劉海軍,張 昊 ,王一帆,陳茂光,吳鳳全,林 濤,湯秋香

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/棉花教育部工程研究中心,烏魯木齊 830052;2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所,烏魯木齊 830091;3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081;4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部荒漠綠洲作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國最大棉區(qū)[1],2019年新疆覆膜種植面積達到351×104hm2,覆膜率已經(jīng)達到100%[2-3]。改進普通PE地膜質(zhì)量,可提高其在棉花收獲后的可回收性。瞿金平等[4]研究出一種“全回收高性能增產(chǎn)地膜”(以下簡稱高堡膜),在使用前后的性能指標(biāo)整體上均高于傳統(tǒng)PE地膜,且具有較好的回收效果。其在棉花生產(chǎn)中對棉花生長發(fā)育及產(chǎn)量的形成的影響因素尚不清晰,設(shè)置不同覆蓋材料和灌溉量,對研究高堡膜在新疆棉花生產(chǎn)上的功能特點及其相配套的灌溉措施有實際意義?！厩叭搜芯窟M展】覆膜種植具有顯著節(jié)水、保溫的作用[5],地膜的保溫作用進一步促進了土壤水分的利用[6]。覆膜種植的棉花苗期株高、莖粗均明顯大于裸地種植,且覆膜有利于棉花早發(fā)育早成熟,其蕾鈴數(shù)相比裸地棉花發(fā)育較早[7]。但是蕾期灌水或降水過后,裸地棉花水分脅迫消除,棉花株高快速增長,其增長速度甚至高于覆膜棉花[8],干物質(zhì)積累量也隨之增加。高勝等[9]研究認(rèn)為,覆膜棉花的總鈴數(shù)高于裸地種植。相比裸地種植,覆膜棉花有利于生長發(fā)育,促進營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)化,延長棉花花鈴期,進而增加棉花產(chǎn)量。高堡膜機械性能、耐候性能和光學(xué)性能優(yōu)異,使用過程中具有更優(yōu)的保溫保墑效果,能夠提高棉田0～5 cm土層的土壤溫度0.1～0.3℃,且透濕量為20.7～35.7 g/(m2·d),加快棉花出苗、生長、開花等,最終使棉花產(chǎn)量約提高10～20 kg/667m2,具有較高經(jīng)濟效益[10]?！颈狙芯壳腥朦c】目前,國內(nèi)有關(guān)高堡膜在棉花生產(chǎn)上的功能特點尚不清晰,與普通PE地膜的保溫/保濕性能不同,生產(chǎn)上也缺乏與之相配套的灌溉管理措施。需研究不同覆蓋材料和灌溉量對機采棉產(chǎn)量形成及有效積溫生產(chǎn)效率的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用大田試驗,研究不同覆蓋材料對棉田土壤溫度、干物質(zhì)積累與分配、積溫利用效率及產(chǎn)量的影響,分析不同覆蓋材料和與之相適應(yīng)的灌溉量所對應(yīng)的高效灌溉措施,為新疆南疆棉田綠色可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2021年在新疆阿克蘇地區(qū)沙雅縣海樓鎮(zhèn)(N 41°17′,E 82°42′,海拔897 m)進行。該區(qū)年均降水量47.3 mm,年均蒸發(fā)量2 000.7 mm,年日照時數(shù)3 031.2 h,年均氣溫10.7℃,最高氣溫30.9℃,最低氣溫-13.7℃,無霜期214 d。試驗區(qū)土壤質(zhì)地為沙質(zhì)壤土,耕層范圍內(nèi)平均有機質(zhì)含量9.8 g/kg、全氮0.6 g/kg、堿解氮39.5 mg/kg、速效磷18.1 mg/kg、速效鉀111.9 mg/kg,容重1.5 g/cm3,土壤pH 8.3。

