磁化水灌水量对滴灌棉花生长发育及灌溉水利用效率的影响

黄光伟，翟云龙，万素梅，李 玲，吴全忠，陈国栋

(塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300)

我国目前人均水资源占有量不足世界水平的1/4，资源性缺水十分严重[1]。新疆的水资源更加缺乏，属于经济水平较落后的省份之一，一直以来，干旱始终是制约新疆农业发展的一个重要因素[2]。在水资源缺乏的条件下，膜下滴灌技术受到空前的重视[3]。膜下滴灌技术是一种结合了以色列滴灌技术和国内覆膜技术优点的新型节水技术，也是覆膜栽培抗旱技术的总结延伸[4]。它起到提高地温、减少作物间蒸发的作用,且利用滴灌控制灌溉的特性减少深层渗漏,达到综合节水增产的效果[5]。同时结合磁化水处理技术，提高棉花的产量与品质。

磁化水技术是一种能够提高资源利用率的物理辅助技术措施。磁化水是水分子通过一定的速度通过磁场且垂直切割磁力线被磁化的水。磁化可以改变水的结构，加速水分子的运动更利于被作物吸收。故施用磁化水更容易达到节水的目的。常规农田灌溉水长期使用会增加土壤中的盐分[6]，可能会使土壤发生次生盐渍化，磁化水对土壤有脱盐洗盐的作用，从而提高现有土地生产力和改良土壤次生盐渍化的能力。磁化水有对农作物提高产量的作用[7]。在水资源匮乏的条件下，如何在农业上利用好水资源[8]尤为重要,李和平等[9]在尉犁县孔雀农场进行了棉花膜下滴灌节水试验，所得结果与大水漫灌方式相比得出结论为：膜下滴灌目前是当地最节水的灌溉方式。以前对于棉花膜下滴灌的增产效应也有很多研究，王庆等[10]对膜下滴灌水肥的调控技术对于棉花群体的质量影响，得出膜下滴灌具有节水节肥、对棉花增产稳产的效应。综上所述，膜下滴灌技术可达到棉花高产节水的目的。在大田生产中，磁化水已经开始应用，磁化水虽有节水效益，但当地的磁化水灌溉制度前人尚未做研究，故需进行当地的磁化水灌溉制度试验，实现农田高效节水。

本研究针对南疆绿洲灌区的节水灌溉[11]发展状况，在农艺和生物相结合的农业综合节水技术条件下，运用磁化技术减少作物全生育期亩均灌溉用水量，提高单方水生产效益，提高灌溉水利用系数[12]，提高水分生产效率。实现灌溉用水总量控制和定额管理，进一步提高农业用水效率和水分产生效益，提高农业综合生产能力，进而研究不同磁化水量对棉花生产的影响，确定灌溉定额。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年3月在沙雅县海楼乡进行。土壤质地为沙壤土，春灌前在试验区采集土样，土壤碱解氮为100.17 mg/kg、速效磷含量为2.42 mg/kg、速效钾含量为223.82 mg/kg、有机质含量为14.55 g/kg、土壤pH值为7.93、EC(可溶性盐浓度)为286.05 uS/cm。

1.2 试验设计

试验于4月8日播种。试验共5个处理，重复3次，采用膜下滴灌，一膜六行，种植模式为(10+66+10+66+10)×12.5 cm，滴灌带铺设在宽行内靠近棉花的部位(有一宽行内铺两根滴灌带)，主管道出水口安装一个磁化器，10月28日收获。供试棉花品种为冀杂708，如表1所示。

表1 不同处理灌溉日期及灌溉量 m3/hm2

试验共5个不同灌溉定额(T1，T2，T3，T4，T5)，3次重复，在农业生产中常规灌溉量为6 750 m3/hm2，T1=2 640 m3/hm2，T2=2 880 m3/hm2，T3=3 120 m3/hm2，T4=3 360 m3/hm2，T5=3 600 m3/hm2，全田全生育期共灌水8次。

1.3 测定指标与方法

(1)叶面积的测量是在棉花生育期内进行定株活体测量，其方法采用长宽系数法[13]，每个处理挑选具有代表性的三株棉花，测量每株棉花的所有叶片面积，并计算叶面积指数。并定期测量植株生长高度。

(2)地上部棉株干物质积累量测定于各个生育期在每个处理内选取具有代表性的三株棉花，将营养器官、生殖器官分开剪下，放入烘箱内在105 ℃下杀青30 min，85 ℃下烘干至恒重，并计算干物质分配系数，用Logistic方程y=k/(1+ae-bx)来对植株干物质积累进行拟合[14-17]，并计算干物质分配系数[18]。

