滴灌帶埋設(shè)深度對無膜棉產(chǎn)量形成的影響

段佳宏，李楠楠，王軍，李軍宏，郝先哲，羅宏海*，楊國正

（1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.農(nóng)業(yè)部作物高效用水石河子實(shí)驗(yàn)觀測站/新疆農(nóng)墾科學(xué)院水土所，新疆 石河子 832000；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430070）

關(guān)鍵字：地下滴灌；無膜棉；干物質(zhì)；產(chǎn)量

棉花是重要的纖維和油料作物之一，新疆是我國最重要的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地。2019年全疆棉花種植面積254.05 hm2，占當(dāng)年全國種植面積的76%，產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的84.9%，連續(xù)25年居全國第一[1]。然而，新疆棉田年地膜殘留率達(dá)24%，長期地膜覆蓋栽培導(dǎo)致殘留地膜污染日益嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了棉花產(chǎn)量和原棉品質(zhì)[2-3]。目前，地膜污染防治途徑主要有生物降解地膜替代、機(jī)械化地膜回收、適期揭膜回收及無膜栽培等。無膜栽培能從源頭上解決地膜污染問題[4-5]，但無膜栽培下土壤水分損失快、春季土壤溫度上升慢，導(dǎo)致播種時間推遲，棉花產(chǎn)量得不到保障[6]。如何解決上述問題，成為無膜栽培成功的關(guān)鍵。

提高棉花干物質(zhì)積累量并增大干物質(zhì)向生殖器官的分配比例是提高產(chǎn)量的關(guān)鍵[7]。唐光雷等[8]指出，適當(dāng)提高種植密度可緩解播期推遲對干物質(zhì)積累的不利影響。Dong等[9]也認(rèn)為，晚播條件下適當(dāng)提高種植密度可維持棉花產(chǎn)量不變。仵峰等[10]認(rèn)為，地下滴灌技術(shù)可以有效降低土壤水分蒸發(fā)，提高作物水肥利用率，增加作物產(chǎn)量。前人研究表明，隨灌水深度的增加，旱稻地上部干物質(zhì)質(zhì)量增加[11]，玉米根冠比降低、產(chǎn)量增加[12]。因此，通過深埋滴灌帶，可以解決水分損失快的問題；適當(dāng)增加密度（以空間換時間），可以解決播期推遲的問題。但在水肥一體、無膜栽培、等行距密植條件下，滴灌帶埋設(shè)深度如何影響棉花產(chǎn)量，尚需要深入探討。因此，本文研究滴灌帶埋設(shè)深度對棉花生育進(jìn)程、干物質(zhì)分配、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，探討北疆無膜栽培棉花產(chǎn)量形成規(guī)律，為新疆棉花綠色高效生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年在新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)業(yè)部作物高效用水石河子實(shí)驗(yàn)觀測站（45°38'N，86°09'E）進(jìn)行。試驗(yàn)地耕層土壤pH 7.86 ，含有機(jī)質(zhì)23.0 0g·kg－1，有效磷28.8 6mg·kg－1，速效鉀173.9 9mg·kg－1。參試品種為早熟品種新陸早74號（生育期120 d），由石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院棉花研究所提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和田間管理

試驗(yàn)共設(shè)3個滴灌帶埋設(shè)深度處理，分別為距地表以下10 cm（D1）、15 cm（D2）和20 cm（D3）。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積45.6m2（10m×4.5 6m），重復(fù)3次。采用滴耐特防虹吸滴灌管（奈特菲姆公司），徑流量1.0 L·h－1，滴頭間距30 cm。全生育期滴水13次，滴水總量為2 625m3·hm－2。

