痕量灌溉管道埋深和水量對棉花品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

陳立宇，張立峰，路戰(zhàn)遠，咸 豐，張建中，張向前

(1.河北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，河北 保定 071000；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031)

內(nèi)蒙古西部的阿拉善盟、烏海市、巴彥淖爾市磴口縣和鄂爾多斯市烏審旗等區(qū)域的光熱資源豐富，適合棉花種植，被作為國家后備棉區(qū)。其中阿拉善盟土地面積廣闊，光熱資源最為豐富，年均日照時數(shù)3 000～3 500 h，年均≥10 ℃的積溫一般在3 000～3 600 ℃以上，年降水量200～400 mm，年蒸發(fā)量2 900～3 300 mm，無霜期150～170 d[1]。但同時該地區(qū)水資源匱乏，水成了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的限制性因素。棉花作為抗旱節(jié)水的先鋒經(jīng)濟作物，全生育期用水量僅為種植玉米用水量的50%。棉花作為該地區(qū)的一種新型經(jīng)濟作物，在需水規(guī)律和節(jié)水灌溉方面的研究還比較少，對棉花節(jié)水技術的研究是保證該地區(qū)棉花種植、推動棉花產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關鍵所在。痕量灌溉作為一項新型節(jié)水技術，該灌溉技術是將灌溉管道提前埋入作物根系附近，能將水分緩慢、適量輸送到植物根系[2]。目前對痕量灌溉的研究主要在不同埋深﹑施肥量條件下作物的生長生理特性方面[3-5、17]，尚未見報道痕量灌溉管埋深和灌水量對棉花生長、品質(zhì)和產(chǎn)量的綜合研究。為此本試驗利用先進的節(jié)水灌溉技術—痕量灌溉技術，研究痕量灌溉不同管埋深度和灌水量條件下對棉花生長發(fā)育、品質(zhì)和產(chǎn)量的影響，確定適宜棉花生長和水分高效利用的最佳痕量管埋深度和水量，為棉花和其他作物的節(jié)水灌溉研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2017年在內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院棉花試驗示范基地(東經(jīng)100°13′，北緯40°59′)進行試驗，該地為典型的大陸性氣候。干旱少雨，風大沙多，冬寒夏熱，四季氣候特征明顯，晝夜溫差大。年均氣溫6～8.5 ℃，1月平均氣溫-9～14 ℃。極端最低氣溫-36.4 ℃；7月平均氣溫22～26.4 ℃，極端最高氣溫41.7 ℃。年無霜期130～165 d；雨季多集中在7-9月。降雨量從東南部的200多mm，向西北部遞減至40 mm以下；而蒸發(fā)量則由東南部的2 400 mm向西北部遞增到4 200 mm。年日照時數(shù)達2 600～3 500 h，年太陽總輻射量147～165 kcal/cm2。多西北風，平均風速2.9～5 m/s，年均風日70 d左右。

1.2 試驗材料

以近年來在內(nèi)蒙古西部區(qū)種植情況良好的棉花品種‘中棉所92’為材料。

1.3 試驗設計及農(nóng)藝管理

采用兩種灌溉方式：膜下滴灌和痕量灌溉。其中痕量灌溉分別設置地下埋深30、40、50 cm 3個處理，每種埋深處理下設置5個灌水量處理分別為3 600、3 300、3 000、2 700、2 400 m3/hm2。共計16個處理，重復3次，共計48個小區(qū)。以膜下滴灌為對照(CK)處理。設置小區(qū)行長30 m，每小區(qū)3膜，面積為184.5 m2，總面積8 856 m2，播種方式為(66+10)cm機采棉模式，寬2.05 m地膜種植6行，行距(66+10)cm、株距為10 cm，密度27 萬株/hm2，機器覆膜、鋪管、施肥一體化，人工點播。底肥施磷酸二銨300 kg/hm2、氯化鉀75 kg/hm2，追肥施尿素375 kg/hm2。田間管理同常規(guī)高產(chǎn)田。試驗處理如表1所示。

