南疆無膜滴灌棉田灌溉模式及耗水規(guī)律研究

王洪博,趙栗,高陽,王興鵬*,曹輝

(1.塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300;2.塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室,新疆 阿拉爾 843300;3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所,河南 新鄉(xiāng) 453000)

膜下滴灌技術(shù)是新疆棉花生產(chǎn)的主導(dǎo)模式，棉花覆膜栽培比例已達100%[1-2]，覆膜面積已經(jīng)超過1.30×106hm2[3]，有效地促進了新疆棉花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。薄膜覆蓋具有增溫、保墑、抑制雜草生長、增加農(nóng)作物產(chǎn)量、改善生態(tài)環(huán)境及加快棉株生長發(fā)育的作用[4]。但是，地膜為聚乙烯化合物，在自然條件下極難降解，在土壤中可存在200～400年[5-6]，長久的積累會破壞土壤結(jié)構(gòu)，阻礙土壤水分入滲，降低種子發(fā)芽率，影響棉花生長發(fā)育[7]，降低農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量[8]。已有研究表明，新疆地區(qū)殘膜總量已超過5.0×105t[9]，地膜殘留量可達158.4 kg·hm-2[10]。如何有效解決殘膜污染問題，已成為新疆地區(qū)棉花生產(chǎn)中亟待解決的重大科學(xué)問題。2017年，適用于新疆無膜直播的特早熟棉花新品種“中棉619”在南疆地區(qū)進行了示范。無膜滴灌技術(shù)為治理新疆棉田殘膜污染提供了新的途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景[11]。然而，由膜下滴灌種植模式轉(zhuǎn)變?yōu)闊o膜滴灌模式后，棉花生長前期土壤蒸發(fā)會大幅增加，土壤水分狀況也會發(fā)生明顯改變，棉田水分消耗過程與膜下滴灌種植模式相比會顯著不同，因此，對無膜滴灌模式的灌水參數(shù)進行研究具有重要意義。

基于長遠的土壤環(huán)境問題考慮，棉花無膜滴灌栽培模式將成為解決棉田地膜殘留污染的有效途徑[18]，但是關(guān)于棉花無膜滴灌條件下灌溉模式的相關(guān)研究尚處于起步探索階段。已有的膜下滴灌灌溉制度不能滿足無膜滴灌模式的需要。因此，本文研究了無膜條件下，土壤水分分布、棉花耗水及產(chǎn)量等對不同灌水定額的響應(yīng)，以期為棉花無膜滴灌制定科學(xué)的灌溉制度提供理論依據(jù)，為解決地膜殘留及棉花無膜滴灌的大面積推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于塔里木河三大源流(阿克蘇河、葉爾羌河、和田河)交匯處附近的平原荒漠綠洲區(qū)(E 81°2′，N 40°6′，海拔1 014 m)，屬于暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，年均氣溫11.3 ℃，日照時數(shù)3 000 h，無霜期180～221 d，年平均降水量50 mm，蒸發(fā)量 2 218 mm，為純灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤質(zhì)地為砂壤土，土壤平均容重1.58 g·cm-3，0—80 cm土壤田間持水量為 23.8%(質(zhì)量含水率)，地下水深約為3～5 m。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用單因素完全隨機試驗設(shè)計，參照膜下滴灌灌水定額，設(shè)置5個無膜滴灌灌水定額處理，分別為27(I1)、36(I2)、45(I3)、54(I4)和63 mm(I5)，同時以當(dāng)?shù)啬は碌喂喙嗨~36 mm(I6)作為對照處理。每個處理3次重復(fù)，共18個小區(qū)，小區(qū)規(guī)格為45 m×1.5 m(長×寬)。從棉花苗期開始，通過逐日氣象資料計算ET0-P(降雨量)值，當(dāng)ET0-P的累積值達到45 mm時進行灌溉[18]，共計灌溉10次。氣象數(shù)據(jù)由試驗站HOBO U30自動氣象監(jiān)測儀實時獲取，2019年4—9月氣象數(shù)據(jù)如圖1所示。

供試棉花品種為中棉619，于2019年4月25日播種，10月30日收獲。滴灌帶布置方式為2帶4行(寬行40 cm+窄行20 cm)，株距10 cm，如圖2。滴灌帶選用單翼迷宮式滴灌帶，規(guī)格為Φ16，滴頭間距30 cm，滴頭最大流量3.0 L·h-1，工作壓力0.1 MPa。棉田管理措施與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

