灌溉水温与施氮量对滴灌棉田土壤水热及棉花生长和产量的影响

何静，王振华，刘健，马占利，温越

灌溉水温与施氮量对滴灌棉田土壤水热及棉花生长和产量的影响

何静，王振华，刘健，马占利，温越

石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室/农业农村部西北绿洲节水农业重点实验室，新疆石河子 832003

【目的】探究膜下滴灌棉田土壤水热环境和棉花生长对灌溉水温与施氮量的响应机理，旨在确定北疆滴灌棉花合理的灌溉水温和施氮量。【方法】以新陆早42号棉花为试验材料，设置4个灌溉水温：15 ℃（T0）、20 ℃（T1）、25 ℃（T2）和30 ℃（T3）；3个施氮水平：250 kg·hm-2（F1）、300 kg·hm-2（F2）和350 kg·hm-2（F3），采用双因素完全随机试验设计。分析不同灌溉水温条件下施氮量对棉田土壤水热环境、棉花生长、产量和水氮利用效率的影响。【结果】常规灌溉水温与低氮处理降低土壤温度，抑制棉花生长，单株铃数降低并导致籽棉产量下降。适宜的灌溉水温和施氮量可以改善土壤水热环境，促进棉花生长发育，提高籽棉产量和水氮利用效率。与15 ℃常规灌溉水温相比，增温灌溉显著提高了土壤温度0.58—3.30℃，土壤储水量降低1.2%—7.2%，土壤呼吸速率显著提高5.7%—28.0%；随灌溉水温升高，棉花株高、叶面积指数及地上部干物质积累量先增高后降低，在灌溉水温为25 ℃时达最大。随施氮量增加，土壤储水量降低3.3%—6.7%，土壤呼吸速率显著提高3.6%—9.5%，棉花株高增加3.2%—4.9%，叶面积指数显著增加5.8%—11.0%，地上部干物质积累量显著增加1.2%—2.2%，均在施氮量为350 kg·hm-2时达最大。水分利用效率、氮肥偏生产力及籽棉产量随灌溉水温升高均先增加后减少，随施氮量增加分别表现为增加、减少、增加的趋势。通径分析表明，土壤温度对籽棉产量直接作用最大，而施氮量通过促进棉花生长对籽棉产量间接作用最大。籽棉产量与水分利用效率均在T2F2处理达到最大值，分别为6 652.3 kg·hm-2、1.17 kg·m-3，且T2F2处理的氮肥偏生产力（22.17 kg·kg-1）显著大于T2F3处理（18.80 kg·kg-1）。【结论】综合考虑灌溉水温与施氮量对土壤温度，土壤呼吸速率，棉花生长、产量及水氮利用效率的影响，推荐北疆棉区适宜灌溉水温为25 ℃，施氮量为300 kg·hm-2。

