陳 磊，喬長錄，何新林，王 艷

(1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2. 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點實驗室，新疆 石河子 832000)

蒸散(Evapotranspiration，ET)作為陸面水分和能量循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，對于深刻理解水文循環(huán)及陸面生態(tài)系統(tǒng)水文過程至關(guān)重要[1]。研究表明陸面降水約有70%通過蒸散返回大氣[2]，而在干旱區(qū)這數(shù)字可達(dá)到90%以上[3]。田間蒸散是農(nóng)田水文循環(huán)最基本環(huán)節(jié)之一，也是“土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)系統(tǒng)”中水分運(yùn)移的重要環(huán)節(jié)[4, 5]，確定田間蒸散過程是正確評價農(nóng)田水分狀況、科學(xué)確定農(nóng)田灌溉制度的關(guān)鍵依據(jù)[6]，也是水資源評價和區(qū)域水資源供需平衡計算不可缺少的基礎(chǔ)參數(shù)[7,8]。膜下滴灌是一種局部灌溉，在地膜覆蓋和滴灌技術(shù)的綜合效應(yīng)下，作物生長與常規(guī)條件下不同，田間蒸散過程和需水規(guī)律也必然會發(fā)生變化，呈現(xiàn)出新的特征[9]。目前學(xué)者對新疆綠洲區(qū)膜下滴灌棉花需水規(guī)律、耗水規(guī)律以及灌溉制度的研究取得了一些成果[10,11]。新疆地區(qū)作物需水規(guī)律的研究主要通過長期研究建立了一些作物需水量計算模型[12,13]。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[14]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，閆映宇[15]研究塔里木灌區(qū)膜下滴灌棉花的需水量與節(jié)水效益。但仍無法滿足整個新疆綠洲區(qū)膜下滴灌棉花種植推廣的需要。因此，需要對膜下滴灌條件下作物蒸散耗水規(guī)律作進(jìn)一步研究。

瑪納斯河(以下簡稱瑪河)綠洲位于流域中游，地處天山北坡經(jīng)濟(jì)帶和“一帶一路”經(jīng)濟(jì)帶的核心區(qū)，是新疆主要的產(chǎn)棉區(qū)，棉花種植面積占該區(qū)域作物播種面積的70%以上，其中80%以上采用膜下滴灌方式進(jìn)行灌溉[9,16]。目前，正在大力推廣機(jī)采棉種植模式，區(qū)域農(nóng)業(yè)在新疆農(nóng)業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)中處于舉足輕重的地位。雖然，膜下滴灌技術(shù)大面積推廣應(yīng)用已約有20 a。但是，由于氣候變化等因素的影響，瑪河流域綠洲膜下滴灌棉田的蒸散過程還不明確；在農(nóng)田灌排工程的規(guī)劃、設(shè)計和管理中，目前所采用的棉花需水模型仍然是常規(guī)條件下的模型，適合膜下滴灌條件的棉花需水模型的修正或新模型還尚未確定。因此，膜下滴灌棉田的蒸散過程亟須開展相應(yīng)研究，確定膜下滴灌條件下棉花需水模型，為綠洲農(nóng)田灌排工程的科學(xué)規(guī)劃、設(shè)計和管理，科學(xué)制定棉花灌溉制度，以及流域水資源的可持續(xù)開發(fā)和高效利用提供科學(xué)依據(jù)。農(nóng)業(yè)用水占瑪河流域可供水量的94.4%[17]，在水資源三條紅線下，農(nóng)業(yè)節(jié)水壓力依然很大。因此，本文研究對干旱缺水的瑪河流域的農(nóng)業(yè)節(jié)水、社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，以及綠洲的穩(wěn)定具有非常重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016年4-9月在石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗站進(jìn)行，該站位于瑪河流域中游綠洲灌區(qū)內(nèi)，地理位置處于85°59′47″E，44°19′28″N，屬中溫帶大陸性干旱氣候，年均日照時間為2 865 h，多年平均降雨量為207 mm、蒸散量為1 660 mm，晝夜溫差大，且氣溫季節(jié)性變化較大，無霜期為170 d。試驗區(qū)深度1 m內(nèi)土壤質(zhì)地為沙壤土，0～60 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量為22.31 mg/kg、堿解氮為62.01 mg/kg、速效磷為24.33 mg/kg、速效鉀為189.0 mg/kg、pH值為7.42。棉田蒸散量和入滲量由大型稱重式蒸滲儀(規(guī)格為2 m × 2 m × 2.3 m)進(jìn)行實時監(jiān)測，氣象數(shù)據(jù)由試驗站自動氣象站提供，該年為平水年，生育期降雨量見表1。

