不同出苗水量對棉田土壤含鹽量及棉花生育的影響

萬亞楠,邢 植,石元強,王潭剛,王冀川,李慧琴,馬 麗,李文君,吳冰榮

(1.塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆阿拉爾 843300;2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第三師農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,新疆圖木舒克 843901)

0 引 言

【研究意義】冬灌或春灌具有壓堿、貯墑、防治病蟲害等作用,是新疆南疆棉區(qū)保苗增產(chǎn)的手段之一,但冬灌或春灌用水量較大(1 500～3 000 m3/hm2),棉花滴水出苗是在免冬灌、春灌基礎(chǔ)上采取先播種、后滴水促進(jìn)出苗的一種節(jié)水技術(shù),經(jīng)過2次少量滴灌保證出苗率達(dá)85%以上,節(jié)水1 500 m3/hm2以上。滴水出苗在有限水資源條件下實現(xiàn)了棉花一播全苗,節(jié)水、保苗效果明顯[1],在新疆北疆已廣泛應(yīng)用[2]。在新疆南疆,由于土質(zhì)、鹽堿種類和分布特征、氣候等因素[3]導(dǎo)致滴水返鹽較重、出苗效果不佳,研究免冬灌、春灌條件下滴施出苗水量對土壤鹽分分布動態(tài)及棉花生產(chǎn)性能的影響,對制定滴水出苗技術(shù)、進(jìn)一步提高水分利用效率有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】王偉等[4]研究表明,在免冬灌、春灌條件下,大水少次滴灌利于洗鹽,少量多次灌溉達(dá)不到洗鹽的效果。張永鈴等[5]研究認(rèn)為,600 m3/hm2的滴水出苗灌水定額可為棉花種子發(fā)育創(chuàng)造較好的濕熱環(huán)境,有利于棉花出苗。【本研究切入點】隨著滴水出苗技術(shù)的逐漸推廣,針對新疆北疆條件下其洗鹽、促苗、節(jié)水等研究增多[6-7],但在新疆南疆極端干旱條件下的相關(guān)研究較少[8]。需在新疆南疆設(shè)置不同滴水出苗灌水量,分析土壤電導(dǎo)率動態(tài)和棉花干物質(zhì)積累特征?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以新陸中67號為材料,設(shè)置3個出苗滴水量,研究滴水出苗條件下新疆南疆棉田鹽分動態(tài)與棉花生育性狀之間關(guān)系,為新疆南疆實施滴水出苗提供技術(shù)指導(dǎo)及理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2021年4～11月在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)圖木舒克市51團(tuán)馬場進(jìn)行(E 79°25′50″、N 40°00′5″),海拔1 030.1 m,年平均氣溫11.7℃,年平均無霜期225 d,年降水量48.3 mm,年均蒸發(fā)量1 978.5 mm,年均相對濕度54.85%,屬于暖溫帶大陸性干旱氣候。土質(zhì)為沙壤土,播前0～20 cm土層總含鹽量為598.8 mg/L,電導(dǎo)率(Electrical conductivity,EC)為1 033.5 μS/cm。

翻地前撒施重過磷酸鈣375 kg/hm2、尿素150 kg/hm2和硫酸鉀120 kg/hm2作基肥。于4月2日播種,采用側(cè)封土機采棉帶狀播種方式,行距(63+13)cm,株距11 cm,理論種植密度為23.92×104株/hm2,超寬膜(2.05 cm)覆蓋,1膜3帶6行(滴灌帶放置在窄行中間)。免冬灌、春灌,滴水出苗后在生育期間滴灌9次,共滴施尿素600 kg/hm2、巨豐?高磷水溶肥(10-30-10+TE)300 kg/hm2、巨豐?高鉀水溶肥(12-8-30+TE)225 kg/hm2。7月15日人工打頂。在盛蕾期、初花期和盛花期化控3次,縮節(jié)胺用量分別為22.5、37.5和120 g/hm2。選用新陸中67號(塔里木大學(xué)選育,阿克蘇快豐收農(nóng)資有限公司提供)為供試品種。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計,設(shè)置3個出苗滴水量處理:150 m3/hm2(W1)、300 m3/hm2(W2)、450 m3/hm2(W3),重復(fù)3次,共計9個小區(qū),每個小區(qū)面積為278 m2。出苗水分2次滴灌,第1次在播種后48 h內(nèi)滴灌設(shè)置水量的50%,第2次在種芽胚軸長0.5～1 cm時滴灌設(shè)置水量的50%,幼苗2～3葉期種孔封土。

