图1 机采棉栽培模式示意图（单位：cm）
王萌萌1,2，何新林1,2，吕廷波1,2，曹玉斌1,2，王东旺1,2
（1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子832000；
2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子832000）
摘 要：为了进一步明确玛纳斯河流域土壤质地对机采棉水热状况及生长发育的影响，通过测坑试验，对3种不同土壤质地（壤土、砂土、黏土）下的土壤温度、土壤含水率、机采棉、株高、叶面积及产量进行了对比分析。结果表明，不同土壤质地条件下地温日变化及不同时间段温度增量表现为：砂土＞黏土＞壤土；不同土壤质地条件下0～60 cm和0～100 cm土层土壤质量含水率大小顺序为：黏土＞壤土＞砂土；不同土壤质地下机采棉的生长及产量均表现为壤土＞黏土＞砂土。研究认为壤土质地种植机采棉，提高了其生育前期的土壤温度，有效保持了土壤水分，有利于其生长发育。因此，为了提高水分利用效率及产量，建议玛纳斯河流域应增加壤土质地种植机采棉的比例。
关 键 词：机采棉；土壤质地；土壤温度；土壤水分
土壤质地与土壤通气、保肥、保水及耕作的难易有着密切的关系，不同土壤质地的通气、肥力和热量条件差异较大，对作物的生理生长状况、产量性状、水分有效性等方面的影响都有一定的差异[1-5]。因此，有必要对土壤质地与土壤温度、土壤水分及生长指标的关系进行研究。目前，有关土壤质地对棉花生长发育、产量和品质的研究均是对传统种植棉的研究，如罗新宁等[6]研究了砂壤土和重壤土条件下棉花种植行距配置为20 cm+40 cm+20 cm的养分动态，张伟等[7]对壤土、砂土和黏土3种不同土壤质地下棉花行距配置为30 cm+60 cm+30 cm盐分运移规律进行了研究，但不同土壤质地对机采棉生长发育的系统研究较少。
玛纳斯河流域是新疆开垦面积最大的人工绿洲，同时也是我国第四大灌溉农业区，是新疆维吾尔自治区最重要的粮、棉、糖生产基地之一[8]。按照国际制土壤质地分级标准，玛纳斯河流域土壤质地主要为沙类土和壤土类[9]，为此，以新疆玛纳斯河流域绿洲区为研究地点，以机采种植模式下的棉花作为研究对象，以壤土、砂土、黏土3种不同土壤质地为生长基质，以期探讨不同土壤质地对机采棉土壤温度、土壤水分及生长的影响机制，为机采棉合理布局调整提供一定的科学依据，为农业生产提供指导。
试验于2016年4―10月在新疆石河子大学农试场二连现代节水灌溉兵团重点实验室试验基地（东经85°59′47′，北纬44°19′29′，海拔412 m）进行，该地区无霜期171 d，多年平均降水量在200 mm左右，多年平均蒸发量1 600 mm，多年平均日照时间2 700 h，属温带大陆性气候。
试验区前茬均为棉花，供试品种为目前大田生产中主栽品种新陆早23号，该品种适宜密植，群体间通风透光好，且早熟、高产，适宜机采种植。
采用测坑试验，每个测坑大小为2 m×2 m，深3 m，并采用水泥墙防止相邻测坑水分的测渗。设砂土、壤土、黏土3种土壤质地（按照我国土壤质地分类标准确定）处理，每个处理重复3组共计9组。试验于2016年4月15日播种，采用2.05 m超宽膜机采棉配置，行距为10 cm+66 cm+10 cm+66 cm+10 cm，株距10 cm（图1）。于6月15日开始滴水，全生育期滴水10次，采用定额灌水4 500 m3/hm2，7 d左右滴水1次，蕾期和花铃期分别灌水4次和6次，以水表控制水量，肥料随水滴施，打顶等田间管理措施随试验基地统一管理。
图1 机采棉栽培模式示意图（单位：cm）
叶面积和株高：每个测坑内标记5株棉花，从蕾期开始每隔15 d用精度为1 mm的钢卷尺测定株高以及所有叶片的叶长和最大叶宽，采用经验系数法（0.75×叶长×叶宽）获得叶面积。
土壤含水率：采用烘干称质量法测定土壤含水率，用土钻采集棉花窄行、宽行间各取1 m深的土壤，从地表0 cm开始，每10 cm土层取1个样，每个测坑共取22个样，9个测坑全生育期共计取792个土样。
地温：选择苗期5月7—27日为观测阶段，采用分度值为1℃的金属直角管地温计测量5、10、15、20、25 cm处的土层温度，每组地温计有5支，插放在机采棉种植的宽行与窄行间，具体观测时间为08:00—20:00，每2 h观测1次。
产量性状：于采收前进行产量的测定，统计各处理的收获株数，计算单位面积产量。
采用SPSS 20.0软件进行数据整理和统计分析，并用Origin 9.0进行绘图。
由于机采棉苗期气温变幅大，昼夜温差大，地膜完整，加之苗期根系较浅，对土壤温度变化最为敏感，所以研究机采棉苗期土壤温度的变化对机采棉的生长具有重要意义。图2为不同土层深度机采棉地温变化趋势，图2中5 cm表示距地表5 cm，其余类似。由图2可以看出，不同土壤质地下的膜下地温日变化与大气温度变化过程具有类似趋势，土深为5、10、15 cm处日变化幅度较大，趋势相同，20 cm处变化比较缓慢，25 cm处变化更为缓慢，整体日变化幅度为：砂土＞黏土＞壤土，这表明砂土各层的土壤温度对太阳辐射比较敏感。
