膜下滴灌条件下棉花年际需水量变化试验分析

翟 超，周和平，谢富明，赵 健

(1.新疆维吾尔自治区水利管理总站， 新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆灌溉中心试验站， 新疆 乌鲁木齐 830000)

膜下滴灌技术在新疆发展迅速，新疆统计局数据显示[1]，膜下滴灌面积从2002年12万hm2扩大到2012年的200万hm2，新疆棉花种植面积从2002年94万hm2增加到2012年的164.67万hm2。准噶尔盆地南缘区是北疆地区棉花主要产区，占全疆棉花产量的35%左右。气温对棉花生长影响较大，近50年的温度升高是过去100年的2倍[2]。近年西北干旱区气温上升幅度为0.33℃·10a-1，其中北疆增温幅度大于其它地区[3]。已有研究表明[4]作物生长及农业生产受气候变化影响导致作物耗水变化，加上气候变异带来的降水波动，引起灌溉需水量的变化。目前针对气候变化对作物需水量影响研究方法有两种，一是通过收集历史气象资料，分析历年影响作物需水量变化的主要气象因素以及多年需水量变化趋势[5-8]；另一种是将历史气象资料与模型相结合，预测未来年份作物需水量变化趋势[9-13]，两种方法均采用FAO56-PM法计算作物灌溉需水量。然而，新疆棉花膜下滴灌需水规律研究大部分集中在2000年左右[14-17]。近15年间气象环境也发生变化，但近期关于膜下滴灌棉花不同年际间需水规律和相关生理指标及特征研究较少。本文通过2013—2015年灌溉试验研究，利用气象资料、实测作物需水量、作物产量和生理特征数据，研究准噶尔盆地南缘区棉花生育期灌溉需水量变化、主要气象影响因素及其规律，作物产量、水分生产率、生理特征与灌水量的关系，为灌区合理配置灌溉用水、提高水分利用效率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区位于新疆灌溉中心试验站，地处昌吉市滨湖镇13户村(87°18′E，44°01′N)，平均海拔600 m。该区处于天山北坡冲积、洪积平原南缘，属天山北坡带头屯河流域，年均降水181.7 mm、年蒸发1 739.1 mm、日照时数7.8 h，年均气温13.1℃，≥0℃积温3 834.3℃以上，属典型内陆干旱性气候。研究区地下水埋深2.5～4.5 m，棕漠土类土壤质地为中—轻壤，0～120 cm土层土壤干容重1.46～1.65 g·cm-3，耕作层1.50～1.60 g·cm-3，0～120 cm土层田间持水量(干土重)18.8%～23.9%，耕作层20.1%～23.4%；地表与地下水矿化度3～4 g·L-1，按等级划分属弱咸水，土壤全盐小于0.2%，无盐渍化；耕作层土壤有机质1.59%，肥力属中偏下水平，土壤有效氮90.84 mg·kg-1，有效磷41.63 mg·kg-1，有效钾421.2 mg·kg-1。研究区建有2组地下廊道防雨棚式测坑设施，其中1组具有土壤水分、温度、盐分自动采集，适应不同灌溉试验设计需要的自动化设施。测坑设施总面积604 m2，每组测坑面积301.54 m2(长32.25 m，宽9.35 m)，试验处理小区24个，以廊道为中心，两侧分布12个(长×宽，3.333 m×2 m，面积6.67 m2)试验处理小区，2组测坑共计48个试验处理小区。

1.2 试验设计

供试品种为当地广泛种植的T10。于2013年4月24日播种，9月26日收获；2014年4月29日播种，9月18日收获。2015年4月22日播种，9月18日收获；按照当地种植方式布置，一膜两管四行，膜宽125 cm，株距10 cm、行距12 cm。采用迷宫式滴灌带，滴头间距20 cm，设计滴头流量为2.4×10-3m3·h-1，用水表控制灌水量。灌水周期、次数、施肥及病虫害防治均按当地农业种植管理方式，灌水周期为10 d一次，关键生育期5 d一次，2013年灌水11次，2014、2015年灌水12次。试验设计按《灌溉试验规范》(SL13-2004)，采用灌水定额单因素试验，作物全生育期设置4个处理水平，重复3次(表1)。

表1 灌溉试验方案

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分测定 采用TRIME水分仪分别在播种前、收获后、灌水前，灌水后按20 cm分层测定0～120 cm土壤含水率。耗水量按照水量平衡公式计算：

ET=P+W+K-C-ΔS

(1)

式中，P为有效降雨量(mm)；W为灌水量(mm)；K为地下水补给量(mm)；C为深层渗漏量(mm)；ΔS为土壤储水量的变化量(mm)。试验区为有底测坑和防雨棚条件，P=K=0，同时由于是滴灌，属于浅层局部湿润灌溉，深层渗漏量C可以忽略不计。故上式(1)可以写成：

ET=W-ΔS

(2)

本文有效降雨的计算采用美国农业部土壤保持局推荐的有效降水量分析方法[18-20]：

(3)