(3)在成熟期进行田间测产，每个处理选取连续6株带回室内考种，测定株高、果枝数、单株铃数、节位数、始节高度等农艺性状。在吐絮盛期，每小区随机抽取50个正常吐絮棉铃，分别测定单株籽棉、单株铃数，计算单铃重，籽棉分别轧花，测定皮棉重，计算衣分。枯霜期一周内收获棉花，分处理计产，数取收获株数。

(4)利用棉花的生物(经济)产量以及每亩灌溉量可以得出棉田的灌溉水利用效率。其公式为：

(1)

1.4 数据分析

采用Excel进行数据整理，DPS7.05进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同磁化水量对棉花株高的影响

棉花的株高是决定棉花株型的一个非常重要的指标。不同灌溉定额之间的株高差异显著。由图1可知，随着生育进程的推进，棉花的株高在不断增加并在植株生长后期有减缓生长和最后停止生长的现象，不同灌溉定额对株高影响基本一致，即在第一次灌水之后(6月24日)，T2、T4、T5植株较高，显著高于T1、T3处理；至7月17日打顶前，各处理株高增长迅速，均达到了67 cm以上，打顶后，各处理的株高生长较为缓慢，说明打顶可以有效控制株高[19]。但T5株高明显高于其他处理，这可能与打顶前水分供应充足有关。

图1 不同磁化水处理对棉花各生育时期株高的影响Fig.1 Effects of different magnetized water treatments on plant height of cotton at different growth stages

2.2 不同磁化水量对棉花叶面积指数(LAI)的影响

由图2可知，不同灌溉定额对棉花叶面积指数的影响呈现先升后降的单峰曲线，且各处理均在7月28日(盛铃期)达到最大，表现为T5>T4>T2>T1>T3。6月24日至7月19日，由于棉花的枝叶数量的剧增，导致LAI持续增长。随着生育进程的推进，7月28日(盛铃期)后，棉花叶片的光合作用下降，养分转运、分配至棉铃中，导致棉花叶片逐渐衰老，LAI呈逐渐下降的趋势[20]。

图2 不同磁化水量对棉花叶面积指数的影响Fig.2 Effect of different magnetized water on cotton leaf area index

2.3 不同磁化水量对棉花单株干物质积累的影响

由图3可知，棉花单株干物质积累量随着生育进程的推进呈现先增后降的单峰曲线。在不同灌溉定额下，各处理在播种后42 d以内，植株的竞争较小，干物质积累量差异并不显著。苗期植株的茎叶生长较慢，至现蕾期快速增长，在盛蕾期干物质积累量达到最大，吐絮期由于棉花脱叶剂的喷施以及蕾铃的脱落，导致棉花干物质积累量明显下降，较符合植物干物质增长的“S”形曲线。随着灌水量的增加，各处理对灌水敏感程度不同，其中T4在花铃期(110 d)后干物质量增长迅速，而T1、T2、T3无明显差异，说明增加灌溉量会显著增加棉花地上部的生物量，在花铃期前，植株茎秆、叶片的干物质积累量随着灌溉量的增加而增加，其中T5积累量最大，花铃期之后，干物质的积累量随着灌溉量的增加呈先增后降的趋势，说明当灌溉量达到临界值时，继续增加灌溉量干物质积累量不会增加甚至出现负增长的趋势[21-24]，综合对比各个处理可知，在T4下干物质积累量最大。

图3 干物质积累变化曲线Fig.3 Dry Matter accumulation change curve

由图4可知，在棉花播种后的110 d左右，各处理干物质积累速率均达到最大值，随着灌溉量的增加，各处理表现为：T4>T5>T3>T1>T2。其中T4积累速率为5.0 g/d，T5积累速率为3.1 g/d，T1条件下干物质积累速率最小，为2.5 g/d，由此可知，植株干物质积累速率随着灌溉量的增加呈现先升高后下降的趋势，在T4灌溉定额下植株生长速率最大且显著高于其他处理。

