膜下咸水滴灌水肥鹽調(diào)控對(duì)棉花生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

江 柱,張江輝,白云崗,楊鵬年,劉洪波,肖 軍,劉旭輝,3

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,烏魯木齊 830052;2.新疆水利水電科學(xué)研究院,烏魯木齊 830049;3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】在各種氣候?yàn)?zāi)害中,干旱造成的損失量超過其他災(zāi)害的總和[1]。新疆棉區(qū)的淡水資源的緊缺問題開始引起重視[2]。淡水資源緊缺嚴(yán)重影響作物生長(zhǎng)[3]。合理利用新疆豐富的咸水資源進(jìn)行灌溉是解決農(nóng)業(yè)用水短缺的有效途徑之一[4]。棉花作為耐旱、耐鹽堿性均較強(qiáng)的作物,是干旱半干旱地區(qū)利用咸水資源的首選作物?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】棉花耐鹽性苗期最小,隨著生育期進(jìn)程而不斷提高,但在蕾期、初花期有所下降[5-6]。棉花在花鈴期和吐絮期耐鹽性較高,后期咸水灌溉對(duì)產(chǎn)量的影響不顯著[7-8]。不同生育期棉花的耐鹽機(jī)制存在差異。氮肥的施用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中肥效普遍較高[9]。施用氮肥可以顯著增加棉花干物質(zhì)積累,協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)器官及生殖器官的生長(zhǎng),提高棉花的生物和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[10]。棉花各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)(株高、徑粗、葉面積和干物質(zhì))及產(chǎn)量均隨著灌溉水礦化度的升高而降低[11]。棉花各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)和產(chǎn)量隨著土壤鹽度的增加而降低,但是隨著施氮量的增加而增加[12]。增加施氮量可以減輕鹽分對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的不利影響。利用微咸水灌溉時(shí),充足的灌水和氮肥供應(yīng)可顯著促進(jìn)各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)及提高產(chǎn)量和氮素吸收;而咸水灌溉時(shí),由于高礦化度灌溉抑制了棉花生長(zhǎng)和氮素吸收,氮肥的作用較小;同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)咸水灌溉棉田蒸散量降低,而淋洗量顯著增加,導(dǎo)致氮肥淋洗損失加劇[13]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】新疆南疆地區(qū)地處干旱內(nèi)陸,有關(guān)膜下咸水滴灌水肥鹽調(diào)控對(duì)棉花生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響文獻(xiàn)較少,需設(shè)置不同淡咸水混合比例和施用量,分析合適比例和施氮量?！緮M解決的關(guān)鍵問題】設(shè)計(jì)不同淡咸水混合比例和施氮量,研究膜下咸水滴灌水肥鹽調(diào)控對(duì)棉花生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響,采用Logistic模型模擬棉花地上部干物質(zhì)積累過程,為干旱缺水條件下提高棉花生產(chǎn)效率提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2020年4～9月在新疆巴州庫(kù)爾勒三十一團(tuán)進(jìn)行,試驗(yàn)區(qū)屬于典型的溫帶大陸性氣候,年平均降雨量53.3～62.7 mm,平均蒸發(fā)量約為3 000 mm,地下水埋深1.6～2.5 m,土壤質(zhì)地為沙壤土,0～60 cm土層平均干容重1.46 g/cm3,田間持水率為25.4%(體積含水率)。

棉花供試作物為新陸中76號(hào)。采用單翼迷宮式滴灌帶,滴頭間距為20 cm,滴頭設(shè)計(jì)流量2.2 L/h,采用1膜2管4行(單位地膜覆蓋4行棉花,鋪設(shè)2條滴灌帶)的模式,覆膜寬1.2 m,膜間距離30 cm。灌溉水源為水庫(kù)渠水(礦化度0.32～0.83 g/L)與排堿渠水(礦化度7.53～10.68 g/L),按不同比例混合均勻后灌溉。圖1

