土壤水分調控對南疆滴灌棉花生長、品質及水分利用的影響

何平如，張富倉，范軍亮，侯翔皓，劉 翔，張迎春，薛占琪

(1.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100;2.西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院，陜西 楊凌 712100)

新疆地處內陸干旱區，光熱資源豐富，日照時間充足，2018年新疆棉花產量占全國總產量的84.9%，新疆棉區已發展成我國最大的商品棉生產基地[1]。棉花收入占新疆農民收入的30%以上，南疆地區甚至達50%～70%[2]。然而，新疆棉區干旱少雨，棉花生長所需水分主要依靠灌溉，因此，發展膜下滴灌技術，提高水分利用效率，制定科學合理的灌溉制度是促進新疆農業持續健康發展的重要措施[3-5]。通過對土壤水分定量調控，可以實現適時適量灌溉，適宜水分下限在實際生產中有很大的指導意義[6]。產量和品質的同步提高已成為當今節水農業追求的主要目標[7]，探究不同土壤水分下限調控對作物產量、品質和水分利用效率的影響對實現作物節水高效生產有重要的理論和實際意義。

20世紀90年代以來，國內外針對干旱區土壤水分下限調控、棉花灌溉制度等進行了大量研究。土壤水分下限值是土壤供給植物可利用水分的臨界值[8]，根據土壤水分下限值可以確定作物的灌水時間、灌水定額和灌水次數[9-10]，土壤水分上限應接近田間持水量，下限略高于作物水分脅迫的含水率[11]。根據文獻查新，以滴灌灌溉控制指標的研究及應用主要應用于溫室蔬菜或花卉等[12-14]。近幾年，有學者針對棉花灌水下限指標進行了研究，裴冬等[15]、孟兆江等[16]通過盆栽試驗得出苗期土壤含水量應維持在50%～60%FC(田間持水量)，蕾期和花鈴期分別保持在65%FC和70%FC左右，吐絮期維持在50%～55%FC。汪昌樹等[17]、何平如等[18]在南疆針對灌水下限指標進行的研究主要集中于棉花滴灌土壤水鹽運移方面。李彥[6]、申孝軍等[19]提出了石河子地區不同棉花生育期內適宜的灌水下限。潘俊杰等[20]在新疆呼圖壁縣開展了不同灌水下限的大田試驗，通過Logistic模型模擬棉花的株高和生物量，得出棉花蕾期和花鈴期適宜的灌水下限分別為65%FC和75%FC。鄭旭榮等[21]的研究結果表明：保持土壤含水率在50%～80%田間持水量可以得到較理想的棉花耗水分布。目前針對南疆鹽堿化棉田土壤水分下限調控對棉花生長發育、產量、品質及水分利用效率的影響尚少見報道，本論文以田間持水量為土壤水分上限，梯次性選取不同土壤水分下限開展田間試驗，采用Logistic曲線擬合棉花株高、生物量，應用主成分分析法評價棉花纖維綜合品質，以節水增產調質為出發點，尋求基于水分-產量-品質響應關系的棉花灌溉制度，為優質高效種植提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗于2018年4—10月在新疆庫爾勒市尉犁縣31團2連開展，試驗區地理坐標為40°53′03″N，86°56′58″E，海拔900 m左右。屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，多年平均降水量58 mm，年蒸發量2 417 mm，同期蒸發量約為降水量的50～80倍，平均氣溫11℃，晝夜平均溫差14℃～15℃，多年平均日照時間2 941.8 h，無霜期180～220 d。試驗田地表以下60 cm以砂壤土為主，60～100 cm以砂土為主。0～60 cm土層土壤平均容重1.57 g·cm-3，田間持水量19.39%(質量含水率)，0～100 cm土層土壤初始電導率為187～256 dS·m-1。試驗區2018年棉花生育期內有效降雨僅為5.6 mm，平均地下水埋深為1.53 m，水面蒸發量在棉花播后30～70 d較高。

