牛媛 楊相昆 張占琴 費(fèi)聰 趙陽(yáng) 馬富裕

摘要：以減少地膜污染為出發(fā)點(diǎn)，研究揭膜條件下灌水量對(duì)棉花光合特性及產(chǎn)量的影響，選擇棉花揭膜種植方式下的優(yōu)化灌溉方案，為新疆維吾爾自治區(qū)棉區(qū)推廣棉花揭膜種植技術(shù)提供依據(jù)。選用對(duì)水分敏感性不同的新陸早45號(hào)和新陸早42號(hào)為試驗(yàn)材料，在出苗后第1次灌水前1 d揭膜，在田間設(shè)置3個(gè)水分處理，揭膜后開始測(cè)定土壤含水量，于打頂后5 d測(cè)定棉花功能葉片（倒2葉）光合特性，每10 d測(cè)定1次，每個(gè)處理選取3株長(zhǎng)勢(shì)相同的植株進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2個(gè)品種的產(chǎn)量及水分利用效率隨灌水量的增加而降低，最優(yōu)灌水量為4 575 m3/hm2。當(dāng)灌水量超過(guò)4 575 m3/hm2時(shí)，再繼續(xù)增加灌水量，新陸早45號(hào)的凈光合速率隨生育期推進(jìn)呈持續(xù)遞減趨勢(shì)，而新陸早42號(hào)則當(dāng)灌水量超過(guò)5 460 m3/hm2時(shí)有此變化趨勢(shì)。2個(gè)品種的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率在各水分處理下與凈光合速率有相似的變化趨勢(shì)。打頂后5～35 d氣孔因素是限制光合速率的主要因素，之后非氣孔因素為主要限制因素。揭膜條件下，增加灌水并不會(huì)增加產(chǎn)量，反而造成水資源的浪費(fèi)。因此得出，在本試驗(yàn)條件下，揭膜種植方式的最適灌水量為 4 575 m3/hm2，與常規(guī)膜下滴灌種植方式的灌水量相同，說(shuō)明揭膜種植模式可以不增加灌水成本，就達(dá)到減少地膜污染的目的。

關(guān)鍵詞：棉花;揭膜種植;光合特性;灌溉方案;產(chǎn)量;地膜污染

中圖分類號(hào)： S562.04 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）16-0082-07

收稿日期：2018-04-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2017YFD0201901）;公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（編號(hào)：201503120）。

作者簡(jiǎn)介：牛 媛（1992—），女，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事作物信息技術(shù)與精準(zhǔn)栽培方式研究。

通信作者：馬富裕，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事作物生理生態(tài)、農(nóng)業(yè)信息技術(shù)化研究。

膜下滴灌技術(shù)對(duì)新疆維吾爾自治區(qū)棉花生產(chǎn)具有重要意義。自1996年新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)首次將滴灌技術(shù)與覆膜技術(shù)相結(jié)合至今，已形成相對(duì)完整的種植模式。截至2014年，新疆覆膜種植面積超過(guò)331萬(wàn)hm2[1]，且使用膜下滴灌技術(shù)的種植面積每年都在遞增。膜下滴灌在給新疆農(nóng)業(yè)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也帶來(lái)了另一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題——地膜污染。在地膜使用過(guò)程中，農(nóng)戶為了節(jié)約成本會(huì)選擇厚度小于?0.01 mm 的薄膜，增加了地膜回收的困難。嚴(yán)昌榮等對(duì)新疆20個(gè)縣的覆膜田地進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果顯示，地膜平均殘留量達(dá)253.20 kg/hm2，高出全國(guó)平均水平4～5倍[2]。周明冬等的研究結(jié)果表明，地膜的功能在6月下旬基本喪失，全生育期覆膜會(huì)使作物根系分布淺且根體較小，還會(huì)使作物在后期早衰，造成不同程度減產(chǎn)[3-5]。因此，為降低殘膜污染，科學(xué)家們提出了諸多解決方案[6-7]，如通過(guò)用寬膜代替窄膜、采用厚度較高的地膜或一膜多次種植等方法來(lái)提高地膜的使用率，或者使用可降解地膜。在作物生長(zhǎng)的某個(gè)階段進(jìn)行適時(shí)揭膜具有重要意義，研究發(fā)現(xiàn)，適時(shí)揭膜能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)[8-13]。

