0 引言
新疆以其充足的光热资源优势，促成了棉花单产和总产位居全国首位[1]。但新疆是典型的内陆干旱区气候，导致了“没有灌溉就没有农业”的局面。膜下滴灌技术已在棉花的种植中得到了广泛应用，水肥一体化是未来的发展方向。研究表明，水肥对棉花的产量形成存在交互作用[2-3]，合理的灌溉施肥组合才能使棉花获得高产。棉花属于喜钾作物，相比其他作物对土壤含钾量更加敏感[4]。而新疆棉区农户在新疆“缺氮、少磷、富钾”观念的影响下，不重视对钾肥的使用，导致钾肥成为新疆棉区产量的限制因素[5-6]，因此有必要对新疆棉区水钾耦合展开研究。
棉花通过根系同时吸收水分和钾肥，而水和钾肥的吸收以及其对棉花生长的影响存在交互作用。张志勇等[7]研究表明缺钾4 d棉花幼苗的总根长和根系总表面只有适钾处理的35.7%～38.0%；吴秀文等[8]研究表明，缺钾时棉花叶片数、株高和SPAD都偏低，造成缺钾棉花干物质、总根质量和根冠比相比常规处理降低了69.3%、70.4%和33.3%；刘爱忠等[9]发现缺钾棉花的果枝始节和单株成铃数会相对常规棉花降低；增施钾肥可以显著提高棉花产量、改善纤维品质。棉花在水分亏缺和钾亏缺条件下，光合作用受限，蕾铃脱落严重[10-11]。汪霄等[14]研究表明，相比25%的土壤体积含水率下限，35%的土壤体积含水率下限的棉花长势较好，干旱抑制了棉花根系对K+的吸收。因此，通过探究不同土壤含水率下棉花钾肥利用效率，优化灌水和施钾方案，有利于改善钾肥对棉区产量的限制作用。
兹以膜下滴灌机采棉为研究对象，研究不同的土壤含水率区间和施钾水平对棉花的生长、生物量积累和产量等指标的影响，优化棉花的灌溉施肥制度，为精准农业提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验于2016年在昌吉州呼图壁县大丰镇现代化灌溉示范地进行。试验地位于天山中段北麓（东经86.63°，北纬44.18°），属于中温带大陆半荒漠干旱性气候，平均年降雨量167 mm，年平均气温5～6℃，年均日照时间2 750～3 090 h。试验地土壤类型为沙壤土，土壤体积质量为1.53 g/cm3，田间持水率为35.40%（体积含水率，FC），地下水埋深15 m。土壤有机质量9.56 g/kg，全氮量3.1 g/kg，碱解氮量35.42 mg/kg，速效磷量14.54 mg/kg，速效钾量126.99 mg/kg。供试棉花品种为新陆棉早57号，2016年4月20日播种，10月10日收获。试验采用1膜6行的机采棉种植模式，作物行距（10+66+10+66+10）cm，株距10 cm。滴灌带铺设模式为1膜3带，分别布置在距第1行棉花垂直距离20、96和142 cm的位置。滴灌带管径16 mm，滴头流量1.8 L/h，滴头间距0.3 m。
1.2 试验设计
本试验采用二因素（灌溉因素、施钾因素）、三水平（低、中、高），共9个处理，每个处理3个重复，共27个小区，完全随机分组试验。其中低水：限定土壤含水率为田间持水率的40%～60%；中水：限定土壤含水率为田间持水率的60%～80%；高水：限定土壤含水率为田间持水率的80%～100%。低、中、高3个钾肥（K2O）追肥量分别为30、60和90 kg/hm2，试验使用钾肥为硫酸钾（有效量为54%）。灌水和施肥试验方案见表1。设定长20 m、宽取相邻3个地膜为1个小区；以小区二两边膜为隔离带并测取中间行棉花数据。
土壤含水率通过墒情传感器实时监控得到[15]，当土壤含水率达到对应下限值时进行灌溉，灌水定额计算式为：
式中：M为灌水定额（m3/hm2）；p为湿润比，为0.74；h为计划湿润层深度，取0.6 m[16]；θ为土壤体积含水率（%）。
表1 试验方案
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1.3 测定项目及数据分析方法
1）株高。试验初期选择各处理平均水平的代表性植株10株，用标签牌做标记，测定棉株株高，每隔10 d观测1次，一直到花铃期棉花株高不再生长为止。株高为地面到棉花主茎顶部生长点的高度，用卷尺进行测量。
2）生物量。在各试验小区选取具有代表性植株3棵，每10 d测定1次，分叶、茎、蕾（花、铃），105℃杀青0.5 h，65℃烘干至恒质量。
3）叶面积指数。单株叶面积与生物量测定时间一致，采用打孔法进行测定[18]。叶面积指数=单株叶面积×单位土地面积株数/单位土地面积。
