水氮調配對等行距機采棉土壤、葉片水分及棉鈴分布的影響

賀宏偉，張巨松，陳 振，卡地力亞·阿不都克力木 ，彭增瑩，劉 群，崔建平，林 濤，郭仁松

(1.新疆農業(yè)大學農學院/教育部棉花工程研究中心，烏魯木齊 830052;2.新疆農業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】近幾年推廣的1膜3行76 cm等行距棉花種植模式研究與示范，棉花株型滿足機采要求， 更適宜機械采收[1-3]。研究機采棉生育期合理的水氮投入比例，對于構建干旱區(qū)機采棉水肥管理技術，完善棉花高產(chǎn)高效栽培技術具有現(xiàn)實指導意義。【前人研究進展】水和肥是棉花生長不可缺少的2個因素，利用水肥之間存在的協(xié)同交互作用，進行水肥綜合管理，是保證棉花高產(chǎn)的重要手段[4]。作物生長的各個階段對土壤水分含量要求不同，適宜的灌水和施氮量可以保持土壤含水量和土壤中氮素含量[5]。合理水氮投入不僅可以提高水氮利用效率和產(chǎn)量， 也可起到節(jié)水調質作用[6]。過量的灌水和施氮不僅造成水肥資源的浪費， 還容易導致土壤鹽漬化進而使產(chǎn)量下降[7]。灌溉量為3 600～3 900 m3/hm2時水分利用效率可達到最佳，施氮量為276～360 kg/hm2時氮肥利用效率呈增加趨勢[8]；施肥量在320 kg /hm2時，棉花增產(chǎn)率及氮肥農學利用效率最高[9]。棉花滴灌條件下，氮素吸收量與施肥量和灌水量呈正相關關系，減少施氮量，增加灌水量，水分利用效率會降低，但氮肥利用效率會提高[10-11]。水氮最優(yōu)結合是作物獲得高產(chǎn)的前提，也是節(jié)約水資源和減少氮肥施用量的措施[12]。【本研究切入點】現(xiàn)階段棉花滴灌主要集中于不同滴灌量或不同施肥量或者二者耦合之間的研究，而對于等量灌水施肥下的棉花水氮調配研究較少，且針對1膜3行76 cm等行距種植模式下的水氮耦合研究相對較少。亟需研究適合機采棉生長的最優(yōu)水氮比例，分析水氮之間的耦合效應對棉花生長發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響?！緮M解決的關鍵問題】選擇棉花主載品種新陸中88號,采用裂區(qū)試驗設計,測定分析土壤含水率、葉片含水率、棉鈴時空分布、農藝性狀和產(chǎn)量性狀，篩選出適合等行距機采棉生長的最優(yōu)的水氮投入。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2019年4～10月在新疆阿克蘇地區(qū)阿瓦提縣新疆農業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所試驗基地進行(N 39°31′～40°50′、E 79°45′～81°05′)，屬暖溫帶大陸性干旱氣候。土壤質地為沙壤土，0～60 cm耕層土壤pH7.8,有機質含量5.7 g/kg,全氮為0.6 g/kg, 水解性氮為50.3 mg/kg,速效磷為19.6 mg/kg,速效鉀為108 mg/kg。圖1

供試材料為主栽品種新陸中88號，由新疆農業(yè)科學院經(jīng)作所提供，單株結鈴較好。

圖1 2019棉花生育期氣溫及降雨Fig.1 Temperature and rainfall during the growth period of 2019 cotton

