密度和灌溉定額互作對76 cm等行距機采棉田水分分布及利用的影響

程少雨，林 濤，吳鳳全，侯培珂，張麗瑩，湯秋香

(1.新疆農業大學農學院，烏魯木齊 830052；2. 新疆農業科學院經濟作物研究所，烏魯木齊 830091；3. 農業部荒漠綠洲作物生理生態與耕作重點實驗室，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】種植模式優化是棉花機械采收環節農機農藝融合的重要措施[1]。76 cm等行距“1膜3行”機采棉種植模式，可有效解決機采棉與采棉機不配套、采收后籽棉雜質含量超標等問題[2]。76 cm等行距種植有利于提升機采棉品質，但也存在密度降低和株型結構變化帶來產量不穩定等問題[3]。分析密度和灌溉定額互作對76 cm等行距機采棉田水分分布及利用的影響，對完善76 cm等行距機采棉配套技術有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】與“1膜6行”相比，“1膜3行”76 cm等行距機采棉增加了行距，縮短了株距，加劇棉株群體株間競爭，使地下根系部分和地上冠層重新分布[4-5]，直接影響土壤水分分布與利用[6]。合理密植是實現棉花高產高效的前提[7]，種植密度嚴重影響棉花的采收品質[8]。朱文美[9]、田文仲[10]、張文斌[11]等研究得出，種植密度對耗水量沒有明顯影響，但是增加種植密度可以降低群體棵間蒸發，增加對深層土壤水分的利用，提高水分利用率。灌溉定額是影響土壤水汽干濕排列對耗水產生重要作用的調控因子。姚明澤[12]、馬興華[13]等研究表明，隨灌溉定額的增加，土壤含水率、作物耗水量明顯增加，水分利用率明顯降低；水分匱缺導致氮肥利用率降低[14-15]，而影響產量?！颈狙芯壳腥朦c】前人研究主要針對其他作物或者其他棉花種植模式，而針對“1膜3行”76 cm等行距機采棉密度和灌溉互作對土壤水分的影響則鮮見文獻報道。需研究在76 cm等行距種植模式下，不同種植密度和灌溉定額對棉田土壤水分分布與變化及水分利用率的影響?！緮M解決的關鍵問題】設置3個密度主區和3個灌溉定額副區，采用雙因素裂區試驗，研究76 cm等行距機采棉種植密度和灌溉模式，為優化機采棉種植密度和灌溉措施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2020年設在新疆阿瓦提縣農業農村部荒漠綠洲作物生理生態與耕作重點實驗室野外觀測站(40°06' N、80°44' E，海拔1 025 m)，溫帶大陸性干旱氣候，年均氣溫10.4℃，≥10℃年積溫為3 988℃，日照時數2 679 h，無霜期211 d，年平均降水量46.7 mm，蒸發量2 900 mm，蒸發降水比>50。供試區0～40 cm深度土壤質地為粉砂壤土，平均干容重為1.5 g/cm3田間持水率(質量分數)為22.5%，凋萎系數7.3%，土壤有效水15.2%。土壤中有機質10.6 g/kg，全氮1.8 g/kg，堿解氮43.8 mg/kg，速效磷21.4 mg/kg，速效鉀207.5 mg/kg，總鹽分1.02%。地下水位40～50 m。

供試棉花品種為新陸中88號(新疆農業科學院經濟作物研究所提供)，4月13日播種，9月30日收獲。底肥一次性投入磷酸二銨(P2O553.8%，N 21.2%)450 kg/hm2，硫酸鉀(K2O 51%)75 kg/hm2，尿素150 kg/hm2(N 46.4%)。采用“1膜3行”76 cm等行距機采棉配置模式，地膜幅寬2.05 m，機械覆膜打孔，人工點播，每穴放入3～4粒種子，出苗后保留1棵健壯植株，其余拔除。表1，圖1