1.3 測定項目與方法

①土壤體積含水率：采用土壤水熱自動監(jiān)測系統(tǒng)(EM50 5TM，記錄頻次為1次·h-1)監(jiān)測土壤體積含水率，監(jiān)測點埋設(shè)于棉花主根區(qū)(窄行)，如圖2所示。埋設(shè)深度為10、20、40、60和80 cm，并在每個生育階段末期采用土鉆取土校核儀器。

②棉花耗水量：耗水量(ET)采用水量平衡法[19]計算，如公式(1)。

ET=ΔS+P+I+G-R0-DP

(1)

式中，ET為棉田在時段內(nèi)的耗水量(mm)；ΔS為0—80 cm土層內(nèi)土壤含水量在時段初相較于時段末的變化量(mm)；P為棉田獲得的有效降雨補給量(mm)；I為棉田獲得的灌溉水補給量(mm)；G為地下水補給量(mm)；R0為地表徑流量(mm)；DP為時段內(nèi)的深層滲漏量(mm)。

近3年溫度與大氣主要污染物pearson相關(guān)系數(shù)值如表2所示，從表2中可以看出，顆粒物、SO2與溫度的關(guān)系呈現(xiàn)逐年遞增，這幾種污染物與溫度都有著較大的關(guān)系，可以通過減少溫室效應(yīng)降低他們的濃度，而NO2、O3與溫度的關(guān)系并不顯著，在未來幾年，如何控制減少這2種氣體成為治理環(huán)境問題的關(guān)鍵，應(yīng)加強對這2種氣體的監(jiān)測與防治。

由于采用滴灌供水，且地下水位在3 m以上，故地表徑流、深層滲漏及地下水補給忽略不計，因此耗水量計算公式可簡化為公式(2)。

ET=ΔS+P+I

(2)

③棉花地上部干物質(zhì)量：分別于苗期、蕾期和花鈴期的末期，隨機選擇6株具有代表性的植株，將棉株地上部分為莖、葉和生殖器官，105 ℃殺青30 min后，置于65 ℃烘箱中烘干至恒重，采用電子秤(0.01 g)測定莖、葉和生殖器官的干物質(zhì)量。

④棉花產(chǎn)量：根據(jù)吐絮情況分3次在小區(qū)固定區(qū)域進行采摘，稱取每次實際采摘吐絮鈴的質(zhì)量，記錄鈴數(shù)并計算單鈴重w，根據(jù)小區(qū)密度ρ，計算單株鈴數(shù)np和棉花理論產(chǎn)量Y，計算方法[18,20]如公式(3)。

Y=0.01npwρ

(3)

式中，Y為籽棉總產(chǎn)量(kg·hm-2)；np為單株鈴數(shù)(個·株-1)；w為單鈴重(g)；ρ為種植密度(株·hm-2)。

⑤水分利用效率：水分利用效率WUEET和灌溉水利用效率WUEI分別按照公式(4)和(5)計算。

WUEET=y/ET

(4)

WUEI=y/I

(5)

式中,y為籽棉的產(chǎn)量(kg·hm-2)；I為生育期內(nèi)對棉田的灌溉水量(mm)；ET為耗水量(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和DPS進行數(shù)據(jù)整理和分析，運用Origin 2017進行繪圖，采用Duncan新復(fù)極差法進行方差分析和差異性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水定額對土壤水分動態(tài)變化的影響

土壤水分受灌溉、降雨和蒸發(fā)等作用呈周期性變化，灌溉及降雨補充土壤水分，而蒸發(fā)作用則消耗土壤水分。不同處理下0—80 cm土壤水分動態(tài)變化如圖3所示。不同灌水定額棉田土壤平均含水率呈現(xiàn)明顯的差異，隨著灌水量的增加呈上升趨勢，I5處理的土壤含水率最大。相同灌溉定額時，膜下滴灌I6處理的土壤含水率高于無膜滴灌I2處理。

不同處理土壤含水率的垂向分布略有差異(圖3)。無膜滴灌條件下，I5處理的土壤含水量隨土壤深度的增加而增加;而I1、I2、I3及I4處理的土壤含水率在60 cm深處達到峰值，之后隨深度增加土壤含水量逐漸減小。I1、I2及I3處理0—20 cm土壤含水率變化幅度較大，屬于水分活躍層，土壤含水率較低，易形成明顯的“干燥區(qū)”；20—40 cm土壤含水率變化幅度較小，屬于水分次活躍層；40—80 cm土壤含水率較為穩(wěn)定，屬于穩(wěn)定層，較高的土壤含水率形成“濕潤區(qū)”；而I4和I5處理0—80 cm土壤含水率變化幅度均保持較高水平。膜下滴灌I6處理土壤含水率隨土層深度的變化與無膜滴灌相似，但土壤含水率波動幅度低于I2處理。

