深松耕作下灌溉定額對(duì)棉田水分利用效率及產(chǎn)量的影響

王 亮，吾買爾江·庫(kù)爾班，郭仁松，林 濤，徐海江，鄭子漂，崔建平，田立文

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，烏魯木齊 830091；2. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院庫(kù)車陸地棉試驗(yàn)站，新疆庫(kù)車 842099)

0 引 言

【研究意義】新疆南疆地區(qū)極端干旱，南疆農(nóng)業(yè)用水量占全疆農(nóng)業(yè)用水量的60.5%，占南疆總用水量的比例為97.1%[1-4]。南疆棉區(qū)連作年限長(zhǎng)，種植強(qiáng)度大，輪作倒茬難[5]，耕地質(zhì)量耕層“淺、實(shí)、少”[6]。優(yōu)化灌溉制度，有效的控制灌水用量，提高有限灌溉水的高效利用，對(duì)消減連作棉田土壤障礙，促進(jìn)棉花生長(zhǎng)發(fā)育，提高棉花產(chǎn)量有實(shí)際意義。【前人研究進(jìn)展】灌水可改變土壤水、肥、氣、熱等環(huán)境因子，是影響棉花生長(zhǎng)發(fā)育及水分生產(chǎn)效率和產(chǎn)量的最重要因素，其與水鹽分布、土壤物理狀況和產(chǎn)量關(guān)系密切[7]。朱寶國(guó)等[8]研究表明，灌水可改善土壤物理性質(zhì)，0～60 cm土層含水量提高9.5%～12.0%，過(guò)度灌溉反而抑制作物群體生長(zhǎng)；王增利、袁成福等[7,9]先后在甘肅省石羊河流域進(jìn)行灌溉定額對(duì)水鹽運(yùn)移的影響研究表明，隨灌溉定額增加土壤表層和深層積鹽，中層發(fā)生淋溶，積鹽深度增加；趙經(jīng)華等[10]發(fā)現(xiàn)，灌水量越大，深層滲漏損失越嚴(yán)重，水分利用效率隨灌水定額的增加呈單峰曲線變化；Dagdelen等[11]研究表明，灌溉定額與產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，而與水分利用效率呈負(fù)相關(guān)性。農(nóng)田多年連作，造成作物根系生長(zhǎng)不利、營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸不暢、產(chǎn)量降低[12]，深松對(duì)減輕農(nóng)田土壤連作障礙具有較好的效果[13]，深松可打破犁底層，降低土壤緊實(shí)度，促進(jìn)作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育及分布，改善作物生長(zhǎng)的根區(qū)環(huán)境[14-15]。【本研究切入點(diǎn)】棉花群體生長(zhǎng)質(zhì)量受土壤水分及耕作方式的影響較大，需研究深松環(huán)境條件下，不同灌溉定額對(duì)棉花水分利用效率及產(chǎn)量的影響，且以往研究中有關(guān)深松與灌溉定額相結(jié)合的研究結(jié)果報(bào)道較少。需研究節(jié)水、增產(chǎn)的可能性，分析南疆棉田灌溉制度。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】采用田間定位試驗(yàn)，在深松耕作40 cm的基礎(chǔ)上，分析不同灌溉定額下棉花生長(zhǎng)發(fā)育及水分的變化規(guī)律，以及對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的影響，為棉花生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高效用水，節(jié)水保產(chǎn)的灌溉體系完善提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)設(shè)在2019年4～10月在新疆阿瓦提縣新疆農(nóng)科院試驗(yàn)基地(N40°06'，E80°44')，海拔高度1 025 m。試驗(yàn)區(qū)是典型的旱作植棉區(qū)，棉花種植依賴灌溉，年均降雨量?jī)H有46.7 mm，平均蒸發(fā)量高達(dá)1 890.7 mm，年平均氣溫10.4℃，無(wú)霜期211 d。2019年棉花生育期內(nèi)(4月25～9月28日)降水量129.02 mm，沙質(zhì)壤土，試驗(yàn)區(qū)域連作棉花年限達(dá)30 a以上，供試棉花品種為新陸中88號(hào)。田間持水量29.2%。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