1.2 試驗設計

供試作物為棉花(新陸中66號)，以FC(田間持水量)為土壤水分上限，按計劃濕潤層FC的不同百分比作為土壤水分下限指導灌溉，試驗共設置5個灌水處理，控制土壤水分下限分別為85%FC(T1)、75%FC(T2)、65%FC(T3)、55%FC(T4)、45%FC(T5)，每個試驗處理設3次重復，共15個小區。采用一膜兩管四行的毛管布置方式，滴頭間距為30 cm，滴頭流量為2.4 L·h-1，棉花種植行距為10 cm×66 cm×10 cm，株距10 cm(圖1)。小區長9 m，寬6 m，各小區之間設置1 m寬保護行，每個小區面積為60 m2。

圖1 棉花種植模式及土樣采集點位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of cotton planting mode and soil sample collection points

圖2 2018年不同處理土壤含水率變化Fig.2 Changes of soil water content ofdifferent treatments in 2018

試驗地于2017年在秋收后進行冬灌，冬灌定額為3 000 m3·hm-2。棉花生育期內采用膜下滴灌方式進行灌溉，灌水量及灌水時間根據土壤水分控制下限確定，棉花計劃濕潤層的土壤含水率在播種后的變化如圖2所示，2018年不同處理的田間灌水方案見表1?？刂聘髟囼炋幚砻藁ㄉ趦仁┓仕揭恢?，肥料均采用文丘里施肥罐隨水施入，棉花蕾期、花期、鈴期、吐絮期的施肥量占總施肥量(N 300 kg·hm-2，P2O5120 kg·hm-2，K2O 60 kg·hm-2)的比例分別為25%、30%、30%、15%，其他田間管理措施(打頂、打藥、除草等)均與當地傳統種植模式保持一致。

表1 不同處理田間灌水方案

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤含水率的測定及灌水量的計算 土壤含水率均采用傳統的烘干法測定，在試驗田按4鉆6層法(見圖1)取土樣，取土樣時以滴頭為中心，在寬行、滴灌帶、窄行及膜外裸地，分別取0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm土層土壤，試驗期間不間斷監測，出現降雨情況加測，當各試驗處理計劃濕潤層的土壤含水率小于控制下限即進行灌溉。

根據棉花各生育期設定的土壤水分上、下限，計算灌水定額，棉花各生育期灌水定額計算公式[22]：

M=10×γ×H×p×(θmax-θmin)

(1)

式中,M為各生育期灌水定額(mm)；γ為土壤容重(g·cm-3)；H為土壤計劃濕潤層厚度，蕾期取40 cm，花期、鈴期與吐絮期取60 cm；p為濕潤比，取0.7；θmax為田間持水量，θmin為測定土壤含水率。

1.3.2 株高與地上部干物質量的測定 待棉花出苗后，在各小區分別選取10株具有代表性的棉花植株掛牌觀測，自蕾期開始每間隔10 d記錄作物的株高。在每個小區內自蕾期開始每間隔10 d隨機選取5株具有代表性的棉花，從莖基部與地上部分離，采樣后分離植株各器官，分別放入105℃ 恒溫箱中殺青30 min，于75℃烘干至恒重，稱量各部分干重并計算地上部干物質量。

應用Logistic曲線對不同土壤水分下限處理株高和地上部干物質累積量進行擬合，Logistic函數表達式[20]：

(2)

式中，K為最大株高Hm(cm)或最大干物質Bm(g)，F為因變量株高(H)或地上干物質(B)，t為播后天數(d)，a、b為經驗系數。對Logistic方程求一階導函數，得式(3)。

(3)

式中，V為株高生長速率(cm·株-1·d-1)或干物質積累速率(g·株-1·d-1) 。求解Logistic方程的二階導函數，并令其等于0，得干物質積累速率最快的時間點為：

(4)

帶入一階導函數得最大速率：

(5)

求解Logistic方程三階導函數并令其等于0，得株高或地上干物質快速積累開始時間(t1)和結束時間(t2)。

(6)

(7)

同時得株高或地上干物質快速積累持續時間：

GT=t2-t1

(8)

1.3.3 籽棉產量 試驗結束后在各小區隨機選取1.52 m2(長1.0 m×寬1.52 m)區域采摘棉花，每個小區重復3次。在該區域內測定棉花株數和總有效鈴數，計算單株有效鈴數和收獲密度；隨機選取試驗田不同高度(中上-中-下層)的棉絮共30朵，計算單鈴重；最后估算棉花籽棉產量。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率(WUE)計算[22]：

