不同水分处理对两种机采种植模式棉花蒸散发、产量及品质的影响

李 杰,马腾飞,何 红,边 洋,郭 蕾,郭金军,古力努尔·艾哈塔尔,帕尔哈提·买买提,吐尔逊江·买买提,娄善伟,张鹏忠

(1．国家棉花工程技术研究中心,乌鲁木齐 830091;2．新疆农业科学院 经济作物研究所,乌鲁木齐 830091;3．克拉玛依市拉玛依区农业农村局,新疆克拉玛依 834000)

棉花是世界重要大宗农产品,是中国重要经济作物、纺织工业原料,是事关国计民生的重要战略物资[1-2]。新疆作为中国最重要的优质商品棉生产基地,2021年棉花种植面积250.6万hm2,占全国种植面积的82.76%;产量513万t,占全国棉花总产量89.49%。然而,新疆干旱少雨,水资源严重紧缺,干早缺水是制约新疆棉花可持续发展的最重要因素[3],如何利用有限的水资源,最大限度地节约灌溉用水量,是本区棉花可持续发展的必然选择。

膜下滴灌技术将覆膜栽培技术与滴灌技术相结合,具有保温保墒、节水节肥、增产抑盐、减少深层渗漏的优点,可有效缓解水资源不足与农业用水利用率不高的矛盾,被广泛应用于新疆棉区[4-5]。种植模式是膜下滴灌的具体实施形式,不同种植模式下棉花土壤湿润范围、蒸散发特征、生长规律、光合特性、产量和品质等必然不同。农田蒸散(Evapotranspiration,ET)作为陆地水分和能量循环过程中的重要环节,是“大气-土壤-作物”系统这一相当复杂体系内的连续过程,是作物生长发育至关重要的水分供应和能量来源,与作物生理活动和产量关系极为密切,对棉花生长发育和产量具有重要影响[6-7]。土壤蒸发(Evaporation,Es)通常被视为无效的水分损失,是蒸散的非生产性组成部分,不直接参与产量形成,降低这部分耗水是农田节水的一个重要部分[8]。国内外许多学者已经对不同灌溉方式下的蒸散发进行了大量的研究,申孝军等[9]研究表明西北干旱区滴灌棉田土壤累积蒸发量在苗期最高,其次是花铃期,吐絮期最小;李云光[10]报道,与裸地相比,使用液膜可以使土壤蒸发降低4.27%～ 29.14%。然而,关于新疆北疆地区不同水分处理下等行距和宽窄行两种机采种植模式棉花蒸散发特征报道较少。

节水农业的根本问题是在用水量最少的情况下实现灌溉农田的高产,同时,应综合考虑产量、水分利用效率和灌溉用水效率的最佳效益[11]。研究表明,作物对水分亏缺的响应主要集中在作物的生长、产量和水分利用特性上,调亏灌溉可以在不严重降低作物产量的情况下提高作物水分生产率[12-13]。据报道,棉花的生长发育、水分利用特征和产量等均随灌溉制度变化而变化,其中季节性蒸散发、籽棉产量与灌溉量呈线性相关[14]。因此,探明北疆地区两种机采种植模式下棉花的最佳用水量,对不同种植模式下滴灌棉花的产量形成、品质提升、水分利用效率提高和制定合适的灌溉制度至关重要。

综上所述,有关不同水分处理对两种机采种植模式棉花蒸散发特征、产量及品质的同步研究较少。本研究通过大田微区控制性试验,探索研究不同灌量处理下2种机采种植模式棉花蒸散发特征、光合特性、产量形成和品质的影响,旨在探明不同滴灌机采棉田蒸散特征及其影响因素,明确不同灌溉量处理下2种机采种植模式棉花各生育阶段土壤蒸发、蒸散量、蒸发与蒸散之比的变化规律;分析两种机采种植模式棉花光合特性、叶面积指数、产量及产量构成因子、水分利用效率和纤维品质与灌溉量之间的关系;以期为不同机采棉田水分管理及其气候和种植模式相似地区需水规律的确定提供科学依据和理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年至2021年在克拉玛依小拐乡国家棉花工程技术研究中心示范基地进行,地理位置为45°10′N,85°06′E,海拔5 219.51 m,属典型的温带大陆性气候。2试验年棉花生长季平均气温23.1 ℃,总辐射4 176 MJ/m2,降雨33 mm。试验区土壤质地为沙壤土,0～60 cm土层有机质、全氮、速效氮、速效磷和速效钾含量2个试验年均值分别为8.61 g/kg、0.76 g/kg、67.4 mg/kg、24.3 mg/kg和125.7 mg/kg。

