不同出苗水量对棉田土壤含盐量及棉花生育的影响

万亚楠,邢 植,石元强,王潭刚,王冀川,李慧琴,马 丽,李文君,吴冰荣

(1.塔里木大学农学院,新疆阿拉尔 843300;2.新疆生产建设兵团第三师农业科学研究所,新疆图木舒克 843901)

0 引 言

【研究意义】冬灌或春灌具有压碱、贮墒、防治病虫害等作用,是新疆南疆棉区保苗增产的手段之一,但冬灌或春灌用水量较大(1 500～3 000 m3/hm2),棉花滴水出苗是在免冬灌、春灌基础上采取先播种、后滴水促进出苗的一种节水技术,经过2次少量滴灌保证出苗率达85%以上,节水1 500 m3/hm2以上。滴水出苗在有限水资源条件下实现了棉花一播全苗,节水、保苗效果明显[1],在新疆北疆已广泛应用[2]。在新疆南疆,由于土质、盐碱种类和分布特征、气候等因素[3]导致滴水返盐较重、出苗效果不佳,研究免冬灌、春灌条件下滴施出苗水量对土壤盐分分布动态及棉花生产性能的影响,对制定滴水出苗技术、进一步提高水分利用效率有重要意义。【前人研究进展】王伟等[4]研究表明,在免冬灌、春灌条件下,大水少次滴灌利于洗盐,少量多次灌溉达不到洗盐的效果。张永铃等[5]研究认为,600 m3/hm2的滴水出苗灌水定额可为棉花种子发育创造较好的湿热环境,有利于棉花出苗。【本研究切入点】随着滴水出苗技术的逐渐推广,针对新疆北疆条件下其洗盐、促苗、节水等研究增多[6-7],但在新疆南疆极端干旱条件下的相关研究较少[8]。需在新疆南疆设置不同滴水出苗灌水量,分析土壤电导率动态和棉花干物质积累特征。【拟解决的关键问题】以新陆中67号为材料,设置3个出苗滴水量,研究滴水出苗条件下新疆南疆棉田盐分动态与棉花生育性状之间关系,为新疆南疆实施滴水出苗提供技术指导及理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2021年4～11月在新疆生产建设兵团图木舒克市51团马场进行(E 79°25′50″、N 40°00′5″),海拔1 030.1 m,年平均气温11.7℃,年平均无霜期225 d,年降水量48.3 mm,年均蒸发量1 978.5 mm,年均相对湿度54.85%,属于暖温带大陆性干旱气候。土质为沙壤土,播前0～20 cm土层总含盐量为598.8 mg/L,电导率(Electrical conductivity,EC)为1 033.5 μS/cm。

翻地前撒施重过磷酸钙375 kg/hm2、尿素150 kg/hm2和硫酸钾120 kg/hm2作基肥。于4月2日播种,采用侧封土机采棉带状播种方式,行距(63+13)cm,株距11 cm,理论种植密度为23.92×104株/hm2,超宽膜(2.05 cm)覆盖,1膜3带6行(滴灌带放置在窄行中间)。免冬灌、春灌,滴水出苗后在生育期间滴灌9次,共滴施尿素600 kg/hm2、巨丰®高磷水溶肥(10-30-10+TE)300 kg/hm2、巨丰®高钾水溶肥(12-8-30+TE)225 kg/hm2。7月15日人工打顶。在盛蕾期、初花期和盛花期化控3次,缩节胺用量分别为22.5、37.5和120 g/hm2。选用新陆中67号(塔里木大学选育,阿克苏快丰收农资有限公司提供)为供试品种。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用单因素随机区组设计,设置3个出苗滴水量处理:150 m3/hm2(W1)、300 m3/hm2(W2)、450 m3/hm2(W3),重复3次,共计9个小区,每个小区面积为278 m2。出苗水分2次滴灌,第1次在播种后48 h内滴灌设置水量的50%,第2次在种芽胚轴长0.5～1 cm时滴灌设置水量的50%,幼苗2～3叶期种孔封土。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 土壤pH值及含盐量

