王遠(yuǎn)遠(yuǎn)，喬 露，陳宗奎，馬 卉，夏 軍，高宏云，羅宏海

(石河子大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832003)

明確不同水肥管理方式對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育和生物量積累及水分利用效率的影響，以期為干旱區(qū)棉花高產(chǎn)高效栽培提供科學(xué)依據(jù)。在干旱半干旱地區(qū)，水資源短缺是限制農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要生態(tài)因子[1]。干旱區(qū)棉田中約有40%以上得不到及時(shí)灌水，每年因缺水造成的損失約占總產(chǎn)量的10%～15%[2-3]，肥料的投入大而利用率低更加重資源的浪費(fèi)[4]。因此，制定合理的水肥供應(yīng)方案是提高干旱區(qū)水分利用率并獲得高產(chǎn)的有效途徑[5-6]。

前人對(duì)增加水肥利用效率的水肥管理策略進(jìn)行大量研究，表明常規(guī)施肥下生育期適量水分調(diào)虧能提高水肥利用效率[7-8]，促進(jìn)生殖生長(zhǎng)，促進(jìn)光合產(chǎn)物的運(yùn)轉(zhuǎn)與分配，提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量并改善部分品質(zhì)指標(biāo)[8-10]；或者適當(dāng)降低生育期水分無(wú)效消耗(例如減少非關(guān)鍵生育期供水量)，協(xié)調(diào)棉株生育后期生殖器官和營(yíng)養(yǎng)器官的生長(zhǎng)發(fā)育，并且改善株型[10-11]，可增加產(chǎn)量并提高水分利用效率。另外，許多研究也表明，增加土壤水肥可用性，可降低水肥供應(yīng)量，并能增加單位水肥的生產(chǎn)能力，最為顯著的是通過(guò)水肥空間組合方式，提高作物產(chǎn)量和水肥利用效率[12-15]，例如，在灌水量一致情況下，通過(guò)交替灌溉方式，可提高玉米的光合產(chǎn)物運(yùn)轉(zhuǎn)速率、干物質(zhì)累積和灌溉水利用效率[16]；整層施肥與整層供水或淺層供水耦合，可增加小麥生長(zhǎng)后期旗葉的凈光合速率、蒸騰速率、產(chǎn)量和水分利用效率[17]；在土壤有深層儲(chǔ)水(播前灌溉)的基礎(chǔ)上，能提高水分利用效率以及干物質(zhì)向生殖器官積累[17-18]；土壤上層干旱下層濕潤(rùn)條件下，磷肥淺施使水分利用效率提高2.37%～19.13%，顯著增加小麥籽粒產(chǎn)量[19]。

合理的水肥空間組合方式可以增加土壤水肥可用性，減少水肥供應(yīng)量，增加產(chǎn)量和水肥利用效率。但是變動(dòng)土壤剖面水肥分布的耦合方式多見(jiàn)于玉米、小麥等作物(須根系作物)，土壤深層水(播前灌溉)配合基肥施用深度對(duì)棉花(直根系作物)水分利用等的影響研究相對(duì)較少。因此，本試驗(yàn)在前期研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)土壤深層水與基肥施用深度，變動(dòng)土壤剖面的水肥分布，明確不同空間層次水肥分布對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育和物質(zhì)生產(chǎn)的影響，探索增加棉花產(chǎn)量和水分利用效率的可能途徑與技術(shù)措施。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015-2016年在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站(86°03′E，45°19′N)進(jìn)行。施肥前取土樣(0～120 cm土層)混勻測(cè)定基礎(chǔ)肥力。土壤質(zhì)地為中壤土，pH為7.6，有機(jī)質(zhì)12.5 g·kg-1，全氮1.45 g·kg-1，堿解氮54.9 mg·kg-1，速效磷0.23 g·kg-1，速效鉀149 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用雙因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共4個(gè)處理，每個(gè)處理6個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)4個(gè)土柱。其中水分處理設(shè)2個(gè)：有土壤深層水(W80)和無(wú)土壤深層水(W0)；施肥處理設(shè)2個(gè)：基肥表施(F10)和基肥深施(F30)。其中W80處理是播種前在距土柱上部80～120 cm的土層灌水0.28 m3(田間持水量為85%左右)；W0處理是播種前整個(gè)土柱內(nèi)不澆水。F10處理是在距土柱上部0～10 cm施入氮、磷和鉀肥；F30處理則是在距土柱上部30～40 cm施入氮、磷和鉀肥。磷鉀肥全部基施，氮肥基施∶追施=3∶7。全生育期每個(gè)土柱總計(jì)施入尿素[w(N)= 46%]20 g，其中基施6 g、追施14 g；KH2PO4[w(P2O5)=52%，w(K2O)=35%)]按每千克干土施入0.15 g P2O5和0.22 g K2O，合計(jì)28 g，全部基施，其他田間管理措施同高產(chǎn)棉田。

