基于單作物系數法指導南疆棉花膜下滴灌試驗研究

杜江濤，張 楠，龔珂寧，黃炳川，楊瑩攀，王興鵬

（1.塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆阿拉爾843300；2.塔里木大學現代農業工程重點實驗室，新疆阿拉爾843300）

0 引 言

棉花是新疆農業的支柱性產業，棉花種植面積穩定在250萬hm2左右，占全國棉花產量的比重高達80%［1］。新疆屬于極端干旱的地區［2］，全疆水資源的總量為793 億m3，每1 萬km2占有水量僅為4.96 億m3，為全國平均占有量的18%左右［3］。新疆地區農業用水需求量巨大，占全疆用水總量的90%以上［4］。因此，探尋出適合當地棉花的灌溉制度［5］可以緩解南疆地區水資源用量日趨緊張的狀況，也可以滿足建設現代農業的需求［6］，為促進新疆社會穩定與農業可持續發展目標做出貢獻。針對新疆南疆地區棉花灌溉制度的研究已有許多，王峰等［7］人研究發現，在南疆棉花一膜兩帶六行的種植模式下，適宜的灌溉制度是灌溉定額300 mm 和生育期內灌水12 次的組合。劉翔等［8］人研究發現在棉花蕾期采用80%作物蒸發蒸騰量ETc的灌水，其他生育期充分灌溉的方法，可保證棉花產量并提高灌溉水利用效率。適合的灌水定額和灌溉頻率對于棉花的生長和產量有促進作用［9］，但常規灌溉系統均采用人工通過控制閥門開關進行灌溉，農戶通常不能很好地對灌水條件進行判斷，另外受傳統“多水多產”思維的影響，種植戶往往不能嚴格按照研究所得的設計方案進行灌溉，經常人為延長灌溉時間和灌水量，最終導致棉花滴灌系統運行異常，難以達到預期節水增產的目的［10，11］。

田間作物灌溉決策指標一般包括土壤水分、植物生理特征和氣象指標三大類［12］。國內外不少學者圍繞著土壤水分和植物生理特征來判斷灌溉［13-15］，但其灌溉的決策指標主要集中在某一個體去反映作物整體的水分情況或受脅迫的程度，難以測量植物間的個體差異性，而且作物水分測量儀器的測量范圍小、價格高昂及設備穩定性較差，在實際生產中難以大規模的應用和指導灌溉制度［16］。氣候的變化對農作物生長和農業生產都將產生較大的影響，它決定了作物在本時段內的蒸騰量的大小，會導致作物耗水情況發生變化，有時還會有降水所產生的波動，會引起灌溉需水量發生變化［17］。通常一個氣象站可覆蓋方圓50 km 的范圍，且通過網絡或氣象站來獲取氣象信息相對容易［18］。蒸散作為唯一在地表能量平衡和水量平衡中都出現的因素，是連接生態與水文過程的重要紐帶［19］，可作為制定農田灌溉計劃的關鍵指標［20］。本試驗運用單作物系數法計算棉田每日的作物蒸發蒸騰量，通過棉田每日作物蒸發蒸騰量與降水量的差值作為灌溉的決策指標，通對設置不同灌水時間和灌水定額的組合，研究不同灌水處理對土壤水分變化、棉花生長情況及產量的影響，以期得到適合南疆棉花膜下滴灌的灌溉管理方案，為未來實現灌溉自動化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗分別于2019年4-10月和2020年4-10月在新疆生產建設兵團農一師水利局水土保持試驗站進行（81°2′E，40°6′N，海拔1 014 m）。試驗區多年平均氣溫為11 ℃，年蒸發量約為2 100 mm，年降水量約為50 mm，年日照時數約為3 000 h，無霜期約為180～220 d，試驗區地下水埋深約為4 m。土壤物理參數見表1。

