潘俊杰，付秋萍，阿布都卡依木·阿布力米提，2，馬英杰

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052； 2.北京聯(lián)創(chuàng)思源測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100085)

膜下滴灌技術(shù)的引入，使新疆地區(qū)的棉花產(chǎn)量增加了20%～50%，水分用量減少了20%～50%[1]，且新疆成為了中國(guó)最大的產(chǎn)棉基地[2]。隨著智慧農(nóng)業(yè)的推進(jìn)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，設(shè)定適宜灌溉預(yù)警線的主觀調(diào)控灌水方式逐漸得到重視，以期減少過(guò)多的棵間蒸發(fā)和奢侈蒸騰，促進(jìn)棉花高產(chǎn)和提高水分利用效率[3-4]。因此，研究不同灌水下限棉花的長(zhǎng)勢(shì)，探尋適宜的灌水下限，對(duì)推進(jìn)新疆地區(qū)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

灌水下限指土壤含水量下降過(guò)程中棉花產(chǎn)量顯著受水分虧缺影響的土壤含水量[5]。且灌水下限直接影響棉花蒸騰和土壤蒸發(fā)，進(jìn)而影響對(duì)灌溉期內(nèi)的灌水周期、灌水定額和灌溉定額等，對(duì)灌溉制度的制定有重大意義[6-7]。汪昌樹(shù)等[8]研究了不同灌水下限膜下滴灌棉花，發(fā)現(xiàn)耗水量和灌水頻率會(huì)隨著灌水下限的增加而增加，而鹽分分布剖面會(huì)隨著灌水下限的降低而增大。申孝軍等[9]研究了不同水面蒸發(fā)系數(shù)下膜下滴灌棉花蕾期、花鈴前期、花鈴后期的灌水定額分別為70%、100%和50%的水面蒸發(fā)量，證明棉花在不同的生育期對(duì)水分的敏感程度不一樣。李彥等[10]研究了不同棉花生育期內(nèi)適宜的灌水下限，發(fā)現(xiàn)膜下滴灌棉花在苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期適宜的灌水下限分別為60%～65%、65%～70%、80%～85%和55%～65%田間持水率。申孝軍等[11]研究了地下滴灌和膜下滴灌不同灌水下限對(duì)棉花生長(zhǎng)、耗水量、產(chǎn)量、水分利用效率和纖維品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)蕾期和花鈴期控水下限分別為60%和75%的田間持水率能夠在提高水分利用效率的同時(shí)獲得較好的棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)。董雪妮等[12]對(duì)棉花的耐旱基因進(jìn)行了研究，認(rèn)為KcERF-PeDREB2a基因能使棉花的耐旱耐鹽性得到提升。申孝軍等[13]研究了氣象因子和葉面積指數(shù)與棉花耗水量的關(guān)系，構(gòu)建了滴灌棉田實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)模型。然而，不同灌水下限棉花的生長(zhǎng)模型鮮有研究。因此，確定棉花栽培的灌水下限，有利于種植區(qū)精準(zhǔn)灌溉技術(shù)的提升，同時(shí)構(gòu)建不同灌水下限棉花的生長(zhǎng)模型，助力當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶向“溫”、“光”、“水肥”要棉[14]，促進(jìn)棉花精準(zhǔn)施肥和灌溉預(yù)測(cè)的實(shí)現(xiàn)。為此，本文結(jié)合呼圖壁地區(qū)的土壤和農(nóng)藝現(xiàn)狀，研究蕾期和花鈴期不同灌水下限棉花的株高、生物量和經(jīng)濟(jì)性狀，采用Logistic曲線擬合棉花株高、生物量，通過(guò)耗水量和株高最大值與生物量最大值的函數(shù)關(guān)系構(gòu)建生物量與株高的函數(shù)關(guān)系，助力棉花精準(zhǔn)灌溉預(yù)測(cè)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2017年在昌吉州呼圖壁縣大豐鎮(zhèn)現(xiàn)代化灌溉示范地進(jìn)行。試驗(yàn)地位于天山中段北麓(東經(jīng)86.63°，北緯44.18°)，屬于中溫帶大陸半荒漠干旱性氣候，平均年降雨量167 mm，年平均氣溫5～6℃，日照時(shí)數(shù)2 750～3 090 h。試驗(yàn)地土壤類型為沙壤土，土壤容重1.54 g·cm-3，地下水埋深15 m。土壤有機(jī)質(zhì)9.56 g·kg-1,全氮3.1 g·kg-1,堿解氮35.42 mg·kg-1,速效磷14.54 mg·kg-1,速效鉀126.99 mg·kg-1。供試棉花品種為新陸棉早57號(hào)，2017年4月22日播種，9月30日收獲。試驗(yàn)采用1膜6行的機(jī)采棉種植模式，作物行距66 cm+10 cm，株距10 cm。滴灌帶鋪設(shè)模式為1膜3帶，分別布置在距第1行棉花垂直距離20、96 cm和142 cm的位置。滴灌帶管徑16 mm，滴頭流量1.8 L·h-1，滴頭間距0.3 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用不同灌水定額，在蕾期設(shè)置3個(gè)灌水下限：55%田間持水率(θf(wàn))(WD1和WD2)、65%θf(wàn)(WD3和WD4)和75%θf(wàn)(WD5和WD6))；在花鈴期設(shè)置2個(gè)灌水下限：65%θf(wàn)(WD2、WD4和WD6)和75%θf(wàn)(WD1、WD3和WD5)，共6個(gè)試驗(yàn)處理，具體見(jiàn)表1。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)。各試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)寬為10 m×7.2 m，(每個(gè)小區(qū)包含9條毛管，毛管間距為0.66 m)。田間持水量為35.63%(體積含水率)，土層深度60 cm。

