種植密度對南疆棉花冠層小氣候的影響

作物生長發(fā)育與氣候變化之間的關(guān)系一直是地學(xué)和農(nóng)業(yè)學(xué)術(shù)界的研究對象之一。農(nóng)田小氣候?qū)r(nóng)作物的生長、發(fā)育和產(chǎn)量以及病蟲害都有很大影響。由于各種農(nóng)作物的群體結(jié)構(gòu)不同,株間的空氣溫濕度、風(fēng)速和土壤溫濕度的特征均與裸露地上有顯著差異。不同農(nóng)作物,不同植株密度、株距、行距、行向,不同生育期和葉面積大小等都能形成特定的小氣候。新疆棉區(qū)經(jīng)20世紀(jì)80年代的建設(shè)和發(fā)展,已成為優(yōu)質(zhì)棉和出口棉的主產(chǎn)區(qū)。棉花產(chǎn)量除個(gè)別年份受非自然因素影響外,氣象因子往往對其產(chǎn)生重大影響,而氣候因素的變化最終要通過改變棉田內(nèi)部小環(huán)境來表現(xiàn)。對于有些作物,田間小氣候的研究較早,羅冰對紅壤旱地的間作生態(tài)系統(tǒng)小氣候特征進(jìn)行了分析;黃良美等也對南寧市植物群落結(jié)構(gòu)特征與局地小氣候效應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行了分析;郭峰等進(jìn)行過寬幅麥田套種田間小氣候效應(yīng)及對花生生長發(fā)育的影響研究。在棉花氣候生態(tài)方面雖然也有一些研究成果,但有關(guān)棉田小氣候的研究相對較少。近年來,為了提高棉花產(chǎn)量,棉花種植密度不斷發(fā)生變化,必然會影響到棉田小氣候。本文擬通過對不同種植密度下棉花關(guān)鍵生育期——花期和吐絮期的棉田群體冠層不同層次的溫度、濕度、土壤水分的測定,研究棉田小氣候的變化規(guī)律,為當(dāng)?shù)馗纳谱魑锷L環(huán)境條件(即農(nóng)田小氣候條件)提供指導(dǎo)。1材料和方法1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1.1適宜種植樹種生長的林地試驗(yàn)于2008年在南疆阿克蘇市進(jìn)行,阿克蘇位于新疆天山南麓、塔里木盆地北緣,總面積13.25萬km2;該地區(qū)屬溫帶大陸性氣候,光照時(shí)間長、晝夜溫差大,年平均氣溫9.9~11.5℃,全年無霜期183~228d,非常適宜多種農(nóng)作物生長。試驗(yàn)點(diǎn)土壤為壤土,耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為17.6g/kg,堿解氮26.2mg/kg,速效磷24.9mg/kg,速效鉀179mg/kg。1.1.2試驗(yàn)地和試驗(yàn)網(wǎng)試驗(yàn)采用單因子隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),供試品種為中棉49號。種植密度設(shè)置為5個(gè)處理:9(A1)、13.5(A2)、18(A3)、22.5(A4)、27(A5)萬株/hm2。4月6日人工點(diǎn)播,播前結(jié)合整地深施尿素300kg/hm2、磷酸二銨225kg/hm2,在棉花現(xiàn)花期和盛花期各追施尿素150kg/hm2和75kg/hm2。采用寬膜覆蓋,一膜四行,每小區(qū)三膜十二行;小區(qū)面積8m×5m,共20個(gè)小區(qū),重復(fù)4次,試驗(yàn)地長35m×寬25m。行距配置為20cm+50cm+20cm+50cm的寬窄行模式,試驗(yàn)株距分別為:31.7cm、24.6cm、15.8cm、12.6cm、10.5cm。密度由A1~A5按處理增大,其他田間管理參照高產(chǎn)試驗(yàn)田。