不同灌水頻率和灌溉定額對南疆無膜棉蕾鈴時(shí)空分布及產(chǎn)量形成的影響

李志鵬，萬素梅，胡守林，陳國棟，馬云珍，周相，雷亞平，熊世武，辛明華，楊北方*，李亞兵*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/ 棉花生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 安陽 455000；2. 塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

新疆是我國主產(chǎn)棉區(qū)和主要的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，種植面積及產(chǎn)量多年位居全國首位。 隨著地膜的廣泛使用， 新疆棉花平均產(chǎn)量提高了17.2%，新疆棉田地膜覆蓋率更是達(dá)到了100%[1]，但回收率卻低于60%，地膜覆蓋在帶來巨大經(jīng)濟(jì)收益的同時(shí)，殘膜污染問題也逐漸凸顯。 目前新疆超過一半的棉田地膜殘留量高于國家標(biāo)準(zhǔn)[2]，長期留存在土壤中的殘膜對土壤環(huán)境、作物生長等都會產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的危害。 研究表明殘膜在自然狀態(tài)下的降解時(shí)間為200～400 年[3-4]，長期的殘膜積累勢必會對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展造成影響，因此解決殘膜污染問題勢在必行。2017 年沙雅縣院士工作站無膜棉生產(chǎn)示范試驗(yàn)取得成功，為徹底解決地膜問題提供了新思路，但無膜栽培技術(shù)的推廣也存在一些問題，比如缺少適宜的棉花品種、配套的栽培技術(shù)、專業(yè)的農(nóng)機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)參與及配套資金、政策的支持等[5]。因此研究無膜棉配套栽培技術(shù)對無膜棉種植模式的推廣具有一定的理論意義。

棉花產(chǎn)量受單株鈴數(shù)、鈴重、衣分等要素的影響，棉鈴的位置分布、時(shí)空動態(tài)與棉花產(chǎn)量水平緊密聯(lián)系，合理的棉鈴分布則可以增加有效鈴數(shù)及鈴重，提高產(chǎn)量[6-8]。 水是植物體的主要組成成分，也是植物生存的重要環(huán)境條件和主要的限制因子，植物中的水分主要參與光合作用和有機(jī)化合物的合成， 葉片是生產(chǎn)光合產(chǎn)物的主要器官，水分對棉花葉片的光合作用效率具有顯著的調(diào)節(jié)作用[9]。 灌水定額和灌水頻率是滴灌灌溉制度中的重要參數(shù)，土壤水分過多或者過少均會對光合作用、蒸騰、氣孔導(dǎo)度產(chǎn)生直接影響，進(jìn)而對產(chǎn)量和纖維品質(zhì)產(chǎn)生影響。 制定良好的灌溉制度能夠在節(jié)水的同時(shí)調(diào)節(jié)土壤水分、溫度[10-11]，提高作物根系的活力，加快葉片擴(kuò)張，增大葉面積，提高作物的光合速率，促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累，進(jìn)而增加作物產(chǎn)量，提高水分利用率[12]。當(dāng)棉株遭受干旱脅迫時(shí)， 根系無法吸收充足的水分供作物生長，根系活力下降，導(dǎo)致光合產(chǎn)物在根系的分配比例增加，地上部分葉片生長停止，新葉發(fā)生速率減慢，部分葉片以及蕾鈴脫落，導(dǎo)致產(chǎn)量下降[13]；當(dāng)灌水過量時(shí)，冠層郁閉程度高，下部葉片對光能的利用率下降， 棉花營養(yǎng)生長旺盛，同化產(chǎn)物向生殖器官的轉(zhuǎn)運(yùn)減少，鈴重降低，且易貪青晚熟，營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累多，生殖器官干物質(zhì)積累較少，產(chǎn)量下降，水分利用率偏低[14]。 研究表明灌水制度對棉花產(chǎn)量的影響甚至比施肥還大，合理的灌溉有利于棉田高產(chǎn)[15-16]。 王娟等[17]研究表明灌水過多時(shí)棉鈴的脫落率增加；李志軍等[18]通過設(shè)置不同的滴灌量發(fā)現(xiàn)灌水量對株高、有效鈴數(shù)等具有顯著影響；邢小寧等[19]通過設(shè)置不同的灌水次數(shù)，發(fā)現(xiàn)在相同的灌溉定額下，灌水16 次比12 次更有利于生殖器官的形成，增加灌水量可以促進(jìn)營養(yǎng)生長。

