不同覆蓋材料和灌溉量對機采棉產量形成及有效積溫生產效率的影響

劉海軍,張 昊 ,王一帆,陳茂光,吳鳳全,林 濤,湯秋香

(1.新疆農業大學農學院/棉花教育部工程研究中心,烏魯木齊 830052;2.新疆農業科學院經濟作物研究所,烏魯木齊 830091;3.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所,北京 100081;4.農業農村部荒漠綠洲作物生理生態與耕作重點實驗室,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國最大棉區[1],2019年新疆覆膜種植面積達到351×104hm2,覆膜率已經達到100%[2-3]。改進普通PE地膜質量,可提高其在棉花收獲后的可回收性。瞿金平等[4]研究出一種“全回收高性能增產地膜”(以下簡稱高堡膜),在使用前后的性能指標整體上均高于傳統PE地膜,且具有較好的回收效果。其在棉花生產中對棉花生長發育及產量的形成的影響因素尚不清晰,設置不同覆蓋材料和灌溉量,對研究高堡膜在新疆棉花生產上的功能特點及其相配套的灌溉措施有實際意義。【前人研究進展】覆膜種植具有顯著節水、保溫的作用[5],地膜的保溫作用進一步促進了土壤水分的利用[6]。覆膜種植的棉花苗期株高、莖粗均明顯大于裸地種植,且覆膜有利于棉花早發育早成熟,其蕾鈴數相比裸地棉花發育較早[7]。但是蕾期灌水或降水過后,裸地棉花水分脅迫消除,棉花株高快速增長,其增長速度甚至高于覆膜棉花[8],干物質積累量也隨之增加。高勝等[9]研究認為,覆膜棉花的總鈴數高于裸地種植。相比裸地種植,覆膜棉花有利于生長發育,促進營養生長向生殖生長的轉化,延長棉花花鈴期,進而增加棉花產量。高堡膜機械性能、耐候性能和光學性能優異,使用過程中具有更優的保溫保墑效果,能夠提高棉田0～5 cm土層的土壤溫度0.1～0.3℃,且透濕量為20.7～35.7 g/(m2·d),加快棉花出苗、生長、開花等,最終使棉花產量約提高10～20 kg/667m2,具有較高經濟效益[10]。【本研究切入點】目前,國內有關高堡膜在棉花生產上的功能特點尚不清晰,與普通PE地膜的保溫/保濕性能不同,生產上也缺乏與之相配套的灌溉管理措施。需研究不同覆蓋材料和灌溉量對機采棉產量形成及有效積溫生產效率的影響。【擬解決的關鍵問題】采用大田試驗,研究不同覆蓋材料對棉田土壤溫度、干物質積累與分配、積溫利用效率及產量的影響,分析不同覆蓋材料和與之相適應的灌溉量所對應的高效灌溉措施,為新疆南疆棉田綠色可持續發展提供理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2021年在新疆阿克蘇地區沙雅縣海樓鎮(N 41°17′,E 82°42′,海拔897 m)進行。該區年均降水量47.3 mm,年均蒸發量2 000.7 mm,年日照時數3 031.2 h,年均氣溫10.7℃,最高氣溫30.9℃,最低氣溫-13.7℃,無霜期214 d。試驗區土壤質地為沙質壤土,耕層范圍內平均有機質含量9.8 g/kg、全氮0.6 g/kg、堿解氮39.5 mg/kg、速效磷18.1 mg/kg、速效鉀111.9 mg/kg,容重1.5 g/cm3,土壤pH 8.3。

供試棉花品種為J206-5,由新疆金豐源種業股份有限公司提供,播種日期為5月18日。高堡膜和普通PE地膜厚度均為0.01 mm,寬度為2.05 m,地表覆蓋度約為80%。每個小區第1、3幅膜為保護行,第2幅膜為調查取樣小區。滴灌帶間距38 cm,滴頭間距25 cm,滴頭設計流量2.1 L/h,各小區單獨安裝水表和開關,單獨控水。6月中下旬開始灌溉,8月中旬灌溉結束,灌溉頻率7 d/次,共計10次,其他日常管理同大田。2021年棉花生育期劃分:苗期(5月21日～6月18日)、蕾期(6月19日～7月13日)、花鈴期(7月14日～8月24日)、吐絮期(8月25日～9月25日)、全生育期 (5月21日～9月25日)。