1.2 试验材料与设计

供试棉花品种为‘新陆早83号’,分别于2020-04-14和2021-04-19进行膜上点播,于2020-10-02和2021-10-07收获。试验设2种机采种植模式,即等行距种植(76+76) cm (R1)、株距9 cm和宽窄行种植(10+66+10+66+10) cm (R2)、株距11.5 cm;4个灌溉水平,即3 600 m3/hm2(D1)、4 500 m3/hm2(D2)、5 400 m3/hm2(D3)和 6 300 m3/hm2(D4),两年度各水分处理播种后均滴灌出苗水300 m3/hm2,确保棉花出苗,出苗至现蕾前无灌水处理,现蕾时第一水开始差异化处理,D1、D2、D3和D4 4个水分处理灌水量分别为330 m3/hm2、420 m3/hm2、510 m3/hm2和600 m3/hm2,第一水后每9 d滴水1次,灌水10次,播种至收获共计灌水11次,每次灌水量用水表控制。试验按随机区组设计,3次重复,小区面积10×10=100 m2。各处理施用氮肥(纯N)330 kg/hm2,磷肥(P2O5)180 kg/hm2,钾肥(K2O)150 kg/hm2,全部随水滴施,其他按当地农田管理进行。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤蒸发 采用放置于两条地膜间小型土壤蒸发器测定,每个处理设3个规格相同的小型土壤蒸发器,布置于距离滴灌带5 cm、15 cm和30 cm各3个,取其测量的平均值作为各处理的测定值。土壤蒸发器由外桶(直径150 mm、高250 mm、不封底)和内桶(内径130 mm、高250 mm、壁厚2 mm)两部分组成,材料为聚氯乙烯(PVC)管。外桶固定,内桶可取出,为使桶内土壤水分与大田一致,在棉花播种后,将外桶和内桶分别垂直放入试验区,并使其顶面与地面齐平,减少对内桶土壤的扰动,使其与田间的土壤尽量保持一致。为保证土壤蒸发器内的土体水分含量和结构同大田相似,降雨或灌溉后立即换土。用精度为0.01 g的电子天平称量,得到单位时间内的棵间土壤蒸发量,即:E=△W/πr2(E为棵间土壤蒸发;△W为单位时间内小型土壤蒸发器的质量差,可以直接通过称量获得;r为小型棵间蒸渗桶的半径),单位为mm。经计算微型蒸发器中土样每减少1 g/d,相当于蒸发0.105 mm/d。

1.3.2 田间蒸散量 依据水量平衡原理,ET=P+I+U+W1-(R+D+W2),式中,ET为农田蒸散量;P为有效降水量;I为灌水量;U为地下水分上渗量;W1为作物播种时土层内储水量;R为地表径流量;D为土壤水分渗透量;W2为作物收获后土层的含水量。上述各个参数的单位均为mm。本试验中棉花生育期降水较少,平均每次降水量很小,且由于试验为滴灌处理,因此基本避免了地表径流和土壤水分渗漏的损失。此外,由于试验田的地下水位很低(>20.0 m),因此地下水对根层的补给可忽略不计。则公式可简化为:ET=P+I+W1-W2。

1.3.3 叶片光合作用测定 在花铃期,采用TARGAS-1便携式光合测定仪于上午11:00-13:30测定。每个处理随机选取3～5株。测定净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、细胞间隙CO2浓度(Ci)气孔限制值(Ls)等指标。

