潘 洋,付秋萍,海 英,祁 通,洪 明,馬英杰,潘俊杰

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院/新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830052;2. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】新疆棉花單產(chǎn)和總產(chǎn)位居全國(guó)首位[1]。新疆主要棉花產(chǎn)區(qū)地勢(shì)平坦,機(jī)械化程度高[2]。2021年全疆棉花播種面積250.62×104hm2(3 759.26萬(wàn)畝)[3]。近年來(lái)新疆機(jī)采棉產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,北疆棉花主產(chǎn)區(qū)機(jī)械采收率已經(jīng)達(dá)到90%以上[4]。機(jī)采棉極大程度上節(jié)省了人工、提高了棉花生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本[5]。因此,研究膜下滴灌機(jī)采棉最佳水氮組合對(duì)機(jī)采棉提質(zhì)增效有現(xiàn)實(shí)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】膜下滴灌棉花主要通過(guò)調(diào)控水分和氮素來(lái)提高產(chǎn)量[6-10]。通過(guò)水肥耦合可以在產(chǎn)量降低不多的條件下,顯著提高水肥的綜合效益,對(duì)于棉花水肥管理有重要意義[11-12]。張燕等[13]研究指出水肥對(duì)產(chǎn)量存在明顯的交互作用,在灌水量為370 mm、施氮量為250 kg/hm2時(shí),在獲得最大產(chǎn)量94%的籽棉產(chǎn)量的同時(shí)可以節(jié)省15%的灌水量及16.7%的施肥量。羅新寧等[14]研究了棉花生物量積累與氮肥的使用量之間的關(guān)系,氮素的使用能夠增加生物積累量,但是過(guò)多施氮量使植株同化物向營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)移過(guò)多,生殖生長(zhǎng)受限以至于其快速生長(zhǎng)推遲;過(guò)少的施氮量植株生長(zhǎng)受限,難以達(dá)到高產(chǎn)[15]。水分嚴(yán)重虧缺情況下,作物的蒸騰作用降低,光合作用受限,葉片萎蔫,群體發(fā)育不良,產(chǎn)量降低;灌水量過(guò)多,根系呼吸作用受限,影響?zhàn)B分吸收,微生物滋生[16]。優(yōu)化灌溉施肥制度,從而改善棉花植株生長(zhǎng),充分利用光熱資源,是棉花獲得高產(chǎn)和提高水氮利用效率最有效途徑[17-18]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】滿足機(jī)械采收要求,棉花種植模式的改變、生育后期落葉與催熟,在棉花的種植管理尤其是水肥管理上與傳統(tǒng)種植模式存在較大的差異。因此,需研究與機(jī)采棉相適宜的水肥運(yùn)籌,避免棉花生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)植株徒長(zhǎng)、貪青、產(chǎn)量和品質(zhì)下降,提高機(jī)采棉生產(chǎn)過(guò)程中的水肥利用效率?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】研究膜下滴灌不同水氮處理對(duì)機(jī)采棉生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響,提出機(jī)采棉種植模式下機(jī)采棉最佳水肥管理策略,為新疆精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供一定的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2017年在新疆昌吉回族自治州呼圖壁縣大豐鎮(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(E 86.63°,N 44.18°),屬于中溫帶大陸半荒漠干旱性氣候,多年平均降雨量為167 mm,多年平均氣溫為5～6℃,日照實(shí)數(shù)為2 750～3 090 h。試驗(yàn)地土壤類型為沙壤土,土壤容重1.54 g/cm3,地下水埋深15 m。土壤有機(jī)質(zhì)9.56 g/kg,全氮3.10 g/kg,堿解氮35.42 mg/kg,速效磷14.54 mg/kg,速效鉀126.99 mg/kg,土壤體積田間持水率為35.64%。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用1膜3管6行的機(jī)采棉種植模式,作物行距(66+10) cm,1膜6行,寬窄行(66 cm+10 cm+66 cm)種植,株距10 cm,滴灌帶分別布置在距第1行棉花垂直距離20、96和142 cm的位置。滴灌帶管徑16 mm,滴頭流量1.8 L/h,滴頭間距30 cm。

