江 柱,张江辉,白云岗,杨鹏年,刘洪波,肖 军,刘旭辉,3
(1.新疆农业大学水利与土木工程学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆水利水电科学研究院,乌鲁木齐 830049;3.新疆农业大学资源与环境学院,乌鲁木齐 830052)
【研究意义】在各种气候灾害中,干旱造成的损失量超过其他灾害的总和[1]。新疆棉区的淡水资源的紧缺问题开始引起重视[2]。淡水资源紧缺严重影响作物生长[3]。合理利用新疆丰富的咸水资源进行灌溉是解决农业用水短缺的有效途径之一[4]。棉花作为耐旱、耐盐碱性均较强的作物,是干旱半干旱地区利用咸水资源的首选作物。【前人研究进展】棉花耐盐性苗期最小,随着生育期进程而不断提高,但在蕾期、初花期有所下降[5-6]。棉花在花铃期和吐絮期耐盐性较高,后期咸水灌溉对产量的影响不显著[7-8]。不同生育期棉花的耐盐机制存在差异。氮肥的施用在农业生产中肥效普遍较高[9]。施用氮肥可以显著增加棉花干物质积累,协调营养器官及生殖器官的生长,提高棉花的生物和经济产量[10]。棉花各项生长指标(株高、径粗、叶面积和干物质)及产量均随着灌溉水矿化度的升高而降低[11]。棉花各项生长指标和产量随着土壤盐度的增加而降低,但是随着施氮量的增加而增加[12]。增加施氮量可以减轻盐分对作物生长和产量的不利影响。利用微咸水灌溉时,充足的灌水和氮肥供应可显著促进各项生长指标及提高产量和氮素吸收;而咸水灌溉时,由于高矿化度灌溉抑制了棉花生长和氮素吸收,氮肥的作用较小;同时研究还发现咸水灌溉棉田蒸散量降低,而淋洗量显著增加,导致氮肥淋洗损失加剧[13]。【本研究切入点】新疆南疆地区地处干旱内陆,有关膜下咸水滴灌水肥盐调控对棉花生长及产量的影响文献较少,需设置不同淡咸水混合比例和施用量,分析合适比例和施氮量。【拟解决的关键问题】设计不同淡咸水混合比例和施氮量,研究膜下咸水滴灌水肥盐调控对棉花生长和产量的影响,采用Logistic模型模拟棉花地上部干物质积累过程,为干旱缺水条件下提高棉花生产效率提供科学依据。
1.1 材 料
试验于2020年4～9月在新疆巴州库尔勒三十一团进行,试验区属于典型的温带大陆性气候,年平均降雨量53.3～62.7 mm,平均蒸发量约为3 000 mm,地下水埋深1.6～2.5 m,土壤质地为沙壤土,0～60 cm土层平均干容重1.46 g/cm3,田间持水率为25.4%(体积含水率)。
棉花供试作物为新陆中76号。采用单翼迷宫式滴灌带,滴头间距为20 cm,滴头设计流量2.2 L/h,采用1膜2管4行(单位地膜覆盖4行棉花,铺设2条滴灌带)的模式,覆膜宽1.2 m,膜间距离30 cm。灌溉水源为水库渠水(矿化度0.32～0.83 g/L)与排碱渠水(矿化度7.53～10.68 g/L),按不同比例混合均匀后灌溉。图1
图1 棉花种植模式
1.2 方 法
1.2.1 试验设计
棉花分为苗期、蕾期、花铃期和吐絮期4个生育阶段。试验区设置3个淡咸水体积比:①全淡水(矿化度:0.32～0.83 g/L)、②4∶1(微咸水-矿化度:1.76～2.67 g/L)、③2∶3(咸水-矿化度:4.64～6.67 g/L),高(N1:400 kg/hm2)、中(N2:300 kg/hm2)、低(N3:200 kg/hm2)3个施氮方案,共9个处理(每个处理重复3次),编号C1N1、C1N2、C1N3、C2N1、C2N2、C2N3、C3N1、C3N2、C3N3,其中C1N2为对照处理。各处理灌溉量均为480 mm,肥料施用量和施用方法参照当地(钾肥200 kg/hm2、磷肥150 kg/hm2)。图2
