J.Clean.Prod | 在无膜深滴灌条件下，最佳灌水量可以通过改善冠层结构和微环境来提高皮棉产量

论文内容

研究背景：

棉花是世界上最重要的纤维作物。中国、印度和美国是世界上主要的棉花生产国。2020年，新疆棉花总产量516.1万吨，占中国棉花总产量的87.3%，全球棉花产量的1/5。然而，水资源短缺已经威胁到作物集约化生产更多粮食、纤维和饲料的能力，特别是在中国西北内陆地区。西北地区干旱少雨、蒸发量大的气候特点，对灌溉有着巨大的需求。为了缓解水资源短缺对农业生产的影响，膜下滴灌被认为是一种高效、节水的技术，已广泛应用于该地区的作物栽培实践中。2019年，我国地膜使用量核算为1.4亿吨，其中新疆残膜量达到60-300 kg ha−1，而残膜管理对应的塑料使用总量不到三分之二;因此，这种做法不仅污染土壤环境，而且导致棉花产量和质量的停滞。因此，必须在不影响棉花产量和质量的前提下，探索新的替代方法，确保清洁、健康、绿色棉花产业的可持续发展。

采用无膜棉花种植是解决残膜污染最有效的途径

。已有研究发现，在非膜下栽培条件下，选择早熟品种（中棉619、新陆早74）和高种植密度（22.5-24.6 × 104株ha−1），可使籽棉产量比膜下滴灌高19.54%;然而，灌溉量远远超过膜下滴灌所需灌溉量的20.0-37.1%。深层滴灌（DDI）可以通过安装的发射器将灌溉水释放到土壤作物根区中，以供作物吸收和利用。与地面滴灌技术相比，DDI具有提高作物水分利用效率，减少土壤无效蒸发和过度灌溉造成的环境污染的优点。以往的研究表明，在高种植密度的宽行距条件下，滴灌带埋深15 cm可促进棉花生殖器官干物质的积累。因此，在本研究中，我们提出了使用早熟品种和相对较高的种植密度可以缩短生育期并增加棉花群体生物量的研究思路，同时利用DDI的优势抑制土壤蒸发并促进根系发育可以弥补不覆膜对棉花冠层结构造成的负面影响，实现无膜棉的高效生产。

通过影响作物的微环境水、热、空气和光合作用条件来调节植物与环境之间的关系对于建立最佳群体冠层结构和提高作物产量至关重要。灌溉通过调节冠层中的光分布和渗透性、根区环境和田间小气候条件（包括冠层温度和湿度）来改变冠层结构。以往对膜下滴灌进行了深入的研究，但无膜棉田的土壤环境、群体和个体生长、冠层光分布、物质合成和分配条件与膜下滴灌有所不同。此前的一项研究表明，在无膜栽培和DDI条件下，优化灌溉可以创造适合棉花生长的根区温盐环境。然而，在该研究中，仅获得了非膜棉的土壤水分、温度和盐度的田间测量结果，并且该方法不足以充分描述非膜棉作为膜下常规滴灌的替代方案的环境可持续性潜力。

因此，本研究以皮棉产量为评价指标，探讨了无膜滴灌条件下优化灌水量替代地面滴灌的可能性，并从冠层结构和微环境角度阐明了滴灌条件下棉花产量差异的原因。最重要的是，该成果将为制定DDI下无膜棉高效栽培技术体系提供理论基础，对帮助未来棉花产业走上节能环保之路具有重要的理论和实践意义。

研究内容：

在西北干旱区，探索无膜深滴灌替代膜下滴灌的可行性，解决残膜污染问题是一项紧迫的任务。因此，在本研究中，我们假设通过优化无膜棉的灌溉量，从而改善冠层环境，增加生物量的积累和分配，可以实现高效清洁生产。通过2年田间试验，比较了不同灌溉水平下棉花冠层微环境、生物量积累、皮棉产量和纤维品质性状的变化。试验采用完全随机区组设计，设5个灌溉量处理（m3 ha−1）：2649（W1）、2925（W2）、3201（W3）、3477（W 4）和3753（W5）。结果表明，随着灌水量的增加，棉花冠层光合有效辐射（PAR）透过率降低4.1- 18.7%，棉花植株生物量（CPB）和生殖器官生物量（ROB）分别显著增加7.6-5.9%和22.0- 54.1%。处理间纤维品质差异不显著。W 4处理的叶面积指数（LAI）、平均倾角（MTA）、冠层湿度和皮棉产量分别比其他处理提高1.4- 22.3%、0.3- 8.7%、0.6-2.9%和4.4- 18.7%，冠层温度比其他处理降低0.2-2.2%。皮棉产量与始蕾期至盛铃期的冠层湿度呈负相关。综合评价分析表明，在所研究的条件下，无膜棉花的最佳灌溉量为3477 m3 ha−1，推荐这种灌溉方法作为膜下滴灌的替代方案，因为它可以在灌溉农业区种植棉花而不必担心塑料污染。该研究丰富了无膜滴灌棉花高效种植技术，为无膜棉花的进一步推广应用提供了科学指导。

研究结论：

为解决大量残膜对土壤环境和农田不可持续利用的威胁，探讨了在相对宽行距、高密度和无膜棉DDI模式下，通过优化灌水量实现棉花清洁高效生产的潜力。结果表明，随着灌水量的增加，W 4处理的叶面积指数（LAI）、平均蒸腾速率（MTA）和冠层湿度分别增加1.4- 22.3%、0.3- 8.7%和0.6- 2.9%，冠层温度降低0.2- 2.2%，冠层中、上层光合有效辐射（PAR）透过率降低，光合细菌（CPB）和生殖器官生物量显著增加。从始蕾期到盛铃期，皮棉产量与MCH呈负相关。因此，建议采用相对较宽的行距、较高的种植密度、DDI和3477 m3 ha−1的灌溉量，以创造合适的冠层环境，并最终生产出与薄膜耕作方式下相当的皮棉产量和质量。研究结果为新疆乃至其他生态条件相似的棉区减少残膜污染、促进可持续生产提供了有益的参考。但由于两年研究的出苗密度不一致，增加了无膜棉稳产的不确定性。在今后的探索中，可着重寻求合理的种植密度，保证棉花的清洁生长，以获得持续的产量。

期刊信息

期刊：Journal of Cleaner Production

影响因子（2022）：11.1

中科院分区：环境科学与生态学1区

转自：“农科学术圈”微信公众号

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