關(guān)鍵詞：麥棉兩熟；土壤水分；分布特征；時(shí)空異質(zhì)性

中圖分類號(hào)：S562.047：S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2024）11-0052-09

水是棉花植株體內(nèi)含量最多的成分，也是其進(jìn)行生長(zhǎng)發(fā)育必不可缺的物質(zhì)。土壤水分不但參與棉株體內(nèi)許多生理過(guò)程，更是光合作用最重要的原料之一。研究人員發(fā)現(xiàn)，水分虧缺會(huì)導(dǎo)致棉花葉片氣孔關(guān)閉，CO₂供應(yīng)受限，光合速率下降，而且會(huì)降低葉片對(duì)光能的利用效率，加劇光抑制，導(dǎo)致棉花葉片碳同化能力降低。范志超等在新疆阿克蘇地區(qū)通過(guò)對(duì)灌溉量的控制，分析棉田土壤含水量、棉花根冠比、干物質(zhì)積累、葉綠素?zé)晒馓卣?、棉葉凈光合速率以及棉花產(chǎn)量等的差異，得出在棉花生育期內(nèi)輕度的調(diào)虧較正常灌溉量的水分利用效率提高40%，產(chǎn)量提升5%。其次，土壤水分對(duì)棉花根系生長(zhǎng)、莖枝生長(zhǎng)、葉片生長(zhǎng)、根／冠比以及蕾鈴發(fā)育都有著重要的影響。有研究表明，花鈴期為棉株根系吸收水分的高峰期，且棉株根系的空間分布受土壤水分空間分布的影響，均勻的土壤水分空間分布使根系分布更加均勻，呈“傘”型對(duì)稱結(jié)構(gòu)，而土壤水分空間的不均勻分布導(dǎo)致主根分叉，故分析根系生長(zhǎng)特點(diǎn)有助于提高棉株水分利用效率，對(duì)完善局部灌溉技術(shù)有促進(jìn)作用。董合忠等對(duì)花鈴期棉花進(jìn)行水分脅迫后發(fā)現(xiàn)，各脅迫處理棉花蕾鈴脫落率均有提高，使得干物質(zhì)積累量下降，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降。但在中度水分脅迫同時(shí)使用適量高吸水樹(shù)脂處理對(duì)株高、成鈴個(gè)數(shù)、干物質(zhì)量和纖維產(chǎn)量會(huì)有一定的提高。以上研究大多在控制土壤水分含量條件下開(kāi)展，而針對(duì)棉田生態(tài)系統(tǒng)下小尺度的土壤水分空間分布特征研究相對(duì)不足。

為充分利用光、溫、水、養(yǎng)分等自然資源，緩解糧棉競(jìng)爭(zhēng)矛盾，充分發(fā)揮生產(chǎn)力優(yōu)勢(shì)與土地當(dāng)量比（LER）優(yōu)勢(shì)，兩熟種植制度逐漸被接受并推廣，這是實(shí)現(xiàn)我國(guó)糧棉雙豐收的重要途徑。在兩熟種植制度中，復(fù)合群體一定程度上可以緩解水分蒸發(fā)和葉片蒸騰作用，是提高資源利用效率的有效手段，對(duì)一些干旱地區(qū)土壤水分利用率的提高顯得尤為重要。土壤水分的利用可以分為地上和地下兩部分，地上部分的水分利用主要由葉片的空間分布、生殖器官的生長(zhǎng)以及氣象條件等因素共同決定，地下部分則受到土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤有機(jī)質(zhì)含量以及根系吸水能力等因素的影響，總體來(lái)說(shuō)是環(huán)境與作物之間相互作用的結(jié)果。兩熟種植模式下，不同作物對(duì)土壤水分吸收利用的時(shí)期、土壤條件、氣候條件以及根系長(zhǎng)短的不同，皆會(huì)導(dǎo)致土壤水分的空間分布存在差異。有研究表明，不同的坡面起伏程度、不同的氣候條件以及不同的取樣間隔皆導(dǎo)致土壤水分異質(zhì)性發(fā)生變化，不同地區(qū)土壤的土壤水分異質(zhì)性差異也較大。因此，對(duì)小尺度下土壤水分的空間分布研究顯得更有意義。

