閆映宇

(新疆維吾爾自治區(qū)水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站, 烏魯木齊 830000)

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塔里木灌區(qū)膜下滴灌的棉花需水量及節(jié)水效益

閆映宇

(新疆維吾爾自治區(qū)水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站, 烏魯木齊 830000)

為了確定適宜的灌溉制度，2008年通過田間灌溉試驗(yàn)，采用水量平衡法研究了塔里木灌區(qū)膜下滴灌棉花需水和耗水規(guī)律。以田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，擬合了棉花的水分生產(chǎn)函數(shù)模型，分析評價(jià)了膜下滴灌棉花的節(jié)水效益。結(jié)果表明：塔里木灌區(qū)膜下滴灌棉花需水量為543 mm，其中苗期252 mm，蕾期186 mm，花鈴期316 mm，吐絮期139 mm。隨滴灌量減小，耗水量減小。滴灌量影響棉花各生育階段的耗水量及產(chǎn)量，并不影響耗水比例。相應(yīng)于灌溉水利用效率最高點(diǎn)的滴灌量要低于產(chǎn)量最高點(diǎn)的，因此節(jié)水與增產(chǎn)產(chǎn)生矛盾，僅從節(jié)水角度考慮，滴灌量為3 091 m3/hm2時(shí)，可以達(dá)到最大灌溉水利用效率，要獲得最大產(chǎn)量，滴灌量應(yīng)滿足3 464 m3/hm2。與漫灌相比，膜下滴灌節(jié)水增產(chǎn)效益明顯。在同一灌溉量下，膜下滴灌增產(chǎn)30.2%，灌溉水利用效率提高30.2%，在同一產(chǎn)量水平下，節(jié)水29.3%，灌溉水利用效率提高41.5%。