供試棉花品種為J206-5,由新疆金豐源種業(yè)股份有限公司提供,播種日期為5月18日。高堡膜和普通PE地膜厚度均為0.01 mm,寬度為2.05 m,地表覆蓋度約為80%。每個小區(qū)第1、3幅膜為保護行,第2幅膜為調(diào)查取樣小區(qū)。滴灌帶間距38 cm,滴頭間距25 cm,滴頭設(shè)計流量2.1 L/h,各小區(qū)單獨安裝水表和開關(guān),單獨控水。6月中下旬開始灌溉,8月中旬灌溉結(jié)束,灌溉頻率7 d/次,共計10次,其他日常管理同大田。2021年棉花生育期劃分:苗期(5月21日～6月18日)、蕾期(6月19日～7月13日)、花鈴期(7月14日～8月24日)、吐絮期(8月25日～9月25日)、全生育期 (5月21日～9月25日)。

試驗地膜產(chǎn)品為某企業(yè)研制的采用新型擠出設(shè)備及成型工藝,結(jié)合配方技術(shù)生產(chǎn)的“全回收高性能增產(chǎn)地膜”(高堡膜),由麥蓋提星聯(lián)科技農(nóng)膜有限公司生產(chǎn),普通PE地膜由新疆阿克蘇地區(qū)沙雅縣地膜廠生產(chǎn)。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

采用裂區(qū)試驗設(shè)計,以覆蓋材料為主區(qū),裸地(A1)為對照、設(shè)置高堡膜覆蓋(A2)和普通PE地膜覆蓋(A3)2個覆蓋材料;以灌溉量為副區(qū),設(shè)置3 150 m3/hm2(W1)、4 050 m3/hm2(W2)、4 950 m3/hm2(W3)3個灌溉量,共計9個處理,每個處理重復(fù)3次,小區(qū)長9.5 m,寬6.9 m,小區(qū)面積65.55 m2,各小區(qū)由3個播幅組成。采用1膜3管6行機采棉種植模式,株行配置[(10+66+10)+66]cm+11 cm,理論種植密度22.5×104株/hm2。

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 干物質(zhì)積累與分配

在試驗田內(nèi)選擇長勢均勻具有代表性的區(qū)域設(shè)置取樣小區(qū)。在棉花苗期、蕾期、花期、鈴期和吐絮期選擇長勢均勻具有代表性植株5株,并將其分解成根、莖、葉、蕾鈴花,并105℃殺青30 min,80℃烘干至恒重,稱其干物質(zhì)重量。

各生育階段干物質(zhì)積累量=階段末干物質(zhì)積累量-階段初干物質(zhì)積累量;

各器官的干物質(zhì)分配比例(%)=各器官的干物質(zhì)積累量/植株總干物質(zhì)積累量×100。

1.2.2.2 土壤溫度

采用 MicroLite 5032P U(Fourtec-Fourier公司,以色列)盤式自動地溫計(溫度范圍:-30～80℃、誤差±0.3℃,溫度分辨率:0.1℃)進行測定。在每小區(qū)棉花寬行中間膜10 cm土層采集。采集時間為棉花播種期至收獲期,采樣間隔每隔1 h,采集位點位于每小區(qū)棉花寬行中間膜下10 cm的土層深度。

1.2.2.3 土壤有效積溫

有效積溫計算方法[11-12]:

Ti=Tiavg-Tbase.

式中,Ti表示從播種之后的第1 d到第id的土壤有效積溫(℃·d);Tiavg表示土壤的日平均溫度(℃);Tbase為棉花的基點溫度,選取12℃,12℃以上的溫度才是棉花生長發(fā)育的有效溫度。

1.2.2.4 產(chǎn) 量

測產(chǎn)時間為棉花吐絮期,測產(chǎn)時在各小區(qū)隨機挑選3個2.27 m×2.93 m大小的樣方,記錄其株數(shù)和結(jié)鈴數(shù)并計算單株結(jié)鈴數(shù)。每小區(qū)隨機取30株棉株,分上中下部分各取30朵棉花,曬至恒重后測其單鈴質(zhì)量、籽棉產(chǎn)量,軋花后測其皮棉產(chǎn)量、衣分。

有效積溫生產(chǎn)效率(kg/(hm2·℃·d))=單位面積籽棉產(chǎn)量/作物生育期≥12℃有效積溫。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2007和DPS 7.05軟件進行統(tǒng)計與分析,采用最小顯著性差異LSD法進行顯著性測驗。采用Sigmaplot V.12.5(Systat Software,Inc ,USA)進行進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉量下覆蓋材料對棉田土壤溫度的影響

