深松深度对南疆滴灌棉田水分利用效率与产量的影响

王 亮，郭仁松，吾买尔江•库尔班，田立文，林 涛，郑子漂，徐海江，孔繁阳，崔建平

·农业水土工程·

深松深度对南疆滴灌棉田水分利用效率与产量的影响

王 亮1,2，郭仁松2，吾买尔江•库尔班1，田立文2，林 涛2，郑子漂2，徐海江2，孔繁阳2，崔建平2※

（1. 新疆农业科学院库车陆地棉试验站，库车 842099；2. 新疆农业科学院经济作物研究所，乌鲁木齐 830091）

为探明深松对南疆滴灌棉田耗水特性、水分利用效率及产量的影响。在新疆阿瓦提县棉花科研示范基地开展田间深松试验，设置3个深松深度（TD1，30 cm；TD2，40 cm；TD3，50 cm），以不深松为对照（CK），比对分析不同处理土壤容重、棉田耗水特征、干物质积累量、产量及水分利用效率的变化。结果表明，深松处理均能降低土壤容重，提高快速生长期深层水分的利用吸收，增加棉田土壤水分消耗量和蒸散量；与CK处理相比，TD1、TD2和TD3处理0～60 cm平均土壤容重降低1.0%、1.9%和3.3%，花铃期0～80 cm土层平均土壤质量含水率减小5.3%、11.6%和11.3%，全生育期土壤水分消耗量显著增加31.4、30.0和47.4 mm，总蒸散量则显著增大6.7%、6.3%和10.0%。深松处理对棉花干物质积累量、产量及水分利用效率具有显著促进效应，但并不随深松深度的增加呈逐渐增大趋势，当深松深度为TD2时更有利于获得最大干物质积累量、最高产量和最大水分利用效率；吐絮期TD1、TD2和TD3处理干物质积累量分别较CK增加11.6%、22.5%和20.8%，产量显著增加7.0%、15.5%和13.0%，TD2处理水分利用效率较CK和TD3提高8.9%和6.3%。可见，深松40 cm既能优化土壤耕层结构，又能协同棉花产量及水分生产力的最大化，是南疆绿洲滴灌棉田适宜的深松深度，在南疆旱作棉田合理耕层构建中具有一定的推广应用价值。

棉花；土壤；深松；土壤水分；产量；水分利用效率

0 引 言

南疆位于天山以南，昆仑山脉以北，是新疆乃至中国植棉面积最大、品质最优的棉花生产基地[1]，其棉花产量和面积分别占全疆的71.2%和 67.6%[2]。该区域气候极端干旱少雨（年均降水量仅为46.7 mm），水分蒸发强烈，是典型的“绿洲生态，灌溉农业”，其灌溉需要指数在 85%以上[3]，农田水资源严重匮乏。同时，由于南疆耕地自开垦以来一直进行棉花连作，轮作倒茬困难，小规模分散种植使得以铧式犁为主的连年翻耕制度与高强度的机械作业长期沿用，加剧了耕作层浅化（南疆灌溉棉区平均耕层深度仅为20 cm），犁底层加厚，形成土壤压实的不合理耕层结构，导致耕层“浅、实、少、干”问题突出，弱化了水肥气热传导性能，致使水肥利用效率低下，土壤耕地质量及地力生产力持续下降，严重制约了作物生长发育与高产高效[4]。如何消减连作棉田土壤障碍，提高有限灌溉水的高效利用，实现棉田节水、高效用水与土壤库容扩增协同，增产增效，已成为目前南疆棉花生产上亟待解决的关键科学问题。

深松作为构建合理耕层结构的一项有效改土技术手段[5]，对减轻农田土壤连作障碍，优化土壤环境，提升土壤生产力具有较好的效果[6]。近年，国内外关于深松的研究取得了阶段性进展，深松可打破犁底层致密结构，加深耕层厚度，形成虚实并存的土壤结构[7]。深松耕作显著增加了土壤碳库容及土壤孔隙的连通性[8]，田慎重等[9]在旋耕加深松和秸秆还田的综合耕作措施下研究表明，深松配合秸秆还田提高了0～20 cm土壤团聚体稳定性和活性有机碳含量及贡献率，提高了深层土壤气相比。土壤水分运动与深松之间存在很强的关联性，Kaur等[10]和Kuang等[11]研究认为，深松（35～40 cm）可为土壤水分入渗创造有效的输送通道，提高稳定入渗率，增加水渗透能力；Nidia等[12]研究了耕作方式对地中海气候下土壤水分平衡的影响表明，深松可显著增加土壤贮水量，对土体的有效供水能力有很好的提升作用[13]。深松减弱了土壤穿透阻力，利于优化根系形态，促进根系对水分及养分的吸收与转运[14]，Sun等[15]在华北平原区开展的耕作方式研究表明，深松促进了作物根系下扎，有利于根系对深层土壤中养分和水分的吸收利用，提高了养分利用效率，从而促进作物生长发育和产量提高[16]。这与温美娟等[17]在引黄灌区灰钙土上的研究结果一致。然而，上述关于深松耕作的研究主要集中在黄淮海平原及黄土高原生态区，且多为不同耕作方式对土壤质量、作物生长发育方面的对比分析，有关深松深度研究也主要在30～40 cm的深度。针对南疆依赖灌溉的粉砂质壤土环境条件下，深松深度对棉田土壤环境、耗水特性及作物生产的系统性研究不足，影响棉田水土环境及产量的机理尚不明晰，缺乏对应土壤区位和障碍因子的深松作业深度规范，限制了深松耕作技术因地制宜的推广应用。因此，本文通过研究南疆滴灌棉田深松深度对土壤容重、土壤水分消耗变化过程、产量及水分利用效率的影响，揭示深松扩容增产机理，以期为构建南疆绿洲灌溉棉区适宜的耕层结构及深松技术的合理应用提供理论依据和实践经验。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年4—10月在阿瓦提县新疆农业科学院棉花科研示范基地（40°27'N，80°21'E，海拔1 025 m）进行。试验区位于塔克拉玛干沙漠北缘，属于暖温带大陆性干旱气候，是典型的绿洲灌溉区。该区域降雨稀少，极干旱，年均降雨量仅46.7 mm，平均蒸发量达1 890.7 mm，光热资源丰富，年平均气温10.4 ℃，＞10 ℃年积温3 988 ℃，无霜期211 d，年日照时数2 679 h。2019年棉花生长季日均气温19.9 ℃，降水量100.9 mm（图1）。试验地土质类型为粉砂质壤土，砂粒、粉粒、黏粒质量比例为61∶36∶3，地下水埋深大于5 m，无向上补给水量，灌溉水为地表天山融雪水。

