膜下滴灌模式下種植密度對棉田蒸散發規律影響研究

王小軍 ，黃 健 *

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.中亞大氣科學研究中心，新疆 烏魯木齊830002）

蒸散是影響農田水資源利用率的重要因素，是“土壤—植物—大氣連續體（SPAC）系統”中水分運移的重要環節[1]，每年地球約有60%的降水通過蒸散發返回到大氣中[2]。因此明確作物蒸散規律，對建立合理的灌溉制度以及發展節水農業具有重要的意義[3-4]。蒸滲儀可以用于測量裸土或作物蒸散量以及深層滲漏量，已成為測定農田蒸散發的標準儀器[5]。稱重式蒸滲儀可以直接獲取作物的蒸散量，且測量精度高、數據的連續性好，被廣泛用來研究農田水分蒸散特征與作物耗水規律。López-Urrea，et al[6]發現西班牙半干旱地區的葡萄蒸散量與冠層覆蓋率呈線性關系，Howell，et al[7]發現充分灌溉時，玉米2個品種的水分利用效率和蒸散量的日峰值無顯著差異。Goyal[8]認為影響印度干旱區蒸散的主要因素是空氣溫度。Tolk，et al[9]通過研究3種土壤下玉米的蒸散與產量之間的關系，發現土壤類型不影響蒸散量與作物產量的線性關系。Tyagi，et al[10]測量了水稻、向日葵每小時的蒸發量，發現蒸散量的峰值出現在快速發育期。郭春明[11]等對東北地區春玉米的農田蒸散量及其影響因子做了研究，發現葉面積指數是影響春玉米蒸散最主要的生物因子，太陽輻射是最主要的環境驅動因子。還有研究發現蒸散量以及草地的水分平衡不僅受到氣候條件的影響，還受到地上生物量、葉面積等生物因素的影響[12-13]。

新疆地處西北干旱地區，水資源匱乏，嚴重制約新疆農業發展[14]。膜下滴灌技術是一種高效節水灌溉技術，其灌水量少、灌溉頻率高，可根據作物需水需肥規律及時將水分和養分均勻持續地輸送到植株根部，最大限度地降低了土壤水分的深層滲漏和其他無效途徑的用水浪費，且能形成一定的農田小氣候，可有效緩解水資源不足與農業用水利用率不高的矛盾[15-16]。北疆綠洲棉區是我國重要的商品棉生產基地，對北疆農業生產和經濟有著重大影響[17]。

自20世紀90年代以來，相關學者針對新疆綠洲棉區膜下滴灌模式下的棉田蒸散發規律進行了相關研究。曹兵[18]等對棉花膜下滴灌棉花蒸散量進行觀測，研究了棉花生育期逐日蒸散量的變化過程及規律，分析不同時期不同天氣條件下膜下滴灌棉花蒸散量及相關氣象因子的日變化。陳磊[19]等運用大型稱重式蒸滲儀，對綠洲棉田不同覆膜方式下蒸散過程進行了研究，但對不同種植密度條件下的棉田蒸散發規律卻鮮有報道。利用大型稱重式蒸滲儀對北疆綠洲棉田開展不同種植密度蒸散規律及其影響因子試驗研究，旨在探明不同種植密度的棉田蒸散特征及其影響因素，以期為北疆綠洲棉區農田水分管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在中國氣象局烏蘭烏蘇農業與生態試驗站（85°49′E，44°17′N；海拔 468.5 m）進行，試驗區距離氣象觀測場500 m，安裝有獨立觀測的大型稱重式蒸滲儀（長×寬×高：2.0 m×2.0 m×3.0 m）（西安新匯澤測控技術有限公司造）進行蒸發量和滲漏量觀測，邊界尺寸誤差≤3 mm，稱重方式為懸掛式。滲漏量測量采用稱重傳感器直接測定，測量精度不低于±3%。數據采集及配套軟件具有即測即存功能，防止測量數據丟失，同時具有良好的抗風干擾設計，對振動（風荷或其他干擾）具有快速的阻尼作用。棉田入滲量和蒸散量由大型稱重式蒸滲儀進行監測。

