李志鵬，李亞兵，楊北方，陳國棟，馮 璐，范正義，李小飛，王占彪，熊世武，雷亞平，王國平，萬素梅

(1.塔里木大學 農(nóng)學院，新疆阿拉爾 843300；2.中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所 棉花生物學國家重點實驗室，河南安陽 455000)

新疆是中國主產(chǎn)棉區(qū)，自 20 世紀 80 年代開始推廣地膜覆蓋植棉技術，并且逐步形成了相對完善的種植模式[1-2]。在近30年的推廣應用過程中，地膜覆蓋的優(yōu)點有目共睹，但其弊端也逐漸暴露出來，地膜污染問題日趨嚴重，成為限制新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素[3-6]。2014年，棉花產(chǎn)業(yè)技術體系將無膜棉列為具有前瞻性的研究任務，認為無膜棉是有效解決國內棉田地膜污染問題的途徑之一[7-9]。但是，與地膜覆蓋相比，無膜棉存在水分消耗快，不合理的灌溉制度容易導致水分利用率低的問題，因此，研究不同灌溉條件下無膜棉田土壤水分時空變化特征，對無膜棉水分利用及合理灌溉制度的制定具有一定的理論意義。2018年新疆沙雅縣無膜棉示范田產(chǎn)量達到了4 800 kg/hm2，僅比對照膜下滴灌棉田低約5%[9]；王洪博等[10]研究結果表明，當無膜棉灌水定額比膜下滴灌高80%時，產(chǎn)量較膜下滴灌高19.54%，也證明了利用無膜棉解決國內棉田種植問題是可行且高效的[9-10]。對于膜下滴灌棉田，土壤水分的變化主要集中在0～60 cm土層，30～40 cm土層土壤含水率高于表層[11]，土壤水分的時空變化趨勢為隨著土層深度的增加而減小[12-15]，灌水量增加，土壤含水率增加[16]。水分是新疆棉花生產(chǎn)的主要限制因素，而目前國外關于土壤水分時空變化特征的研究，因所處地理位置、氣候條件、管理模式與國內不同，其研究結果不適用于中國南疆無膜棉種植模式，國內現(xiàn)有研究大多是針對膜下滴灌棉田，亦不適用于國內無膜棉種植[17-18]。因此，為得到適合中國南疆無膜棉種植的灌溉模式，本文開展無膜棉田土壤水分時空變化特征研究。針對南疆水資源緊缺、地膜污染；以及無膜棉種植剛剛起步相關研究較少等問題，利用現(xiàn)代化技術手段、網(wǎng)格化布置傳感器實時長期連續(xù)監(jiān)測的方法開展南疆無膜棉不同灌溉條件下土壤水分時空變化特征的研究，擬闡明無膜棉田土壤水分分布及動態(tài)變化特征，以期為無膜棉田水分高效利用及促進棉花早熟、集中成熟提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2020年4-10月在新疆阿拉爾市十團中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所試驗基地(40°51′N，81°30′E)進行，土壤質地為砂壤土。試驗點屬暖溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫10.56 ℃，氣溫日較差12.2～17.7 ℃，全年累計≥10 ℃，期間日照時數(shù)1 793 h，平均無霜凍期為208 d，常年平均降水量48.2 mm。

供試品種為‘中棉619’，試驗采用單因素隨機區(qū)組設計，寬窄行(一膜六行，66 cm+10 cm)的種植模式。棉花種植密度為24 萬株/hm2，根據(jù)灌水條件不同設置4個處理：蕾期2次+花鈴期4次(wmm1)；蕾期2次+花鈴期6次(wmm2)；蕾期2次+花鈴期8次(wmm3)以及有膜對照蕾期2 次+花鈴期8 次(CK)，每個處理3 次重復，共計12個小區(qū)，小區(qū)面積6.84×7=47.88 m2。各處理全生育期施肥總量相同，通過施肥罐隨水施肥。開花前各處理灌水日期與灌水量相同，灌水日期為6月10日、6月21日，灌水量為45 mm，進入花鈴期，各無膜處理每次灌水量設置為69 mm，wmm3最后一次灌水量設置為52.2 mm，其他田間管理措施保持一致，適時進行人工除草，有膜對照采取當?shù)卣５奶镩g管理模式，并在8月1日進行揭膜處理。

