膜下滴灌配置模式對北疆地區棉花生長與產量的影響

馬占利，王振華*，劉健，宋利兵，溫越，譚明東，梁永輝，何靜

膜下滴灌配置模式對北疆地區棉花生長與產量的影響

馬占利1,2,3，王振華1,2,3*，劉健1,2,3，宋利兵1,2,3，溫越1,2,3，譚明東1,2,3，梁永輝1,2,3，何靜1,2,3

（1.石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000；3.農業農村部西北綠洲節水農業重點實驗室，新疆 石河子 832000）

【目的】探究不同膜下滴灌配置模式對棉花生長及產量的影響，為北疆地區棉花穩產、增收提供技術支撐。【方法】以棉花品種“新陸早42”為研究對象，設置5個膜下滴灌配置模式，分別為：1膜6管12行+窄行布管（N445處理）、1膜3管6行+偏置布管（W205處理）、1膜3管6行+偏置布管+寬行間作小茴香（WJ205處理）、1膜2管4行+窄行布管（N145處理）及1膜3管6行+窄行布管（CK），研究不同膜下滴灌配置模式對棉花生長、光合特性及產量的影響。【結果】棉花株高、葉面積指數、干物質量、光合特性及產量均表現為：N445處理 > CK > W205處理>WJ205處理>N145處理。N445處理的最大株高、最大葉面積指數、地上部干物質量、凈光合速率和籽棉產量相比CK分別增加了5.52%、5.20%、13.61%、10.39%和8.86%，增收4 613.25元/hm2；相同膜寬條件下，偏置布管下（W205處理和WJ205處理）的最大株高、最大葉面積指數、總干物質量、凈光合速率和籽棉產量相比窄行布管（CK）平均降低了6.23%、8.03%、12.73%、3.82%和5.11%。【結論】增加膜寬和窄行布管可以促進棉花生長，提高光合能力，為棉花穩產、增收提供有利條件。在北疆棉區采用1膜6管12行+窄行布管模式是促進棉農增收的有效途徑。

滴灌；模式；棉花；生長；產量；新疆

0 引言

【研究意義】新疆地處歐亞大陸腹地，常年干旱少雨，水資源匱乏。豐富的光熱資源使新疆成為中國最大的優質棉花生產基地，棉花種植產業是新疆經濟發展的重要組成部分之一[1]。近年來，水資源短缺和不合理的耕作方式嚴重制約新疆棉花種植業發展。在現行膜下滴灌大面積推廣背景下，如何進一步改進膜下滴灌配置模式，挖掘棉花增產潛力已成為研究關注的焦點。

【研究進展】隨著棉花產業的不斷發展，膜下滴灌配置模式種類繁多。膜寬和毛管布設方式等因素的改變會對棉田土壤環境和棉花生長發育構成影響。賀歡等[2]研究表明，增加膜寬有利于棉田土壤增溫，顯著促進棉花生長。寧勁松等[3]研究發現，寬膜（1膜3管6行，膜寬2.05 m）相比窄膜（1膜2管4行，膜寬1.45 m）可提高水分利用效率，增加籽棉產量。王東旺等[4]研究發現，采用寬膜覆蓋可以改善土壤水熱條件，促進作物生長發育，使棉花增產13.7%。王萌萌等[5]研究發現，1膜3管6行的種植模式有利于棉花生長和水分吸收。蔡利華等[6]研究發現，在相同的膜寬條件下，窄行布管模式下的土壤水肥條件更優，土壤脫鹽效果更好，可顯著提升產量。