将 MC-IN4、MC-pH型号传感器(北京盟创伟业科技有限公司)埋入各小区0～20 cm土层,设置监测时差2 h,分别采集pH值、含盐量等数据,并在物联网数据平台下载。

1.2.2.2 出苗率

播后20 d调查各小区的出苗数。出苗率=已出苗穴数/播种穴数×100%。

1.2.2.3 农艺性状

在棉花盛蕾期(6月12日)、初花期(6月26日)、盛花期(7月10日)、盛铃期(8月15日)、吐絮期(9月10日),各小区中部选择具有代表性且长势均匀的棉花10株(膜上内行5株,膜上外行5株),测定其株高、茎粗(子叶节上部1 cm)。

1.2.2.4 叶面积指数

各小区选择具有代表性且长势均匀的5株棉花,将其所有绿叶正面朝下无重叠地平铺于黄色背景布上,标板(黑卡纸10 cm ×10 cm)和小区号放在背景布一角,用高像素相机正面拍照,利用图像处理软件Image J提取叶面积[9],按照单位面积总株数计算群体叶面积指数(Leaf area index,LAI)。LAI=单株叶面积(m2)×单位面积株数/单位土地面积(m2)。

1.2.2.5 干物质积累

将用于测定LAI的棉株,分器官(茎、叶、蕾花铃)置于105℃烘箱中杀青30 min后于80℃烘箱烘干至恒重,测量各器官干物质质量。地上部干物质积累量(g/m2)=单株地上部干重(g)×单位面积株数/单位土地面积(m2)。

利用Logistic方程拟合棉花地上部干物质积累量。

Y=c/(1+e(a+bX)).

(1)

式中,Y为干物质积累量(kg/hm2),c为干物质理论最大积累量(kg/hm2),a、b为常数,X为生长天数(d)。解析方程[10],得到tm(最大积累速率出现时间)、Vm(最大积累速率)、t1(快速积累起始时间)、t2(快速积累结束时间)、t(快速积累持续时间)、Gt(理论快速积累量)等特征值。

tm=-a/b.

(2)

Vm=-bc/4.

(3)

t1=(Ln(2+30.5)-a)/b.

(4)

t2=(Ln(2-30.5)-a)/b.

(5)

t=t2-t1.

(6)

Gt=Vm×t.

(7)

1.2.2.6 产量及其构成因素

吐絮末期(初霜期后,10月25日)调查各小区20 m2棉花株数,在该区域内选取代表性棉株50株,摘取其所有吐絮铃的籽棉称重,计算单株有效结铃数、铃重。籽棉用小型轧花机轧花,得到皮棉并称重。

小区籽棉产量=单位面积(20 m2)株数×小区面积(278 m2)/单位面积(20 m2)×有效结铃数×铃重;

衣分=皮棉重/籽棉重;

小区皮棉产量=小区籽棉产量×衣分。

1.3 数据处理

用Microsoft Excel 2010整理数据,用DPS 7.05进行Logistic曲线拟合,用Rstudio 4.0.4进行单因素方差分析、多重比较(Duncan法)及作图。

2 结果与分析

2.1 滴水出苗用水量对棉田pH及盐分含量的影响

研究表明,随着生育进程推进,滴水出苗棉田土壤pH值总体呈现先下降后升高的趋势,滴灌出苗水后pH值有个较快下降过程,在2次滴灌后1周左右(4月 11日)达到较低水平,pH值较播种时下降了0.19～0.65。此后pH缓慢上升,至5月10日前后有所回升,盛蕾期以后呈快速下降趋势,至7月23日前后达最低值7.13～7.26,铃期后pH值有所回升。滴灌出苗水能有效降低土壤pH值,表现为随着灌水量的增加,pH值下降幅度增大,出苗期(4月11日),W3、W2和W1处理的土壤pH值较播前分别下降了0.57、0.43和0.19。出苗水灌溉量对土壤pH值的影响程度逐渐减弱,W3处理全生育期的平均pH值较W2、W1处理分别减少了0.11和0.19。