表1 試驗區土壤物理參數Tab.1 Soil physical properties of the experimental station

1.2 試驗設計

根據樊凱等［21］人研究發現，以棉田每日作物蒸發蒸騰量與降水量差值（ETC-P）為基礎進行灌溉，當（ETC-P）累計達到30 mm 時灌溉，設置0.8、1.0 和1.2 倍的（ETC-P）作為灌水定額。綜合產量和水分利用效率等因素，最佳的灌水定額為1.2倍的（ETC-P），即灌水定額為36 mm。本次試驗在前人試驗的基礎上進行優化試驗，通過設置不同的灌水時間和灌水定額的組合，探究其對土壤水分變化、棉花生長、產量及水分利用效率的影響。

本試驗種植的棉花品種為“新陸中46 號”。灌溉工作自蕾期開始（2019年6月19日，2020年6月10日），試驗灌水時間設置3 個水平，分別為當棉田每日作物蒸發蒸騰量與降水量差值(ETC-P）累計達到25、30 和35 mm 時進行灌水，對應的灌水定額設置為ETC-P的1.2 倍，即T1：25 mm×1.2=30 mm、T2：30 mm×1.2=36 mm 和T3：35 mm×1.2=42 mm，共計3 個處理，每個處理重復3次，共9個小區，不同處理實際灌水情況見表2。

表2 不同處理實際灌水情況Tab.2 Actual irrigation of different treatments

氣象信息數據由架設在試驗田邊上是HOBO 自動氣象監測站獲取，計算過程參考SL13-2015《灌溉實驗規范》進行。2019年和2020年逐日最高溫、最低溫、太陽輻射和降雨量如圖1所示。

圖1 2019年和2020年氣棉花生育期內氣象數據Fig.1 Meteorological data during the cotton growing season in 2019 and 2020

作物蒸發蒸騰量ETc采用FAO-56 推薦的單作物系數法計算，公式如下所示：

參考作物需水量ET0采用FAO-56 修正并推薦的Penman-Monteith公式計算。公式如下所示：

式中：ET0為參考作物需水量，mm；Rn為凈輻射量，MJ/（m2?d）；G為土壤熱通量，MJ/（m2?d）；γ為濕度計常數，kPa/°C；T為空氣平均溫度，°C；u2為地面以上2 m高處的風速，m/s；es為空氣飽和水氣壓，kPa；ed為空氣實際水氣壓，kPa；Δ為溫度—飽和水汽壓關系曲線上T處的切線斜率，kPa/°C。

作物系數Kc將FAO-56 給定的參考值，根據試驗地氣象條件（風速、相對濕度）、作物高度和覆膜情況進行本地化調整［18］。

棉花種植模式為一膜兩帶六行，棉花行距（66+10）cm，株距10 cm，滴灌覆膜種植，見圖2 所示。滴灌帶選用單翼迷宮式滴灌帶，規格為Φ16，滴頭間距30 cm，額定流量為3.0 L/h，工作壓力為0.1 MPa。施肥標準按照1 200 kg/hm2隨水施用滴灌專用肥，噴施農藥及其他日常管理與當地常規相同。

圖2 滴灌帶布置及種植模式（單位：cm）Fig.2 Schematic diagram of cotton planting pattern and drip irrigation belt

1.3 測定項目及測定方法

（1）株高的測定。在每個試驗小區內隨機選出長勢均勻的3 株棉花作標記，自棉花蕾期開始，每隔10 d 用尺子測量棉花株高。

（2）生物量的測定。在棉花每個生育期末，從各試驗小區內隨機選3 株棉花，分別摘取出棉花的莖、葉和蕾鈴部分，先用烘箱105 ℃殺青30 min，后用75 ℃烘干至恒重，稱取棉花各部分的干物質質量。

（3）土壤含水率測定。將EM 50 土壤水分自動監測系統安裝在各試驗小區中部棉花株間位置，探頭埋設深度為10、20、40、60 和80 cm。每個生育期末用取土烘干法測定棉花株間的土壤含水率，并用來對儀器進行校準

（4）棉花耗水量。棉花耗水量（ET）采用水量平衡法計算，如公式（3）。

式中：ET為在一定時段內棉田的騰發耗水，mm；ΔS為0.8 m 土層內土壤含水量在時段初末的變化量，mm；P為棉田獲得的有效降雨補給量，mm；I為在一段時段內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為時段內的深層滲漏量，mm。

