密度和灌溉定额互作对76 cm等行距机采棉田水分分布及利用的影响

程少雨，林 涛，吴凤全，侯培珂，张丽莹，汤秋香

(1.新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052；2. 新疆农业科学院经济作物研究所，乌鲁木齐 830091；3. 农业部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】种植模式优化是棉花机械采收环节农机农艺融合的重要措施[1]。76 cm等行距“1膜3行”机采棉种植模式，可有效解决机采棉与采棉机不配套、采收后籽棉杂质含量超标等问题[2]。76 cm等行距种植有利于提升机采棉品质，但也存在密度降低和株型结构变化带来产量不稳定等问题[3]。分析密度和灌溉定额互作对76 cm等行距机采棉田水分分布及利用的影响，对完善76 cm等行距机采棉配套技术有重要意义。【前人研究进展】与“1膜6行”相比，“1膜3行”76 cm等行距机采棉增加了行距，缩短了株距，加剧棉株群体株间竞争，使地下根系部分和地上冠层重新分布[4-5]，直接影响土壤水分分布与利用[6]。合理密植是实现棉花高产高效的前提[7]，种植密度严重影响棉花的采收品质[8]。朱文美[9]、田文仲[10]、张文斌[11]等研究得出，种植密度对耗水量没有明显影响，但是增加种植密度可以降低群体棵间蒸发，增加对深层土壤水分的利用，提高水分利用率。灌溉定额是影响土壤水汽干湿排列对耗水产生重要作用的调控因子。姚明泽[12]、马兴华[13]等研究表明，随灌溉定额的增加，土壤含水率、作物耗水量明显增加，水分利用率明显降低；水分匮缺导致氮肥利用率降低[14-15]，而影响产量。【本研究切入点】前人研究主要针对其他作物或者其他棉花种植模式，而针对“1膜3行”76 cm等行距机采棉密度和灌溉互作对土壤水分的影响则鲜见文献报道。需研究在76 cm等行距种植模式下，不同种植密度和灌溉定额对棉田土壤水分分布与变化及水分利用率的影响。【拟解决的关键问题】设置3个密度主区和3个灌溉定额副区，采用双因素裂区试验，研究76 cm等行距机采棉种植密度和灌溉模式，为优化机采棉种植密度和灌溉措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2020年设在新疆阿瓦提县农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室野外观测站(40°06' N、80°44' E，海拔1 025 m)，温带大陆性干旱气候，年均气温10.4℃，≥10℃年积温为3 988℃，日照时数2 679 h，无霜期211 d，年平均降水量46.7 mm，蒸发量2 900 mm，蒸发降水比>50。供试区0～40 cm深度土壤质地为粉砂壤土，平均干容重为1.5 g/cm3田间持水率(质量分数)为22.5%，凋萎系数7.3%，土壤有效水15.2%。土壤中有机质10.6 g/kg，全氮1.8 g/kg，碱解氮43.8 mg/kg，速效磷21.4 mg/kg，速效钾207.5 mg/kg，总盐分1.02%。地下水位40～50 m。

供试棉花品种为新陆中88号(新疆农业科学院经济作物研究所提供)，4月13日播种，9月30日收获。底肥一次性投入磷酸二铵(P2O553.8%，N 21.2%)450 kg/hm2，硫酸钾(K2O 51%)75 kg/hm2，尿素150 kg/hm2(N 46.4%)。采用“1膜3行”76 cm等行距机采棉配置模式，地膜幅宽2.05 m，机械覆膜打孔，人工点播，每穴放入3～4粒种子，出苗后保留1棵健壮植株，其余拔除。表1，图1

表1 2020年棉花全生育时期划分Table 1 Division of growth period for cotton in 2020

图1 76 cm等行滴灌距株行配置及TDR剖面土壤水分测量系统位点Fig.1 Line configuration of 76 cm isospaced plants and site map of soil moisture measurement system in TDR profile

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用双因素裂区试验，密度为主区，分别是13.5×104株/hm2(低密度，M1)、18×104株/hm2(中密度，M2)和22.5×104株/hm2(高密度，M3)；灌溉定额为副区，分别是3 150 m3/hm2(重度亏缺，50%ETC，W1)、4 050 m3/hm2(轻度亏缺，75%ETC，W2)和4 980 m3/hm2(充分灌溉，100%ETC，W3，由涡度协方差系统测得作物需水量)。每3个播幅为1个试验小区，长7 m，宽6.5 m，面积45.5 m2，重复3次。滴灌带间距76 cm，滴头间距25 cm，滴头流量2.1 L/h。生育期采用“1水1肥”灌溉施肥方式，追施尿素450 kg/hm2，所有小区灌溉和施肥频率均为7 d/次，6月20日滴头水，8月22日停水。每个小区采用水表和开关单独控水，小区边界挖0～50 cm窄沟，采用PVC薄板阻隔。小区的第1膜和第3膜为保护行，第2膜为定点调查和取样位点，其它管理参照常规大田进行。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 土壤体积含水量

