不同覆盖材料和灌溉量对机采棉产量形成及有效积温生产效率的影响

刘海军,张 昊 ,王一帆,陈茂光,吴凤全,林 涛,汤秋香

(1.新疆农业大学农学院/棉花教育部工程研究中心,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.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京 100081;4.农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室,乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】新疆是我国最大棉区[1],2019年新疆覆膜种植面积达到351×104hm2,覆膜率已经达到100%[2-3]。改进普通PE地膜质量,可提高其在棉花收获后的可回收性。瞿金平等[4]研究出一种“全回收高性能增产地膜”(以下简称高堡膜),在使用前后的性能指标整体上均高于传统PE地膜,且具有较好的回收效果。其在棉花生产中对棉花生长发育及产量的形成的影响因素尚不清晰,设置不同覆盖材料和灌溉量,对研究高堡膜在新疆棉花生产上的功能特点及其相配套的灌溉措施有实际意义。【前人研究进展】覆膜种植具有显著节水、保温的作用[5],地膜的保温作用进一步促进了土壤水分的利用[6]。覆膜种植的棉花苗期株高、茎粗均明显大于裸地种植,且覆膜有利于棉花早发育早成熟,其蕾铃数相比裸地棉花发育较早[7]。但是蕾期灌水或降水过后,裸地棉花水分胁迫消除,棉花株高快速增长,其增长速度甚至高于覆膜棉花[8],干物质积累量也随之增加。高胜等[9]研究认为,覆膜棉花的总铃数高于裸地种植。相比裸地种植,覆膜棉花有利于生长发育,促进营养生长向生殖生长的转化,延长棉花花铃期,进而增加棉花产量。高堡膜机械性能、耐候性能和光学性能优异,使用过程中具有更优的保温保墒效果,能够提高棉田0～5 cm土层的土壤温度0.1～0.3℃,且透湿量为20.7～35.7 g/(m2·d),加快棉花出苗、生长、开花等,最终使棉花产量约提高10～20 kg/667m2,具有较高经济效益[10]。【本研究切入点】目前,国内有关高堡膜在棉花生产上的功能特点尚不清晰,与普通PE地膜的保温/保湿性能不同,生产上也缺乏与之相配套的灌溉管理措施。需研究不同覆盖材料和灌溉量对机采棉产量形成及有效积温生产效率的影响。【拟解决的关键问题】采用大田试验,研究不同覆盖材料对棉田土壤温度、干物质积累与分配、积温利用效率及产量的影响,分析不同覆盖材料和与之相适应的灌溉量所对应的高效灌溉措施,为新疆南疆棉田绿色可持续发展提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2021年在新疆阿克苏地区沙雅县海楼镇(N 41°17′,E 82°42′,海拔897 m)进行。该区年均降水量47.3 mm,年均蒸发量2 000.7 mm,年日照时数3 031.2 h,年均气温10.7℃,最高气温30.9℃,最低气温-13.7℃,无霜期214 d。试验区土壤质地为沙质壤土,耕层范围内平均有机质含量9.8 g/kg、全氮0.6 g/kg、碱解氮39.5 mg/kg、速效磷18.1 mg/kg、速效钾111.9 mg/kg,容重1.5 g/cm3,土壤pH 8.3。

供试棉花品种为J206-5,由新疆金丰源种业股份有限公司提供,播种日期为5月18日。高堡膜和普通PE地膜厚度均为0.01 mm,宽度为2.05 m,地表覆盖度约为80%。每个小区第1、3幅膜为保护行,第2幅膜为调查取样小区。滴灌带间距38 cm,滴头间距25 cm,滴头设计流量2.1 L/h,各小区单独安装水表和开关,单独控水。6月中下旬开始灌溉,8月中旬灌溉结束,灌溉频率7 d/次,共计10次,其他日常管理同大田。2021年棉花生育期划分:苗期(5月21日～6月18日)、蕾期(6月19日～7月13日)、花铃期(7月14日～8月24日)、吐絮期(8月25日～9月25日)、全生育期 (5月21日～9月25日)。

