膜下滴灌水氮空間調控對機采棉群體塑造及產量的影響

蒲勝海，王則玉，丁 峰，牛新湘，金秀勤，馬紅紅，馬興旺，李 磐，彭銀雙，劉小利，涂永峰，趙冬梅，李小偉，李韻同

（1.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091；2.農業農村部西北綠洲農業環境重點實驗室，烏魯木齊 830091；3.新疆慧爾農業集團股份有限公司，新疆昌吉 831100；4.新疆農業大學資源與環境科學學院，烏魯木齊 830052；5. 烏魯木齊京誠檢測技術有限公司，烏魯木齊 830000）

0 引言

【研究意義】新疆是我國優質商品棉主產區[1]。2020年新疆棉花播種面積占全國的78.9%，其中采用機采棉種植模式為85%[2]，機采率為69.83%[3]。水氮空間調控是實現機采棉理想群體塑造的有效途徑之一。研究水氮空間分布對機采棉群體塑造的調控效應，對于建立和完善與機采棉生產相匹配的水氮管理措施具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】采棉機對棉花個體和群體性狀有其特有要求[4]，合理的水肥運籌可以構建適宜機采棉花群體和個體結構，也能促進棉花早熟，提高棉花產量和品質[5-6]。氮素對營養器官、生殖器官和地上部干物質積累量的影響極顯著，水分對生殖器官和地上部干物質積累量影響極顯著[7]。棉花膜下滴灌施氮條件下，提高灌溉量能顯著提高株高、葉片數、干物質積累量和結鈴率[8]，隨施氮量的增加各項生理指標呈現先增大后降低的趨勢，施氮過高會抑制了棉花的生長[9]。灌水與施用氮肥在促進機采棉干物質積累、氮素吸收、單鈴重及產量方面有顯著耦合效應[5，8]，存在最優水氮組合，但其值會因氣候條件、土壤肥力、目標產量等不同而有所差異[9-15]。Yudhveer等[16]研究表明，當施肥量在80～200 kg/hm2變化時，高灌溉量下對應籽棉產量逐漸增加，低灌溉量下籽棉產量先增加后減少。在膜下滴灌條件下，忠智博[10]認為新疆北疆地區棉花最優水氮組合為3 750 m3/hm2和施氮量262.5 kg/hm2。賀懷杰[9]提出石河子地區最優水氮組合為灌水量5 250m3/hm2和施氮量500 kg/hm2。李越鵬[17]綜合高產、節肥和水氮利用效率等因素，種植密度26×104株/hm2、生育期灌水100%ETC（3 200 m3/hm2）和施氮量300 kg/hm2是新疆南疆棉花膜下滴灌水氮管理的最優組合?！颈狙芯壳腥朦c】現階段棉花滴灌主要集中于合理滴灌量或施肥量或者二者耦合之間的研究，而對于等量灌水下棉花水氮空間調控的研究較少[18]，且其對機采棉株型塑造的影響有待于進一步研究。亟需研究水氮空間耦合效應對機采棉群體塑造及產量形成的影響，并提出適合機采棉生長的最優水氮空間分布?！緮M解決的關鍵問題】選擇棉花機采棉品種新陸中66號，采用裂區試驗設計，測定分析群體指標、葉面積指數、干物質積累、產量和氮肥農學效應，篩選出適合新疆機采棉種植主栽模式（10cm-66cm-10cm-66cm-10cm）的水氮空間調控措施。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗在新疆庫爾勒市包頭湖農場農業農村部西北綠洲農業環境重點實驗室研究示范基地（E 85.87°，N 41.68°）進行。試驗區屬于典型干旱氣候，年平均降雨量56.2 mm，年平均蒸發量2 497.4 mm，年均日照時數2 878 h，≥10℃積溫4 252.2℃，無霜期205 d，地下水位6.0～8.5 m，灌溉農業，棉花多年連作壤土，中等肥力，0～30 cm土壤有機質9.4 g/kg，速效氮47.4 mg/kg，速效磷18.7 mg/kg，速效鉀131 mg/kg。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

供試材料為新陸中66號。采用裂區設計，主區為膜內滴灌帶鋪設條數：2、3和5條，分別用G2、G3和G5表示。施氮量為副區，設4個梯度：0、238（優化施純氮量的0.75 倍）、317（優化施純氮量）和396（優化施純氮量的1.25 倍）kg/hm2，分別用N0、N1、N2和N3表示，試驗共12個處理，重復3 次，共36個小區，小區面積均為22.8 m2。4月17日基肥施總氮肥用量的20%，磷肥P2O5為195 kg/hm2和鉀肥K2O 為75 kg/hm2。4月18日人工播種，種植模式1 膜6 行，行距配置為66 cm+10 cm，株距為9.5 cm。采用膜下滴灌，供試滴灌帶滴頭間距為30 cm，滴頭流量2.8 L/h。各處理灌溉定額均為4 800 m3/hm2，共滴水9次，從6月中旬蕾期滴頭水，灌水周期7～10 d，用水表控制灌水量；氮肥用量的80%氮肥分6 次隨水滴施，用施肥罐控制施肥。其他管理措施同大田，7月12日打頂。表1