（5）產量測定。在棉花收獲期，在每個小區內隨機框選出3個2.33 m×2 m 的樣方，隨機摘取100 朵棉花和摘取樣方中剩余吐絮棉花，同時記錄樣方棉花株數和未吐絮鈴數，棉花總產量計算式為：

式中：Y為棉花總產量，t/hm；np為單株棉鈴數，個/株；w為單鈴質量，g；ρ為種植密度，株/m2。

（6）水分利用效率。水分利用效率WUEET和WUEI分別按照公式（4）和（5）計算。

式中：y表示籽棉的產量，kg/hm2；I為生育期內對棉田的灌溉水補給量，m3/hm2；ET為實際耗水量，mm。

2 結果與分析

2.1 不同灌水處理的土壤水分變化

用0～40 cm 土層所測得的土壤含水率作為棉花主根區的土壤平均含水率［22］，不同灌水處理棉花在生長過程中主根區的土壤含水率變化如圖3所示。在2019年和2020年試驗中，土壤含水率波動與各處理灌水頻率保持一致，每次灌水前土壤含水率都處于相對低點，灌水后迅速增加，從圖中土壤含水率波峰的高度可以直觀反映出單次灌水定額的大小，其中T3處理波峰高度最大，T2處理次之，T1處理波峰高度最小。進入蕾期后，3 個處理開始灌水工作，前期因為ET0和Kc值較小，各處理灌水時間間隔較長，波峰之間間隔較遠。當進入花鈴期后，隨著氣溫的不斷升高，ET0和Kc值的變大，使得灌水頻率逐漸加快，此時波峰之間的距離明顯變近，各灌水處理的灌水頻率也逐漸趨于穩定。

圖3 2019年和2020年各處理主根區土壤水分動態圖Fig.3 Soil water dynamic in main root zone of each treatment in 2019 and 2020

棉田土壤含水率會受到灌水定額、降雨以及作物蒸發蒸騰的影響，為了探究不同灌水處理對土壤水分分布情況的影響，分別選取了棉花苗期末、蕾期末、花鈴前期和花鈴后期0～80 cm土層剖面土壤含水率分布情況進行分析。圖4 為2019 和2020年各灌水處理處理在不同生育期末土壤含水率剖面分布圖。在2019年試驗中，不同生育期末各灌水處理的土壤含水率隨著土層深度的增加呈現出先增大后降低的變化趨勢，土壤含水率在0～40 cm 土層的變化幅度較大，在土層60 cm 處達到峰值，隨后呈現逐漸減小的趨勢，土壤含水率在土層80 cm 處基本保持穩定。滴灌是一種局部浸潤的灌溉方式，土壤水分縱向波動主要發生在土層60 cm 以上的區域［23］，有研究發現棉花在膜下滴灌條件下，0～40 cm 的土層作為棉花的主根區集中了棉花85%的根系［24］，土壤含水率受棉花根系吸水和上層土壤易被蒸發等因素影響波動較大，使得土壤含水率在土層60 cm 處達到峰值。隨著土壤深度的增加，土壤中黏粒所占比降低，土壤持水性也隨之下降，加之受滴灌條件和灌水定額的影響，在60～80 cm 土層中土壤含水率逐漸降低。T3處理因灌水定額最大，0～60 cm土層的土壤含水率在各棉花生育期末均大于其他兩個處理。2020年棉田土壤含水率剖面分布情況與2019年基本一致，土壤含水率先隨土層深度的增加而增加，在土層深度為60 cm 處達到最大值后逐漸降低，土層深度為0～60 cm 時，土壤含水率與灌水定額成正相關關系。不同年份因氣候等因素影響，作物的耗水情況有些差異，對應的導致不同年份的土壤含水率變化也有些差異。

圖4 2019年和2020年各處理不同生育期末土壤含水率剖面分布圖Fig.4 Map of average soil water content profiles of each treatment at different growth stages in 2019 and 2020

