无膜栽培下灌水量和行距对南疆棉花生长发育及产量的影响

张变兄，李玲*，郭子轩，曹娟，毛廷勇，万素梅，翟云龙，宋敏，陈国栋

(1. 塔里木大学农学院，新疆 阿拉尔 843300；2. 伊犁师范大学生物与地理科学学院，新疆 伊宁 835000；3. 新疆生产建设兵团农业技术推广总站，新疆 乌鲁木齐 830011)

棉花是新疆的重要经济支柱产业，新疆现已发展为国内最大的棉花生产基地，在国内占有重要地位。 大面积推广使用地膜覆盖技术，极大地促进了新疆的棉花生产，为新疆农业增产、农民增收提供了有力保障[1]。 但由于地膜使用量的持续增长，以及回收利用率较低，导致土壤的残膜污染日益严重，也导致耕地质量逐年降低[2]。 目前新疆已经是全国最大的残膜污染区域，根治残膜污染事关农业可持续、健康发展。 中国工程院院士喻树迅认为，采用无膜技术是根治棉花残膜污染最直接和有效的途径[3]。

南疆水资源短缺，农业用水量大，迫切需要提高农业灌溉水的利用效率。 为充分利用水资源和提高棉花水分生产率，大量研究聚焦于通过农艺措施(株行距配置、密度、水肥管理)调控来提高棉花水分利用效率[4]。 李志刚等[5]研究认为适宜的灌水量有利于棉花干物质积累，增加单株铃数、单铃重、衣分和产量；灌水量过大使得棉铃成熟慢，产量不高[6-9]，也不利于棉花的生殖生长。优化棉花密度和行距配置可以改善棉花冠层结构、光分布和群体光合生产力[10]。 廖凯等[11]研究认为，76 cm 等行距栽培模式下棉花分布和光能利用率优于(66+10) cm 宽窄行模式，能使棉花多结铃，增产潜力大。 罗宏海等[12]研究发现，适宜的种植密度与行距配置下作物能保持较高的群体光合速率，利于产量的形成。

近年来包括本团队在内的大量研究人员对南疆棉花无膜栽培理论与技术进行了有效探索，其中，无膜栽培下行距、灌水量单个因素对棉花生长及生理生态影响的研究较为常见，而关于灌水量和行距对无膜棉生长及产量的互作效应未见报道。 本试验针对无膜栽培棉花灌溉制度及调控机制不明确这一问题，设置灌水量和种植行距两因素试验，研究无膜栽培条件下棉花生长发育和产量形成特征，为南疆棉花无地膜栽培制定科学的灌溉制度和优化栽培模式提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021 年在新疆阿拉尔市塔里木大学(40°32＇42″N，81°18＇53″E)进行。 试验地所处区域光热资源丰富，全年平均日照时数3 031.2 h，最长的7 月份为306.8 h，最短的1 月份为202.5 h；年平均降水46.7 ～69.5 mm，年均蒸发量1 989.7 ～2 049.6 mm。 试验地土壤为砂壤土，pH 值7.93，有机质含量10.59 g/kg、全氮1.72 mg/kg、有效磷29.66 mg/kg、速效钾162.31 mg/kg。

