劉愛琳， 吉春容， 楊明鳳， 巴特爾·巴克， 郭燕云， 陳 雪

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830006； 2.新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心，新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830002； 3.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002； 4.烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，新疆 石河子 832000）

0 引言

干旱是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的主要非生物脅迫因素之一，水分虧缺所造成的危害超過(guò)了一切逆境因子的總和，嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1-2]。新疆維吾爾自治區(qū)（簡(jiǎn)稱新疆）作為全國(guó)重要優(yōu)質(zhì)棉區(qū)之一，干旱及水資源缺乏也成為棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大影響因素之一[3-4]。而水分脅迫對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響，可以通過(guò)形態(tài)特性、生理生化和產(chǎn)量構(gòu)成等不同特征指標(biāo)進(jìn)行反映[5-11]。作物受旱時(shí)，葉片（植株）相對(duì)含水量、葉片水勢(shì)會(huì)迅速下降，能定量反映干旱對(duì)葉片水分狀況的影響。同時(shí)干旱處理顯著降低了棉株葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率，導(dǎo)致葉溫升高，進(jìn)而影響了棉株的光合生理過(guò)程和干物質(zhì)形成[12]。但在不同生育期影響棉花的關(guān)鍵指標(biāo)有所不同，苗期為葉片相對(duì)含水量和葉綠素含量，盛蕾期為葉綠素含量和葉面積，花鈴期為相對(duì)含水量，而吐絮期為葉綠素含量和葉面積[13]。葉綠素含量作為體現(xiàn)作物健康程度的生理生化指標(biāo)之一，在作物發(fā)生干旱時(shí)，利用儀器直接觀測(cè)而得的含量高低，也可直觀反映受影響程度。

國(guó)內(nèi)外研究人員已在棉花干旱方面取得了許多研究成果。而對(duì)于西北干旱地區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)來(lái)說(shuō)，覆膜種植與滴灌技術(shù)相結(jié)合而成的膜下滴灌樞紐，不同程度地改變了棉田水分運(yùn)移模式及植株對(duì)水分的需求規(guī)律，在節(jié)水灌溉技術(shù)快速應(yīng)用的種植模式下，綠洲棉田植株耐旱能力是否有所變化、干旱對(duì)生理特性指標(biāo)的影響程度是否存在差異都值得研究[14]。本研究以滴灌棉花為研究對(duì)象，在棉花需水的關(guān)鍵期花鈴期，通過(guò)開展不同水分梯度干旱模擬試驗(yàn)，揭示滴灌模式下發(fā)生干旱脅迫后棉花生理過(guò)程的變化規(guī)律，旨在為科學(xué)診斷棉花干旱及合理灌溉決策提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究于2020 年在新疆塔城地區(qū)沙灣市烏蘭烏蘇綠洲農(nóng)田生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)基地（44°17′N，85°49′E，海拔468.5 m）的農(nóng)田水分精準(zhǔn)控制試驗(yàn)場(chǎng)開展，每個(gè)小區(qū)面積35.0 m2（7.0 m×5.0 m），小區(qū)之間有長(zhǎng)3.0 m、寬0.3 m、高3.5 m 的防滲混凝土水泥隔離墻，可防止水分水平交換，并安裝了大型電動(dòng)防雨棚用于遮擋自然降水；試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為沙壤土，pH 值7.8，含有機(jī)質(zhì)12.2 g/kg、全氮1.25 g/kg、堿解氮76.0 mg/kg、速效磷92.3 mg/kg 及速效鉀322 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 干旱脅迫處理

供試棉花品種為研究區(qū)內(nèi)主栽品種新陸早78 號(hào)，棉花的播種管理方式同大田常規(guī)高產(chǎn)田，膜下滴灌，1膜6 行，250 cm 幅寬地膜，膜上行距（10+66+10+66+10）cm，株距9.5 cm。試驗(yàn)按照當(dāng)?shù)鼗ㄢ徠谄骄喔攘浚?00 m3/hm2）的30%（T1）、50%（T2）、70%（T3）、90%（T4）和100%（CK）設(shè)置5 個(gè)水分梯度處理，每個(gè)處理設(shè)3 個(gè)重復(fù),試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.1 Experimental design