2.2 不同灌水處理的耗水規律

不同灌水處理下棉花蕾期及花鈴期耗水規律如表3 所示。在棉花蕾期時，2019年試驗各灌水處理耗水強度在4.19～4.83 mm/d 之間，2020年試驗各灌水處理耗水強度在3.16～3.92 mm/d之間。花鈴期是棉花生長的關鍵時期和需水的高峰期，充足的土壤水分對于棉花保蕾、成鈴都起著重要的作用。進入花鈴期后，棉花生長因營養生長和生殖生長并存，因此對于水分的消耗量也達到了頂峰，2019年和2020年試驗其日耗水強度值分別為5.73～5.99 mm/d 和3.76～4.65 mm/d。兩年試驗棉花總耗水量隨灌溉定額的增加而增加，各處理總耗水量的大小關系為T3＞T2＞T1。

表3 2019年和2020年不同處理的棉花耗水規律Tab.3 Water consumption of cotton under different treatments in 2019 and 2020

2.3 不同灌水處理對株高的影響

株高是判斷棉花發育情況的重要指標之一，2019年和2020年在棉花生育期內不同灌水處理對株高的影響見圖5。通過2019年和2020年兩年試驗發現，不同灌水處理棉花株高生長趨勢基本保持一致，前期株高快速增長，后期增長幅度趨于平緩。在2019年試驗中，播種后81 d 棉花株高增長速度較快，株高日均增長量在0.65 cm/d 以上。蕾期末各灌水處理棉花株高分別為T1=54.6 cm，T2=0.61 cm 和T3=65 cm。進入花鈴期后棉花生長從營養生長為主轉向以生殖生長為主，加之在2019年7月20日無人機噴藥打頂之后，棉花株高停止增長。2020年各處理棉花株高生長趨勢與2019年試驗結果相似，出苗后90 d棉花株高增長較快，棉花株高日均增長量在0.61 cm/d以上。蕾期末各灌水處理棉花株高分別為T1=54.7 cm，T2=56.3 cm 和T3=59.2 cm，T3處理比T1處理株高高7.60%。在2020年7月22日無人機噴藥打頂后，棉花株高幾乎不再增加。通過以上兩年試驗發現，較高的灌水定額可以提高棉花生長速度和株高，促進棉花生長。

圖5 2019年和2020年不同處理間株高變化過程Fig.5 Plant high under different treatments in 2019 and 2020

2.4 不同灌水處理對干物質的影響

棉花各部分干物質總質量可反映出水分對光合產物合成和運輸的影響，不同灌水處理棉花各生育期末地上干物質質量如圖6所示。棉花地上部分干物質總量隨著棉花的生長發育不斷增加，在2019年試驗中，棉花處于苗期和蕾期時，主要以營養生長為主，不同處理莖葉干物質量占地上部干物質總量為78%～100%。進入花鈴期后，棉花主要以生殖生長為主，不同處理蕾鈴干物質量占地上部干物質總量為61%～69%，棉花生長至花鈴后期，T3處理干物質積累量最大，較T1和T2處理分別增加了8%和4%。T1處理蕾鈴干物質量最大，T2處理次之，T3處理最小。在2020年試驗中，苗期和蕾期不同處理莖葉干物質量占地上部干物質總量為85%～100%。進入花鈴前期，棉花主要以生殖生長為主，不同灌水處理蕾鈴干物質量占地上部干物質總量為39%～74%，至花鈴后期，T3處理干物質積累量最大，T2處理次之，T1處理最小。蕾鈴干物質量分別為T1=241.64 g，T2=232.61 g和T3=183.79 g，T1處理較T2處理和T3處理分別增加了3.87%和31.47%。由兩年試驗可知，較大的灌水定額對棉花地上部分干物質總量有促進作用，花鈴后期棉花蕾鈴干物質量是影響最終棉花產量的重要影響因素，高頻次灌溉和小灌水定額的組合可以提高棉花花鈴后期蕾鈴的干物質量。

圖6 2019年和2020年不同處理的地上干物質積累量Fig.6 Top biomass weights under different treatments in 2019 and 2020

