蕾期和花铃期不同灌水下限对滴灌棉花产量的影响

潘俊杰，付秋萍，阿布都卡依木·阿布力米提，2，马英杰

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052； 2.北京联创思源测控技术有限公司，北京 100085)

膜下滴灌技术的引入，使新疆地区的棉花产量增加了20%～50%，水分用量减少了20%～50%[1]，且新疆成为了中国最大的产棉基地[2]。随着智慧农业的推进和自动化技术的发展，设定适宜灌溉预警线的主观调控灌水方式逐渐得到重视，以期减少过多的棵间蒸发和奢侈蒸腾，促进棉花高产和提高水分利用效率[3-4]。因此，研究不同灌水下限棉花的长势，探寻适宜的灌水下限，对推进新疆地区精准农业的发展具有现实意义。

灌水下限指土壤含水量下降过程中棉花产量显著受水分亏缺影响的土壤含水量[5]。且灌水下限直接影响棉花蒸腾和土壤蒸发，进而影响对灌溉期内的灌水周期、灌水定额和灌溉定额等，对灌溉制度的制定有重大意义[6-7]。汪昌树等[8]研究了不同灌水下限膜下滴灌棉花，发现耗水量和灌水频率会随着灌水下限的增加而增加，而盐分分布剖面会随着灌水下限的降低而增大。申孝军等[9]研究了不同水面蒸发系数下膜下滴灌棉花蕾期、花铃前期、花铃后期的灌水定额分别为70%、100%和50%的水面蒸发量，证明棉花在不同的生育期对水分的敏感程度不一样。李彦等[10]研究了不同棉花生育期内适宜的灌水下限，发现膜下滴灌棉花在苗期、蕾期、花铃期和吐絮期适宜的灌水下限分别为60%～65%、65%～70%、80%～85%和55%～65%田间持水率。申孝军等[11]研究了地下滴灌和膜下滴灌不同灌水下限对棉花生长、耗水量、产量、水分利用效率和纤维品质的影响，发现蕾期和花铃期控水下限分别为60%和75%的田间持水率能够在提高水分利用效率的同时获得较好的棉花产量和纤维品质。董雪妮等[12]对棉花的耐旱基因进行了研究，认为KcERF-PeDREB2a基因能使棉花的耐旱耐盐性得到提升。申孝军等[13]研究了气象因子和叶面积指数与棉花耗水量的关系，构建了滴灌棉田实时灌溉预报模型。然而，不同灌水下限棉花的生长模型鲜有研究。因此，确定棉花栽培的灌水下限，有利于种植区精准灌溉技术的提升，同时构建不同灌水下限棉花的生长模型，助力当地农户向“温”、“光”、“水肥”要棉[14]，促进棉花精准施肥和灌溉预测的实现。为此，本文结合呼图壁地区的土壤和农艺现状，研究蕾期和花铃期不同灌水下限棉花的株高、生物量和经济性状，采用Logistic曲线拟合棉花株高、生物量，通过耗水量和株高最大值与生物量最大值的函数关系构建生物量与株高的函数关系，助力棉花精准灌溉预测。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2017年在昌吉州呼图壁县大丰镇现代化灌溉示范地进行。试验地位于天山中段北麓(东经86.63°，北纬44.18°)，属于中温带大陆半荒漠干旱性气候，平均年降雨量167 mm，年平均气温5～6℃，日照时数2 750～3 090 h。试验地土壤类型为沙壤土，土壤容重1.54 g·cm-3，地下水埋深15 m。土壤有机质9.56 g·kg-1,全氮3.1 g·kg-1,碱解氮35.42 mg·kg-1,速效磷14.54 mg·kg-1,速效钾126.99 mg·kg-1。供试棉花品种为新陆棉早57号，2017年4月22日播种，9月30日收获。试验采用1膜6行的机采棉种植模式，作物行距66 cm+10 cm，株距10 cm。滴灌带铺设模式为1膜3带，分别布置在距第1行棉花垂直距离20、96 cm和142 cm的位置。滴灌带管径16 mm，滴头流量1.8 L·h-1，滴头间距0.3 m。

