無膜棉花產量及其根區溫濕鹽對灌溉量的響應

李軍宏，王 軍，李楠楠，郝先哲，時曉娟，田 雨，石 峰，羅宏海※，楊國正

（1. 石河子大學農學院，石河子 832003；2. 農業農村部作物高效用水石河子實驗觀測站，石河子 832003；3. 華中農業大學植物科技學院 武漢 430070）

0 引 言

新疆地處內陸干旱區，光熱資源豐富，2019年棉花播種面積254.11萬hm2、總產量500.2萬t，占全國總播種面積的76.1%、總產量的84.9%、世界棉花總產量的19.0%[1]。然而，隨著地膜使用時間和強度的增加，造成了嚴重的殘膜污染[2]。新疆棉田地膜殘留量大，達158.4 kg/hm2，且以每年15.69 kg/hm2的速度累積[3]。農田殘膜量累積會破壞農田土壤結構，導致耕地質量下降、農事耕作受阻、作物品質和產量下降等一系列問題[4]。通過對新疆多年氣象資料、栽培措施、產投比等分析，迎接這一挑戰的基本思路是以“綠色高效”為宗旨，以“無膜栽培”為手段，以“減投不減產”為出發點和落腳點，

高效協調現有生產條件，打破制約棉花生產可持續發展的關鍵環境因素限制，推動新疆棉花產業向綠色高效、持續發展轉型。

無膜栽培雖然消除了殘膜污染的根源，但失去了地膜在增溫保墑方面的重要作用[5]，導致土壤水分損失快、春季土壤溫度上升慢，播種時間推遲，棉花產量得不到保障[2,6]。如何采取有效調控措施，改善土壤水熱條件，促進植株生長，這是實現無膜棉高效生產的關鍵。王雷山等研究表明，在不影響棉花產量的前提下縮短棉花大田生長期（推遲播種時間），增加種植密度，可減少物質（尤其是肥料）投入，從而提高棉花生產效益[7]。Chen等[8]研究表明，棉花覆膜條件下，20 cm深度灌溉施肥配合生育期適宜水氮供應，有利于優化根區水氮環境，促進根系下扎，提高棉花產量。夜間灌溉導致玉米高度和產量高于白天灌溉[9]。因此，在目前栽培技術條件下，利用深埋滴灌帶和夜間灌水在抑制土壤蒸發及早熟棉品種和高密度栽培在縮短生育期等方面優勢，形成無膜棉高密度深夜滴灌模式，充分挖掘棉花生物學增產潛力，在不顯著降低產量的基礎上，避免環境污染，這是實現新疆棉花高效可持續生產的主要途徑之一。

灌水量發生變化會直接影響土壤含水量、土壤溫度[10]、土壤鹽分運移[11]，進而影響根區環境，通過棉花根系分布形態進行調控從而影響其地上部分生長和產量[12]。目前在無膜高密度深層、夜間滴灌條件下，灌水量對棉花產量及其根區溫濕鹽的影響效應尚未見報道。基于此，本文在無膜深層、夜間滴灌條件下，選用早熟棉品種和等行距密植模式（26株/m2），通過設置5個灌水量處理，研究了棉花產量形成及根區水分、溫度和鹽分濃度變化規律，分析了上述參數之間的相關性，研究結果為無膜棉高效栽培技術體系的制定奠定理論基礎，對未來新疆棉花產業走上節能環保之路具有重要的理論和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗于2019—2020年在農業農村部作物高效用水石河子實驗觀測站（45°38′N，86°09′E）進行，海拔430 m。試驗地土壤0～20 cm 土層pH值為7.86，電導率為567μS/cm，速效鉀為174 mg/kg，有效磷為29 mg/kg，有機質為23 g/kg。試驗參試品種為‘新陸早74號’（生育期120 d），由石河子農業科學研究院棉花所提供。

2019年棉花生育期內降水總量為98.2 mm，大于5 mm的有效降雨7次，5月1日—8月31日，日平均最高氣溫為30.9 ℃，日平均最低氣溫為16.2 ℃；2020年整個生育期累積降水52.3 mm，大于5 mm的有效降水3次，5月1日—8月31日，日平均最高氣溫為31.4 ℃，日平均最低氣溫為16.6 ℃（圖1）。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