图2 棉花灌水施肥设计
1.2.2 测定指标
采用PR2土壤剖面水分仪在宽行、窄行及膜间中间位置测定土壤含水率,测定深度为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm,测定时间为灌水前1 d、灌水后1 d及两次灌水之间,并用烘干法对土壤含水率进行测定。
从苗期开始定期定点观测各处理棉花各项生长指标,每个处理选择6株(内外行各3株)有代表性的棉株测定不同生育期株高(棉株子叶节到主茎生长点之间的距离,打顶后则量至打顶横截面处,最终株高在打顶后测定)、叶面积(测量棉株具有代表性的叶片长和宽,利用二者乘积乘以叶片数及叶面积系数)、蕾铃数等。
在棉花播种后36、59、74、95、115、134 d采集棉花植株样本。按营养器官(根、茎、叶)和生殖器官(蕾、花、铃)剪下装入纸袋,之后将样本放入烘箱中105℃杀青2 h,75℃烘干至恒重,分别测定其干重。在小区棉花全部吐絮后选取三片长势均一的样方,数取棉花铃数,摘取100朵棉花晾干称取百铃重,并去除棉籽测衣分。
1.2.3 生物量动态增长模型及参数计算
棉花地上部干物质积累过程采用Logistic模型模拟。
(1)
式中,y为单株棉花地上部干物质积累量(g);A为地上部干物质积累量的理论最大值;t为播种后天数(d);a、b为参数。
对Logistic模型方程求导,可得到地上部干物质积累的有关参数指标。对方程求二阶导数,当t0=-a/b时,地上部干物质积累速率达到最大值,此时的积累速率即为最大速率(Vm)。对方程求三阶导,当d3y/d3t=0时,可求得地上部干物质积累曲线上的2个时间拐点:t1和t2。t0为地上部干物质积累最大速率出现时间,t1和t2分别为棉花进入旺盛生长时间和结束旺盛生长时间,△t=t2-t1为棉花旺盛生长持续时间。
1.2.4 耗水量计算
根据水利部颁发的《灌溉试验规范》(SL13-2015)规定,计算耗水量。
(2)
式中,ET1-2为计算时段内耗水量;i为土壤层次号数;n为土壤层次总数目;γi为第i层土壤干容重(g/cm3);Hi为第i层土壤的厚度(cm);Wi1、Wi2为第i层土壤在时段始末的含水率(干土重的百分率);M、P、K、C分别为时段内的灌水量、降雨量、地下水补给量和排水量(mm)。采用阿维里扬诺夫公式[14]计算棉花生育期期间地下水补给量K=146.71 mm,由于灌溉方式为膜下滴灌灌水定额较小,不会产生深层渗漏C=0。
1.2.5 灌溉水、灌溉淡水和水分利用效率的计算
灌溉水利用效率(IWUE)计算公式:
IWUE=Y/I.
(3)
式中,IWUE为灌溉水利用效率(kg/m3);Y为产量(kg/hm2);I为灌溉水量(mm)。
灌溉淡水利用效率(IFWUE)计算公式:
IFWUE=Y/I.
(4)
式中,IFWUE为灌溉淡水利用效率(kg/m3);I为灌溉淡水量(mm)。
水分利用效率(WUE)计算公式:
WUE=Y/ET.
(5)
式中,WUE为水分利用效率(kg/m3);ET为作物耗水量(mm)。
1.2.6 氮肥偏生产力的计算
氮肥偏生产力(PFPN)计算公式:
PFPN=Y/FN.