膜下滴灌；棉花；灌溉水温；氮肥；产量；水肥利用效率；北疆

0 引言

【研究意义】棉花是重要的纤维作物之一[1]，新疆是我国最大的优质棉生产基地。自膜下滴灌技术应用以来，新疆棉区棉花种植面积及产量连续28年全国第一，2022年，新疆棉花播种面积为2.50×106hm2，皮棉总产量达539.1万t，占全国棉花产量的90%以上[2]。地下水作为新疆农田灌溉的主要水源之一，水温较低，春季平均水温约9 ℃，夏季井水温度为10—15 ℃[3-4]。采用低温井水灌溉会降低土壤温度，抑制棉花对土壤养分的吸收利用，影响棉花生长发育[4]。此外，我国农田氮肥利用率（30%—35%）远低于发达国家（50%—60%）[5]，而棉花高产以投入大量氮肥为前提，过量施氮导致氮肥利用效率偏低，氮素淋溶量过高。【前人研究进展】土壤温度是影响作物生长的重要因素，灌溉水温会直接影响土壤温度。ZONG等[6]研究表明，膜下滴灌有良好的增温保墒作用。低温使棉花的主茎高度和叶长、叶宽相对扩展速度减缓[7]。而增温灌溉能缩短棉花生育进程，促进生长发育，利于棉花对养分吸收利用，提高光合能力，促进光合产物形成[8-9]。播期适宜的土壤温度提高成苗率，根系粗壮，利于壮苗形成[10-12]。马永康等[13]指出，增加灌溉水温度可提高骏枣的产量、果实总糖、维生素C与可溶性固形物含量。但孙啸震等[14]表明，利用开顶式自动控温温室于棉花花铃期增温，主茎功能叶SPAD值降低，净光合速率下降。因此，探究棉花生长适宜的灌溉水温有研究价值。低温水灌溉影响作物氮素吸收，是作物减产的重要原因[15-16]。施肥能提升表层土壤温度，降低0—100 cm土层土壤储水量，显著提升作物各生育时期的土壤呼吸速率[17]。提高根区土壤温度能促进作物生长发育，提高氮肥利用效率，进而增加产量[18]。优化水氮管理能大幅提高氮肥利用效率及灌水利用效率，且不会显著降低棉花产量[19-20]。李鹏程等[21]指出，增施氮肥促进棉花叶面积指数、生物量累积及氮的吸收，利于棉花高产及氮肥高效利用。而贾彪等[22]研究表明，低氮处理抑制棉花光合产物的累积，高氮处理下植株营养生长期偏长，影响光合产物运输。适宜的施氮量利于棉花“源库”关系协调统一，提高棉花光合能力[23-24]，促进棉花高产。【本研究切入点】目前关于灌溉水温的研究多应用于设施农业[25-26]，在大田应用中研究较少。同时，北疆棉区膜下滴灌棉田土壤水热环境和棉花生长对灌溉水温与施氮量的响应机理也鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究以膜下滴灌棉花为研究对象，采用小区试验，设置不同灌溉水温与施氮量组合，研究灌溉水温与施氮量对膜下滴灌棉田土壤水热环境及棉花生长的影响，探究北疆棉区膜下滴灌棉花适宜的灌溉水温和施氮量组合，为新疆地区棉花增产和氮肥高效利用提供理论基础与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2022年4—10月在新疆石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室暨石河子大学节水灌溉试验站进行。该试验站位于石河子大学农试场二连（44°18′28″ N, 86°03′47″ E），海拔450 m，平均地面坡度6‰，地下水埋深在8 m以下。该地区属于温带大陆性气候，年均降水量207 mm，年均蒸发量1 660 mm，年均日照时数2 955 h，年均风速1.5 m·s-1，无霜期169 d。2022年棉花生育期内（4月21日至10月5日）降水量为83.10 mm（图1），日平均气温为22.76 ℃，≥0 ℃和≥10 ℃积温分别为3 823.40和2 143.40 ℃·d。试验小区土壤质地为中壤土，土壤耕层（0—40 cm）容重为1.45 g·cm-3，田间持水量为21.23 m3·m-3，pH为7.62。播前土壤耕层土壤有机质为15.47 g·kg-1，土壤全氮为0.86 g·kg-1，土壤碱解氮为50.33 mg·kg-1。

1.2 试验方法与设计

采用双因素完全随机试验设计，以新陆早42号棉花为试验材料。参考当地生产实践及相关学者研究[8,27-28]，确定棉花灌溉定额为4 500 m3·hm-2。灌溉水源（井水）温度为13—15 ℃，设置4个灌溉水温水平：15 ℃（T0）、20 ℃（T1）、25 ℃（T2）、30 ℃（T3），其中15 ℃（T0）为常规灌溉水温；设置3个施氮量水平：250 kg·hm-2（F1）、300 kg·hm-2（F2）、350 kg·hm-2（F3），其中300 kg·hm-2（F2）为常规施氮量。共12个处理，设置3次重复，共36个小区，小区面积为12 m2（3 m×4 m）。棉花于4月21日播种，10月5日收获，全生育期167 d。采用“一膜三管六行”的种植模式，膜宽205 cm，株距10 cm，宽行距66 cm，窄行距10 cm，播种密度为24 万株/hm2。滴灌管选用低密度聚乙烯管（新疆昌吉通四方塑料厂），直径为16 mm，滴头间距0.3 m，滴头设计流量1.3 L·h-1。棉花进行人工点播，播种深度为3—4 cm（图2）。根据棉花长势及当地农户种植经验，全生育期灌水施肥10次，试验肥料选用尿素（N含量46.5%）和磷酸二氢钾KH2PO4（P2O5含量51.5%，K2O含量34%），共施磷酸二氢钾300 kg·hm-2。其他田间管理措施均保持一致。