1.4 試驗測定項目及方法

農(nóng)藝性狀：每小區(qū)隨機選取10株進行室內(nèi)考種測定，測定指標為株高、單株鈴數(shù)、始桃高、單鈴重、籽棉重、皮棉重等。

纖維品質(zhì)：選取棉株中部50鈴測定纖維品質(zhì)，測定指標為上半部平均長度、纖維整齊度指數(shù)、馬克隆值、伸長率、斷裂比強度等5個指標(GB/T20392-2006)，由農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心(安陽)測試。

表1 試驗處理Tab.1 Experiment treatment

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2007進行處理和統(tǒng)計分析，SPSS 25.0軟件做主成分分析，以Duncan，s新復極差法比較不同處理間的差異顯著性。最佳評價采用隸屬函數(shù)法[6]。計算公式為：

μ(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：Xi表示第i個指標值；Xmax表示所有處理第i個指標的最大值；Xmin表示所有處理第i個指標的最小值。

根據(jù)棉花各性狀指標的隸屬函數(shù)值，計算出平均隸屬函數(shù)值后進行比較，平均值越大表示效果越好。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉處理對棉花植株形態(tài)的影響

由表2可知，同一埋管深度下，棉花株高、始桃高、單株鈴數(shù)均隨著灌水量的增大呈逐漸升高趨勢，最大值均出現(xiàn)在灌水量為3 600 m3/hm2。同一灌水量條件下，棉花株高、始桃高、單株鈴數(shù)均隨著埋管深度的增加呈逐漸降低趨勢。從各處理對株高的影響可以看出，CK處理株高最大，為65.31 cm，其次為T6處理株高為65.16 cm，株高最小的為T10處理，為45.891 cm。各處理間差異達到顯著水平；各處理中株高排序為CK>T6>T1>T11>其他處理；棉花始桃高度T1最高，為17.39 cm，其次為T2處理，為17.00 cm，最低的是T15處理，為10.57 cm，各處理間差異達到顯著水平；單株桃數(shù)T1處理最多，為6.99個，其次是CK處理，為6.75個，最少的是T10處理，為2.54個。

2.2 不同灌溉處理對棉花干物質(zhì)積累的影響

由表3可知，同一埋管深度下，棉花干物質(zhì)總量隨著灌水量的增大呈逐漸增加趨勢，最大值均出現(xiàn)在灌水量為3 600 m3/hm2。同一灌水量條件下，棉花干物質(zhì)總量均隨著埋管深度的增加呈逐漸降低趨勢。各處理棉花干物質(zhì)總量大小分別是CK>T6>T11>T1。在埋管深度為 30 cm時，棉花干物質(zhì)總量及棉花分部位(莖、枝葉、鈴)隨著灌水量的增大呈逐漸增加趨勢。

表2 不同灌溉處理下棉花植株的形態(tài)指標Tab.2 Morphological of cotton plants under different irrigation treatments

注：表中同列不同小寫字母表示差異顯著(p=0.05)，表3～表5同。

表3 不同灌溉處理下棉花干物質(zhì)積累的影響 g/株

而埋管深度為 40、50 cm時其棉花干物質(zhì)總量及棉花分部位(莖、枝葉、鈴)表現(xiàn)趨勢和埋管深度為 30 cm一致。而不同埋管深度處理下，埋深30 cm處理棉花干物質(zhì)總量及棉花分部位(莖、枝葉、鈴)表現(xiàn)最佳。