图2 不同土层深度机采棉地温变化趋势
根据所测地温，计算不同土壤质地不同时间段温度增量（表1）。从表1可看出，在08:00—16:00之间3种土壤的地温都在增加，在16:00—20:00表层土壤5～10 cm处的地温开始随着大气温度的改变而降低，深层土壤的地温仍处在增加阶段，这表明3种土壤的表层温度易受太阳辐射影响，深层温度受影响较小，整体上砂土温度增量幅度大于壤土和黏土。
表1 不同时间段的温度增量 ℃
可见，砂土质地增温快，降温也快，不利于土壤保温、提温和机采棉的生长；黏土和壤土质地增温快，降温慢，表现出了较好的提温、保温作用，有利于机采棉植株的生长发育。
不同土壤质地下棉花生育期内土壤水分变化情况见图3。由图3可知，不同土壤质地条件下机采棉生育期剖面各层土壤水分分布具有差异性，砂土和壤土的水分分布较黏土呈更规律的变化，在浅层土壤（0～60 cm）含水率呈逐渐减小趋势，而在深层土壤（60～100 cm）呈逐渐增加趋势。但在黏土中上述规律并不明显，土层水分分布并不规律，从土壤质地结构分析，是其结构空间狭小，滴水时黏粒吸水膨胀，蓄水量大，毛管作用显著，透水缓慢，保水性强，所以黏土土壤含水率相对较高，且土壤水分分布规律和其他2种土壤存在差异。
对3种不同土壤质地下0～60 cm以及0～100 cm土体内的土壤平均质量含水率进行了计算。结果表明，壤土、砂土、黏土质地下0～60 cm浅层土壤的平均质量含水率分别为14.15%、6.46%、14.25%，0～100 cm土层的土壤平均质量含水率为14.74%、6.62%、15.06%。可知黏土0～60 cm及0～100 cm土体内的土壤平均质量含水率虽均为最高，但其土壤水分分布并不利于机采棉植株的吸收和利用；壤土0～60 cm及0～100 cm的土壤质量含水率虽然次于黏土，但其土壤水分分布对机采棉生长发育最有利。
图3 不同土壤质地下土壤水分分布
不同土壤质地下机采棉的株高、叶面积如图4所示。由图4（a）可知，不同土壤质地下机采棉株高在6月中旬蕾期进入快速生长阶段，随着生育期的推进，至7月底株高的增加趋于平缓，8月生长基本不再变化，壤土、砂土、黏土下的株高分别为70.80、64.54和71.55 cm，存在着较大的差异。对于叶面积而言（图4（b）），在蕾期砂土最大，而壤土和黏土相差不大；随着生育期的生长，在6月底壤土叶面积达到最大，且在随后的时期一直保持这个趋势；在通过农艺措施促进机采棉的生殖生长后，各土壤质地的叶面积均在逐渐下降，壤土叶面积减少最为显著，其次是黏土。
图4 不同土壤质地下机采棉株高及叶面积变化过程
由图4表明，壤土、砂土与黏土质地下机采棉的株高及叶面积基本呈现出一致的变化趋势。各生长发育阶段，壤土质地上植株的株高和叶面积处于较高的水平，黏土质地的株高略高于砂土质地，这表明土壤质地是影响机采棉生长的重要因素。
从表2可以看出，壤土的单铃质量、成铃数、产量均为最高，其产量为6 333.33 kg/hm2；黏土单铃质量、成铃数、产量居中，其产量为5 650kg/hm2，是同条件下壤土质地产量的89.20%；砂土各项指标均为最低，其产量为5 266.67kg/hm2，仅为壤土质地产量的83.16%。
表2 不同土壤质地机采棉产量及其构成因子
注 同一列数据后不同字母表示在0.05水平上差异显著。
上述分析表明，不同土壤质地对机采棉的农艺性状影响不同，机采棉的成铃数及单铃质量表现为：壤土＞黏土＞砂土，说明在一定自然地理和水肥条件下壤土上种植的机采棉植株大，果枝果节多，能够获得较高的产量。
土壤温度直接影响着作物的生长发育及产量，尤其是在早期阶段土壤温度的增加能够促进作物生长，分析不同土壤质地棉花温度特征，可为进一步研究不同因素对棉花的生长影响机理奠定基础。研究结果表明，3种土壤质地下的土壤温度日变化规律为日出后开始吸热逐渐增温，至14：00左右达到最高，与王卫华等[10]研究结果一致；其中砂土整体日变化幅度及不同时间段温度增量大于壤土与黏土，是因为砂土导热率高于壤土与黏土，从而提高了土壤传热性能[11]。
土壤水分是养分迁移的重要载体，只有水分分布适宜，土壤中的水、气才能协调，养分才可以被作物吸收利用。研究结果表明，在0～60 cm及0～100 cm土层中，黏土土壤质量含水率最高，壤土次之，砂土最低，这与钟诚等[12]、吴元芝等[3]、王泽等[13]等研究结果一致，主要是因为砂土中，砂粒量高，利于水分的渗透，而黏土中土壤颗粒细，表面积大，对水的吸持能力大。
通气、持水和保肥性能良好的土壤有利于作物根系发育、养分及水分吸收，因而能获得较高的作物产量。相关试验表明壤土种植的棉花皮棉产量比黏土增加了6.1%[14]，壤土的棉花产量及灌溉水生产力高于壤砂土[15]，砂土的产量与灌溉水生产力低于壤砂土[16]，研究试验结果表明，壤土籽棉产量明显高于砂土和黏土，这与上述在不同区域的研究结果一致。说明相同灌溉定额、灌溉频率下，从节水、高产等方面综合考虑，玛纳斯河流域壤质土壤适宜于机采棉的生产。