图1 试验地2019年棉花生长季降水量和气温分布

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，以不深松为对照（CK），设置3个深松深度30 cm（TD1）、40 cm（TD2）和50 cm（TD3），共4个处理，秋收后，采用棉花秸秆粉碎机将棉秸秆全部粉碎还田，之后采用7M-2204型带有深度定位仪的弯刀式深松机进行精确深松，深松后进行冬灌蓄墒。不同处理耕层土壤（0～60 cm）的基础养分状况见表1，整地播种前将氮肥施用总量的30%、钾肥施用总量的50%和全部磷肥作为底肥，结合浅犁一次性施入，底肥共施入尿素（N质量分数≥46%）202.5 kg/hm2，农用硫酸钾（K2O质量分数≥50%）75 kg/hm2，三料磷肥（P2O5质量分数≥46%）375 kg/hm2。最后采用2BMJ-4型气吸式精量铺膜播种机进行单粒精播。试验采用1膜双管6行种植模式，膜宽2.05 m，播幅2.3 m，2根滴灌带间距76 cm，滴头间距20 cm，滴头设计流量2.1 L/h。株行配置为窄行10 cm，宽行66 cm，株距11 cm，种植密度为2.4×105株/hm2。每处理重复3次，共12个小区，每小区由3个播幅组成，小区宽6.9 m，长6.5 m，面积44.85 m2，小区之间留1播幅设为保护行。2019年供试棉花品种为“新陆中88号”，属于中熟棉花品种，于2019年4月15日播种，2019年9月25日收获，生育期长163 d。

表1 不同处理下试验区耕层土壤（0～60 cm）的基本性质

注：CK 为不深松，TD1 为深松30 cm，TD2 为深松40 cm，TD3 为深松50 cm。下同。

Note: CK is not subsoiling, TD1 represents subsoiling of 30 cm, TD2 represents subsoiling of 40 cm, and TD3 represents subsoiling of 50 cm. Same as below.

试验区单独水表控水计量，采用滴灌方式，每个处理灌水量相同，整个生长季灌水总量控制在360 mm，6月20日灌头水，之后每间隔7 d滴灌1次，全生育期共滴灌10次，单次灌水量为36 mm。棉花生育期肥料按照“一水一肥”的方式进行等量追施，追施尿素（N质量分数≥46%）472.5 kg/hm2，农用硫酸钾（K2O质量分数≥50%）75 kg/hm2，试验区周围设置保护行，其他农事管理措施同周边大田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤容重测定

于棉花收获期，采用环刀法测定0～60 cm土层深度的土壤容重，每10 cm为一层，每处理重复取样3次，环刀体积为100 cm3，测定位置为棉花宽行每层中间位置。

1.3.2 土壤质量含水率的测定

土壤质量含水率采用土钻取土烘干法测定，在棉花生育期内，各处理每7 d（灌水前一天）用土钻于小区第2幅膜（减小边际效应）膜间滴头正下方采取0～20、＞20～40、＞40～60、＞60～80 cm土层土样，置于铝盒称鲜土质量，在80 ℃恒温下烘干后称干土质量。各处理进行3次平行测定，取平均值计算土壤质量含水率。

1.3.3 土壤水分消耗量、农田蒸散量及耗水系数

土壤贮水量（，mm）的计算公式如下[18]

=S(﹒﹒)×10 （1）

式中为土层厚度，cm；为该土层土壤容重，g/cm3；为该土层土壤质量含水率，以占干土质量的百分数计。

土壤水分消耗量（Soil Water Consumption，SWC，mm）的计算公式如下

SWC=1-2（2）

式中1和2分别为生育阶段初和阶段末的土壤贮水量，mm；

采用水量平衡法计算作物农田蒸散量（Evapotranspiration，ETc，mm），公式如下[18]

ETc=SWC+++--（3）

式中为时段内灌水量，mm；为时段内有效降雨量，mm；为地下水通过毛管作用上移补给作物水量，mm；为地表径流量，mm；为补给地下水量，mm。试验区地势平坦，在有作物生长的农田，降水入渗深度不超过2 m，所以和可忽略不计；当地下水埋深大于2.5 m时，地下水上移补给作物水量可视为0（本试验地下水埋深在5 m以下，故值为0）。因此，公式（2）可简化为

ETc=SWC++（4）

耗水系数（Water Consumption Coefficient，WCC，%）的计算公式为[19]