1.3.4 叶面积指数 在棉花生育期各阶段于各小区选取生长状况良好、长势基本一致的棉花各5株,用LI-300C(LI-COR Inc,Lincoln,NE,USA)叶面积仪测定植株叶面积,取其平均值,计算叶面积指数(LAI)。

1.3.5 产量测定 棉花吐絮期,调查6.67 m2面积的棉花株数、铃数,并采收各部位棉铃100个测定铃质量,实测每个小区棉花产量作为最终的产量数据,并化为每公顷产量。

1.3.6 纤维品质的测定 利用HVI1000大容量纤维测试仪测定上半部平均长度、整齐度、断裂比强度、伸长率、短纤维指数、成熟度指数、马克隆值、纺织一致性指数。

1.4 数据处理

本文用Microsoft Excel 2007 对数据计算和归一化处理,用SPSS 19.0软件对数据进行相关分析,LSD法做多重比较,使用Excel进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同灌水处理对2种机采种植模式棉花蒸散发的影响

2.1.1 土壤日蒸发量 从图1可知,2个试验年2种机采种植模式不同水分处理土壤日蒸发量不同,但不同水分处理间,蒸发强度在整个时间段内变化趋势一致,均呈脉冲式变化,在灌水后明显升高,然后呈下降趋势。4个水分处理下2种机采种植模式土壤日蒸发量在灌溉后1～4 d内处于较高水平,随后趋于稳定,灌溉4 d后各水分处理日蒸发量维持在1.0 mm/d以下,在0.3～0.8 mm/d范围内波动。从播种后时间来看,出苗后30 d内,不同水分处理间日蒸发量没有显著差异,4个水分处理年均值R1为1.34 mm/d,R2为1.22 mm/d。出苗30 d至120 d内,日蒸发量随灌水量的增加而增大,表现为D4最高、D3次之、D1最小。对照棉花不同生育期来看,土壤日蒸发量随生育期的推进表现为先降低后增加的趋势,苗期最大,花铃期最小。苗期,4个水分处理年均日蒸发量R1分别为1.29 mm/d、1.30 mm/d、1.37 mm/d、1.41 mm/d,R2分别1.21 mm/d、1.18 mm/d、1.22 mm/d、1.24 mm/d;花铃期,年均日蒸发量R1分别为0.70 mm/d、0.98 mm/d、1.32 mm/d、1.89 mm/d,R2分别为0.60 mm/d、0.89 mm/d、1.23 mm/d、1.72 mm/d。就整个生育期而言,4个灌水处理年均日蒸发量R1分别0.92 mm/d、1.14 mm/d、1.40 mm/d、1.79 mm/d,R2分别0.86 mm/d、1.06 mm/d、1.29 mm/d、1.67 mm/d,R1较R2分别高 6.98%、7.55%、8.53%、7.19%。

图1 不同灌水处理对两种种植模式棉花土壤日蒸发量的影响Fig.1 Effects of different irrigation treatments on daily soil evaporation of cotton under two planting patterns

2.1.2 各生育期蒸发量、蒸散量和蒸发与蒸散量之比 从表1可知,2种机采种植模式Es、ET、Es/ET均随灌水量的增加而增加,D4最高,D1最小。Es/ET在苗期最高,各灌水处理间无显著差异,4个灌水处理间R1为77.30%～ 80.92%、R2为73.81%～79.69%;花铃期最小,4个灌水处理R1年均值分别为13.39%、 15.93%、 18.24%和20.98%,R2分别为 11.41%、 14.37%、16.14%和18.46%,各灌水处理间显著差异,R1高于R2。在整个生育期内,4个灌水处理R1年均土壤蒸发量分别为109.2、134.4、 165.5和211.6 mm,R2为101.2、125.5、152.6和195.5 mm,R1高于R2。在R1模式下,4个灌水处理年均蒸散量分别为397.6、465.2、547.2和665 mm,R2分别为412.5、482.1、 563.5和 684.5 mm,R2较R1分别高3.76%、 3.64%、 2.96%和2.94%。4个灌水处理R1年均Es/ET值分别为27.45%、28.90%、30.24%和31.82%,R2分别为24.52%、26.84%、 27.07%和 28.56%,R1较R2分别高11.95%、 7.68%、 11.71%和11.41%。

