深松耕作下灌溉定额对棉田水分利用效率及产量的影响

王 亮，吾买尔江·库尔班，郭仁松，林 涛，徐海江，郑子漂，崔建平，田立文

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

0 引 言

【研究意义】新疆南疆地区极端干旱，南疆农业用水量占全疆农业用水量的60.5%，占南疆总用水量的比例为97.1%[1-4]。南疆棉区连作年限长，种植强度大，轮作倒茬难[5]，耕地质量耕层“浅、实、少”[6]。优化灌溉制度，有效的控制灌水用量，提高有限灌溉水的高效利用，对消减连作棉田土壤障碍，促进棉花生长发育，提高棉花产量有实际意义。【前人研究进展】灌水可改变土壤水、肥、气、热等环境因子，是影响棉花生长发育及水分生产效率和产量的最重要因素，其与水盐分布、土壤物理状况和产量关系密切[7]。朱宝国等[8]研究表明，灌水可改善土壤物理性质，0～60 cm土层含水量提高9.5%～12.0%，过度灌溉反而抑制作物群体生长；王增利、袁成福等[7,9]先后在甘肃省石羊河流域进行灌溉定额对水盐运移的影响研究表明，随灌溉定额增加土壤表层和深层积盐，中层发生淋溶，积盐深度增加；赵经华等[10]发现，灌水量越大，深层渗漏损失越严重，水分利用效率随灌水定额的增加呈单峰曲线变化；Dagdelen等[11]研究表明，灌溉定额与产量呈正相关关系，而与水分利用效率呈负相关性。农田多年连作，造成作物根系生长不利、营养运输不畅、产量降低[12]，深松对减轻农田土壤连作障碍具有较好的效果[13]，深松可打破犁底层，降低土壤紧实度，促进作物根系的生长发育及分布，改善作物生长的根区环境[14-15]。【本研究切入点】棉花群体生长质量受土壤水分及耕作方式的影响较大，需研究深松环境条件下，不同灌溉定额对棉花水分利用效率及产量的影响，且以往研究中有关深松与灌溉定额相结合的研究结果报道较少。需研究节水、增产的可能性，分析南疆棉田灌溉制度。【拟解决的关键问题】采用田间定位试验，在深松耕作40 cm的基础上，分析不同灌溉定额下棉花生长发育及水分的变化规律，以及对产量和水分利用效率的影响，为棉花生产实现高效用水，节水保产的灌溉体系完善提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验设在2019年4～10月在新疆阿瓦提县新疆农科院试验基地(N40°06'，E80°44')，海拔高度1 025 m。试验区是典型的旱作植棉区，棉花种植依赖灌溉，年均降雨量仅有46.7 mm，平均蒸发量高达1 890.7 mm，年平均气温10.4℃，无霜期211 d。2019年棉花生育期内(4月25～9月28日)降水量129.02 mm，沙质壤土，试验区域连作棉花年限达30 a以上，供试棉花品种为新陆中88号。田间持水量29.2%。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

播种前机械深松40 cm，采用单因子随机区组设计，设置4个灌溉定额，即：2 400、3 000、3 600和4 200 m3/hm2，分别计为W1、W2、W3和W4处理，每处理重复4次，共16个小区，采用1膜双管6行种植模式，膜宽2.05 m，播幅2.3 m，每3个播幅为1个试验小区，小区宽6.9 m，长6.5m，面积44.85 m2，小区之间设保护行，试验区

总长27 m(含走道)，宽34.5 m(含保护行)，总面积为931.5 m2。株行配置为窄行10 cm，宽行66 cm，2根滴灌带间距76 cm，滴头间距25 cm，滴头设计流量2.1 L/h，种植密度2.4×105株/hm2。每小区采用单独水表控水计量，生育期随水施肥。6月20日灌头水，之后每间隔7 d滴灌1次，全生育期共滴水10次，基肥加追肥共施入尿素(含N≥46%)675 kg/hm2，过磷酸钙(P2O5≥12%)375 kg/hm2，农用硫酸钾(K2O≥50%)150 kg/hm2。于4月18日播种，9月30日收获，总计165 d。表1

表1 灌溉时间、灌水量及降雨量Table 1 The list of irrigation time, irrigation amount and rainfall

