优化根区环境以提高中国新疆南部棉花田“干播湿出”技术的稳定性

《Agricultural Water Management》：Optimizing root zone environment to enhance technology stability of “dry sowing and wet emergence” in cotton fields of southern Xinjiang, China

新疆干旱区通过干播种湿出苗（DSME）结合冬季滴灌优化灌溉策略，分析了土壤水盐热动态与棉花生长指标（株高、干物质积累、产量）及灌溉水生产力（IWP）的关联。结果显示，高频次灌溉（4次/年）与较高播种水（15mm）结合的DG4处理，IWP达1.83 kg/m3，较对照提高38.64%，显著改善土壤水分（28.04%提升）和温度（25.92%升高），同时降低盐分（10.63%）。该技术通过精准调控根区环境，实现节水（灌溉量减少10-15%）与增产（最高53.41%）。

　　### 干播湿出与冬季滴灌结合对南疆棉花生长的影响分析

南疆地区因降水稀少、土壤含水量低，导致干播湿出（DSWE）技术在应用过程中面临较大的不稳定性问题，这主要归因于播种后的灌溉不均以及地表盐碱化现象。因此，识别一种适合DSWE的灌溉方案对于调节棉花根系环境、促进其发芽与生长、提升该技术的可靠性具有重要意义。在2021年至2023年期间，研究团队开展了为期三年的田间试验，探讨DSWE对土壤水热盐动态、棉花生理特性、产量以及灌溉水利用效率（IWP）的影响。特别是在2023年，研究团队引入了一种增强型灌溉策略，结合冬季滴灌与DSWE，以期进一步优化根系环境，提升棉花的发芽率和产量。

#### 研究背景

水资源短缺已成为全球干旱和半干旱地区可持续农业发展的主要障碍。特别是在南疆地区，农业产出受到极低降水量、高蒸发量和广泛的土壤盐碱化的影响，这些因素共同限制了可用水资源的可用性。春季播种前的灌溉对于维持足够的土壤湿度以支持种子发芽至关重要，而冬季灌溉则有助于通过渗滤减少土壤盐分积累。然而，国家对农业用水总量的严格管控，严重制约了春季和冬季的灌溉活动，进而影响作物的生长和发育。因此，在南疆地区推进节水型灌溉技术尤为迫切。

干播湿出技术是一种创新的播种方法，通过结合现代灌溉技术，有效减少了蒸发和水分流失。该技术利用双膜覆盖，将水分精准输送至作物根系区域，同时提升了土壤水分保持能力、热缓冲效应和盐分控制效果。这种技术在节约水资源、降低生产成本和提高农民收入方面具有显著优势。

#### 研究方法

本研究的实验地点位于中国新疆阿克苏地区沙雅县海楼镇，该地区属于温暖温带沙漠边缘气候，特点是盛行偏北风和东北风，经常出现沙尘暴。年平均降水量和气温分别为45.4毫米和24.9°C。蒸发量远高于降水量，年日照时间超过3000小时。土壤盐分含量在0-60厘米层平均为4.62克/千克，pH值为7.8。土壤类型为沙壤土。

实验设计采用了不同的DSWE灌溉处理，包括不同播种水分（SW）和滴灌频率（DF）。在2021年，播种水分分别为6、8、10毫米，滴灌频率为1至4次；2022年，播种水分分别为5、10、13毫米，滴灌频率同样为1至4次；2023年，播种水分增加至5、10、13、15毫米，滴灌频率则调整为1至2次。同时，设置了一个不灌溉对照组（CK）。每个处理组包括65厘米宽行、10厘米窄行、50厘米膜间间隙和10厘米株距。实验采用随机区组设计，包含三个重复。所有数据均采用单因素方差分析（ANOVA）进行处理间差异分析，同时结合双因素方差分析和多元分析评估滴灌频率和播种水分对各项指标的影响。

#### 实验结果

研究结果显示，播种阶段的灌溉量与棉花生长指标之间存在显著的正相关关系，显著提高了植株高度、干物质积累和产量。结合高灌溉量与高频率的处理显著提升了IWP。具体而言，G7、B7和DG4处理的IWP分别达到1.78、1.81和1.83千克/立方米，比对照组提高了16.29%、25.69%和38.64%。总体而言，将冬季滴灌与DSWE结合的策略取得了最佳效果，不仅大幅减少了农业用水量，还显著提高了棉花产量和品质，为南疆干旱地区提供了一种可持续、高效的种植策略。

