不同种植模式和灌溉方式对麦棉产量、品质及经济效益的影响

郭 璇，关小康，温鹏飞，王同朝*，张 昊，汪顺生，仝 浩

（1.河南农业大学，郑州 450046；2.华北水利水电大学，郑州 450046）

不同种植模式和灌溉方式对麦棉产量、品质及经济效益的影响

郭 璇1，关小康1，温鹏飞1，王同朝1*，张 昊2，汪顺生2，仝 浩2

（1.河南农业大学，郑州 450046；2.华北水利水电大学，郑州 450046）

【目的】揭示种植模式和灌溉方式对冬小麦和夏棉花（以下简称麦棉）产量、品质及综合经济效益的影响，为黄河流域麦棉两熟区的种植模式和灌溉方式的科学制定提供理论依据。【方法】基于裂区设计开展大田试验，将麦棉种植模式设定为主区，主区包含麦棉套种和麦后移栽2个水平，副区为灌溉方式，包含畦灌、微喷带灌溉和地表滴灌3个水平，共6个处理。【结果】相比麦棉套种模式，麦后移栽模式能够提升冬小麦叶面积指数（LAI）和产量，提高冬小麦净收入；虽然麦后移栽模式下的棉花籽棉产量降低了5.64%，但麦棉合计净收入比麦棉套种模式提高了8.64%。相比畦灌和微喷带灌溉，地表滴灌能够显著提高麦棉株高、LAI、产量和经济效益，地表滴灌条件下的麦棉合计净收入比畦灌、微喷带灌溉分别提高36.01%和10.10%。麦后移栽和地表滴灌组合下的麦棉合计净收入最高，麦棉合计净收入最高达到15 924.9元/hm2。【结论】麦后移栽和地表滴灌分别是适宜于黄河流域麦棉两熟区的最佳种植模式与灌溉方式。

麦棉套种；麦后移栽；畦灌；微喷带灌溉；地表滴灌；净收入

0 引 言

【研究意义】黄河流域是我国粮食主产区，也是我国三大棉区之一。近年来，黄河流域耕地资源日益紧缺、水资源短缺日益严峻[1]。该地区棉花传统种植模式为麦棉套种模式，该模式不仅影响了前茬冬小麦产量，而且冬小麦收获时棉苗受损严重，不利于提升麦棉机械化生产水平[2-3]。该地区应用最广泛的灌溉方式是地面灌溉，造成常年水资源浪费严重、灌溉水利用效率低[4-5]。因此，探究不同种植模式和灌溉方式对麦棉产量、品质及经济效益的影响，确定适宜于黄河流域麦棉两熟区的种植模式和灌溉方式，对于提高黄河流域农业水土资源利用效率、保障粮棉安全具有重要意义。

【研究进展】黄河流域麦棉种植模式通常有春棉单作、麦棉套种、麦后移栽、麦后直播等模式，该地区麦棉种植存在“一熟有余，两熟不足”的现状[3,6]。以上种植模式中，春棉单作模式的复种指数最低，经济效益最低[6-7]。受黄河流域棉区有效积温的限制，麦后直播种植模式下的后茬棉花产量较低，经济效益也较低，该模式在长江流域棉区较为常见[8]。沈天垚等[9]从棉仁脂肪及蛋白质代谢角度出发，研究单作棉、麦套移栽棉、麦后移栽棉和麦后直播棉等种植模式对棉花生长的影响，得出选用麦套移栽方式可以在稳定我国麦棉两熟棉区棉花产量和品质的基础上提高棉籽品质。张思平等[10]对比分析了棉麦套种及麦棉单种种植模式下的作物根系生长情况，得出单种棉花根系相比套种棉花根系生长更旺，但其群体根系粗细均匀性较套种棉花略低。以往研究表明，滴灌、微喷灌、渗灌等节水灌溉方式可降低15%～70%的灌溉用水量，大幅度提高灌溉水利用效率，同时不会降低作物产量，甚至还能起到增产效果[11-12]。李东伟等[13]研究表明，地表滴灌具有灌溉均匀度高、灌溉水利用率高等特点，适用于多种土壤和地形条件。此外，相比于地表滴灌，微喷带灌溉具有成本低、抗堵塞性能好、安装简单等优点，近年来也在黄河流域棉区逐步推广[14]。Zhang等[4]对比了地表滴灌、微喷带灌溉及传统畦灌条件下的麦后移栽棉经济效益；结果表明，相比于传统畦灌和微喷带灌溉，地表滴灌能提高棉花产量和品质，同时净利润也比其他2种灌溉方式更高。皱宇锋等[15]对比了畦灌、沟灌和滴灌3种不同灌溉方式下粮食作物的耗水特性、产量和经济效益，建议将滴灌中水处理作为替代传统畦灌的最佳灌溉方案。

