水氮耦合對膜下滴灌棉花生長及產(chǎn)量的影響

(石河子大學水利建筑工程學院/現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆石河子 832000)

doi:10.6048/j.issn.1001-4330.2017.11.003

水氮耦合對膜下滴灌棉花生長及產(chǎn)量的影響

賀懷杰，王振華，鄭旭榮，張金珠，李文昊，鄔 強

(石河子大學水利建筑工程學院/現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆石河子 832000)

目的研究水氮耦合對新疆北疆石河子地區(qū)膜下滴灌棉花生長和產(chǎn)量的影響。方法通過桶栽試驗，結(jié)合當?shù)孛藁ㄆ贩N農(nóng)豐133號為試驗材料，在滴灌條件下進行水氮兩因素三水平完全處理。灌溉設(shè)置三個水平：4 350、5 250、6 150 m3/hm2(分別標記為W1、W2、W3)；設(shè)置三個施氮水平:300、500、700 kg/hm2(分別標記為F0.6、F1.0、F1.4)，研究棉花生育期內(nèi)不同水肥處理對株高、葉面積指數(shù)(LAI)、干物質(zhì)積累以及產(chǎn)量的影響。結(jié)果棉花在膜下滴灌施氮條件下，株高和葉面積指數(shù)隨灌水量的增加而增加。在相同灌水處理下，棉花各項生理指標隨施肥量的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，在施肥水平 F1.0處達到最大，同時施肥過高一定程度上抑制了棉花的生長。結(jié)論在新疆北疆石河子棉花種植區(qū)，灌水量5 250 m3/hm2、施氮量500 kg/hm2為最佳膜下滴灌施肥策略。

棉花；膜下滴灌；水氮耦合；生長；產(chǎn)量

0 引 言

【研究意義】新疆北疆地區(qū)由于作物生長季有效降雨很少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對灌溉水的需求非常大，水資源緊缺已成為新疆綠洲區(qū)制約作物產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。棉花是新疆播種面積最大的經(jīng)濟作物，但干旱缺水和肥料利用率低限制了新疆農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。近些年來，由于新疆棉區(qū)膜下滴灌技術(shù)的快速發(fā)展，推動了棉花大面積的種植，其中水肥一體化技術(shù)在滴灌中應用極大地促進了棉花在新疆地區(qū)的種植。滴灌施肥技術(shù)是通過滴灌灌水器將水分和肥料輸送到作物根區(qū)，在提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的同時，大幅度提高作物水肥利用效率[2]。研究北疆膜下滴灌施氮條件下，不同灌水施肥處理對有效鈴數(shù)、籽棉產(chǎn)量和收獲指數(shù)的影響，對調(diào)控棉花水肥來提高水分利用效率有實際意義。【前人研究進展】申亞賓等[3]通過實驗研究了不同灌水施氮量對北疆大田滴灌春小麥前期生理指標、產(chǎn)量的影響及前期生理指標和產(chǎn)量的關(guān)系，得出隨灌水或施氮量的增加，干物質(zhì)、葉面積和產(chǎn)量表現(xiàn)出先增后減趨勢的結(jié)論。近幾年，有文獻研究了灌水施肥對作物的生長狀況、水肥利用效率以及產(chǎn)量的影響。Jo?o Henrique Zonta等[4]通過實驗研究水分和氮速率對棉花生長和產(chǎn)量的影響，得出了在缺水條件下適宜的灌水和施氮量；郭金強等[5]通過研究棉花膜下滴灌各生育期3種灌溉量下的耗水量與耗水強度，得出了棉花的耗水量隨灌水量的增加而增大的結(jié)論。棉花在不同生育期耗水量不同，棉花在出現(xiàn)花蕾到吐絮期間需要不斷運輸養(yǎng)分到地上部分，因此需水量較其他生育期多。雷詠雯等[6]通過采用田間單因素和復因素試驗研究得到新疆石河子棉區(qū)膜下滴灌棉花全生育期耗水量, 在苗期棉花不需要過多向地上部分輸送養(yǎng)分，因此耗水量最少；棉花出現(xiàn)花蕾后蒸散量增加，需水量較苗期大；棉花盛鈴期最為耗水；棉花在吐絮期需水量較蕾期持平。通過研究表明，水和氮素是影響作物生長及產(chǎn)量的兩個重要因素，進一步解決滴灌水肥一體化條件下水氮耦合效應對作物的影響，科學地指導當?shù)亟?jīng)濟作物的種植?！颈狙芯壳腥朦c】有關(guān)棉花水氮耦合研究較多，但結(jié)合該地區(qū)情況進行研究并指導本地區(qū)灌水施肥有十分重要的意義。通過探討水氮對膜下滴灌棉花的生長及產(chǎn)量的耦合作用，科學合理地確定氮肥的最適投入量和最適灌溉量，來制定新疆干旱區(qū)膜下滴灌棉花節(jié)水灌溉高產(chǎn)施肥策略?！緮M解決的關(guān)鍵問題】新疆地屬干旱區(qū)，通過制定適宜該地區(qū)的灌水量和施肥量來獲得更好的經(jīng)濟效益，提高灌水利用率、優(yōu)化施肥策略，以此來充分利用現(xiàn)有灌溉資源并減少化肥對耕地的進一步污染。