4）产量和单株成铃数。采用样田法，在吐絮期选取长3 m×宽2.4 m小区进行测产并重复3次，取其均值，折算成产量，以代表该处理总产量。同时统计各小区株数和单株结铃数。
5）土壤含水率。在每个试验小区中间安装1套无线土壤水分传感器，监测试验小区土壤水分实时变化情况。每台传感器带有3个探头，探头的监测半径为8 cm。传感器布设在小区中间膜中心2行棉花未布设滴灌带的一侧，距离棉花行10 cm处，垂直深度分别为10、20和40 cm。
6）棉花钾肥生产效率。肥料偏生产力（kg/kg）计算式[19]为：
式中：Y为籽棉产量（kg/hm2）；FT为投入的钾肥总量（kg/hm2）。
7）水分利用效率。棉花的耗水量计算式为：
式中：ETc为耗水量（mm）；P为降雨量（mm）；I为灌水量（mm）；R为地表径流（mm）；DP为深层渗漏（mm）；ΔW为全生育期土壤储水量的变化值（mm）。因试验地地下水位较深，且地势平坦降雨量少，故R和DP忽略不计。
水分利用效率（kg/m3）计算式为：
2 结果与分析
2.1 不同水钾水平对株高的影响
不同水钾水平下棉花株高的动态变化见表2。由表2可知，不同处理之间的株高有显著性差异。5月1日，W3K3处理的株高显著高于其他处理，其他处理之间的差异较小，说明灌水施肥之前，各处理株高具有较好的一致性。7月5日，灌水和追肥促进了株高的增长，各处理株高平均日增量达到了0.72 cm/d。在低灌水水平下，W1K3处理的株高显著高于W1K1处理，高出了3.89 cm；在中灌水水平下，W2K1处理的株高显著低于W2K2处理和W2K3处理，分别低出了3.45 cm和2.78 cm；在高灌水水平下，各施钾处理间株高的差异性不显著；说明株高随着施钾量的增加而增加，且在土壤含水率区间在田间持水率的60%～80%时，钾肥对棉花株高的增益效果更加明显。在低钾水平下，W1K3处理的株高显著高于W1K1处理，高出了4.78 cm；在中钾水平下，W1K2处理的株高显著低于W2K2处理和W3K2处理，分别低出了3.45 cm和2.78 cm；在高钾水平下，不同灌水水平之间差异不显著。说明施钾量为30 kg/hm2和60 kg/hm2时，增加土壤含水率能提高株高的日增长量。7月5日，株高的基本稳定，各处理株高平均日增量为0.32 cm/d。相同灌水水平下，不同的施钾量处理之间的差异性与7月5日一致。在低钾和中钾水平下，土壤含水率的提高对株高的日增长量起促进作用；在高钾水平下，各处理间差异不明显。说明7月5日之后，灌水对株高的增长仍能起到一定作用，棉花株高趋于稳定。
表2 不同水钾水平下棉花株高 cm
注 同一列不同字母表示差异显著（P＜0.05），下同。
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2.2 不同水钾水平对叶面积指数的影响
各处理棉花叶面积指数见表3。由表3可知，灌水开始之前各处理叶面积指数无显著性差异。6月6日—8月31日，各处理的叶面积指数间最大差值由0.03逐渐变大为3.64。在8月31日，在低水和中水水平下，相比K1处理，K2处理和K3处理棉花的叶面积指数分别显著增加了17%～28%和34%～43%；在高水水平下，W3K2处理和W3K3处理棉花的叶面积指数显著高于W3K1处理，且分别增加了31%和34%。说明当土壤含水率维持在田间持水率的40%～80%时，施钾加快了叶面积指数增长速率。相同施钾水平下，相比W2处理和W3处理，W1处理棉花叶面积指数显著降低了10%～28%。在中施钾水平下，棉花的叶面积指数随着灌水量的增加显著增加。其中W3K3处理的叶面积指数最大，说明土壤含水率的上升和施钾量的增加都能促进叶面积指数的增加。
表3 不同水钾水平下棉花叶面积指数
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2.3 不同水钾水平对生物量的影响
花蕾期生物量积累情况见表4。由表4可知，在花蕾期各处理生物量无显著差异，且各个处理棉花的蕾、茎和叶的分配比例大致相近。这与各处理棉花前2次的灌水定额一样有关，而前2次灌水定额的灌溉时间在花蕾期。在盛花期棉花叶片、茎和蕾分别占总生物量的34%～39%、49%～59%和5%～15%。其中W2K3处理的叶片、茎和蕾生物量最高。在中水水平下，W2K3处理的蕾生物量为12.35 g/株，显著高于W2K1处理；且在低水和中水水平下，随着施钾量的增加棉花的叶片、茎和蕾生物量而增加。盛花期，钾肥能够促进棉花生物量的积累并促进同化物向生殖生长转移；而在土壤含水率维持在较低范围时，水分胁迫抑制了棉花对钾肥的吸收利用。
