土壤水分调控对南疆滴灌棉花生长、品质及水分利用的影响

何平如，张富仓，范军亮，侯翔皓，刘 翔，张迎春，薛占琪

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100)

新疆地处内陆干旱区，光热资源丰富，日照时间充足，2018年新疆棉花产量占全国总产量的84.9%，新疆棉区已发展成我国最大的商品棉生产基地[1]。棉花收入占新疆农民收入的30%以上，南疆地区甚至达50%～70%[2]。然而，新疆棉区干旱少雨，棉花生长所需水分主要依靠灌溉，因此，发展膜下滴灌技术，提高水分利用效率，制定科学合理的灌溉制度是促进新疆农业持续健康发展的重要措施[3-5]。通过对土壤水分定量调控，可以实现适时适量灌溉，适宜水分下限在实际生产中有很大的指导意义[6]。产量和品质的同步提高已成为当今节水农业追求的主要目标[7]，探究不同土壤水分下限调控对作物产量、品质和水分利用效率的影响对实现作物节水高效生产有重要的理论和实际意义。

20世纪90年代以来，国内外针对干旱区土壤水分下限调控、棉花灌溉制度等进行了大量研究。土壤水分下限值是土壤供给植物可利用水分的临界值[8]，根据土壤水分下限值可以确定作物的灌水时间、灌水定额和灌水次数[9-10]，土壤水分上限应接近田间持水量，下限略高于作物水分胁迫的含水率[11]。根据文献查新，以滴灌灌溉控制指标的研究及应用主要应用于温室蔬菜或花卉等[12-14]。近几年，有学者针对棉花灌水下限指标进行了研究，裴冬等[15]、孟兆江等[16]通过盆栽试验得出苗期土壤含水量应维持在50%～60%FC(田间持水量)，蕾期和花铃期分别保持在65%FC和70%FC左右，吐絮期维持在50%～55%FC。汪昌树等[17]、何平如等[18]在南疆针对灌水下限指标进行的研究主要集中于棉花滴灌土壤水盐运移方面。李彦[6]、申孝军等[19]提出了石河子地区不同棉花生育期内适宜的灌水下限。潘俊杰等[20]在新疆呼图壁县开展了不同灌水下限的大田试验，通过Logistic模型模拟棉花的株高和生物量，得出棉花蕾期和花铃期适宜的灌水下限分别为65%FC和75%FC。郑旭荣等[21]的研究结果表明：保持土壤含水率在50%～80%田间持水量可以得到较理想的棉花耗水分布。目前针对南疆盐碱化棉田土壤水分下限调控对棉花生长发育、产量、品质及水分利用效率的影响尚少见报道，本论文以田间持水量为土壤水分上限，梯次性选取不同土壤水分下限开展田间试验，采用Logistic曲线拟合棉花株高、生物量，应用主成分分析法评价棉花纤维综合品质，以节水增产调质为出发点，寻求基于水分-产量-品质响应关系的棉花灌溉制度，为优质高效种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2018年4—10月在新疆库尔勒市尉犁县31团2连开展，试验区地理坐标为40°53′03″N，86°56′58″E，海拔900 m左右。属暖温带大陆性荒漠气候，多年平均降水量58 mm，年蒸发量2 417 mm，同期蒸发量约为降水量的50～80倍，平均气温11℃，昼夜平均温差14℃～15℃，多年平均日照时间2 941.8 h，无霜期180～220 d。试验田地表以下60 cm以砂壤土为主，60～100 cm以砂土为主。0～60 cm土层土壤平均容重1.57 g·cm-3，田间持水量19.39%(质量含水率)，0～100 cm土层土壤初始电导率为187～256 dS·m-1。试验区2018年棉花生育期内有效降雨仅为5.6 mm，平均地下水埋深为1.53 m，水面蒸发量在棉花播后30～70 d较高。