1.2測量項(xiàng)目1.2.1農(nóng)藝性狀測定調(diào)查各處理的生育期,并自3葉期開始測定各處理在不同生育時(shí)期的株高、莖粗、葉寬、株寬、真葉數(shù)、果枝始節(jié)、果枝數(shù)、現(xiàn)蕾數(shù)、成鈴數(shù)等農(nóng)藝性狀。(1)高性能棉株子葉節(jié)到主莖生長點(diǎn)之間的距離(cm),打頂棉株則測量打頂橫截面處。用直尺量其高度,取其平均值。(2)樹干粗子葉節(jié)到第一片真葉節(jié)間最細(xì)部分莖的直徑(mm)。用游標(biāo)卡尺測量取平均值。(3)葉寬指棉株頂部由上而下第4片主莖展平葉,葉片基部與此葉片中脈垂直,量其最大寬度(打頂后的量倒三葉寬)。用鋼卷尺量(cm),取其平均值。(4)貨物寬棉株最大橫向?qū)挾?。用直尺量其寬?cm),取其平均值。(5)實(shí)際葉子數(shù)棉株主莖展平葉數(shù),展平的標(biāo)志為葉片兩外側(cè)裂葉基部展平。(6)水果樹枝開始從子葉節(jié)起(子葉不計(jì)算在內(nèi))由下而上數(shù)記第一果枝著生的節(jié)位。(7)果實(shí)分枝數(shù)從第一果枝開始主莖上的果枝數(shù)目。(8)可用的孩子棉株大于3mm的花蕾數(shù)目。(9)輸入數(shù)量數(shù)記大于大拇指(直徑2cm)的鈴數(shù)。1.2.2空氣溫度、濕度測定在棉花現(xiàn)蕾后,采用美國產(chǎn)高精度NK4000手持氣象站每隔15d定點(diǎn)(3個(gè))測定一次棉田群體冠層不同層次(20cm和40cm)的空氣溫度、濕度。1.2.3土壤水分相對變率的測定每隔15d用英國產(chǎn)達(dá)到研究等級精度的PR2土壤剖面水分速測儀在小區(qū)定點(diǎn)測定不同土層的土壤體積含水量并重點(diǎn)記錄15cm處的土壤體積含水量,計(jì)算各時(shí)段的土壤水分相對變率。應(yīng)用測量精度可達(dá)到0.3℃的以色列產(chǎn)MicroLite-U盤型溫度記錄儀在蕾期開始埋入小區(qū)內(nèi)15cm深處測定地溫,每隔1h自動(dòng)記錄一次,到吐絮后取出。1.3方法采用Excel與DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析,方差分析均為0.05水平下,采用LSD法。2結(jié)果與分析2.1對不同密度下農(nóng)藝性狀的影響試驗(yàn)所測農(nóng)藝性狀如表1。由表中可見,處理中最高株高超過75cm,真葉數(shù)達(dá)17.6片,果枝臺數(shù)為12.4。其中株高、莖粗、真葉數(shù)、果枝數(shù)、株寬、葉寬均與密度成反比,低密度的A1、A2處理相應(yīng)的農(nóng)藝性狀值明顯高于其他處理且差異顯著,其他處理間差異不明顯。其中低、高密度處理的株高相差10cm以上,莖粗相差3mm以上,株寬相差11cm左右,葉寬相差1cm左右。果枝始節(jié)A3處理最小,始節(jié)高度卻最高,而A1處理果枝始節(jié)達(dá)6節(jié)以上,始節(jié)高度卻僅為18.8cm,并與中間密度的A3處理及密度高的A4、A5處理差異顯著。2.2治冠密度對氣溫的影響由表2可以看出,花期和見絮期各處理棉花寬窄行冠層空氣溫度均超過19℃,并隨當(dāng)日時(shí)間先升高后下降,花期基本在16:00溫度達(dá)到最高,見絮期則在14:00達(dá)到最高。不同處理間,20cm處冠層溫度最高的是花期、窄行的A3處理,為34.6℃,40cm處冠層氣溫最高的是花期窄行的A2處理,為38.2℃。至于白晝溫差,花期基本小于10℃,見絮期則寬行大于10℃,窄行小于10℃,受冠層影響不大。進(jìn)一步分析顯示,在花期,14:00-18:00,窄行冠層20cm處的氣溫均表現(xiàn)為種植密度高的處理溫度也高,而其它時(shí)段則正好相反,這種現(xiàn)象在窄行冠層40cm、寬行冠層20cm和40cm處表現(xiàn)的越來越不明顯。