灌溉水溫與施氮量對滴灌棉田土壤水熱及棉花生長和產量的影響

何靜，王振華，劉健，馬占利，溫越

灌溉水溫與施氮量對滴灌棉田土壤水熱及棉花生長和產量的影響

何靜，王振華，劉健，馬占利，溫越

石河子大學水利建筑工程學院/現代節水灌溉兵團重點實驗室/農業農村部西北綠洲節水農業重點實驗室，新疆石河子 832003

【目的】探究膜下滴灌棉田土壤水熱環境和棉花生長對灌溉水溫與施氮量的響應機理，旨在確定北疆滴灌棉花合理的灌溉水溫和施氮量。【方法】以新陸早42號棉花為試驗材料，設置4個灌溉水溫：15 ℃（T0）、20 ℃（T1）、25 ℃（T2）和30 ℃（T3）；3個施氮水平：250 kg·hm-2（F1）、300 kg·hm-2（F2）和350 kg·hm-2（F3），采用雙因素完全隨機試驗設計。分析不同灌溉水溫條件下施氮量對棉田土壤水熱環境、棉花生長、產量和水氮利用效率的影響。【結果】常規灌溉水溫與低氮處理降低土壤溫度，抑制棉花生長，單株鈴數降低并導致籽棉產量下降。適宜的灌溉水溫和施氮量可以改善土壤水熱環境，促進棉花生長發育，提高籽棉產量和水氮利用效率。與15 ℃常規灌溉水溫相比，增溫灌溉顯著提高了土壤溫度0.58—3.30℃，土壤儲水量降低1.2%—7.2%，土壤呼吸速率顯著提高5.7%—28.0%；隨灌溉水溫升高，棉花株高、葉面積指數及地上部干物質積累量先增高后降低，在灌溉水溫為25 ℃時達最大。隨施氮量增加，土壤儲水量降低3.3%—6.7%，土壤呼吸速率顯著提高3.6%—9.5%，棉花株高增加3.2%—4.9%，葉面積指數顯著增加5.8%—11.0%，地上部干物質積累量顯著增加1.2%—2.2%，均在施氮量為350 kg·hm-2時達最大。水分利用效率、氮肥偏生產力及籽棉產量隨灌溉水溫升高均先增加后減少，隨施氮量增加分別表現為增加、減少、增加的趨勢。通徑分析表明，土壤溫度對籽棉產量直接作用最大，而施氮量通過促進棉花生長對籽棉產量間接作用最大。籽棉產量與水分利用效率均在T2F2處理達到最大值，分別為6 652.3 kg·hm-2、1.17 kg·m-3，且T2F2處理的氮肥偏生產力（22.17 kg·kg-1）顯著大于T2F3處理（18.80 kg·kg-1）。【結論】綜合考慮灌溉水溫與施氮量對土壤溫度，土壤呼吸速率，棉花生長、產量及水氮利用效率的影響，推薦北疆棉區適宜灌溉水溫為25 ℃，施氮量為300 kg·hm-2。