1.2 试验设计

供试作物为棉花(新陆中66号)，以FC(田间持水量)为土壤水分上限，按计划湿润层FC的不同百分比作为土壤水分下限指导灌溉，试验共设置5个灌水处理，控制土壤水分下限分别为85%FC(T1)、75%FC(T2)、65%FC(T3)、55%FC(T4)、45%FC(T5)，每个试验处理设3次重复，共15个小区。采用一膜两管四行的毛管布置方式，滴头间距为30 cm，滴头流量为2.4 L·h-1，棉花种植行距为10 cm×66 cm×10 cm，株距10 cm(图1)。小区长9 m，宽6 m，各小区之间设置1 m宽保护行，每个小区面积为60 m2。

图1 棉花种植模式及土样采集点位置示意图Fig.1 Schematic diagram of cotton planting mode and soil sample collection points

图2 2018年不同处理土壤含水率变化Fig.2 Changes of soil water content ofdifferent treatments in 2018

试验地于2017年在秋收后进行冬灌，冬灌定额为3 000 m3·hm-2。棉花生育期内采用膜下滴灌方式进行灌溉，灌水量及灌水时间根据土壤水分控制下限确定，棉花计划湿润层的土壤含水率在播种后的变化如图2所示，2018年不同处理的田间灌水方案见表1。控制各试验处理棉花生育期内施肥水平一致，肥料均采用文丘里施肥罐随水施入，棉花蕾期、花期、铃期、吐絮期的施肥量占总施肥量(N 300 kg·hm-2，P2O5120 kg·hm-2，K2O 60 kg·hm-2)的比例分别为25%、30%、30%、15%，其他田间管理措施(打顶、打药、除草等)均与当地传统种植模式保持一致。

表1 不同处理田间灌水方案

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤含水率的测定及灌水量的计算 土壤含水率均采用传统的烘干法测定，在试验田按4钻6层法(见图1)取土样，取土样时以滴头为中心，在宽行、滴灌带、窄行及膜外裸地，分别取0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm土层土壤，试验期间不间断监测，出现降雨情况加测，当各试验处理计划湿润层的土壤含水率小于控制下限即进行灌溉。

根据棉花各生育期设定的土壤水分上、下限，计算灌水定额，棉花各生育期灌水定额计算公式[22]：

M=10×γ×H×p×(θmax-θmin)

(1)

式中,M为各生育期灌水定额(mm)；γ为土壤容重(g·cm-3)；H为土壤计划湿润层厚度，蕾期取40 cm，花期、铃期与吐絮期取60 cm；p为湿润比，取0.7；θmax为田间持水量，θmin为测定土壤含水率。

1.3.2 株高与地上部干物质量的测定 待棉花出苗后，在各小区分别选取10株具有代表性的棉花植株挂牌观测，自蕾期开始每间隔10 d记录作物的株高。在每个小区内自蕾期开始每间隔10 d随机选取5株具有代表性的棉花，从茎基部与地上部分离，采样后分离植株各器官，分别放入105℃ 恒温箱中杀青30 min，于75℃烘干至恒重，称量各部分干重并计算地上部干物质量。

应用Logistic曲线对不同土壤水分下限处理株高和地上部干物质累积量进行拟合，Logistic函数表达式[20]：

(2)

式中，K为最大株高Hm(cm)或最大干物质Bm(g)，F为因变量株高(H)或地上干物质(B)，t为播后天数(d)，a、b为经验系数。对Logistic方程求一阶导函数，得式(3)。

(3)

式中，V为株高生长速率(cm·株-1·d-1)或干物质积累速率(g·株-1·d-1) 。求解Logistic方程的二阶导函数，并令其等于0，得干物质积累速率最快的时间点为：

(4)

带入一阶导函数得最大速率：

(5)

求解Logistic方程三阶导函数并令其等于0，得株高或地上干物质快速积累开始时间(t1)和结束时间(t2)。

(6)

(7)

同时得株高或地上干物质快速积累持续时间：

GT=t2-t1

(8)