表1 生育期灌水定額及氮肥施用比例Table 1 Irrigation quota and nitrogen fertilizer application ratio in growth period

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 群體指標

每小區選取具有代表性的連續10 株棉花掛牌標記，分別在棉花各生育期對株高、莖粗、倒四葉寬、主莖葉數、果枝始節高度、果枝數、葉面積。其中，株高、倒四葉寬、果枝始節高度用直尺測定，莖粗用游標卡尺測定，葉面積是在棉花各生育期采用長寬系數法活體測定。圖1

圖1 不同種植模式示意Fig.1 Different planting modes in cotton field

1.2.2.2 干物質積累

在棉花吐絮期分別從試驗地各小區內選擇長勢均勻且具有代表性的3個棉花植株（苗期取10株），將棉株子葉結以下部分剪除，按照莖、葉、蕾、花、鈴殼、籽棉等不同器官用剪刀分離，剪碎后裝進牛皮紙袋，放入烘箱105 ℃殺青30 min，再調至80 ℃烘干至恒重，用百分之一天平稱重并記錄。存放干燥處保存，用于植株全氮含量測定。

1.2.2.3 產量及其構成

在棉花吐絮期，調查各試驗小區內的總鈴數和總株數，計算單株結鈴數，并實收計產。各處理分3 次收取棉株上、中、下部50個正常吐絮的棉鈴，測定單鈴重后扎花，測定計算籽棉重、皮棉重、衣分等產量性狀。

1.3 數據處理

數據采用Excel 2016、Origin8.6 和SPSS 25.0進行處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 水氮空間調控對機采棉群體塑造的影響

研究表明，施氮量對機采棉群體塑造影響極顯著，膜內滴灌帶布置條數對莖粗和果枝始節高度有顯著影響。當滴灌帶條數相同時，隨著施氮量的增加，株高、莖粗、倒三葉寬、果枝始節高度和果枝數呈逐漸增加的趨勢。在相同施氮量下，隨著滴灌帶條數的減少，株高、莖粗、倒四葉寬、果枝始節高度和果枝數呈逐漸減少的趨勢，僅在N1和N2水平下，果枝始節高度達到顯著差異，其余各指標之間差異不顯著。滴灌帶條數和施氮量對機采棉群體塑造的交互效應對果枝始節高度具有顯著差異。表2

表2 水氮空間調控下機采棉群體塑造變化Table 2 Machine-picked cotton population shaping with different spatial distribution of water and nitrogen

2.2 水氮空間調控對機采棉葉面積指數的影響

研究表明，機采棉葉面積指數隨著生育期推進呈現逐漸增加趨勢，花鈴期達到峰值。在蕾期，各處理間機采棉葉面積指數無顯著差異。在花鈴期、盛鈴期和吐絮期，機采棉葉面積指數隨著施氮量和布管條數的增加而增加。在滴灌帶布設條數相同時，施氮處理與不施氮處理間有顯著差異。在相同施氮量下，隨著滴灌帶條數的增加，葉面積指數間增加趨勢越明顯，進入吐絮初期G5與G3、G2顯著達到水平。水氮空間調控對機采棉生育中后期葉面積指數有顯著影響，增加布管數量和施氮量可增加機采棉的葉面積指數。圖2

圖2 水氮空間調控下棉花葉面積指數變化Fig.2 Effect of water and nitrogen regulation on cotton leaf area index

2.3 水氮空間調控對機采棉地上部分干物質積累的影響

研究表明，相同布管條數下，機采棉吐絮期地上部分干物質積累量隨著施氮量的增加而先增后降，表現為N2＞N3＞N1＞N0，各施氮處理間存在顯著差異。G5條件下，N1、N2、N3較N0處理分別增加81.10%、108.06%、96.52%；G3條件下，N1、N2、N3較N0處理分別增加79.89%、105.01%、97.86%，存在顯著差異；G2條件下，N1、N2、N3較N0處理分別增加81.01%、102.56%、96.74%。在相同施氮量條件下，增加布管條數，地上部分干物質積累量有增加的趨勢，但不顯著。合理施氮和增加滴灌帶數量可進一步提高棉花地上部干物質積累量。圖3

圖3 水氮調控下機采棉地上部干物質積累量變化Fig.3 Effect of water and nitrogen regulation on dry matter accumulation in the aboveground

2.4 水氮空間調控對機采棉產量及氮肥農學效應的影響

研究表明，相同布管條數下，單株鈴數、單鈴重、衣分和籽棉產量均隨著施氮量的增加而呈單峰趨勢，在N2水平下有最大值。N2、N3與N1、N0處理間均存在顯著差異。在N0、N1水平下，滴灌帶條數對單株結鈴數和單鈴重影響較小。在N2、N3水平下，單株結鈴數和單鈴重表現為G5＞G3＞G2，且在G5與G2之間單株結鈴數差異顯著。在N1、N2和N3水平下，籽棉產量隨著布管數量的增加而增加，G5與G2之間產量差異顯著。氮肥農學效應為N1≈N2＞N3，且與N3之間達到顯著差異。各處理間衣分未有顯著差異。滴灌帶條數和施氮量對機采棉產量的交互效應顯著。表3