【切入点】以往对麦棉种植模式和灌溉方式的研究大多从田间环境、作物生长和生理特性等角度出发，且主要集中在种植模式和灌溉方式对冬小麦或夏棉花单一作物的影响，较少涉及对麦棉连作体系综合经济效益的关注。因此，有必要对不同种植模式和灌溉方式下麦棉连作体系综合经济效益进行系统研究。【拟解决的关键问题】本研究通过采用麦棉套种和麦后移栽2种种植模式，畦灌、微喷带灌溉和地表滴灌3种灌溉方式，探究不同种植模式和灌溉方式对冬小麦与夏棉花的产量、品质和综合经济效益的影响，提出适宜于黄河流域麦棉两熟区的科学种植模式和灌溉方式。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2018—2020年在华北水利水电大学农业高效用水试验场内开展，试验场位于河南省郑州市（34°50′N，113°48′E，海拔110.4 m）。该区属暖温带亚湿润季风性气候区，年平均气温为15.6 ℃，年平均降水量为542.2 mm，年平均无霜期为209 d，年平均日照时间为1 869.7 h。试验地土壤为沙壤土，土壤体积质量为1.35 g/cm3，田间持水率为32.4%，地下水埋深大于5 m。表1为试验地0～100 cm土层的土壤养分状况。图1为试验期内降水和ET0变化。

表1 试验地土壤基本肥力参数Table 1 Parameters of soil basic fertility in the experimental field

图1 2018—2020年麦棉生长期内降水和ET0变化Fig.1 Variations of precipitation and ET0 during the growth period of winter wheat and summer cotton from 2018 to 2020

1.2 试验设计

采用裂区设计开展大田试验，为便于麦棉种植和管理，将麦棉种植模式设定为主区，主区包含麦棉套种和麦后移栽2个水平；副区为灌溉方式，包含畦灌、微喷带灌溉和地表滴灌3个水平，故本试验共计6个处理，每个处理重复3次，共计18个小区，每个小区面积为32 m2（8 m×4 m），各小区之间设有0.5 m宽隔离带。不同处理详见表2。

在种植模式方面，麦棉套种模式采用“三一式”种植模式，即在冬小麦播种时预留棉行，每3行冬小麦套种1行夏棉花，冬小麦行间距为15 cm，麦棉间距为20 cm。夏棉花于5月1日采用播种机南北向直接播种在预留棉行中，夏棉花出苗后由人工定苗，苗间距为20 cm。麦后移栽模式下的冬小麦播种时不预留棉行，冬小麦采用等行距种植，行间距为15 cm；夏棉花采用温室育苗、大田移栽方式，夏棉花于5月1日在育苗温室播种育苗，在冬小麦收获后采用移栽机南北向等行距移栽到大田，移栽棉行间距及苗间距分别为70 cm和20 cm。

在灌溉方式方面，采用畦灌、微喷带灌溉和地表滴灌，前茬冬小麦和后茬夏棉花灌溉方式相同，不同灌溉方式技术参数见表3。采用土壤水分下限控制灌溉时间，当冬小麦和夏棉花根系活动层内土壤含水率下降到田间持水率的70%±2%时开始灌溉，使用水表监测灌水量。不同处理间施肥、施药等农艺措施均保持一致。

1.3 测量指标与方法

1.3.1 株高和叶面积指数（LAI）

冬小麦：在冬小麦返青后（3月中旬），每隔7～10 d进行1次测定。选取每个小区具有代表性的20 cm麦行样段作为测量样本，再在其中随机选定10株小麦测定其株高和LAI。株高采用精度为0.1 cm的直尺测量，LAI采用叶面积仪测定。

夏棉花：在棉花定苗后，每隔7～10 d进行1次测定，选取每个小区具有代表性的5株棉花作为样本测定株高和LAI。株高采用精度为0.1 cm的直尺测量，LAI采用叶面积仪测定。

表2 2018—2020年试验不同处理措施Table 2 Specific measures for different treatment from 2018 to 2020

1.3.2 产量指标

冬小麦：在每个小区内随机选取代表性的4 m2取样区测定产量。同时在试验小区内随机选取代表性的1 m长的小麦行，测定样本段内的麦穗数。在每个处理中随机选取有代表性的9株冬小麦开展考种测定，记录冬小麦千粒质量和穗粒数。

