水氮调配对等行距机采棉土壤、叶片水分及棉铃分布的影响

2022-03-22贺宏伟张巨松卡地力亚阿不都克力木彭增莹崔建平郭仁松

新疆农业科学 2022年1期

贺宏伟，张巨松，陈振，卡地力亚·阿不都克力木，彭增莹，刘群，崔建平，林涛，郭仁松

(1.新疆农业大学农学院/教育部棉花工程研究中心，乌鲁木齐 830052;2.新疆农业科学院经济作物研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引言

【研究意义】近几年推广的1膜3行76 cm等行距棉花种植模式研究与示范，棉花株型满足机采要求，更适宜机械采收[1-3]。研究机采棉生育期合理的水氮投入比例，对于构建干旱区机采棉水肥管理技术，完善棉花高产高效栽培技术具有现实指导意义。【前人研究进展】水和肥是棉花生长不可缺少的2个因素，利用水肥之间存在的协同交互作用，进行水肥综合管理，是保证棉花高产的重要手段[4]。作物生长的各个阶段对土壤水分含量要求不同，适宜的灌水和施氮量可以保持土壤含水量和土壤中氮素含量[5]。合理水氮投入不仅可以提高水氮利用效率和产量，也可起到节水调质作用[6]。过量的灌水和施氮不仅造成水肥资源的浪费，还容易导致土壤盐渍化进而使产量下降[7]。灌溉量为3 600～3 900 m3/hm2时水分利用效率可达到最佳，施氮量为276～360 kg/hm2时氮肥利用效率呈增加趋势[8]；施肥量在320 kg /hm2时，棉花增产率及氮肥农学利用效率最高[9]。棉花滴灌条件下，氮素吸收量与施肥量和灌水量呈正相关关系，减少施氮量，增加灌水量，水分利用效率会降低，但氮肥利用效率会提高[10-11]。水氮最优结合是作物获得高产的前提，也是节约水资源和减少氮肥施用量的措施[12]。【本研究切入点】现阶段棉花滴灌主要集中于不同滴灌量或不同施肥量或者二者耦合之间的研究，而对于等量灌水施肥下的棉花水氮调配研究较少，且针对1膜3行76 cm等行距种植模式下的水氮耦合研究相对较少。亟需研究适合机采棉生长的最优水氮比例，分析水氮之间的耦合效应对棉花生长发育及产量形成的影响。【拟解决的关键问题】选择棉花主载品种新陆中88号,采用裂区试验设计,测定分析土壤含水率、叶片含水率、棉铃时空分布、农艺性状和产量性状，筛选出适合等行距机采棉生长的最优的水氮投入。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2019年4～10月在新疆阿克苏地区阿瓦提县新疆农业科学院经济作物研究所试验基地进行(N 39°31′～40°50′、E 79°45′～81°05′)，属暖温带大陆性干旱气候。土壤质地为沙壤土，0～60 cm耕层土壤pH7.8,有机质含量5.7 g/kg,全氮为0.6 g/kg, 水解性氮为50.3 mg/kg,速效磷为19.6 mg/kg,速效钾为108 mg/kg。图1

供试材料为主栽品种新陆中88号，由新疆农业科学院经作所提供，单株结铃较好。

图1 2019棉花生育期气温及降雨Fig.1 Temperature and rainfall during the growth period of 2019 cotton

1.2 方法

1.2.1 试验设计

采用1膜3行76 cm等行距机采棉种植模式，试验采用裂区试验设计，总滴灌量3 800 m3/hm2，施氮量(纯氮)320 kg/hm2，以灌水梯度为主区，施氮梯度为裂区。3种灌水梯度分别设置为W1、W2、W3，灌溉水通过管道引入各小区内，管道上安装水表并计量；3种施氮梯度设置为N1、N2、N3，氮肥投入为尿素( 含N 46%)，基追肥采用2∶8比例，采用地膜宽2.1 m，膜厚0.01 mm，滴灌毛管铺设为1膜3管，行距配置76 cm，株距8 cm，理论株数为1.1×104株/667 m2，小区长7.5 m，宽6.84 m，小区(3膜)面积51.3 m2，重复3次。占地面积为1 477 m2，其他管理措施同大田生产。表1