图2 棉花种植模式及土壤水分、温度及呼吸测定点分布图

灌溉水增温装置示意图如图3所示。灌溉水经太阳能加热装置（阴天依靠电能辅助增温）加热后流入蓄水桶，达相应处理灌溉水温后经潜水泵抽入田间滴灌管道，同时在滴灌管滴头处使用瞬时温度计测量滴头处的水温，各处理允许温度误差为±1 ℃，蓄水桶外侧包裹海绵及锡箔纸用以保温隔热，减小外界温度对灌溉水温的影响。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤温度 采用温度传感器（179-DT，Apresys，美国）连续监测土壤温度。于棉花播种后，分别将温度传感器埋设于边行滴灌管下距地表5、10、15和20 cm处。

1.3.2 土壤水分

（1）土壤容重和土壤含水量

采用环刀法测量土壤容重。采用烘干法测量土壤含水量，于每个生育时期末在棉花窄行取样，取土深度分别为5、10、20、30、40、50、60、80、100 cm。

（2）土壤储水量采用下式计算[29]：

=10×b××i

式中，为土壤储水量（mm）；b为实测土壤容重（g·cm-3）；为土层厚度（cm）；ω为土壤质量含水量（g·g-1）。

图中箭头表示水流方向，数字表示的含义为1：水源；2：太阳能加热装置；3：控水阀；4：电热水器；5：储水桶；6：水银温度计；7：潜水泵；8：水表；9：施肥罐；10：输水管；11：滴灌管

（3）作物耗水量采用下式计算[30]：

=W +r++--

式中，为耗水量（mm）；W为土壤储水量的变化量（mm）；r为有效降雨量（mm）；为灌水量（mm）；为地下水补给量（mm）；为渗漏量（mm）；为径流量（mm）。由于该试验地地下水位在8 m以下，故忽略地下水补给量（）和渗漏量（）；该地区降雨较少且蒸发强烈，故径流量（）可忽略不计。

（4）水分利用效率采用下式计算[31]：

=0.1/

式中，为水分利用效率（kg·m-3）；为产量（kg·hm-2）；为耗水量（mm）。

1.3.3 土壤呼吸速率 在每次灌溉后24 h内，于11：00—13：00[30,32]，采用土壤碳通量自动测定仪（Li-8100A，LI-COR，美国）测定土壤呼吸速率。将PVC环嵌入土壤中（环顶露出地表6 cm），清除PVC环中的植被和杂物，减少植被呼吸对测量结果的影响。

1.3.4 棉花生长指标 定苗后各处理选取3株代表性植株标记后，分别于棉花苗期、蕾期、花铃期和吐絮期对棉花的株高和叶面积指数进行测定。

（1）株高

使用卷尺测量子叶节至最高生长点的距离，打顶后为子叶节至最高果枝基部的距离。

（2）叶面积指数

使用卷尺测定叶片长（叶基红心至叶尖）和最大叶宽（以叶基为中心垂直于叶长）。叶面积指数（）采用下式计算[31]：

式中，为叶面积指数；0.84为折算系数；为棉花播种密度（株/m2）；为单株棉花叶片数；为叶片长（cm）；为叶片宽（cm）。

（3）地上部干物质

于花铃期末对每个处理随机选取9株棉花，将棉花植株的茎、叶、铃等器官分离后放入烘箱，105 ℃杀青30 min后，75 ℃烘干至恒重，称量棉花各器官的干物质量。

群体干物质质量（kg·hm-2）=单株干物质质量（g）×实际种植密度（万株/hm2）×10。

1.3.5 产量及水肥利用效率 于棉花收获期实收计产。随机选取3株棉花测量单株成铃数，并在各处理随机摘取100个棉铃的籽棉测量百铃质量。

氮肥偏生产力（nitrogen partial fertilizer productivity，pfp, kg·kg-1）采用下式计算[33]：

pfp/

式中，为籽棉产量（kg·hm-2），为各处理施氮量（kg·hm-2）。

1.4 数据处理与分析

利用Microsoft Excel 2010处理试验数据，使用SPSS 23.0统计软件进行显著性分析、方差分析、回归分析和相关性分析，采用Origin 2021和AutoCAD进行软件绘图。

