麦棉两熟种植模式下棉田土壤水分分布特征研究

关键词：麦棉两熟；土壤水分；分布特征；时空异质性

中图分类号：S562.047：S152.7 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2024）11-0052-09

水是棉花植株体内含量最多的成分，也是其进行生长发育必不可缺的物质。土壤水分不但参与棉株体内许多生理过程，更是光合作用最重要的原料之一。研究人员发现，水分亏缺会导致棉花叶片气孔关闭，CO₂供应受限，光合速率下降，而且会降低叶片对光能的利用效率，加剧光抑制，导致棉花叶片碳同化能力降低。范志超等在新疆阿克苏地区通过对灌溉量的控制，分析棉田土壤含水量、棉花根冠比、干物质积累、叶绿素荧光特征、棉叶净光合速率以及棉花产量等的差异，得出在棉花生育期内轻度的调亏较正常灌溉量的水分利用效率提高40%，产量提升5%。其次，土壤水分对棉花根系生长、茎枝生长、叶片生长、根／冠比以及蕾铃发育都有着重要的影响。有研究表明，花铃期为棉株根系吸收水分的高峰期，且棉株根系的空间分布受土壤水分空间分布的影响，均匀的土壤水分空间分布使根系分布更加均匀，呈“伞”型对称结构，而土壤水分空间的不均匀分布导致主根分叉，故分析根系生长特点有助于提高棉株水分利用效率，对完善局部灌溉技术有促进作用。董合忠等对花铃期棉花进行水分胁迫后发现，各胁迫处理棉花蕾铃脱落率均有提高，使得干物质积累量下降，最终导致产量下降。但在中度水分胁迫同时使用适量高吸水树脂处理对株高、成铃个数、干物质量和纤维产量会有一定的提高。以上研究大多在控制土壤水分含量条件下开展，而针对棉田生态系统下小尺度的土壤水分空间分布特征研究相对不足。

为充分利用光、温、水、养分等自然资源，缓解粮棉竞争矛盾，充分发挥生产力优势与土地当量比（LER）优势，两熟种植制度逐渐被接受并推广，这是实现我国粮棉双丰收的重要途径。在两熟种植制度中，复合群体一定程度上可以缓解水分蒸发和叶片蒸腾作用，是提高资源利用效率的有效手段，对一些干旱地区土壤水分利用率的提高显得尤为重要。土壤水分的利用可以分为地上和地下两部分，地上部分的水分利用主要由叶片的空间分布、生殖器官的生长以及气象条件等因素共同决定，地下部分则受到土壤质地、土壤结构、土壤有机质含量以及根系吸水能力等因素的影响，总体来说是环境与作物之间相互作用的结果。两熟种植模式下，不同作物对土壤水分吸收利用的时期、土壤条件、气候条件以及根系长短的不同，皆会导致土壤水分的空间分布存在差异。有研究表明，不同的坡面起伏程度、不同的气候条件以及不同的取样间隔皆导致土壤水分异质性发生变化，不同地区土壤的土壤水分异质性差异也较大。因此，对小尺度下土壤水分的空间分布研究显得更有意义。

本研究以麦棉两熟种植模式下的长期定位试验田为对象，对棉花全生育期内土壤水分进行实时监测，并以空间网格法量化土壤水分，运用地统计学对棉田土壤水分进行时空异质性分析，探索棉花各生育时期水分竞争机理以及土壤水分运动规律，使土壤水分的运用更加合理化，提高水分利用效率，以期为实现棉花轻简化、智慧化栽培管理提供理论依据，为指导棉田精准灌溉和最终实现复合群体土壤水分智能管理提供数据支持。

