深松耕作下灌溉定額對棉田水分利用效率及產量的影響

王 亮，吾買爾江·庫爾班，郭仁松，林 濤，徐海江，鄭子漂，崔建平，田立文

(1.新疆農業科學院經濟作物研究所，烏魯木齊 830091；2. 新疆農業科學院庫車陸地棉試驗站，新疆庫車 842099)

0 引 言

【研究意義】新疆南疆地區極端干旱，南疆農業用水量占全疆農業用水量的60.5%，占南疆總用水量的比例為97.1%[1-4]。南疆棉區連作年限長，種植強度大，輪作倒茬難[5]，耕地質量耕層“淺、實、少”[6]。優化灌溉制度，有效的控制灌水用量，提高有限灌溉水的高效利用，對消減連作棉田土壤障礙，促進棉花生長發育，提高棉花產量有實際意義。【前人研究進展】灌水可改變土壤水、肥、氣、熱等環境因子，是影響棉花生長發育及水分生產效率和產量的最重要因素，其與水鹽分布、土壤物理狀況和產量關系密切[7]。朱寶國等[8]研究表明，灌水可改善土壤物理性質，0～60 cm土層含水量提高9.5%～12.0%，過度灌溉反而抑制作物群體生長；王增利、袁成福等[7,9]先后在甘肅省石羊河流域進行灌溉定額對水鹽運移的影響研究表明，隨灌溉定額增加土壤表層和深層積鹽，中層發生淋溶，積鹽深度增加；趙經華等[10]發現，灌水量越大，深層滲漏損失越嚴重，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，灌溉定額與產量呈正相關關系，而與水分利用效率呈負相關性。農田多年連作，造成作物根系生長不利、營養運輸不暢、產量降低[12]，深松對減輕農田土壤連作障礙具有較好的效果[13]，深松可打破犁底層，降低土壤緊實度，促進作物根系的生長發育及分布，改善作物生長的根區環境[14-15]。【本研究切入點】棉花群體生長質量受土壤水分及耕作方式的影響較大，需研究深松環境條件下，不同灌溉定額對棉花水分利用效率及產量的影響，且以往研究中有關深松與灌溉定額相結合的研究結果報道較少。需研究節水、增產的可能性，分析南疆棉田灌溉制度。【擬解決的關鍵問題】采用田間定位試驗，在深松耕作40 cm的基礎上，分析不同灌溉定額下棉花生長發育及水分的變化規律，以及對產量和水分利用效率的影響，為棉花生產實現高效用水，節水保產的灌溉體系完善提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗設在2019年4～10月在新疆阿瓦提縣新疆農科院試驗基地(N40°06'，E80°44')，海拔高度1 025 m。試驗區是典型的旱作植棉區，棉花種植依賴灌溉，年均降雨量僅有46.7 mm，平均蒸發量高達1 890.7 mm，年平均氣溫10.4℃，無霜期211 d。2019年棉花生育期內(4月25～9月28日)降水量129.02 mm，沙質壤土，試驗區域連作棉花年限達30 a以上，供試棉花品種為新陸中88號。田間持水量29.2%。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

播種前機械深松40 cm，采用單因子隨機區組設計，設置4個灌溉定額，即：2 400、3 000、3 600和4 200 m3/hm2，分別計為W1、W2、W3和W4處理，每處理重復4次，共16個小區，采用1膜雙管6行種植模式，膜寬2.05 m，播幅2.3 m，每3個播幅為1個試驗小區，小區寬6.9 m，長6.5m，面積44.85 m2，小區之間設保護行，試驗區

總長27 m(含走道)，寬34.5 m(含保護行)，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，滴頭設計流量2.1 L/h，種植密度2.4×105株/hm2。每小區采用單獨水表控水計量，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，過磷酸鈣(P2O5≥12%)375 kg/hm2，農用硫酸鉀(K2O≥50%)150 kg/hm2。于4月18日播種，9月30日收獲，總計165 d。表1

