膜下滴灌條件下棉花年際需水量變化試驗分析

翟 超，周和平，謝富明，趙 健

(1.新疆維吾爾自治區水利管理總站， 新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆灌溉中心試驗站， 新疆 烏魯木齊 830000)

膜下滴灌技術在新疆發展迅速，新疆統計局數據顯示[1]，膜下滴灌面積從2002年12萬hm2擴大到2012年的200萬hm2，新疆棉花種植面積從2002年94萬hm2增加到2012年的164.67萬hm2。準噶爾盆地南緣區是北疆地區棉花主要產區，占全疆棉花產量的35%左右。氣溫對棉花生長影響較大，近50年的溫度升高是過去100年的2倍[2]。近年西北干旱區氣溫上升幅度為0.33℃·10a-1，其中北疆增溫幅度大于其它地區[3]。已有研究表明[4]作物生長及農業生產受氣候變化影響導致作物耗水變化，加上氣候變異帶來的降水波動，引起灌溉需水量的變化。目前針對氣候變化對作物需水量影響研究方法有兩種，一是通過收集歷史氣象資料，分析歷年影響作物需水量變化的主要氣象因素以及多年需水量變化趨勢[5-8]；另一種是將歷史氣象資料與模型相結合，預測未來年份作物需水量變化趨勢[9-13]，兩種方法均采用FAO56-PM法計算作物灌溉需水量。然而，新疆棉花膜下滴灌需水規律研究大部分集中在2000年左右[14-17]。近15年間氣象環境也發生變化，但近期關于膜下滴灌棉花不同年際間需水規律和相關生理指標及特征研究較少。本文通過2013—2015年灌溉試驗研究，利用氣象資料、實測作物需水量、作物產量和生理特征數據，研究準噶爾盆地南緣區棉花生育期灌溉需水量變化、主要氣象影響因素及其規律，作物產量、水分生產率、生理特征與灌水量的關系，為灌區合理配置灌溉用水、提高水分利用效率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

研究區位于新疆灌溉中心試驗站，地處昌吉市濱湖鎮13戶村(87°18′E，44°01′N)，平均海拔600 m。該區處于天山北坡沖積、洪積平原南緣，屬天山北坡帶頭屯河流域，年均降水181.7 mm、年蒸發1 739.1 mm、日照時數7.8 h，年均氣溫13.1℃，≥0℃積溫3 834.3℃以上，屬典型內陸干旱性氣候。研究區地下水埋深2.5～4.5 m，棕漠土類土壤質地為中—輕壤，0～120 cm土層土壤干容重1.46～1.65 g·cm-3，耕作層1.50～1.60 g·cm-3，0～120 cm土層田間持水量(干土重)18.8%～23.9%，耕作層20.1%～23.4%；地表與地下水礦化度3～4 g·L-1，按等級劃分屬弱咸水，土壤全鹽小于0.2%，無鹽漬化；耕作層土壤有機質1.59%，肥力屬中偏下水平，土壤有效氮90.84 mg·kg-1，有效磷41.63 mg·kg-1，有效鉀421.2 mg·kg-1。研究區建有2組地下廊道防雨棚式測坑設施，其中1組具有土壤水分、溫度、鹽分自動采集，適應不同灌溉試驗設計需要的自動化設施。測坑設施總面積604 m2，每組測坑面積301.54 m2(長32.25 m，寬9.35 m)，試驗處理小區24個，以廊道為中心，兩側分布12個(長×寬，3.333 m×2 m，面積6.67 m2)試驗處理小區，2組測坑共計48個試驗處理小區。

