刘锦涛 孙巨龙 冯璐 王国平 李亚兵 陈国栋 王沛娟 樊文霞 曹娟 林峰 李田甜

摘要：以小麦品种中育1123、棉花品种豫早棉9110为试验材料，设置3种种植模式：棉花单作（MC）、小麦棉花套作（WIC）、麦后直播棉花（WDC），通过传感器检测灌溉前后地下10～110 cm土壤含水量来比较3种种植模式土壤水分空间变化差异。结果表明，棉花苗期，灌溉前后的土壤水分变化量为0.000～0.125 m3/m3，WIC处理在地下10～30 cm 处水分波动变化相对较小。棉花蕾期，灌溉前后的土壤水分变化量为0.000～0.180 m3/m3，其中WIC处理土壤水分变化达到最高，为0.180 m3/m3，WDC与MC处理土壤水分波动差异小。棉花花铃期，WIC和WDC处理地下30 cm处灌溉后的土壤水分差异维持在0.060～0.080 m3/m3之间，MC处理土壤水分在地下30～50 cm处发生聚集。棉花吐絮期土壤水分变化范围为0.190～0.320 m3/m3，表层土壤水分变化差异最高在0.100 m3/m3。麦棉套作种植模式对土壤水分变化具有明显的缓冲作用，更有利于土壤水分下渗与保持，相比较其他2种模式更适合在水资源紧缺或土壤固水能力较差的地区种植。此研究结果有助于黄河流域棉区量化估算生育进程耗水量，为节水增产减能的标准化灌溉提供依据。

关键词：棉花;种植模式;土壤水分变化;传感器

中图分类号： S562.061  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）10-0226-08

棉花作为我国重要战略物资，近些年发展迅速，短期内实现了高产量与高品质并重的种植目标，解决了我国市场优质棉花短缺问题，形成了我国三大棉花集中产区，黄河流域优势棉区、西北内陆优势棉区、长江流域优势棉区。棉花生产人员通过对品种的研制和种植模式种植制度的改良，以此衍生了多种适宜当地气候条件并具有农业经济效益的耕作模式[1-2]，如麦棉两熟、麦棉套作等，这些模式适宜在黄河流域棉区实施[3]。水资源短缺已成为影响可持续农业发展的关键问题，为响应国家对农业提高灌溉效率节省农业灌溉用水政策，围绕棉花水盐运移规律及高效灌溉和水分利用效率研究的热度并未衰减[3-4]。土壤水分含量的变化对可溶性有机质、土壤的结构产生影响。植株的根系具有向水生长的特性，根系分布与冠层温度都受土壤水分变化的影响[5-6]。要科学提高水资源利用效率就要监测土壤不同位点上水分空间变化及其异质性，为了避免经典统计方法因忽略位置关系引起的误差，已用半变异函数分析土壤水分时空运动，得出其运动具有连续性和空间依赖性[7]，这为棉花生育期水分供给提供了指导依据。为探求土壤水分耗散与植株生长各阶段的关系，本研究将土壤水分运动与种植模式结合相比较，以期为甄别筛选地区适宜的种植模式提供理论依据。

本试验种植模式适用于华中、华东黄河流域棉区种植，按照机器采收棉播种模式进行播种，保证种植行距与作物间距具有广泛性和普遍性。采用振荡频率为70 MHz的传感器。测定土壤的介电常数来确定含水量。将水分传感器与信号接收器相连，设定时间间隔自动测定土壤水分含量[8-11]，以进行田间数据收集，对试验区进行统一的大田基础管理措施[12]。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2018—2019年进行，试验地点为河南省安阳市白璧鎮试验田（地理位置36°06′N，114°21′E），海拔高度为76.5 m，土壤类型为轻壤土，土壤肥力中等，土壤墒情适宜，0～30 cm土层氮、磷、钾含量分别为0.65、0.01、0.15 g/kg。试验田地处黄河流域，为温带大陆性气候，年降水量约为554 mm。通过河南省安阳气象站获取2018年气候数据，结果见表1。棉花完整生育期为5—10月。

1.2 试验设计

小麦供试品种为中育1123，棉花供试品种为豫早棉9110[13]。整体采用随机区组设计，本试验提供3种棉花种植模式分别是播期为5月15日、生育期为102 d的单作棉花，播期为5月15日、生育期为110 d的麦棉套作棉花，播期为6月15日、生育期为124 d的麦后直播棉花，重复3次（图1）。