【切入點】盡管膜下滴灌配置模式受到廣泛關注，但以往研究大多局限于膜寬或毛管布設位置單一要素的研究，將二者結合考慮的研究甚少，尤其是關于超寬膜覆蓋（4.45 m）對棉花生長發育的影響研究極少。【擬解決的關鍵問題】鑒于此，本研究基于田間試驗，對比分析了不同膜寬及布管方式對滴灌棉花生長發育、光合特性和籽棉產量的影響，探究適宜北疆棉區的膜下滴灌配置模式，為新疆棉花產業的可持續發展提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年4月21日—10月6日在現代節水灌溉兵團重點實驗室暨石河子大學節水灌溉試驗站內進行，試驗田位于石河子市西郊石河子大學農試場二連（85°59′47″E，44°19′28″N），海拔為412 m，地面平均坡度為6‰。該地區屬于典型溫帶大陸性氣候，多年平均降水量為207 mm，年平均蒸發量為1 660 mm，無霜期為170 d，平均日照時間為2 865 h，平均風速為1.5 m/s。土壤質地為中壤土，0～100 cm土層的土壤平均體積質量為1.53 g/cm3，0～100 cm土層的土壤理化性質如表1所示。棉花生育期（4月21日—10月6日）內的總降水量為90.0 mm，生育期內的日平均氣溫為20.38 ℃（圖1）。

表1 試驗區土壤理化性質

1.2 試驗設計

供試棉花品種為“新陸早42”，設置5種膜下滴灌配置模式（圖2），分別為：1膜6管12行+窄行布管（N445處理，圖2（a））、1膜3管6行+偏置布管（W205處理，圖2（b））、1膜3管6行+偏置布管+寬行間作小茴香（WJ205處理，圖2（c））、1膜2管4行+窄行布管（N145處理，圖2（d））和1膜3管6行+窄行布管（CK，圖2（e））。以上5個處理均采用寬窄行種植方法（66 cm+10 cm），株距為10 cm。每個處理設置3個重復，共計15個小區，小區寬度與膜寬相等，長度為15 m。N445處理的小區面積為66.75 m2，W205、WJ205處理和CK的小區面積為30.75 m2，N145處理的小區面積為21.75 m2。棉花與小茴香于4月21日播種，參考當地常規灌溉及施肥水平，設置灌溉定額為4 500 m3/hm2，尿素（N質量分數為46.4%）施用量為600 kg/hm2，磷酸二氫鉀（P2O5質量分數為51.5%，K2O質量分數為34.0%）施用量為300 kg/hm2，每個小區均設置獨立水表以控制灌水量，其他農藝措施與當地保持一致。

圖1 2021年棉花生育期氣溫和降水量變化

圖2 不同處理的田間布置

1.3 測定指標與方法

1.3.1 株高、葉面積

棉花出苗后，在各小區分別選取6株長勢均一、具有代表性的棉花植株進行標記，每隔15 d觀測1次株高（子葉節至生長點的高度）和葉面積，直至吐絮期結束。葉面積指數的計算式為[7]：

1.3.2 地上部干物質量

于花鈴期末，在每個小區隨機選取6株代表性植株，采集棉花地上部分，分離植株的莖、葉和生殖器官（蕾、花和鈴），將棉花各器官分別裝入信封并放入烘箱中，在105 ℃條件下殺青0.5 h后，將溫度調節至75 ℃烘干至恒質量，采用1/100天平稱量各部分質量，計算單株棉花地上部分的干物質量。

1.3.3 光合特性

于花鈴期灌水后2～3 d選取晴朗無云日進行光合指標的測定。采用Li-6800便攜式光合測定儀測定凈光合速率（）、氣孔導度（）和蒸騰速率（）。在11:00—13:00時間段內進行測量。每個處理隨機選取3株棉花進行測定，每株選取棉花功能葉3片。

1.3.4 產量

棉花吐絮期，在每個小區選取4.4 m2的地塊調查收獲株數和總成鈴數，計算單株成鈴數。各小區選取具有代表性的植株，分別取下部（1～3果枝）、中部（4～6果枝）、上部（7果枝）吐絮鈴各20個，采用1/100電子天平稱質量后計算單鈴質量，每個小區取6.67 m2實收測產量。

