陳文娟，胡曉棠，李清林，韓 寒，張錦華

(1.石河子大學(xué)理學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832000； 3.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

新疆地區(qū)廣泛采用膜下滴灌技術(shù)進(jìn)行棉花種植，以達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的；同時，每年秋季(或春季)都對農(nóng)田土壤進(jìn)行翻耕作業(yè)，以獲得熟化土壤、減少蟲害、抑制土壤返鹽或蓄水保墑的效果。這兩項技術(shù)或措施使新疆棉花產(chǎn)量明顯提高[1]，有研究表明，翻耕深度的增加對提高棉花產(chǎn)量也有促進(jìn)作用[2]。棉花增產(chǎn)除了與合理的土壤水分狀況有關(guān)以外，還與田間小氣候狀況有關(guān)，分析棉田小氣候隨翻耕深度變化的關(guān)系，對認(rèn)識棉花生長條件及其調(diào)控原理很有幫助。

田間小氣候環(huán)境對作物生長的影響已得到學(xué)術(shù)界的共識，適宜的環(huán)境濕度有助于植株生長。目前，學(xué)者們在農(nóng)田小氣候方面的研究大都側(cè)重于農(nóng)作物生長發(fā)育、產(chǎn)量形成及產(chǎn)量預(yù)測等指標(biāo)與氣候要素之間的關(guān)系問題上。李潤豐[3]通過對番茄的生長環(huán)境進(jìn)行加濕處理，發(fā)現(xiàn)空氣濕度較高的處理番茄葉面積指數(shù)、根重、產(chǎn)量及干物質(zhì)累積等都明顯高于空氣濕度較低的處理。婁善偉等[4]對不同種植密度的棉田小氣候情況進(jìn)行了觀測；任鋒瀟等[5]對不同冠層結(jié)構(gòu)的棉田小氣候情況進(jìn)行了分析。另外，有學(xué)者從翻耕措施調(diào)節(jié)土壤水鹽狀態(tài)的角度對棉花增產(chǎn)的機理做了研究[1,6-7]，發(fā)現(xiàn)翻耕措施可調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)，翻耕深度加深可延長棉花生育周期、提高棉花產(chǎn)量?？梢钥闯?，翻耕措施和小氣候調(diào)節(jié)都對作物增產(chǎn)有積極作用；但是翻耕深度對田間小氣候的調(diào)節(jié)作用相關(guān)研究較少。

農(nóng)田小氣候通過土壤及周圍環(huán)境的溫度、濕度變化進(jìn)行調(diào)節(jié)；而土壤及作物冠層溫度、濕度是由土壤-植物-大氣連通體內(nèi)的熱量和水汽運動共同決定的，它既能反映作物與大氣之間的能量交換，也是影響作物產(chǎn)量的重要因素[8]。犁底層的存在會阻礙耕作層與心土層之間的水、肥、氣、熱連通性，延長水分入滲時間[9-10]；深翻能夠打破土壤犁底層，增加灌溉水分入滲量[11]，提高耕層土壤液相所占比例，減少土壤水分向水平方向擴(kuò)散的量[12-13]，提高水分利用效率[14]，促進(jìn)根系生長[15]。膜下滴灌條件下，農(nóng)田膜外土壤棵間蒸發(fā)量減少,膜內(nèi)土壤雖然有地膜覆蓋，仍能接受太陽的短波輻射，但卻難以向大氣進(jìn)行長波漫射，從而避免了土壤降溫，使土溫升高[16]，有利于作物根系耗水。由于農(nóng)田膜外土壤含水量較少，冠層濕度只能依靠葉片氣孔騰發(fā)進(jìn)行補充，此時土壤的儲水能力對冠層小氣候的影響更加重要。所以膜下滴灌技術(shù)對田間作物小氣候的調(diào)控途徑與傳統(tǒng)種植模式下的調(diào)控途徑不同。