膜下滴灌；棉花；灌溉水溫；氮肥；產量；水肥利用效率；北疆

0 引言

【研究意義】棉花是重要的纖維作物之一[1]，新疆是我國最大的優質棉生產基地。自膜下滴灌技術應用以來，新疆棉區棉花種植面積及產量連續28年全國第一，2022年，新疆棉花播種面積為2.50×106hm2，皮棉總產量達539.1萬t，占全國棉花產量的90%以上[2]。地下水作為新疆農田灌溉的主要水源之一，水溫較低，春季平均水溫約9 ℃，夏季井水溫度為10—15 ℃[3-4]。采用低溫井水灌溉會降低土壤溫度，抑制棉花對土壤養分的吸收利用，影響棉花生長發育[4]。此外，我國農田氮肥利用率（30%—35%）遠低于發達國家（50%—60%）[5]，而棉花高產以投入大量氮肥為前提，過量施氮導致氮肥利用效率偏低，氮素淋溶量過高。【前人研究進展】土壤溫度是影響作物生長的重要因素，灌溉水溫會直接影響土壤溫度。ZONG等[6]研究表明，膜下滴灌有良好的增溫保墑作用。低溫使棉花的主莖高度和葉長、葉寬相對擴展速度減緩[7]。而增溫灌溉能縮短棉花生育進程，促進生長發育，利于棉花對養分吸收利用，提高光合能力，促進光合產物形成[8-9]。播期適宜的土壤溫度提高成苗率，根系粗壯，利于壯苗形成[10-12]。馬永康等[13]指出，增加灌溉水溫度可提高駿棗的產量、果實總糖、維生素C與可溶性固形物含量。但孫嘯震等[14]表明，利用開頂式自動控溫溫室于棉花花鈴期增溫，主莖功能葉SPAD值降低，凈光合速率下降。因此，探究棉花生長適宜的灌溉水溫有研究價值。低溫水灌溉影響作物氮素吸收，是作物減產的重要原因[15-16]。施肥能提升表層土壤溫度，降低0—100 cm土層土壤儲水量，顯著提升作物各生育時期的土壤呼吸速率[17]。提高根區土壤溫度能促進作物生長發育，提高氮肥利用效率，進而增加產量[18]。優化水氮管理能大幅提高氮肥利用效率及灌水利用效率，且不會顯著降低棉花產量[19-20]。李鵬程等[21]指出，增施氮肥促進棉花葉面積指數、生物量累積及氮的吸收，利于棉花高產及氮肥高效利用。而賈彪等[22]研究表明，低氮處理抑制棉花光合產物的累積，高氮處理下植株營養生長期偏長，影響光合產物運輸。適宜的施氮量利于棉花“源庫”關系協調統一，提高棉花光合能力[23-24]，促進棉花高產。【本研究切入點】目前關于灌溉水溫的研究多應用于設施農業[25-26]，在大田應用中研究較少。同時，北疆棉區膜下滴灌棉田土壤水熱環境和棉花生長對灌溉水溫與施氮量的響應機理也鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】本研究以膜下滴灌棉花為研究對象，采用小區試驗，設置不同灌溉水溫與施氮量組合，研究灌溉水溫與施氮量對膜下滴灌棉田土壤水熱環境及棉花生長的影響，探究北疆棉區膜下滴灌棉花適宜的灌溉水溫和施氮量組合，為新疆地區棉花增產和氮肥高效利用提供理論基礎與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2022年4—10月在新疆石河子大學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進行。該試驗站位于石河子大學農試場二連（44°18′28″ N, 86°03′47″ E），海拔450 m，平均地面坡度6‰，地下水埋深在8 m以下。該地區屬于溫帶大陸性氣候，年均降水量207 mm，年均蒸發量1 660 mm，年均日照時數2 955 h，年均風速1.5 m·s-1，無霜期169 d。2022年棉花生育期內（4月21日至10月5日）降水量為83.10 mm（圖1），日平均氣溫為22.76 ℃，≥0 ℃和≥10 ℃積溫分別為3 823.40和2 143.40 ℃·d。試驗小區土壤質地為中壤土，土壤耕層（0—40 cm）容重為1.45 g·cm-3，田間持水量為21.23 m3·m-3，pH為7.62。播前土壤耕層土壤有機質為15.47 g·kg-1，土壤全氮為0.86 g·kg-1，土壤堿解氮為50.33 mg·kg-1。

1.2 試驗方法與設計

采用雙因素完全隨機試驗設計，以新陸早42號棉花為試驗材料。參考當地生產實踐及相關學者研究[8,27-28]，確定棉花灌溉定額為4 500 m3·hm-2。灌溉水源（井水）溫度為13—15 ℃，設置4個灌溉水溫水平：15 ℃（T0）、20 ℃（T1）、25 ℃（T2）、30 ℃（T3），其中15 ℃（T0）為常規灌溉水溫；設置3個施氮量水平：250 kg·hm-2（F1）、300 kg·hm-2（F2）、350 kg·hm-2（F3），其中300 kg·hm-2（F2）為常規施氮量。共12個處理，設置3次重復，共36個小區，小區面積為12 m2（3 m×4 m）。棉花于4月21日播種，10月5日收獲，全生育期167 d。采用“一膜三管六行”的種植模式，膜寬205 cm，株距10 cm，寬行距66 cm，窄行距10 cm，播種密度為24 萬株/hm2。滴灌管選用低密度聚乙烯管（新疆昌吉通四方塑料廠），直徑為16 mm，滴頭間距0.3 m，滴頭設計流量1.3 L·h-1。棉花進行人工點播，播種深度為3—4 cm（圖2）。根據棉花長勢及當地農戶種植經驗，全生育期灌水施肥10次，試驗肥料選用尿素（N含量46.5%）和磷酸二氫鉀KH2PO4（P2O5含量51.5%，K2O含量34%），共施磷酸二氫鉀300 kg·hm-2。其他田間管理措施均保持一致。