采用TDR时域反射仪(TRIME-PICO-IPH, IMKO GmbH, Germany)自播种至收获，每7 d测定1次土壤体积含水量(Soil water content, SWC)。测定位点位于每个标准种植单元中轴线和行间中轴线的滴头下向。土壤剖面测深为80 m，每10 cm为1层，重复3次计数，取平均值测，降雨和灌溉前后加测1次。

1.2.2.2 土壤含水率均匀系数

土壤含水率分布均匀性用克里斯琴森均匀系数Cu[16]表示。

(1)

1.2.2.3 作物实际蒸散耗水量

采用水量平衡法[17]计算作物实际蒸散耗水量(Actual crop evapotranspiration,ETa)。

(2)

式中：i—土壤层次号数(无量纲)；n—土壤层次总数(8层)；Hi—第i层土壤厚度(10 cm)；θi1—第i层土壤初时段体积含水率(%)；θi2—第i层土壤末时段体积含水率(%)；I—时段内灌水量(mm)；Pr—时段内有效降水量(mm)；V—时段内地下水补给量(mm)；D—深层土壤水分渗漏量(mm)；R—地表径流量(mm)。

试验区降雨量很小，地块平整，单次滴灌后土壤水分小于田间持水量，地下水埋深在5 m 以下，无地下水补给，公式简化如下。

1.2.2.4 日耗水强度

计算日耗水强度(Daily water consumption intensity，DWC)。

DWC=ETa/d.

(3)

式中:ETa—阶段耗水量(mm)；d—历经时间(d)。

1.2.2.5 产量

9～10月，选择66.7m2区域手工采摘，测量晒干后的最终产量(湿度≤11%)。随机挑选植株30株，按照上(7以上果枝)、中(4～6果枝)、下部(1～3果枝)区分，各随机采摘50铃，用于计算单株结铃数、单铃重、衣分率等指标。

1.2.2.6 水分利用效率

计算棉田蒸散水分利用率( Water use efficiency WUE)。

WUE(kg/mm)=Y/ETα.

(4)

式中:Y—单位面积的籽棉产量(kg/hm2)；ETα—棉田耗水量(mm)。

1.2.2.7 气象数据

降水量、气温等气象参数均由站点高精度自动气象站测定，该气象站采用10 HZ频率采集原始数据，并提供30 min的计算均值。图2

注：Ta ave、Ta max、Ta min分别为气温平均、最大、最小，Rian为将于灌水量

1.3 数据处理

采用SPSS v.22.0LSD法进行数据差异显著性分析(P<0.05)。采用SigmaPlot v.12.0和Golden Surfer v.15.0辅助分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 密度和灌溉定额对棉田土壤含水率的影响

研究表明，同一种植密度下，灌溉定额间土壤含水率有明显差异性。灌水后各处理土壤含水率明显上升，生育后期停止灌水后，土壤含水率逐渐下降。同一种植密度处理下，灌溉定额增加使得土壤含水率显著增加，W3处理土壤含水率相比较W2、W1分别提高4.7%、11.49%；在同一灌溉处理下，M1、M2、M3处理土壤含水率分别是24.10%、24.41%、24.81%，土壤含水率呈现随密度的增加而增加。密度和灌溉定额的互作表现出随密度的升高，3个灌溉定额处理之间土壤含水率差异减少；以低密和超量灌溉组合土壤含水率最高，达到26.47%。随灌溉定额的增加，土壤含水率显著升高，而种植密度之间则无显著性差异，两因互作以低种植密度与充分灌溉组合土壤含水率最高。随密度和灌溉定额的增加，土壤含水率越高，以低密和充分灌溉组合土壤含水率最高。表2、图3

表2 不同密度和灌溉定额下0～80 cm土层棉田土壤含水率方差Table 2 Analysis of variance of soil moisture content of cotton field with 0～80 cm soil layer by density and irrigation quota

图3 不同密度和灌溉定额下棉田土壤含水率变化Fig.3 Effects of different density and irrigation quota on soil moisture content in cotton fields

2.2 密度和灌溉定额对棉田土壤水分分布影响

研究表明，灌溉定额的增加提高了土壤水分纵向运移能力；在同一种植密度处理下，W1、W2和W3处理下层(40～80 cm)土壤含水率分别较对应上层(0～40 cm)土壤含水率高3.95%、4.33%和5.32%。种植密度增加显著降低了水分纵向运移能力；在同一灌溉处理下，M1、M2和M3处理的下层(40～80 cm)土壤含水率分别较对应的上层(0～40 cm)土壤含水率高5.27%、4.60%和3.73%。灌溉定额增加显著增加了水分的纵向运输能力，使下层土壤含水率升高；而随种植密度的增加，则完全相反。图4