關(guān)于新疆膜下滴灌棉田灌水制度對棉鈴分布的研究已經(jīng)日趨成熟，但目前國內(nèi)對無膜棉的研究剛剛起步，且研究內(nèi)容主要集中在滴灌帶布置方式以及灌水制度對土壤水分分布的影響等方面[20-21]。 由于去除地膜后，水分蒸發(fā)量變大、土壤溫度發(fā)生變化，進(jìn)而影響棉鈴分布，國內(nèi)現(xiàn)有膜下滴灌的研究成果并不適于指導(dǎo)南疆無膜棉種植；由于地域環(huán)境條件的差異，國外研究結(jié)果同樣不適用于南疆無膜棉種植。 結(jié)合目前國內(nèi)無膜棉研究現(xiàn)狀，本文通過設(shè)置不同的灌水頻率研究灌水制度對棉鈴時(shí)空分布以及產(chǎn)量的影響，以期為南疆無膜棉滴灌模式提供理論指導(dǎo)，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)于2020—2021 年在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)十團(tuán)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所綜合實(shí)驗(yàn)基地（阿拉爾）進(jìn)行。 該區(qū)地處天山南麓，塔里木盆地北部，阿克蘇河、葉爾羌河、和田河3 河交匯之處的塔里木河上游，為灌溉農(nóng)區(qū)，為暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，年均氣溫10.7 ℃，年均太陽輻射量6 440～7 033 MJ·m-2，年均日照時(shí)間2 556.3～2 991.8 h。 年均降水量為40.1～82.5 mm，年均蒸發(fā)量1 876.6～2 558.9 mm。 試驗(yàn)地土壤質(zhì)地以砂壤土為主，0～20 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量10.58 g·kg-1、堿解氮84.87 mg·kg-1、全氮0.64 g·kg-1、速效磷25.38 mg·kg-1、速效鉀190.5 mg·kg-1、pH 為7.7。2 年部分時(shí)期的氣象數(shù)據(jù)如圖1 所示。

圖1 2020 年（A）和2021 年（B）部分月份的日最高溫度、日最低溫度、日平均溫度和降水量Fig. 1 Daily maximum temperature, daily minimum temperature, daily average temperature and precipitation in some months of 2020 (A) and 2021 (B)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試品種為中棉619，無膜種植，試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，一幅六行（66 cm＋10 cm）的寬窄行間距配置 （圖2）， 行長7 m， 小區(qū)面積47.88 m2，種植密度為18 萬株·hm-2（18 株·m-2），2 年播種日期分別為4 月20 日和4 月21 日，設(shè)置有膜對照（CK），并按照當(dāng)?shù)卣Ｄは碌喂喾N植模式進(jìn)行管理，即蕾期灌水2 次（灌水周期為10 d），花鈴期灌水8 次，灌水定額為45 mm，灌溉定額為450 mm；2 年各無膜棉處理在苗期不進(jìn)行灌溉，蕾期各無膜棉處理灌水頻率、灌水定額與CK 保持一致； 初花期開始設(shè)置不同的灌水頻率處理W4、W6、W8，灌溉間隔分別為12 d、8 d、6 d，花鈴期灌水次數(shù)分別為4 次、6 次、8 次， 灌水定額為69 mm，W8 最后一次灌水定額為52.2 mm，各處理灌溉定額分別為366 mm、504 mm、625.2 mm。 2021 年在2020 年灌溉處理設(shè)置基礎(chǔ)上增加了花鈴期灌水次數(shù)為7 次， 灌水間隔為7 d的處理W7， 灌水定額為69 mm， 灌溉定額為573 mm；2020 年花鈴期灌水初始日期為7 月2日，2021 年為7 月5 日。每個處理設(shè)3 次重復(fù)，處理間間隔2.28 m。 播種前進(jìn)行旋地，結(jié)合整地機(jī)施4.8 t·hm-2有機(jī)肥、225 kg·hm-2尿素和300 kg·hm-2磷酸鈣。 2 年各處理全生育期施肥次數(shù)、每次施肥量均相同，通過施肥罐隨水施肥，具體施肥日期如表1 所示（未在灌水日施肥時(shí)，通過施肥罐隨水施肥到肥料完全溶解立即停止灌水，水量很少， 對試驗(yàn)結(jié)果無明顯影響）。 每次具體施肥量分別為：第1 次120 kg·hm-2尿素，第2 次90 kg·hm-2尿素和75 kg·hm-2有機(jī)肥， 第3 次69.62 kg·hm-2尿素和125.3 kg·hm-2磷酸二銨，第4 次69.62 kg·hm-2尿素、125.3 kg·hm-2磷酸二 銨 和48.73 kg·hm-2磷 酸 二 氫 鉀， 第5 次34.81 kg·hm-2尿素、62.66 kg·hm-2磷酸二銨和48.73 kg·hm-2磷酸二氫鉀， 第6 次33.42 kg·hm-2磷酸二氫鉀。 進(jìn)入花鈴期，各無膜處理除灌水外其他田間管理措施與CK 保持一致。

