水氮耦合对膜下滴灌棉花生长及产量的影响

(石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832000)

doi:10.6048/j.issn.1001-4330.2017.11.003

水氮耦合对膜下滴灌棉花生长及产量的影响

贺怀杰，王振华，郑旭荣，张金珠，李文昊，邬 强

(石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832000)

目的研究水氮耦合对新疆北疆石河子地区膜下滴灌棉花生长和产量的影响。方法通过桶栽试验，结合当地棉花品种农丰133号为试验材料，在滴灌条件下进行水氮两因素三水平完全处理。灌溉设置三个水平：4 350、5 250、6 150 m3/hm2(分别标记为W1、W2、W3)；设置三个施氮水平:300、500、700 kg/hm2(分别标记为F0.6、F1.0、F1.4)，研究棉花生育期内不同水肥处理对株高、叶面积指数(LAI)、干物质积累以及产量的影响。结果棉花在膜下滴灌施氮条件下，株高和叶面积指数随灌水量的增加而增加。在相同灌水处理下，棉花各项生理指标随施肥量的增加呈现先增大后降低的趋势，在施肥水平 F1.0处达到最大，同时施肥过高一定程度上抑制了棉花的生长。结论在新疆北疆石河子棉花种植区，灌水量5 250 m3/hm2、施氮量500 kg/hm2为最佳膜下滴灌施肥策略。

棉花；膜下滴灌；水氮耦合；生长；产量

0 引 言

【研究意义】新疆北疆地区由于作物生长季有效降雨很少，农业生产对灌溉水的需求非常大，水资源紧缺已成为新疆绿洲区制约作物产量和农业发展的重要因素。棉花是新疆播种面积最大的经济作物，但干旱缺水和肥料利用率低限制了新疆农业的可持续发展[1]。近些年来，由于新疆棉区膜下滴灌技术的快速发展，推动了棉花大面积的种植，其中水肥一体化技术在滴灌中应用极大地促进了棉花在新疆地区的种植。滴灌施肥技术是通过滴灌灌水器将水分和肥料输送到作物根区，在提高作物产量和品质的同时，大幅度提高作物水肥利用效率[2]。研究北疆膜下滴灌施氮条件下，不同灌水施肥处理对有效铃数、籽棉产量和收获指数的影响，对调控棉花水肥来提高水分利用效率有实际意义。【前人研究进展】申亚宾等[3]通过实验研究了不同灌水施氮量对北疆大田滴灌春小麦前期生理指标、产量的影响及前期生理指标和产量的关系，得出随灌水或施氮量的增加，干物质、叶面积和产量表现出先增后减趋势的结论。近几年，有文献研究了灌水施肥对作物的生长状况、水肥利用效率以及产量的影响。João Henrique Zonta等[4]通过实验研究水分和氮速率对棉花生长和产量的影响，得出了在缺水条件下适宜的灌水和施氮量；郭金强等[5]通过研究棉花膜下滴灌各生育期3种灌溉量下的耗水量与耗水强度，得出了棉花的耗水量随灌水量的增加而增大的结论。棉花在不同生育期耗水量不同，棉花在出现花蕾到吐絮期间需要不断运输养分到地上部分，因此需水量较其他生育期多。雷咏雯等[6]通过采用田间单因素和复因素试验研究得到新疆石河子棉区膜下滴灌棉花全生育期耗水量, 在苗期棉花不需要过多向地上部分输送养分，因此耗水量最少；棉花出现花蕾后蒸散量增加，需水量较苗期大；棉花盛铃期最为耗水；棉花在吐絮期需水量较蕾期持平。通过研究表明，水和氮素是影响作物生长及产量的两个重要因素，进一步解决滴灌水肥一体化条件下水氮耦合效应对作物的影响，科学地指导当地经济作物的种植。【本研究切入点】有关棉花水氮耦合研究较多，但结合该地区情况进行研究并指导本地区灌水施肥有十分重要的意义。通过探讨水氮对膜下滴灌棉花的生长及产量的耦合作用，科学合理地确定氮肥的最适投入量和最适灌溉量，来制定新疆干旱区膜下滴灌棉花节水灌溉高产施肥策略。【拟解决的关键问题】新疆地属干旱区，通过制定适宜该地区的灌水量和施肥量来获得更好的经济效益，提高灌水利用率、优化施肥策略，以此来充分利用现有灌溉资源并减少化肥对耕地的进一步污染。