WUE=Y/ET

(9)

式中，Y為籽棉產量(kg·hm-2)；ET為作物全生育期內累積耗水量(m3·hm-2)。

1.3.5 作物耗水量的計算 作物耗水量通過水量平衡法得到[23]：

ET=Pγ+U+I-D-R-ΔW

(10)

式中，Pγ為有效降雨量(mm)；U為地下水補給量(mm)；I為灌水量(mm)；D為深層滲漏量(mm)；R為地表徑流量(mm)；ΔW為試驗初期和試驗末期0～100 cm土層土壤水分的變化量(mm)，可由試驗獲得。由于試驗區干旱少雨，地勢平坦，滴灌單次灌水量較少，無法形成地表徑流，取R=0；根據試驗區地下水埋深和水面蒸發資料，結合阿維里揚諾夫公式[24-26]計算棉花生育期內的地下水補給量U=144.86 mm；由于每次膜下滴灌定額較小，不會產生深層滲漏，取D=0。本文試驗田水量平衡方程如下：

ET=Pγ+U+I-ΔW

(11)

1.3.6 品質測定 棉花收獲后委托農業部棉花品質監督檢驗測試中心對棉花纖維品質進行測定。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2016以及Origin 2017繪圖并統計分析試驗所得數據，利用SPSS 20.0對試驗數據進行顯著性方差分析和回歸分析，采用主成分分析法對棉花纖維品質各指標進行綜合分析。

2 結果與分析

2.1 土壤水分下限調控對棉花株高和干物質累積量的影響

土壤水分下限調控對棉花株高和干物質累積量的影響見圖3，棉花生育期內各處理地上部干物質累積速率均在苗期和蕾期較小，在花期和鈴期增長速率較高，在吐絮期趨于穩定。Logistic函數能很好地擬合不同水分處理條件下株高和干物質隨生長天數的變化，株高擬合的R2>0.97，干物質量擬合的R2>0.99，表明Logistic曲線能夠較好地反映株高和地上部干物質量的生長過程。棉花在播后100 d進行打頂，打頂后棉花株高增長緩慢，因此采用Logistic曲線只模擬了播后0～100 d的株高生長狀況。由擬合方程可知(表2)，棉花株高快速生長期從播后45 d左右(苗期)開始到播后75 d左右(蕾期)結束，各處理大致在第60天左右(蕾期)株高生長速率達到最大。提高土壤水分下限有利于植株生長，打頂前T1處理植株高達85.33 cm，分別比T2、T3、T4、T5高2.68%、5.37%、13.43%和25.80%，T1處理土壤水分下限高，對應棉花根系層土壤水分充足，植株生長茂盛。T5處理在灌水前長期處于水分虧缺狀態，作物受水分脅迫，作物生長受到抑制，受旱嚴重，株高僅67.83 cm。

由擬合方程可知，棉花地上部干物質量快速積累期從播后85 d左右(花期)開始到播后125 d左右(鈴期)結束，各處理大致在第105天左右(鈴期)地上部干物質積累速率最大。提高土壤水分下限，地上干物質積累量增大，T1處理地上干物質積累量最大，相比于T2、T3、T4和T5增加了2.10%、10.73%、18.29%、25.38%。T5處理進入t1的時間較其他處理分別提前了6.5、4.31、3.13、0.08 d，進入t2的時間較其他處理分別提前了5.96、6.05、4.87、1.82 d，說明降低土壤水分下限，棉花受旱，棉花生育進程加快，生育期縮短，不利于生物量的積累。

表2 棉花株高與播種后天數的Logistic函數擬合

表3 棉花干物質量與播種后天數的Logistic函數擬合

圖3 土壤水分下限調控對棉花株高和干物質累積量的影響及Logistic函數擬合Fig.3 Effects of different soil water regulation on plant height and aboveground dry biomass and fitting of Logistic function