表1 2020年棉花全生育時期劃分Table 1 Division of growth period for cotton in 2020

圖1 76 cm等行滴灌距株行配置及TDR剖面土壤水分測量系統位點Fig.1 Line configuration of 76 cm isospaced plants and site map of soil moisture measurement system in TDR profile

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用雙因素裂區試驗，密度為主區，分別是13.5×104株/hm2(低密度，M1)、18×104株/hm2(中密度，M2)和22.5×104株/hm2(高密度，M3)；灌溉定額為副區，分別是3 150 m3/hm2(重度虧缺，50%ETC，W1)、4 050 m3/hm2(輕度虧缺，75%ETC，W2)和4 980 m3/hm2(充分灌溉，100%ETC，W3，由渦度協方差系統測得作物需水量)。每3個播幅為1個試驗小區，長7 m，寬6.5 m，面積45.5 m2，重復3次。滴灌帶間距76 cm，滴頭間距25 cm，滴頭流量2.1 L/h。生育期采用“1水1肥”灌溉施肥方式，追施尿素450 kg/hm2，所有小區灌溉和施肥頻率均為7 d/次，6月20日滴頭水，8月22日停水。每個小區采用水表和開關單獨控水，小區邊界挖0～50 cm窄溝，采用PVC薄板阻隔。小區的第1膜和第3膜為保護行，第2膜為定點調查和取樣位點，其它管理參照常規大田進行。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 土壤體積含水量

采用TDR時域反射儀(TRIME-PICO-IPH, IMKO GmbH, Germany)自播種至收獲，每7 d測定1次土壤體積含水量(Soil water content, SWC)。測定位點位于每個標準種植單元中軸線和行間中軸線的滴頭下向。土壤剖面測深為80 m，每10 cm為1層，重復3次計數，取平均值測，降雨和灌溉前后加測1次。

1.2.2.2 土壤含水率均勻系數

土壤含水率分布均勻性用克里斯琴森均勻系數Cu[16]表示。

(1)

1.2.2.3 作物實際蒸散耗水量

采用水量平衡法[17]計算作物實際蒸散耗水量(Actual crop evapotranspiration,ETa)。

(2)

式中：i—土壤層次號數(無量綱)；n—土壤層次總數(8層)；Hi—第i層土壤厚度(10 cm)；θi1—第i層土壤初時段體積含水率(%)；θi2—第i層土壤末時段體積含水率(%)；I—時段內灌水量(mm)；Pr—時段內有效降水量(mm)；V—時段內地下水補給量(mm)；D—深層土壤水分滲漏量(mm)；R—地表徑流量(mm)。

試驗區降雨量很小，地塊平整，單次滴灌后土壤水分小于田間持水量，地下水埋深在5 m 以下，無地下水補給，公式簡化如下。

1.2.2.4 日耗水強度

計算日耗水強度(Daily water consumption intensity，DWC)。

DWC=ETa/d.

(3)

式中:ETa—階段耗水量(mm)；d—歷經時間(d)。

1.2.2.5 產量

9～10月，選擇66.7m2區域手工采摘，測量曬干后的最終產量(濕度≤11%)。隨機挑選植株30株，按照上(7以上果枝)、中(4～6果枝)、下部(1～3果枝)區分，各隨機采摘50鈴，用于計算單株結鈴數、單鈴重、衣分率等指標。

1.2.2.6 水分利用效率

計算棉田蒸散水分利用率( Water use efficiency WUE)。

WUE(kg/mm)=Y/ETα.