夏棉花：在每个小区内随机选取有代表性的4 m2取样区测定产量。手工采摘的籽棉经自然风干后测定籽棉产量，轧花后测定皮棉产量，进而计算出衣分值。每个处理中随机选取代表性的6株棉花测定单株成铃数，同时采用电子天平（精度为0.01 g）测定单铃质量。

1.3.3 品质指标

冬小麦：冬小麦籽粒出粉率由德国Brabender公司880101.003型试验磨粉机测定；粗蛋白质量分数采用国家标准半微量凯氏定氮法测定；湿面筋质量分数采用Perten面筋仪测定；沉降值采用BAU-A沉降值仪测定。

夏棉花：在每个试验小区内随机选出20 g皮棉测定纤维品质，指标包括马克隆值、断裂比长度、整齐度指数、伸长率和纤维长度。棉花品质指标以HVICC（High Volume Instrument Calibration Cotton）为标准。

1.4 统计分析

采用SPSS 21.0进行双因素方差分析（ANOVA）。在5%概率水平下，使用最小显著差异法（LSD）对平均值进行比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理下麦棉生长状况分析

不同种植模式和灌溉方式下冬小麦和夏棉花株高、LAI动态变化如图2和图3所示。不同处理下冬小麦和夏棉花的株高变化趋势一致，符合logistic生长曲线。冬小麦株高在返青期前增长缓慢，在返青期后迅速增大，在开花灌浆期（5月上旬）达到最大；夏棉花株高在蕾期快速增长，花铃中后期（8月中下旬）达到最大。不同处理下冬小麦和夏棉花的LAI变化趋势一致，呈先增大后减小的趋势。冬小麦LAI在孕穗期（4月下旬）达到最大，夏棉花LAI在花铃期（8月中上旬）达到最大。

图2 2018—2019麦棉株高、LAI动态变化Fig.2 Dynamic change of plant height and leaf area index (LAI) of wheat and cotton during the 2018—2019 growing season

图3 2019—2020麦棉株高、LAI动态变化Fig.3 Dynamic change of plant height and leaf area index (LAI) of wheat and cotton during the 2019—2020 growing season

麦棉套种模式下的冬小麦LAI相比麦后移栽模式降低10.28%；麦棉套种模式下夏棉花的株高、LAI较麦后移栽模式分别提高4.19%和6.34%。相比畦灌和微喷带灌溉，地表滴灌能够提高冬小麦和夏棉花的株高和LAI；冬小麦株高在地表滴灌条件下比畦灌和微喷带灌溉条件下分别提高了12.04%和3.42%，LAI分别提高了13.66%和7.07%；夏棉花株高在地表滴灌条件下比畦灌和微喷带灌溉条件分别提高了20.41%和11.36%，LAI分别提高了28.99%和13.00%。

2.2 不同处理下麦棉产量

不同种植模式和灌溉方式对冬小麦和夏棉花产量及产量构成的影响如表4所示。相比麦棉套种模式，麦后移栽模式下冬小麦产量提升18.36%。不同种植模式对冬小麦穗粒数和千粒质量没有显著影响。相比麦棉套种模式，麦后移栽模式下夏棉花的单株成铃数和籽棉产量分别降低了9.14%和5.64%。不同种植模式对夏棉花的单铃质量和衣分率没有显著影响。

不同灌溉方式下的冬小麦和夏棉花产量及产量构成存在显著差异。地表滴灌能够显著提高冬小麦有效穗数、千粒质量和产量，提高夏棉花单株成铃数、单铃质量和籽棉产量。不同灌溉方式对冬小麦穗粒数和夏棉花衣分率影响不显著。地表滴灌下的冬小麦产量相比畦灌和微喷带灌溉分别提高28.68%和12.88%，夏棉花籽棉产量分别提高了26.42%和7.79%。

表4 不同种植模式和灌溉方式下冬小麦和夏棉花产量及产量构成Table 4 Effects of different planting patterns and irrigation methods on yield and yield composition of winter wheat and summer cotton

注 表中不同小写字母表示所有处理同一列数值差异显著（Plt;0.05），下同。

2.3 不同处理下麦棉品质

不同种植模式和灌溉方式对冬小麦和夏棉花品质影响如表5所示。不同种植模式对冬小麦和夏棉花品质无显著影响。相比畦灌和微喷带灌溉，地表滴灌能显著提高冬小麦出粉率和粗蛋白质量，提高夏棉花纤维长度。不同灌溉方式对冬小麦湿面筋量和沉降值影响不显著，对夏棉花纤维整齐度、纤维强度和马克隆值也无显著影响。