整體來看，棉花株高快速生長結束在播后75～78 d，棉花地上部干物質量快速積累期在播后82～88 d，植株在結束株高的快速增長后再進入地上干部物質量的快速積累，說明此時植株從營養生長轉向生殖生長。株高快速積累期持續時間T1和T5處理較T2、T3、T4處理長，地上部干物質量快速積累期持續時間T1和T5處理較T2、T3、T4處理短，說明T1、T5促進了棉花的營養生長。

2.2 土壤水分下限調控對棉花產量及水分利用效率的影響

不同土壤水分下限對棉花產量及水分利用效率的影響見表4，不同土壤水分下限對棉花籽棉產量、耗水量、WUE均有顯著的影響。棉花的產量受單株有效鈴數、單鈴重、收獲密度等因素的綜合影響。由表4可看出，各產量構成因子在不同灌水處理下差異明顯。T2處理棉花單株有效鈴數最大，相比T1、T3、T4、T5處理高12.56%、11.85%、18.59%、16.63%。T5處理棉花單鈴重最小，其余各處理單鈴重無明顯差異。T1處理收獲密度較大，其余各處理收獲密度無明顯差異。不同土壤水分下限處理的棉花最終產量為T1>T2>T3>T4>T5，其中，T1處理籽棉產量高達7 233.2 kg·hm-2，相比T2、T3、T4、T5處理分別增加1.21%、9.97%、18.05%和20.78%，T1與T2處理間產量沒有顯著性差異，土壤水分下限為85%FC和75%FC時，棉花產量較高。隨著土壤水分下限的降低，灌溉定額逐漸減少，T1處理灌溉定額最大(378 mm)，T2、T3、T4、T5處理與之相比分別節水11.64%、33.07%、33.95%、46.83%；隨著土壤水分下限的增大，棉花耗水量逐漸增大；T5處理的水分利用效率最高，為1.63 kg·hm-2，相對T1、T2、T3和T4處理增加28.35%、16.43%、7.95%和9.40%。說明棉花產量隨著土壤水分下限的增大逐漸增大，水分利用效率均隨著土壤水分下限的增大逐漸降低。

2.3 土壤水分下限調控對棉花纖維品質的影響

在評價棉花纖維品質優劣的過程中，通過單一指標無法對棉花纖維品質進行判別，因此，采用主成分分析法對表5中8個指標進行綜合分析，評價出相對較優的灌溉處理。由于各指標具有不同的量綱和數量級，為了保證結果的可靠性，需要對數據進行標準化處理。由于棉花斷裂伸長率大于7時數值越小棉花品質越好，馬克隆值大于4.2時數值越小棉花品質越好，短纖維指數和成熟度指數越小棉花品質越好[27]，本文先取棉花的馬克隆值、斷裂伸長率、成熟度指數和短纖維指數為負數，然后再進行標準化。參考王偉娜等[28]的計算方法，按如下原則選擇主成分: 將特征值大于1.0或累積方差貢獻率大于85%的因子數定為主成分個數，該因子即為主成分。分析標準化后的數據，得到主成分的特征值、貢獻率和累積貢獻率(表6)。

通過分析，前兩個成分特征值均大于1.0，可作為主成分。各指標與第1主成分的關系為：F1=0.216X1-0.028X2-0.2X3-0.25X4+0.147X5+0.198X6+0.246X7-0.067X8，與第2主成分的關系為F2=0.156X1+0.334X2+0.214X3+0.082X4+0.184X5+0.049X6+0.098X7+0.331X8，其中，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8分別表示上半部平均長度、長度整齊度指數、斷裂比強度、斷裂伸長率、馬克隆值、短纖維指數、成熟度指數、紡織一致性指數。綜合評價公式為：F=3.627F1+2.905F2。將表6中的標準化值對應帶入主成分公式和綜合評價公式中，得出不同灌溉制度下棉花品質指標的綜合評價值(表7)。綜合評價結果表明，棉花纖維品質依次為T2>T1>T3>T4>T5。