表1 施肥時(shí)間表Table 1 Fertilization schedule

圖2 滴灌帶田間布置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of field layout of drip irrigation belt

1.3 數(shù)據(jù)獲取方法

1.3.1棉花株式圖信息獲取。 從蕾期開始，各處理各重復(fù)選定長勢均勻一致且連續(xù)的10 株棉花，做好標(biāo)記，用于全生育期的株式圖信息記錄。利用解株式圖1.2.0 （中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所）按照生育期調(diào)查各處理株式圖信息，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel，供后期分析。 調(diào)查時(shí)間：6 月15日（蕾期）、7 月15 日（盛花期）、8 月15 日（盛鈴期）、9 月15 日（吐絮期）。

1.3.2成鈴空間分布。 按棉鈴的空間分布情況分為橫向和縱向分布，橫向分布包括內(nèi)圍鈴（各果枝第1 果節(jié)所結(jié)棉鈴）和外圍鈴（各果枝第2 果節(jié)及以外所結(jié)棉鈴）；縱向分布包括下部（第1～3果枝所有果節(jié)所結(jié)棉鈴）、中部（第4～6 果枝所有果節(jié)所結(jié)棉鈴）和上部（第7 果枝及以上所有果節(jié)所結(jié)棉鈴）。

1.3.3產(chǎn)量數(shù)據(jù)獲取。 吐絮后每個處理的每個重復(fù)選擇長勢均勻一致的一幅（6 行）收取100 個棉鈴曬干稱量并計(jì)算各部位鈴重，100 個鈴收取位置分別為：下部和中部所有果節(jié)各隨機(jī)收取棉鈴40 個，上部隨機(jī)收取棉鈴20 個。每個處理各重復(fù)選擇長勢均勻一致的2 幅進(jìn)行人工收獲，曬干稱量并計(jì)算籽棉產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Stata 14.0 軟件以及Microsoft Office 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用Surfer 18 繪制棉鈴空間概率分布等值線圖，用DPS7.05 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析，鄧肯氏新復(fù)極差分析法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。

1.4.1生殖器官空間分布概率。 基于解株式圖1.2.0 的記錄導(dǎo)出每株棉花各果枝各果節(jié)生殖器官發(fā)生及脫落的具體信息，利用公式（1）對各果枝每個果節(jié)生殖器官的發(fā)生頻率進(jìn)行計(jì)算。

上式中Pxy表示x果枝y果節(jié)生殖器官的發(fā)生頻率，n為各處理的調(diào)查總株數(shù)，nxyk表示第k株棉花x果枝y果節(jié)生殖器官是否發(fā)生，若發(fā)生記為1，不發(fā)生記為0[22-23]。

1.4.2生殖器官脫落率。 生殖器官總脫落率＝（落蕾數(shù)＋落鈴數(shù)）/現(xiàn)蕾總數(shù)[24]（2）

果節(jié)生殖器官脫落率＝（果節(jié)落蕾數(shù)＋果節(jié)落鈴數(shù)）/果節(jié)現(xiàn)蕾總數(shù) （3）

1.4.3棉鈴空間分布。邢芳芳等[25]通過對比12 種插值方法，發(fā)現(xiàn)克里金插值法為研究棉花冠層光截獲的最佳方法，該方法同樣適用于棉鈴空間分布的研究[22-23]。

式中Z（X0）為已知的X0果節(jié)相應(yīng)生殖器官的發(fā)生頻率P0（或脫落率），Z（Xi）為第i個預(yù)測點(diǎn)的P值（或脫落率），λi為樣品系數(shù)，在無偏條件下λi＝1。

1.4.4單位面積鈴數(shù)。 利用1.3.1 獲取的棉花株式圖信息，利用Excel 可以統(tǒng)計(jì)得出平均單株成鈴數(shù)，并利用以下公式計(jì)算單位面積鈴數(shù)：

1.4.5農(nóng)田蒸散量和水分利用效率。 利用水量平衡法計(jì)算農(nóng)田蒸散量（evapotranspiration,ET），因?yàn)樵囼?yàn)地地勢平坦且滴頭流量較小，地表徑流和深層滲漏可忽略，故計(jì)算公式簡化為[26]：