新疆棉花是一種高密度種植作物，植株間冠層小氣候的溫度、濕度受冠層外環(huán)境溫度、土壤水熱氣等多因素的影響；同時株間冠層小氣候的溫度、濕度也是植株水分狀況的間接反映。所以認(rèn)識翻耕深度對棉花冠層小氣候的影響，有利于從農(nóng)田生態(tài)角度揭示深翻措施引起棉花增產(chǎn)的原因。本研究結(jié)果對認(rèn)識翻耕深度促進(jìn)棉花增產(chǎn)的機理有重要意義，對發(fā)展新疆棉花高產(chǎn)技術(shù)有參考價值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2019年4—10月在新疆庫爾勒市普惠農(nóng)場(85°52′E，41°25′N，海拔高度880 m)進(jìn)行，該區(qū)位于天山南麓塔里木盆地東北邊緣，屬孔雀河沖擊平原帶，暖溫帶大陸荒漠氣候，常年干旱少雨、蒸發(fā)強烈，年日照時數(shù)可達(dá)3 000 h。試驗期間測得總降雨量為69 mm；農(nóng)田環(huán)境溫度及大氣濕度指標(biāo)見圖1。試驗地土壤為沙性壤土，田間持水率(質(zhì)量含水率) 28.67%，0～100 cm土層土壤鹽分含量為2.96～8.66 g·kg-1；棉花種植品種為新陸中系列，灌溉方式為膜下滴灌。生育期地下水平均埋深2.45 m。

圖1 試驗期間大氣溫度與濕度變化Fig.1 Variation of atmospheric temperature and humidity during the test period

1.2 試驗設(shè)計

試驗區(qū)總面積約960.48 m2，共分4個試驗小區(qū)，各試驗區(qū)面積均為240 m2。春耕時設(shè)置3種翻耕深度處理，分別為20(T20)、30(T30)、40(T40) cm，以免耕處理(NT)作為對照，每個處理分別設(shè)置3組重復(fù)。對于T20、T30、T40處理，采用傳統(tǒng)犁鏵進(jìn)行春耕，春耕后耙平進(jìn)行棉花種植。NT處理的農(nóng)田不春耕，而是直接種植棉花。試驗期間，對各處理的農(nóng)田均進(jìn)行8次灌水，灌溉定額均為475 mm，具體灌溉方案見表1。

表1 棉花生育期灌溉制度Table 1 Irrigation schedule of cotton during growth period

試驗棉田均于2019年4月16日播種，7月5日對棉花統(tǒng)一進(jìn)行打頂，9月上旬開始采摘。期間噴灑農(nóng)藥控制病蟲害。根據(jù)當(dāng)?shù)孛藁ǚN植及灌溉模式，采用“一膜一管四行”的寬窄行模式進(jìn)行栽培與灌溉，土壤表面覆膜寬度均為115 cm，膜間裸地寬度30 cm，膜內(nèi)棉花寬行間距、窄行間距分別為55、25 cm(圖2)，株距10 cm，種植密度約24.01萬株·hm-2。單翼迷宮式滴灌帶鋪設(shè)于膜下寬行中間位置進(jìn)行灌水，滴灌帶內(nèi)徑16 mm，滴頭間距30 cm，滴頭設(shè)計流量2.2 L·h-1。

圖2 棉花、滴灌管、地膜配置模式示意圖及取樣點位置分布Fig.2 The cotton, drip irrigation pipe, film pattern and sampling point location distribution

1.3 測定指標(biāo)及測定方法

(1)土壤容重的測定。環(huán)刀法測定土壤容重，播種后于每月中、下旬用環(huán)刀(體積100 cm3)測定不同翻耕深度處理下膜內(nèi)位置0～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm等6個土層的土壤容重。每個土層設(shè)置3組重復(fù)，加權(quán)平均值作為最終的有效數(shù)據(jù)。

