王璐，刘浩，高福奎，宁慧峰，韩其晟，徐雪雯，王兴鹏,4*，李小刚
不同种植模式和灌水定额对棉花生长和产量的影响
王璐1,2,3，刘浩3*，高福奎3，宁慧峰3，韩其晟3，徐雪雯1,2，王兴鹏1,2,4*，李小刚5
（1.塔里木大学 水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300；
2.塔里木大学 现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；
3.中国农业科学院 农田灌溉研究所/农业农村部作物需水与调控重点开放实验室，河南 新乡 453002；
4.农业农村部西北绿洲节水农业重点实验室，新疆 石河子 832000；
5.新疆生产建设兵团第一师水文水资源管理中心，新疆 阿拉尔 843300）
【目的】明确膜下滴灌机采棉的适宜种植模式和最优灌水定额。【方法】设置等行距（M1：1膜3行）、宽窄行（M2：1膜6行）2个种植模式，每个种植模式设置3种灌水定额（W1：30 mm，W2：37.5 mm，W3：45 mm），分析不同种植模式和灌水定额对棉花生长、蕾铃分布、挂枝数、产量和水分利用效率的影响。【结果】种植模式显著影响棉花株高和茎粗，M1处理的株高和茎粗相比M2处理提高了30.29%和13.45%；
株高和茎粗随灌水定额的增大而增大，W2处理和W3处理的株高和茎粗差异较小，显著高于W1处理。M1处理有利于增加棉花上部铃和内围铃，且中、上部铃随着灌水量的增加而增加。M1处理的单株成铃数、衣分和籽棉产量相比M2处理分别增加了65.72%、1.46%和3.33%，皮棉产量增加了6.87%。产量随着灌水定额的增加而增加，但水分利用效率差异不显著。【结论】推荐南疆地区机采棉采用等行距（M1）种植模式，最优的灌水定额为37.5 mm（W2），可以促进棉花生长，实现增产。
种植模式；
灌水定额；
机采棉；
蕾铃分布；
产量；
水分利用效率
【研究意义】新疆是我国重要的棉花种植基地，随着农业现代化的推进，棉花机械化采收是提高植棉效益和缓解劳动力紧缺的关键[1]。然而，当前的主流采棉机不适用于多样化种植模式下的棉花采摘，限制了机械化采收，降低了棉花的纤维品质[2]。同时，新疆机采棉花纤维长度、纤维比强度较低[3]，除了受棉花品种影响外，不合理的种植模式也会增加机采含杂率，降低棉花的纤维品质。因此，优化棉花生长发育空间分布特征，确定适宜机械化采收的棉花种植模式，对促进优质机采棉的发展具有重要的理论意义。
【研究进展】作物冠层光辐射是判断作物干物质转化效率、冠层结构和产量组成是否理想的主要指标[4-5]。种植模式的优化有利于形成更合理的株型结构，既能增强棉花植株中、下部的透光率，又能提高光利用率[6]，提高棉花产量。随着新疆机采棉种植规模的扩大，适宜机采的膜下滴灌棉花生产模式已得到广泛推广，棉花的种植模式也由原来的1膜4行发展为1膜6行[7-8]。在传统宽窄行种植模式下，拓宽行距可以促进叶片与果枝的空间分布，降低棉株间叶片镶嵌排列的重叠度，有利于气体交换和光能利用[9]。Yao等[10]研究表明，宽行距相比窄行距种植模式能促使棉花中后期果枝和叶片的扩展，降低叶片间的重叠度，提高冠层透光率和光利用率，增加单株结铃数和产量。张文等[11]研究表明，1膜3行种植模式可促进棉花生育进程、增加棉花株高和果枝数、促进光合作用，保持较高的棉花产量。梁亚军等[12]认为，1膜6行能够保持较高的光利用率，有利于实现棉花高产。然而，灌水量对棉花产量的影响较大[13]，过高或过低的灌水定额均不利于棉花产量的提高[14]。黄真真等[15]认为，在北疆1膜3管6行的种植模式下，全生育期灌溉定额为3 434 m3/hm2可以提高棉花产量。石洪亮等[16]认为，在阿克苏地区，传统宽窄行种植棉花滴灌量在2 800 m3/hm2时可以保证棉花稳产。吴凤全等[17]认为，在等行距栽培模式下，通过高密度种植、重度亏缺灌溉可以促进经济器官干物质量的积累，进而达到增产的目的，且提高了水分利用效率。【切入点】尽管前人在不同种植模式下棉花生长、冠层结构、产量等方面开展了研究，但研究结果不尽相同；
此外，不同地区、不同种植模式与不同灌水定额对棉花生长、冠层结构、产量组成以及水分利用效率的影响也不同。当前，缺乏1膜3行机采棉模式下的适宜灌水定额研究。