表1 不同灌水处理下两种种植模式棉花各生育期蒸发量与蒸散量之比Table 1 Ratio of evaporation to evapotranspiration of two planting patterns in each growth period of cotton under different irrigation treatments

2.2 不同水分处理对2种机采种植模式棉花光合特性的影响

2个试验年2种机采种植模式棉花花铃期净光合速率均随灌溉量的增加而增加(表2),D4最高,R1年均值为31.16 μmol/(m2·s),R2为 25.96 μmol/(m2·s);D1最小,R1为23.12 μmol/(m2·s),R2为20.42 μmol/(m2·s),D4和D3间无显著差异,显著高于D1和D2处理,D1和D2间无显著差异,R1高于R2。蒸腾速率随灌溉量的增加而增加,D4和D3间无显著差异,显著高于D1和D2处理,4个灌水处理年均值R1分别为6.01、6.19、7.68和8.03 μmol/(m2·s),R2分别为5.93、6.05、6.98和7.29 μmol/(m2·s),R1高于R2。气孔导度和胞间CO2浓度均随灌水量的增加而增加,D4和D3间无显著差异,显著高于D1和D2处理。气孔限制值随灌水量的增加而降低,D1和D2无显著差异,显著高于D3和D4。

表2 灌溉对两种棉花花铃期光合特性的影响Table 2 Effects of irrigation on photosynthetic characteristics of two cotton species at flowering and boll stage

2.3 不同水分处理对2种机采种植模式棉花叶面积指数的影响

从图2可知,2种机采种植模式棉花LAI各灌水处理苗期没有显著差异,在0.6左右;从蕾期至吐絮期,LAI随灌水量的增加而显著增加,D4最高、D3次之、D1最小。LAI随生育进程的推进变现为先增加后降低,在花期迅速增加,至铃期到达最大,2个试验年R1年均值4个灌水处理分别为4.13、4.43、4.74和5.01,R2分别为4.22、 4.53、4.93和5.22。进入盛铃期后,叶片光合作用下降,养分被转移至棉铃中,故导致棉叶逐渐枯黄掉落,使得LAI在吐絮后迅速降低,至吐絮期4个灌水处理R1年均值分别为2.41、2.64、2.91和3.07,R2分别为2.53、2.83、3.24和3.52。在全生育期,LAI单峰曲线变化趋势,R2大于R1。

同一时期不同小写字母表示在0.05水平差异显著

2.4 不同水分处理对2种机采种植模式棉花产量及产量构成因子和水分利用效率的影响

2个试验年收获株数R2显著高于R1,但各水分处理间无显著差异(表3)。单株铃数随灌水量的增加而增加,D4最高,D1最小,D3和D4无显著差异,显著高于D1,4个水分处理R1年均单株铃数为7.84～10.18个,D4较D3、D2和D1分别高5.27%、13.24%和29.85;R2为5.00～ 7.50个,D4较D3、D2和D1分别高4.75%、 21.56%和50.00%,R1高于R2。单铃质量随灌水量的增加而增加,D3和D4无差异但显著高于D1和D2,在R1模式下,D3和D4分别较D2高10.08%和21.85%,较D1高20.45%和 33.33%;在R2模式下,D3和D4分别较D2高 9.08%和10.41%,较D1高22.59%和24.08%;R1略高于R2。衣分各水分处理间无显著差异,为40%～43%。产量随灌水量的增加而增加,D4最高,与D3无显著差异,但显着高于D1和D2。R1模式下,4个水分处理年均产量分别为 4 786.73、5 761.05、6 851.2和6 994.2 kg/hm2,D4较D3、D2和D1分别高2.09%、 21.40%和 46.12%;R2分别为4 992.95、 6 051.98、 7 116.60和7 287.10 kg/hm2,D4较D3、D2和D1分别高2.39%、20.41%和 42.53%;R1低于R2。灌溉水利用效率随灌水量的增大而降低,D4显著低于D3、D2和D1,D3、D2和D1无显著差异。水分利用效率随灌水量的增加先增加后降低,D3最大,D4最小,在R1模式下D3较D1、D2和D4分别高5.01%、 1.61%和20.01%,R1模式下D3较D1、D2和 D4分别高4.96%、1.60%和16.54%。