1 材料与方法

1.1 材 料

2016年在新疆石河子市石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室试验基地(85°59′E、44°19′N)开展桶栽试验。试验地点年均日照时数 2 865 h，>10℃积温 3 463.5℃，> 15℃积温2 960.0℃，无霜期170 d。年均气温(7.7±0.90)℃，最高气温出现在7月，平均气温(25.4±0.74)℃，最低气温出现在 1 月，平均气温(-5.4±2.06)℃。年降水量(213±56.7) mm， 年蒸发量(1 342±413) mm。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验采用桶栽，选取当地棉花种植品种农丰133号，灌水采用医用输液管模拟滴头，可保证每个桶都能够精确控制灌水量与施肥量，灌水滴头流量1.8 L/h左右。试验用塑料桶规格为 0.52 m×0.45 m×0.35 m(高×顶部内径×底部内径)。桶内装填中壤土100 kg，土的平均容重1.36 kg/m3，为模拟自然环境，将桶埋于地下，地膜使用新疆天业公司生产的聚乙烯普通塑料地膜，播种后覆膜。根据2016年新疆石河子棉花种植区当地实际情况，制定试验如下：9个处理，每个处理5次重复。灌溉设置三个水平：4 350、5 250、6 150 m3/hm2(分别标记为W1、W2、W3)；设置三个施氮水平:300、500、700 kg/hm2(分别标记为F0.6、F1.0、F1.4)。2016年 5月12日开始种植棉花，播种采用“干播湿出”的方式，以桶中心为圆心画半径为 20 cm圆(圆内接等边三角形)，在3个顶点上各放2颗棉籽，在棉花长出2～3片真叶后开始间苗，每桶中一个顶点处留1株长势较好的棉花。表1

表1 膜下滴灌棉花各生育期灌水及施肥处理
Table 1 Irrigation and fertilization of cotton under film drip irrigation

项目Project苗期Seedlingstage现蕾期Squaringstage开花期Floweringstage铃期Bloomingstage吐絮期Bollopeningstage全生育期Wholegrowthstage灌水次数 Irrigationfrequency1224110施肥次数 Fertilizationfrequency2248尿素比例 Urearatio(%)252550100

1.2.2 测定项目

株高和叶面积指数：在打顶5 d 后 ( 2016 年 7 月 29日 )，测量每桶中3株棉花所有叶片的叶面积和株高。使用卷尺测量棉株高度h和厘米尺测量每片叶片长度和宽度，其中棉花叶面积和株高取平均值；使用卷尺测量棉花株高(cm)。 在现蕾期、开花期和盛铃期， 每个小区随机选取4株植株用卷尺测量棉花每片叶片宽度和长度来计算LAI叶面积指数。(叶面积指数=叶片总面积/所占桶口面积)

地上干物质累积量:地上部分包括叶片(含叶柄在内)、茎 、蕾 。棉花7月11日为初花期、8月10日为成铃期和9月23日为收获期，测定干物质时每个处理取一桶(每桶取3株)。棉花干物质用烘箱恒温105℃杀青 35 min，再设定75℃烘干至恒重，再分别称取干物质质量。

棉花籽棉产量和构成要素：在收获期收取籽棉并测其产量同时将每桶棉花分层(下层 、中层和上层)摘取每桶3株棉花的所有棉铃，称重后折算为百铃质量。

1.3 数据处理

用Excel 2016进行数据计算，用SPSS 18.0 统计软件进行方差分析 (P< 0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同灌水施氮处理对棉花生长的影响