式中，ET 為農(nóng)田蒸散量（mm），I為棉田全生育期灌溉定額（mm），△S為土壤水分變化量，P為全生育期有效降水量（mm）。

采用產(chǎn)量水平上的水分利用效率（water use efficiency,WUE），具體計(jì)算公式如下[27]：

式中，Y為棉花的籽棉產(chǎn)量。

2 結(jié)果分析

2.1 蕾期棉蕾的空間分布特征

2020 年和2021 年蕾期棉蕾空間分布如圖3 所示，各處理從下向上、從第1 果節(jié)到第3 果節(jié)現(xiàn)蕾頻率均表現(xiàn)為遞減的趨勢。2 年間CK 各節(jié)位現(xiàn)蕾頻率整體高于各無膜處理對應(yīng)節(jié)位，且棉蕾發(fā)生頻率大于0.9 的區(qū)域最大， 具體分布在第1 果節(jié)到第2 果節(jié)、 第1 果枝到第4 果枝。各無膜處理間差異不顯著，棉蕾主要分布在第1 果節(jié)到第2 果節(jié)、第1 果枝到第2 果枝。第6、7 果枝及以上，CK 各果枝現(xiàn)蕾區(qū)域均大于無膜處理。

圖3 2020 年（A～D）和2021 年（E～I(xiàn)）蕾期不同處理現(xiàn)蕾率空間分布Fig. 3 The spatial distribution of cotton squaring rate for different treatments during the squaring period in 2020（A～D） and 2021（E～I(xiàn)）

2.2 不同灌水頻率下盛花期生殖器官空間分布特征

不同灌水條件下盛花期植株各部位生殖器官出現(xiàn)的概率如圖4 所示。 隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，無膜棉與CK 上部果枝數(shù)差距縮??；年際間生殖器官的發(fā)生概率均表現(xiàn)為從下到上、 從第1果節(jié)到第5 果節(jié)遞減，并逐漸趨近于0；但2021年各果枝各果節(jié)生殖器官出現(xiàn)頻率的總和低于2020 年。在2020 年，各無膜處理間第1～10 果枝第1 果節(jié)生殖器官出現(xiàn)頻率差異不明顯；W6 第2、3 果節(jié)生殖器官發(fā)生頻率大于W4、W8； 各處理等值線圖中空白部分表示各處理上部相應(yīng)果枝果節(jié)處未形成生殖器官的區(qū)域，上部果枝數(shù)和果枝對應(yīng)的果節(jié)生殖器官越少， 則空白區(qū)域越大，從圖中可以看出，W6 空白區(qū)域最小，CK 上部生殖器官發(fā)生頻率略小于W6，W8 次之，W4 第4果枝生殖器官發(fā)生頻率最小，空白區(qū)域明顯大于其他處理。在2021 年，處理間第1～8 果枝第1、2果節(jié)生殖器官出現(xiàn)頻率相差不大；W8 第1～7 果枝第3 果節(jié)生殖器官發(fā)生頻率高于另外3 個無膜處理，范圍在0.17～0.37；W4 第4 果節(jié)生殖器官發(fā)生頻率為0，整體上部以及外圍空白區(qū)域最大；W7 第3、4 果節(jié)生殖器官發(fā)生頻率小于W6、W8。

圖4 2020 年（A～D）和2021 年（E～I(xiàn)）盛花期不同處理生殖器官發(fā)生頻率空間分布Fig. 4 Spatial distribution of the occurrence rate of reproductive organs in different treatments during the full flowering period of in 2020（A～D） and 2021（E～I(xiàn)）

2.3 不同灌水頻率下盛鈴期生殖器官空間分布特征

對2 年各處理盛鈴期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（圖5），從圖中可以看出2 年間單株內(nèi)外圍生殖器官和上中下部生殖器官整體發(fā)生頻率的分布規(guī)律與盛花期相同；CK 處理2 年間生殖器官的整體發(fā)生頻率均高于各無膜處理；各無膜處理間，隨著灌水頻率的提高， 上部果枝數(shù)增加， 逐漸與CK持平，但各處理各果枝生殖器官的出現(xiàn)頻率與灌水頻率無相關(guān)性。 2020 年，CK 第1～8 果枝整體生殖器官的發(fā)生頻率明顯大于各無膜處理；各無膜處理中，W6 第1～6 果枝第1 果節(jié)生殖器官發(fā)生頻率最大，為0.55～0.66，W8 次之，W4 生殖器官發(fā)生頻率最小且第4～6 果枝發(fā)生頻率大幅下降，W4 第3 果枝以上第2、3 果節(jié)生殖器官的出現(xiàn)頻率明顯低于其他處理；W8 第7 果枝以上生殖器官發(fā)生頻率明顯大于W4、W6。 2021 年，W7第1～6 果枝第1、2 果節(jié)生殖器官發(fā)生頻率總和為5.27，大于剩余全部處理；W4 和W8 第2 果枝以上第2 果節(jié)的生殖器官發(fā)生頻率明顯小于其他處理；各無膜處理間上部果枝和果節(jié)上生殖器官的出現(xiàn)頻率差異不明顯。