【拟解决的关键问题】因此，本研究通过设计2种机采棉种植模式和3种灌水定额的组合试验，阐明不同种植模式对棉花生长、脱叶效果、棉铃空间分布和棉花产量的影响，以及不同灌水定额对棉花产量和水分利用效率的影响，为南疆机采棉优质高产的水分管理提供理论依据。
1.1 试验区概况
试验在新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市水利局灌溉试验站内进行。该地区位于塔里木盆地塔克拉玛干沙漠北边缘（E81°12′12″，N40°37′23″），海拔1 015 m，属于典型的暖温带极端干旱大陆性荒漠气候，干旱少雨，昼夜温差大，年平均最高气温为20 ℃，年平均最低气温为4 ℃，年平均气温为10.8 ℃，≥10 ℃积温为4 113 ℃，适宜长绒棉、细绒棉栽培。年降水量为40.1～98.8 mm，年蒸发量为1 876.6～2 558.9 mm。棉花生育期内的日平均0和降水量变化如图1所示。试验区0～100 cm土层的土壤黏粒、粉粒以及砂粒量的占比分别为0.21%、14.97%和84.81%，土壤质地为砂质壤土。土壤饱和含水率为0.27 cm3/cm3，田间持水率为0.28 cm3/cm3，干体积质量为1.58 g/cm3。土壤基本养分指标如表1所示。
表1 土壤基本养分指标
图1 2021年棉花生育期内日平均ET0和降水量
1.2 农艺栽培措施
供试棉花品种为“中棉113”。试验区在播前进行了常规春灌，灌水定额为180 mm。试验区棉花于2021年4月9日播种，7月25日打顶，9月17日第1次喷施瑞脱龙（主要成分为噻苯隆和敌草隆，540 g/L悬浮剂）、40%乙烯利（水剂），9月25日喷施第2次，一共喷施2次脱叶剂，10月13日收获。棉花进入蕾期开始灌溉第1水，灌溉日期为6月13日，蕾期与花铃期灌水周期分别为10 d和7 d，吐絮期不灌水，生育期共灌水10次[18]。所有处理在播种前均施用1 200 kg/hm2的三元复合肥（N∶P2O5∶K2O为18∶16∶15），棉花生育期内随水施入1 200 kg/hm2的棉花专用肥（N∶P2O5∶K2O为18∶12∶13），共滴施10次，参照当地高产棉田进行农药喷施及其他农艺措施。
1.3 试验设计
试验采用裂区设计，设置种植模式和灌水定额2个因素，以种植模式为主区，灌水定额为副区。采用2种种植模式，分别为1膜3行（76 cm等行距，株距7 cm，M1）；
1膜6行（66 cm+10 cm，平均行距38 cm，株距10 cm，M2）；
以当地棉花膜下滴灌的灌水定额37.5 mm为依据[18]，在此基础上灌水定额分别降低和提高20%，设置了3种灌水定额，即：30 mm（W1），37.5 mm（W2），45 mm（W3），共6个处理，每个处理重复3次。所有处理灌水方式均采用膜下滴灌，聚乙烯地膜宽2.05 m，幅宽2.28 m，膜厚0.01 mm。滴灌带采用1膜3带的布设方式，滴灌带为φ16内镶贴片式滴灌带，滴头间距为30 cm，流量为2.2 L/h，工作压力为0.1 Mpa。每个小区3膜宽，长10 m，小区面积为65.7 m2。滴灌设备配备自动调压泵和压差式施肥罐追肥，灌溉水源为井水（矿化度为2.2 g/L），每个小区安装水表测量灌水量。
1.4 测定项目
1.4.1 株高和茎粗的测定
各小区分别在棉花苗期、蕾期、盛花期、盛铃期选取具有代表性的6株棉花。测量株高和茎粗，株高采用直尺测量，茎粗采用游标卡尺测量。
1.4.2 棉铃空间分布的测定
于收获前在每个小区选取6株长势均匀的棉花。调查棉株下部铃（1～3果枝）、中部铃（4～6果枝）、上部铃（7以上果枝），以及内围铃（第1果节铃）和外围铃（2及以上果节铃）的个数。
1.4.3 果枝交错系数
式中：为平均果枝长度（cm）；
为行间距（cm）；
为株间距（cm）。
1.4.4 挂枝率的测定
喷施脱叶剂前，在每个小区选取代表性的棉花6株，调查棉花植株的叶片数。喷施脱叶剂20 d后，调查各植株上的挂枝数，计算挂枝率。挂枝率（%）=挂枝数/施药前的叶片数×100%。
1.4.5 产量及其构成
收获期在每个小区选取6.67 m2代表性样方（长2.93 m，宽2.28 m），调查实收棉花株数和铃数，摘取棉花，经自然风干后称质量测定籽棉产量，并计算收获密度、单铃质量和单株成铃数。随机摘取50铃，称质量、轧花后计算衣分。
1.4.6 水分利用效率
