灌水下限对北疆棉花光合生理和产量的影响

齐文婷, 王航, 薛皓文, 王政钧, 马晓鹏, 王建东, 肖娟

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节水灌溉
节水灌溉 ›› 2024 ›› (12) : 95-101. DOI: 10.12396/jsgg.2024198
水肥高效利用

灌水下限对北疆棉花光合生理和产量的影响

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Effect of Irrigation Lower Limit on Photosynthetic Physiology and Yield of Cotton in Northern Xinjiang

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摘要

针对不同灌水下限对棉花叶片光合参数及产量影响的问题，通过大田试验，以当地常规滴灌作为对照（CK）分别在蕾期设置两种灌水下限：60%~65%田间持水量（θ 田）、70%~75% θ 田，花铃期设置3种灌水下限：55%~60% θ 田、60%~65% θ 田、70%~75% θ 田，共设计6种不同灌水下限处理，分析其对棉花不同生育阶段的光合特性和产量的影响，并探究了土壤重量含水率与光合参数之间的相关关系。研究结果表明，土壤重量含水率与棉花的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度呈显著正相关，与叶片水分利用效率呈负相关。综合考虑棉花灌水量、光合特性和产量的差异，运用TOPSIS熵权法进行综合效益评价，建议蕾期和花铃期灌水下限均设置为70%~75% θ 田，此时全生育期灌溉定额较CK降低26.32%，产量为6 946.65 kg/hm2，较CK处理提高26.46%，实现了棉花灌溉定额的大幅度降低和产量的显著提高（P<0.05）。

Abstract

To address the issue of the effects of different irrigation lower limits on photosynthetic parameters and yield of cotton leaves, this study was conducted through a field experiment, using local conventional drip irrigation as the control (CK) to set two irrigation lower limits at the bud stage: 60%~65% field capacity and 70%~75% field capacity, and three irrigation lower limits at the boll stage: 55%~60% field capacity, 60%~65% field capacity，and 70%~75% field capacity, respectively. A total of six different irrigation lower limit treatments were designed to analyze their effects on photosynthetic characteristics and yield at different fertility stages of cotton, and the correlations between soil weight water content and photosynthetic parameters were explored. The results showed that soil weight water content was significantly positively correlated with net photosynthetic rate, transpiration rate and stomatal conductance of cotton, and negatively correlated with leaf water use efficiency. Considering the differences in cotton irrigation amount, photosynthetic characteristics and yield, and using the TOPSIS entropy weighting method for comprehensive benefit evaluation, it is recommended that the lower limit of irrigation at both bud stage and bolling stage be set at 70%~75% field capacity, at which time the irrigation quota for the whole life cycle was reduced by 26.32% compared with that of CK, and the yield was 6 946.65 kg/hm2, which was increased by 26.46% compared with that of the CK treatment, which realized the cotton irrigation quota's substantial reduction and significant increase in yield (P<0.05).

关键词

棉花 / 水分调控 / 光合特性 / 土壤重量含水率 / 产量 / TOPSIS熵权法

Key words

cotton / water regulation / photosynthetic characteristics / soil weight moisture content / yield / TOPSIS entropy weight method

基金

新疆维吾尔自治区重点研发计划(2023B02014-3)
中国农业科学院科技创新工程(CAAS-ZDRW202417)
新疆维吾尔自治区“天池英才”引进计划

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齐文婷 , 王航 , 薛皓文 , 王政钧 , 马晓鹏 , 王建东 , 肖娟. 灌水下限对北疆棉花光合生理和产量的影响[J].节水灌溉, 2024(12): 95-101 https://doi.org/10.12396/jsgg.2024198
QI Wen-ting , WANG Hang , XUE Hao-wen , WANG Zheng-jun , MA Xiao-peng , WANG Jian-dong , XIAO Juan. Effect of Irrigation Lower Limit on Photosynthetic Physiology and Yield of Cotton in Northern Xinjiang[J].Water Saving Irrigation, 2024(12): 95-101 https://doi.org/10.12396/jsgg.2024198

