棉花節水灌溉氣象等級指標

肖晶晶，霍治國 ，姚益平，張 蕾，李 娜，柏秦鳳，溫泉沛

(1.中國氣象科學研究院，北京 100081;2.浙江省氣候中心，杭州 310017;3.山西省氣象決策服務中心，太原 030006;4.陜西省經濟作物氣象服務臺，西安 710000;5.武漢區域氣候中心，武漢 430074)

節水農業因具有顯著的節水、保質、穩產效應而成為緩解我國水資源日趨緊張狀況、促進國民經濟穩定發展的重大戰略措施，同時也是建設現代農業的需求，成為未來農業發展的方向［1］。節水灌溉是實施節水農業的主體，其關鍵問題為如何提高水分利用率，即探尋適宜時間、適宜灌水量的節水灌溉指標問題。近30年的節水灌溉理論研究認為作物具有一定“補償效應”或超補償效應，在干旱條件下作物通過調節同化物再分配、氣孔開度和根冠比來趨利避害［2-4］，以非充分灌溉、調虧灌溉、控制性交替灌溉和局部灌溉技術為代表［4-7］;其指標構建以土壤-植物-大氣連續體(Soil-Plant-Atmosphere Continuum，簡稱SPAC)中的水分運移機理為基礎，主要包括土壤水分指標、植物生理指標、綜合效應評價指標等［8-10］。然而，現有的節水灌溉指標主要針對作物全生育期開展，一般通過田間試驗得到，局地性較強［11-12］。研究表明，不同時期、不同程度的水分虧缺對作物生理影響程度不同，不同水分處理下的增產效果也不相同［13-14］。該類指標不僅應用推廣難度較大，且難以與實時降水監測、未來降水預報進行耦合集成應用。因此，分發育期構建普適的作物節水灌溉指標成為農業節水研究熱點。

棉花是重要的工業原料，其種植面積居我國經濟作物之首。近年來我國棉區北遷西移，長江流域棉區和華南棉區種植面積大幅減少，黃河流域棉區和西北內陸棉區占全國棉花種植面積的70%以上［15］。華北和西北為我國重旱區，西北內陸地區干旱尤為嚴重，棉花水分虧缺量達400—500mm［16］，基本為灌溉農業。其他棉區由于降水與作物耗水時空不匹配，干旱時有發生，如長江中下游的夏季伏旱成為該棉區減產的主要因素之一。20世紀90年代以來，干旱發生的頻率、強度都有增大的趨勢［17］，1992、2001年我國華北、西南棉花分別因旱減產27.6%和19.9%［18］。隨著水資源日益緊缺和工農業用水矛盾加劇，水資源緊缺問題日益凸顯。同時，由于灌溉時間、灌溉量不當，目前我國農田灌溉水利用率系數僅為0.5，遠不及發達國家的0.7—0.8［19］。因此構建棉花節水灌溉氣象等級指標，對于節約農業用水、提高農田水分利用率，實現農業穩產、高產、可持續發展具有積極意義。研究棉花分發育期的節水灌溉氣象等級指標，可為通過對棉花不同發育階段的需水規律及其當前時段作物水分虧缺率、虧缺量等的實時分析，結合未來3d的降水定量預報，進行區域節水灌溉氣象等級預報，開展實時、有針對性地棉花節水灌溉氣象服務提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象資料、土壤濕度資料和作物發育期資料取自國家氣象信息中心，氣象資料包括347個站點1961—2008年逐日的氣壓(hPa)、降水量(mm)、最高溫度(℃)、最低溫度(℃)、水汽壓(hPa)、風速(m/s)、日照時數(h)等，個別資料缺失值采用多年平均值代替。土壤濕度資料為89個農業氣象觀測站1993—2008年(其中26個站為1980—2008年)的逐旬土壤相對濕度、土壤水分常數等。作物發育期資料取自各地農業氣象觀測站，產量資料來自各地的統計年鑒。