1.2 试验设计

选取无膜栽培表现较优的棉花品种中棉619为试材(中国农业科学院棉花研究所早熟棉课题组提供)。 试验采用裂区设计，主处理设置两种行距配置方式:76 cm 等行距模式(P1)，株距5.5 cm；(66+10) cm 宽窄行模式(P2)，株距10 cm。 副处理设置4 200 m3/hm2(W1)、5 100 m3/hm2(W2)、6 000 m3/hm2(W3)三种灌水量。 每处理重复3次。 灌溉方式为滴灌。 各小区装有水阀式水表，对灌水量进行控制和记录。 小区面积:6.75 m×13.00 m ＝87.75 m2。 春灌2 250 m3/hm2，播前施有机肥1 500 kg/km2(复合谷氨酸颗粒肥，含有机质18%、氮12%)、复合肥(N-P-K 为27-13-0)750 kg/km2、硫酸钾镁肥(含氧化钾24%)300 kg/km2。于2021 年4 月18 日播种，生长期共计灌水10 次，每次滴灌时均进行追肥，共滴施尿素315 kg/hm2、棉花专用肥(N-P-K 为18-20-8)990 kg/hm2。 田间除草、化控等按正常管理，7 月12 日打顶，10 月23 日收获。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 棉花生长指标测定 每个小区选择5 株连续的长势均匀且具代表性的棉株进行标记，分别在苗期、蕾期、花期、铃期定点定株测量株高，在初蕾期(PBS)、盛蕾期(FBS)、初花期(IFS)、盛花期(PFS)、铃期(BS)、吐絮期(BOS)测量棉花茎粗和叶面积指数。

1.3.2 干物质测定 各处理选取生长均匀、有代表性的区域设置取样点，棉花出苗后开始对不同时期的棉株进行取样，每次选取3 株并根据根、茎、叶、花、蕾、铃等不同部位分解样品，105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重后称量。

1.3.3 产量及相关指标测定 吐絮后每小区收获籽棉并晒干测产，轧花测定衣分。 每小区选取有代表性棉铃50 个，晒干后称重取平均值作为单铃重，根据籽棉产量和单铃重计算单位面积铃数。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2010 和Origin 2018 进行数据整理和作图，用DPS 7.05 软件进行方差分析，用LSD 法进行差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 无膜栽培下不同处理对棉花生长发育的影响

2.1.1 灌水量和行距对棉花株高的影响 株高能较好地反映棉花个体的生长发育状况。 由图1可以看出，P1 行距中W3 处理铃期株高最高，为57.9 cm，较W2 和W1 处理分别高出4.72%和7.37%；P2 行距中W3 处理铃期株高最高，为61.3 cm，较W2 和W1 处理分别高出7.83%和10.00%。同一行距处理下棉花株高随灌水量增加呈上升趋势，P1 和P2 行距下各灌水处理株高均表现为W3＞W2＞W1；同一灌水量下，铃期株高均表现为P2 行距处理高于P1，W3 处理下P2 行距较P1 行距高出5.65%，W2 处理下P2 行距铃期株高为56.5 cm，较P1 高出2.48%，W1 处理下P2 行距铃期株高为56.7 cm，较P1 高出2.90%。 从对棉花株高的影响来看，各处理在花期之前未出现显著性差异；铃期时P2W3 处理的株高最高，为61.3 cm，显著高于株高最低的P1W1 处理(53.1 cm)，其他处理间差异不显著。

图1 灌水量和行距对无地膜棉花株高的影响

2.1.2 灌水量和行距对棉花茎粗的影响 无膜栽培条件下，各处理茎粗随生育进程推进均呈持续增加趋势，初蕾期至盛花期茎粗生长较快，盛花期至吐絮期生长较慢且逐渐趋于稳定(图2)。 相同灌水量下，P2 处理的茎粗均大于P1，吐絮期P2行距中W1、W2、W3 处理的最终茎粗分别为9.28、10.50、10.98 mm，较P1 行距高2.57%～10.92%，表明行距对棉花茎粗有明显影响。 不同灌水量对棉花茎粗的影响有一定差异，具体表现为W1 处理吐絮期茎粗平均值为9.06 mm，较W2 处理低10.93%，较W3 处理显著低15.12%，表明水分亏缺导致棉株的茎变细。 综合而言，吐絮期P1W1的茎粗值最小，为8.95 mm，P2W3 的茎粗值最大，为10.98 mm。

