棉花不同種植模式下土壤水分空間變化規(guī)律

劉錦濤 孫巨龍 馮璐 王國平 李亞兵 陳國棟 王沛娟 樊文霞 曹娟 林峰 李田甜

摘要：以小麥品種中育1123、棉花品種豫早棉9110為試驗材料，設(shè)置3種種植模式：棉花單作（MC）、小麥棉花套作（WIC）、麥后直播棉花（WDC），通過傳感器檢測灌溉前后地下10～110 cm土壤含水量來比較3種種植模式土壤水分空間變化差異。結(jié)果表明，棉花苗期，灌溉前后的土壤水分變化量為0.000～0.125 m3/m3，WIC處理在地下10～30 cm 處水分波動變化相對較小。棉花蕾期，灌溉前后的土壤水分變化量為0.000～0.180 m3/m3，其中WIC處理土壤水分變化達到最高，為0.180 m3/m3，WDC與MC處理土壤水分波動差異小。棉花花鈴期，WIC和WDC處理地下30 cm處灌溉后的土壤水分差異維持在0.060～0.080 m3/m3之間，MC處理土壤水分在地下30～50 cm處發(fā)生聚集。棉花吐絮期土壤水分變化范圍為0.190～0.320 m3/m3，表層土壤水分變化差異最高在0.100 m3/m3。麥棉套作種植模式對土壤水分變化具有明顯的緩沖作用，更有利于土壤水分下滲與保持，相比較其他2種模式更適合在水資源緊缺或土壤固水能力較差的地區(qū)種植。此研究結(jié)果有助于黃河流域棉區(qū)量化估算生育進程耗水量，為節(jié)水增產(chǎn)減能的標準化灌溉提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：棉花;種植模式;土壤水分變化;傳感器

中圖分類號： S562.061  文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）10-0226-08

棉花作為我國重要戰(zhàn)略物資，近些年發(fā)展迅速，短期內(nèi)實現(xiàn)了高產(chǎn)量與高品質(zhì)并重的種植目標，解決了我國市場優(yōu)質(zhì)棉花短缺問題，形成了我國三大棉花集中產(chǎn)區(qū)，黃河流域優(yōu)勢棉區(qū)、西北內(nèi)陸優(yōu)勢棉區(qū)、長江流域優(yōu)勢棉區(qū)。棉花生產(chǎn)人員通過對品種的研制和種植模式種植制度的改良，以此衍生了多種適宜當?shù)貧夂驐l件并具有農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益的耕作模式[1-2]，如麥棉兩熟、麥棉套作等，這些模式適宜在黃河流域棉區(qū)實施[3]。水資源短缺已成為影響可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題，為響應(yīng)國家對農(nóng)業(yè)提高灌溉效率節(jié)省農(nóng)業(yè)灌溉用水政策，圍繞棉花水鹽運移規(guī)律及高效灌溉和水分利用效率研究的熱度并未衰減[3-4]。土壤水分含量的變化對可溶性有機質(zhì)、土壤的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。植株的根系具有向水生長的特性，根系分布與冠層溫度都受土壤水分變化的影響[5-6]。要科學提高水資源利用效率就要監(jiān)測土壤不同位點上水分空間變化及其異質(zhì)性，為了避免經(jīng)典統(tǒng)計方法因忽略位置關(guān)系引起的誤差，已用半變異函數(shù)分析土壤水分時空運動，得出其運動具有連續(xù)性和空間依賴性[7]，這為棉花生育期水分供給提供了指導(dǎo)依據(jù)。為探求土壤水分耗散與植株生長各階段的關(guān)系，本研究將土壤水分運動與種植模式結(jié)合相比較，以期為甄別篩選地區(qū)適宜的種植模式提供理論依據(jù)。