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 土壤pH值及含鹽量

將 MC-IN4、MC-pH型號傳感器(北京盟創(chuàng)偉業(yè)科技有限公司)埋入各小區(qū)0～20 cm土層,設(shè)置監(jiān)測時差2 h,分別采集pH值、含鹽量等數(shù)據(jù),并在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺下載。

1.2.2.2 出苗率

播后20 d調(diào)查各小區(qū)的出苗數(shù)。出苗率=已出苗穴數(shù)/播種穴數(shù)×100%。

1.2.2.3 農(nóng)藝性狀

在棉花盛蕾期(6月12日)、初花期(6月26日)、盛花期(7月10日)、盛鈴期(8月15日)、吐絮期(9月10日),各小區(qū)中部選擇具有代表性且長勢均勻的棉花10株(膜上內(nèi)行5株,膜上外行5株),測定其株高、莖粗(子葉節(jié)上部1 cm)。

1.2.2.4 葉面積指數(shù)

各小區(qū)選擇具有代表性且長勢均勻的5株棉花,將其所有綠葉正面朝下無重疊地平鋪于黃色背景布上,標(biāo)板(黑卡紙10 cm ×10 cm)和小區(qū)號放在背景布一角,用高像素相機正面拍照,利用圖像處理軟件Image J提取葉面積[9],按照單位面積總株數(shù)計算群體葉面積指數(shù)(Leaf area index,LAI)。LAI=單株葉面積(m2)×單位面積株數(shù)/單位土地面積(m2)。

1.2.2.5 干物質(zhì)積累

將用于測定LAI的棉株,分器官(莖、葉、蕾花鈴)置于105℃烘箱中殺青30 min后于80℃烘箱烘干至恒重,測量各器官干物質(zhì)質(zhì)量。地上部干物質(zhì)積累量(g/m2)=單株地上部干重(g)×單位面積株數(shù)/單位土地面積(m2)。

利用Logistic方程擬合棉花地上部干物質(zhì)積累量。

Y=c/(1+e(a+bX)).

(1)

式中,Y為干物質(zhì)積累量(kg/hm2),c為干物質(zhì)理論最大積累量(kg/hm2),a、b為常數(shù),X為生長天數(shù)(d)。解析方程[10],得到tm(最大積累速率出現(xiàn)時間)、Vm(最大積累速率)、t1(快速積累起始時間)、t2(快速積累結(jié)束時間)、t(快速積累持續(xù)時間)、Gt(理論快速積累量)等特征值。

tm=-a/b.

(2)

Vm=-bc/4.

(3)

t1=(Ln(2+30.5)-a)/b.

(4)

t2=(Ln(2-30.5)-a)/b.

(5)

t=t2-t1.

(6)

Gt=Vm×t.