WCC= ETa/ ETc×100 （5）

式中ETa为某一生育阶段农田蒸散量，mm；ETc为生育期农田总蒸散量，mm。

1.3.4 棉花干物质积累量测定

于棉株苗期、蕾期、盛花期、盛铃期和吐絮期，在每小区选取长势均匀的5株棉样，采集其地上部和地下部分，将获得的鲜植株样立即分根、茎、叶、蕾铃花等器官，在105 ℃条件下杀青30 min后，于80 ℃烘干至恒质量，测定其干物质积累量。

1.3.5 产量及构成因素和水分利用效率的测定

吐絮期在每小区选定2.9 m×2.3 m地块，调查有效株数和单株成铃数，重复测定平行3组，取其平均值。并在每小区连续几株分上、中、下3部位各取50个吐絮铃，同样各处理重复3次，室内考种，调查单铃质量和衣分。

水分利用效率（WUE）的计算公式为[20]

WUE=/ ETc （6）

式中为籽棉产量，kg/hm2。

1.3.6 气象要素测定

降水量、温度和风速等气象参数由常规田间气象站（Watch Dog 2900ET Weather Station，Spectrum，Inc，USA）测定。

1.4 数据处理及统计分析

利用Microsoft Excel 2010对数据进行处理，采用SPSS 19.0统计分析软件One way ANOVA分析不同深松深度处理之间的差异显著性。SigmaPlot Version 12.5（Systat Software，Inc. USA）绘图。

2 结果与分析

2.1 深松深度对棉田土壤容重的影响

不同深松深度对棉花收获期0～60 cm土壤剖面容重的影响如表2所示。0～10 cm土层不同处理土壤容重差异不显著（>0.05）；>10～20 cm土层TD2和TD3处理土壤容重较CK显著降低，分别降低2.9%和3.6%（<0.05）；>20～30 cm土层3个深松处理土壤容重均显著低于CK，分别降低5.6%、4.9%和5.6%（<0.05），但深松处理间差异不显著（>0.05）；>30～40 cm土层TD3处理土壤容重较CK、TD1和TD2处理分别显著降低2.8%、4.1%和1.4%（<0.05）；>40～50 cm土层仅TD3处理土壤容重显著低于其他处理，较CK显著降低4.7%（<0.05），而CK、TD1和TD2处理间差异不显著（>0.05）；>50～60 cm土层处理间土壤容重差异均不显著（>0.05），这主要是由于深松未对>50～60 cm深层土壤造成扰动。整体上，0～60 cm土层TD1、TD2和TD3处理平均土壤容重较CK分别降低1.0%、1.9%和3.3%，上述分析表明，深松处理均可降低不同土层的土壤容重，深松深度增加，容重降幅增大，且不同土层TD3处理土壤容重均最低。

表2 棉花收获期各处理不同深度土层土壤容重变化

注：同一行中不同小写字母表示处理间差异显著（<0.05）。表中数据为平均值±标准差。

Note: Different lowercase letters in the same line indicate significant differences among treatments (<0.05). The data are mean ± standard deviation in the table.

2.2 深松深度对棉田土壤剖面水分分布的影响

耕层土壤结构差异影响了土壤水分分布特征，图2显示了棉花生长季不同深松深度下棉田0～80 cm土层剖面水分分布变化。棉花苗期，0～80 cm土层TD1、TD2和TD3处理平均土壤质量含水率较CK分别高出2.6%、6.5%和7.2%；蕾期，0～40 cm土层深松处理土壤质量含水率均较CK降低，各深松处理间差异较小，60～80 cm土层TD2和TD3处理土壤质量含水率明显高于CK；花铃期土壤蒸发及蒸腾作用进一步加强，各处理表层0～20 cm土壤质量含水率均较低，且处理间差异较小，该阶段也是耗水高峰期，水分需求量明显增大，20～40 cm土层各处理土壤质量含水率仍较低，且TD1、TD2和TD3处理较CK大幅降低，40～80 cm土层各处理土壤质量含水率明显增加，但仍呈现深松处理土壤质量含水率低于CK的趋势，整体来看，花铃期0～80 cm土层TD1、TD2和TD3处理平均土壤质量含水率较CK处理分别降低5.3%、11.6%和11.3%。这主要是由于深松打破犁底层，利于根系深扎与水分移动吸收，故深松处理深层土壤水分消耗量较大。吐絮期棉花生长对水分需求量减弱，加之该生育阶段内降雨量较大，0～40 cm土层各处理土壤质量含水率增大，CK土壤质量含水率显著高于TD2和TD3处理，40～80 cm土层TD2和TD3处理土壤质量含水率较CK略有增加，主要是由于TD2和TD3处理破除土壤犁底层，有利于充足的水分向深层移动。