試驗(yàn)采用二因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)置3個(gè)灌水水平,分別為低W1(3 000 m3/hm2)、中W2(3 525 m3/hm2)和高W3(4 200 m3/hm2);4個(gè)施氮水平分別為:對(duì)照N0(0 kg/hm2)、低N1(168 kg/hm2)、中N2(240 kg/hm2)、高N3(312 kg/hm2)。共12個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù),計(jì)36小區(qū)。每個(gè)小區(qū)3個(gè)膜寬,即包含18行棉花、9條滴灌帶,長(zhǎng)度10 m。根據(jù)棉花生育期特點(diǎn)灌水8次,由水表控制灌水量,灌水及施肥日期為6月23日、7月1日、7月9日、7月22日、7月29日、8月7日、8月16日。

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

1.2.2.1 株 高

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)一次,一直到花鈴期機(jī)采棉株高不再生長(zhǎng)為止。株高為第1片子葉到機(jī)采棉主莖頂部生長(zhǎng)點(diǎn)的高度,用卷尺進(jìn)行測(cè)量。

1.2.2.2 莖 粗

選擇機(jī)采棉主莖距地10 cm處的莖粗,用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量,觀測(cè)時(shí)間與株高觀測(cè)相同。

1.2.2.3SPAD值

用手持式SPAD-502型葉綠素儀對(duì)機(jī)采棉葉片葉綠素相對(duì)含量SPAD值進(jìn)行測(cè)定(每個(gè)小區(qū)重復(fù)3次)。測(cè)量時(shí)間與株高、莖粗一致,測(cè)倒四葉,避開(kāi)葉脈。

1.2.2.4 葉面積指數(shù)

在各實(shí)驗(yàn)小區(qū)取代表性植株3棵,取其葉片,采用打孔法進(jìn)行測(cè)定。

葉面積指數(shù)=單株葉面積×單位土地面積株數(shù)/單位土地面積。

1.2.2.5 產(chǎn)量和單株成鈴數(shù)

采用樣田法,在吐絮期選取長(zhǎng)3 m寬2.4 m的小區(qū)進(jìn)行測(cè)產(chǎn)(每個(gè)小區(qū)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)。

1.2.2.6 耗水量及水分利用效率(Water use efficiency, WUE)

棉花耗水量:

ET=P+I-R-Dp-ΔW.

式中,ET為耗水量(mm);P為降雨量(mm);I為灌水量(mm);R為地表徑流(mm);DP為深層滲漏(mm);ΔW為全生育期始末土壤儲(chǔ)水量的變化值(mm)。因試驗(yàn)地地下水位較深,且地勢(shì)平坦降雨量少,故R和DP忽略不計(jì)。

水分利用效率:

WUE=Y/ET.

式中,Y為籽棉產(chǎn)量(kg/hm2);ET為全生育期土壤耗水量(m3/hm2)。

1.2.2.7 氮肥偏生產(chǎn)力(Partial factor productivity of nitrogen fertilizer, PFPN)

氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg):

PFPN=Y/FT.

式中,FT為氮肥的施入總量(kg/hm2)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2019對(duì)數(shù)據(jù)處理與計(jì)算;應(yīng)用SPSS 26.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行雙因素方差分析和DUNCAN新復(fù)極差法進(jìn)行不同處理差異顯著性分析;Origin 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理對(duì)機(jī)采棉生長(zhǎng)特性的影響

研究表明,蕾期灌溉對(duì)機(jī)采棉株高影響極顯著(P<0.01),施氮對(duì)機(jī)采棉株高影響不顯著(P>0.05),水氮耦合也對(duì)機(jī)采棉株高影響不顯著(P>0.05);在初花期和初鈴期灌溉和施氮均對(duì)機(jī)采棉株高有極顯著影響,但水氮耦合對(duì)機(jī)采棉株高影響不顯著(P>0.05);在盛花期和盛鈴期,灌溉和施氮對(duì)機(jī)采棉株高均有極顯著影響(P<0.01),且水氮耦合對(duì)機(jī)采棉的株高影響均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。表1