表4 不同水钾水平下棉花花蕾期叶、茎、蕾生物量累积量 g/株
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花铃期生物量积累情况见表5。由表5可知，W2K2生物量（叶、茎、蕾生物量之和）最高，棉花叶、茎、蕾、棉纤维和棉壳分别占生物量的25%～29%、32%～38%、2%～3%、15%～20%和15%～19%，各处理间蕾所占比例波动不大。不同处理间棉花叶、茎、蕾、棉和棉壳生物量的差值分别为3.83、5.83、0.78、4.81和4.10 g/株，且各处理间棉花叶、茎、蕾和棉壳生物量差异不显著。而在不同的灌水水平下，棉花的棉纤维和棉壳所占生物量比例以及生物量随着施肥量的增加而增加。花铃期，钾肥能够促进棉花生物量的积累和同化物向生殖生长倾斜。
表5 不同水钾水平下棉花花铃期叶、茎、蕾生物量累积量 g/株
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吐絮初期生物量积累情况见表6。由表6可知，W3K3处理的生物量最高，棉花叶、茎、蕾、棉纤维和棉壳分别占生物量的18%～24%、23%～33%、0%～2%、28%～35%和16%～21%。在同一灌水水平和施钾水平下，棉花茎和棉壳的生物量差异性不显著。在吐絮初期，在低水水平下和低钾水下，棉花的棉、棉壳的生物量都明显偏高，由于水分亏缺和钾亏缺导致了棉花生育期提前。低水灌水水平下，W1K3处理的棉花生物量含量较高。在中水灌水水平下，不同施肥处理的生物量差异不大，W2K3处理蕾、棉纤维和棉壳占生物量比例高于其他处理。在高水灌水水平下，W3K3处理的棉花生物量最高，棉和棉壳所占比例最高。吐絮初期，生物量随着钾肥使用量的增加而增加，说明钾肥优化了生殖生长和营养生长的平衡。
表6 不同水钾水平下棉花吐絮初期叶、茎、蕾生物量累积量 g/株
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2.4 不同水钾水平对棉花产量的影响
不同处理的棉花籽棉产量见表7。由表7可知，在低水和中水水平下，K3处理籽棉产量显著高于K1处理和K2处理，高出551.19～904.51 kg/hm2；在高水水平下，W3K3处理的籽棉产量显著低于W3K1处理和W3K2处理，说明土壤含水率区间在田间持水率的40%～80%时，施钾量在30～60 kg/hm2内，施钾量的增加对棉花籽棉产量提高有促进作用。在施钾水平一致时，W2处理籽棉产量最高，且W1处理籽棉产量显著低于W2处理和W3处理，其中W2K3处理的籽棉产量最高为7 579.78 kg/hm2。
表7 不同处理棉花产量构成
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施钾量只在中水水平下对棉花的有效铃数有显著性影响，与W2K1处理相比，W2K2处理和W2K3处理的有效铃数显著增加了1.21和1.63个/株，说明土壤含水率在田间持水率的60%～80%时，最有利于棉花对钾肥的吸收利用。在中钾水平或高钾水平下，各灌水处理间的有效铃数表现为W2处理＞W3处理＞W1处理，且W2K3处理的有效铃数9.03个/株显著高于其他各处理。
在低水水平下，W1K3处理的单铃质量最高为7.94 g/个显著高于其他处理，增施钾肥有利于单铃质量的形成；在中水水平下，施钾量对单铃质量有显著影响，且表现为K2处理＞K3处理＞K1处理；说明钾肥能促进棉花单铃质量的形成，但是单株有效铃数的增加会减缓钾肥对棉花单铃质量的促进作用；在同钾施钾水平下，W1处理的单铃质量最大，这与W1处理的有效铃数较小有关。
当灌水水平一致时，钾肥生产效率随着施钾量的增加而显著增加。在低水水平下，K3处理的水分利用效率最高为1.59 kg/m3，且显著高于K1处理和K2处理；在中水水平下，钾肥对水分利用效率的影响不显著；在高水水平下，K3处理的水分利用效率最低为0.69 g/m3，且显著低于K1处理和K2处理；说明过量灌水会降低棉花的水分利用效率；土壤含水率在田间持水率的80%～100%时，棉花营养生长较大会导致钾肥抑制水分利用效率的提高。在施钾水平一致时，在保证棉花正常生长的情况下，灌溉期限定土壤水分区间越小，棉花对水分的利用效率越大。
3 讨论