1.4 數據分析

采用SPSS 20.0軟件進行數據整理和統計分析，采用Microsoft Excel 2010和Origin 2022b軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理下的棉花株高和葉面積指數

不同配置模式對棉花株高和葉面積指數的影響如圖3所示。在整個生育期內，不同配置模式下的棉花株高和葉面積指數均表現為：N445處理>CK>W205處理>WJ205處理>N145處理。由圖3（a）可知，不同配置模式下的棉花株高在播種后40 d進入快速生長階段，40～100 d株高持續增長，100～130 d內株高基本維持穩定。在播種后100 d，N445、W205、WJ205、N145處理和CK的棉花株高分別為67.73、59.34、58.76、55.15 cm和63.02 cm。相比CK，N445處理下的株高增加了7.48%，而W205處理和WJ205處理下的株高分別降低了5.15%和7.30%。由圖3（b）可知，隨著生育期的推進，葉面積指數呈先增加后減少的變化趨勢。在播種后100 d，各配置模式下的棉花葉面積指數達到最大，N445、W205、WJ205、N145處理和CK的葉面積指數分別為4.49、3.98、3.87、3.70 cm2/cm2和4.27 cm2/cm2。相比CK，N445處理下的葉面積指數增加了5.20%，而W205、WJ205處理和N145處理下的葉面積指數分別降低了6.76%、9.31%和13.22%。

圖3 不同處理下的棉花株高和葉面積指數

2.2 不同處理下的棉花地上部干物質量

膜下滴灌配置模式顯著影響棉花花鈴期各器官的干物質量（表2）。相比CK，N445處理下的單株棉花莖、葉和鈴的干物質量分別提高了10.40%、14.42%和14.85%，N145處理下的單株棉花莖、葉和鈴的干物質量分別降低了23.78%、38.23%和26.36%；偏置布管條件下（W205處理和WJ205處理）的單株棉花莖、葉和鈴干物質量相比CK平均下降了11.68%、2.32%和16.40%；W205處理和WJ205處理之間各器官干物質量無顯著差異，寬行間作小茴香對單株棉花各器官的干物質量無顯著影響。各處理棉花總干物質量表現為：N445處理>CK>W205處理>WJ205處理>N145處理，單株棉花總干物質量分別為87.76、77.25、65.46、64.62 g和55.82 g。

表2 不同處理下的花鈴期棉花各器官干物質量

注 同列數據后不同字母表示在0.05水平上差異顯著。

2.3 不同處理下的棉花光合特性

由圖4可知，不同配置模式對棉花凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度的影響顯著（<0.05）。不同處理棉花的、和均表現為：N445處理>CK>W205處理>WJ205處理>N145處理，leaf則呈相反的規律。、和隨著膜寬的加寬而增大，leaf隨著膜寬的加寬而減小。窄行布管可以提高棉花的、和，寬行布設小茴香對棉花、、和leaf的影響不顯著。光合特性與葉面積指數密切相關，葉面積指數與凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度之間均呈顯著正相關（表3）。

不同處理下的棉花凈光合速率在17.37～24.58 μmol/（m2·s）之間變化。與CK相比，N445處理下的凈光合速率提高了10.39%，N145處理下的凈光合速率降低了21.99%（<0.05）。W205處理和WJ205處理之間的凈光合速率無顯著差異，但均顯著低于CK。N445處理下的蒸騰速率為9.9 mmol/（m2·s），為處理間的最大值，相比CK增加了25.65%；相比CK，W205、WJ205、N145處理的蒸騰速率分別降低了13.68%、15.76%和33.35%。N445、W205、WJ205、N145處理和CK的氣孔導度分別為418.00、272.95、262.61、157.66 mol/（m2·s）和323.32 mol/（m2·s）。其中，N445、W205處理和N145處理之間存在顯著差異，而W205處理和WJ205處理之間無顯著差異，但均顯著低于CK。N445處理下的leaf為處理間的最低值，相比CK顯著降低了29.14%，W205、WJ205處理與CK之間無顯著差異。