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用1膜3行76 cm等行距機采棉種植模式，試驗采用裂區(qū)試驗設計，總滴灌量3 800 m3/hm2，施氮量(純氮)320 kg/hm2，以灌水梯度為主區(qū)，施氮梯度為裂區(qū)。3種灌水梯度分別設置為W1、W2、W3，灌溉水通過管道引入各小區(qū)內，管道上安裝水表并計量；3種施氮梯度設置為N1、N2、N3，氮肥投入為尿素( 含N 46%)，基追肥采用2∶8比例，采用地膜寬2.1 m，膜厚0.01 mm，滴灌毛管鋪設為1膜3管，行距配置76 cm，株距8 cm，理論株數(shù)為1.1×104株/667 m2，小區(qū)長7.5 m，寬6.84 m，小區(qū)(3膜)面積51.3 m2，重復3次。占地面積為1 477 m2，其他管理措施同大田生產(chǎn)。表1

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 土壤含水率

于7月9日、7月16日、7月23日、8月6日、8月13日、8月20日，用土鉆于各處理膜間滴頭正下方，分別取0～20，20～40，40～60 cm土層土樣，重復3次， 取新鮮土樣裝入自封袋中帶回實驗室，倒出部分土樣于鋁盒中稱重，記為M1；放入烘箱80℃烘干至恒重，記為M2，取其平均值。計算土壤含水率W=(M1-M2)/M2×100%。

1.2.2.2 葉片含水率

于7月9日、7月16日、7月23日、8月6日、8月13日、8月20日，連續(xù)取5株棉花上(第8果枝)、中(第5果枝)、下(第2果枝)主莖功能葉，重復3次，放入自封袋中置于裝有冰袋的保溫箱中帶回實驗室，稱鮮重，記為M1；然后裝入檔案袋中于電熱恒溫鼓風干燥箱105℃殺青30Min，轉至80℃恒溫烘干至恒重，記為M2，取其平均值。計算葉片含水率W=(M1-M2)/M2×100%。

表1 灌水施肥量及時間(月/日)Table 1 Irrigation and fertilization amount and time (M/D)

1.2.2.3 棉鈴時空分布

棉鈴時間分布于7月15日調查伏前桃，8月15日調查伏桃，9月10日調查秋桃，棉鈴空間分布調查:至吐絮前在每處理選取有代表性的連續(xù)20株棉花，計數(shù)下部鈴(1～3果枝)、中部鈴(4～6果枝)、上部鈴(7果枝及以上)，內圍鈴(第1果節(jié)鈴)及外圍鈴(2及以上果節(jié)鈴)個數(shù)。重復3次。

1.2.2.4 農藝性狀

在棉花盛鈴期，每小區(qū)均選取長勢均勻的棉株10 株，調查各小區(qū)棉花品種的株高、始果節(jié)高度、倒三葉寬、真葉數(shù)、果枝數(shù)。

1.2.2.5 產(chǎn)量性狀

吐絮后，各小區(qū)選取6.67 m2具有代表性的棉田，調查株數(shù)，結鈴數(shù)，最后得到單株結鈴數(shù)，分上(7果枝及以上30朵)、中(4～6果枝40朵)、下(1～3果枝30朵)取樣，共100朵，測其單鈴重，軋花后通過公式(衣分=皮棉產(chǎn)量/籽棉產(chǎn)量)來計算機采棉衣分，重復3次。

1. 3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)使用SPSS19軟件進行方差分析， 采用Duncan法進行處理間多重比較(P<0.05)， 利用origin8.5、prism、 Surfer 15整理數(shù)據(jù)并繪圖。

2 結果與分析

2.1 水氮調配對機采棉土壤水分分布的影響

研究表明，在W1灌水方式下，W1N1、W1N2、W1N33種處理都呈現(xiàn)土壤含水量逐漸增加的趨勢，7月16日和7月23日由于這一時間段灌水量較少，W1N1、W1N2處理20～40 cm與40～60 cm處土壤含水率相等或者略微下降，W1N1處理0～20 cm土壤含水量最少為8.71%， 而W1N3由于前期投入較多的氮素可以保持一定的田間含水量40～60 cm處相比于W1N1、W1N2較高；在W2灌水方式下，W2N1、W2N2、W2N33種處理隨著時間的推移土壤各部分含水量沒有明顯的差異，且各土層含水量不會隨著生育期的變化有劇烈的狀態(tài)變化。都隨著土壤深度的增加，土壤含水量依次增加；在W3灌水方式下，7月9日至8月6日，田間土壤含水量一直保持著較高的狀態(tài)，8月6日此時40～60 cm處土壤含水量達到最大為20.53%，8月6日至8月20日土壤含水量依次下降，但是仍然表現(xiàn)為深層土壤含水量比淺層高。圖2