(2)土壤溫度及植株冠層溫度、濕度的測定。試驗期間采用自動氣象站(中科正奇科技有限公司)監(jiān)測棉花冠層上部(距地面2 m)大氣環(huán)境溫度和濕度。曲管地溫計在膜內(nèi)棉花寬行測定不同翻耕深度處理下的土壤溫度，測定深度分別為5、10、15 cm及20 cm。空氣溫、濕度計測定不同翻耕深度處理的棉花植株近地表冠層溫度及濕度；由于不同翻耕深度處理的棉花株高及冠幅不同，為了便于比較觀測結(jié)果，統(tǒng)一在各處理的棉花寬行(株間)冠層內(nèi)的下部測溫、濕度。為盡量減少人為活動對棉花生長的干擾，分時段測定棉花株間冠層溫度、濕度；測定時段分別選為苗期(06-01—06-02)、蕾期(06-24—06-25)以及花鈴期(07-17—07-18、07-21—07-22)；其中，花鈴期的冠層溫、濕度觀測分別是在灌水前、后實施；每次連續(xù)觀測48 h，每隔2h讀取一次數(shù)據(jù)。

(3)土壤含水率的測定及耗水量的計算。干燥法測定土壤含水率。試驗期間，在每次灌水前后分別于膜內(nèi)寬行、膜內(nèi)窄行及膜間裸地3個位置用土鉆采取土壤樣品，取樣深度分別為0～5、5～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm，具體取樣點分布見圖2。土樣放置在105℃的鼓風(fēng)干燥箱中烘干，然后計算相應(yīng)土層的土壤質(zhì)量含水率值。利用土壤質(zhì)量含水率計算單位面積耕層深度土壤含水量的公式為：

(1)

式中，m為耕層土壤含水量(mm)，n為耕層取樣層數(shù)，γi為第i層土壤干容重(g·cm-3)，Hi為第i層土壤厚度(cm)，θi為第i層土壤在計算時段的土壤質(zhì)量含水率(%)。

作物生育期內(nèi)的耗水量由水量平衡公式計算[17]。

(2)

式中,ET1-2為計算時段內(nèi)耗水量(mm)，θi1、θi2為第i層土壤在計算時段始末的土壤質(zhì)量含水率(%)，M、P、K、C分別為階段內(nèi)灌水量、降雨量、地下水補給量和排水量(mm)。

由于計算時段內(nèi)未進(jìn)行灌水，不會產(chǎn)生深層滲漏，地下水對土壤水的補給均可忽略，且新疆南疆地區(qū)蒸發(fā)強度大，單次降雨量較小，幾乎對土壤含水率不產(chǎn)生直接影響，故(2)式可簡化為：

(3)

(4)棉花生長狀況調(diào)查。在各處理的試驗小區(qū)內(nèi)選取長勢均勻且具有代表性的區(qū)域定3個測點，每個測點選取10株棉花(內(nèi)、外行各5株)，每個處理共計30株棉花。在棉花鈴期(8月中旬)測定株高、莖粗、果枝數(shù)、鈴數(shù)等指標(biāo)。各指標(biāo)所得數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值作為最終的有效數(shù)據(jù)。

(5)棉花籽棉產(chǎn)量的計算。棉花進(jìn)入吐絮期后，在各處理小區(qū)隨機選取100個棉鈴采摘棉絮，精度為0.01 g的電子天平稱量百鈴絮重；再根據(jù)各處理的實際棉花有效株占比計算棉花的籽棉理論產(chǎn)量，具體公式為：

Y=0.001c×g×ρ×ξ

(4)

式中，Y為籽棉產(chǎn)量(kg·hm-2)，c為平均單株棉鈴數(shù)(個·株-1)，g為平均單鈴絮的質(zhì)量(g),ρ為種植密度(株·hm-2),ξ為有效株占比(%)，是單位面積有效株數(shù)與種植密度之比。

(6)水分利用效率計算。基于灌水量的水分利用效率(WUE)計算公式為：

(5)

式中，Y為產(chǎn)量(kg·hm-2)，I為灌水量(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 2018、Excel 2003、SPSS 20.0等工具完成相應(yīng)試驗數(shù)據(jù)分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 翻耕深度對土壤容重的影響

土壤容重動態(tài)在一定程度上反應(yīng)了翻耕后土壤結(jié)構(gòu)的變化特征，其數(shù)值的變化影響著土壤水分運動和熱量的傳輸與轉(zhuǎn)化過程[18]。由圖3可以看到，隨著棉花生育期的推進(jìn)，NT處理的各層土壤容重始終保持在較高的值，翻耕措施降低了耕層土壤容重。生育期內(nèi)的灌水作用及農(nóng)田機械作業(yè)又使不同翻耕深度處理的各層土壤容重不斷增大，至生育期結(jié)束后，各處理的土壤容重基本趨于穩(wěn)定。