0 引 言

新疆地处西北干旱区，属典型大陆性干旱气候[1]，干旱少雨，降雨季节性分布不均，而农业用水需求量大，占新疆用水总量的90%以上。农业节水灌溉技术在新疆发展迅速，从1996年新疆建设兵团开展棉田膜下滴灌技术的开发试验至今，已把“膜下滴灌技术”列为六大精准农业技术推广项目之一，棉花播种面积占到总播面积46.8 万hm2的87%，成为全国大田作物应用滴灌技术规模最大的片区[2]。但随着新疆种植业规模的逐步扩展，水资源短缺的矛盾日益突出，如何进一步挖掘棉花的节水潜力，特别是针对目前新疆地区限额灌溉的需求，如何制定科学合理的棉花限额灌溉制度已成为新疆棉花种植业亟待解决的科学问题。灌水下限直接影响棉花蒸腾和土壤蒸发，进而影响对灌溉期内的灌水周期、灌水定额和灌溉定额等，对灌溉制度的制定有重大意义，李彦等[3]研究了不同棉花耗水量、产量与棉花水分利用效率之间的关系，发现就产量而言，膜下滴灌棉花在苗期、蕾期、花铃期和吐絮期适宜的灌水下限分别为55%～60%、65%～70%、75%～80%和60%～65%田间持水率。何平如[4]等研究了不同土壤水分下限调控对棉花产量、品质和水分利用效率的影响，得出土壤水分下限控制在75%θ 田为宜，生育期灌溉定额为334 mm，灌水12次，灌水周期为8 d。作物的光合生理响应过程对水分的敏感性较强，一般认为，水分胁迫会使叶片细胞光合功能受损，导致光合反应中心关闭，从而抑制光合作用[5]。目前已有大量学者针对棉花光合作用对水分调控的响应开展研究，主要集中在灌水定额、灌水频次和水氮互作[6-8]等方面，范志超[9]通过在棉花蕾铃期设置非充分滴灌，研究其对光合生产及产量的影响，得出叶片净光合速率和蒸腾速率随着灌水量的减少而逐渐减小，GAO H Y[10]等研究3种滴灌水平对棉花光合生理及酶活性的影响，得出常规滴灌（4 800 m3/hm2）比亏缺滴灌（3 840 m3/hm2）的处理净光合速率、叶绿素含量分别提高了10.4%~15.7%、8.3%~24.6%。从棉花的生理需水层面考虑，基于限额灌溉条件下，如何确定棉花各生育期适宜的灌水下限阈值及不同下限阈值对土壤含水率和光合生理的影响，相关研究成果依然不多，亟需明晰棉花关键生育期灌水下限的调控对作物光合生理特性和产量影响机理，多指标分析最适宜棉花生长发育的灌溉定额，为制定棉花限额精量灌溉制度提供理论参考。本研究以中棉所125为材料，通过调控棉花蕾期、花铃期的灌水下限，探究限额水分管理对棉花叶片光合参数及产量构成的影响机理，明确相关研究成果以期为田间棉花水分精量管理及限额灌溉制度的优化提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验布置

试验地点位于新疆维吾尔自治区中国农业科学院西部农业研究中心，试验基地位于昌吉回族自治州老龙河农场（44º15´N，87º19´E，海拔470 m）。属中温带区，为典型的大陆性干旱气候，冬季长而严寒，夏季短而炎热，昼夜温差大，春秋季节不明显，气候干燥，蒸发量大，降水稀少，年平均降水量为170 mm，年均蒸发量为1 787 mm。区域年平均气温6.6 ℃，年平均日照时数为2 833 h，年平均无霜期约为175 d。2023年4月15日，于试验地中心取1 m土坑，将环刀打入土层剖面分层取土，每层土样3次重复，将环刀所取土样带回实验室检测土壤粒径、容重及田间持水率指标，其中，利用激光粒度分析仪测量了不同土层（0~100 cm）的颗粒级配组成，试验地0～100 cm土质类型复杂，其土壤质地情况如表1所示。
表1 供试土壤物理性状

