南疆無膜滴灌棉花灌溉制度對土壤水分和產(chǎn)量品質(zhì)的影響

王洪博 ，曹 輝 ，高 陽 ，王興鵬 *

（1.塔里木大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程 重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引 言

【研究意義】棉花膜下滴灌栽培技術(shù)是新疆棉花生產(chǎn)的主導(dǎo)模式，在近30 a 新疆棉花產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展與壯大過程中發(fā)揮了巨大作用[1]，但由于長期連續(xù)使用這一栽培模式，使得地膜殘留問題越來越嚴(yán)重，曾經(jīng)的“白色革命”轉(zhuǎn)變成為制約新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的“白色污染”[2-3]。目前，新疆棉花覆膜栽培比率已達(dá)100%，初步估計農(nóng)田的地膜殘留量可達(dá)158.4 kg/hm2[4]，總量已超過5.0×105t[5]。地膜不但對新疆綠洲區(qū)農(nóng)田土壤環(huán)境與生態(tài)安全造成危害，也對區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，有效遏制地膜殘留污染進(jìn)一步擴大，已成為新疆地區(qū)棉花生產(chǎn)中亟待解決的重大科學(xué)和實踐問題。對于控制和消除地膜污染，前人已做了大量的理論研究和實踐。液體地膜[6]、可降解地膜[7]以及無膜移栽[8]等研究工作，由于成本較大和操作困難，尚不能有效解決地膜所帶來的一系列環(huán)境問題。2017 年，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所成功培育出適用于新疆無膜直播的特早熟棉花新品種中棉“619”，并在南疆阿克蘇地區(qū)沙雅縣進(jìn)行了規(guī)?；痉稇?yīng)用，取得了良好的效果[9]。無膜栽培棉花新品種的成功培育，為解決南疆棉田殘膜污染問題提供了一條可選擇的途徑和關(guān)鍵技術(shù)支撐。然而，棉花種植由覆膜栽培模式轉(zhuǎn)變?yōu)闊o膜栽培模式，農(nóng)田微環(huán)境會發(fā)生根本改變，相應(yīng)地，農(nóng)田用水管理措施也需做出相應(yīng)的調(diào)整。

【研究進(jìn)展】灌水定額和灌溉頻率是膜下滴灌棉花灌溉制度中的重要參數(shù)，對土壤水鹽分布、棉花生長及產(chǎn)量具有重要的影響。國內(nèi)外學(xué)者針對膜下滴灌棉花適宜的灌溉制度已進(jìn)行了廣泛研究。蔡煥杰等[10]研究表明，棉花膜下滴灌的灌溉制度為全生育期灌水12～14 次，灌水定額25～30 mm；劉新永等[11]研究得出，南疆膜下滴灌棉花的灌溉制度為：蕾期每次灌水定額35 mm，每5 d 灌1 次；花鈴期每次灌水定額為50 mm，7 d 灌1 次，盛鈴期后，灌水定額逐漸降低至35 mm。有研究表明，棉花產(chǎn)量隨著灌溉定額的增加而增加，水分利用效率相應(yīng)降低，而虧缺灌溉可以提高棉花纖維品質(zhì)[12]。但王峰等[13]和弋鵬飛[14]等認(rèn)為，適中的灌溉定額也可以獲得最高產(chǎn)量，灌水量過多或過少均不利于高產(chǎn)，而選擇適宜的滴灌頻次才有利于作物產(chǎn)量的提高[15]。灌水量相同時，高頻率灌溉更有利于提高棉花產(chǎn)量和水分利用效率[16]，但高頻率灌溉和低頻率灌溉對棉花生長均不利[17]。