图2 不同深松深度处理棉花各生育期剖面土壤质量含水率的变化

2.3 深松深度对棉田耗水特性的影响

表3给出了不同深松深度下棉花各生育期土壤水分消耗量、蒸散量及耗水系数的变化特征。由表可知，棉花苗期TD2和TD3处理土壤水分消耗量、蒸散量及耗水系数均与CK有显著性差异（<0.05），与CK相比，TD2和TD3处理土壤水分消耗量显著降低24.5%和29.6%，蒸散量显著降低14.8%和17.9%，耗水系数显著减小20.2%和25.8%；进入蕾期后，土壤水分消耗转为以植物蒸腾为主的过程，深松处理土壤水分消耗量、蒸散量及耗水系数较CK均显著增加（<0.05），但深松处理间差异不显著（>0.05），随深松深度增加土壤水分消耗量、蒸散量逐渐增大，而耗水系数则呈先增后减的变化趋势；至花铃期，各处理棉田耗水量均达到最大值，TD2和TD3处理土壤水分消耗量及蒸散量较CK和TD1处理显著增加（<0.05），而TD2与TD3处理间差异不显著（>0.05），土壤水分消耗量TD2和TD3处理较CK分别增加108.9%和111.4%，蒸散量TD2处理较CK和TD1处理分别增加7.5%和2.6%，TD3处理则分别增加7.7%和2.7%，各处理对耗水系数的影响差异不显著（>0.05）；吐絮期TD3处理土壤水分消耗量较其他处理显著增加（<0.05），蒸散量及耗水系数以TD2处理最低。从整个生育期来看，TD1、TD2和TD3处理土壤水分消耗量较CK显著增加31.4、30.0和47.4 mm（<0.05），各深松处理间差异不显著（>0.05），深松能显著增加棉花生育期总蒸散量（<0.05），TD1、TD2和TD3处理生育期总蒸散量均较CK显著增加6.7%、6.3%和10.0%。综上，深松可提高耗水高峰期水分的吸收利用，降低生育初期棉田土壤水分消耗，从保水与供水角度分析，TD2处理效果最佳。

表3 不同深松处理下棉田土壤水分消耗量和蒸散量的变化

注：SWC为土壤水分消耗量；ETc为蒸散量；WCC为耗水系数；同一列中不同小写字母表示处理间差异显著（<0.05），下同。

Note: SWC is soil water consumption; ETc is evapotranspiration; WCC is water consumption coefficient; Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments (<0.05), same below.

2.4 深松深度对棉花干物质积累的影响

干物质积累合成是形成作物产量的关键，如图3所示，TD2和TD3处理均显著增加了棉花干物质积累量（<0.05）。苗期TD3处理干物质积累量较CK、TD1和TD2显著增加61.3%、32.7%和34.9%；蕾期各处理间干物质积累量差异均不显著（>0.05）；盛花至吐絮期不同处理干物质积累量呈TD2>TD3>TD1>CK处理的变化趋势。盛花期TD2处理干物质积累量较CK显著增加19.7%（<0.05）；盛铃期TD2和TD3处理干物质积累量较CK分别显著增加17.7%、15.8%（<0.05）；吐絮期TD1、TD2和TD3处理较CK增加11.6%、22.5%和20.8%，各深松处理间差异均不显著（>0.05）。综上所述，深松有利于促进干物质量的形成，且以TD2处理效果最好。

棉花生长季各处理干物质积累速率呈单峰变化曲线（图4），TD1、TD2和TD3处理干物质积累速率均快于CK，生育后期差异更明显。出苗后第105天前，各处理呈TD2>TD3>TD1>CK的变化；不同处理干物质最大积累速率及出现时间存在差异，CK处理在出苗后第100天积累速率最快，为1.20 g/(plant·d)，TD1、TD2和TD3处理则均在出苗后第105天积累速率最快，分别为1.26、1.42和1.40 g/(plant·d)，最大积累速率依次较CK增加5.0%、18.3%和16.7%；出苗第105天后，CK处理干物质积累速率明显较深松处理减慢。结果表明，深松可加快干物质积累速率，延迟最大积累速率出现时间，有利于干物质量的形成，对促进棉花增产奠定基础。

图3 不同深松处理棉花干物质积累量变化特征

注：图中箭头指向为积累速率最快的天数。

2.5 深松深度对棉花产量和水分利用效率的影响

深松深度对棉花产量、单株成铃数、单铃质量、衣分及水分利用效率的影响如表4所示。TD1、TD2和TD3处理棉花产量较CK显著增加7.0%、15.5%和13.0%，TD2和TD3处理较TD1显著增产7.9%和5.6%（<0.05），TD2和TD3处理间差异不显著（>0.05）；水分利用效率CK和TD1处理最低，TD2处理较CK和TD1处理显著提高8.9%（<0.05），较TD3提高6.3%；产量构成因素方面，TD2处理单株成铃数较CK显著增加10.4%（<0.05），其他处理间差异不显著（>0.05）；单铃质量以TD2和TD3处理最高，且较CK和TD1处理显著增加7.5%和5.6%（<0.05）；棉花衣分不同处理间差异均未达显著水平（>0.05）。综上，棉花产量、单株成铃数及水分利用效率随深松深度增加呈先增后减的变化趋势，当深松深度为TD2时均可获得最大值，结合耗水量分析，虽TD3处理更有利于调动深层水分利用，但其产量、单株成铃数及水分利用效率有所下降，TD2处理能更好的协同耗水与产量的关系，获得最大的产量及水分利用效率。