2.5 不同灌水處理對產量的影響

影響棉花產量的主要因素有單鈴質量和單株鈴數，其中單株鈴數對產量影響最大，單鈴質量次之。表4 列出了2019年和2020年不同灌水處理棉花的構成因子及水分利用效率。由表4可知，兩年試驗各處理單鈴質量均無顯著差異，說明試驗設置的3 種灌溉頻率對單鈴質量的影響較小，而單株鈴數則隨著灌溉頻率的增加而增加，其中T1和T2處理之間差異不顯著，但顯著高于T3處理。2019年各處理籽棉產量分別為T1=6.57 t/hm2、T2=6.50 t/hm2及T3=6.07 t/hm2，2020年試驗各處理籽棉產量分別為T1=6.81 t/hm2、T2=6.83 t/hm2和T3=6.09 t/hm2，T1及T2處理產量差異不顯著，T3處理產量最低。水分利用效率隨著灌溉定額和總耗水量的增加而減少，T1處理水分利用效率最高，達顯著水平。

表4 2019年和2020年不同處理棉花產量構成因子及水分利用效率Tab.4 Cotton yield components and irrigation water use efficiency under different treatment in 2019 and 2020

3 討 論

棉花的生長情況和產量與灌水頻率和灌水定額緊密相關［23］。棉花的株高、干物質量是棉花在生長發育過程中產量形成的重要條件［25］，在2019年和2020年兩試驗中，T3處理的株高和干物質質量均為最高，但產量卻是3個處理中最低的，造成這樣的原因是由于棉花缺水導致棉鈴過早吐絮，莖稈干物質占比加大，導致生殖器官光合產物累積不足，致使棉花單鈴重降低，造成產量降低［26］。T1與T3處理相比，T1處理雖然灌水定額最小，但通過提高灌溉頻率，使棉花單株結鈴數增加，不僅提高了棉花產量，也獲得了較高的水分利用效率。這與劉新永等［27］和高龍等［28］人的研究發現中高頻率的灌溉可以提高土壤中的含水量，在棉花生長過程中降低受旱程度，有利于棉花根系水分吸收，進而促進棉花生長的結論一致［29］。

適度的虧缺灌溉能夠提高棉花產量和灌溉水利用效率［8，30］。目前南疆地區膜下滴灌棉花普遍的灌溉定額為400 mm 左右［7，31，32］，平均產量為6.06 t/hm2［33］。兩年試驗中T1處理的產量分別為6.57 t/hm2和6.83 t/hm2，與常規灌溉制度相比，灌溉定額降低了17.5%左右，產量提高了8.42%～12.71%左右，說明在南疆地區棉花膜下滴灌依據單作物系數法來指導灌溉，通過設置當棉田每日作物蒸發蒸騰量與降水量的差值（ETC-P）累計達到25 mm 開始灌溉，灌水定額30 mm 和生育期內灌水次數為11 的組合，可以在保證穩產甚至增產的情況下，進一步降低灌溉定額。這與王軍等［34］得出新疆地區棉花膜下滴灌條件下優化的灌溉定額為280～307 mm 的結論和林濤等［35］提出的高頻灌溉能降低無效耗水，提升水分利用效率的結論相近。

4 結 語

（1）以ETC-P為基礎進行灌溉，不同灌水處理對棉花生長情況有著明顯的影響。較高的灌溉定額可以促進棉花的株高和干物質總質量，如T3處理棉花株高及干物質總質量均高于T1及T2處理。

（2）通過單作物系數法指導南疆地區棉花膜下滴灌，小灌水定額和高頻率的組合，能使提高棉花單株結鈴數，進而提高產量。如T1處理比T3處理單株結鈴數多5.98%～7.56%，產量提高了7.56%～8.24%。水分利用效率隨著灌溉定額和總耗水量的增加而減少，其中T1處理最高，T2處理次之，T3處理最小。

（3）綜合兩年田間試驗的灌水量、棉花產量和水分利用效率等因素考慮，通過單作物系數法指導南疆地區棉花膜下滴灌，當棉田每日作物蒸發蒸騰量與降水量的差值（ETC-P）累計達到25 mm 時開始灌溉、灌水定額為30 mm 和在棉花生育期內灌水11 次的組合，可以提高棉花產量和水分利用效率，推薦用于南疆地區棉花膜下滴灌的灌溉管理。 □