圖2 棉花種植模式及土壤水分、溫度及呼吸測定點分布圖

灌溉水增溫裝置示意圖如圖3所示。灌溉水經太陽能加熱裝置（陰天依靠電能輔助增溫）加熱后流入蓄水桶，達相應處理灌溉水溫后經潛水泵抽入田間滴灌管道，同時在滴灌管滴頭處使用瞬時溫度計測量滴頭處的水溫，各處理允許溫度誤差為±1 ℃，蓄水桶外側包裹海綿及錫箔紙用以保溫隔熱，減小外界溫度對灌溉水溫的影響。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤溫度 采用溫度傳感器（179-DT，Apresys，美國）連續監測土壤溫度。于棉花播種后，分別將溫度傳感器埋設于邊行滴灌管下距地表5、10、15和20 cm處。

1.3.2 土壤水分

（1）土壤容重和土壤含水量

采用環刀法測量土壤容重。采用烘干法測量土壤含水量，于每個生育時期末在棉花窄行取樣，取土深度分別為5、10、20、30、40、50、60、80、100 cm。

（2）土壤儲水量采用下式計算[29]：

=10×b××i

式中，為土壤儲水量（mm）；b為實測土壤容重（g·cm-3）；為土層厚度（cm）；ω為土壤質量含水量（g·g-1）。

圖中箭頭表示水流方向，數字表示的含義為1：水源；2：太陽能加熱裝置；3：控水閥；4：電熱水器；5：儲水桶；6：水銀溫度計；7：潛水泵；8：水表；9：施肥罐；10：輸水管；11：滴灌管

（3）作物耗水量采用下式計算[30]：

=W +r++--

式中，為耗水量（mm）；W為土壤儲水量的變化量（mm）；r為有效降雨量（mm）；為灌水量（mm）；為地下水補給量（mm）；為滲漏量（mm）；為徑流量（mm）。由于該試驗地地下水位在8 m以下，故忽略地下水補給量（）和滲漏量（）；該地區降雨較少且蒸發強烈，故徑流量（）可忽略不計。

（4）水分利用效率采用下式計算[31]：

=0.1/

式中，為水分利用效率（kg·m-3）；為產量（kg·hm-2）；為耗水量（mm）。

1.3.3 土壤呼吸速率 在每次灌溉后24 h內，于11：00—13：00[30,32]，采用土壤碳通量自動測定儀（Li-8100A，LI-COR，美國）測定土壤呼吸速率。將PVC環嵌入土壤中（環頂露出地表6 cm），清除PVC環中的植被和雜物，減少植被呼吸對測量結果的影響。

1.3.4 棉花生長指標 定苗后各處理選取3株代表性植株標記后，分別于棉花苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期對棉花的株高和葉面積指數進行測定。

（1）株高

使用卷尺測量子葉節至最高生長點的距離，打頂后為子葉節至最高果枝基部的距離。

（2）葉面積指數

使用卷尺測定葉片長（葉基紅心至葉尖）和最大葉寬（以葉基為中心垂直于葉長）。葉面積指數（）采用下式計算[31]：

式中，為葉面積指數；0.84為折算系數；為棉花播種密度（株/m2）；為單株棉花葉片數；為葉片長（cm）；為葉片寬（cm）。

（3）地上部干物質

于花鈴期末對每個處理隨機選取9株棉花，將棉花植株的莖、葉、鈴等器官分離后放入烘箱，105 ℃殺青30 min后，75 ℃烘干至恒重，稱量棉花各器官的干物質量。

群體干物質質量（kg·hm-2）=單株干物質質量（g）×實際種植密度（萬株/hm2）×10。

1.3.5 產量及水肥利用效率 于棉花收獲期實收計產。隨機選取3株棉花測量單株成鈴數，并在各處理隨機摘取100個棉鈴的籽棉測量百鈴質量。

氮肥偏生產力（nitrogen partial fertilizer productivity，pfp, kg·kg-1）采用下式計算[33]：

pfp/

式中，為籽棉產量（kg·hm-2），為各處理施氮量（kg·hm-2）。

1.4 數據處理與分析

利用Microsoft Excel 2010處理試驗數據，使用SPSS 23.0統計軟件進行顯著性分析、方差分析、回歸分析和相關性分析，采用Origin 2021和AutoCAD進行軟件繪圖。