圖4 不同處理下的棉花光合特性

表3 葉面積指數與光合特性的偏相關分析

注*表示在0.05水平上相關性顯著；**表示在0.01水平上相關性顯著。

2.4 不同處理下的棉花產量及其組成

不同處理下的籽棉產量見表4。在窄行布設毛管條件下，不同膜寬條件下的籽棉產量存在顯著差異（<0.05）。N445處理下的籽棉產量最高（5 781.36 kg/hm2），其次為CK（5 310.62 kg/hm2），N145處理下的籽棉產量最低（4 671.85 kg/hm2）。在相同膜寬條件下，偏置布管條件下（W205處理和WJ205處理）的籽棉產量相比窄行布管（CK）顯著降低了4.69%和5.54%。與CK相比，N445處理下的單株鈴數和單鈴質量分別增加了5.82%和1.74%。相比CK，N445處理和WJ205處理分別增收4 613.25元/hm2和656.90元/hm2，W205處理和N145處理減收2 439.21元/hm2和6 259.56元/hm2。

表4 不同處理下的棉花產量和收益

3 討論

株高和葉面積指數反映了作物的生長狀況和發育態勢，在作物生長前期通常隨著生育期的推進而增加，到達峰值后會趨于穩定或下降，株高和葉面積可直接量化作物生長情況，易受人為調控的影響。本研究發現，配置模式對棉花的株高和葉面積指數具有顯著影響，這與以往研究結果[9-10]相同。增加膜寬在棉花生長前期可明顯提高土壤溫度[11]，促進棉花生長。在整個生育期內，增加膜寬可改善土壤水分狀況，使根區的驅鹽效果更優[12]，為棉花生長發育提供良好的根區土壤環境。等密度種植條件下，膜寬的增加有利于棉花株高和葉面積指數的增加，且隨生育期的推進差異逐漸增大。研究表明，窄行布管有利于植株對土壤水分和養分的利用，降低根區鹽分水平，促進棉花營養生長和生殖生長[6]，這與本研究結果一致，即窄行布管條件下的棉花生長狀況優于偏置布管。

光合作用對作物生理、生長及產量的形成具有重要影響，適當的葉面積指數可以增加葉片對光的吸收利用[13-15]。葉面積指數與凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度均呈顯著正相關，增加膜寬和窄行布管可提高棉花葉面積指數，提升棉花的光合能力。研究表明，增大膜寬和窄行布管可改善棉田的土壤水熱條件[9-10]，土壤水分和溫度直接影響棉花凈光合速率[7]，這是本研究中N445處理下凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度最大的主要原因。偏置布管（W205處理）和套作小茴香（WJ205處理）模式下的棉花光合特性無顯著差異；與棗棉[16]、麥棉[17]等套作模式不同，小茴香生育期較短，在棉花蕾期完成收獲，對棉花生理生長基本無影響。

在生產實踐中，調整配置模式是改善作物生長環境、促進作物生長發育、提高光合能力和產量的重要措施[18]。增加膜寬和調整窄行布管模式均可改善土壤水分狀況[6,12]，適宜的土壤水分狀況可以改善作物冠層結構，這是提高植株光合能力并增加干物質累積量的關鍵[19]。本研究中N445處理下的凈光合速率和產量最高，偏置布管條件下（W205處理、WJ205處理）的干物質量、凈光合速率和產量均低于CK。棉花生長前期（前60 d）對水肥需求相對較小，小茴香生育期較短（75 d左右），對棉花生理生長基本沒有影響，WJ205處理的籽棉產量與W205處理無顯著差異。N445處理的籽棉產量提升和WJ205處理的小茴香收獲，使得收益相比CK均有所提升，但N445處理的增收效果更為顯著。

4 結論

1）窄行布管條件下，增大膜寬可促進棉花生長，提高棉花光合能力，增加干物質量累積，促進產量提升。與“1膜3管6行”配置模式相比，“1膜6管12行”配置模式下的單株結鈴數增加5.76%，產量提升8.86%，增收4 613.25元/hm2。

