麦后移栽棉适宜调亏灌溉模式研究

余 轩，刘 浩，马岩川，耿 耘，冯泉清，孙景生*

（1.中国农业科学院 农田灌溉研究所作物需水与调控重点实验室，河南 新乡 453002；2.中国农业科学院 研究生院，北京 100081）

0 引 言

【研究意义】黄河流域棉区是我国三大棉区之一，也是我国重要的粮食生产基地。该地区以往棉花种植模式以麦棉套种为主，前茬小麦播种时预留棉行，这不仅影响小麦产量，而且麦收时棉苗受损较严重，不利于小麦生产全程机械化，费时费力，生产成本大，效益相对较低。与麦棉套种方式相比，麦后移栽棉模式小麦产量可增收3 000 kg/hm2，便于小麦机收，节省人力、物力，对后茬棉花产量基本上没有影响[1]。近年来，随着棉花工厂化育苗和机械化移栽技术的日趋成熟和推广应用，传统的麦棉套作种植方式逐渐向冬小麦短季棉一年两熟连作种植模式发展[1]。由于麦后移栽棉品种的生育期较短，相对套播棉品种对田间土壤水分更加敏感，短时段的水分调控或管理不当就可能对棉花生长发育造成重要的影响，所以麦后移栽棉的田间水分管理尤为重要。

【研究进展】以往研究结果表明，水分胁迫对棉花生长发育及产量品质有较大的影响。刘浩等[6]研究了不同灌溉方式下麦后移栽棉的生长发育、产量及水分利用，结果表明，在喷灌条件下灌水定额为22.5 mm的免耕耕作方式，不仅可有效降低麦后移栽棉田间无效棵间土壤蒸发，还可实现节水、优质、高产的有效统一；在地面灌溉条件下少耕耕作方式在不减产的情况下，起到了保土保水的效果，且蕾期和花铃期土壤水分均控制在田间持水率的70%以上，可作为该耕作方式的灌溉控制指标。张昊等[8]研究表明，水分亏缺抑制了麦后移栽棉营养生长和生殖生长，并降低产量和品质，虽然苗期和花铃期适度水分胁迫（灌水控制下限为60%FC）、蕾期充分灌溉（灌水控制下限为70%FC）对产量有轻微影响，但耗水量大幅度减少，因此麦后移栽棉以轻度亏水灌溉为宜。灌溉定额一定时（3 300、3 900、4 500 m3/hm2和5 100 m3/hm2），多次灌溉均有利于地下滴灌无膜移栽棉花的生长发育和产量的增加，其中中等定额灌溉处理（3 900～4 500 m3/hm2）的效果尤为明显[9]。雷成霞等[10]研究表明，地下滴灌无膜移栽棉的生长发育和产量随灌溉定额的增加呈非线性增大的趋势，中等灌溉定额处理的棉花生长发育和产量与大灌溉定额处理差别不明显，但水分利用效率有了明显的提高。

【切入点】前人针对耕作方式、灌水次数、灌水定额等对移栽棉的影响进行了较为系统的研究，但对不同生育期不同水分亏缺程度的影响研究相对较少。【拟解决的关键问题】为此，拟通过田间小区试验，研究蕾期和花铃期不同程度水分胁迫对麦后移栽棉花生长发育及产量品质的影响，旨在为麦后移栽棉高效节水灌溉模式的制定和实施提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019 年4—10 月在中国农业科学院农田灌溉研究所新乡综合试验基地防雨棚下的测坑（35°18'N，113°54'E）进行。该基地位于河南省新乡县七里营镇，属暖温带大陆性气候，年平均气温14 ℃，全年累计日照时间2 398.8 h，平均无霜期为210 d，年均降水量582 mm，年均蒸发量2 000 mm。试验地光热资源丰富，耕作制度以一年二熟为主，土质为砂壤土，1 m 土层平均体积质量为1.51 g/cm3，田间质量持水率为20.6%，地下水埋深大于5 m。0～100 cm 土层平均土壤有机质量为7.8 g/kg，速效氮21.62 mg/kg、速效磷4.96 mg/kg、速效钾79.24 mg/kg。