2.2 不同灌水定額對棉花耗水特性的影響

不同灌水定額的棉花耗水規(guī)律如表1所示，苗期棉花的日均耗水量為0.75～3.34 mm；蕾期日均耗水量為3.07～6.96 mm；花鈴期日均耗水量為2.13～5.34 mm。隨著灌水定額的增加，棉花耗水量逐漸增大，且變化幅度呈遞增的趨勢。其中，無膜滴灌I2和I4處理的耗水量分別為412.73和561.57 mm，較膜下滴灌I6處理分別增加了0.51%和36.75%。

表1 不同灌水定額下棉花的耗水規(guī)律Table 1 Water consumption of cotton under different irrigation quotas

2.3 不同灌水定額對棉花地上部干物質(zhì)積累量的影響

由圖4可知，棉花地上部干物質(zhì)積累量隨生育期的推進而逐漸增加，但不同處理各器官占比存在差異，莖葉占比先增加后減小，而蕾鈴占比逐漸增加。棉花苗期和蕾期主要以營養(yǎng)生長為主。苗期，不同處理莖、葉占比分別為32%～43%和57%～68%。蕾期，莖占比為38%～47%；葉片生長放緩，占比為41%～46%；蕾鈴占比為13%～17%?；ㄢ徢捌冢藁◤臓I養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變，以蕾鈴發(fā)育為主，莖、葉占比顯著降低，分別為27%～35%和16%～21%；蕾鈴占比上升，為47%～55%。花鈴后期，莖、葉占繼續(xù)減小，分別為19%～22%和13%～16%；蕾鈴占比升高至64%～67%。綜上所述，苗期和蕾期，棉花地上部干物質(zhì)積累量隨灌水定額的增加而增加；進入花鈴期后，地上部干物質(zhì)積累量隨灌水定額的增加呈先增加后減小的趨勢。其中，I4處理的地上部干物質(zhì)積累量最大，較I5處理增加了23%左右；膜下滴灌I6處理的地上部干物質(zhì)積累量在整個生育期都較高，顯著高于相同灌溉額度的無膜滴灌I2處理(P<0.05)。

2.4 不同灌水定額對棉花產(chǎn)量及灌溉水利用效率的影響

不同灌水定額下棉花的產(chǎn)量及水分利用效率如表2所示，棉花單株鈴數(shù)、單鈴重及籽棉產(chǎn)量均隨灌水定額的增加呈先增加后減小的趨勢，以I4處理最高，籽棉產(chǎn)量為5 999.49 kg·hm-2。相同灌溉量時，膜下滴灌I6處理的單株鈴數(shù)顯著低于I2處理；但單鈴重及籽棉產(chǎn)量均顯著高于I2處理，籽棉產(chǎn)量為6 155.92 kg·hm-2，較I2處理增產(chǎn)16.62%，但與I4處理無顯著差異。無膜滴灌條件下，水分利用效率隨著灌水定額的增加逐漸減小，I1處理最高，為1.69 kg·m-3和1.38kg·m-3，但仍低于膜下滴灌I6處理。

注：不同字母表示相同時期不同處理間差異在P<0.05水平顯著。Note:Different letters indicate significant differences between different treaments in same stage at P<0.05 level.圖4 不同灌水定額下棉花地上部干物質(zhì)積累量Fig.4 Dry matter accumulation in cotton shoots under different irrigation quotas

表2 不同灌水定額下棉花的產(chǎn)量和水分利用效率Table 2 Yield and water use efficiency of cotton under different irrigation quotas

3 討論

灌水量是棉花灌溉制度中的重要參數(shù)，合理的灌溉能夠適時適量的為作物提供生長所需水分，促進作物的生長發(fā)育并提高產(chǎn)量。不同灌水定額處理的土壤平均含水率呈現(xiàn)明顯差異，灌水定額越高，土壤含水率越高，說明土壤濕潤深度受灌水定額的影響較大，隨灌溉定額的增加而增加。相同灌水定額時，膜下滴灌處理 (I6)的土壤含水率高于無膜滴灌處理(I2)，這是由于薄膜覆蓋減少了土壤水分蒸發(fā)量，因此，膜下滴灌處理的水分消耗量小于無膜滴灌。不同處理土壤含水率的垂向分布也存在差異。無膜滴灌條件下，I5處理的土壤含水量隨土壤深度的增加而增加，而I1、I2、I3及I4處理的土壤含水率在60 cm深處達到峰值，之后隨深度增加土壤含水量逐漸減小。同時，I1、I2及I3處理0—20 cm土壤含水率變化幅度較大，而I4和I5處理0—80 cm土壤含水率變化幅度均保持較高水平，說明較大的灌水定額，可以濕潤到深層土壤，土壤水分變化幅度增大。

