麥棉兩熟種植模式下棉田土壤水分分布特征研究

關鍵詞：麥棉兩熟；土壤水分；分布特征；時空異質性

中圖分類號：S562.047：S152.7 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2024）11-0052-09

水是棉花植株體內含量最多的成分，也是其進行生長發(fā)育必不可缺的物質。土壤水分不但參與棉株體內許多生理過程，更是光合作用最重要的原料之一。研究人員發(fā)現，水分虧缺會導致棉花葉片氣孔關閉，CO₂供應受限，光合速率下降，而且會降低葉片對光能的利用效率，加劇光抑制，導致棉花葉片碳同化能力降低。范志超等在新疆阿克蘇地區(qū)通過對灌溉量的控制，分析棉田土壤含水量、棉花根冠比、干物質積累、葉綠素熒光特征、棉葉凈光合速率以及棉花產量等的差異，得出在棉花生育期內輕度的調虧較正常灌溉量的水分利用效率提高40%，產量提升5%。其次，土壤水分對棉花根系生長、莖枝生長、葉片生長、根／冠比以及蕾鈴發(fā)育都有著重要的影響。有研究表明，花鈴期為棉株根系吸收水分的高峰期，且棉株根系的空間分布受土壤水分空間分布的影響，均勻的土壤水分空間分布使根系分布更加均勻，呈“傘”型對稱結構，而土壤水分空間的不均勻分布導致主根分叉，故分析根系生長特點有助于提高棉株水分利用效率，對完善局部灌溉技術有促進作用。董合忠等對花鈴期棉花進行水分脅迫后發(fā)現，各脅迫處理棉花蕾鈴脫落率均有提高，使得干物質積累量下降，最終導致產量下降。但在中度水分脅迫同時使用適量高吸水樹脂處理對株高、成鈴個數、干物質量和纖維產量會有一定的提高。以上研究大多在控制土壤水分含量條件下開展，而針對棉田生態(tài)系統(tǒng)下小尺度的土壤水分空間分布特征研究相對不足。

為充分利用光、溫、水、養(yǎng)分等自然資源，緩解糧棉競爭矛盾，充分發(fā)揮生產力優(yōu)勢與土地當量比（LER）優(yōu)勢，兩熟種植制度逐漸被接受并推廣，這是實現我國糧棉雙豐收的重要途徑。在兩熟種植制度中，復合群體一定程度上可以緩解水分蒸發(fā)和葉片蒸騰作用，是提高資源利用效率的有效手段，對一些干旱地區(qū)土壤水分利用率的提高顯得尤為重要。土壤水分的利用可以分為地上和地下兩部分，地上部分的水分利用主要由葉片的空間分布、生殖器官的生長以及氣象條件等因素共同決定，地下部分則受到土壤質地、土壤結構、土壤有機質含量以及根系吸水能力等因素的影響，總體來說是環(huán)境與作物之間相互作用的結果。兩熟種植模式下，不同作物對土壤水分吸收利用的時期、土壤條件、氣候條件以及根系長短的不同，皆會導致土壤水分的空間分布存在差異。有研究表明，不同的坡面起伏程度、不同的氣候條件以及不同的取樣間隔皆導致土壤水分異質性發(fā)生變化，不同地區(qū)土壤的土壤水分異質性差異也較大。因此，對小尺度下土壤水分的空間分布研究顯得更有意義。

本研究以麥棉兩熟種植模式下的長期定位試驗田為對象，對棉花全生育期內土壤水分進行實時監(jiān)測，并以空間網格法量化土壤水分，運用地統(tǒng)計學對棉田土壤水分進行時空異質性分析，探索棉花各生育時期水分競爭機理以及土壤水分運動規(guī)律，使土壤水分的運用更加合理化，提高水分利用效率，以期為實現棉花輕簡化、智慧化栽培管理提供理論依據，為指導棉田精準灌溉和最終實現復合群體土壤水分智能管理提供數據支持。