播种时选择土壤理化性质相对一致的地点，采用地膜覆盖方式，1膜2行，行距为70 cm，棉花行间种植3行小麦，麦与棉行距为20 cm，麦与麦间隔为15 cm，4行棉花长度控制在210 cm，符合机采棉种植标准。试验小区面积为31.5 m2，行长为12.6 m，棉花株距为20 cm，棉花种植密度为8万株/hm2，小麦种植密度为16万株/hm2。在作物生育期内，所有小区施肥，病虫害防治和化学调控措施参照当地高产管理水平[14]。

选择不同种植模式的小区通过等距取样法在小区取点，安装水分监测仪器固定2行棉花之间的空间网格，用水分传感器探头测定单位体积内的土壤含水量。在深度10～110 cm、宽80 cm（70 cm是棉株间距）的空间网格里，每隔20 cm设置1个监测点，共30个点，放置后覆土完整，按照播种密度进行补种，保证田间结构完整，安装太阳能板和应急电池保证数据测量工作不间断[15]。在非灌溉期间隔2 h或4 h（具体时间根据测量需求而定）测量1次，而灌溉或降水按照1 h测量1次，用数据采集器记录，测量位置（图2）。

1.2.1 田间灌溉

进行灌溉时，通过开关阀上水表进行灌溉量计数，结果见表2。所用水质应符合GB 5084—2005《农田灌溉水质标准》的要求，田间管理措施参照当地标准进行。

1.2.2 数据处理与分析方法

用Surfer 11 软件以及Office 2019进行数据的批量处理及分析，土壤水分运动计算采用网格数学方法对不同种植模式不同生育期内的土壤水分运动进行计算，并制成等值线图以便于直观分析和比较。

进行土壤水分运动的运算公式如下：

Grid C（i，j）=Grid A（i，j）-Grid B（i，j）。

式中：A、B 2个时刻的土壤含水量分别用Grid A（i，j）、Grid B（i，j）表示;Grid C（i，j）表示2个时刻土壤含水量的差值，用来表示A、B时间间隔内的土壤水分运动[10]。

1.2.3 3种种植模式数据设立要求

本研究选取在棉花4个明显需水时期：出苗期、蕾期、花铃期、吐絮期，记录棉花群体生育期变化，当有50%的棉花植株出现了约3 mm的蕾时标志着进入蕾期，当50%的植株群体开出白花时标志着进入花期，50%的植株开始吐絮时棉花群体进入吐絮期，对从出苗到吐絮的棉花生育期进行统计，结果见表3[16]。

数据分析数据选择在相邻2个生育期中间天数的前后2 d进行统计，为浇水前后24 h的土壤水分状态。因试验地所处地区11：00—14：00太阳光照最强，为减少蒸腾作用造成的试验误差，在正午 12：00 前停止灌溉，并选择24 h后测定不同深度土层含水量。根据3种不同种植模式的生育期时段和灌水规律，试验地所处地区补充土壤含水量的测定选择在6月16—17日为苗期地下水分变化比较期，7月5—6日为蕾期地下水分变化比较期，8月10—11日为花铃期地下水分变化比较期，9月18—19日为吐絮期地下水分变化比较期。所选土壤水分网格为灌溉间隔24 h的网格文件，利用Surfer11软件绘制土壤水分运动和土壤水分分布变化的等值线图，土壤水分时空变化通过利用灌溉后的网格文件减去灌溉前的网格文件生成的差值来比较各个时期不同种植模式的土壤水分变化差异，得出结论。

2 结果与分析

2.1 出苗期灌溉前后土壤水分空间变化规律

由图3可知，灌溉前棉花单作（MC）、小麦棉花套作（WIC）、麦后直播棉花（WDC）的0～30 cm的土壤含水量大致维持在0.240 m3/m3，WIC处理灌溉前30～60 cm深度的土壤含水量约为0.25 m3/m3，相比较MC、WDC处理灌溉前同一深度的土壤含水量略低，灌溉后12 h土壤水分充分下渗，WIC、WDC

