王肖娟1，危常州2，陈 林1
（1.新疆天业（集团）有限公司，新疆 石河子 832003；2.石河子大学新疆兵团绿洲
生态农业重点实验室/农学院）
摘要：设置田间小区试验，研究不同灌溉频率对膜下滴灌棉花生长发育的影响，旨在探讨新疆膜下滴灌棉花高效节水灌溉模式，确定棉花种植最佳的滴灌频率，以提高棉花水分利用效率，达到节水增产的目的。试验设置灌溉6次（T6）、灌溉8次（T8）和灌溉10次（T10）３种灌溉频率处理。试验结果表明： 随着灌溉频率的增加，棉花生物量和氮素累积量显著增加，其中T10处理最大；但不同灌溉频率下同化物向营养器官分配的比例不同，T6、T10处理同化物向营养器官分配的比例较高，T8处理同化物向生殖器官分配的比例较高，灌溉频率过高无助于棉花产量提高；与T6、T10处理相比，T8处理获得了较高的籽棉产量和水分利用效率，分别为7 788 kg/hm2和16.8 kg/（hm2·mm），具有明显的节水增产效益。因此，在新疆北疆气候条件下，灌溉总量相同的条件下（4 650 m3/hm2），灌溉频率8次可促进棉花的生长发育，有效的增加棉花产量，提高水分利用率。
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关键词 ：膜下滴灌；棉花；灌溉频率
自1998年膜下滴灌技术引入新疆后，作为一种先进的节水技术，在很大程度上改变了干旱区农业缺水的问题。膜下滴灌是覆膜栽培和滴灌相结合的节水灌溉技术，它能根据作物的根系分布进行局部灌溉，并有效地保持土壤团粒结构，防止水分深层渗漏和地表流失。同时，又具有保温、保墒及减少地表蒸发，提高水分利用效率[1]和肥料利用率[2]的作用，可节水40% ~ 50%，增产20%左右[3]。新疆地处亚欧大陆腹地，降雨稀少，蒸发强烈，水资源匮乏，节水是可持续农业发展的必由之路。滴水频率是膜下滴灌技术的重要参数［4］，灌溉频率影响了土壤的水、热分布状况，必然会对作物生长和水分利用效率产生影响[5]。通常，高频滴灌有利于形成易于植物根系吸收的土壤水分条件。灌水间隔过大或过小均不利于棉花生长，在砂性土壤条件下，7 d 滴1次水的频率可获得较高的产量和水分利用效率[６]；且灌水周期为2 d的表层土壤含水率较高，随灌水频率的增大，棉花花铃期耗水强度增大，产量提高7.3% ~ 17.4%[７]；Jordan[８]等和Wang[4]等研究认为，高灌溉频率能为作物根系提供吸收水肥的最适条件，但会增加能量和劳动力的消耗，并导致水和养分向根区以下转移，而灌水频率过低，可能导致作物肥不足，生长受到抑制；因而灌溉频率直接影响了土壤中水和氮素的运移、分布、根系分布及根系对水分和养分的吸收[９-10]。目前，国内外大部分研究主要集中在不同灌水量和灌水周期等方面的研究，但在灌溉总量相同条件下，不同灌溉频率对棉花生长发育的影响鲜见报道。本文结合新疆生产实际，比较在灌溉总量相同条件下，不同灌溉频率对棉花生长和产量的影响，揭示不同灌溉频率对棉花水分利用效率的影响，寻找最佳的灌溉频率，为新疆灌区制定科学的灌溉模式、合理利用水资源提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验点概况
试验在新疆石河子大学农学院试验站进行。该区年均降雨253.3 mm，年均蒸发量1 637.5 mm，年均气温7.9 ℃，地下水位在10 m以下。试验田土壤为灌耕灰漠土，质地为中壤土。土壤基础养分状况为：有机质19.9 g/kg，全氮1.08 g/kg ，碱解氮60.88 mg/kg，速效磷17.95 mg/kg，速效钾184 mg/kg，pH 7.9。前茬作物为棉花。
1.2 试验设计与田间管理
试验于2012—2013年进行，持续２年。供试作物为棉花（品种惠远“710”）。根据目前大田生产实际肥料用量，播前均施P2O5 135 kg/hm2（重过磷酸钙，含P2O5 46% ）和K2O 90 kg/hm2 （硫酸钾，含K2O 51% ）作基肥。播种采用宽幅1.5 m地膜种植，１膜4行，田间毛管采用北京绿源公司生产的Φ15内镶式滴灌带，滴头间距30 cm，设计滴头流量2.7 L/h。１条膜下铺２条滴灌毛管，均铺在窄行中，１根毛管控制２行棉花灌溉。播幅内宽、窄行距为30 cm - 60 cm - 30 cm，株距为10 cm，理论株数为22.2 × 104 株/hm2。
