膜下滴灌水氮空间调控对机采棉群体塑造及产量的影响

蒲胜海，王则玉，丁 峰，牛新湘，金秀勤，马红红，马兴旺，李 磐，彭银双，刘小利，涂永峰，赵冬梅，李小伟，李韵同

（1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091；2.农业农村部西北绿洲农业环境重点实验室，乌鲁木齐 830091；3.新疆慧尔农业集团股份有限公司，新疆昌吉 831100；4.新疆农业大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；5. 乌鲁木齐京诚检测技术有限公司，乌鲁木齐 830000）

0 引言

【研究意义】新疆是我国优质商品棉主产区[1]。2020年新疆棉花播种面积占全国的78.9%，其中采用机采棉种植模式为85%[2]，机采率为69.83%[3]。水氮空间调控是实现机采棉理想群体塑造的有效途径之一。研究水氮空间分布对机采棉群体塑造的调控效应，对于建立和完善与机采棉生产相匹配的水氮管理措施具有重要意义。【前人研究进展】采棉机对棉花个体和群体性状有其特有要求[4]，合理的水肥运筹可以构建适宜机采棉花群体和个体结构，也能促进棉花早熟，提高棉花产量和品质[5-6]。氮素对营养器官、生殖器官和地上部干物质积累量的影响极显著，水分对生殖器官和地上部干物质积累量影响极显著[7]。棉花膜下滴灌施氮条件下，提高灌溉量能显著提高株高、叶片数、干物质积累量和结铃率[8]，随施氮量的增加各项生理指标呈现先增大后降低的趋势，施氮过高会抑制了棉花的生长[9]。灌水与施用氮肥在促进机采棉干物质积累、氮素吸收、单铃重及产量方面有显著耦合效应[5，8]，存在最优水氮组合，但其值会因气候条件、土壤肥力、目标产量等不同而有所差异[9-15]。Yudhveer等[16]研究表明，当施肥量在80～200 kg/hm2变化时，高灌溉量下对应籽棉产量逐渐增加，低灌溉量下籽棉产量先增加后减少。在膜下滴灌条件下，忠智博[10]认为新疆北疆地区棉花最优水氮组合为3 750 m3/hm2和施氮量262.5 kg/hm2。贺怀杰[9]提出石河子地区最优水氮组合为灌水量5 250m3/hm2和施氮量500 kg/hm2。李越鹏[17]综合高产、节肥和水氮利用效率等因素，种植密度26×104株/hm2、生育期灌水100%ETC（3 200 m3/hm2）和施氮量300 kg/hm2是新疆南疆棉花膜下滴灌水氮管理的最优组合。【本研究切入点】现阶段棉花滴灌主要集中于合理滴灌量或施肥量或者二者耦合之间的研究，而对于等量灌水下棉花水氮空间调控的研究较少[18]，且其对机采棉株型塑造的影响有待于进一步研究。亟需研究水氮空间耦合效应对机采棉群体塑造及产量形成的影响，并提出适合机采棉生长的最优水氮空间分布。【拟解决的关键问题】选择棉花机采棉品种新陆中66号，采用裂区试验设计，测定分析群体指标、叶面积指数、干物质积累、产量和氮肥农学效应，筛选出适合新疆机采棉种植主栽模式（10cm-66cm-10cm-66cm-10cm）的水氮空间调控措施。

1 材料与方法

1.1 材料

试验在新疆库尔勒市包头湖农场农业农村部西北绿洲农业环境重点实验室研究示范基地（E 85.87°，N 41.68°）进行。试验区属于典型干旱气候，年平均降雨量56.2 mm，年平均蒸发量2 497.4 mm，年均日照时数2 878 h，≥10℃积温4 252.2℃，无霜期205 d，地下水位6.0～8.5 m，灌溉农业，棉花多年连作壤土，中等肥力，0～30 cm土壤有机质9.4 g/kg，速效氮47.4 mg/kg，速效磷18.7 mg/kg，速效钾131 mg/kg。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

供试材料为新陆中66号。采用裂区设计，主区为膜内滴灌带铺设条数：2、3和5条，分别用G2、G3和G5表示。施氮量为副区，设4个梯度：0、238（优化施纯氮量的0.75 倍）、317（优化施纯氮量）和396（优化施纯氮量的1.25 倍）kg/hm2，分别用N0、N1、N2和N3表示，试验共12个处理，重复3 次，共36个小区，小区面积均为22.8 m2。4月17日基肥施总氮肥用量的20%，磷肥P2O5为195 kg/hm2和钾肥K2O 为75 kg/hm2。4月18日人工播种，种植模式1 膜6 行，行距配置为66 cm+10 cm，株距为9.5 cm。采用膜下滴灌，供试滴灌带滴头间距为30 cm，滴头流量2.8 L/h。各处理灌溉定额均为4 800 m3/hm2，共滴水9次，从6月中旬蕾期滴头水，灌水周期7～10 d，用水表控制灌水量；氮肥用量的80%氮肥分6 次随水滴施，用施肥罐控制施肥。其他管理措施同大田，7月12日打顶。表1