播種前機(jī)械深松40 cm，采用單因子隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置4個(gè)灌溉定額，即：2 400、3 000、3 600和4 200 m3/hm2，分別計(jì)為W1、W2、W3和W4處理，每處理重復(fù)4次，共16個(gè)小區(qū)，采用1膜雙管6行種植模式，膜寬2.05 m，播幅2.3 m，每3個(gè)播幅為1個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)寬6.9 m，長(zhǎng)6.5m，面積44.85 m2，小區(qū)之間設(shè)保護(hù)行，試驗(yàn)區(qū)

總長(zhǎng)27 m(含走道)，寬34.5 m(含保護(hù)行)，總面積為931.5 m2。株行配置為窄行10 cm，寬行66 cm，2根滴灌帶間距76 cm，滴頭間距25 cm，滴頭設(shè)計(jì)流量2.1 L/h，種植密度2.4×105株/hm2。每小區(qū)采用單獨(dú)水表控水計(jì)量，生育期隨水施肥。6月20日灌頭水，之后每間隔7 d滴灌1次，全生育期共滴水10次，基肥加追肥共施入尿素(含N≥46%)675 kg/hm2，過(guò)磷酸鈣(P2O5≥12%)375 kg/hm2，農(nóng)用硫酸鉀(K2O≥50%)150 kg/hm2。于4月18日播種，9月30日收獲，總計(jì)165 d。表1

表1 灌溉時(shí)間、灌水量及降雨量Table 1 The list of irrigation time, irrigation amount and rainfall

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

1.2.2.1 棉花生長(zhǎng)發(fā)育

觀測(cè)并記錄棉花出苗率及各個(gè)生育時(shí)期的時(shí)間，于每小區(qū)定點(diǎn)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的5株棉樣，在棉株苗期、蕾期、盛花期、盛鈴期和吐絮期測(cè)定株高，并在各生育時(shí)期分別采集棉株地上部和地下部分，將獲得的植株樣立即帶回實(shí)驗(yàn)室，分根、莖葉、蕾鈴花等器官稱其鮮重后，裝入紙袋105℃殺青30 min后于80℃烘干至恒重，測(cè)定其干物質(zhì)量。

1.2.2.2 葉面積指數(shù)

從苗期開始，通過(guò)觀察各處理棉花生長(zhǎng)發(fā)育狀況，在各小區(qū)長(zhǎng)勢(shì)均勻處分別連續(xù)測(cè)定2個(gè)窄行，寬行及裸行間的葉面積指數(shù)，取其平均值即得到各處理的葉面積指數(shù)，每10 d測(cè)定1次，由CI-110植物冠層數(shù)字圖像分析儀(Li-Cor Inc., USA)測(cè)定。

1.2.2.3 土壤含水量

于棉花生育期內(nèi)用烘干法測(cè)定土壤含水量，從現(xiàn)蕾至吐絮期，每個(gè)生育時(shí)期依次在各處理灌水前一天用土鉆于小區(qū)第2幅膜(減小邊際效應(yīng))膜間滴頭正下方，分別采取0～20，20～40，40～60，60～80 cm土層土樣，每小區(qū)2個(gè)樣點(diǎn)，重復(fù)3次，取好鮮土樣裝入塑料自封袋密封后立刻帶回實(shí)驗(yàn)室，取部分鮮土倒入鋁盒中，分別稱鮮重，記為M1；放入80℃烘箱烘干至恒重，稱干重，記作M2，取其平均值。土壤質(zhì)量含水率(W)計(jì)算：

W=(M1-M2)/M2×100%.

(1)

式中W為土壤質(zhì)量含水率(%)，M1為鮮土樣質(zhì)量(g)，M2為烘干土樣質(zhì)量(g)。

1.2.2.4 棉田耗水量

采用水量平衡法計(jì)算農(nóng)田耗水量ETc[16]：棉花生育期內(nèi)耗水量ETc(mm)采用公式(2)計(jì)算：

(2)

式中γi為土壤干容重(g/cm3)，Hi為土層厚度(cm)，θi1和θi2分別為階段初和階段末的土壤質(zhì)量含水量(%)，P為棉花生育期內(nèi)降雨量(mm)，I為棉花生育期內(nèi)灌溉量(mm)，SP為深層土壤水分滲漏量(mm)，S為地表徑流量(mm)，試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦，在有作物生長(zhǎng)的農(nóng)田，降水入滲深度不超過(guò)2 m，故SP可忽略不計(jì)；當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.5 m時(shí)，地下水上移補(bǔ)給作物水量可視為0(試驗(yàn)地下水埋深在5 m以下，故SP和S值均視為0[17])。

1.2.2.5 產(chǎn)量及水分利用效率

實(shí)收計(jì)產(chǎn)，每個(gè)小區(qū)產(chǎn)量單獨(dú)核算，主要測(cè)定指標(biāo)有單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴重、籽棉產(chǎn)量。WUE計(jì)算：

WUE=Y/ETc.

