痕量灌溉管道埋深和水量对棉花品质和产量的影响

陈立宇，张立峰，路战远，咸 丰，张建中，张向前

(1.河北农业大学农学院，河北 保定 071000；2.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031)

内蒙古西部的阿拉善盟、乌海市、巴彦淖尔市磴口县和鄂尔多斯市乌审旗等区域的光热资源丰富，适合棉花种植，被作为国家后备棉区。其中阿拉善盟土地面积广阔，光热资源最为丰富，年均日照时数3 000～3 500 h，年均≥10 ℃的积温一般在3 000～3 600 ℃以上，年降水量200～400 mm，年蒸发量2 900～3 300 mm，无霜期150～170 d[1]。但同时该地区水资源匮乏，水成了农业生产发展的限制性因素。棉花作为抗旱节水的先锋经济作物，全生育期用水量仅为种植玉米用水量的50%。棉花作为该地区的一种新型经济作物，在需水规律和节水灌溉方面的研究还比较少，对棉花节水技术的研究是保证该地区棉花种植、推动棉花产业化发展的关键所在。痕量灌溉作为一项新型节水技术，该灌溉技术是将灌溉管道提前埋入作物根系附近，能将水分缓慢、适量输送到植物根系[2]。目前对痕量灌溉的研究主要在不同埋深﹑施肥量条件下作物的生长生理特性方面[3-5、17]，尚未见报道痕量灌溉管埋深和灌水量对棉花生长、品质和产量的综合研究。为此本试验利用先进的节水灌溉技术—痕量灌溉技术，研究痕量灌溉不同管埋深度和灌水量条件下对棉花生长发育、品质和产量的影响，确定适宜棉花生长和水分高效利用的最佳痕量管埋深度和水量，为棉花和其他作物的节水灌溉研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2017年在内蒙古自治区农牧业科学院棉花试验示范基地(东经100°13′，北纬40°59′)进行试验，该地为典型的大陆性气候。干旱少雨，风大沙多，冬寒夏热，四季气候特征明显，昼夜温差大。年均气温6～8.5 ℃，1月平均气温-9～14 ℃。极端最低气温-36.4 ℃；7月平均气温22～26.4 ℃，极端最高气温41.7 ℃。年无霜期130～165 d；雨季多集中在7-9月。降雨量从东南部的200多mm，向西北部递减至40 mm以下；而蒸发量则由东南部的2 400 mm向西北部递增到4 200 mm。年日照时数达2 600～3 500 h，年太阳总辐射量147～165 kcal/cm2。多西北风，平均风速2.9～5 m/s，年均风日70 d左右。

1.2 试验材料

以近年来在内蒙古西部区种植情况良好的棉花品种‘中棉所92’为材料。

1.3 试验设计及农艺管理

采用两种灌溉方式：膜下滴灌和痕量灌溉。其中痕量灌溉分别设置地下埋深30、40、50 cm 3个处理，每种埋深处理下设置5个灌水量处理分别为3 600、3 300、3 000、2 700、2 400 m3/hm2。共计16个处理，重复3次，共计48个小区。以膜下滴灌为对照(CK)处理。设置小区行长30 m，每小区3膜，面积为184.5 m2，总面积8 856 m2，播种方式为(66+10)cm机采棉模式，宽2.05 m地膜种植6行，行距(66+10)cm、株距为10 cm，密度27 万株/hm2，机器覆膜、铺管、施肥一体化，人工点播。底肥施磷酸二铵300 kg/hm2、氯化钾75 kg/hm2，追肥施尿素375 kg/hm2。田间管理同常规高产田。试验处理如表1所示。

1.4 试验测定项目及方法

农艺性状：每小区随机选取10株进行室内考种测定，测定指标为株高、单株铃数、始桃高、单铃重、籽棉重、皮棉重等。

纤维品质：选取棉株中部50铃测定纤维品质，测定指标为上半部平均长度、纤维整齐度指数、马克隆值、伸长率、断裂比强度等5个指标(GB/T20392-2006)，由农业部棉花品质监督检验测试中心(安阳)测试。

表1 试验处理Tab.1 Experiment treatment

1.5 数据分析

利用Excel 2007进行处理和统计分析，SPSS 25.0软件做主成分分析，以Duncan，s新复极差法比较不同处理间的差异显著性。最佳评价采用隶属函数法[6]。计算公式为：

μ(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：Xi表示第i个指标值；Xmax表示所有处理第i个指标的最大值；Xmin表示所有处理第i个指标的最小值。

根据棉花各性状指标的隶属函数值，计算出平均隶属函数值后进行比较，平均值越大表示效果越好。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉处理对棉花植株形态的影响