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 土壤含水率

于7月9日、7月16日、7月23日、8月6日、8月13日、8月20日，用土钻于各处理膜间滴头正下方，分别取0～20，20～40，40～60 cm土层土样，重复3次，取新鲜土样装入自封袋中带回实验室，倒出部分土样于铝盒中称重，记为M1；放入烘箱80℃烘干至恒重，记为M2，取其平均值。计算土壤含水率W=(M1-M2)/M2×100%。

1.2.2.2 叶片含水率

于7月9日、7月16日、7月23日、8月6日、8月13日、8月20日，连续取5株棉花上(第8果枝)、中(第5果枝)、下(第2果枝)主茎功能叶，重复3次，放入自封袋中置于装有冰袋的保温箱中带回实验室，称鲜重，记为M1；然后装入档案袋中于电热恒温鼓风干燥箱105℃杀青30Min，转至80℃恒温烘干至恒重，记为M2，取其平均值。计算叶片含水率W=(M1-M2)/M2×100%。

表1 灌水施肥量及时间(月/日)Table 1 Irrigation and fertilization amount and time (M/D)

1.2.2.3 棉铃时空分布

棉铃时间分布于7月15日调查伏前桃，8月15日调查伏桃，9月10日调查秋桃，棉铃空间分布调查:至吐絮前在每处理选取有代表性的连续20株棉花，计数下部铃(1～3果枝)、中部铃(4～6果枝)、上部铃(7果枝及以上)，内围铃(第1果节铃)及外围铃(2及以上果节铃)个数。重复3次。

1.2.2.4 农艺性状

在棉花盛铃期，每小区均选取长势均匀的棉株10 株，调查各小区棉花品种的株高、始果节高度、倒三叶宽、真叶数、果枝数。

1.2.2.5 产量性状

吐絮后，各小区选取6.67 m2具有代表性的棉田，调查株数，结铃数，最后得到单株结铃数，分上(7果枝及以上30朵)、中(4～6果枝40朵)、下(1～3果枝30朵)取样，共100朵，测其单铃重，轧花后通过公式(衣分=皮棉产量/籽棉产量)来计算机采棉衣分，重复3次。

1. 3 数据处理

试验数据使用SPSS19软件进行方差分析，采用Duncan法进行处理间多重比较(P<0.05)，利用origin8.5、prism、 Surfer 15整理数据并绘图。

2 结果与分析

2.1 水氮调配对机采棉土壤水分分布的影响

研究表明，在W1灌水方式下，W1N1、W1N2、W1N33种处理都呈现土壤含水量逐渐增加的趋势，7月16日和7月23日由于这一时间段灌水量较少，W1N1、W1N2处理20～40 cm与40～60 cm处土壤含水率相等或者略微下降，W1N1处理0～20 cm土壤含水量最少为8.71%，而W1N3由于前期投入较多的氮素可以保持一定的田间含水量40～60 cm处相比于W1N1、W1N2较高；在W2灌水方式下，W2N1、W2N2、W2N33种处理随着时间的推移土壤各部分含水量没有明显的差异，且各土层含水量不会随着生育期的变化有剧烈的状态变化。都随着土壤深度的增加，土壤含水量依次增加；在W3灌水方式下，7月9日至8月6日，田间土壤含水量一直保持着较高的状态，8月6日此时40～60 cm处土壤含水量达到最大为20.53%，8月6日至8月20日土壤含水量依次下降，但是仍然表现为深层土壤含水量比浅层高。图2

日期(月/日)

2.2 水氮调配对不同部位叶片含水率的影响

研究表明，在W1、W2灌水下叶片在8月20日含水量达到最大；而W3灌水下，在8月6日达到最大，3个处理后期土壤水分较低，棉珠较早的进入吐絮期，叶片失水较多；中部叶片的含水率在相同时期的不用处理中差异不大，但是仍然表现为W2、W3灌水下的各处理的叶片含水量保持的比W1高；而下部叶片的含水量变化明显，在W1灌水下，叶片含水量在7月23日表现出下降的趋势，此刻灌水较少，棉花不足以维持自己正常的生长发育，下部叶片可能出现暂时萎蔫象，W1N3处理由于土壤中氮素含量较高，造成棉花更深的伤害，叶片含水量一直处于下降的状态。在相同灌水方式下，W1、W2下的各处理在棉花上部的含水量达到最高分别为76.18%、80.95%；而W3下的各处理在棉花中部的含水量达到最高为77.48%。图3