研究表明,土壤溫度隨著時間的變化呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。棉花播種后15 d,3種覆蓋材料的棉田平均土壤溫度分別為26.75、29.14和28.94℃,A2較A1和A3處理分別高2.39、0.2℃。在蕾期,A2處理的棉田平均土壤溫度為25.51℃,較A1和A3處理分別高1.4、0.31℃?；ㄆ诘酵滦跗?隨著灌溉量增加,土壤溫度逐漸降低,各覆蓋材料的土壤溫度無顯著性差異。棉花生長前期,灌溉量對棉田土壤溫度無影響,覆蓋材料對棉田土壤溫度影響較大,且高堡膜覆蓋相較于裸地和普通PE地膜覆蓋具有更好的增溫效果,可促進棉花的生長。圖1

注:A1-裸地;A2-高堡膜覆蓋;A3-普通PE地膜覆蓋,下同

2.2 不同覆蓋材料和灌溉量對棉田有效積溫的影響

研究表明,苗期、蕾期和全生育期的有效積溫受覆蓋材料影響顯著,花鈴期的有效積溫受覆蓋材料和灌溉量交互作用影響顯著,隨著灌溉量的增加,不同覆蓋材料的棉田有效積溫呈低-高-低的變化趨勢。W1灌溉量下,A2、A3處理較A1處理分別在苗期和蕾期均表現(xiàn)為差異顯著,A2處理較A1處理有效積溫增幅較大,分別增加22.17和16.47(℃·d)。W2灌溉量下,苗期和蕾期的有效積溫均表現(xiàn)為A3>A2>A1,A3處理較A1處理分別增加26.84和16.50(℃·d);W3灌溉量下,苗期和蕾期的有效積溫變化情況分別同W2、W1灌溉量的變化趨勢相似。在W1和W2灌溉量下,不同覆蓋材料間全生育期有效積溫差異顯著,3個不同灌溉量中,A2和A3處理的全生育期有效積溫均高于A1處理。在二者互作條件下,通過減量灌溉,覆蓋高堡膜可提高棉田有效積溫,促進棉花的生長發(fā)育。表1

表1 不同覆蓋材料和灌溉量下棉田有效積溫變化

2.3 不同覆蓋材料和灌溉量對棉花干物質(zhì)積累的影響

研究表明,隨著生育進程的推進,各處理的干物質(zhì)積累量在逐漸增加,并呈現(xiàn)低-高-低的變化趨勢,苗期到蕾期增長緩慢,蕾期到鈴期增長加快,進入吐絮期后生長緩慢。W1灌溉量下,各處理在苗期的干物質(zhì)積累量差異顯著,苗期干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為A2>A3>A1,A2處理較A1和A3處理分別增加107.14%和41.20%;W2灌溉量下,各處理在蕾期的干物質(zhì)積累量差異顯著,吐絮期干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為A3>A2>A1,A3處理較A1和A2處理分別增加16.84%和3.15%;W3灌溉量下,各處理在苗期的干物質(zhì)積累量差異顯著,吐絮期干物質(zhì)積累量變化情況與W1灌溉量表現(xiàn)一致。灌溉量對棉花生長前期干物質(zhì)積累量影響較小,在生育后期,隨著灌溉量的增加,棉花干物質(zhì)積累速率加快。圖2

注(Note):Sd-苗期 Seedling; Bd-蕾期 Bud stage; Fl-花期 Flower opening stage; Fb-鈴期 Full bolling stage; Bo-吐絮期 Boll opening stage.