圖5 2020 年（A～D）和2021 年（E～I(xiàn)）盛鈴期不同處理生殖器官發(fā)生頻率空間分布Fig. 5 Spatial distribution of the occurrence rate of reproductive organs in different treatments during the peak bollsetting period in 2020（A～D） and 2021（E～I(xiàn)）

2.4 不同灌水頻率下吐絮期棉鈴的空間分布特征

進(jìn)入吐絮期，2 年間低灌水頻率處理W4 上部果枝數(shù)和第2～4 果節(jié)成鈴率明顯低于其他處理（圖6）。2020 年，CK 內(nèi)外圍成鈴率明顯大于各無膜處理； 各無膜處理間，W6 第1～5 果枝內(nèi)圍鈴成鈴率最高，W8 最低， 前者概率為0.70～0.97，后者為0.63～0.73；W8 第1～4 果枝第3 果節(jié)有出現(xiàn)棉鈴的可能；在第6 果枝以上，W8 內(nèi)圍鈴成鈴率明顯高于W4、W6。 2021 年，所有處理外圍鈴成鈴率整體低于2020 年；CK 第8 果枝以上果枝的第1 果節(jié)成鈴率高于各無膜處理；各無膜處理間，W7 第1～6 果枝第1 果節(jié)成鈴率高于其他無膜處理；W8 第7、8 果枝第1 果節(jié)成鈴率高于另外3 個無膜處理。

圖6 2020 年（A～D）和2021 年（E～I(xiàn)）吐絮期不同處理棉鈴成鈴率空間分布Fig. 6 Spatial distribution of the rate of cotton boll formation in different treatments during the boll-opening period in 2020（A～D） and 2021（E～I(xiàn)）

2.5 不同灌水頻率下吐絮期棉鈴脫落的空間分布特征

2 年各處理棉鈴的脫落情況（圖7）表現(xiàn)出外圍鈴和上部果枝棉鈴脫落率高的規(guī)律，但2 年間各處理存在差異。 2020 年，W8 單株棉鈴脫落率最高，達(dá)到了0.60。W4、W6 內(nèi)圍鈴脫落主要集中在第6～9 果枝，W8 內(nèi)圍鈴脫落主要集中在第9～11 果枝；CK 內(nèi)圍鈴脫落主要在第9～11 果枝，CK 內(nèi)圍鈴脫落率低于無膜處理。 W4 與CK外圍鈴脫落集中在第3～7 果枝，其中W4 第3～6 果枝第2 果節(jié)脫落率最高；W6 集中在第2～5果枝；W8 外圍鈴的脫落范圍最大，主要分布在第3～9 果枝， 第3～9 果枝第2 果節(jié)脫落率為0.028～0.037。2021 年脫落率與2020 年不同，W4和W7 內(nèi)圍鈴脫落集中在第6～9 果枝，W6 和CK 主要分布在第5～9 果枝，W8 在第5～8 果枝，處理間內(nèi)圍鈴的脫落情況相似，均是集中在中上部果枝。 W4 和W8 外圍鈴脫落主要在第2～5 果枝且第2～5 果枝第2 果節(jié)脫落率高于其他處理；W8 各果枝第2 果節(jié)的脫落率遠(yuǎn)高于2020 年， 第3～4 果枝第2 果節(jié)脫落率達(dá)到了0.069，高于其他處理。W6 和CK 外圍鈴脫落集中在第1～6 果枝第2 果節(jié)并且第2 果節(jié)蕾鈴脫落率大于0.038 的果節(jié)數(shù)多于其他處理；W7 外圍鈴脫落集中在第2～6 果枝第2 果節(jié)，W8 則集中在第1～5 果枝第2 果節(jié)。 在脫落率上表現(xiàn)為W6 和CK 整體脫落率相近，達(dá)到了0.58，大于其它處理；W7 和W8 內(nèi)圍鈴脫落率相近，分別為0.206、0.191，小于其他無膜處理。