1.2 測定項目與方法

蒸滲儀觀測頻率為每30 min一次，于2018年6—10月進行全天24 h連續觀測。按《農業氣象觀測規范》測定棉花苗期、現蕾期、開花期、吐絮期的日期（表 1）。

表1 棉花生育期日期

將每條滴灌帶的兩行棉花分別劃分成60 cm×60 cm的樣方，形成一膜6行9個樣方，一膜4行6個樣方，于棉花苗期各標記長勢一致的棉苗6株，其標記順序如圖1所示。分別在苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期測定其株高和葉面積。葉面積采用LI-3100便攜式葉面積儀進行測量，并計算其葉面積指數。葉面積指數=取樣葉片總面積/取樣土地面積。

圖1 田間取樣圖

1.3 試驗設計

采用2組大型稱重式蒸滲儀，試驗設置不同種植密度條件，一膜3管6行（30株/m2），一膜2管4行（20株/m2），采用寬度為205 cm的地膜，棉花采用人工播種，行距為10 cm，株距10 cm，采用滴灌帶，滴頭間距30 cm，一條滴灌帶灌溉2行棉花。

試驗棉田全生育期滴水次數10次，施肥和田間管理與大田實際生產一致。

圖2 試驗種植圖（單位：cm）

1.4 數據處理

所有數據都使用Spss 23軟件進行分析，Microsoft Excel 2007完成制圖。

2 結果與分析

2.1 不同種植密度下棉花關鍵生育期蒸散量日變化特征

利用大型蒸滲儀的實測值，可以精確刻畫出棉花日內每小時的蒸散量變化趨勢。本文因苗期蒸滲儀故障，特選取2018年6—10月蒸散量進行監測。

不同種植密度條件下棉田蒸散量日變化特征如圖3所示。兩種密度條件下日蒸散量變化規律基本保持一致，呈倒“V”型分布，08：00—22：00 蒸散量由零緩慢增加，然后下降。蕾期棉花進入快速生長發育期，葉片面積增大，花鈴期是棉花生長發育的旺盛時期，一膜4行種植方式較一膜6行種植方式蒸散量降低。吐絮期棉花營養生長停止，生殖生長減緩，葉片萎縮脫落，兩種密度條件蒸散量差異逐漸減小。

圖3 不同生育期日蒸散量變化過程（a為蕾期，b為花鈴期，c為吐絮期）

2.2 不同種植密度下棉田關鍵生育期蒸散過程變化特征

蕾期，與一膜6行相比，一膜4行蒸散量偏少49.11 mm（37.17%）（表 1），花鈴期蒸散強度最高，一膜6行種植的總蒸散量為309.12 mm，比一膜4行種植高61.35 mm（表1），一膜4行種植較一膜6行蒸散量偏低19.85%；吐絮期，植株葉片開始脫落，溫度下降，蒸散強度低于花鈴期和蕾期，兩種種植方式蒸散強度差異逐漸減小?；ㄢ徠谑敲藁ㄉ趦日羯⒘孔畲蟮臅r期，超過蕾期和吐絮期的蒸散量總和。

表2 不同種植密度棉田蒸散變化特征

2.3 不同種植密度對棉花株高和葉面積的影響

葉面積和株高是反映棉花生長的重要指標。不同種植密度下，棉花植株高度隨時間變化見圖4。苗期，一膜4行種植比一膜6行種植株高出2.3 cm，蕾期高出 4.4 cm，花鈴期高出2.6 cm，吐絮期高出2.7 cm。不同種植密度條件下，棉花的葉面積指數變化趨勢見圖5，苗期棉花的葉面積增長緩慢，由于苗期灌水較少，其后期干旱少雨，土壤溫度較高，棉花生長所需水分受到限制，蕾期棉花生長發育加快，葉面積指數明顯增大，蒸散量也隨之增加，此時的蒸散量、葉面積增加速度加快，花鈴期是棉花生長發育最旺盛時期，葉面積指數達到最大，此時的棉田蒸散量以作物蒸騰作用為主，也是整個生育期蒸散量最大時期，吐絮期棉花營養生殖趨于停止，生殖生長減緩，葉片萎縮脫落蒸散量減小。研究發現：整個生育期一膜6行的葉面積指數始終大于一膜4行，株高小于一膜4行，各個生育期一膜4行種植的蒸散量小于一膜6行種植。