处理灌溉后土壤含水量最高可达0.330 m3/m3和0.360 m3/m3，比MC处理略高。各处理水分差值范围为0.000～0.125 m3/m3。3个种植模式在苗期灌溉前后土壤水分含量差异并不明显，原因是选择检测的区域土壤质地相似，苗期的根系活力对土壤环境的改变不明显，灌溉前土壤垂直水平上随着土层深度的增加含水量递增，灌溉后各深度土层含水量差异不大，表层土壤含水量与垂直深度为70～110 cm 的土壤含水量相当，棉花苗期土壤水分空间变化主要受土壤本身的物理性质影响。

2.2 蕾期灌溉前后土壤水分空间变化规律

由图4可知，棉花在蕾期进入了营养生长和生殖生长并进阶段。 灌溉前表层土壤（0～30 cm）水分最低，保持在0.270 m3/m3，30～50 cm处的水分含量等高线分布密集，土壤水分变化随深度变深而平缓，水分含量大致与深度成水平线，在40～110 cm 土壤深度时，WDC灌溉前的含水量梯度呈现倒“V”形，因小麦收获后秸秆覆盖减少了土壤水分的蒸发，使得水平距离40～50 cm的土壤含水量相比棉株垂直方向土壤含水量高。WIC处理灌溉前水分含量较平缓，而MC处理灌溉前水分含量趋势呈现“V”形，水分含量幅度为0.230～0.320 m3/m3。WIC处理灌溉后表层土壤含水量为0.345 m3/m3以上高于同深度的MC、WDC处理。在40～60 cm的

土层深度上，WIC的灌溉后土壤含水量維持在0.325 m3/m3到0.345 m3/m3的水平上，WIC土壤含水量差值达到了0.020 m3/m3到 0.180 m3/m3，高于MC与WDC处理含水量差值的变化幅度。

2.3 花铃期灌溉前后土壤水分空间变化规律

由图5可知，棉花的需水期以花铃期为主，花铃期棉花根系网基本建成，吸收水分和养分最多，日耗水量阶段耗水占全生育期需水的50%～60%，MC处理的0～25 cm 深度灌溉前土壤含水量达到了0.255 m3/m3以上，等值线更为紧凑，同深度WIC、WDC处理含水量为0.220 m3/m3。60～110 cm 以下垂直方向土层深度的土壤含水量变化差异相对小，WIC处理灌溉后0～60 cm深度土壤含水量维持在0.320 m3/m3以上，与MC、WDC处理相比较保水与下渗得更充分。差值比较后，WIC处理的水分变化幅度为0.010～0.180 m3/m3，单作棉花土壤含水量变化幅度为0.000～0.090 m3/m3，WDC处理变化幅度介于二者之间，棉花行间表层土壤含水量低于棉行位置。

2.4 吐絮期灌溉前后土壤水分空间变化规律

棉花吐絮期需水主要靠自然降水，冠层结构层次有效减弱了地表水的蒸发散失，该时期棉花根系活力相比花铃期有所衰退，根系纤维木质化，导致吸收水分和养分的能力明显下降。由图6可知，WIC与WDC处理灌溉后深度0～60 cm的土壤含水量维持在0.255 m3/m3以上，WDC处理略高于WIC处理。差值计算后WIC与WDC水分波动幅度相似，MC处理的幅度明显低于前两者，无结构土壤现象在MC处理中仍然存在，导致其水平位置40、50 cm对应的垂直距离30 cm处颜色泛白，表明水分含量相同。棉花吐絮期3种种植模式棉田土壤水分变化差异不大，变化幅度低。

3 讨论与结论

土壤水分含量对棉花生育全进程都起着至关重要的作用。棉花各生育期对水分的需求不同，大致可划分为花铃期>蕾期>苗期>吐絮期[17]。从土壤中吸收养分是棉花生长的主要供给方式，随时间变化土壤含水量也存在着不同比例的消耗。土壤水分空间变化除了受到土质质地、微生物生命力、水分状况等相关因素影响外，主要受制于种植在该土壤上的作物根系活动、生命力和饱和导水率[18]。不同生育周期的水分需求不同，不同种植模式下的土壤水分空间变化也有差异，随着生育进程的推进地下土壤水分发生动态变化，进而确定局部灌溉下土壤的有效湿润区[19]。根系互作改善土壤结构使得微生物量增加，土壤孔隙度变大，增大水分下渗速度与土壤含水量，受到土壤水分胁迫的植株根系分布密度变大，更有利于吸收土壤养分，这与高超等的研究结果[7，19]一致。