日期(月/日)

2.2 水氮調配對不同部位葉片含水率的影響

研究表明，在W1、W2灌水下葉片在8月20日含水量達到最大；而W3灌水下，在8月6日達到最大，3個處理后期土壤水分較低，棉珠較早的進入吐絮期，葉片失水較多；中部葉片的含水率在相同時期的不用處理中差異不大，但是仍然表現(xiàn)為W2、W3灌水下的各處理的葉片含水量保持的比W1高；而下部葉片的含水量變化明顯，在W1灌水下，葉片含水量在7月23日表現(xiàn)出下降的趨勢，此刻灌水較少，棉花不足以維持自己正常的生長發(fā)育，下部葉片可能出現(xiàn)暫時萎蔫象，W1N3處理由于土壤中氮素含量較高，造成棉花更深的傷害，葉片含水量一直處于下降的狀態(tài)。在相同灌水方式下，W1、W2下的各處理在棉花上部的含水量達到最高分別為76.18%、80.95%；而W3下的各處理在棉花中部的含水量達到最高為77.48%。圖3

圖3 不同時期各處理果枝部位葉片含水率變化Fig.3 Changes in leaf moisture content of fruit branches in different periods of each treatment

2.3 水氮調配對機采棉農藝性狀的影響

研究表明，在相同灌溉量的情況下，各處理株高、倒三葉寬、真葉數(shù)都隨著前期施氮量的增加基本呈現(xiàn)增加的趨勢，株高各處理間存在顯著性差異前期灌水量較少的處理，棉花株高較矮為75.5～78 cm，盡管后期水分充足但是植株已經(jīng)開始進行營養(yǎng)生長，株高最高的處理在W3灌水方式下獲得；前期灌水量大有助于棉花主莖的伸長，W3N2處理株高最大為85.7 cm。棉花始果枝高在各處理無差異，影響始果枝高的是遺傳因數(shù)，即品種造就了始果枝的高低；果枝數(shù)在各種灌水處理下，都是在N2施肥處理下達到最高，N2施肥有利于棉珠形成果枝臺數(shù)。在N2施肥處理的情況下，W2N2比W3N2、W1N2果枝臺數(shù)分別增加了10%、18.28%。表2

2.4 水氮調配對機采棉棉棉鈴時空分布的影響

研究表明，各處理的“三桃”比例存在顯著性差異，W1灌水方式下伏前桃顯著高于W2、W3，而伏桃數(shù)和秋桃表現(xiàn)為減少趨勢，3個處理伏前桃數(shù)達到了2.33～2.48個，所占比例為33.83%～39.32%，3個處理的伏前桃數(shù)沒有差異，7月10日才開始的不同的施肥處理，肥效還沒有表現(xiàn)出來；伏桃數(shù)隨著后期充足水肥供應，W1N3處理一直處于高額的氮肥下，營養(yǎng)生長過旺，導致產(chǎn)生了較少的伏桃為2.88個，而秋桃較少的原因是水分的后移引起的植株貪青產(chǎn)生量，生成了較少的生物量；W2灌水方式下，N1前期肥料施入較少，引起W2N1伏桃數(shù)較少，N2、N3形成了較多的伏桃數(shù)，W2N2處理生成了5.78個伏桃，“三桃”比例接近1.4∶7.3∶1.3，伏桃的高占比更利于產(chǎn)量的形成；W3灌水方式下，W3N1、W3N2“三桃”數(shù)沒有差異。W3N3處理伏桃和秋桃數(shù)相比于其他兩處理都呈現(xiàn)下降的趨勢。表3