(4)

式中:Y—單位面積的籽棉產量(kg/hm2)；ETα—棉田耗水量(mm)。

1.2.2.7 氣象數據

降水量、氣溫等氣象參數均由站點高精度自動氣象站測定，該氣象站采用10 HZ頻率采集原始數據，并提供30 min的計算均值。圖2

注：Ta ave、Ta max、Ta min分別為氣溫平均、最大、最小，Rian為將于灌水量

1.3 數據處理

采用SPSS v.22.0LSD法進行數據差異顯著性分析(P<0.05)。采用SigmaPlot v.12.0和Golden Surfer v.15.0輔助分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 密度和灌溉定額對棉田土壤含水率的影響

研究表明，同一種植密度下，灌溉定額間土壤含水率有明顯差異性。灌水后各處理土壤含水率明顯上升，生育后期停止灌水后，土壤含水率逐漸下降。同一種植密度處理下，灌溉定額增加使得土壤含水率顯著增加，W3處理土壤含水率相比較W2、W1分別提高4.7%、11.49%；在同一灌溉處理下，M1、M2、M3處理土壤含水率分別是24.10%、24.41%、24.81%，土壤含水率呈現隨密度的增加而增加。密度和灌溉定額的互作表現出隨密度的升高，3個灌溉定額處理之間土壤含水率差異減少；以低密和超量灌溉組合土壤含水率最高，達到26.47%。隨灌溉定額的增加，土壤含水率顯著升高，而種植密度之間則無顯著性差異，兩因互作以低種植密度與充分灌溉組合土壤含水率最高。隨密度和灌溉定額的增加，土壤含水率越高，以低密和充分灌溉組合土壤含水率最高。表2、圖3

表2 不同密度和灌溉定額下0～80 cm土層棉田土壤含水率方差Table 2 Analysis of variance of soil moisture content of cotton field with 0～80 cm soil layer by density and irrigation quota

圖3 不同密度和灌溉定額下棉田土壤含水率變化Fig.3 Effects of different density and irrigation quota on soil moisture content in cotton fields

2.2 密度和灌溉定額對棉田土壤水分分布影響

研究表明，灌溉定額的增加提高了土壤水分縱向運移能力；在同一種植密度處理下，W1、W2和W3處理下層(40～80 cm)土壤含水率分別較對應上層(0～40 cm)土壤含水率高3.95%、4.33%和5.32%。種植密度增加顯著降低了水分縱向運移能力；在同一灌溉處理下，M1、M2和M3處理的下層(40～80 cm)土壤含水率分別較對應的上層(0～40 cm)土壤含水率高5.27%、4.60%和3.73%。灌溉定額增加顯著增加了水分的縱向運輸能力，使下層土壤含水率升高；而隨種植密度的增加，則完全相反。圖4

圖4 不同密度和灌溉定額下棉田土壤水分分布變化Fig.4 Effects of different density and irrigation quota on soil moisture distribution in cotton fields

密度、灌溉定額和密度與灌溉定額互作對土壤水分分布均勻度均有顯著影響。密度增加有利于水分均勻分布，M1、M2和M3處理0～80 cm的水分均勻度分別達到0.87、0.88和0.90；W1、W2和W3處理水分均勻度分別是0.87、0.90和0.89，隨灌溉定額的增加水分分布越均勻，但是灌溉定額過大時，由于水分縱向運移能力增加，反而不利于水分分布的均勻性。兩因素互作，以M2W2處理組合最高，達到0.93。密度的增加使土壤水分分布越均勻，而隨灌溉定額增加水分分布則呈先升高后降低趨勢，兩因素交互以中密與輕度虧缺灌溉土壤水分分布的均勻性最高。表3

表3 不同密度和灌溉定額下棉田土壤水分分布均勻系數變化Table 3 Influence of density and irrigation quota on the uniformity coefficient of soil moisture distribution in cotton fields

2.3 密度和灌溉定額對產量和棉田水分利用的影響

研究表明，密度和灌溉定額以及兩因素互作對棉田產量有顯著影響。在相同灌溉處理下，隨密度的上升，產量顯著降低；在M1和M2密度處理下，產量隨灌溉定額的增加而增加；在M3處理下，隨灌溉定額的增加，產量呈下降趨勢。以M1與W3組合產量最高，達到4 752 kg/hm2，與M3和W1組合之間差異不顯著。

