引言

【研究意义】长期连作等不合理栽培措施,会使棉田根腐病害逐年积累,已成为新疆植棉区限制棉花产量的主要因素之一[1]。研究表明,深松能打破坚硬的犁底层,实现土壤的耕作层与心土层之间水分的沟通和调解,同时降低深层土壤容重,改善土壤结构,增加土壤养分[2]。深松能有效地调节耕作层与心土层之间水、肥、气、热梯度的连通性[3],改善土壤的通透性。有效降低土壤有害菌群的数量,棉花根腐病是棉田中存在的重要土传病害。长期连作增加耕层病原微生物是根腐类病害加重的主要原因,深松耕能改善耕层结构,促进根系下扎,从而显著降低土传类病害的发生。针对棉花根腐病,研究深松对棉花根腐病的防治效果,对于提高棉花抗病性和提高产量有重要意义。【前人研究进展】诱发根腐病害的原因有很多。前人提出了许多防治措施,按照防治时期,可以分为播前处理和生长期处理,按照防治措施可以分为物理防治和化学防治。如:选取抗病良种,种子包衣,并播前晒种提高种子活力[4]。在发病初期喷施或者灌根化学杀菌剂[5](如:3%甲霜·恶霉灵、0.5%嘧菌酯·恶霉灵)可以控制根腐病的发病程度。在种植方式上通过轮作倒茬[6]、适期播种[6]、苗后中耕松土[7]等均可减轻田间病菌积累。深松是北方干旱、半干旱地区常用的耕作方式,具有打破犁底层改良耕层结构[3]、改善土壤理化性质、显著降低土层容重,增加土壤通透性[8]、改善土壤微环境,提高土壤蓄水保墒能力,增加作物水分利用效率,提高土壤蓄渗与防蚀抗旱[9]可为地下根系生长发育营造良好的营养和水分条件,从而促进作物生长和提高产量的显著优势[6]。【本研究切入点】目前,通过化学药剂处理防治棉花根腐病的研究报道较多,但有关深松措施对棉花根腐病害的防病机理研究鲜有报道。研究深松对覆膜滴灌棉田根腐病害发生及根区环境的影响。【拟解决的关键问题】设置3个深松梯度,研究不同深松深度对发病指数、产量、土壤含水量、棉花根系形态、根系活力等影响,分析覆膜滴灌棉田根腐病害发生特征与根区环境演变的关系,为防治棉花根腐病害提供理论依据。

1、材料与方法

1.1材料

试验于2018年4～10月在新疆阿瓦提县农科院试验站(N40°06',E80°44',海拔1025m)根腐病混生病田进行。该区年均降水量46.4mm,年日照时数2679h,≥10℃年积温为3987.7℃,无霜期为211d,属于典型的暖温带大陆性干旱气候,试验区土壤质地为沙质壤土,有机质含量8.3g/kg,全氮0.5g/kg,速效氮58.4mg/kg,速效磷35.4mg/kg,速效钾130.7mg/kg。

2018年棉花生育期划分为苗期(4月23日～5月25日),蕾期(5月26日～6月22日),花铃期(6月23日～8月17日),吐絮期(8月18日～9月25日)。棉花于4月23日进入苗期(4月23日～5月5日)。参照当地传统经验,生育期灌溉11次,6月下旬开始,8月下旬结束,灌溉定额350mm左右,灌溉间隔6～7d,灌水定额21～41.5mm。

在试验棉田整个棉花生育期内,最高空气温度36.1℃,平均日温20.6℃,平均温度最高出现在7月底8月初。月平均降水24.7mm,月平均灌溉量66.9mm。图1。

图12018年棉田空气温度及灌溉降水情况

1.2方法

1.2.1试验设计

试验采用单因素随机区组试验设计。利用4齿鸭掌式深松犁,松耕30、40、50cm(S30,S40,S50)以传统翻耕20cm为对照(CK)。在深松大区处理基础上,划定小区,每个小区3膜12行,小区宽6.9m,长6.5m,面积44.85m2,重复4次。其他管理同大田。供试陆地棉品种为新陆中54号(新疆农业科学院经济作物研究所提供)。采用2.05m地膜覆盖,“1膜2管6行”种植模式,滴灌带间距76cm,滴头间距25cm,滴头流量2.1L/h。株行配置[(10+66+10+66+10)+66]cm×11cm,6月中旬开始灌溉,8月中旬结束灌溉,每7d滴灌1次,灌溉定额均为4650m3/hm2,灌水定额为灌溉定额的1/10。采用“1水1肥”的灌溉施肥方式进行追肥,追施尿素600kg/hm2,其他管理同大田。