2 結果

2.1 不同處理對土壤溫度、儲水量及呼吸速率的影響

不同灌溉水溫與施氮量處理對膜下滴灌棉田0—20 cm土層平均土壤溫度的影響見表1。增溫水灌溉顯著提高棉花各生育時期土壤溫度（＜0.01）。棉田土壤溫度隨生育進程的推進持續降低。苗期土壤溫度為全生育時期最高，T1、T2、T3水平0—20 cm土層平均土壤溫度較T0分別增加1.27—1.47、1.92—2.11、3.27—3.36 ℃（＜0.01），最高溫度的T3F3處理較最低溫度的T0F1增加了3.42 ℃；蕾期土壤溫度較苗期低，但仍保持較高的土壤溫度。T1、T2、T3水平0—20 cm土層平均土壤溫度較T0分別增加1.00—1.13、2.15—2.50、3.15—3.24 ℃（＜0.01），F2、F3水平0—20 cm土層平均土壤溫度較F1分別增加0.09—0.18、0.04—0.39 ℃（＜0.05）；花鈴期，T1、T2、T3水平0—20 cm土層平均土壤溫度較T0分別增加0.43—0.71、1.65—1.95、2.55—2.88 ℃（＜0.01），F2、F3水平0—20 cm土層平均土壤溫度較F1分別增加0.04—0.20、-0.04—0.22 ℃（＜0.05）；吐絮期各處理土壤溫度大幅降低，T1、T2、T3水平0—20 cm土層平均土壤溫度較T0分別增加0.55—0.63、1.45—1.65、2.62—2.63 ℃。

灌溉水溫與施氮量對棉田0—100 cm土層平均土壤儲水量的影響如圖4所示。總體來看，隨生育時期推進，各處理棉田平均土壤儲水量先增大后減小。表2顯示，灌溉水溫顯著影響蕾期和花鈴期棉田平均土壤儲水量，施氮量顯著影響蕾期棉田平均土壤儲水量（＜0.05），對花鈴期棉田平均土壤儲水量影響極顯著（＜0.01），灌溉水溫與施氮量的交互效應對各生育期棉田平均土壤儲水量均無顯著影響（＞0.05）。不同生育時期棉田土壤儲水量均隨施氮量增加而減小，花鈴期，F2、F3水平棉田平均土壤儲水量較F1分別降低2.6%—3.9%、5.4%—7.4%。相同施氮量下，棉田平均土壤儲水量隨灌溉水溫升高先減小后增加，在T2水平達到最小值，T1、T2、T3水平棉田平均土壤儲水量較T0分別降低1.2%—2.6%、5.3%—7.2%、3.0%—5.0%。T0F1處理平均土壤儲水量最高，T0F2處理次之，T2F3處理最低。T0F1和T0F2處理平均土壤儲水量較T2F3分別增加14.0%和12.6%。

表1 不同處理棉花各生育時期0—20 cm土層平均土壤溫度

T0、T1、T2、T3分別表示灌溉水溫為15、20、25、30 ℃；F1、F2、F3分別表示施氮量為250、300、350 kg·hm-2。同列數據不同小寫字母表示0.05水平存在顯著性差異。*和**分別代表＜0.05和＜0.01 水平差異顯著，ns表示差異不顯著。下同

T0, T1, T2, and T3 represent that the irrigation water temperature are 15, 20, 25, and 30 ℃, respectively. F1, F2, and F3 indicate that the nitrogen application rates are 250, 300, and 350 kg·hm-2, respectively. The different small letters at same column represent significant differences at the level of 0.05. * and ** represent significant differences at＜0.05 and＜0.01, respectively; ns represents no significant difference. The same as below

棉田土壤呼吸速率隨生育進程的推進先升高后降低，在蕾期達到峰值（圖5）。相同施氮水平下，土壤呼吸速率隨灌溉水溫的升高先增加后降低。相同灌溉水溫下，棉田土壤呼吸速率隨施氮量增加也逐漸升高。蕾期，T1、T2、T3水平棉田土壤呼吸速率較T0分別增加-1.3%—6.9%、24.3%—26.5%、9.1%—22.5%。F2、F3水平棉田土壤呼吸速率較F1分別增加-6.1%—5.4%、4.1%—9.5%。T2F3處理獲得了最大土壤呼吸速率（8.00mmol·m-2·s-1），較T0F1處理的最小值（5.85mmol·m-2·s-1）增加了36.8%。花鈴期，T1、T2、T3水平棉田土壤呼吸速率較T0分別增加8.7%—16.6%、27.4%—29.7%、18.6%—25.9%。F2、F3水平棉田土壤呼吸速率較F1分別增加-5.4%—7.6%、4.2%—6.8%。

SS、BS、FBS、BOS分別表示棉花苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期，ns表示未達顯著水平。下同