【切入點】國內(nèi)外眾多學(xué)者針對膜下滴灌灌溉制度對土壤水分、棉花生長及產(chǎn)量等方面開展了大量研究。但是，在南疆地區(qū)，由于高溫、干旱、高鹽的外部環(huán)境使得無膜滴灌與膜下滴灌對土壤水鹽運移及分布的影響存在顯著差異，相關(guān)研究開展較少，可供借鑒的結(jié)果不多。而國外學(xué)者在無膜覆蓋條件下開展的相關(guān)研究，鑒于氣候、土壤條件的差異性，其研究結(jié)果并不適于南疆地區(qū)參考應(yīng)用?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究旨在探索南疆無膜滴灌棉花灌溉制度對土壤水分、棉花生長及產(chǎn)量品質(zhì)的影響，以期確定適合南疆無膜滴灌棉花的灌溉制度，為未來解決地膜殘留問題提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第一師水利局十團灌溉試驗站（81°2′ E，40°6′ N，海拔1 014 m）進(jìn)行。試驗區(qū)屬于典型的內(nèi)陸極端干旱氣候，常年氣候干燥，降水稀少，蒸發(fā)強烈。多年平均氣溫11.3 ℃，多年平均降水量45.7 mm，年蒸發(fā)量1 876.6～2 558.9 mm，平均年日照時間2 950 h，無霜期207 d，地下水埋深約為3.5～5 m。試驗站土壤基本物理性質(zhì)見表1。

表1 土壤物理性質(zhì) Table 1 Soil physical properties

1.2 試驗設(shè)計

供試棉花品種為特早熟新品種中棉“619”，試驗前進(jìn)行冬春灌，灌水定額為1 500 m3/hm2。2018 年4月25 日播種，2018 年7 月25 日打頂，2018 年10 月25 日收獲。本試驗采用單因素完全隨機試驗設(shè)計，共4 個處理，每個處理設(shè)置3 次重復(fù)，共12 個小區(qū)，小區(qū)規(guī)格為3.3 m×2 m×3 m（長×寬×深）的測坑。滴灌帶布置方式為3 帶6 行，棉花行距（66+10）cm，株距10 cm，棉花種植模式見圖1。

目前，南疆膜下滴灌棉花的灌水定額為30 mm左右，各地略有不同，但差距不大。本研究設(shè)定的無膜滴灌棉花灌水定額處理是在膜下滴灌的基礎(chǔ)上分別提高20%、50%和80%，即I1=36 mm、I2=45 mm和I3=54 mm，并以膜下滴灌I4=36 mm 作為對照。無膜滴灌棉花灌溉頻率通過計算ET0-P（降雨量）累積值進(jìn)行確定，當(dāng)累計值達(dá)到45 mm 進(jìn)行灌溉，ET0計算如式（1）。滴灌帶選用一次性單翼迷宮式滴灌帶，規(guī)格為Φ16，滴頭間距30 cm，滴頭最大流量3.0 L/h，工作壓力為0.1 MPa。施肥按照1 200 kg/hm2施用滴灌專用肥，噴施農(nóng)藥及其他農(nóng)藝措施均按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)實施。

氣象數(shù)據(jù)由試驗站HOBO 自動氣象監(jiān)測站實時獲取，計算過程參考SL13—2015《灌溉實驗規(guī)范》進(jìn)行。2018 年4—9 月 ET0、降雨量、最大及最小溫度值如圖2 所示。

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量（mm/d）；Rn為凈輻射量（MJ/（m2·d））；G為土壤熱通量（MJ/（m2·d））；γ為濕度計常數(shù)（kPa/℃）；T為日均氣溫（℃）；u2為地面2 m高處的風(fēng)速（m/s）；es為飽和水汽壓（kPa）；ea為實際水汽壓（kPa）；△為溫度-飽和水汽壓關(guān)系曲線的T處的切線斜率（kPa/℃）。

圖1 棉花種植模式及滴灌帶布置示意圖（cm） Fig.1 Schematic diagram of cotton planting pattern and drip irrigation belt layout (cm)

圖2 ET0、降雨量、最大及最小溫度值Fig.2 ET0, rainfall, maximum and minimum temperature values

1.3 測定項目與方法

1）棉花生長指標(biāo)測定

自棉花苗期開始，在每個小區(qū)隨機標(biāo)記3 株長勢均勻的棉花樣株，每隔10 d 用鋼尺（1 mm）和電子游標(biāo)卡尺（0.01 mm）測定不同生育階段的棉花株高和莖粗。

2）土壤含水率

土壤含水率測定采用土壤水分自動監(jiān)測系統(tǒng)（水分自動監(jiān)測系統(tǒng)為Watchdog，記錄頻次為1 次/h）監(jiān)測，監(jiān)測點埋設(shè)于棉花主根區(qū)，埋設(shè)深度為10、20、40、60 cm，在每個生育階段末期取土校核儀器。