由表2可知，同一埋管深度下，棉花株高、始桃高、单株铃数均随着灌水量的增大呈逐渐升高趋势，最大值均出现在灌水量为3 600 m3/hm2。同一灌水量条件下，棉花株高、始桃高、单株铃数均随着埋管深度的增加呈逐渐降低趋势。从各处理对株高的影响可以看出，CK处理株高最大，为65.31 cm，其次为T6处理株高为65.16 cm，株高最小的为T10处理，为45.891 cm。各处理间差异达到显著水平；各处理中株高排序为CK>T6>T1>T11>其他处理；棉花始桃高度T1最高，为17.39 cm，其次为T2处理，为17.00 cm，最低的是T15处理，为10.57 cm，各处理间差异达到显著水平；单株桃数T1处理最多，为6.99个，其次是CK处理，为6.75个，最少的是T10处理，为2.54个。

2.2 不同灌溉处理对棉花干物质积累的影响

由表3可知，同一埋管深度下，棉花干物质总量随着灌水量的增大呈逐渐增加趋势，最大值均出现在灌水量为3 600 m3/hm2。同一灌水量条件下，棉花干物质总量均随着埋管深度的增加呈逐渐降低趋势。各处理棉花干物质总量大小分别是CK>T6>T11>T1。在埋管深度为 30 cm时，棉花干物质总量及棉花分部位(茎、枝叶、铃)随着灌水量的增大呈逐渐增加趋势。

表2 不同灌溉处理下棉花植株的形态指标Tab.2 Morphological of cotton plants under different irrigation treatments

注：表中同列不同小写字母表示差异显著(p=0.05)，表3～表5同。

表3 不同灌溉处理下棉花干物质积累的影响 g/株

而埋管深度为 40、50 cm时其棉花干物质总量及棉花分部位(茎、枝叶、铃)表现趋势和埋管深度为 30 cm一致。而不同埋管深度处理下，埋深30 cm处理棉花干物质总量及棉花分部位(茎、枝叶、铃)表现最佳。

2.3 不同灌溉处理对棉花品质的影响

由表4可知，同一埋管深度下，棉花上半部平均长度、整齐度指数、断裂比强度均随着灌水量的增大呈逐渐升高趋势。同一灌水量条件下，棉花上半部平均长度、整齐度指数、断裂比强度均随着埋管深度的增加呈逐渐降低趋势。从各处理对棉花品质的影响可以看出，在灌水量为3 600 m3/hm2，上半部平均长度随着埋深的增加呈先减小后增大再减小的趋势，但处理间差异未达到显著性水平(P>0.05)；整齐度指数、断裂比强度和马克隆值随着埋深的增加呈先减小后增大的趋势，但处理间差异未达到显著性水平(P>0.05)；伸长率随着埋深的增加呈先增大后减小再增大的趋势，但处理间差异未达到显著性水平(P>0.05)。在埋深一定时，上半部平均长度、整齐度指数、断裂比强度、马克隆值和伸长率随着灌水量的减小处理间未达到显著性水平(P>0.05)。

表4 不同灌溉处理下棉花的品质变化Tab.4 Cotton quality changes under different irrigation treatments

2.4 不同灌溉处理对棉花产量的影响

由表5可知，同一埋管深度下，棉花单铃重随着灌水量的增大呈先增大后减小的趋势。而籽棉产量和皮棉产量随着灌水量的增大呈先增大趋势。同一灌水量条件下，籽棉产量和皮棉产量随着埋管深度的增加呈减少趋势。在埋管深度为 30 cm时，棉花籽棉产量和皮棉产量随着灌水量的增大呈逐渐增加趋势。在灌水量为3 600 m3/hm2，籽棉产量和皮棉产量分别为5 247.15、2 202.75 kg/hm2，显著高于其他灌水量处理。而埋管深度为40、50 cm时其棉花花籽棉产量和皮棉产量表现趋势和埋管深度为 30 cm一致。而不同埋管深度处理下，埋深30 cm处理棉花花籽棉产量和皮棉产量表现最佳。各处理下籽棉产量和皮棉产量表现为CK>T1>T6>T11。