棉花需水量; 棉花耗水量; 節(jié)水效益; 膜下滴灌

膜下滴灌是新疆綠洲農(nóng)業(yè)最為有效的節(jié)水灌溉技術(shù)，因其具有顯著的節(jié)水、保溫、抑鹽、增產(chǎn)效果，在新疆棉田中已獲得大面積推廣應(yīng)用。由于滴灌特有的介面特征，顯現(xiàn)出在水鹽運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)移變化特點(diǎn)、脫鹽程度等方面與傳統(tǒng)和單一的灌溉方式有著明顯不同的特點(diǎn)，膜下滴灌棉田水鹽運(yùn)移規(guī)律受到廣大學(xué)者的廣泛關(guān)注。國內(nèi)已對滴灌條件下的土壤水分運(yùn)動規(guī)律及影響因素、濕潤體運(yùn)移的影響因素進(jìn)行了深入研究[1-8]。棉花膜下滴灌土壤鹽分運(yùn)移規(guī)律、分布及累積特征等方面研究也取得了重要進(jìn)展[9-11]。孫林等[12]還對長期滴灌棉田土壤鹽分演變趨勢進(jìn)行了預(yù)測。汪有科等[13]對節(jié)水增產(chǎn)灌溉模式也進(jìn)行了探討。由于膜下滴灌已經(jīng)改變了以往的水分運(yùn)移規(guī)律，普通灌溉條件下的作物需水規(guī)律和灌溉制度不能照搬于膜下滴灌，然而目前對于人們更加關(guān)心的膜下滴灌棉花需水耗水規(guī)律、節(jié)水增產(chǎn)效益、適宜灌溉制度等方面的研究還不足。學(xué)者對北疆膜下滴灌棉花需水規(guī)律、耗水規(guī)律及灌溉制度的研究取得了一些成果[14-15]。南疆地區(qū)作物需水規(guī)律的研究主要針對普通灌溉方式進(jìn)行，通過長期研究建立了一些作物需水量計(jì)算模型[16-17]。但對膜下滴灌棉花需水規(guī)律及灌溉制度的研究極少，劉新永等[18]對南疆膜下滴灌棉花耗水規(guī)律以及灌溉制度進(jìn)行了研究，但仍無法滿足整個(gè)南疆地區(qū)膜下滴灌棉花種植推廣的需要。全面了解膜下滴灌棉花需水耗水規(guī)律、對比分析不同灌溉方式用水效率、節(jié)水效益等對于節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展、加強(qiáng)水資源的集約管理、水分利用效率的提高和棉花產(chǎn)量的模擬預(yù)測等均具有重要意義和作用。但在水資源匱乏的南疆地區(qū)有關(guān)膜下滴灌棉田需水規(guī)律、灌溉制度及棉花水分生產(chǎn)函數(shù)，尤其是不同灌溉方式水分利用效率、節(jié)水效益的對比研究目前還很欠缺。為此，本文擬通過不同灌溉量的田間小區(qū)試驗(yàn)，利用水分動態(tài)監(jiān)測資料，基于水量平衡原理，研究塔里木灌區(qū)膜下滴灌棉花生育期的耗水規(guī)律，從而確定膜下滴灌棉田水均衡及各要素間的轉(zhuǎn)化關(guān)系；建立膜下滴灌、普通漫灌棉花產(chǎn)量與灌水量的定量關(guān)系，對比分析膜下滴灌的節(jié)水效益，為塔里木灌區(qū)科學(xué)合理的灌溉及有限水資源的合理配置提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2005—2012年在中國科學(xué)院阿克蘇農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站(40°37′N，80°45′E)進(jìn)行。該地氣候?qū)儆谂瘻貛Ц珊禋夂?，年平均氣?1.2℃，與同緯度地區(qū)相比，夏季溫度偏高、冬季溫度偏低、春秋季節(jié)氣溫變化劇烈。年降水量45.7 mm，年水面蒸發(fā)量2 500 mm，無霜期207 d，全年日照時(shí)數(shù)2 940 h，年太陽輻射總量6 000 MJ/m2。試驗(yàn)地土壤為粉砂壤土。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，灌溉量共設(shè)6個(gè)水平，分別為：4 265 m3/hm2(Ⅰ)，3 926 m3/hm2(Ⅱ)，3 600 m3/hm2(Ⅲ)，3 271 m3/hm2(Ⅳ)，2 947 m3/hm2(Ⅴ)，2 618 m3/hm2(Ⅵ)，每處理4次重復(fù)，小區(qū)面積389.2 m2。供試棉花品種為中棉49，株行距采用寬窄行配置[(10+65+10+60)cm]，即1膜種植4行棉花，窄行距10 cm，寬行距65 cm，膜間距60 cm，株距均為10 cm。4月28日播種，播種前施磷酸二銨450 kg/hm2作基肥。全生育期灌溉采用滴灌模式，滴灌帶鋪設(shè)在寬行中央，每7天滴灌1次，每次灌溉持續(xù)7～11 h，6月24日(蕾期)第1次灌水，共灌水10次。在第3～6次灌溉時(shí)，隨水追施尿素450 kg/hm2，磷酸二氫鉀150 kg/hm2。

1.3研究方法

1.3.1土壤水分觀測在不同水分處理棉花寬行、窄行、膜間分別埋設(shè)中子管，用中子水分儀(CNC503DR)測定0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm土層的土壤含水量。每隔2 d測定1次，滴灌前后加測。為了解決中子儀測定表層土壤水分不準(zhǔn)確的問題，利用烘干法對中子儀進(jìn)行標(biāo)定。

1.3.2參考作物蒸散量ET0的確定采用FAO(Smith，1991)推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算參考作物蒸散量ET0[19]：

(1)

式中：ET0——參考作物蒸散量(mm)；Rn——作物表層的凈輻射量[MJ/(m2·d)]；G——土壤熱通量[MJ/(m2·d)]，T——日平均溫度(℃)；u2——2 m高度的日平均風(fēng)速(m/s)；ea-ed——飽和水汽壓差(kPa)；Δ——飽和水氣壓—溫度曲線上的斜率(kPa/℃)；γ——干濕表常數(shù)(kPa/℃)。根據(jù)阿克蘇試驗(yàn)站全年氣象資料，通過上式計(jì)算得到參考作物蒸散量ET0。