机采棉模式下，最适宜的棉花株高为75～80 cm，这与当地高产棉花株高一致，但是与前人研究最适宜的株高60～65 cm存在差异[19]，可能是由于测定株高的起点子叶节和地面的不同引起的[20]。叶面积指数是用来判断棉花的生长平衡和作物光合能力的指标[17,21,32-33]，适宜的株高和叶面积指数是棉花积累光合产物、均衡生长和获得高产的基础。在高施钾水平和较高土壤含水率下，棉花株高的日增长量显著高于其他处理，棉花叶面积指数也相对较高[22]，有利于棉花的生长。本试验中叶面积指数和株高随着施肥量和灌水量的增加而增高，但在低水和高水灌水水平下，不同施钾水平的株高增量相差不多，可能是因为灌水起主导作用。且限定土壤含水率为田间持水率的60%～80%时，有利于棉花对钾肥的吸收，钾肥对株高的影响就更加明显。
前人研究得出，在K2O量不超过65.45 kg/hm2时，棉花的生物量随着施钾量的增加而增加[23]，这与本试验结果一致。同时有学者通过设定不同施钾量，研究发现施用65.45 kg/hm2和98.18 kg/hm2的K2O较其他施肥量收获持续时间长，更有利于干物质的积累，且能为中后期棉铃的生长提供保障[24-26]，这可能是由于气候、栽培模式、土壤等对试验的影响导致了不同的结论。在常规灌溉和干旱灌溉时，钾肥可以促进棉花各生育期内生物量的积累，且在不同的生育期施钾肥都促进棉花生殖生长。而在丰水灌溉时，钾肥施用量过高会导致棉花旺长，生物量的积累向营养生长倾斜。因此，在钾肥施用量为90 kg/hm2时，土壤含水率维持为田间持水率的60%～80%时，最有利于棉花生物量的积累。
新疆玛纳斯县土壤有效钾为212 mg/hm2，增施钾肥可以有效提高棉花的单株成铃数和产量；在K2O施用量为48.6 kg/hm2时，皮棉产量最高可达1 667.8 kg/hm2，且能有效提高棉花品质[27]。在新疆昌吉兵团2 a试验研究得出试验点适宜的K2O施用量为112.5～150.0 kg/hm2，最高产量可达1 666 kg/hm2，且钾肥利用率随着施钾量的增加而减少[28]。可能由于以上试验都没有考虑棉花在不同土壤含水率下的钾肥吸收情况，与本实验结论存在差异。本试验中，在不同的土壤含水率区间内，钾肥提高棉花单株成玲数和产量，钾肥利用率随着施钾量的增加而降低；而在土壤水分维持在较高区间时，过量的K2O施用量过高会限制棉花产量的提高。棉花根系通过吸收水分来获取养分，而土壤含水率的大小会对吸收利用钾肥产生影响。因此，在土壤含水率范围为田间持水率的60%～80%，施钾量（K2O）为90 kg/hm2时，最有利于棉花产量形成。
新疆建设兵团土壤为壤土，最适宜的土壤含水率区间为田间持水率的70%～75%，棉花的单株蕾铃积累和产量最高，且生殖生长与营养生长比例最协调[29]。而本试验条件下，棉花吸收钾肥最适宜的土壤含水率区间为田间持水率的60%～80%。在温室土壤中速效钾为82.5 kg/hm2时，干旱胁迫处理棉花的钾素吸收率显著低于充分灌水处理，与本试验结果一致，说明充足的水分有利于棉花对钾素的吸收[30]。然而土壤田间持水率过高和施钾量过高可以有效地增加棉花的叶面积指数、株高和生物量积累量等，但是过高的钾肥施用量会造成植株生长向着营养生长的方向倾斜[31]。本试验仅为探究适宜当地施钾水平的土壤含水率区间，得出棉花产量在高肥处理下最大，因此当地最优的施钾量有待进一步研究。
4 结论
1）棉花的株高和叶面积指数随着土壤含水率的增加而增大，土壤含水率为60%～80%田间持水率时，对棉花株生长的促进效果最佳。
2）在盛花期，土壤含水率过高或者过低，蕾占总生物量的比例都会降低，且中水高肥处理的生物量最高；在花铃期和吐絮初期钾肥能够促进棉花生长向生殖生长转移；对生物量和生殖促进作用最优的土壤含水率区间为田间持水率的60%～80%。
3）土壤含水率为田间持水率的60%～80%时，棉花的有效铃数随着施钾量的增加显著增加；W2K3处理的籽棉有效铃数最高，为9.03个/株。钾肥能促进棉花单铃质量的形成，但是单株有效铃数的增加会减缓钾肥对棉花单铃质量的促进作用。在土壤含水率区间为田间持水率的60%～80%时，棉花的水分利用效率在施钾量为90 kg/hm2时最高。在土壤含水率区间为田间持水率的60%～80%且施钾量为90 kg/hm2时，棉花籽棉产量最高，为本试验最优的灌溉施钾方案。
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