土壤含水量通過(guò)FDS100墑情傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控得到，當(dāng)土壤含水量達(dá)到對(duì)應(yīng)下限值時(shí)將進(jìn)行灌溉，灌水定額通過(guò)式(1)計(jì)算得到：

1000M=hp(θ田-θ下限)

(1)

式中,M為灌水定額(mm)；p為濕潤(rùn)比，取0.74；h為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，蕾期取0.4 m，花鈴期取0.6 m；θ為體積含水率(%)。每小區(qū)在中間位置埋設(shè)FDS100墑情傳感器，埋深分別為10、25 cm和40 cm。

表1 滴灌試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及數(shù)據(jù)分析

1.3.1 株高測(cè)定 試驗(yàn)初期選擇各處理平均水平的代表性植株10株，用標(biāo)簽牌做標(biāo)記，測(cè)定棉株株高，每隔10 d觀測(cè)1次，一直到花鈴期棉花株高不再增加為止。株高為地面到棉花主莖頂部生長(zhǎng)點(diǎn)的高度，用卷尺進(jìn)行測(cè)量。

1.3.2 產(chǎn)量和單株成鈴數(shù) 采用樣田法，在吐絮期選取長(zhǎng)寬為3 m2.4 m的小區(qū)進(jìn)行測(cè)產(chǎn)并重復(fù)3次，取其均值，折算成產(chǎn)量，以代表該處理總產(chǎn)量。同時(shí)統(tǒng)計(jì)各小區(qū)株數(shù)和單株結(jié)鈴數(shù)。

1.3.3 棉花生長(zhǎng)曲線 本文采用以播后天數(shù)為自變量來(lái)模擬株高和生物量生長(zhǎng)規(guī)律的Logistic模型，方程如下：

(2)

式中，F(xiàn)為因變量可代表生物量(B)或者株高(H)(g·株-1或者cm)；t為播后天數(shù)；K為F的最大值即最大生物量(Bm)或者最大株高(Hm)(g·株-1或者cm)；b和c為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，株高和生物量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)分別用b1、c1和b2、c2來(lái)區(qū)別。

對(duì)Logistic方程求一階導(dǎo)函數(shù)，得式(3)，用以描述生物量積累速率隨時(shí)間變化過(guò)程的單鋒曲線。

(3)

式中，V為干物質(zhì)積累速率(g·株-1·d-1)。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率的計(jì)算公式為：

WUE=Y/ET

(4)

式中,WUE為水分利用效率(kg·mm-1·hm-2)；Y為籽棉產(chǎn)量(kg·hm-2)；ET為棉花生育期內(nèi)耗水量(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水處理對(duì)滴灌棉花株高的影響