1材料与方法

1.1试验材料

本研究以棉花品种豫早棉9110和小麦品种中育1123为试材。

1.2试验设计

田间试验于2017、2018连续两年在河南省安阳县中国农业科学院棉花研究所东场试验基地（36°06′N，114°21′E）进行，该基地为小麦、棉花两熟长期定位试验田，土壤为肥力中等的沙壤土。设置麦棉套作（3：1模式，即三行小麦一行棉花，棉花幅宽0.7m，小麦幅宽0.3 m，套种行宽0.2m，图1）、麦后直播、单作3种棉花种植模式处理。每处理重复3次，随机区组排列。棉花单作和麦棉套作均分别于2017年5月15日、2018年5月17日播种，麦后直播棉分别于2017年6月15日和2018年6月14日播种。施肥、化学调控、灌溉均同常规田间管理。

1.3测定指标及方法

1.3.1土壤水分采样点布设 为了研究麦棉种植区土壤水分的时空变化规律，考虑到土壤水分随时间的动态变化特征，在播种前选取三块干扰因素较小的地块，采用等间距空间网格法（80 cm×100 cm）将水分传感器安置于采样点，水平方向上分别在0、20、40、60、80 cm处共设置5个测量点，垂直方向上分别在土层深度为10、30、50、70、90、110 cm处设置6层，每个地块共30个测量点。

1.3.2土壤水分测定方法及量化 美国METER公司的5TE土壤水分传感器，是一种基于频域反射法（FDR）的传感设备，可将土壤内纹理和盐分的影响降到最低，具有坚固耐用和低功耗运行等优点，可实现土壤水分数据长时间、高精度的连续监测。用该传感器对2017年和2018年的土壤水分进行全年不间断测定（每1h记录一次），用美国Campbell公司的CR1000进行数据实时采集并计算土壤含水量。

1.3.3棉花生育时期及生育期调查 自棉花出苗起，每隔5d调查并记录棉花生育进程，准确记录棉花出苗期、蕾期（50%棉花出现直径约3mm的蕾）、花铃期（50%棉花开出第一朵白花）和吐絮期（50%棉花开始吐絮）的时间。棉花生育期是指从播种至棉田内50%棉株吐絮所经历的天数。

1.3.4棉田土壤水分含量空间变异特征分析 用地统计法对三种种植模式棉田的土壤水分含量进行空间异质性分析，通过半方差函数模型进行拟合，获得半方差函数结构参数。常见的半方差函数拟合模型有球状模型、指数模型、线性模型和高斯模型。由模型和参数[块金值C₀、偏基台值C、基台值（Sill，C₀+C）、变程A₀]定量描述土壤水分的变异性。

残差平方和（RSS）越小、决定系数（R²）越大，说明模型的拟合程度越好，更接近现实情况。CO是在采样距离为0时所得的半方差的值，通常表示一种随机的变异，用以测量误差和土壤中水分的变化；Sill（基台值）通常表示空间异质性的大小，该值越大，表明空间异质性程度越高，直至达到平稳的极大值，而到达该极大值的距离即为A₀。C/Sill的比值是半方差函数中的一个重要参数，该值的大小说明变量在空间内的自相关性。C/Sill≤0.25时，表明变量的空间自相关性较弱；C/Sill在0.25～0.75之间时，表明变量的自相关性中等；C/Sill≥0.75时，表明变量的空间自相关性强。

1.4数据处理与分析

采用Microsoft Excel对试验数据进行整理和分析，采用单因素方差分析和Duncan’s新复极差法进行差异显著性检验（Plt;0.05）。采用Surfer16（Golden Software Inc.，USA）软件绘制土壤含水量等值线图，使用Stata 14.0（ Stata Corp LP，Col-lege Station，Texas，USA）软件对试验数据进行批量处理和分类，用GS+（Gamma design software，Plainwell，Ml，USA）软件分析土壤水分空间变异特征。

2结果与分析

2.1不同种植模式下棉花生育期进程比较

由表1可知.2017年棉花出苗至现蕾时间不同种植模式间差异显著，麦棉套作时间最长，为40 d，麦后直播时间最短，为22 d。其原因可能是麦后直播棉的播期较晚，苗期阶段充足的土壤水分以及较高的日平均温度大大缩短其现蕾时间：而麦棉套作受麦棉共生期的影响，棉花生长较为缓慢，故所需现蕾时间最长。麦后直播棉现蕾至开花、开花至吐絮的时间均显著长于其他两种种植模式。