1.2 方 法

播種前，選擇土壤理化性質相對一致的地點，采用空間網(wǎng)格法，將水分傳感器均勻布置在80 cm×100 cm的垂直剖面上，第一層傳感器設置在距地表10 cm處，以第一層為基準，每隔20 cm進行傳感器布設，每層設置5 個傳感器，共設置6層，即每個處理為30個測量點，傳感器自埋設完成開始，每隔1 h采集一組數(shù)據(jù)，直至棉花生育期結束。數(shù)據(jù)采集與儲存利用CR1000數(shù)據(jù)采集器。各處理傳感器及滴灌帶具體分布如圖1所示。

圖1 滴灌帶及傳感器田間分布示意圖Fig.1 Diagram of field distribution of drip irrigation zone and sensor

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

1.3.1 空間插值法 利用Stata對每天獲取的24組網(wǎng)格數(shù)據(jù)對應點進行平均處理，獲得一個新的網(wǎng)格文件。運用空間統(tǒng)計學軟件Surfer的Kriging插值模塊將離散型數(shù)據(jù)轉變?yōu)檫B續(xù)的線或者面[19]。根據(jù)田間調查確定各處理棉花生育期及其具體時間，在每個生育期選擇相同的日期，對該日期的平均后數(shù)據(jù)作等值線圖。點內插的克里金方程為：

式中γ(Xi,Xj)是觀測點Xi與Xj之間的半變異值；φ是與方差最小化有關的拉格朗日乘數(shù)。

利用Surfer軟件中3/8擴展Simpson’s計算方法對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行計算得到土壤總含水量，計算公式如下：

其中，(1,3,3,2,3,3,2,…,3,3,2,1)為各項系數(shù)向量，△X是網(wǎng)格數(shù)據(jù)縱向間距，△Y是網(wǎng)格數(shù)據(jù)橫向間距，Gi,j是i行j列傳感器的數(shù)據(jù)，V是所測定的橫截面上的含水量總和。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析 用Stata 14.0軟件以及Office 2019進行數(shù)據(jù)的批量處理及分析，利用Surfer 18繪制土壤水分空間分布以及隨時間變化的等直線圖，用Origin 2018進行折線圖繪制。

2 結果與分析

2.1 無膜棉土壤水分時空分布特征

從各處理不同時期不同土層土壤含水量的分布情況可以看出(圖 2)：初花期，CK 10～40 cm土層含水量明顯高于無膜棉；到盛花期，CK與無膜棉各土層含水量趨勢一致；花鈴后期，wmm1處理10～50 cm土層含水量相對較少，wmm3與CK處理70 cm以下土層含水量明顯增多；吐絮期后，灌溉停止，各處理20～60 cm相對濕潤區(qū)域面積縮小，含水量整體下降，趨于一致。

圖中棉花4 個生育時期對應的日期從上到下分別為：7月7日、7月20日、8月20日以及9月20日The dates corresponding to the four growth periods of cotton in the figure from top to bottom are:July 7，July 20，August 20 and September 20， respectively圖2 無膜棉不同時期土壤水分空間分布Fig.2 Spatial distribution of soil moisture in different periods of filmless cotton

豎直方向上，各處理0～60 cm土層含水量均呈現(xiàn)先增加后減少的空間分布規(guī)律，各無膜處理土壤水分主要活躍區(qū)域為0～60 cm土層，CK為0～50 cm土層，灌水對0～60 cm土層土壤含水量有顯著影響；在20～60 cm處存在相對濕潤區(qū)域，隨著生育進程的推進，濕潤區(qū)域逐漸縮小；在60～110 cm土層，隨著土層深度的增加，wmm1與wmm2處理土壤含水量逐漸減少，wmm3與CK則表現(xiàn)為先減少后增加，隨著生育進程的推進，土壤水分有微弱的減少，初花期及盛花期灌水對該土層影響較小，花鈴后期，灌水會顯著增加深層土壤含水量；水平方向上，受滴灌帶布置的影響，在滴灌帶正下方扇形區(qū)域內含水量較高，吐絮前，隨著離滴灌帶距離的增加，棉行中間土壤含水量較棉行位置少。