1.2 试验设计

本试验采用不同灌水定额，在蕾期设置3个灌水下限：55%田间持水率(θf)(WD1和WD2)、65%θf(WD3和WD4)和75%θf(WD5和WD6))；在花铃期设置2个灌水下限：65%θf(WD2、WD4和WD6)和75%θf(WD1、WD3和WD5)，共6个试验处理，具体见表1。每个处理设置3个重复，共18个小区。各试验小区长宽为10 m×7.2 m，(每个小区包含9条毛管，毛管间距为0.66 m)。田间持水量为35.63%(体积含水率)，土层深度60 cm。

土壤含水量通过FDS100墒情传感器实时监控得到，当土壤含水量达到对应下限值时将进行灌溉，灌水定额通过式(1)计算得到：

1000M=hp(θ田-θ下限)

(1)

式中,M为灌水定额(mm)；p为湿润比，取0.74；h为计划湿润层深度，蕾期取0.4 m，花铃期取0.6 m；θ为体积含水率(%)。每小区在中间位置埋设FDS100墒情传感器，埋深分别为10、25 cm和40 cm。

表1 滴灌试验方案设计

1.3 测定项目及数据分析

1.3.1 株高测定 试验初期选择各处理平均水平的代表性植株10株，用标签牌做标记，测定棉株株高，每隔10 d观测1次，一直到花铃期棉花株高不再增加为止。株高为地面到棉花主茎顶部生长点的高度，用卷尺进行测量。

1.3.2 产量和单株成铃数 采用样田法，在吐絮期选取长宽为3 m2.4 m的小区进行测产并重复3次，取其均值，折算成产量，以代表该处理总产量。同时统计各小区株数和单株结铃数。

1.3.3 棉花生长曲线 本文采用以播后天数为自变量来模拟株高和生物量生长规律的Logistic模型，方程如下：

(2)

式中，F为因变量可代表生物量(B)或者株高(H)(g·株-1或者cm)；t为播后天数；K为F的最大值即最大生物量(Bm)或者最大株高(Hm)(g·株-1或者cm)；b和c为经验系数，株高和生物量的经验系数分别用b1、c1和b2、c2来区别。

对Logistic方程求一阶导函数，得式(3)，用以描述生物量积累速率随时间变化过程的单锋曲线。

(3)

式中，V为干物质积累速率(g·株-1·d-1)。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率的计算公式为：

WUE=Y/ET

(4)

式中,WUE为水分利用效率(kg·mm-1·hm-2)；Y为籽棉产量(kg·hm-2)；ET为棉花生育期内耗水量(mm)。

2 结果与分析

2.1 不同灌水处理对滴灌棉花株高的影响

株高受土壤含水量影响较大，不同灌水处理下蕾期和花铃期株高随播种后天数变化，并存在差异。由图1可见，各处理棉花株高的增长速度随着时间推移而增大，在人工打顶(播后70 d)之后棉花株高增长缓慢并趋于稳定。在蕾期(播后50～74 d)，相对于WD1、WD2处理，WD3、WD4处理与WD5、WD6处理的棉花株高平均日增长量分别增加了0.18 cm·d-1和019 cm·d-1；在花铃期(播后75～125 d)，相对于WD1、WD3和WD5处理，WD2、WD4和WD6处理棉花株高的平均日增长量增加介于0.04～0.10 cm·d-1之间，说明灌水下限的提升会对蕾期和花铃期棉花株高增长提供助力，且在蕾期更加明显。

2.2 不同灌水处理下滴灌棉花生物量的Logistic模拟

棉花生物量的积累将直接影响产量因素。由表3可见，通过建立不同处理生物量与播后天数的Logistic模型，拟合值与实测值相关系数R2≥0.98，能较好地代表各处理生物量积累过程。各处理间棉花生物量的积累过程都符合“S”型曲线，且积累过程大致可以分为3个阶段：在0～T1时间段，棉花处于苗期(播后0～50 d)和蕾期，为促进棉花根系深扎，棉花干物质积累速度缓慢；在T1～T2时间内，棉花蕾期和花铃期，土壤含水量的提升以及适时的补充为棉花的快速生长提供了有利条件；在T2至收获期，棉花处于花铃期和吐絮期(播后125～161 d)，棉花生物量的积累在一段时间内变化缓慢，并随着叶片的衰老等生物开始缓慢降低。