灌溉定額對棉田耗水量有顯著性影響，而棉田耗水量不受密度和密度與灌溉定額互作的影響。M3處理耗水量顯著小于M1、M2處理，而耗水量隨灌溉定額的增加而顯著增加。兩因素交互以M3與W1組合耗水量最低，為337.59 mm。密度和灌溉定額以及其交互對水分利用率有顯著影響。在相同灌溉處理下，隨密度的升高水分利用率呈先升高后降低趨勢；而相同密度處理下，水分利用率隨灌溉定額增加顯著降低。M3與W1處理組合水分利用率最高，為13.72 kg/(hm2·mm)。表4

表4 不同密度和灌溉定額下棉田土壤水分利用變化Table 4 Influence of density and irrigation quota on soil water use in cotton fields

研究表明，M1W1、M1W3棉田實際耗水量低于模擬值，M1W1、M1W3、M2W3、M3W1、M3W2、M3W3處理棉田實際水分利用效率高與模擬值。其中M3W1組合在具有高水分利用率優勢的同時，還高出模擬值10.18%。灌溉定額的增加顯著增加了低、中密度種植棉田產量，但在高密度種植則相反；耗水量隨灌溉定額的增加而增加，水分利用率則降低；密度的增加，耗水量呈先升高后降低，而水分利用率則相反；兩因素交互以高密與重度虧缺灌溉組合水分利用率最高，并超過模擬值，且產量相對較高。圖5

圖5 不同密度與灌溉定額下棉田耗水量、水分利用率三維響應面定量回歸模型Fig.5 Three-dimensional response surface quantitative regression model of density and irrigation quota on cotton field water consumption and water utilization ratio

3 討 論

3.1 密度和灌溉定額對棉田土壤含水率的影響

試驗結果表明，隨著棉花生育進程的推進和灌水次數的增加，整個棉花生育期內土壤水分含量呈遞增趨勢；棉田土壤含水量隨灌溉定額的增加而增加，W3處理相比較W2、W1分別提高4.7%、11.49%，灌溉定額使得土壤含水量明顯增加，姚明澤[12]對南疆機采棉膜下滴灌土壤水分運移特征、耗水規律及產量品質研究表明，不同灌溉定額對表層土壤含水率影響最大，與試驗得出的結論基本一致。土壤含水量隨密度的升高而增加，但是3個密度之間差異不顯著。雖然有地膜覆蓋，但是密度增大帶來的棉株群體冠層增大的遮蔽效果依然大于群體增大帶來的耗水量的增加[18]，高密種植有益于減少棉田無效耗水[19]。

3.2 密度和灌溉定額對棉田土壤水分分布影響

棉花根系主要分布在0～40 cm土層，水分在土層中的分布直接影響根系對水分的吸收。試驗結果表明，隨灌溉定額的增高下層土壤含水率以及占比明顯升高，隨灌溉定額的增加使土壤水分縱向運移能力增加，水分向下層土壤聚集，使土壤深層含水量增加，易形成無效水，不利于水分高效利用[20]。張前兵[21]和Nasrin Azad[22]研究表明，隨灌溉定額的增加，水分縱向運移能力增加，使得水分向下層土壤運移，導致下層土壤含水量增加，與試驗得出的結論一致。隨密度的升高土壤水分向上層土壤運移，上層土壤含水量增加，有利于水分被棉花吸收利用。與楊林川[23]在半干旱區壟溝結構和密度對土壤水熱及春玉米產量的調控的影響的研究中一致。

滴灌是實現節約用水、提高水分利用率的重要措施[24]。試驗研究表明，隨密度的升高，水分在0～80 cm土壤水分分布越均勻，達到0.9左右[25]。主要是由棉株群體的蒸騰拉力引起的，密度升高群體蒸騰拉力增大，導致水分向上運移，而下層土壤含水量偏多，故使得水分分布的更加均勻。隨灌溉定額的增加，均勻系數增加，而灌溉定額過大時，均勻度反而降低，是由于水分縱向運移能力弱，灌溉后水分大量在上層土壤聚集，使得均勻度降低；而灌溉定額過大時，水分縱向運移能力增大，水分向下層土壤聚集，使得均勻度降低。以M2W2處理最高，兩因素交互能力明顯，是由于在中等密度和中等灌溉定額時棉株群體拉力與灌溉定額的縱向運移能力達到平衡。