本试验设计灌溉量为4 650 m3/hm2，灌溉施肥频率设置3个水平：全生育期灌水6次、8次和10次（分别用T6、T8和T10表示）。试验采用完全随机区组设计，每个处理重复3次，共9个小区，每个小区为２膜，面积为3 m × 6 m = 18 m2，每个小区之间设1 m保护行。棉花生育期内共施N 360 kg/hm2，结合棉花需水量和需氮规律来确定各次施氮量和灌水量。其中，盛蕾期（6月12日 ~ 6月22日）施肥量占17% ~ 20%，盛花期（6月27 ~ 7月8日）占19% ~ 20%，盛铃前期（7月12日 ~ 7月27日）占37% ~ 40%，盛铃期（7月30日 ~ 8月11日）占15%，吐絮期占（8月15日 ~ 8月26日）8%，灌溉与施肥全程同步，即肥料通过施肥罐溶解在灌溉水中，边滴灌边施肥。灌溉时期、灌量及氮肥所占比例见表1。
1.3 取样与分析
1.3.1 植株样品的采集与氮素吸收量的测定
在棉花吐絮期采用挖掘法获取根系，参照陆地生态系统生物观测规范进行,即分别在外行和中行以棉花单株所占的面积进行挖掘，外行和内行各挖取2株（以膜间中央和宽行中央为界），挖取90 cm × 24 cm的区域将棉花根系检出。获取根系时，将取样区域的地上部分全部采集后，按茎、叶、铃、根不同器官分离开，在105 ℃下杀青30 min后于70 ℃条件下烘干至恒重，称重并记录干物质重。烘干的植株样品经粉碎，过0.5 mm筛备用。植株样品用H2SO4 - H2O2消煮，在BUCHI - 350全自动定氮仪上测定植株不同部位全氮含量。
1.3.2 棉花产量
在棉花吐絮后，小区内每隔3株测1株，计算全小区株数、铃数及单株结铃数；棉花吐絮后每小区分3次采收90朵完全吐絮棉桃，测定平均单铃重和衣分，各小区内连续收获6.67 m2籽棉换算实收产量。霜前花为10月10号收获的籽棉。
1.4 数据统计及分析
采用Microsoft Excel 2003和spss 11.0 分析处理试验数据，Duncan法检验差异显著性（p < 0.05）。
2 结果与分析
2.1 对棉花生长发育的影响
2.1.1 干物质的积累
从灌溉频率对棉花干物质积累的影响来看（表2），灌溉频率显著影响了棉花的叶、茎、铃及整株干物质质量（p < 0.05）。除铃干物质外，随着灌溉频率的增加，棉花各器官及整株干物质积累量逐渐增加，且处理间均达到显著水平。T10处理棉花叶、茎、根以及整株干物质质量均显著高于T6和T8处理，且达到显著差异。T10处理叶、茎和根干物质质量分别比T6、T8处理增加73.9%和24.0%、66.7%和3５.6%、52.3%和40.7%。而铃干物质累积量T8处理最大，达10 008 kg/hm2，各处理间均达到显著水平。整体上，不同处理棉花整株干物质总积累量的顺序为：T10 > T8 > T6。表明增加灌溉频率可以及时供应水分和养分，促进作物生长，提高整株干物质积累量，但高频灌溉（T10）会造成棉花植株的贪青旺长，干物质积累以营养器官生长为中心，且T10处理叶、茎和根干物质积累均高于T6、T8处理，而T8处理铃干物质累积量显著高于T6、T10处理，表明T8处理有利于生殖器官生长和干物质积累，增加棉纤维和棉籽的干物积累量。
2.1.2 氮素的吸收
灌溉频率显著影响了棉花的叶、茎、铃及整株氮素累积量（p < 0.05，表3）。随着灌溉频率的增加，叶片氮素积累量逐渐增加，且处理间均达到显著水平，T10处理氮素累积量达96.4 kg/hm2；随灌溉频率的增加，茎、根氮素积累量也逐渐增加，T10处理中叶、根氮素积累量与T8、T6相比分别增加了29.7%、167.0%和62.0%、91.1%；不同处理间整株氮素积累量差异均达到显著水平，其中T10处理氮素积累量最大，为441.6 kg/hm2。由此可知，增加灌溉频率会使得棉花植株叶、茎及根氮素积累增加，大量氮素残留在棉花茎秆和叶片中不利于氮素向子粒中转移，造成氮素的浪费。
2.2 对棉花产量及其构成因素的影响