1.3.3 籽棉产量 试验结束后在各小区随机选取1.52 m2(长1.0 m×宽1.52 m)区域采摘棉花，每个小区重复3次。在该区域内测定棉花株数和总有效铃数，计算单株有效铃数和收获密度；随机选取试验田不同高度(中上-中-下层)的棉絮共30朵，计算单铃重；最后估算棉花籽棉产量。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率(WUE)计算[22]：

WUE=Y/ET

(9)

式中，Y为籽棉产量(kg·hm-2)；ET为作物全生育期内累积耗水量(m3·hm-2)。

1.3.5 作物耗水量的计算 作物耗水量通过水量平衡法得到[23]：

ET=Pγ+U+I-D-R-ΔW

(10)

式中，Pγ为有效降雨量(mm)；U为地下水补给量(mm)；I为灌水量(mm)；D为深层渗漏量(mm)；R为地表径流量(mm)；ΔW为试验初期和试验末期0～100 cm土层土壤水分的变化量(mm)，可由试验获得。由于试验区干旱少雨，地势平坦，滴灌单次灌水量较少，无法形成地表径流，取R=0；根据试验区地下水埋深和水面蒸发资料，结合阿维里扬诺夫公式[24-26]计算棉花生育期内的地下水补给量U=144.86 mm；由于每次膜下滴灌定额较小，不会产生深层渗漏，取D=0。本文试验田水量平衡方程如下：

ET=Pγ+U+I-ΔW

(11)

1.3.6 品质测定 棉花收获后委托农业部棉花品质监督检验测试中心对棉花纤维品质进行测定。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2016以及Origin 2017绘图并统计分析试验所得数据，利用SPSS 20.0对试验数据进行显著性方差分析和回归分析，采用主成分分析法对棉花纤维品质各指标进行综合分析。

2 结果与分析

2.1 土壤水分下限调控对棉花株高和干物质累积量的影响

土壤水分下限调控对棉花株高和干物质累积量的影响见图3，棉花生育期内各处理地上部干物质累积速率均在苗期和蕾期较小，在花期和铃期增长速率较高，在吐絮期趋于稳定。Logistic函数能很好地拟合不同水分处理条件下株高和干物质随生长天数的变化，株高拟合的R2>0.97，干物质量拟合的R2>0.99，表明Logistic曲线能够较好地反映株高和地上部干物质量的生长过程。棉花在播后100 d进行打顶，打顶后棉花株高增长缓慢，因此采用Logistic曲线只模拟了播后0～100 d的株高生长状况。由拟合方程可知(表2)，棉花株高快速生长期从播后45 d左右(苗期)开始到播后75 d左右(蕾期)结束，各处理大致在第60天左右(蕾期)株高生长速率达到最大。提高土壤水分下限有利于植株生长，打顶前T1处理植株高达85.33 cm，分别比T2、T3、T4、T5高2.68%、5.37%、13.43%和25.80%，T1处理土壤水分下限高，对应棉花根系层土壤水分充足，植株生长茂盛。T5处理在灌水前长期处于水分亏缺状态，作物受水分胁迫，作物生长受到抑制，受旱严重，株高仅67.83 cm。

由拟合方程可知，棉花地上部干物质量快速积累期从播后85 d左右(花期)开始到播后125 d左右(铃期)结束，各处理大致在第105天左右(铃期)地上部干物质积累速率最大。提高土壤水分下限，地上干物质积累量增大，T1处理地上干物质积累量最大，相比于T2、T3、T4和T5增加了2.10%、10.73%、18.29%、25.38%。T5处理进入t1的时间较其他处理分别提前了6.5、4.31、3.13、0.08 d，进入t2的时间较其他处理分别提前了5.96、6.05、4.87、1.82 d，说明降低土壤水分下限，棉花受旱，棉花生育进程加快，生育期缩短，不利于生物量的积累。

表2 棉花株高与播种后天数的Logistic函数拟合

表3 棉花干物质量与播种后天数的Logistic函数拟合

图3 土壤水分下限调控对棉花株高和干物质累积量的影响及Logistic函数拟合Fig.3 Effects of different soil water regulation on plant height and aboveground dry biomass and fitting of Logistic function