3種不同的灌溉量下,A2和A3處理的棉花干物質(zhì)最大生長速率和特征值高于A1處理。干物質(zhì)快速積累的時間出現(xiàn)在苗期后73～85 d,維持快速積累的時間段為50～59 d。W1灌溉量下,A2處理較A1和A3處理的最大生長速率快、特征值增大、持續(xù)時間較長。W2灌溉量下,A3處理較A1和A2處理的特征值增大、持續(xù)時間較長。W3灌溉量下,A1處理的最大生長速率、特征值和持續(xù)時間均低于A2和A3處理。隨著灌溉量增加,裸地的干物質(zhì)最大生長速率逐漸增大,彌補了前期有效積溫的不足,促進干物質(zhì)的積累。當(dāng)灌溉量不足時,覆蓋高堡膜有利于棉花干物質(zhì)的快速積累。表2

表2 棉花干物質(zhì)積累的Logistic函數(shù)生長模型及相關(guān)參數(shù)

2.4 不同覆蓋材料和灌溉量對棉花干物質(zhì)分配的影響

研究表明,棉花干物質(zhì)在根和蕾鈴花中的分配量受二者交互作用影響顯著,隨著灌溉量的增加,根的分配量逐漸減少,蕾鈴花的分配量逐漸增加。莖葉分配量受不同覆蓋材料和灌溉量的影響顯著,灌溉量增加,莖葉分配量逐漸增多,且高堡膜和普通PE地膜覆蓋處理的莖葉分配量相較于裸地逐漸增多。W1灌溉量下,根的分配量表現(xiàn)為A1>A2>A3,A2和A3處理的莖葉分配量較A1處理分別高12.0%和20.6%,蕾鈴花分配量表現(xiàn)為A2>A3>A1,A1較A2處理相比減少45.6%。W2和W3灌溉量下,A2和A3處理的根、莖葉的分配量均大于A1處理。在二者互作條件下,通過減量灌溉和覆蓋高堡膜,更有利于收獲期棉花干物質(zhì)的分配,使生殖器官的干物質(zhì)分配量增多,促進棉花高產(chǎn)。表3

表3 不同覆蓋材料和灌溉量下棉花收獲期生物量在不同器官中分配變化

2.5 不同覆蓋材料和灌溉量對棉花產(chǎn)量的影響

研究表明,棉花產(chǎn)量形成受覆蓋材料和二者交互作用影響顯著,隨著灌溉量的增加,A1處理的籽棉產(chǎn)量逐漸增加,但A2和A3處理的籽棉產(chǎn)量逐漸下降。其中在W1灌溉中,籽棉產(chǎn)量表現(xiàn)為A2>A3>A1, A2處理較A3和A1處理分別高311.70、2 360.33 kg/hm2。在W1和W2灌溉量下,各覆蓋材料間的單株結(jié)鈴數(shù)差異顯著。單鈴重與籽棉產(chǎn)量的變化趨勢基本一致。在有效積溫生產(chǎn)效率方面,受覆蓋材料和二者交互作用影響顯著,隨著灌溉量的增加,A2和A3處理的有效積溫生產(chǎn)效率逐漸降低,A1處理的有效積溫生產(chǎn)效率在逐漸升高。在W1灌溉量下,A2處理的有效積溫生產(chǎn)效率最高為4.58 kg/(hm2·℃·d),較A1和A3處理分別高出57.39%和8.02%,W2灌溉量下,不同覆蓋材料之間有效積溫生產(chǎn)效率差異不顯著,W3灌溉量下,有效積溫生產(chǎn)效率表現(xiàn)為A1>A3>A2。在二者互作條件下,采用減量灌溉,覆蓋高堡膜,可提高棉花產(chǎn)量和有效積溫生產(chǎn)效率。表4

表4 不同覆蓋材料和灌溉量下棉花產(chǎn)量及有效積溫利用效率變化

2.6 棉田有效積溫與干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的關(guān)系

研究表明,棉花干物質(zhì)積累量、籽棉產(chǎn)量與棉田有效積溫之間具有一定的相關(guān)性。在3個灌溉量下,干物質(zhì)積累量隨有效積溫的增加而增加,均為線性正相關(guān)關(guān)系,回歸擬合決定系數(shù)高于0.78。在W1和W3灌溉量下,A3處理最高,A1處理居中,A2處理最低。W1灌溉量下,干物質(zhì)積累的表現(xiàn)為A1>A2>A3。當(dāng)有效積溫在1 200(℃·d)時,覆蓋高堡膜或普通PE地膜,可促進棉花干物質(zhì)的快速積累。籽棉產(chǎn)量隨有效積溫的增加而增加,為線性正相關(guān)關(guān)系,回歸擬合決定系數(shù)高于0.24。當(dāng)有效積溫在1 450～1 500(℃·d)時,有利于棉花產(chǎn)量的提高。圖3、圖4