图4 干物质积累速率变化曲线Fig.4 Dry matter accumulation rate change curve

棉花植株地上部分总干物质量和茎叶干物质量、蕾铃干物质量分别用Logistic方程进行拟合(表2)，其相关系数差异均为显著水平，且R2均大于0.8，由此可知方程对曲线的拟合度较高且方程有意义[25]。由地上部总干物质量可知，T1时干物质最大累积速率出现的时间最早，在t0为101 d时最大累积速率(Vm)为2.05 g/d，干物质累积快速增长期(Δt)为22 d，快速积累时期的总量(GT)为45.52 kg/hm2。在T4时干物质最大累积速率的时间比较晚，在t0为106 d时最大累积速率(Vm)为3.35 g/d，累积快速增长期(Δt)为23 d，快速积累时期的总量(GT)为78.35 kg/hm2。

表2 单株棉花地上部分干物质量Logistic方程模拟Tab.2 Logistic equation simulation of dry matter quantity in above-ground part of single cotton plant

注：Vm为最大累积速率；t0为出现最大累积速率的天数；t1、t2分别为进入和离开最大积累速率的天数；Δt为最大积累速率持续的天数；GT为快速积累时期的总量。**为在0.01水平上检验呈极显著水平；*为在0.05水平上检验呈显著水平。

由茎、叶干物质量可知，T5条件时，在播种后的88 d时最大累积速率(Vm)为2.03 g/d，累积快速增长期(Δt)为50 d，快速积累时期的总量(GT)为101.44 kg/hm2。T1条件时，进入旺盛生长期的时间为66 d，结束旺盛生长的时间为第100 d，累积快速增长期(Δt)为34 d，快速积累时期的总量(GT)为57.04 kg/hm2。

由蕾铃干物质量可知在T4时干物质最大累积速率的时间比较晚，在t0为111 d时最大累积速率(Vm)为14.89 g/d，累积快速增长期(Δt)为9 d，快速积累时期的总量(GT)为140.29 kg/hm2。综上所述，T4灌溉定额下，植株生长速率最大，快速增长的时间持续长，快速增长时期积累的总量最多。

2.4 不同磁化水量对棉花单株干物质分配系数的影响

不同磁化水处理对棉花的地上部分各器官干物质分配系数的影响(表3)，由表3可知，棉花叶片干物质比例随着生育期的推进逐渐降低。不同灌水量对棉花叶片的影响不同，其中T4处理叶片所占整株干物质比例下降较快，茎秆所占整株干物质比例呈先增后微降，生殖器官所占整株干物质比例增长迅速，较其他处理的干物质分配合理。综合对比各个处理的不同生育时期的干物质分配变化可知，T4处理灌溉定额较为合理，可以提高棉花生殖器官的比例，有利于促进棉花经济产量的构成。

表3 不同处理棉花地上部分干物质分配系数 %

2.5 不同磁化水量对棉花农艺性状的影响

由表4可知，各性状进行多重比较后，结果显示各性状均存在显著性差异。在生育期内株高随着灌水量的逐渐增加而增加，其中T5处理最大，为70.27 cm，显著高于其他处理。T4处理的果枝数最多，同时单株铃数也是最多的，显著高于其他处理，说明该处理下植株结铃能力较强[26,27]，植株养分分配较为合理，有利于产量的形成。T4处理下植株节位数最多，表明植株生长旺盛，但是第一果枝节位高度不够，抗倒伏能力较弱且不适宜机械作业。

表4 不同磁化水量对棉花农艺性状的影响Tab.4 Effects of different magnetized water quantities on agronomic characters of cotton

注：同列不同字母表示在0.05水平下差异显著。

2.6 不同磁化水量对棉花产量性状的影响

对各个产量性状进行多重比较，结果显示各性状存在显著性差异(表5)。由表5可知，各处理的单铃重、子指及产量均随着灌水量的增加呈现先增加后减小的趋势，其中在T4处理下单铃重达到了6.05 g，子指达到了10.88 g，衣分相对适中，籽棉、皮棉产量均达到了最大值，显著高于其他处理。

表5 不同磁化水量对棉花产量性状的影响Tab.5 Effects of different magnetized water quantities on cotton yield characters

注：小写字母表示在0.05水平下差异显著。

2.7 不同磁化水灌水量对棉花灌溉水利用效率的影响

作物灌溉水利用效率是衡量作物灌溉优劣的一个重要指标[28,29]，其主要受光合作用、干物质积累、植物蒸腾作用、土壤蒸发等因素的影响，由表6可知，不同灌水处理对棉花的磁化水利用效率差异显著，生物产量磁化水分利用率表现为：T4>T1>T2>T3>T5。在T4处理下的磁化水分生产率最高，为5.55 kg·hm2/m3，显著高于其他处理。经济产量的磁化水利用效率大小分别为T4>T1>T3>T2>T5，在T4处理下的磁化水分生产率最高，为1.77 kg·hm2/m3。