(7)

1.2.2.6 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

吐絮末期(初霜期后,10月25日)調(diào)查各小區(qū)20 m2棉花株數(shù),在該區(qū)域內(nèi)選取代表性棉株50株,摘取其所有吐絮鈴的籽棉稱重,計算單株有效結(jié)鈴數(shù)、鈴重。籽棉用小型軋花機軋花,得到皮棉并稱重。

小區(qū)籽棉產(chǎn)量=單位面積(20 m2)株數(shù)×小區(qū)面積(278 m2)/單位面積(20 m2)×有效結(jié)鈴數(shù)×鈴重;

衣分=皮棉重/籽棉重;

小區(qū)皮棉產(chǎn)量=小區(qū)籽棉產(chǎn)量×衣分。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù),用DPS 7.05進(jìn)行Logistic曲線擬合,用Rstudio 4.0.4進(jìn)行單因素方差分析、多重比較(Duncan法)及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴水出苗用水量對棉田pH及鹽分含量的影響

研究表明,隨著生育進(jìn)程推進(jìn),滴水出苗棉田土壤pH值總體呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢,滴灌出苗水后pH值有個較快下降過程,在2次滴灌后1周左右(4月 11日)達(dá)到較低水平,pH值較播種時下降了0.19～0.65。此后pH緩慢上升,至5月10日前后有所回升,盛蕾期以后呈快速下降趨勢,至7月23日前后達(dá)最低值7.13～7.26,鈴期后pH值有所回升。滴灌出苗水能有效降低土壤pH值,表現(xiàn)為隨著灌水量的增加,pH值下降幅度增大,出苗期(4月11日),W3、W2和W1處理的土壤pH值較播前分別下降了0.57、0.43和0.19。出苗水灌溉量對土壤pH值的影響程度逐漸減弱,W3處理全生育期的平均pH值較W2、W1處理分別減少了0.11和0.19。

滴水出苗棉田表層土壤含鹽量在生育期內(nèi)呈明顯的“波浪形”變化,與田間灌水頻次有關(guān)。播后滴灌出苗水,造成土壤鹽堿含量下降,第2次滴灌出苗水后10 d左右達(dá)到較低水平,此后快速回升,此后每次田間灌水前土壤含鹽量均較高(5月中旬～7月中下旬),達(dá)到503.1～662.4 mg/L,灌水后快速下降至228.4～293.7 mg/L,8月中旬～9月中旬土壤含鹽量保持最低水平,此后逐漸增加。滴水出苗棉田表土含鹽量在4月較低,5月較高,此后呈現(xiàn)逐漸下降趨勢,9月以后呈現(xiàn)上升趨勢。滴灌出苗水量越大,4月土壤含鹽量降低越明顯。出苗期,W3、W2和W1處理的土壤鹽堿含量分別下降了44.19%、38.70%和28.72%。隨著生育進(jìn)程推進(jìn),出苗水灌溉量對土壤含鹽量的影響程度呈逐漸減弱趨勢。W3處理全期平均含鹽量較W2、W1處理分別減少26.50 mg/L和55.51 mg/L。圖1

圖1 不同處理下土壤pH(A)、鹽分含量(B)變化

2.2 不同處理對棉花出苗率的影響

研究表明,W2處理的出苗率最高,達(dá)87.31%,比W1和W3處理分別增加 11.44和5.87個百分點,差異均達(dá)到顯著水平。滴灌適量的出苗水可顯著提高棉花出苗率;出苗水量過少,種子吸水量不足,種子“回芽”現(xiàn)象加重,導(dǎo)致出苗率下降;出苗水量過多,易造成種孔周圍土壤塌陷淤結(jié),干燥結(jié)塊后嚴(yán)重影響種子呼吸及根芽生長,加之出苗期氣溫不高,對種子出苗造成不利影響。圖2

注:不同小寫字母間表示在0.05水平差異顯著,下同

2.3 不同處理對棉花株高和莖粗的影響

研究表明,棉花株高隨生育進(jìn)程推進(jìn)逐漸增加,盛蕾期至初花期其生長速率最快,而后生長速率逐漸降低,盛鈴期株高基本穩(wěn)定。各處理株高動態(tài)均表現(xiàn)為W3>W2>W1,W3的最終株高分別比W2、W1增加2.71%、8.31%。株高動態(tài)變異系數(shù)CV表現(xiàn)為W1(30.91%)>W2(27.37%)>W3(24.10%),較低的出苗水量(W1)對株高影響最大,較高出苗水量對株高影響最小。

