氣候變化下新疆棉花調(diào)虧灌溉節(jié)水效果評(píng)估研究

李孫強(qiáng)

（新疆維吾爾自治區(qū)水利廳水土改良實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，新疆 昌吉 831102）

調(diào)虧灌溉技術(shù)是一種科學(xué)的灌溉技術(shù)，在不會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生明顯影響的基礎(chǔ)上有效控制用水，從而達(dá)到節(jié)水的效果。該技術(shù)的核心是根據(jù)農(nóng)作物不同發(fā)展階段中存在的水分脅迫差異性，在作物關(guān)鍵生長(zhǎng)階段充分灌溉，其他需水量不敏感階段減少灌溉，實(shí)現(xiàn)節(jié)水效果［1-2］。因此，調(diào)虧灌溉在新疆棉花種植中具有重要的應(yīng)用價(jià)值與意義，但鑒于新疆獨(dú)特的氣候特征，是否適用調(diào)虧灌溉技術(shù)以及實(shí)際應(yīng)用中的節(jié)水效果有待深入研究。本研究針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析，探究調(diào)虧灌溉技術(shù)在新疆棉花生產(chǎn)中的應(yīng)用效果與價(jià)值。

1 研究方法與內(nèi)容

1.1 研究區(qū)域的設(shè)定

新疆南、北地區(qū)氣候存在較大的差異，不同區(qū)域適合種植不同品種的棉花，目前新疆主要種植的棉花分為早熟、早中熟陸地棉2 個(gè)品種。因此，本研究選取2 個(gè)區(qū)域中典型的棉花種植品種作為研究對(duì)象，區(qū)域位置分別為阿克蘇站觀測(cè)研究站（南疆，早中熟陸地棉）及昌吉站觀測(cè)研究站（北疆，早熟陸地棉）。

1.2 研究模型的選用

本研究采用隨機(jī)棉花生長(zhǎng)模型分析歷史及未來(lái)棉花種植情況，需要?dú)庀蟆⑼寥馈⒐芾砑捌贩N參數(shù)數(shù)據(jù)。模型模擬棉花發(fā)育涉及溫度、水分脅迫等影響；光合作用基于綠籬光截獲，記錄作物變化，關(guān)注溫度、季節(jié)影響；應(yīng)用P-T 公式估算潛在蒸散量，包括CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)氣孔及蒸騰影響。棉花生長(zhǎng)模型能有效反饋灌溉方案對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育節(jié)律和產(chǎn)量影響，具有模擬調(diào)虧灌溉的作用。模型將用于新疆棉花種植調(diào)虧灌溉技術(shù)方案應(yīng)用效果分析［3-4］。

1.3 研究所需數(shù)據(jù)的獲取

1.3.1 氣象數(shù)據(jù)

研究中需要分析區(qū)域的歷史及未來(lái)推演氣象數(shù)據(jù)，其中歷史氣象數(shù)據(jù)主要來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所機(jī)構(gòu)知識(shí)庫(kù)，數(shù)據(jù)類型包括逐日太陽(yáng)輻射、氣溫、降水量等；未來(lái)氣象數(shù)據(jù)來(lái)自3 個(gè)大氣環(huán)流模式（General Cireulation Models，GCMs），分別為高增溫強(qiáng)度模式（IPSL）、中等增溫強(qiáng)度模式（MIROC5）、最小增溫強(qiáng)度模式（GFDL），其中還包括未來(lái)溫室氣體濃度（中等濃度RCP4.5、高濃度RCP8.5）的演算數(shù)據(jù)。本研究中所需要的未來(lái)氣候數(shù)據(jù)主要涵蓋日太陽(yáng)輻射、氣溫、降水量、未來(lái)CO2體積分?jǐn)?shù)等數(shù)據(jù)。為了提升未來(lái)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將模型中粗分辨率（1.3°～2.5°）的未來(lái)氣候數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)調(diào)整為0.1°×0.1°。

1.3.2 作物種植管理資料

研究模型中棉花種植管理數(shù)據(jù)分別為品種、種植日期、栽植密度等。阿克蘇研究點(diǎn)早中熟陸地棉品種為新陸中82 號(hào)；昌吉研究點(diǎn)早熟陸地棉品種為新陸早84 號(hào)。其中，阿克蘇研究點(diǎn)棉花種植日期為4月21日，種植密度采用常規(guī)30 株/m2；昌吉研究點(diǎn)棉花種植日期為4月25日，種植密度采用常規(guī)19 株/m2。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 棉花生長(zhǎng)階段劃分