式中：为灌水量；
为地下水补给量；
为深层渗漏量；
0和t分别为时段初和时段末80 cm土层内的土壤储水量。
水分利用效率按下式[21]计算：
式中：为水分利用效率（kg/m3）；
为单位面积籽棉产量（kg/hm2）。
1.5 数据处理
采用Microsoft Office 2020和SPSS 19.0进行数据统计及分析，采用最小显著差异法（LSD）检验平均数（＜0.05），采用Excel作图。
2.1 不同种植模式和灌水定额对棉花株高的影响
株高和茎粗反映了不同时期棉花长势。由图2和表2可知，随着棉花生育期的推进，各处理棉花株高与茎粗在蕾期快速增长，花铃中期（打顶后7 d）变化趋势逐渐平稳。以播后108 d为例，种植模式和灌水定额对棉花的株高和茎粗产生极显著影响（<0.01），而种植模式和灌水定额的交互作用对棉花的株高产生显著性差异（<0.05），对棉花的茎粗产生极显著作用（<0.01）。M1处理的株高和茎粗较M2处理分别增加了30.29%和13.45%。在相同种植模式下，与W1处理相比，W2、W3处理的平均株高分别增加了17.40%和14.69%；
W2、W3处理的平均茎粗分别增加了12.57%和12.61%。M1W2处理的植株长势最优，其株高和茎粗分别为84.83 cm和11.13 mm，说明等行距种植模式可促进棉花植株的生长发育，但过量灌水不利于棉花生长。
表2 种植模式与灌水定额对棉花株高和茎粗的方差分析
注 *、**分别表示在0.05、0.01水平上显著，ns表示不显著，下同。
2.2 不同种植模式和灌水定额对单株棉铃空间分布的影响
由表3可知，种植模式显著影响了上部铃和内围铃的生长，而对下部铃、中部铃和外围铃无显著影响；
相同种植模式下，内围铃和外围铃数量均随灌水定额的增大而增大，且内围铃明显高于外围铃，灌水定额对棉花中、上部铃和内、外围铃均有极显著影响，对下部铃没有显著影响。种植模式和灌水定额的交互作用显著影响各部位的铃数和内围铃。在等行距种植模式（M1）下，与W1处理相比，W2、W3处理的中上部铃数分别增加了16.67%和66.67%，但W3处理的下部铃数相比W1、W2处理减小了22.22%；
W1、W2处理的棉铃数随着层数的增加呈降低趋势，而W3处理的棉铃数随着层数的增加呈增加趋势。在宽窄行种植模式（M2）下，W1、W2、W3处理的棉铃数随层次的增加呈逐渐降低的趋势，但W2处理的棉铃数在不同层次间差异较小。从棉铃空间分布角度来说，适度灌水可以塑造较好的冠层结构，有利于棉铃空间的优化分布。
2.3 不同种植模式和灌水定额对棉花挂枝数与棉花群体结构的影响
由表4可知，种植模式、灌水定额以及二者的交互效应均对棉花单位挂枝数产生了极显著影响。M1处理的单位叶片挂枝数相比M2处理降低了27.66%。在M1种植模式下，叶片挂枝数随着灌水定额的增加而减小，而M2种植模式的结果则相反。M1W3处理相比M1W2、M2W1处理的叶片挂枝数降低了16.13%和16.35%。
表3 不同处理对机采棉蕾铃空间分布的影响
表4 不同种植模式和灌水定额对机采棉叶片挂枝数的影响
由表5可知，种植模式对果枝长度和果枝的纵横交错系数产生了极显著影响，灌水定额以及种植模式和灌水定额的交互作用对棉花的果枝长度和果枝交错系数2产生了极显著影响，对果枝交错系数1产生了显著影响。M1处理的平均果枝长度较M2处理增加了18.51%。相同种植模式下，果枝长度随灌水定额的增大而增大。相同灌水定额下，M1处理的果枝交错系数1均小于M2处理，而果枝交错系数2则表现出相反的规律，即M1处理的2均大于M2处理，说明等行距种植模式降低了棉花行间群体果枝的交错程度，增加了棉花株间群体果枝的交错程度。
表5 不同处理下棉花群体结构指标差异
由表6可知，不同处理下的棉花脱叶率、挂枝率与群体结构之间具有一定的相关性。平均果枝长度与果枝交错系数2呈极显著正相关（=0.856**），说明棉花果枝越长，株间果枝的相互重叠程度越大，不利于棉花株间叶片脱落。果枝交错系数1与2呈显著负相关（=-0.571*），2与叶片挂枝率呈显著负相关（=-0.501*），果枝交错系数1越小，2越大，反而降低了叶片挂枝数，说明1对棉花挂枝率的影响大于2，即M1种植模式更有利于棉花脱叶吐絮。
2.4 不同种植模式和灌水定额对棉花产量及水分利用效率的影响