1 材料與方法

1.1 材 料

2016年在新疆石河子市石河子大學現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室試驗基地(85°59′E、44°19′N)開展桶栽試驗。試驗地點年均日照時數(shù) 2 865 h，>10℃積溫 3 463.5℃，> 15℃積溫2 960.0℃，無霜期170 d。年均氣溫(7.7±0.90)℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月，平均氣溫(25.4±0.74)℃，最低氣溫出現(xiàn)在 1 月，平均氣溫(-5.4±2.06)℃。年降水量(213±56.7) mm， 年蒸發(fā)量(1 342±413) mm。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗采用桶栽，選取當?shù)孛藁ǚN植品種農(nóng)豐133號，灌水采用醫(yī)用輸液管模擬滴頭，可保證每個桶都能夠精確控制灌水量與施肥量，灌水滴頭流量1.8 L/h左右。試驗用塑料桶規(guī)格為 0.52 m×0.45 m×0.35 m(高×頂部內(nèi)徑×底部內(nèi)徑)。桶內(nèi)裝填中壤土100 kg，土的平均容重1.36 kg/m3，為模擬自然環(huán)境，將桶埋于地下，地膜使用新疆天業(yè)公司生產(chǎn)的聚乙烯普通塑料地膜，播種后覆膜。根據(jù)2016年新疆石河子棉花種植區(qū)當?shù)貙嶋H情況，制定試驗如下：9個處理，每個處理5次重復。灌溉設(shè)置三個水平：4 350、5 250、6 150 m3/hm2(分別標記為W1、W2、W3)；設(shè)置三個施氮水平:300、500、700 kg/hm2(分別標記為F0.6、F1.0、F1.4)。2016年 5月12日開始種植棉花，播種采用“干播濕出”的方式，以桶中心為圓心畫半徑為 20 cm圓(圓內(nèi)接等邊三角形)，在3個頂點上各放2顆棉籽，在棉花長出2～3片真葉后開始間苗，每桶中一個頂點處留1株長勢較好的棉花。表1

表1 膜下滴灌棉花各生育期灌水及施肥處理
Table 1 Irrigation and fertilization of cotton under film drip irrigation

項目Project苗期Seedlingstage現(xiàn)蕾期Squaringstage開花期Floweringstage鈴期Bloomingstage吐絮期Bollopeningstage全生育期Wholegrowthstage灌水次數(shù) Irrigationfrequency1224110施肥次數(shù) Fertilizationfrequency2248尿素比例 Urearatio(%)252550100