Tab.1 Physical properties of experimental soil

土层 颗粒占比/% 土壤容重 田间持水量 土壤质地
＜0.002 mm 0.002~0.02 mm 0.02～0.2 mm
0～10 15.6 44.4 38.4 1.52 27 黏壤土
10～20 13.5 47.9 37.4 1.59 26 粉（砂）质壤土
20～30 12.3 46.3 40.1 1.49 26 粉（砂）质壤土
30～40 15.6 48.1 35.4 1.45 27 粉（砂）质壤土
40～50 15.3 33.4 48.2 1.48 27 黏壤土
50～60 14.8 46.6 36.6 1.57 37 粉（砂）质壤土
60～70 25.7 44.3 28.8 1.45 29 壤质黏土
70～80 14.7 40.9 44.2 1.44 32 壤土
80～90 11.0 36.4 51.8 1.44 28 壤土
90～100 11.6 37.2 50.6 1.40 31 壤土
供试品种为中棉所125，采用膜下滴灌，1膜3带6行的宽窄行种植模式，为66 cm+10 cm，株距为10 cm，种植密度为30 株/m2。采用贴片式滴灌带，额定流量为2.4 L/h，滴头间距为25 cm。棉花于2023年4月26日播种，5月4日出苗，6月11日进入蕾期，7月11日进入花铃期，8月26日进入吐絮期，10月15日收获（见图1）。
图1 棉花种植模式及水分探头布设点位示意图（单位：cm）

Fig.1 Schematic diagram of cotton planting mode and water probe layout points in each treatment irrigation record table

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1.2 试验处理设置

试验处理设置充分借鉴前人的研究成果[3, 11]，在播种至出苗阶段，土壤灌水下限控制在60%~65% θ 田，在吐絮期，土壤灌水下限控制在50%~55% θ 田。蕾期和花铃期是棉花耗水最多的两个生育阶段，也是实现水分优化调控的主要路径，因此，本试验主要设计在棉花蕾期和花铃期两个生育阶段实施不同的灌水上下限控制试验，其余生育期灌水上下限设置相同，其阈值范围充分借鉴了前人的相关研究成果[4, 14]，共设置7个处理（含传统滴灌CK对照），每个处理3个重复小区，各处理小区随机布置，每个小区面积为4.5 m×10 m，共21个试验小区。其中，CK处理为当地传统的滴灌制度，生育期内累计滴灌12次，灌溉定额为5 610 m3/hm2，全生育期0~50 cm土层（20 cm和50 cm平均值）土壤含水率上下限为44% θ 田和103% θ 田，具体试验各处理设置如表2所示。
表2 灌水处理设计 (%)

Tab.2 Arrangement of irrigation treatments

处理 苗期（灌水控制上限100% θ 田） 蕾期（灌水控制上限80%~85% θ 田） 花铃期（灌水控制上限90%~95% θ 田） 吐絮期（灌水控制上限100% θ 田）
1 60~65 60~65 55-60 50~55
2 60~65 60~65 60~65 50~55
3 60~65 60~65 70~75 50~55
4 60~65 70~75 55-60 50~55
5 60~65 70~75 60~65 50~55
6 60~65 70~75 70~75 50~55
CK 当地大田常规滴灌制度
在棉花全生育时期，各处理的设计灌水定额按照表2用含水率差值法确定，计算公式见式（1），各试验小区的灌水量由各小区进口处的水表控制。各处理施肥水平按照当地大田实际施肥习惯和经验，尿素、硫酸钾、磷酸二氢钾溶解后通过施肥罐施入各试验小区。其他田间管理措施(打顶、打药、除草等)均与当地传统种植模式保持一致。
M=Pt  H  γ  θ后-θ前η
式中：M为灌水量，m；θ 前为0~60 cm土层（即20 cm和50 cm土壤含水率的平均值）灌水前的土壤含水率，%；θ 后为0~60 cm土层灌水后的土壤含水率，%；γ为土壤容重与水容重之比；H为土壤湿润层深度，m，苗期、蕾期取0.4 m，花铃期、吐絮期均为0.6 m；Pt 为湿润比，根据微灌工程技术标准[15]，取值为0.6；η为灌溉水利用系数，取为0.95。