1材料與方法

1.1試驗材料

本研究以棉花品種豫早棉9110和小麥品種中育1123為試材。

1.2試驗設計

田間試驗于2017、2018連續(xù)兩年在河南省安陽縣中國農業(yè)科學院棉花研究所東場試驗基地（36°06′N，114°21′E）進行，該基地為小麥、棉花兩熟長期定位試驗田，土壤為肥力中等的沙壤土。設置麥棉套作（3：1模式，即三行小麥一行棉花，棉花幅寬0.7m，小麥幅寬0.3 m，套種行寬0.2m，圖1）、麥后直播、單作3種棉花種植模式處理。每處理重復3次，隨機區(qū)組排列。棉花單作和麥棉套作均分別于2017年5月15日、2018年5月17日播種，麥后直播棉分別于2017年6月15日和2018年6月14日播種。施肥、化學調控、灌溉均同常規(guī)田間管理。

1.3測定指標及方法

1.3.1土壤水分采樣點布設 為了研究麥棉種植區(qū)土壤水分的時空變化規(guī)律，考慮到土壤水分隨時間的動態(tài)變化特征，在播種前選取三塊干擾因素較小的地塊，采用等間距空間網格法（80 cm×100 cm）將水分傳感器安置于采樣點，水平方向上分別在0、20、40、60、80 cm處共設置5個測量點，垂直方向上分別在土層深度為10、30、50、70、90、110 cm處設置6層，每個地塊共30個測量點。

1.3.2土壤水分測定方法及量化 美國METER公司的5TE土壤水分傳感器，是一種基于頻域反射法（FDR）的傳感設備，可將土壤內紋理和鹽分的影響降到最低，具有堅固耐用和低功耗運行等優(yōu)點，可實現土壤水分數據長時間、高精度的連續(xù)監(jiān)測。用該傳感器對2017年和2018年的土壤水分進行全年不間斷測定（每1h記錄一次），用美國Campbell公司的CR1000進行數據實時采集并計算土壤含水量。

1.3.3棉花生育時期及生育期調查 自棉花出苗起，每隔5d調查并記錄棉花生育進程，準確記錄棉花出苗期、蕾期（50%棉花出現直徑約3mm的蕾）、花鈴期（50%棉花開出第一朵白花）和吐絮期（50%棉花開始吐絮）的時間。棉花生育期是指從播種至棉田內50%棉株吐絮所經歷的天數。

1.3.4棉田土壤水分含量空間變異特征分析 用地統(tǒng)計法對三種種植模式棉田的土壤水分含量進行空間異質性分析，通過半方差函數模型進行擬合，獲得半方差函數結構參數。常見的半方差函數擬合模型有球狀模型、指數模型、線性模型和高斯模型。由模型和參數[塊金值C₀、偏基臺值C、基臺值（Sill，C₀+C）、變程A₀]定量描述土壤水分的變異性。

殘差平方和（RSS）越小、決定系數（R²）越大，說明模型的擬合程度越好，更接近現實情況。CO是在采樣距離為0時所得的半方差的值，通常表示一種隨機的變異，用以測量誤差和土壤中水分的變化；Sill（基臺值）通常表示空間異質性的大小，該值越大，表明空間異質性程度越高，直至達到平穩(wěn)的極大值，而到達該極大值的距離即為A₀。C/Sill的比值是半方差函數中的一個重要參數，該值的大小說明變量在空間內的自相關性。C/Sill≤0.25時，表明變量的空間自相關性較弱；C/Sill在0.25～0.75之間時，表明變量的自相關性中等；C/Sill≥0.75時，表明變量的空間自相關性強。

1.4數據處理與分析

采用Microsoft Excel對試驗數據進行整理和分析，采用單因素方差分析和Duncan’s新復極差法進行差異顯著性檢驗（Plt;0.05）。采用Surfer16（Golden Software Inc.，USA）軟件繪制土壤含水量等值線圖，使用Stata 14.0（ Stata Corp LP，Col-lege Station，Texas，USA）軟件對試驗數據進行批量處理和分類，用GS+（Gamma design software，Plainwell，Ml，USA）軟件分析土壤水分空間變異特征。