2 结果

2.1 不同处理对土壤温度、储水量及呼吸速率的影响

不同灌溉水温与施氮量处理对膜下滴灌棉田0—20 cm土层平均土壤温度的影响见表1。增温水灌溉显著提高棉花各生育时期土壤温度（＜0.01）。棉田土壤温度随生育进程的推进持续降低。苗期土壤温度为全生育时期最高，T1、T2、T3水平0—20 cm土层平均土壤温度较T0分别增加1.27—1.47、1.92—2.11、3.27—3.36 ℃（＜0.01），最高温度的T3F3处理较最低温度的T0F1增加了3.42 ℃；蕾期土壤温度较苗期低，但仍保持较高的土壤温度。T1、T2、T3水平0—20 cm土层平均土壤温度较T0分别增加1.00—1.13、2.15—2.50、3.15—3.24 ℃（＜0.01），F2、F3水平0—20 cm土层平均土壤温度较F1分别增加0.09—0.18、0.04—0.39 ℃（＜0.05）；花铃期，T1、T2、T3水平0—20 cm土层平均土壤温度较T0分别增加0.43—0.71、1.65—1.95、2.55—2.88 ℃（＜0.01），F2、F3水平0—20 cm土层平均土壤温度较F1分别增加0.04—0.20、-0.04—0.22 ℃（＜0.05）；吐絮期各处理土壤温度大幅降低，T1、T2、T3水平0—20 cm土层平均土壤温度较T0分别增加0.55—0.63、1.45—1.65、2.62—2.63 ℃。

灌溉水温与施氮量对棉田0—100 cm土层平均土壤储水量的影响如图4所示。总体来看，随生育时期推进，各处理棉田平均土壤储水量先增大后减小。表2显示，灌溉水温显著影响蕾期和花铃期棉田平均土壤储水量，施氮量显著影响蕾期棉田平均土壤储水量（＜0.05），对花铃期棉田平均土壤储水量影响极显著（＜0.01），灌溉水温与施氮量的交互效应对各生育期棉田平均土壤储水量均无显著影响（＞0.05）。不同生育时期棉田土壤储水量均随施氮量增加而减小，花铃期，F2、F3水平棉田平均土壤储水量较F1分别降低2.6%—3.9%、5.4%—7.4%。相同施氮量下，棉田平均土壤储水量随灌溉水温升高先减小后增加，在T2水平达到最小值，T1、T2、T3水平棉田平均土壤储水量较T0分别降低1.2%—2.6%、5.3%—7.2%、3.0%—5.0%。T0F1处理平均土壤储水量最高，T0F2处理次之，T2F3处理最低。T0F1和T0F2处理平均土壤储水量较T2F3分别增加14.0%和12.6%。

表1 不同处理棉花各生育时期0—20 cm土层平均土壤温度

T0、T1、T2、T3分别表示灌溉水温为15、20、25、30 ℃；F1、F2、F3分别表示施氮量为250、300、350 kg·hm-2。同列数据不同小写字母表示0.05水平存在显著性差异。*和**分别代表＜0.05和＜0.01 水平差异显著，ns表示差异不显著。下同

T0, T1, T2, and T3 represent that the irrigation water temperature are 15, 20, 25, and 30 ℃, respectively. F1, F2, and F3 indicate that the nitrogen application rates are 250, 300, and 350 kg·hm-2, respectively. The different small letters at same column represent significant differences at the level of 0.05. * and ** represent significant differences at＜0.05 and＜0.01, respectively; ns represents no significant difference. The same as below

棉田土壤呼吸速率随生育进程的推进先升高后降低，在蕾期达到峰值（图5）。相同施氮水平下，土壤呼吸速率随灌溉水温的升高先增加后降低。相同灌溉水温下，棉田土壤呼吸速率随施氮量增加也逐渐升高。蕾期，T1、T2、T3水平棉田土壤呼吸速率较T0分别增加-1.3%—6.9%、24.3%—26.5%、9.1%—22.5%。F2、F3水平棉田土壤呼吸速率较F1分别增加-6.1%—5.4%、4.1%—9.5%。T2F3处理获得了最大土壤呼吸速率（8.00mmol·m-2·s-1），较T0F1处理的最小值（5.85mmol·m-2·s-1）增加了36.8%。花铃期，T1、T2、T3水平棉田土壤呼吸速率较T0分别增加8.7%—16.6%、27.4%—29.7%、18.6%—25.9%。F2、F3水平棉田土壤呼吸速率较F1分别增加-5.4%—7.6%、4.2%—6.8%。