供試棉花品種為‘新陸早45號(hào)’，種植在硬質(zhì)PVC管(管壁厚0.01 m，直徑0.3 m，高度0.2 m)的土柱中(每6個(gè)PVC管縱向用防水膠帶固定為總高度1.2 m的整體)。播種前將整個(gè)根管放置于事先按尺寸挖好的高120 cm、寬35 cm的方型土坑中，土坑中先平鋪1層直徑約3～8 cm的石子，再在其上鋪2層尼龍網(wǎng)(100目)。土壤選自石河子大學(xué)試驗(yàn)站，風(fēng)干后過(guò)50目篩，再裝入土柱(裝入土壤必須均實(shí)，且裝入高度為0.1～1.2 m)。每個(gè)土柱播4粒種子，播種深度為3 cm，同一土柱內(nèi)種子間相距0.1 m，相鄰?fù)林噜彿N子間相距0.2 m。土柱頂部覆蓋地膜，在膜下布置滴灌帶，采用水表和球閥控制滴水量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 生育時(shí)期和農(nóng)藝性狀 每個(gè)處理選擇3個(gè)土柱的棉花(12株)，定點(diǎn)定株每隔5 d記錄生育期的變化。農(nóng)藝性狀每隔7 d測(cè)定1次，主要調(diào)查株高(從子葉節(jié)至主莖最高點(diǎn))，主莖葉片數(shù)(平展葉)、果枝、蕾、花和鈴的數(shù)目。單株蕾鈴脫落率參照李雨等[20]的計(jì)算方法：

單株蕾鈴脫落數(shù)=果節(jié)數(shù)-棉蕾數(shù)-幼鈴數(shù)-成鈴數(shù)；脫落率(%)=單株蕾鈴脫落數(shù)/果節(jié)數(shù)。

1.3.2 干物質(zhì)累積與葉面積 葉面積在棉花盛蕾期(出苗后36 d)開(kāi)始取樣，以后每15 d取樣1次，至吐絮期(出苗后97 d)結(jié)束，共5次。每處理選取12株采用葉面積儀(Li-3000，USA)測(cè)定每株葉面積(cm2)。干物質(zhì)在吐絮期(出苗后96 d)測(cè)定，每處理選取12株，分成莖、葉、蕾、鈴、鈴殼和籽棉等，然后 105 ℃殺青 0.5 h，85 ℃下烘干至恒量后稱質(zhì)量。

1.3.3 水分利用效率 土壤耗水量和單株水分利用效率參照Luo等[21]的方法，計(jì)算公式如下：

土壤耗水量=整個(gè)生育期總供應(yīng)水(cm3)-棉株收獲后土壤蓄水(cm3)；

總水分利用效率(g·cm-3)=棉株總干物質(zhì)量(g)/耗水量(cm3)；

營(yíng)養(yǎng)器官水分利用效率(g·cm-3)=莖葉總干物質(zhì)量(g)/耗水量(cm3)；

生殖器官水分利用效率(g·cm-3)=蕾鈴總干物質(zhì)量(g)/耗水量(cm3)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

采用SPSS 16.0軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，采用鄧肯氏新復(fù)極差檢驗(yàn)法(Duncan’s)進(jìn)行顯著性分析，Sigmaplot 10.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下棉花生育時(shí)期和生育進(jìn)程變化