1.2.2测定指标

1.2.2.1根腐病调查

5月10日三叶期开始调查,每小区对角线5点取样,每点挖取10株,共50株,记录总株数及各级病株数,每隔10d调查1次,到9月10日病情稳定后结束调查,计算发病率和病情指数[10]如下。

(1)生长期调查分级标准

0级:外表无症状;

1级:病叶占总叶片数25%以下;

2级:病叶占总叶片数25%～50%;

3级:病叶占总叶片数50%～75%,少部蕾铃脱落;

4级:病叶占总叶片数75%以上,大部分蕾铃脱落。

(2)剖秆检查分级标准

0级:维管束无变色;

1级:维管束变色面积占横截面25%以下;

2级:维管束变色面积占横截面25%～50%;

3级:维管束变色面积占横截面50%～75%;

4级:维管束变色面积占横截面75%以上。

公式1

1.2.2.2产量

吐絮期各小区按1%667m2测定棉铃数及株数,选取每小区长势均匀且连续的棉株处选取150个棉铃对其称重,计算单铃重,风干后轧花,用电子天平测定皮棉重,计算衣分率,折算产量。

1.2.2.3土壤含水量

采用SMART土壤刨面水分探测仪对深松处理后土壤体积含水量的动态变化进行定位监测,在0～60cm范围,每10cm土壤剖面水分的生长季动态变化数据。

1.2.2.4土壤容重

采用环刀法测定土壤容重[11]

1.2.2.5根系形态

采用根系双向切片法获取不同耕作处理收获期0～60cm垂直剖面的根系样本,结合WINRHIZOVersionReg.2007d(RegentInstrumentInc.CAN)根系分析系统获取根系长度、面积、体积、直径等重要形态参数[12]。

1.2.2.6根系活力

采用TTC法测定根系活力[13]。

1.3数据处理

采用DPSVersion7.05(DataProcessingSystemSoftware,Inc.CHN)软件进行统计与分析,采用最小显著性差异LSD法进行显著性测验。采用SigmaplotVersion12.5(SystatSoftware,Inc.USA)软件对分析数据进行绘图。

2、结果与分析

2.1深松对病情指数和产量的影响

研究表明,根腐病在6月上旬达到第一个发病高峰23.2%～34.6%,在8月中旬达到第二个发病高峰38.9%～47.8%。平均气温达到15℃开始发病,20～23℃发病速度最快,当气温>28℃时发病开始减轻。此外重茬次数越多,土壤中积累的菌量愈大,发病愈重,连作1～2年平均发病率是12.5%,连作3～4年平均发病率为24.7%,5～6年为39.7%[14],重茬连作给土传病造成了适宜的生长繁殖条件。深松能够明显降低病原菌,与S30、S50相比,S40处理对根腐病具有明显的抑制作用。第一发病高峰未出现,发病过程缓慢,第二发病高峰病情指数较低,峰值出现时间较晚。

在5月10日至9月10日的13次调查期间,S40处理对应的棉花根腐病病情指数分别为6.0%、9.0%、12.8%、20.4%、23.2%、24.0%、28.0%、34.0%、37.0%、33%、38.9%、32.3%和29.8%。比CK处理降低了0.7%、3.8%、6.5%、15.6%、6.8%、5.0%、11.0%、7.0%、3.3%、12.0%、8.1%、16.7%和20.2%,深松耕对棉花根腐病的发生量具有较明显的抑制作用。图1

图2.深松处理下棉田根腐病发病指数变化

深松处理能够改善单铃重、单株结铃数,提高棉花产量。随着深松深度的增加,单株结铃数递增,尤其S40较S30递增明显并有显著差异。皮棉产量随着深松深度的增加而增加。深松40cm时产量最高,皮棉产量分别较CK、S30、S50增加了22.2%、15.7%、2.5%,S40与CK和S30皮棉产量差异显著。深松处理S40单株结铃数和单铃重最高且与CK处理和S30处理均差异显著。表1