采用76 cm等行距密植的種植模式，株距為5 cm，理論種植密度為26.5 萬株·hm－2。5月3日在水平距離滴灌帶38 cm處播種，2.0 ～3.0 cm深，播后及時灌水，子葉展平后進(jìn)行人工間苗（株距5 cm）?；┠蛩兀∟ 46%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）150 kg·hm－2、三料磷肥（P2O545%）225 kg·hm－2；全生育期隨水滴施尿素（N 46%）525 kg·hm－2、磷酸二氫鉀（P2O552%、K2O 34%）150 kg·hm－2。9月22日，噴施脫葉催熟劑（噻苯隆，195m L·hm－2；乙烯利，1 380m L·hm－2）。10月8日進(jìn)行二次催熟（乙烯利，870m L·hm－2）。其他管理同大田。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1生育期調(diào)查。出苗后在小區(qū)中間行（第3～4行）選定生長一致且連續(xù)的植株10株（第3行5株，第4行5株），調(diào)查棉花生育進(jìn)程（出苗、現(xiàn)蕾、開花、吐絮）。出苗：全田有50%的棉苗子葉出土并展平的日期；現(xiàn)蕾：全田有50%的棉株第一個果枝出現(xiàn)蕾的日期；開花：全田有50%的棉株第一果枝上的蕾開花的日期；吐絮：全田有50%的棉株成鈴鈴殼裂開、纖維外露的日期。并計(jì)算其生育時期（苗期、蕾期、花鈴期、生育期）。苗期：從出苗到現(xiàn)蕾的一段時間；蕾期：從現(xiàn)蕾到開花的一段時間；花鈴期：從開花到吐絮的一段時間；生育期：從出苗到吐絮的一段時間。

1.3.2干物質(zhì)積累。于現(xiàn)蕾期、初花期、盛花期、盛鈴期、吐絮期，即出苗后的51 d、70 d、83 d、101 d、130 d，各處理選取長勢一致的植株4株，按主莖葉、果枝葉、葉枝葉、莖、根及蕾花鈴6種組織取樣，分別裝入牛皮紙袋中，105℃殺青30m in，80℃烘至恒質(zhì)量，用精確度為百分之一的天平分別稱量干物質(zhì)質(zhì)量。

1.3.3產(chǎn)量及纖維品質(zhì)。收獲期前在每小區(qū)中段劃定（2×1.52 ）m2為測產(chǎn)區(qū)，調(diào)查該區(qū)域內(nèi)棉花株數(shù)、無效株數(shù)（沒有1個吐絮鈴的植株）、單株鈴數(shù)，以實(shí)際收獲產(chǎn)量計(jì)產(chǎn)。各處理每小區(qū)各取棉花10株，帶回實(shí)驗(yàn)室分別稱量單個棉鈴的質(zhì)量，以平均值作為鈴重。采用HFT9000檢測儀測定不同處理棉纖維長度、長度整齊度指數(shù)、馬克隆值、斷裂比強(qiáng)度和伸長率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

分別采用Excel2007和SigmaPlot14.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形繪制。SPSS 12.0 用于方差分析，CurveExpert Professional用于回歸分析。

用logistic方程描述棉花植株干物質(zhì)積累的過程如下[13]：

Y（g）：t時刻的干物質(zhì)質(zhì)量；K（g）：最大干物質(zhì)質(zhì)量；a和b：待確定常數(shù)；t（d）：出苗后天數(shù)。

干物質(zhì)快速積累期定義為65%的干物質(zhì)積累的時期，始于t1，止于t2。在干物質(zhì)快速積累期間，Y和t與平均速度（VT）之間存在線性相關(guān)性：

由公式（1）可得：

當(dāng)t＝t0時，干物質(zhì)積累的最大速度（VM）為：

2 結(jié)果與分析

2.1 生育進(jìn)程

試驗(yàn)表明（表1），棉花在出苗后42～46 d、68～72 d、122～127 d時現(xiàn)蕾、開花和吐絮。與D1處理相比，D2處理蕾期延長1 d，花鈴期延長1 d，生育期延長2 d；D3處理苗期延長4 d，花鈴期延長1 d，生育期延長5 d。說明隨滴灌帶埋設(shè)深度的增加，棉花的生育期有所延長，且主要表現(xiàn)在苗期。