從表1可以看出，不同處理對(duì)棉花生育進(jìn)程的影響差異顯著。與W0處理相比，W80處理的苗期縮短5～8 d，蕾期和鈴期分別延長(zhǎng)2～7 d和4～8 d，但花期無(wú)顯著差異，全生育期延長(zhǎng)5～7 d；W0條件下，與F30處理相比，F(xiàn)10處理的苗期和蕾期分別延長(zhǎng)3 d和2 d，鈴期縮短2 d；W80條件下，F(xiàn)10處理蕾期比F30處理延長(zhǎng)3 d，鈴期延長(zhǎng)1～2 d。說(shuō)明有土壤深層水條件下基肥淺施延長(zhǎng)蕾、鈴期。

表1 不同處理下棉花的生育時(shí)期和生育進(jìn)程(2015)Table 1 The cotton growing stages and process under different treatments(2015)

2.2 不同處理下棉花生長(zhǎng)參數(shù)變化

從表2可以看出，W80處理的蕾數(shù)、果枝數(shù)、花數(shù)和鈴數(shù)分別比W0高6.5%、33.7%、12.0%和24.3%，主莖葉片數(shù)、脫蕾率和脫鈴率分別比W0低11.94%、9.58%和241.43%；W80條件下，F(xiàn)10處理的花數(shù)比F30低3.63%，而蕾數(shù)、果枝數(shù)、鈴數(shù)和脫蕾率高13.1%、19.0%、9.1%和28.13%，主莖葉片數(shù)和鈴脫落率無(wú)顯著差異；W0條件下，F(xiàn)30處理的花數(shù)、鈴數(shù)和主莖葉數(shù)分別比F10處理高8.33%、11.43%和8.33%，而蕾數(shù)和脫蕾率低12.66%和35.29%，果枝數(shù)和脫鈴率無(wú)顯著差異。

表2 不同處理下單株棉花生長(zhǎng)發(fā)育的相關(guān)指標(biāo)(2015)Table 2 The cotton growth parameters under different treatments(2015)

由圖1可知，在整個(gè)生育期內(nèi)，W80處理的葉面積比W0高12.2%～49.2%。在W0條件下，葉面積最大值出現(xiàn)在69 d之后，F(xiàn)10處理的葉面積比F30高2.5%～23.6%。W80條件下，葉面積最大值出現(xiàn)在84 d之后，F(xiàn)10處理的葉面積比F30高4.3%～24.9%，說(shuō)明有土壤深層水、基肥淺施能增加葉面積、果枝數(shù)和鈴數(shù)。

2.3 不同處理下棉花生物量與水分利用效率變化

從表3可以看出，W80處理的莖葉、蕾鈴、總干物質(zhì)積累量分別比W0高31.3%～44.6%、38.2%～48.2%和22.4%～30.1%。在W0條件下，F(xiàn)10處理的莖葉、蕾鈴和總干物質(zhì)量分別比F30高21.0%～22.0%、32.8%～35.6%和14.4%～16.1%；W80條件下，F(xiàn)10處理的莖葉和總干物質(zhì)量分別比F30高11.2%和2.0%～13.9%。說(shuō)明有土壤深層水條件下，基肥淺施有利于增加棉花地上部干物質(zhì)的積累量。

從表4可以看出，W80處理的水分消耗量比W0高2.3%～5.2%，而水分消耗率低3.7%～22.9%；莖葉、蕾鈴和總水分利用效率分別比W0高30.7%～40.7%、34.6%～52.6%和16.4%～27.2%。在W0條件下，F(xiàn)30處理的水分消耗量和水分消耗率分別比F10處理高8.5%～11.4%和9.2%～11.3%，F(xiàn)10處理的莖葉、蕾鈴和總水分利用效率分別比F30高25.0%～36.8%、36.4%～53.3%和23.9%～90.5%；W80條件下，F(xiàn)30處理的水分消耗量、水分消耗率分別比F10高1.5%～6%和19.6%，F(xiàn)10處理的莖葉、蕾鈴和總水分利用效率分別比F30高10.7%～11.1%、18.8%～32.0%和11.3%～15.2%。說(shuō)明有土壤深層水能增加水分消耗量，提高水分利用效率(包括營(yíng)養(yǎng)器官、生殖器官和總水分利用效率)；無(wú)論有無(wú)土壤深層水，基肥淺施都有利于提高水分利用效率。