表2 灌溉水溫與施氮量對棉花不同生育時期土壤儲水量的雙因素方差分析

2.2 不同處理對棉花生長、產量及氮肥偏生產力的影響

2.2.1 株高、葉面積指數 灌溉水溫與施氮量對棉花株高和葉面積指數的影響如表3和圖6所示。總體來看，隨生育期的推進，各處理棉花株高呈現先增大后趨于穩定的趨勢。不同生育時期棉花株高均隨施氮量增加而提高。在花鈴期，F2、F3水平棉花株高較F1分別增加1.1%—11.8%、4.2%—18.9%。在F1水平下，棉花株高隨灌溉水溫增高而增大，T1、T2、T3水平棉花株高較T0增加1.2%—3.9%；F2和F3水平下，棉花株高隨灌溉水溫增高先增大后減小，在T2水平達到最大，T1、T2、T3水平棉花株高較T0增加2.9%—9.5%（＜0.05）。灌溉水溫為T2水平，高氮處理（T2F3）在不同生育時期的棉花株高均顯著高于其他處理（＜0.05）。隨生育時期的推進，棉花葉面積指數先增大后減小，在花鈴期達到最大。各處理棉花葉面積指數除苗期無顯著差異外，其他生育期均有顯著差異（＜0.05）。不同生育時期棉花葉面積指數均隨施氮量增加而增大。花鈴期，F2、F3水平棉花面積指數較F1分別增加1.1%—11.8%、4.2%—18.9%。相同施氮水平下，棉花葉面積指數隨灌溉水溫升高先增大后降低；T1、T2、T3水平棉花面積指數較T0分別增加16.5%—18.3%、23.2%—37.5%、13.9%—28.7%，棉花葉面積指數在T2F3處理達到最大值，為4.80 cm2·cm-2。

不同字母表示不同處理間0.05水平下差異顯著Different letters represent significant differences among treatments at 0.05 level

2.2.2 地上部干物質積累量 灌溉水溫與施氮量對花鈴期末棉花地上部干物質積累量的影響見表4。灌溉水溫與施氮量對棉花莖、葉、鈴干物質量影響極顯著（＜0.01），灌溉水溫與施氮量交互效應無顯著影響。棉花地上部群體干物質量為16 560—19 010 kg·hm-2。棉花地上部干物質量隨施氮量的增加而增大，F2、F3水平棉花莖干物質積累量較F1分別增加0.3%—3.8%、0.4%—4.4%；相同施氮量下，棉花莖干物質量隨灌溉水溫升高先增加后減少，T1、T2、T3水平棉花莖干物質積累量較T0分別增加0.6%—2.7%、6.1%—8.1%、1.9%—8.1%。F2、F3水平棉花葉干物質積累量較F1分別增加0.1%—7.3%、2.7%—11.0%；相同施氮量下，棉花葉干物質量隨灌溉水溫升高先增加后減少，T1、T2、T3水平棉花葉干物質積累量較T0分別增加7.1%—10.5%、8.5%—14.7%、0.3%—5.7%。F2、F3水平棉花棉鈴干物質積累量較F1分別增加0.2%—0.8%、0.5%—0.8%；相同施氮量下，棉花棉鈴干物質量隨灌溉水溫升高先增加后減少，T1、T2、T3水平棉花棉鈴干物質積累量較T0分別增加1.5%—1.9%、2.0%—2.4%、1.2%—1.8%。

表3 灌溉水溫與施氮量對不同生育時期棉花株高與葉面積指數的雙因素方差分析

圖6 各生育時期不同處理棉花株高和葉面積指數

表4 不同處理棉花地上部干物質積累量

2.2.3 產量及其構成和氮肥偏生產力 灌溉水溫與施氮量對棉花產量及其構成、水分利用效率和氮肥偏生產力的影響見表5。灌溉水溫與施氮量對棉花單株有效鈴數、單鈴重和籽棉產量影響顯著（＜0.01）。灌溉水溫相同時，棉花單株有效鈴數與單鈴重隨施氮量增大而增加；在相同施氮量下，隨灌溉水溫升高單株有效鈴數先增加后減少，單鈴重持續減小。在T0、T1和T3水平下，棉花籽棉產量隨施氮量增大而增加，F2、F3水平棉花籽棉產量較F1分別增加6.6%—7.4%、9.0%—10.1%；在T2水平下，棉花籽棉產量隨施氮量增加先增加后減少，較F1水平，F2、F3水平籽棉產量較F1分別增加10.0%、8.8%。棉花籽棉產量隨灌溉水溫升高先增大后減小，T1、T2、T3水平棉花籽棉產量較T0分別增加9.0%—9.5%、17.3%—21.5%、13.9%—14.5%。T2F2處理獲得了最大籽棉產量（6 652.3 kg·hm-2），較T0F1處理的最小值（5 124.9 kg·hm-2）增加了29.8%。水分利用效率與棉花籽棉產量變化規律一致，最大值、最小值分別出現在T2F2（1.17 kg·m-3）、T0F1（0.90 kg·m-3）處理。氮肥偏生產力隨施氮量增加逐漸降低，隨灌溉水溫升高先增加后降低，氮肥偏生產力最大值、最小值分別出現在T2F1（24.20 kg·kg-1）、T0F3（16.03 kg·kg-1）處理。