莖粗在盛蕾期至初花期快速增加,之后緩慢增長。各生育時期的莖粗均表現(xiàn)為W3>W2>W1,吐絮期W3的莖粗分別比W2、W1增加5.14%、8.19%,增大灌水量可促進(jìn)棉花莖粗增長。莖粗動態(tài)的CV表現(xiàn)為W1(16.82%)>W2(15.77%)>W3(12.47%),較低出苗水量(W1)對莖粗影響最大,W3處理下莖粗的變化比較穩(wěn)定。圖3

注:同列不同小寫字母表示同一時期下不同灌水處理間差異顯著(P<0.05),下同

2.4 不同處理對棉花葉面積指數(shù)(LAI)的影響

研究表明,群體LAI隨生育進(jìn)程推進(jìn)呈先增加后降低趨勢,在初花期至盛花期階段,LAI增長速率最快,在盛鈴期LAI達(dá)到峰值,之后有所下降。在不同生育時期內(nèi)各處理的LAI總體表現(xiàn)為W3>W2>W1,W3處理的平均LAI分別比W2、W1增加7.57%、11.46%;但在吐絮期LAI卻表現(xiàn)為W1>W3>W2,增加出苗水量在生育前期使得LAI過大,群體較蔭蔽,加速棉花后期葉片脫落。LAI動態(tài)的CV表現(xiàn)為W1(65.77%)>W3(63.17%)>W2(62.32%),較低出苗水量(W1)對LAI影響較大,W2處理的LAI變化較為穩(wěn)定。圖4

圖4 不同處理下棉花葉面積指數(shù)變化

2.5 不同處理對棉花干物質(zhì)積累與分配的影響

2.5.1 不同處理對棉花地上部干物質(zhì)積累影響

研究表明,各處理地上部總干物質(zhì)積累量均隨生育進(jìn)程推進(jìn)呈逐漸增加趨勢。生殖器官積累速率在初花期增加較快,盛鈴期以后積累速率放緩;而營養(yǎng)器官在盛花期至盛鈴期積累量達(dá)最大值,吐絮期有所下降。其中從盛蕾期到吐絮期W1處理的莖干物質(zhì)積累逐漸增加,而W2、W3在盛鈴期后有所下降,較高出苗水量會抑制后期莖生長而促進(jìn)干物質(zhì)轉(zhuǎn)移至生殖器官。各處理葉片干重均在盛花期或盛鈴期達(dá)最大值,之后有所下降。

棉花地上部總干物質(zhì)積累在各生育期均表現(xiàn)為W3>W2>W1,W3的最終干物質(zhì)積累量分別比W2和W1增加5.44%和7.75%。各期干物質(zhì)積累動態(tài)的CV表現(xiàn)為W3(65.10%)>W2(63.35%)>W1(63.08%)。較高出苗水量(W3)對干物質(zhì)積累影響最大,W1表現(xiàn)較為穩(wěn)定。生殖器官干物質(zhì)積累在不同生育時期均表現(xiàn)為W3>W2>W1,W3處理的最終生殖器官干物質(zhì)積累量分別比W2、W1增加12.50%、24.72%,其積累動態(tài)的CV表現(xiàn)為W3(121.88%)>W2(116.86%)>W1(115.38%),W3處理對生殖器官干物質(zhì)積累影響較大,W1處理造成的影響最小。莖和葉的干物質(zhì)質(zhì)量在各生育時期均表現(xiàn)為W3>W2>W1,吐絮期W3處理的莖干物質(zhì)質(zhì)量分別比W2、W1增加13.45%、23.64%,其CV表現(xiàn)為W2(47.63%)>W1(42.41%)>W3(38.88%);吐絮期W3處理的葉干物質(zhì)質(zhì)量分別比W2、W1增加17.81%、47.94%,其CV表現(xiàn)為W2(37.41%)>W1(27.44%)>W3(25.14%),W2處理對莖和葉干物質(zhì)積累的影響都較大,而W3處理造成的影響最小。圖5