注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。Note: Different letters indicate significant difference between treatments (P<0.05), the same below.圖3 不同翻耕深度處理下土壤容重Fig.3 Soil bulk density in different tillage depth

受春耕時翻耕深度的影響，春耕后(4月18日)測得不同翻耕深度處理的各土層容重有所差異(圖3a)。NT處理的土壤容重始終最大，0～60 cm土層的平均土壤容重為1.52 g·cm-3。翻耕處理(T20、T30、T40)在耕層范圍內(nèi)土壤較為疏松，土壤容重較小，相應(yīng)的平均土壤容重分別為1.22、1.25、1.26 g·cm-3；耕層以下深度的土壤容重則較大，對應(yīng)的平均土壤容重分別為1.48、1.51、1.5 g·cm-3。

隨著棉花生育期的推進(jìn)，受灌水及農(nóng)田機械作業(yè)的影響，翻耕處理各層土壤逐漸變密實。5月中旬測得不同翻耕深度處理的各土層(0～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm)土壤容重分別比春耕后增加4.62%、4.01%、2.30%、2.35%、1.22%、0.27%(圖3b)；6月分別比春耕后增加7.56%、6.07%、5.22%、4.10%、4.00%、0.91%(圖3c)。進(jìn)入6月中旬之前沒有灌水，僅有簡單的農(nóng)田管理活動，但上層土壤容重的變化率仍大于下層土壤。7月進(jìn)入棉花花鈴期，也是棉花灌水的關(guān)鍵期，深翻處理的土壤容重依然最小；各處理(NT、T20、T30、T40)下，0～60 cm土層范圍內(nèi)的平均土壤容重分別為1.54、1.43、1.41、1.39 g·cm-3(圖3d)。8月觀測到的不同翻耕深度處理20 cm以下土層的土壤容重已趨于穩(wěn)定，與NT處理相差不大；而20 cm以上土層的土壤容重與NT處理相比仍存在差異(圖3e)。各翻耕處理(T20、T30、T40)20 cm以上土層的平均土壤容重分別比NT處理低7.91%、6.51%、6.30%。說明農(nóng)田管理活動及灌水作用雖然對上層土壤容重的變化產(chǎn)生影響，但下層土壤的密實速度要快于上層土壤。這可能是由于灌水后上層土壤重量增大，對下層土壤產(chǎn)生的壓力增加，導(dǎo)致下層土壤逐漸密實。9月下旬棉花進(jìn)入吐絮期，不同翻耕深度處理的各土層土壤容重基本相同，上層土壤容重依然比下層小，但差異性比春耕前明顯降低(圖3f)。全生育期內(nèi)，各處理(T20、T30、T40)40 cm以上土層的平均土壤容重分別比NT處理低7.89%、9.21%、13.33%。

2.2 翻耕深度對農(nóng)田耗水量的影響

翻耕深度引起土壤容重的變化對作物耗水能力產(chǎn)生影響。在棉花苗期、蕾期、花期及鈴期內(nèi)各選取一次灌水間隔期觀測到的土壤含水率，利用式(3)計算出不同翻耕深度處理下膜內(nèi)及膜外位置的農(nóng)田耗水量(圖4)。

灌水后及下次灌水前土壤含水量的差值可間接反映植株的耗水情況。棉花在不同生育階段均呈現(xiàn)深翻處理農(nóng)田耗水量大于淺翻及免耕處理的情況。苗期T20、T30、T40處理的膜內(nèi)、外農(nóng)田總耗水量分別是NT處理的1.49、1.58、1.62倍(圖4a)，蕾期對應(yīng)的數(shù)值分別為1.05、1.18、1.26倍(圖4b),花期對應(yīng)的數(shù)值分別為1.44、1.61、1.75倍(圖4c),鈴期對應(yīng)的數(shù)值分別為1.21、1.33、1.46倍(圖4d)。對于選取的4個生育階段，T20、T30、T40處理的農(nóng)田總耗水量分別是NT處理的1.30、1.42、1.52倍。