表1 2016年6-8月降雨量 mm

1.2 試驗設(shè)計

棉田蒸散監(jiān)測試驗采用大型稱重式蒸滲儀進(jìn)行，試驗棉田分別設(shè)置膜下滴灌與不覆膜滴灌(對比試驗)兩種方式，膜下滴灌覆膜率約為86%，忽略膜上打孔，其他條件均一致。種植模式采用綠洲灌區(qū)大力推廣的機(jī)采棉種植模式(一膜三管六行)，采用寬度為205 cm的地膜，滴灌毛管采用灌區(qū)內(nèi)常用的迷宮式單翼滴管帶，滴頭間距為30 cm，滴灌帶間距為76 cm，棉花采用手工播種，株距為10 cm，種植密度約為30 株/m2,具體布置如圖1所示。試驗棉田采用的灌溉定額為350 mm,全生育期灌水次數(shù)10次，灌水定額為35 mm左右；施肥與灌區(qū)實際生產(chǎn)保持一致，滴灌水量通過安裝在滴灌支管上的高精度水表進(jìn)行控制。

1.3 測試指標(biāo)及方法

(1)蒸散量的監(jiān)測。棉田蒸散量監(jiān)測采用QYZS-201大型稱重式蒸滲儀進(jìn)行實時監(jiān)測，該儀器稱重系統(tǒng)采用高分辨率位移傳感器，配置了智能信號傳感器和數(shù)據(jù)采集器，可同時監(jiān)測蒸散量和滲漏量隨時間的微小變化以及降水與光照等相關(guān)參數(shù)。同時，可自由設(shè)定采樣間隔，自帶備電，遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，做到了數(shù)據(jù)采集的高速化、準(zhǔn)確化。其中，分辨率≤0.03 mm水深，采集時間間隔設(shè)置為1 h。

(2)作物生長指標(biāo)。在棉花苗期選定測試棉花并進(jìn)行標(biāo)記，采用人工測量的方式在各個生育階段測定葉面積和株高，苗期每7天1次、蕾期和花鈴期每5天1次、吐絮期每12天1次進(jìn)行測定。葉面積利用YMJ-A便攜式葉面積儀進(jìn)行測量，計算葉面積指數(shù)(Leaf Area Index，LAI)[18]，具體計算公式為：

LAI=f(L,W)/S

(1)

式中：LAI為葉面積指數(shù)；S為單株作物所占地面積；f(L,W)為由葉長和寬計算葉面積的函數(shù)。

1.4 灌溉制度的確定

根據(jù)水量平衡的原理制定灌溉制度[19]：

ET=10γH(θ1-θ2)/S+M+P+K-C

(2)

式中：ET為計算時內(nèi)作物田間耗水量，mm；γ為土壤干容重，g/cm3；H為計劃濕潤層厚度，cm；θ1、θ2分別為土壤在時段初和時段末的含水率；M為時段內(nèi)灌水量或灌水定額，mm；P為時段內(nèi)降雨量，mm；K為時段內(nèi)地下水補(bǔ)給量，mm；C為時段內(nèi)排水量，mm。

灌水周期T[20]：

T=δM/ETa

(3)

式中：δ為灌水利用率；ETa為田間耗水率，mm/d。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)都使用Microsoft Excel 2010數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，使用Origin 8.5完成制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆膜方式下棉田蒸散量日變化特征

不同覆膜方式下棉田蒸散量日變化特征如圖2所示。由圖2可知，各生育期日蒸散量變化規(guī)律基本保持一致，大致呈倒“V”型分布，由于覆膜有效的阻礙了棵間蒸發(fā)，使不覆膜各時刻蒸散量大于膜下滴灌蒸散量，棉花各生育期日變化蒸散量均表現(xiàn)為：棉田不覆膜和膜下滴灌在0∶00-7∶00和21∶00-24∶00蒸散過程變化曲線比較穩(wěn)定，蒸散量接近于零。8∶00-20∶00蒸散量曲線先上升后下降，15∶00左右達(dá)到最大。