滴水出苗棉田表层土壤含盐量在生育期内呈明显的“波浪形”变化,与田间灌水频次有关。播后滴灌出苗水,造成土壤盐碱含量下降,第2次滴灌出苗水后10 d左右达到较低水平,此后快速回升,此后每次田间灌水前土壤含盐量均较高(5月中旬～7月中下旬),达到503.1～662.4 mg/L,灌水后快速下降至228.4～293.7 mg/L,8月中旬～9月中旬土壤含盐量保持最低水平,此后逐渐增加。滴水出苗棉田表土含盐量在4月较低,5月较高,此后呈现逐渐下降趋势,9月以后呈现上升趋势。滴灌出苗水量越大,4月土壤含盐量降低越明显。出苗期,W3、W2和W1处理的土壤盐碱含量分别下降了44.19%、38.70%和28.72%。随着生育进程推进,出苗水灌溉量对土壤含盐量的影响程度呈逐渐减弱趋势。W3处理全期平均含盐量较W2、W1处理分别减少26.50 mg/L和55.51 mg/L。图1

图1 不同处理下土壤pH(A)、盐分含量(B)变化

2.2 不同处理对棉花出苗率的影响

研究表明,W2处理的出苗率最高,达87.31%,比W1和W3处理分别增加 11.44和5.87个百分点,差异均达到显著水平。滴灌适量的出苗水可显著提高棉花出苗率;出苗水量过少,种子吸水量不足,种子“回芽”现象加重,导致出苗率下降;出苗水量过多,易造成种孔周围土壤塌陷淤结,干燥结块后严重影响种子呼吸及根芽生长,加之出苗期气温不高,对种子出苗造成不利影响。图2

注:不同小写字母间表示在0.05水平差异显著,下同

2.3 不同处理对棉花株高和茎粗的影响

研究表明,棉花株高随生育进程推进逐渐增加,盛蕾期至初花期其生长速率最快,而后生长速率逐渐降低,盛铃期株高基本稳定。各处理株高动态均表现为W3>W2>W1,W3的最终株高分别比W2、W1增加2.71%、8.31%。株高动态变异系数CV表现为W1(30.91%)>W2(27.37%)>W3(24.10%),较低的出苗水量(W1)对株高影响最大,较高出苗水量对株高影响最小。

茎粗在盛蕾期至初花期快速增加,之后缓慢增长。各生育时期的茎粗均表现为W3>W2>W1,吐絮期W3的茎粗分别比W2、W1增加5.14%、8.19%,增大灌水量可促进棉花茎粗增长。茎粗动态的CV表现为W1(16.82%)>W2(15.77%)>W3(12.47%),较低出苗水量(W1)对茎粗影响最大,W3处理下茎粗的变化比较稳定。图3

注:同列不同小写字母表示同一时期下不同灌水处理间差异显著(P<0.05),下同

2.4 不同处理对棉花叶面积指数(LAI)的影响

研究表明,群体LAI随生育进程推进呈先增加后降低趋势,在初花期至盛花期阶段,LAI增长速率最快,在盛铃期LAI达到峰值,之后有所下降。在不同生育时期内各处理的LAI总体表现为W3>W2>W1,W3处理的平均LAI分别比W2、W1增加7.57%、11.46%;但在吐絮期LAI却表现为W1>W3>W2,增加出苗水量在生育前期使得LAI过大,群体较荫蔽,加速棉花后期叶片脱落。LAI动态的CV表现为W1(65.77%)>W3(63.17%)>W2(62.32%),较低出苗水量(W1)对LAI影响较大,W2处理的LAI变化较为稳定。图4