1.3.3膜下滴灌棉花需水量ETc及作物系數(shù)Kc確定方法棉花需水量與其影響因素之間的數(shù)學(xué)模型如下：

ETc=Kc×ET0

(2)

式中：ETc——作物需水量(mm)；ET0——參考作物蒸散量(mm)；Kc——作物系數(shù)。首先計(jì)算出參考作物蒸散量ET0，再在充分濕潤的土壤條件下實(shí)測作物需水量ETc，二者的比值即為膜下滴灌條件下的棉花系數(shù)Kc。

1.3.4膜下滴灌棉花耗水量確定方法根據(jù)農(nóng)田水量平衡原理[20]，膜下滴灌棉田水量平衡簡化式為：

ET=I-(W2-W1)-BW

(3)

式中：ET——棉花耗水量(mm)；W1——時(shí)段初100 cm土體儲水量(mm)；W2——時(shí)段末100 cm土體儲水量(mm)；I——灌水量(mm)；BW——根系層(100 cm)下界面水分交換量(mm)，取向下為正。由公式(3)計(jì)算棉花耗水量，根系層界面通量由達(dá)西定律計(jì)算。

1.3.5數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)采用單因子方差分析(One-way ANOVA)，如果ANOVA結(jié)果顯著，再用最小顯著差數(shù)法(LSD)對各處理進(jìn)行兩兩配對多重比較。所有統(tǒng)計(jì)分析均采用Excel和SPPS 13.0完成。

2　結(jié)果與分析

2.1膜下滴灌棉花耗水量與耗水規(guī)律

由表1看出，滴灌量對棉花耗水量的影響顯著，隨滴灌量減小，棉花總耗水量減小。由于苗期土壤水分一致，各處理耗水量基本相同，從蕾期開始經(jīng)過灌水處理，耗水量隨滴灌量減小而減小。各處理棉花花鈴期耗水量最大，其次是蕾期，苗期和吐絮期較小。各處理棉花的日耗水強(qiáng)度，苗期差異不明顯，其值為1.2～1.3 mm/d；蕾期以后日耗水強(qiáng)度增大，并隨滴灌量的增加而增大。蕾期各處理在2.5～3.3 mm/d；進(jìn)入花鈴期后，日耗水強(qiáng)度達(dá)到最大值，其值在3.7～5.5 mm/d變化；吐絮期又降低，約1.4～2.2 mm/d?？梢?，膜下滴灌棉花花鈴期是其生育期中耗水強(qiáng)度最大的階段，耗水量占全生育期耗水總量的50%之多，其次是蕾期，苗期和吐絮期最小。

表1　不同水分處理棉花各生育階段的耗水量

注：不同小寫字母表示處理間差異達(dá)顯著水平(p<0.05),下表同。

由表2可以看出，各階段耗水量占總耗水量的百分?jǐn)?shù)(模系數(shù))差異顯著，苗期最小，在8.9%～12.5%；花鈴期達(dá)到最大值51.6%～53.8%，蕾期為15.4%～16.8%，吐絮期為19.1%～22.5%，但處理之間差異不明顯。說明滴灌量只影響棉花耗水量，并不影響各階段的耗水比例。

表2不同水分處理棉花各生育階段的耗水比例%

生育時(shí)期時(shí)間/d耗水比例ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ苗期438.9±2.19.5±2.210.0±2.010.6±1.410.8±1.312.5±1.5蕾期3015.9±0.516.2±0.815.4±1.016.2±0.616.8±0.816.8±1.1花鈴期6153.8±2.351.8±2.353.0±2.050.7±1.552.6±2.151.6±1.2吐絮期6021.4±1.922.5±2.521.6±1.222.5±2.619.8±1.319.1±1.9全生育期194100.0100.0100.0100.0100.0100.0

2.2膜下滴灌棉花需水量和需水規(guī)律

從表3可以看出，膜下滴灌棉花全生育期需水量為543.2 mm。不同生育階段，需水量差異顯著。苗期最小為54.4 mm，占生育期總需水量的10.0%，需水強(qiáng)度1.3 mm/d；花鈴期最大為288.0 mm，占生育期總需水量的53.0%，需水強(qiáng)度4.7 mm/d；蕾期需水量83.5 mm，占生育期總需水量的15.4%，需水強(qiáng)度2.8 mm/d；吐絮期需水量117.3 mm，占生育期總需水量的21.6%，需水強(qiáng)度1.9 mm/d。