试验地膜产品为某企业研制的采用新型挤出设备及成型工艺,结合配方技术生产的“全回收高性能增产地膜”(高堡膜),由麦盖提星联科技农膜有限公司生产,普通PE地膜由新疆阿克苏地区沙雅县地膜厂生产。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用裂区试验设计,以覆盖材料为主区,裸地(A1)为对照、设置高堡膜覆盖(A2)和普通PE地膜覆盖(A3)2个覆盖材料;以灌溉量为副区,设置3 150 m3/hm2(W1)、4 050 m3/hm2(W2)、4 950 m3/hm2(W3)3个灌溉量,共计9个处理,每个处理重复3次,小区长9.5 m,宽6.9 m,小区面积65.55 m2,各小区由3个播幅组成。采用1膜3管6行机采棉种植模式,株行配置[(10+66+10)+66]cm+11 cm,理论种植密度22.5×104株/hm2。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 干物质积累与分配

在试验田内选择长势均匀具有代表性的区域设置取样小区。在棉花苗期、蕾期、花期、铃期和吐絮期选择长势均匀具有代表性植株5株,并将其分解成根、茎、叶、蕾铃花,并105℃杀青30 min,80℃烘干至恒重,称其干物质重量。

各生育阶段干物质积累量=阶段末干物质积累量-阶段初干物质积累量;

各器官的干物质分配比例(%)=各器官的干物质积累量/植株总干物质积累量×100。

1.2.2.2 土壤温度

采用 MicroLite 5032P U(Fourtec-Fourier公司,以色列)盘式自动地温计(温度范围:-30～80℃、误差±0.3℃,温度分辨率:0.1℃)进行测定。在每小区棉花宽行中间膜10 cm土层采集。采集时间为棉花播种期至收获期,采样间隔每隔1 h,采集位点位于每小区棉花宽行中间膜下10 cm的土层深度。

1.2.2.3 土壤有效积温

有效积温计算方法[11-12]:

Ti=Tiavg-Tbase.

式中,Ti表示从播种之后的第1 d到第id的土壤有效积温(℃·d);Tiavg表示土壤的日平均温度(℃);Tbase为棉花的基点温度,选取12℃,12℃以上的温度才是棉花生长发育的有效温度。

1.2.2.4 产 量

测产时间为棉花吐絮期,测产时在各小区随机挑选3个2.27 m×2.93 m大小的样方,记录其株数和结铃数并计算单株结铃数。每小区随机取30株棉株,分上中下部分各取30朵棉花,晒至恒重后测其单铃质量、籽棉产量,轧花后测其皮棉产量、衣分。

有效积温生产效率(kg/(hm2·℃·d))=单位面积籽棉产量/作物生育期≥12℃有效积温。

1.3 数据处理

采用Excel2007和DPS 7.05软件进行统计与分析,采用最小显著性差异LSD法进行显著性测验。采用Sigmaplot V.12.5(Systat Software,Inc ,USA)进行进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉量下覆盖材料对棉田土壤温度的影响

研究表明,土壤温度随着时间的变化呈现先升高后降低的趋势。棉花播种后15 d,3种覆盖材料的棉田平均土壤温度分别为26.75、29.14和28.94℃,A2较A1和A3处理分别高2.39、0.2℃。在蕾期,A2处理的棉田平均土壤温度为25.51℃,较A1和A3处理分别高1.4、0.31℃。花期到吐絮期,随着灌溉量增加,土壤温度逐渐降低,各覆盖材料的土壤温度无显著性差异。棉花生长前期,灌溉量对棉田土壤温度无影响,覆盖材料对棉田土壤温度影响较大,且高堡膜覆盖相较于裸地和普通PE地膜覆盖具有更好的增温效果,可促进棉花的生长。图1

注:A1-裸地;A2-高堡膜覆盖;A3-普通PE地膜覆盖,下同

2.2 不同覆盖材料和灌溉量对棉田有效积温的影响

研究表明,苗期、蕾期和全生育期的有效积温受覆盖材料影响显著,花铃期的有效积温受覆盖材料和灌溉量交互作用影响显著,随着灌溉量的增加,不同覆盖材料的棉田有效积温呈低-高-低的变化趋势。W1灌溉量下,A2、A3处理较A1处理分别在苗期和蕾期均表现为差异显著,A2处理较A1处理有效积温增幅较大,分别增加22.17和16.47(℃·d)。W2灌溉量下,苗期和蕾期的有效积温均表现为A3>A2>A1,A3处理较A1处理分别增加26.84和16.50(℃·d);W3灌溉量下,苗期和蕾期的有效积温变化情况分别同W2、W1灌溉量的变化趋势相似。在W1和W2灌溉量下,不同覆盖材料间全生育期有效积温差异显著,3个不同灌溉量中,A2和A3处理的全生育期有效积温均高于A1处理。在二者互作条件下,通过减量灌溉,覆盖高堡膜可提高棉田有效积温,促进棉花的生长发育。表1