3）產(chǎn)量測定

在棉花收獲期，根據(jù)吐絮情況分3 次進(jìn)行采摘，稱取每次實際采摘的產(chǎn)量，同時記錄鈴數(shù)和百鈴質(zhì)量，棉花總產(chǎn)量計算式為[13]：

式中：Y 為棉花總產(chǎn)量（t/hm2）；np為單株棉鈴數(shù)（個/株）；w 為單鈴質(zhì)量（g）；ρ 為種植密度（株/m2）。

4）纖維品質(zhì)測定

依據(jù)《棉花質(zhì)量檢驗》中所述方法，委托農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心對棉花纖維品質(zhì)進(jìn)行測定，指標(biāo)包括上半部平均長度、整齊度指數(shù)、斷裂比強度、馬克隆值和伸長率[19]。

5）灌溉水利用效率

式中：Y 為表示脫籽后皮棉的產(chǎn)量（kg/hm2）；I為生育期內(nèi)對棉田的灌溉水補給量（m3/hm2）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并用DPS 進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用Duncan 新復(fù)極差法進(jìn)行方差分析和差異性檢驗（α=0.05）。

圖3 不同灌水定額下棉花生長 Fig.3 Cotton growth under different irrigation quotas on

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水定額對棉花生長的影響

莖粗是反映植物生長狀況的重要指標(biāo)之一。植物的莖直徑變化來源于自身生長和體內(nèi)水勢的變化，能直接反應(yīng)植物的生理狀況及環(huán)境因素對植物的影響[19]。由圖3（a）可知，不同灌水定額棉花莖粗變化趨勢基本相似，均呈先增加后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢，出苗至生長70 d 前的棉花莖粗增長較快，莖粗日均增長量在0.13 mm/d 以上，至90 d 后進(jìn)入緩慢生長期，棉花莖粗變化相對穩(wěn)定，播后120 d 灌水結(jié)束后，各處理的棉花莖粗基本保持不變。莖粗隨著灌水定額的增加而增加，I3處理莖粗最大，I2處理次之，I1處理最小，但均低于覆膜I4處理。

株高是棉花生長發(fā)育狀況的首要指標(biāo)和衡量群體株型狀況合理與否的重要敏感指標(biāo)，直接影響種植密度配置和光能利用率，最終影響棉花產(chǎn)量[20]。由圖3（b）可知，不同灌水定額的棉花株高生長趨勢基本一致，呈先增加后緩慢趨于穩(wěn)定的趨勢。播種后90 d為花鈴前期，I1、I2、I3處理棉花株高分別為43.27、52.00、58.50 cm，較覆膜I4處理分別降低了56.01%、29.81%和15.38%。進(jìn)入花鈴后期棉花從營養(yǎng)生長為主轉(zhuǎn)向以生殖生長為主，加之人工打頂之后，棉花株高幾乎不再增長，此時主要是節(jié)間長度的增加。綜合整個棉花生育期來看，不同灌水定額對棉花株高及其日增長速率有顯著影響。

2.2 不同灌水定額對土壤水分變化的影響

膜下滴灌條件下，地表以下40 cm 土層范圍集中了85%以上的根系，為棉花的主根區(qū)[21-22]，是棉花吸收水分和養(yǎng)分的主要區(qū)域。因此，本文對0～60 cm棉花主根區(qū)土壤含水率變化進(jìn)行了動態(tài)分析，不同灌水定額處理土壤水分變化如圖4 所示。由圖4 可知，不同灌水定額對土壤含水率的變化影響較大，土壤含水率的變化周期與灌水周期相對一致，灌前土壤含水率處于相對低值，灌后顯著增加。在無膜滴灌條件下，不同深度的土壤含水率隨著灌水定額的增加而增加，而覆膜滴灌I4處理土壤含水率要高于I1處理，低于I2和I3處理。0～40 cm土壤含水率波動幅度較大，40～60 cm 的土壤水分變幅較小。