本試驗種植模式適用于華中、華東黃河流域棉區(qū)種植，按照機器采收棉播種模式進行播種，保證種植行距與作物間距具有廣泛性和普遍性。采用振蕩頻率為70 MHz的傳感器。測定土壤的介電常數(shù)來確定含水量。將水分傳感器與信號接收器相連，設(shè)定時間間隔自動測定土壤水分含量[8-11]，以進行田間數(shù)據(jù)收集，對試驗區(qū)進行統(tǒng)一的大田基礎(chǔ)管理措施[12]。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究于2018—2019年進行，試驗地點為河南省安陽市白璧鎮(zhèn)試驗田（地理位置36°06′N，114°21′E），海拔高度為76.5 m，土壤類型為輕壤土，土壤肥力中等，土壤墑情適宜，0～30 cm土層氮、磷、鉀含量分別為0.65、0.01、0.15 g/kg。試驗田地處黃河流域，為溫帶大陸性氣候，年降水量約為554 mm。通過河南省安陽氣象站獲取2018年氣候數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。棉花完整生育期為5—10月。

1.2 試驗設(shè)計

小麥供試品種為中育1123，棉花供試品種為豫早棉9110[13]。整體采用隨機區(qū)組設(shè)計，本試驗提供3種棉花種植模式分別是播期為5月15日、生育期為102 d的單作棉花，播期為5月15日、生育期為110 d的麥棉套作棉花，播期為6月15日、生育期為124 d的麥后直播棉花，重復(fù)3次（圖1）。

播種時選擇土壤理化性質(zhì)相對一致的地點，采用地膜覆蓋方式，1膜2行，行距為70 cm，棉花行間種植3行小麥，麥與棉行距為20 cm，麥與麥間隔為15 cm，4行棉花長度控制在210 cm，符合機采棉種植標準。試驗小區(qū)面積為31.5 m2，行長為12.6 m，棉花株距為20 cm，棉花種植密度為8萬株/hm2，小麥種植密度為16萬株/hm2。在作物生育期內(nèi)，所有小區(qū)施肥，病蟲害防治和化學調(diào)控措施參照當?shù)馗弋a(chǎn)管理水平[14]。

選擇不同種植模式的小區(qū)通過等距取樣法在小區(qū)取點，安裝水分監(jiān)測儀器固定2行棉花之間的空間網(wǎng)格，用水分傳感器探頭測定單位體積內(nèi)的土壤含水量。在深度10～110 cm、寬80 cm（70 cm是棉株間距）的空間網(wǎng)格里，每隔20 cm設(shè)置1個監(jiān)測點，共30個點，放置后覆土完整，按照播種密度進行補種，保證田間結(jié)構(gòu)完整，安裝太陽能板和應(yīng)急電池保證數(shù)據(jù)測量工作不間斷[15]。在非灌溉期間隔2 h或4 h（具體時間根據(jù)測量需求而定）測量1次，而灌溉或降水按照1 h測量1次，用數(shù)據(jù)采集器記錄，測量位置（圖2）。

1.2.1 田間灌溉

進行灌溉時，通過開關(guān)閥上水表進行灌溉量計數(shù)，結(jié)果見表2。所用水質(zhì)應(yīng)符合GB 5084—2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》的要求，田間管理措施參照當?shù)貥藴蔬M行。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析方法

用Surfer 11 軟件以及Office 2019進行數(shù)據(jù)的批量處理及分析，土壤水分運動計算采用網(wǎng)格數(shù)學方法對不同種植模式不同生育期內(nèi)的土壤水分運動進行計算，并制成等值線圖以便于直觀分析和比較。

進行土壤水分運動的運算公式如下：

Grid C（i，j）=Grid A（i，j）-Grid B（i，j）。

式中：A、B 2個時刻的土壤含水量分別用Grid A（i，j）、Grid B（i，j）表示;Grid C（i，j）表示2個時刻土壤含水量的差值，用來表示A、B時間間隔內(nèi)的土壤水分運動[10]。

1.2.3 3種種植模式數(shù)據(jù)設(shè)立要求

本研究選取在棉花4個明顯需水時期：出苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期，記錄棉花群體生育期變化，當有50%的棉花植株出現(xiàn)了約3 mm的蕾時標志著進入蕾期，當50%的植株群體開出白花時標志著進入花期，50%的植株開始吐絮時棉花群體進入吐絮期，對從出苗到吐絮的棉花生育期進行統(tǒng)計，結(jié)果見表3[16]。