1.2 试验设计

供试品种为中棉425。2019 年5 月7 日在基地育苗棚内采用穴盘基质育苗，每穴播2 粒，待小麦收获后棉苗长到三叶一心时，于2019 年6 月7 日将长势一致的棉苗移栽到上有移动防雨棚的测坑中。测坑上口面积为2.00 m×3.33 m，土层深度为2 m。每个测坑中种植3 行棉花，行距为70 cm，株距为20 cm，种植密度71 500 株/hm2。棉花移栽前，结合整地各处理施纯氮90 kg/hm2、纯磷75 kg/hm2和纯钾54 kg/hm2作为基肥，在蕾期随灌溉水追施纯氮67.5 kg/hm2，在花铃期随灌溉水追施纯氮 67.5 kg/hm2、纯钾45 kg/hm2。采用地表滴灌灌水方式，每行棉花铺设1 根滴灌带，滴头间距为20 cm，滴头流量为2.2 L/h，工作压力为0.1 MPa。

试验采用随机区组设计，基于棉花累积蒸发蒸腾量（ETc），在棉花的蕾期（I）和花铃期（F）各设计3 个不同水平的灌水处理，即：24 mm（80%ETc，轻度缺水）、18 mm（60% ETc，中度缺水）、12 mm（40%ETc，重度缺水），分别记为I3、I2、I1。此外，设计一个蕾期和花铃期连续重度缺水的处理（灌水定额均为40% ETc），标记为CK1。以充分灌溉（100%ETc）为对照（CK2），灌水定额30 mm。各处理重复3 次，在蕾期和花铃期的灌溉量如表1 所示。

棉花移栽后，及时浇灌活苗水，各处理灌水定额相同，均为30 mm。苗期不设亏水处理，当0～40 cm土层的平均土壤含水率达到田间持水率的70%时，进行第一次灌溉，所有处理均灌溉30 mm，此后每当累积ETc达到（30±2）mm 时，即按试验设计对所有处理进行控制灌溉。

表1 测坑小区试验各处理灌溉量Table 1 Test pit plot test each treatment irrigation amount

依据累积的棉花蒸发蒸腾量ETc控制灌溉。每日的ETc按式（1）计算。

式中：ETc为蒸发蒸腾量（mm/d）；Kc为作物系数，由本课题组多年田间试验回归得到，见文献[10]；ET0为参考作物需水量（mm/d），采用Penman-Monteith公式[12]计算，计算所需气象参数由置于距试验小区50 m 的自动气象站提供。

试验小区棉花于7 月1 日进入蕾期，7 月25 日打顶，7 月28 日进入花铃期，9 月10 日开始吐絮，10 月12 日进行最后1 次摘花并拔柴。试验除水分处理不同外，其他各种田间管理措施相同。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水率

土壤含水率采用烘干法测定。每个小区取2 钻，取样位置分别位于滴灌带下方和2 条滴灌带的中间，测定深度0～100 cm，每20 cm 土层1 个样本，取样时间间隔为3～7 d，灌水前后加测。采用精度为0.01 g的电子天平称取湿土质量和干土质量。土壤含水率的计算式为：

式中：P0为铝盒质量（g）；P1为铝盒+湿土质量（g）；P2为铝盒+干土质量（g）。

1.3.2 棉花生长指标

在棉花蕾期和花铃期，每7～10 d 观测棉花基础生长指标。每个处理选择长势均匀的9 株棉花进行测量，采用精度为1 mm 的直尺测量棉花株高和叶面积，采用游标卡尺测量2 个夹角90°方向的茎粗。

1.3.3 叶片相对含水率

从棉花中分离出叶片，立刻称其鲜质量Wf，并将叶片浸入水中8 h 后取出，用吸纸擦干叶片表面水分后称质量，再将叶片浸入水中1 h，擦干后称质量，反复数次直至叶片质量不再改变，记录此时的质量为叶片饱和质量Wt；然后将叶片放入105 ℃烘箱中杀青30 min，之后在75 ℃下烘干至恒质量并测定干质量Wd。叶片相对含水率计算式为：

式中：RWC 为叶片相对含水率（%）；Wf为叶片鲜质量（g）；Wd为叶片干质量（g）；Wt为叶片饱和质量（g）。

1.3.4 棉花干物质

从棉花移栽后的30 d 开始调查，每个小区每次取3 株测定干物质的质量，每个处理重复3 次。取样后，将棉花的茎、叶、蕾、花、铃分别用剪刀剪开，并及时在精度为0.01 g 的电子天平上称各部分的鲜质量，称后及时装入信封并做标记。然后将其放在105 ℃下的烘箱杀青30 min，再放在恒温为75 ℃的烘箱内烘至质量恒定，烘干后称各部分的干物质质量，计算总干物质质量。

1.3.5 棉花产量

籽棉分2 次采摘，分别在9 月20 日和10 月12日。采摘的棉花风干后采用精度为0.01 g 的电子天平称量籽棉质量；采用轧花机将样品籽棉轧花后称皮棉质量并计算衣分。