图4 不同处理下棉花叶面积指数变化

2.5 不同处理对棉花干物质积累与分配的影响

2.5.1 不同处理对棉花地上部干物质积累影响

研究表明,各处理地上部总干物质积累量均随生育进程推进呈逐渐增加趋势。生殖器官积累速率在初花期增加较快,盛铃期以后积累速率放缓;而营养器官在盛花期至盛铃期积累量达最大值,吐絮期有所下降。其中从盛蕾期到吐絮期W1处理的茎干物质积累逐渐增加,而W2、W3在盛铃期后有所下降,较高出苗水量会抑制后期茎生长而促进干物质转移至生殖器官。各处理叶片干重均在盛花期或盛铃期达最大值,之后有所下降。

棉花地上部总干物质积累在各生育期均表现为W3>W2>W1,W3的最终干物质积累量分别比W2和W1增加5.44%和7.75%。各期干物质积累动态的CV表现为W3(65.10%)>W2(63.35%)>W1(63.08%)。较高出苗水量(W3)对干物质积累影响最大,W1表现较为稳定。生殖器官干物质积累在不同生育时期均表现为W3>W2>W1,W3处理的最终生殖器官干物质积累量分别比W2、W1增加12.50%、24.72%,其积累动态的CV表现为W3(121.88%)>W2(116.86%)>W1(115.38%),W3处理对生殖器官干物质积累影响较大,W1处理造成的影响最小。茎和叶的干物质质量在各生育时期均表现为W3>W2>W1,吐絮期W3处理的茎干物质质量分别比W2、W1增加13.45%、23.64%,其CV表现为W2(47.63%)>W1(42.41%)>W3(38.88%);吐絮期W3处理的叶干物质质量分别比W2、W1增加17.81%、47.94%,其CV表现为W2(37.41%)>W1(27.44%)>W3(25.14%),W2处理对茎和叶干物质积累的影响都较大,而W3处理造成的影响最小。图5

注:S、L、RO分别表示茎秆、叶片、生殖器官

2.5.2 不同处理对棉花地上部干物质分配影响

研究表明,随出苗水量增加棉花地上部各器官(茎、叶及生殖器官)干物质积累量增加,以W3处理的最高,但W3的生殖器官干物质积累量与W2差异不显著。茎表现为W1>W2>W3,但处理间差异不显著;叶和生殖器官均表现为W3>W2>W1,W3处理显著高于W1处理,而与W2处理差异不大。适当增加出苗水量能提高叶片及蕾铃干物质积累的比例,利于同化物合成与养分有效利用。出苗水量过少,棉花出苗缓慢,个体发育延迟,干物质向茎秆中的运转率增加,不利于同化物有效利用。表1

表1 不同处理下棉花干物质积累方程及在各器官的分配

滴水出苗棉花在出苗后45.59～53.84 d(初蕾期)至出苗后96.15～101.83 d(盛花末期)为干物质的快速增长期,其持续时间为45.33～52.47 d,其中出苗后70.87～76.51 d(盛花初期)干物质积累速率最大,快速增长期积累的干物质质量为9 934.53～14 273.94 kg/hm2,约占总干物质质量的65.8%。随出苗水量增加,地上部干物质理论最大积累量(c)、最大积累速率(Vm)、和理论快速积累量(Gt)均显著增加,快速积累终止时间(t2)显著延迟,最大积累速率出现时间(tm)、快速积累起始时间(t1)呈先延长后缩短趋势,而快速积累持续时间(t)呈先缩短后延长趋势,适当增加出苗水能推迟棉花干物质最大积累速率出现的时间(tm)和快速积累起始时间(t1),快速积累终止时间(t2)也相应延后,造成棉株生长高峰期后移,但由于滴灌较多出苗水保证了棉株前期生长发育,其干物质积累量较高,W3处理的地上部干物质理论最大积累量(c)最大,分别是W2、W1处理的1.22倍和1.44倍,其快速积累持续时间(t)达52.47 d,理论快速积累量(Gt)达14 273.94 kg/hm2,均显著高于其他处理。表2