1.2 試驗設計

供試品種為當地廣泛種植的T10。于2013年4月24日播種，9月26日收獲；2014年4月29日播種，9月18日收獲。2015年4月22日播種，9月18日收獲；按照當地種植方式布置，一膜兩管四行，膜寬125 cm，株距10 cm、行距12 cm。采用迷宮式滴灌帶，滴頭間距20 cm，設計滴頭流量為2.4×10-3m3·h-1，用水表控制灌水量。灌水周期、次數、施肥及病蟲害防治均按當地農業種植管理方式，灌水周期為10 d一次，關鍵生育期5 d一次，2013年灌水11次，2014、2015年灌水12次。試驗設計按《灌溉試驗規范》(SL13-2004)，采用灌水定額單因素試驗，作物全生育期設置4個處理水平，重復3次(表1)。

表1 灌溉試驗方案

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分測定 采用TRIME水分儀分別在播種前、收獲后、灌水前，灌水后按20 cm分層測定0～120 cm土壤含水率。耗水量按照水量平衡公式計算：

ET=P+W+K-C-ΔS

(1)

式中，P為有效降雨量(mm)；W為灌水量(mm)；K為地下水補給量(mm)；C為深層滲漏量(mm)；ΔS為土壤儲水量的變化量(mm)。試驗區為有底測坑和防雨棚條件，P=K=0，同時由于是滴灌，屬于淺層局部濕潤灌溉，深層滲漏量C可以忽略不計。故上式(1)可以寫成：

ET=W-ΔS

(2)

本文有效降雨的計算采用美國農業部土壤保持局推薦的有效降水量分析方法[18-20]：

(3)

式中，Pe為有效降水量(mm·d-1)；P為總降水量(mm·d-1)。

1.3.2 作物系數的計算 作物系數(Kc)是計算作物需水量的重要參數，其計算公式可用實測作物蒸騰量(ET)與同時間段內參考作物蒸騰量(ET0)的比值表示。

Kc=(ET)/(ET0)

(4)

1.3.3 水分利用效率的計算 水分利用效率計算公式為[21]

WUE=Ya/ETa

(5)

式中，WUE為水分利用效率(kg·m-3)；Ya為皮棉產量(kg·hm-2)；ETa為生育期間實際耗水量(mm)。

1.3.4 產量測定與考種 棉花成熟后進行田間調查統計，各試驗處理小區選擇5個面積為1 m2的區域考種，收花2～3次，并用小型軋花機脫籽。

1.3.5 生育期動態記載及數據處理 采用直尺測量生育期株高、葉面積，采用SPAD-502Plus便攜式葉綠素儀測定葉綠素相對值，采用Excel 2007和SPSS 19.0軟件進行數據處理分析。

2 結果與分析

2.1 膜下滴灌棉花生育期耗水規律

由表2不同試驗處理棉花生育期耗水分析可知，總耗水量隨灌水量增加而顯著增大，各年份T4處理比T3、T2和T1處理分別高15.04%～13.00%、28.52%～27.24%和43.27%～37.40%，T3處理比T2和T1分別高17.48%～14.36%和34.14%～26.32%，T2處理比T1高20.64%～13.96%。

棉花生育期內耗水量隨灌水量增加而增大，在出苗～現蕾、現蕾～開花、開花～吐絮階段差異顯著。出苗～現蕾階段各年份T4處理耗水量比T3、T2和T1處理分別高25.07%～9.95%、34.61%～32.22%和56.38%～41.07%，T3處理比T2和T1處理分別高27.39%～10.76%和41.79%～28.53%，T2處理比T1處理高34.77%～9.88%。現蕾～開花階段各年份T4處理耗水量比T3、T2和T1處理分別高11.15%～11.12%、26.73%～20.57%和42.80%～34.09%，T3處理比T2和T1處理分別高17.53%～10.70%和35.64%～25.89%，T2處理比T1處理高22.89%～12.03%。開花～吐絮階段各年份T4處理階段耗水量比T3、T2和T1處理分別高14.55%～14.50%、30.39%～25.19%和44.74%～32.84%，T3處理比T2和T1處理分別高18.53%～12.50%和35.33%～21.44%，T2處理比T1處理高20.62%～10.22%。