表1 不同水氮處理對(duì)機(jī)采棉株高的顯著性水平

蕾期,高、中、低灌水水平下,N0、N1、N2、N3施氮處理間株高差異不顯著。在初花期,低灌溉水平下(W1),N3施氮處理株高顯著高于N2處理,且顯著高于N0、N1處理;中灌水水平下(W2),N0、N1處理間株高差異不顯著,N2、N3處理間株高差異不顯著,但N2、N3處理與N0、N1處理間株高差異均顯著;高灌水水平下(W3),N0、N1、N2處理間差異不顯著,但N3處理株高顯著高于其它處理。在盛花期,在低、中、高灌水水平下N0、N1施氮處理株高差異不顯著;低灌水和高灌水水平下,N2、N3處理株高差異顯著,且均顯著高于N0、N1處理;中灌水水平下,N2N3處理株高差異不顯著,但顯著高于N0、N1處理。初鈴期和盛鈴期,低灌水水平下,N0、N1處理株高差異顯著,N3、N4處理株高差異不顯著,且都顯著高于N0、N1處理;中灌水水平下,N0、N1處理株高差異不顯著,N3、N4處理株高差異不顯著,且都顯著高于N0、N1處理;在高灌水水平下,N0、N1處理株高差異不顯著,N3、N4處理株高差異顯著,且都顯著高于N0、N1處理。圖1

在相同施氮水平下,隨著灌水量的增加株高呈逐漸增大的趨勢(shì);在相同灌水量下,隨著施氮量的增加株高呈逐漸增大的趨勢(shì),但是當(dāng)施氮量增加到一定水平后,對(duì)株高的促進(jìn)作用會(huì)減弱。

在整個(gè)生育期灌水對(duì)機(jī)采棉葉面積指數(shù)的影響均極顯著(P<0.01),蕾期-初鈴期和吐絮期施氮對(duì)機(jī)采棉葉面積指數(shù)影響極顯著(P<0.01),在盛鈴期施氮對(duì)機(jī)采棉葉面積指數(shù)影響顯著(P<0.05)。在整個(gè)生育期水氮耦合對(duì)機(jī)采棉葉面積指數(shù)影響不顯著(P>0.05)。表2

表 2 不同水氮處理對(duì)機(jī)采棉葉面積指數(shù)顯著性水平

蕾期和盛花期,低灌水水平下,N0、N1處理葉面積指數(shù)差異不顯著,N2、N3處理葉面積指數(shù)差異不顯著,但顯著大于N0處理;中、高灌水水平下,N1、N2、N3處理葉面積指數(shù)差異不顯著,但都顯著大于N0處理。初鈴期,低、中、高灌水水平下,N2處理葉面積指數(shù)顯著大于N0處理,其它施氮處理間差異不顯著。盛鈴期和吐絮期,低、中灌水水平下各施氮處理間葉面積指數(shù)差異不顯著;高灌水水平下N2處理葉面積指數(shù)顯著大于N0處理,其它施氮處理間葉面積指數(shù)均無(wú)顯著差異。

相同施氮處理下,隨著灌水量的增加葉面積指數(shù)呈逐漸增大的趨勢(shì),且各個(gè)灌水處理間葉面積指數(shù)差異顯著,增加灌水量會(huì)使機(jī)采棉的葉面積指數(shù)增大。在相同灌水處理下,在低、中灌水水平下,隨著施氮量的增加葉面積指數(shù)呈逐漸增加的趨勢(shì),但當(dāng)施氮量增加到一定水平后葉面積指數(shù)反而呈減小的趨勢(shì),施氮量達(dá)到一定水平后繼續(xù)增加施氮量會(huì)抑制機(jī)采棉葉面積指數(shù)的增大,且施氮對(duì)葉面積指數(shù)的促進(jìn)作用小于灌水處理對(duì)葉面積指數(shù)的促進(jìn)作用。圖2

圖 1 不同水氮處理下機(jī)采棉株高變化

圖 2 不同水氮處理下機(jī)采棉葉面積指數(shù)變化

蕾期灌水對(duì)機(jī)采棉莖粗的影響不顯著(P>0.05),在其它4個(gè)生育期灌水對(duì)機(jī)采棉莖粗的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01);施氮對(duì)機(jī)采棉莖粗的影響在整個(gè)生育期均達(dá)到極顯著水平(P<0.01);水氮耦合在蕾期和盛花期對(duì)機(jī)采棉莖粗的影響顯著(P<0.05),在初花期灌水施氮的交互作用對(duì)機(jī)采棉莖粗的影響不顯著(P>0.05),在盛鈴期和花鈴后期水氮耦合作用對(duì)機(jī)采棉莖粗的影響顯著(P<0.05)。表3