圖1 不同處理的單葉面積(2015-2016)Fig.1 Change of per cotton leaf area under different treatments(2015-2016)

表3 不同處理棉花干物質(zhì)的積累量Table 3 Cotton dry matter accumulation under different treatments(2015-2016) g

表4 不同處理棉花的耗水量和水分利用效率Table 4 Water consumption and water use efficiency of cotton under different treatments(2015-2016)

3 討論與結(jié)論

生育期決定作物品種的種植季節(jié)和區(qū)域，是重要的農(nóng)藝性狀之一，作物生育進(jìn)程容易被水肥用量、灌溉方式[22-23]、不同施肥期和不同施肥種類[24]等影響。同時(shí)，棉花株型相關(guān)指標(biāo)是棉株生長(zhǎng)發(fā)育狀況的首要指標(biāo)，直接影響著棉花的種植密度及光能利用率，進(jìn)而影響干物質(zhì)的積累以及最終產(chǎn)量。本研究結(jié)果表明，在土壤深層水條件下，基肥淺施處理提升葉片總?cè)~面積，并提高棉株的蕾鈴數(shù)，降低脫蕾率，明顯延長(zhǎng)棉花的生育期，且主要延長(zhǎng)蕾、鈴期，可能原因是土壤深層儲(chǔ)水誘導(dǎo)根系向土壤深層(60 cm 以下)生長(zhǎng)[25]，而基肥淺施促進(jìn)表層(0～30 cm)根系生長(zhǎng)發(fā)育和分配比例[18,26]，因此，棉花能夠充分?jǐn)r截灌溉水肥和利用土壤深層儲(chǔ)備水，促進(jìn)地上部生長(zhǎng)，增加光合面積，促進(jìn)光合產(chǎn)物向生殖器官的積累，水肥的充足供應(yīng)，更降低蕾鈴的生理脫落，另外，合理的水肥供應(yīng)方式可以延長(zhǎng)地上部干物質(zhì)的快速積累期(花鈴期)[25,27]；劉洪光[22]、李杰等[28]和楊利勇等[29]的研究表明，合理的水肥管理可延長(zhǎng)干物質(zhì)形成的關(guān)鍵期(花鈴期)，與本研究結(jié)果一致。

李鳳民等[30]和劉庚山等[26]研究發(fā)現(xiàn)，充足的土壤深層水增加作物深層根系的覓水空間，提高土壤水分利用效率，使有限的土壤儲(chǔ)水發(fā)揮更大的增產(chǎn)作用；羅宏海等[31]研究表明，土壤深層水有利于促進(jìn)地上部生長(zhǎng)，提高水分利用效率。本研究結(jié)果也表明，有土壤深層水，基肥淺施處理的生物量累積和水分利用效率顯著高于其他處理?？赡艿脑蚴牵侠淼乃使?yīng)有利于促進(jìn)和維持有效根系特征和高的生理活性(硝酸還原酶、根系活力、激素含量(ABA)[32]，確保根系對(duì)可利用水肥的吸收，避免植株對(duì)水肥的無(wú)效消耗，另外也保持生育期中期和后期較高的光合能力和光合效率，增加地上部生殖器官和營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)的積累和形成，因而增加水肥的生產(chǎn)能力，進(jìn)而引起整個(gè)生育期高的生殖器官和營(yíng)養(yǎng)器官水肥利用效率[33]。許多研究[34-37]表明，不同水肥供應(yīng)方式可以影響不同器官生長(zhǎng)發(fā)育和干物質(zhì)的積累與形成，進(jìn)而提高作物的水肥利用效率。氮肥、磷肥或氮磷肥混合表施[28]和充足的土壤深層水[26,30]增加作物的覓水空間，提高地上部干物質(zhì)的積累。

因此，充足的土壤深層水配合基肥淺施能提高葉片總?cè)~面積、棉株的蕾鈴數(shù)，并降低脫蕾率，延長(zhǎng)棉花關(guān)鍵生育期(蕾期和鈴期)；通過(guò)協(xié)調(diào)水分消耗和干物質(zhì)在地上部分器官間積累的關(guān)系，增加生殖器官和營(yíng)養(yǎng)器官的生物量，最終提高營(yíng)養(yǎng)器官和生殖器官的水分利用效率。

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