SS、BS、FBS、BOS分别表示棉花苗期、蕾期、花铃期、吐絮期，ns表示未达显著水平。下同

表2 灌溉水温与施氮量对棉花不同生育时期土壤储水量的双因素方差分析

2.2 不同处理对棉花生长、产量及氮肥偏生产力的影响

2.2.1 株高、叶面积指数 灌溉水温与施氮量对棉花株高和叶面积指数的影响如表3和图6所示。总体来看，随生育期的推进，各处理棉花株高呈现先增大后趋于稳定的趋势。不同生育时期棉花株高均随施氮量增加而提高。在花铃期，F2、F3水平棉花株高较F1分别增加1.1%—11.8%、4.2%—18.9%。在F1水平下，棉花株高随灌溉水温增高而增大，T1、T2、T3水平棉花株高较T0增加1.2%—3.9%；F2和F3水平下，棉花株高随灌溉水温增高先增大后减小，在T2水平达到最大，T1、T2、T3水平棉花株高较T0增加2.9%—9.5%（＜0.05）。灌溉水温为T2水平，高氮处理（T2F3）在不同生育时期的棉花株高均显著高于其他处理（＜0.05）。随生育时期的推进，棉花叶面积指数先增大后减小，在花铃期达到最大。各处理棉花叶面积指数除苗期无显著差异外，其他生育期均有显著差异（＜0.05）。不同生育时期棉花叶面积指数均随施氮量增加而增大。花铃期，F2、F3水平棉花面积指数较F1分别增加1.1%—11.8%、4.2%—18.9%。相同施氮水平下，棉花叶面积指数随灌溉水温升高先增大后降低；T1、T2、T3水平棉花面积指数较T0分别增加16.5%—18.3%、23.2%—37.5%、13.9%—28.7%，棉花叶面积指数在T2F3处理达到最大值，为4.80 cm2·cm-2。

不同字母表示不同处理间0.05水平下差异显著Different letters represent significant differences among treatments at 0.05 level

2.2.2 地上部干物质积累量 灌溉水温与施氮量对花铃期末棉花地上部干物质积累量的影响见表4。灌溉水温与施氮量对棉花茎、叶、铃干物质量影响极显著（＜0.01），灌溉水温与施氮量交互效应无显著影响。棉花地上部群体干物质量为16 560—19 010 kg·hm-2。棉花地上部干物质量随施氮量的增加而增大，F2、F3水平棉花茎干物质积累量较F1分别增加0.3%—3.8%、0.4%—4.4%；相同施氮量下，棉花茎干物质量随灌溉水温升高先增加后减少，T1、T2、T3水平棉花茎干物质积累量较T0分别增加0.6%—2.7%、6.1%—8.1%、1.9%—8.1%。F2、F3水平棉花叶干物质积累量较F1分别增加0.1%—7.3%、2.7%—11.0%；相同施氮量下，棉花叶干物质量随灌溉水温升高先增加后减少，T1、T2、T3水平棉花叶干物质积累量较T0分别增加7.1%—10.5%、8.5%—14.7%、0.3%—5.7%。F2、F3水平棉花棉铃干物质积累量较F1分别增加0.2%—0.8%、0.5%—0.8%；相同施氮量下，棉花棉铃干物质量随灌溉水温升高先增加后减少，T1、T2、T3水平棉花棉铃干物质积累量较T0分别增加1.5%—1.9%、2.0%—2.4%、1.2%—1.8%。

表3 灌溉水温与施氮量对不同生育时期棉花株高与叶面积指数的双因素方差分析

图6 各生育时期不同处理棉花株高和叶面积指数

表4 不同处理棉花地上部干物质积累量

2.2.3 产量及其构成和氮肥偏生产力 灌溉水温与施氮量对棉花产量及其构成、水分利用效率和氮肥偏生产力的影响见表5。灌溉水温与施氮量对棉花单株有效铃数、单铃重和籽棉产量影响显著（＜0.01）。灌溉水温相同时，棉花单株有效铃数与单铃重随施氮量增大而增加；在相同施氮量下，随灌溉水温升高单株有效铃数先增加后减少，单铃重持续减小。在T0、T1和T3水平下，棉花籽棉产量随施氮量增大而增加，F2、F3水平棉花籽棉产量较F1分别增加6.6%—7.4%、9.0%—10.1%；在T2水平下，棉花籽棉产量随施氮量增加先增加后减少，较F1水平，F2、F3水平籽棉产量较F1分别增加10.0%、8.8%。棉花籽棉产量随灌溉水温升高先增大后减小，T1、T2、T3水平棉花籽棉产量较T0分别增加9.0%—9.5%、17.3%—21.5%、13.9%—14.5%。T2F2处理获得了最大籽棉产量（6 652.3 kg·hm-2），较T0F1处理的最小值（5 124.9 kg·hm-2）增加了29.8%。水分利用效率与棉花籽棉产量变化规律一致，最大值、最小值分别出现在T2F2（1.17 kg·m-3）、T0F1（0.90 kg·m-3）处理。氮肥偏生产力随施氮量增加逐渐降低，随灌溉水温升高先增加后降低，氮肥偏生产力最大值、最小值分别出现在T2F1（24.20 kg·kg-1）、T0F3（16.03 kg·kg-1）处理。