2.3 不同灌溉處理對棉花品質(zhì)的影響

由表4可知，同一埋管深度下，棉花上半部平均長度、整齊度指數(shù)、斷裂比強度均隨著灌水量的增大呈逐漸升高趨勢。同一灌水量條件下，棉花上半部平均長度、整齊度指數(shù)、斷裂比強度均隨著埋管深度的增加呈逐漸降低趨勢。從各處理對棉花品質(zhì)的影響可以看出，在灌水量為3 600 m3/hm2，上半部平均長度隨著埋深的增加呈先減小后增大再減小的趨勢，但處理間差異未達到顯著性水平(P>0.05)；整齊度指數(shù)、斷裂比強度和馬克隆值隨著埋深的增加呈先減小后增大的趨勢，但處理間差異未達到顯著性水平(P>0.05)；伸長率隨著埋深的增加呈先增大后減小再增大的趨勢，但處理間差異未達到顯著性水平(P>0.05)。在埋深一定時，上半部平均長度、整齊度指數(shù)、斷裂比強度、馬克隆值和伸長率隨著灌水量的減小處理間未達到顯著性水平(P>0.05)。

表4 不同灌溉處理下棉花的品質(zhì)變化Tab.4 Cotton quality changes under different irrigation treatments

2.4 不同灌溉處理對棉花產(chǎn)量的影響

由表5可知，同一埋管深度下，棉花單鈴重隨著灌水量的增大呈先增大后減小的趨勢。而籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量隨著灌水量的增大呈先增大趨勢。同一灌水量條件下，籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量隨著埋管深度的增加呈減少趨勢。在埋管深度為 30 cm時，棉花籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量隨著灌水量的增大呈逐漸增加趨勢。在灌水量為3 600 m3/hm2，籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量分別為5 247.15、2 202.75 kg/hm2，顯著高于其他灌水量處理。而埋管深度為40、50 cm時其棉花花籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量表現(xiàn)趨勢和埋管深度為 30 cm一致。而不同埋管深度處理下，埋深30 cm處理棉花花籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量表現(xiàn)最佳。各處理下籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量表現(xiàn)為CK>T1>T6>T11。

表5 不同灌溉處理下棉花產(chǎn)量變化Tab.5 Cotton yield changes under different irrigation treatments

2.5 棉花農(nóng)藝性狀的主成分分析

從表6可以看出，對棉花的15個農(nóng)藝性狀進行主成分分析，在所有主成分構成中，不同處理中的絕大部分信息主要集中在前4個主成分，累計貢獻率達80.72%，已反映出15項性狀指標的大部分信息，因此選取前4個主成分作為綜合指標。第一主成分的貢獻最大，貢獻率為47.51%，其中以皮棉產(chǎn)量和籽棉產(chǎn)量的向量值較大，因此可以將F1稱之為棉花產(chǎn)量選擇因子；第二主成分的貢獻率為15.37%，以整齊度指數(shù)和斷裂比強度的向量值較大，因此可以將F2稱之為棉花品質(zhì)選擇因子；第三主成分的貢獻率為10.12%，以伸長率的向量值較大，因此可以將F3稱之為棉花伸長選擇因子；第四主成分的貢獻率為7.73%，以馬克隆值的向量值較大，因此可以將F4稱之為馬克隆值選擇因子。

2.6 棉花農(nóng)藝性狀的隸屬函數(shù)值

隸屬函數(shù)是運用模糊理論解決實際問題的基礎。實際上，隸屬函數(shù)分析提供了一條在多指標測定基礎上，對各植物特性進行綜合評價的途徑。不同處理棉花15個農(nóng)藝性狀通過主成分分析知，皮棉產(chǎn)量、整齊度指數(shù)、斷裂比強度、伸長率和馬克隆值可綜合評價其性狀。對以上主要指標計算其隸屬函數(shù)值，以評價不同處理中棉花表現(xiàn)性狀的強弱。根據(jù)隸屬函數(shù)平均值的大小對棉花主要農(nóng)藝性狀進行排序(表8)，分別是CK>T11>T4>T1>T2>T6>T12>T8>T3>T13>T9>T15>T7>T5>T14>T10。