由表7可知，种植模式显著影响了棉花的收获密度、单株成铃数和衣分。与M2处理相比，虽然M1处理的收获密度降低了41.21%，但单株成铃数显著提高了65.72%，进而使籽棉产量提高了3.33%。同时，M1处理的衣分提高了1.46%，使皮棉产量提高了6.87%，说明等行距种植模式具有稳产效果。3种灌水定额下的单株成铃数、单铃质量和衣分虽无显著差异，但随着灌水定额的增加，单株成铃数、单铃质量和衣分均呈增加趋势。随着灌水定额的增加，籽棉产量和皮棉产量均呈递增趋势，W3处理的籽棉产量和皮棉产量比W1、W2处理分别高20.81%和23.66%、3.52%和5.38%。在各处理组合中，M1W3处理的产量以及产量构成因素最优。M1W1处理的最高，但与M1W2、M2W2、M2W3处理相差甚小。
表6 不同处理下棉花脱叶率、挂枝率与群体结构指标间的相关分析
表7 不同处理下对棉花水分利用效率、产量及产量构成的影响
株高和茎粗是反映棉花生长发育状况的主要指标[22]，棉花生长容易受到种植模式和灌水定额的影响[23]。优化种植模式[24-25]和灌水定额[26-27]可以通过促进植株生长、构建合理的冠层结构、提高光能利用率来增加棉花产量。等行距种植模式可以充分地利用光、热、水、肥条件，在保证茎秆强壮的情况下，促进株高和果枝数的增长，有利于棉花产量的提高[11]。李建峰[28]研究表明，在低密度等行距的种植模式下，棉花株高相比宽窄行高密度、等行双株高密度更具有机采优势。以上研究结果与本研究结果相似，说明等行距种植模式与窄行种植模式相比，棉花的株型结构分布更合理，能充分利用光热资源和土壤肥力，减少植株间光能和养分的竞争，即使在种植密度降低的条件下，仍然能促进植株生长，提高单株结铃数和单铃质量，弥补低密度下的群体产量[29-30]。水分对作物的生长发育具有重要作用，W2、W3处理的株高和茎粗均显著高于W1处理，但二者并无显著差异，说明过高或者过低的灌水定额均不利于棉花植株的生长，这与成厚亮等[31]研究结果一致。这可能是由于棉花根区水分过高抑制了棉花根系吸水，过大的灌水定额容易造成肥料淋失，不利于棉花生长[14]，而低灌水定额会产生盐分胁迫，抑制植株生长[32]。
机采棉在保证高产的同时还要保证吐絮集中，避免贪青晚熟，否则会影响棉花后期脱叶。挂枝叶及干枯叶混入是影响棉花纤维品质的重要原因[33]。果枝交错系数可以较好地反映棉花群体株行之间的果枝重叠交错程度，棉花果枝交错系数越大，相邻棉花植株相互交错程度越高，冠层之间越容易相互遮蔽[34]。李建峰[28]研究表明，低密度等行距条件下的挂枝数低于1膜6行。研究结果表明，等行距种植模式下单位叶片挂枝数的降低有利于棉花脱叶。脱叶效果与叶片数量之间的相关性明显，不同种植模式下平均果枝长度差异明显。果枝交错系数1越小，越有利于棉花叶片的脱落，这与Julie等[20]研究结果一致。然而，果枝交错系数2越大，干枯叶片越容易黏附在棉铃上[19]，这与本研究结果不符，可能是由于等行距种植模式更有利于棉花植株的生长，使得棉花的果枝长度增长，棉花株间果枝交错程度增大。脱叶率、挂枝数与果枝交错系数1和2关系密切，未来可进一步探讨是否可通过果枝交错系数来确定最适宜机采棉的株行距和最优棉花株型结构。
不同种植模式与灌水定额会影响棉花产量、产量的构成因素和水分利用效率。等行距种植模式作为一种新的种植模式，可以构建合理的冠层结构，使棉花生育中后期植株间通风透光，有利于棉花增加单株铃数和单铃质量，提高棉花籽棉产量[35]。本研究结果表明，等行距种植模式有利于提高棉花的单株成铃数和衣分，这是因为等行距种植模式有利于棉花植株的生长，增加了棉花的果枝数和棉花的成铃数，与张恒恒等[36]的结果一致。姜艳等[37]研究认为，低密度等行距种植模式可提高棉花株高、叶面积指数和干物质积累量，从而提高棉花产量和水分利用效率。单株成铃数和单铃质量随着灌水定额的增加而增加，从而增加了棉花产量[38]。本研究表明，过高的灌水定额对棉花产量提升并不显著，且不利于棉花水分利用效率的提升，这与何平如等[39]研究结果一致。
等行距种植模式作为一种新的机采种植模式，提高了脱叶率，降低了挂枝率和含杂率，增产潜力大，可作为高效的种植模式在新疆地区大面积推广。同时，今后需加强适宜模式的机采棉品种、配套化学打顶和脱叶催熟等技术及“光温水”理论等方面的研究，以及对于等行距适宜的灌水定额的研究，同时探究与之相匹配的滴灌带布设问题，进一步提高水分利用效率。