2結果與分析

2.1不同種植模式下棉花生育期進程比較

由表1可知.2017年棉花出苗至現蕾時間不同種植模式間差異顯著，麥棉套作時間最長，為40 d，麥后直播時間最短，為22 d。其原因可能是麥后直播棉的播期較晚，苗期階段充足的土壤水分以及較高的日平均溫度大大縮短其現蕾時間：而麥棉套作受麥棉共生期的影響，棉花生長較為緩慢，故所需現蕾時間最長。麥后直播棉現蕾至開花、開花至吐絮的時間均顯著長于其他兩種種植模式。

2018年，不同種植模式間棉花出苗至現蕾時間和開花至吐絮時間的變化趨勢與2017年一致，但麥棉套作出苗至現蕾天數比2017年提前一周，為33d，麥后直播時間最短，為25d，原因可能是土壤水分充足的2018年更利于棉花現蕾。開花至吐絮階段，3個處理到達吐絮期天數均較2017年明顯縮短，麥后直播棉減少6d，麥棉套作減少7d，單作棉減少12d，這可能與兩年的氣候條件不同有關。

兩年間，麥后直播棉的生育期均最長，且較為穩(wěn)定，分別為122、123d；麥棉套作分別為121、109d，年度間差異較大，2018年較2017年少12d；單作棉差異較小，分別為106、101d。

2.2不同種植模式下棉田土壤水分含量空間變異特征

由表2可知，兩年內不同種植模式下棉花不同生育時期土壤水分的最佳擬合模型均為高斯模型，R²整體均大于0.92，且RSS都較小，說明土壤水分在土壤內有著明顯的空間連續(xù)性以及隨空間變化的異質性。

兩年間，棉花各生育時期土壤水分含量半方差函數C₀均小于0.001，土壤水分含量趨于穩(wěn)定，表明由隨機因素引起土壤水分變異的可能性較小。與2017年相比，2018年麥后直播棉與單作棉土壤的C/Sill值整體呈下降趨勢，除吐絮期外，兩種種植模式均呈現出由強自相關性向中等自相關性變化的居多；麥棉套作則呈強自相關性居多。

不同種植模式下棉花不同生育時期土壤水分含量半方差函數的A₀值均大于實際采樣間距20cm，表明棉田土壤水分具有很好的空間結構，可以準確反映出土壤水分空間變異特征，且兩年間三種種植模式棉田的整體變化趨勢基本一致。

2.3不同種植模式下棉田土壤水分空間分布特征

麥棉套作模式下麥棉共生期小麥、棉花及不同種植模式下棉花現蕾期土壤水分空間分布等值線見圖2。

從圖2A、D可以看出，麥棉套作的土壤含水量（SWC）相對較少，雖然與其他兩種模式取樣時間不同，但小麥對棉花苗期土壤水分的影響明顯：土壤水分流失較快，靠近棉行位置的土壤含水量明顯低于麥行位置，且土壤水分變化較快：且由于兩種作物對土壤水分競爭的原因，使得60cm土層以下土壤水分空間分布等值線呈現明顯的“幾”字形。

相比于同時期的麥后直播棉（圖2B、E），單作棉對土壤水分的消耗更多集中在30 cm土層附近（圖2C、F）；麥后直播棉播期較晚，其苗期（兩年均為6月20日）正值雨季且有小麥收獲后的殘留秸稈覆蓋，有效減少了土壤表面的蒸發(fā)作用，使得麥后直播棉的行間小麥秸稈覆蓋區(qū)域土壤水分含量明顯高于單播棉的棉花行間空白區(qū)域。

由圖3（A、B、D、E）可以看出，花鈴期麥棉套作和麥后直播種植模式下，地表的小麥秸稈起到一定的保水保墑作用，有效避免了更多的水分消耗，其20 cm土層處土壤含水量明顯高于單作土壤，麥棉套作土壤水分已恢復至與其他兩種模式相當的水平。由圖3（C、F）可以看出，單作棉花對土壤水分的消耗更多集中在40 cm的土層附近，更深土層的變化不明顯。

由圖4可知，棉花吐絮期土壤水分含量明顯減少，表明棉花花鈴期至吐絮期的水分消耗量比較大?；ㄢ徠谥镣滦跗谑敲藁ㄐ杷舾衅?，土壤水分含量的多少可間接說明棉花植株的生物量積累情況。