1.3 观测指标测定

1.3.1 土壤含水率测定

定时采集：土壤体积含水率采用ZL6土壤含水量、水势监测系统进行采集，将测定土壤体积含水率的TEROS12传感器设置在棉花根部窄行的1/2处。水分监测点布置在垂直于棉花根系的20、50和80 cm深度处。进入蕾期后（6月11日），通过每天北京时间20∶00采集各小区水分传感器数据来维持表2设定的各小区田持百分比，并每天进行计算[公式(1)]来判断各小区第2天是否需要灌溉，来达到试验设置的田持区间。
取土校准：为与自动采集的TEROS12水分探头数据进行标定验证，采用烘干法测定校准土样土壤含水率，分别在棉花苗期（5月28日、6月1日），蕾铃期灌水前1天、灌水当日、灌水后1天（7月8日、7月9日、7月10日）及棉花吐絮后（9月29日），利用土钻采集20、50、80 cm深度土层的土样，3次重复，取样后即称重，烘箱105 ℃烘干至恒重后再称量，计算土壤含水率。

1.3.2 光合参数测定

采用北京雅欣理仪科技有限公司生产的yaxin-1105便携式光合荧光仪进行测定，选择光照良好、晴朗的天气进行光合测量，测定日期在各处理灌水前后，测定时间为北京时间12∶00-14∶00。测定前对光合仪进行预热，在每个处理随机选定3株进行观测，测定每株主茎功能叶（打顶前倒四叶，打顶后倒三叶）。仪器测定P n（净光合速率）、G s（气孔导度）、T r（蒸腾速率）、C i（胞间 CO 2浓度），并计算水分利用效率（WUE L=P n/T r）。

1.3.3 产量测定

吐絮期，在每个小区选取6.7 m2（2.92 m×2.3 m）的样点，调查所有棉花株数及铃数；并在各样点收取棉铃54个（棉株上部18、中部18和下部各18个），晾干后计算铃重；经过计算获得籽棉产量。
        籽棉产量=种植密度×平均单株成铃数×单铃重÷1 000×0.9

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel软件进行数据处理，SPSS 26.0进行数据统计、方差分析与显著性检验，Excel 2018和Origin 2022绘图。

2 结果与分析

2.1 不同灌水下限对棉花叶片光合参数的影响

表3为各生育期叶片光合参数平均值。由表3可知，棉花的P n、T r、G s和C i变化趋势随时间先增大后减小，且均在蕾期达到最大值。苗期，P n、T r、G s和C i值在17.32~18.58 μmol/(m2·s)、3.14~3.90 mmol/(m2·s)、156.54~167.75 mmol/(m2·s)和196.05~208.44 μmol/mol之间。蕾期，处理1、2和3的P n值分别较CK降低5.18%、0.89%和3.14%；处理4、5和6的P n值分别较CK提高7.02%、4.55%和1.41%，且所有处理差异无显著性；处理1和3的T r值较CK降低了2.15%和0.54%，处理2、4、5和6的T r值较处理CK提高3.49%、18.82%、9.41%和10.48%，且处理1和3与CK差异无显著性，处理4与CK差异显著，处理2、5和6与CK差异不显著；处理1、2和3的G s值相比CK提高了1.91%~4.32%；处理4、5和6的G s值相比CK提高了43.07%~47.32%，且处理1与CK差异不显著，处理2和3与CK差异不显著，处理4、5和6与CK差异显著；处理1、2的C i值较CK降低0.19%~1.76%；处理3、4、5和6的Ci 值较CK处理增加2.45%~15.94%，且处理6与CK差异显著，其余处理与CK差异不显著。花铃期，处理4的P n最低为15.46 μmol/(m2·s)，CK的P n最高为16.87 μmol/(m2·s)，处理1、2和3的P n依次递增，处理4、5和6的P n依次递增，但差别均不大；处理6的T r最高为2.88 mmol/(m2·s)，CK的T r最低为2.69 mmol/(m2·s)，处理1、2和3的T r逐渐增加，处理4、5和6的T r逐渐增加，但所有处理差别不大；处理3的G s最高为117.17 mmol/(m2·s)，处理1、2和3的G s逐渐增加，处理4、5和6的G s逐渐增加，CK处理的G s最低为105.22 mmol/(m2·s)；各处理C i值在173.28~187.59 μmol/mol之间，变化不大。
表3 不同灌水下限棉花各生育期光合指标平均值

Tab.3 Average value of photosynthetic indexes in different growth stages of cotton with different irrigation lower limits