2.2 干物質(zhì)積累及其積累特性

2.2.1干物質(zhì)質(zhì)量。灌溉施肥深度對棉花現(xiàn)蕾期、初花期、盛花期植株干物質(zhì)積累無顯著影響；盛花期以后，棉花植株干物質(zhì)積累隨滴灌帶埋設(shè)深度增加而增加，表現(xiàn)為D3＞D2＞D1，至盛鈴期時各處理之間差異顯著；進(jìn)入吐絮期，D3處理顯著高于D1、D2處理（圖1）。

圖1 滴灌帶埋設(shè)深度對棉花植株干物質(zhì)質(zhì)量的影響Fig.1 Effects of embedded depth of drip irrigation belt on dry matter of cotton p lant

隨棉花植株的生長，盛花期以后，各處理之間生殖器官干物質(zhì)積累表現(xiàn)為D3＞D2＞D1，吐絮期時D3生殖器官干物質(zhì)積累量較D1、D2處理分別高54.3%、25.5%。棉花植株?duì)I養(yǎng)器官干物質(zhì)隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈先增加后下降的趨勢，但在盛鈴期和吐絮期，D3處理仍顯著高于D1、D2處理。

2.2.2干物質(zhì)積累特性。棉花植株干物質(zhì)積累符合logistic函數(shù)，存在顯著的決定系數(shù)（Coefficient of determ ination，R2）（表2）。但不同灌溉施肥深度處理及不同器官的干物質(zhì)積累方程的系數(shù)各不相同。

表2 棉花植株及其不同器官的干物質(zhì)積累方程Table2 Equat ion of dry mat ter accumulat ion in cot ton p lant and di f ferent organs

棉株總干物質(zhì)質(zhì)量、生殖器官干物質(zhì)質(zhì)量、營養(yǎng)器官干物質(zhì)質(zhì)量分別在出苗后59.4 ～88.3 d、76.4 ～95.5 d、48.2 ～78.8 d內(nèi)快速積累，且其干物質(zhì)積累最大速率出現(xiàn)的時間分別為出苗后68.9 ～79.1 d、83.6 ～88.5 d、58.3 ～73.1 d。隨滴灌帶埋設(shè)深度增加，棉花干物質(zhì)快速積累起始時間推遲。其中，D2與D3處理分別較D1處理棉株干物質(zhì)快速積累起始時間推遲5.0 d與10.6 d；生殖器官干物質(zhì)快速積累起始時間推遲1.8 d與5.1 d；營養(yǎng)器官干物質(zhì)快速積累起始時間推遲14.4 d與19.2 d。

隨滴灌帶埋設(shè)深度增加，棉花植株干物質(zhì)快速積累平均速率及最大速率增加，最大速率出現(xiàn)的時間延遲。與D1處理相比，D2處理棉花植株干物質(zhì)快速積累最大速率出現(xiàn)時間延遲4.2 d，D3處理延遲10.2 d；D2處理生殖器官干物質(zhì)快速積累最大速率出現(xiàn)的時間僅延遲0.8 d，D3處理延遲4.9 d；D2處理營養(yǎng)器官干物質(zhì)快速積累最大速率出現(xiàn)時間延長9.2 d，D3處理延長14.8 d。說明滴灌帶埋設(shè)深度增加對棉花營養(yǎng)器官干物質(zhì)快速積累最大速率出現(xiàn)時間的影響最大。

滴灌帶埋設(shè)深度對棉花干物質(zhì)快速積累持續(xù)時間有一定影響。D2處理下棉花植株干物質(zhì)及生殖器官干物質(zhì)的快速生長持續(xù)時間最短，但較D1與D3處理縮短0.8 ～2.0 d。D1處理下的棉花營養(yǎng)器官干物質(zhì)快速生長持續(xù)時間最長，較D2與D3處理分別延長10.6 、8.9 d。由此可知，增加滴灌帶埋設(shè)深度明顯縮短棉花營養(yǎng)器官干物質(zhì)快速積累期。