數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)選擇在相鄰2個生育期中間天數(shù)的前后2 d進行統(tǒng)計，為澆水前后24 h的土壤水分狀態(tài)。因試驗地所處地區(qū)11：00—14：00太陽光照最強，為減少蒸騰作用造成的試驗誤差，在正午 12：00 前停止灌溉，并選擇24 h后測定不同深度土層含水量。根據(jù)3種不同種植模式的生育期時段和灌水規(guī)律，試驗地所處地區(qū)補充土壤含水量的測定選擇在6月16—17日為苗期地下水分變化比較期，7月5—6日為蕾期地下水分變化比較期，8月10—11日為花鈴期地下水分變化比較期，9月18—19日為吐絮期地下水分變化比較期。所選土壤水分網(wǎng)格為灌溉間隔24 h的網(wǎng)格文件，利用Surfer11軟件繪制土壤水分運動和土壤水分分布變化的等值線圖，土壤水分時空變化通過利用灌溉后的網(wǎng)格文件減去灌溉前的網(wǎng)格文件生成的差值來比較各個時期不同種植模式的土壤水分變化差異，得出結(jié)論。

2 結(jié)果與分析

2.1 出苗期灌溉前后土壤水分空間變化規(guī)律

由圖3可知，灌溉前棉花單作（MC）、小麥棉花套作（WIC）、麥后直播棉花（WDC）的0～30 cm的土壤含水量大致維持在0.240 m3/m3，WIC處理灌溉前30～60 cm深度的土壤含水量約為0.25 m3/m3，相比較MC、WDC處理灌溉前同一深度的土壤含水量略低，灌溉后12 h土壤水分充分下滲，WIC、WDC

處理灌溉后土壤含水量最高可達0.330 m3/m3和0.360 m3/m3，比MC處理略高。各處理水分差值范圍為0.000～0.125 m3/m3。3個種植模式在苗期灌溉前后土壤水分含量差異并不明顯，原因是選擇檢測的區(qū)域土壤質(zhì)地相似，苗期的根系活力對土壤環(huán)境的改變不明顯，灌溉前土壤垂直水平上隨著土層深度的增加含水量遞增，灌溉后各深度土層含水量差異不大，表層土壤含水量與垂直深度為70～110 cm 的土壤含水量相當，棉花苗期土壤水分空間變化主要受土壤本身的物理性質(zhì)影響。

2.2 蕾期灌溉前后土壤水分空間變化規(guī)律

由圖4可知，棉花在蕾期進入了營養(yǎng)生長和生殖生長并進階段。 灌溉前表層土壤（0～30 cm）水分最低，保持在0.270 m3/m3，30～50 cm處的水分含量等高線分布密集，土壤水分變化隨深度變深而平緩，水分含量大致與深度成水平線，在40～110 cm 土壤深度時，WDC灌溉前的含水量梯度呈現(xiàn)倒“V”形，因小麥收獲后秸稈覆蓋減少了土壤水分的蒸發(fā)，使得水平距離40～50 cm的土壤含水量相比棉株垂直方向土壤含水量高。WIC處理灌溉前水分含量較平緩，而MC處理灌溉前水分含量趨勢呈現(xiàn)“V”形，水分含量幅度為0.230～0.320 m3/m3。WIC處理灌溉后表層土壤含水量為0.345 m3/m3以上高于同深度的MC、WDC處理。在40～60 cm的

土層深度上，WIC的灌溉后土壤含水量維持在0.325 m3/m3到0.345 m3/m3的水平上，WIC土壤含水量差值達到了0.020 m3/m3到 0.180 m3/m3，高于MC與WDC處理含水量差值的變化幅度。