2.2 無膜棉土壤水分隨時間變化特征

如圖3所示，整體土壤含水量的變化規(guī)律與灌溉時間以及棉花生育期基本一致，灌溉后土壤含水量明顯高于灌溉前，各處理不同土層土壤含水量隨時間變化先增加后減少，不同處理土壤含水量的增加和減少速度不相同，0～50 cm土層變化幅度更加明顯，隨著土層深度的增加，土壤含水量的變化幅度減小。同一個處理不同時期的下降速度也不相同，具體表現(xiàn)為：盛花期土壤含水量下降較快，花鈴后期下降較慢。不同處理不同土層含水量變化表現(xiàn)為除50～70 cm土層外，wmm1下降速度最快、含水量最低，在0～50 cm土層兩次灌水間含水量最低點顯著低于其他處理；吐絮后，wmm2在10～30 cm土層含水量最高，30～50 cm土層處理間差異不顯著，CK在50～70 cm土層含水量最低，wmm3在50～90 cm土層含水量最高，為0.16～0.35 m3/m3。

圖3 不同土層土壤含水量Fig.3 Soil water content in different soil layers

2.3 無膜棉土壤水分隨時間的消耗特征

如圖4所示，灌水會短暫提高各處理的耗水量，灌水當天及灌水后一天，耗水量明顯大于灌水前；盛花期前各個處理的土壤耗水量均逐漸增加，進入盛花期土壤水分消耗達到最大，wmm1最大水分消耗出現(xiàn)在7月29日，最大耗水量為10.28 mm，wmm2最大水分消耗出現(xiàn)在7月28日，最大耗水量為13.7 mm，wmm3最大水分消耗出現(xiàn)在7月27日，最大耗水量為17.75 mm，CK最大水分消耗出現(xiàn)在7月24日，最大耗水量為8.47 mm，各處理在達到最大耗水量時的灌水次數(shù)分別是5次、6次、7次、6次，由此可見，在每次灌水量相同的情況下，灌溉次數(shù)越多，土壤水分消耗量越大，CK由于覆蓋地膜，耗水量小于其他幾個處理，CK最大耗水日期早于無膜處理。對于無膜處理，灌水次數(shù)越多，最大耗水量日期出現(xiàn)越早。盛花期后，各處理的耗水量均呈下降趨勢，在8月1日前，各處理的耗水量為wmm3>wmm2>wmm1>CK；8月1日至吐絮結束，wmm3耗水量大于其他處理，此階段各處理耗水量為wmm3>CK>wmm2>wmm1。

圖4 不同時期土壤水分消耗量Fig.4 Soil water consumption in different periods

3 討 論

3.1 無膜棉土壤水分時空分布特征

灌水及地表覆蓋程度是影響土壤水分時空分布的重要因素，灌水次數(shù)及灌溉量的多少直接影響各土層的水分分布特征[20]。本試驗結果表明，灌水次數(shù)較少的處理wmm1、wmm2，棉花長勢偏弱，地表覆蓋度較低，土壤水分的垂直分布特征為隨著土層深度的增加先增加后減少，而對于灌水次數(shù)多的處理wmm3及有膜對照CK，棉花長勢良好，封行程度高，土壤水分的垂直分布特征表現(xiàn)為先增加后減少再增加，土壤水分的劇烈變化區(qū)域為0～50 cm，該結果與孫巨龍[21]、吳鳳全等[22]研究結果一致。造成不同處理土壤水分分

布不同的可能原因是，wmm1、wmm2灌水次數(shù)少，植株矮小，后期封行程度低，地表裸露，水分蒸發(fā)快，導致下滲量減少；另一方面可能是灌溉次數(shù)少導致土壤水勢小，水分未向土壤深層運移存儲，wmm3和CK則與此相反[23]。CK在初花期及盛花期，土壤相對濕潤區(qū)域為0～50 cm，而無膜處理相對濕潤區(qū)域則是0～60 cm，造成這種差異的原因可能是前期無膜棉單次灌水量大于CK；而在8月14日灌溉后，CK由于灌溉次數(shù)較多，棉花長勢良好，封行程度高，表層水分充足，灌溉水下滲較多，相對濕潤區(qū)域擴大，CK與無膜處理相對濕潤區(qū)域的差異減小[24-25]。進入花鈴后期，wmm3由于前期灌水次數(shù)多，棉田水分充足，營養(yǎng)生長旺盛，有效阻止了地表水分的蒸發(fā)，淺層土壤含水量較高，此時灌水后，表層水分下滲較多，深層土壤水分顯著增加。吐絮后，由于處理間的灌水差異，棉花長勢及土壤含水量表現(xiàn)出顯著差異，在蒸騰、棵間蒸發(fā)的共同作用下，不同處理間土壤水分的空間分布差異更加明顯，wmm3以及CK處理60 cm以下土壤含水量更高。