各處理生育期內耗水模數變化規律為：播種～出苗階段耗水模數為1.70%～3.68%，出苗～現蕾階段為13.22%～31.38%，現蕾～開花階段為18.84%～32.47%，開花～吐絮階段達最大值25.26%～34.60%，吐絮～收花階段為14.56%～22.17%。各處理播種～出苗階段耗水強度最小為0.86～1.88 mm·d-1；出苗～現蕾階段耗水強度為1.04～3.25 mm·d-1，現蕾～開花階段氣溫升高，植株生長旺盛，耗水強度為3.59～6.37 mm·d-1，開花～吐絮階段，是營養和生殖生長并進期，耗水強度達最大為2.51～6.86 mm·d-1，吐絮～收花階段，植株葉片逐漸凋零，耗水強度下降為1.87～4.69 mm·d-1，全生育期棉花平均日耗水強度變化范圍為3.05～3.55 mm·d-1。

以上分析看出，棉花生育期總耗水量隨灌水量增加而顯著增大；不同處理在出苗～現蕾、現蕾～開花、開花～吐絮階段耗水量差異顯著，這是由于不同灌溉處理下總耗水量存在差異，且在開花～吐絮階段不同灌溉處理間差異最大，說明這一時期棉花對水分需求最大。

2.2 氣象因素變化規律

由表3可知，氣象因素中平均溫度、有效降雨、太陽輻射、相對濕度呈逐年增長趨勢，2015年平均溫度比前兩年高7.3%～17.0%，有效降雨高2.5%～22.8%，太陽輻射高1.57%～12.1%，相對濕度高15.0%～23.5%。平均溫度和太陽輻射的峰值出現在現蕾～開花階段，有效降雨和相對濕度的峰值出現在吐絮～收花階段，風速的峰值出現在播種～出苗階段。

2.3 氣象因素對棉花生育期需水量的影響

為分析氣象因素對棉花需水量的影響，采用Pearson相關分析法，對2013—2015年氣象要素與棉花生育期需水量進行相關分析，由表4結果看出，不同氣象要素與各生育期需水量的相關關系不同，太陽輻射、風速在播種～出苗、吐絮～收花階段與需水量呈正相關關系，相對濕度在出苗～現蕾階段與需水量呈負相關，平均溫度在現蕾～開花、開花～吐絮階段與需水量呈正相關，相關性顯著(P≤0.05)。由于處理在雨棚下試驗，有效降雨因素影響不顯著。為深入研究影響需水量變化的主要氣象因素，采用線性逐步回歸的方法分析了氣象因素變化與棉花需水量之間的關系，其中平均溫度的變化對其影響最為突出，線性回歸方程的決定系數均達到0.74。

2.4 作物系數分析

三年間棉花各處理作物系數的變化規律見表5，年際作物系數隨灌水定額增加而增大，其值在0.56～1.08之間變化，各生育階段作物系數變化為：播種～出苗階段作物系數0.23～0.50，出苗～現蕾階段作物系數0.25～0.76，現蕾～開花階段作物系數0.78～1.33，開花～吐絮階段作物系數在0.72～1.64，吐絮～收花階段作物系數0.62～1.19。綜合分析表明，三年間作物系數開花～吐絮階段最大，其值為1.13，播種～出苗作物系數最小，其值為0.31。

表2 2013—2015年不同處理棉花耗水規律

注：不同小寫字母表示同一時期不同灌溉處理差異顯著(P≤0.05)。下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among different treatments in the same stage. The same as below.

表3 2013—2015年棉花不同生育期氣象要素變化

表4 棉花不同生育階段灌溉需水量與氣象要素的相關系數

注：*為0.05水平(雙側)上顯著相關。 Note: Significant correlation at theP<0.05 level (bilateral).