1.2.2 測定項目

株高和葉面積指數(shù)：在打頂5 d 后 ( 2016 年 7 月 29日 )，測量每桶中3株棉花所有葉片的葉面積和株高。使用卷尺測量棉株高度h和厘米尺測量每片葉片長度和寬度，其中棉花葉面積和株高取平均值；使用卷尺測量棉花株高(cm)。 在現(xiàn)蕾期、開花期和盛鈴期， 每個小區(qū)隨機選取4株植株用卷尺測量棉花每片葉片寬度和長度來計算LAI葉面積指數(shù)。(葉面積指數(shù)=葉片總面積/所占桶口面積)

地上干物質(zhì)累積量:地上部分包括葉片(含葉柄在內(nèi))、莖 、蕾 。棉花7月11日為初花期、8月10日為成鈴期和9月23日為收獲期，測定干物質(zhì)時每個處理取一桶(每桶取3株)。棉花干物質(zhì)用烘箱恒溫105℃殺青 35 min，再設(shè)定75℃烘干至恒重，再分別稱取干物質(zhì)質(zhì)量。

棉花籽棉產(chǎn)量和構(gòu)成要素：在收獲期收取籽棉并測其產(chǎn)量同時將每桶棉花分層(下層 、中層和上層)摘取每桶3株棉花的所有棉鈴，稱重后折算為百鈴質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016進行數(shù)據(jù)計算，用SPSS 18.0 統(tǒng)計軟件進行方差分析 (P< 0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水施氮處理對棉花生長的影響

2.1.1 株高

研究表明，低灌水水平W1條件下，施氮處理F0.6與F1.0對棉株高度差異影響不顯著，因此，不具有統(tǒng)計學意義，但與F1.4處理相比株高明顯低34.4%和27.7%，同時在F1.4施肥水平處棉花株高h達到最大，為82.0 cm；在灌水量為W2時，F(xiàn)0.6處理與其它兩施氮處理相差分別為14.8%和33.0%，各施肥處理之間差異具有統(tǒng)計學意義，株高隨著施氮量的增加而增大；在灌水量為W3時，F(xiàn)0.6處理與其它兩施氮處理相差分別為15.3%和32.4%。W2、W3灌水條件下棉花株高均在F1.4施氮處理下達到最大，分別為86.3和87.5 cm。相同的施氮水平下，棉株高度隨灌水量的增加而增加，其中W3、F1.4處理棉株最高，其高度是W1、F1.4處理的1.07倍。單一灌水因素對株高影響在P< 0.05水平下具有統(tǒng)計學意義，水肥交互作用和施氮因素對株高的影響在P< 0.01水平下具有統(tǒng)計學意義。圖1

圖1 花鈴期不同灌水施肥量下棉花株高變化
Fig.1 Effects of Different Irrigation Rates on Plant Height of Cotton in Floral Period

2.1.2 葉面積指數(shù)

棉花的生長過程中葉面積指數(shù)能夠很好地反映棉花的生長狀況。低灌水水平W1條件下，施氮處理F0.6與F1.0、F1.4相比差異明顯，F(xiàn)0.6處理與其它兩施氮處理相差分別為63.5%和144.1%，且在F1.4處理達到最大；在灌水量為W2時，F(xiàn)0.6處理與其它兩施氮處理相差分別為113%和181%；在灌水量為W3時，F(xiàn)0.6處理與其它兩施氮處理相差分別為137%和118%。在相同施氮處理下，F(xiàn)0.6處理之間差異不明顯；F1.0處理在W2條件下達到最大；F1.4處理在W2處達到最大。W1和W3灌水條件下施氮處理F1.0和F1.4之間不具備統(tǒng)計學差異。灌水量相同時，施氮處理之間差異明顯，隨著施氮量的增加棉花LAI增加；施氮量相同時，葉面積指數(shù)隨灌水量增加增長趨勢不明顯，其中在W2、F1.4條件下棉花LAI為4.55達到最大，因此，增加施氮量并不能獲得較高的棉花葉面積指數(shù)。灌水因素和施氮因素棉花LAI影響均在P< 0.01水平下具有統(tǒng)計學意義，水肥交互作用對棉花LAI不具有統(tǒng)計學意義。圖2