依據(jù)現(xiàn)有研究，將棉花生育期分為出苗期、現(xiàn)蕾期、開(kāi)花期、開(kāi)花盛期及成熟期5 個(gè)階段，并將播種至出苗期、出苗期至現(xiàn)蕾期、開(kāi)花盛期至成熟期確定為需水量不敏感階段。由于模型無(wú)法展現(xiàn)棉花現(xiàn)蕾期至開(kāi)花盛期（實(shí)際中此過(guò)程周期為30 d），因此研究模型中將現(xiàn)蕾期以在開(kāi)花期減少30 d、開(kāi)花盛期以開(kāi)花期增加30 d 的方式代替。

1.4.2 灌溉方案設(shè)計(jì)

本研究針對(duì)不同研究點(diǎn)設(shè)置充分灌溉及調(diào)虧灌溉2 種方案進(jìn)行模擬分析，其中模型中充分灌溉采用自動(dòng)灌溉模式，設(shè)置參數(shù)為土壤有效含水量降低至50%后實(shí)施灌溉、達(dá)到85%后停止灌溉；調(diào)虧灌溉僅在棉花需水量不敏感階段進(jìn)行，分別為充分灌溉用水量的40%～90%，每10 個(gè)百分點(diǎn)為1 個(gè)等級(jí)，共設(shè)置6 個(gè)處理。根據(jù)公式：棉花水分生產(chǎn)力=籽棉產(chǎn)量/棉花生育期蒸散發(fā)，對(duì)調(diào)虧灌溉策略進(jìn)行優(yōu)化處理，研究中不同變量在調(diào)虧灌溉及充分灌溉中的變化情況（△IRR）計(jì)算式如下。

式中：R（*%F）為不同的調(diào)虧灌溉策略；F為充分灌溉模式。

若調(diào)虧灌溉下棉籽產(chǎn)量低于充分灌溉5%，則表明調(diào)虧灌溉不會(huì)對(duì)棉花產(chǎn)生影響，此時(shí)便可將調(diào)虧灌溉中最大水分生產(chǎn)力作為最佳的優(yōu)化策略。結(jié)果分析則采用GCM 進(jìn)行模擬，其中研究的基準(zhǔn)歷史時(shí)段2003—2022年用BL 表示，預(yù)測(cè)時(shí)段2041—2060年用P1 表示、2081—2100年用P2 表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候條件下棉花生長(zhǎng)季氣候變量分析

相較于BL 歷史基準(zhǔn)期階段，P1、P2 時(shí)段2 個(gè)站點(diǎn)棉花生長(zhǎng)季（研究根據(jù)現(xiàn)實(shí)中實(shí)際情況取值為4—11月）日平均氣溫平均值均為增長(zhǎng)狀態(tài)，但日太陽(yáng)輻射平均值及總降水量變化不大，見(jiàn)圖1。由圖1 還可以發(fā)現(xiàn)，與BL 時(shí)段相比，2 個(gè)站點(diǎn)和2 種情景下，模式IPSL 升溫均最強(qiáng)，MIROC5 升溫中等，而GFDL 升溫均最少。

圖1 未來(lái)氣候條件下棉花生長(zhǎng)季氣候變量與基準(zhǔn)期變化對(duì)比

阿克蘇BL 時(shí)段的太陽(yáng)輻射平均值、日平均氣溫平均值及總降水量分別為18.7 MJ/m2、17.9 ℃、78.6 mm，昌吉BL 時(shí)段的太陽(yáng)輻射平均值、日平均氣溫平均值及總降水量分別為18.9 MJ/m2、16.7 ℃、155.6 mm。以BL 時(shí)段相比，各站點(diǎn)不同情景、階段下太陽(yáng)輻射平均值、日平均氣溫平均值及總降水量增長(zhǎng)程度如表1所示。