圖4 不同灌水定額下土壤含水率變化 Fig.4 Soil moisture changes under different irrigation quotas

2.3 棉花產(chǎn)量構(gòu)成因子和灌溉水利用效率

由表2 可知，棉花單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量以及籽棉產(chǎn)量隨灌水定額的增加而增加，而灌溉水利用效率則相反。I3處理籽棉產(chǎn)量最高，為7 195.48 kg/hm2，較I1、I2及I4處理分別增加了32.5%、17.5%和19.54%，顯著優(yōu)于I1、I2和I4處理，但I(xiàn)1、I2和I4處理間無顯著性差異。同時，I1、I2和I3處理的灌溉水利用效率差異性不顯著，而I4處理的灌溉水利用效率最高。

表2 不同灌水定額下棉花產(chǎn)量構(gòu)成因子和灌溉水利用效率 Table 2 Cotton yield components and irrigation water use efficiency under different irrigation quotas

2.4 不同灌水定額對棉花纖維品質(zhì)的影響

棉花纖維品質(zhì)是影響其經(jīng)濟價值的重要指標(biāo)，不同灌水定額棉花纖維品質(zhì)如表3 所示。上半部平均長度、整齊度指數(shù)及斷裂比強度隨著灌水定額的增加而增加，而馬克隆值則反之。無膜滴灌條件下，不同灌水定額的棉花伸長率差異性不顯著，但均顯著低于對照?？傮w來說，I3處理的棉花品質(zhì)要優(yōu)于其他處理。

表3 不同灌水定額下棉花纖維品質(zhì) Table 3 Cotton fiber quality under different irrigation quotas

3 討 論

地膜覆蓋栽培技術(shù)自20 世紀(jì)70 年代末引入我國以來，因其具有增溫、保墑、抑制雜草生長、增加農(nóng)作物產(chǎn)量和縮短農(nóng)作物的生長期等優(yōu)點，得到了大面積的推廣及應(yīng)用[23]。但是，地膜的長久積累會惡化土壤環(huán)境，地膜會降低土壤含水率，削弱作物的抗旱能力，引起土壤次生鹽漬化，造成土壤板結(jié)且肥力下降；影響土壤對作物水分、養(yǎng)分供應(yīng)；能降低種子發(fā)芽率、影響作物生長發(fā)育，導(dǎo)致作物減產(chǎn)；影響農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量和效率[24]。在有效控制或消除地膜污染方面，前人已做了大量的理論研究和實踐努力。開發(fā)液體地膜、可降解地膜替代難以降解的化學(xué)塑料地膜是人們的努力方向之一[25]，但該技術(shù)目前尚不成熟度，成本較高，大面積推廣應(yīng)用尚存在諸多困難，更為重要的是，長期使用該2 類地膜仍存在影響土壤生態(tài)環(huán)境的潛在風(fēng)險；增加薄膜厚度（大于0.008 mm）[26-27]、提高地膜回收率是新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團目前大面積推廣使用的減輕地膜殘留的另一種方式，但會使覆膜成本隨之增加，棉花生產(chǎn)效益降低，棉農(nóng)接受度較低，大面積應(yīng)用困難重重；第三條途徑是無膜移栽棉花的嘗試[8]，但是在新疆干旱、鹽堿及大田棉花密植栽培條件下，成本很高，實施難度也很大。從長遠(yuǎn)的土壤環(huán)境問題考慮，棉花無膜滴灌栽培極有可能成為徹底解決南疆棉田地膜殘留污染的有效途徑，但是在干旱少雨、蒸發(fā)強烈、土壤鹽漬化嚴(yán)重的南疆地區(qū)涉及無膜滴灌棉花適宜水鹽管理模式的研究尚處于起步探索階段，現(xiàn)有的覆膜滴灌技術(shù)不能滿足無膜棉花高效栽培模式構(gòu)建的需要。因此，研究灌水定額與土壤水分、棉花生長及產(chǎn)量品質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系，確定適宜無膜滴灌棉花的灌溉制度是大面積推廣無膜滴灌棉花種植必不可少的。初步研究內(nèi)容如下：