1）不同土壤质地条件下地温日变化及不同时间段温度增量表现为：砂土＞黏土＞壤土，说明与黏土和壤土相比，砂土增温快，降温也快，不利于机采棉植株的生长。
2）不同土壤质地条件下剖面各层土壤水分具有差异性，在0～60 cm及0～100 cm土层中，土壤质量含水率大小顺序为：黏土＞壤土＞砂土，黏土质量含水率虽然为最高，但其水分分布对机采棉植株的水分吸收利用最为不利。
3）不同土壤质地条件下机采棉的生长及产量均表现为：壤土＞黏土＞砂土，其中在砂土中机采棉植株生长表现为前优后差，黏土中的植株相比于砂土较为茁壮，壤土中的植株综合生长指标最好。
综上所述，玛纳斯河流域实现机采棉节水、高产的适宜选择是增加壤质土壤上机采棉的种植比例，相应减少砂质、黏质土壤的种植比例。
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Effect of Soil Texture on Soil Water and Temperature,as well as the Growth of Machine-harvest Cotton
WANG Mengmeng1,2,HE Xinlin1,2,LYU Tingbo1,2,CAO Yubin1,2,WANG Dongwang1,2
(1.College of Water Conservancy&Architectural Engineering,Shihezi University,Shihezi 832000,China;2.Key Laboratory of Modern Water-saving Irrigation of Xinjiang Bingtuan,Shihezi 832000,China)
Abstract:This paper presents the results of an experiment in the basin of Manasi River aimed to test the impact of soil texture on change in soil water and temperature,as well as the growth of machine-harvest cotton grown inlysimeters.Three soils:loamy soil,sandy soil and clay,were examined.During the experiment,we measured the soil moisture distribution,plant height,leaf area,and the yield.The results showed that the impact of soil textureon soil moisture and temperature was in the order of sand＞loam＞clay.The soil moisture contents in 0～60 cm and 0～100 cm of the soil was in the order of clay＞loam＞sand.The loamy soil gave the highest yield and plant growth due to the improved soil moisture and temperature.For improving water use efficiency and yield,therefore,the loamy soil should be considered ahead of the sandy and the clay soil in growing cotton in the Manasi River Basin.
Key words:machine-harvest cotton;soil texture;soil temperature;soil moisture
中图分类号：S562；S152.3
文献标志码：A
doi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.10.006
王萌萌，何新林，吕廷波，等.土壤质地对机采棉土壤水热状况及生长发育影响研究[J].灌溉排水学报，2017，36（10）：28-33.
文章编号：1672–3317（2017）10–0028–06
收稿日期：2017-03-18
基金项目：国家自然科学基金项目（51669030）；NSFC-新疆联合基金项目（U1203282）
作者简介：王萌萌（1992-），女，新疆北屯人。硕士研究生，研究方向为农业高效用水理论与新技术。E-mail：1264402199@qq.com
通信作者：何新林（1966-），男，宁夏隆德人。教授，博士，主要从事水文水资源方向的研究工作。E-mail：hexinlin2002@163.com
责任编辑：陆红飞