2018年，不同种植模式间棉花出苗至现蕾时间和开花至吐絮时间的变化趋势与2017年一致，但麦棉套作出苗至现蕾天数比2017年提前一周，为33d，麦后直播时间最短，为25d，原因可能是土壤水分充足的2018年更利于棉花现蕾。开花至吐絮阶段，3个处理到达吐絮期天数均较2017年明显缩短，麦后直播棉减少6d，麦棉套作减少7d，单作棉减少12d，这可能与两年的气候条件不同有关。

两年间，麦后直播棉的生育期均最长，且较为稳定，分别为122、123d；麦棉套作分别为121、109d，年度间差异较大，2018年较2017年少12d；单作棉差异较小，分别为106、101d。

2.2不同种植模式下棉田土壤水分含量空间变异特征

由表2可知，两年内不同种植模式下棉花不同生育时期土壤水分的最佳拟合模型均为高斯模型，R²整体均大于0.92，且RSS都较小，说明土壤水分在土壤内有着明显的空间连续性以及随空间变化的异质性。

两年间，棉花各生育时期土壤水分含量半方差函数C₀均小于0.001，土壤水分含量趋于稳定，表明由随机因素引起土壤水分变异的可能性较小。与2017年相比，2018年麦后直播棉与单作棉土壤的C/Sill值整体呈下降趋势，除吐絮期外，两种种植模式均呈现出由强自相关性向中等自相关性变化的居多；麦棉套作则呈强自相关性居多。

不同种植模式下棉花不同生育时期土壤水分含量半方差函数的A₀值均大于实际采样间距20cm，表明棉田土壤水分具有很好的空间结构，可以准确反映出土壤水分空间变异特征，且两年间三种种植模式棉田的整体变化趋势基本一致。

2.3不同种植模式下棉田土壤水分空间分布特征

麦棉套作模式下麦棉共生期小麦、棉花及不同种植模式下棉花现蕾期土壤水分空间分布等值线见图2。

从图2A、D可以看出，麦棉套作的土壤含水量（SWC）相对较少，虽然与其他两种模式取样时间不同，但小麦对棉花苗期土壤水分的影响明显：土壤水分流失较快，靠近棉行位置的土壤含水量明显低于麦行位置，且土壤水分变化较快：且由于两种作物对土壤水分竞争的原因，使得60cm土层以下土壤水分空间分布等值线呈现明显的“几”字形。

相比于同时期的麦后直播棉（图2B、E），单作棉对土壤水分的消耗更多集中在30 cm土层附近（图2C、F）；麦后直播棉播期较晚，其苗期（两年均为6月20日）正值雨季且有小麦收获后的残留秸秆覆盖，有效减少了土壤表面的蒸发作用，使得麦后直播棉的行间小麦秸秆覆盖区域土壤水分含量明显高于单播棉的棉花行间空白区域。

由图3（A、B、D、E）可以看出，花铃期麦棉套作和麦后直播种植模式下，地表的小麦秸秆起到一定的保水保墒作用，有效避免了更多的水分消耗，其20 cm土层处土壤含水量明显高于单作土壤，麦棉套作土壤水分已恢复至与其他两种模式相当的水平。由图3（C、F）可以看出，单作棉花对土壤水分的消耗更多集中在40 cm的土层附近，更深土层的变化不明显。

由图4可知，棉花吐絮期土壤水分含量明显减少，表明棉花花铃期至吐絮期的水分消耗量比较大。花铃期至吐絮期是棉花需水敏感期，土壤水分含量的多少可间接说明棉花植株的生物量积累情况。