表 3 不同水氮處理對(duì)機(jī)采棉莖粗的顯著性水平

低灌水水平下(W1),N1、N2、N3施氮處理間莖粗差異不顯著,但N2、N3施氮處理莖粗都顯著大于N0處理;中、高灌水水平下(W2、W3),N0、N1、N3施氮處理間莖粗差異不顯著,但N2施氮處理的莖粗顯著大于其它三個(gè)施氮處理。在低灌水水平下(W1),N1、N2、N3施氮處理間機(jī)采棉莖粗差異不顯著,但都顯著大于N0處理;中、高灌水水平下(W2、W3),N0、N1、N3施氮處理間莖粗差異不顯著,但N2施氮處理的莖粗顯著大于其它3個(gè)施氮處理。低灌水水平下,N0、N1施氮處理間莖粗差異不顯著,N1、N2、N3施氮處理間莖粗差異不顯著,但N2、N3施氮處理莖粗顯著大于N0處理;中、高灌水水平下(W2、W3),N0、N1、N3施氮處理間莖粗差異不顯著,但N2施氮處理莖粗顯著大于其它3個(gè)處理。圖3

圖 3 不同水氮處理下機(jī)采棉莖粗變化

在相同施氮處理下,機(jī)采棉的莖粗隨著灌水量的增加而增加,但當(dāng)施氮量達(dá)到一定水平后隨著灌水量的增加機(jī)采棉莖粗呈逐漸減小的趨勢(shì),在高氮水平下會(huì)抑制機(jī)采棉莖粗的增加。相同灌水水平下,在低灌水處理(W1)下,莖粗隨著施氮量的增加呈逐漸增加的趨勢(shì);但在中、高灌水處理下(W2、W3),機(jī)采棉莖粗隨著施氮量的增加先增加后減小,且N3處理莖粗顯著小于N2處理。在低灌水水平下,增加施氮量對(duì)莖粗增加有促進(jìn)作用;在中、高灌水水平下,當(dāng)施氮量增加到一定程度后反而會(huì)對(duì)莖粗的增加出現(xiàn)抑制作用。

2.2 不同水氮處理對(duì)機(jī)采棉葉片SPAD值影響

研究表明,3個(gè)灌水水平下除了不施氮處理以外其它處理的SPAD值均呈先下降后上升的趨勢(shì),7月4日之后,各處理機(jī)采棉葉片的SPAD值隨著生育期的推進(jìn)而增加。在低灌水水平下,相比W1N0處理,棉花葉片的SPAD值隨著施氮量的增加而增加,且N3施氮處理的SPAD值最大值顯著大于其它施氮處理。在中灌水水平下,施氮量對(duì)各處理機(jī)采棉葉片的SPAD值的影響不大,但不施氮處理在8月4日以后呈逐漸下降的趨勢(shì),且N3施氮處理的SPAD值最大值顯著大于其它施氮處理。在高灌水水平下,在8月4日以后不施氮處理和高施氮處理(N0、N3)的SPAD值逐漸下降,W3N2處理的SPAD值最大值明顯高于其他處理。圖4

圖4 不同水氮處理下機(jī)采棉葉片SPAD值變化

低、中灌水水平下高施氮量可以促進(jìn)葉片葉綠素含量的增加,從而增強(qiáng)光能轉(zhuǎn)化作用。但在高灌水水平下,中施氮(N2)處理SPAD值最大值達(dá)到最大,機(jī)采棉葉片轉(zhuǎn)化光能能力最強(qiáng)。

2.3 不同水氮水平對(duì)機(jī)采棉產(chǎn)量的影響

研究表明,影響機(jī)采棉產(chǎn)量的主要因素有單鈴重和單株有效成鈴數(shù),其中單株有效成鈴數(shù)對(duì)產(chǎn)量影響最大,單鈴重次之。灌水和施氮對(duì)機(jī)采棉籽棉產(chǎn)量的影響均顯著(P<0.05),灌水和施氮的交互作用對(duì)籽棉產(chǎn)量的影響不顯著(P>0.05)。施氮對(duì)機(jī)采棉單株有效成鈴數(shù)的影響極顯著,灌水及水氮交互作用對(duì)機(jī)采棉的單株有效成鈴數(shù)和衣分的影響均不顯著(P>0.05);灌水對(duì)機(jī)采棉單鈴重影響不顯著(P>0.05),施氮對(duì)單鈴重的影響顯著(P<0.05),灌水和施氮的交互作用對(duì)單鈴重的影響不顯著(P>0.05)。表4