圖1 棉花種植模式

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

棉花分為苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期4個(gè)生育階段。試驗(yàn)區(qū)設(shè)置3個(gè)淡咸水體積比:①全淡水(礦化度:0.32～0.83 g/L)、②4∶1(微咸水-礦化度:1.76～2.67 g/L)、③2∶3(咸水-礦化度:4.64～6.67 g/L),高(N1:400 kg/hm2)、中(N2:300 kg/hm2)、低(N3:200 kg/hm2)3個(gè)施氮方案,共9個(gè)處理(每個(gè)處理重復(fù)3次),編號(hào)C1N1、C1N2、C1N3、C2N1、C2N2、C2N3、C3N1、C3N2、C3N3,其中C1N2為對(duì)照處理。各處理灌溉量均為480 mm,肥料施用量和施用方法參照當(dāng)?shù)?鉀肥200 kg/hm2、磷肥150 kg/hm2)。圖2

圖2 棉花灌水施肥設(shè)計(jì)

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

采用PR2土壤剖面水分儀在寬行、窄行及膜間中間位置測(cè)定土壤含水率,測(cè)定深度為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm,測(cè)定時(shí)間為灌水前1 d、灌水后1 d及兩次灌水之間,并用烘干法對(duì)土壤含水率進(jìn)行測(cè)定。

從苗期開始定期定點(diǎn)觀測(cè)各處理棉花各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo),每個(gè)處理選擇6株(內(nèi)外行各3株)有代表性的棉株測(cè)定不同生育期株高(棉株子葉節(jié)到主莖生長(zhǎng)點(diǎn)之間的距離,打頂后則量至打頂橫截面處,最終株高在打頂后測(cè)定)、葉面積(測(cè)量棉株具有代表性的葉片長(zhǎng)和寬,利用二者乘積乘以葉片數(shù)及葉面積系數(shù))、蕾鈴數(shù)等。

在棉花播種后36、59、74、95、115、134 d采集棉花植株樣本。按營(yíng)養(yǎng)器官(根、莖、葉)和生殖器官(蕾、花、鈴)剪下裝入紙袋,之后將樣本放入烘箱中105℃殺青2 h,75℃烘干至恒重,分別測(cè)定其干重。在小區(qū)棉花全部吐絮后選取三片長(zhǎng)勢(shì)均一的樣方,數(shù)取棉花鈴數(shù),摘取100朵棉花晾干稱取百鈴重,并去除棉籽測(cè)衣分。

1.2.3 生物量動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)模型及參數(shù)計(jì)算

棉花地上部干物質(zhì)積累過程采用Logistic模型模擬。

(1)

式中,y為單株棉花地上部干物質(zhì)積累量(g);A為地上部干物質(zhì)積累量的理論最大值;t為播種后天數(shù)(d);a、b為參數(shù)。

對(duì)Logistic模型方程求導(dǎo),可得到地上部干物質(zhì)積累的有關(guān)參數(shù)指標(biāo)。對(duì)方程求二階導(dǎo)數(shù),當(dāng)t0=-a/b時(shí),地上部干物質(zhì)積累速率達(dá)到最大值,此時(shí)的積累速率即為最大速率(Vm)。對(duì)方程求三階導(dǎo),當(dāng)d3y/d3t=0時(shí),可求得地上部干物質(zhì)積累曲線上的2個(gè)時(shí)間拐點(diǎn):t1和t2。t0為地上部干物質(zhì)積累最大速率出現(xiàn)時(shí)間,t1和t2分別為棉花進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)時(shí)間和結(jié)束旺盛生長(zhǎng)時(shí)間,△t=t2-t1為棉花旺盛生長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間。

1.2.4 耗水量計(jì)算

根據(jù)水利部頒發(fā)的《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》(SL13-2015)規(guī)定,計(jì)算耗水量。

(2)