在苗期，由于棉花植株矮小，棉田蒸散量以棵間蒸發(fā)為主，棉田膜下滴灌蒸散量較不覆膜降低34.69%；到了蕾期，棉花迅速生長發(fā)育，葉片面積明顯增大，棉田蒸散明顯大于苗期，膜下滴灌蒸散量較不覆膜降低29.30%，花鈴期是棉花生長發(fā)育最旺盛時期同時也是棉田蒸散量最大的時期，膜下滴灌蒸散量較不覆膜降低27.05%；吐絮期棉花營養(yǎng)生長趨于停止，生育生長也慢慢減緩，葉面積逐漸減小，棉田蒸散量也隨之減小，膜下滴灌蒸散量較不覆膜降低30.21%。研究表明，整個生育期膜下滴灌蒸散量較不覆膜平均降低30.31%，苗期表現(xiàn)最為明顯。

圖2 各生育期日蒸散量變化過程Fig.2 Variation process of daily evapotranspiration in different growth stages

2.2 不同覆膜方式下棉田全生育期蒸散過程變化特征

不同覆膜方式下棉田蒸散過程變化特征如圖3和表2所示。由圖3和表2可以看出，不同覆膜方式下在蒸散量變化幅度上存在差異但變化趨勢基本保持一致。由于膜下滴灌能夠有效抑制棵間蒸發(fā)，所以膜下滴灌種植方式其蒸散量變化曲線始終位于不覆膜方式下方。

苗末期至吐絮初期，膜下滴灌總蒸散量是397.54 mm，不覆膜總蒸散量是542.02 mm。與不覆膜相比膜下滴灌條件下蒸散量降低了26.65%。其中苗期植株葉面積指數(shù)較小，棉田耗水以棵間蒸發(fā)為主，膜下滴灌與不覆膜方式蒸散強(qiáng)度均較弱，分別為2.84、3.98 mm/d，階段耗水模數(shù)分別為3.57%、3.68%，階段覆膜方式較不覆膜方式蒸散量降低28.71%；進(jìn)入蕾期后，棉花迅速生長，葉面積指數(shù)逐漸增大，葉片對土壤覆蓋率增加，棉花蒸騰成為主要耗水指標(biāo)，棉田土壤蒸發(fā)逐漸減小，但蒸散強(qiáng)度比苗期高，分別為4.48、6.14 mm/d，階段耗水模數(shù)分別為31.56%、31.72%，階段覆膜方式較不覆膜方式蒸散量降低27.04%；花鈴期的蒸散強(qiáng)度最高，膜下滴灌與不覆膜方式下蒸散量分別達(dá)到4.89、6.65 mm/d，階段耗水模數(shù)分別為60.33%、60.08%，階段覆膜方式較不覆膜方式蒸散量降低26.35%；吐絮期，由于溫度降低，凈輻射減小，葉片衰老，還受到土壤含水量的制約，蒸散強(qiáng)度低于蕾期和花鈴期而高于苗期，膜下滴灌與不覆膜處理蒸散量分別為3.61、4.90 mm/d，階段耗水模數(shù)分別為4.54%、4.52%，階段覆膜方式較不覆膜方式蒸散量降低26.38%。膜下滴灌的日蒸散量最高為6.43 mm，最低為2.14 mm，日平均蒸發(fā)量為4.57 mm；不覆膜方式下日蒸散量最高為8.95 mm，最低為3.22 mm，日平均蒸發(fā)量為6.23 mm。通過分析發(fā)現(xiàn)：花鈴期蒸散量>蕾期蒸散量>吐絮初期蒸散量>苗末期蒸散量，花鈴期是整個棉花生育內(nèi)耗水量最大的時期，超過了其他生育期的總和，隨著生育期蒸散量的變化，作物的耗水隨之變化，從而導(dǎo)致需水量變化，并且同時期不覆膜處理蒸散量大于膜下滴灌處理。

圖3 不同覆膜方式棉田蒸散量Fig.3 Evapotranspiration in cotton field with different mulching methods