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

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 棉花生長發育

觀測并記錄棉花出苗率及各個生育時期的時間，于每小區定點選取長勢均勻的5株棉樣，在棉株苗期、蕾期、盛花期、盛鈴期和吐絮期測定株高，并在各生育時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驗室，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，測定其干物質量。

1.2.2.2 葉面積指數

從苗期開始，通過觀察各處理棉花生長發育狀況，在各小區長勢均勻處分別連續測定2個窄行，寬行及裸行間的葉面積指數，取其平均值即得到各處理的葉面積指數，每10 d測定1次，由CI-110植物冠層數字圖像分析儀(Li-Cor Inc., USA)測定。

1.2.2.3 土壤含水量

于棉花生育期內用烘干法測定土壤含水量，從現蕾至吐絮期，每個生育時期依次在各處理灌水前一天用土鉆于小區第2幅膜(減小邊際效應)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2個樣點，重復3次，取好鮮土樣裝入塑料自封袋密封后立刻帶回實驗室，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。土壤質量含水率(W)計算：

W=(M1-M2)/M2×100%.

(1)

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

1.2.2.4 棉田耗水量

采用水量平衡法計算農田耗水量ETc[16]：棉花生育期內耗水量ETc(mm)采用公式(2)計算：

(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量含水量(%)，P為棉花生育期內降雨量(mm)，I為棉花生育期內灌溉量(mm)，SP為深層土壤水分滲漏量(mm)，S為地表徑流量(mm)，試驗區地勢平坦，在有作物生長的農田，降水入滲深度不超過2 m，故SP可忽略不計；當地下水埋深大于2.5 m時，地下水上移補給作物水量可視為0(試驗地下水埋深在5 m以下，故SP和S值均視為0[17])。

1.2.2.5 產量及水分利用效率

實收計產，每個小區產量單獨核算，主要測定指標有單株結鈴數、單鈴重、籽棉產量。WUE計算：

WUE=Y/ETc.

(3)

式中Y為籽棉產量(kg/hm2)，ETc為棉花生育期內耗水量(mm)。

1.2.2.6 氣象要素

由常規田間氣象站(WatchDog 2900ET, Spectrum, Inc., USA)測定降水量、溫度和風速等氣象參數。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2010，SigmaPlot12.5，Surfer8.0進行數據處理和繪圖，并用Spss19.0對不同處理的變量進行LSD 顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉定額對株高的影響

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顯著性差異。盛鈴至吐絮期，棉株生長緩慢或近乎停止生長，相同處理株高變化較穩定，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 不同灌溉定額對葉面積指數的影響

研究表明，不同灌溉定額下葉面積指數隨著灌溉定額的增加而增加，隨著生育進程的推進各處理葉面積指數均呈現先增加后降低的趨勢，W1、W2和W4處理葉面積指數在盛花期達到峰值，W3處理葉面積指數在盛鈴期達到峰值。苗期和吐絮期各處理葉面積指數基本一致，蕾期、盛花期和盛鈴期葉面積指數均表現出W4>W3>W2>W1的規律，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，有助于光合產物形成，提高植株生物量。圖2

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

2.3 不同灌溉定額對干物質積累的影響

研究表明，灌溉定額對棉花苗期和蕾期干物質積累量的影響不大，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%，而其他處理間未達到顯著性差異，隨灌溉定額的增加干物質積累量逐漸增大；盛鈴期，各處理干物質積累量表現為W3>W2>W4>W1處理的變化趨勢，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處理間無差異；吐絮期各處理間干物質積累量變化規律與盛鈴期一致，W3處理干物質積累量顯著較W1、W2和W4處理高出18.8%、9.6%和13.9%，W1處理干物質積累量最低。增加灌溉定額可促進生育后期單株干物質的形成，但灌溉量過大反而不利于干物質的積累。圖3