2.3 花鈴期灌溉前后土壤水分空間變化規(guī)律

由圖5可知，棉花的需水期以花鈴期為主，花鈴期棉花根系網(wǎng)基本建成，吸收水分和養(yǎng)分最多，日耗水量階段耗水占全生育期需水的50%～60%，MC處理的0～25 cm 深度灌溉前土壤含水量達到了0.255 m3/m3以上，等值線更為緊湊，同深度WIC、WDC處理含水量為0.220 m3/m3。60～110 cm 以下垂直方向土層深度的土壤含水量變化差異相對小，WIC處理灌溉后0～60 cm深度土壤含水量維持在0.320 m3/m3以上，與MC、WDC處理相比較保水與下滲得更充分。差值比較后，WIC處理的水分變化幅度為0.010～0.180 m3/m3，單作棉花土壤含水量變化幅度為0.000～0.090 m3/m3，WDC處理變化幅度介于二者之間，棉花行間表層土壤含水量低于棉行位置。

2.4 吐絮期灌溉前后土壤水分空間變化規(guī)律

棉花吐絮期需水主要靠自然降水，冠層結(jié)構(gòu)層次有效減弱了地表水的蒸發(fā)散失，該時期棉花根系活力相比花鈴期有所衰退，根系纖維木質(zhì)化，導(dǎo)致吸收水分和養(yǎng)分的能力明顯下降。由圖6可知，WIC與WDC處理灌溉后深度0～60 cm的土壤含水量維持在0.255 m3/m3以上，WDC處理略高于WIC處理。差值計算后WIC與WDC水分波動幅度相似，MC處理的幅度明顯低于前兩者，無結(jié)構(gòu)土壤現(xiàn)象在MC處理中仍然存在，導(dǎo)致其水平位置40、50 cm對應(yīng)的垂直距離30 cm處顏色泛白，表明水分含量相同。棉花吐絮期3種種植模式棉田土壤水分變化差異不大，變化幅度低。

3 討論與結(jié)論

土壤水分含量對棉花生育全進程都起著至關(guān)重要的作用。棉花各生育期對水分的需求不同，大致可劃分為花鈴期>蕾期>苗期>吐絮期[17]。從土壤中吸收養(yǎng)分是棉花生長的主要供給方式，隨時間變化土壤含水量也存在著不同比例的消耗。土壤水分空間變化除了受到土質(zhì)質(zhì)地、微生物生命力、水分狀況等相關(guān)因素影響外，主要受制于種植在該土壤上的作物根系活動、生命力和飽和導(dǎo)水率[18]。不同生育周期的水分需求不同，不同種植模式下的土壤水分空間變化也有差異，隨著生育進程的推進地下土壤水分發(fā)生動態(tài)變化，進而確定局部灌溉下土壤的有效濕潤區(qū)[19]。根系互作改善土壤結(jié)構(gòu)使得微生物量增加，土壤孔隙度變大，增大水分下滲速度與土壤含水量，受到土壤水分脅迫的植株根系分布密度變大，更有利于吸收土壤養(yǎng)分，這與高超等的研究結(jié)果[7，19]一致。

棉花苗期地下根系每日生長2.5 cm，MC處理苗期棉花行間表層土壤含水量低于棉行處，在垂直距離0～40 cm為水分波動劇烈位置，等值線密集。WDC處理由于小麥收獲后秸稈覆蓋，減少了土壤水分散失，有效保持了土壤水分，使得水平位置40～50 cm處土壤含水量較棉行下略高，WIC處理棉行下40～60 cm的土壤含水量在0.240 m3/m3～0.260 m3/m3 之間，因為麥棉共生期，WIC處理需水量高于WDC與MC處理，小麥灌漿期水分養(yǎng)分吸收抑了棉花根系的水分汲取，迫使棉花主根系向深層土壤延伸，為滿足植株生長土壤水分消耗增大，導(dǎo)致未灌溉前WIC處理的土壤含水量整體較其他二者低。灌溉后三者差值的土壤含水量波動主要集中在0～40 cm的土壤深度處，變化幅度為0.000～0.125 m3/m3。