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 棉花生长发育

观测并记录棉花出苗率及各个生育时期的时间，于每小区定点选取长势均匀的5株棉样，在棉株苗期、蕾期、盛花期、盛铃期和吐絮期测定株高，并在各生育时期分别采集棉株地上部和地下部分，将获得的植株样立即带回实验室，分根、茎叶、蕾铃花等器官称其鲜重后，装入纸袋105℃杀青30 min后于80℃烘干至恒重，测定其干物质量。

1.2.2.2 叶面积指数

从苗期开始，通过观察各处理棉花生长发育状况，在各小区长势均匀处分别连续测定2个窄行，宽行及裸行间的叶面积指数，取其平均值即得到各处理的叶面积指数，每10 d测定1次，由CI-110植物冠层数字图像分析仪(Li-Cor Inc., USA)测定。

1.2.2.3 土壤含水量

于棉花生育期内用烘干法测定土壤含水量，从现蕾至吐絮期，每个生育时期依次在各处理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，分别采取0～20，20～40，40～60，60～80 cm土层土样，每小区2个样点，重复3次，取好鲜土样装入塑料自封袋密封后立刻带回实验室，取部分鲜土倒入铝盒中，分别称鲜重，记为M1；放入80℃烘箱烘干至恒重，称干重，记作M2，取其平均值。土壤质量含水率(W)计算：

W=(M1-M2)/M2×100%.

(1)

式中W为土壤质量含水率(%)，M1为鲜土样质量(g)，M2为烘干土样质量(g)。

1.2.2.4 棉田耗水量

采用水量平衡法计算农田耗水量ETc[16]：棉花生育期内耗水量ETc(mm)采用公式(2)计算：

(2)

式中γi为土壤干容重(g/cm3)，Hi为土层厚度(cm)，θi1和θi2分别为阶段初和阶段末的土壤质量含水量(%)，P为棉花生育期内降雨量(mm)，I为棉花生育期内灌溉量(mm)，SP为深层土壤水分渗漏量(mm)，S为地表径流量(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，故SP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(试验地下水埋深在5 m以下，故SP和S值均视为0[17])。

1.2.2.5 产量及水分利用效率

实收计产，每个小区产量单独核算，主要测定指标有单株结铃数、单铃重、籽棉产量。WUE计算：

WUE=Y/ETc.

(3)

式中Y为籽棉产量(kg/hm2)，ETc为棉花生育期内耗水量(mm)。

1.2.2.6 气象要素

由常规田间气象站(WatchDog 2900ET, Spectrum, Inc., USA)测定降水量、温度和风速等气象参数。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010，SigmaPlot12.5，Surfer8.0进行数据处理和绘图，并用Spss19.0对不同处理的变量进行LSD 显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉定额对株高的影响

研究表明，苗期至蕾期各处理间株高差异不显著(P>0.05)，盛花期W4处理株高显著高于W1处理(P<0.05)，较W1处理高出20.5%，而其他各处理间均无显著性差异。盛铃至吐絮期，棉株生长缓慢或近乎停止生长，相同处理株高变化较稳定，处理间有显著性差异(P<0.05)，W1处理株高显著低于W3和W4处理，W2、W3和W4处理间差异不显著。从盛花期至吐絮期，不同灌溉定额处理株高均呈现为W1

注：图中不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下同

2.2 不同灌溉定额对叶面积指数的影响

研究表明，不同灌溉定额下叶面积指数随着灌溉定额的增加而增加，随着生育进程的推进各处理叶面积指数均呈现先增加后降低的趋势，W1、W2和W4处理叶面积指数在盛花期达到峰值，W3处理叶面积指数在盛铃期达到峰值。苗期和吐絮期各处理叶面积指数基本一致，蕾期、盛花期和盛铃期叶面积指数均表现出W4>W3>W2>W1的规律，蕾期W4处理显著高于W1和W2处理(P<0.05)，分别高出24.5%、15.1%；盛花期W4处理显著高于W1、W2和W3处理(P<0.05)，分别高出48.4%、26.7%和25.3%，而W1、W2和W3处理间无显著性差异(P>0.05)；盛铃期W4处理显著高于W1和W2处理(P<0.05)，分别高出41.2%和15.9%。增加灌溉量可提高棉花叶面积指数，有助于光合产物形成，提高植株生物量。图2