2）相同膜寬條件下，窄行布管更有利于棉花的生理生長，籽棉產量相比偏置布管平均增加5.39%。在寬行布設條件下，寬行間作小茴香對棉花產量無顯著影響，增收656.90元/hm2。

3）在北疆棉區采用1膜6管12行與窄行布管配置模式是促進棉花生長發育、提高棉花光合能力、促進棉花增產增收的有效途徑。

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Effects of Planting Patterns on Growth and Yield of Drip-irrigated Cotton in Northern Xinjiang

MA Zhanli1,2,3, WANG Zhenhua1,2,3*, LIU Jian1,2,3, SONG Libing1,2,3,WEN Yue1,2,3, TAN Mingdong1,2,3, LIANG Yonghui1,2,3, HE Jing1,2,3

(1. College of Water Conservancy & Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China;2. Key Laboratory of Modern Water-saving Irrigation of Xinjiang Production & Construction Group, Shihezi 832000, China; 3. Key Laboratory of Northwest Oasis Water-saving Agriculture, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, PR China, Shihezi 832000, China)

【Background and Objective】Northern Xinjiang is the largest and most productive cotton base in China. However, water shortage and unsustainable farming practices have hindered the development of its cotton industry. This study aims to experimentally investigate the effect of planting patterns on physiological growth and yield of the cotton in attempts to help improve sustainability of cotton production in this region.【Method】The experiment was conducted in a drip-irrigated field with film mulch. The planting patterns were designed based on the film width and the distance between adjacent drip tapes: 12 rows and six drip tapes with the film width being 4.45 (N445), six rows and three drip tapes with the film width being 2.05 m (W205), six rows and three drip tapes with the film width being 2.05 m (WJ205), four rows and two drip tapes with the film width being 1.45 (N145). The control is six rows and three drip irrigation tapes with the film width being 2.05 m (CK). During the experiment, we measured the growth, photosynthetic traits and yield of the cotton.【Result】The cotton growth and yield were highest in N445, followed by CK, W205, WJ205 and N145. Compared to CK, N445 increased the height, leaf area index, dry matter accumulation, net photosynthetic rate, and yield of the cotton by 5.52%, 5.20%, 13.61%, 10.39%, and 8.86%, respectively, equivalent to 4 613.25 Yuan/per hectare increase in income. Compared to CK, W205 and WJ205 under the same film width reduced the height, leaf area index, dry matter mass, net photosynthetic rate, and yield of the cotton by 6.23%, 8.03%, 12.73%, 3.82% and 5.11%, respectively.【Conclusion】Increasing film width and narrowing the row space can increase the height, leaf area index and photosynthetic rate of the cotton, thereby promoting accumulation of dry matter, stabilizing cotton yield and increasing economic return. For all planting patterns we compared, the 12 rows and six tapes with the film width being 4.45 m is optimal.

mulched drip irrigation; planting pattern; cotton; growth; yield; Xinjiang

馬占利, 王振華, 劉健, 等. 膜下滴灌配置模式對北疆地區棉花生長與產量的影響[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(5): 9-15.

MA Zhanli, WANG Zhenhua, LIU Jian, et al. Effects of Planting Patterns on Growth and Yield of Drip-irrigated Cotton in Northern Xinjiang[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(5): 9-15.

1672 - 3317（2023）05 - 0009 - 07

S562；S275.6

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022585

2022-10-20

國家重點研發計劃項目（2021YFD1900802-2）；國家自然科學基金項目（52169012）；兵團科技創新團隊項目（2019CB004）

馬占利（1998-），男。碩士研究生，主要從事棉花高產栽培研究。E-mail: 18892997981@163.com

王振華（1979-），男。博士生導師，主要從事干旱區節水灌溉理論與技術研究。E-mail:wzh2002027@163.com

責任編輯：韓 洋