棉花蕾期是對水分需求的敏感時期，是棉花由生殖生長轉(zhuǎn)向營養(yǎng)生長的關(guān)鍵時期，水分0～40 cm土層含水要占田間持水量的55%～70%。地下土壤水分消耗與植株干物質(zhì)積累成正比，蕾期MC處理植株長勢優(yōu)于WIC處理，MC與WIC處理耗水量相等，WDC處理次之，WDC處理晚播所以生育期后延，灌溉前MC與WIC處理的土壤含水量相似。差值比較后WIC處理的變化幅度遠高于MC與WDC處理。蕾期是棉花主根與側(cè)根的生長旺盛期，側(cè)根迅速橫向擴展，棉花主根深度可達70 cm以上，WIC處理棉花根系由于水分脅迫根系延展較深，增大了棉花側(cè)根養(yǎng)分與水分的吸收，使得WIC灌溉后土壤含水量維持在較高水平。

花鈴期決定著棉花品質(zhì)與產(chǎn)量，植株葉片面積在花鈴期達到最大，同時恰逢高溫時節(jié)，水分散失以葉面蒸騰為主，土壤含水量維持在正常水平才利于棉花成桃和纖維品質(zhì)的形成。MC處理土壤深度 30 cm 處由于根系成熟根系周圍土壤形成無結(jié)構(gòu)土壤進而形成緊實的表土層，保水保氣能力變差，WIC處理與WDC處理形成團粒結(jié)構(gòu)土壤，須根系橫向延展的 60～100 cm水分含量維持在0.060 m3/m3以上，有利于土壤有效養(yǎng)分的供應(yīng)與有機質(zhì)的保存。WIC處理花鈴期小麥收獲，秸稈覆蓋減少水分散失，增加土壤有機質(zhì)促進微生物活動，改善土壤結(jié)構(gòu)，灌溉前土壤水分等值線較WDC、MC處理平緩。灌溉后WIC處理探測全區(qū)域水分高于MC與WDC處理。在保證合理種植的條件下，套作區(qū)域的土壤濕潤程度要高于單作，消耗的水分比單作多，水分滲漏損失少，這與柴強在雨水丘陵區(qū)域得出的結(jié)論[20]一致。

棉花吐絮期根系活力逐漸減弱，開花減少，自然降水減少，水分散失以葉面蒸發(fā)和地表蒸發(fā)為主，適當灌水防止秋旱對棉花纖維與棉桃形成產(chǎn)生負面影響。防止棉花早衰，保證土壤肥力與土壤水分供應(yīng)十分重要。根系活動與土壤水分含量改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤質(zhì)地，通透性與保水保肥能力。蕾期 WIC的土壤含水量高于花鈴期。MC與WDC處理土壤含水量均低于花鈴期。吐絮期WDC處理的土壤水分被根系的“提水作用”由深層根系從土壤內(nèi)吸收水分通過根系運輸釋放到淺層土壤中，WIC處理水分保持在吐絮期效果要好于MC與WDC處理，MC處理的水分變化差值最小，但MC處理的土壤含水量也次于同時期的WDC與WIC處理。

本試驗3種不同種植模式生育期土壤水分空間變化下的土壤水分特征分布情況基本一致，需水臨界期土壤水分含量變化差異明顯，麥棉套作模式更有利于土壤水分下滲與土壤水分保持，試驗結(jié)果與前人研究結(jié)果[18]保持一致。

4 結(jié)論

本研究表明，在灌溉前后土層的不同位點上，隨著測量深度的不斷增加土壤水分時空變化不斷減少，深層土壤水分時間穩(wěn)定性高于表層，在灌溉期內(nèi)，土壤水分變化位于灌溉位置近的變化明顯。在2018年的生產(chǎn)條件下，麥棉套作在蕾期與花鈴期灌溉前后土壤水分變化幅度最高，為0.180、0.170 m3/m3。在出苗期土壤水分變化范圍為0.005～0.125 m3/m3。麥棉套作對麥棉間作和棉花單作相比較，水資源緊缺或土壤固水能力較差的地區(qū)更適宜使用麥棉套作種植模式，麥棉套作對土壤水分變化趨勢具有緩沖作用，可在短期內(nèi)保證土壤有效含水量，增加水分下滲能力，提高土壤水分保持能力，更有利于水分在土壤中的積聚，在開展試驗所處的生產(chǎn)環(huán)境下，套作制度更能維持根系周圍的土壤含水量。

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