1.3.6 棉花纤维品质

每次采摘棉花时，每个小区单独采摘30 铃计算铃质量，待测产结束后统一将样品送农业农村部棉花品质监测检验测试中心，采用HVICC（High Volume Instrument Calibration Cotton）标准测定棉纤维长度、整齐度指数、马克隆值、伸长率、断裂比强度等品质指标。

1.4 数据统计与分析

应用Microsoft Excel 2015 软件和SPSS 25.0 统计软件对数据进行处理和作图，采用最小显著极差法（LSD 法）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同水分处理对棉花生长发育的影响

2.1.1 不同水分处理对棉花株高的影响

棉花蕾期和花铃期不同灌水处理条件下株高的变化如图1所示。由图1（a）可知，水分亏缺对蕾期株高影响不明显，但对花铃期株高影响较大。在蕾期初期，即移栽后24～31 d，不同水分处理的株高基本相近，差异较小；从移栽后的31 d起，不同灌水处理的株高开始显现出差异，到移栽后45 d左右差异变显著，至蕾期结束进入花铃期时株高差异达到最大，与CK2处理相比，BI1、BI2处理和BI3处理的株高分别降低了27.0%、17.8%和7.2%。可见，即便是轻度亏缺处理的BI3，其株高仍与CK2处理有着较为明显的差异。蕾期亏水结束、花铃期复水后，BI3处理和BI2处理的株高增长速率与CK2处理相近，甚至BI3处理的株高生长还表现一种补偿生长趋势，而BI1处理即使是在复水后株高增长也很小，与蕾期和花铃期连旱CK1处理的株高相似，差异较小。

由图1（b）可以看出，棉花株高生长速率对花铃期初期水分亏缺比较敏感，不同程度缺水处理下棉花株高生长速率差异明显，随水分胁迫加重，株高生长速率显著减少，而FI3 处理的株高受影响较小，与CK2处理株高基本相同；受打顶影响，从移栽后的52 d 起，棉花株高生长缓慢，花铃期中、后期不同水分亏缺处理对其影响较小，至移栽后73d（即花铃后期），FI1、FI2、FI3 处理的株高较CK2 处理分别降低了31.5%、18.0%和4.5%。FI1 处理在蕾期并未遭受水分亏缺的影响，但在花铃初期遭受重度缺水后株高几乎没有再增高，最终与蕾期和花铃期连旱的CK1 处理株高基本一致，可见花铃前期缺水对株高的影响是较大。

2.1.2 不同水分处理对棉花茎粗的影响

蕾期和花铃期不同水分处理对棉花茎粗有明显影响（图2）。蕾期棉花茎粗生长速率较快，介于0.047～0.084 mm/d 之间。由图2 可以看出，在蕾期的前、中期，即移栽后24～45 d，棉花茎粗生长表现为随着水分亏缺度的增加呈变缓的趋势，但不同水分处理之间的差异不明显，到蕾期后期，棉花茎粗增加速率变快，不同水分处理间的茎粗差异变得越来越大。蕾期结束后复水，各处理之间的茎粗差异仍然明显，并且这种差异一直持续到花铃期后期。BI1 处理在花铃期复水后其茎粗生长速率较CK1 处理虽然有所增加，但二者间差异不明显；蕾期轻度缺水对茎粗基本不产生影响，BI3 处理茎粗与CK2 处理无明显差异；BI1、BI2、BI3 处理之间差异明显。BI3 和CK2 处理的茎粗比BI1 和BI2 处理分别高0.04%～0.13%和0.02%～0.08%。

当棉花进入花铃期后，棉花茎粗增长速率介于0.04～0.07 mm/d 之间，花铃期轻度缺水对棉花茎粗生长基本没有影响，而中、重度缺水的影响则较为明显。由图2（b）可以看出，在移栽后的24～52 d 内FI1 处理的茎粗与CK1 处理差异逐渐增大，从移栽后的52 d 起，CK1 与FI1 处理的差异随时间逐渐缩小，到花铃期的中后期已基本接近，说明在茎粗生长方面蕾期经受的干旱锻炼有助于增加棉花对生育后期的干旱适应能力。

2.2 不同水分处理下棉花叶片相对含水率的变化

图3 为不同水分处理下棉花叶片相对含水率（图中不同小写字母表示0.05（P＜0.05）水平下的差异分析），由图3 可知，棉花叶片相对含水率随生育进程呈逐渐减小趋势，随灌水定额增加而增大。蕾期不同水分处理之间的叶片相对含水率变化规律相同，但在蕾期和初花期的差异不明显，而在蕾期结束复水后差异越来越显著。