图1 不同灌水处理对滴灌棉花株高的影响Fig.1 Effects of different irrigation limits on the plant height of cotton

模型参数Modelparameter灌水处理 Irrigation treatmentWD1WD2WD3WD4WD5WD6平均值AverageHm64.8263.0168.3366.4875.174.2168.66b165.16100.48220.8300.91148.83250.86181.17c10.070.080.100.100.090.100.09R20.990.990.970.940.990.97-

由表3可知，相对于WD1、WD2处理，WD3、WD4与WD5、WD6的棉花平均最大生物量分别增加了11.58 g和20.44 g；WD1和WD2、WD3和WD4、WD5和WD6间棉花平均最大生物量的差值分别为-4.04，-3.88 g和-3.47 g；说明蕾期和花铃期灌水下限的提升都有助于生物量的增加。T0、T1和T2的在不同处理棉花间规律表现一致，蕾期灌水下限对T0、T1和T2的影响较大。相对于WD1处理，其余处理棉花的Vm分别增加了-0.16、0.10、0.03、0.37 g·d-1和0.26 g·d-1,说明Vm随着灌水下限的提升而增加。不同灌水下限对快速积累期持续的时间GT影响不明显。

2.3 不同灌水处理对滴灌棉花经济性状的影响

不同的灌水处理对棉花生长影响明显，从而导致棉花的籽棉产量、衣分、单铃重、单株成铃数、耗水量以及WUE出现差异。由表4可知，WD2和WD4处理的水分利用效率显著高于其他处理，而WD5处理显著低于其他处理，棉花在水分下限过高的情况下无法充分的利用土壤水分；WD3、WD4、WD5和WD6处理棉花的籽棉产量显著高于WD1和WD2，而WD3、WD4、WD5和WD6处理差异不显著，说明蕾期灌水下限过低会显著降低棉花的产量；WD1、WD3和WD5处理的耗水量分别显著高于WD2、WD4和WD6，WD5和WD6处理的耗水量分别显著高于WD3和WD4，说明灌水下限的上升会增加土壤水分的消耗；WD3单铃重和单株成铃数都显著高于其他处理，分别为5.58 g和7.79个·株-1，而衣分显著低于其他处理，说明灌水下限主要通过单铃重和单株成铃数来促进植株获得高产，且为获得最佳的产量蕾期和花铃期应当设置的灌水下限分别为65%θf和75%θf。

表3 不同灌水处理下滴灌棉花生物量的Logistic模型拟合参数

表4 不同灌水处理下滴灌棉花的经济性状

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

Note: The different lowercase letters within one column mean significant difference among treatments atP<0.05. The same below.

2.4 株高与地上部生物量的模型构建

由表3和表4可知，应用Logistic模型对不同灌水处理下棉花生物量和株高模拟过程中，不同的灌水下限对生物量和株高的变化趋势影响不大，但对棉花生物量和株高的最大值影响较大。根据二次多项式回归方程y=a+bx+cx2，得到生物量和株高最大值与作物耗水量拟合的方程如下：

Bm=-154.92+7.34ET-0.03ET2，R2=0.83

(5)

Hm=-2634.09+81.20ET-0.55ET2，R2=0.87

(6)

式中，Bm为最大生物量(g·株-1)；Hm为最大株高(cm)；ET为棉花生育期内耗水量(mm)。

以上R2>0.83，说明二次多项式能较好地模拟生物量、株高与耗水量之间的关系。

株高是生物量形成的基础，而相对于生物量的数据，株高的数据更容易获取，因此，应当建立生物量与株高之间的关系式，

(7)

不同耗水量会直接影响株高和生物量的形成，因此应当引入耗水量来分析株高与生物量之间的关系。其转换关系如下：将式5和式6带入式7中，即可通过植株的耗水量和株高来得出棉花植株的生物量，具体关系式如下：

B=(-154.92+7.34ET-0.03ET2)/

(8)