式中,ET1-2為計(jì)算時(shí)段內(nèi)耗水量;i為土壤層次號(hào)數(shù);n為土壤層次總數(shù)目;γi為第i層土壤干容重(g/cm3);Hi為第i層土壤的厚度(cm);Wi1、Wi2為第i層土壤在時(shí)段始末的含水率(干土重的百分率);M、P、K、C分別為時(shí)段內(nèi)的灌水量、降雨量、地下水補(bǔ)給量和排水量(mm)。采用阿維里揚(yáng)諾夫公式[14]計(jì)算棉花生育期期間地下水補(bǔ)給量K=146.71 mm,由于灌溉方式為膜下滴灌灌水定額較小,不會(huì)產(chǎn)生深層滲漏C=0。

1.2.5 灌溉水、灌溉淡水和水分利用效率的計(jì)算

灌溉水利用效率(IWUE)計(jì)算公式:

IWUE=Y/I.

(3)

式中,IWUE為灌溉水利用效率(kg/m3);Y為產(chǎn)量(kg/hm2);I為灌溉水量(mm)。

灌溉淡水利用效率(IFWUE)計(jì)算公式:

IFWUE=Y/I.

(4)

式中,IFWUE為灌溉淡水利用效率(kg/m3);I為灌溉淡水量(mm)。

水分利用效率(WUE)計(jì)算公式:

WUE=Y/ET.

(5)

式中,WUE為水分利用效率(kg/m3);ET為作物耗水量(mm)。

1.2.6 氮肥偏生產(chǎn)力的計(jì)算

氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)計(jì)算公式:

PFPN=Y/FN.

(6)

式中,PFPN為氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg);FN為所施氮肥總量(kg/hm2)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,Origin 2018軟件繪圖,SPSS25.0軟件分析顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜下咸水滴灌水肥鹽調(diào)控對(duì)棉花株高影響

研究表明,在苗期由于沒有進(jìn)行灌水處理,各處理株高差異較小。蕾期鹽分隨著灌溉水進(jìn)入根區(qū),棉花受到鹽分脅迫,灌溉水礦化度對(duì)株高的影響表現(xiàn)為淡水>淡咸比例4∶1>淡咸比例2∶3。隨著施氮量的增加,對(duì)株高的影響表現(xiàn)為N3>N2>N1。株高隨著灌溉水礦化度的增大顯著降低。隨著灌溉的進(jìn)行累積施氮量增加,在播種后67 d～花鈴期,株高隨著施氮量的增大顯著增加。

蕾期早期(DAS:57 d)灌水處理剛開始進(jìn)行,淡咸比例4∶1處理株高受鹽分脅迫影響較小;淡咸比例2∶3處理株高受鹽分脅迫影響較大,株高較對(duì)照處理降低6.9%～15.8%。隨著灌溉的進(jìn)行,播種后67 d,淡咸比例4∶1處理和淡咸比例2∶3處理株高較淡水處理降低3.3%和14.3%;施氮量N2和N1較N3處理增加2.9%和8.3%。播種后77 d,淡咸比例4∶1處理和淡咸比例2∶3處理株高較淡水處理降低7.7%和18.6%;施氮量N2和N1較N3處理增加3.1%和7.3%。花鈴期打頂(DAS:85 d)后株高不再增長(zhǎng),各處理株高均達(dá)到最大值;淡咸比例4∶1處理和淡咸比例2∶3處理株高較淡水處理降低8.4%和18.9%;在淡水灌溉下,N2、N1施氮量較N3處理增加4.0%、7.7%,在淡咸比例4∶1混合灌溉下,增加5.6%、9.1%,在淡咸比例2∶3混合灌溉下,增加4.0%、7.0%;隨著灌溉水礦化度的增加,棉花株高顯著降低;增施氮肥的影響效應(yīng)淡水處理較小,淡咸水混合灌溉時(shí),增施氮肥的影響效應(yīng):淡咸比例4∶1處理>淡咸比例2∶3處理,隨著灌溉水礦化度的增加減弱。表1