表5 不同處理對棉花產量及產量構成、水分利用效率和氮肥偏生產力的影響

2.3 土壤溫度、呼吸速率、水分與棉花生長和產量的關系

由圖7可知，在土壤溫度、土壤呼吸速率、土壤儲水量、棉花株高、葉面積指數、地上部干物質積累量與施氮量對棉花籽棉產量的通徑分析中，土壤溫度對棉花產量的直接影響最大（直接通徑系數0.253），葉面積指數（直接通徑系數0.229）與地上部干物質積累量（直接通徑系數0.227）次之；土壤儲水量對棉花產量的直接作用最小（直接通徑系數-0.025）。土壤呼吸速率對棉花產量間接影響最大（間接通徑系數0.759），主要通過土壤溫度對棉花產量產生間接正效應，其次為株高與葉面積指數；施氮量對棉花產量的間接影響大于直接影響；施氮量主要通過促進棉花株高、葉面積指數與地上部干物質，進而對棉花產量產生間接正效應。適宜的灌溉水溫與施氮量提高土壤溫度，改善棉花根區土壤環境，促進土壤呼吸，促進棉花生長，提高棉花株高、葉面積、地上部干物質量等，最終提高棉花產量。

3 討論

3.1 灌溉水溫與施氮量對土壤溫度、水分及呼吸速率的影響

土壤為作物生長發育提供所需的水分、養分、空氣和熱量。灌溉水溫直接影響作物根區土壤溫度，對作物的生長發育有重要的影響。施氮量影響植株根系生長及分布，從而影響植株地上部各器官的生長發育，進而影響棉花產量。土壤溫度與棉田土壤呼吸密切相關（圖7）。土壤呼吸是通過根系呼吸、微生物對凋零物和土壤有機質分解以及動物呼吸，從土壤中釋放二氧化碳的生態系統過程[34]。總體而言，棉田土壤呼吸速率隨生育進程推進先升高后降低，這與植株生長規律密切相關[35]。根系是作物、土壤與微生物相互作用的橋梁，根區環境內的生物過程影響養分的供應和作物的生產效率[34]。根呼吸隨土壤溫度增加而增大，當土壤溫度超過一定值時，原生質體降解，使得根呼吸變弱[36]。相同施氮量下，灌溉水溫通過提高土壤溫度，改變土壤微生物的量及微生物的群落結構，使土壤微生物、酶活性及作物根系代謝活動能力提高，進而提高土壤呼吸速率，促進棉花生長[35,37]。灌溉水溫直接影響土壤溫度，促進作物根系和微生物呼吸，促進棉花生長，同時土壤儲水量降低，進而促進土壤呼吸，土壤溫度和土壤儲水量與土壤呼吸速率互相影響，共同作用于棉花生長。本研究中，土壤呼吸速率隨土壤溫度升高先增加后降低，灌溉水溫達30 ℃后，土壤呼吸速率降低，胡文沛等[35]也得出類似結論。施氮量是影響土壤溫度及呼吸速率的重要因素。結果表明，隨施氮量增加，土壤溫度逐漸升高，土壤儲水量降低，土壤呼吸速率顯著提高1.1%—28.0%。尿素需要在土壤脲酶作用下水解為銨離子才能被植物吸收利用，其產生肥效慢[38]，增溫水灌溉可縮短尿素水解的時間，刺激土壤微生物活性升高，生物量增加，土壤氮礦化速率加快，促進作物根系對氮的吸收，促進根系呼吸[39]。適宜施氮量能促進作物土壤呼吸速率[40-42]。