圖2 花鈴期不同灌水施肥量下棉花葉面積指數(shù)變化
Fig.2 Effects of Different Irrigation Rates on Leaf Area Index of Cotton in Floral Period

2.2 灌水施氮處理對棉花地上部干物質(zhì)量影響

不同的灌水量和施氮量導致棉花干物質(zhì)量的不同。圖3a為棉花不同生育期不同灌水處理下棉花地上部干物質(zhì)累計情況，初花期氣溫低、光照時間短等因素導致棉花初花期前根系不發(fā)達導致對水肥不敏感進一步延緩了棉花地上部干物質(zhì)積累過程，各施氮處理之間差異不明顯；盛鈴期施氮處理F0.6與F1.0、F1.4相差分別為13.2%和34.6%；收獲期施氮處理F0.6與F1.0、F1.4相比差異明顯，分別為10%和18.6%，地上部干物質(zhì)量大小依次為 W3>W2>W1。在低灌水W1水平下各生育期均與W2和W3差異較明顯具有統(tǒng)計學意義。圖3b為棉花不同生育期不同施氮處理下地上部干物質(zhì)累計情況，初花期差異不明顯；盛鈴期灌水處理F0.6與F1.0、F1.4相比差異明顯，分別為14%和31.7%；收獲期灌水處理F0.6與F1.0、F1.4相比差異明顯，分別為9%和17.1%，地上部干物質(zhì)量大小依次為 F1.4>F1.0>F0.6。圖3

圖3 不同灌水施肥量下棉花地上部干物質(zhì)量變化
Fig.3 Effect of different irrigation and fertilization amount on above ground dry mass

2.3 灌水施氮量對產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

不同灌水施氮處理對棉籽產(chǎn)量的影響不同。其中mb為百鈴質(zhì)量，eb為有效鈴數(shù)，yc為籽棉產(chǎn)量，HI為收獲指數(shù)。在W1灌水條件下，施氮處理F0.6與F1.0、F1.4相比百鈴質(zhì)量差異不明顯，有效鈴數(shù)、籽棉產(chǎn)量和收獲指數(shù)均在F1.0處達到最大；在W2和W3灌水條件下，施氮處理F0.6與F1.0、F1.4相比百鈴質(zhì)量、有效鈴數(shù)、籽棉產(chǎn)量和收獲指數(shù)均在F1.0處達到最大。百鈴質(zhì)量、有效鈴數(shù)、籽棉產(chǎn)量在相同施氮處理下隨灌水量的增加呈增加的趨勢，均在W2、F1.0處達到最大。灌水因素對百鈴質(zhì)量的影響在P< 0.05條件下具有統(tǒng)計學意義，施氮因素和水肥交互作用對mb在P< 0.01條件下具有統(tǒng)計學意義；灌水和施氮對HI不具有統(tǒng)計學意義，水肥交互作用對HI在P< 0.01條件下具有統(tǒng)計學意義。表2

表2 不同灌水施肥處理對籽棉產(chǎn)量及其構(gòu)成和收獲指數(shù)
Table 2 Seed cotton yield，yield component and harvest index under different fertigation

灌水水平Irrigationlevel施肥水平Fertilizationlevel百鈴質(zhì)量mb/g有效鈴數(shù)eb/(個/株)籽棉產(chǎn)量yc/(kg/hm2)收獲指數(shù)HIW1F0.6350.37e6.34g3897.56g0.31gF1.0356.32ef7.09f4345.38e0.33fF1.4340.09de5.76bc3858.98de0.29cW2F0.6398.37g8.45ef4132.54cd0.36eF1.0432.19de9.25b5433.45bc0.42aF1.4415.56bc8.43ef5144.12b0.40bcW3F0.6376.22f6.30g3965.34f0.36eF1.0426.43de8.73bc4644.56ef0.41bF1.4387.77ef8.64cd4554.30d0.35f

