陳立宇，張立峰，路戰(zhàn)遠(yuǎn)，咸 豐，張建中，張向前

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河北 保定 071000；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031)

內(nèi)蒙古西部的阿拉善盟、烏海市、巴彥淖爾市磴口縣和鄂爾多斯市烏審旗等區(qū)域的光熱資源豐富，適合棉花種植，被作為國(guó)家后備棉區(qū)。其中阿拉善盟土地面積廣闊，光熱資源最為豐富，年均日照時(shí)數(shù)3 000～3 500 h，年均≥10 ℃的積溫一般在3 000～3 600 ℃以上，年降水量200～400 mm，年蒸發(fā)量2 900～3 300 mm，無霜期150～170 d[1]。但同時(shí)該地區(qū)水資源匱乏，水成了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的限制性因素。棉花作為抗旱節(jié)水的先鋒經(jīng)濟(jì)作物，全生育期用水量?jī)H為種植玉米用水量的50%。棉花作為該地區(qū)的一種新型經(jīng)濟(jì)作物，在需水規(guī)律和節(jié)水灌溉方面的研究還比較少，對(duì)棉花節(jié)水技術(shù)的研究是保證該地區(qū)棉花種植、推動(dòng)棉花產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵所在。痕量灌溉作為一項(xiàng)新型節(jié)水技術(shù)，該灌溉技術(shù)是將灌溉管道提前埋入作物根系附近，能將水分緩慢、適量輸送到植物根系[2]。目前對(duì)痕量灌溉的研究主要在不同埋深﹑施肥量條件下作物的生長(zhǎng)生理特性方面[3-5、17]，尚未見報(bào)道痕量灌溉管埋深和灌水量對(duì)棉花生長(zhǎng)、品質(zhì)和產(chǎn)量的綜合研究。為此本試驗(yàn)利用先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)—痕量灌溉技術(shù)，研究痕量灌溉不同管埋深度和灌水量條件下對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育、品質(zhì)和產(chǎn)量的影響，確定適宜棉花生長(zhǎng)和水分高效利用的最佳痕量管埋深度和水量，為棉花和其他作物的節(jié)水灌溉研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

于2017年在內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院棉花試驗(yàn)示范基地(東經(jīng)100°13′，北緯40°59′)進(jìn)行試驗(yàn)，該地為典型的大陸性氣候。干旱少雨，風(fēng)大沙多，冬寒夏熱，四季氣候特征明顯，晝夜溫差大。年均氣溫6～8.5 ℃，1月平均氣溫-9～14 ℃。極端最低氣溫-36.4 ℃；7月平均氣溫22～26.4 ℃，極端最高氣溫41.7 ℃。年無霜期130～165 d；雨季多集中在7-9月。降雨量從東南部的200多mm，向西北部遞減至40 mm以下；而蒸發(fā)量則由東南部的2 400 mm向西北部遞增到4 200 mm。年日照時(shí)數(shù)達(dá)2 600～3 500 h，年太陽總輻射量147～165 kcal/cm2。多西北風(fēng)，平均風(fēng)速2.9～5 m/s，年均風(fēng)日70 d左右。

1.2 試驗(yàn)材料

以近年來在內(nèi)蒙古西部區(qū)種植情況良好的棉花品種‘中棉所92’為材料。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及農(nóng)藝管理

采用兩種灌溉方式：膜下滴灌和痕量灌溉。其中痕量灌溉分別設(shè)置地下埋深30、40、50 cm 3個(gè)處理，每種埋深處理下設(shè)置5個(gè)灌水量處理分別為3 600、3 300、3 000、2 700、2 400 m3/hm2。共計(jì)16個(gè)處理，重復(fù)3次，共計(jì)48個(gè)小區(qū)。以膜下滴灌為對(duì)照(CK)處理。設(shè)置小區(qū)行長(zhǎng)30 m，每小區(qū)3膜，面積為184.5 m2，總面積8 856 m2，播種方式為(66+10)cm機(jī)采棉模式，寬2.05 m地膜種植6行，行距(66+10)cm、株距為10 cm，密度27 萬株/hm2，機(jī)器覆膜、鋪管、施肥一體化，人工點(diǎn)播。底肥施磷酸二銨300 kg/hm2、氯化鉀75 kg/hm2，追肥施尿素375 kg/hm2。田間管理同常規(guī)高產(chǎn)田。試驗(yàn)處理如表1所示。