表3 不同水分处理下2种机采种植模式的棉花产量及产量构成因子和水分利用效率Table 3 Yield component factors,and water use efficiency of cotton of different water treatments under two types of machine-harving planting patterns

2.5 不同水分处理对2种机采种植模式棉花纤维品质的影响

从表4可知,2种机采种植模式棉花上半部平均长度均随灌水量的增大而增长,D4最长,D4和D3无显著差异,D4和D3显著高于D2和D1,在R1下D4较D3、D2和D1分别高0.20%、 1.88%和4.69%,R2下D4较D3、D2和D1分别高0.12%、3.09%和6.11%。断裂比强度和整齐度均随灌水量的增加而增加,2种种植模式下D1均显著低于D2、D3和D4处理,D2、D3、D4 3个处理间无显著差异,R1和R2间无显著差异。伸长率、短纤维指数和纺织一致性指数各灌水处理间无显著差异,成熟度指数随灌水量的增加而降低,D1最高,D4最小。马克隆值随灌水量的增加而降低,D4显著低于D1、D2和D3处理,R1下,2个试验年D4较D1、D2和D3分别低6.84%、 5.33%和4.51%;在R2下D4较D1、D2和D3分别低6.71%、5.66%和4.76%。

表4 不同水分处理下2种机采种植模式的棉花纤维品质Table 4 Fiber quality of cotton of different water treatments under two types of machine-harving planting patterns

3 讨 论

蒸散是棉田水分消耗的主要形式,是棉花生长过程中水分平衡不可或缺的组成部分[15]。因此,明确等行距和宽窄行种植模式棉花的蒸散量对确定新疆地区水资源配置和农业用水量具有重要意义。本研究结果表明,2试验年2种机采种植模式棉花蒸散量均随灌水量增加而增加,在R1模式下,D4分别较D3、D2、D1高21.52%、 42.96%和67.25%,R2模式下,D4分别较D3、D2、D1高21.48%、41.99%和65.53%,这与前人在调亏灌溉和喷灌上的研究结果一致[16-17]。说明大灌溉量增加了蒸散量,导致水分的浪费,不利于节水灌溉。4个灌水处理R1年均值分别为397.6、465.2、547.2和665 mm,R2分别为 412.5、482.1、563.5、684.5 mm;2种机采种植模式年均蒸散量低于Farahani等[18]在叙利亚北部和Ko等[19]在德克萨斯州的相关报道,这可能是上述研究中使用的品种生育期较本研究品种生育期长所致。在棉花整个生育期,不同水分处理下2种机采种植模式棉花蒸散量花铃期最大,蕾期次之,苗期最小,说明花铃期是棉花生育期需水的关键时期,应保证充足的水分供应。在同一水分处理下,R2蒸散量高于R1,这是由于R2处理冠层密度大,叶面蒸腾量较大所致。

土壤蒸发是无效耗水的重要指标,不参与产量形成,减少土壤蒸发对于提高棉花水分利用效率和节约灌溉用水至关重要。前人研究表明,土壤蒸发随灌水量的增加而增加[20-21]。本研究结果表明,2种机采种植模式土壤蒸发量随灌水量的增加而增大,日蒸发量苗期最大,花铃期最小。在R1模式下,年均日蒸发量D4较D3,D2和D1分别高27.84%、57.39%、93.86%%,R2年均日蒸发量D4较D3、D2、D1分别高28.09%、55.79%、93.21%,说明过量灌溉增加了土壤蒸发强度,增加了无效耗水,降低了水分利用效率,不利于水资源节约和可持续发展。就2种机采种植模式而言,4个灌水处理R1较R2分别高6.98%、 7.55%、8.53%、7.19%,这是由于R1模式行间距大、透光率佳和强辐射所致。Es/ET比值主要受作物地上种群和土壤含水量的影响,王亮等报道不同残薄膜处理下Es/ET为23.5%～ 29.6%,最大差异为6.1%。本研究R1模式下D1、D2、D3、D4 4个水分处理年均分别为 27.45%、28.90%、30.24%、31.82%,最大差值为 4.37%;R2下4个水分处理年均Es/ET分别为 24.52%、26.84%、27.07%和28.56%,最大差值为4.04%。R1的Es/ET高于相关报道的值,而R2低于相关报道[22]。