1.2 研究方法

論文立足當前棉花大田生產水平和農田管理水平，基于農田水分平衡原理和節水灌溉理論，依據節水灌溉基本原則［20］，結合棉花不同發育階段的需水規律和水分敏感系數［21-22］，耦合地面氣象觀測、農業氣象觀測、作物產量等多元信息資料，分析氣象條件對棉花不同發育階段水分虧缺率及其對減產率影響的量化關系，篩選導致棉花不同減產程度的水分虧缺臨界指標、變化范圍，構建棉花節水灌溉氣象等級指標。

1.2.1 棉花需水量

作物生育期需水量是指在正常生育狀況和最佳水、肥水平下，作物完成正常生長發育，獲得高產時的植株蒸散、棵間蒸發以及構成植株體的水分之和。由于構成植株體的水量和棵間蒸發量很小，實際計算時取作物需水量在數量上等同于高產水平下的植株蒸騰量和棵間蒸發量之和，計算公式為:

式中，Ei為棉花逐日需水量(mm);ki為對應作物系數;ETOi為逐日可能作物蒸散量(mm)，采用FAO-56推薦的Penman-Monteith公式求得，具體計算過程見文獻［23］;n為棉花全生育期總日數。取FAO-56推薦系數值如表 1［24］。

表1 棉花發育期作物系數(FAO-56)Table 1 Crop coefficient of different developmental stages of cotton(FAO-56)

1.2.2 農田自然供水量

農田自然供水量(W)包括土壤有效底墑量、有效降水量和地下水供給量，計算公式為:

式中，W1為土壤有效底墑量(mm);W2為有效降水量(mm);W3為地下水供給量(mm)。土壤有效底墑指作物根系層內在凋萎濕度以上的土壤水，計算公式為:

式中，We為土壤有效底墑(mm);0.1為單位換算系數;h為土層深度(cm);ρ為土壤容重(g/cm3);r為土壤濕度，rw為凋萎濕度，二者均用土壤濕度重量百分率表示，取其分子。有效降水計算公式為:

式中，P為實際降水量(mm);V為作物截留量(mm);Q為徑流量(mm);F為深層滲透量(mm)。由于棉花根系較深，生育期較長，本文取降水量即為有效降水量。在干旱年份，地下水一般不能為作物所用或者利用量極少，在本文不作考慮。

1.2.3 農田灌溉量

農田灌溉量指單位時間灌溉到農田的實際水量。單位時間累積灌溉量為全部灌溉量之和:

式中，GL為累積灌溉量(mm);Gk為第k次的灌溉量(m3/hm2);t為灌溉總次數;0.1為單位換算系數;如灌溉量單位為m3/666.7m2，則單位換算系數為1.5。灌溉次數及其灌溉量可根據實際生產中的具體情況確定，一次灌溉量可采用等量或不等量。

1.2.4 發育期水分盈虧率/量

發育期的水分盈虧量/率是表征作物某發育期的水分盈虧狀況，計算公式如下:

式中，Dz/D為作物某發育期的農田水分盈虧量/率 (mm/%)。當Dz/D＞0時，農田水分盈余，稱為農田水分盈余量/率;當Dz/D＜0時，農田水分虧缺，稱為農田水分虧缺量/率。W01為時段始第1天的土壤有效底墑量(mm)。P為時段內的日降水量(mm)。E為時段內的作物日需水量(mm)。j為時段日數序號，j=1，2，…，m，m為時段日數。

1.3 產量分解模型

作物最終產量的形成受多種因子影響，因子間的相關機制也很復雜，綜合起來，可以把這些因子可以分為氣象因子、農技措施和隨機“噪音”三大類［25］，分別對應氣象產量、趨勢產量和噪音產量。其一般通式為:

式中，y為作物實際產量;yt為趨勢產量，yw為氣象產量;Δy“噪音”項所占比例很小，不予考慮。因此 (10)式或簡化為:

趨勢產量采用滑動平均模擬方法得到，定義當年棉花實際產量低于對應年趨勢產量的百分率為當年棉花的減產率，計算公式為:

1.4 水分虧缺率與減產率理論關系式的引入

水分虧缺率是指作物某生育期內水分供給量低于其理論需水量的百分比，表明作物全生育期內水分的虧缺程度。減產率是指作物實際產量與作物理論產量的差與理論產量的比值。FAO-1979年提出作物產量與水分應該有如下關系［26］:

式(14)左邊為減產率，右邊為水分缺水率與0.85的乘積，理論上一定范圍內可以認為二者近似存在上式關系。

1.5 樣本站點選擇

選取研究站點時遵循以下幾點原則:①選取發生干旱、減產的年份，且減產率不少于3%［28］;②選取灌溉能力有限的區域。灌溉能力強的區域，作物減產往往是由于病蟲害、田間管理、其他氣象災害等多方面因素造成，干旱不是主要的減產因素;③選取灌溉能力強、干旱嚴重、有灌溉記錄的地區年份進行指標驗證。

2 結果與分析

將各地區的氣象資料、土壤水分資料和產量資料代入(1)—(14)式，可以得到不同水分虧缺率下對應的減產率。按照自然災害等級劃分方法［29］，以減產率5%、10%和20%為界限點分析減產率與水分虧缺率、水分虧缺量的對應關系，構建棉花節水灌溉氣象等級指標。

囿于篇幅，論文以棉花全生育期的指標構建為例，給出棉花節水灌溉氣象等級指標的構建方法和驗證情況。其他發育期節水灌溉氣象等級指標構建方法及驗證與此方法相同。

2.1 棉花全生育期節水灌溉氣象等級指標的構建

2.1.1 棉花水分虧缺率等級指標

基于全國棉花產區逐站、逐年的水分虧缺率、減產率計算結果，篩選由干旱導致棉花減產且灌溉能力有限的站點和年份，表2按照不同減產率等級給出了不同站點、不同年份棉花全生育期水分虧缺率與減產率的對應情況。

表2 棉花全生育期水分虧缺率與減產率的對應關系Table 2 The relationship between the moisture deficiency rates and yield reduction rates of the whole growth stage of cotton

Jensen模型研究表明，棉花前期產量-水分敏感指數較小，上升緩慢，且發育期復水后對補償效應顯著，因此一定程度的干旱并不直接影響作物籽粒形成;后期進入營養生長期和生殖生長期，產量-水分敏感指數上升較快，且復水補償效應較小，因此隨著干旱加劇，減產明顯［30］。由表2可以看出，減產率＞20%、10%—20%和5%—10%對應樣本水分虧缺率(D)的平均值分別為50.36%、38.76%和29.31%。將表2用圖形表示(圖略)，可以看出樣本點的減產率與水分虧缺呈現出明顯的直線關系(R2=0.75)，與前人研究成果相符［31］。虧缺灌溉試驗表明，85%虧缺情況下，棉花產量與常年持平(產量波動在±5%以內)，即水分虧缺超過15%時可能出現減產(產量波動超過5%);虧缺70%、55%處理下呈現的旱情隨發育期變化，在需水關鍵期出現明顯的中旱和重旱［31］。表2中落在D≥45%、30%—45%和15%—30%區間內的樣本分別占3個減產率區間內所有樣本的83.33%、77.78%和 33.33%，落在對應 D 區間±2.5%所占比率分別達 83.33%、88.89%、66.67%(表3)，96.00%的樣本D≥15%時減產率≥5%，與虧缺灌溉試驗結論相符。表明在實際生產中棉花全生育期水分虧缺率≥15%可以作為棉花減產的臨界指標。

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表3 棉花全生育期水分虧缺率等級指標的回代驗證情況Table 3 The validation of moisture deficiency rates'grading indexes of the whole growth stage of cotton