表1 不同覆盖材料和灌溉量下棉田有效积温变化

2.3 不同覆盖材料和灌溉量对棉花干物质积累的影响

研究表明,随着生育进程的推进,各处理的干物质积累量在逐渐增加,并呈现低-高-低的变化趋势,苗期到蕾期增长缓慢,蕾期到铃期增长加快,进入吐絮期后生长缓慢。W1灌溉量下,各处理在苗期的干物质积累量差异显著,苗期干物质积累量表现为A2>A3>A1,A2处理较A1和A3处理分别增加107.14%和41.20%;W2灌溉量下,各处理在蕾期的干物质积累量差异显著,吐絮期干物质积累量表现为A3>A2>A1,A3处理较A1和A2处理分别增加16.84%和3.15%;W3灌溉量下,各处理在苗期的干物质积累量差异显著,吐絮期干物质积累量变化情况与W1灌溉量表现一致。灌溉量对棉花生长前期干物质积累量影响较小,在生育后期,随着灌溉量的增加,棉花干物质积累速率加快。图2

注(Note):Sd-苗期 Seedling; Bd-蕾期 Bud stage; Fl-花期 Flower opening stage; Fb-铃期 Full bolling stage; Bo-吐絮期 Boll opening stage.

3种不同的灌溉量下,A2和A3处理的棉花干物质最大生长速率和特征值高于A1处理。干物质快速积累的时间出现在苗期后73～85 d,维持快速积累的时间段为50～59 d。W1灌溉量下,A2处理较A1和A3处理的最大生长速率快、特征值增大、持续时间较长。W2灌溉量下,A3处理较A1和A2处理的特征值增大、持续时间较长。W3灌溉量下,A1处理的最大生长速率、特征值和持续时间均低于A2和A3处理。随着灌溉量增加,裸地的干物质最大生长速率逐渐增大,弥补了前期有效积温的不足,促进干物质的积累。当灌溉量不足时,覆盖高堡膜有利于棉花干物质的快速积累。表2

表2 棉花干物质积累的Logistic函数生长模型及相关参数

2.4 不同覆盖材料和灌溉量对棉花干物质分配的影响

研究表明,棉花干物质在根和蕾铃花中的分配量受二者交互作用影响显著,随着灌溉量的增加,根的分配量逐渐减少,蕾铃花的分配量逐渐增加。茎叶分配量受不同覆盖材料和灌溉量的影响显著,灌溉量增加,茎叶分配量逐渐增多,且高堡膜和普通PE地膜覆盖处理的茎叶分配量相较于裸地逐渐增多。W1灌溉量下,根的分配量表现为A1>A2>A3,A2和A3处理的茎叶分配量较A1处理分别高12.0%和20.6%,蕾铃花分配量表现为A2>A3>A1,A1较A2处理相比减少45.6%。W2和W3灌溉量下,A2和A3处理的根、茎叶的分配量均大于A1处理。在二者互作条件下,通过减量灌溉和覆盖高堡膜,更有利于收获期棉花干物质的分配,使生殖器官的干物质分配量增多,促进棉花高产。表3

表3 不同覆盖材料和灌溉量下棉花收获期生物量在不同器官中分配变化

2.5 不同覆盖材料和灌溉量对棉花产量的影响

研究表明,棉花产量形成受覆盖材料和二者交互作用影响显著,随着灌溉量的增加,A1处理的籽棉产量逐渐增加,但A2和A3处理的籽棉产量逐渐下降。其中在W1灌溉中,籽棉产量表现为A2>A3>A1, A2处理较A3和A1处理分别高311.70、2 360.33 kg/hm2。在W1和W2灌溉量下,各覆盖材料间的单株结铃数差异显著。单铃重与籽棉产量的变化趋势基本一致。在有效积温生产效率方面,受覆盖材料和二者交互作用影响显著,随着灌溉量的增加,A2和A3处理的有效积温生产效率逐渐降低,A1处理的有效积温生产效率在逐渐升高。在W1灌溉量下,A2处理的有效积温生产效率最高为4.58 kg/(hm2·℃·d),较A1和A3处理分别高出57.39%和8.02%,W2灌溉量下,不同覆盖材料之间有效积温生产效率差异不显著,W3灌溉量下,有效积温生产效率表现为A1>A3>A2。在二者互作条件下,采用减量灌溉,覆盖高堡膜,可提高棉花产量和有效积温生产效率。表4