注：*表示差異顯著(P<0.05)，同列數(shù)值后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

Note:*significant difference (P< 0.05), after the same value, different letters showed significant differences between the treatments (P< 0.05)

因此，單一增加施氮量并不能獲得高產(chǎn)，同時施氮過量也會抑制棉花植株的生長導致降低產(chǎn)量。在W1灌水條件下施肥處理籽棉產(chǎn)量較其他處理相比均明顯下降，低灌水條件對干物質(zhì)積累與籽棉產(chǎn)量影響較大，因此，W1灌水條件下的施肥水平不適宜推廣到農(nóng)業(yè)實際生產(chǎn)中去；在灌水施肥處理為W2、F1.0處理時，三者產(chǎn)量均明顯高于其他處理，故可推薦灌水施肥量W2、F1.0作為當?shù)禺a(chǎn)量最優(yōu)制度。

3 討 論

3.1 適宜的的灌水施氮量一定程度上能夠促進植株生長進一步提高產(chǎn)量。實驗通過研究不同灌水施氮對棉花生長的影響得出如下結(jié)論：不同灌水處理時，低灌水W1水平下棉花根系吸收水分不足，從而受到水分脅迫的影響，棉花生長緩慢；同一灌水處理，棉株株高和棉花葉面積指數(shù)隨施氮量的增加而增加；在F1.4施氮水平下，棉花葉面積指數(shù)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，因此，過多灌水也不利于棉花生長。宋娜等[7]通過研究膜下滴灌條件下水氮耦合效應及其對馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率的影響,從而確定馬鈴薯適宜的水氮用量,以求達到節(jié)水、節(jié)肥和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目的。

3.2 棉花地上部干物質(zhì)的累積隨著灌水施氮的增加呈遞增趨勢。盛鈴期和收獲期隨灌水量和施氮量的增加棉花地上部干物質(zhì)累積呈增加趨勢。同時灌水量是影響棉花地上部干物質(zhì)累積量的主要因素，采取措施來保證灌水能夠促進棉花前期生長，進一步可提高產(chǎn)量。王海東等[8]研究表明：棉花初花期前由于氣溫低等因素導致棉株根系不發(fā)達進而影響延緩了棉花生長，對不同灌水施肥處理不敏感的現(xiàn)象；棉花初花期以后棉株對水分和養(yǎng)分的利用率提高，不同灌水施肥處理對其生長影響較初花期前明顯。

3.3 增施氮肥能夠提高產(chǎn)量，但過量施肥不利于棉花生長。研究得到在相同灌水處理的情況下，百鈴質(zhì)量、有效鈴數(shù)以及籽棉的產(chǎn)量隨施肥的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在施肥處理F1.0(5 250 m3/hm2)處達到最大，因此得出過量施肥不但不會提高棉花產(chǎn)量，還會抑制其產(chǎn)量增長；同時水肥交互作用對棉花收獲指數(shù)HI影響顯著。鄧忠等[9]實驗表明水氮調(diào)控一定程度影響了棉花產(chǎn)量及水氮利用率，尋求合適的灌水和施氮來優(yōu)化株型結(jié)構(gòu)，從而增加有效鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量進一步來提高產(chǎn)量。

3.4 施肥量是影響棉花干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的主要因素，棉花生育期內(nèi)增加施氮量來提高棉花干物質(zhì)量從而提高產(chǎn)量，但過量施肥會造成棉花產(chǎn)量降低。