按表3給出的棉花水分虧缺率等級區間，對全部站點、區間站點分別計算不同等級區間的水分虧缺率、減產率平均值，并進行直線擬合;比較擬合直線與0.85理論線的平行關系，全部站點、區間站點的擬合直線斜率分別為1.1和0.92，區間站點較全部站點更與理論值接近，但有一定的偏差，這可能是棉花品種抗旱性提高有關。綜上，可將指標的閾值分別設定于15%、30%和45%。

2.1.2 水分虧缺量等級指標

棉花耗水較多，耗水系數一般為1300—2000，且隨著產量的提高而降低［32］。不同發育期缺水敏感系數不同，水分虧缺對作物生長發育與產量的影響不同。產量-水分函數研究表明作物產量與耗水量呈現出較好的曲線函數關系，即一定程度的水分虧缺量對產量影響并不明顯［27，30］。試驗表明干旱狀態下，一定范圍內隨著供水量的增加，棉花產量與耗水量呈現出較好的線性關系，但當供水超過一定限度時，增產不明顯，甚至減產［31，33］。

圖1 棉花生育期水分虧缺率-灌溉次數/減產率對應關系Fig.1 The relationship of the moisture deficiency rates with irrigation times，and product deficiency rates of cotton's whole growth stage

由于灌溉定額與當地的土壤類型、水文情況等密切相關，棉花在各地的灌溉制度差異較大。以新疆為例，吐魯番地區一次灌水120mm;阿克蘇地區一次灌水80—250mm(新疆農氣觀測報表)。考慮到棉花種植區的灌溉特征，且既得資料大部分只記錄灌溉次數，因此本文采用灌水次數來反映其水分虧缺等級，如圖1。圖1中4水下(27個樣本)對應未灌溉的D平均值、最大值和最小值為 65.78%、84.94%和 48.88%，灌溉后減產率平均值、最大、最小值分別為 0.29%、27.20%和－27.21%，其中9.52%的樣本減產率超過10%，74.07%的樣本減產率＜5%，增產超過5%的樣本占28.57%;5水下(20個樣本)對應未灌溉的D平均值、最大值和最小值為 70.46%、82.33%和 45.52%，灌溉后減產率平均值、最大、最小值分別為3.82%、16.63%和－4.92%，其中15%的樣本減產率超過10%，55%的樣本減產率＜5%，沒有增產超過5%的樣本;綜上表明5水并不比4水增產明顯，即出現了多灌的情況。≥2水時，除一個年份點水分虧缺率小于30%以外，其他年份點水分虧缺率均大于30%。因此將2水和4水定為指標閾值，即棉花全生育期水分虧缺量節水灌溉氣象等級指標為1—2水、2—4水和≥4水。圖1中1—2水、2—4水和＞4水未灌溉時水分虧缺率(D)平均值分別為37.81%、60.96%和73.92%(表4)。根據上文分析結果，1—2水、2—4水時D平均值分別為Ⅱ、Ⅲ級標準，灌溉不合理造成減產超過5%的比例占14.29%和32.07%，具體如表4。

表4 棉花生育期灌溉次數與水分虧缺率、產量的統計分析Table 4 The Statistical Analysis of the moisture deficiency rates，irrigation times，and product deficiency rates of cotton's whole growth stage

2.1.3 基于實際灌溉的間接驗證

為了驗證上文得到指標的可行性，選取灌溉條件好、有灌溉記載的地區的獨立樣本，通過計算無灌溉時的棉花生育期水分虧缺率和水分虧缺量、統計對應年份的實際灌溉量與減產率樣本(表5，圖2)，進行實際生產驗證。

表5 棉花全生育期水分虧缺率/量與實際灌溉量、減產率的驗證樣本Table5 The validation of the whole growth stage of cotton of the moisture deficiency rates/the quantity of water deficit，irrigation and yield reduction rates