表1 各站點(diǎn)不同情景、階段下太陽(yáng)輻射平均值、日平均氣溫平均值及總降水量增長(zhǎng)程度

2.2 調(diào)虧灌溉方案的優(yōu)化調(diào)整

在調(diào)虧灌溉模型中，籽棉產(chǎn)量、蒸散發(fā)水平隨用水量降低而減少，但產(chǎn)量減少相較于充分灌溉通常在5%以內(nèi)。阿克蘇調(diào)虧灌溉下棉籽產(chǎn)量較充分灌溉減產(chǎn)低于5%，昌吉與阿克蘇具有同質(zhì)性。調(diào)虧灌溉時(shí)，棉花水分生產(chǎn)力先揚(yáng)后抑。此狀態(tài)下調(diào)虧灌溉策略對(duì)籽棉產(chǎn)量影響較小，生育期蒸散發(fā)水平降低，水分生產(chǎn)力增加。但用水持續(xù)降低將導(dǎo)致產(chǎn)量、水分生產(chǎn)力嚴(yán)重降低。阿克蘇棉花水分生產(chǎn)力為最高；昌吉與阿克蘇具有同質(zhì)性。綜合分析，在減少耗水量、籽棉產(chǎn)量影響低于5%為條件下，可得到最優(yōu)調(diào)虧灌溉策略。

2.3 調(diào)虧灌溉節(jié)水效果評(píng)估

根據(jù)調(diào)虧灌溉優(yōu)化結(jié)果，調(diào)虧灌溉可有效提升棉花水分生產(chǎn)力，能夠得到良好的節(jié)水效果，其中BL 時(shí)段采用調(diào)虧灌溉可使阿克蘇、昌吉棉花水分生產(chǎn)力分別增加2.3%、3.5%。各站點(diǎn)在調(diào)虧灌溉模式下不同情景的棉花水分生產(chǎn)力提升程度及節(jié)省灌溉量如表2所示，數(shù)據(jù)綜合分析顯示，最優(yōu)灌溉用水量較充分灌溉可節(jié)約灌溉量5%～28%。

表2 各站點(diǎn)在調(diào)虧灌溉模式下不同情景的棉花水分生產(chǎn)力提升程度及節(jié)省灌溉量

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)虧灌溉所取得的增益效果與環(huán)境溫度成反比關(guān)系，但CO2體積分?jǐn)?shù)又會(huì)影響這種關(guān)系；優(yōu)化策略對(duì)于籽棉產(chǎn)量、棉花水分生產(chǎn)力產(chǎn)生形成明顯影響；在CO2體積分?jǐn)?shù)相同的條件下，溫度升高將會(huì)增加蒸散發(fā)，但CO2體積分?jǐn)?shù)升高后植物的植株蒸騰及光合作用會(huì)得到加強(qiáng)從而使其受到影響［5］。因此，為了在不顯著減少籽棉產(chǎn)量的情況下盡量減少新疆棉花生產(chǎn)耗水量，需要不斷優(yōu)化調(diào)虧灌溉策略。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)選取新疆早熟、早中熟2 個(gè)典型的棉花種植區(qū)域?yàn)閷?duì)象，采用棉花生長(zhǎng)及棉花生長(zhǎng)模型，結(jié)合GCM 作為氣候模擬工具，開(kāi)展棉花種植的充分灌溉、調(diào)虧灌溉模擬試驗(yàn)，研究結(jié)果如下。

1）P1、P2 時(shí)段2 個(gè)站點(diǎn)在4—11月棉花生長(zhǎng)季節(jié)的日平均氣溫平均值相較于BL 歷史基準(zhǔn)期階段具有不同程度的增長(zhǎng)。但是，太陽(yáng)輻射、降水量變化卻不大，其中升溫情況由大到小依次為IPSL、MIROC5、GFDL。

2）調(diào)虧灌溉下棉籽產(chǎn)量較充分灌溉減產(chǎn)低于5%，調(diào)虧灌溉使用的灌溉水量降低，棉花水分生產(chǎn)力呈現(xiàn)先揚(yáng)后抑的狀態(tài)，據(jù)此可優(yōu)化新疆棉花生產(chǎn)的調(diào)虧灌溉策略。調(diào)虧灌溉可以有效提高新疆棉花水分生產(chǎn)力，節(jié)省灌溉用水量，最優(yōu)灌溉用水量較充分灌溉可節(jié)約灌溉量5%～28%。

3）調(diào)虧灌溉所取得的增益效果與環(huán)境溫度呈反比關(guān)系，但CO2體積分?jǐn)?shù)又會(huì)影響這種關(guān)系，為了在不顯著減少籽棉產(chǎn)量的情況下盡量降低新疆棉花生產(chǎn)耗水量，需要不斷優(yōu)化調(diào)虧灌溉策略以適應(yīng)氣候變化。