生育期 处理 P n/(umol·m-2·s-1) T r/(mmol·m-2·s-1) G s/(mmol·m-2·s-1) C i/(μmol·mmol-1) WUE L/(μmol·mmol-1)
苗期 1 17.92±3.97a 3.24±0.57b 156.54±10.87b 196.05±7.08b 5.54±0.38a
2 17.89±4.66a 3.26±0.92a 164.13±27.23ab 198.97±10.09a 5.49±0.59b
3 17.49±3.60a 3.21±0.85a 166.81±19.58ab 205.11±10.18a 5.45±0.48b
4 17.32±1.86a 3.17±0.75a 158.21±25.24ab 199.97±15.42a 5.47±0.42b
5 18.03±2.68a 3.14±1.00a 158.70±25.63ab 205.11±19.35a 5.75±0.45b
6 18.37±2.69a 3.31±0.82a 160.86±22.07ab 208.44±15.64a 5.56±0.63b
CK 18.58±1.72a 3.90±0.87a 167.75±7.32a 206.99±14.39a 5.62±0.38b
蕾期 1 18.11±3.27a 3.64±1.02b 174.79±95.15cde 198.86±33.68d 4.98±1.42a
2 18.93±2.85a 3.85±1.57ab 175.68±60.70bcd 202.04±58.07cd 4.92±1.07a
3 18.50±3.76a 3.70±1.30b 171.62±79.35e 207.39±59.80d 4.90±1.17a
4 20.44±3.53a 4.42±0.84a 242.28±68.77ab 225.29±59.28ab 4.91±1.23a
5 19.97±3.90a 4.07±1.23ab 240.95±84.28abc 216.55±66.13bc 4.86±1.57a
6 19.37±3.83a 4.11±1.07ab 248.10±94.04ab 234.70±51.79a 4.71±0.73a
CK 19.10±3.22a 3.72±1.38b 168.41±51.18de 202.43±47.31bcd 5.13±1.31a
花铃期 1 15.73±2.62b 2.78±0.65bc 113.14±13.85a 173.92±36.78a 5.47±1.08b
2 15.80±3.62b 2.79±0.77c 113.60±14.53b 173.28±29.18a 6.10±1.48b
3 16.95±3.25b 2.84±0.71a 117.17±22.80ab 184.21±33.36a 5.94±1.20b
4 15.46±3.95a 2.71±064bc 106.53±29.41ab 185.40±33.90a 6.05±1.50a
5 16.30±3.00b 2.74±0.66b 108.09±20.15ab 187.59±23.64a 5.95±1.29b
6 16.61±3.27a 2.88±0.83bc 108.87±23.61ab 179.29±21.00a 5.76±1.43b
CK 16.87±4.00b 2.69±0.76c 105.22±28.48ab 176.53±24.60a 6.27±1.61b
全生育期平均 1 17.30±3.10ab 3.89±1.46ab 148.16±81.91bc 189.61±34.81b 5.33±1.82a
2 17.54±3.83ab 3.97±1.06ab 151.14±48.71cd 191.43±40.97b 5.50±2.29ab
3 17.65±3.49b 3.92±1.31b 151.86±57.74d 195.97±42.42b 5.43±2.35a
4 17.74±4.04ab 4.10±1.03a 169.00±77.04ab 203.56±42.96a 5.48±1.85b
5 18.10±3.71a 3.98±1.43a 169.25±86.17a 203.08±44.05a 5.52±2.02a
6 18.12±3.43a 4.10±1.21a 172.61±93.29ab 207.48±38.70a 5.34±2.09a
CK 18.18±3.68ab 4.10±1.48b 147.13±49.32d 195.32±34.35b 5.68±2.38a
WUE L随棉花生长先降低后增加，且不同处理条件下棉花的WUE L均在蕾期达到最小值，花铃期达到最大值。苗期WUE L值在5.45~5.75 μmol/mol之间；蕾期，处理1、2和3的WUE L值相比CK降低2.92%~4.48%；处理4、5和6的WUE L值相比CK降低4.29%~8.19%；花铃期，CK处理的WUE L最高为5.13 μmol/mol，处理1、2、3、4、5和6的WUE L分别比CK降低了12.76%、2.71%、5.26%、3.51%、5.10%、8.13%，处理1的WUE L最低为5.47 μmol/mol。