注:S、L、RO分別表示莖稈、葉片、生殖器官

2.5.2 不同處理對棉花地上部干物質(zhì)分配影響

研究表明,隨出苗水量增加棉花地上部各器官(莖、葉及生殖器官)干物質(zhì)積累量增加,以W3處理的最高,但W3的生殖器官干物質(zhì)積累量與W2差異不顯著。莖表現(xiàn)為W1>W2>W3,但處理間差異不顯著;葉和生殖器官均表現(xiàn)為W3>W2>W1,W3處理顯著高于W1處理,而與W2處理差異不大。適當(dāng)增加出苗水量能提高葉片及蕾鈴干物質(zhì)積累的比例,利于同化物合成與養(yǎng)分有效利用。出苗水量過少,棉花出苗緩慢,個體發(fā)育延遲,干物質(zhì)向莖稈中的運轉(zhuǎn)率增加,不利于同化物有效利用。表1

表1 不同處理下棉花干物質(zhì)積累方程及在各器官的分配

滴水出苗棉花在出苗后45.59～53.84 d(初蕾期)至出苗后96.15～101.83 d(盛花末期)為干物質(zhì)的快速增長期,其持續(xù)時間為45.33～52.47 d,其中出苗后70.87～76.51 d(盛花初期)干物質(zhì)積累速率最大,快速增長期積累的干物質(zhì)質(zhì)量為9 934.53～14 273.94 kg/hm2,約占總干物質(zhì)質(zhì)量的65.8%。隨出苗水量增加,地上部干物質(zhì)理論最大積累量(c)、最大積累速率(Vm)、和理論快速積累量(Gt)均顯著增加,快速積累終止時間(t2)顯著延遲,最大積累速率出現(xiàn)時間(tm)、快速積累起始時間(t1)呈先延長后縮短趨勢,而快速積累持續(xù)時間(t)呈先縮短后延長趨勢,適當(dāng)增加出苗水能推遲棉花干物質(zhì)最大積累速率出現(xiàn)的時間(tm)和快速積累起始時間(t1),快速積累終止時間(t2)也相應(yīng)延后,造成棉株生長高峰期后移,但由于滴灌較多出苗水保證了棉株前期生長發(fā)育,其干物質(zhì)積累量較高,W3處理的地上部干物質(zhì)理論最大積累量(c)最大,分別是W2、W1處理的1.22倍和1.44倍,其快速積累持續(xù)時間(t)達(dá)52.47 d,理論快速積累量(Gt)達(dá)14 273.94 kg/hm2,均顯著高于其他處理。表2

表2 不同處理下棉花干物質(zhì)積累動態(tài)的特征值

2.6 不同處理對棉花產(chǎn)量的影響

研究表明,隨出苗水量增加,單株鈴數(shù)、鈴重和衣分均逐漸增加,W3處理的單株鈴數(shù)顯著高于W1處理,但與W2處理無顯著差異;各處理的鈴重和衣分均無顯著差異。收獲密度大小排序為W2>W3>W1,且處理間差異顯著。籽棉和皮棉產(chǎn)量均表現(xiàn)為W2>W3>W1,W2處理顯著高于W1處理,但與W3處理差異不顯著。較高灌水量(W3處理)雖然能提高單株鈴數(shù)、鈴重及衣分,但其收獲密度受到影響,最終產(chǎn)量低于W2處理。表3