表1 膜下咸水滴灌水肥鹽調(diào)控下棉花株高變化

2.2 膜下咸水滴灌水肥鹽調(diào)控對(duì)棉花葉面積指數(shù)的影響

研究表明,棉花葉面積指數(shù)在苗期同株高一樣,由于沒有灌水處理各處理間相差不大。蕾期早期(57 d)灌水處理剛開始進(jìn)行,隨著灌溉水進(jìn)入根區(qū)的鹽分較少,葉面積指數(shù)受灌溉水礦化度的影響不顯著,而受施氮量的影響顯著,隨著施氮量的增加,葉面積指數(shù)顯著增加,施氮量N2和N1較N3處理增加5.2%和13.2%。隨著灌溉的進(jìn)行,灌溉水進(jìn)入根區(qū)的鹽分增加,且蕾期棉花耐鹽性差,播種后67～77 d,葉面積指數(shù)受灌溉水礦化度和施氮量的影響顯著,隨著灌溉水礦化度的增加顯著降低,隨著施氮量的增加顯著增加。播種后67 d,淡咸比例4∶1處理和淡咸比例2∶3處理葉面積指數(shù)較淡水處理降低9.2%和29.5%;施氮量N2和N1較N3處理增加5.6%和15.1%。播種后77 d,淡咸比例4∶1處理和淡咸比例2∶3處理葉面積指數(shù)較淡水處理降低8.2%和32.9%;施氮量N2和N1較N3處理增加2.3%和10.0%。進(jìn)入花鈴期后,處理葉面積指數(shù)均達(dá)到最大值,淡咸比例4∶1處理和淡咸比例2∶3處理葉面積指數(shù)較淡水處理降低10.5%和21.7%;施氮量N2和N1較N3處理增加2.6%和14.1%。隨著灌溉水礦化度的增加,棉花葉面積指數(shù)顯著降低,增施氮肥有利于提高葉面積指數(shù)。表2

2.3 膜下咸水滴灌水肥鹽調(diào)控對(duì)棉花地上部干物質(zhì)積累的影響及Logistic模擬

研究表明,地上部干物質(zhì)積累量呈S型曲線變化,苗期積累緩慢,進(jìn)入蕾期后積累量逐漸增大,在花鈴后期達(dá)到最大值。由于苗期和蕾期灌水次數(shù)少,帶入的鹽分少,累積施氮量差異較小,苗期和蕾期早期地上部干物質(zhì)積累量差異不明顯,蕾期中后期淡咸比例4∶1和2∶3處理地上部干物質(zhì)積累量受影響較大。進(jìn)入花鈴期后,地上部干物質(zhì)積累量達(dá)到峰值,地上部干物質(zhì)積累量受灌溉水礦化度和施氮量的影響顯著;隨著灌溉水礦化度的增加顯著降低,淡咸比例4∶1處理和淡咸比例2∶3處理地上部干物質(zhì)積累量較淡水處理降低16.7%和27.5%;在淡水灌溉下,N2、N1施氮量較N3處理增加9.1%、10.5%;在淡咸比例4∶1混合灌溉下,增加了17.1%、28.1%;隨著施氮量的增加顯著增加,在淡咸比例2∶3混合灌溉下,增加了5.7%、26.6%;增施氮肥的影響效應(yīng)淡水處理較小,且淡咸比例4∶1處理>淡咸比例2∶3處理,淡咸水混合灌溉處理隨著灌溉水礦化度的增施氮肥的影響效應(yīng)減弱。圖3