图2 不同处理下无地膜棉花的茎粗变化

2.1.3 灌水量和行距对棉花叶面积指数的影响各处理叶面积指数(LAI)均随生育进程的推进呈现先增后减的变化，至盛花期(PFS)达到最大值，此后棉株由营养生长为主转向生殖生长为主，大量养分从叶片转向棉铃，LAI 表现为持续下降趋势(图3)。 初蕾期(PBS)至初花期(IFS)各处理LAI 均表现为P1＞P2，初花期后表现为P2＞P1。初花期后植株生长旺盛，株间竞争加强，受密度影响较大。 不同灌水量对棉花各生育时期LAI 的影响无显著性差异，W1、W2、W3 处理下不同行距处理的最大LAI 平均值分别为3.25、4.19、3.86。 盛花期(PFS)，同一行距不同灌水量处理下LAI 表现为W2＞W3＞W1，表明当灌水量达到一定量时LAI 达到最大，若灌水量继续增加则LAI 会下降。

图3 不同处理下无地膜棉花的LAI 变化

2.2 灌水量与行距对棉花干物质积累与分配的影响

2.2.1 灌水量与行距对棉花营养器官干物质积累和分配的影响 各处理棉花营养器官干物质最大积累量(Wm)为27.60 ～38.68 g/株(表1)，P2W3 处理的营养器官干物质积累量最大，P1W1处理最小。 相同行距下不同灌水量处理的干物质最大积累量表现为W1＜W2＜W3，相同灌水量下不同行距处理的干物质最大积累量表现为P1＜P2。 各处理棉花单株营养器官干物质最大积累速率(Vm)为5.49～16.09 g/d，P2W3 处理的干物质最大积累速率最大，P1W1 处理最小。 同一行距下不同灌水量处理的干物质最大积累速率表现为W1＜W2＜W3，同一灌水量下不同行距处理的干物质最大积累速率表现为P1＜P2。

表1 不同处理下无地膜棉花营养器官干物质积累的Logistic 模型及其特征值

不同处理下棉株营养器官干物质分配系数不同(表2)。 随着灌水量增大，棉花营养器官干物质分配比例在不同生育时期变化不一致。 盛花期前各处理对棉花营养器官干物质分配的影响较小，盛花期后不同处理的棉花营养器官干物质分配系数差异增大，行距处理组差异较明显。 盛絮期，P1 行距下，W1 处理的营养器官干物质分配系数最大，为37.41%；P2 行距下，W1 处理的营养器官干物质分配系数最大，为36.63%，W3 处理的最小，为27.46%；相同灌水量下不同行距处理的营养器官干物质分配系数表现为P2＜P1。

表2 不同处理下无地膜棉花不同生育时期营养器官干物质分配系数 %

2.2.2 灌水量和行距对棉花生殖器官干物质积累和分配的影响 各处理棉花生殖器官干物质快速积累期起始时间(t1)为第4.02 ～4.48 天，快速积累期终止时间(t2)为第5.42 ～6.83 天(表3)。不同灌水量和行距处理下生殖器官干物质快速积累持续时间(Δt)在1.34 ～2.35 d，P1 行距下W3灌水量处理的干物质快速积累持续时间最长，P2行距下W3 灌水量处理的最短；P1 行距下不同灌水量处理的干物质快速积累持续时间表现为W1＜W2＜W3，P2 行距下则相反。

表3 不同处理下无地膜棉花生殖器官干物质积累的Logistic 模型及其特征值

不同灌水量和行距处理的生殖器官干物质分配系数存在差异(表4)。 盛絮期，相同灌水量下P1、P2 行距处理的生殖器官干物质分配系数差异显著。 P1 行距下W3 处理的干物质分配系数最大(64.46%)；P2 行距下W3 处理的干物质分配系数最大(72.54%)，W1 处理最小(63.37%)。 相同行距下不同灌水处理间的生殖器官干物质分配系数表现为W1＜W2＜W3，相同灌水量下不同行距处理间表现为P1＜P2。