李生秀等研究了不同覆膜方式對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在頭水后揭膜，棉花的根系側(cè)根數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、產(chǎn)量等都高于全生育期覆膜和無(wú)膜處理[8-9]。郝玉蓮對(duì)馬鈴薯進(jìn)行不同時(shí)期的揭膜比較試驗(yàn)，結(jié)果表明，在幼苗期揭膜比在現(xiàn)蕾期揭膜馬鈴薯的生育期遲，說(shuō)明過(guò)早揭膜會(huì)影響馬鈴薯的生育期[10]。蔣耿民等研究了不同揭膜時(shí)期和施氮量對(duì)陜西省關(guān)中地區(qū)夏玉米生理生長(zhǎng)、產(chǎn)量及水分利用效率的影響，結(jié)果表明，該試驗(yàn)選取的揭膜時(shí)期——中抽雄期為當(dāng)?shù)刈钸m揭膜時(shí)期[11]。何泉等研究了不同海拔揭膜培土對(duì)烤煙生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明，揭膜培土可抑制病蟲害的發(fā)生，促進(jìn)不定根生長(zhǎng)，可使烤煙增產(chǎn)300 kg/hm2[12]。另外有學(xué)者對(duì)不同降解膜的降解特征進(jìn)行了比較試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降解膜的降解受環(huán)境因素影響較大，相同區(qū)域不同降解膜的降解過(guò)程也存在顯著差異，從而對(duì)棉花產(chǎn)量造成不同影響[13]。本試驗(yàn)在前人研究的基礎(chǔ)上，選擇在棉花出苗后灌第1水前1 d（出苗后40 d）進(jìn)行揭膜，對(duì)棉花揭膜種植方式下的水分管理效應(yīng)開展研究，通過(guò)探討不同水分處理對(duì)棉花葉片光合特性、灌溉水利用效率及產(chǎn)量的影響，選擇出適合揭膜種植方式的最佳灌溉方案，旨在為新疆棉區(qū)滴灌棉花的揭膜種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

在新疆農(nóng)墾科學(xué)院作物研究所1～2號(hào)試驗(yàn)地（44°18′25″N，86°0′12″E，海拔460 m）進(jìn)行揭膜灌溉試驗(yàn)。供試土壤的有機(jī)質(zhì)含量為16.4 g/kg，水解性氮含量為 109.0 mg/kg，有效鉀含量為540.0 mg/kg，全氮含量為 1.1 g/kg，全磷含量為?0.9 g/kg。選取2個(gè)新疆自育陸地棉（Gosspium hirsutum L.）品種新陸早42號(hào)、新陸早45號(hào)為試驗(yàn)材料，其中新陸早45號(hào)對(duì)水分脅迫不敏感，新陸早42號(hào)對(duì)水分脅迫敏感，它們均具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病蟲害、適合機(jī)采等特點(diǎn)，適應(yīng)新疆的生長(zhǎng)環(huán)境和技術(shù)栽培要求[14-17]。通過(guò)總結(jié)前人研究結(jié)果[8-9]，從經(jīng)濟(jì)效益、機(jī)械操作難易程度等方面進(jìn)行綜合評(píng)定后，選擇在出苗后第1次灌水前1 d（6月10日）進(jìn)行揭膜，并在此基礎(chǔ)上設(shè)置不同水分處理對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響試驗(yàn)。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為品種，副區(qū)為不同水分處理，共設(shè)3個(gè)水分梯度，總灌水量分別為 4 425.0 m3/hm2（W1）、5 310.0 ?m3/hm2（W2）、6 637.5 m3/hm2（W3），具體為全生育期覆膜，灌水量為W1（T1）;出苗后灌第1水前1 d揭膜，灌水量為W1（T2）;出苗后灌第1水前1 d揭膜，灌水量為W2（T3）;出苗后灌第1水前1 d揭膜，灌水量為W3（T4）。

水分處理完全隨機(jī)排列在主區(qū)下，每個(gè)處理3次重復(fù)，1條膜（寬2.3 m）設(shè)為一個(gè)小區(qū)，小區(qū)長(zhǎng)25 m，每個(gè)小區(qū)面積為57.5 m2。每個(gè)小區(qū)的灌水量用水表精確控制，為防止水分在小區(qū)間側(cè)移，各小區(qū)間埋設(shè)寬度為60 cm的防滲膜。