表4 不同深松处理棉花产量及水分利用效率的变化

3 讨 论

3.1 深松对农田土壤结构的影响

合理构建耕层结构可优化土壤物理性状，提升地力生产力。深松是解决土壤耕作层瘠薄化问题和构建合理耕层的关键技术之一。研究表明，合理深松能够有效打破硬实的犁底层，实现既能增加土壤疏松程度，又不扰乱土壤层次分布的目的[21]。深松（35～40 cm）可显著降低表层（0～30 cm）的土壤容重与紧实度达到适宜状态[17]，提高土壤孔隙度和空隙连续性，增强水分入渗能力[22]。本研究结果显示，深松深度对土壤结构的改善提升具有积极作用，不同深松深度对0～10 cm及50～60 cm土层土壤容重影响不显著，这主要是由于秋季深松后，播种前进行浅耙整地，使得表土层均处于疏松状态，而分别对相应深松深度以上土层土壤容重有显著的降低效果，且深松深度越深，容重降幅越大，深松50 cm对降低土壤容重具有最佳效果，这与前人的研究结果基本一致。但不同的是适宜的深松深度因地而异，这主要是受不同生态区域土壤类型、土壤质地条件等影响，导致深松对农田土壤结构改变所呈现的效果存在很大差异。研究表明，黄淮海平原是典型的潮土、褐土分布区，土壤质地较均匀，呈黏质壤土，该区域适宜的深松深度为35～40 cm[13,23]。黄土高原引黄灌区土壤以灰钙土为主，质地为中壤，土壤性状表现为薄、沙、黏且盐分多，土壤漏水漏肥，通透性差[24]，深松35 cm秸秆还田能改善土壤特性。而南疆灌溉棉区为灌耕棕漠土，土壤质地为粉砂质壤土，以粉砂为主，黏粒含量少，粉粒、砂粒、黏粒质量分数分别为36.4%、60.7%、2.9%[25]，耕层土壤“浅、实、少”现象普遍，本研究中，仅改土效果以深松50 cm最好。因此，不同区域生态条件的差异化，导致深松改土效果及深松深度的一致性不同，应因地制宜地选择适宜的深松深度。

3.2 深松对农田土壤水分消耗状况及水分利用的影响

深松耕作通过改变土壤容重，进而引起土壤水分特性发生相应变化[26-27]。前人研究表明，深松能促进水分入渗，提高土壤水分含量[28]，特别是显著增加了深层土壤含水量[29]，降低表层土壤水分[30]。但本文研究结果有所不同，研究显示深松处理可显著降低蕾期至花铃期中下层土壤水分含量，提高苗期0～80 cm土层的田间持水能力，这与翟振等[31]的研究结果大体一致。其主要原因是深松形成松软的土壤质地，水分自由运动阻力减弱，随着蒸腾作用加强，深层土壤水分的供应与消耗能力明显增强，故关键需水时期深松处理的土壤水分含量显著降低，而对于水分需求较小的生育阶段，起到保水蓄墒的作用。深松对土壤水分消耗状况有显著影响，且与深松深度之间存在很强的相关性。本文研究显示，深松40和50 cm使棉花苗期的土壤水分消耗量降低，显著提高蕾期至花铃期的土壤水分消耗量、蒸散量及耗水系数，且深松40 cm可显著获得最高的作物水分利用效率，能更好的平衡水分的储蓄与消耗。这说明适宜的深松深度能保持较好的水分供需关系，深松强度过大反而不利于水分高效利用，这与Nidia等[12]的研究结果一致。但也有部分研究认为，深松深度与农田耗水量呈负相关，深松显著降低作物耗水量[32-33]。造成不同耕作区域深松对土壤水分消耗特性的差异性来源可能与取样时间、农田微气候环境和土壤类型有关，有待进一步验证研究。下一步还需开展深松对土壤蒸发和作物蒸腾的定量分离研究，揭示深松对农田耗水分配规律的影响。

3.3 深松处理对棉花生长发育及产量的影响

深松耕作通过改善根区环境，提高了作物根系对水分和养分的吸收供应能力，对作物生产潜能具有积极作用[34]。前人研究表明，深松可促进深层根系生长发育，提高作物光合势能[35]，显著促进作物花后干物质和养分的积累与转运[15]，进而提高农作物产量[36-37]。本研究结果表明，增加深松深度对棉花干物质积累量、最大积累与转运速率和产量均具有显著地促进效应，干物质量增幅11.6%～22.5%，增产幅度为7.0%～15.5%；同时，深松可延缓棉花衰老过程，这与以往的研究结果大致相同[21]。主要是由于深松改善了棉田耕层的疏松状况，利于根系深扎和水肥的调动利用，提高了棉花生长所需水肥的持续供应能力，从而对棉花发育和增产产生良好效应。但Kuang等[11]和谭德冲[38]研究认为深松35或50 cm处理更有利于作物生长及产量提升。而本研究认为深松深度对棉花生产力的正调节效应并不呈线性关系，深松深度达到40 cm时，棉花生长各指标最优。这可能是由于不同耕作区域受土壤、气候等环境因子和作物类型的影响，作物生产潜能对深松深度的响应存在差异所致。

综合分析表明，在南疆灌溉棉区，深松40和50 cm均可创造宽厚疏松的耕层状况，提高土壤水分供给能力，促进光合产物及产量形成，但深松50 cm时并不能够获得最高产量和最大水分利用率，且增加了生产油耗投入成本。从经济环保角度考虑，深松40 cm是南疆旱作棉区实现高效节能和提质增产的最佳深松深度。

4 结 论

本研究在大田设置 3个深松深度处理，以不深松（CK）为对照，对南疆棉田耗水特性、生长动态、产量及水分利用效率进行了研究，主要结论如下：

1）在南疆滴灌棉区，深松40和50 cm可显著降低>10～40 cm土壤容重（<0.05），深松50 cm处理对土壤耕层结构的优化效果最佳，0～60 cm平均土壤容重较CK降低3.3%。

2）与CK相比，深松40和50 cm处理增加了棉花苗期0～80 cm土层土壤质量含水率，大幅降低了花铃期0～80 cm土层土壤水分含量，有利于深层土壤水分的吸收利用；深松40和50 cm均能显著提高蕾期至花铃期棉田土壤水分消耗量和蒸散量，显著降低苗期土壤水分消耗量和蒸散量（<0.05），有利于耗水高峰期需求水分的供应及生育初期及末期充足水分的贮存。