4 結(jié) 論

4.1 在北疆膜下滴灌施氮條件下，灌溉施肥處理5 250 m3/hm2、500 kg/hm2時與灌水施肥處理4 350、6 150 m3/hm2相比，有效鈴數(shù)、籽棉產(chǎn)量、收獲指數(shù)有顯著提升(P< 0.05)。當灌水定額為5 250 m3/hm2時，能夠獲得較其他灌水處理適宜的棉株高度和葉面積指數(shù)。水肥交互作用對棉花百鈴質(zhì)量和收獲指數(shù)影響較大，因此可以通過調(diào)控水肥來增加有效鈴數(shù)，進一步提高棉花產(chǎn)量。

4.2 在北疆膜下滴灌施氮條件下，在灌溉定額為5 250 m3/hm2時，施氮量500與300和700 kg/hm2施肥處理相比較可獲得籽棉產(chǎn)量為5 433.45 kg/hm2最高，此時水肥利用效率較高。北疆地區(qū)干旱水資源短缺，灌溉定額5 250 m3/hm2，施氮量500 kg/hm2為最佳滴灌施肥策略。

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EffectsofWater-NitrogenCouplingonGrowthandYieldofCottonunderMulchDripIrrigation

HE Huai-jie, WANG Zhen-hua, ZHENG Xu-rong, ZHANG Jin-zhu，LI Wen-hao，WU Qiang

(CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,ShiheziUniversity/KeyLaboratoryofModernWater-SavingIrrigationofXPCC,ShiheziUniversity,ShiheziXinjiang832000,China)

ObjectiveTo study the effects of water and nitrogen coupling on the growth and yield of cotton under mulch drip irrigation in Shihezi area of Xinjiang, pot experiment was designed.MethodNongfeng No.133, an early-maturing variety commonly cultivated in the region was used as the test material under drip-irrigated condition in a pot experiment that was completely randomized with two-factor and three-level treatments. Three irrigation levels were set: 4,350, 5,250 and 6,150 m3/hm2(labeled W1, W2, W3) and three nitrogen application levels were set: 300, 500, 700 kg/hm2(labeled F0.6, F1.0, F1.4). The effects of different treatments on plant height, leaf area index, dry matter accumulation and yield of cotton were analyzed and measured.ResultThe results showed plant height and leaf area index were increased with the increase of irrigation amount under the condition of mulch drip irrigation. At the same irrigation level, with the increase of the amount of nitrogen, the index showed that the trend increased at first and then decreased and the maximum value arrived at F1.0, however, excessive fertilization inhibited the growth of cotton to some extent.ConclusionBased on the effects of water-nitrogen coupling on the growth of drip-irrigated cotton，water and nitrogen fertilizer were recommended to be applied in the amounts of 5,250 m3/hm2and 500 kg/hm2，respectively in the Shihezi area in order to achieve the highest yield.

cotton; drip irrigation under film；water-nitrogen coupling；growth；yield

Supported by: National Natural Science Foundation of China "Synergistic regulation mechanism of water and Fertilizer on Cotton under mulch drip irrigation in typical oasis of Xinjiang" (51741908)； National Science and technology support program "Large water-saving technology integration and demonstration"(2015BAD20B03)

Wang Zhen-hua(1979-), man, Han，Henan Fugou，Doctor degree，Professor，Doctoral supervisor， Study on the theory and technology of water saving irrigation in arid area. (E-mail)wzh2002027@163.com

S562

A

1001-4330(2017)11-1983-07

2017-06-15

國家自然科學基金項目“新疆典型綠洲長期膜下滴灌棉花水肥鹽協(xié)同調(diào)控機理研究”(51741908)；國家科技支撐計劃項目“大型灌區(qū)節(jié)水技術(shù)集成與示范”(2015BAD20B03)

賀懷杰(1993-)，男，河南柘城人，碩士研究生，研究方向為節(jié)水灌溉，(E-mail)958186239@qq.com

王振華(1979-)，男，河南扶溝人，教授，博士，博士生導師，研究方向為干旱區(qū)節(jié)水灌溉，(E-mail)wzh2002027@163.com