#### 土壤水热盐动态分析

在2021年至2023年期间，土壤水分含量在所有处理中均呈现先增加后减少的趋势。与对照组相比，2021年和2022年，宽行、窄行和膜间位置的土壤水分含量分别增加了17.30%、20.06%和13.63%（2021年），以及15.12%、17.02%和9.82%（2022年）。而在2023年，这些位置的水分含量分别增加了10.25%、16.14%和18.63%。整体来看，2021年的土壤水分含量比2022年低6.39%，而2023年则比2022年显著增加28.04%。滴灌频率和播种水分对土壤水分含量的影响均显著（p < 0.05）。在2021年和2022年，随着灌溉量的增加，土壤水分含量先升后降；但2021年的整体水分含量仍低于2022年。

此外，土壤盐分含量在2021年至2023年间呈现出显著的下降趋势。在2022年，整体土壤盐分含量比2021年下降了22.18%，并在2023年进一步下降11.63%。结合冬季滴灌和DSWE技术的处理显著降低了土壤盐分含量，其中DG4处理在宽行和窄行位置分别比D4处理降低了4.86%和10.63%。在棉花苗期（0-40厘米深度），土壤盐分含量从2021年至2023年分别降低了11.86%、19.30%和23.05%。土壤温度在2021年至2023年间的变化趋势也值得关注。窄行位置的土壤温度显著高于宽行位置，且整体土壤温度在2023年比2022年提高了25.92%。在相同滴灌频率下，土壤温度与播种水分呈正相关，高水分处理的土壤温度显著高于低水分处理。而结合冬季滴灌和DSWE技术的处理，土壤温度比对照组提高了12.51%和23.16%。

#### 棉花生长特性与干物质组成分析

在2021年至2023年的实验中，棉花植株高度和茎粗均受到滴灌频率（DF）和播种水分（SW）的显著影响（p < 0.05）。相比之下，DF和SW对茎粗的影响不显著（p > 0.05）。植株高度在三年内迅速增长后趋于稳定，而在高频率灌溉处理（G5、G6、G7）与低频率灌溉处理（G1、G2、G3）之间存在显著差异。在2021年，高频率处理的植株高度比低频率处理高出8.97%至11.33%。在2023年，冬季滴灌结合DSWE处理（DG4）的植株高度比冬季滴灌单独处理（D4）高出53.41%。

干物质积累方面，DF、SW及其交互作用对棉花的干物质积累有显著影响。在2021年，随着SW的增加，干物质积累显著提升，而高频率处理的干物质积累量显著高于低频率处理。在2023年，DG4处理的干物质积累量比对照组高出53.41%。整体来看，根、茎、叶和铃的干物质积累均显著高于对照组。根部干物质积累在高频率处理中尤为显著，尤其是在2021年、2022年和2023年的G6、G7、B6、B7和DG4处理中，干物质积累量分别比对照组提高了32.08%、39.45%、40.78%和45.38%。

#### 土壤物理化学性质分析

在三年实验期间，棉花苗期的发芽率和产量在不同处理中表现出显著差异。2023年的发芽率和产量均高于2021年和2022年。与2021年和2022年相比，2023年的发芽率分别提高了22.88%和14.28%，产量则提高了15.33%和9.66%。土壤容重和孔隙度在不同处理和不同位置之间也存在显著差异。在宽行位置，土壤容重显著低于膜间和窄行位置，这表明膜间和窄行位置的土壤结构更加疏松，有利于根系生长和水分渗透。

在2021年至2023年的实验中，土壤总氮含量和pH值在宽行、窄行和膜间位置均有所变化。窄行和膜间位置的总氮含量和pH值显著低于宽行位置，这表明DSWE技术有助于提高土壤肥力。而在2023年，宽行位置的土壤容重和孔隙度均有所增加，这可能是由于膜覆盖滴灌技术对土壤结构的改善。