本研究以麥棉兩熟種植模式下的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)田為對(duì)象，對(duì)棉花全生育期內(nèi)土壤水分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并以空間網(wǎng)格法量化土壤水分，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)棉田土壤水分進(jìn)行時(shí)空異質(zhì)性分析，探索棉花各生育時(shí)期水分競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理以及土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使土壤水分的運(yùn)用更加合理化，提高水分利用效率，以期為實(shí)現(xiàn)棉花輕簡(jiǎn)化、智慧化栽培管理提供理論依據(jù)，為指導(dǎo)棉田精準(zhǔn)灌溉和最終實(shí)現(xiàn)復(fù)合群體土壤水分智能管理提供數(shù)據(jù)支持。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

本研究以棉花品種豫早棉9110和小麥品種中育1123為試材。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于2017、2018連續(xù)兩年在河南省安陽(yáng)縣中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所東場(chǎng)試驗(yàn)基地（36°06′N，114°21′E）進(jìn)行，該基地為小麥、棉花兩熟長(zhǎng)期定位試驗(yàn)田，土壤為肥力中等的沙壤土。設(shè)置麥棉套作（3：1模式，即三行小麥一行棉花，棉花幅寬0.7m，小麥幅寬0.3 m，套種行寬0.2m，圖1）、麥后直播、單作3種棉花種植模式處理。每處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。棉花單作和麥棉套作均分別于2017年5月15日、2018年5月17日播種，麥后直播棉分別于2017年6月15日和2018年6月14日播種。施肥、化學(xué)調(diào)控、灌溉均同常規(guī)田間管理。

1.3測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1土壤水分采樣點(diǎn)布設(shè) 為了研究麥棉種植區(qū)土壤水分的時(shí)空變化規(guī)律，考慮到土壤水分隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化特征，在播種前選取三塊干擾因素較小的地塊，采用等間距空間網(wǎng)格法（80 cm×100 cm）將水分傳感器安置于采樣點(diǎn)，水平方向上分別在0、20、40、60、80 cm處共設(shè)置5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，垂直方向上分別在土層深度為10、30、50、70、90、110 cm處設(shè)置6層，每個(gè)地塊共30個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

1.3.2土壤水分測(cè)定方法及量化 美國(guó)METER公司的5TE土壤水分傳感器，是一種基于頻域反射法（FDR）的傳感設(shè)備，可將土壤內(nèi)紋理和鹽分的影響降到最低，具有堅(jiān)固耐用和低功耗運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間、高精度的連續(xù)監(jiān)測(cè)。用該傳感器對(duì)2017年和2018年的土壤水分進(jìn)行全年不間斷測(cè)定（每1h記錄一次），用美國(guó)Campbell公司的CR1000進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并計(jì)算土壤含水量。

1.3.3棉花生育時(shí)期及生育期調(diào)查 自棉花出苗起，每隔5d調(diào)查并記錄棉花生育進(jìn)程，準(zhǔn)確記錄棉花出苗期、蕾期（50%棉花出現(xiàn)直徑約3mm的蕾）、花鈴期（50%棉花開(kāi)出第一朵白花）和吐絮期（50%棉花開(kāi)始吐絮）的時(shí)間。棉花生育期是指從播種至棉田內(nèi)50%棉株吐絮所經(jīng)歷的天數(shù)。

1.3.4棉田土壤水分含量空間變異特征分析 用地統(tǒng)計(jì)法對(duì)三種種植模式棉田的土壤水分含量進(jìn)行空間異質(zhì)性分析，通過(guò)半方差函數(shù)模型進(jìn)行擬合，獲得半方差函數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。常見(jiàn)的半方差函數(shù)擬合模型有球狀模型、指數(shù)模型、線性模型和高斯模型。由模型和參數(shù)[塊金值C₀、偏基臺(tái)值C、基臺(tái)值（Sill，C₀+C）、變程A₀]定量描述土壤水分的變異性。

