滴灌带埋设深度对无膜棉产量形成的影响

段佳宏，李楠楠，王军，李军宏，郝先哲，罗宏海*，杨国正

（1.石河子大学农学院，新疆 石河子 832000；2.农业部作物高效用水石河子实验观测站/新疆农垦科学院水土所，新疆 石河子 832000；3.华中农业大学植物科学与技术学院，武汉 430070）

关键字：地下滴灌；无膜棉；干物质；产量

棉花是重要的纤维和油料作物之一，新疆是我国最重要的优质棉生产基地。2019年全疆棉花种植面积254.05 hm2，占当年全国种植面积的76%，产量占全国总产量的84.9%，连续25年居全国第一[1]。然而，新疆棉田年地膜残留率达24%，长期地膜覆盖栽培导致残留地膜污染日益严重，严重影响了棉花产量和原棉品质[2-3]。目前，地膜污染防治途径主要有生物降解地膜替代、机械化地膜回收、适期揭膜回收及无膜栽培等。无膜栽培能从源头上解决地膜污染问题[4-5]，但无膜栽培下土壤水分损失快、春季土壤温度上升慢，导致播种时间推迟，棉花产量得不到保障[6]。如何解决上述问题，成为无膜栽培成功的关键。

提高棉花干物质积累量并增大干物质向生殖器官的分配比例是提高产量的关键[7]。唐光雷等[8]指出，适当提高种植密度可缓解播期推迟对干物质积累的不利影响。Dong等[9]也认为，晚播条件下适当提高种植密度可维持棉花产量不变。仵峰等[10]认为，地下滴灌技术可以有效降低土壤水分蒸发，提高作物水肥利用率，增加作物产量。前人研究表明，随灌水深度的增加，旱稻地上部干物质质量增加[11]，玉米根冠比降低、产量增加[12]。因此，通过深埋滴灌带，可以解决水分损失快的问题；适当增加密度（以空间换时间），可以解决播期推迟的问题。但在水肥一体、无膜栽培、等行距密植条件下，滴灌带埋设深度如何影响棉花产量，尚需要深入探讨。因此，本文研究滴灌带埋设深度对棉花生育进程、干物质分配、产量及品质的影响，探讨北疆无膜栽培棉花产量形成规律，为新疆棉花绿色高效生产提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在新疆农垦科学院农业部作物高效用水石河子实验观测站（45°38'N，86°09'E）进行。试验地耕层土壤pH 7.86 ，含有机质23.0 0g·kg－1，有效磷28.8 6mg·kg－1，速效钾173.9 9mg·kg－1。参试品种为早熟品种新陆早74号（生育期120 d），由石河子农业科学研究院棉花研究所提供。

1.2 试验设计和田间管理

试验共设3个滴灌带埋设深度处理，分别为距地表以下10 cm（D1）、15 cm（D2）和20 cm（D3）。随机区组设计，小区面积45.6m2（10m×4.5 6m），重复3次。采用滴耐特防虹吸滴灌管（奈特菲姆公司），径流量1.0 L·h－1，滴头间距30 cm。全生育期滴水13次，滴水总量为2 625m3·hm－2。

采用76 cm等行距密植的种植模式，株距为5 cm，理论种植密度为26.5 万株·hm－2。5月3日在水平距离滴灌带38 cm处播种，2.0 ～3.0 cm深，播后及时灌水，子叶展平后进行人工间苗（株距5 cm）。基施尿素（N 46%，质量分数，下同）150 kg·hm－2、三料磷肥（P2O545%）225 kg·hm－2；全生育期随水滴施尿素（N 46%）525 kg·hm－2、磷酸二氢钾（P2O552%、K2O 34%）150 kg·hm－2。9月22日，喷施脱叶催熟剂（噻苯隆，195m L·hm－2；乙烯利，1 380m L·hm－2）。10月8日进行二次催熟（乙烯利，870m L·hm－2）。其他管理同大田。