表5 不同处理对棉花产量及产量构成、水分利用效率和氮肥偏生产力的影响

2.3 土壤温度、呼吸速率、水分与棉花生长和产量的关系

由图7可知，在土壤温度、土壤呼吸速率、土壤储水量、棉花株高、叶面积指数、地上部干物质积累量与施氮量对棉花籽棉产量的通径分析中，土壤温度对棉花产量的直接影响最大（直接通径系数0.253），叶面积指数（直接通径系数0.229）与地上部干物质积累量（直接通径系数0.227）次之；土壤储水量对棉花产量的直接作用最小（直接通径系数-0.025）。土壤呼吸速率对棉花产量间接影响最大（间接通径系数0.759），主要通过土壤温度对棉花产量产生间接正效应，其次为株高与叶面积指数；施氮量对棉花产量的间接影响大于直接影响；施氮量主要通过促进棉花株高、叶面积指数与地上部干物质，进而对棉花产量产生间接正效应。适宜的灌溉水温与施氮量提高土壤温度，改善棉花根区土壤环境，促进土壤呼吸，促进棉花生长，提高棉花株高、叶面积、地上部干物质量等，最终提高棉花产量。

3 讨论

3.1 灌溉水温与施氮量对土壤温度、水分及呼吸速率的影响

土壤为作物生长发育提供所需的水分、养分、空气和热量。灌溉水温直接影响作物根区土壤温度，对作物的生长发育有重要的影响。施氮量影响植株根系生长及分布，从而影响植株地上部各器官的生长发育，进而影响棉花产量。土壤温度与棉田土壤呼吸密切相关（图7）。土壤呼吸是通过根系呼吸、微生物对凋零物和土壤有机质分解以及动物呼吸，从土壤中释放二氧化碳的生态系统过程[34]。总体而言，棉田土壤呼吸速率随生育进程推进先升高后降低，这与植株生长规律密切相关[35]。根系是作物、土壤与微生物相互作用的桥梁，根区环境内的生物过程影响养分的供应和作物的生产效率[34]。根呼吸随土壤温度增加而增大，当土壤温度超过一定值时，原生质体降解，使得根呼吸变弱[36]。相同施氮量下，灌溉水温通过提高土壤温度，改变土壤微生物的量及微生物的群落结构，使土壤微生物、酶活性及作物根系代谢活动能力提高，进而提高土壤呼吸速率，促进棉花生长[35,37]。灌溉水温直接影响土壤温度，促进作物根系和微生物呼吸，促进棉花生长，同时土壤储水量降低，进而促进土壤呼吸，土壤温度和土壤储水量与土壤呼吸速率互相影响，共同作用于棉花生长。本研究中，土壤呼吸速率随土壤温度升高先增加后降低，灌溉水温达30 ℃后，土壤呼吸速率降低，胡文沛等[35]也得出类似结论。施氮量是影响土壤温度及呼吸速率的重要因素。结果表明，随施氮量增加，土壤温度逐渐升高，土壤储水量降低，土壤呼吸速率显著提高1.1%—28.0%。尿素需要在土壤脲酶作用下水解为铵离子才能被植物吸收利用，其产生肥效慢[38]，增温水灌溉可缩短尿素水解的时间，刺激土壤微生物活性升高，生物量增加，土壤氮矿化速率加快，促进作物根系对氮的吸收，促进根系呼吸[39]。适宜施氮量能促进作物土壤呼吸速率[40-42]。