設置5個灌水量處理：2 649 m3/hm2（W1）；2 925 m3/hm2（W2）；3 201 m3/hm2（W3）；3 477 m3/hm2（W4）；3 753 m3/hm2（W5）（其中W1～W3處理為地下滴灌平均灌水量，W4和W5處理為大田覆膜節水滴灌平均灌水量[13-14]。）（表1）。小區面積72.96 m2（4.56 m×16.0 m），隨機區組設計，重復4次。

表1 2019—2020年不同處理灌水周期及灌水量Table 1 Irrigation cycles and irrigation amount under different treatments from 2019 to 2020 (m3·hm-2)

開春解凍后，如圖2所示，開溝15 cm埋入滴灌帶（采用以色列耐特菲姆公司生產的專用滴灌帶及其配件，滴頭流量：2019年1.0 L/h，2020年2.0 L/h），每兩行1根；每處理安裝獨立閥門。2019年5月10日播種，保苗株數19.2萬株/hm2，2020年5月5日播種，保苗株數23.25萬株/hm2。在水平距離滴灌帶38 cm處，點播，播種深度3.0～3.5 cm，播后及時灌水，出苗水300 m3/hm2。全生育期每hm2基施尿素（N 46%）150 kg、重過磷酸鈣（P2O545%）225kg；生育期每hm2隨水滴施尿素（N 46%）525 kg、磷酸二氫鉀（P2O552%、K2O 34%）150 kg。其他管理措施與常規栽培技術相同。

1.2.2 測定項目與方法

1）土壤水分含率

含水率采用便攜式土壤溫濕鹽測量儀（HMSCAN-2M，USA）測定，測試深度為80 cm，每10 cm為一層，測定周期每7 d一次[15]。

2）土壤pH值和電導率

用土鉆在每個試驗小區距棉花38 cm和棉花行處取土壤剖面0～10、>10～20、>20～30 cm土層土樣，剔除土壤樣品中的雜物，風干、磨碎、過1 mm孔徑的篩，土壤pH值采用pH計測定，土壤含鹽量采用電導法測定[16]。

3）棉田土壤溫度分布

土壤溫度使用紐扣式溫度記錄儀（美信DS1921G）進行測定，溫度采集深度為5、10、20、30、40 cm 土層，采集間隔為2 h一次。

4）棉花產量

根據棉花成熟情況，統計每小區單位面積（3 m ×1.52 m）株數、單株鈴數，并分2次采收其全部吐絮鈴，每個處理重復 4 次，進行產量計算。

1.3 數據處理與統計

數據處理Microsoft Excel 2019 軟件，統計分析SPSS19.0軟件，顯著性檢驗采用Duncan法（P<0.05），繪圖用Sigmaplot 12.5軟件，圖中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 灌水量對無膜棉花產量的影響

由表2可以看出，棉花籽棉產量均隨灌水量的增加呈增加趨勢，在W5處理略有下降；因在2019年基礎上優化2020年灌水頻率，使2020年產量較2019年相比增加45.6%～65.5%（P<0.05）。2019年W4處理條件下產量比W1、W2、W3、W5處理分別高19.9%、22.7%、7.6%、13.3%；2020年W4處理條件下產量比W1、W2、W3、W5處理分別高10.3%、7.9%、4.1%、6.2%；兩年W4處理均與W3、W5差異不顯著（P>0.05），與W1、W2差異顯著（P<0.05）。這表明灌水量增加會提高棉花產量，但是當增加到一定閾值時，產量就不會繼續增加。

表2 不同灌水量棉花產量和產量構成因素變化Table 2 Variation of yield and yield components of cotton with different irrigation amount

進一步分析產量構成因素可以看出，總鈴數隨灌水量的增加呈先增加后降低趨勢，表現為W4處理總鈴數較W1、W2、W5處理增加11.4%、11.8%、4.2%，較W3處理降低2.5%，且顯著高于W1、W2處理（P<0.05），與W3、W5處理差異不顯著（P>0.05）。兩年單鈴質量均為W4處理最高，較其他處理增加2.2%～4.1%，2019年與W2、W3、W5處理差異顯著（P<0.05），2020年差異不顯著（P>0.05），可能由于2020年氣溫比2019年高，播期較2019年提前了5 d，且2020年對灌水頻率和灌水定額進行了優化，有利于棉鈴發育。