株高受土壤含水量影響較大，不同灌水處理下蕾期和花鈴期株高隨播種后天數(shù)變化，并存在差異。由圖1可見(jiàn)，各處理棉花株高的增長(zhǎng)速度隨著時(shí)間推移而增大，在人工打頂(播后70 d)之后棉花株高增長(zhǎng)緩慢并趨于穩(wěn)定。在蕾期(播后50～74 d)，相對(duì)于WD1、WD2處理，WD3、WD4處理與WD5、WD6處理的棉花株高平均日增長(zhǎng)量分別增加了0.18 cm·d-1和019 cm·d-1；在花鈴期(播后75～125 d)，相對(duì)于WD1、WD3和WD5處理，WD2、WD4和WD6處理棉花株高的平均日增長(zhǎng)量增加介于0.04～0.10 cm·d-1之間，說(shuō)明灌水下限的提升會(huì)對(duì)蕾期和花鈴期棉花株高增長(zhǎng)提供助力，且在蕾期更加明顯。

2.2 不同灌水處理下滴灌棉花生物量的Logistic模擬

棉花生物量的積累將直接影響產(chǎn)量因素。由表3可見(jiàn)，通過(guò)建立不同處理生物量與播后天數(shù)的Logistic模型，擬合值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)R2≥0.98，能較好地代表各處理生物量積累過(guò)程。各處理間棉花生物量的積累過(guò)程都符合“S”型曲線，且積累過(guò)程大致可以分為3個(gè)階段：在0～T1時(shí)間段，棉花處于苗期(播后0～50 d)和蕾期，為促進(jìn)棉花根系深扎，棉花干物質(zhì)積累速度緩慢；在T1～T2時(shí)間內(nèi)，棉花蕾期和花鈴期，土壤含水量的提升以及適時(shí)的補(bǔ)充為棉花的快速生長(zhǎng)提供了有利條件；在T2至收獲期，棉花處于花鈴期和吐絮期(播后125～161 d)，棉花生物量的積累在一段時(shí)間內(nèi)變化緩慢，并隨著葉片的衰老等生物開(kāi)始緩慢降低。

圖1 不同灌水處理對(duì)滴灌棉花株高的影響Fig.1 Effects of different irrigation limits on the plant height of cotton

模型參數(shù)Modelparameter灌水處理 Irrigation treatmentWD1WD2WD3WD4WD5WD6平均值A(chǔ)verageHm64.8263.0168.3366.4875.174.2168.66b165.16100.48220.8300.91148.83250.86181.17c10.070.080.100.100.090.100.09R20.990.990.970.940.990.97-

由表3可知，相對(duì)于WD1、WD2處理，WD3、WD4與WD5、WD6的棉花平均最大生物量分別增加了11.58 g和20.44 g；WD1和WD2、WD3和WD4、WD5和WD6間棉花平均最大生物量的差值分別為-4.04，-3.88 g和-3.47 g；說(shuō)明蕾期和花鈴期灌水下限的提升都有助于生物量的增加。T0、T1和T2的在不同處理棉花間規(guī)律表現(xiàn)一致，蕾期灌水下限對(duì)T0、T1和T2的影響較大。相對(duì)于WD1處理，其余處理棉花的Vm分別增加了-0.16、0.10、0.03、0.37 g·d-1和0.26 g·d-1,說(shuō)明Vm隨著灌水下限的提升而增加。不同灌水下限對(duì)快速積累期持續(xù)的時(shí)間GT影響不明顯。

2.3 不同灌水處理對(duì)滴灌棉花經(jīng)濟(jì)性狀的影響

不同的灌水處理對(duì)棉花生長(zhǎng)影響明顯，從而導(dǎo)致棉花的籽棉產(chǎn)量、衣分、單鈴重、單株成鈴數(shù)、耗水量以及WUE出現(xiàn)差異。由表4可知，WD2和WD4處理的水分利用效率顯著高于其他處理，而WD5處理顯著低于其他處理，棉花在水分下限過(guò)高的情況下無(wú)法充分的利用土壤水分；WD3、WD4、WD5和WD6處理棉花的籽棉產(chǎn)量顯著高于WD1和WD2，而WD3、WD4、WD5和WD6處理差異不顯著，說(shuō)明蕾期灌水下限過(guò)低會(huì)顯著降低棉花的產(chǎn)量；WD1、WD3和WD5處理的耗水量分別顯著高于WD2、WD4和WD6，WD5和WD6處理的耗水量分別顯著高于WD3和WD4，說(shuō)明灌水下限的上升會(huì)增加土壤水分的消耗；WD3單鈴重和單株成鈴數(shù)都顯著高于其他處理，分別為5.58 g和7.79個(gè)·株-1，而衣分顯著低于其他處理，說(shuō)明灌水下限主要通過(guò)單鈴重和單株成鈴數(shù)來(lái)促進(jìn)植株獲得高產(chǎn)，且為獲得最佳的產(chǎn)量蕾期和花鈴期應(yīng)當(dāng)設(shè)置的灌水下限分別為65%θf(wàn)和75%θf(wàn)。