2.1.1 株高

研究表明，低灌水水平W1条件下，施氮处理F0.6与F1.0对棉株高度差异影响不显著，因此，不具有统计学意义，但与F1.4处理相比株高明显低34.4%和27.7%，同时在F1.4施肥水平处棉花株高h达到最大，为82.0 cm；在灌水量为W2时，F0.6处理与其它两施氮处理相差分别为14.8%和33.0%，各施肥处理之间差异具有统计学意义，株高随着施氮量的增加而增大；在灌水量为W3时，F0.6处理与其它两施氮处理相差分别为15.3%和32.4%。W2、W3灌水条件下棉花株高均在F1.4施氮处理下达到最大，分别为86.3和87.5 cm。相同的施氮水平下，棉株高度随灌水量的增加而增加，其中W3、F1.4处理棉株最高，其高度是W1、F1.4处理的1.07倍。单一灌水因素对株高影响在P< 0.05水平下具有统计学意义，水肥交互作用和施氮因素对株高的影响在P< 0.01水平下具有统计学意义。图1

图1 花铃期不同灌水施肥量下棉花株高变化
Fig.1 Effects of Different Irrigation Rates on Plant Height of Cotton in Floral Period

2.1.2 叶面积指数

棉花的生长过程中叶面积指数能够很好地反映棉花的生长状况。低灌水水平W1条件下，施氮处理F0.6与F1.0、F1.4相比差异明显，F0.6处理与其它两施氮处理相差分别为63.5%和144.1%，且在F1.4处理达到最大；在灌水量为W2时，F0.6处理与其它两施氮处理相差分别为113%和181%；在灌水量为W3时，F0.6处理与其它两施氮处理相差分别为137%和118%。在相同施氮处理下，F0.6处理之间差异不明显；F1.0处理在W2条件下达到最大；F1.4处理在W2处达到最大。W1和W3灌水条件下施氮处理F1.0和F1.4之间不具备统计学差异。灌水量相同时，施氮处理之间差异明显，随着施氮量的增加棉花LAI增加；施氮量相同时，叶面积指数随灌水量增加增长趋势不明显，其中在W2、F1.4条件下棉花LAI为4.55达到最大，因此，增加施氮量并不能获得较高的棉花叶面积指数。灌水因素和施氮因素棉花LAI影响均在P< 0.01水平下具有统计学意义，水肥交互作用对棉花LAI不具有统计学意义。图2

图2 花铃期不同灌水施肥量下棉花叶面积指数变化
Fig.2 Effects of Different Irrigation Rates on Leaf Area Index of Cotton in Floral Period

2.2 灌水施氮处理对棉花地上部干物质量影响

不同的灌水量和施氮量导致棉花干物质量的不同。图3a为棉花不同生育期不同灌水处理下棉花地上部干物质累计情况，初花期气温低、光照时间短等因素导致棉花初花期前根系不发达导致对水肥不敏感进一步延缓了棉花地上部干物质积累过程，各施氮处理之间差异不明显；盛铃期施氮处理F0.6与F1.0、F1.4相差分别为13.2%和34.6%；收获期施氮处理F0.6与F1.0、F1.4相比差异明显，分别为10%和18.6%，地上部干物质量大小依次为 W3>W2>W1。在低灌水W1水平下各生育期均与W2和W3差异较明显具有统计学意义。图3b为棉花不同生育期不同施氮处理下地上部干物质累计情况，初花期差异不明显；盛铃期灌水处理F0.6与F1.0、F1.4相比差异明显，分别为14%和31.7%；收获期灌水处理F0.6与F1.0、F1.4相比差异明显，分别为9%和17.1%，地上部干物质量大小依次为 F1.4>F1.0>F0.6。图3

图3 不同灌水施肥量下棉花地上部干物质量变化
Fig.3 Effect of different irrigation and fertilization amount on above ground dry mass