1.4 試驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目及方法

農(nóng)藝性狀：每小區(qū)隨機(jī)選取10株進(jìn)行室內(nèi)考種測(cè)定，測(cè)定指標(biāo)為株高、單株鈴數(shù)、始桃高、單鈴重、籽棉重、皮棉重等。

纖維品質(zhì)：選取棉株中部50鈴測(cè)定纖維品質(zhì)，測(cè)定指標(biāo)為上半部平均長(zhǎng)度、纖維整齊度指數(shù)、馬克隆值、伸長(zhǎng)率、斷裂比強(qiáng)度等5個(gè)指標(biāo)(GB/T20392-2006)，由農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心(安陽)測(cè)試。

表1 試驗(yàn)處理Tab.1 Experiment treatment

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2007進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析，SPSS 25.0軟件做主成分分析，以Duncan，s新復(fù)極差法比較不同處理間的差異顯著性。最佳評(píng)價(jià)采用隸屬函數(shù)法[6]。計(jì)算公式為：

μ(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：Xi表示第i個(gè)指標(biāo)值；Xmax表示所有處理第i個(gè)指標(biāo)的最大值；Xmin表示所有處理第i個(gè)指標(biāo)的最小值。

根據(jù)棉花各性狀指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，計(jì)算出平均隸屬函數(shù)值后進(jìn)行比較，平均值越大表示效果越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉處理對(duì)棉花植株形態(tài)的影響

由表2可知，同一埋管深度下，棉花株高、始桃高、單株鈴數(shù)均隨著灌水量的增大呈逐漸升高趨勢(shì)，最大值均出現(xiàn)在灌水量為3 600 m3/hm2。同一灌水量條件下，棉花株高、始桃高、單株鈴數(shù)均隨著埋管深度的增加呈逐漸降低趨勢(shì)。從各處理對(duì)株高的影響可以看出，CK處理株高最大，為65.31 cm，其次為T6處理株高為65.16 cm，株高最小的為T10處理，為45.891 cm。各處理間差異達(dá)到顯著水平；各處理中株高排序?yàn)镃K>T6>T1>T11>其他處理；棉花始桃高度T1最高，為17.39 cm，其次為T2處理，為17.00 cm，最低的是T15處理，為10.57 cm，各處理間差異達(dá)到顯著水平；單株桃數(shù)T1處理最多，為6.99個(gè)，其次是CK處理，為6.75個(gè)，最少的是T10處理，為2.54個(gè)。

2.2 不同灌溉處理對(duì)棉花干物質(zhì)積累的影響

由表3可知，同一埋管深度下，棉花干物質(zhì)總量隨著灌水量的增大呈逐漸增加趨勢(shì)，最大值均出現(xiàn)在灌水量為3 600 m3/hm2。同一灌水量條件下，棉花干物質(zhì)總量均隨著埋管深度的增加呈逐漸降低趨勢(shì)。各處理棉花干物質(zhì)總量大小分別是CK>T6>T11>T1。在埋管深度為 30 cm時(shí)，棉花干物質(zhì)總量及棉花分部位(莖、枝葉、鈴)隨著灌水量的增大呈逐漸增加趨勢(shì)。

表2 不同灌溉處理下棉花植株的形態(tài)指標(biāo)Tab.2 Morphological of cotton plants under different irrigation treatments

注：表中同列不同小寫字母表示差異顯著(p=0.05)，表3～表5同。

表3 不同灌溉處理下棉花干物質(zhì)積累的影響 g/株

而埋管深度為 40、50 cm時(shí)其棉花干物質(zhì)總量及棉花分部位(莖、枝葉、鈴)表現(xiàn)趨勢(shì)和埋管深度為 30 cm一致。而不同埋管深度處理下，埋深30 cm處理棉花干物質(zhì)總量及棉花分部位(莖、枝葉、鈴)表現(xiàn)最佳。