無膜滴灌條件下，棉花生育期耗水過程主要表現(xiàn)為：苗期日耗水強度較低；進入蕾期，棉花生長加快，日耗水強度明顯增加，達到最大值；到了花鈴期，日耗水強度略有降低。而膜下滴灌條件下，棉花生育期耗水過程表現(xiàn)為：苗期較低，蕾期快速增加，花鈴期達到最大值。這可能是因為無膜滴灌的棉花播種較晚，整體生育期推遲；同時，膜下滴灌棉花花鈴期灌水量較大，因此，花鈴期耗水較大?？傮w來說，棉花耗水量隨灌水定額的增加而逐漸增加[21]，I5處理的耗水量最高。其中，相同灌水定額時，無膜滴灌處理(I2)的總耗水量較膜下滴灌處理(I6)無顯著差異；但苗期耗水量顯著高于膜下滴灌處理 (I6)；花鈴期耗水量顯著低于膜下滴灌處理(I6)，這可能是由于薄膜覆蓋且進行灌溉，導(dǎo)致土壤含水量增加，為棉花蒸騰提供所需水分，因此，棉花耗水量高于無膜處理。

棉花各部分干物質(zhì)積累量反映了不同灌水定額對棉花光合作用產(chǎn)物及運輸?shù)挠绊慬22]。苗期和蕾期以營養(yǎng)生長為主，莖葉的干物質(zhì)積累量逐漸增加；花鈴期以生殖生長為主，蕾鈴的干物質(zhì)積累量大幅度增加?？傮w而言，棉花地上部干物質(zhì)積累量隨灌水定額的增加呈先增加后減少的趨勢，I4處理地上部干物質(zhì)積累量最大，這是由于適量的水分有利于地上部干物質(zhì)的積累，在此基礎(chǔ)上增加灌水量易造成肥料淋洗，導(dǎo)致肥料吸收利用效率較低，影響棉花營養(yǎng)及生殖生長[23]。而膜下滴灌處理在整個生育期內(nèi)的地上部干物質(zhì)積累量均較高，表明薄膜覆蓋有利于棉花的生長，提高地上部干物質(zhì)積累量。

通過棉花產(chǎn)量和水分利用效率能夠反映灌水量對棉花生長和耗水情況的影響。棉花產(chǎn)量主要由單株鈴數(shù)及單鈴重構(gòu)成。本研究表明，不同灌水定額下，棉花的單株鈴數(shù)、單鈴重和籽棉產(chǎn)量均隨灌水定額的增加呈先增加后減小的趨勢，I4處理最高；但水分利用效率則隨著灌水定額的增加呈逐漸降低的趨勢，I1處理最高。由此表明，較大或較小的灌水量均不利于棉花高產(chǎn)，適宜的灌溉量更有利于提高棉花產(chǎn)量[24]。

從長遠的土壤環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展考慮，通過灌水量彌補棉花產(chǎn)量對于解決殘膜污染具有重要意義，且無膜滴灌栽培模式下的灌溉參數(shù)仍有較大的提升潛力。灌溉定額為360 mm時，無膜滴灌I2處理的棉花產(chǎn)量較膜下滴灌I6處理減產(chǎn)14.25%；但灌溉定額提高到540 mm時，無膜滴灌I4處理棉花的產(chǎn)量與膜下滴灌處理無顯著差異。由此表明，通過提高灌水定額可減輕無膜對產(chǎn)量造成的影響。棉花各生育期耗水量表明，高頻次灌溉增加了棉花苗期的灌溉定額，但棉花苗期需水量較小，大量的水分因土壤蒸發(fā)而無法被植物利用。因此，無膜滴灌栽培模式下，可適當(dāng)減少苗期的灌溉定額，同時增加棉田的施肥量，促進棉花生長，提高棉花產(chǎn)量，進而提高水分利用效率。在南疆地區(qū)開展無膜滴灌棉花試驗尚處于探索階段，且棉花耗水、生長及產(chǎn)量也會隨氣候變化存在年際間差異[18]，因此，需開展長期連續(xù)性試驗進一步研究無膜滴灌棉花的灌溉參數(shù)。