和分別表示正直接通徑系數和負直接通徑系數，和分別表示正間接通徑系數和負間接通徑系數，表示不同指標間的相關系數

3.2 灌溉水溫與施氮量對棉花生長的影響

棉花株高、葉面積指數及地上部干物質是反映棉花生長發育的關鍵指標。葉面積在一定程度上決定作物冠層對光照的利用能力和植株的生長速率，進而影響植株生物量及產量。根系溫度影響植物生長及干物質積累[43]。王振華等[8]指出，隨著灌溉水溫的升高，棉花的株高、莖粗、葉面積指數及地上部干物質量均有不同程度的增長。低溫水灌溉導致植株莖稈細小、植株低矮、葉面積減小及干物質積累減少，最終降低產量[44]。灌溉水溫過高導致花粉活力降低，土壤微生物活性受到抑制，土壤呼吸速率減緩，造成棉鈴脫落。灌溉水溫是土壤肥力的重要影響因素。研究表明，灌溉水溫較低會降低土壤微生物活性及土壤呼吸速率，影響作物根系對土壤水分及礦物營養元素吸收利用，進而抑制植株的正常生長。由于土壤礦物質的有效分解轉化及土壤水分有效利用均與溶液濃度有關，而土壤溶液濃度與土體溫度和灌溉水溫密切相關[3]。同一施氮量下，隨灌溉水溫升高，棉花株高、葉面積指數及地上部干物質量先增大后減小，灌溉水溫促進棉花生長的同時，加快尿素水解，促進植株對礦物元素的吸收利用，進而提高氮肥利用效率。施氮量是影響作物生長的重要因素[18]。研究表明，隨施氮量的增加，膜下滴灌棉花株高、葉面積指數及地上部干物質不斷增加，且F2與F3水平之間差距逐漸變小，這與相關學者的研究結論相似[45-47]；施氮量超過300 kg·hm-2后，增加施氮量對株高、葉面積指數、地上部干物質積累及氮素利用影響不顯著，同時對棉花產量貢獻率降低[48]。合理的施氮量使植株生長及干物質積累保持在獲得高產的合理范圍[45]。李培嶺等[49]研究表明棉花的株高和葉面積指數與施氮量呈正相關關系，適宜的施氮量改善根區土壤水熱環境，提高土壤呼吸速率，進而促進根系對地上部營養物質的供應，促進棉花生長。

3.3 灌溉水溫與施氮量對棉花產量、水分利用效率及氮肥偏生產力的影響

適宜的灌溉水溫與施氮量能促進棉花生長發育，而過量施氮則導致植株營養生長過旺，葉面積指數過大，光合能力減弱，從而使得收獲期棉花籽棉產量降低[50]。本研究表明，當灌溉水溫為25 ℃，施氮量為350 kg·hm-2時（T2F3），棉田土壤呼吸和棉花生長指標均最大，但棉花籽棉產量有所下降。葉面積指數是反映棉花冠層結構、生長發育進程的關鍵指標，在一定范圍內，作物產量隨葉面積指數增大而增加，當葉面積超過一定值后，葉片互相遮擋，作物光合能力減弱，進而導致減產[51]。本研究結果表明，灌溉水溫與施氮量及二者的交互效應對籽棉產量、水分利用效率及氮肥偏生產力影響顯著，氮肥偏生產力隨施氮量增加而減小，且常規灌溉水溫（15 ℃）顯著抑制氮肥肥效的發揮，而增溫灌溉則促進作物對氮素的吸收利用，提高氮肥偏生產力。這與李鵬程[21]的研究結果相一致，氮肥偏生產力與施氮量呈現明顯的負相關關系。鄧忠等[52]研究表明，施氮量為300 kg·hm-2時，植株生長健壯，能顯著促進干物質積累，增加單株有效鈴數及單鈴質量，提高水肥利用效率及產量。提高氮肥利用效率是農業資源的合理配置與利用的重要途徑。相關學者研究表明，在一定范圍內，水分利用效率隨施氮量增加而增加，過量施氮導致水分利用效率降低[33,53]。本試驗表明，隨施氮量的增加，氮肥偏生產力逐漸降低，水分利用效率逐漸提高；隨灌溉水溫升高，氮肥偏生產力與水分利用效率均呈先增加后減小的趨勢，這與王振華等[54-55]研究結果一致。研究通過提升灌溉水溫度，改善棉花根區水熱環境，促進植株對土壤養分吸收，提高了作物根系代謝能力，促進水肥利用。

4 結論

提高灌溉水溫可降低低溫井水灌溉對棉田土壤水熱環境及棉花生長產生的不利影響，較常規水溫灌溉（15 ℃）提高土壤溫度和棉田土壤呼吸速率，促進棉花生長及地上部干物質積累，進而提高籽棉產量。灌溉水溫與施氮量耦合調控，提高了水分利用效率及氮肥偏生產力。水分利用效率與籽棉產量均在灌溉水溫25 ℃、施氮量300 kg·hm-2（T2F2處理）時達到最大，分別為1.17 kg·m-3、6 652.3 kg·hm-2。灌溉水溫25 ℃，施氮量250 kg·hm-2（T2F1處理）較灌溉水溫15 ℃，施氮量350 kg·hm-2（T0F3處理）增產438.8 kg·hm-2。綜上所述，采用灌溉水溫25 ℃，施氮量300 kg·hm-2的組合模式，是北疆棉花提高水肥利用效率、實現增產增效的有效途徑。