2.3 不同灌溉處理對(duì)棉花品質(zhì)的影響

由表4可知，同一埋管深度下，棉花上半部平均長(zhǎng)度、整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度均隨著灌水量的增大呈逐漸升高趨勢(shì)。同一灌水量條件下，棉花上半部平均長(zhǎng)度、整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度均隨著埋管深度的增加呈逐漸降低趨勢(shì)。從各處理對(duì)棉花品質(zhì)的影響可以看出，在灌水量為3 600 m3/hm2，上半部平均長(zhǎng)度隨著埋深的增加呈先減小后增大再減小的趨勢(shì)，但處理間差異未達(dá)到顯著性水平(P>0.05)；整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度和馬克隆值隨著埋深的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)，但處理間差異未達(dá)到顯著性水平(P>0.05)；伸長(zhǎng)率隨著埋深的增加呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)，但處理間差異未達(dá)到顯著性水平(P>0.05)。在埋深一定時(shí)，上半部平均長(zhǎng)度、整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值和伸長(zhǎng)率隨著灌水量的減小處理間未達(dá)到顯著性水平(P>0.05)。

表4 不同灌溉處理下棉花的品質(zhì)變化Tab.4 Cotton quality changes under different irrigation treatments

2.4 不同灌溉處理對(duì)棉花產(chǎn)量的影響

由表5可知，同一埋管深度下，棉花單鈴重隨著灌水量的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)。而籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量隨著灌水量的增大呈先增大趨勢(shì)。同一灌水量條件下，籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量隨著埋管深度的增加呈減少趨勢(shì)。在埋管深度為 30 cm時(shí)，棉花籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量隨著灌水量的增大呈逐漸增加趨勢(shì)。在灌水量為3 600 m3/hm2，籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量分別為5 247.15、2 202.75 kg/hm2，顯著高于其他灌水量處理。而埋管深度為40、50 cm時(shí)其棉花花籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量表現(xiàn)趨勢(shì)和埋管深度為 30 cm一致。而不同埋管深度處理下，埋深30 cm處理棉花花籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量表現(xiàn)最佳。各處理下籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量表現(xiàn)為CK>T1>T6>T11。

表5 不同灌溉處理下棉花產(chǎn)量變化Tab.5 Cotton yield changes under different irrigation treatments

2.5 棉花農(nóng)藝性狀的主成分分析

從表6可以看出，對(duì)棉花的15個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析，在所有主成分構(gòu)成中，不同處理中的絕大部分信息主要集中在前4個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)80.72%，已反映出15項(xiàng)性狀指標(biāo)的大部分信息，因此選取前4個(gè)主成分作為綜合指標(biāo)。第一主成分的貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率為47.51%，其中以皮棉產(chǎn)量和籽棉產(chǎn)量的向量值較大，因此可以將F1稱之為棉花產(chǎn)量選擇因子；第二主成分的貢獻(xiàn)率為15.37%，以整齊度指數(shù)和斷裂比強(qiáng)度的向量值較大，因此可以將F2稱之為棉花品質(zhì)選擇因子；第三主成分的貢獻(xiàn)率為10.12%，以伸長(zhǎng)率的向量值較大，因此可以將F3稱之為棉花伸長(zhǎng)選擇因子；第四主成分的貢獻(xiàn)率為7.73%，以馬克隆值的向量值較大，因此可以將F4稱之為馬克隆值選擇因子。

2.6 棉花農(nóng)藝性狀的隸屬函數(shù)值

隸屬函數(shù)是運(yùn)用模糊理論解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)。實(shí)際上，隸屬函數(shù)分析提供了一條在多指標(biāo)測(cè)定基礎(chǔ)上，對(duì)各植物特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的途徑。不同處理棉花15個(gè)農(nóng)藝性狀通過主成分分析知，皮棉產(chǎn)量、整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和馬克隆值可綜合評(píng)價(jià)其性狀。對(duì)以上主要指標(biāo)計(jì)算其隸屬函數(shù)值，以評(píng)價(jià)不同處理中棉花表現(xiàn)性狀的強(qiáng)弱。根據(jù)隸屬函數(shù)平均值的大小對(duì)棉花主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行排序(表8)，分別是CK>T11>T4>T1>T2>T6>T12>T8>T3>T13>T9>T15>T7>T5>T14>T10。