2016年試驗(yàn)于4月27日播種，2017年試驗(yàn)于4月21日播種，采用1膜6行45.0 cm+20.0 cm寬窄行種植模式，地膜寬205.0 cm，1條膜為1個(gè)小區(qū)，寬2.1 m，膜間行距為600 cm，株距為10.0 cm，種植密度為26萬(wàn)株/hm2，每個(gè)小區(qū)種植6行棉花。播種后當(dāng)日滴出苗水，各處理出苗水均灌溉水 150 m3/hm2，2年試驗(yàn)均在6月10日進(jìn)行人工揭膜，6月11日進(jìn)行出苗后第1次灌溉（2年灌水及施肥安排見表1），6月30日進(jìn)行人工打頂，2017年7月5日進(jìn)入盛花期。其他管理措施與大田生產(chǎn)相同，2年均通過(guò)人工進(jìn)行采摘，籽棉采收時(shí)間分別為2016年9月30日和2017年9月21日。

1.2.2 土壤含水量的測(cè)定 在2017年（2016年未測(cè)定）測(cè)定不同處理下各土層的體積含水量。分別在寬行（2滴灌帶間）和窄行（滴灌帶下）埋設(shè)土壤水分剖面儀（PR2/6;Delta-T，英國(guó)）測(cè)定0～10、>10～20、>20～30、>30～40、>40～60、>60～100 cm土層的土壤體積含水量，揭膜前各處理灌水量相同，各地塊土壤水分含量均一，因此于出苗后第1次灌水后（2017年6月11日）開始測(cè)定土壤體積含水量，每隔3 d測(cè)定1次（試驗(yàn)過(guò)程中由于PR2損壞并進(jìn)行了更換，7月5—22日未進(jìn)行土壤體積含水量測(cè)定），灌溉前后分別加測(cè)1次，2017年8月22日為本試驗(yàn)最后1次灌水，此時(shí)棉花已經(jīng)進(jìn)入吐絮期，至2017年9月4日結(jié)束測(cè)定。因2個(gè)品種在不同處理下土壤水分含量變化特征相似，本試驗(yàn)以新陸早42號(hào)為代表進(jìn)行說(shuō)明。耗水量（ET）采用水量平衡法計(jì)算：

ET=ΔW+P+I+G-R0-Dp。（1）

式中：ΔW為某時(shí)段始末土壤水分變化量，mm;P為測(cè)定時(shí)段內(nèi)的總降水量，mm;I為灌水量，mm;G為測(cè)定時(shí)段內(nèi)地下水對(duì)作物耗水的補(bǔ)給量，mm;R0為測(cè)定時(shí)段內(nèi)測(cè)定區(qū)域的地面徑流量，mm;Dp為測(cè)定時(shí)段內(nèi)根區(qū)的深層滲漏量，mm。由于試驗(yàn)地地下水位在20 m以下，降水量小且地塊平整，因此G、R0、Dp可忽略不計(jì)。土壤含水率以寬行和窄行深度加權(quán)平均值表示，則

θ=（∑ni=1θi×di）/∑ni=1di。（2）

式中：θ為土壤加權(quán)平均含水率，%;di為不同土層深度，cm;θi為不同土層含水率，%;n為土層數(shù)量，層。

灌溉水利用效率（IWUE）是單位面積棉花的籽棉產(chǎn)量（Y）與單位面積灌水量的比值，公式為

IWUE=Y/單位面積灌水量。

1.2.3 光合參數(shù)的測(cè)定 在2017年（2016年未測(cè)定光合指標(biāo)），于打頂后5 d（2017年7月5日）開始測(cè)定光合參數(shù)，以后每10 d測(cè)定1次，共測(cè)5次。測(cè)定前選擇長(zhǎng)勢(shì)相似的3株棉株，標(biāo)記其倒2葉用于光合特征指標(biāo)的測(cè)定。測(cè)量?jī)x器為L(zhǎng)i6400便攜式光合測(cè)量?jī)x，選擇晴天10 ∶00—12 ∶00，在自然光照下測(cè)定所標(biāo)記葉片的光合參數(shù)，包括凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）。

1.2.4 產(chǎn)量的測(cè)定

2016、2017年在棉鈴全部吐絮后通過(guò)人工分別對(duì)各處理進(jìn)行整區(qū)采收計(jì)產(chǎn)。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析（One-way ANOVA），使用最小顯著性差異（LSD）法比較不同處理間光合特性及產(chǎn)量的差異。用SPSS 16.0軟件進(jìn)行顯著性差異分析，Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方案根層土壤水分含量及耗水量變化特征