研究表明，植株上部總鈴數(shù)表現(xiàn)為水肥前移的處理下顯著高于其他處理，且外圍鈴為0.82～1.04個顯著高于其他處理，中部鈴在各處理無差異，下部鈴形成的時期較早，故表現(xiàn)為前期水肥多的處理多，充足的水肥使得果枝伸長，促進了下部外圍鈴的分布。W2灌水下的3個處理的株型表現(xiàn)為筒狀；W1灌水下處理表現(xiàn)為倒三角式的鈴的分布；而W3灌水下的冠層結構與W1剛好相反。表4

表4 各處理棉鈴空間分布Table 4 Spatial distribution of cotton bolls in each

2.5 水氮調配棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素的影響

研究表明，灌水、施肥、灌水和施肥互作效應對單株結鈴數(shù)、單鈴重、籽棉產(chǎn)量的影響極顯著，對衣分影響不顯著。單鈴重收到灌水、施肥、灌水和施肥互作效應的影響，對與施肥的影響不顯著，在W1灌水方式下，單鈴重隨著前期施肥量的增加呈現(xiàn)增加趨勢，單鈴重、籽棉產(chǎn)量表現(xiàn)為在N2施肥下達到最大，單鈴重比N1、N3分別增加了0.35個、0.5個。籽棉產(chǎn)量增加6.1%、6.37%。在W2灌水方式下，N2施肥下植株單鈴重、單株結鈴數(shù)、籽棉產(chǎn)量均達到最高，分別為5.70 g、7.95 個和7 070.84 kg/hm2。在W3灌水方式下，N3施肥下棉花單株結鈴數(shù)、籽棉產(chǎn)量受到后期水肥的缺失，僅僅獲得最少的單株結鈴數(shù)6.09個和最少的籽棉產(chǎn)量為5 264.47 kg/hm2。在3種灌水方式下，N2施肥都比其他2種施肥方式產(chǎn)量高。表5

表5 不同水氮互作下棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素變化Table 5 The effects of different water and nitrogen interactions on cotton yield and yield components

3 討 論

3.1 水氮調配對機采棉土壤水分及葉片含水量的影響

棉花是較耐旱的大田作物，但是不同的滴灌時間、滴灌施肥量還是會營造不同的土壤水環(huán)境，研究表明生育前期土壤含水率隨著灌水量的增加整體表現(xiàn)為增加趨勢．且均隨著土壤深度的增加而增加。與崔永生等[13]的研究結果一致。在前期高灌水情況下，低氮處理的土壤含水率高，但棉田保水性較差，因為土壤中施入少量的氮素，土壤吸附較少的氨類化合物導致土壤之間的孔隙較大，會加快水分流失[14]，忠智博等[15]的研究表明灌水量較少的條件下，土壤含水率隨土層深度的增加逐漸降低，不能滿足根系層所需的水分。過量或者較低的灌水量都不利于棉花的生長，尤其在棉花生長前期，應合理把控灌水量。

葉片含水量土壤含水率變化趨勢相似，灌水后隨時間延長，葉片含水量呈降低趨勢[16]。試驗發(fā)現(xiàn)，前期W1灌水處理的植株下部葉片含水量在7月23日低于W2和W3灌水處理，且一直處于下降的狀態(tài)。后期灌水施肥量充足，但是前期的水分缺失對下部葉片造成了不可修復的損傷，且伴隨著中上部葉片的營養(yǎng)生長，導致下部葉片進行光合作用的機會更加減少。中部葉片的含水率受灌水施肥量多少影響較小；而上部葉片含水率都呈現(xiàn)先上升在下降的趨勢，后期水肥多的處理下，棉花出現(xiàn)貪青晚熟的現(xiàn)象，故表現(xiàn)為上部葉片含水率較高。