表1深松深度下棉花产量及构成因素变化

2.2深松对土壤含水量的影响

研究表明,深松可显著改善土壤水分状况,不同覆盖量对土壤水分的影响效果不同。

棉花生长初期,不同土层内各处理土壤水分变化规律不同,在0～30cm土层内,以S40处理土壤含水率最高,CK处理土壤含水率最低,各土层间越往下土壤含水量增加。30cm土层以下,CK处理土壤含水量明显增大,其他处理土壤水分含量波动较大。进入花铃期,0～60cm土层,各处理间土壤水分含量变化差异更明显,且不同处理变化规律与蕾期一致,30cm土层以上,处理间土壤含水量呈S40>S50>S30>CK的变化趋势。30～60cm土层CK处理较其他处理含水量增加明显。到吐絮期,各处理表层土壤含水量显著降低,随土层深度增加,土壤含水量逐渐增大,且仍以S40处理土壤含水量最大。在0～30cm土层,各生育时期S40处理土壤含水量显著高于其他处理,CK处理最低,在30～60cm土层,CK处理土壤含水量明显增大,深松处理有利于蓄水保墒,可提高深层土壤的水分利用率,以S40处理保水性能最好。图3

图3不同深松深度下土壤含水率的变化

2.3深松深度对土壤容重的影响

研究表明,不同深松深度对各生育时期棉田土壤容重的影响规律,蕾期0～60cm土层深度内,各处理土壤容重呈先增大后减小的变化趋势,不深松处理(CK)土壤容重均明显高于其他深松处理,0～30cm土层深度内,不同处理间土壤容重变化表现为S40<S50<S30<CK的变化趋势,30～60cm土层上,S50处理土壤容重最小,S40处理次之;进入花铃期后,各处理土壤容重有所增大,但处理间变化规律不同,整个土层深度内,土壤容重呈S40<S50<S30<CK的变化规律,不同的是30cm土层以下,S40和S50处理土壤容重呈减小变化趋势,而S30和CK处理明显高于其他2个处理。到吐絮期,30cm土层以上各处理土壤容重变化规律同蕾期至花铃期变化趋势一致,在深层土体内,只有S50处理土壤容重显著减小,而其他3个处理均呈增大变化趋势。图4

图4不同深松深度下土壤容重的变化

2.4深松对棉花根系形态和根系活力的影响

研究表明,棉花主要根系形态指标随松耕深度的增加而趋向合理。随着深松深度增加,棉花根系长度、根系表面积和根系体积也随之增加,深松深度越深各根系形态指标增加幅度越明显。其中,S40处理与CK处理相比,S40处理能显著增加根系长度31.1%,增加根系表面积28.5%,增加根系体积32.9%;与CK处理相比,S50处理能显著增加根系长度34.6%,增加根系表面积44.8%,增加根体积40.6%。表2

表2深松下根系形态变化(0～60cm土壤刨面)

研究表明,蕾期没有深松的CK处理在0～60cm土层内,根系活力均小于其他处理。其中0～20cm内S40处理的根系活力显著高于其他处理,呈现S40>S50>S30>CK的规律;20～40cm土层中呈现S40>S30>S50>CK的规律;40～60cm土层呈现S50>S40>S30>CK的规律,由于深松打破了犁底层,有助于根系生长,从而提高根系活力,因此,该土层深松50cm的处理根系活力最强。花铃期根系活力较蕾期整体有所降低,但没有深松的CK处理的根系活力仍然低于其他处理,整体也表现为S40处理根系活力最高。吐絮期0～60cm土层各处理的根系活力均随着土层的增加而增加,0～60cm土层中,没有深松的CK处理根系活力仍然低于其他处理,但S30、S40和S503个处理的根系活力在此时差别不大。图5

图5不同深松深度下根系活力的变化

2.5土壤含水率、土壤容重和根系活力与病情指数的回归分析

研究表明,土壤容重在蕾期和吐絮期在0.01水平显著,在花铃期0.05水平显著;根系活力在蕾期0.05水平显著,土壤含水率在3个时期均不显著。土壤容重对3个主要生育时期棉花病情指数影响都较大,3个时期的土壤含水率和根系活力线性回归系数都较小,和根腐病病情指数不具有一次曲线关系。在二项曲线回归分析(一元非线型回归模型)结果中,土壤容重大和根系活力与3个生育时期的病情指数拟合度相对较高,土壤含水率对花铃期病情指数无显著影响。表3