2.4 不同处理下麦棉经济效益

不同种植模式和灌溉方式对冬小麦和夏棉花经济效益的影响如表6所示。麦后移栽模式下地表滴灌的冬小麦和夏棉花合计净收入最高，为15 924.9元/hm2。麦后移栽模式下冬小麦的产值比麦棉套种模式下提高18.36%，净收入是麦棉套种模式下的3.80倍；麦后移栽模式下夏棉花的产值比麦棉套种模式降低5.64%，净收入比麦棉套种模式降低10.59%。麦后移栽模式下的合计净收入比麦棉套种模式下提高8.64%。

地表滴灌条件下冬小麦产值比畦灌、微喷带灌溉分别提高28.68%和12.88%，净收入分别提高45.64%和30.72%；地表滴灌条件下夏棉花的产值比畦灌、微喷带灌溉分别提高26.42%和7.79%，净收入分别提高34.27%和6.80%。综合考虑冬小麦和夏棉花，地表滴灌条件下的合计净收入比畦灌、微喷带灌溉条件下分别提高36.01%和10.10%。

表5 不同种植模式和灌溉方式下冬小麦和夏棉花品质Table 5 Effects of different planting patterns and irrigation methods on the quality of winter wheat and summer cotton

表6 不同种植模式和灌溉方式下冬小麦和夏棉花经济效益Table 6 Effects of different planting patterns and irrigation methods on the economic benefits of winter wheat and summer cotton

3 讨 论

种植模式对冬小麦株高影响较小，但对冬小麦LAI影响较大，麦后移栽模式能够提高冬小麦LAI，主要是因为麦后移栽模式下前茬冬小麦播种时无须预留棉行，冬小麦种植密度高，进而导致冬小麦LAI高。对于夏棉花，麦后移栽模式下夏棉花的株高和LAI要比麦棉套种模式下低，这主要是由于棉苗在大田移栽后需要7 d左右的缓苗期，缓苗期受损棉苗根系水肥吸收率较低，导致棉株生长缓慢[10,16]。相比于麦棉套种模式，麦后移栽模式不会出现冬小麦对棉苗遮光及水肥竞争等不利影响，且棉苗移栽大田后活苗率高、补苗率低，进而棉苗长势更整齐，故麦后移栽模式下棉花的株高和LAI标准偏差小[17-18]。综上，2个种植模式对夏棉花株高、LAI的影响各有利弊。相比于畦灌和微喷带灌溉，地表滴灌能够显著提高麦棉株高、LAI，这主要是由于地表滴灌灌水定额小且灌溉频率高，能改善土壤透气性且使土壤含水率保持在适宜水平，进而促进作物根系生长和水肥吸收[19-20]。

相比麦棉套种模式，麦后移栽模式能够显著提升冬小麦有效穗数和产量；这主要是因为麦后移栽模式下前茬冬小麦播种时无须预留棉行，能够大幅提升冬小麦的种植面积，进而提升冬小麦的产量[3,21]。相比于麦后移栽模式，麦棉套种模式能够提升夏棉花5.64%籽棉产量；这主要是因为2种种植模式下夏棉花生长时间虽然相同，但麦后移栽模式下夏棉花存在缓苗期，导致其株高、LAI等营养生长不如直播棉好，最终使麦后移栽棉产量降低[22]。在灌溉方式方面，相比于畦灌和微喷带灌溉，地表滴灌能够显著提高麦棉产量；这主要是因为地表滴灌水肥利用率高，有利于麦棉生长发育，最终显著提升麦棉产量[4]。不同种植模式和灌溉方式对麦棉品质无显著性影响，这主要是因为麦棉品质主要受气候和遗传因素的影响，种植模式和灌溉方式对麦棉品质影响有限[23]。唐淑荣[24]研究表明，高于10 ℃的有效积温是影响棉花中熟品种纤维品质最主要因素，气象因子影响纤维长度和马克隆值顺序为：有效积温、降水量和日照时间。由于受黄河流域棉区光热条件的限制，依据马克隆值来分级，不同处理条件下夏棉花品质均处于B2等级[3,25]。