1）等行距种植模式对棉花的生长指标、平均果枝长度、单株成铃数和衣分具有显著的促进作用，进而提高了棉花产量，降低了棉花的挂枝数，有利于降低棉花机械采摘的含杂率，改善机采棉的纤维品质。
2）37.5 mm的灌水定额可促进棉花植株生长，有利于棉花塑造较好的冠层结构以及棉铃空间的优化分布，具有稳产、节水的效果。
3）采用等行距种植模式，灌水定额为37.5 mm，不仅具有稳产、提质的作用，同时可达到节水的目的。
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Effects of Different Planting Patterns and Irrigation Quota on Cotton Growth and Yield
WANG Lu1,2,3, LIU Hao3*, GAO Fukui3, NING Huifeng3, HAN Qisheng3,XU Xuewen1,2, WANG Xingpeng1,2,4*, LI Xiaogang5
(1. College of Water Resource and Architecture Engineering, Tarim University, Alaer 843300, China; 2.Key Laboratory of Modern Agricultural Engineering, Tarim University, Alar 843300, China; 3. Institute of Farmland Irrigation, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Water Requirement and Regulation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Xinxiang 453002, China; 4. Key Laboratory of Northwest Oasis Water-saving Agriculture, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shihezi 832000, China; 5.Hydrology and Water Resources Management Center of the First Division of Xinjiang Production and Construction Corps, Alaer 843300, China)
【Objective】In order to solve the problem of high impurity rate in current machine-harvested cotton planting patterns and clarify the suitable planting pattern and corresponding optimal irrigation quota for drip irrigation under mulch in southern Xinjiang.【Method】Treatments of two planting patterns (M1, three rows of cottons under one film with equal row spacing; M2, Six rows of cottons under one film with wide and narrow rows) and three irrigation quotas (W1, 30 mm; W2, 37.5 mm; W3, 45 mm) were conducted to investigate the coupling effects of different planting patterns and irrigation quota on cotton growth, bud and boll distribution, defoliation rate, yield and water use efficiency.