表5 不同灌溉处理下棉花产量变化Tab.5 Cotton yield changes under different irrigation treatments

2.5 棉花农艺性状的主成分分析

从表6可以看出，对棉花的15个农艺性状进行主成分分析，在所有主成分构成中，不同处理中的绝大部分信息主要集中在前4个主成分，累计贡献率达80.72%，已反映出15项性状指标的大部分信息，因此选取前4个主成分作为综合指标。第一主成分的贡献最大，贡献率为47.51%，其中以皮棉产量和籽棉产量的向量值较大，因此可以将F1称之为棉花产量选择因子；第二主成分的贡献率为15.37%，以整齐度指数和断裂比强度的向量值较大，因此可以将F2称之为棉花品质选择因子；第三主成分的贡献率为10.12%，以伸长率的向量值较大，因此可以将F3称之为棉花伸长选择因子；第四主成分的贡献率为7.73%，以马克隆值的向量值较大，因此可以将F4称之为马克隆值选择因子。

2.6 棉花农艺性状的隶属函数值

隶属函数是运用模糊理论解决实际问题的基础。实际上，隶属函数分析提供了一条在多指标测定基础上，对各植物特性进行综合评价的途径。不同处理棉花15个农艺性状通过主成分分析知，皮棉产量、整齐度指数、断裂比强度、伸长率和马克隆值可综合评价其性状。对以上主要指标计算其隶属函数值，以评价不同处理中棉花表现性状的强弱。根据隶属函数平均值的大小对棉花主要农艺性状进行排序(表8)，分别是CK>T11>T4>T1>T2>T6>T12>T8>T3>T13>T9>T15>T7>T5>T14>T10。

表6 主要性状的主成分分析Tab.6 Principal component analysis of main traits

表7 农艺性状得分系数矩阵Tab.7 Agronomic trait score coefficient matrix

表8 不同处理下主要农艺性状隶属函数值Tab.8 Values of membership functions of main agronomic traits under different treatments

3 讨论与结论

痕量灌溉技术是目前最具节水潜力的高效节水灌溉技术，较滴灌节水40%～50%[7]。痕量灌溉技术是北京普泉有限公司首创的新型节水灌溉技术[8]，其原理与地下渗灌有相似之处，是通过毛细力原理、现代膜过滤技术，实现植物供水与需水间的平衡，从而降低了灌溉用水的蒸发及其渗漏损失，且其独特的过滤方式，可以防止管道堵塞。此外，痕量灌溉还有利于改良土壤、提高作物性状和产量、保护作物根须等作用[2]。普泉公司于2009年4月对内蒙古鄂尔多斯13.33 hm2沙荒地进行速生杨栽植工程示范，其结果表明，痕量灌溉技术较滴灌技术可节水62.5%。邢立文[15]研究痕量灌溉对草莓的影响，结果表明经优化后的痕量灌溉水肥管理模式下增产27.26%。王志平等[9]试验表明在温室大桃栽培中，痕量灌溉管埋深30 cm且覆盖地膜的条件下，能起到节水稳产的良好效果，较畦灌、滴灌的水分利用效率分别增加了16.1和10.6 kg/mm3。丛丽君[16]研究了痕量灌溉管不同埋深对日光温室栽培番茄品质和产量的影响，结果表明灌溉管埋深15 cm长势较好,地上部干、鲜质量分别较对照提高20.6%、33.3%。刘秋丽[10]研究痕量灌溉下不同施肥量对茄子产量及品质的影响结果发现，在灌水量相同，肥量下降20%处理产量最高，比对照产量增加12.25%；Vc含量提高了23.08%。减少施肥量，有利于提高果实品质。沈富[5.11]等试验发现痕量灌溉处理后辣椒的品质相对对照有大幅度的提升并且在痕量灌溉管埋深20 cm，有利于辣椒的生长发育。安顺伟、王枭等[4]在番茄试验中发现，灌溉管埋深20和30 cm处理较空白相比，分别增产了6.1%和15.2%，王枭[12、14]研究表明痕量灌溉对番茄品质明显改善。黄令淼[13]通过测定痕量灌溉下玉米的株高、株径、干物质和光合速率等指标,可以看出痕量灌溉下，随着生育期的进行，不同施肥处理对株高影响明显, 唐存士[18]研究痕量灌溉埋深对披碱草的影响，结果表明痕量灌溉管埋深25 cm时，披碱草的高度和生物量最佳。本试验通过主成分和隶属函数结合分析不同处理棉花15个农艺性状显示，皮棉产量、整齐度指数、断裂比强度、伸长率和马克隆值可综合评价其性状，不同处理下主要性状隶属函数平均值排序是CK>T11>T4>T1>T2>T6>T12>T8>T3>T13>T9>T15>T7>T5>T14>T10。表明灌水量3 600 m3/hm2，膜下滴灌综合效果大于痕量灌溉，痕量灌溉管道埋深效果50 cm>30 cm>40 cm。从节水层面来看，痕量灌溉管道埋深30 cm，灌水量2 700 m3/hm2效果最佳。