表 4 不同水氮水平處理下機(jī)采棉產(chǎn)量變化

低灌水水平下,機(jī)采棉的籽棉產(chǎn)量施氮量的先增加后減小,不施氮處理的籽棉產(chǎn)量明顯低于施氮處理,低施氮和高施氮處理間籽棉產(chǎn)量差異不顯著,但中施氮處理的籽棉產(chǎn)量顯著大于高施氮處理,相比于不施氮處理處理籽棉產(chǎn)量增加了211.2、365.4、90.45 kg/hm2;中灌水水平下,不施氮處理與高施氮處理間的籽棉產(chǎn)量差異不顯著,中施氮處理的籽棉產(chǎn)量顯著大于不施氮、高施氮處理,與低施氮處理間的差異不顯著,相比于不施氮處理處理籽棉產(chǎn)量增加了283.95、442.8和214.65 kg/hm2;高灌水水平下,中施氮處理的籽棉產(chǎn)量顯著大于其它3個(gè)處理,但其它3個(gè)處理間差異不顯著,相比于不施氮處理籽棉產(chǎn)量增加了3.3、374.1和-57 kg/hm2。

低灌水水平下單株有效成鈴數(shù)隨著施氮量的增加而增加,與W1N0相比W1N1、W1N2和W1N3處理的單株有效成鈴數(shù)分別增加了0.18、0.5和0.5個(gè),不施氮處理的單株有效成鈴數(shù)顯著低于施氮處理,且各施氮處理間單株有效成鈴數(shù)差異;中灌水水平下,機(jī)采棉的單株有效成鈴數(shù)隨著施氮量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì),中施氮處理的單株有效成鈴數(shù)顯著大于其它3個(gè)處理,但其它3個(gè)處理間差異不顯著;高灌水水平下,單株有效成鈴數(shù)隨著施氮量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì),不施氮及低中施氮處理間的差異不顯著,但是高施氮處理下的單株有效成鈴數(shù)顯著小于其它3個(gè)處理,每株分別減少了0.7、1.26、1.39個(gè)。

低灌水水平下,機(jī)采棉的單鈴重隨著施氮量的先增加后減小,與不施氮處理相比單鈴重分別增加了0.12、0.51和0.34 g,且中施氮處理的單鈴重顯著大于不施氮及低氮處理,但與高施氮處理間差異不顯著;中灌水水平下,不施氮處理的單鈴重明顯小于其它3個(gè)施氮處理,與不施氮處理相比單鈴重分別增加了0.06、0.52和0.27 g,中施氮(N2)處理的單鈴重顯著大于不施氮及低施氮處理,與高施氮處理相比差異不顯著;高灌水水平下,機(jī)采棉的單鈴重隨著施氮量的先增加后減小,中施氮(N2)處理的單鈴重顯著大于不施氮及低施氮處理,分別增加了0.48、0.4g。表4

2.4 不同水氮水平對(duì)機(jī)采棉水氮利用效率影響

研究表明,灌水對(duì)水分利用效率影響極顯著(P<0.01),施氮對(duì)耗水量的影響不顯著(P>0.05),灌水及施氮的交互作用對(duì)耗水量的影響不顯著(P>0.05);灌水及施氮對(duì)水分利用效率的影響均極顯著(P<0.01),但水氮耦合對(duì)水分利用效率的影響不顯著(P>0.05);灌水對(duì)耗水量影響極顯著(P<0.01),但施氮及水肥交互作用對(duì)耗水量的影響不顯著(P>0.05)。

機(jī)采棉的耗水量隨著灌水量的增加而明顯增加;在灌水量相同時(shí),不施氮處理的耗水量明顯低于施氮處理的耗水量,但不同施氮處理間的差異不顯著;施氮量相同時(shí),不同灌水處理的耗水量間的耗水量差異顯著,且隨著灌水量的增加耗水量也顯著增加。與低灌水處理相比,中、高灌水處理的耗水量分別增加了56.62、56.97 mm,分別增加了12.26%、12.34%。