【Result】The results showed that planting pattern significantly affected the plant height and stem diameter of cotton. Compared to M2 treatment, the plant height and stem diameter of M1 treatment increased by 30.29% and 13.45%, respectively; the plant height and stem diameter increased with increasing of irrigation quota, and little differences was found between W2 and W3 treatments, but significantly higher than that of W1 treatment. M1 planting mode is more conducive to increase the number of upper and inner bolls, and number of middle and upper bolls increased with increasing of soil water content, thus improved the cotton yield. Compared to M2 treatment, the number of bolls per plant, lint percentage, seed cotton yield and lint yield of M1 treatment increased by 65.72%, 1.46%, 3.33% and 6.87%, respectively. The seed cotton yield increased with increasing irrigation quota, but the differences of water use efficiency among treatments were not significant. The seed cotton yield was followed by W3>W2>W1, and no difference was found between W3 and W2 treatment.【Conclusion】Therefore, the equal row spacing planting mode under machine-harvested was recommended in southern Xinjiang, and the irrigation quota of 37.5 mm was adopted to promote cotton growth and achieve the purpose of increasing yield and efficiency.
planting pattern; irrigation quota; machine-harvested cotton; bud and boll distribution; yield; water use efficiency
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1672 - 3317（2023）05 - 0016 - 08
S274.1
A
10.13522/j.cnki.ggps.2022650
2022-11-18
国家棉花产业技术体系建设专项资金项目（CARS-15-13）；
兵团重大科技计划项目（2021AA003）
王璐（1996-），女。硕士研究生，主要从事作物高效用水理论与技术研究。E-mail: 624779107@qq.com
刘浩（1977-），男。研究员，主要从事作物高效用水理论与技术研究。E-mail: liuhao-914@163.com
王兴鹏（1978-），男。教授，主要从事干旱区灌溉排水理论与节水灌溉方面的研究。E-mail: 3999068354@163.com
责任编辑：韩 洋
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