圖7 2020 年（A～D）和2021 年（E～I(xiàn)）吐絮期不同處理棉鈴脫落率空間分布Fig. 7 Spatial distribution of boll shedding rate of different treatments in 2020（A～D） and 2021（E～I(xiàn)）

2.6 不同灌水頻率對棉花成鈴和產(chǎn)量的影響

2.6.1不同灌水頻率下吐絮期棉鈴縱向空間分布規(guī)律。 2020 年和2021 年不同灌水頻率下棉鈴縱向分布如表2 所示，2020 年，CK 與各無膜處理第1～3 果枝成鈴數(shù)差異不顯著；CK 第4～6果枝成鈴數(shù)明顯大于各無膜處理，無膜處理間無顯著差異；上部果枝（第7 果枝及以上）成鈴數(shù)隨著灌水頻率和灌溉定額的增加而增加，W8 上部成鈴數(shù)顯著高于W4 和W6。2021 年，CK 第1～6果枝成鈴數(shù)與各無膜處理差異不顯著，其上部果枝成鈴數(shù)和W4 相比差異顯著，W4 單株上部成鈴數(shù)僅為0.67。 各無膜處理上、中、下3 個部分的果枝成鈴數(shù)差異不顯著。

表2 不同灌水頻率下棉鈴縱向空間分布Table 2 Vertical spatial distribution of cotton bolls under different irrigation frequencies

2.6.2不同灌水頻率下棉鈴橫向空間分布規(guī)律。 由表3 可知，2 年CK 內(nèi)外圍鈴數(shù)均高于各無膜處理， 低灌水頻率處理W4 成鈴數(shù)最低。2020 年，各無膜處理內(nèi)外圍鈴數(shù)均隨著灌水次數(shù)的增加而增加， 灌水頻率最高的處理W8 外圍鈴數(shù)顯著高于低灌水頻率處理W4。 2021 年不同處理的成鈴規(guī)律和2020 年不同，無膜處理間內(nèi)外圍鈴數(shù)均無顯著差異，CK 外圍鈴數(shù)顯著高于W4。

表3 不同灌水頻率下棉鈴橫向空間分布Table 3 Horizontal spatial distribution of cotton bolls under different irrigation frequencies

2.6.3不同灌水頻率下無膜棉產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素比較。 不同灌水條件對無膜棉田單位面積鈴數(shù)、鈴重、籽棉產(chǎn)量和水分利用率的影響見表4。當(dāng)花鈴期灌水次數(shù)為4 次、 灌水間隔為12 d、灌溉定額在366 mm（W4）時(shí)，單位面積鈴數(shù)、鈴重以及籽棉產(chǎn)量均顯著下降，但水分利用效率高于各無膜處理及對照，蒸數(shù)量最低。 2020 年各無膜處理間，W8 單位面積鈴數(shù)、籽棉產(chǎn)量和蒸散量均最高，鈴數(shù)和籽棉產(chǎn)量與W4 處理相比，差異顯著，但水分利用率最低；W6 鈴重最大并與W4 差異顯著， 兩者水分利用率相近均高于W8。 2021年各無膜處理間單位面積鈴數(shù)、鈴重、籽棉產(chǎn)量和蒸散量均表現(xiàn)為隨著灌水次數(shù)的增加先增加后減少；W6、W7、W8 和W4 鈴重差異顯著；W7

表4 不同灌水頻率下棉花籽棉產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素比較Table 4 Comparison of seed cotton yield and yield component factors under different irrigation frequencies