1.2.2 脅迫方式

在棉花花鈴期進(jìn)行水分脅迫處理，直至生育期結(jié)束，全生育期不再進(jìn)行補(bǔ)充灌溉。根據(jù)烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站棉花生育期近10 年觀測(cè)資料，確定棉花平均花鈴期時(shí)間，在花鈴期前7 d 提前進(jìn)行水分脅迫。水分脅迫利用土壤監(jiān)測(cè)和水分灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉，提前設(shè)置灌溉量、調(diào)整流速和按量自動(dòng)完成水分脅迫灌溉。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤相對(duì)濕度

采用烘干稱質(zhì)量法測(cè)定用土鉆取0～50 cm 每10 cm 一層的土壤分層質(zhì)量含水量。每小區(qū)在2 行棉花中間隨機(jī)選取1 個(gè)取樣點(diǎn)，各小區(qū)取樣位置基本相同，每個(gè)處理3 次重復(fù)，計(jì)算土壤質(zhì)量含水量和土壤相對(duì)濕度。

土壤質(zhì)量含水量θv為

土壤相對(duì)濕度（relative soil water content，RSWC）為

式中mw——濕土質(zhì)量，g

md——干土質(zhì)量，g

Fc——田間持水量，%

田間持水量采用小區(qū)灌水法測(cè)定和計(jì)算，詳見GB/T 32136－2015《農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)》[15]。

1.3.2 棉花葉片光合參數(shù)觀測(cè)

選擇無(wú)風(fēng)晴朗的天氣，利用便攜式光合儀（LI-6 400，LI-COR，USA），測(cè)定棉花功能葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和胞間二氧化碳濃度（Ci）；每個(gè)小區(qū)選擇6 株具有代表性的棉花植株進(jìn)行測(cè)定取其平均值，計(jì)算葉片水分利用效率。

式中WUE——葉片水分利用效率，μmol/mmol

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS16.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和單因素方差分析，用鄧肯多重范圍檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較，利用Microsoft Excel 2010 軟件完成數(shù)據(jù)分析及制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 花鈴期棉田干旱發(fā)生發(fā)展過(guò)程

參照GB/T 32136—2015《農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)》進(jìn)行棉田干旱強(qiáng)度劃分：無(wú)旱（RSWC≥60%）、輕旱（50%≤RSWC＜60%）、中 旱（40%≤RSWC＜50%）、重 旱（30%≤RSWC＜40%）和特旱（RSWC＜30%）[15]。

棉田0～50 cm 土層土壤相對(duì)濕度的變化如圖2 所示，各處理隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，土壤相對(duì)濕度逐漸下降，后期各處理的土壤相對(duì)濕度較低，達(dá)到預(yù)設(shè)控水效果。梯度灌水后1 d（7 月16 日），各處理的土壤相對(duì)濕度維持較高，均在60%以上，未發(fā)生干旱；梯度灌水后6 d（7 月21 日），T1處理的土壤相對(duì)濕度為53%，出現(xiàn)輕旱；梯度灌水后9 d（7 月24 日），T1處理的土壤相對(duì)濕度為42%，出現(xiàn)中旱，T2和T3處理的土壤相對(duì)濕度分別為50%和51%，出現(xiàn)輕旱，其余處理未發(fā)生干旱；梯度灌水后13 d（7 月28 日），T1和T2處理的土壤相對(duì)濕度降到30%～40%，達(dá)到重旱級(jí)別，T3處理出現(xiàn)中旱，T4處理出現(xiàn)輕旱；梯度灌水后16 d（7月31 日），T3處理出現(xiàn)重旱，T4處理出現(xiàn)中旱；梯度灌水后23 d（8 月7 日），干旱程度進(jìn)一步加劇，土壤相對(duì)濕度持續(xù)下降，CK 出現(xiàn)輕旱，T4出現(xiàn)重旱，而其余處理土壤相對(duì)濕度均＜30%，發(fā)展為特旱；梯度灌水后31 d（8 月15 日），CK 處理發(fā)展為中旱，其余處理為重旱到特旱。