表1 生育期灌水定额及氮肥施用比例Table 1 Irrigation quota and nitrogen fertilizer application ratio in growth period

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 群体指标

每小区选取具有代表性的连续10 株棉花挂牌标记，分别在棉花各生育期对株高、茎粗、倒四叶宽、主茎叶数、果枝始节高度、果枝数、叶面积。其中，株高、倒四叶宽、果枝始节高度用直尺测定，茎粗用游标卡尺测定，叶面积是在棉花各生育期采用长宽系数法活体测定。图1

图1 不同种植模式示意Fig.1 Different planting modes in cotton field

1.2.2.2 干物质积累

在棉花吐絮期分别从试验地各小区内选择长势均匀且具有代表性的3个棉花植株（苗期取10株），将棉株子叶结以下部分剪除，按照茎、叶、蕾、花、铃壳、籽棉等不同器官用剪刀分离，剪碎后装进牛皮纸袋，放入烘箱105 ℃杀青30 min，再调至80 ℃烘干至恒重，用百分之一天平称重并记录。存放干燥处保存，用于植株全氮含量测定。

1.2.2.3 产量及其构成

在棉花吐絮期，调查各试验小区内的总铃数和总株数，计算单株结铃数，并实收计产。各处理分3 次收取棉株上、中、下部50个正常吐絮的棉铃，测定单铃重后扎花，测定计算籽棉重、皮棉重、衣分等产量性状。

1.3 数据处理

数据采用Excel 2016、Origin8.6 和SPSS 25.0进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 水氮空间调控对机采棉群体塑造的影响

研究表明，施氮量对机采棉群体塑造影响极显著，膜内滴灌带布置条数对茎粗和果枝始节高度有显著影响。当滴灌带条数相同时，随着施氮量的增加，株高、茎粗、倒三叶宽、果枝始节高度和果枝数呈逐渐增加的趋势。在相同施氮量下，随着滴灌带条数的减少，株高、茎粗、倒四叶宽、果枝始节高度和果枝数呈逐渐减少的趋势，仅在N1和N2水平下，果枝始节高度达到显著差异，其余各指标之间差异不显著。滴灌带条数和施氮量对机采棉群体塑造的交互效应对果枝始节高度具有显著差异。表2

表2 水氮空间调控下机采棉群体塑造变化Table 2 Machine-picked cotton population shaping with different spatial distribution of water and nitrogen

2.2 水氮空间调控对机采棉叶面积指数的影响

研究表明，机采棉叶面积指数随着生育期推进呈现逐渐增加趋势，花铃期达到峰值。在蕾期，各处理间机采棉叶面积指数无显著差异。在花铃期、盛铃期和吐絮期，机采棉叶面积指数随着施氮量和布管条数的增加而增加。在滴灌带布设条数相同时，施氮处理与不施氮处理间有显著差异。在相同施氮量下，随着滴灌带条数的增加，叶面积指数间增加趋势越明显，进入吐絮初期G5与G3、G2显著达到水平。水氮空间调控对机采棉生育中后期叶面积指数有显著影响，增加布管数量和施氮量可增加机采棉的叶面积指数。图2

图2 水氮空间调控下棉花叶面积指数变化Fig.2 Effect of water and nitrogen regulation on cotton leaf area index

2.3 水氮空间调控对机采棉地上部分干物质积累的影响

研究表明，相同布管条数下，机采棉吐絮期地上部分干物质积累量随着施氮量的增加而先增后降，表现为N2＞N3＞N1＞N0，各施氮处理间存在显著差异。G5条件下，N1、N2、N3较N0处理分别增加81.10%、108.06%、96.52%；G3条件下，N1、N2、N3较N0处理分别增加79.89%、105.01%、97.86%，存在显著差异；G2条件下，N1、N2、N3较N0处理分别增加81.01%、102.56%、96.74%。在相同施氮量条件下，增加布管条数，地上部分干物质积累量有增加的趋势，但不显著。合理施氮和增加滴灌带数量可进一步提高棉花地上部干物质积累量。图3

图3 水氮调控下机采棉地上部干物质积累量变化Fig.3 Effect of water and nitrogen regulation on dry matter accumulation in the aboveground

2.4 水氮空间调控对机采棉产量及氮肥农学效应的影响

研究表明，相同布管条数下，单株铃数、单铃重、衣分和籽棉产量均随着施氮量的增加而呈单峰趋势，在N2水平下有最大值。N2、N3与N1、N0处理间均存在显著差异。在N0、N1水平下，滴灌带条数对单株结铃数和单铃重影响较小。在N2、N3水平下，单株结铃数和单铃重表现为G5＞G3＞G2，且在G5与G2之间单株结铃数差异显著。在N1、N2和N3水平下，籽棉产量随着布管数量的增加而增加，G5与G2之间产量差异显著。氮肥农学效应为N1≈N2＞N3，且与N3之间达到显著差异。各处理间衣分未有显著差异。滴灌带条数和施氮量对机采棉产量的交互效应显著。表3