图3 不同时期各处理果枝部位叶片含水率变化Fig.3 Changes in leaf moisture content of fruit branches in different periods of each treatment

2.3 水氮调配对机采棉农艺性状的影响

研究表明，在相同灌溉量的情况下，各处理株高、倒三叶宽、真叶数都随着前期施氮量的增加基本呈现增加的趋势，株高各处理间存在显著性差异前期灌水量较少的处理，棉花株高较矮为75.5～78 cm，尽管后期水分充足但是植株已经开始进行营养生长，株高最高的处理在W3灌水方式下获得；前期灌水量大有助于棉花主茎的伸长，W3N2处理株高最大为85.7 cm。棉花始果枝高在各处理无差异，影响始果枝高的是遗传因数，即品种造就了始果枝的高低；果枝数在各种灌水处理下，都是在N2施肥处理下达到最高，N2施肥有利于棉珠形成果枝台数。在N2施肥处理的情况下，W2N2比W3N2、W1N2果枝台数分别增加了10%、18.28%。表2

2.4 水氮调配对机采棉棉棉铃时空分布的影响

研究表明，各处理的“三桃”比例存在显著性差异，W1灌水方式下伏前桃显著高于W2、W3，而伏桃数和秋桃表现为减少趋势，3个处理伏前桃数达到了2.33～2.48个，所占比例为33.83%～39.32%，3个处理的伏前桃数没有差异，7月10日才开始的不同的施肥处理，肥效还没有表现出来；伏桃数随着后期充足水肥供应，W1N3处理一直处于高额的氮肥下，营养生长过旺，导致产生了较少的伏桃为2.88个，而秋桃较少的原因是水分的后移引起的植株贪青产生量，生成了较少的生物量；W2灌水方式下，N1前期肥料施入较少，引起W2N1伏桃数较少，N2、N3形成了较多的伏桃数，W2N2处理生成了5.78个伏桃，“三桃”比例接近1.4∶7.3∶1.3，伏桃的高占比更利于产量的形成；W3灌水方式下，W3N1、W3N2“三桃”数没有差异。W3N3处理伏桃和秋桃数相比于其他两处理都呈现下降的趋势。表3

研究表明，植株上部总铃数表现为水肥前移的处理下显著高于其他处理，且外围铃为0.82～1.04个显著高于其他处理，中部铃在各处理无差异，下部铃形成的时期较早，故表现为前期水肥多的处理多，充足的水肥使得果枝伸长，促进了下部外围铃的分布。W2灌水下的3个处理的株型表现为筒状；W1灌水下处理表现为倒三角式的铃的分布；而W3灌水下的冠层结构与W1刚好相反。表4

表4 各处理棉铃空间分布Table 4 Spatial distribution of cotton bolls in each

2.5 水氮调配棉花产量及产量构成因素的影响

研究表明，灌水、施肥、灌水和施肥互作效应对单株结铃数、单铃重、籽棉产量的影响极显著，对衣分影响不显著。单铃重收到灌水、施肥、灌水和施肥互作效应的影响，对与施肥的影响不显著，在W1灌水方式下，单铃重随着前期施肥量的增加呈现增加趋势，单铃重、籽棉产量表现为在N2施肥下达到最大，单铃重比N1、N3分别增加了0.35个、0.5个。籽棉产量增加6.1%、6.37%。在W2灌水方式下，N2施肥下植株单铃重、单株结铃数、籽棉产量均达到最高，分别为5.70 g、7.95 个和7 070.84 kg/hm2。在W3灌水方式下，N3施肥下棉花单株结铃数、籽棉产量受到后期水肥的缺失，仅仅获得最少的单株结铃数6.09个和最少的籽棉产量为5 264.47 kg/hm2。在3种灌水方式下，N2施肥都比其他2种施肥方式产量高。表5

表5 不同水氮互作下棉花产量及产量构成因素变化Table 5 The effects of different water and nitrogen interactions on cotton yield and yield components