由图4A、D可以看出，麦棉套作处理棉花吐絮期再次出现“几”字形土壤水分空间构型，这与麦棉共生期时与小麦的水分竞争有着密不可分的联系。麦棉共生期是小麦的近成熟期，此时苗期的棉株只能向更深层次的地下获取足够的水分来供应生长。

麦后直播棉的吐絮期较其他两个种植模式约晚30 d。由图4B、E可以看出，距地表50 cm土层处存在着一部分湿润带，除小麦秸秆保水保墒的原因外，可能也是棉株对土壤水分获取较少、生物量积累较低的一个表现。

由图4C、F可以看出，单作棉土壤水分流失主要集中在距地表50 cm的土层，等值线的紧凑表明根系附近土壤水分的变化更加剧烈。

综上，2017年和2018年，三种种植模式下棉花各生育时期都有着相似的土壤水分运动轨迹，排除环境因素的影响，棉株对土壤水分获取的趋势相近，土壤水分空间分布基本保持一致。

3讨论

3.1不同种植模式下棉田土壤水分空间异质性

土壤水分的量化有助于提高现代化农场的管理技术以及水分利用效率，可为农田智能精准灌溉提供数据支持。土壤水分具有明显的时空异质性，拥有较高的研究价值和应用潜力。但当前对土壤水分量化后的分析处理较少，因此，对土壤水分空间分布状况进行模拟、了解麦棉水分时空竞争机制、探究两熟种植和单作种植的空间异质性具有重要意义。史丽丽等研究认为，连续取样获得的土壤水分时空异质性数据更有说服力：也有学者研究发现，土壤水分的空间异质性受到多种因素的影响。本试验连续取样的土壤水分含量半方差函数的块金值（C₀）均较小，表明采样点土壤水分获取时的误差较小：半方差函数变程（A₀）均远远大于实际采样间距，因此本试验的取样点完全可以表达土壤水分空间结构。

3.2不同种植模式下棉田土壤水分含量变化

棉花各生育时期的需水梯度依次为花铃期gt;蕾期gt;出苗期gt;吐絮期gt;播种期，由于种植制度、生长状况、气候条件等因素不同，棉田土壤水分空间分布也有不同。麦棉套作存在小麦棉花共生期，使得其土壤水分空间分布明显异于其他两种种植模式：麦棉共生期为棉花苗期以及小麦生殖生长旺盛时期，耗水量较大，土壤失墒快，棉花幼苗根系向更深的土层汲取水分，土壤水分含量等值线呈现“几”字形。蔡忠民等研究发现，麦棉共生期间0～40cm土层的土壤含水量变化剧烈，40～100 cm土层为较剧烈变化层，这与本试验结果基本一致：麦后直播棉蕾期0～40 cm土层土壤含水量最高，除了播期较晚的因素外，雨季来临和小麦秸秆覆盖是其含水量高的主要原因，此时期水分充足可保证棉花地上部植株的生殖生长和地下部根系的平稳发育：花铃期蕾铃增多，叶片增大，生殖生长旺盛，蒸腾作用加剧，使土壤水分消耗增加。本研究表明，单作棉花花铃期10～40 cm土层土壤水分运动加剧，因没有小麦秸秆保护使得土壤水分蒸发明显：进入吐絮期后，土壤含水量的空间分布情况侧面证实了棉花植株的生物量积累情况，这与肖绪培等的研究结果基本一致。

综上可知，土壤水分的空间分布受多种因素共同影响，本试验条件下，种植模式是最直接的影响因素。麦棉套作模式下“几”字形土壤水分含量等值线的出现，表明棉花根系发育与土壤水分空间分布呈显著的正相关关系，因此在相同生育期内，不同种植模式棉田土壤水分空间分布差异明显。

4结论

土壤水分空间分布具有高度空间异质性，且随时间的变化而变化。本研究得出，两熟种植模式可有效缓解土壤水分蒸发，提高水分利用效率，且其对土壤水分消耗的影响主要集中在10～50cm土层中，对更深层次土壤水分的影响不明显。