干旱区不同灌溉方式下棉花生长与水分利用研究

(新疆维吾尔自治区水资源中心， 新疆 乌鲁木齐 830000)

干旱区不同灌溉方式下棉花生长与水分利用研究

曹伟

(新疆维吾尔自治区水资源中心， 新疆 乌鲁木齐 830000)

通过田间试验，研究不同灌水方式(膜下滴灌、地下滴灌与微润灌溉)和水分处理对棉花生长与水分利用的影响，结果表明：在单株叶面积方面，膜下滴灌﹥地下滴灌﹥微润灌溉，分别为0.79m2，0.7m2与0.57m2；地上部干物质积累量以膜下滴灌最大(55.3g)，地下滴灌次之(38.16g)，微润灌最小(18.3g)；棉花根冠比，微润灌(0.6)>地下滴灌(0.52)>膜下滴灌(0.28)；作物产量以膜下滴灌最大(3810kg/hm2)，微润灌最小(3135kg/hm2)，地下滴灌介于二者之间(为3720kg/hm2)；从水分生产效率来看，微润灌高达1.43kg/m3，膜下滴灌和地下滴灌分别为0.82kg/m3和0.8kg/m3。研究结果对于指导当地棉花产业节水灌溉技术发展具有重要参考价值。

灌溉方式；棉花；微润灌溉；生长特性；水分利用；孔雀河流域

新疆地处西北内陆干旱区，水资源匮乏。在水资源开发利用过程中，生产、生活和生态“三生”争水的矛盾日益突出[1-2]。加强农业高效节水灌溉技术研究，对于提高农业水资源利用率，提升用水安全，推进干旱区水资源可持续利用，具有重要现实意义[3-6]。

棉花是新疆南疆地区普遍种植的一种重要经济作物，目前关于南疆地区不同灌溉方式对棉花生长和产量影响的研究还鲜见报道。鉴于此，本研究针对新疆孔雀河流域棉花作物，开展不同灌溉方式对其生长、产量及水分利用影响的研究，旨在筛选出适合本地区的最有效的节水灌溉方式。

1 研究区概况

试验在新疆库尔勒市西尼尔镇巴音郭楞管理局水利科研所(41°36′N，86°12′E)进行。试验区地处天山南麓塔里木盆地北缘、孔雀河冲积平原带，为暖温带大陆性荒漠气候。多年平均降雨量53.3～62.7mm，多年平均蒸发量2273～2788mm，日照时数3036.2h，年均气温11.5℃，不小于10℃积温4121.2℃，无霜期191d。试验区土壤类型主要为粉砂壤土，地下水埋深1.8～2.2m。

2 试验设计与数据处理

2.1 试验设计

棉花品种为“新陆中55号”，灌溉用水为孔雀河来水，矿化度为0.7～1.1g/L。采用3种灌溉方式：膜下滴灌，地下滴灌，微润灌。膜下滴灌采用迷宫式滴灌带，直径16mm，滴头间距30cm，滴头流量1.8L/h，全生育期灌水10次；地下滴灌采用地下滴灌带，直径16mm，滴头间距30cm，滴头流量1.1L/h，滴灌带埋深20cm，每日灌水根据生育阶段不同，灌水定额不同；微润灌采用微润管，直径20mm，埋深20cm，采用微型水泵加压(3m水头)，持续供水。

膜下滴灌和地下滴灌全生育期灌水量约465mm，微润灌全生育期灌水量约220mm，均不含出苗水。各处理均设3个重复。

2.2 测定项目与方法

2.2.1 土壤水分测定

采用PR2土壤剖面水分传感器水分仪(Delta-T，英国)测定。对不同灌溉方式，分别埋设在窄行中间、宽行中间和膜间，测定土层深度为10cm、20cm、30cm、40cm、60cm、100cm(见图1)。

图1 种植模式及PR2管布置示意

2.2.2 植株生长测定

每个处理选6株棉花进行定株观测，内外行各3株，测定茎粗、株高、节高、果枝台数等[7-8]。测定时间与次数：蕾期1次，花铃期2次，吐絮期1次。

2.2.3 茎流速率测定

棉花茎流速率利用能量平衡原理，应用Dynagage能量平衡传感器，通过测量水分运输时产生的热量变化，确定植物茎流水分消耗。

2.2.4 光合测定

采用CIRAS-3便携式光合测量系统(PP System，美国)，以膜下滴灌灌水时间为参照，在棉花盛铃期灌水3天后，选择晴朗天气进行测定。

2.2.5 产量测定

产量测定分为定株测定和试验区的测定，各试验处理及重复均单独测定。测定方法：记录其株数、铃数及有效铃数(直径2cm以上)；在每个处理均匀摘取100朵，晒干，称其重量后，取其平均数，得出单铃重。