图2 棉花叶面积指数随灌溉定额变化Fig.2 Changes of cotton leaf area index with irrigation quota

2.3 不同灌溉定额对干物质积累的影响

研究表明，灌溉定额对棉花苗期和蕾期干物质积累量的影响不大，各处理间差异不显著(P>0.05)；盛花期至吐絮期各处理间存在显著性差异(P<0.05)，盛花期，W1处理干物质积累量显著，较W2、W3和W4处理降低13.0%、14.8%和18.1%，而其他处理间未达到显著性差异，随灌溉定额的增加干物质积累量逐渐增大；盛铃期，各处理干物质积累量表现为W3>W2>W4>W1处理的变化趋势，W3处理显著较W1、W2和W4处理高出40.3%、22.8%和19.7%，W2和W4处理显著较W1处理高出14.3%和17.3%，而W2和W4处理间无差异；吐絮期各处理间干物质积累量变化规律与盛铃期一致，W3处理干物质积累量显著较W1、W2和W4处理高出18.8%、9.6%和13.9%，W1处理干物质积累量最低。增加灌溉定额可促进生育后期单株干物质的形成，但灌溉量过大反而不利于干物质的积累。图3

图3 不同灌溉定额下干物质积累量变化特征Fig.3 Characteristics of dry matter accumulation of cotton under different irrigation quotas

随灌溉定额的增加，单株干物质最大积累速率和生长特征值均呈现为先增大后减小的变化趋势，当灌溉定额为W3时，积累速率和生长特征值达到最大，W4处理的最大积累速率最小，各处理干物质积累进入快速增长期的起始日差异不大，结束日W4处理均较W1、W2和W3处理推后约10 d，最大积累速率出现日也较其他处理晚4 d。增加灌溉定额有利于加快干物质的快速积累，当灌溉定额继续增大时，则不利于干物质的形成。 表2

表2 棉株地上部分生物量积累的Logistic模型及其特征值Table 2 The Logistic equation and its features of above ground cotton dry matter accumulation

2.4 灌溉定额对土壤水分分布的影响

研究表明，0～80 cm土层内，不同处理土壤含水量均呈逐渐增大的变化趋势，60～80 cm土层土壤含水量最大。从蕾期至吐絮期，不同灌溉定额处理土壤含水量均呈现为W4>W3>W2>W1的变化。不同处理在各生育期土壤水分的变化情况有所不同，蕾期，W1和W2处理土壤含水量随土层深度变化呈先增加后减小的变化趋势，在60 cm土层处达到最大，60～80 cm土层，土壤含水量开始减小，而W3和W4处理土壤含水量呈先快增后缓增的变化规律，且40 cm土层以上，W3处理土壤含水量略高于W4处理，而下层土壤内表现为相反的变化规律，这主要是由于W4处理灌溉定额较大，棉株较小，吸收利用少，加之气温较低，蒸发损耗少，致使土壤水分向下移动。至花铃期，W1处理在0～40 cm土层内，土壤含水量下降至更低，W3和W4处理土壤含水量则可维持在较高水平，且各土层上不同处理间均呈现为W4>W3>W2>W1的变化趋势；吐絮期各处理土壤含水量均高于其他生育时期，此外，不同生育时期各处理在40～80 cm土层土壤含水量明显高于0～40 cm土层，随灌溉定额的增加土体内土壤含水量增大，但灌溉量过大，容易造成水分下渗，不利于水分利用效率的提高。 图4

图4 不同灌溉定额处理土壤水分动态变化Fig.4 Dynamic variation of soil moisture under different irrigation quota treatments