2.2 不同灌水下限棉花土壤含水率与光合指标的关系

对不同灌水下限棉花净P n、T r、G s、Ci与50 cm土壤重量含水率（50 cm SWC）进行相关性分析和线性拟合，得到图2相关性热图和表4线性拟合关系。从图2和表4可以看出，50 cm SWC与P n、T r和G s显著正相关，与C i相关性不显著，4种光合指标内部存在显著正相关关系。50 cm SWC与光合参数存在明显的线性关系，其中，处理4、5和6的斜率分别高于处理1、2和3，说明在花铃期灌水下限一致的条件下，蕾期控制灌水下限70%~75%θ 田比60%~65%θ 田提高等量的土壤重量含水率光合参数指标提升更快，处理2和5的斜率显著大于处理1和3与处理4和6，说明花铃期控制灌水下限60%~65%θ 田条件下，相比其它灌水下限，在提高相同土壤重量含水率时，光合参数指标P n、T r、G s和C i表现出更为明显的提升变化，所有处理中CK斜率最低，提升效果最不明显。各处理决定系数R 2绝大部分在0.5以上，拟合效果较好，其中处理3的拟合效果最好。
图2 50 cm土壤重量含水率与P n、T r、G s和C i的相关性

Fig.2 Correlation between 50cm soil weight moisture content and P n, T r, G s and C i

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表4 不同灌水下限棉花光合参数P n、T r、G s、C i与50 cm土壤重量含水率线性拟合关系

Tab.4 Linear fitting relationship between cotton photosynthetic parameters P n, T r, G s, C i and soil moisture content with different irrigation lower limits

处理 P n/（umol·m-2·s-1） T r/（mmol·m-2·s-1）
线性关系 R 2 P 线性关系 R 2 P
1 y =232.44 x -19.451 0.509 9 P<0.01 y =49.205 x -4.898 4 0.530 9 P<0.01
2 y =515.25 x -80.428 0.636 2 y =112.79 x -18.296 0 0.570 0
3 y =161.68 x -10.224 0.725 2 y =61.249 x -7.943 7 0.705 4
4 y =319.27 x -33.595 0.551 0 y =98.142 x -11.946 0 0.562 4
5 y =540.65 x -86.603 0.528 8 y =201.40 x -35.339 0 0.612 0
6 y =360.03 x -40.246 0.546 9 y =131.95 x -17.702 0 0.615 5
CK y =103.41 x -1.3957 0.620 6 y =12.804 x +0.220 6 0.555 6
处理 G s/（mmol·m-2·s-1） C i/（umol·mol-1）
线性关系 R 2 P 线性关系 R 2 P
1 y =1 276.0 x -48.861 0.582 0 P<0.01 y =3 293.3 x -237.93 0.533 9 ns
2 y =3 615.5 x -569.96 0.548 0 y =4 416.8 x -657.21 0.518 1
3 y =1 295.4 x -103.68 0.570 8 y =1 505.6 x -68.062 0.631 9
4 y =3 085.5 x -358.39 0.522 7 y =4 221.7 x -461.48 0.529 7
5 y =3 515.2 x -537.96 0.612 2 y =6 088.2 x -939.16 0.462 9
6 y =3 393.8 x -417.99 0.528 4 y =3 619.8 x -383.02 0.578 3
CK y =943.62 x -38.011 0.560 3 y =560.08 x +105.73 0.530 1
注：ns表示相关性不显著。

2.3 棉花产量指标

2.3.1 棉花产量指标

由表5中可知，各处理收获密度无显著差异，单株铃数随着灌水下限的增加而增加，呈明显正相关，处理1~处理6分别较CK增加了1.92%、2.45%、19.76%、6.64%、19.93%和19.93%。单铃重处理2最大，比处理CK增加了9.96%。产量所有处理均高于处理CK，处理6、处理2、处理4、处理3、处理5和处理1依次比处理CK提高了26.46%、15.06%、14.25%、11.71%、9.99%和4.32%（P<0.05）。
表5 产量相关数据