2.3 棉花產(chǎn)量及纖維品質(zhì)

棉花籽棉產(chǎn)量隨滴灌帶埋設(shè)深度的增加而增加，但D3處理與D2處理之間無顯著差異（表3）。進(jìn)一步分析產(chǎn)量構(gòu)成因素可知，棉花總鈴數(shù)隨滴灌帶埋設(shè)深度的增加而增加，D3與D2處理之間無顯著差異，但顯著大于D1處理。鈴重表現(xiàn)為D2＞D3＞D1，但D2與D3處理、D3與D1處理之間均無顯著差異。這說明滴灌帶埋設(shè)深度主要通過影響棉花總鈴數(shù)來影響籽棉產(chǎn)量。此外，試驗(yàn)表明滴灌帶埋設(shè)深度對棉花纖維長度整齊度指數(shù)與馬克隆值影響不顯著（表4）。棉花纖維上半部平均長度、伸長率及斷裂比強(qiáng)度均隨滴灌帶埋設(shè)深度的增加而增加，其中D3較D1處理分別增加5.9%、0.29 百分點(diǎn)、10.2%，但D2與D3處理間無顯著差異。

表3 滴灌帶埋設(shè)深度對棉花產(chǎn)量的影響Table 3 Effects of embedded depth of drip irrigation belt on cotton yield

表4 滴灌帶埋設(shè)深度對棉花纖維品質(zhì)的影響Table 4 Effects of embedded depth of drip irrigation belt on cotton fiber quality

3 討論

3.1 滴灌帶埋設(shè)深度對棉花生育進(jìn)程及干物質(zhì)積累的影響

地下滴灌技術(shù)可以保證灌溉效果，防止土壤水分蒸散過快。與地表滴灌相比，地下滴灌能促進(jìn)棉花深層根系發(fā)育，同時對棉花生育進(jìn)程、產(chǎn)量及品質(zhì)有一定影響[14-15]。王振華等[16]研究發(fā)現(xiàn)地下滴灌與膜下滴灌處理相比，棉花出苗期一致，但苗期延長。在本試驗(yàn)無膜栽培條件下，與滴灌帶埋深10 cm相比，埋深20 cm下棉花出苗日期相同，但苗期延長4 d，與王振華等[16]研究結(jié)果一致，說明灌溉深度增加可延長棉花苗期，從而延長棉花生育期。

研究干物質(zhì)積累特征對探究棉花生長發(fā)育過程中產(chǎn)量形成特點(diǎn)具有重要意義。何華等[17]的研究表明，生育前期滴灌帶埋設(shè)深度增加使夏玉米、冬小麥和棉花經(jīng)歷水分脅迫，抑制植株?duì)I養(yǎng)生長，并促進(jìn)根系下扎，從而改善作物生育中后期的水分狀況，促進(jìn)生殖生長，提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。本試驗(yàn)結(jié)果表明，無膜條件下，增加滴灌帶埋設(shè)深度可增加植株盛花期后營養(yǎng)器官及生殖器官干物質(zhì)積累量，提高干物質(zhì)積累速率，對棉花產(chǎn)量的形成起到一定的促進(jìn)作用。同時增加滴灌帶埋設(shè)深度可顯著縮短棉花營養(yǎng)器官干物質(zhì)快速積累期，促進(jìn)干物質(zhì)向生殖器官分配，進(jìn)而彌補(bǔ)不覆膜對棉花生長造成的負(fù)面效應(yīng)。這說明灌溉深度的增加可能導(dǎo)致棉花在苗期經(jīng)受水分脅迫[18]，致使苗期延長；同時可能促進(jìn)根系發(fā)育，促進(jìn)盛花后生物量累積并增加向生殖器官的分配，提高產(chǎn)量。