表4 不同处理下无地膜棉花生殖器官干物质分配系数 %

2.3 灌水量和行距对棉花产量的影响

高灌水量处理的单铃重大于低灌水量处理，且随着灌水量的增大呈增加趋势(表5)。 不同行距处理的单铃重差异较大，均表现为P2＞P1，P2行距下不同灌水处理的单铃重较P1 分别提高4.81%、15.23%、21.09%；P2 单株成铃数与单铃重表现一致。 P1 行距下单位面积铃数随灌水量的增大呈上升趋势，而P2行距下则相反。P1行距下衣分在W2 处理时最高(44.54%)，W3 处理时最低(36.65%)，而P2 行距下衣分随灌水量的增大呈下降趋势。 P2W3 处理籽棉和P2W1 处理皮棉产量最高，分别为6 836.95 kg/hm2和2 840.23 kg/hm2，P1W1 处理最低，分别为5 287.96 kg/hm2和2 256.48 kg/hm2。 其中，P2W3 处理的籽棉产量较P1W1 提高29.29%，差异达显著水平；P2 行距下不同灌水量处理间籽棉产量、皮棉产量差异不显著。

表5 不同处理下无地膜棉花产量及其构成因素

3 讨论

灌水量和行距配置对棉花产量有很大影响，采用适宜的灌水量和行距配置可有效提高棉花群体的生长水平，在增产的同时节约水资源，达到高产节水的目的[13]。 株高、茎粗、叶面积指数是衡量棉花生长状况的重要指标[14]。 中棉619 对水分要求较高，行距相同条件下随着灌水量的增加棉花株高和茎粗也随之增长，但灌水量对棉花株高和叶面积指数影响不显著[15]，这与陈雪梅等[16]的研究结果一致。 本研究结果表明，在相同灌水量下，P2 行距处理的棉株茎粗优于P1 行距，杨培等[17]也证实了这一点。 最大LAI 出现在盛花期(PFS)，LAI 随灌水量的增加呈先升高后降低的变化，在W2 处理时最大，W3 处理时略有降低。 因此，适宜的灌水量是调控LAI 的关键，这与Jiang[18]、Bouthiba[19]、郭增江[20]等的研究结果一致。

水分对棉花干物质积累与分配的影响较大，不仅可以调控干物质积累与分配，还影响其产量。棉花生殖器官占比随着灌水量的增加而增大[21]。提高灌水量能促进植物根系对水分和养分的吸收与利用，有利于作物生长[22-23]。 本研究结果表明，相同行距处理下，棉花营养器官和生殖器官最大干物质积累量表现为随灌水量的增加而增加；相同灌水量处理中P2 行距生殖器官的干物质积累与P1 行距有明显差异。 表明适宜的灌水量和行距配置能促进生殖器官干物质积累量的增加，为提高棉花产量奠定基础。

灌水量和行距对棉花单铃重和单株成铃数的影响显著[24]。 黄真真等[25]的试验指出，随着灌水量增加单株成铃数呈现增加趋势，这与本试验P2 行距下的结果相同。 郭景红等[26]的研究指出，等行距种植模式下籽棉产量表现出明显的优势。 这与本试验中相同灌水量下P2 行距(66+10) cm 处理棉花产量高于76 cm 等行距(P1)处理的结论不一致，其原因可能是有效积温不足不适宜采用P1 行距栽培。 适宜灌水量和行距配置是高效利用水资源的重要条件。 综合考虑，本研究条件下南疆棉花无膜栽培适宜的灌水量约为5 100 m3/hm2(W2)，高于刘素华等[27]认为的4 000 m3/hm2，这可能是因为无膜栽培条件下土壤保墒能力弱而需水量增加的缘故[28]。

4 结论

本试验条件下，灌水量和行距配置对棉花干物质积累和产量动态方面的影响表现出较好的一致性，且与植株的生长发育规律相吻合。 从棉花产量来看，灌水量6 000 m3/hm2和(66+10) cm 宽窄行模式组合处理(P2W3)的籽棉产量最高，为6 836.95 kg/hm2，略高于P2W2 处理，较籽棉产量最低的灌水量4 200 m3/hm2和76 cm 等行距模式组合处理(P1W1)增产29.29%。 结合南疆棉花生产实际和节水高效栽培需求，P2W2 栽培模式较适宜南疆棉花无膜种植，增产潜力较大。