表6 不同磁化水灌水量对棉花灌溉水利用效率的影响Tab.6 Effects of different magnetized water quantities on irrigation water use efficiency of cotton

3 讨 论

棉花生长的过程中，光、温、水、热对作物生长密切相关，其中水分对作物生长影响最大，经过磁化后的水对农作物的影响更大，但并不是水分越多越好，灌水过多会阻碍作物的生长发育，反之作物长期处于干旱缺水的条件，也会抑制农作物的生长[30]。

结果表明，不同磁化水处理对棉花的株高、叶面积指数、干物质积累等生长情况影响显著，在打顶前株高随着灌水量的增加呈正相关的关系，在蕾期时生长的趋势较为相似，生长情况无显著性差异，头遍水之后，株高随着灌水量的增加而增加，呈现抛物线型增长，这与王淑芬[31]等人的研究结果一致。不同灌水量对棉花叶面积指数存在显著性差异[32]。适宜的LAI可以使作物合理的利用光能，对光、风的通透性较好，有利于提高光合效率，但在水分亏缺时，植株表现矮小，LAI较低，虽然植株间的透风、透光能力没有受阻，但是不利于光合产物的积累。当灌水量超过适宜的灌溉量时，植株的株高、叶片数会有疯涨的现象，不利于产量的形成。

通过对棉花地上部分的干物质进行生长分析，可以看出棉花地上部的干物质积累呈单峰曲线变化，苗期增长较为缓慢，在到达蕾期时生长速度加快，开花期到盛铃期最大，之后趋于平缓或稍微下降，且符合“S”形变化曲线，较符合Logistic方程。这与前人的研究相一致[33-36]，对棉花干物质积累进行Logistic方程拟合，可以得出随着灌水量的增加，不同处理地上部分总干物质积累最快的时间是播种后87～118 d，这也是营养生长与生殖生长最旺盛的时期，故在此期应控制灌水，及时控制营养生长转向生殖生长的转变。T1、T2、T3、T4、T5干物质最大积累量(GT)分别为45.52、50.20、58.12、78.35、69.31 g/株，由此可见，适宜的灌水量对棉花的干物质积累有促进作用，水分过多或过少均会抑制棉花的生长发育，不利于其干物质的积累。

将5个不同磁化水处理的农艺性状、产量性状进行对比，差异均达到了显著水平。研究表明，通过灌水可以促进棉花的生长，这与前人的研究相一致[37]，随着灌水量的增加，株高、果枝数、单株铃数、节位数、单铃重、子指都呈现旺盛生长的趋势，单铃重、子指、籽(皮)棉重也是最大。但是灌水量过多会增加蕾铃脱落比例，株高较难控制，不利于棉花的生长和产量的形成。

灌溉水利用效率是评价在农业生产中农田用水效率的重要指标。研究表明，灌溉定额在3 360 m3/hm2时，棉花的生物产量、经济产量最大，同时生物产量、经济产量的灌溉水利用效率最高。灌溉定额在3 600 m3/hm2时，会造成农田灌水的浪费，灌溉水利用效率最低，同时增加农民的经济压力。灌水量较小的条件下，灌溉水利用效率较高，但是在棉花生长发育关键期时因为水分不足造成减产，也达不到高产节水的目的。

4 结 语

研究表明，随着磁化水量的增加，株高、果枝数、单株铃数、干物质积累等均呈逐渐增加的趋势，但当灌溉定额达到3 360 m3/hm2之后随着灌溉量的增加呈下降的趋势，由此可见，灌溉定额过大不利于株高、果枝台数的增加和干物质积累，过大的灌溉定额会促进干物质向叶片分配比例增加，这更容易导致后期群体郁蔽，通透性差而减产。灌溉定额为3 360 m3/hm2条件下棉花生长高度适中，主茎节数高，果枝台数多，单株铃数较多，单铃重高，衣分适中，籽棉、皮棉产量均是最高的，但是始节高度偏低，下部棉铃采净率可能会受到影响，从植株农艺性状、产量性状等可以看出，灌溉定额为3 360 m3/hm2较优，但是仍需要解决始节高度(18 cm以上)的问题。对比磁化水利用效率可以看出，磁化水的灌溉定额小于常规农田灌溉水，可以达到高效节水的目的。