圖4 不同種植密度對株高的影響

圖5 不同種植密度對葉面積指數的影響

2.4 不同氣象因子對不同種植密度棉田蒸散量的影響

對棉田花鈴期氣象因子與所測定的蒸散量進行相關分析，由圖6可知，一膜4行與一膜6行種植的棉田的蒸散發與日平均氣溫（P＜0.01）呈顯著正相關，與空氣相對濕度呈顯著負相關（P＜0.01），與日平均風速和日平均水汽壓關系不大。

圖 6 一膜 4 行（a、c、e、g）和一膜 6 行（b、d、f、h）棉田蒸散量與溫度、相對濕度、風速、水氣壓的相關性

3 結論與討論

利用大型稱重式蒸滲儀連續監測不同種植密度下的棉田蒸散過程，分析了新疆綠洲棉田蒸散發的變化特征及其影響因子，研究發現：

（1）不同生育期不同種植密度的棉田蒸散量都呈單峰型變化，且季節變化明顯，蕾期和花鈴期一膜6行種植蒸散量比一膜4行大。

（2）蕾期、花鈴期蒸散強度一膜6行比一膜4行高；花鈴期蒸散強度最高；吐絮期，蒸散強度低于蕾期和花鈴期，兩種密度的蒸散強度差異變小。

（3）不同種植密度條件下花鈴期棉田的蒸散發量與日平均氣溫呈極顯著正相關，與空氣相對濕度呈極顯著負相關，與日平均風速，日平均水氣壓的關系不大。

在整個生育期內，兩種種植密度條件下水分蒸散主要發生在 08：00—22：00，在 22：00—08：00 基本沒有蒸散或蒸散量接近于零，這與相關研究一致[19]。Tyagi，et al[10]研究發現水稻、向日葵的蒸發量峰值出現在快速發育期，本研究中不同種植密度條件下花鈴期蒸散強度最大，蕾期次之，吐絮期最小，說明花鈴期是棉花生育期需水的關鍵時期，應保證充足的水分供應。農田水分蒸散在農田水量平衡和能量平衡計算中占有重要地位[20]。農田蒸散由土壤蒸發和作物蒸騰組成[21]。棉田蒸散作為田間水分消耗的主要形式，是作物生長過程中水量平衡不可缺少的組成成分，而棵間蒸發作為農田蒸散的重要組成部分，是田間小氣候的一個重要指標，也是衡量無效耗水的重要指標，不參與產量形成，因此減少棵間土壤蒸發對提高棉花水分利用效率、節約灌溉用水具有十分重要的作用。本研究中，兩種種植密度下，每個蒸滲儀所有土地都被地膜覆蓋，因此兩種密度的土壤蒸發量差別不大，田間蒸散發主要由作物蒸騰組成，一膜4行的蒸散量小于一膜6行，一膜6行的葉面積指數大于一膜4行，葉面積系數影響田間蒸散發，這與相關研究一致[11]。

作物蒸散不僅與生育期相關，而且與下墊面環境、氣象因子等有關，同時作物蒸散對農田灌溉管理決策、農作物產量估算及農田土壤水分預測等許多問題密切相關[22-24]。Goyal[8]對印度干旱區蒸散發進行研究得出影響蒸散發的主要因素是日平均氣溫。本研究中，不同種植密度條件下的棉田蒸散發與日平均氣溫和空氣相對濕度極顯著相關（P＜0.01），空氣相對濕度對棉田蒸散發的相關性最好。本試驗不足之處是大型蒸滲儀數量較少，在以后的試驗中應投入更多的蒸滲儀，加強試驗的重復性，進一步提升試驗的精確性。