圖3 地上部干物質(zhì)積累量變化

相關(guān)系數(shù)均達(dá)顯著水平(P<0.05)。與淡水灌溉處理相比淡咸比例4∶1和2∶3隨著灌溉水礦化度增加最大積累速率減小,且最大速率出現(xiàn)時(shí)間滯后;增加施氮量可以增加Vm,在淡水灌溉下,施氮量N2、N1較N3處理增加0.21、0.33 g/d;在淡咸比例4∶1混合灌溉下,增加了0.12、0.46 g/d;在淡咸比例2∶3混合灌溉下,增加了0.05、0.48 g/d。淡咸比例4∶1混合灌溉棉花旺盛生長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng);淡咸比例2∶3混合灌溉棉花進(jìn)入和結(jié)束旺盛生長(zhǎng)時(shí)間最為滯后。增施氮肥可以提高棉花最大積累量和最大積累速率;淡咸比例4∶1混合灌溉棉花旺盛生長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng);淡咸比例2∶3混合灌溉由于棉花蕾期受鹽分脅迫,地上部干物質(zhì)積累受到抑制,棉花旺盛生長(zhǎng)期往耐鹽性較強(qiáng)的花鈴期延后,地上部干物質(zhì)集中在花鈴期快速積累。表3

2.4 膜下咸水滴灌水肥鹽調(diào)控對(duì)棉花產(chǎn)量及水氮利用效率的影響

研究表明,棉花棉籽產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子受灌溉水礦化度和施氮量的影響顯著,隨著灌溉水礦化度的增加顯著降低,隨著施氮量的增加顯著提高。棉花棉籽產(chǎn)量淡咸比例4∶1處理和淡咸比例2∶3處理各施氮處理平均較淡水處理降低10.0%和28.8%;淡水灌溉高施氮量(400 kg/hm2)、中施氮量(300 kg/hm2)較低施氮量(200 kg/hm2)分別提高7.6%和7.2%,淡咸比例4∶1灌溉高、中施氮量較施氮量分別提高31.3%、19.0%,淡咸比例2∶3灌溉高、中施氮量較低施氮量分別提高22.6%、12.9%。

灌溉水利用效率和水分利用效率受灌溉水礦化度和施氮量的影響顯著。灌溉水利用效率和水分利用效率隨著灌溉水礦化度的增加顯著降低,隨著施氮量的增加顯著增加。灌溉淡水利用效率受灌溉水礦化度、施氮量及二者的交互作用影響顯著。灌溉淡水利用效率不同灌溉水礦化度的影響表現(xiàn)為淡咸比例2∶3>淡咸比例4∶1>淡水灌溉,不同施氮量的影響表現(xiàn)為高施氮量(N1)>中施氮量(N2)>低施氮量(N3)。氮肥偏生產(chǎn)力隨著灌溉水礦化度和施氮量的增加顯著降低。表4

表4 棉花產(chǎn)量及水氮利用效率

表3 棉株地上部干物質(zhì)積累Logistic函數(shù)生長(zhǎng)模型及相關(guān)參數(shù)

3 討 論

干物質(zhì)是光合的直接產(chǎn)物,其積累及分配是最終產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)[15]。應(yīng)用Logistic模型對(duì)各處理地上部干物質(zhì)累積進(jìn)行擬合[16、17],隨著灌溉水礦化度增加,棉花生長(zhǎng)受到抑制,棉花株高降低,地上部干物質(zhì)減少,結(jié)鈴數(shù)和產(chǎn)量減少[11,18]。當(dāng)灌溉水礦化度低于6 g/L時(shí),土壤中積累的鹽分不會(huì)嚴(yán)重影響棉花的吸水性和產(chǎn)量[19]。在棉花株高在生長(zhǎng)前期主要受灌溉水鹽度、灌水量和鹽水交互作用和鹽水氮交互作用影響顯著,而受施氮量的影響不顯著;低水條件下,灌溉水鹽度成為阻礙棉花生長(zhǎng)的主要因素;高水條件下,增加施氮量促進(jìn)棉花生長(zhǎng)效應(yīng)增加[20]。通過設(shè)置3個(gè)灌溉水鹽度水平和4個(gè)施氮量水平試驗(yàn)表明咸水灌溉會(huì)導(dǎo)致棉花產(chǎn)量和水、氮利用顯著降低,而微咸水灌溉不會(huì)對(duì)棉花產(chǎn)量和水、氮利用效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響;同時(shí),合理的施用氮肥有利于緩解鹽分的危害,促進(jìn)棉花生長(zhǎng),提高棉花產(chǎn)量和水分利用效率[12]。適當(dāng)?shù)柠}分對(duì)植物的氮素吸收有促進(jìn)作用,施用氮肥可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)和氮素吸收,緩解鹽分對(duì)植物生長(zhǎng)和氮素鹽分吸收的負(fù)面影響[21]。灌溉水少量的鹽分可以促進(jìn)棉花對(duì)養(yǎng)分的吸收,過多的鹽分則會(huì)抑制對(duì)養(yǎng)分的吸收作用[22]。試驗(yàn)結(jié)果,棉花株高、葉面積指數(shù)和地上部干物質(zhì)積累在蕾期中后期和花鈴期隨著不同比例混合灌溉水礦化度的增加而顯著降低;鹽分對(duì)棉株生長(zhǎng)的影響主要在蕾期中后期,此時(shí)棉花耐鹽性較差,鹽分隨著灌溉水進(jìn)入根區(qū)對(duì)棉花生長(zhǎng)抑制顯著;增加施氮量對(duì)棉花生長(zhǎng)的促進(jìn)作用在灌溉水淡咸比例為4∶1時(shí)最大,而對(duì)灌溉水為淡水和淡咸比例2∶3時(shí)較小。