表4 不同覆盖材料和灌溉量下棉花产量及有效积温利用效率变化

2.6 棉田有效积温与干物质积累和产量的关系

研究表明,棉花干物质积累量、籽棉产量与棉田有效积温之间具有一定的相关性。在3个灌溉量下,干物质积累量随有效积温的增加而增加,均为线性正相关关系,回归拟合决定系数高于0.78。在W1和W3灌溉量下,A3处理最高,A1处理居中,A2处理最低。W1灌溉量下,干物质积累的表现为A1>A2>A3。当有效积温在1 200(℃·d)时,覆盖高堡膜或普通PE地膜,可促进棉花干物质的快速积累。籽棉产量随有效积温的增加而增加,为线性正相关关系,回归拟合决定系数高于0.24。当有效积温在1 450～1 500(℃·d)时,有利于棉花产量的提高。图3、图4

图3 籽棉产量随有效积温变化

图4 干物质积累量随有效积温变化

3 讨 论

3.1 不同覆盖材料和灌溉量对棉田土壤温度的影响

土壤表面进行覆盖会改变作物小气候,进而改变土壤温度,从而影响植物生长发育和产量[13]。棉花属于喜温作物,覆盖方式和灌溉量均会影响土壤温度和有效积温。研究表明,覆膜与裸地相比,可提高棉田土壤温度,覆膜后棉田的增温和保温效应随着棉花生育进程的推进而逐渐减小[14-15]。研究结果与前人[10]一致,在棉花苗期,植株冠层覆盖度较小,高堡膜覆盖可明显提高棉田的土壤温度,提高7.15%～10.57%,从而在生长阶段形成较高的有效积温。进入花铃期,棉花逐渐生长,形成较大的作物冠层,阻碍了地面接收太阳辐射,地膜增温效应减弱,同时田间开始滴灌进水,水的比热容大,土壤升温速度变慢[16],各处理的土壤温度和有效积温差异不明显,在吐絮期,高堡膜的保温效果优于普通PE地膜和裸地。

3.2 不同覆盖材料和灌溉量对棉花干物质积累及分配的影响

干物质是作物光合产物的表现形式,是作物产量形成的基础,其积累与合理的分配是提高作物产量的关键[17],适宜增加灌溉量,可促进棉花干物质的积累[18]。辛明华等[19]研究表明,裸地栽培下棉花的干物质积累的最大生长速率和快速增长持续时间均低于覆膜处理,在覆膜条件下,可促进棉花早熟早发,有利于干物质的积累和促进同化物向生殖器官的转运[9]。试验结果与前人研究一致,增加灌溉量,不同覆盖材料对棉花干物质积累均会起到促进作用。研究表明[20-21],适度减少灌溉量,有利于营养生长向生殖生长的转化,促进生殖器官的分配比例提高,与前人研究结果一致,在3种灌溉量下,通过减量灌溉,高堡膜覆盖处理下,棉花蕾铃花占比较其他处理显著增加。

3.3 不同覆盖材料和灌溉量对棉花产量及有效积温生产效率的影响

裸地栽培会导致棉花生育期延长,水肥流失较快,对棉花产量提高不利[22],覆膜后,降低减少灌溉量,可以获得较为合理的叶面积指数和良好的生殖器官分配比例,保证了较高籽棉产量[23]。试验结果与前人研究一致,在减量灌溉下,高堡膜覆盖有利于生殖器官分配比例提高,促进棉花产量和有效积温生产效率的提高。

4 结 论

在棉花生长前期,高堡膜处理较普通PE地膜和裸地能明显提高棉田土壤温度,分别提高0.2、2.39℃,棉田有效积温分别提高9.04、83.88(℃·d)。不同的覆盖方式下,棉花干物质积累量与灌溉量呈线性正相关关系,随着灌溉量的增加而增加。但在减量灌溉3 150 m3/hm2条件下,高堡膜覆盖有利于棉花营养器官向生殖器官的转化,从而提高籽棉产量和有效积温生产效率。因此,在实际生产中,灌溉量为3 150m3/hm2,采用高堡膜覆盖可促进棉花的生长发育,提高有效积温生产效率,实现节水增产。