表3土壤含水率、土壤容重和根系活力与病情指数的回归分析

3、讨论

根腐病的发生与土壤的土层结构、容重、水分等状况具有显著的相关性。研究中深松能降低土壤容重,增加透水通气性能,促进根系生长从而降低棉花根腐病病情指数。

从整个生育期各处理土壤含水率变化情况来看,在0～30cm土层内,CK处理土壤含水率都较低。30cm土层以下,CK处理土壤含水量明显增大,其他处理土壤水分含量波动较大。这可能是由于深松打破土壤犁底层[15],深层土壤水分向上移动造成,而不深松处理下层土壤水分不能向上移动,故含水量增加。S40处理,土壤扩库增容效果明显,储水能力较强,水分含量变化趋势较为平缓,深层水消耗比例小。在生长中后期,植株不容易受干旱和高温的胁迫,一定程度上降低了病原菌的种群密度。在土壤含水率和病情指数回归分析中,其花铃期和吐絮期二项曲线回归系数均达到了极显著水平(P<0.01),二者拟合度较高,变化趋势相近,即在蕾期和吐絮期中土壤含水率对病情指数影响较大。土壤含水率相对应的深松处理S40能有效降低根腐病病情指数。

从整个生育期各处理土壤容重变化情况来看,0～60cm土层内,均以不深松处理土壤容重最大,且30cm以上土层则以S40处理土壤容重最小。深松改变了土壤结构,易创造深厚疏松的耕层土壤环境[16],随深松深度增加,土壤容重逐渐减小,并以S40处理效果最好。在土壤容重对棉花根腐病病情指数进行回归分析,其线性回归系数和二项曲线回归系数均达到了显著水平(P<0.05),土壤容重在蕾期、吐絮期对棉花根腐病发病情况影响较大,深松处理S40降低病情指数效果最好。

从整个生育时期棉株根系活力和根系结构变化来看。深松可以促进作物根系的延伸,增加作物的根长、根系体积、根系表面积和根系干重密度,进而实现作物增产,与前人研究结果一致。土壤的物理性状对作物的根系生长发育有较大影响[17],而深松可以改善土壤孔隙状况,增加土壤通透性,有利于根系下扎,促进根系生长[18]。作物的根系干重密度、根系体积随土层深度加深呈递减的趋势[19],深松可以促进作物根系特别是下层根系干物质密度的增加,增加根系纵深分布[17],并提高作物的根系活性。综合分析表明,在不同的深松深度中,深松40cm处理的棉花根长、根系体积和根系表面积值增长幅度最大。各个生育时期0～60cm土层没有深松的处理根系活力均低于深松处理,深松的3个处理根系活力基本表现为S40>S50>S30的规律。在根系活力与病情指数的回归分析中,在蕾期和花铃期其二项曲线回归系数都较大且达到极显著水平(P<0.01),在吐絮期达到显著水平(P<0.05),根系活力也对病情指数有极显著的影响,在根系活力对病情指数的影响中,根系活力相对应的深松处理S40能有效降低根腐病病情指数。

4、结论

深松对棉花根腐病的发生量具有较明显的抑制作用。与S30、S50相比,S40处理对根腐病具有明显的抑制作用。深松处理能够改善单铃重、单株结铃数,提高棉花产量。深松40cm时产量最高。深松处理有利于蓄水保墒,可提高深层土壤的水分利用率,能有效降低土壤容重,以S40处理保水性能最好。深松能使棉花根系长度、根系表面积和根系体积增加,使根系形态指标趋于合理,且各生育时期0～60cm土层没有深松的处理根系活力均低于深松处理。深松能降低棉花根腐病病情指数,且深松S40处理效果最好。

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基金:公益性行业(农业)科研专项(201503112);公益性行业(农业)科研专项(201503117);新疆维吾尔自治区天山英才人才培养项目;新疆维吾尔自治区基层骨干农牧人才培养项目