3.2 水氮調配對機采棉棉鈴時空分布的影響

不同的水氮處理會造就棉花株型的差異，導致不同的作物冠層結構，進而影響植株接收光的多少和位置不同，最終促使棉花各部位結鈴狀況產(chǎn)生差異[17]?！疤摇睌?shù)量及其比例可以衡量田間棉花產(chǎn)量和品質[18]。伏前桃形成于營養(yǎng)生長的高峰期，棉鈴較小，在棉株基部，品質差，易腐爛。伏前桃是棉花早發(fā)的標志；伏桃形成的時期，溫度高、光照足，植株光合作用大，因而形成的桃大、絨長、衣分高，種子質量好。伏桃是構成產(chǎn)量的主體，秋桃但由于氣溫漸低，積溫不足，鈴重下降，質量漸次，甚至因秋霜形成無效桃。W1灌水下，伏前桃明顯高于其他灌水處理，后期通過補償效應促進了上部果枝外圍鈴的形成，但是棉鈴發(fā)生了貪青晚熟，形成青桃，W2灌水調配下的棉花營養(yǎng)生長與生殖生長則更為協(xié)調，成鈴結構較為合適，類似筒型結構更有利于接受光照。機采棉的株型一般為筒型植株和窄塔型植株比較有利于機械采收，如果傘型植株會出現(xiàn)上大下小，棉花空間分布不勻就會使采棉機局部受力不勻而影響采凈率。

3.3 水氮調配對機采棉農藝性狀及產(chǎn)量的影響

研究發(fā)現(xiàn)灌水量可以調節(jié)植株高度、果枝數(shù)和棉花產(chǎn)量[19]，灌水量過高會引起棉花地上部植株徒長、果枝增多，而灌水量過低會使棉花矮化，嚴重影響棉花生長。馮克云[20]研究表明，棉花生育期內增加灌水量可以提高單株結鈴數(shù)，但是會導致棉花生育期的延長，造成貪青晚熟，影響霜前花率。土壤干旱脅迫時，施氮肥有利于增產(chǎn)，但水分是限制產(chǎn)量提高的主導因子；而過高水分投入亦不利于產(chǎn)量的提高[21]。余炳鳳等[22]研究發(fā)現(xiàn)，適量的增施氮肥，可明顯增加籽棉產(chǎn)量，過量施氮并不能明顯增加籽棉產(chǎn)量，反而可能造成籽棉產(chǎn)量的下降。試驗花鈴期前期灌水量較低時，水分補充遠達不到棉花生長發(fā)育所需水量，氮素的利用率低，造成棉花在花鈴期前期葉片和蕾鈴脫落，后期形成新的蕾花鈴，但此部分生殖器官并不能形成產(chǎn)量。前期灌水量較高(特別是在氮素施入量增大時)，棉花的營養(yǎng)生長過盛，打破了營養(yǎng)生長和生殖生長的平衡，后期水氮營養(yǎng)不足也造成蕾鈴的脫落。前期和后期低水高氮，高水低氮都不利于棉花最終產(chǎn)量的形成。相比較W2灌水施肥配比較為合適，更有利于作物吸收養(yǎng)分，最終形成產(chǎn)量。

4 結 論

4.1W2，N2灌水施肥方式下，土壤含水率相對穩(wěn)定，更好地給植株提供所需的營養(yǎng)物質。且棉花葉片保持功能的時間較長，利于棉花根部的發(fā)育，更好地給植株提供所需的營養(yǎng)物質。且棉花葉片保持功能的時間較長。

4.2W2，N2灌水施肥方式下，棉株成鈴數(shù)較多，且呈筒狀分布，更適宜機械采收。

4.3W2，N2灌水施肥方式下，植株獲得的單鈴重和單株結鈴數(shù)均達到最高，W2、N2灌水施肥方式。獲得最高產(chǎn)量為7 070.84 kg/hm2。