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Effects of Irrigation Water Temperature and Nitrogen Application Rate on Soil Hydrothermal Environment and Cotton Growth and Yield Under Mulched Drip Irrigation

HE Jing, WANG ZhenHua, LIU Jian, MA ZhanLi, WEN Yue

College of Water Conservancy & Architectural Engineering, Shihezi University/Key Laboratory of Modern Water-Saving Irrigation of Xinjiang Production & Construction Group/Key Laboratory of Northwest Oasis Water-Saving Agriculture, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shihezi 832003, Xinjiang

【Objective】The response mechanism of soil hydrothermal environment and cotton growth to irrigation water temperature and nitrogen application rate under mulched drip irrigation was explored to determine the reasonable irrigation water temperature and nitrogen application rate of drip irrigation cotton in northern Xinjiang.【Method】A two-factor completely randomized experimental design was conducted with "Xinluzao 42" cotton as the experimental material with four irrigation water temperature levels (15 ℃ (T0), 20 ℃ (T1), 25 ℃ (T2), and 30 ℃ (T3)) and three nitrogen application levels (250 kg·hm-2(F1), 300 kg·hm-2(F2), and 350 kg·hm-2(F3)). The effects of nitrogen application on soil hydrothermal environment, cotton growth and yield, and water and nitrogen use efficiency under different irrigation water temperature were analyzed.【Result】The conventional irrigation water temperature and low nitrogen treatment reduced soil temperature, inhibited cotton growth, decreased boll number per plant and seed cotton yield. Suitable irrigation water and nitrogen application could improve the soil's hydrothermal environment, promote cotton growth and development, and improve seed cotton yield and water and nitrogen utilization. Compared with 15 ℃ of conventional irrigation water temperature, the warming irrigation significantly increased the soil temperature by 0.58-3.30 ℃, and soil water storage was reduced by 1.2%-7.2%, while soil respiration rate was significantly increased by 5.7%-28.0%; cotton plant height, leaf area index, and above-ground dry matter accumulation increased and then decreased with the increase of irrigation water temperature, and reached the maximum at 25 ℃. With increasing nitrogen application rate, soil water storage decreased by 3.3%-6.7%, soil respiration rate increased significantly by 3.6%-9.5%, cotton plant height increased significantly by 3.2%-4.9%, leaf area index increased significantly by 5.8%-11.0%, and above-ground dry matter accumulation increased significantly by 1.2%-2.2%, these indicators all reached the maximum under 350 kg·hm-2nitrogen fertilizer application. Water use efficiency, nitrogen fertilizer bias productivity, and seed cotton yield all increased and thendecreased with the increase of irrigation water temperature, and showed a trend of “increasing, decreasing, and increasing” with the increase of nitrogen application. The path analysis showed that soil temperature directly affected seed cotton yield, while nitrogen application indirectly affected seed cotton yield by promoting cotton growth. The seed cotton yield and water use efficiency reached the maximum under T2F2 treatment, which were 6 652.3 kg·hm-2and 1.17 kg·m-3, respectively. But the nitrogen fertilizer bias productivity was significantly greater under T2F2 treatment (22.17 kg·kg-1) than that under T2F3 treatment (18.80 kg·kg-1).【Conclusion】Considering the effects of irrigation water temperature and nitrogen application on soil temperature, soil respiration rate, cotton growth, yield, and water and nitrogen utilization rate, a suitable combination of irrigation water temperature of 25 ℃ and nitrogen application rate of 300 kg·hm-2were recommended in northern Xinjiang.

mulched drip irrigation; cotton; irrigation water temperature; nitrogen fertilizer; yield; water and fertilizer use efficiency; Northern Xinjiang

10.3864/j.issn.0578-1752.2024.02.008

2023-03-02；

2023-04-17

國家“十四五”重點研發計劃（2022YFD1900405）、國家自然科學基金（52279040）、兵團重大科技項目（2021AA003-1）、中國工程院戰略研究與咨詢項目（2022-XY-57）

何靜，E-mail：hj18199106309@163.com。通信作者王振華，E-mail：wzh2002027@163.com

（責任編輯 李云霞）