試驗地膜產品為某企業研制的采用新型擠出設備及成型工藝,結合配方技術生產的“全回收高性能增產地膜”(高堡膜),由麥蓋提星聯科技農膜有限公司生產,普通PE地膜由新疆阿克蘇地區沙雅縣地膜廠生產。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用裂區試驗設計,以覆蓋材料為主區,裸地(A1)為對照、設置高堡膜覆蓋(A2)和普通PE地膜覆蓋(A3)2個覆蓋材料;以灌溉量為副區,設置3 150 m3/hm2(W1)、4 050 m3/hm2(W2)、4 950 m3/hm2(W3)3個灌溉量,共計9個處理,每個處理重復3次,小區長9.5 m,寬6.9 m,小區面積65.55 m2,各小區由3個播幅組成。采用1膜3管6行機采棉種植模式,株行配置[(10+66+10)+66]cm+11 cm,理論種植密度22.5×104株/hm2。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 干物質積累與分配

在試驗田內選擇長勢均勻具有代表性的區域設置取樣小區。在棉花苗期、蕾期、花期、鈴期和吐絮期選擇長勢均勻具有代表性植株5株,并將其分解成根、莖、葉、蕾鈴花,并105℃殺青30 min,80℃烘干至恒重,稱其干物質重量。

各生育階段干物質積累量=階段末干物質積累量-階段初干物質積累量;

各器官的干物質分配比例(%)=各器官的干物質積累量/植株總干物質積累量×100。

1.2.2.2 土壤溫度

采用 MicroLite 5032P U(Fourtec-Fourier公司,以色列)盤式自動地溫計(溫度范圍:-30～80℃、誤差±0.3℃,溫度分辨率:0.1℃)進行測定。在每小區棉花寬行中間膜10 cm土層采集。采集時間為棉花播種期至收獲期,采樣間隔每隔1 h,采集位點位于每小區棉花寬行中間膜下10 cm的土層深度。

1.2.2.3 土壤有效積溫

有效積溫計算方法[11-12]:

Ti=Tiavg-Tbase.

式中,Ti表示從播種之后的第1 d到第id的土壤有效積溫(℃·d);Tiavg表示土壤的日平均溫度(℃);Tbase為棉花的基點溫度,選取12℃,12℃以上的溫度才是棉花生長發育的有效溫度。

1.2.2.4 產 量

測產時間為棉花吐絮期,測產時在各小區隨機挑選3個2.27 m×2.93 m大小的樣方,記錄其株數和結鈴數并計算單株結鈴數。每小區隨機取30株棉株,分上中下部分各取30朵棉花,曬至恒重后測其單鈴質量、籽棉產量,軋花后測其皮棉產量、衣分。

有效積溫生產效率(kg/(hm2·℃·d))=單位面積籽棉產量/作物生育期≥12℃有效積溫。

1.3 數據處理

采用Excel2007和DPS 7.05軟件進行統計與分析,采用最小顯著性差異LSD法進行顯著性測驗。采用Sigmaplot V.12.5(Systat Software,Inc ,USA)進行進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉量下覆蓋材料對棉田土壤溫度的影響

研究表明,土壤溫度隨著時間的變化呈現先升高后降低的趨勢。棉花播種后15 d,3種覆蓋材料的棉田平均土壤溫度分別為26.75、29.14和28.94℃,A2較A1和A3處理分別高2.39、0.2℃。在蕾期,A2處理的棉田平均土壤溫度為25.51℃,較A1和A3處理分別高1.4、0.31℃。花期到吐絮期,隨著灌溉量增加,土壤溫度逐漸降低,各覆蓋材料的土壤溫度無顯著性差異。棉花生長前期,灌溉量對棉田土壤溫度無影響,覆蓋材料對棉田土壤溫度影響較大,且高堡膜覆蓋相較于裸地和普通PE地膜覆蓋具有更好的增溫效果,可促進棉花的生長。圖1

注:A1-裸地;A2-高堡膜覆蓋;A3-普通PE地膜覆蓋,下同

2.2 不同覆蓋材料和灌溉量對棉田有效積溫的影響

研究表明,苗期、蕾期和全生育期的有效積溫受覆蓋材料影響顯著,花鈴期的有效積溫受覆蓋材料和灌溉量交互作用影響顯著,隨著灌溉量的增加,不同覆蓋材料的棉田有效積溫呈低-高-低的變化趨勢。W1灌溉量下,A2、A3處理較A1處理分別在苗期和蕾期均表現為差異顯著,A2處理較A1處理有效積溫增幅較大,分別增加22.17和16.47(℃·d)。W2灌溉量下,苗期和蕾期的有效積溫均表現為A3>A2>A1,A3處理較A1處理分別增加26.84和16.50(℃·d);W3灌溉量下,苗期和蕾期的有效積溫變化情況分別同W2、W1灌溉量的變化趨勢相似。在W1和W2灌溉量下,不同覆蓋材料間全生育期有效積溫差異顯著,3個不同灌溉量中,A2和A3處理的全生育期有效積溫均高于A1處理。在二者互作條件下,通過減量灌溉,覆蓋高堡膜可提高棉田有效積溫,促進棉花的生長發育。表1