說明種植密度越高、越向冠層下,越不利于熱量交換,具體表現(xiàn)為氣溫低時(shí)升溫慢、氣溫高時(shí)降溫慢。到見絮期,14:00-18:00,窄行冠層20cm處的氣溫不再表現(xiàn)為密度高的處理溫度也高,而是中間密度處理的溫度較高并向兩邊減小。10:00-14:00時(shí)段也為類似趨勢,20:00則開始隨密度的增大溫度降低,寬行冠層20cm處變化趨勢與窄行的相一致。而寬窄行冠層40cm處的氣溫表現(xiàn)為:12:00-16:00中間密度處理的溫度較高并向兩邊減小,其它時(shí)段則隨密度的增大溫度升高。說明吐絮后棉株開始衰老,密度大的處理衰老快,開始與低密度處理一樣熱交換加快,溫度降低并且變化快。2.3不同處理冠層濕度的變化由圖1和圖2可以看出,花期和見絮期不同處理的冠層相對濕度日變化趨勢符合開口向上拋物線模型,相關(guān)系數(shù)最高可達(dá)0.9933(y=411.94x2-445.05x+166.9),說明相對濕度日變化為先下降后升高。其中花期相對濕度中午時(shí)段最低只有40%,比見絮期高10個(gè)百分點(diǎn)以上。對花期(圖1)分析可知,不同處理冠層的相對濕度日變化范圍不是很大,冠層20cm處由于溫度較高,地面水分蒸發(fā)和葉片蒸騰作用很強(qiáng),使得空氣相對濕度較高,而窄行因通透性小所以相對濕度又高于寬行。處理間,相對濕度基本在40%~75%,10:00-12:00相對濕度下降較快,12:00-18:00相對濕度較平緩,維持在50%~60%,18:00后又迅速升高,恢復(fù)到70%左右;其中低密度處理的相對濕度較低但變化范圍較小,高密度處理的變化范圍最大,而中間密度處理相對濕度較高且較穩(wěn)定。冠層40cm處的寬窄行同樣也存在這種現(xiàn)象,但相對濕度范圍變小,處理間差距較小,趨勢更平緩一些。到見絮期,由于棉田已停止灌溉,棉花大量耗水,造成土壤含水量降低,地面水分蒸發(fā)減少,不同處理冠層相對濕度的日變化范圍增大,相對濕度也明顯下降。冠層20cm處,處理間規(guī)律性不明顯,12:00-16:00相對濕度在20%~30%,早、晚的相當(dāng)濕度較高,最高在20:00達(dá)70%以上。低密度處理的相對濕度變高,而中間密度處理相對濕度變低,呈現(xiàn)兩邊高中間低的現(xiàn)象,寬窄行之間沒有明顯差異。冠層40cm處,處理間受密度影響較大,隨密度增大相對濕度有減少趨勢,但處理間差距較小,總體變化趨勢與冠層20cm處一致。2.4不同密度對植株土壤水分變化的影響土壤水分的變化與植株的需水量和水分的散失量有關(guān)。圖3a中,正值表示從上一個(gè)生育期到此生育期的土壤水分含量平均值增大,負(fù)值則相反。由圖可知,蕾期和盛鈴期雖然不是棉花需水的關(guān)鍵時(shí)期,但是由于新疆地區(qū)采用的是灌溉模式,這兩個(gè)時(shí)期一般灌溉較少、土壤水分散失嚴(yán)重,表現(xiàn)為負(fù)值,為相對缺水的時(shí)期。處理間,由于棉花的前期生長和后期植株相互遮蔽,中間密度處理一直保持較大的需水量,低、高密度處理相對較低?；ㄆ?初鈴期植株形態(tài)基本穩(wěn)定,雖然需水量比較大,但由于灌溉及時(shí),土壤水分處于增加的狀態(tài),初花時(shí)中、高密度處理土壤的含水量高,低密度處理的相對較低;到了盛花期,溫度升高,葉片蒸騰加大,中間密度處理仍能保持高的含水量,低密度處理依然較低,而密度高的A5處理失水較多、土壤水分含量降低明顯,到了初鈴期才有所恢復(fù)。圖3b的時(shí)間基本與圖3a對應(yīng),由圖3b各時(shí)間土壤水分的平均值可以看出,蕾期(5月底)高種植密度中15cm土壤含水量相對較低,因?yàn)槎紱]有灌水,說明此期高種植密度處理植株需水量較大,消耗的土壤水比較多。