BI1 处理在蕾期结束复水后其叶片相对含水率较CK1 处理有了一定程度的增加。说明蕾期水分亏缺有可能对叶片结构产生了一些不可逆的影响，但亏水后复水可部分消除这种不利影响。从图3（b）可以看出，由于FI1、FI2、FI3 处理和CK2 处理在蕾期的灌溉量相同，因此它们的叶片相对含水率在蕾期并无显著差异。当棉花进入花铃期开始水分处理后，各处理之间的差距逐渐显现，叶片相对含水率随水分胁迫程度的增加而减少。

2.3 不同水分处理对棉花干物质质量的影响

图4 为不同水分处理下棉花单株干物质积累。由图4 可知，麦后移栽棉地上部干物质质量随生育进程呈“S”形曲线变化，移栽后42 d 内，棉花单株干物质积累较慢，移栽后42～55 d 积累较快，移栽55 d 后干物质积累速率开始逐渐变缓。

蕾期不同水分处理对地上干物质的影响主要表现在蕾期的中后期以后，且在同等水分亏缺情况下蕾期缺水对地上干物质积累的影响要大于花铃期。

由图4（a）可见，蕾期轻、中度缺水对麦后移栽棉地上干物质积累的影响相对较小，其中轻度水分亏缺BI3 处理的单株棉花干物质量在全生育期内均最大，比CK2 和FI3 处理分别高6.9%和0.8%；而重度缺水BI1 处理的地上干物质积累则明显低于CK2 处理和BI2、BI3 处理。由图4（b）可见，花铃期轻、中度缺水对麦后移栽棉地上干物质积累影响较小，但花铃期重度缺水仍对棉花地上干物质积累产生了较 明显的影响。

2.4 不同水分处理对棉花产量和灌溉水利用效率的影响

不同水分处理对麦后移栽棉产量、产量构成因素及灌溉水利用效率的影响如表2所示。蕾期和花铃期不同水分处理对棉花籽棉产量影响的总体趋势相同，即籽棉产量随着灌水定额的增加呈增大趋势。由表2可知，蕾期适度水分胁迫、花铃期充分灌溉的BI3处理籽棉产量最高，达到3 343.84 kg/hm2，其次是FI3处理和CK2处理，籽棉产量分别为3135.04 kg/hm2和3 063.28 kg/hm2，BI3籽棉产量分别比FI3处理和CK2处理的高6.66%和9.16%，比BI2、BI1处理和CK1处理分别高32.09%、47.88%和60.57%。从花铃期的灌水处理看，FI3处理的籽棉产量比FI2处理和FI1处理分别高18.12%和20.26%。

表2 不同水分处理麦后移栽棉产量、产量构成因素与灌水利用效率Table 2 Transplanted cotton yield, yield component factors and irrigation utilization efficiency after different water treatments

蕾期不同水分处理，棉花单株成铃数随着灌水定额的增加而增加，BI3处理的单株成铃数最多，当灌水定额超过80%ETc时，单株成铃数有所减少，各处理之间单株成铃数差异明显。BI3处理的单株成铃数比BI2、BI1处理和CK1处理分别高22.72%、29.18%、43.36%。花铃期水分处理对棉花单株成铃数的影响没有表现出明显的规律性，轻、中、重度缺水处理的单株成铃数均高于CK2处理，其中花铃期轻度缺水处理FI3的单株铃数最高，较FI1、FI2处理和CK2处理分别高11.33%、23.34%和23.70%。

棉花单铃质量随水分胁迫的增加而减小，在所有处理中BI3的单铃质量最大，为4.67 g。

不同水分处理之间棉花衣分差异明显，水分胁迫程度较高的处理衣分较大，灌水量多的处理的衣分反而较小。

由表2可知，不同水分处理麦后移栽棉灌溉水利用效率差异较大，CK1处理的灌溉水利用效率最高，其次是FI1处理，BI3处理位居第三。

2.5 不同水分处理对麦后移栽棉纤维品质的影响

由表3 可知，无论是蕾期水分处理还是花铃期水分处理，均是轻度缺水处理的上半部棉纤维最长，而充分灌溉处理反而变短，FI3 处理和BI3 处理上半部棉纤维的平均长度较CK2 处理分别增加6.78%和3.16%，说明在棉花生育期适度的水分胁迫不仅不会降低棉纤维长度，反而有利于棉纤维长度的增长。

表3 不同水分处理下棉花纤维品质Table 3 Changes of cotton fiber quality under different moisture treatments