3.2 無膜棉土壤含水量隨時間的變化特征

研究結果表明，棉田灌水當天0～50 cm土層土壤含水量增大，隨著土層深度的增加，含水量逐漸下降[26]；隨著灌水次數(shù)的增加，表層水分充足，灌溉水受到重力勢和基質勢的雙重作用，水分下滲速度加快，深層含水量逐漸增大[27-28]。本試驗中，在50～90 cm土層，wmm3處理的含水量始終最高，wmm1始終最低，均是上述原因所致?；ㄢ徠?～50 cm土層，wmm1處理在兩次灌水間含水量最低的主要原因是灌水后，土壤水分持續(xù)消耗，含量下降，加之灌水周期長，水分沒有得到及時補充。從試驗結果可以看出，從初花期至吐絮結束，棉田深層土壤含水量的變化幅度較小，但是隨著灌水次數(shù)的增加，wmm3處理在花鈴后期灌水后，深層土壤含水量顯著增加，在吐絮期內50～90 cm土層含水量遠高于其他處理，根據(jù)棉花不同生育期需水量規(guī)律，吐絮期的需水量是最少的[29]，因此，適當增加前期灌水次數(shù)，減少花鈴后期的灌水量，能夠有效阻止水分的深層滲漏損失，在保證棉花正常生長的同時，有效提高水分的利用率[30]。

3.3 無膜棉土壤水分隨時間的消耗特征

本研究結果表明，棉花進入花鈴期，土壤水分消耗量逐漸增大，這是因為7月下旬開始，棉花群體進入快速生長期，葉面積指數(shù)和根系活力達到高峰，需水量增大，此期的耗水主要用于地表蒸發(fā)和植株蒸騰，土壤水分消耗量最大，此時的總耗水量為wmm3>wmm2>wmm1>CK，CK處理耗水量最低的原因是地膜覆蓋阻止了地表水分的蒸發(fā)，耗水量主要來源于植株蒸騰[31]。盛花期后，棉花營養(yǎng)生長逐漸減弱，群體耗水量下降，且日平均溫度開始下降，各處理土壤耗水量均呈下降趨勢，直至吐絮結束，此階段各處理耗水量順序發(fā)生變化，即wmm3>CK>wmm2>wmm1，CK處理耗水量顯著增大，原因可能是8月1日揭膜且后期灌水次數(shù)多于wmm1、wmm2。全生育期wmm3的耗水量一直最高，且隨著灌水次數(shù)的減少，對應各處理土壤耗水量依次減少，結果表明灌水方式顯著影響土壤水分消耗。CK在花鈴后期灌水后土壤耗水量出現(xiàn)大幅度增加，也證明土壤水分的消耗主要來源于地表蒸發(fā)。研究表明，棉花花鈴期的耗水量多少與最終的棉花產(chǎn)量有直接關系，且隨灌溉定額的增加，棉花產(chǎn)量表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢[32-33]。

4 結 論

灌水次數(shù)及灌溉定額會顯著影響土壤水分的空間分布情況，隨著灌水次數(shù)以及灌溉定額的增加，相對濕潤區(qū)域擴大，60 cm以下土層含水量明顯增加；灌水對土壤水分的消耗量影響顯著，隨著灌水次數(shù)及灌水定額的增加，土壤水分消耗量增加，而有膜對照由于前期地膜覆蓋，土壤總耗水量低于各無膜處理。

綜上，由于前期棉花植株矮小，根系較淺，地表裸露，灌溉只濕潤表層0～40 cm即可，灌溉定額不必太大，以減少積水造成的蒸發(fā)損失；花鈴期需要加大灌溉量及增加灌溉次數(shù)以滿足該期旺盛的生長需要；后期由于封行后地表蒸發(fā)減少以及營養(yǎng)生長的減弱，適當降低灌溉量以減少水分深層滲漏浪費。

本試驗中，由于設置的灌溉梯度有限，只能得到一些初步的結論，后期還需根據(jù)棉花各生育期耗水規(guī)律，設置更多的灌水梯度，并結合株高、產(chǎn)量等農(nóng)藝指標進行綜合分析，以確定南疆無膜棉最佳灌水制度。