在3種灌水水平下,水分利用效率均隨著施氮量的增加先增加后減小,在N2施氮處理下達(dá)到最大值。在低灌水水平下,N2、N3施氮處理的水分利用效率顯著大于N0、N3處理但N2、N3處理間差異不顯著,與W1N0處理相比,W1N1、W1N2和W1N3處理的水分利用效率提高了0.04、0.07和0.01,說(shuō)明在低灌水水平下,適當(dāng)?shù)脑黾拥蚀龠M(jìn)機(jī)采棉的水分利用效率提升;在中灌水水平下,與W2N0處理相比,W2N1、W2N2和W2N3處理的水分利用效率提高了0.05、0.08和0.04,N2施氮處理的水分利用效率顯著大于其它處理,在中灌水水平下,水分利用效率隨著施氮量的增加,但當(dāng)施氮量達(dá)到一定水平后水分利用效率反而會(huì)減小。在高灌水水平下,N2施氮處理的水分利用效率顯著大于其它處理。與N0處理相比N3處理的水分利用效率出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng),在高灌水水平下,過(guò)量的適用氮肥會(huì)降低機(jī)采棉的水分利用效率。

不同灌水水平下,隨著施氮量的增加氮肥偏生產(chǎn)力逐漸減小。相同施氮水平下,隨著灌水量的增加氮肥偏生產(chǎn)力呈先增加后減小的趨勢(shì)。與W1處理相比,W2、W3處理的氮肥偏生產(chǎn)力分別增加了1.24、0.09,分別增長(zhǎng)了4.7%、0.34%。在中灌水水平下平均氮肥偏生產(chǎn)力最高,低施氮下的氮肥偏生產(chǎn)力最大。

耗水量隨灌水量的增加顯著增加,不同施氮處理間耗水量差異不顯著;在3種灌水水平下,水分利用效率都在N2處理下的達(dá)到最大且在低水水平下平均水分利用效率最大,在低灌水水平下施氮作用對(duì)水分利用效率的促進(jìn)作用較大;在3種灌水水平下,隨著施氮量的增加氮肥偏生產(chǎn)力逐漸減小,3種灌水處理下的平均氮肥偏生產(chǎn)力在W2灌水水平下達(dá)到最大,中灌水水平時(shí)對(duì)氮肥吸收的促進(jìn)作用較強(qiáng)。表5

表 5 不同水氮處理下機(jī)采棉水、氮利用效率變化

2.5 水氮耦合效應(yīng)對(duì)籽棉產(chǎn)量、水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力的影響

以灌水量和施氮量為自變量,籽棉產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力為因變量,分別建立二元二次回歸方程。籽棉產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力難以同時(shí)達(dá)到最大值,當(dāng)灌水量為3 604.86 m3/hm2,施氮量為234.84 kg/hm2,籽棉產(chǎn)量可達(dá)到最大6 310.24 kg/hm2;當(dāng)灌水量為3 500 m3/hm2,施氮量為233.60 kg/hm2,水分利用效率可達(dá)到最大為1.22;當(dāng)灌水量為3 594 m3/hm2,施氮量為240 kg/hm2,氮肥偏生產(chǎn)力可達(dá)到最大為26.28。設(shè)定80%ηmax與90%ηmax兩個(gè)優(yōu)化梯度,尋找3項(xiàng)指標(biāo)的重疊區(qū)域?？傻玫礁鲀?yōu)化目標(biāo)達(dá)到最大值的80%、90%以上時(shí)所對(duì)應(yīng)的灌水與施氮區(qū)間。表6,圖5

圖 5 水氮互作與各優(yōu)化指標(biāo)間的關(guān)系

表 6 籽棉產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力與水氮處理的非線性回歸方程及其達(dá)到最高值對(duì)應(yīng)的水氮組合