3.3 密度和灌溉定額對棉田產量及水分利用的影響

試驗研究表明，以高密與減額灌溉組合和低密與超量灌溉產量最高。高密對水分匱缺和超量灌溉對低密有補償效應，與Zhang D[26]得出結論一致。在有限的水資源中提高單位水的生產力是保證農業可持續發展的重要因素[27]。研究表明，隨灌溉定額的增加，棉田耗水量明顯增加，不過增加幅度低于灌溉定額增加的幅度。灌溉定額的增加，并未全部被棉株群體吸收利用，留下一部分在土壤中，造成水資源的浪費。王亮[28]在殘膜量和灌溉量對棉田水氮利用特征的影響及其生理機制研究，在膜下滴灌條件下滴水量和滴水頻率對棉田土壤水分分布及水分利用效率的影響[29]，隨灌溉定額的增加，作物耗水量明顯增加[30]，與試驗結論一致。密度以中密處理耗水量最高，高密耗水量最低，但是各密度之間沒有顯著性差異。原因是高密棉株群體冠層結構較大，在生育后期可有效減少地表蒸發。Barbieri等[31]研究發現，種植密度的提高顯著提高了耗水量，與試驗研究相反；Jiang等[32]研究認為，種植密度對于耗水量沒有顯著。密度和耗水量關系取決于種植密度對蒸散作用的增加量和對田間蒸發量的減少量之間的差異程度。試驗設在新疆南疆，空氣干燥，雖然有地膜覆蓋，但是田間蒸發依然很強烈，高密降低了地表蒸發，故密度的升高降低了耗水量。

試驗研究表明，隨灌溉定額的增加，水分利用率越低。牛玉萍[33]研究顯示有限滴灌顯著提高了棉花的水分利用效率(WUE)，與研究結論一致；作物的產量和水分利用效率隨灌溉量的增加而升高[34]，與試驗結論不一致，原因一是雖然灌溉量增加，產量也增加，但是產量增加幅度較小，二是密度對水分匱缺有補償效應，使得在水分匱缺狀態下也能獲得相對較高的產量。試驗研究表明，密度對水分利用率的影響，以高密水分利用率最高，中密度最低。而灌溉水利用則呈現隨密度增加，灌溉水利用率升高。孫仕軍等[35]研究也表明增加種植密度，可以顯著增加水的利用效率。主要是由于高密種植對水分匱缺有明顯的補償效應，充分利用棉花抗旱性能，獲得相對較高產量和最高水分利用率。

4 結 論

4.1隨密度和灌溉定額的增加，土壤含水量升高，兩因素交互以M3W3處理含水量最高。

4.2隨密度的增加，水分向縱向運移能力減弱，使下層土壤含水量相對降低，而灌溉處理則相反；隨灌溉定額的增加，水分整體分布均勻度呈現先升高后降低的趨勢，隨密度的增加，水分分布越均勻，密度和灌溉定額互作表現出以M2W2處理最高，達到0.93。

4.3隨灌溉定額的增加，耗水量越高，水分利用率越低；密度對棉花耗水量沒有顯著性影響，但是M3處理對耗水量最低，水分利用率最高，M2耗水量最高，水分利用率最低；兩因素交互以M3W1耗水量最少，水分利用率最高，并且超出模擬值。以低密與超量灌溉組合棉田產量最高，但是與高密和減量灌溉組合之間差異不顯著。高密種植和重度虧缺灌溉組合，有利于機采棉產量和水分利用率的提高。