新疆光热资源丰富,灌溉植棉,是我国最重要的棉花(Gossypium hirsutum L.)产区。但新疆水资源短缺,严重制约着植棉业的稳步发展,走节水灌溉是棉花发展的根本出路。20世纪90年代,新疆首创棉花膜下滴灌栽培技术,推动棉花单产水平再上新台阶,灌溉水利用效率也显著提高。然而,与传统漫灌相比,膜下滴灌技术如何控制水分供应,实现棉花节水高产?有关棉花节水高产的生理生态机制的研究报道较少。本文在田间条件下,设置膜下滴灌(常规滴灌和过量滴灌)和传统漫灌(减量漫灌和常规漫灌)2种灌溉方式,以传统漫灌为对照,研究了不同灌溉方式对土壤环境因素、根系形态与生理、叶片光合、植株耗水特性、根冠关系、产量和水分利用效率的影响,取得的主要研究结果如下:1.研究了不同灌溉方式对土壤环境因素的影响。与传统漫灌相比,膜下滴灌显著提高了花铃期垂直方向和水平方向(宽行和窄行)0-60 cm土层土壤含水量,减小了土壤水分波动幅度;膜下滴灌棉花在根区形成了干湿不同区域,棉花植株处于湿润区内,为根系生长发育提供了较好的局部水分条件;膜下滴灌降低了0-40 cm土层土壤容重,提高了0-40 cm土层土壤总孔隙度,使浅层土壤疏松,孔隙数量多,土壤的水分和空气状况改善,有助于作物根系生长;膜下滴灌植棉维持浅层良好土壤结构的能力较强。2.研究了不同灌溉方式对根系生长、形态分布和光合产物累积的影响。膜下滴灌棉花在滴灌带左右两侧20 cm,垂直方向0-40 cm土层处较高的土壤含水量增加了该区域根系的细根长和细根生物量,塑造了浅层细根系统。但灌水量过多不利于膜下滴灌细根在土壤浅层分布。传统漫灌棉花细根长和细根生物量主要分布于0-40 cm和60-100 cm两个区域,且浅层细根分布量少于膜下滴灌。进一步分析表明,膜下滴灌棉花盛铃后期0-40 cm土层较高的细根生物量有利于增加单株生物量。3.研究了不同灌溉方式对棉花白色纤维根生长、根系和叶片生理功能、产量水分利用效率的影响。与传统漫灌相比,膜下滴灌增加了棉花盛花期和盛铃前期0-60 cm白色纤维根长、根表面积和根体积,降低了白色纤维根衰减速率,0-60 cm土层根系SOD活性增强,MDA含量降低,根系生理功能改善,促进了根系对水分和养分的吸收。膜下滴灌棉花花铃期较高的叶片相对含水量,降低了盛铃前期叶片MDA含量,改善了叶片生理功能,增加了盛铃前期的总生物量。与传统漫灌相比,常规滴灌耗水量较小,显著增加了盛铃前期棉花的总生物量水分利用效率,进而使产量水分利用效率提高了55.37%~59.59%。过量滴灌灌水量过多(600 mm),盛铃前期棉花的总生物量水分利用效率减小,产量水分利用效率降低。4.研究了不同灌溉方式下棉花耗水特性和土壤供水特性对叶片光合作用的影响。在灌水周期内,膜下滴灌棉花主要消耗0-40 cm土层储水量,对深层储水量消耗少,土壤上层具有稳定的供水能力。传统漫灌在灌水周期的前段时间主要消耗0-40 cm储水量,后段时间主要消耗60-80 cm储水量,土壤供水深度有较大波动。与传统漫灌相比,膜下滴灌0-40 cm土层稳定的供水能力,改善了叶片气孔导度和蒸腾速率,提高了花铃期叶片净光合速率,增加了生物学产量和生物学产量水分利用效率,具备了高产高效的潜力。5.研究了不同灌溉方式对棉花根冠关系和产量形成的影响。与传统漫灌相比,膜下滴灌棉花在盛花期和盛铃前期有较大的细根比根长,根系利用光合碳源的能力较强,促进了细根长和细根生物量增加,提高了根冠比,抑制了地上部过旺生长;在盛铃后期和吐絮期,膜下滴灌棉花细根长、细根生物量和细根质量分数快速下降,根冠比降低,减轻了根系生长冗余,有利于光合产物向生殖器官分配,单株结铃数增加了7.30%~25.10%,细根载铃量提高了32.84%~70.82%,籽棉产量增加。但棉花过量滴灌造成生育后期营养生长过旺,吐絮率和籽棉产量分别降低了8.71%~17.19%和14.14%~24.27%。因此,膜下滴灌棉花在生育前期能促进根系生长,抑制了地上部旺盛的营养生长,至生育后期能减少根系冗余生长,同化物向生殖器官的分配增加,单株结铃数和细根生产力增加,产量提高。然而,膜下滴灌只有在适宜灌水量下(390 mm)才能兼顾产量和产量水分利用效率。综上可知,棉花灌溉方式由传统漫灌转变为膜下滴灌时,土壤湿润区的变化改善了浅层土壤环境,优化了棉花细根分布,塑造了浅层细根系统。膜下滴灌浅层细根的吸水能力和土壤浅层稳定的供水能力相耦合,促进了白色纤维根和细根生长,增强了水分和养分吸收能力,改善了叶片生理功能,增强了叶片光合作用,提高了单株生物量。在生育后期,膜下滴灌棉花减少了根系冗余生长,增加了同化物向生殖器官的分配,显著提高了单株结铃数和细根生产力,最终增加了产量。然而,灌水量过多(600 mm)不但会降低膜下滴灌棉花吐絮率,减少籽棉产量,还会增加棉花全生育期耗水量,降低产量水分利用效率。因此,膜下滴灌在适宜灌水量下(390 mm)通过对水分-根系的有效调控,实现了根系和冠层的协同发育,从而实现了节水高产栽培的目的。