表2 不同处理下棉花干物质积累动态的特征值

2.6 不同处理对棉花产量的影响

研究表明,随出苗水量增加,单株铃数、铃重和衣分均逐渐增加,W3处理的单株铃数显著高于W1处理,但与W2处理无显著差异;各处理的铃重和衣分均无显著差异。收获密度大小排序为W2>W3>W1,且处理间差异显著。籽棉和皮棉产量均表现为W2>W3>W1,W2处理显著高于W1处理,但与W3处理差异不显著。较高灌水量(W3处理)虽然能提高单株铃数、铃重及衣分,但其收获密度受到影响,最终产量低于W2处理。表3

表3 不同处理下棉花产量及其构成因素

3 讨 论

3.1试验中土壤pH和含盐量均表现为W1>W2>W3,即滴施出苗水量越大,土壤表层pH和含盐量越低,与前人研究[11]结果一致,但王成等[7]认为出苗水量在240～300 m3/hm2时可使土壤含盐量小于300 mg/L而不影响棉花的萌芽和出苗。试验表明,灌水量在300～450 m3/hm2时出苗较好,此时土壤pH为7.75～7.97,含盐量为303.71～346.25 mg/L,棉田出苗率达81.4%～87.3%,与庄亮亮[6]认为的棉花出苗(出苗率≥80%)适宜的土壤含盐量(159 mg/L)有偏差,可能与试验地的气候条件和处理前土壤含盐量有关。

3.2较高的出苗率是提高棉花产量的前提。研究表明,滴施适量的出苗水,能保证较好的出苗率,与张永玲等[5]研究认为出苗率随灌水定额升高而呈先增加后下降结论一致,所不同的是,研究结果最佳出苗水量是300 m3/hm2,与张永玲等[5]研究推荐的600 m3/hm2有所不同,可能与土壤质地、滴灌方式等有关。

3.3张旺锋等[12]认为传统灌溉下(播前常规冬灌、春灌压减洗盐,播种出苗不灌水)棉花干物质积累快速增长期一般在出苗后67～69 d至出苗后107～109 d,历期38～42 d,该阶段干物质积累量占总量的60%左右,干物质积累的最快时期出现在出苗后87～90 d。试验中,地上部干物质积累的快速增长期在出苗后45.59～53.84 d至出苗后96.15～101.83 d,持续时间为45.33～52.47 d,该阶段干物质积累量占总量的65.8%,出苗后70.87～76.51 d干物质积累速率最大,干播湿出棉田干物质积累速率高峰期有前移趋势,且干物质积累的快速增长期延长,主要是由于滴水出苗造成棉花前期长势加快[7],对产量器官快速发育有利。随出苗水量增加,各器官干物质积累量及生殖器官分配系数增加,而茎秆分配系数呈降低趋势。充足的出苗水可促进棉花个体长势,有利于中后期蕾铃发育;但过多水分易引起种穴堵塞板结,造成出苗率下降,最终影响产量。

4 结 论

4.1在免冬灌、春灌条件下,W2处理的出苗率最高,W3处理的株高、茎粗、地上部干物质积累量最大,充足的出苗水能促进棉花生长,但会影响出苗率。

4.2相比冬灌、春灌蓄墒、播种出苗不灌水的棉田,免冬灌、春灌实行滴水出苗能促进棉花生长高峰期前移,群体LAI及干物质积累量增加;且出苗水量越多,LAI及干物质积累量越高,生殖器官分配系数增加。干播湿出棉田应注意苗期适当化控,将肥水及调控措施适当前移。

4.3滴灌出苗水能使出苗期棉田表层土壤pH下降0.19～0.47,含盐量下降118.85～203.94 mg/L;且出苗水量越大,下降幅度越大,较多灌水量有一定洗盐效果。棉田的pH和含盐量在初蕾期有所增加,滴灌出苗水并未起到明显降低表层土壤盐分的作用。生育期间应适当增加滴水量以控制土壤盐分聚集,保障棉花正常生长发育。

4.4随出苗水量增加,单株结铃数、铃重和衣分均有所增加,但W2处理的收获密度最大,产量最高。W2和W3处理的单株铃数、铃重、衣分及产量均无显著差异,采用300 m3/hm2的出苗水量、分2次滴灌较好。