當(dāng)灌水量為3 050～4 050 m3/hm2時(shí),施氮量為225～312 kg/hm2時(shí),此時(shí)可使籽棉產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力同時(shí)達(dá)到最大值的80%以上;當(dāng)灌水量為3 600～4 200m3/hm2時(shí),施氮量為160～312 kg/hm2時(shí),此時(shí)可使籽棉產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力同時(shí)達(dá)到最大值的90%以上,此時(shí)為試驗(yàn)研究區(qū)的最佳灌水量及施氮量區(qū)間。表6,表7

表 7 水氮投入?yún)^(qū)間尋優(yōu)方案

3 討 論

3.1株高是衡量作物生長(zhǎng)發(fā)育情況的重要指標(biāo)之一[19],干旱地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)的最終目的是滿足作物的生長(zhǎng)需水和所需養(yǎng)分,實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)[20]。水分和養(yǎng)分因子是影響作物形態(tài)發(fā)育及產(chǎn)量的重要環(huán)境因素[21-23]。株高、莖粗、葉面積指數(shù)是反映田間作物長(zhǎng)勢(shì)的重要指標(biāo),膜下滴灌技術(shù)作為局部灌水技術(shù),灌水量和施氮量會(huì)影響作物生長(zhǎng),從而影響作物產(chǎn)量[24-25]。研究表明合理的水肥調(diào)控措施可以調(diào)節(jié)植株株高、減輕并延緩葉片衰老獲得適宜的葉面積指數(shù),從而增加作物產(chǎn)量[26]。株高是機(jī)采棉的先決條件之一,機(jī)采棉模式下棉花的適宜株高為75～80 cm[11]。試驗(yàn)中灌水量為3 525 m3/hm2,施氮量為240 kg/hm2時(shí),機(jī)采棉獲得的株高為71 cm左右、莖粗為10.94 cm左右和葉面積指數(shù)為5.72左右。在人工打頂之前,水和氮肥對(duì)株高的增長(zhǎng)有較大的影響,可以通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整水和氮肥的使用量來(lái)配合縮節(jié)胺等對(duì)棉花株高生長(zhǎng)進(jìn)行控制[27-28]。張寄陽(yáng)等[29]對(duì)筒栽棉花莖粗進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)莖粗的日增長(zhǎng)量隨著水分虧缺程度的增加而減少。但試驗(yàn)結(jié)果表明,灌水量的增加會(huì)促進(jìn)棉花莖粗的增加,但是過(guò)量的水會(huì)導(dǎo)致棉株旺長(zhǎng),從而導(dǎo)致棉花莖粗減少。王娟等[30]研究發(fā)現(xiàn)棉花葉片的葉綠素含量與SPAD值呈線性相關(guān),且通過(guò)SPAD值能夠較好的預(yù)測(cè)棉花的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況。汪鈴等[31]研究發(fā)現(xiàn)棉花葉片SPAD值在蕾期較小并逐漸增長(zhǎng),在花鈴期升至最大值,在盛鈴期開(kāi)始下降;且在低灌水水平下,棉花的SPAD值隨著施氮量的增加而增加,在中灌水水平和高灌水平下,氮素對(duì)SPAD值的影響不大;與試驗(yàn)結(jié)果一致[32]。馮國(guó)藝等[33]研究發(fā)現(xiàn)棉花的葉面積指數(shù)生長(zhǎng)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。王嬌等[34]對(duì)不同施氮水平的棉花葉面積指數(shù)研究發(fā)現(xiàn),棉花的施氮量的增加能夠促進(jìn)棉花的葉面積指數(shù)的增加。而試驗(yàn)結(jié)果表明,在低灌水水平和高灌水水平時(shí),棉花的葉面積指數(shù)隨著施氮量的增加而增加;而在中灌水水平時(shí),施氮量對(duì)棉花葉面積指數(shù)的不明顯,由于中等水平下棉花的株高的變化量不大造成的。