3 討論

3.1 不同灌水頻率、灌溉定額和覆蓋措施對土壤水分、溫度及作物生長的影響

土壤水分和溫度是影響作物生長的重要因素，水分含量過高或者過低均會對作物的光合作用、蒸騰、氣孔導(dǎo)度等產(chǎn)生直接影響[9]，土壤溫度的適宜程度會影響幼苗生長、根系活力、根區(qū)微生物活性和土壤水分運(yùn)移等[28]。 土壤水分和溫度的空間分布特征具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，隨著灌水頻率和灌溉定額的增加，根區(qū)附近的土壤含水量明顯增加，且根區(qū)溫度降低，受灌水影響的土壤面積擴(kuò)大[10,29]。 灌水和地表覆蓋均會對土壤水分空間分布和溫度的變化產(chǎn)生影響[28]；灌水和地表覆蓋在棉花不同生育時(shí)期對植株生長、水分分布和溫度變化的影響不同[3,27]。 在蕾期，棉花群體較小，植株對地表的遮蓋程度較低，對于無地表遮蓋的無膜棉田， 土壤溫度受太陽輻射的影響較大，地表保溫效果差、水分蒸發(fā)快，白天地表增溫和夜間散熱均較快，不利于棉花生長；而對于地單位面積鈴數(shù)、鈴重和籽棉產(chǎn)量均最高，分別為124.80、6.04 g、5 718.24 kg·hm-2， 與W4 均存在顯著差異， 且水分利用率和蒸散量高于W6 和W8；W8 水分利用率最低， 表明灌水次數(shù)并非越多越好，當(dāng)達(dá)到一定的灌水頻率和灌溉定額后，繼續(xù)灌水會導(dǎo)致無膜棉產(chǎn)量和水分利用率下降。膜覆蓋處理，地膜保水保墑效果明顯，植株生長快，對照果枝數(shù)和各果節(jié)現(xiàn)蕾率高于無膜棉[30]。盛花期后，棉花葉片擴(kuò)張達(dá)到最大，地表遮蓋程度增大， 在此期間灌水頻率和灌溉定額對土壤水分、溫度空間分布的影響增大，地膜覆蓋的作用下降；當(dāng)作物處于高灌水頻率和高灌水定額條件下時(shí)，土壤含水量增加，棉行和行間溫差縮小，棉花葉面積較大，光合作用和蒸騰作用強(qiáng)烈，但也存在“瘋長”、行間郁閉度高等問題，不利于高產(chǎn)；當(dāng)土壤含水量過高時(shí)，土壤透氣性下降，根系活力降低，影響作物的正常代謝，加劇蕾鈴脫落。 低頻灌溉或者嚴(yán)重水分脅迫會造成棉花植株矮小、葉片狹小、蒸騰作用減弱，進(jìn)而導(dǎo)致地表裸露面積較大，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，地表溫度變化劇烈[14,31-32]。

3.2 不同灌水頻率和灌溉定額對棉鈴時(shí)空分布及脫落的影響

不同灌水頻率、灌溉定額會對棉花冠層和生育進(jìn)程產(chǎn)生不同的影響，棉鈴時(shí)空分布特征也有所不同， 而過早或者過晚結(jié)鈴都易導(dǎo)致鈴重輕、品質(zhì)低等問題[17,33]，因此在最佳成鈴時(shí)期、最佳成鈴部位多結(jié)鈴是棉花優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關(guān)鍵所在。 通過對不同時(shí)期不同處理的橫向和縱向成鈴率、成鈴數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得知各處理各部位的成鈴時(shí)間順序、成鈴個數(shù)，最終獲得最佳灌水模式。 本研究中，各處理不同果節(jié)生殖器官的發(fā)生規(guī)律整體上表現(xiàn)為從下部到上部、從近主莖果節(jié)到遠(yuǎn)主莖果節(jié)遞減， 符合棉花生殖器官的發(fā)生規(guī)律，這與雷亞平等[22]的研究結(jié)果相同。 對照各果節(jié)的現(xiàn)蕾概率高于無膜棉，這與地膜的保溫增墑作用有關(guān)[34]，促進(jìn)了棉花的生育進(jìn)程。 進(jìn)入花鈴期，棉花營養(yǎng)生長與生殖生長并進(jìn)，研究表明花鈴期過度水分虧缺，會抑制蒸騰作用，影響正常光合作用，導(dǎo)致果枝數(shù)量下降，蕾鈴失水萎蔫后大量脫落[35-36]；而水分過多則會導(dǎo)致植株?duì)I養(yǎng)生長過旺[27]，物質(zhì)向蕾鈴的轉(zhuǎn)運(yùn)減少， 還會導(dǎo)致土壤通氣性變差、根系呼吸作用減弱，從而造成蕾鈴大量脫落[36]。本研究中W4 外圍和上部成鈴率明顯低于其他處理，W8 處理在盛鈴期的成鈴率高于W4， 但吐絮期脫落率最高， 這與上述結(jié)論相符；2021 年各處理外圍鈴的整體出現(xiàn)概率低于2020 年也可能與當(dāng)年8 月的大量降雨有關(guān)[37]。 而對于低灌溉定額處理W6， 花鈴期生殖器官發(fā)生概率與高灌溉定額處理W8 相近， 兩處理最終成鈴數(shù)相差不大；2021 年新增處理W7， 灌溉定額在573 mm 的情況下， 表現(xiàn)為整體成鈴數(shù)高于其他無膜處理，表明適當(dāng)?shù)墓喔榷~有利于棉花產(chǎn)量的形成，這與何平如等[38]、鄧忠等[39]的研究結(jié)果相同。