光合作用是植物最基本的生命活动,是对水分胁迫最敏感的生理过程之一,花铃期是棉花生殖生长的关键时期,群体光合能力对产量起着关键性作用。易小龙等[23]研究表明随着灌水量的增加,棉花净光合速率、光能利用率、最大光化学效率、光化学量子效率、光化学碎灭系数呈上升趋势,气孔限制值和非光化学碎灭系数呈下降趋势。本研究结果表明2种机采种植模式花铃期净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度均随灌水量的增加而增加,D4和D3间无显著差异,显著高于D1和D2处理;气孔限制值随灌水量的增加而降低,D1和D2无显著差异,显著高于D3和D4。

节水灌溉管理的目标不能仅仅考虑产量最大化,而应综合产量、产量组成、水分利用效率、灌溉利用效率、蒸散发的最佳效益。研究表明,产量随灌溉量的增加而增加。本研究表明,2种机采种植模式棉花产量随灌水量的增大而增加,但当灌水量超过一定量时,产量增加不明显,D3和D4间无显著差异,显著高于D1和D2。水分利用效率随灌水量的增加先增加后降低,D3最高,D4最低。灌溉水利用效率随着灌水量的增加而下降,D1最高,D4最低,R2略高于R1。这说明过度灌溉不但不能提高产量和水分利用效率,反而会造成水资源的浪费,不利于节水。这些结果与之前的研究一致[24]。纤维品质是决定棉花经济价值的重要指标[25],已有学者指出,棉花上半部平均长度与断裂比强度随灌水定额的增加而增加,马克隆值与之相反[26-27]。本研究表明,4个水分处理下2种机采种植模式棉花上半部平均长度、断裂比强度和整齐度均随灌水量的增加而增加,伸长率、短纤维指数和纺织一致性指数各灌水处理间无显著差异,成熟度指数和马克隆值随灌水量的增加而降低。

4 结 论

本研究分析了不同水处理对2种机采种植模式棉花蒸散发、花铃期光合参数、叶面积指数、产量、水分利用效率和纤维品质的影响,初步得到以下结论:

(1)4个灌水处理下2种机采种植模式棉花土壤蒸发(Es)、蒸散量(ET)和Es/ET均随灌水量的增加而增加,R1年均蒸散量分别为397.6、465.2、547.2和665 mm,R2分别为412.5、 482.1、563.5、684.5 mm;不同灌水处理土壤日蒸发量苗期最大,花铃期最小,在灌溉后1～4 d处于较高水平,R1较R2分别高6.98%、7.55%、 8.53%、7.19%;蒸发与蒸散量之比D1、D2、D3和D4 4个处理R1年均值分别为27.45%、 28.90%、30.24%和31.82%,R2年均值分别为 24.52%、26.84%、27.07%和28.56%,R1较R2分别高11.95%、7.68%、11.71%和11.41%。

(2)叶面积指数随灌水量的增加而显著增加,R2大于R1;产量随灌水量的增大而增加,D4最高,与D3无显著差异,但显着高于D1和D2;灌溉水利用效率随灌水量的增大而降低,D4显著低于D3、D2和D1,D3、D2和D1无显著差异;水分利用效率随灌水量的增大先增加后降低,D3最大,D4最小。

(3)2种机采种植模式棉花上半部平均长度、断裂比强度和整齐度均随灌水量的增加而增加,伸长率、短纤维指数和纺织一致性指数各灌水处理间无显著差异,成熟度指数和马克隆值随灌水量的增加而降低。