圖4 翻耕深度對棉花不同生育期農(nóng)田耗水量的影響Fig.4 Effects of the plowing depth on soil water consumption in different growth stages of cotton

另外，膜內(nèi)土壤被薄膜覆蓋，有效降低了表土蒸發(fā)，但不同生育階段膜內(nèi)位置的農(nóng)田耗水量均高于膜外的農(nóng)田耗水量。苗期各處理(NT、T20、T30、T40)膜內(nèi)位置的農(nóng)田耗水量分別是膜外的2.09、2.21、1.79、1.81倍，蕾期對應(yīng)的指標(biāo)為2.61、2.75、3.76、4.56倍，花期對應(yīng)的指標(biāo)分別為2.20、2.72、3.44、4.20倍，鈴期對應(yīng)的指標(biāo)分別為3.02、2.40、3.31、3.32倍；對于選取的4個棉花生育階段，各處理(NT、T20、T30、T40)膜內(nèi)位置的農(nóng)田總耗水量分別是膜外的2.48、2.52、3.08、3.47倍。由此可以推測，棉株從膜內(nèi)土壤中消耗的水分對冠層小氣候的調(diào)控作用應(yīng)該大于膜外土壤的水分蒸發(fā)對冠層小氣候的調(diào)控作用。

2.3 翻耕深度對土壤溫度的影響

選取棉花苗期(06-01—06-02)的土壤溫度為研究對象，發(fā)現(xiàn)地溫依賴于氣溫的變化而變化，受大氣溫度的影響，不同翻耕深度處理的土壤晝夜溫度變化基本呈正弦分布。各土層土壤的日間溫度變幅均大于夜間，峰值出現(xiàn)的時間隨土層深度的增加呈現(xiàn)延遲；受氣溫影響，靠近地表的土層溫度變幅大于下層土壤的溫度變幅(圖5)。土壤日積溫隨翻耕深度的增加也逐漸增大(表2)。

表2 不同翻耕深度處理土壤日積溫/℃Table 2 Daily accumulated temperature of soil treated with different tillage depth

土壤溫度變化是土壤隨太陽輻射和大氣溫度的變化而吸收和釋放能量的過程。但是，膜下滴灌條件下，地膜阻隔了土壤與大氣之間的直接熱量交換。陽光可以穿過地膜輻射到土壤表面，提高地溫；當(dāng)大氣降溫時，地膜表面溫度降低，使大量水汽在膜內(nèi)表面凝結(jié)[19]，吸收了熱量，凝結(jié)水滲入表土，導(dǎo)致膜內(nèi)表土溫度低于大氣溫度(圖5)。觀測結(jié)果表明，8∶00—18∶00為5～10 cm土層土壤溫度的上升階段，NT處理下該土層平均增溫12.95℃(圖5a),各翻耕處理(T20、T30、T40)的相應(yīng)數(shù)值分別為16.65℃、15.10℃、15.85℃(圖5b、5c、5d)。20∶00至次日8∶00為5～10 cm土層溫度的下降階段；NT處理下，該土層的平均溫度降幅為10.90℃,各翻耕處理(T20、T30、T40)的相應(yīng)數(shù)值分別為13.55℃、13.25℃、13.00℃。各處理、各層土壤日間溫度的增幅均大于其夜間溫度的降幅，總體上，土壤處在增溫狀態(tài)。

圖5 不同翻耕深度處理下棉花苗期各層土壤溫度Fig.5 Different plowing depth on temperature in different soil layer of cotton in seeding stage

對不同翻耕深度處理下的棉花苗期各土層日間溫度情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)NT處理的各土層日間溫差小于各翻耕處理1.67℃～2.00℃，但是各翻耕處理之間的土層日間溫差相差不大。隨著翻耕深度的增加，各土層的日均溫由23.06℃～26.53℃增加到25.02℃～28.64℃。日積溫也隨翻耕深度的增加而增大，T20、T30、T40處理所對應(yīng)的0～20 cm土層的日總積溫量分別比NT處理高214.50℃、322.60℃、408.00℃。