(6)
式中,PFPN为氮肥偏生产力(kg/kg);FN为所施氮肥总量(kg/hm2)。
1.3 数据处理
采用Excel软件进行数据整理,Origin 2018软件绘图,SPSS25.0软件分析显著性。
2.1 膜下咸水滴灌水肥盐调控对棉花株高影响
研究表明,在苗期由于没有进行灌水处理,各处理株高差异较小。蕾期盐分随着灌溉水进入根区,棉花受到盐分胁迫,灌溉水矿化度对株高的影响表现为淡水>淡咸比例4∶1>淡咸比例2∶3。随着施氮量的增加,对株高的影响表现为N3>N2>N1。株高随着灌溉水矿化度的增大显著降低。随着灌溉的进行累积施氮量增加,在播种后67 d～花铃期,株高随着施氮量的增大显著增加。
蕾期早期(DAS:57 d)灌水处理刚开始进行,淡咸比例4∶1处理株高受盐分胁迫影响较小;淡咸比例2∶3处理株高受盐分胁迫影响较大,株高较对照处理降低6.9%～15.8%。随着灌溉的进行,播种后67 d,淡咸比例4∶1处理和淡咸比例2∶3处理株高较淡水处理降低3.3%和14.3%;施氮量N2和N1较N3处理增加2.9%和8.3%。播种后77 d,淡咸比例4∶1处理和淡咸比例2∶3处理株高较淡水处理降低7.7%和18.6%;施氮量N2和N1较N3处理增加3.1%和7.3%。花铃期打顶(DAS:85 d)后株高不再增长,各处理株高均达到最大值;淡咸比例4∶1处理和淡咸比例2∶3处理株高较淡水处理降低8.4%和18.9%;在淡水灌溉下,N2、N1施氮量较N3处理增加4.0%、7.7%,在淡咸比例4∶1混合灌溉下,增加5.6%、9.1%,在淡咸比例2∶3混合灌溉下,增加4.0%、7.0%;随着灌溉水矿化度的增加,棉花株高显著降低;增施氮肥的影响效应淡水处理较小,淡咸水混合灌溉时,增施氮肥的影响效应:淡咸比例4∶1处理>淡咸比例2∶3处理,随着灌溉水矿化度的增加减弱。表1
表1 膜下咸水滴灌水肥盐调控下棉花株高变化
2.2 膜下咸水滴灌水肥盐调控对棉花叶面积指数的影响
研究表明,棉花叶面积指数在苗期同株高一样,由于没有灌水处理各处理间相差不大。蕾期早期(57 d)灌水处理刚开始进行,随着灌溉水进入根区的盐分较少,叶面积指数受灌溉水矿化度的影响不显著,而受施氮量的影响显著,随着施氮量的增加,叶面积指数显著增加,施氮量N2和N1较N3处理增加5.2%和13.2%。随着灌溉的进行,灌溉水进入根区的盐分增加,且蕾期棉花耐盐性差,播种后67～77 d,叶面积指数受灌溉水矿化度和施氮量的影响显著,随着灌溉水矿化度的增加显著降低,随着施氮量的增加显著增加。播种后67 d,淡咸比例4∶1处理和淡咸比例2∶3处理叶面积指数较淡水处理降低9.2%和29.5%;施氮量N2和N1较N3处理增加5.6%和15.1%。播种后77 d,淡咸比例4∶1处理和淡咸比例2∶3处理叶面积指数较淡水处理降低8.2%和32.9%;施氮量N2和N1较N3处理增加2.3%和10.0%。进入花铃期后,处理叶面积指数均达到最大值,淡咸比例4∶1处理和淡咸比例2∶3处理叶面积指数较淡水处理降低10.5%和21.7%;施氮量N2和N1较N3处理增加2.6%和14.1%。随着灌溉水矿化度的增加,棉花叶面积指数显著降低,增施氮肥有利于提高叶面积指数。表2
2.3 膜下咸水滴灌水肥盐调控对棉花地上部干物质积累的影响及Logistic模拟