2.2 灌水量對無膜栽培棉花土壤含水率的影響

試驗表明（圖3），2019—2020年不同處理土壤含水率隨土層深度的增加呈升高趨勢。出苗后0～46 d 0～80 cm土層平均土壤含水率隨灌水量增加而升高，各處理間無顯著差異（P>0.05）。0～20 cm土層中各處理土壤含水率無顯著差異（P>0.05），較>20～80 cm土層顯著降低44.6%～52.5%（P<0.05）；>20～40 cm土層中，W1土壤含水率較其他處理降低1.9%～10.7%，差異顯著（P<0.05）。

出苗后46～67 d，0～80 cm土層內，W5處理土壤含水率最高，為33.34%；W1處理最低，為30.87%，W5處理較其他處理高4.7%～8.0%。出苗后67～88 d，>60～80 cm土層內，W1處理土壤含水率較其他處理降低5.8%～17.1%（P<0.05）。出苗后88～109 d土壤含水率較0～88 d相比降低21.2%～35.0%（P<0.05）。綜上，灌水量主要影響了前88 d土壤含水率變化，尤其是>40～80 cm土層，且隨灌水量的增加土壤含水率顯著增加。

2.3 灌水量對無膜栽培棉花土壤溫度的影響

土壤溫度變化是隨著太陽輻射和大氣溫度的變化而吸收或釋放能量的過程[17]。如圖4所示，不同處理土壤溫度均隨生育期推進呈下降趨勢，各處理土壤溫度在播種后55～75 d達到峰值；0～55 d，W1處理的夜間土壤溫度最低，比其他處理分別低0.8%、1.0%、0.8%、1.0%，這可能由于土壤含水率過低，土壤熱容量小，晚上和清晨隨著氣溫的降低降溫速度也比較快[18]。在55～95 d，0～20 cm土層內，W5處理夜間溫度比其他處理分別低0.8%、0.7%、1.8%、0.7%；>20～40 cm土層內，W4處理夜間溫度比其他處理分別低1.2%、1.1%、1.7%、1.4%。W4處理土壤溫度在播種后0～55 d和95～135 d分別比其他處理高0.4%～1.3%、0.4%～2.4%。說明棉花根區土壤溫度變化與含水率變化密切相關，含水率降低溫度就會上升。

2.4 灌水量對無膜栽培棉花土壤pH值的影響

土壤pH值是影響土壤肥力、反映土壤鹽堿度的重要因素之一。2019—2020年土壤pH值變化如圖5所示。隨土層深度的增加，pH值呈增加趨勢；2019年pH值隨灌水量的增加呈先增加后降低趨勢；2020年pH值隨灌水量的增加呈增加趨勢。在0～30 cm 土層，不同灌水量處理pH值存在差異，總體表現為下層pH值要高于表層，說明表層含水率下降、水分向深層移動，導致表層土壤溫度增加，抑制鹽分表聚。

2019—2020年pH值分別在出苗后67、89 d達到最大值，W3處理土壤pH值比其他處理低0.7%、0.5%、0.8%、1.5%，W5處理保持較高水平；在出苗后0～60 d，0～30 cm土層內，W4處理比其他處理分別降低0.4%、0.8%、0.1%、0.7%。在90～120 d，0～10 cm 土層內，W3處理最低，W1處理比其他處理高0.5%、1.2%、1.0%、0.2%；>10～30 cm土層內，W4處理pH值比其他處理低1.1%、0.9%、0.7%、0.7%。說明土壤含水率降低，土壤溫度增加，其pH值會降低。