Tab.5 Output related data

处理 收获密度/(万株·hm-2） 单株铃数 单铃重/g 籽棉产量/(kg·hm-2) 籽棉产量排序
1 21.00±1.050a 5.83±0.58ab 5.21±0.12ab 5 730.30±117.30b 6
2 21.75±1.515a 5.86±0.33ab 5.52±0.40a 6 320.10±693.45ab 2
3 20.70±1.005a 6.85±0.83ab 4.81±0.22b 6 136.05±273.30ab 4
4 21.75±0.795a 6.10±0.57ab 5.25±0.02ab 6 275.55±788.25ab 3
5 21.30±0.390a 6.86±0.50ab 4.58±0.29ab 6 042.00±420.30ab 5
6 21.60±0.825a 6.86±0.20a 5.22±0.11ab 6 946.65±224.55a 1
CK 21.30±0.900a 5.72±0.60b 5.02±0.22ab 5 493.00±410.70b 7

2.3.2 基于TOPSIS熵权法的多目标综合评价

采用方差对比分析法，棉花光合指标（P n、T r、G s、C i和WUE L）、产量及其构成因素（收获密度、单株铃数、单铃重）、灌水次数与灌溉定额很难同时满足各项指标最优的灌水下限与灌水定额组合。因此，利用CRITIC法对棉花光合指标、产量及其构成因素和灌溉定额赋权，并与TOPSIS熵权法组合构建棉花综合效益评价模型，采用CRITIC法获得各项指标权重，分别为 W =（11.67%，7.13%，8.93%，10.80%，10.49%，6.09%，10.48%，10.11%，9.37%，6.80%，8.13%），对最优的灌水下限与灌水定额指标进行综合效益评价。表6为综合评价值，由表6可知，各处理的排名依次是处理6、处理3、处理5、处理2、处理4、处理1和CK处理。
表6 棉花光合指标、产量及其构成因素、灌水次数和灌溉定额综合效益评价

Tab.6 Comprehensive benefit evaluation of cotton photosynthetic index, yield and its components, irrigation times and irrigation quota

处理 正理想解距离D+ 负理想解距离D- 相对接近度C 排序
1 0.212 3 0.172 9 0.448 8 6
2 0.185 3 0.201 4 0.520 7 4
3 0.146 9 0.218 2 0.597 6 2
4 0.181 2 0.189 8 0.511 5 5
5 0.163 9 0.195 3 0.543 8 3
6 0.127 4 0.218 8 0.632 0 1
CK 0.224 2 0.160 1 0.416 6 7