棉花苗期地下根系每日生长2.5 cm，MC处理苗期棉花行间表层土壤含水量低于棉行处，在垂直距离0～40 cm为水分波动剧烈位置，等值线密集。WDC处理由于小麦收获后秸秆覆盖，减少了土壤水分散失，有效保持了土壤水分，使得水平位置40～50 cm处土壤含水量较棉行下略高，WIC处理棉行下40～60 cm的土壤含水量在0.240 m3/m3～0.260 m3/m3 之间，因为麦棉共生期，WIC处理需水量高于WDC与MC处理，小麦灌浆期水分养分吸收抑了棉花根系的水分汲取，迫使棉花主根系向深层土壤延伸，为满足植株生长土壤水分消耗增大，导致未灌溉前WIC处理的土壤含水量整体较其他二者低。灌溉后三者差值的土壤含水量波动主要集中在0～40 cm的土壤深度处，变化幅度为0.000～0.125 m3/m3。

棉花蕾期是对水分需求的敏感时期，是棉花由生殖生长转向营养生长的关键时期，水分0～40 cm土层含水要占田间持水量的55%～70%。地下土壤水分消耗与植株干物质积累成正比，蕾期MC处理植株长势优于WIC处理，MC与WIC处理耗水量相等，WDC处理次之，WDC处理晚播所以生育期后延，灌溉前MC与WIC处理的土壤含水量相似。差值比较后WIC處理的变化幅度远高于MC与WDC处理。蕾期是棉花主根与侧根的生长旺盛期，侧根迅速横向扩展，棉花主根深度可达70 cm以上，WIC处理棉花根系由于水分胁迫根系延展较深，增大了棉花侧根养分与水分的吸收，使得WIC灌溉后土壤含水量维持在较高水平。

花铃期决定着棉花品质与产量，植株叶片面积在花铃期达到最大，同时恰逢高温时节，水分散失以叶面蒸腾为主，土壤含水量维持在正常水平才利于棉花成桃和纤维品质的形成。MC处理土壤深度 30 cm 处由于根系成熟根系周围土壤形成无结构土壤进而形成紧实的表土层，保水保气能力变差，WIC处理与WDC处理形成团粒结构土壤，须根系横向延展的 60～100 cm水分含量维持在0.060 m3/m3以上，有利于土壤有效养分的供应与有机质的保存。WIC处理花铃期小麦收获，秸秆覆盖减少水分散失，增加土壤有机质促进微生物活动，改善土壤结构，灌溉前土壤水分等值线较WDC、MC处理平缓。灌溉后WIC处理探测全区域水分高于MC与WDC处理。在保证合理种植的条件下，套作区域的土壤湿润程度要高于单作，消耗的水分比单作多，水分渗漏损失少，这与柴强在雨水丘陵区域得出的结论[20]一致。

棉花吐絮期根系活力逐渐减弱，开花减少，自然降水减少，水分散失以叶面蒸发和地表蒸发为主，适当灌水防止秋旱对棉花纤维与棉桃形成产生负面影响。防止棉花早衰，保证土壤肥力与土壤水分供应十分重要。根系活动与土壤水分含量改善土壤结构、提高土壤质地，通透性与保水保肥能力。蕾期 WIC的土壤含水量高于花铃期。MC与WDC处理土壤含水量均低于花铃期。吐絮期WDC处理的土壤水分被根系的“提水作用”由深层根系从土壤内吸收水分通过根系运输释放到浅层土壤中，WIC处理水分保持在吐絮期效果要好于MC与WDC处理，MC处理的水分变化差值最小，但MC处理的土壤含水量也次于同时期的WDC与WIC处理。

本试验3种不同种植模式生育期土壤水分空间变化下的土壤水分特征分布情况基本一致，需水临界期土壤水分含量变化差异明显，麦棉套作模式更有利于土壤水分下渗与土壤水分保持，试验结果与前人研究结果[18]保持一致。