續表

由表5可以看出，無灌溉的情況下水分虧缺率在46.63%—87.44%，幾乎所有年份都處于重旱狀況。按照上文得到的指標，Ⅲ級指標(D)區間的吻合率為77.27%(灌≥4水)。在完全落在Ⅲ級指標區間的44個樣本中，灌溉后增產的有16個，減產在5%以下有8個，減產在5%以上有7個。其中灌3水的9個樣本1次灌水量為100—185mm，灌溉量基本滿足作物水分虧缺量，除巴里坤2000年減產率超過10%以外，其余樣本減產率均＜10%，其中增產的有3個。落在灌4—5水的25個樣本中，增產的有10個，且以灌4—5水增產幅度最大，減產在5%以下有7個，減產在5%以上有10個，其中超過10%的有2個;落在灌6—7水的8個樣本中，增產的有2個，減產在5%以下有1個，減產在5%以上有5個。比較超額灌溉年份的減產率和適量灌溉年的減產率，發現超額灌溉年份并沒有隨著灌溉量的增加而出現較大幅度的增產，表明節水灌溉是十分必要的，統計結果見表6。

圖2 棉花水分虧缺量/灌溉量與減產率對應關系Fig.2 The corresponding relationship of water deficit volume/irrigation volume and production rate of cotton

表6樣本水分虧缺率均＞45%，灌溉量≥250mm。由于新疆地區灌溉制度不一，取平均值120mm作為灌溉1水參考值。由圖2可以看出，灌溉后的棉花大多增產或減產率分布在5%以下，其中灌溉后增產的年份占所有年份的52.27%，減產率±5%的年份占所有年份的36.36%，表明通過灌溉可以實現穩產增產。圖中45°虛線表示水分虧缺量和灌水量完全相等時的線，虛線表示灌水偏差在1水范圍，超過85%的點落在虛線范圍內。45°線之下點為灌溉量大于水分虧缺量的年份，表明在生產中節水的空間仍然較大，如新疆阿克蘇2007年，灌溉1020mm，遠遠大于其水分虧缺量703.30mm，產量為平產年，并沒有因為灌水增多而明顯增產。45°線之上的點為灌溉量小于水分虧缺量的年份，表明該地區灌溉條件改善空間較大。

表6 基于實際灌溉的棉花水分虧缺率等級指標的回代驗證情況Table 6 The validation of the moisture deficiency rates'grading indexes of cotton basing on irrigation

綜合實際灌溉樣本完全落在指標區間的吻合率、完全落在指標區間樣本實際灌水后棉花增產或減產在5%以下、以及超量灌水導致大部樣本減產5%以上的驗證結果，表明論文構建的棉花水分虧缺率等級指標是合理的、可行的。

2.2 棉花節水灌溉氣象等級指標與分析

通過分析棉花全發育期的水分虧缺率、水分虧缺量與減產率的關系，構建了棉花節水灌溉Ⅰ—Ⅲ級等級指標，從理論和實際生產角度進行驗證。引入FAO-1979產量-水分函數從理論上初步證明的指標的可行性;利用大田生產樣本站點，從實際生產上驗證指標的適用性。

采用同樣的方法進行棉花播種-現蕾、現蕾-開花期和開花-吐絮期節水灌溉氣象等級指標的構建，結果見如表7。

表7 棉花節水灌溉氣象等級指標Table 7 Studying on Meteorology Index of Water-Saving Irrigation Levels of cotton