和分别表示正直接通径系数和负直接通径系数，和分别表示正间接通径系数和负间接通径系数，表示不同指标间的相关系数

3.2 灌溉水温与施氮量对棉花生长的影响

棉花株高、叶面积指数及地上部干物质是反映棉花生长发育的关键指标。叶面积在一定程度上决定作物冠层对光照的利用能力和植株的生长速率，进而影响植株生物量及产量。根系温度影响植物生长及干物质积累[43]。王振华等[8]指出，随着灌溉水温的升高，棉花的株高、茎粗、叶面积指数及地上部干物质量均有不同程度的增长。低温水灌溉导致植株茎秆细小、植株低矮、叶面积减小及干物质积累减少，最终降低产量[44]。灌溉水温过高导致花粉活力降低，土壤微生物活性受到抑制，土壤呼吸速率减缓，造成棉铃脱落。灌溉水温是土壤肥力的重要影响因素。研究表明，灌溉水温较低会降低土壤微生物活性及土壤呼吸速率，影响作物根系对土壤水分及矿物营养元素吸收利用，进而抑制植株的正常生长。由于土壤矿物质的有效分解转化及土壤水分有效利用均与溶液浓度有关，而土壤溶液浓度与土体温度和灌溉水温密切相关[3]。同一施氮量下，随灌溉水温升高，棉花株高、叶面积指数及地上部干物质量先增大后减小，灌溉水温促进棉花生长的同时，加快尿素水解，促进植株对矿物元素的吸收利用，进而提高氮肥利用效率。施氮量是影响作物生长的重要因素[18]。研究表明，随施氮量的增加，膜下滴灌棉花株高、叶面积指数及地上部干物质不断增加，且F2与F3水平之间差距逐渐变小，这与相关学者的研究结论相似[45-47]；施氮量超过300 kg·hm-2后，增加施氮量对株高、叶面积指数、地上部干物质积累及氮素利用影响不显著，同时对棉花产量贡献率降低[48]。合理的施氮量使植株生长及干物质积累保持在获得高产的合理范围[45]。李培岭等[49]研究表明棉花的株高和叶面积指数与施氮量呈正相关关系，适宜的施氮量改善根区土壤水热环境，提高土壤呼吸速率，进而促进根系对地上部营养物质的供应，促进棉花生长。

3.3 灌溉水温与施氮量对棉花产量、水分利用效率及氮肥偏生产力的影响

适宜的灌溉水温与施氮量能促进棉花生长发育，而过量施氮则导致植株营养生长过旺，叶面积指数过大，光合能力减弱，从而使得收获期棉花籽棉产量降低[50]。本研究表明，当灌溉水温为25 ℃，施氮量为350 kg·hm-2时（T2F3），棉田土壤呼吸和棉花生长指标均最大，但棉花籽棉产量有所下降。叶面积指数是反映棉花冠层结构、生长发育进程的关键指标，在一定范围内，作物产量随叶面积指数增大而增加，当叶面积超过一定值后，叶片互相遮挡，作物光合能力减弱，进而导致减产[51]。本研究结果表明，灌溉水温与施氮量及二者的交互效应对籽棉产量、水分利用效率及氮肥偏生产力影响显著，氮肥偏生产力随施氮量增加而减小，且常规灌溉水温（15 ℃）显著抑制氮肥肥效的发挥，而增温灌溉则促进作物对氮素的吸收利用，提高氮肥偏生产力。这与李鹏程[21]的研究结果相一致，氮肥偏生产力与施氮量呈现明显的负相关关系。邓忠等[52]研究表明，施氮量为300 kg·hm-2时，植株生长健壮，能显著促进干物质积累，增加单株有效铃数及单铃质量，提高水肥利用效率及产量。提高氮肥利用效率是农业资源的合理配置与利用的重要途径。相关学者研究表明，在一定范围内，水分利用效率随施氮量增加而增加，过量施氮导致水分利用效率降低[33,53]。本试验表明，随施氮量的增加，氮肥偏生产力逐渐降低，水分利用效率逐渐提高；随灌溉水温升高，氮肥偏生产力与水分利用效率均呈先增加后减小的趋势，这与王振华等[54-55]研究结果一致。研究通过提升灌溉水温度，改善棉花根区水热环境，促进植株对土壤养分吸收，提高了作物根系代谢能力，促进水肥利用。

4 结论

提高灌溉水温可降低低温井水灌溉对棉田土壤水热环境及棉花生长产生的不利影响，较常规水温灌溉（15 ℃）提高土壤温度和棉田土壤呼吸速率，促进棉花生长及地上部干物质积累，进而提高籽棉产量。灌溉水温与施氮量耦合调控，提高了水分利用效率及氮肥偏生产力。水分利用效率与籽棉产量均在灌溉水温25 ℃、施氮量300 kg·hm-2（T2F2处理）时达到最大，分别为1.17 kg·m-3、6 652.3 kg·hm-2。灌溉水温25 ℃，施氮量250 kg·hm-2（T2F1处理）较灌溉水温15 ℃，施氮量350 kg·hm-2（T0F3处理）增产438.8 kg·hm-2。综上所述，采用灌溉水温25 ℃，施氮量300 kg·hm-2的组合模式，是北疆棉花提高水肥利用效率、实现增产增效的有效途径。