殘差平方和（RSS）越小、決定系數(shù)（R²）越大，說(shuō)明模型的擬合程度越好，更接近現(xiàn)實(shí)情況。CO是在采樣距離為0時(shí)所得的半方差的值，通常表示一種隨機(jī)的變異，用以測(cè)量誤差和土壤中水分的變化；Sill（基臺(tái)值）通常表示空間異質(zhì)性的大小，該值越大，表明空間異質(zhì)性程度越高，直至達(dá)到平穩(wěn)的極大值，而到達(dá)該極大值的距離即為A₀。C/Sill的比值是半方差函數(shù)中的一個(gè)重要參數(shù)，該值的大小說(shuō)明變量在空間內(nèi)的自相關(guān)性。C/Sill≤0.25時(shí)，表明變量的空間自相關(guān)性較弱；C/Sill在0.25～0.75之間時(shí)，表明變量的自相關(guān)性中等；C/Sill≥0.75時(shí)，表明變量的空間自相關(guān)性強(qiáng)。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，采用單因素方差分析和Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（Plt;0.05）。采用Surfer16（Golden Software Inc.，USA）軟件繪制土壤含水量等值線圖，使用Stata 14.0（ Stata Corp LP，Col-lege Station，Texas，USA）軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理和分類，用GS+（Gamma design software，Plainwell，Ml，USA）軟件分析土壤水分空間變異特征。

2結(jié)果與分析

2.1不同種植模式下棉花生育期進(jìn)程比較

由表1可知.2017年棉花出苗至現(xiàn)蕾時(shí)間不同種植模式間差異顯著，麥棉套作時(shí)間最長(zhǎng)，為40 d，麥后直播時(shí)間最短，為22 d。其原因可能是麥后直播棉的播期較晚，苗期階段充足的土壤水分以及較高的日平均溫度大大縮短其現(xiàn)蕾時(shí)間：而麥棉套作受麥棉共生期的影響，棉花生長(zhǎng)較為緩慢，故所需現(xiàn)蕾時(shí)間最長(zhǎng)。麥后直播棉現(xiàn)蕾至開(kāi)花、開(kāi)花至吐絮的時(shí)間均顯著長(zhǎng)于其他兩種種植模式。

2018年，不同種植模式間棉花出苗至現(xiàn)蕾時(shí)間和開(kāi)花至吐絮時(shí)間的變化趨勢(shì)與2017年一致，但麥棉套作出苗至現(xiàn)蕾天數(shù)比2017年提前一周，為33d，麥后直播時(shí)間最短，為25d，原因可能是土壤水分充足的2018年更利于棉花現(xiàn)蕾。開(kāi)花至吐絮階段，3個(gè)處理到達(dá)吐絮期天數(shù)均較2017年明顯縮短，麥后直播棉減少6d，麥棉套作減少7d，單作棉減少12d，這可能與兩年的氣候條件不同有關(guān)。

兩年間，麥后直播棉的生育期均最長(zhǎng)，且較為穩(wěn)定，分別為122、123d；麥棉套作分別為121、109d，年度間差異較大，2018年較2017年少12d；單作棉差異較小，分別為106、101d。

2.2不同種植模式下棉田土壤水分含量空間變異特征

由表2可知，兩年內(nèi)不同種植模式下棉花不同生育時(shí)期土壤水分的最佳擬合模型均為高斯模型，R²整體均大于0.92，且RSS都較小，說(shuō)明土壤水分在土壤內(nèi)有著明顯的空間連續(xù)性以及隨空間變化的異質(zhì)性。