3）深松40和50 cm处理均显著增加了棉花干物质积累量（<0.05），加快干物质积累速率，延长快速积累时间，有利于提高水分利用效率，显著提高棉花产量与单铃质量（<0.05），但棉花干物质积累量、产量及水分利用效率并不随深松深度的增加而增加，深松40 cm处理可获得最高干物质积累量、产量及最大水分利用效率，能更好的平衡耗水与产量的关系，是南疆滴灌棉区粉砂质土壤条件下最适宜的深松深度。

[1] 何平如，张富仓，侯翔皓，等. 土壤水分调控对南疆滴灌棉花产量及土壤水盐分布的影响[J]. 水土保持研究，2020，27(2)：84-92. He Pingru, Zhang Fucang, Hou Xianghao, et al. Effects of soil water regulation on cotton yield and soil water salt distribution under drip irrigation in southern Xinjiang[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2020, 27(2): 84-92. (in Chinese with English abstract)

[2] 辛明华，王占彪，李亚兵，等. 南疆棉区机采种植模式下棉花种植密度研究[J]. 山东农业科学，2020，52(1)：46-52. Xin Minghua, Wang Zhanbiao, Li Yabing, et al. Study on suitable planting density of cotton under machine-picked planting mode in south Xinjiang[J]. Shandong Agricultural Sciences, 2020, 52(1): 46-52. (in Chinese with English abstract)

[3] 王红梅，刘新华. 南疆高效节水灌溉面临的问题及应对措施[J]. 水利规划与设计，2018(10)：72-74，107. Wang Hongmei, Liu Xinhua. Problems and countermeasures of efficient water saving irrigation in south Xinjiang[J]. Water Resources Planning and Design, 2018(10): 72-74, 107. (in Chinese with English abstract)

[4] Bai W, Sun Z X, Zheng J M, et al. The combination of subsoil and the incorporation of corn stover affect physicochemical properties of soil and corn yield in semi-arid China[J]. Toxicological & Environmental Chemistry, 2016, 98(5/6): 561-570.

[5] Shao Y H, Xie Y X, Wang C Y, et al. Effects of different soil conservation tillage approaches on soil nutrients, water use and wheat-maize yield in rain fed dry-land regions of North China[J]. European Journal of Agronomy, 2016, 81: 37-45.

[6] 崔建平，程强，徐海江，等. 深松条件下滴灌频次对土壤理化指标及棉花产量的调节效应[J]. 水土保持学报，2019，33(1)：263-269，276. Cui Jianping, Cheng Qiang, Xu Haijiang, et al. Effects of drip irrigation frequency on soil physical and chemical characteristics and cotton yield under subsoiling condition[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2019, 33(1): 263-269, 276. (in Chinese with English abstract)

[7] Wang S B, Guo L L, Han H. F, et al. Effect of subsoiling depth on soil physical properties and summer maize (L) yield[J]. Plant, Soil and Environment, 2019, 65(3): 131-137.

[8] Zhang Y J, Wang R, Wang S L, et al. Effects of different subsoiling frequencies incorporated into no-tillage systems on soil properties and crop yield in dryland wheat-maize rotation system[J]. Field Crops Research, 2017, 209: 151-158.

[9] 田慎重，张玉凤，郭洪海，等. 深松和秸秆还田对旋耕农田土壤有机碳活性组分的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(2)：185-192. Tian Shenzhong, Zhang Yufeng, Guo Honghai, et al. Effects of subsoiling and straw return on soil labile organic carbon fractions in continue rotary tillage cropland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 185-192. (in Chinese with English abstract)

[10] Kaur R, Arora V K. Deep tillage and residue mulch effects on productivity and water and nitrogen economy of spring maize in north-west India[J]. Agricultural Water Management, 2019, 213: 724-731.

[11] Kuang N K, Tan C D, Han H F, et al. Effects of sub-soiling before winter wheat on water consumption characteristics and yield of summer maize on the North China Plain[J]. Agricultural Water Management, 2020, 227: 105786.

[12] Nidia B S, Oscar S, Ingrid M, et al. Tillage effects on the soil water balance and the use of water by oats and wheat in a Mediterranean climate[J]. Soil and Tillage Research, 2018, 184: 68-77.

[13] 尹宝重，张永升，甄文超. 海河低平原渠灌区麦田深松的节水增产效应研究[J]. 中国农业科学，2015，48(7)：1311-1320. Yin Baozhong, Zhang Yongsheng, Zhen Wenchao. Effects of sub-soiling tillage on wheat field water-saving and yield-increasing in canal irrigation district of Haihe Lowland Plain[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(7): 1311-1320. (in Chinese with English abstract)

[14] 白伟，孙占祥，郑家明，等. 耕层土壤虚实结构优化春玉米根系形态提高水分利用效率[J]. 农业工程学报，2019，35(21)：88-97. Bai Wei, Sun Zhanxiang, Zheng Jiaming, et al. Furrow loose and ridge compaction plough layer structure optimizing root morphology of spring maize and improving its water use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(21): 88-97. (in Chinese with English abstract)

[15] Sun X F, Ding Z S, Zhao M, et al. Sub-soiling practices change root distribution and increase post-anthesis dry matter accumulation and yield in summer maize[J]. Plos One, 2017, 12(4): e0174952.

[16] 张凯，刘战东，孙景生，等. 耕作方式和灌水处理对冬小麦-夏玉米水分利用及产量的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(17)：102-109. Zhang Kai, Liu Zhandong, Sun Jingsheng, et al. Effects of tillage and irrigation on water use and yield of winter wheat and summer maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 102-109. (in Chinese with English abstract)

[17] 温美娟，王成宝，杨思存，等. 深松和秸秆还田对甘肃引黄灌区土壤物理性状和玉米生产的影响[J]. 应用生态学报，2019，30(1)：224-232. Wen Meijuan, Wang Chengbao, Yang Sicun, et al. Effects of sub-soiling and straw returning on soil physical properties and maize production in Yellow River irrigation area of Gansu, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2019, 30(1): 224-232. (in Chinese with English abstract)

[18] Bai J, Wang J, Chen X, et al. Seasonal and inter-annual variations in carbon fluxes and evapotranspiration over cotton field under drip irrigation with plastic mulch in an arid region of Northwest China[J]. Journal of Arid Land, 2015, 7(2): 272-284.