(3)

式中Y為籽棉產(chǎn)量(kg/hm2)，ETc為棉花生育期內(nèi)耗水量(mm)。

1.2.2.6 氣象要素

由常規(guī)田間氣象站(WatchDog 2900ET, Spectrum, Inc., USA)測(cè)定降水量、溫度和風(fēng)速等氣象參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010，SigmaPlot12.5，Surfer8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，并用Spss19.0對(duì)不同處理的變量進(jìn)行LSD 顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉定額對(duì)株高的影響

研究表明，苗期至蕾期各處理間株高差異不顯著(P>0.05)，盛花期W4處理株高顯著高于W1處理(P<0.05)，較W1處理高出20.5%，而其他各處理間均無(wú)顯著性差異。盛鈴至吐絮期，棉株生長(zhǎng)緩慢或近乎停止生長(zhǎng)，相同處理株高變化較穩(wěn)定，處理間有顯著性差異(P<0.05)，W1處理株高顯著低于W3和W4處理，W2、W3和W4處理間差異不顯著。從盛花期至吐絮期，不同灌溉定額處理株高均呈現(xiàn)為W1

注：圖中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 不同灌溉定額對(duì)葉面積指數(shù)的影響

研究表明，不同灌溉定額下葉面積指數(shù)隨著灌溉定額的增加而增加，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)各處理葉面積指數(shù)均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，W1、W2和W4處理葉面積指數(shù)在盛花期達(dá)到峰值，W3處理葉面積指數(shù)在盛鈴期達(dá)到峰值。苗期和吐絮期各處理葉面積指數(shù)基本一致，蕾期、盛花期和盛鈴期葉面積指數(shù)均表現(xiàn)出W4>W3>W2>W1的規(guī)律，蕾期W4處理顯著高于W1和W2處理(P<0.05)，分別高出24.5%、15.1%；盛花期W4處理顯著高于W1、W2和W3處理(P<0.05)，分別高出48.4%、26.7%和25.3%，而W1、W2和W3處理間無(wú)顯著性差異(P>0.05)；盛鈴期W4處理顯著高于W1和W2處理(P<0.05)，分別高出41.2%和15.9%。增加灌溉量可提高棉花葉面積指數(shù)，有助于光合產(chǎn)物形成，提高植株生物量。圖2

圖2 棉花葉面積指數(shù)隨灌溉定額變化Fig.2 Changes of cotton leaf area index with irrigation quota

2.3 不同灌溉定額對(duì)干物質(zhì)積累的影響

研究表明，灌溉定額對(duì)棉花苗期和蕾期干物質(zhì)積累量的影響不大，各處理間差異不顯著(P>0.05)；盛花期至吐絮期各處理間存在顯著性差異(P<0.05)，盛花期，W1處理干物質(zhì)積累量顯著，較W2、W3和W4處理降低13.0%、14.8%和18.1%，而其他處理間未達(dá)到顯著性差異，隨灌溉定額的增加干物質(zhì)積累量逐漸增大；盛鈴期，各處理干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為W3>W2>W4>W1處理的變化趨勢(shì)，W3處理顯著較W1、W2和W4處理高出40.3%、22.8%和19.7%，W2和W4處理顯著較W1處理高出14.3%和17.3%，而W2和W4處理間無(wú)差異；吐絮期各處理間干物質(zhì)積累量變化規(guī)律與盛鈴期一致，W3處理干物質(zhì)積累量顯著較W1、W2和W4處理高出18.8%、9.6%和13.9%，W1處理干物質(zhì)積累量最低。增加灌溉定額可促進(jìn)生育后期單株干物質(zhì)的形成，但灌溉量過(guò)大反而不利于干物質(zhì)的積累。圖3

圖3 不同灌溉定額下干物質(zhì)積累量變化特征Fig.3 Characteristics of dry matter accumulation of cotton under different irrigation quotas