表7中全生育期與不同生育期的指標并不完全一致，這主要是由于不同發育階段的水分虧缺敏感指數、需水量、“補償和超補償效應”不同造成的［34-35］。棉花蕾期前為營養生長階段，該階段地上部的莖葉生長緩慢，地下部的根系生長迅速，可以較好地利用地下水，且該發育階段具有較強的補償效應。另外，苗期的水分敏感系數較小，當水分虧缺率較小時，對產量的影響并不明顯［30］。研究表明，苗期適量的干旱有利于棉花根系深扎，利于后期水肥的吸收［36］。因此該發育階段水分虧缺率指標值較其他發育期略大。現蕾-開花期Ⅲ級指標下限要低于其他發育期，是由于該發育階段為棉花的生殖生長期，水分敏感系數和需水量較高的緣故。開花-吐絮期包括花鈴期和吐絮期，前期水肥需求較大，后期營養生長逐步趨于停止，因此Ⅲ級下限指標值并不比苗期低。全生育期綜合了各發育期的水分敏感系數、補償效應等因素，因此Ⅰ級上、下限較分發育期略低、Ⅱ級上限與Ⅲ級下限與現蕾－開花相同。

3 結論與討論

(1)節水灌溉已成為農業可持續發展的方向，是我國農業現代化的必然選擇［1］。節水灌溉不同于以往的“豐水灌溉”，是為了保證水資源的持續利用和農業的可持續發展。節水灌溉從注重工程建設轉移到實現水資源優化配置來滿足社會可持續發展的全面要求，體現了現代水利發展的方向，是節水灌溉發展的基礎［37］。水分虧缺補償、超補償效應與作物水分生產函數研究表明，發展農業節水是緩解水分供求矛盾、建設高效農業需要。當前，水分不足已成為影響我國農業發展的瓶頸問題。未來氣候變化與作物需水量的關系研究顯示，當溫度上升1—4℃時，我國華北地區棉花生長期內需水量將增加1.7%—18.3%［38］。而節水灌溉試驗在高產(增產)前提下，棉花節水灌溉可以使需水量減少30%［39］，棉花在輕度干旱比頻灌時產量要高，適當發育期適當的水分虧缺，不僅不影響產量，而且還能提高水分利用率［40-41］。

(2)論文從實際生產角度出發，耦合氣象、土壤、產量等多元信息資料首次構建了適用于大田生產的棉花不同發育期和全生育期節水灌溉氣象Ⅰ—Ⅲ級等級指標。論文得到的棉花產量與水分在干旱情況下的線性關系與俞希根等結論一致，指標初始閾值與本文結論相同［31］。指標體系以節水灌溉理論為基礎，結合FAO-1979產量|水分函數和大田實際水分虧缺率、水分虧缺量、灌溉量與減產率的對應關系，從理論和實際生產證明了指標的適用性。指標構建和驗證資料分別利用了不同地區的獨立樣本。利用無灌溉或少量灌溉地區的水分虧缺率、水分虧缺量與減產率之間的關系構建指標臨界閾值;利用灌溉能力強的地區無灌溉時的水分虧缺率、水分虧缺量、灌溉量和灌溉后的減產率的對應關系進行二次驗證。指標構建和驗證資料相互獨立、互相印證。

(3)指標體系綜合考慮地區間氣候、土壤、水分等差異，通過農田實時分析與未來定量預報相結合，實現分時段和滾動干旱監測、預警和響應，為開展實時、有針對性的棉花節水灌溉氣象服務提供科學依據。根據論文結論，結合當前發育期前期的土壤水分、當前時段的作物耗水量、降水可以實現作物不同發育期時段的干旱監測;利用本文指標體系，考慮當前發育期土壤水分、根據FAO-56公式估算出下階段作物耗水量，耦合天氣預報情報，可以實現對下一階段的干旱情況的預警和響應。

囿于資料可獲取等限制，論文未考慮不同地區、作物品種、生長狀況等差異，統一采用FAO-56推薦作物系數計算作物耗水量;論文取正常情況下的根系發育狀況，未考慮土壤類型、降水、田間管理等因素對根系的影響［36，41］，并據此計算土壤有效底墑;有效降水本文取降水量［42］。FAO-1979產量-水分函數中產量為最高產量，論文取干旱年份下的趨勢產量。此外，有關結合當地實際灌溉能力和指標細化等問題有待下一步研究。

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