2.4 翻耕深度對棉花株間冠層濕度的影響

大氣濕度隨溫度的變化呈雙峰型日變化，規(guī)律與溫度變化相反。清晨及夜間大氣濕度高、溫度低，而日間大氣濕度低、溫度高。棉花株間近地表冠層濕度的變化規(guī)律雖然與冠層上部大氣濕度的變化規(guī)律類似，但是，冠層蒸騰作用及地表蒸發(fā)作用使得近地表冠層濕度大于大氣濕度(圖6)。

植株的阻力作用可降低冠層內(nèi)風(fēng)速，導(dǎo)致冠層內(nèi)水汽擴(kuò)散慢，濕度大[20]。棉花苗期，冠層小且根系淺，地膜表層可直接接受太陽輻射，48 h內(nèi)平均地表溫度比環(huán)境溫度高0.77 ℃。由于冠層蒸騰量較低，農(nóng)田土壤也沒有進(jìn)行灌水，所以，測得棉花苗期的株間近地表冠層濕度與冠層上部大氣濕度差異不大，且不同翻耕深度處理的近地表冠層濕度差異性也不大(圖6a)。觀測期內(nèi),大氣濕度為23.83%，NT、T20、T30、T40處理對應(yīng)的近地表平均冠層濕度分別為25.80%、26.08%、25.84%、25.76%。

圖6 不同翻耕深度處理下棉花不同生育階段冠層溫度、濕度Fig.6 Cotton canopy temperature and humidity in different growth stage under different plowing depth

進(jìn)入灌水期后，棉花冠層覆蓋面相對較大，阻礙了光線直接照射地表，降低了地表溫度及近地表冠層的水汽擴(kuò)散量；各翻耕深度處理的近地表冠層濕度均大于大氣濕度。蕾期(圖6b)，各處理(NT、T20、T30、T40)對應(yīng)的日平均近地表冠層濕度分別比大氣濕度高3.68%、12.04%、13.96%、16.64%?；ㄢ徠?圖6c)，在灌水之前由于土壤含水率相對較低，蒸發(fā)蒸騰量大為減少，各翻耕深度處理的近地表冠層濕度變化規(guī)律與大氣濕度變化規(guī)律基本一致，各處理的平均近地表冠層濕度比大氣濕度高6.36%～12.12%。灌水之后(圖6d)，土壤水分得到有效補充，土壤貯存的水量能夠充分保證作物的蒸發(fā)蒸騰，各處理的日平均近地表冠層濕度比大氣濕度高10.48%～23.40%;而且，隨著翻耕深度的增加，膜內(nèi)貯水量更大，供給蒸騰所需的水分也更為充足，導(dǎo)致冠層濕度較高。灌水后(07-21—07-22)，各處理(NT、T20、T30、T40)的日平均近地表冠層濕度分別比大氣濕度高10.48%、20.60%、21.64%、23.40%，分別比灌水前(07-17—07-18)的相應(yīng)數(shù)值高4.13%、9.85%、10.61%、11.21%。全生育期內(nèi)，各處理(T20、T30、T40)的平均近地表冠層濕度分別比NT處理高12.83%、14.49%、17.55%。

2.5 翻耕深度對棉花生長狀況及產(chǎn)量的影響

作物生長狀況受品種、氣象狀況、翻耕深度、施肥狀況等綜合作用的影響[21～23]。在其他影響因素均相同的條件下，翻耕深度導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)及溫、濕度變化對植株各生長階段都有影響。對不同翻耕深度處理的膜下滴灌棉花各生育階段進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表3。