圖2 不同處理棉田土壤相對(duì)濕度的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Changes in relative soil water content at different stages

2.2 干旱發(fā)生發(fā)展對(duì)棉花光合特性的影響

葉片凈光合速率隨生育進(jìn)程推進(jìn)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，如圖3 所示。在梯度灌水前2 d（7 月13 日）和梯度灌水后1 d（7 月16 日），各處理之間凈光合速率相差不大，但梯度灌水后1 d 各處理的凈光合速率比梯度灌水前2 d 有小幅度增加；從梯度灌水后6 d（7月21 日）開始，隨灌溉量減少，各處理的凈光合速率依次降低，與土壤相對(duì)濕度一樣呈現(xiàn)出梯度差異；梯度灌水后9 d（7 月24 日），各處理（T1、T2、T3、T4和CK）凈光合速率分別為16.9、24.0、25.4、32.3 和36.2 μmol/（m2·s），受干旱脅迫的影響，T1、T2和T3處理的凈光合速率與梯度灌水后6 d 相比有小幅度下降，而T4和CK 處理則呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并達(dá)到最大值，上升的原因是由于T4和CK 處理未發(fā)生干旱，而此時(shí)棉花又處于盛花期，其葉片光合速率較高；而在此之后，T4和CK 處理的凈光合速率隨干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)；梯度灌水后31 d（8 月15 日），T1處理的凈光合速率下降幅度最大，受特旱影響，T1、T2和T3處理的凈光合速率較CK 處理分別下降81.3%、57.6%和47.5%，受重旱影響，T4處理的凈光合速率較CK 處理下降27.7%。

圖3 干旱過(guò)程對(duì)棉花葉片凈光合速率、胞間CO2 濃度、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度的影響Fig.3 Effects of drought on net photosynthetic rate，intercellular CO2 concentration，transpiration rate and stomatal conductance of cotton leaves

同一時(shí)間內(nèi)由于水分脅迫的程度不同，各處理的凈光合速率有明顯差異。梯度控水9 d 后，各處理進(jìn)入了不同的干旱發(fā)展過(guò)程，各處理的凈光合速率依次降低，其中T1、T2、T3和T4處理分別為CK 處理的46.7%、60.9%、70.3%和89.2%，而到后期梯度控水后31 d，T1、T2、T3和T4處理的凈光合速率僅為CK 處理的18.7%、42.3%、52.5%和72.3%。

各處理葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率隨生育進(jìn)程的變化規(guī)律與凈光合速率基本一致（圖3）。各處理胞間CO2濃度總體也是呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，但與其他光合參數(shù)變化不同的是：梯度灌溉后6 d，T3、T4和CK 處理的胞間CO2濃度無(wú)顯著差異，但在梯度灌溉9 d 后，CK 處理顯著高于其他處理；T1和T2處理在梯度灌溉后9～13 d 下降幅度最大，并在梯度灌溉9 d 后顯著低于其他處理；在梯度灌水后31 d，各處理（T1、T2、T3和T4）胞 間CO2濃 度 分 別 為139.8、147.4、156.2 和162.1 μmol/mol，較CK 處理分別下降25.4%、21.3%、16.6%和13.5%，并且T1和T2處理的胞間CO2濃度較梯度灌水后23 d 相比有所上升，上升幅度分別為11.6%和1.4%，這可能是棉花對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)性所致。