2.5 不同灌水量對無膜栽培棉花土壤電導率的影響

土壤電導率是土壤中水溶性鹽的指標。2019—2020年土壤電導率值分布見圖6。隨土層深度增加電導率呈降低趨勢；隨生育期推進電導率呈逐漸增加趨勢。兩年數據顯示0～10 cm 土層含鹽度較高，電導率值范圍在404.3～515.4μS/cm之間，W4處理電導率較W1、W2、W5處理增加7.6%～12.2%（P<0.05）。0～10 cm 較>20～30 cm土層相比，電導率顯著增加48.8%～76.6%（P<0.05）。在出苗后0～60 d，0～30 cm 土層內，W3處理電導率分別比其他處理高6.5%、8.5%、3.6%、14.3%。在出苗后60～90 d，各處理在 0～10 cm 和>20～30 cm 土層內，W5處理分別比其他處理低13.9%～22.9%、0.6%～12.7%（P<0.05）。在出苗后90～120 d，0～10 cm 和>20～30 cm 土層內，W1處理最低，W3處理電導率最高，分別比其他處理高8.7%～36.1%、1.1%～13.7%（P<0.05）。說明夜間、深層灌溉會使水分向下運移，白天隨著地表溫度上升，深土層中的可溶性鹽分離子隨著水分的蒸發上行并在地表積聚，導致表層電導率增加。

2.6 各指標相關性分析

由表3可以看出，2019年，產量與蕾期10 cm土層電導率呈顯著正相關關系、與pH值呈顯著負相關關系；與30 cm土層電導率呈極顯著負相關關系；產量與花期10 cm土層pH值呈極顯著負相關關系，與20 cm土層土壤含水率呈顯著正相關關系；產量與盛鈴后期0～20 cm電導率呈極顯著正相關關系，與pH值呈極顯著負相關關系。

表3 產量與不同時期棉花各指標之間相關性分析Table 3 Correlation analysis between yield and cotton indexes in different periods

2020年，產量與蕾期 20 cm 土層土壤含水率和土壤溫度呈顯著負相關關系，與電導率和pH值 呈顯著正相關關系，與30 cm土層土壤溫度呈顯著負相關關系，與電導率呈極顯著正相關關系；產量與花期10 cm土層電導率呈顯著負相關關系，與pH值呈極顯著正相關關系，與20 cm土層土壤溫度呈顯著負相關關系，與pH值呈極顯著正相關關系；產量與盛鈴后期20 cm土層土壤溫度和pH值呈顯著負相關關系，與電導率呈顯著正相關關系。

3 討 論

3.1 土壤含水率對無膜深層滴灌灌水量變化的響應

棉花的生長速度除了與本身生理特點有關，還與土壤含水率和灌水有關[19]。隨灌水量的增加，>10～40 cm土層含水率增大，而 40 cm以下土壤含水率受灌水量影響較小[20]；無膜滴灌土壤含水率隨灌水定額的增加整體表現為增加趨勢，不同灌水定額0～20 cm土層土壤含水率波動明顯[21]。本試驗表明，隨灌水量的增加，>20～60 cm土層含水率增大，0～20 cm土層含水率受灌水量影響較小，20 cm以下受灌水量影響較大。在出苗后88 d以前土壤含水率隨灌水量增加而增加，差異顯著，88 d以后各處理間差異不顯著。這表明與覆膜滴灌不同，無膜深層、夜間灌溉模式下表層含水率波動小，深層含水率變化明顯，運移到表層的含水率降低可減少因不覆膜而造成的水分蒸發。

高頻灌溉使表層土壤含水率過高或產生積水，40 cm以下深層土壤濕潤不夠，大量水分被蒸發而不能向下運移被作物根系吸收利用，不利于產量形成；低頻滴灌水分補充不及時，表層土壤含水率較低；7 d 處理下不同土層的土壤含水率變化較小，棉花產量表現最高[14,22-23]。本試驗中，2019年蕾期高頻滴灌（滴水周期2 d）下，表層含水率較低，>40～80 cm土層含水率升高；在盛鈴后期低頻滴灌（滴水周期10 d）下，各土層土壤含水率均減小；2020年中頻滴灌（滴水周期7 d）下，各土層含水率變化較小。可能本試驗不覆膜改變了0～20 cm土層溫度和蒸發速度，滴灌帶埋設在15 cm土層使向下滲透的水量多于向上蒸發的水量，導致表層土壤含水率減少。因此，中頻灌溉（滴水周期7 d）能減少表層水分蒸發，保持中下層土壤含水率充足，增加根系附近土壤含水率。

