塔里木灌區膜下滴灌棉田土壤水分動態與耗水特性

吳 程，胡順軍，趙成義

(1.塔里木大學水利與建筑工程學院， 新疆 阿拉爾 843300； 2.中國科學院新疆生態與地理研究所 荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，烏魯木齊 830011)

農田土壤水分條件是作物生長和發育的重要因素，是土壤-植被-大氣連續體中水循環的關鍵因子，農田土壤水分的變化是降雨和灌溉、植物生長和發育、土壤特性和氣象因素等共同作用的結果，同時又決定了作物對土壤水分的吸收利用程度而影響作物產量[1-3]。農田土壤水分的研究對于作物需水耗水規律、地區水循環過程、農業水土資源的持續利用以及農業生產的持續發展有重大的理論和實踐意義[4-6]。

在塔里木灌區，棉花膜下滴灌技術由于提高地溫、減少棵間蒸發和深層滲漏等特點已得到普及[7]。孫林等[8]通過滴灌入滲飽和濕潤體形成、毛管擴散運移兩個過程，較好地模擬了膜下滴灌土壤水分運移過程；劉梅先等[9]通過田間試驗，研究了滴水量和滴水頻率對膜下滴灌棉田土壤水分分布的影響，結果表明總耗水量與降水和滴水量密切相關，而與滴水頻率無關。王小兵等[10]在膜下滴灌條件下研究相應的田間耗水強度變化過程。試驗結果表明,隨著灌水頻率的增大,棉花花鈴期耗水強度增大,產量提高。蘇里坦等[11]研究了不同膜下滴灌不同含水量棉花耗水特征，結果表明，分根交替膜下滴灌提高了棉花的水分利用效率。

本文根據膜下滴灌棉花0～120 cm土壤水分觀測資料，分析了膜下滴灌條件下棉花整個生育期的土壤水分動態及耗水規律，為塔里木灌區制定科學的灌溉模式，合理利用水資源提供科學依據。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2014年4-10月在新疆阿克蘇地區綠洲農田生態系統國家野外站膜下滴灌棉田進行，該站位于塔里木河三大源流(阿克蘇河、葉爾羌河和和田河)交匯點附近的平原荒漠綠洲區內，東經80°51′，北緯40°37′，海拔1 024 m。多年平均降雨量為45.7 mm，集中在6-8月，平均氣溫11.3 ℃，年日照時數2 950 h，無霜期207 d，年蒸發量2 110.5 mm。土壤為沙性壤土，土壤干密度1.43～1.53 g/cm3，田間持水量為0.28～0.32 m3/m3，飽和含水量為0.43～0.50 m3/m3。

1.2 試驗設計

種植棉花品種為“陸-63”，種植方式為一膜一管四行，平均裸地行寬58 cm，膜上棉花行距分別為18、50、18 cm，平均株距為10 cm。棉花種植時間為4月17日，灌溉方式為滴灌。整個生育期降水16次，降水量64.2 mm。整個生育期灌水6次，灌溉定額分為263.8 mm。 棉花播種后，在大田中央選取3處布置了3排土壤水分監測斷面，土壤水分監測點分別位于寬行、窄行膜間。棉花整個生育期共施灑尿素325 kg/hm2、磷酸二胺225 kg/hm2、硫酸鉀鎂肥225 kg/hm2。總灌水量為263.8 mm，其中灌水時間和灌水量分別為7月14日75.37 mm、7月22日62.81 mm、7月26日25.12 mm、8月6日37.69 mm、8月17日37.69 mm、8月23日25.12 mm(見圖1)。

圖1 中子管安裝示意圖Fig.1 The installation schematic of neutron tube

1.3 沿定指標與方法

(1)土壤含水量測定。采用CNC503B型中子儀對土壤含水量進行測定，中子管埋深為1.2 m左右，從播種當天開始監測土壤表面以下0～120 cm的土壤含水量，每隔20 cm為一層，每層讀數3次，讀數時間為16 s，取其平均值為觀測值。每隔7 d測定一次，灌水前后加測，直到棉花收獲停止監測。

(2)棉田耗水量的測定。棉田耗水根據水量平衡公式計算[12]:

ET=SWD+P+I+G-D-R

(1)

式中：ET為棉田耗水量，mm;P為降雨量，mm;I為灌水量，mm;D為土壤水分下滲量，mm;R為地表徑流量，mm;SWD為土壤水分消耗量，mm;G為土壤毛管上升水量，mm。

在生長季內沒有發現地表徑流，R=0;由于試驗地地下水位較深,G=0;膜下滴灌灌水量較小，D=0。

(3)灌水量及降雨量測定。通過水表對灌水量進行測定，降雨量取自于新疆阿克蘇農田生態系統國家野外科學觀測研究站。

(4)數據分析。采用Excel2003 和Spass軟件進行數據處理分析，用Surfer8.0軟件進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 棉花全生育期土壤水分的季節變化

將裸地、寬行、窄行各個深度觀測的土壤含水率的平均值作為膜下滴灌棉田的土壤含水率，圖2描述了棉花整個生育期地表以下0～120 cm土壤含水率的等值線圖。在4月份土壤各個層次的土壤含水率較大，表層(0～20 cm)土壤含水率在四五月份最高，在10月份達到最低，深層(100～120 cm)土壤含水率在四五月份最高，且整個生育期都保持一個較高的水平，但隨著時間的推移呈現一個下降的趨勢。