表5 2013—2015年不同處理條件下棉花各生育階段作物系數

由圖1可知，生育期內作物系數呈單峰變化，不同年份峰值出現時期不同，2013、2014年峰值出現在開花～吐絮階段，2015年峰值出現在現蕾～開花階段。通過分析氣象數據可知，2015年現蕾～開花階段最高氣溫達45.2℃，受氣溫影響，此階段棉花參考作物蒸騰量與實際耗水量相關性較大，同時該階段耗水量分別比2013、2014年同期高37.93%、15.01%，耗水強度也高于其它年份。受灌水量影響，T4的實際蒸發蒸騰量高于其它處理，在全生育期內，相應階段的作物系數也高于其它處理。

2.5 生理指標分析

表6為各處理棉花株高、葉面積指數和葉綠素測定結果，各處理苗期～花鈴期，株高與葉面積指數隨灌水量增大而增加，吐絮期略有降低，隨后保持平穩，全生育期呈單峰變化，峰值出現在花鈴期。葉綠素峰值出現在蕾期，此時是棉花營養生長最旺盛時期。T3處理葉面積指數高于其它處理，較高葉面積指數提高了棉花光合作用，有利于生殖生長階段有機物的積累。

2.6 水分生產率分析

表7為2013—2015年灌水量與產量、水分利用率分析結果，可以看出，不同灌水量處理棉花產量差異較顯著。三年最高產量對應灌水定額均為450 m3·hm-2，最低產量灌水定額為300 m3·hm-2，T3處理比T4、T2和T1處理產量分別高6.18%～1.82%、11.38%～9.67%和25.92%～11.39%。各處理產量與生育期灌水量呈二次曲線關系，隨灌水量的增加產量先增后減，經優化分析棉花生育期灌水量496～605 m3·hm-2，產量可達2 280～2 400 kg·hm-2。水分生產率隨灌水量增加而降低，變幅0.65～0.34 kg·m-3之間。

圖1 不同處理條件下棉花各生育期作物系數

表7 2013—2015年不同處理下棉花灌水量、耗水量、產量和水分生產率

3 結 論

1) 棉花全生育期總耗水量隨灌水量增加而增大，不同年份各試驗處理間耗水量變化較大；生育階段耗水量，不同處理在出苗～現蕾、現蕾～開花、開花～吐絮階段耗水量差異明顯，這是由于不同灌溉處理和年際氣象因素對總耗水量影響較大，開花-吐絮階段不同灌溉處理對棉花生長差異影響最大，說明這一時期水分需求敏感。

2) 氣象要素對棉花生育期需水量影響，太陽輻射、風速在播種～出苗、吐絮～收花階段與需水量呈正相關關系，相對濕度在出苗～現蕾階段與需水量呈負相關關系，氣溫在現蕾～開花、開花～吐絮階段與需水量呈正相關關系。全生育期氣溫變化對作物需水量影響最大，線性回歸方程相關系數均達到0.74。

3) 棉花皮棉產量與全生育期灌水量呈二次拋物線關系，經優化分析達到2 280～2 400 kg·hm-2，相應灌水量為496～605 mm，水分生產率為0.48～0.37 kg·m-3。

4) 棉花作物系數大小表現為：開花～吐絮>現蕾～開花>吐絮～收花>出苗～現蕾>播種～出苗，全生育期呈單峰變化，表現為先增后減規律，作物系數峰值出現在開花～吐絮期，其值為1.13。播種～出苗期最小，其值為0.31。

5) 生育期內棉花株高、葉面積指數和葉綠素含量，整體趨勢為先增后減，最終保持平穩。株高和葉面積指數與灌水量呈正比，隨灌水量增大而增加，峰值出現在花鈴期，葉綠素含量峰值出現在蕾期。

6) 膜下滴灌棉花灌溉定額為496～605 mm，灌水次數10～12次，其中苗期3次，蕾期2～3次，花鈴期4～5次，吐絮期1次，平均灌水周期10 d(蕾期、花鈴期5 d一次)。

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