3.2 土壤溫度、電導率、pH值對土壤含水率變化的響應

土壤溫度升高將使導水率增大，有利于根系吸水，作物根系耗水使根區土壤含水率發生變化[24,15]。水分的熱容量較高，在土壤含水率高的區域，土壤增溫較慢；在土壤含水率低的區域，土壤增溫快[25]。覆膜栽培夜間地膜阻隔了土壤與大氣之間的熱交換，起到保溫作用[18]。本試驗表明，因不覆膜會導致10 cm 土層溫度受氣溫影響明顯，變化幅度較大，保溫效果明顯低于膜下滴灌；夜間溫度受灌水制度影響較大，20和30 cm土層溫度均隨含水率的減少而升高。

土壤鹽分運移的載體是土壤水分[26]。前人研究發現增加滴水頻率可使含鹽量持續處于一個較低的狀態[27]；灌水量增加不會顯著影響土壤pH值[28]，可以降低鹽分的累積并獲得高產[29]；而灌水量較少，表層會積聚大量的鹽分離子[30]。本試驗表明，各處理在 0～10 cm 土層發生積鹽現象，在>20～30 cm土層內含鹽量降低。可能是因為滴灌過程中上層土壤鹽分向下遷移集中在濕潤體的邊緣，土壤濕潤體內部會形成一個鹽分濃度較低的淡化區[31]；也可能是夜間、深層灌溉會使水分向下運移，白天隨著地表溫度上升至深土層中的可溶性鹽分離子隨著水分的蒸發上行并在地表積聚。

3.3 棉花產量對無膜深層滴灌灌水量變化的響應

本試驗最高籽棉產量為W4處理4 873 kg/hm2，衣分42.8%（數據未列出），皮棉產量2 086 kg/hm2，當年新疆單位面積皮棉產量為2 063 kg/hm2。說明在沒有增加用水量的條件下，無膜棉花的產量亦可以達到新疆棉花平均產量。通過兩年比較發現，2020年比2019年保苗株數增加4.05萬株/hm2、日平均最高氣溫高0.5 ℃、播期早5 d、單鈴質量高17.9%，棉鈴發育良好，因而產量最高。說明，通過進一步優化灌溉頻率可以進一步挖掘無膜棉產量潛力[32]。

吳曦等[33]發現土壤pH值與灌水量呈顯著正相關關系。萬書勤等[34]發現灌溉水的電導率大于1.1 d S/m時，電導率越大黃瓜產量越低。本試驗表明，籽棉產量與土壤0～20 cm土層電導率、pH 值、花期土壤含水率以及盛鈴后期土壤溫度具有顯著的相關性。說明栽培模式由覆膜轉變為無膜后，深層、夜間灌溉棉花通過增加根系集中區土壤含水率使深層滴灌帶附近為主要耗水層，降低地表無效蒸發，提高灌溉水利用效率，進而改變根區土壤含鹽量及溫度，調控棉花根區無機環境，最終影響棉花產量。

4 結 論

本文研究了棉花產量形成及根區水分、溫度和鹽分濃度變化規律，探究無膜棉花產量及其根區溫濕鹽對深層、夜間灌溉量的響應機制，得到以下結論。

1）無膜高密度深層、夜間滴灌模式下，0～20 cm土層中土壤含水率較>20～60 cm 土層顯著降低44.6%～52.5%，0～10 cm較>20～30 cm土層，電導率顯著增加48.8%～76.6%、pH值降低2.5%～2.9%。無膜深層、夜間滴灌模式促進水分下移，降低表層土壤含水率，增加滴灌帶附近土壤溫度，抑制鹽分表聚。

2）隨著土壤含水率減少，土壤溫度升高，pH值降低，電導率增加。與其他處理相比，W4處理土壤溫度在播種后0～55和95～135 d分別高0.4%～1.3%和0.4%～2.4%、電導率增加7.6%～12.2%。

3）總鈴數、單鈴質量和籽棉產量隨著灌水量的增加呈先增加后降低趨勢。籽棉產量與土壤>10～20 cm土層電導率、pH值、花期土壤含水率以及盛鈴后期土壤溫度具有顯著的相關性。當灌水量為3 477 m3/hm2有利于營造適宜棉花生長的根區溫度、電導率、pH值環境，籽棉產量達到4 873 kg/hm2，實現了無膜棉高效生產的目標。