表3 水氮空间调控下机采棉产量及氮肥农学效应变化Table 3 Effect of water and nitrogen regulation on yield and agronomic effects of N fertilize

3 讨论

棉花的生长发育对水氮较为敏感，水氮调控能有效影响适宜机采农艺性状，株型塑造和群体冠层结构，影响棉花机采质量和产量[19]。新疆机采棉普遍使用膜下滴灌技术[20]，容易出现早衰现象，其主要原因是棉田水氮调控不当[21]。改变滴灌带配置间距是调节膜下滴灌土壤水氮空间分布的重要手段[18]。研究结果显示，机采棉从蕾期开始进行水氮空间调控，进入花铃期后，在相同施氮水平下，机采棉株高、茎粗、倒三叶宽、果枝始节高度和果枝数等指标的对滴灌带间距的调控效果表现为G5＞G3＞G2，通过改变滴灌带间距能有效塑造棉花群体。滴灌是局部灌溉技术，其有限的土壤湿润区对田间作物根系生长及植株长势都有影响。在相同灌水定额下，增加滴灌带条数，可形成宽浅型土壤湿润区，其土壤水分水平分布均匀性较好，使田间棉花根系的分布和植株生长均匀性较高；相反减少滴灌带条数，可形成窄深型土壤湿润区，其土壤水分水平分布均匀性较差，使田间棉花根系分布和植株生长均匀性低[22]。灌棉花根量在土层深度方向上的分布表现为负指数关系[23]，即土壤表层根量大，而越向深层棉花根量越少。机采棉根系主要垂直方向主要分布0～40cm深土层内[24]，宽浅型土壤湿润区将更有利于棉花对水分吸收，促进棉花生长。

适宜的施氮量一定程度上能够促进棉花植株生长进一步提高产量，过量施氮会产生抑制作用[9]。研究表明，氮肥对机采棉群体指标、产量及其构成等指标（衣分除外）的影响均达到极显著，调控效应强于滴灌带布置间距。在相同的滴灌带间距下，棉花群体指标均表现为：随着施氮量的增加，株高、茎粗、倒三叶宽、果枝始节高度和果枝数呈逐渐增加的趋势，与王燕等[19]研究结果不一致，可能原因是试验高施氮水平处理设置过少，导致趋势拐点未显现。在相同的滴灌带间距下，机采棉地上部分干物质积累量、棉产量及其构成均随着施氮量的增加而呈单峰趋势，在N2水平下有最大值，与文献研究结果一致[8，19，25]。

水氮之间有明显的互作效应[26]，合理的水肥运筹可以构建作物合理的群体和个体结构，为收获奠定基础[5，15，27-28]。马兴旺等[29-30]研究表明棉花生育不同精细化水肥运筹可以显著调控棉花株宽、果枝始节高、棉铃分布等机采性状，最高果枝始节高度达到21.5 cm，适宜机械采收。研究表明，毛管间距和施氮量的交互作用对机采棉群体果枝始节高度、吐絮初期干物质积累量和产量的显著影响。

通过水氮空间调控能有效构建棉花合理的群体和个体结构，但膜下滴灌条件下土壤水氮空间分布不仅受毛管间距和施氮量的影响，还受灌水定额、灌水周期、滴头流量、滴头间距、土壤质地、种植模式等因素的影响[22-23，31-34]，要因地制宜的选择膜下滴灌系统关键参数和优化水氮管理，保证机采棉的优质高产高效。

4 结论

4.1 针对新疆机采棉种植主栽模式（10 cm-66 cm-10 cm-66 cm-10 cm），在膜内增加滴灌条数，可形成宽浅型土壤湿润区将更有利于棉花对水分的吸收，促进棉花生长。在同一施氮水平下，机采棉株高、茎粗、倒三叶宽、果枝始节高度和果枝数等生长指标的对毛管间距的调控效果表现为G5＞G3＞G2。

4.2 与在膜内增加滴灌带条数相比，氮肥对机采棉群体指标、产量及其构成等指标调控效应更明显。在相同的膜内滴灌条数下，机采棉地上部分干物质积累量、产量及其构成均随着施氮量的增加而呈单峰趋势，在N2水平下有最大值，故推荐水氮组合为G5N2，但考虑增加滴灌带条数会导致种植成本增加，可通过提高灌水频率，减少单次灌水定额的方式，选用G3N2组合。

4.3 水氮空间分布的交互作用对机采棉群体果枝始节高度、吐絮初期干物质积累量和产量的影响差异显著。在机采棉水肥运筹管理过程中，应合理优化水氮的空间分布，有助于塑造适宜机采的棉花群体性状，进一步提高产量和氮肥利用效率。但膜下滴灌条件下土壤水分空间分布不仅受滴灌带间距和施氮量的影响，还受灌水定额、灌水周期、滴头流量、滴头间距、土壤质地等因素的影响，要因地制宜的设计膜下滴灌系统和优化水氮运筹。