由于灌溉水入滲補給、降雨入滲補給和棉花蒸散發的共同影響，土壤水分的季節變化過程分為3個階段：第一階段為土壤水分穩定期，第二階段為土壤水分劇烈變化期，第三階段為土壤水分緩慢消耗期。在播種當天(4月18日)，由于灌水的影響，各個層次土壤含水率較大；棉花收獲時(10月31日)，各個層次土壤含水率為最低。4月中旬到7月中旬，棉花生長緩慢，表層土壤蒸發量小，土壤含水率變化較小，為土壤水分穩定期；從7月中旬到8月底棉花植株個體增大以及蒸散發加劇，表層與根系層土壤含水率變化劇烈，在此期間，由于灌水的影響，土壤含水率會出現相應地幅度的上升，為土壤水分劇烈變化期；從8月底到10月底，棉花生長緩慢，但是氣溫較高，棉田土壤含水率下降趨勢緩慢，為土壤水分緩慢消耗期。

圖2 棉花不同層次土壤水分等值線圖Fig.2 Soil moisture contour map of cotton different levels

2.2 不同生育期土壤水分剖面變化

圖3表示不同灌溉水源和灌溉方式下, 棉花各生育期土壤水分的垂直動態變化情況。從圖3中可以看出,棉花不用生育期不同層次的土壤含水率的變化來表示土壤水分動態的變化，其中各個生育期的含水率用其生育期內觀測值的平均值來表示，整個生育期的不同層次的土壤含水率垂直分布圖如圖3所示。

圖3 不同生育期水分特征Fig.3 Water characteristics of different growth stages

土壤水分在不同的層次具有不同的變化特征，從空間變化來看，在苗期到蕾期平均土壤含水率的高低排列順序為0～20 cm<20～40 cm<40～60 cm<60～80 cm<80～100 cm<100～120 cm。從蕾期到吐絮期為0～20 cm<20～40 cm<40～60 cm<60～80 cm<100～120 cm<80～100 cm，其中100～120 cm土壤水分的減少是由于棉花后期根系的伸長，下層水分向上運輸以滿足生長的需求。0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm土層土壤水分在整個生育期的減少量依次為12%、10%、11%、7%、4%、6%、說明土壤水分的減少量主要在0～60 cm,且表層土壤含水率和主要根層土壤含水率變化趨勢保持一致，這與根系主要分布在0～60 cm有關[13]。

通過變異系數來反映土壤水分的變化程度，變異系數大表示土壤水分變化劇烈，變異系數小表示變化程度弱。棉花整個生育期0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm土層土壤含水率的變異系數分別為0.16、0.12、0.12、0.07、0.04、0.06。由此可知，0～60 cm為次活躍層，60～120 cm為穩定層[14]。在活躍層，0～20 cm的土壤含水率變化最為劇烈，活躍層受降水和灌溉、棉花根系吸水以及土壤蒸發等因素的影響，含土壤水量變化較大；在穩定層，土壤水分的減少主要是因為根系長度超過60 cm以后，60～120 cm的土壤水分向根系運移。

2.3 灌水前后土壤含水率的變化

滴灌條件下灌溉水入滲特征用8月23日灌水前后(間隔24 h)0～120 cm土壤含水率變化來描述，灌水量為25.12 mm。從圖4可以看出，滴灌后，寬行與窄行表層含水率迅速提高，說明灌水量主要分布在0～40 cm土層內。且0～40 cm含水率分布為寬行>窄行>裸行，這主要是由于滴灌帶布設在寬行，寬行離滴頭最近，但是由于灌水時間較長，滴灌的水開始滲透，已經滲透到窄行處，寬行與窄行的土壤含水率相差不大。裸行由于天氣、灌水量和棵間蒸發的原因，0～20 cm含水率降低，20～40 cm土壤含水量有小幅度的增加。40～60 cm窄行土壤含水率沒有明顯的變化。寬行和裸地土壤含水率下降。說明滴灌條件下，灌溉水主要在緊靠滴頭的地方土壤含水量最高, 隨著離滴頭在各個方向上距離的增加, 土壤含水量逐漸減小[15]。

圖4 棉花不同行間水分入滲特征Fig.4 Water infiltration characteristics of different cotton lines

2.4 棉田耗水特性

棉花各生育階段耗水量的統計結果見表l,棉花苗期日均耗水量0.6 mm,蕾期日均耗水量2.6 mm,花鈴期耗水量最大,日均7 mm,吐絮期耗水量開始減少,日均0.7 mm。苗期由于植株較小，氣溫較低，加上地膜覆蓋，日耗水強度最低；蕾期，棉花進人營養和生殖生長并進階段，植株日益長大，氣溫持續上升，導致棉田日耗水強度迅速增加；花鈴期, 氣溫進一步升高, 植株生長進入旺期, 日耗水強度達到最大；吐絮期，葉片脫落以及溫度的降低使棉田日耗水量不斷減小。

表1 棉花耗水特征Tab.1 Water consumption characteristics of cotton

3 結 語

(1)按照土壤水分變化的程度將棉花的生育期分為3個時期，4月中旬到7月中旬為土壤水分穩定期，7月中旬到8月底為土壤水分劇烈變化期，8月底到10月底為緩慢消耗期。

(2)膜下滴灌棉田土壤水分的垂直變化可分為0～20 cm活躍層，20～60 cm次活躍層，60～120 cm穩定層。

(3)由于灌水的影響，0～40 cm含水量迅速提高，40～60 cm相對較小，說明灌溉水的入滲深度主要分布在0～40 cm。

(4)膜下滴灌棉田棉花苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期的耗水量分別為30.7、91.6、357.4、43.7 mm，耗水強度分別為0.63、2.62、7.01、0.71 mm/d。

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