3 讨 论

光合作用是绿色植物合成有机物、维持其生命的重要途径，受多种生态因子影响，其中水分是核心影响因子之一。Sing等[17]认为不同的水分胁迫下，非气孔因素和气孔因素在调节光合速率时发挥不同的作用。目前研究者一致认为气孔和非气孔限制对光合作用的影响取决于水分亏缺的程度[18, 19]。P n是光合系统功能的直接体现，大多数的植物在遭遇低水分胁迫时P n都表现出明显下降，气孔限制因素引起的P n下降表现为G s、T r下降，C i也相应下降，非气孔限制因素引起的P n下降表现为G s、T r下降的同时C i升高[20]，这与本研究中G s、P n下降时C i下降的结果一致，表明本研究中限制棉花光合作用的主要原因是气孔因素，所有光合指标中，主要通过影响胞间二氧化碳的浓度来影响植株光合作用，进而影响P n、T r和G s。吴文超等[21]认为缺水时棉花的P n、C i、T r、G s均出现不同程度下降，本研究也得出灌水下限低的处理，其平均P n、C i、T r、G s值也低于灌水下限高的处理。
根系吸水是植物赖以生存的基础，它直接影响植物的蒸腾强度和地上部的水分状况[24]。在适宜的生态条件和栽培条件下，棉花主根入土深度一般可达2 m左右，滴灌使棉花根系主要集中在土壤表层40~50 cm处，须根大量增多[25]，因此本研究选用50 cm土层土壤重量含水率寻求与光合参数的线性关系。不同含水率的土壤对棉花光合作用有不同的影响，通过对不同含水率土壤中的棉花植株进行光合作用监测，发现含水率较高土壤中的植株，其P n、C i、T r、G s都相对较高[26]。本研究中，土壤重量含水率与光合参数存在明显的正相关关系，这与范志超[9]得出棉花光合速率和水分供给成正相关的研究结果一致。且本研究分析得出处理2和处理5光合参数指标与土壤重量含水率线性关系斜率最大，变化相同的土壤重量含水率条件下光合参数值提升最快，且所有处理的提升速度均高于CK。这与王晓森等[27]得出番茄灌水下限相对低，复水后光合速率增加越多，显示出良好的补偿生长效应的研究结果一致。但范志超[9]、王晓森[27]等仅提出水分与光合参数的趋势变化关系，本文进一步研究二者之间的线性关系，旨在探究最适宜棉花生长发育的水分与光合参数区间及二者进一步关系是下阶段研究重点。水分胁迫会降低植物光合作用，长期水分亏缺导致光合速率的可逆性降低，光系统的稳定性变差[28]，但水分过多也会影响光合作用，土壤水分太多，通气不良妨碍根系活动，从而间接影响光合。处理3和处理6斜率小于处理2和处理5，说明灌水下限并不是越高越好，花铃期设置70%~75%的灌水下限，棉花并未长时间处于水分胁迫，可能处于不缺水或者多水情况，妨碍了棉花根系活动，从而降低了植株的光合作用，因此找寻最适宜棉花生长发育的灌水下限及土壤含水率区间是有必要的。
水分的亏缺程度对植物的光合作用有非常明显的胁迫作用，灌水量的多少直接影响着棉花的长势和产量[22]。鉴于作物产量本质上是基于光合产物的积累，探索产量与光合参数之间的相关性有助于阐明水分管理对作物生长和产量影响的机制。对比本研究各处理棉花产量与表3中全生育期平均光合参数值，可以发现产量变化趋势与光合生理一致，这与ZHANG H等[23]认为土壤相对含水量的提高会加强棉花光合作用，增加其产量的研究结果一致。本试验采用控制棉花生长发育最快和耗水量最大的蕾期和花铃期两个时期的灌水上下限，探究节水效果和产量相对最优的灌溉制度，相比窦巧巧[16]等通过减量滴灌更有利于实时监测土壤水分含量，及时发现棉田缺水后补水，更有利于寻找最适宜棉花生长发育的灌溉制度，潘俊杰[13]、申孝军[14]等也通过控制棉花各时期灌水下限得出相关结论，均为蕾期和花铃期灌水下限分别为60%~65%θ 田和70%~75%θ 田为适宜的灌溉预警线，与本研究花铃期控制70%~75%θ 田为最优处理研究结果一致，蕾期控制灌水下限为70%~75%为本文最优处理，可能由于土壤质地和气象及考虑棉花光合作用和品质的影响，后续需进一步研究。

4 结 论

通过田间试验，研究了棉花膜下滴灌蕾期和花铃期不同灌水下限对土壤重量含水率和光合生理指标及产量的影响，得出以下结论。
（1）蕾期和花铃期设置灌水下限高的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度增加，呈正相关，但棉花的叶片水分利用效率降低，呈负相关。总体来说，蕾期灌水下限为70%~75%θ 田和花铃期灌水下限为60%~65%θ 田、70%~75%θ 田的组合（处理5和处理6）的净光合速率值、蒸腾速率值、叶片气孔导度值、胞间二氧化碳浓度值最高，蕾期和花铃期灌水下限均为60%~65% θ田（处理1）的叶片水分利用效率在棉花各生育阶段均较高。
（2）土壤重量含水率与光合参数有明显的正相关关系，且有一定规律的线性关系，蕾期灌水下限为60%~65%θ 田、70%~75%θ 田和花铃期灌水下限为60%~65%θ 田的组合（处理2和处理5）线性关系斜率最大，相同的土壤重量含水率变化条件下光合参数值提升最快，蕾期和花铃期灌水下限均为60%~65%θ 田（处理1）的斜率最小，提升速度最慢，但所有处理的提升速度均高于CK。
（3）适宜的灌水下限可以提高棉花的产量，运用TOPSIS熵权法对棉花光合指标、产量及灌溉制度进行综合效益评价，得出当蕾期灌水下限为70%~75%θ 田、花铃期灌水下限为70%~75%θ 田时（处理6），为本试验最优处理，排名最高，此时棉花全生育期灌溉定额较CK处理降低26.32%，单株铃数、单铃重和产量相对最高，较CK处理分别提高了19.93%、3.98%和26.46%。

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