3.2 滴灌帶埋設(shè)深度對棉花產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

謝海霞等[19]研究結(jié)果表明，當(dāng)?shù)喂鄮裆钤O(shè)置在3～7 cm時，隨埋深增加，無膜棉產(chǎn)量先增加后降低。本試驗(yàn)中，隨滴灌帶埋設(shè)深度的增加，棉花籽棉產(chǎn)量增加，但15 cm與20 cm埋深處理之間無顯著差異，與謝海霞等[19]試驗(yàn)研究結(jié)果不一致，這可能是由于試驗(yàn)深度設(shè)置范圍不同，使得產(chǎn)量隨深度變化的規(guī)律有所差別。此外，雖然本試驗(yàn)中吐絮期時D3（20 cm）處理生殖器官干物質(zhì)積累較D2（15 cm）顯著增高25.5%，但D2與D3處理棉花籽棉產(chǎn)量差異不顯著。這是由于D3處理生育期推遲，在噴施脫葉劑后，大部分棉鈴的鈴齡小于40 d，不能正常吐絮，無效鈴居多，說明滴灌帶埋設(shè)過深不利于最終產(chǎn)量提高。Chen等[20]研究表明，在20 cm與40 cm的滴灌帶埋設(shè)深度設(shè)置下，20 cm淺灌和適度施氮處理更有利于產(chǎn)量提高，與本研究結(jié)果一致。

棉花纖維長度、斷裂比強(qiáng)度及馬克隆值是衡量棉花纖維品質(zhì)的重要指標(biāo)[21]。徐瑞博[22]研究表明覆膜與否對棉花纖維品質(zhì)影響不大。張辰等[23]研究表明，露地栽培可提高棉花纖維斷裂比強(qiáng)度。王允[24]研究表明，苗蕾期水分虧缺可增加棉花纖維長度、長度整齊度指數(shù)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨滴灌帶埋設(shè)深度的增加，棉花纖維伸長率、斷裂比強(qiáng)度以及纖維長度增加，但纖維的長度整齊度指數(shù)與馬克隆值變化不大，這與王允[24]的研究結(jié)果基本一致。表明增加滴灌帶埋設(shè)深度可能使棉花生育前期水分輕度虧缺，從而提升棉花纖維品質(zhì)。

3.3 棉花無膜高密度栽培、深層灌溉模式應(yīng)用前景

棉花無膜高密度栽培、深層灌溉模式與覆膜滴灌、適期揭膜回收相比，從源頭上解決了殘留地膜污染問題，成本低且綠色環(huán)保[25]；與棉花無膜移栽、地下滴灌栽培技術(shù)相比，其技術(shù)生產(chǎn)成本更低，便于實(shí)施與推廣[26]。但該模式下水肥管理制度尚未完善，而合理的水肥供應(yīng)是棉花高效生產(chǎn)的關(guān)鍵，如何通過水肥調(diào)控進(jìn)一步挖掘無膜高密度栽培、深層灌溉模式的生產(chǎn)潛力，對于實(shí)現(xiàn)新疆棉花綠色可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義和作用。

4 結(jié)論

增加滴灌帶埋設(shè)深度可促進(jìn)生殖器官干物質(zhì)積累，增加棉花籽棉產(chǎn)量，改善纖維伸長率、斷裂比強(qiáng)度以及纖維上半部平均長度。本研究試驗(yàn)條件下，D2（15 cm）與D3（20 cm）處理籽棉產(chǎn)量和纖維品質(zhì)無顯著差異，但D3處理苗期延長，生育期推遲，在無膜棉播期推遲條件下，不利于穩(wěn)產(chǎn)，故在棉花無膜栽培條件下滴灌帶15 cm埋深優(yōu)于10 cm和20 cm。