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

隨灌溉定額的增加，單株干物質最大積累速率和生長特征值均呈現為先增大后減小的變化趨勢，當灌溉定額為W3時，積累速率和生長特征值達到最大，W4處理的最大積累速率最小，各處理干物質積累進入快速增長期的起始日差異不大，結束日W4處理均較W1、W2和W3處理推后約10 d，最大積累速率出現日也較其他處理晚4 d。增加灌溉定額有利于加快干物質的快速積累，當灌溉定額繼續增大時，則不利于干物質的形成。 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 灌溉定額對土壤水分分布的影響

研究表明，0～80 cm土層內，不同處理土壤含水量均呈逐漸增大的變化趨勢，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，在60 cm土層處達到最大，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，而下層土壤內表現為相反的變化規律，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，蒸發損耗少，致使土壤水分向下移動。至花鈴期，W1處理在0～40 cm土層內，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為W4>W3>W2>W1的變化趨勢；吐絮期各處理土壤含水量均高于其他生育時期，此外，不同生育時期各處理在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土壤含水量增大，但灌溉量過大，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態變化Fig.4 Dynamic variation of soil moisture under different irrigation quota treatments

2.5 灌溉定額對產量及水分利用效率的影響

研究表明，不同灌溉定額對收獲株數和衣分的影響均未達到顯著性差異(P>0.05)；單株結鈴數隨灌溉定額的增加呈先增后減的變化趨勢，當灌溉定額為W3時，單株結鈴數最大，顯著高于W1處理(P<0.05)，高出10.9%，與W2和W4處理無顯著性差異；單鈴重以W2處理最大，顯著大于W4處理；籽棉產量，各處理間表現為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，單株結鈴數、單鈴重和籽棉產量均高于其他處理，且水分利用效率降低幅度要小于棉田耗水量的增大幅度，在節水基礎上，W2和W3處理更有利于水分的高效利用，促進籽棉產量提高。表3

表3 不同灌溉定額下籽棉產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，具有創造適宜作物生長的良好土壤狀況的優點[19-20]。而灌水定額是灌溉制度的重要指標，適宜的灌水量可保證作物正常生長的水分環境，為作物生長發育創造良好條件[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關系[24]。研究結果表明，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為W4>W3>W2>W1的變化趨勢，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改變根區環境對作物生長、水分利用效率及產量構成等方面具有積極作用[25]。研究表明，灌溉定額對棉花株高、葉面積指數、生物量累積、產量形成及水分利用效率的影響具有統計學意義，隨著灌溉定額的增加，可加速棉花生長發育，株高和葉面積指數呈線性增大變化趨勢，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)，棉花單株結鈴數、單鈴重和產量均有所提高，當灌溉定額超過4 200 m3/hm2(W3)時，產量構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量，灌水量過多或過少均會造成減產，與shirazi S M等[26]的研究結論一致，但也有研究認為灌溉定額越大，棉花產量越高[11]，可能是因為設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、張國強等[27-28]的研究結論不符，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，當灌水量超出生育期耗水量時，水分利用效率就會降低[29]，在深松40 cm耕作基礎上，適宜的增加灌溉定額(3 000～3 600 m3/hm2)可促進棉花生長，利于群體干物質的積累，利于產量形成，但灌水量過大或過小，不僅不能促進生物量及產量的形成，不利于水分高效利用，易造成水資源浪費。該灌溉制度下長期膜下滴灌對根區環境變化的影響仍需進一步量化與考量。

4 結 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，提高棉花光合葉面積指數，有利于干物質及產量的形成。灌溉定額過小，易造成耕層灌溉淺、水分含量低的問題，雖水分利用效率較高，但不能滿足棉花正常生長的水分需求，灌溉定額過大，反而使棉花旺長，群體生物質量及產量降低，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。當地灌溉定額控制在3 000～3 600 m3/hm2，能平衡水分利用與產量的關系，促進棉花生物量與產量形成。