表4 土壤水分下限調控對棉花產量和水分利用效率的影響

表5 土壤水分下限調控對棉花纖維品質的影響

表6 棉花纖維主成分特征值、貢獻率和累積貢獻率

表7 主成分分析法評價棉花纖維品質綜合指標分數與排名

3 討 論

研究表明，滴灌條件下土壤水分下限調控對棉花生長、產量、品質及水分利用效率有顯著的影響。Logistic方程已廣泛用于模擬水稻[29]、玉米[30]、棉花[31]株高或者生物量的生長過程，可以為田間灌水和作物生長預測提供指導。株高是衡量棉花生長狀況的重要指標，也是反映作物營養生長和生殖生長協調程度的重要指標[32]。Wang等[33]研究認為，棉花的株高隨著灌水下限的增加而增加，低灌水下限會產生鹽分脅迫，抑制植株的生長。劉素華等[34]研究得出作物在調虧灌溉下營養生長會受到一定程度限制，體現在株高降低、生物產量也顯著降低。本文研究結果與之相似，通過Logistic方程描述棉花植株的株高、地上干物質量隨播后天數的變化，表明不同土壤水分下限處理間棉花株高、地上干物質量差異明顯，提高土壤水分下限，株高和生物量顯著增加。土壤水分下限過高(85%FC)，棉花側重于營養生長，產生旺長型棉花植株，不利于生物量的持續增高；土壤水分下限過低(45%FC)，棉花受旱，導致棉花生育進程加快，生育期縮短，產生生長不足型棉花植株，不利于生物量的積累。

李百鳳等[8]研究表明，土壤水分控制下限是影響作物產量的重要因素，土壤水分對作物生長過程影響最為密切，土壤水分不足首先表現在作物生物量積累相對緩慢，并最終體現在作物產量上。劉梅先等[35]研究認為雖然滴灌水量少于300 mm可獲得較高的水分利用效率，但作物減產嚴重，但過量滴灌也無明顯增產效應。本文研究結果表明，隨著土壤水分控制下限的降低，棉花產量逐漸減小，水分利用效率逐漸增大。土壤水分下限過高引起灌水量的增加，棉花側重營養生長，產量未明顯提高且不利于節水；土壤水分下限過低導致灌水量的減少，可以提高棉花對土壤水的吸收利用，提高水分利用效率，但植株受旱易發生早衰，導致棉花產量降低。這與蔡煥杰等[36]的研究結果一致，他們認為長時間連續的水分虧缺會造成棉株代謝失調及生長速率下降，從而影響作物的經濟產量，充分供水促使棉株旺長，棉株過早封行，透光透氣條件變差，脫蕾、落花現象嚴重，從而造成了產量的降低。

隨著人們生活水平的提高，品質的提升已成為當今節水農業追求的主要目標。主成分分析法在番茄[37]、馬鈴薯[38]、棉花[39]等作物品質及性狀評價中應用越來越廣泛，主成分分析與評價是一種多元統計方法，采用主成分分析方法對棉花品質進行評價，可以在較少損失原有指標信息的情況下，將多個品質指標轉換為一個品質綜合主成分評價變量[38]。在一定灌水量范圍內，適度減少灌水量可增大馬克隆值，斷裂比強度會隨著水分虧缺程度的升高而降低[40]。本文結果與之相似，土壤水分調控顯著影響棉花的纖維品質，土壤水分下限越低，灌水量越少，馬克隆值越大，成熟度指數越高，斷裂比強度和斷裂伸長率減少。本文通過主成分分析法提取了2個主成分，包含原始數據81.65%的變異信息，獲得棉花品質綜合較優的處理(T2)。

4 結 論

土壤水分下限為75%FC時棉花單株有效鈴數、單鈴重和干物質量增加，棉花品質最好，可以至少獲得最高皮棉產量的98%，并節省11%左右的灌水量，產量和水分利用效率分別達到7 146.4 kg·hm-2和1.40 kg·m-3。因此，綜合考慮提高棉花產量和品質的同時，達到節水的目的，建議南疆棉花生長的適宜灌水下限為75%FC。初步得出南疆鹽堿地膜下滴灌灌溉制度為：非生育期進行冬灌淋鹽，冬灌定額為300 mm，生育期灌溉定額為334 mm，蕾期灌水定額為21 mm，花期、鈴期及吐絮期灌水定額為32 mm，整個生育期灌水12次，灌水周期為8 d。