基于自动化传感器控制地下滴灌系统的肥料配施组合对棉花(Gossypium hirsutum L.)产量的技术效应研究

《Forest Science and Technology》：Technical applications of fertilizer combinations in cotton productivity through automated sensor-based subsurface drip irrigation system

　　

摘要：本研究旨在评估自动化传感器控制地下滴灌(Subsurface Drip Irrigation, SDI)系统下，不同氮磷钾(N-P-K)肥料组合及种植株距对棉花(Gossypium hirsutum L. 'Akala'品种)生长及产量的影响。于2022—2023年在伊拉克Al-Hashimia农户田块开展两年田间试验，采用裂区随机完全区组设计(Split-plot Randomized Complete Block Design, RCBD)，3次重复。主区设4种肥料组合：N0K0P0（对照）、N1K1P1（100 kg N＋25 kg K＋15 kg P·ha?1）、N2K2P2（120 kg N＋50 kg K＋20 kg P·ha?1）、N3K3P3（140 kg N＋75 kg K＋25 kg P·ha?1）；副区设3种株距：20 cm、40 cm、60 cm。水分和肥料由人工智能(AI)驱动系统控制施入。结果表明，N3K3P3处理在全部生长及产量指标上均优于其他肥料处理：生长季末期土壤容重(Soil Bulk Density, SBD)为1.31和1.30 Mg·m?3、总孔隙度(Total Soil Porosity, TSP)为50.56%和50.94%（分别对应生长1个月、2个月及季末数值）；单轴枝数(Monopodia Branches Number, MBN)为6.00和6.49 枝·株?1；果枝数(Sympodial Branches Number, SBN)为18.03和19.06 枝·株?1；叶片叶绿素指数(Chlorophyll Index in Leaves, CIL)为50.25%和51.40%；吐絮铃数(Open Bolls Number, OBN)为39.52和40.43 铃·株?1；总铃数(Total Number of Bolls, TNB)为44.01和45.44 铃·株?1；百粒种子重(Seed Index, SI)为14.05和14.65 g；皮棉轧花率(Percentage of Net Cotton Ginning, PNCG)为37.70%和39.47%；籽棉产量(Cotton Yield)为3047和3139 kg·ha?1（分别对应2022和2023年）。60 cm株距在各测定性状上显著优于20 cm和40 cm。N3K3P3与60 cm株距互作取得最优结果，表明该组合是所研究条件下提升地下滴灌棉花生产力的最有效管理措施。

论文解读：基于自动化传感器控制地下滴灌系统的肥料配施组合对棉花产量的技术效应研究

一、研究背景与目的

棉花(Gossypium hirsutum L.)是全球重要经济纤维作物，伊拉克等国因干旱导致植棉面积缩减、水肥管理粗放致使低产。传统灌溉水分利用率低，经典施肥策略缺乏针对性，难以匹配作物需肥规律。地下滴灌(Subsurface Drip Irrigation, SDI)可将水肥直接送达根区、减少蒸发与养分淋失，配合传感器自动启停可维持根际适宜土壤含水量。已有研究表明N、P、K肥配施可改善土壤理化性质并促进棉株营养吸收与生殖生长，但SDI系统下NPK不同梯度配施与株距互作对'Akala'棉花品种的影响尚缺系统评估。因此研究人员开展本研究，在传感器自动控制SDI系统中设置4级NPK配施量与3级株距，探究其对土壤物理性状、营养生长及产量构成因素的影响，以确定最适水肥—株距管理模式，为提高半干旱区棉花生产力提供实证依据。本研究载于《Forest Science and Technology》。