2.3膜下滴灌棉花水分生產(chǎn)函數(shù)

膜下滴灌棉花籽棉產(chǎn)量Y與生育期滴灌量I的關(guān)系如圖1所示。經(jīng)回歸分析得二者之間符合二次拋物線關(guān)系:

Y=-0.0026I2+18.015I-24845

(R2=0.9592，n=6)

(4)

為了分析灌溉效應(yīng)，引入灌溉平均產(chǎn)量AI和灌溉邊際產(chǎn)量MI兩個(gè)基本概念，且定義灌溉平均產(chǎn)量AI是指平均投入每單位灌水量所獲得的產(chǎn)量[21]，即灌溉水分利用效率；灌溉邊際產(chǎn)量MI是指增加單位灌水量所增加的產(chǎn)量，它是Y—I關(guān)系的一階導(dǎo)數(shù)，AI，MI的單位為kg/(hm2·m3)。

MI=dY/dI=18.015-0.0052I

(5)

AI=Y/I=18.015-0.0026I-24845/I

(6)

表3膜下滴灌棉花需水量及其規(guī)律

生育期(月-日)時(shí)間/d參考作物蒸散量/mm作物系數(shù)需水量/mm需水強(qiáng)度/(mm·d-1)模系數(shù)/%苗期(04-25—06-08)43251.9±7.0a0.22±0.003a54.4±1.4a1.3±0.03a10.0±2.0a蕾期(06-08—07-08)30186.0±6.0b0.45±0.010b83.5±1.7b2.8±0.06b15.4±1.0a花鈴期(07-08—09-07)61315.7±4.5c0.91±0.010c288.0±4.3c4.7±0.07c53.0±2.0a吐絮期(09-07—11-07)60139.3±6.1d0.84±0.03d117.3±3.1d1.9±0.05d21.6±1.2a全生育期194892.90.61543.22.7100.0

由圖1可見，3條曲線有兩個(gè)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)把Y—I曲線分為3段：第1個(gè)點(diǎn)是MI—I曲線與AI—I曲線的交點(diǎn)C，是平均產(chǎn)量曲線的最高點(diǎn)，該點(diǎn)邊際產(chǎn)量等于平均產(chǎn)量，灌溉水分利用效率最大為1.941 kg/(hm2·m3)，對應(yīng)的滴灌量為3 091 m3/hm2；第2個(gè)點(diǎn)是Y—I曲線的最高點(diǎn)D，該點(diǎn)邊際產(chǎn)量MI等于零，產(chǎn)量最大為6 360 kg/hm2，滴灌量為3 464 m3/hm2，灌溉水分利用效率為1.836 kg/(hm2·m3)。曲線第1段是從原點(diǎn)到D點(diǎn)，邊際產(chǎn)量大于平均產(chǎn)量，產(chǎn)量增加的幅度大于灌水量增加的幅度。屬于棉花水分極缺區(qū)，該段灌溉量的增加會顯著提高產(chǎn)量，因此只要水量允許，就應(yīng)予以投入；第2段是從C點(diǎn)到D點(diǎn)，雖然邊際產(chǎn)量大于零，但已小于平均產(chǎn)量，產(chǎn)量增加的幅度小于灌水量增加的幅度，屬于棉花水分缺乏調(diào)節(jié)區(qū)，調(diào)節(jié)滴灌量為3 091～3 464 m3/hm2，當(dāng)?shù)喂嗔窟_(dá)到3 464 m3/hm2時(shí)，產(chǎn)量最大。第3段是D點(diǎn)以后，邊際產(chǎn)量小于零，產(chǎn)量隨灌水量增大而減小，屬于奢侈灌溉區(qū)。