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Effects of Irrigation Water Temperature and Nitrogen Application Rate on Soil Hydrothermal Environment and Cotton Growth and Yield Under Mulched Drip Irrigation

HE Jing, WANG ZhenHua, LIU Jian, MA ZhanLi, WEN Yue

College of Water Conservancy & Architectural Engineering, Shihezi University/Key Laboratory of Modern Water-Saving Irrigation of Xinjiang Production & Construction Group/Key Laboratory of Northwest Oasis Water-Saving Agriculture, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shihezi 832003, Xinjiang

【Objective】The response mechanism of soil hydrothermal environment and cotton growth to irrigation water temperature and nitrogen application rate under mulched drip irrigation was explored to determine the reasonable irrigation water temperature and nitrogen application rate of drip irrigation cotton in northern Xinjiang.【Method】A two-factor completely randomized experimental design was conducted with "Xinluzao 42" cotton as the experimental material with four irrigation water temperature levels (15 ℃ (T0), 20 ℃ (T1), 25 ℃ (T2), and 30 ℃ (T3)) and three nitrogen application levels (250 kg·hm-2(F1), 300 kg·hm-2(F2), and 350 kg·hm-2(F3)). The effects of nitrogen application on soil hydrothermal environment, cotton growth and yield, and water and nitrogen use efficiency under different irrigation water temperature were analyzed.【Result】The conventional irrigation water temperature and low nitrogen treatment reduced soil temperature, inhibited cotton growth, decreased boll number per plant and seed cotton yield. Suitable irrigation water and nitrogen application could improve the soil's hydrothermal environment, promote cotton growth and development, and improve seed cotton yield and water and nitrogen utilization. Compared with 15 ℃ of conventional irrigation water temperature, the warming irrigation significantly increased the soil temperature by 0.58-3.30 ℃, and soil water storage was reduced by 1.2%-7.2%, while soil respiration rate was significantly increased by 5.7%-28.0%; cotton plant height, leaf area index, and above-ground dry matter accumulation increased and then decreased with the increase of irrigation water temperature, and reached the maximum at 25 ℃. With increasing nitrogen application rate, soil water storage decreased by 3.3%-6.7%, soil respiration rate increased significantly by 3.6%-9.5%, cotton plant height increased significantly by 3.2%-4.9%, leaf area index increased significantly by 5.8%-11.0%, and above-ground dry matter accumulation increased significantly by 1.2%-2.2%, these indicators all reached the maximum under 350 kg·hm-2nitrogen fertilizer application. Water use efficiency, nitrogen fertilizer bias productivity, and seed cotton yield all increased and thendecreased with the increase of irrigation water temperature, and showed a trend of “increasing, decreasing, and increasing” with the increase of nitrogen application. The path analysis showed that soil temperature directly affected seed cotton yield, while nitrogen application indirectly affected seed cotton yield by promoting cotton growth. The seed cotton yield and water use efficiency reached the maximum under T2F2 treatment, which were 6 652.3 kg·hm-2and 1.17 kg·m-3, respectively. But the nitrogen fertilizer bias productivity was significantly greater under T2F2 treatment (22.17 kg·kg-1) than that under T2F3 treatment (18.80 kg·kg-1).【Conclusion】Considering the effects of irrigation water temperature and nitrogen application on soil temperature, soil respiration rate, cotton growth, yield, and water and nitrogen utilization rate, a suitable combination of irrigation water temperature of 25 ℃ and nitrogen application rate of 300 kg·hm-2were recommended in northern Xinjiang.

mulched drip irrigation; cotton; irrigation water temperature; nitrogen fertilizer; yield; water and fertilizer use efficiency; Northern Xinjiang

10.3864/j.issn.0578-1752.2024.02.008

2023-03-02；

2023-04-17

国家“十四五”重点研发计划（2022YFD1900405）、国家自然科学基金（52279040）、兵团重大科技项目（2021AA003-1）、中国工程院战略研究与咨询项目（2022-XY-57）

何静，E-mail：hj18199106309@163.com。通信作者王振华，E-mail：wzh2002027@163.com

（责任编辑 李云霞）