由圖4A、D可以看出，麥棉套作處理棉花吐絮期再次出現“幾”字形土壤水分空間構型，這與麥棉共生期時與小麥的水分競爭有著密不可分的聯(lián)系。麥棉共生期是小麥的近成熟期，此時苗期的棉株只能向更深層次的地下獲取足夠的水分來供應生長。

麥后直播棉的吐絮期較其他兩個種植模式約晚30 d。由圖4B、E可以看出，距地表50 cm土層處存在著一部分濕潤帶，除小麥秸稈保水保墑的原因外，可能也是棉株對土壤水分獲取較少、生物量積累較低的一個表現。

由圖4C、F可以看出，單作棉土壤水分流失主要集中在距地表50 cm的土層，等值線的緊湊表明根系附近土壤水分的變化更加劇烈。

綜上，2017年和2018年，三種種植模式下棉花各生育時期都有著相似的土壤水分運動軌跡，排除環(huán)境因素的影響，棉株對土壤水分獲取的趨勢相近，土壤水分空間分布基本保持一致。

3討論

3.1不同種植模式下棉田土壤水分空間異質性

土壤水分的量化有助于提高現代化農場的管理技術以及水分利用效率，可為農田智能精準灌溉提供數據支持。土壤水分具有明顯的時空異質性，擁有較高的研究價值和應用潛力。但當前對土壤水分量化后的分析處理較少，因此，對土壤水分空間分布狀況進行模擬、了解麥棉水分時空競爭機制、探究兩熟種植和單作種植的空間異質性具有重要意義。史麗麗等研究認為，連續(xù)取樣獲得的土壤水分時空異質性數據更有說服力：也有學者研究發(fā)現，土壤水分的空間異質性受到多種因素的影響。本試驗連續(xù)取樣的土壤水分含量半方差函數的塊金值（C₀）均較小，表明采樣點土壤水分獲取時的誤差較?。喊敕讲詈瘮底兂蹋ˋ₀）均遠遠大于實際采樣間距，因此本試驗的取樣點完全可以表達土壤水分空間結構。

3.2不同種植模式下棉田土壤水分含量變化

棉花各生育時期的需水梯度依次為花鈴期gt;蕾期gt;出苗期gt;吐絮期gt;播種期，由于種植制度、生長狀況、氣候條件等因素不同，棉田土壤水分空間分布也有不同。麥棉套作存在小麥棉花共生期，使得其土壤水分空間分布明顯異于其他兩種種植模式：麥棉共生期為棉花苗期以及小麥生殖生長旺盛時期，耗水量較大，土壤失墑快，棉花幼苗根系向更深的土層汲取水分，土壤水分含量等值線呈現“幾”字形。蔡忠民等研究發(fā)現，麥棉共生期間0～40cm土層的土壤含水量變化劇烈，40～100 cm土層為較劇烈變化層，這與本試驗結果基本一致：麥后直播棉蕾期0～40 cm土層土壤含水量最高，除了播期較晚的因素外，雨季來臨和小麥秸稈覆蓋是其含水量高的主要原因，此時期水分充足可保證棉花地上部植株的生殖生長和地下部根系的平穩(wěn)發(fā)育：花鈴期蕾鈴增多，葉片增大，生殖生長旺盛，蒸騰作用加劇，使土壤水分消耗增加。本研究表明，單作棉花花鈴期10～40 cm土層土壤水分運動加劇，因沒有小麥秸稈保護使得土壤水分蒸發(fā)明顯：進入吐絮期后，土壤含水量的空間分布情況側面證實了棉花植株的生物量積累情況，這與肖緒培等的研究結果基本一致。

綜上可知，土壤水分的空間分布受多種因素共同影響，本試驗條件下，種植模式是最直接的影響因素。麥棉套作模式下“幾”字形土壤水分含量等值線的出現，表明棉花根系發(fā)育與土壤水分空間分布呈顯著的正相關關系，因此在相同生育期內，不同種植模式棉田土壤水分空間分布差異明顯。

4結論

土壤水分空間分布具有高度空間異質性，且隨時間的變化而變化。本研究得出，兩熟種植模式可有效緩解土壤水分蒸發(fā)，提高水分利用效率，且其對土壤水分消耗的影響主要集中在10～50cm土層中，對更深層次土壤水分的影響不明顯。