与充分灌溉处理CK2 处理相比，蕾期和花铃期轻度缺水的BI3 处理和FI3 处理均有利于棉纤维整齐度指数的提高，尤其是BI3 处理效果更为明显，而花铃期中、重度缺水则会使棉纤维整齐度指数明显降低。

蕾期和花铃期轻、中度缺水均有利于棉纤维断裂比强度的提高，尤其是花铃期轻度缺水FI3 处理和蕾期轻度缺水BI3 处理与中度缺水BI2 处理的效果较为明显，蕾期和花铃期重度缺水处理均会明显降低棉纤维断裂比强度。

不同水分处理对麦后移栽棉马克隆值和棉纤维伸长率的影响相对较小，处理之间的差异不大。

3 讨 论

株高是衡量棉株生长发育状况的重要指标之一。棉花不同生育阶段特别是打顶以前，株高增长速率是反映作物营养生长和生殖生长协调程度的重要指标之一，适宜的株高有利于塑造理想株型，可促使冠层更合理的分布，提高光能利用率[17]。本研究表明，棉花株高的生长速率对蕾期与初花期的水分亏缺比较敏感，而蕾期轻度水分胁迫（24 mm，80%ETc）、花铃期充分灌溉的处理，由于作物的亏水补偿效应，株高不但没有降低反而小幅度增高，可在节约用水的同时，有利于丰产株形的形成。

茎粗是判断棉花生长发育状况的指标之一，对棉花抗倒伏及产量有着重要影响[18]。棉花茎粗生长随水分亏缺的增加变缓。不同水分处理间的差异在蕾期后期尤为显著。轻度亏水灌溉对茎粗基本无影响。此外棉花在蕾期经受的干旱胁迫有利于提高棉花后期的抗旱能力。

棉花生长对水分胁迫较为敏感，缺水将会导致棉株叶面积减少，光合速率降低，进而影响到光合产物总量的积累和在地上及地下部分的分配，对棉花干物质质量有一定影响[19]。前人研究表明棉花的营养生长随灌水定额的增加而增大，蕾期亏缺灌溉对营养生长的影响较大，花铃期亏水灌溉对营养生长的影响较小[23]；中等定额比大定额灌溉有利于干物质积累[23]。本研究显示，不同生育时期的水分亏缺对棉花生长均有影响，但蕾期轻度水分胁迫（24 mm，80%ETc）、花铃期充分灌溉的处理单株棉花干物质在全生育期内均是最大的，表明蕾期轻度亏水有利于棉花干物质的积累。这是因为蕾期耗水量较少，亏水灌溉可使棉花进行干旱锻炼，促进棉花营养生长的调控；棉花由蕾期进入花铃期后生长速率变慢，因此花铃期前期的水分亏缺对棉花生长影响不明显，后期各灌水处理差异逐渐显现。

水分供应对移栽棉产量和水分利用效率具有重要影响。已有研究表明，适度减少灌溉定额对新疆地下滴灌无膜移栽棉生长和产量的影响与充分供水的大灌溉定额处理相比差异不明显，但水分利用率较高[10]；黄河流域棉区麦后移栽棉滴灌在充分灌溉条件下籽棉产量最高，但轻度亏水灌溉下产量仅降低3.8%，而全生育期耗水量减少了9.0%[8]。本研究表明蕾期轻度水分胁迫、花铃期充分灌溉的处理BI3 的单株铃数、铃质量、籽棉产量最大，籽棉产量比充分灌水CK2 处理提高了9.16%，减少灌溉用水5.45%，灌溉水利用效率提高15.05%；蕾期充分供水、花铃期轻度亏水的FI3 处理，较CK2 处理增产2.34%，节水9.09%，灌溉水利用效率提高12.90%，与BI3 处理相比，尽管产量不是最高，但节水效果非常明显，水分利用效率显著提高。水分胁迫对马克隆值和伸长率影响不明显。蕾期或花铃期适度水分胁迫有利于提高棉纤维长度、整齐度和断裂比强度。

4 结 论

蕾期轻度亏水灌溉或花铃期轻度亏水灌溉均有利于麦后移栽棉产量和灌溉水利用效率的提高；在水资源供应较为充足的地区，麦后移栽棉蕾期轻度亏水灌溉、花铃期充分灌溉可确保获得最高的籽棉产量和较高的灌溉水利用效率；在水资源不足的地区，蕾期充分灌溉、花铃期轻度亏水灌溉是麦后移栽棉较为适宜的高产、省水、高效灌溉模式。