初花(6月14日)-盛鈴(7月底)期,肥水增多,土壤含水量升高,是獲得棉花高產(chǎn)的關(guān)鍵期。低密度的A1、A2處理由于植株間距大,揭膜后(6月16日)株間土壤蒸發(fā)散失較多,土壤含水量只增加了7個(gè)百分點(diǎn);中密度的A3、A4處理植株葉片緊湊,保水性增強(qiáng),增加了9個(gè)百分點(diǎn);而高密度的A5處理雖然植株緊湊但葉片失水較多僅增加了7個(gè)百分點(diǎn)。盛鈴后,由于不再灌溉,單位面積成鈴多的處理耗水量大,加上植株衰老葉片減少造成土壤水分散失加劇,所以A2、A3、A4處理水分變化增大,含水量變小,嚴(yán)重缺水,A1處理單位鈴數(shù)少且衰老慢,A5處理單位鈴數(shù)少且葉片遮蔽較多,所以含水量相對較高。2.5花鈴期地溫變化為研究后期地溫對棉花生長、發(fā)育的影響,以寬行地下15cm處的溫度代表一個(gè)處理小區(qū)。由圖4可知,各處理寬行棉花花鈴期地下15cm處日均土壤溫度與棉花冠層的空氣溫度相差不多,也維持在19℃以上,其中9:00-10:00地溫最低,18:00-19:00地溫最高。吐絮期的地溫也有類似趨勢。由圖4a可知,各處理花鈴期前期地溫變化相對平緩后期有所增大。7月初日均地溫較高,達(dá)22℃以上,最高的A4處理超過了23℃,而7月中旬-7月底各處理地溫變化不大,相對穩(wěn)定在20℃,只是盛鈴期時(shí)地溫有所下降,但變化范圍沒有超過1℃。進(jìn)入8月后,各處理地溫不斷升高,達(dá)到了整個(gè)花鈴期的最大值。其中A4處理接近25℃,其他各處理也在22℃左右;A4處理一直最高,其次為A2處理,然后是A3處理,而A5處理最低,處理間差距不明確且趨勢基本一致。到了吐絮期(圖4b),地溫的變化幅度開始增大,但整體上有所下降,其中A1處理下降最大,為5℃。各處理地溫仍以A4處理最高,A2、A3相對穩(wěn)定,A1處理變?yōu)樽畹?而A5處理開始增大。因?yàn)橥滦鹾笕~片大量脫落,高密度處理受光照面積增大,吸收的熱量增多,所以地溫也相應(yīng)增加。整個(gè)過程中最低地溫出現(xiàn)在9月10日左右,最低的A1處理接近16℃。這也說明吐絮期受冠層大氣溫度的影響增大。3不同高度的棉田溫濕度日變化適宜的株高、葉寬、株寬、果枝數(shù)等農(nóng)藝性狀是棉花獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ),而種植密度會使植株形態(tài)發(fā)生改變。本試驗(yàn)中,種植密度為9.0~27.0萬株/hm2,植株的高度可達(dá)到55~75cm,并且隨著種植密度的增加株高會降低,而莖粗、株寬、葉寬、果枝數(shù)等也有類似趨勢,分別在8.5~13.5mm、35~55cm、12~13cm、10.5~12.5臺間隨種植密度的增加而降低。花期和見絮期棉花冠層空氣溫度較高,花期中午時(shí)段冠層窄行20cm處空氣溫度可達(dá)35~38℃,寬行也達(dá)到31~38℃,說明棉株間距越小,越不利于熱量交換,溫度越高;不同冠層高度,40cm處空氣溫度大于20cm處,且種植密度高的處理溫度也高,早、晚則反之。見絮后葉片開始脫落,棉田通透性增大,溫度開始下降;密度與冠層高度對氣溫的影響減弱,不同處理間及不同冠層高度的溫差減小,同時(shí)中午階段的空氣溫度由中間密度處理向兩邊處理減小。但窄行溫度仍高于寬行且白晝溫差增大。棉花寬窄行的不同冠層,日相對濕度變化趨勢基本相同,其模擬方程符合開口向上拋物線模型,說明相對濕度變化是先下降后升高?；ㄆ谙鄬穸容^高且變化較小,各處理以中間密度的相對濕度最為穩(wěn)定,變化最小,其他處理變化較大,但窄行高于寬行,40cm處高于20cm處。見絮期,冠層20cm處早、晚的相地濕度較高,處理間規(guī)律性不明顯,呈現(xiàn)兩邊高中間低的現(xiàn)象,寬窄行之間沒有明顯差異;冠層40cm處,按密度增大相對濕度有減少趨勢,但處理間差距較小