通过田间调查和产量实收统计（表4），在滴灌灌溉量为4 650 m3/hm2的条件下，随灌溉频率的增加，皮棉产量逐渐增加，其中T8处理皮棉产量最高，达到3 206 kg/hm2，但T8和T10处理间无明显差异（p < 0.05），表明过高灌溉频率不能显著提高棉花产量。进一步考察产量构成因子可以看出，灌溉频率对棉花单株结铃数、总铃数和铃重的影响显著，但对衣分影响不显著。在不同的灌溉频率下，T10处理的单株铃数均显著高于T6、T8处理，T10处理单株铃数分别比T6、T8处理增加24.2%和13.2%；与单株结铃数相似，T10处理的总铃数均显著高于T6、T8处理，与T10处理相比，T8处理总铃数降低了11.9%，T6处理总铃数降低了18.9%，均达到显著性差异；而衣分在各处理之间无明显差异。灌溉频率对棉花霜前花率影响显著，其中以T8处理霜前花率较高，达96.2%以上。各处理的棉花水分利用效率不同，与T10处理相比，T8处理水分利用效率增加了4.4%，处理之间无明显差异， T6处理水分利用效率降低了9.3%，且达到显著性差异。以上结果表明，增加灌溉频率可以显著增加单株铃数和总铃数，尤其是在T10处理下的单株铃数和总铃数最高，但棉花产量并没有随着灌溉频率的增加而增加，这是由于灌溉频率过高，棉株长势过旺，前期营养生长旺盛，推迟了生殖生长和棉花成熟，降低了霜前花的比例，使得霜后花增多；灌溉频率过低，棉株长势衰弱，尽管有较高的霜前花率，但总铃数减少，对产量潜力发挥不利，最终导致产量降低，因此，适宜的灌溉频率（T8）可以达到较高的皮棉产量3 206 kg/hm2。
3 讨论
3.1 不同灌溉频率对棉花生长的影响
获得优质高产的皮棉是种植棉花的最终目的，由于棉花是一种具有无限生长习性的作物，保持营养生长与生殖生长之间、产量构成要素之间、生物学产量和经济产量之间的相互协调是棉花优质高产的关键。膜下滴灌技术不仅提高了水肥的可控性，为作物根系生长创造了良好的水分和养分环境。作物关键生育期少量多次灌水方式是一种新型的灌溉方式，它是在作物的某些需水关键期，控制水分供应，有目的地使作物经受水分胁迫，影响光合产物向不同组织器官重新分配[1１]。棉花的营养生长状况是高产栽培所要控制的重要方面，而棉株的生长对水分最为敏感，棉花的生长发育与灌水模式密切相关[1２]。结果表明，不同灌溉频率下棉花生物量差异显著（表2），随着灌溉频率的增加，各处理棉花生物量呈增加趋势，其中T10处理生物量最大。充足的灌溉频率有利于生物量的形成，但不同处理营养生长与生殖生长的分配比例不同，T6处理同化物向营养器官、生殖器官分配的比例分别为27.7%、72.3%，T8处理同化物向营养器官、生殖器官分配的比例分别为22%和78%，T10处理同化物向营养器官、生殖器官分配的比例分别为29%和71%，可以看出T6、T10处理同化物向营养器官分配的比例过高，T8处理同化物向生殖器官分配的比例较高，这可能是由于根系合成脱落酸（ABA）向地上部运送并调控植物地上部的生长和物质分配，可以实现其在水分供应受限条件下的最优生长，调整营养生长与生殖生长的比例， 从而提高了经济系数。
3.2 不同灌溉频率对产量的影响
作物产量和水分利用效率的同步提高是当今节水农业所追求的一个主要目标。T8处理棉花叶片光合速率高，光合产物累积量大，且向生殖器官分配的比例高，单株铃数较多，单铃质量高，因而可显著提高棉花产量和水分利用效率，分别高达7 788 kg/hm2和16.8 kg/（hm2·mm）。蕾期至花铃期是棉花生长的旺盛时期，此期可通过减少灌溉量增加灌溉次数等合理灌溉方式，适当控制营养生长，促进干物质向生殖生长的转化，不仅有利于提高作物的经济产量，而且还有利于大幅度提高水分利用效率，产生明显的节水增产效益，同时也为根系调控技术的研究提供了新的思路和方法。
研究还发现，T8处理的棉花霜前花率最高，其原因主要是T10处理棉花植株生长过旺， 造成徒长，棉花贪青晚熟，而T8处理的棉花生理生化过程以及光合产物在营养生长和生殖生长不同组织间的分配模式和比例均产生一系列适应性的调整，棉花营养生长受到抑制，棉株受光充分，棉桃温度相应较高，表明T8处理可明显提高棉桃绽开率，提高霜前花的比例，从而使棉花品质指标明显提高。
4 结论
（1）随着灌溉频率的增加，棉花生物量和氮素累积量显著增加，其中T10处理最大；但不同灌溉频率下同化物向营养器官分配的比例不同，T6、T10处理同化物向营养器官分配的比例较高，T8处理同化物向生殖器官分配的比例较高，灌溉频率过高无助于棉花产量提高。（2）与T6、T10处理相比，T8处理获得了较高的籽棉产量和水分利用效率，分别为7 788 kg/hm2和16.8 kg/hm2/mm，具有明显的节水增产效益。因此，在新疆北疆气候条件下，灌溉总量相同的条件下（4 650 m3/hm2），灌溉频率8次可促进棉花的生长发育，有效的增加棉花产量，提高水分利用率。
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