圖1　膜下滴灌棉花產(chǎn)量、平均產(chǎn)量、邊際產(chǎn)量與灌水量的關(guān)系

2.4膜下滴灌棉田節(jié)水效益

膜下滴灌及普通漫灌條件下，棉花產(chǎn)量與灌溉量的關(guān)系如圖2所示，經(jīng)回歸分析，均符合二次拋物線關(guān)系。膜下滴灌棉花產(chǎn)量與滴灌量的關(guān)系見公式(4)。普通漫灌棉花產(chǎn)量與灌溉量的關(guān)系式如下：

Y=-0.000973I2+7.5986I-9761.7

(R2=0.9672，n=6)

(7)

由圖2可以看出，灌溉量小于3 464 m3/hm2時(shí)，兩種灌溉方式棉花產(chǎn)量都隨灌溉量增加而增大，膜下滴灌棉花產(chǎn)量大于普通漫灌，并且增加幅度也大于普通漫灌，說明膜下滴灌棉花對灌溉水分的敏感性大于普通漫灌。灌溉量增加到3 464 m3/hm2(G點(diǎn))，膜下滴灌棉花產(chǎn)量達(dá)最大6 360 kg/hm2，灌溉水利用效率為1.836 kg/(hm2·m3)，此時(shí)普通漫灌棉花產(chǎn)量4 885 kg/hm2，灌溉水利用效率1.410 kg/(hm2·m3)，膜下滴灌增產(chǎn)30.2%，灌溉水利用效率提高30.2%。灌溉量在3 464～3 905 m3/hm2時(shí)，膜下滴灌棉花產(chǎn)量隨灌溉量增加而減小，而普通漫灌棉花產(chǎn)量隨灌溉量增加繼續(xù)增大，灌溉量增大到3 905 m3/hm2(H點(diǎn))時(shí)，普通漫灌棉花產(chǎn)量達(dá)最大5 074 kg/hm2，灌溉水利用效率為1.299 kg/(hm2·m3)。當(dāng)膜下滴灌棉花產(chǎn)量等于普通漫灌棉花的最大產(chǎn)量時(shí)，滴灌量為2 761 m3/hm2，灌溉水利用效率為1.838 kg/(hm2·m3)，比普通漫灌節(jié)水29.3%。灌水量大于3 905 m3/hm2后，兩種灌溉方式棉花產(chǎn)量都隨灌溉量增加而減小。兩種灌溉方式棉花產(chǎn)量都達(dá)到最大時(shí)，膜下滴灌棉花比普通漫灌節(jié)水11.3%，增產(chǎn)25.3%，灌溉水利用效率提高41.3%。

圖2　不同灌溉方式棉花滴灌量與產(chǎn)量關(guān)系

3　結(jié)論與討論

塔里木灌區(qū)膜下滴灌棉花全生育期需水量543 mm，苗期最小占生育期總需水量的10.0%，花鈴期最大占53.0%，蕾期占15.4%，吐絮期占21.6%。不同滴灌量下，棉花實(shí)際耗水量與需水量有差值，表現(xiàn)出不同程度的盈虧。滴灌量在3 600 m3/hm2時(shí)，水分供需平衡。滴灌量的大小直接影響棉花產(chǎn)量及灌溉水利用效率的高低，其關(guān)系符合二次拋物線，遵循“報(bào)酬遞減規(guī)律”。但產(chǎn)量的最高點(diǎn)與灌溉水利用效率的最高點(diǎn)并不一致，相應(yīng)于灌溉水利用效率最高點(diǎn)的滴灌量要低于產(chǎn)量最高點(diǎn)的滴灌量，因此節(jié)水與增產(chǎn)存在矛盾。僅從節(jié)水角度考慮，滴灌量為3 091 m3/hm2時(shí)，可以達(dá)到最大灌溉水利用效率，但此時(shí)棉花產(chǎn)量比最高產(chǎn)量降低5.7%。要獲得最大產(chǎn)量，滴灌量應(yīng)滿足3 464 m3/hm2。在滴灌量小于3 091 m3/hm2階段，屬于膜下滴灌棉花水分極缺區(qū)，若水資源允許，應(yīng)盡量予以投入；在滴灌量為3 091～3 464 m3/hm2階段，屬于水分缺乏調(diào)節(jié)區(qū)；在滴灌量大于3 464 m3/hm2階段，產(chǎn)量隨滴灌量增大而減小，屬于奢侈灌溉區(qū)。