表1 不同覆蓋材料和灌溉量下棉田有效積溫變化

2.3 不同覆蓋材料和灌溉量對棉花干物質積累的影響

研究表明,隨著生育進程的推進,各處理的干物質積累量在逐漸增加,并呈現低-高-低的變化趨勢,苗期到蕾期增長緩慢,蕾期到鈴期增長加快,進入吐絮期后生長緩慢。W1灌溉量下,各處理在苗期的干物質積累量差異顯著,苗期干物質積累量表現為A2>A3>A1,A2處理較A1和A3處理分別增加107.14%和41.20%;W2灌溉量下,各處理在蕾期的干物質積累量差異顯著,吐絮期干物質積累量表現為A3>A2>A1,A3處理較A1和A2處理分別增加16.84%和3.15%;W3灌溉量下,各處理在苗期的干物質積累量差異顯著,吐絮期干物質積累量變化情況與W1灌溉量表現一致。灌溉量對棉花生長前期干物質積累量影響較小,在生育后期,隨著灌溉量的增加,棉花干物質積累速率加快。圖2

注(Note):Sd-苗期 Seedling; Bd-蕾期 Bud stage; Fl-花期 Flower opening stage; Fb-鈴期 Full bolling stage; Bo-吐絮期 Boll opening stage.

3種不同的灌溉量下,A2和A3處理的棉花干物質最大生長速率和特征值高于A1處理。干物質快速積累的時間出現在苗期后73～85 d,維持快速積累的時間段為50～59 d。W1灌溉量下,A2處理較A1和A3處理的最大生長速率快、特征值增大、持續時間較長。W2灌溉量下,A3處理較A1和A2處理的特征值增大、持續時間較長。W3灌溉量下,A1處理的最大生長速率、特征值和持續時間均低于A2和A3處理。隨著灌溉量增加,裸地的干物質最大生長速率逐漸增大,彌補了前期有效積溫的不足,促進干物質的積累。當灌溉量不足時,覆蓋高堡膜有利于棉花干物質的快速積累。表2

表2 棉花干物質積累的Logistic函數生長模型及相關參數

2.4 不同覆蓋材料和灌溉量對棉花干物質分配的影響

研究表明,棉花干物質在根和蕾鈴花中的分配量受二者交互作用影響顯著,隨著灌溉量的增加,根的分配量逐漸減少,蕾鈴花的分配量逐漸增加。莖葉分配量受不同覆蓋材料和灌溉量的影響顯著,灌溉量增加,莖葉分配量逐漸增多,且高堡膜和普通PE地膜覆蓋處理的莖葉分配量相較于裸地逐漸增多。W1灌溉量下,根的分配量表現為A1>A2>A3,A2和A3處理的莖葉分配量較A1處理分別高12.0%和20.6%,蕾鈴花分配量表現為A2>A3>A1,A1較A2處理相比減少45.6%。W2和W3灌溉量下,A2和A3處理的根、莖葉的分配量均大于A1處理。在二者互作條件下,通過減量灌溉和覆蓋高堡膜,更有利于收獲期棉花干物質的分配,使生殖器官的干物質分配量增多,促進棉花高產。表3

表3 不同覆蓋材料和灌溉量下棉花收獲期生物量在不同器官中分配變化

2.5 不同覆蓋材料和灌溉量對棉花產量的影響

研究表明,棉花產量形成受覆蓋材料和二者交互作用影響顯著,隨著灌溉量的增加,A1處理的籽棉產量逐漸增加,但A2和A3處理的籽棉產量逐漸下降。其中在W1灌溉中,籽棉產量表現為A2>A3>A1, A2處理較A3和A1處理分別高311.70、2 360.33 kg/hm2。在W1和W2灌溉量下,各覆蓋材料間的單株結鈴數差異顯著。單鈴重與籽棉產量的變化趨勢基本一致。在有效積溫生產效率方面,受覆蓋材料和二者交互作用影響顯著,隨著灌溉量的增加,A2和A3處理的有效積溫生產效率逐漸降低,A1處理的有效積溫生產效率在逐漸升高。在W1灌溉量下,A2處理的有效積溫生產效率最高為4.58 kg/(hm2·℃·d),較A1和A3處理分別高出57.39%和8.02%,W2灌溉量下,不同覆蓋材料之間有效積溫生產效率差異不顯著,W3灌溉量下,有效積溫生產效率表現為A1>A3>A2。在二者互作條件下,采用減量灌溉,覆蓋高堡膜,可提高棉花產量和有效積溫生產效率。表4