隨灌溉定額的增加，單株干物質(zhì)最大積累速率和生長(zhǎng)特征值均呈現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)灌溉定額為W3時(shí)，積累速率和生長(zhǎng)特征值達(dá)到最大，W4處理的最大積累速率最小，各處理干物質(zhì)積累進(jìn)入快速增長(zhǎng)期的起始日差異不大，結(jié)束日W4處理均較W1、W2和W3處理推后約10 d，最大積累速率出現(xiàn)日也較其他處理晚4 d。增加灌溉定額有利于加快干物質(zhì)的快速積累，當(dāng)灌溉定額繼續(xù)增大時(shí)，則不利于干物質(zhì)的形成。 表2

表2 棉株地上部分生物量積累的Logistic模型及其特征值Table 2 The Logistic equation and its features of above ground cotton dry matter accumulation

2.4 灌溉定額對(duì)土壤水分分布的影響

研究表明，0～80 cm土層內(nèi)，不同處理土壤含水量均呈逐漸增大的變化趨勢(shì)，60～80 cm土層土壤含水量最大。從蕾期至吐絮期，不同灌溉定額處理土壤含水量均呈現(xiàn)為W4>W3>W2>W1的變化。不同處理在各生育期土壤水分的變化情況有所不同，蕾期，W1和W2處理土壤含水量隨土層深度變化呈先增加后減小的變化趨勢(shì)，在60 cm土層處達(dá)到最大，60～80 cm土層，土壤含水量開始減小，而W3和W4處理土壤含水量呈先快增后緩增的變化規(guī)律，且40 cm土層以上，W3處理土壤含水量略高于W4處理，而下層土壤內(nèi)表現(xiàn)為相反的變化規(guī)律，這主要是由于W4處理灌溉定額較大，棉株較小，吸收利用少，加之氣溫較低，蒸發(fā)損耗少，致使土壤水分向下移動(dòng)。至花鈴期，W1處理在0～40 cm土層內(nèi)，土壤含水量下降至更低，W3和W4處理土壤含水量則可維持在較高水平，且各土層上不同處理間均呈現(xiàn)為W4>W3>W2>W1的變化趨勢(shì)；吐絮期各處理土壤含水量均高于其他生育時(shí)期，此外，不同生育時(shí)期各處理在40～80 cm土層土壤含水量明顯高于0～40 cm土層，隨灌溉定額的增加土體內(nèi)土壤含水量增大，但灌溉量過(guò)大，容易造成水分下滲，不利于水分利用效率的提高。 圖4

圖4 不同灌溉定額處理土壤水分動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic variation of soil moisture under different irrigation quota treatments

2.5 灌溉定額對(duì)產(chǎn)量及水分利用效率的影響

研究表明，不同灌溉定額對(duì)收獲株數(shù)和衣分的影響均未達(dá)到顯著性差異(P>0.05)；單株結(jié)鈴數(shù)隨灌溉定額的增加呈先增后減的變化趨勢(shì)，當(dāng)灌溉定額為W3時(shí)，單株結(jié)鈴數(shù)最大，顯著高于W1處理(P<0.05)，高出10.9%，與W2和W4處理無(wú)顯著性差異；單鈴重以W2處理最大，顯著大于W4處理；籽棉產(chǎn)量，各處理間表現(xiàn)為W2>W3>W1>W4處理，W2和W3處理顯著高于W1和W4處理(P<0.05)，前兩者之間無(wú)顯著性差異，與其他處理相比，W2處理分別高出10.9%、0.6%和11.8%。隨灌溉定額的增加，棉田耗水量顯著增大(P<0.05)，W4處理顯著高于W1至W3處理，分別高出45.5%、22.2%和13.0%，水分利用效率隨灌溉定額的增加顯著性降低(P<0.05)，與W1處理相比，W2、W3和W4處理分別降低7.1%、14.2%和31.9%。W2和W3處理下，單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴重和籽棉產(chǎn)量均高于其他處理，且水分利用效率降低幅度要小于棉田耗水量的增大幅度，在節(jié)水基礎(chǔ)上，W2和W3處理更有利于水分的高效利用，促進(jìn)籽棉產(chǎn)量提高。表3

表3 不同灌溉定額下籽棉產(chǎn)量及水分利用效率變化Table 3 Changes of seed cotton yield and water use efficiency under different irrigation quotas