麦后移栽模式下冬小麦和夏棉花合计净收入比麦棉套种模式下高，这主要是因为麦后移栽模式能够大幅提升冬小麦的净收入。虽然，麦后移栽模式需要进行温室育苗环节，这将在一定程度上增加种植材料费成本，但麦后移栽模式有利于提升麦棉种植机械化水平，减少劳动力支出，能够大幅降低麦棉生产人工和机械费成本，故麦后移栽模式下麦棉生产成本（材料费、人工和机械费）比麦棉套种模式下低[26]。近几年，随着我国工业化育苗技术和机械化移栽技术的发展，麦后移栽模式下材料费、人工和机械费成本将会进一步降低，麦后移栽模式下麦棉经济效益将更加显著[27]。不同灌溉方式方面，与畦灌和微喷带灌溉相比，地表滴灌条件下冬小麦和夏棉花合计净收入最高；尽管地表滴灌条件下的材料费最高，但地表滴灌操作自动化更强，不像畦灌需要额外的劳动力和机械投入用于灌溉管理和土地平整，故地表滴灌条件下人工和机械费较低[4]；同时地表滴灌条件下水肥利用率高，能够大幅提高麦棉产量，故地表滴灌条件下麦棉合计净收入最高[28-29]。

4 结 论

相比麦棉套种模式，麦后移栽模式能够提升冬小麦LAI和产量，大幅提高冬小麦净收入，虽然夏棉花净收入略有降低，但麦后移栽模式下麦棉合计净收入较高。

相比于畦灌和微喷带灌溉，地表滴灌能够显著提高麦棉株高、LAI、产量和经济效益。

地表滴灌和麦后移栽组合下的麦棉综合经济效益最高，麦棉最高合计净收入为15 924.9元/hm2，故麦后移栽和地表滴灌分别是适宜于黄河流域棉区的麦棉种植模式和灌溉方式。

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Effect of Irrigation and Planting Patterns on Yield, Quality and Economic Return of Winter Wheat-cotton Cropping System

GUO Xuan1, GUAN Xiaokang1, WEN Pengfei1, WANG Tongchao1*, ZHANG Hao2, WANG Shunsheng2, TONG Hao2

(1. Henan Agricultural University, Zhengzhou 450046, China; 2.North China University of Water Resources and Hydropower, Zhengzhou 450046, China)

【Objective】Winter wheat-cotton rotation is a common cultivation in Yellow River Basin in China, but they have an overlapped growing period. How to plant the cotton to make most of above- and below-ground resources is an issue that is not well understood. This paper aims to investigate how planting and irrigation combine to modulate growth, yields, quality and economic return of the two crops.【Method】The experiment was conducted in a field, with the cotton either directly drilled before the wheat was harvested or transplanted from a seedling bed after wheat harvest. We compared three irrigations: border irrigation, micro-sprinkling hose irrigation and surface drip irrigation. 【Result】Transplantationimproved leaf area index () and yield of the winter wheat, as well as the net income of winter wheat compared with directly drilling, despite a 5.64% reduction in cotton yield; overall, its total net income was 8.64% higher than the directly drilling. Compared with border irrigation and micro-sprinkling hose irrigation, surface drip irrigation significantly improved the plant height,, yield and economic return of the two crops. The total net income of surface drip irrigation was 36.01% and 10.10% higher than that of border irrigation and micro-sprinkling hose irrigation, respectively. Transplantation combined with surface drip irrigation gave the highest net income at 15 924.9 yuan/hm2.【Conclusion】Transplanting cotton seedling after harvesting the winter wheat combined with surface drip irrigation reduces their competition for resources and is therefore optimal for wheat-cotton rotation in the Yellow River Basin.

wheat cotton interplanting; transplanting cotton after wheat harvest;border irrigation; micro-sprinkling hose irrigation;surface drip irrigation; net profit

S278

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022310

郭璇, 关小康, 温鹏飞, 等. 不同种植模式和灌溉方式对麦棉产量、品质及经济效益的影响[J]. 灌溉排水学报, 2023,42(1): 39-46, 53.

GUO Xuan, GUAN Xiaokang, WEN Pengfei, et al. Effect of Irrigation and Planting Patterns on Yield, Quality and Economic Return of Winter Wheat-cotton Cropping System[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(1): 39-46, 53.

1672 - 3317（2023）01 - 0039 - 09

2022-06-07

农业农村部作物需水与调控重点实验室开放课题（FIRI2021-010402）；国家自然科学基金项目（52079051，51779093）

郭璇（1993-），女。硕士研究生，主要从事作物水分生理与高效用水研究。E-mail: 731424051@qq.com

王同朝（1964-），男。教授，主要从事作物水分高效利用研究。E-mail: wtcwrn@126.com

责任编辑：韩 洋