表3 翻耕深度對棉花生育期的影響/dTable 3 Effects of tillage depth on cotton growth period

翻耕處理較高的儲熱能力顯著縮短了棉花播種-出苗階段的時間，各翻耕處理(T20、T30、T40)的播種-出苗期分別比NT處理提前2、6、4 d。出苗后，翻耕處理的各生育期進(jìn)程明顯減慢，出苗-現(xiàn)蕾期時間延長的最為明顯，各處理(T20、T30、T40)分別比NT處理延長1、7、8 d。盛鈴-吐絮期也有所延長，分別比NT處理延長2、3、7 d。各翻耕處理(T20、T30、T40)的棉花全生育期分別比NT處理長10、16、23 d。這與郭仁松等[2]通過對棉田土壤進(jìn)行不同翻耕深度處理研究，得出深翻處理延長了棉花全生育期的結(jié)論一致。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生不僅與土壤水汽上升速率及儲水能力有關(guān)，也與棉花不同生育階段的耗水能力有關(guān)。出苗-現(xiàn)蕾期為棉花的營養(yǎng)生長階段，翻耕深度的增加會加速下層土壤水汽的上升速度來供給植株營養(yǎng)生長所需水量；淺耕處理由于未打破犁底層，水汽供給不足，導(dǎo)致生育階段提前；進(jìn)入灌水期后，翻耕深度的增加會提高膜內(nèi)土壤的儲水能力，但棉花生長后期的耗水能力有所降低[24]，使得深翻處理下棉花的盛鈴-吐絮階段有所延長。

不同的翻耕處理所產(chǎn)生的土壤水熱狀況以及田間小氣候狀況不同，進(jìn)而導(dǎo)致棉花的生長狀態(tài)也出現(xiàn)差異。棉花的有效株占比、株高、果枝數(shù)以及籽棉產(chǎn)量等指標(biāo)都隨翻耕深度的增加呈增大趨勢(表4)。

表4 翻耕深度對棉花生長、產(chǎn)量和水分利用效率的影響Table 4 Effects of tillage depth on cotton growth, yield and water use efficiency

由于棉花苗期的耐旱和耐鹽能力最弱[25]，深翻措施可降低表土鹽分含量[1]、提高土壤溫度，有利于棉花根系生長，所以，各翻耕處理(T20、T30、T40)的棉苗有效株占比分別比NT處理高26.36、28.71、29.05個百分點。

棉花株高隨翻耕深度的增加而增高，T20、T30、T40處理的棉花株高分別比NT處理高3.51、8.97、14.86 cm。受株高影響，果枝數(shù)及結(jié)鈴數(shù)也隨翻耕深度的增加而增多。T20、T30、T40處理的果枝數(shù)分別比NT處理多0.23、0.43、0.73臺果枝；T40處理的結(jié)鈴數(shù)分別比T20、T30處理多0.9、0.6個棉鈴；NT處理由于出苗率低，生長空間相對較大，導(dǎo)致結(jié)鈴數(shù)處在中上水平。棉花產(chǎn)量性狀提高，產(chǎn)量也隨翻耕深度的增加而提高，T20、T30、T40處理的棉花產(chǎn)量分別比NT處理高670.68、1 252.67、1 584.02 kg·hm-2；水分利用效率分別比NT處理高16.09%、31.03%、39.08%。

3 討 論

棉花生長過程中，根系從土壤中吸取水分，再通過葉片氣孔蒸散到大氣中去，形成土壤-植物-大氣水分連續(xù)循環(huán)(SPAC)。土壤孔隙率增大不僅可以增加土壤蓄水能力，還可以提高土壤儲存能量的能力[26]。宋家祥等[27]研究得出，土壤容重在1.2～1.4 g·cm-3時最適合棉花根系生長和充分發(fā)揮根系生產(chǎn)力。本研究通過對不同翻耕深度處理下的棉花生長指標(biāo)及不同生育階段的土壤容重和孔隙率進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)隨著翻耕深度的增加，土壤容重降低，相應(yīng)的棉花冠層小氣候指標(biāo)和棉花產(chǎn)量等指標(biāo)都向促進(jìn)棉花增產(chǎn)的方向發(fā)展。

棉花作為喜溫植物，土壤溫度在整個棉花生育過程起著重要作用。Kim等[28]研究得出，土壤溫度是影響土壤水分運動、植株生長的最主要原因之一，較高的土壤積溫對作物產(chǎn)量的提高也有促進(jìn)作用。Wang[29]通過8年的試驗結(jié)果得出，土壤溫度的提高可以降低水分的表面張力，有利于作物根系對土壤水分的吸收，促進(jìn)作物生長。有研究表明，棉花根系生長最適宜的土壤溫度為25℃左右[30]，本文試驗中觀測到，免耕處理的土壤日均溫基本都在25℃以下，而翻耕深度40 cm處理的土壤日均溫在25℃以上，因此深翻處理增大了棉花根系對土壤水分的吸收能力，使對應(yīng)的棉花株高、果枝數(shù)及產(chǎn)量也都高于淺耕及免耕處理。