研究表明,地上部干物质积累量呈S型曲线变化,苗期积累缓慢,进入蕾期后积累量逐渐增大,在花铃后期达到最大值。由于苗期和蕾期灌水次数少,带入的盐分少,累积施氮量差异较小,苗期和蕾期早期地上部干物质积累量差异不明显,蕾期中后期淡咸比例4∶1和2∶3处理地上部干物质积累量受影响较大。进入花铃期后,地上部干物质积累量达到峰值,地上部干物质积累量受灌溉水矿化度和施氮量的影响显著;随着灌溉水矿化度的增加显著降低,淡咸比例4∶1处理和淡咸比例2∶3处理地上部干物质积累量较淡水处理降低16.7%和27.5%;在淡水灌溉下,N2、N1施氮量较N3处理增加9.1%、10.5%;在淡咸比例4∶1混合灌溉下,增加了17.1%、28.1%;随着施氮量的增加显著增加,在淡咸比例2∶3混合灌溉下,增加了5.7%、26.6%;增施氮肥的影响效应淡水处理较小,且淡咸比例4∶1处理>淡咸比例2∶3处理,淡咸水混合灌溉处理随着灌溉水矿化度的增施氮肥的影响效应减弱。图3
图3 地上部干物质积累量变化
相关系数均达显著水平(P<0.05)。与淡水灌溉处理相比淡咸比例4∶1和2∶3随着灌溉水矿化度增加最大积累速率减小,且最大速率出现时间滞后;增加施氮量可以增加Vm,在淡水灌溉下,施氮量N2、N1较N3处理增加0.21、0.33 g/d;在淡咸比例4∶1混合灌溉下,增加了0.12、0.46 g/d;在淡咸比例2∶3混合灌溉下,增加了0.05、0.48 g/d。淡咸比例4∶1混合灌溉棉花旺盛生长持续时间最长;淡咸比例2∶3混合灌溉棉花进入和结束旺盛生长时间最为滞后。增施氮肥可以提高棉花最大积累量和最大积累速率;淡咸比例4∶1混合灌溉棉花旺盛生长持续时间延长;淡咸比例2∶3混合灌溉由于棉花蕾期受盐分胁迫,地上部干物质积累受到抑制,棉花旺盛生长期往耐盐性较强的花铃期延后,地上部干物质集中在花铃期快速积累。表3
2.4 膜下咸水滴灌水肥盐调控对棉花产量及水氮利用效率的影响
研究表明,棉花棉籽产量及产量构成因子受灌溉水矿化度和施氮量的影响显著,随着灌溉水矿化度的增加显著降低,随着施氮量的增加显著提高。棉花棉籽产量淡咸比例4∶1处理和淡咸比例2∶3处理各施氮处理平均较淡水处理降低10.0%和28.8%;淡水灌溉高施氮量(400 kg/hm2)、中施氮量(300 kg/hm2)较低施氮量(200 kg/hm2)分别提高7.6%和7.2%,淡咸比例4∶1灌溉高、中施氮量较施氮量分别提高31.3%、19.0%,淡咸比例2∶3灌溉高、中施氮量较低施氮量分别提高22.6%、12.9%。
灌溉水利用效率和水分利用效率受灌溉水矿化度和施氮量的影响显著。灌溉水利用效率和水分利用效率随着灌溉水矿化度的增加显著降低,随着施氮量的增加显著增加。灌溉淡水利用效率受灌溉水矿化度、施氮量及二者的交互作用影响显著。灌溉淡水利用效率不同灌溉水矿化度的影响表现为淡咸比例2∶3>淡咸比例4∶1>淡水灌溉,不同施氮量的影响表现为高施氮量(N1)>中施氮量(N2)>低施氮量(N3)。氮肥偏生产力随着灌溉水矿化度和施氮量的增加显著降低。表4
表4 棉花产量及水氮利用效率
表3 棉株地上部干物质积累Logistic函数生长模型及相关参数