表6 主要性狀的主成分分析Tab.6 Principal component analysis of main traits

表7 農(nóng)藝性狀得分系數(shù)矩陣Tab.7 Agronomic trait score coefficient matrix

表8 不同處理下主要農(nóng)藝性狀隸屬函數(shù)值Tab.8 Values of membership functions of main agronomic traits under different treatments

3 討論與結論

痕量灌溉技術是目前最具節(jié)水潛力的高效節(jié)水灌溉技術，較滴灌節(jié)水40%～50%[7]。痕量灌溉技術是北京普泉有限公司首創(chuàng)的新型節(jié)水灌溉技術[8]，其原理與地下滲灌有相似之處，是通過毛細力原理、現(xiàn)代膜過濾技術，實現(xiàn)植物供水與需水間的平衡，從而降低了灌溉用水的蒸發(fā)及其滲漏損失，且其獨特的過濾方式，可以防止管道堵塞。此外，痕量灌溉還有利于改良土壤、提高作物性狀和產(chǎn)量、保護作物根須等作用[2]。普泉公司于2009年4月對內(nèi)蒙古鄂爾多斯13.33 hm2沙荒地進行速生楊栽植工程示范，其結果表明，痕量灌溉技術較滴灌技術可節(jié)水62.5%。邢立文[15]研究痕量灌溉對草莓的影響，結果表明經(jīng)優(yōu)化后的痕量灌溉水肥管理模式下增產(chǎn)27.26%。王志平等[9]試驗表明在溫室大桃栽培中，痕量灌溉管埋深30 cm且覆蓋地膜的條件下，能起到節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)的良好效果，較畦灌、滴灌的水分利用效率分別增加了16.1和10.6 kg/mm3。叢麗君[16]研究了痕量灌溉管不同埋深對日光溫室栽培番茄品質(zhì)和產(chǎn)量的影響，結果表明灌溉管埋深15 cm長勢較好,地上部干、鮮質(zhì)量分別較對照提高20.6%、33.3%。劉秋麗[10]研究痕量灌溉下不同施肥量對茄子產(chǎn)量及品質(zhì)的影響結果發(fā)現(xiàn)，在灌水量相同，肥量下降20%處理產(chǎn)量最高，比對照產(chǎn)量增加12.25%；Vc含量提高了23.08%。減少施肥量，有利于提高果實品質(zhì)。沈富[5.11]等試驗發(fā)現(xiàn)痕量灌溉處理后辣椒的品質(zhì)相對對照有大幅度的提升并且在痕量灌溉管埋深20 cm，有利于辣椒的生長發(fā)育。安順偉、王梟等[4]在番茄試驗中發(fā)現(xiàn)，灌溉管埋深20和30 cm處理較空白相比，分別增產(chǎn)了6.1%和15.2%，王梟[12、14]研究表明痕量灌溉對番茄品質(zhì)明顯改善。黃令淼[13]通過測定痕量灌溉下玉米的株高、株徑、干物質(zhì)和光合速率等指標,可以看出痕量灌溉下，隨著生育期的進行，不同施肥處理對株高影響明顯, 唐存士[18]研究痕量灌溉埋深對披堿草的影響，結果表明痕量灌溉管埋深25 cm時，披堿草的高度和生物量最佳。本試驗通過主成分和隸屬函數(shù)結合分析不同處理棉花15個農(nóng)藝性狀顯示，皮棉產(chǎn)量、整齊度指數(shù)、斷裂比強度、伸長率和馬克隆值可綜合評價其性狀，不同處理下主要性狀隸屬函數(shù)平均值排序是CK>T11>T4>T1>T2>T6>T12>T8>T3>T13>T9>T15>T7>T5>T14>T10。表明灌水量3 600 m3/hm2，膜下滴灌綜合效果大于痕量灌溉，痕量灌溉管道埋深效果50 cm>30 cm>40 cm。從節(jié)水層面來看，痕量灌溉管道埋深30 cm，灌水量2 700 m3/hm2效果最佳。