3 讨 论

株高是棉花达成理想株型的重要因素，合理的株高能为棉花提供合理的叶层分布，同时能协调棉花生殖生长和营养生长[15-16]。不同处理的棉花株高增长表现为前期缓慢增长、中期快速增长、后期趋于平缓的趋势[17]，这与本文的结论一致。苏里坦等[18]对分根交替膜下滴灌棉花展开研究，发现棉花的株高随着土壤含水量的增加而增加，本试验也得出株高的增长速率在蕾期和花铃期都随着灌水下限的增加而增加。然而申孝军等[9]的研究发现在棉花蕾期适度水分胁迫及花铃期恢复供水处理下，棉花株高不但没有大幅降低，反而有一定的提升，这可能是与棉花灌溉期开始前的初始含水率和初始高度有关；或者因为苗期对棉花没有进行控水，蕾期的水分胁迫促进棉花的侧根生长和主根下扎，进入花铃期后，有利的根系为棉花株高生长提供了助力，导致与本文不一致的试验结论。王乐等[17]对不同品种棉花的株高变化动态展开了研究，发现株高与有效积温能较好地用Richards函数进行拟合，而Richards函数与logistic函数的曲线形状相似，这与本试验结果一致：株高的生长过程能用模型较好地进行拟合。

蕾期和花铃期的不同灌水下限会对棉花的生物量快速积累终止点T2、日最大增长量出现的时间T0和最大生物量积累速率VX产生影响，进而对棉花生物量的最大值产生影响，这与闫映宇[19]和王海江[20]等人的研究结果一致。文中研究结果表明，棉花生物量积累速率随着灌水下限的提高而增大。由于各小区的打顶时间一致，株高对棉花的生物量的最大值起到一定限制作用，进而影响了各处理的快速积累期持续的时间及最大生物量。文中研究结果表明，棉花生物量的积累随时间变化符合 Logistic 模型，与宋为超等[21]研究结果一致。

蕾期灌水下限为55%θf时，导致棉花株高生长缓慢，进而花铃期复水后棉花的产量仍然得不到提高，且显著低于蕾期灌水下限为65%θf和75%θf的处理，这与岳晶晶等[22]研究结果一致。而蕾期灌水下限为75%θf，花铃期的灌水下限为65%θf时，棉花的单铃重和单株成铃数显著小于其他处理，说明蕾期灌水下限的提高能为棉花的打下较好的株型，但是花铃期水分亏缺时较好的株型反而会影响棉花的产量形成。

Logistic模型最初由Verhulst提出，它以时间为自变量，以描述植株的生长过程[23]。棉花株高[24]和生物量[25]以时间为自变量，用Logistic 模型进行模拟，获得了较好效果，与本试验结果一致。而不同处理间棉花株高和生物量随着耗水量而发生变化，因此需将耗水量引入标准化的株高和生物量的Logistic 模型。王淑芬等[26]研究了不同灌水量和灌水次数下棉花的株高，并建立了棉花株高与耗水量的一元一次方程。王亮等[27]发现棉花的耗水量随着干物质量的增加而增加。本文以株高为自变量，引入了耗水量，建立了株高与生物量的Logistic 模型，并有较好的拟合效果，与王翔翔[28]试验结果一致。

4 结 论

本文通过在蕾期和花铃期设置不同的灌水下限，研究了灌水下限对棉花株高、生物量和经济性状的影响，得出如下结论：

蕾期和花铃期灌水下限的提升促进了株高和生物量的增长；在蕾期，相对于55%θf的灌水下限处理，65%θf与75%θf的灌水处理株高平均日增长量和平均最大生物量分别有0.18～0.19 cm·d-1和11.58～20.44 g的增长；在花铃期，相对于65θf的灌水处理，75%θf的灌水下限处理株高平均日增长量和平均最大生物量分别增加了0.04～0.10 cm·d-1和3.47～4.04 g。

棉花在蕾期和花铃期灌水下限为65%θf和75%θf是最适宜的，该处理单铃重和单株成铃数分别为5.58 g和7.79个·株-1，产量5 216.85 kg·hm-2，均高于其他处理，与蕾期和花铃期灌水下限均为75%θf无显著差异，而水分利用效率显著高于蕾期和花铃期灌水下限均为75%θf的处理。

株高和生物量的Logistic模型其R2分别大于0.94和0.98，Logistic 模型能较好地模拟株高和生物量的生长，且引入耗水量，建立了以最大株高与耗水量为自变量预测生物量的模型，可为棉花的生长状况及产量提供预测与指导。