3 讨论

3.1 水氮调配对机采棉土壤水分及叶片含水量的影响

棉花是较耐旱的大田作物，但是不同的滴灌时间、滴灌施肥量还是会营造不同的土壤水环境，研究表明生育前期土壤含水率随着灌水量的增加整体表现为增加趋势．且均随着土壤深度的增加而增加。与崔永生等[13]的研究结果一致。在前期高灌水情况下，低氮处理的土壤含水率高，但棉田保水性较差，因为土壤中施入少量的氮素，土壤吸附较少的氨类化合物导致土壤之间的孔隙较大，会加快水分流失[14]，忠智博等[15]的研究表明灌水量较少的条件下，土壤含水率随土层深度的增加逐渐降低，不能满足根系层所需的水分。过量或者较低的灌水量都不利于棉花的生长，尤其在棉花生长前期，应合理把控灌水量。

叶片含水量土壤含水率变化趋势相似，灌水后随时间延长，叶片含水量呈降低趋势[16]。试验发现，前期W1灌水处理的植株下部叶片含水量在7月23日低于W2和W3灌水处理，且一直处于下降的状态。后期灌水施肥量充足，但是前期的水分缺失对下部叶片造成了不可修复的损伤，且伴随着中上部叶片的营养生长，导致下部叶片进行光合作用的机会更加减少。中部叶片的含水率受灌水施肥量多少影响较小；而上部叶片含水率都呈现先上升在下降的趋势，后期水肥多的处理下，棉花出现贪青晚熟的现象，故表现为上部叶片含水率较高。

3.2 水氮调配对机采棉棉铃时空分布的影响

不同的水氮处理会造就棉花株型的差异，导致不同的作物冠层结构，进而影响植株接收光的多少和位置不同，最终促使棉花各部位结铃状况产生差异[17]。“桃”数量及其比例可以衡量田间棉花产量和品质[18]。伏前桃形成于营养生长的高峰期，棉铃较小，在棉株基部，品质差，易腐烂。伏前桃是棉花早发的标志；伏桃形成的时期，温度高、光照足，植株光合作用大，因而形成的桃大、绒长、衣分高，种子质量好。伏桃是构成产量的主体，秋桃但由于气温渐低，积温不足，铃重下降，质量渐次，甚至因秋霜形成无效桃。W1灌水下，伏前桃明显高于其他灌水处理，后期通过补偿效应促进了上部果枝外围铃的形成，但是棉铃发生了贪青晚熟，形成青桃，W2灌水调配下的棉花营养生长与生殖生长则更为协调，成铃结构较为合适，类似筒型结构更有利于接受光照。机采棉的株型一般为筒型植株和窄塔型植株比较有利于机械采收，如果伞型植株会出现上大下小，棉花空间分布不匀就会使采棉机局部受力不匀而影响采净率。

3.3 水氮调配对机采棉农艺性状及产量的影响

研究发现灌水量可以调节植株高度、果枝数和棉花产量[19]，灌水量过高会引起棉花地上部植株徒长、果枝增多，而灌水量过低会使棉花矮化，严重影响棉花生长。冯克云[20]研究表明，棉花生育期内增加灌水量可以提高单株结铃数，但是会导致棉花生育期的延长，造成贪青晚熟，影响霜前花率。土壤干旱胁迫时，施氮肥有利于增产，但水分是限制产量提高的主导因子；而过高水分投入亦不利于产量的提高[21]。余炳凤等[22]研究发现，适量的增施氮肥，可明显增加籽棉产量，过量施氮并不能明显增加籽棉产量，反而可能造成籽棉产量的下降。试验花铃期前期灌水量较低时，水分补充远达不到棉花生长发育所需水量，氮素的利用率低，造成棉花在花铃期前期叶片和蕾铃脱落，后期形成新的蕾花铃，但此部分生殖器官并不能形成产量。前期灌水量较高(特别是在氮素施入量增大时)，棉花的营养生长过盛，打破了营养生长和生殖生长的平衡，后期水氮营养不足也造成蕾铃的脱落。前期和后期低水高氮，高水低氮都不利于棉花最终产量的形成。相比较W2灌水施肥配比较为合适，更有利于作物吸收养分，最终形成产量。