2.3 干旱發(fā)生發(fā)展對(duì)水分利用效率的影響

由圖4 可知，梯度灌水后1 d（7 月16 日），棉田土壤水分充足，各處理的WUE基本一致。梯度灌水后6 d（7 月21 日），T1處理受干旱脅迫影響WUE下降幅度最大，較CK 處理下降17.3%，而其余處理的WUE與CK 處理之間幾乎沒有差異。梯度灌水后9 d（7 月24 日），各處理的WUE與梯度灌水后6 d 相比均略有升高，其中T1處理受中旱影響升高幅度最大，T2和T3處理受輕旱影響升高幅度次之。梯度灌水后13 d（7 月28 日），T1處理受重旱影響與梯度灌水后9 d 相比其葉片WUE略有下降，而T2和T3處理分別受重旱和中旱影響與梯度灌水后9 d 相比其葉片WUE略有上升，T4處理受輕旱影響與梯度灌水后9 d 相比其WUE略有下降。梯度灌水后23 d（8 月7 日），T1處理受特旱影響與梯度灌水后13 d 相比其葉片WUE略有下降，而T2和T3處理同樣受特旱影響與梯度灌水后13 d 相比其葉片WUE卻略有上升，T4處理受中旱影響與梯度灌水后13 d 相比其葉片WUE略有上升。梯度灌水后31 d（8 月15 日），T1、T2和T3處理受持續(xù)干旱脅迫影響，與梯度灌水后23 d 相比其葉片WUE開始下降，T4處理受重旱影響與梯度灌水后23 d 相比其葉片WUE略有上升，CK 處理受中旱影響與梯度灌水后23 d 相比其葉片WUE升幅較大，上升18%。

圖4 棉花葉片水分利用效率對(duì)不同干旱脅迫的響應(yīng)Fig.4 Response of water use efficiency of cotton leaves to different drought stresses

綜上所述，干旱脅迫并沒有改變棉花葉片水分利用效率的變化趨勢(shì)，5 個(gè)不同梯度水分處理（包括CK）在花鈴期內(nèi)棉花葉片水分利用效率均呈上升趨勢(shì)，僅T1處理在梯度灌水6 d 后下降較明顯，表明花鈴期棉花對(duì)水分脅迫非常敏感，葉片水分利用效率在前期增幅較小，處理間差異小，變化幅度也較小，但是隨著脅迫程度加劇，葉片水分利用效率增幅加大，處理間差異增大、變異加大，但缺乏規(guī)律性。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)膜下滴灌棉花，在棉花需水關(guān)鍵期花鈴期，開展5 種不同水分梯度干旱模擬試驗(yàn)，分析不同強(qiáng)度干旱發(fā)生發(fā)展對(duì)棉花光合特性的影響。結(jié)果表明，葉片凈光合速率隨生育進(jìn)程推進(jìn)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，梯度控水9 d 后各處理進(jìn)入了不同的干旱發(fā)展過(guò)程，各處理的凈光合速率依次降低，并且同一時(shí)間內(nèi)由于水分脅迫的程度不同，各處理的凈光合速率有明顯差異；各水分脅迫處理葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2濃度隨生育進(jìn)程的變化趨勢(shì)與凈光合速率總體一致；干旱脅迫并沒有改變棉花葉片水分利用效率的變化趨勢(shì)，5 種不同梯度水分處理的棉花葉片水分利用效率在花鈴期內(nèi)均呈上升趨勢(shì)，并且水分利用效率在前期增幅較小、處理間差異小、變化幅度也較小，但是隨著脅迫程度加劇，水分利用效率增幅加大，處理間差異增大、變異加大，但缺乏規(guī)律性。研究結(jié)果與前人關(guān)于夏玉米、冬小麥等的研究結(jié)果較為一致[16-18]。

作物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，本研究從葉片尺度探討了棉花需水關(guān)鍵期花鈴期干旱發(fā)生發(fā)展過(guò)程對(duì)棉花光合特性及水分利用效率的綜合影響，對(duì)棉花受旱程度的準(zhǔn)確評(píng)估及干旱發(fā)生發(fā)展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具有重要意義。未來(lái)將進(jìn)一步分析棉花干旱敏感性指標(biāo)及干旱導(dǎo)致葉片損傷的臨界條件等。