2.5 灌溉定额对产量及水分利用效率的影响

研究表明，不同灌溉定额对收获株数和衣分的影响均未达到显著性差异(P>0.05)；单株结铃数随灌溉定额的增加呈先增后减的变化趋势，当灌溉定额为W3时，单株结铃数最大，显著高于W1处理(P<0.05)，高出10.9%，与W2和W4处理无显著性差异；单铃重以W2处理最大，显著大于W4处理；籽棉产量，各处理间表现为W2>W3>W1>W4处理，W2和W3处理显著高于W1和W4处理(P<0.05)，前两者之间无显著性差异，与其他处理相比，W2处理分别高出10.9%、0.6%和11.8%。随灌溉定额的增加，棉田耗水量显著增大(P<0.05)，W4处理显著高于W1至W3处理，分别高出45.5%、22.2%和13.0%，水分利用效率随灌溉定额的增加显著性降低(P<0.05)，与W1处理相比，W2、W3和W4处理分别降低7.1%、14.2%和31.9%。W2和W3处理下，单株结铃数、单铃重和籽棉产量均高于其他处理，且水分利用效率降低幅度要小于棉田耗水量的增大幅度，在节水基础上，W2和W3处理更有利于水分的高效利用，促进籽棉产量提高。表3

表3 不同灌溉定额下籽棉产量及水分利用效率变化Table 3 Changes of seed cotton yield and water use efficiency under different irrigation quotas

3 讨 论

深松耕作和灌水对土壤表层及以下的水分分布状况有很大影响[18]，深松可打破犁底层，降低土壤容重，提高土壤蓄水抗旱能力，具有创造适宜作物生长的良好土壤状况的优点[19-20]。而灌水定额是灌溉制度的重要指标，适宜的灌水量可保证作物正常生长的水分环境，为作物生长发育创造良好条件[21-22]。随着灌水量的增加，土壤硬度降低，形成的湿润体体积增大，不同层次土壤含水量越高[23]，而土壤水分分布与灌溉定额呈显著正相关关系[24]。研究结果表明，深松40 cm耕作下，灌溉水量直接影响土壤水分分布状况，随灌溉定额增加，不同土层土壤含水量均呈现为W4>W3>W2>W1的变化趋势，40～80 cm土层以下土壤含水量明显提高，有利于深层土壤水分的贮存；但水分利用效率则依次显著性降低(P<0.05)，W4处理相比W1处理降低31.9%，在深松40 cm条件下，灌溉定额过大，容易造成水分下渗的可能，反而不利于水分的高效利用。

深松耕作及灌水量通过改变根区环境对作物生长、水分利用效率及产量构成等方面具有积极作用[25]。研究表明，灌溉定额对棉花株高、叶面积指数、生物量累积、产量形成及水分利用效率的影响具有统计学意义，随着灌溉定额的增加，可加速棉花生长发育，株高和叶面积指数呈线性增大变化趋势，群体生物量则增加到一定值后受到抑制开始降低，且W3处理显著高于W1处理(P<0.05)，棉花单株结铃数、单铃重和产量均有所提高，当灌溉定额超过4 200 m3/hm2(W3)时，产量构成因子开始显著降低，适中的灌溉定额可以获得较高的生物量和产量，灌水量过多或过少均会造成减产，与shirazi S M等[26]的研究结论一致，但也有研究认为灌溉定额越大，棉花产量越高[11]，可能是因为设定的灌溉定额范围不同。水分利用效率随灌溉定额增大显著降低，棉田耗水量则显著增加，与梁哲军、张国强等[27-28]的研究结论不符，其表明随着灌溉定额增大，作物水分利用效率提高，灌溉定额达到一定值后，水分利用效率开始降低，可能与灌水量和作物生育期需水量的大小有关，当灌水量超出生育期耗水量时，水分利用效率就会降低[29]，在深松40 cm耕作基础上，适宜的增加灌溉定额(3 000～3 600 m3/hm2)可促进棉花生长，利于群体干物质的积累，利于产量形成，但灌水量过大或过小，不仅不能促进生物量及产量的形成，不利于水分高效利用，易造成水资源浪费。该灌溉制度下长期膜下滴灌对根区环境变化的影响仍需进一步量化与考量。

4 结 论

深松耕作40 cm条件下，适宜的增加灌溉定额，可加速棉花生长，提高棉花光合叶面积指数，有利于干物质及产量的形成。灌溉定额过小，易造成耕层灌溉浅、水分含量低的问题，虽水分利用效率较高，但不能满足棉花正常生长的水分需求，灌溉定额过大，反而使棉花旺长，群体生物质量及产量降低，虽提高了深层土壤水分含量，但水分利用效率显著降低，容易造成水分下渗。当地灌溉定额控制在3 000～3 600 m3/hm2，能平衡水分利用与产量的关系，促进棉花生物量与产量形成。