3.3 不同灌水頻率和灌溉定額對無膜棉蒸散量、水分利用效率和產(chǎn)量的影響

棉花產(chǎn)量與單株鈴數(shù)、鈴重直接相關(guān)[40]。通過2 年研究表明，無膜棉棉鈴主要分布在中下部，過多或者過少灌水都會導(dǎo)致單位面積鈴數(shù)和鈴重下降。2021 年，與W4 處理相比花鈴期灌水7 次，灌水間隔7 d、灌溉定額為573 mm 時(shí)，單位面積鈴數(shù)、鈴重和籽棉產(chǎn)量均有顯著提高。 這可能是因?yàn)樵谑⑩徠诿藁▽λ謽O其敏感，當(dāng)灌水頻率較低時(shí)，棉花處在干旱脅迫下，生殖器官發(fā)生頻率下降，原有生殖器官易脫落，同時(shí)葉片光合能力下降，光合產(chǎn)物向蕾鈴的轉(zhuǎn)運(yùn)減少，鈴重下降[41]，最終導(dǎo)致產(chǎn)量偏低，這也是W4 水分利用效率高于W7，但產(chǎn)量低于W7 的根本原因。 而W8處理的棉花營養(yǎng)生長旺盛，貪青晚熟，而且在大量灌水的影響下，水分蒸發(fā)嚴(yán)重，并且肥料等不能集中在根部，向地上部運(yùn)移[38-39]，水分利用效率最低，最終造成產(chǎn)量下降；W7 處理的水分利用效率高于W6， 在保證中下部棉鈴質(zhì)量的同時(shí)， 一定程度上增加了上部果枝成鈴率，從而達(dá)到高產(chǎn)。

遲靜波等[42]研究表明，棉花蕾期到花鈴期對養(yǎng)分的需求量最大， 吸收N、P2O5和K2O 占全生育期的比例分別為66.27%～83.55%、52.39%～74.02%、76.52%～80.14%；李鵬程等[43]通過總結(jié)近10 年不同棉區(qū)不同產(chǎn)量棉田的需肥規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新疆植棉區(qū)蕾期至花鈴期的養(yǎng)分需求最大，N、P2O5和K2O 的吸收比例均為全生育期最大；郭仁松等[44]通過研究超高產(chǎn)棉田養(yǎng)分吸收規(guī)律，發(fā)現(xiàn)N、P2O5和K2O 的吸收主要集中在盛花期前，但蕾鈴養(yǎng)分的積累高峰出現(xiàn)在盛鈴期。 李志軍等[18]研究表明， 水肥交互作用極顯著影響籽棉產(chǎn)量；吳立峰等[45]研究發(fā)現(xiàn)水肥耦合對籽棉產(chǎn)量等效果明顯；張燕等[46]認(rèn)為在一定的水肥比例下，減少水分和肥料的施用量僅造成較小的產(chǎn)量損失。 目前， 國內(nèi)無膜棉種植模式的研究還處在探索階段， 大多數(shù)試驗(yàn)僅是對灌水或施肥單個因素展開。 因此，針對無膜棉不同生育期的水肥需求特征， 如何通過合理的水肥搭配來實(shí)現(xiàn)籽棉產(chǎn)量、水分和肥料的利用效率、收益的最大化還需要開展長期連續(xù)性試驗(yàn)進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

在相同灌水定額下，低頻和高頻灌溉都會造成生殖器官發(fā)生頻率下降且蕾鈴脫落率上升，降低無膜棉單位面積鈴數(shù)和籽棉產(chǎn)量。 本試驗(yàn)中，花鈴期灌水間隔為12 d、灌水次數(shù)為4 次、全生育期灌溉定額366 mm 的處理W4 產(chǎn)量最低；花鈴期灌水間隔為8 d 和6 d，灌水次數(shù)為6 次和8次， 全生育期灌溉定額為504 mm 和625.5 mm的處理W6、W8 產(chǎn)量相近；當(dāng)灌水間隔為7 d，花鈴期總灌水次數(shù)為7 次， 全生育期灌溉定額為573 mm 時(shí)，棉花成鈴率高，脫落率低，單位面積鈴數(shù)和產(chǎn)量均高于其他無膜處理。 因此南疆無膜棉花鈴期灌水頻率的設(shè)置可以參照本試驗(yàn)中的W7 處理。