在同一管理模式下，膜下滴灌棉花的最高產(chǎn)量大于普通漫灌，在二者都達(dá)到最高產(chǎn)量時(shí)，膜下滴灌棉花比普通漫灌節(jié)水11.3%，增產(chǎn)25.3%，灌溉水利用效率提高41.3%。在同一灌溉量(膜下滴灌棉花產(chǎn)量最大時(shí)的灌溉量)下，膜下滴灌比普通漫灌增產(chǎn)30.2%，灌溉水利用效率提高30.2%。在同一產(chǎn)量(漫灌棉花最大產(chǎn)量)下，膜下滴灌比普通漫灌節(jié)水29.3%，灌溉水利用效率提高41.5%，說明在目前普通漫灌棉花的產(chǎn)量水平及水資源利用條件下，采用膜下滴灌技術(shù)，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，有巨大的增產(chǎn)潛力，可大幅度提高灌溉水利用效率。從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，探索膜下滴灌的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及土壤鹽分發(fā)展趨勢，確定膜下滴灌技術(shù)適宜性評價(jià)指標(biāo)，從而建立干旱區(qū)綠洲節(jié)水農(nóng)業(yè)的生態(tài)安全及可持續(xù)性評估機(jī)制，是新疆乃至西北干旱區(qū)發(fā)展可持續(xù)節(jié)水農(nóng)業(yè)的根本要求。

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Cotton Water Requirements and Water Saving Benefit Under Mulched Drip Irrigation in Tarim Irrigated Area

YAN Yingyu

(GeneralStationofSoilandWaterConversationandEcoenvironmentalMonitoringofXinjiang,Urumqi830000,China)

The primary purpose of this research was to give suitable irrigation program according to the growth period and water requirement. A cotton field experiment with mulched drip irrigation was conducted in Tarim Irrigated Area of Xinjiang in 2008. Water balance method was adopted to investigate the water requirement and water consumption pattern of cotton under mulched drip irrigation in Tarim Irrigated Area. Statistical analysis of experimental data of irrigation indicates that the relationship between yield of cotton and irrigation presents a quadratic parabola. We fit the model of cotton water production on the basis of field experimental data of cotton. And the analysis on water saving benefit of cotton under mulched drip irrigation was carried out. Results indicate that water requirements for the irrigated cotton are 543 mm in Tarim Irrigated Area; the water requirement at the seedling stage is 252 mm, it is 186 mm at budding stage, it is 316 mm at bolling stage and it is 139 mm at wadding stage: the irrigation amount determines the spatial distribution of soil moisture and water consumption during cotton life cycle. However, water consumption at different growth stages was inconsistent with irrigation. Quantitatively, the water consumed by cotton decreases upon the increase of irrigation amount. From the perspective of water saving, the maximal water use efficiency can reach to 3 091 m3/hm2. But the highest cotton yield demands 3 464 m3/hm2irrigation water. In summary, compared to the conventional drip irrigation, a number of benefits in water saving and yield increase were observed when using plastic mulch. At the same amount of irrigation, the cotton yield with plastic mulch was 30.2% higher than conventional practices, and the efficiency of water utilization increased by 30.2%. While at the same yield level, 29.3% of water was saved by using plastic mulch, and the efficiency increased by 41.5%.

cotton water requirements; cotton water consumption; water saving Benefit; drip irrigation under mulching

2015-03-05

2015-03-16

973課題(2009CB421302);中國科學(xué)院創(chuàng)新項(xiàng)目(KZCX2-YW-127)

閆映宇(1982—),男,甘肅通渭人,碩士,工程師,主要從事土壤生態(tài)與環(huán)境及水土保持相關(guān)研究。E-mail:yyy_2009@126.com

S562； S274.3

A

1005-3409(2016)01-0123-05