表3 不同處理下棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

3 討 論

3.1試驗中土壤pH和含鹽量均表現(xiàn)為W1>W2>W3,即滴施出苗水量越大,土壤表層pH和含鹽量越低,與前人研究[11]結(jié)果一致,但王成等[7]認(rèn)為出苗水量在240～300 m3/hm2時可使土壤含鹽量小于300 mg/L而不影響棉花的萌芽和出苗。試驗表明,灌水量在300～450 m3/hm2時出苗較好,此時土壤pH為7.75～7.97,含鹽量為303.71～346.25 mg/L,棉田出苗率達(dá)81.4%～87.3%,與莊亮亮[6]認(rèn)為的棉花出苗(出苗率≥80%)適宜的土壤含鹽量(159 mg/L)有偏差,可能與試驗地的氣候條件和處理前土壤含鹽量有關(guān)。

3.2較高的出苗率是提高棉花產(chǎn)量的前提。研究表明,滴施適量的出苗水,能保證較好的出苗率,與張永玲等[5]研究認(rèn)為出苗率隨灌水定額升高而呈先增加后下降結(jié)論一致,所不同的是,研究結(jié)果最佳出苗水量是300 m3/hm2,與張永玲等[5]研究推薦的600 m3/hm2有所不同,可能與土壤質(zhì)地、滴灌方式等有關(guān)。

3.3張旺鋒等[12]認(rèn)為傳統(tǒng)灌溉下(播前常規(guī)冬灌、春灌壓減洗鹽,播種出苗不灌水)棉花干物質(zhì)積累快速增長期一般在出苗后67～69 d至出苗后107～109 d,歷期38～42 d,該階段干物質(zhì)積累量占總量的60%左右,干物質(zhì)積累的最快時期出現(xiàn)在出苗后87～90 d。試驗中,地上部干物質(zhì)積累的快速增長期在出苗后45.59～53.84 d至出苗后96.15～101.83 d,持續(xù)時間為45.33～52.47 d,該階段干物質(zhì)積累量占總量的65.8%,出苗后70.87～76.51 d干物質(zhì)積累速率最大,干播濕出棉田干物質(zhì)積累速率高峰期有前移趨勢,且干物質(zhì)積累的快速增長期延長,主要是由于滴水出苗造成棉花前期長勢加快[7],對產(chǎn)量器官快速發(fā)育有利。隨出苗水量增加,各器官干物質(zhì)積累量及生殖器官分配系數(shù)增加,而莖稈分配系數(shù)呈降低趨勢。充足的出苗水可促進(jìn)棉花個體長勢,有利于中后期蕾鈴發(fā)育;但過多水分易引起種穴堵塞板結(jié),造成出苗率下降,最終影響產(chǎn)量。

4 結(jié) 論

4.1在免冬灌、春灌條件下,W2處理的出苗率最高,W3處理的株高、莖粗、地上部干物質(zhì)積累量最大,充足的出苗水能促進(jìn)棉花生長,但會影響出苗率。

4.2相比冬灌、春灌蓄墑、播種出苗不灌水的棉田,免冬灌、春灌實行滴水出苗能促進(jìn)棉花生長高峰期前移,群體LAI及干物質(zhì)積累量增加;且出苗水量越多,LAI及干物質(zhì)積累量越高,生殖器官分配系數(shù)增加。干播濕出棉田應(yīng)注意苗期適當(dāng)化控,將肥水及調(diào)控措施適當(dāng)前移。

4.3滴灌出苗水能使出苗期棉田表層土壤pH下降0.19～0.47,含鹽量下降118.85～203.94 mg/L;且出苗水量越大,下降幅度越大,較多灌水量有一定洗鹽效果。棉田的pH和含鹽量在初蕾期有所增加,滴灌出苗水并未起到明顯降低表層土壤鹽分的作用。生育期間應(yīng)適當(dāng)增加滴水量以控制土壤鹽分聚集,保障棉花正常生長發(fā)育。

4.4隨出苗水量增加,單株結(jié)鈴數(shù)、鈴重和衣分均有所增加,但W2處理的收獲密度最大,產(chǎn)量最高。W2和W3處理的單株鈴數(shù)、鈴重、衣分及產(chǎn)量均無顯著差異,采用300 m3/hm2的出苗水量、分2次滴灌較好。