2.3 灌水施氮量对产量及其构成要素的影响

不同灌水施氮处理对棉籽产量的影响不同。其中mb为百铃质量，eb为有效铃数，yc为籽棉产量，HI为收获指数。在W1灌水条件下，施氮处理F0.6与F1.0、F1.4相比百铃质量差异不明显，有效铃数、籽棉产量和收获指数均在F1.0处达到最大；在W2和W3灌水条件下，施氮处理F0.6与F1.0、F1.4相比百铃质量、有效铃数、籽棉产量和收获指数均在F1.0处达到最大。百铃质量、有效铃数、籽棉产量在相同施氮处理下随灌水量的增加呈增加的趋势，均在W2、F1.0处达到最大。灌水因素对百铃质量的影响在P< 0.05条件下具有统计学意义，施氮因素和水肥交互作用对mb在P< 0.01条件下具有统计学意义；灌水和施氮对HI不具有统计学意义，水肥交互作用对HI在P< 0.01条件下具有统计学意义。表2

表2 不同灌水施肥处理对籽棉产量及其构成和收获指数
Table 2 Seed cotton yield，yield component and harvest index under different fertigation

灌水水平Irrigationlevel施肥水平Fertilizationlevel百铃质量mb/g有效铃数eb/(个/株)籽棉产量yc/(kg/hm2)收获指数HIW1F0.6350.37e6.34g3897.56g0.31gF1.0356.32ef7.09f4345.38e0.33fF1.4340.09de5.76bc3858.98de0.29cW2F0.6398.37g8.45ef4132.54cd0.36eF1.0432.19de9.25b5433.45bc0.42aF1.4415.56bc8.43ef5144.12b0.40bcW3F0.6376.22f6.30g3965.34f0.36eF1.0426.43de8.73bc4644.56ef0.41bF1.4387.77ef8.64cd4554.30d0.35f

注：*表示差异显著(P<0.05)，同列数值后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)

Note:*significant difference (P< 0.05), after the same value, different letters showed significant differences between the treatments (P< 0.05)

因此，单一增加施氮量并不能获得高产，同时施氮过量也会抑制棉花植株的生长导致降低产量。在W1灌水条件下施肥处理籽棉产量较其他处理相比均明显下降，低灌水条件对干物质积累与籽棉产量影响较大，因此，W1灌水条件下的施肥水平不适宜推广到农业实际生产中去；在灌水施肥处理为W2、F1.0处理时，三者产量均明显高于其他处理，故可推荐灌水施肥量W2、F1.0作为当地产量最优制度。

3 讨 论

3.1 适宜的的灌水施氮量一定程度上能够促进植株生长进一步提高产量。实验通过研究不同灌水施氮对棉花生长的影响得出如下结论：不同灌水处理时，低灌水W1水平下棉花根系吸收水分不足，从而受到水分胁迫的影响，棉花生长缓慢；同一灌水处理，棉株株高和棉花叶面积指数随施氮量的增加而增加；在F1.4施氮水平下，棉花叶面积指数呈现先增加后降低的趋势，因此，过多灌水也不利于棉花生长。宋娜等[7]通过研究膜下滴灌条件下水氮耦合效应及其对马铃薯产量、品质和水分利用效率的影响,从而确定马铃薯适宜的水氮用量,以求达到节水、节肥和高产优质的目的。

3.2 棉花地上部干物质的累积随着灌水施氮的增加呈递增趋势。盛铃期和收获期随灌水量和施氮量的增加棉花地上部干物质累积呈增加趋势。同时灌水量是影响棉花地上部干物质累积量的主要因素，采取措施来保证灌水能够促进棉花前期生长，进一步可提高产量。王海东等[8]研究表明：棉花初花期前由于气温低等因素导致棉株根系不发达进而影响延缓了棉花生长，对不同灌水施肥处理不敏感的现象；棉花初花期以后棉株对水分和养分的利用率提高，不同灌水施肥处理对其生长影响较初花期前明显。

3.3 增施氮肥能够提高产量，但过量施肥不利于棉花生长。研究得到在相同灌水处理的情况下，百铃质量、有效铃数以及籽棉的产量随施肥的增加呈现先增加后减少的趋势，在施肥处理F1.0(5 250 m3/hm2)处达到最大，因此得出过量施肥不但不会提高棉花产量，还会抑制其产量增长；同时水肥交互作用对棉花收获指数HI影响显著。邓忠等[9]实验表明水氮调控一定程度影响了棉花产量及水氮利用率，寻求合适的灌水和施氮来优化株型结构，从而增加有效铃数和单铃质量进一步来提高产量。