3 结果与分析

3.1 土壤水分分析

不同灌溉方式的土壤湿润区域不同(见图2)，其中膜下滴灌土壤湿润区主要为浅层土壤，且呈现出宽浅型湿润区的特征；地下滴灌和微润灌的土壤湿润区均呈现出以滴灌带(微润带)为中心的同心圆分布形式。由于微润灌采用的是持续供水方式，所以湿润体范围土壤水分较均匀，且土壤水分主要为水平扩散；地下滴灌为每日供水，且灌水量较微润灌大，形成的湿润体则偏向于向垂直方向发展。

图2 不同灌溉方式土壤水分分布特征

3.2 作物生长与生理特性分析

3.2.1 作物生长特性分析

在不同灌溉方式下测定棉花株高、茎粗、单株叶面积等生长指标，直至生育期结束(见图3)。

图3 不同灌溉方式棉花生长指标对比

其中棉花株高表现为：膜下滴灌>地下滴灌>微润灌溉，株高分别为70cm，63cm与51cm，说明灌水量多有利于棉花株高的增长。

茎粗表现为：膜下滴灌>地下滴灌>微润灌溉，茎粗分别为10.28mm，9.36mm与8.35mm，说明灌水量多有利于棉花茎粗的增长。

叶面积表现为：膜下滴灌>地下滴灌>微润灌溉，单株叶面积最大分别为0.79m2，0.7m2与0.57m2，说明在控制好株高的条件下，灌水量多有利于棉花叶面积的增加。

3.2.2 茎流变化

对不同灌溉方式采用包裹茎流传感器测定7月30日、7月31日与8月1日茎流日变化过程(见图4)。

图4 不同灌溉方式棉花茎流日变化过程对比

由图4可以看出，微润灌溉、地下滴灌与膜下滴灌棉株的茎流日变化过程趋势是相同的，即呈单峰形变化，夜间波动平缓，白天流速大于夜里。随着时间的延续，茎流流速先增大，后减小。0:00—08:00茎流速率较低，08:00—09:00茎流速率开始增大，13:00—16:00茎流速率达到峰值，19:00—20:00茎流速率开始大幅下降，20：00—22:00茎流速率降低到较低状态。从茎流速率开始增加至大幅下降，白天棉花茎流速率活动时间长达13h。

夜晚棉花的茎流速率：膜下滴灌>地下滴灌>微润灌溉，但地下滴灌与微润灌溉的茎流速率差别不大；白天茎流速率的峰值为：微润灌溉>地下滴灌>膜下滴灌，但地下滴灌与膜下滴灌的茎流速率峰值差别不大。

由图5可以看出，棉花茎流日累积量：地下滴灌>微润灌>膜下滴灌，全天累计茎流量分别为214.83g/d，199.1g/d，167.7g/d。这主要是由于地下滴灌与微润灌每天都在灌水，并且地下滴灌的日灌水量大于微润灌的日灌水量，而膜下滴灌7天才灌一次水，此次测定时间为灌后4天，所以膜下滴灌棉花累计茎流量最小。

图5 不同灌溉方式棉花茎流日累计变化

3.2.3 光合速率分析

3种灌水方式条件下，光合速率表现为：膜下滴灌>地下滴灌>微润灌(见表1)；光饱和点表现为：膜下滴灌>微润灌>地下滴灌。微润灌条件下最大净光合速率为膜下滴灌处理的69.6%，地下滴灌处理的88.1%。拟合结果表明：微润灌处理的光补偿点最小，为78.52μmol/(m2·s)；同时暗呼吸速率介于膜下滴灌和地下滴灌，为3.028μmol/(m2·s)。

表1 不同灌溉方式下作物光合作用光响应曲线的模型拟合结果与实测值

3.2.4 棉花干物质积累分析

采用双向切片法采样获得根系分布参数，取样时以棉株为中心，按10cm×10cm×10cm的样方在水平和深度方向取样，从宽行中间直至膜外裸地中间，将取出根样过筛冲洗后捡出根系，并在80℃条件下烘干至恒重。最后绘制不同灌溉方式下棉花根重密度分布等值线图，如图6所示。

图6 不同灌溉方式棉花根重密度分布

由于不同灌溉方式形成的土壤湿润区域不同，且根系生长具有向水性和向肥性，所以根重密度的分布与土壤湿润形式基本一致。

膜下滴灌根重密度较大区域(0.6kg/m3)分布主要在25cm以上土层，且膜下滴灌土壤湿润体保留了棉花根系直根系特征，根重密度等值线均以棉株为中心；地下滴灌条件下根重密度较大区域(0.6kg/m3)分布主要在30cm以上土层，本试验地下滴灌为每日灌溉，且灌溉定额与膜下滴灌相同，形成的土壤湿润区未完全到达膜外裸地，土壤湿润区范围较膜下滴灌小，其中20cm及以上以棉株为中心，20～30cm则趋向于以滴灌带为中心(取根时发现，滴灌带周边土壤中聚集了很多根毛)；微润灌条件下根重密度较大区域(0.6kg/m3)分布主要在24cm以上土层，试验中微润灌为全生育期持续灌溉，灌溉定额约为另外两种的47.2%，形成土壤湿润区更小，根系的向水性体现得更加明显，大于0.6 kg/m3的根重密度区域更小，且以微润带为中心。从等值线图观察3种灌溉方式，以膜下滴灌棉花根重密度分布较均匀，微润灌根重密度分布最密集，地下滴灌介于二者之间。