式中，Pe为有效降水量(mm·d-1)；P为总降水量(mm·d-1)。

1.3.2 作物系数的计算 作物系数(Kc)是计算作物需水量的重要参数，其计算公式可用实测作物蒸腾量(ET)与同时间段内参考作物蒸腾量(ET0)的比值表示。

Kc=(ET)/(ET0)

(4)

1.3.3 水分利用效率的计算 水分利用效率计算公式为[21]

WUE=Ya/ETa

(5)

式中，WUE为水分利用效率(kg·m-3)；Ya为皮棉产量(kg·hm-2)；ETa为生育期间实际耗水量(mm)。

1.3.4 产量测定与考种 棉花成熟后进行田间调查统计，各试验处理小区选择5个面积为1 m2的区域考种，收花2～3次，并用小型轧花机脱籽。

1.3.5 生育期动态记载及数据处理 采用直尺测量生育期株高、叶面积，采用SPAD-502Plus便携式叶绿素仪测定叶绿素相对值，采用Excel 2007和SPSS 19.0软件进行数据处理分析。

2 结果与分析

2.1 膜下滴灌棉花生育期耗水规律

由表2不同试验处理棉花生育期耗水分析可知，总耗水量随灌水量增加而显著增大，各年份T4处理比T3、T2和T1处理分别高15.04%～13.00%、28.52%～27.24%和43.27%～37.40%，T3处理比T2和T1分别高17.48%～14.36%和34.14%～26.32%，T2处理比T1高20.64%～13.96%。

棉花生育期内耗水量随灌水量增加而增大，在出苗～现蕾、现蕾～开花、开花～吐絮阶段差异显著。出苗～现蕾阶段各年份T4处理耗水量比T3、T2和T1处理分别高25.07%～9.95%、34.61%～32.22%和56.38%～41.07%，T3处理比T2和T1处理分别高27.39%～10.76%和41.79%～28.53%，T2处理比T1处理高34.77%～9.88%。现蕾～开花阶段各年份T4处理耗水量比T3、T2和T1处理分别高11.15%～11.12%、26.73%～20.57%和42.80%～34.09%，T3处理比T2和T1处理分别高17.53%～10.70%和35.64%～25.89%，T2处理比T1处理高22.89%～12.03%。开花～吐絮阶段各年份T4处理阶段耗水量比T3、T2和T1处理分别高14.55%～14.50%、30.39%～25.19%和44.74%～32.84%，T3处理比T2和T1处理分别高18.53%～12.50%和35.33%～21.44%，T2处理比T1处理高20.62%～10.22%。

各处理生育期内耗水模数变化规律为：播种～出苗阶段耗水模数为1.70%～3.68%，出苗～现蕾阶段为13.22%～31.38%，现蕾～开花阶段为18.84%～32.47%，开花～吐絮阶段达最大值25.26%～34.60%，吐絮～收花阶段为14.56%～22.17%。各处理播种～出苗阶段耗水强度最小为0.86～1.88 mm·d-1；出苗～现蕾阶段耗水强度为1.04～3.25 mm·d-1，现蕾～开花阶段气温升高，植株生长旺盛，耗水强度为3.59～6.37 mm·d-1，开花～吐絮阶段，是营养和生殖生长并进期，耗水强度达最大为2.51～6.86 mm·d-1，吐絮～收花阶段，植株叶片逐渐凋零，耗水强度下降为1.87～4.69 mm·d-1，全生育期棉花平均日耗水强度变化范围为3.05～3.55 mm·d-1。

以上分析看出，棉花生育期总耗水量随灌水量增加而显著增大；不同处理在出苗～现蕾、现蕾～开花、开花～吐絮阶段耗水量差异显著，这是由于不同灌溉处理下总耗水量存在差异，且在开花～吐絮阶段不同灌溉处理间差异最大，说明这一时期棉花对水分需求最大。

2.2 气象因素变化规律

由表3可知，气象因素中平均温度、有效降雨、太阳辐射、相对湿度呈逐年增长趋势，2015年平均温度比前两年高7.3%～17.0%，有效降雨高2.5%～22.8%，太阳辐射高1.57%～12.1%，相对湿度高15.0%～23.5%。平均温度和太阳辐射的峰值出现在现蕾～开花阶段，有效降雨和相对湿度的峰值出现在吐絮～收花阶段，风速的峰值出现在播种～出苗阶段。

2.3 气象因素对棉花生育期需水量的影响

为分析气象因素对棉花需水量的影响，采用Pearson相关分析法，对2013—2015年气象要素与棉花生育期需水量进行相关分析，由表4结果看出，不同气象要素与各生育期需水量的相关关系不同，太阳辐射、风速在播种～出苗、吐絮～收花阶段与需水量呈正相关关系，相对湿度在出苗～现蕾阶段与需水量呈负相关，平均温度在现蕾～开花、开花～吐絮阶段与需水量呈正相关，相关性显著(P≤0.05)。由于处理在雨棚下试验，有效降雨因素影响不显著。为深入研究影响需水量变化的主要气象因素，采用线性逐步回归的方法分析了气象因素变化与棉花需水量之间的关系，其中平均温度的变化对其影响最为突出，线性回归方程的决定系数均达到0.74。