3 討 論

深松耕作和灌水對(duì)土壤表層及以下的水分分布狀況有很大影響[18]，深松可打破犁底層，降低土壤容重，提高土壤蓄水抗旱能力，具有創(chuàng)造適宜作物生長(zhǎng)的良好土壤狀況的優(yōu)點(diǎn)[19-20]。而灌水定額是灌溉制度的重要指標(biāo)，適宜的灌水量可保證作物正常生長(zhǎng)的水分環(huán)境，為作物生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造良好條件[21-22]。隨著灌水量的增加，土壤硬度降低，形成的濕潤(rùn)體體積增大，不同層次土壤含水量越高[23]，而土壤水分分布與灌溉定額呈顯著正相關(guān)關(guān)系[24]。研究結(jié)果表明，深松40 cm耕作下，灌溉水量直接影響土壤水分分布狀況，隨灌溉定額增加，不同土層土壤含水量均呈現(xiàn)為W4>W3>W2>W1的變化趨勢(shì)，40～80 cm土層以下土壤含水量明顯提高，有利于深層土壤水分的貯存；但水分利用效率則依次顯著性降低(P<0.05)，W4處理相比W1處理降低31.9%，在深松40 cm條件下，灌溉定額過(guò)大，容易造成水分下滲的可能，反而不利于水分的高效利用。

深松耕作及灌水量通過(guò)改變根區(qū)環(huán)境對(duì)作物生長(zhǎng)、水分利用效率及產(chǎn)量構(gòu)成等方面具有積極作用[25]。研究表明，灌溉定額對(duì)棉花株高、葉面積指數(shù)、生物量累積、產(chǎn)量形成及水分利用效率的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，隨著灌溉定額的增加，可加速棉花生長(zhǎng)發(fā)育，株高和葉面積指數(shù)呈線性增大變化趨勢(shì)，群體生物量則增加到一定值后受到抑制開始降低，且W3處理顯著高于W1處理(P<0.05)，棉花單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴重和產(chǎn)量均有所提高，當(dāng)灌溉定額超過(guò)4 200 m3/hm2(W3)時(shí)，產(chǎn)量構(gòu)成因子開始顯著降低，適中的灌溉定額可以獲得較高的生物量和產(chǎn)量，灌水量過(guò)多或過(guò)少均會(huì)造成減產(chǎn)，與shirazi S M等[26]的研究結(jié)論一致，但也有研究認(rèn)為灌溉定額越大，棉花產(chǎn)量越高[11]，可能是因?yàn)樵O(shè)定的灌溉定額范圍不同。水分利用效率隨灌溉定額增大顯著降低，棉田耗水量則顯著增加，與梁哲軍、張國(guó)強(qiáng)等[27-28]的研究結(jié)論不符，其表明隨著灌溉定額增大，作物水分利用效率提高，灌溉定額達(dá)到一定值后，水分利用效率開始降低，可能與灌水量和作物生育期需水量的大小有關(guān)，當(dāng)灌水量超出生育期耗水量時(shí)，水分利用效率就會(huì)降低[29]，在深松40 cm耕作基礎(chǔ)上，適宜的增加灌溉定額(3 000～3 600 m3/hm2)可促進(jìn)棉花生長(zhǎng)，利于群體干物質(zhì)的積累，利于產(chǎn)量形成，但灌水量過(guò)大或過(guò)小，不僅不能促進(jìn)生物量及產(chǎn)量的形成，不利于水分高效利用，易造成水資源浪費(fèi)。該灌溉制度下長(zhǎng)期膜下滴灌對(duì)根區(qū)環(huán)境變化的影響仍需進(jìn)一步量化與考量。

4 結(jié) 論

深松耕作40 cm條件下，適宜的增加灌溉定額，可加速棉花生長(zhǎng)，提高棉花光合葉面積指數(shù)，有利于干物質(zhì)及產(chǎn)量的形成。灌溉定額過(guò)小，易造成耕層灌溉淺、水分含量低的問(wèn)題，雖水分利用效率較高，但不能滿足棉花正常生長(zhǎng)的水分需求，灌溉定額過(guò)大，反而使棉花旺長(zhǎng)，群體生物質(zhì)量及產(chǎn)量降低，雖提高了深層土壤水分含量，但水分利用效率顯著降低，容易造成水分下滲。當(dāng)?shù)毓喔榷~控制在3 000～3 600 m3/hm2，能平衡水分利用與產(chǎn)量的關(guān)系，促進(jìn)棉花生物量與產(chǎn)量形成。