3.2提高農(nóng)作物的水氮利用效率和產(chǎn)量,有利于農(nóng)業(yè)、園藝、林業(yè)等領(lǐng)域的資源利用[35]。相關(guān)研究表明水氮存在明顯的互作效應(yīng),水氮互作不僅可以促進(jìn)棉花的生殖生長(zhǎng),調(diào)節(jié)棉花的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)、合理分配到棉株的各個(gè)器官,還可以發(fā)揮個(gè)體優(yōu)勢(shì),增加單株成鈴數(shù)與單鈴重,實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)[36]。試驗(yàn)結(jié)果表明低灌水水平下,氮肥可通過(guò)增加單株有效鈴數(shù)和單鈴重提高籽棉產(chǎn)量;中灌水水平下,氮肥主要通過(guò)增加機(jī)采棉的有效鈴數(shù)來(lái)增加產(chǎn)量;在高灌水水平下,過(guò)量施肥將導(dǎo)致棉花減產(chǎn),當(dāng)灌水量為3 525 m3/hm2、施氮量為240 kg/hm2時(shí),單株成鈴數(shù)及單鈴重均達(dá)到最大,不同水氮處理會(huì)影響機(jī)采棉的產(chǎn)量構(gòu)成因素,從而決定機(jī)采棉的最終產(chǎn)量。

3.3灌溉量和施氮量在一定范圍內(nèi)時(shí),增加灌溉量可以促進(jìn)氮肥利用率,但是過(guò)量的灌溉會(huì)將植物根部的養(yǎng)分淋洗,進(jìn)而降低氮肥利用率,水分利用效率也比較低,與此同時(shí)還會(huì)造成作物的減產(chǎn)[37-38]。在試驗(yàn)中,灌水及施肥及二者的交互作用對(duì)機(jī)采棉籽棉產(chǎn)量及水氮利用效率的影響顯著,耗水量隨著灌水量的增加逐漸增加,水分利用效率隨著灌水量的增加逐漸減小。隨著灌水量的逐漸增大,氮肥偏生產(chǎn)力先增大后減小,過(guò)量灌溉會(huì)降低氮素的利用效率。與楊黎等[39]和Wang H等[40]的研究結(jié)果相一致,水分利用率與灌水量呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,且隨著施氮量的提高,作物的產(chǎn)量和氮素利用率變化趨勢(shì)為先增加后降低。但上述許多研究所得最佳水氮組合無(wú)法滿足各優(yōu)化目標(biāo)同時(shí)達(dá)到最大值,研究采用籽棉產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),當(dāng)灌水量為3 600～4 200 m3/hm2時(shí),施氮量為160～312 kg/hm2時(shí),此時(shí)可使籽棉產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力同時(shí)達(dá)到最大值的90%以上,此時(shí)為試驗(yàn)研究區(qū)的最佳灌水量及施氮量區(qū)間。但研究只為一年試驗(yàn)結(jié)果,還需在后續(xù)研究進(jìn)一步驗(yàn)證,進(jìn)而獲得最佳的灌水與施氮策略。

4 結(jié) 論

4.1隨著灌水量和施氮量的增加,機(jī)采棉株高呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì);機(jī)采棉葉面積指數(shù)隨著灌水量和施氮量的增加逐漸增加,但增加到一定水平后再繼續(xù)增加施氮量會(huì)顯著減小機(jī)采棉的葉面積指數(shù);機(jī)采棉莖粗隨灌水量的增加逐漸增加,隨著施氮量的增加先增加后減小。

4.2適當(dāng)?shù)墓嗨考笆┑坑欣跈C(jī)采棉單株鈴數(shù)、單鈴重的增加。適宜的灌水量或者施氮量可以促進(jìn)機(jī)采棉衣分的增加。低灌水水平下,增加施氮量可以顯著增加籽棉產(chǎn)量;但較高灌水水平下,增加施氮量會(huì)降低籽棉產(chǎn)量。當(dāng)灌水量為3 525 m3/hm2、施氮量為240 kg/hm2時(shí),單株鈴數(shù)、單鈴重達(dá)到最大。

4.3灌水量及施氮量對(duì)機(jī)采棉的生長(zhǎng)、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力及產(chǎn)量具有顯著的交互作用。當(dāng)灌水量為3 525 m3/hm2時(shí)可滿足機(jī)采棉整個(gè)生育期的水分需求,施氮240 kg/hm2時(shí)單株結(jié)鈴數(shù)及單鈴重也優(yōu)于其他施氮處理,綜合考慮產(chǎn)量和水、氮利用率3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)及機(jī)采棉的適應(yīng)性狀,灌水量為3 600～4 200 m3/hm2、施氮量為160～312 kg/hm2處理為試驗(yàn)研究區(qū)機(jī)采棉最適宜的水氮組合區(qū)間。