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

表7 農(nóng)藝性狀得分系數(shù)矩陣Tab.7 Agronomic trait score coefficient matrix

表8 不同處理下主要農(nóng)藝性狀隸屬函數(shù)值Tab.8 Values of membership functions of main agronomic traits under different treatments

3 討論與結(jié)論

痕量灌溉技術(shù)是目前最具節(jié)水潛力的高效節(jié)水灌溉技術(shù)，較滴灌節(jié)水40%～50%[7]。痕量灌溉技術(shù)是北京普泉有限公司首創(chuàng)的新型節(jié)水灌溉技術(shù)[8]，其原理與地下滲灌有相似之處，是通過毛細(xì)力原理、現(xiàn)代膜過濾技術(shù)，實(shí)現(xiàn)植物供水與需水間的平衡，從而降低了灌溉用水的蒸發(fā)及其滲漏損失，且其獨(dú)特的過濾方式，可以防止管道堵塞。此外，痕量灌溉還有利于改良土壤、提高作物性狀和產(chǎn)量、保護(hù)作物根須等作用[2]。普泉公司于2009年4月對(duì)內(nèi)蒙古鄂爾多斯13.33 hm2沙荒地進(jìn)行速生楊栽植工程示范，其結(jié)果表明，痕量灌溉技術(shù)較滴灌技術(shù)可節(jié)水62.5%。邢立文[15]研究痕量灌溉對(duì)草莓的影響，結(jié)果表明經(jīng)優(yōu)化后的痕量灌溉水肥管理模式下增產(chǎn)27.26%。王志平等[9]試驗(yàn)表明在溫室大桃栽培中，痕量灌溉管埋深30 cm且覆蓋地膜的條件下，能起到節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)的良好效果，較畦灌、滴灌的水分利用效率分別增加了16.1和10.6 kg/mm3。叢麗君[16]研究了痕量灌溉管不同埋深對(duì)日光溫室栽培番茄品質(zhì)和產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明灌溉管埋深15 cm長(zhǎng)勢(shì)較好,地上部干、鮮質(zhì)量分別較對(duì)照提高20.6%、33.3%。劉秋麗[10]研究痕量灌溉下不同施肥量對(duì)茄子產(chǎn)量及品質(zhì)的影響結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在灌水量相同，肥量下降20%處理產(chǎn)量最高，比對(duì)照產(chǎn)量增加12.25%；Vc含量提高了23.08%。減少施肥量，有利于提高果實(shí)品質(zhì)。沈富[5.11]等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)痕量灌溉處理后辣椒的品質(zhì)相對(duì)對(duì)照有大幅度的提升并且在痕量灌溉管埋深20 cm，有利于辣椒的生長(zhǎng)發(fā)育。安順偉、王梟等[4]在番茄試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，灌溉管埋深20和30 cm處理較空白相比，分別增產(chǎn)了6.1%和15.2%，王梟[12、14]研究表明痕量灌溉對(duì)番茄品質(zhì)明顯改善。黃令淼[13]通過測(cè)定痕量灌溉下玉米的株高、株徑、干物質(zhì)和光合速率等指標(biāo),可以看出痕量灌溉下，隨著生育期的進(jìn)行，不同施肥處理對(duì)株高影響明顯, 唐存士[18]研究痕量灌溉埋深對(duì)披堿草的影響，結(jié)果表明痕量灌溉管埋深25 cm時(shí)，披堿草的高度和生物量最佳。本試驗(yàn)通過主成分和隸屬函數(shù)結(jié)合分析不同處理棉花15個(gè)農(nóng)藝性狀顯示，皮棉產(chǎn)量、整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和馬克隆值可綜合評(píng)價(jià)其性狀，不同處理下主要性狀隸屬函數(shù)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，膜下滴灌綜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。從節(jié)水層面來看，痕量灌溉管道埋深30 cm，灌水量2 700 m3/hm2效果最佳。