1.3 测定指标与方法

1.3.1生育期调查。出苗后在小区中间行（第3～4行）选定生长一致且连续的植株10株（第3行5株，第4行5株），调查棉花生育进程（出苗、现蕾、开花、吐絮）。出苗：全田有50%的棉苗子叶出土并展平的日期；现蕾：全田有50%的棉株第一个果枝出现蕾的日期；开花：全田有50%的棉株第一果枝上的蕾开花的日期；吐絮：全田有50%的棉株成铃铃壳裂开、纤维外露的日期。并计算其生育时期（苗期、蕾期、花铃期、生育期）。苗期：从出苗到现蕾的一段时间；蕾期：从现蕾到开花的一段时间；花铃期：从开花到吐絮的一段时间；生育期：从出苗到吐絮的一段时间。

1.3.2干物质积累。于现蕾期、初花期、盛花期、盛铃期、吐絮期，即出苗后的51 d、70 d、83 d、101 d、130 d，各处理选取长势一致的植株4株，按主茎叶、果枝叶、叶枝叶、茎、根及蕾花铃6种组织取样，分别装入牛皮纸袋中，105℃杀青30m in，80℃烘至恒质量，用精确度为百分之一的天平分别称量干物质质量。

1.3.3产量及纤维品质。收获期前在每小区中段划定（2×1.52 ）m2为测产区，调查该区域内棉花株数、无效株数（没有1个吐絮铃的植株）、单株铃数，以实际收获产量计产。各处理每小区各取棉花10株，带回实验室分别称量单个棉铃的质量，以平均值作为铃重。采用HFT9000检测仪测定不同处理棉纤维长度、长度整齐度指数、马克隆值、断裂比强度和伸长率。

1.4 数据处理

分别采用Excel2007和SigmaPlot14.0 进行数据处理和图形绘制。SPSS 12.0 用于方差分析，CurveExpert Professional用于回归分析。

用logistic方程描述棉花植株干物质积累的过程如下[13]：

Y（g）：t时刻的干物质质量；K（g）：最大干物质质量；a和b：待确定常数；t（d）：出苗后天数。

干物质快速积累期定义为65%的干物质积累的时期，始于t1，止于t2。在干物质快速积累期间，Y和t与平均速度（VT）之间存在线性相关性：

由公式（1）可得：

当t＝t0时，干物质积累的最大速度（VM）为：

2 结果与分析

2.1 生育进程

试验表明（表1），棉花在出苗后42～46 d、68～72 d、122～127 d时现蕾、开花和吐絮。与D1处理相比，D2处理蕾期延长1 d，花铃期延长1 d，生育期延长2 d；D3处理苗期延长4 d，花铃期延长1 d，生育期延长5 d。说明随滴灌带埋设深度的增加，棉花的生育期有所延长，且主要表现在苗期。

2.2 干物质积累及其积累特性

2.2.1干物质质量。灌溉施肥深度对棉花现蕾期、初花期、盛花期植株干物质积累无显著影响；盛花期以后，棉花植株干物质积累随滴灌带埋设深度增加而增加，表现为D3＞D2＞D1，至盛铃期时各处理之间差异显著；进入吐絮期，D3处理显著高于D1、D2处理（图1）。

图1 滴灌带埋设深度对棉花植株干物质质量的影响Fig.1 Effects of embedded depth of drip irrigation belt on dry matter of cotton p lant

随棉花植株的生长，盛花期以后，各处理之间生殖器官干物质积累表现为D3＞D2＞D1，吐絮期时D3生殖器官干物质积累量较D1、D2处理分别高54.3%、25.5%。棉花植株营养器官干物质随生育进程的推进呈先增加后下降的趋势，但在盛铃期和吐絮期，D3处理仍显著高于D1、D2处理。