表3 不同灌水處理下滴灌棉花生物量的Logistic模型擬合參數(shù)

表4 不同灌水處理下滴灌棉花的經(jīng)濟(jì)性狀

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note: The different lowercase letters within one column mean significant difference among treatments atP<0.05. The same below.

2.4 株高與地上部生物量的模型構(gòu)建

由表3和表4可知，應(yīng)用Logistic模型對(duì)不同灌水處理下棉花生物量和株高模擬過(guò)程中，不同的灌水下限對(duì)生物量和株高的變化趨勢(shì)影響不大，但對(duì)棉花生物量和株高的最大值影響較大。根據(jù)二次多項(xiàng)式回歸方程y=a+bx+cx2，得到生物量和株高最大值與作物耗水量擬合的方程如下：

Bm=-154.92+7.34ET-0.03ET2，R2=0.83

(5)

Hm=-2634.09+81.20ET-0.55ET2，R2=0.87

(6)

式中，Bm為最大生物量(g·株-1)；Hm為最大株高(cm)；ET為棉花生育期內(nèi)耗水量(mm)。

以上R2>0.83，說(shuō)明二次多項(xiàng)式能較好地模擬生物量、株高與耗水量之間的關(guān)系。

株高是生物量形成的基礎(chǔ)，而相對(duì)于生物量的數(shù)據(jù)，株高的數(shù)據(jù)更容易獲取，因此，應(yīng)當(dāng)建立生物量與株高之間的關(guān)系式，

(7)

不同耗水量會(huì)直接影響株高和生物量的形成，因此應(yīng)當(dāng)引入耗水量來(lái)分析株高與生物量之間的關(guān)系。其轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：將式5和式6帶入式7中，即可通過(guò)植株的耗水量和株高來(lái)得出棉花植株的生物量，具體關(guān)系式如下：

B=(-154.92+7.34ET-0.03ET2)/

(8)

3 討 論

株高是棉花達(dá)成理想株型的重要因素，合理的株高能為棉花提供合理的葉層分布，同時(shí)能協(xié)調(diào)棉花生殖生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)[15-16]。不同處理的棉花株高增長(zhǎng)表現(xiàn)為前期緩慢增長(zhǎng)、中期快速增長(zhǎng)、后期趨于平緩的趨勢(shì)[17]，這與本文的結(jié)論一致。蘇里坦等[18]對(duì)分根交替膜下滴灌棉花展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)棉花的株高隨著土壤含水量的增加而增加，本試驗(yàn)也得出株高的增長(zhǎng)速率在蕾期和花鈴期都隨著灌水下限的增加而增加。然而申孝軍等[9]的研究發(fā)現(xiàn)在棉花蕾期適度水分脅迫及花鈴期恢復(fù)供水處理下，棉花株高不但沒(méi)有大幅降低，反而有一定的提升，這可能是與棉花灌溉期開(kāi)始前的初始含水率和初始高度有關(guān)；或者因?yàn)槊缙趯?duì)棉花沒(méi)有進(jìn)行控水，蕾期的水分脅迫促進(jìn)棉花的側(cè)根生長(zhǎng)和主根下扎，進(jìn)入花鈴期后，有利的根系為棉花株高生長(zhǎng)提供了助力，導(dǎo)致與本文不一致的試驗(yàn)結(jié)論。王樂(lè)等[17]對(duì)不同品種棉花的株高變化動(dòng)態(tài)展開(kāi)了研究，發(fā)現(xiàn)株高與有效積溫能較好地用Richards函數(shù)進(jìn)行擬合，而Richards函數(shù)與logistic函數(shù)的曲線形狀相似，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致：株高的生長(zhǎng)過(guò)程能用模型較好地進(jìn)行擬合。