整体来看，棉花株高快速生长结束在播后75～78 d，棉花地上部干物质量快速积累期在播后82～88 d，植株在结束株高的快速增长后再进入地上干部物质量的快速积累，说明此时植株从营养生长转向生殖生长。株高快速积累期持续时间T1和T5处理较T2、T3、T4处理长，地上部干物质量快速积累期持续时间T1和T5处理较T2、T3、T4处理短，说明T1、T5促进了棉花的营养生长。

2.2 土壤水分下限调控对棉花产量及水分利用效率的影响

不同土壤水分下限对棉花产量及水分利用效率的影响见表4，不同土壤水分下限对棉花籽棉产量、耗水量、WUE均有显著的影响。棉花的产量受单株有效铃数、单铃重、收获密度等因素的综合影响。由表4可看出，各产量构成因子在不同灌水处理下差异明显。T2处理棉花单株有效铃数最大，相比T1、T3、T4、T5处理高12.56%、11.85%、18.59%、16.63%。T5处理棉花单铃重最小，其余各处理单铃重无明显差异。T1处理收获密度较大，其余各处理收获密度无明显差异。不同土壤水分下限处理的棉花最终产量为T1>T2>T3>T4>T5，其中，T1处理籽棉产量高达7 233.2 kg·hm-2，相比T2、T3、T4、T5处理分别增加1.21%、9.97%、18.05%和20.78%，T1与T2处理间产量没有显著性差异，土壤水分下限为85%FC和75%FC时，棉花产量较高。随着土壤水分下限的降低，灌溉定额逐渐减少，T1处理灌溉定额最大(378 mm)，T2、T3、T4、T5处理与之相比分别节水11.64%、33.07%、33.95%、46.83%；随着土壤水分下限的增大，棉花耗水量逐渐增大；T5处理的水分利用效率最高，为1.63 kg·hm-2，相对T1、T2、T3和T4处理增加28.35%、16.43%、7.95%和9.40%。说明棉花产量随着土壤水分下限的增大逐渐增大，水分利用效率均随着土壤水分下限的增大逐渐降低。

2.3 土壤水分下限调控对棉花纤维品质的影响

在评价棉花纤维品质优劣的过程中，通过单一指标无法对棉花纤维品质进行判别，因此，采用主成分分析法对表5中8个指标进行综合分析，评价出相对较优的灌溉处理。由于各指标具有不同的量纲和数量级，为了保证结果的可靠性，需要对数据进行标准化处理。由于棉花断裂伸长率大于7时数值越小棉花品质越好，马克隆值大于4.2时数值越小棉花品质越好，短纤维指数和成熟度指数越小棉花品质越好[27]，本文先取棉花的马克隆值、断裂伸长率、成熟度指数和短纤维指数为负数，然后再进行标准化。参考王伟娜等[28]的计算方法，按如下原则选择主成分: 将特征值大于1.0或累积方差贡献率大于85%的因子数定为主成分个数，该因子即为主成分。分析标准化后的数据，得到主成分的特征值、贡献率和累积贡献率(表6)。

通过分析，前两个成分特征值均大于1.0，可作为主成分。各指标与第1主成分的关系为：F1=0.216X1-0.028X2-0.2X3-0.25X4+0.147X5+0.198X6+0.246X7-0.067X8，与第2主成分的关系为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分别表示上半部平均长度、长度整齐度指数、断裂比强度、断裂伸长率、马克隆值、短纤维指数、成熟度指数、纺织一致性指数。综合评价公式为：F=3.627F1+2.905F2。将表6中的标准化值对应带入主成分公式和综合评价公式中，得出不同灌溉制度下棉花品质指标的综合评价值(表7)。综合评价结果表明，棉花纤维品质依次为T2>T1>T3>T4>T5。