由圖1可知，0～40 cm土層的土壤體積含水量比>40～100 cm波動(dòng)劇烈，且隨土層深度的增加波動(dòng)程度整體減小，0～30 cm土層窄行的土壤體積含水量整體大于寬行。各處理灌水后土壤體積含水量逐漸下降，但再次灌溉后能迅速上升。隨土層深度的增加各處理土壤體積含水量整體增大。（1）0～10 cm土層。在7月5日前窄行表現(xiàn)為T1處理>T4處理>T3處理>T2處理，寬行表現(xiàn)為T4處理>T1處理>T3處理>T2處理;7月5日后，處理間土壤體積含水量灌溉前后寬、窄行表現(xiàn)為T4處理>T1處理>T3處理>T2處理。7月22日，再次灌水后各處理土壤體積含水量迅速上升但不能恢復(fù)到上次灌水后的水平。灌水后T4處理的土壤體積含水量能達(dá)到或高于T1處理，其他2個(gè)處理均達(dá)不到T1處理。（2）>10～40 cm土層。各處理寬、窄行土壤體積含水量在灌水后均能恢復(fù)到上次灌溉后的水平，且灌溉前后大多以T4處理的土壤體積含水量最大，T2處理最小。（3）>40～100 cm土層。各處理土層含水量與>10～40 cm相似，窄行灌水后土壤體積含水量可恢復(fù)到上次灌水后的水平，寬行不僅能回復(fù)到上次灌水后的水平，甚至高與上次灌水后的水平。隨著生育期的推進(jìn)，各處理土壤體積含水量有上升趨勢(shì)。在>40～60 cm 土層，T3、T4處理的土壤體積含水量較T1、T2處理波動(dòng)劇烈，表現(xiàn)為T4>T3>T1>T2。在>60～100 cm土層，各處理間土壤體積含水量沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。（4）寬、窄行。灌水前后窄行的土壤體積含水量波動(dòng)整體大于寬行，在0～30 cm土層，窄行的土壤體積含水量整體高于寬行，在>30～100 cm土層，寬行土壤體積含水量整體高于窄行。寬、窄行在灌水后大多能恢復(fù)到上次灌水后的水平，且在 >30～100 cm土層寬行的土壤體積含水量甚至高于前一次灌水后的水平。

本試驗(yàn)中，在相同灌水量條件下，全生育期覆膜的土壤含水量總體高于揭膜處理，但隨著土層深度的增加2個(gè)處理間的差距減小，與前人研究結(jié)果[8]相一致。灌水后除0～10 cm土層土壤體積含水量不能恢復(fù)到前次灌水后的水平外，其余各土層均能恢復(fù)到上次灌水后的水平。揭膜增加了表層（0～20 cm）土壤水分的蒸發(fā)。相同灌水量下，揭膜種植方式下深層（>30～60 cm）土壤的耗水量高于全生育期覆膜處理，這可能是因?yàn)榻夷そ档土吮韺油寥赖臏囟群蜐穸?，從而促進(jìn)根系深扎，增加了深層土壤的水分消耗。

3.1 不同灌水量對(duì)棉花產(chǎn)量及水分利用效率的影響

水是作物生長(zhǎng)的根本，增加灌水量可以增加作物產(chǎn)量，但并不是通過(guò)增加灌水就可以無(wú)限增產(chǎn)，產(chǎn)量和灌水量之間的函數(shù)關(guān)系是一個(gè)開口向下的拋物線，最大產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的灌水量為最適灌水量，低于或超過(guò)該值都會(huì)對(duì)產(chǎn)量造成負(fù)面影響。吉恒瑩等通過(guò)畦灌試驗(yàn)得出，長(zhǎng)絨棉的最佳灌量為5 900～6 000 m3/hm2，水分虧缺或過(guò)量都會(huì)造成蕾鈴脫落，產(chǎn)量降低[19];羅宏海等比較了不同土壤含水量下棉花產(chǎn)量及水分利效率，結(jié)果表明，田間持水量為70%時(shí)，棉花產(chǎn)量達(dá)到最大值，田間持水量低于或高于該值都會(huì)使棉花產(chǎn)量降低[20];大量研究結(jié)果表明，過(guò)高或過(guò)低的灌水量都會(huì)影響作物產(chǎn)量，且灌水量過(guò)高會(huì)降低水分利用效率，造成水資源浪費(fèi)[21-22]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相同的灌水量下揭膜種植方式可提高棉花產(chǎn)量;在揭膜條件下增加灌水量，棉花產(chǎn)量不但不增加反而會(huì)降低，說(shuō)明在本試驗(yàn)環(huán)境下棉花揭膜種植的最適宜灌水量為?4 575 m3/hm2，在揭膜種植方式下不需要增加灌水成本，也可以獲得較高的水分利用效率，同時(shí)可以達(dá)到降低地膜污染的目的。