Logistic模型以時(shí)間為自變量,能很好的模擬棉花的生長(zhǎng)過程[23]。通過Logistic模型模擬棉花地上部干物質(zhì)積累過程表明,隨著灌溉水礦化度的增加棉花旺盛生長(zhǎng)期起始時(shí)間延后,最大積累量減少和最大積累速率滯后,與宋有璽、龔江等研究結(jié)果基本一致[7,24]。而增施氮肥可以促進(jìn)棉花地上部干物質(zhì)的積累,提高棉花最大積累量和最大積累速率,為最終產(chǎn)量形成的提高物質(zhì)基礎(chǔ);并且增加氮肥用量,對(duì)提高棉花水分生產(chǎn)效率有一定作用[12,15,16]。研究表明,淡咸比例4∶1和2∶3灌溉時(shí)增施氮肥可顯著提高水分利用效率。

4 結(jié) 論

4.1隨著灌溉水礦化度的增加,棉花各生長(zhǎng)指標(biāo)(株高、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量)和籽棉產(chǎn)量顯著降低(P<0.001)。Logistic模型模擬反映出:隨著灌溉水礦化度的增加會(huì)造成棉花地上部干物質(zhì)快速積累期起始時(shí)間延后(0～4 d),最大積累量減少(10～13.5 g/株)和最大積累速率滯后(0.44～0.50 g/株)。而增施氮肥能顯著提高棉花各生長(zhǎng)指標(biāo)和籽棉產(chǎn)量(P<0.05),但隨著混合灌溉水礦化度的增加,增施氮肥的影響效應(yīng)減弱。

4.2隨著灌溉水礦化度的增加灌溉水利用效率、水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力顯著降低(P<0.001),而灌溉淡水利用效率顯著提高(P<0.001)。隨著施氮量的增加灌溉水利用效率(P<0.01)、灌溉淡水利用效率(P<0.001)和水分利用效率顯著提高(P<0.05),而氮肥偏生產(chǎn)力顯著降低(P<0.001)

4.3在利用咸水與淡水混合進(jìn)行灌溉時(shí),隨著混合灌溉水礦化度的增加,棉花各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)和產(chǎn)量降低。但灌溉淡水利用效率顯著提高,并且灌溉淡水利用效率隨著施氮量的增加顯著提高。隨著施氮量的增加氮肥偏生產(chǎn)力顯著降低。利用淡咸水混合灌溉時(shí),除需控制混合灌溉水礦化度外,在增施氮肥提高產(chǎn)量和水分利用效率的同時(shí)還需控制施氮量保證氮肥利用效率。