2.2.2干物质积累特性。棉花植株干物质积累符合logistic函数，存在显著的决定系数（Coefficient of determ ination，R2）（表2）。但不同灌溉施肥深度处理及不同器官的干物质积累方程的系数各不相同。

表2 棉花植株及其不同器官的干物质积累方程Table2 Equat ion of dry mat ter accumulat ion in cot ton p lant and di f ferent organs

棉株总干物质质量、生殖器官干物质质量、营养器官干物质质量分别在出苗后59.4 ～88.3 d、76.4 ～95.5 d、48.2 ～78.8 d内快速积累，且其干物质积累最大速率出现的时间分别为出苗后68.9 ～79.1 d、83.6 ～88.5 d、58.3 ～73.1 d。随滴灌带埋设深度增加，棉花干物质快速积累起始时间推迟。其中，D2与D3处理分别较D1处理棉株干物质快速积累起始时间推迟5.0 d与10.6 d；生殖器官干物质快速积累起始时间推迟1.8 d与5.1 d；营养器官干物质快速积累起始时间推迟14.4 d与19.2 d。

随滴灌带埋设深度增加，棉花植株干物质快速积累平均速率及最大速率增加，最大速率出现的时间延迟。与D1处理相比，D2处理棉花植株干物质快速积累最大速率出现时间延迟4.2 d，D3处理延迟10.2 d；D2处理生殖器官干物质快速积累最大速率出现的时间仅延迟0.8 d，D3处理延迟4.9 d；D2处理营养器官干物质快速积累最大速率出现时间延长9.2 d，D3处理延长14.8 d。说明滴灌带埋设深度增加对棉花营养器官干物质快速积累最大速率出现时间的影响最大。

滴灌带埋设深度对棉花干物质快速积累持续时间有一定影响。D2处理下棉花植株干物质及生殖器官干物质的快速生长持续时间最短，但较D1与D3处理缩短0.8 ～2.0 d。D1处理下的棉花营养器官干物质快速生长持续时间最长，较D2与D3处理分别延长10.6 、8.9 d。由此可知，增加滴灌带埋设深度明显缩短棉花营养器官干物质快速积累期。

2.3 棉花产量及纤维品质

棉花籽棉产量随滴灌带埋设深度的增加而增加，但D3处理与D2处理之间无显著差异（表3）。进一步分析产量构成因素可知，棉花总铃数随滴灌带埋设深度的增加而增加，D3与D2处理之间无显著差异，但显著大于D1处理。铃重表现为D2＞D3＞D1，但D2与D3处理、D3与D1处理之间均无显著差异。这说明滴灌带埋设深度主要通过影响棉花总铃数来影响籽棉产量。此外，试验表明滴灌带埋设深度对棉花纤维长度整齐度指数与马克隆值影响不显著（表4）。棉花纤维上半部平均长度、伸长率及断裂比强度均随滴灌带埋设深度的增加而增加，其中D3较D1处理分别增加5.9%、0.29 百分点、10.2%，但D2与D3处理间无显著差异。

表3 滴灌带埋设深度对棉花产量的影响Table 3 Effects of embedded depth of drip irrigation belt on cotton yield

表4 滴灌带埋设深度对棉花纤维品质的影响Table 4 Effects of embedded depth of drip irrigation belt on cotton fiber quality

3 讨论

3.1 滴灌带埋设深度对棉花生育进程及干物质积累的影响

地下滴灌技术可以保证灌溉效果，防止土壤水分蒸散过快。与地表滴灌相比，地下滴灌能促进棉花深层根系发育，同时对棉花生育进程、产量及品质有一定影响[14-15]。王振华等[16]研究发现地下滴灌与膜下滴灌处理相比，棉花出苗期一致，但苗期延长。在本试验无膜栽培条件下，与滴灌带埋深10 cm相比，埋深20 cm下棉花出苗日期相同，但苗期延长4 d，与王振华等[16]研究结果一致，说明灌溉深度增加可延长棉花苗期，从而延长棉花生育期。