干物质是光合的直接产物,其积累及分配是最终产量形成的物质基础[15]。应用Logistic模型对各处理地上部干物质累积进行拟合[16、17],随着灌溉水矿化度增加,棉花生长受到抑制,棉花株高降低,地上部干物质减少,结铃数和产量减少[11,18]。当灌溉水矿化度低于6 g/L时,土壤中积累的盐分不会严重影响棉花的吸水性和产量[19]。在棉花株高在生长前期主要受灌溉水盐度、灌水量和盐水交互作用和盐水氮交互作用影响显著,而受施氮量的影响不显著;低水条件下,灌溉水盐度成为阻碍棉花生长的主要因素;高水条件下,增加施氮量促进棉花生长效应增加[20]。通过设置3个灌溉水盐度水平和4个施氮量水平试验表明咸水灌溉会导致棉花产量和水、氮利用显著降低,而微咸水灌溉不会对棉花产量和水、氮利用效率产生严重影响;同时,合理的施用氮肥有利于缓解盐分的危害,促进棉花生长,提高棉花产量和水分利用效率[12]。适当的盐分对植物的氮素吸收有促进作用,施用氮肥可以促进植物生长和氮素吸收,缓解盐分对植物生长和氮素盐分吸收的负面影响[21]。灌溉水少量的盐分可以促进棉花对养分的吸收,过多的盐分则会抑制对养分的吸收作用[22]。试验结果,棉花株高、叶面积指数和地上部干物质积累在蕾期中后期和花铃期随着不同比例混合灌溉水矿化度的增加而显著降低;盐分对棉株生长的影响主要在蕾期中后期,此时棉花耐盐性较差,盐分随着灌溉水进入根区对棉花生长抑制显著;增加施氮量对棉花生长的促进作用在灌溉水淡咸比例为4∶1时最大,而对灌溉水为淡水和淡咸比例2∶3时较小。
Logistic模型以时间为自变量,能很好的模拟棉花的生长过程[23]。通过Logistic模型模拟棉花地上部干物质积累过程表明,随着灌溉水矿化度的增加棉花旺盛生长期起始时间延后,最大积累量减少和最大积累速率滞后,与宋有玺、龚江等研究结果基本一致[7,24]。而增施氮肥可以促进棉花地上部干物质的积累,提高棉花最大积累量和最大积累速率,为最终产量形成的提高物质基础;并且增加氮肥用量,对提高棉花水分生产效率有一定作用[12,15,16]。研究表明,淡咸比例4∶1和2∶3灌溉时增施氮肥可显著提高水分利用效率。
4.1随着灌溉水矿化度的增加,棉花各生长指标(株高、叶面积指数和干物质积累量)和籽棉产量显著降低(P<0.001)。Logistic模型模拟反映出:随着灌溉水矿化度的增加会造成棉花地上部干物质快速积累期起始时间延后(0～4 d),最大积累量减少(10～13.5 g/株)和最大积累速率滞后(0.44～0.50 g/株)。而增施氮肥能显著提高棉花各生长指标和籽棉产量(P<0.05),但随着混合灌溉水矿化度的增加,增施氮肥的影响效应减弱。
4.2随着灌溉水矿化度的增加灌溉水利用效率、水分利用效率和氮肥偏生产力显著降低(P<0.001),而灌溉淡水利用效率显著提高(P<0.001)。随着施氮量的增加灌溉水利用效率(P<0.01)、灌溉淡水利用效率(P<0.001)和水分利用效率显著提高(P<0.05),而氮肥偏生产力显著降低(P<0.001)
4.3在利用咸水与淡水混合进行灌溉时,随着混合灌溉水矿化度的增加,棉花各项生长指标和产量降低。但灌溉淡水利用效率显著提高,并且灌溉淡水利用效率随着施氮量的增加显著提高。随着施氮量的增加氮肥偏生产力显著降低。利用淡咸水混合灌溉时,除需控制混合灌溉水矿化度外,在增施氮肥提高产量和水分利用效率的同时还需控制施氮量保证氮肥利用效率。
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