图4 不同密度和灌溉定额下棉田土壤水分分布变化Fig.4 Effects of different density and irrigation quota on soil moisture distribution in cotton fields

密度、灌溉定额和密度与灌溉定额互作对土壤水分分布均匀度均有显著影响。密度增加有利于水分均匀分布，M1、M2和M3处理0～80 cm的水分均匀度分别达到0.87、0.88和0.90；W1、W2和W3处理水分均匀度分别是0.87、0.90和0.89，随灌溉定额的增加水分分布越均匀，但是灌溉定额过大时，由于水分纵向运移能力增加，反而不利于水分分布的均匀性。两因素互作，以M2W2处理组合最高，达到0.93。密度的增加使土壤水分分布越均匀，而随灌溉定额增加水分分布则呈先升高后降低趋势，两因素交互以中密与轻度亏缺灌溉土壤水分分布的均匀性最高。表3

表3 不同密度和灌溉定额下棉田土壤水分分布均匀系数变化Table 3 Influence of density and irrigation quota on the uniformity coefficient of soil moisture distribution in cotton fields

2.3 密度和灌溉定额对产量和棉田水分利用的影响

研究表明，密度和灌溉定额以及两因素互作对棉田产量有显著影响。在相同灌溉处理下，随密度的上升，产量显著降低；在M1和M2密度处理下，产量随灌溉定额的增加而增加；在M3处理下，随灌溉定额的增加，产量呈下降趋势。以M1与W3组合产量最高，达到4 752 kg/hm2，与M3和W1组合之间差异不显著。

灌溉定额对棉田耗水量有显著性影响，而棉田耗水量不受密度和密度与灌溉定额互作的影响。M3处理耗水量显著小于M1、M2处理，而耗水量随灌溉定额的增加而显著增加。两因素交互以M3与W1组合耗水量最低，为337.59 mm。密度和灌溉定额以及其交互对水分利用率有显著影响。在相同灌溉处理下，随密度的升高水分利用率呈先升高后降低趋势；而相同密度处理下，水分利用率随灌溉定额增加显著降低。M3与W1处理组合水分利用率最高，为13.72 kg/(hm2·mm)。表4

表4 不同密度和灌溉定额下棉田土壤水分利用变化Table 4 Influence of density and irrigation quota on soil water use in cotton fields

研究表明，M1W1、M1W3棉田实际耗水量低于模拟值，M1W1、M1W3、M2W3、M3W1、M3W2、M3W3处理棉田实际水分利用效率高与模拟值。其中M3W1组合在具有高水分利用率优势的同时，还高出模拟值10.18%。灌溉定额的增加显著增加了低、中密度种植棉田产量，但在高密度种植则相反；耗水量随灌溉定额的增加而增加，水分利用率则降低；密度的增加，耗水量呈先升高后降低，而水分利用率则相反；两因素交互以高密与重度亏缺灌溉组合水分利用率最高，并超过模拟值，且产量相对较高。图5

图5 不同密度与灌溉定额下棉田耗水量、水分利用率三维响应面定量回归模型Fig.5 Three-dimensional response surface quantitative regression model of density and irrigation quota on cotton field water consumption and water utilization ratio

3 讨 论

3.1 密度和灌溉定额对棉田土壤含水率的影响

试验结果表明，随着棉花生育进程的推进和灌水次数的增加，整个棉花生育期内土壤水分含量呈递增趋势；棉田土壤含水量随灌溉定额的增加而增加，W3处理相比较W2、W1分别提高4.7%、11.49%，灌溉定额使得土壤含水量明显增加，姚明泽[12]对南疆机采棉膜下滴灌土壤水分运移特征、耗水规律及产量品质研究表明，不同灌溉定额对表层土壤含水率影响最大，与试验得出的结论基本一致。土壤含水量随密度的升高而增加，但是3个密度之间差异不显著。虽然有地膜覆盖，但是密度增大带来的棉株群体冠层增大的遮蔽效果依然大于群体增大带来的耗水量的增加[18]，高密种植有益于减少棉田无效耗水[19]。