表4 不同覆蓋材料和灌溉量下棉花產量及有效積溫利用效率變化

2.6 棉田有效積溫與干物質積累和產量的關系

研究表明,棉花干物質積累量、籽棉產量與棉田有效積溫之間具有一定的相關性。在3個灌溉量下,干物質積累量隨有效積溫的增加而增加,均為線性正相關關系,回歸擬合決定系數高于0.78。在W1和W3灌溉量下,A3處理最高,A1處理居中,A2處理最低。W1灌溉量下,干物質積累的表現為A1>A2>A3。當有效積溫在1 200(℃·d)時,覆蓋高堡膜或普通PE地膜,可促進棉花干物質的快速積累。籽棉產量隨有效積溫的增加而增加,為線性正相關關系,回歸擬合決定系數高于0.24。當有效積溫在1 450～1 500(℃·d)時,有利于棉花產量的提高。圖3、圖4

圖3 籽棉產量隨有效積溫變化

圖4 干物質積累量隨有效積溫變化

3 討 論

3.1 不同覆蓋材料和灌溉量對棉田土壤溫度的影響

土壤表面進行覆蓋會改變作物小氣候,進而改變土壤溫度,從而影響植物生長發育和產量[13]。棉花屬于喜溫作物,覆蓋方式和灌溉量均會影響土壤溫度和有效積溫。研究表明,覆膜與裸地相比,可提高棉田土壤溫度,覆膜后棉田的增溫和保溫效應隨著棉花生育進程的推進而逐漸減小[14-15]。研究結果與前人[10]一致,在棉花苗期,植株冠層覆蓋度較小,高堡膜覆蓋可明顯提高棉田的土壤溫度,提高7.15%～10.57%,從而在生長階段形成較高的有效積溫。進入花鈴期,棉花逐漸生長,形成較大的作物冠層,阻礙了地面接收太陽輻射,地膜增溫效應減弱,同時田間開始滴灌進水,水的比熱容大,土壤升溫速度變慢[16],各處理的土壤溫度和有效積溫差異不明顯,在吐絮期,高堡膜的保溫效果優于普通PE地膜和裸地。

3.2 不同覆蓋材料和灌溉量對棉花干物質積累及分配的影響

干物質是作物光合產物的表現形式,是作物產量形成的基礎,其積累與合理的分配是提高作物產量的關鍵[17],適宜增加灌溉量,可促進棉花干物質的積累[18]。辛明華等[19]研究表明,裸地栽培下棉花的干物質積累的最大生長速率和快速增長持續時間均低于覆膜處理,在覆膜條件下,可促進棉花早熟早發,有利于干物質的積累和促進同化物向生殖器官的轉運[9]。試驗結果與前人研究一致,增加灌溉量,不同覆蓋材料對棉花干物質積累均會起到促進作用。研究表明[20-21],適度減少灌溉量,有利于營養生長向生殖生長的轉化,促進生殖器官的分配比例提高,與前人研究結果一致,在3種灌溉量下,通過減量灌溉,高堡膜覆蓋處理下,棉花蕾鈴花占比較其他處理顯著增加。

3.3 不同覆蓋材料和灌溉量對棉花產量及有效積溫生產效率的影響

裸地栽培會導致棉花生育期延長,水肥流失較快,對棉花產量提高不利[22],覆膜后,降低減少灌溉量,可以獲得較為合理的葉面積指數和良好的生殖器官分配比例,保證了較高籽棉產量[23]。試驗結果與前人研究一致,在減量灌溉下,高堡膜覆蓋有利于生殖器官分配比例提高,促進棉花產量和有效積溫生產效率的提高。

4 結 論

在棉花生長前期,高堡膜處理較普通PE地膜和裸地能明顯提高棉田土壤溫度,分別提高0.2、2.39℃,棉田有效積溫分別提高9.04、83.88(℃·d)。不同的覆蓋方式下,棉花干物質積累量與灌溉量呈線性正相關關系,隨著灌溉量的增加而增加。但在減量灌溉3 150 m3/hm2條件下,高堡膜覆蓋有利于棉花營養器官向生殖器官的轉化,從而提高籽棉產量和有效積溫生產效率。因此,在實際生產中,灌溉量為3 150m3/hm2,采用高堡膜覆蓋可促進棉花的生長發育,提高有效積溫生產效率,實現節水增產。