[19] 黄玲，高阳，邱新强，等. 灌水量和时期对不同品种冬小麦产量和耗水特性的影响[J]. 农业工程学报，2013，29(14)：99-108. Huang Ling, Gao Yang, Qiu Xinqiang, et al. Effects of irrigation amount and stage on yield and water consumption of different winter wheat cultivars[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(14): 99-108. (in Chinese with English abstract)

[20] Yan Z X, Gao C, Ren Y J, et al. Effects of pre-sowing irrigation and straw mulching on the grain yield and water use efficiency of summer maize in the North China Plain[J]. Agricultural Water Management, 2017, 186(5): 21-28.

[21] 罗俊，林兆里，陈建峰，等. 耕作深度对蔗地土壤物理性状及甘蔗产量的影响[J]. 应用生态学报，2019，30(2)：405-412. Luo Jun, Lin Zhaoli, Chen Jianfeng, et al. Effect of subsoiling depths on soil physical characters and sugarcane yield[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2019, 30(2): 405-412. (in Chinese with English abstract)

[22] 杨永辉，武继承，何方，等. 耕作方式对土壤水分入渗、有机碳含量及土壤结构的影响[J]. 中国生态农业学报，2017，25(2)：258-266. Yang Yonghui, Wu Jicheng, He Fang, et al. Effect of tillage method on soil water infiltration, organic carbon content and structure[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(2): 258-266. (in Chinese with English abstract)

[23] 关劼兮，陈素英，邵立威，等. 华北典型区域土壤耕作方式对土壤特性和作物产量的影响[J]. 中国生态农业学报，2019，27(11)：1663-1672. Guan Jiexi, Chen Suying, Shao Liwei, et al. Soil tillage practices affecting soil characteristics and yield of winter wheat and summer maize in typical areas in the North China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(11): 1663-1672. (in Chinese with English abstract)

[24] 霍琳，杨思存，温美娟，等. 耕作方式对甘肃引黄灌区灌耕灰钙土团聚体分布及稳定性的影响[J]. 应用生态学报，2019，30(10)：3463-3472. Huo Lin, Yang Sicun, Wen Meijuan, et al. Effects of tillage methods on soil aggregate distribution and stability inirrigated sierozem of Gansu Yellow River irrigation area, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2019, 30(10): 3463-3472. (in Chinese with English abstract)

[25] 林涛，汤秋香，梅旭荣，等. 地膜残留量对棉田土壤水分分布及棉花根系构型的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(19)：117-125. Lin Tao, Tang Qiuxiang, Mei Xurong, et al. Effects of plastic film residue rate on root zone water environment and root distribution of cotton under drip irrigation condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(19): 117-125. (in Chinese with English abstract)

[26] 张霞，刘丹，王旭东，等. 种植方式和耕作措施对土壤结构与水分利用效率的影响[J]. 农业机械学报，2019，50(3)：250-261. Zhang Xia, Liu Dan, Wang Xudong, et al. Effects of planting methods and tillage systems on soil structure and water use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(3): 250-261. (in Chinese with English abstract)

[27] Schneider F, Don A, Hennings I, et al. The effect of deep tillage on crop yield-What do we really know?[J]. Soil and Tillage Research, 2017, 174: 193-204.

[28] Hu H Y, Ning T Y, Han H F, et al. Coupling effects of urea types and sub-soiling on nitrogen-water use and yield of different varieties of maize in northern China[J]. Field Crops Research, 2013, 142: 85-94.

[29] Sun M, Gao Z Q, Zong Y Z, et al. Contribution of sub-soiling in fallow period and nitrogen fertilizer to the soil water balance and grain yield of dry-land wheat[J]. International Journal of Agriculture and Biology, 2015, 17(1): 175-180.

[30] Martinez G, Ingrid, Erick Z, et al. Influence of conservation tillage and soil water content on crop yield in dry land compacted Alfisol of Central Chile[J]. Chilean Journal of Agricultural Research, 2011, 71(4): 615- 622.

[31] 翟振，李玉义，逄焕成，等. 耕深对土壤物理性质及小麦-玉米产量的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(11)：115-123. Zhai Zhen, Li Yuyi, Pang Huancheng, et al. Effect of tillage depth on soil physical properties and yield of winter wheat-summer maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11): 115-123. (in Chinese with English abstract)

[32] Tao Z Q, Li C F, Zhao M, et al. Tillage and straw mulching impacts on grain yield and water use efficiency of spring maize in Northern Huang-Huai-Hai Valley[J]. The Crop Journal, 2015, 3(5): 445-450.

[33] 张凯，刘战东，孙景生，等. 深松处理对豫北农田土壤水分与作物耗水的影响[J]. 农业机械学报，2019，50(10)：251-258. Zhang Kai, Liu Zhandong, Sun Jingsheng, et al. Effects of sub-soiling on soil moisture and crop water consumption in farmland of northern Henan Province[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(10): 251-258. (in Chinese with English abstract)

[34] Cai H G, Ma W, Ren J, et al. Effect of subsoil tillage depth on nutrient accumulation, root distribution, and grain yield in spring maize[J]. The Crop Journal, 2014, 2(5): 297-307.