表3 水氮空間調控下機采棉產量及氮肥農學效應變化Table 3 Effect of water and nitrogen regulation on yield and agronomic effects of N fertilize

3 討論

棉花的生長發育對水氮較為敏感，水氮調控能有效影響適宜機采農藝性狀，株型塑造和群體冠層結構，影響棉花機采質量和產量[19]。新疆機采棉普遍使用膜下滴灌技術[20]，容易出現早衰現象，其主要原因是棉田水氮調控不當[21]。改變滴灌帶配置間距是調節膜下滴灌土壤水氮空間分布的重要手段[18]。研究結果顯示，機采棉從蕾期開始進行水氮空間調控，進入花鈴期后，在相同施氮水平下，機采棉株高、莖粗、倒三葉寬、果枝始節高度和果枝數等指標的對滴灌帶間距的調控效果表現為G5＞G3＞G2，通過改變滴灌帶間距能有效塑造棉花群體。滴灌是局部灌溉技術，其有限的土壤濕潤區對田間作物根系生長及植株長勢都有影響。在相同灌水定額下，增加滴灌帶條數，可形成寬淺型土壤濕潤區，其土壤水分水平分布均勻性較好，使田間棉花根系的分布和植株生長均勻性較高；相反減少滴灌帶條數，可形成窄深型土壤濕潤區，其土壤水分水平分布均勻性較差，使田間棉花根系分布和植株生長均勻性低[22]。灌棉花根量在土層深度方向上的分布表現為負指數關系[23]，即土壤表層根量大，而越向深層棉花根量越少。機采棉根系主要垂直方向主要分布0～40cm深土層內[24]，寬淺型土壤濕潤區將更有利于棉花對水分吸收，促進棉花生長。

適宜的施氮量一定程度上能夠促進棉花植株生長進一步提高產量，過量施氮會產生抑制作用[9]。研究表明，氮肥對機采棉群體指標、產量及其構成等指標（衣分除外）的影響均達到極顯著，調控效應強于滴灌帶布置間距。在相同的滴灌帶間距下，棉花群體指標均表現為：隨著施氮量的增加，株高、莖粗、倒三葉寬、果枝始節高度和果枝數呈逐漸增加的趨勢，與王燕等[19]研究結果不一致，可能原因是試驗高施氮水平處理設置過少，導致趨勢拐點未顯現。在相同的滴灌帶間距下，機采棉地上部分干物質積累量、棉產量及其構成均隨著施氮量的增加而呈單峰趨勢，在N2水平下有最大值，與文獻研究結果一致[8，19，25]。

水氮之間有明顯的互作效應[26]，合理的水肥運籌可以構建作物合理的群體和個體結構，為收獲奠定基礎[5，15，27-28]。馬興旺等[29-30]研究表明棉花生育不同精細化水肥運籌可以顯著調控棉花株寬、果枝始節高、棉鈴分布等機采性狀，最高果枝始節高度達到21.5 cm，適宜機械采收。研究表明，毛管間距和施氮量的交互作用對機采棉群體果枝始節高度、吐絮初期干物質積累量和產量的顯著影響。

通過水氮空間調控能有效構建棉花合理的群體和個體結構，但膜下滴灌條件下土壤水氮空間分布不僅受毛管間距和施氮量的影響，還受灌水定額、灌水周期、滴頭流量、滴頭間距、土壤質地、種植模式等因素的影響[22-23，31-34]，要因地制宜的選擇膜下滴灌系統關鍵參數和優化水氮管理，保證機采棉的優質高產高效。

4 結論

4.1 針對新疆機采棉種植主栽模式（10 cm-66 cm-10 cm-66 cm-10 cm），在膜內增加滴灌條數，可形成寬淺型土壤濕潤區將更有利于棉花對水分的吸收，促進棉花生長。在同一施氮水平下，機采棉株高、莖粗、倒三葉寬、果枝始節高度和果枝數等生長指標的對毛管間距的調控效果表現為G5＞G3＞G2。

4.2 與在膜內增加滴灌帶條數相比，氮肥對機采棉群體指標、產量及其構成等指標調控效應更明顯。在相同的膜內滴灌條數下，機采棉地上部分干物質積累量、產量及其構成均隨著施氮量的增加而呈單峰趨勢，在N2水平下有最大值，故推薦水氮組合為G5N2，但考慮增加滴灌帶條數會導致種植成本增加，可通過提高灌水頻率，減少單次灌水定額的方式，選用G3N2組合。

4.3 水氮空間分布的交互作用對機采棉群體果枝始節高度、吐絮初期干物質積累量和產量的影響差異顯著。在機采棉水肥運籌管理過程中，應合理優化水氮的空間分布，有助于塑造適宜機采的棉花群體性狀，進一步提高產量和氮肥利用效率。但膜下滴灌條件下土壤水分空間分布不僅受滴灌帶間距和施氮量的影響，還受灌水定額、灌水周期、滴頭流量、滴頭間距、土壤質地等因素的影響，要因地制宜的設計膜下滴灌系統和優化水氮運籌。