蕾期和花鈴期的不同灌水下限會(huì)對(duì)棉花的生物量快速積累終止點(diǎn)T2、日最大增長(zhǎng)量出現(xiàn)的時(shí)間T0和最大生物量積累速率VX產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)棉花生物量的最大值產(chǎn)生影響，這與閆映宇[19]和王海江[20]等人的研究結(jié)果一致。文中研究結(jié)果表明，棉花生物量積累速率隨著灌水下限的提高而增大。由于各小區(qū)的打頂時(shí)間一致，株高對(duì)棉花的生物量的最大值起到一定限制作用，進(jìn)而影響了各處理的快速積累期持續(xù)的時(shí)間及最大生物量。文中研究結(jié)果表明，棉花生物量的積累隨時(shí)間變化符合 Logistic 模型，與宋為超等[21]研究結(jié)果一致。

蕾期灌水下限為55%θf(wàn)時(shí)，導(dǎo)致棉花株高生長(zhǎng)緩慢，進(jìn)而花鈴期復(fù)水后棉花的產(chǎn)量仍然得不到提高，且顯著低于蕾期灌水下限為65%θf(wàn)和75%θf(wàn)的處理，這與岳晶晶等[22]研究結(jié)果一致。而蕾期灌水下限為75%θf(wàn)，花鈴期的灌水下限為65%θf(wàn)時(shí)，棉花的單鈴重和單株成鈴數(shù)顯著小于其他處理，說(shuō)明蕾期灌水下限的提高能為棉花的打下較好的株型，但是花鈴期水分虧缺時(shí)較好的株型反而會(huì)影響棉花的產(chǎn)量形成。

Logistic模型最初由Verhulst提出，它以時(shí)間為自變量，以描述植株的生長(zhǎng)過(guò)程[23]。棉花株高[24]和生物量[25]以時(shí)間為自變量，用Logistic 模型進(jìn)行模擬，獲得了較好效果，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。而不同處理間棉花株高和生物量隨著耗水量而發(fā)生變化，因此需將耗水量引入標(biāo)準(zhǔn)化的株高和生物量的Logistic 模型。王淑芬等[26]研究了不同灌水量和灌水次數(shù)下棉花的株高，并建立了棉花株高與耗水量的一元一次方程。王亮等[27]發(fā)現(xiàn)棉花的耗水量隨著干物質(zhì)量的增加而增加。本文以株高為自變量，引入了耗水量，建立了株高與生物量的Logistic 模型，并有較好的擬合效果，與王翔翔[28]試驗(yàn)結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)在蕾期和花鈴期設(shè)置不同的灌水下限，研究了灌水下限對(duì)棉花株高、生物量和經(jīng)濟(jì)性狀的影響，得出如下結(jié)論：

蕾期和花鈴期灌水下限的提升促進(jìn)了株高和生物量的增長(zhǎng)；在蕾期，相對(duì)于55%θf(wàn)的灌水下限處理，65%θf(wàn)與75%θf(wàn)的灌水處理株高平均日增長(zhǎng)量和平均最大生物量分別有0.18～0.19 cm·d-1和11.58～20.44 g的增長(zhǎng)；在花鈴期，相對(duì)于65θf(wàn)的灌水處理，75%θf(wàn)的灌水下限處理株高平均日增長(zhǎng)量和平均最大生物量分別增加了0.04～0.10 cm·d-1和3.47～4.04 g。

棉花在蕾期和花鈴期灌水下限為65%θf(wàn)和75%θf(wàn)是最適宜的，該處理單鈴重和單株成鈴數(shù)分別為5.58 g和7.79個(gè)·株-1，產(chǎn)量5 216.85 kg·hm-2，均高于其他處理，與蕾期和花鈴期灌水下限均為75%θf(wàn)無(wú)顯著差異，而水分利用效率顯著高于蕾期和花鈴期灌水下限均為75%θf(wàn)的處理。

株高和生物量的Logistic模型其R2分別大于0.94和0.98，Logistic 模型能較好地模擬株高和生物量的生長(zhǎng)，且引入耗水量，建立了以最大株高與耗水量為自變量預(yù)測(cè)生物量的模型，可為棉花的生長(zhǎng)狀況及產(chǎn)量提供預(yù)測(cè)與指導(dǎo)。