棉花地上部的生长包含了棉花营养生长器官和生殖生长器官，棉花生育后期地上部干物质主要由茎秆和棉桃构成，叶片占比很小。对比3种灌溉方式，地上部干物质积累量以膜下滴灌最大(55.3g)，地下滴灌次之(38.16g)，微润灌最小(18.3g)，可见灌溉定额和灌溉方式对地上部生物量积累影响很大。

对于地上部分与地下部分的相关性常用根冠比来衡量。因为植物地下部分与地上部分干重或鲜重的比值，它能反映植物的生长状况以及环境条件对地上部与地下部生长的不同影响。受不同灌溉方式形成土壤湿润体的影响，3种灌溉方式下根冠比大小关系为：微润灌(0.6)>地下滴灌(0.52)>膜下滴灌(0.28)。

3.3 产量及水分生产效率分析

3种灌溉方式的作物产量以膜下滴灌最大(3810kg/hm2)，微润灌最小(3135kg/hm2)，地下滴灌介于二者之间(3720kg/hm2)。其中膜下滴灌较地下滴灌产量高90kg/hm2，差别不大；较微润灌产量高675kg/hm2，差别较为明显。

水分生产率反映了水量的投入产出效率，是衡量节水灌溉与高效农业发展的重要指标之一。从水分生产效率来看，微润灌高达1.43kg/m3，膜下滴灌和地下滴灌分别为0.82kg/m3和0.8kg/m3，表明微润灌具备较大的节水潜力。

4 结 论

a. 膜下滴灌土壤湿润区主要为浅层土壤，且呈现出宽浅型湿润区的特征；地下滴灌和微润灌的土壤湿润区均呈现出以滴灌带(微润带)为中心的同心圆分布形式。微润灌湿润体范围土壤水分较均匀，且土壤水分主要为水平扩散，地下滴灌形成的湿润体则偏向于垂直方向。

b. 不同灌水技术对棉花的株高、茎粗与单株叶面积呈现出的规律是一致的，表现为：膜下滴灌>地下滴灌>微润灌。

c. 棉花茎流速率表现为：夜晚，膜下滴灌﹥地下滴灌﹥微润灌溉，但地下滴灌与微润灌溉差别不大；白天，微润灌溉﹥地下滴灌﹥膜下滴灌，但地下滴灌与膜下滴灌值差别不大。

d. 弱光区域界定结果表明：棉花对弱光的利用能力较强。最大光合速率表现为：膜下滴灌>地下滴灌>微润灌。光饱和点表现为：膜下滴灌>微润灌>地下滴灌。微润灌处理的光补偿点最小，为78.52μmol/(m2·s)；同时暗呼吸速率介于膜下滴灌和地下滴灌，为3.028μmol/(m2·s)。

e. 不同灌溉技术产量表现为：膜下滴灌>地下滴灌>微润灌，膜下滴灌与地下滴灌产量差别不大；水分生产效率表现为：微润灌>膜下滴灌>地下滴灌，膜下滴灌与地下滴灌差别不大。

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Researchoncottongrowthandwaterutilizationunderdifferentirrigationmodesindroughtareas

CAO Wei

(XinjiangUygurAutonomousRegionWaterResourcesCenter,Urumqi830000,China)

The influence of different water irrigation modes (drip irrigation under plastic film, underground drip irrigation and micro-irrigation irrigation) and water treatment on the growth and water use of cotton are studied through field experiment. The results show that the drip irrigation under plastic film>underground drip irrigation> micro-irrigation in the aspect of single leaf area, respectively 0.79m2, 0.7m2and 0.57m2. Drip irrigation under plastic film has the maximum dry matter accumulation above the ground (55.3g), which is followed by underground drip irrigation (38.16g) and micro-irrigation(18.3g). The micro-irrigation(0.6) > underground drip irrigation (0.52)> drip irrigation under plastic film in the aspect of cotton root shoot ratio. Drip irrigation under plastic film has the maximum crop yield (3810kg/hm2), micro-irrigation irrigation has the minimum crop yield (3135kg/hm2), and underground drip irrigation is between the maximum value and the minimum value (3720kg/hm2). Micro-irrigation has the maximum water production efficiency 1.43kg/m3, and the value is respectively 0.82kg/m3and 0.8kg/m3for drip irrigation under plastic film and underground drip irrigation. The research results have important reference value for guiding water-saving irrigation technology development of local cotton industry.

irrigation method; cotton; micro-irrigation; growth characteristics; water application; Kongque River Basin

TV93

：A

：2096-0131(2017)09-0043-06

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.09.011