兩年間，棉花各生育時(shí)期土壤水分含量半方差函數(shù)C₀均小于0.001，土壤水分含量趨于穩(wěn)定，表明由隨機(jī)因素引起土壤水分變異的可能性較小。與2017年相比，2018年麥后直播棉與單作棉土壤的C/Sill值整體呈下降趨勢(shì)，除吐絮期外，兩種種植模式均呈現(xiàn)出由強(qiáng)自相關(guān)性向中等自相關(guān)性變化的居多；麥棉套作則呈強(qiáng)自相關(guān)性居多。

不同種植模式下棉花不同生育時(shí)期土壤水分含量半方差函數(shù)的A₀值均大于實(shí)際采樣間距20cm，表明棉田土壤水分具有很好的空間結(jié)構(gòu)，可以準(zhǔn)確反映出土壤水分空間變異特征，且兩年間三種種植模式棉田的整體變化趨勢(shì)基本一致。

2.3不同種植模式下棉田土壤水分空間分布特征

麥棉套作模式下麥棉共生期小麥、棉花及不同種植模式下棉花現(xiàn)蕾期土壤水分空間分布等值線見(jiàn)圖2。

從圖2A、D可以看出，麥棉套作的土壤含水量（SWC）相對(duì)較少，雖然與其他兩種模式取樣時(shí)間不同，但小麥對(duì)棉花苗期土壤水分的影響明顯：土壤水分流失較快，靠近棉行位置的土壤含水量明顯低于麥行位置，且土壤水分變化較快：且由于兩種作物對(duì)土壤水分競(jìng)爭(zhēng)的原因，使得60cm土層以下土壤水分空間分布等值線呈現(xiàn)明顯的“幾”字形。

相比于同時(shí)期的麥后直播棉（圖2B、E），單作棉對(duì)土壤水分的消耗更多集中在30 cm土層附近（圖2C、F）；麥后直播棉播期較晚，其苗期（兩年均為6月20日）正值雨季且有小麥?zhǔn)斋@后的殘留秸稈覆蓋，有效減少了土壤表面的蒸發(fā)作用，使得麥后直播棉的行間小麥秸稈覆蓋區(qū)域土壤水分含量明顯高于單播棉的棉花行間空白區(qū)域。

由圖3（A、B、D、E）可以看出，花鈴期麥棉套作和麥后直播種植模式下，地表的小麥秸稈起到一定的保水保墑作用，有效避免了更多的水分消耗，其20 cm土層處土壤含水量明顯高于單作土壤，麥棉套作土壤水分已恢復(fù)至與其他兩種模式相當(dāng)?shù)乃?。由圖3（C、F）可以看出，單作棉花對(duì)土壤水分的消耗更多集中在40 cm的土層附近，更深土層的變化不明顯。

由圖4可知，棉花吐絮期土壤水分含量明顯減少，表明棉花花鈴期至吐絮期的水分消耗量比較大。花鈴期至吐絮期是棉花需水敏感期，土壤水分含量的多少可間接說(shuō)明棉花植株的生物量積累情況。

由圖4A、D可以看出，麥棉套作處理棉花吐絮期再次出現(xiàn)“幾”字形土壤水分空間構(gòu)型，這與麥棉共生期時(shí)與小麥的水分競(jìng)爭(zhēng)有著密不可分的聯(lián)系。麥棉共生期是小麥的近成熟期，此時(shí)苗期的棉株只能向更深層次的地下獲取足夠的水分來(lái)供應(yīng)生長(zhǎng)。

麥后直播棉的吐絮期較其他兩個(gè)種植模式約晚30 d。由圖4B、E可以看出，距地表50 cm土層處存在著一部分濕潤(rùn)帶，除小麥秸稈保水保墑的原因外，可能也是棉株對(duì)土壤水分獲取較少、生物量積累較低的一個(gè)表現(xiàn)。

由圖4C、F可以看出，單作棉土壤水分流失主要集中在距地表50 cm的土層，等值線的緊湊表明根系附近土壤水分的變化更加劇烈。

綜上，2017年和2018年，三種種植模式下棉花各生育時(shí)期都有著相似的土壤水分運(yùn)動(dòng)軌跡，排除環(huán)境因素的影響，棉株對(duì)土壤水分獲取的趨勢(shì)相近，土壤水分空間分布基本保持一致。