#### 棉花发芽率与土壤指标的相关性分析

通过皮尔逊相关分析发现，棉花发芽率主要受到土壤物理化学性质的综合影响。土壤水分含量是评估土壤健康和作物生长潜力的关键指标。在适宜的水分条件下，棉花的生长得到显著促进。研究发现，土壤水分含量与棉花发芽率、植株高度、茎粗、灌溉水利用效率、微纤度、纤维伸长率、纤维长度指数和K?浓度之间存在高度显著的正相关关系（P ≤ 0.01）。此外，土壤温度和产量之间也存在显著的正相关关系（P ≤ 0.05）。土壤水分含量的增加有助于棉花营养器官的水分吸收，表明适度的土壤水分不足可能促进棉花生殖器官的发育。最终，改善的土壤通气性有助于根系环境的优化，从而影响产量。

偏最小二乘路径建模（PLS-PM）分析揭示了灌溉水类型与棉花生长之间的相关性。研究发现，播种水分与灌溉量之间存在显著的正相关关系，而播种水分与土壤盐分和温度之间存在显著的负相关关系。产量与灌溉量和纤维品质指标之间呈显著正相关，但与盐分和土壤温度之间呈负相关。发芽率与土壤温度呈显著正相关，但与盐分和水分量呈负相关。2023年的冬季滴灌结合DSWE处理显著提高了土壤水分和温度，同时降低了盐分含量，从而提升了发芽率和产量。

#### 棉花产量、品质与水利用效率分析

实验结果表明，随着播种水分的增加，单铃数量、铃重和籽棉产量均显著提升。灌溉量的增加有助于提高棉花的产量和水利用效率，但过高的灌溉量会导致水利用效率下降。在2021年至2023年的实验中，结合高频率滴灌和高播种水分的处理显著提高了棉花产量和水利用效率。例如，G7、B7和DG4处理的产量和水利用效率分别比对照组提高了16.29%、25.69%和38.64%。这些结果表明，高频率滴灌与高播种水分的结合能够有效提升棉花产量和水利用效率。

在棉花纤维品质方面，实验发现，随着灌溉量的增加，纤维长度和均匀度显著提升，而微纤度则略有下降。总体来看，所有DSWE处理的纤维品质指标均优于对照组，且在2023年的DG4处理中，纤维品质指标达到最佳水平。这表明，DSWE技术不仅提高了产量，还提升了棉花的经济价值。

#### 讨论

研究结果表明，土壤水分、盐分和温度的相互作用对棉花的发芽和生长具有重要影响。在双膜覆盖滴灌系统中，深入分析根系环境因素（如土壤水分、盐分和温度）是提升棉花生长的关键。通过结合冬季滴灌和DSWE技术，能够有效降低土壤盐分含量，改善土壤环境，从而促进棉花的发芽和生长。此外，高频率滴灌和高播种水分的结合显著提升了棉花的产量和水利用效率，表明优化灌溉策略对棉花生长至关重要。

在干旱地区，棉花的生长依赖于土壤水分的供给。研究表明，土壤水分含量的增加有助于促进棉花的根系发育和养分吸收，从而提高产量。同时，土壤温度对棉花的发芽和生长也有重要影响。适宜的土壤温度（18-22℃）能够促进种子的萌发和幼苗的生长，而过低或过高的温度则会对发芽率和产量产生不利影响。因此，在干旱地区，优化土壤水分和温度的管理是提升棉花产量的关键。

#### 结论

本研究的主要结论包括：结合冬季滴灌与DSWE技术显著改善了棉花根系区域的土壤环境，特别是在土壤水分、温度和盐分方面。研究发现，高频率滴灌与高播种水分的结合显著提高了土壤水分含量，降低了盐分含量，从而减少了盐害。此外，DF、SW及其交互作用对棉花植株高度和干物质积累有显著影响，高频率滴灌促进了植株的生长和干物质的积累。在2023年，冬季滴灌结合DSWE处理的干物质积累量比冬季滴灌单独处理提高了26.74%。总体来看，结合高频率滴灌和高播种水分的处理显著提高了棉花的产量和水利用效率，为南疆干旱地区的棉花种植提供了可持续的解决方案。

通过本研究，可以得出以下结论：结合冬季滴灌与DSWE技术能够有效提升土壤水分和温度，降低盐分含量，从而改善棉花的生长环境。在干旱地区，合理管理土壤水分和温度是提升棉花产量的关键。此外，高频率滴灌与高播种水分的结合显著提高了棉花的产量和水利用效率，表明优化灌溉策略对于提高棉花产量和品质具有重要意义。未来的研究可以进一步探讨这些因素在不同气候条件下的变化，以制定更精确的灌溉策略，提高棉花种植的可持续性。