3.4 施肥量是影响棉花干物质积累和产量的主要因素，棉花生育期内增加施氮量来提高棉花干物质量从而提高产量，但过量施肥会造成棉花产量降低。

4 结 论

4.1 在北疆膜下滴灌施氮条件下，灌溉施肥处理5 250 m3/hm2、500 kg/hm2时与灌水施肥处理4 350、6 150 m3/hm2相比，有效铃数、籽棉产量、收获指数有显著提升(P< 0.05)。当灌水定额为5 250 m3/hm2时，能够获得较其他灌水处理适宜的棉株高度和叶面积指数。水肥交互作用对棉花百铃质量和收获指数影响较大，因此可以通过调控水肥来增加有效铃数，进一步提高棉花产量。

4.2 在北疆膜下滴灌施氮条件下，在灌溉定额为5 250 m3/hm2时，施氮量500与300和700 kg/hm2施肥处理相比较可获得籽棉产量为5 433.45 kg/hm2最高，此时水肥利用效率较高。北疆地区干旱水资源短缺，灌溉定额5 250 m3/hm2，施氮量500 kg/hm2为最佳滴灌施肥策略。

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EffectsofWater-NitrogenCouplingonGrowthandYieldofCottonunderMulchDripIrrigation

HE Huai-jie, WANG Zhen-hua, ZHENG Xu-rong, ZHANG Jin-zhu，LI Wen-hao，WU Qiang

(CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,ShiheziUniversity/KeyLaboratoryofModernWater-SavingIrrigationofXPCC,ShiheziUniversity,ShiheziXinjiang832000,China)

ObjectiveTo study the effects of water and nitrogen coupling on the growth and yield of cotton under mulch drip irrigation in Shihezi area of Xinjiang, pot experiment was designed.MethodNongfeng No.133, an early-maturing variety commonly cultivated in the region was used as the test material under drip-irrigated condition in a pot experiment that was completely randomized with two-factor and three-level treatments. Three irrigation levels were set: 4,350, 5,250 and 6,150 m3/hm2(labeled W1, W2, W3) and three nitrogen application levels were set: 300, 500, 700 kg/hm2(labeled F0.6, F1.0, F1.4). The effects of different treatments on plant height, leaf area index, dry matter accumulation and yield of cotton were analyzed and measured.ResultThe results showed plant height and leaf area index were increased with the increase of irrigation amount under the condition of mulch drip irrigation. At the same irrigation level, with the increase of the amount of nitrogen, the index showed that the trend increased at first and then decreased and the maximum value arrived at F1.0, however, excessive fertilization inhibited the growth of cotton to some extent.ConclusionBased on the effects of water-nitrogen coupling on the growth of drip-irrigated cotton，water and nitrogen fertilizer were recommended to be applied in the amounts of 5,250 m3/hm2and 500 kg/hm2，respectively in the Shihezi area in order to achieve the highest yield.

cotton; drip irrigation under film；water-nitrogen coupling；growth；yield

Supported by: National Natural Science Foundation of China "Synergistic regulation mechanism of water and Fertilizer on Cotton under mulch drip irrigation in typical oasis of Xinjiang" (51741908)； National Science and technology support program "Large water-saving technology integration and demonstration"(2015BAD20B03)

Wang Zhen-hua(1979-), man, Han，Henan Fugou，Doctor degree，Professor，Doctoral supervisor， Study on the theory and technology of water saving irrigation in arid area. (E-mail)wzh2002027@163.com

S562

A

1001-4330(2017)11-1983-07

2017-06-15

国家自然科学基金项目“新疆典型绿洲长期膜下滴灌棉花水肥盐协同调控机理研究”(51741908)；国家科技支撑计划项目“大型灌区节水技术集成与示范”(2015BAD20B03)

贺怀杰(1993-)，男，河南柘城人，硕士研究生，研究方向为节水灌溉，(E-mail)958186239@qq.com

王振华(1979-)，男，河南扶沟人，教授，博士，博士生导师，研究方向为干旱区节水灌溉，(E-mail)wzh2002027@163.com