4 结论

本研究表明，在灌溉前后土层的不同位点上，随着测量深度的不断增加土壤水分时空变化不断减少，深层土壤水分时间稳定性高于表层，在灌溉期内，土壤水分变化位于灌溉位置近的变化明显。在2018年的生产条件下，麦棉套作在蕾期与花铃期灌溉前后土壤水分变化幅度最高，为0.180、0.170 m3/m3。在出苗期土壤水分变化范围为0.005～0.125 m3/m3。麦棉套作对麦棉间作和棉花单作相比较，水资源紧缺或土壤固水能力较差的地区更适宜使用麦棉套作种植模式，麦棉套作对土壤水分变化趋势具有缓冲作用，可在短期内保证土壤有效含水量，增加水分下渗能力，提高土壤水分保持能力，更有利于水分在土壤中的积聚，在开展试验所处的生产环境下，套作制度更能维持根系周围的土壤含水量。

参考文献：

[1]毛树春，李亚兵，董合忠. 中国棉花辉煌70年：我国走出了一条适合国情、具有中国特色的棉花发展道路、发展模式和发展理论[J]. 中国棉花，2019，46（7）：1-14.

[2]毛树春. 我国棉花种植技术的应用和发展[J]. 中国棉花，2009，36（9）：17-22.

[3]李小飞，韩迎春，王国平，等. 棉田间套复合体系提升生态系统服务功能研究进展[J]. 棉花学报，2020，32（5）：472-482.

[4]李朝霞. 棉花不同播种模式对比试验[J]. 农村科技，2014（2）：7-8.

[5]蒲 云，江天才，翟云龙，等. 不同种植模式对间作棉花产量及水分利用效率的影响[J]. 塔里木大学学报，2015，27（4）：70-77.

[6]陈全胜，李凌浩，韩兴国，等. 水分对土壤呼吸的影响及机理[J]. 生态学报，2003，23（5）：972-978.

[7]高 超，李明思，蓝明菊. 土壤水分空间胁迫对棉花根系构型的影响[J]. 棉花学报，2018，30（2）：180-187.

[8]邓小蕾，李民赞，武 佳，等. 集成GPRS、GPS、ZigBee的土壤水分移动监测系统[J]. 农业工程学报，2012，28（9）：130-135.

[9]陈焕轩，韩迎春，冯 璐，等. 智慧农业在棉花生产管理中的应用[J]. 棉花学报，2020，32（3）：269-278.

[10]刘丽媛，李传宗，李亚兵. 网格数学方法在棉田水分运动研究中的应用[J]. 中国棉花，2017，44（11）：33-35，38.

[11]李鸿儒，于唯楚，王振营. 基于迁移学习的FDR土壤水分传感器自动标定模型研究[J]. 农业机械学报，2020，51（2）：213-220.

[12]董合忠，杨国正，李亚兵，等. 棉花轻简化栽培关键技术及其生理生态学机制[J]. 作物学报，2017，43（5）：631-639.

[13]李 武，吕淑平，聂利红，等. 转基因抗虫短季棉新品种豫早棉9110的选育及栽培技术[J]. 河南农业科学，2013，42（4）：68-70.

[14]李亚兵，韩迎春，冯 璐，等. 我国棉花轻简化栽培关键技术研究进展[J]. 棉花学报，2017，29（增刊1）：80-88.

[15]Mohammad F S，Al-Ghobari H M，ElMarazky M S A. Adoption of an intelligent irrigation scheduling technique and its effect on water use efficiency for tomato crops in arid regions[J]. Australian Journal of Crop Science，2013，7（3）：305-313.

[16]辛明華，李小飞，韩迎春，等. 不同行距配置对南疆机采棉生长发育及产量的影响[J]. 中国棉花，2020，47（2）：13-17.

[17]毛树春. 我国棉花耕作栽培技术研究和应用[J]. 棉花学报，2007，19（5）：369-377.

[18]蒋 楠. 麦棉两熟种植模式对棉花产量形成和棉田土壤理化性质影响的研究[D]. 南京：南京农业大学，2016：36-40.

[19]Singh Y，Rao S S，Regar P L. Deficit irrigation and nitrogen effects on seed cotton yield，water productivity and yield response factor in shallow soils of semi-arid environment[J]. Agricultural Water Management，2010，97（7）：965-970.

[20]柴 强. 间套复合群体水分高效利用机理研究进展[J]. 中国农业科技导报，2008，10（4）：11-15.