《Agronomy》：Effects of Integrated Tillage-Surface-Cover Systems on Soil Hydrothermal Conditions, Cotton Growth, and Yield in Arid Xinjiang, China
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摘要：早春低温和地膜使用制约了新疆棉花生产的可持续性。本研究比较了五种一体化栽培系统：常规耕作覆膜（CK）、免耕覆盖非织造布拱棚（NTN）、免耕覆盖蓝色地膜拱棚（NTB）、常规耕作覆膜并覆盖非织造布拱棚（CTPN）以及常规耕作覆膜并覆盖蓝色地膜拱棚（CTPB）
摘要：早春低温和地膜使用制约了新疆棉花生产的可持续性。本研究比较了五种一体化栽培系统：常规耕作覆膜（CK）、免耕覆盖非织造布拱棚（NTN）、免耕覆盖蓝色地膜拱棚（NTB）、常规耕作覆膜并覆盖非织造布拱棚（CTPN）以及常规耕作覆膜并覆盖蓝色地膜拱棚（CTPB）。研究评估了土壤水热状况、植株生长、根系性状、产量构成及籽棉产量。与CK相比，CTPN和CTPB改善了苗期水热状况并促进了早期生长。在监测的0–450 mm土壤剖面中，CTPN和CTPB处理下的平均土壤温度分别比CK高21.13%和17.75%，平均土壤含水量分别高17.12%和10.68%。然而，这些优势并未带来最高产量。NTN处理的籽棉产量最高，比CK高15.19%，其次是NTB，增产9.02%。NTN的产量优势主要与较高的单铃籽棉重有关。相关分析表明，单株铃数与产量呈负相关，而单铃籽棉重与产量呈正相关。总体而言，良好的苗期条件并不能单独决定最终生产力，NTN在新疆类似干旱条件下显示出实际应用潜力，同时减少了对传统地表地膜的依赖。
新疆干旱区棉花一体化耕作-覆盖系统研究解读
一、研究背景与意义
棉花是全球最重要的经济纤维作物之一，在农业生产与纺织工业之间发挥着关键的纽带作用。中国是全球主要的棉花生产国和消费国，而新疆是中国最重要的棉花产区。截至2022年，新疆棉花种植面积达260万公顷，占全国总面积的87.7%，对乡村振兴和经济稳定具有重要推动作用，也为全球纺织工业的稳定发展奠定了坚实基础。
新疆属于温带干旱气候，昼夜温差大，水资源有限。棉花种植面临多重制约因素，包括早春低温、季节性缺水以及盐碱胁迫，这些因素可能限制棉花的萌发和早期生长。为缓解这些挑战，设施农业技术如地膜覆盖结合滴灌被广泛应用，以保墒、调温和抑草。目前新疆棉花种植主要采用覆膜滴灌一体化模式，该模式减少了蒸发和水分散失，提高了水分利用效率和作物产量。覆膜栽培具有增温保墒、抑制盐分上升以及促进早播等综合效益，有效缓解了早春低温、干旱和盐碱胁迫对棉花生长的不利影响。
然而，长期地膜覆盖也带来了严重问题，包括白色污染、残膜在耕层积累阻碍土壤通透性、影响根系对水分和养分的吸收，且残膜难以清除，对后茬作物产生负面影响。生物降解地膜也被探索作为传统不可降解地膜的潜在替代品。此外，有研究表明覆膜栽培可能诱导棉花早衰，导致产量和品质损失。为缓解这些问题，免耕、少耕和秸秆覆盖等保护性农业技术近年来被广泛采用，这些措施减少了土壤扰动和侵蚀。但免耕也可能增加土壤容重，限制根系生长，甚至增加病虫害风险。在干旱地区，免耕等保护性农业措施在早春温度调节方面的效果仍然有限。
因此，将小拱棚覆盖与耕作措施相结合，可能进一步改善作物生长的微气候条件。尽管对单项栽培技术已有大量研究，但多数研究聚焦于单因素效应，关于耕作方式、地表覆盖措施与临时性小拱棚相结合的一体化栽培系统在整个生长季对棉花生长和产量构成响应的研究仍十分缺乏。该研究旨在回答以下问题：不同一体化栽培系统如何通过苗期生长、根系发育和产量构成的差异影响棉花生长和产量形成？
二、研究设计与关键技术方法
研究人员于2025年在新疆南部尉犁县开展了正式田间试验，供试棉花品种为新陆中54号，属新疆棉区具有代表性的中早熟陆地棉品种。试验地土壤为砂壤质冲积土。试验采用随机完全区组设计，设置五种处理：常规耕作覆膜（CK，对照）、免耕覆盖聚丙烯（PP）非织造布拱棚（NTN）、免耕覆盖蓝色聚乙烯（PE）地膜拱棚（NTB）、常规耕作覆膜并覆盖PP非织造布拱棚（CTPN）以及常规耕作覆膜并覆盖蓝色PE地膜拱棚（CTPB）。每种处理重复四次，共20个小区。所有处理采用相同的滴灌和施肥制度，全季灌溉量约5250 m3 ha?1，施肥量为N 300 kg ha?1、P?O? 90 kg ha?1、K?O 45 kg ha?1。
关键技术方法包括：采用自主研发的田间土壤水热监测系统，利用LoRa无线通信技术，在苗期连续监测50、150、250、350和450 mm五个深度的土壤温度和体积含水量；通过标记计数和卷尺测量获取苗期叶片数和株高；在收获期测定株高、最低铃位高度和茎粗；采用土块挖掘法采集根系样本，测量主根长度和直径；通过人工采摘获取产量数据，测定单株铃数、单铃籽棉重和籽棉产量。数据分析采用方差分析（ANOVA）、最小显著性差异（LSD）检验和Pearson相关分析。
三、主要研究结果