2.4 作物系数分析

三年间棉花各处理作物系数的变化规律见表5，年际作物系数随灌水定额增加而增大，其值在0.56～1.08之间变化，各生育阶段作物系数变化为：播种～出苗阶段作物系数0.23～0.50，出苗～现蕾阶段作物系数0.25～0.76，现蕾～开花阶段作物系数0.78～1.33，开花～吐絮阶段作物系数在0.72～1.64，吐絮～收花阶段作物系数0.62～1.19。综合分析表明，三年间作物系数开花～吐絮阶段最大，其值为1.13，播种～出苗作物系数最小，其值为0.31。

表2 2013—2015年不同处理棉花耗水规律

注：不同小写字母表示同一时期不同灌溉处理差异显著(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年棉花不同生育期气象要素变化

表4 棉花不同生育阶段灌溉需水量与气象要素的相关系数

注：*为0.05水平(双侧)上显著相关。 Note: Significant correlation at theP<0.05 level (bilateral).

表5 2013—2015年不同处理条件下棉花各生育阶段作物系数

由图1可知，生育期内作物系数呈单峰变化，不同年份峰值出现时期不同，2013、2014年峰值出现在开花～吐絮阶段，2015年峰值出现在现蕾～开花阶段。通过分析气象数据可知，2015年现蕾～开花阶段最高气温达45.2℃，受气温影响，此阶段棉花参考作物蒸腾量与实际耗水量相关性较大，同时该阶段耗水量分别比2013、2014年同期高37.93%、15.01%，耗水强度也高于其它年份。受灌水量影响，T4的实际蒸发蒸腾量高于其它处理，在全生育期内，相应阶段的作物系数也高于其它处理。

2.5 生理指标分析

表6为各处理棉花株高、叶面积指数和叶绿素测定结果，各处理苗期～花铃期，株高与叶面积指数随灌水量增大而增加，吐絮期略有降低，随后保持平稳，全生育期呈单峰变化，峰值出现在花铃期。叶绿素峰值出现在蕾期，此时是棉花营养生长最旺盛时期。T3处理叶面积指数高于其它处理，较高叶面积指数提高了棉花光合作用，有利于生殖生长阶段有机物的积累。

2.6 水分生产率分析

表7为2013—2015年灌水量与产量、水分利用率分析结果，可以看出，不同灌水量处理棉花产量差异较显著。三年最高产量对应灌水定额均为450 m3·hm-2，最低产量灌水定额为300 m3·hm-2，T3处理比T4、T2和T1处理产量分别高6.18%～1.82%、11.38%～9.67%和25.92%～11.39%。各处理产量与生育期灌水量呈二次曲线关系，随灌水量的增加产量先增后减，经优化分析棉花生育期灌水量496～605 m3·hm-2，产量可达2 280～2 400 kg·hm-2。水分生产率随灌水量增加而降低，变幅0.65～0.34 kg·m-3之间。

图1 不同处理条件下棉花各生育期作物系数

表7 2013—2015年不同处理下棉花灌水量、耗水量、产量和水分生产率

3 结 论

1) 棉花全生育期总耗水量随灌水量增加而增大，不同年份各试验处理间耗水量变化较大；生育阶段耗水量，不同处理在出苗～现蕾、现蕾～开花、开花～吐絮阶段耗水量差异明显，这是由于不同灌溉处理和年际气象因素对总耗水量影响较大，开花-吐絮阶段不同灌溉处理对棉花生长差异影响最大，说明这一时期水分需求敏感。

2) 气象要素对棉花生育期需水量影响，太阳辐射、风速在播种～出苗、吐絮～收花阶段与需水量呈正相关关系，相对湿度在出苗～现蕾阶段与需水量呈负相关关系，气温在现蕾～开花、开花～吐絮阶段与需水量呈正相关关系。全生育期气温变化对作物需水量影响最大，线性回归方程相关系数均达到0.74。

3) 棉花皮棉产量与全生育期灌水量呈二次抛物线关系，经优化分析达到2 280～2 400 kg·hm-2，相应灌水量为496～605 mm，水分生产率为0.48～0.37 kg·m-3。

4) 棉花作物系数大小表现为：开花～吐絮>现蕾～开花>吐絮～收花>出苗～现蕾>播种～出苗，全生育期呈单峰变化，表现为先增后减规律，作物系数峰值出现在开花～吐絮期，其值为1.13。播种～出苗期最小，其值为0.31。

5) 生育期内棉花株高、叶面积指数和叶绿素含量，整体趋势为先增后减，最终保持平稳。株高和叶面积指数与灌水量呈正比，随灌水量增大而增加，峰值出现在花铃期，叶绿素含量峰值出现在蕾期。

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

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