3.2 不同灌水量對(duì)葉片光合性能的影響

光合作用和產(chǎn)量有密切的關(guān)系[23-24]，土壤水分是影響光合作用的重要因素，干旱會(huì)使植物葉片氣孔導(dǎo)度降低，阻礙植物對(duì)CO2的吸收，降低水分的蒸發(fā)，使得光合速率和蒸騰速率降低，而過(guò)高的土壤含水量同樣會(huì)使氣孔導(dǎo)度降低[25]。馬富裕等測(cè)定了不同灌水量對(duì)棉花葉片光合生理特性和水分利用效率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，適量灌水比充分供水的棉花干物質(zhì)量提高9.19 g/株，凈光合速率在充分灌水下較高，但產(chǎn)量卻在適量灌水下最高[26];李志剛等通過(guò)小區(qū)試驗(yàn)得出，當(dāng)灌水量為?4 500 m3/hm2 時(shí)，棉花凈光合速率最優(yōu)，隨灌水量的增加凈光合速率降低[27];李維等對(duì)2個(gè)新疆棉花品種進(jìn)行水分處理試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，充足的灌水量對(duì)新陸早13號(hào)后期光合作用起負(fù)作用，而對(duì)新陸早33號(hào)影響不顯著[28];惠海濱等對(duì)超高產(chǎn)小麥進(jìn)行灌水量和灌水期研究，結(jié)果表明，在一定灌水范圍內(nèi)灌水量對(duì)Pn、Gs起正作用，超過(guò)一定閾值則起負(fù)作用[29]。

本試驗(yàn)中，揭膜種植方式下，新陸早45號(hào)的Pn、Gs、Tr隨灌水量的增加而降低，在T2處理下有最大值。新陸早42號(hào)隨著灌水量的增加，Pn、Gs、Tr最大值出現(xiàn)的時(shí)間推遲，繼續(xù)增加灌水量，T4處理的Pn低于T2、T3處理，這與前人研究的結(jié)果[26-29]相似。但2個(gè)品種光合特征指標(biāo)隨生育期的變化趨勢(shì)不完全相同，新陸早45號(hào)葉片Pn在T2處理下呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，其他處理下始終呈下降趨勢(shì)，在打頂后45 d表現(xiàn)為T2處理>T3處理>T1處理>T4處理;新陸早42號(hào)葉片Pn在T2、T3處理下均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，其中T2處理在打頂后15 d達(dá)到最大值，T3處理在打頂后25 d達(dá)到最大值，當(dāng)灌水量達(dá)到6 787.5 m3/hm2時(shí)，葉片Pn始終呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明增加灌水量會(huì)推遲棉花葉片最大Pn出現(xiàn)的時(shí)間，且超過(guò)一定灌水量時(shí)又會(huì)對(duì)Pn產(chǎn)生負(fù)作用，新陸早42號(hào)比新陸早45號(hào)對(duì)干旱脅迫更敏感[17]。通過(guò)比較不同水分處理下的葉片Ci變化發(fā)現(xiàn)，2個(gè)品種的葉片Ci隨生育期的推進(jìn)始終呈升高趨勢(shì)，說(shuō)明在本試驗(yàn)時(shí)間段里，限制Pn的主要因素為非氣孔因素[30]。

4 結(jié)論

在揭膜種植方式下，0～10 cm土層灌水后土壤體積含水量不能恢復(fù)到上次灌水后的水平，其余土層均可恢復(fù)到上次灌水后的水平。隨土層深度的增加土壤體積含水量整體增加，灌溉前后的波動(dòng)幅度減小。揭膜主要增加了0～20 cm土層的蒸發(fā)強(qiáng)度，隨土層深度的增加，影響減弱。

揭膜提高了棉花主莖葉片的凈光合速率，且在后期仍能維持較高的凈光合速率。相同灌水量下，揭膜種植較全生育期覆膜種植主莖葉片最大凈光合速率出現(xiàn)的時(shí)間推遲。揭膜條件下，增加灌水量對(duì)不同品種生長(zhǎng)發(fā)育的影響不同，新陸早45號(hào)隨著灌水量的增加凈光合速率總體降低，新陸早42號(hào)在灌水量為5 460 m3/hm2時(shí)出現(xiàn)凈光合速率最大值推遲的現(xiàn)象，且在生育后期仍有較大值。

揭膜種植提高了棉花的產(chǎn)量及灌溉水利用效率，在本試驗(yàn)條件下棉花產(chǎn)量隨著灌水量的增加而降低。

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