3.1 棉花苗期土壤温度变化
在50 mm深度，各处理的24小时平均土壤温度较CK分别提高：NTN为25.61%、NTB为15.03%、CTPN为40.15%、CTPB为35.53%。土壤增温和保温效果排序为CTPN > CTPB > NTN > NTB > CK。随着土壤深度增加，各处理的最高和最低温度出现时间依次推迟，温度波动幅度减小。CK处理温度最低且波动最大，因其仅有单层地膜而无小拱棚保温，耕层疏松、孔隙大，有利于热量快速传递。PP非织造布拱棚相比PE地膜具有更好的保温隔热性能。
3.2 棉花苗期土壤水分状况
所有处理均呈现表层含水量低、深层含水量高的垂直分布特征。0–450 mm土层内，各处理土壤含水量排序为CTPN > CTPB > CK > NTN > NTB。CTPN和CTPB在0–150 mm表层比CK高3–5%，表明覆膜结合小拱棚有效减少了蒸发并增强了表土保水能力。耕作条件下的土壤含水量高于免耕条件。小拱棚覆盖减缓了浅层土壤蒸发，使白天水分波动更为平缓。PE蓝色地膜致密、透气性差，减少了浅层水分损失；PP非织造布透气性较好，允许部分水汽逸出，因此浅层含水量略低。
3.3 苗期生长参数
CTPN处理的幼苗株高最高，比CK显著增加36.41%，CTPB增加32.45%。NTN和NTB分别比CK增加21.55%和12.14%。CTPN和CTPB处理的单株叶片数也显著高于CK。小拱棚覆盖弥补了免耕的温度不足，缩小了免耕与常规耕作之间的生长差距，实现了“免耕不减苗”的效果。
3.4 成熟期植株生长参数
CTPN处理的株高最高，比CK高11.79%，CTPB高11.18%；NTN株高最低，比CK低9.51%，NTB低5.04%，表明免耕有利于提高机械采收效率。所有四个处理组的最低铃位高度均显著高于CK，其中CTPB比CK增加约23.62%。CTPB的茎粗显著大于其他处理，比CK增加11.54%；NTN茎粗最低，比CK低12.84%。
3.5 收获期棉花根系性状
CK的主根长度显著高于其他处理，达20.63 cm。CTPN和CTPB的主根长度分别比CK减少9.45%和12.21%。免耕条件下，NTN和NTB的主根长度最短，分别为15.08 cm和14.53 cm，比CK减少26.90%和29.56%。主根直径方面，CK达到最大值11.90 mm，NTN和NTB分别比CK减少25.21%和14.03%。免耕处理侧根向浅层分散且侧根较粗，而耕作处理主根较长、侧根较细并向下向外延伸。
3.6 棉花产量构成
CTPB的单株铃数最高，比CK显著增加14.61%；NTN的单株铃数最低，显著低于其他所有处理。NTN的单铃籽棉重最高，比CK显著增加20.08%，符合“数量-大小权衡”规律。与CK相比，NTN、NTB和CTPN的籽棉产量分别增加15.19%、9.02%和8.27%。NTN获得最高籽棉产量，其产量优势与低铃数和高铃重的组合有关。CTPB虽然增加了单株铃数，但未转化为最终的产量优势。
3.7 生长指标、根系性状与产量构成的相关性分析
苗期50 mm深度土壤温度和含水量均与苗期株高和叶片数显著正相关。苗期土壤含水量与单株铃数显著正相关，苗期株高也与铃数显著正相关。但单株铃数与籽棉产量显著负相关，而单铃籽棉重与产量显著正相关。收获期株高和茎粗均与籽棉产量显著负相关，但与单株铃数显著正相关。主根长度和主根直径均与籽棉产量显著负相关，主根长度还与单铃重显著负相关。
四、讨论与结论
研究表明，良好的苗期水热条件与更大的地上部生长和更高的铃数相关，但铃数与籽棉产量呈负相关，而单铃籽棉重与产量呈正相关。收获期的部分营养生长性状和根系性状也与籽棉产量呈负相关。这表明在该研究条件下，早期旺盛生长与更高的结铃数相关，但最终产量更密切地与单铃籽棉重相关。研究人员指出，小拱棚在出苗后4–5周被移除，此后未对各处理的土壤环境和植株生长动态进行连续监测，因此缺乏对拱棚移除后处理间持续差异的直接观察证据，相关讨论是基于苗期和收获期数据的推断，未来需要通过生长中后期的连续监测加以验证。
研究结论：在新疆干旱棉田中比较的五种一体化栽培系统中，有利的苗期土壤水热条件并未完全转化为更高的最终籽棉产量。在监测的0–450 mm土壤剖面中，CTPN和CTPB的平均土壤温度分别比CK高21.13%和17.75%，平均土壤含水量分别高17.12%和10.68%。CTPN和CTPB还促进了早期营养生长。然而，NTN实现了最高的籽棉产量，比CK高15.19%，其产量优势主要与较高的单铃籽棉重有关。在五种一体化栽培系统中，单株铃数与籽棉产量呈负相关，而单铃籽棉重与籽棉产量呈正相关。部分收获期植株生长性状和测定的根系性状也与籽棉产量呈负相关。总体而言，在试验条件下，最终产量与单铃籽棉重的关系更为密切。在所测试的一体化栽培系统中，免耕覆盖非织造布拱棚（NTN）在减少对传统地表地膜依赖的同时实现了最高籽棉产量，表明其在新疆类似干旱条件下作为棉花生产实用方案的潜力。该研究发表在《Agronomy》期刊上，为水资源有限的农业生态系统中棉花可持续栽培提供了理论和实践依据，尤其对早春低温和地膜残留问题突出的棉田具有重要意义。