圖3 籽棉產(chǎn)量隨有效積溫變化

圖4 干物質(zhì)積累量隨有效積溫變化

3 討 論

3.1 不同覆蓋材料和灌溉量對棉田土壤溫度的影響

土壤表面進行覆蓋會改變作物小氣候,進而改變土壤溫度,從而影響植物生長發(fā)育和產(chǎn)量[13]。棉花屬于喜溫作物,覆蓋方式和灌溉量均會影響土壤溫度和有效積溫。研究表明,覆膜與裸地相比,可提高棉田土壤溫度,覆膜后棉田的增溫和保溫效應(yīng)隨著棉花生育進程的推進而逐漸減小[14-15]。研究結(jié)果與前人[10]一致,在棉花苗期,植株冠層覆蓋度較小,高堡膜覆蓋可明顯提高棉田的土壤溫度,提高7.15%～10.57%,從而在生長階段形成較高的有效積溫。進入花鈴期,棉花逐漸生長,形成較大的作物冠層,阻礙了地面接收太陽輻射,地膜增溫效應(yīng)減弱,同時田間開始滴灌進水,水的比熱容大,土壤升溫速度變慢[16],各處理的土壤溫度和有效積溫差異不明顯,在吐絮期,高堡膜的保溫效果優(yōu)于普通PE地膜和裸地。

3.2 不同覆蓋材料和灌溉量對棉花干物質(zhì)積累及分配的影響

干物質(zhì)是作物光合產(chǎn)物的表現(xiàn)形式,是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ),其積累與合理的分配是提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵[17],適宜增加灌溉量,可促進棉花干物質(zhì)的積累[18]。辛明華等[19]研究表明,裸地栽培下棉花的干物質(zhì)積累的最大生長速率和快速增長持續(xù)時間均低于覆膜處理,在覆膜條件下,可促進棉花早熟早發(fā),有利于干物質(zhì)的積累和促進同化物向生殖器官的轉(zhuǎn)運[9]。試驗結(jié)果與前人研究一致,增加灌溉量,不同覆蓋材料對棉花干物質(zhì)積累均會起到促進作用。研究表明[20-21],適度減少灌溉量,有利于營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)化,促進生殖器官的分配比例提高,與前人研究結(jié)果一致,在3種灌溉量下,通過減量灌溉,高堡膜覆蓋處理下,棉花蕾鈴花占比較其他處理顯著增加。

3.3 不同覆蓋材料和灌溉量對棉花產(chǎn)量及有效積溫生產(chǎn)效率的影響

裸地栽培會導(dǎo)致棉花生育期延長,水肥流失較快,對棉花產(chǎn)量提高不利[22],覆膜后,降低減少灌溉量,可以獲得較為合理的葉面積指數(shù)和良好的生殖器官分配比例,保證了較高籽棉產(chǎn)量[23]。試驗結(jié)果與前人研究一致,在減量灌溉下,高堡膜覆蓋有利于生殖器官分配比例提高,促進棉花產(chǎn)量和有效積溫生產(chǎn)效率的提高。

4 結(jié) 論

在棉花生長前期,高堡膜處理較普通PE地膜和裸地能明顯提高棉田土壤溫度,分別提高0.2、2.39℃,棉田有效積溫分別提高9.04、83.88(℃·d)。不同的覆蓋方式下,棉花干物質(zhì)積累量與灌溉量呈線性正相關(guān)關(guān)系,隨著灌溉量的增加而增加。但在減量灌溉3 150 m3/hm2條件下,高堡膜覆蓋有利于棉花營養(yǎng)器官向生殖器官的轉(zhuǎn)化,從而提高籽棉產(chǎn)量和有效積溫生產(chǎn)效率。因此,在實際生產(chǎn)中,灌溉量為3 150m3/hm2,采用高堡膜覆蓋可促進棉花的生長發(fā)育,提高有效積溫生產(chǎn)效率,實現(xiàn)節(jié)水增產(chǎn)。