表4 土壤水分下限调控对棉花产量和水分利用效率的影响

表5 土壤水分下限调控对棉花纤维品质的影响

表6 棉花纤维主成分特征值、贡献率和累积贡献率

表7 主成分分析法评价棉花纤维品质综合指标分数与排名

3 讨 论

研究表明，滴灌条件下土壤水分下限调控对棉花生长、产量、品质及水分利用效率有显著的影响。Logistic方程已广泛用于模拟水稻[29]、玉米[30]、棉花[31]株高或者生物量的生长过程，可以为田间灌水和作物生长预测提供指导。株高是衡量棉花生长状况的重要指标，也是反映作物营养生长和生殖生长协调程度的重要指标[32]。Wang等[33]研究认为，棉花的株高随着灌水下限的增加而增加，低灌水下限会产生盐分胁迫，抑制植株的生长。刘素华等[34]研究得出作物在调亏灌溉下营养生长会受到一定程度限制，体现在株高降低、生物产量也显著降低。本文研究结果与之相似，通过Logistic方程描述棉花植株的株高、地上干物质量随播后天数的变化，表明不同土壤水分下限处理间棉花株高、地上干物质量差异明显，提高土壤水分下限，株高和生物量显著增加。土壤水分下限过高(85%FC)，棉花侧重于营养生长，产生旺长型棉花植株，不利于生物量的持续增高；土壤水分下限过低(45%FC)，棉花受旱，导致棉花生育进程加快，生育期缩短，产生生长不足型棉花植株，不利于生物量的积累。

李百凤等[8]研究表明，土壤水分控制下限是影响作物产量的重要因素，土壤水分对作物生长过程影响最为密切，土壤水分不足首先表现在作物生物量积累相对缓慢，并最终体现在作物产量上。刘梅先等[35]研究认为虽然滴灌水量少于300 mm可获得较高的水分利用效率，但作物减产严重，但过量滴灌也无明显增产效应。本文研究结果表明，随着土壤水分控制下限的降低，棉花产量逐渐减小，水分利用效率逐渐增大。土壤水分下限过高引起灌水量的增加，棉花侧重营养生长，产量未明显提高且不利于节水；土壤水分下限过低导致灌水量的减少，可以提高棉花对土壤水的吸收利用，提高水分利用效率，但植株受旱易发生早衰，导致棉花产量降低。这与蔡焕杰等[36]的研究结果一致，他们认为长时间连续的水分亏缺会造成棉株代谢失调及生长速率下降，从而影响作物的经济产量，充分供水促使棉株旺长，棉株过早封行，透光透气条件变差，脱蕾、落花现象严重，从而造成了产量的降低。

随着人们生活水平的提高，品质的提升已成为当今节水农业追求的主要目标。主成分分析法在番茄[37]、马铃薯[38]、棉花[39]等作物品质及性状评价中应用越来越广泛，主成分分析与评价是一种多元统计方法，采用主成分分析方法对棉花品质进行评价，可以在较少损失原有指标信息的情况下，将多个品质指标转换为一个品质综合主成分评价变量[38]。在一定灌水量范围内，适度减少灌水量可增大马克隆值，断裂比强度会随着水分亏缺程度的升高而降低[40]。本文结果与之相似，土壤水分调控显著影响棉花的纤维品质，土壤水分下限越低，灌水量越少，马克隆值越大，成熟度指数越高，断裂比强度和断裂伸长率减少。本文通过主成分分析法提取了2个主成分，包含原始数据81.65%的变异信息，获得棉花品质综合较优的处理(T2)。

4 结 论

土壤水分下限为75%FC时棉花单株有效铃数、单铃重和干物质量增加，棉花品质最好，可以至少获得最高皮棉产量的98%，并节省11%左右的灌水量，产量和水分利用效率分别达到7 146.4 kg·hm-2和1.40 kg·m-3。因此，综合考虑提高棉花产量和品质的同时，达到节水的目的，建议南疆棉花生长的适宜灌水下限为75%FC。初步得出南疆盐碱地膜下滴灌灌溉制度为：非生育期进行冬灌淋盐，冬灌定额为300 mm，生育期灌溉定额为334 mm，蕾期灌水定额为21 mm，花期、铃期及吐絮期灌水定额为32 mm，整个生育期灌水12次，灌水周期为8 d。