成葉片SPAD 值降低[38]，最終導(dǎo)致葉片光合速率下降[39,40]。由此可見(jiàn)，適宜的灌水定額可以提高棉花光合作用速率，提高其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)力，進(jìn)而保證幼苗的良好發(fā)育。

通過(guò)主成分和隸屬函數(shù)法分析得出棉花根平均直徑、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和根總表面積對(duì)灌溉和種植模式的響應(yīng)度較高，棉花幼苗各項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)值D 排序?yàn)椋篢3I2＞T3I1＞CK＞T2I1＞T2I2＞T1I2＞T1I1。因此，考慮不同灌水定額和播種密度對(duì)棉花幼苗生長(zhǎng)和光合特性的影響，無(wú)膜滴管棉花適宜的灌水定額為54 mm，播種密度為24 萬(wàn)株/hm2,可為無(wú)膜滴灌棉花產(chǎn)量的形成提供良好的前期基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

本文分析了灌溉和種植模式對(duì)無(wú)膜滴灌棉花幼苗生長(zhǎng)及光合特性的影響，無(wú)膜栽培棉花株高、莖粗、葉面積、總根重、根平均直徑和葉片凈光合速率均隨灌水定額的增大而顯著增加，但總根長(zhǎng)和根總表面積顯著降低，葉片凈光合速率隨播種密度的增加而顯著下降。棉花根平均直徑、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和根總表面積對(duì)灌溉和種植模式的響應(yīng)度較高，通過(guò)對(duì)棉花幼苗各指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)灌溉和種植模式分別在54 mm 灌水定額和24 萬(wàn)株/hm2播種密度時(shí)，無(wú)膜棉花幼苗生長(zhǎng)狀況較好。