3.2 密度和灌溉定额对棉田土壤水分分布影响

棉花根系主要分布在0～40 cm土层，水分在土层中的分布直接影响根系对水分的吸收。试验结果表明，随灌溉定额的增高下层土壤含水率以及占比明显升高，随灌溉定额的增加使土壤水分纵向运移能力增加，水分向下层土壤聚集，使土壤深层含水量增加，易形成无效水，不利于水分高效利用[20]。张前兵[21]和Nasrin Azad[22]研究表明，随灌溉定额的增加，水分纵向运移能力增加，使得水分向下层土壤运移，导致下层土壤含水量增加，与试验得出的结论一致。随密度的升高土壤水分向上层土壤运移，上层土壤含水量增加，有利于水分被棉花吸收利用。与杨林川[23]在半干旱区垄沟结构和密度对土壤水热及春玉米产量的调控的影响的研究中一致。

滴灌是实现节约用水、提高水分利用率的重要措施[24]。试验研究表明，随密度的升高，水分在0～80 cm土壤水分分布越均匀，达到0.9左右[25]。主要是由棉株群体的蒸腾拉力引起的，密度升高群体蒸腾拉力增大，导致水分向上运移，而下层土壤含水量偏多，故使得水分分布的更加均匀。随灌溉定额的增加，均匀系数增加，而灌溉定额过大时，均匀度反而降低，是由于水分纵向运移能力弱，灌溉后水分大量在上层土壤聚集，使得均匀度降低；而灌溉定额过大时，水分纵向运移能力增大，水分向下层土壤聚集，使得均匀度降低。以M2W2处理最高，两因素交互能力明显，是由于在中等密度和中等灌溉定额时棉株群体拉力与灌溉定额的纵向运移能力达到平衡。

3.3 密度和灌溉定额对棉田产量及水分利用的影响

试验研究表明，以高密与减额灌溉组合和低密与超量灌溉产量最高。高密对水分匮缺和超量灌溉对低密有补偿效应，与Zhang D[26]得出结论一致。在有限的水资源中提高单位水的生产力是保证农业可持续发展的重要因素[27]。研究表明，随灌溉定额的增加，棉田耗水量明显增加，不过增加幅度低于灌溉定额增加的幅度。灌溉定额的增加，并未全部被棉株群体吸收利用，留下一部分在土壤中，造成水资源的浪费。王亮[28]在残膜量和灌溉量对棉田水氮利用特征的影响及其生理机制研究，在膜下滴灌条件下滴水量和滴水频率对棉田土壤水分分布及水分利用效率的影响[29]，随灌溉定额的增加，作物耗水量明显增加[30]，与试验结论一致。密度以中密处理耗水量最高，高密耗水量最低，但是各密度之间没有显著性差异。原因是高密棉株群体冠层结构较大，在生育后期可有效减少地表蒸发。Barbieri等[31]研究发现，种植密度的提高显著提高了耗水量，与试验研究相反；Jiang等[32]研究认为，种植密度对于耗水量没有显著。密度和耗水量关系取决于种植密度对蒸散作用的增加量和对田间蒸发量的减少量之间的差异程度。试验设在新疆南疆，空气干燥，虽然有地膜覆盖，但是田间蒸发依然很强烈，高密降低了地表蒸发，故密度的升高降低了耗水量。

试验研究表明，随灌溉定额的增加，水分利用率越低。牛玉萍[33]研究显示有限滴灌显著提高了棉花的水分利用效率(WUE)，与研究结论一致；作物的产量和水分利用效率随灌溉量的增加而升高[34]，与试验结论不一致，原因一是虽然灌溉量增加，产量也增加，但是产量增加幅度较小，二是密度对水分匮缺有补偿效应，使得在水分匮缺状态下也能获得相对较高的产量。试验研究表明，密度对水分利用率的影响，以高密水分利用率最高，中密度最低。而灌溉水利用则呈现随密度增加，灌溉水利用率升高。孙仕军等[35]研究也表明增加种植密度，可以显著增加水的利用效率。主要是由于高密种植对水分匮缺有明显的补偿效应，充分利用棉花抗旱性能，获得相对较高产量和最高水分利用率。

4 结 论

4.1随密度和灌溉定额的增加，土壤含水量升高，两因素交互以M3W3处理含水量最高。

4.2随密度的增加，水分向纵向运移能力减弱，使下层土壤含水量相对降低，而灌溉处理则相反；随灌溉定额的增加，水分整体分布均匀度呈现先升高后降低的趋势，随密度的增加，水分分布越均匀，密度和灌溉定额互作表现出以M2W2处理最高，达到0.93。

4.3随灌溉定额的增加，耗水量越高，水分利用率越低；密度对棉花耗水量没有显著性影响，但是M3处理对耗水量最低，水分利用率最高，M2耗水量最高，水分利用率最低；两因素交互以M3W1耗水量最少，水分利用率最高，并且超出模拟值。以低密与超量灌溉组合棉田产量最高，但是与高密和减量灌溉组合之间差异不显著。高密种植和重度亏缺灌溉组合，有利于机采棉产量和水分利用率的提高。