[35] Xu J, He Z K, Han H F, et al. Effect of tillage method on photosynthetic characteristics and annual yield formation of winter wheat-summer maize cropping system[J]. Plant Nutrition Fertilizer Science, 2017, 23(1): 101-109.

[36] Zhang Z Z, Qin S J, Chen G Q, et al. Effects of sub-soiling and N fertilizer application on dry matter accumulation, nitrogen use efficiency and yield of summer maize[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2013, 19(4): 790-798.

[37] Yin B Z, Zhen W C, Feng Y. Effects of sub-soiling seeding on root physiological indices, water-saving and yield increasing behaviors in summer maize (L) in Haihe lowland plain of China[J]. Acta Agronomica Sinica, 2015, 41(4): 623-632.

[38] 谭德冲. 深松对夏玉米产量及水分利用效率的影响[D]. 泰安：山东农业大学，2019. Tan Dechong. Effect of Sub-Soiling on Yield and Water Use Efficiency of Summer Maize[D]. Taian: Shandong Agricultural University, 2019. (in Chinese with English abstract)

Effects of subsoiling depth on water use efficiency and yield of cotton field under drip irrigation in south Xinjiang, China

Wang Liang1,2, Guo Rensong2, Wumaierjiang Kuerban1, Tian Liwen2, Lin Tao2, Zheng Zipiao2, Xu Haijiang2, Kong Fanyang2, Cui Jianping2※

(1.,,842099,;2.,,830091,)

Northwest China Plain has become the largest cotton production region in the world. Cotton production occupies a key position, as an important pillar industry for agricultural development in Xinjiang, China. However, continuous cropping in cotton field has caused increasingly serious shortage on the farmland water, particularly great negative effects on the soil ecological environment in the root area.Subsoiling has been an effective tillage measure to optimize the soil environment, and further to drive the process of water movement and dissipation, thereby to promote the absorption and utilization of nutrients and water in the deep soil by roots, finally to increase soil productivity and crop yields. However, the research on the response of water consumption characteristics and water use efficiency to subsoiling is lacking, particularly on the irrigated cotton area in southern Xinjiang.In this study, a positioning subsoiling experiment in a cotton cultivation field was carried out under drip irrigation with plastic film mulching from April to October of 2019 in Awati County experimental base of the arid inland Tarim Basin, Northwest China (40°06′N, 80°44′E, altitude 1 025 m). Using the non-subsoil (CK) as a control, a machete subsoiler with a depth locator was used for precise subsoiling at depths of 30 cm (TD1), 40 cm (TD2), and 50 cm (TD3). The test was performed to explore the effect of different subsoiling depths on soil bulk density, soil water consumption, evapotranspiration (ETc), water use efficiency (WUE) and the growth characteristics and crop productivity in cotton growing seasons.The results showed that the subsoiling reduced the bulk density of soil, while increased soil water consumption and evapotranspiration, thereby to improve the utilization and absorption of deep soil moisture in the rapid growth period. Compared with CK, TD1, TD2 and TD3, on average, the bulk density of 0-60 cm soil reduced by 1.0%, 1.9% and 3.3%, respectively, and the soil moisture content of 0-80 cm soil layer by 5.3%, 11.6% and 11.3% at flowering and boll stage, respectively. The subsoiling significantly increased soil water consumption and ETc in the whole growing season (<0.05). Compared with CK, TD1, TD2 and TD3, the subsoiling significantly increased soil water consumption by 31.4, 30.0 and 47.4 mm, respectively, ETc by 6.7%, 6.3% and 10.0%. In terms of the potential of subsoiling on cotton production, the subsoiling had a significant promotion effect on cotton dry matter accumulation, yield, and water use efficiency (WUE), but it did not increase linearly with the depth of subsoiling. Especially, TD2 was more conducive to the maximum of dry matter accumulation, yield, and WUE. Compared with CK, TD1, TD2 and TD3, the dry matter accumulation increased by 11.6%, 22.5% and 20.8%, respectively, as well as the yield by 7.0%, 15.5% and 13.0%(<0.05), respectively. TD2 increased water use efficiency (WUE) by 8.9% and 6.3%, compared with CK and TD3. The subsoiling of 40 cm can be an optimal subsoiling on the irrigated ecological cotton in the southern Xinjiang, where the rational construction of soil tillage layer, both the maximum of cotton yield and water productivity. The finding can provide a very high popularization and application for the dry farming cotton in the southern Xinjiang, China.

cotton; soils; subsoiling; soil moisture; yield; water use efficiency

王亮，郭仁松，吾买尔江•库尔班，等. 深松深度对南疆滴灌棉田水分利用效率与产量的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(20)：144-152.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.017 http://www.tcsae.org

Wang Liang, Guo Rensong, Wumaierjiang Kuerban, et al. Effects of subsoiling depth on water use efficiency and yield of cotton field under drip irrigation in south Xinjiang, China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(20): 144-152. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.017 http://www.tcsae.org

2020-07-01

2020-09-01

自治区自然科学基金项目（2020D01B36）；国家自然科学基金项目（31860358）；新疆农业科学院青年骨干创新能力培养基金项目（xjnkq-2019012）；农业部公益性行业（农业）科研专项（201503117）；国家棉花产业技术体系（CARS-15-50）

王亮，助理研究员，主要从事棉花旱作节水生理方面的研究。Email：980201749@qq.com

崔建平，研究员，主要从事棉花高产栽培与品质保优方面的研究。Email：3022825258@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.017

S222.2，S562

A

1002-6819(2020)-20-0144-09