二、主要关键技术方法

研究人员于2022—2023年在伊拉克巴比伦省Al-Hashimiya农户田块开展两年大田试验。供试土壤0–20 cm基本理化性质预先测定。试验采用裂区随机完全区组设计(Split-plot Randomized Complete Block Design, RCBD)，3次重复。主区为4种NPK肥料组合：N₀K₀P₀（不施肥对照）、N₁K₁P₁（100 kg N＋25 kg K＋15 kg P·ha^?1）、N₂K₂P₂（120 kg N＋50 kg K＋20 kg P·ha^?1）、N₃K₃P₃（140 kg N＋75 kg K＋25 kg P·ha^?1），分3期（播种、播后40 d、播后75 d）随SDI施入；副区为3种株距（20 cm、40 cm、60 cm）。SDI毛管埋深12 cm，由土壤湿度传感器触发水泵自动开关以维持根区体积含水量达田间持水量95%。棉种为'Akala'品种。生长期采集土样测定土壤容重(Soil Bulk Density, SBD)与总孔隙度(Total Soil Porosity, TSP)；每小区随机取10株测定单轴枝数(Monopodia Branches Number, MBN)、果枝数(Sympodial Branches Number, SBN)及SPAD叶绿素指数(Chlorophyll Index in Leaves, CIL)；成熟期统计吐絮铃数(Open Bolls Number, OBN)、总铃数(Total Number of Bolls, TNB)，测定百粒种子重即种子指数(Seed Index, SI)，按公式PNCG＝(皮棉重/(种子重＋皮棉重))×100%计算皮棉轧花率(Percentage of Net Cotton Ginning, PNCG)，折算单位面积籽棉产量。数据用GenStat 18版进行方差分析，处理均值用最小显著差数法(Least Significant Difference, LSD)于α＝0.05水平比较。

三、研究结果

Soil Characteristics（土壤性状）

研究人员于生长1个月、2个月及季末取0–20 cm土层测定SBD与TSP。结果显示N₃K₃P₃显著降低SBD（季末1.31、1.30 Mg·m^?3），提高TSP（季末50.56%、50.94%），优于低肥及对照；60 cm株距较密植降低SBD、提高TSP。说明高量NPK配施结合较宽株距通过促进根系分泌物与残体归还、维持根区水分，改善土壤结构。

Vegetative growth characteristics（营养生长性状）

MBN、SBN与CIL受肥料、株距及互作显著影响(p＜0.05)。N₃K₃P₃最高（MBN 6.00、6.49；SBN 18.03、19.06；CIL 50.25%、51.40%），N₀K₀P₀最低。60 cm株距高于40 cm与20 cm。N₃K₃P₃×60 cm互作达峰值（MBN 6.77、6.85；SBN 19.01、20.06；CIL 51.28%、52.90%）。表明宽株距减轻个体间水肥竞争，高NPK满足营养生长需素，协同促进分枝发育与叶绿素积累。

Yield parameters（产量构成因素）

OBN、TNB、SI、PNCG及籽棉产量受肥料、株距及互作显著影响(p＜0.05)。N₃K₃P₃最优（OBN 39.52、40.43 铃·株^?1；TNB 44.01、45.44 铃·株^?1；SI 14.05、14.65 g；PNCG 37.70%、39.47%；产量3047、3139 kg·ha^?1），对照最低。60 cm株距各产量指标高于较密植。N₃K₃P₃×60 cm互作获最高值（OBN 41.01、42.03；TNB 48.23、50.90；SI 14.55、15.00 g；PNCG 39.27%、41.09%；产量3776、3412 kg·ha^?1）。证实足量NPK供应花铃期关键需肥、宽株距扩展根域吸肥面积是增产主因。

四、讨论与结论总结

讨论指出60 cm株距因减少株间遮荫与根系交错竞争、扩大根域吸收面，利于单株成铃；N₃K₃P₃（140 kg N＋75 kg K＋25 kg P·ha^?1）分期追施满足现蕾—成铃期最大需肥峰，改善根区土壤结构并提高肥料利用效率，二者互作具加性增益。低肥处理无法满足'Akala'品种高产需肥致生长受限。

结论(Conclusions)： 60 cm株距在所有生长