3討論

3.1不同種植模式下棉田土壤水分空間異質(zhì)性

土壤水分的量化有助于提高現(xiàn)代化農(nóng)場(chǎng)的管理技術(shù)以及水分利用效率，可為農(nóng)田智能精準(zhǔn)灌溉提供數(shù)據(jù)支持。土壤水分具有明顯的時(shí)空異質(zhì)性，擁有較高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力。但當(dāng)前對(duì)土壤水分量化后的分析處理較少，因此，對(duì)土壤水分空間分布狀況進(jìn)行模擬、了解麥棉水分時(shí)空競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制、探究?jī)墒旆N植和單作種植的空間異質(zhì)性具有重要意義。史麗麗等研究認(rèn)為，連續(xù)取樣獲得的土壤水分時(shí)空異質(zhì)性數(shù)據(jù)更有說(shuō)服力：也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，土壤水分的空間異質(zhì)性受到多種因素的影響。本試驗(yàn)連續(xù)取樣的土壤水分含量半方差函數(shù)的塊金值（C₀）均較小，表明采樣點(diǎn)土壤水分獲取時(shí)的誤差較?。喊敕讲詈瘮?shù)變程（A₀）均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際采樣間距，因此本試驗(yàn)的取樣點(diǎn)完全可以表達(dá)土壤水分空間結(jié)構(gòu)。

3.2不同種植模式下棉田土壤水分含量變化

棉花各生育時(shí)期的需水梯度依次為花鈴期gt;蕾期gt;出苗期gt;吐絮期gt;播種期，由于種植制度、生長(zhǎng)狀況、氣候條件等因素不同，棉田土壤水分空間分布也有不同。麥棉套作存在小麥棉花共生期，使得其土壤水分空間分布明顯異于其他兩種種植模式：麥棉共生期為棉花苗期以及小麥生殖生長(zhǎng)旺盛時(shí)期，耗水量較大，土壤失墑快，棉花幼苗根系向更深的土層汲取水分，土壤水分含量等值線呈現(xiàn)“幾”字形。蔡忠民等研究發(fā)現(xiàn)，麥棉共生期間0～40cm土層的土壤含水量變化劇烈，40～100 cm土層為較劇烈變化層，這與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致：麥后直播棉蕾期0～40 cm土層土壤含水量最高，除了播期較晚的因素外，雨季來(lái)臨和小麥秸稈覆蓋是其含水量高的主要原因，此時(shí)期水分充足可保證棉花地上部植株的生殖生長(zhǎng)和地下部根系的平穩(wěn)發(fā)育：花鈴期蕾鈴增多，葉片增大，生殖生長(zhǎng)旺盛，蒸騰作用加劇，使土壤水分消耗增加。本研究表明，單作棉花花鈴期10～40 cm土層土壤水分運(yùn)動(dòng)加劇，因沒(méi)有小麥秸稈保護(hù)使得土壤水分蒸發(fā)明顯：進(jìn)入吐絮期后，土壤含水量的空間分布情況側(cè)面證實(shí)了棉花植株的生物量積累情況，這與肖緒培等的研究結(jié)果基本一致。

綜上可知，土壤水分的空間分布受多種因素共同影響，本試驗(yàn)條件下，種植模式是最直接的影響因素。麥棉套作模式下“幾”字形土壤水分含量等值線的出現(xiàn)，表明棉花根系發(fā)育與土壤水分空間分布呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，因此在相同生育期內(nèi)，不同種植模式棉田土壤水分空間分布差異明顯。

4結(jié)論

土壤水分空間分布具有高度空間異質(zhì)性，且隨時(shí)間的變化而變化。本研究得出，兩熟種植模式可有效緩解土壤水分蒸發(fā)，提高水分利用效率，且其對(duì)土壤水分消耗的影響主要集中在10～50cm土層中，對(duì)更深層次土壤水分的影響不明顯。