研究干物质积累特征对探究棉花生长发育过程中产量形成特点具有重要意义。何华等[17]的研究表明，生育前期滴灌带埋设深度增加使夏玉米、冬小麦和棉花经历水分胁迫，抑制植株营养生长，并促进根系下扎，从而改善作物生育中后期的水分状况，促进生殖生长，提高经济产量。本试验结果表明，无膜条件下，增加滴灌带埋设深度可增加植株盛花期后营养器官及生殖器官干物质积累量，提高干物质积累速率，对棉花产量的形成起到一定的促进作用。同时增加滴灌带埋设深度可显著缩短棉花营养器官干物质快速积累期，促进干物质向生殖器官分配，进而弥补不覆膜对棉花生长造成的负面效应。这说明灌溉深度的增加可能导致棉花在苗期经受水分胁迫[18]，致使苗期延长；同时可能促进根系发育，促进盛花后生物量累积并增加向生殖器官的分配，提高产量。

3.2 滴灌带埋设深度对棉花产量及品质的影响

谢海霞等[19]研究结果表明，当滴灌带埋深设置在3～7 cm时，随埋深增加，无膜棉产量先增加后降低。本试验中，随滴灌带埋设深度的增加，棉花籽棉产量增加，但15 cm与20 cm埋深处理之间无显著差异，与谢海霞等[19]试验研究结果不一致，这可能是由于试验深度设置范围不同，使得产量随深度变化的规律有所差别。此外，虽然本试验中吐絮期时D3（20 cm）处理生殖器官干物质积累较D2（15 cm）显著增高25.5%，但D2与D3处理棉花籽棉产量差异不显著。这是由于D3处理生育期推迟，在喷施脱叶剂后，大部分棉铃的铃龄小于40 d，不能正常吐絮，无效铃居多，说明滴灌带埋设过深不利于最终产量提高。Chen等[20]研究表明，在20 cm与40 cm的滴灌带埋设深度设置下，20 cm浅灌和适度施氮处理更有利于产量提高，与本研究结果一致。

棉花纤维长度、断裂比强度及马克隆值是衡量棉花纤维品质的重要指标[21]。徐瑞博[22]研究表明覆膜与否对棉花纤维品质影响不大。张辰等[23]研究表明，露地栽培可提高棉花纤维断裂比强度。王允[24]研究表明，苗蕾期水分亏缺可增加棉花纤维长度、长度整齐度指数。本试验结果表明，随滴灌带埋设深度的增加，棉花纤维伸长率、断裂比强度以及纤维长度增加，但纤维的长度整齐度指数与马克隆值变化不大，这与王允[24]的研究结果基本一致。表明增加滴灌带埋设深度可能使棉花生育前期水分轻度亏缺，从而提升棉花纤维品质。

3.3 棉花无膜高密度栽培、深层灌溉模式应用前景

棉花无膜高密度栽培、深层灌溉模式与覆膜滴灌、适期揭膜回收相比，从源头上解决了残留地膜污染问题，成本低且绿色环保[25]；与棉花无膜移栽、地下滴灌栽培技术相比，其技术生产成本更低，便于实施与推广[26]。但该模式下水肥管理制度尚未完善，而合理的水肥供应是棉花高效生产的关键，如何通过水肥调控进一步挖掘无膜高密度栽培、深层灌溉模式的生产潜力，对于实现新疆棉花绿色可持续生产具有重要意义和作用。

4 结论

增加滴灌带埋设深度可促进生殖器官干物质积累，增加棉花籽棉产量，改善纤维伸长率、断裂比强度以及纤维上半部平均长度。本研究试验条件下，D2（15 cm）与D3（20 cm）处理籽棉产量和纤维品质无显著差异，但D3处理苗期延长，生育期推迟，在无膜棉播期推迟条件下，不利于稳产，故在棉花无膜栽培条件下滴灌带15 cm埋深优于10 cm和20 cm。