植物蒸騰的水分有相當(dāng)部分由根系吸自較深土層，而裸地蒸發(fā)的水分主要來自于表土[31]。Stirzaker等[32]研究發(fā)現(xiàn)，疏松的土壤結(jié)構(gòu)能夠使根系獲取到更多的水分；康紹忠等[33]研究認(rèn)為蒸發(fā)蒸騰通量中大部分水汽都是由植株蒸騰來提供。而膜下滴灌技術(shù)的最大特點是將大量水分聚集于膜內(nèi)供植物吸收，深翻后又能夠提高膜內(nèi)耕層土壤含水率來供給植株蒸騰，提高了冠層空氣與土壤間水汽傳輸，且較高的葉面覆蓋率降低了棉花下部的水汽擴(kuò)散速率，導(dǎo)致深翻條件下的棉花近地表冠層濕度較大。

劉茍晚等[34]從影響植株生長的水環(huán)境及容重角度出發(fā)進(jìn)行研究，得出水分對植物生長的影響大于土壤容重產(chǎn)生的機械阻力對植株根系生長的影響的結(jié)論。而農(nóng)田小氣候主要通過水分進(jìn)行調(diào)節(jié)，本研究結(jié)果表明，深翻處理下的植株根系向深層土壤中分布的量增多，增加了植株耗水，根據(jù)土壤-植物-大氣連續(xù)體內(nèi)的水量平衡原理[33]，土壤中的水分由植物根系吸收擴(kuò)散到大氣中，耗水量的增加使農(nóng)田冠層濕度隨翻耕深度的增加而增大。新疆處于大陸性干旱地區(qū)，晝夜溫差較大，南疆地區(qū)這種現(xiàn)象更加明顯，且南疆大面積農(nóng)田處于荒漠邊緣地帶，空氣濕度常年較低，但這些地區(qū)都普遍采取膜下滴灌技術(shù)進(jìn)行作物種植。那么，在農(nóng)田灌水定額一致的條件下，翻耕深度的增大對調(diào)節(jié)農(nóng)田小氣候有促進(jìn)作用，深翻處理的棉花產(chǎn)量顯著高于免耕或淺翻處理(表4)。另外，翻耕深度的變化導(dǎo)致土壤熱擴(kuò)散率及熱通量等方面呈現(xiàn)差異，翻耕深度的增加使得地積溫升高，導(dǎo)致根系對離子吸附能力的影響更值得探究。

4 結(jié) 論

1)翻耕深度的增大能夠增強膜內(nèi)耕層土壤的儲熱能力。苗期，T20、T30、T40處理所對應(yīng)的0～20 cm土層的日總積溫量分別比NT處理高214.50℃、322.60℃、408.00℃。

2)深翻能夠增強膜內(nèi)植株耗水，降低膜外土壤蒸發(fā)，棉株從膜內(nèi)土壤中消耗的水分對冠層小氣候的調(diào)控作用大于膜外土壤的水分蒸發(fā)對冠層小氣候的調(diào)控作用。NT、T20、T30、T40處理膜內(nèi)位置的農(nóng)田耗水量分別是膜外位置農(nóng)田耗水量的2.48、2.52、3.08、3.47倍；全生育期內(nèi)，T20、T30、T40處理的膜內(nèi)、外農(nóng)田總耗水量分別是NT處理的1.30、1.42、1.52倍。

3)深翻導(dǎo)致農(nóng)田耗水量的增加使冠層濕度增大，對改善田間小氣候、延長作物生長周期、提高棉花產(chǎn)量效果明顯。全生育期內(nèi)，各翻耕處理(T20、T30、T40)的近地表平均冠層濕度分別比NT處理高12.83%、14.49%、17.55%，棉花全生育期分別比NT處理長10、16、23 d，對應(yīng)的棉花產(chǎn)量分別比NT處理高670.68、1 252.67、1 584.02 kg·hm-2。