無膜滴灌棉田不同灌水定額對棉花生長發(fā)育指標(biāo)具有顯著影響，增加灌水定額和灌水次數(shù)有利棉花的生長[28]。本試驗中，莖粗和株高隨著灌水定額的增加而增加，同時棉花莖粗及株高日增長速率與之相同。這是由于在莖生長階段，隨著根區(qū)土壤中可利用水分的減少，莖生長速率隨之降低[29]，較高的灌水定額可以顯著增加株高，提升光合產(chǎn)物累積量，為棉花生長提供適宜的土壤水鹽環(huán)境[18]。3 種灌水定額的莖粗與株高均低于膜下滴灌的對照，可能是因為棉花是喜溫作物，較高的土壤溫度有利于棉花的生長，而膜下滴灌土壤溫度高于無膜滴灌。

本試驗中，土壤含水率隨著灌水定額的增加整體表現(xiàn)為增加趨勢。不同灌水定額，0～20 cm 土壤含水率波動明顯，這是由于膜下滴灌轉(zhuǎn)變成無膜滴灌后，土壤蒸發(fā)加劇，表層土壤在灌水前水分達(dá)到相對低值，灌水后土壤水分得到補充，恢復(fù)到較高的水平。而作為對照的I4處理在整個生育階段土壤水分波動較小，這是因為薄膜覆蓋可防止土壤蒸發(fā)，土壤水分基本用于棉花生長。同時，隨著土層深度的增加，土壤含水率波動幅度減緩[30]。

在棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因子方面，本試驗中棉花單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量以及籽棉產(chǎn)量隨著灌水定額的增加而增加，而灌溉水利用效率則隨著灌水定額的增加而減小，這與王軍等[31]的研究較為一致。這是由于較大的灌水定額比較小的灌水定額能更好地彌補蒸發(fā)損失，滿足棉花耗水。無膜滴灌條件下灌水定額為54 mm 的籽棉產(chǎn)量為7 195.48 kg/hm2，較膜下滴灌增加了19.54%，由此可以看出，在無膜滴灌的情況下，通過提高灌水定額是可以實現(xiàn)棉花不減產(chǎn)，且略有提高。雖然無膜滴灌棉花的灌水定額增加了，但從長遠(yuǎn)的土壤環(huán)境問題來考慮，用灌水量來彌補是極為有意義的，且可以通過進(jìn)一步的研究將無膜滴灌棉花的灌水定額適當(dāng)?shù)亟档?。棉花纖維品質(zhì)是決定棉花經(jīng)濟價值的重要指標(biāo)[32]，已有學(xué)者指出，棉花上半部平均長度與斷裂比強度隨灌水定額的增加而增加，馬克隆值與之相反[33-34]，同時，種植模式由膜下滴灌轉(zhuǎn)變?yōu)闊o膜滴灌后，棉花的品質(zhì)并未下降。由于本試驗是無膜滴灌棉花前期探索性試驗，而棉花生長及產(chǎn)量品質(zhì)也會隨著不同氣候變化在年際間存在差異，因此，還需開展進(jìn)一步的相關(guān)試驗研究。

4 結(jié) 論

1）無膜滴灌條件下，不同灌水定額對棉花生長發(fā)育影響顯著，棉花莖粗和株高隨灌水定額的增加而增加，而膜下滴灌在提高棉花莖粗和株高方面較無膜滴灌具有顯著優(yōu)勢。

2）無膜滴灌的土壤含水率隨灌水定額的增大而增加，且隨著土層深度的增加，土壤水分波動逐漸減小。膜下滴灌土壤含水率變化幅度較無膜滴灌穩(wěn)定，波動幅度較小。

3）無膜滴灌棉花籽棉產(chǎn)量隨著灌水定額的增加而顯著增加，灌水定額為54 mm 時，籽棉產(chǎn)量可以達(dá)到7 195.48 kg/hm2，較膜下滴灌增加了19.54%，且棉花品質(zhì)最優(yōu)，而膜下滴灌的灌溉水利用效率最高。

4）無膜滴灌灌水定額為54 mm 對棉生長、產(chǎn)量品質(zhì)的影響要優(yōu)于其他處理，但在保證棉花產(chǎn)量不減產(chǎn)的前提下無膜滴灌還有節(jié)水及提高灌溉水利用率的空間。