生育期日期覆膜方式實際蒸散量/mm蒸散強(qiáng)度/(mm·d-1)階段覆膜較不覆膜節(jié)水百分比/%各階段耗水模數(shù)/%苗末期20160604-20160608覆膜不覆膜14.2019.922.843.9828.713.573.68蕾期20160609-20160706覆膜不覆膜125.45171.944.486.1427.0431.5631.72花鈴期20160707-20160824覆膜不覆膜239.85325.664.896.6526.3560.3360.08吐絮初期20160825-20160829覆膜不覆膜18.0424.503.614.9026.384.544.52合 計20160604-20160829覆膜不覆膜397.54542.024.576.2326.65100.00100.00

綠洲不同覆膜方式棉田蒸散所需的水分主要由農(nóng)田灌溉提供，同時也會受到降雨的影響，降雨期間會使蒸散量曲線下降，隨后蒸散曲線隨之上升 (圖3)，由于降雨造成相對濕度的顯著增加同時降低田間溫度，減小蒸發(fā)，耗水量降低，從而需水量減小。說明降雨對作物需水量有一定的影響。由圖3可知，7月23日有降雨。因此，選取7月22日(降雨前)和7月24日(降雨后)對不同覆膜方式實際蒸散日變化監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析(圖4),說明降雨量對蒸散量的影響。

圖4 不同覆膜方式降雨前后蒸散量對比Fig.4 Comparison of evapotranspiration before and after rainfall with different film mulching methods

通過圖4可以看出，降雨前后膜下滴灌的蒸散量始終小于不覆膜的蒸散量，不同覆膜方式均表現(xiàn)為：降雨后的蒸散量明顯高于降雨前的蒸散量，降雨前的蒸散量在夜間均有負(fù)值出現(xiàn)，降雨后的蒸散量都大于零。根據(jù)日變化的數(shù)據(jù)來看，降雨前后膜下滴灌蒸散量增加了30.13%，不覆膜降雨前后蒸散量增加了21.56%，降雨后膜下滴灌蒸散量較不覆膜方式降低27.58%。研究表明，降雨對不同覆膜方式的蒸散均具有促進(jìn)作用。

2.3 對不同生育期株高葉面積的影響

棉花的生長狀況可通過棉花的葉面積和株高生長指標(biāo)進(jìn)行體現(xiàn)[21]。在相同補(bǔ)水條件下，蒸散量直接影響棉花的株高和葉面積。不覆膜種植棉田蒸散量大，土壤含水量低，土壤中毛管傳導(dǎo)率減小，根系吸水率降低，供水不足，作物遭受水分脅迫，株高和葉面積受到影響。膜下滴灌能有效地減小蒸散量，為作物的器官和個體生長發(fā)育提供相對充足的水分。

不同覆膜方式下，滴灌棉花植株高度隨時間變化過程見圖5(a)。由圖5(a)可知，苗期(6月8日)，膜下滴灌棉花高度比不覆膜高出10.88 cm。蕾期(7月6日)高出19.49 cm，花鈴期(8月3日)高出13.55 cm，吐絮期(8月26日)高出15.02 cm。膜下滴灌植株高度比不覆膜平均增加了25.09%。表明膜下滴灌可以為棉花生長提供相對充足的水分，提高棉花營養(yǎng)發(fā)育，加快棉花的生長速度。

圖5 不同覆膜方式對株高葉面積的影響Fig.5 The effect of different film mulching methods on high and leaf area of plant

不同覆膜方式下，棉花的葉面積指數(shù)的變化趨勢基本一致，如圖5(b)所示。苗期(6月8日)棉花的葉面積增長緩慢，由于苗期只灌出苗水，后期沒有降雨，太陽輻射較強(qiáng)，土壤溫度高，棉花生長所需水受到限制，膜下滴灌比不覆膜方式葉面積增加56.33%，此時葉面積指數(shù)LAI較小，蒸散強(qiáng)度弱，蒸散量主要以土壤蒸發(fā)為主；蕾期(6月9日-7月6日)棉田灌水量有所增加，棉花生長發(fā)育迅速，葉面積指數(shù)LAI明顯增大，蒸散量也隨之增加，此時的蒸散量、葉面積增加速度也最快，膜下滴灌葉面積較不覆膜方式增加41.52%；花鈴期(7月7日-8月24日)是棉花生殖生長最旺盛時期，葉面積指數(shù)LAI達(dá)到最大，此時的棉田蒸散量以作物蒸騰作用為主，也是整個生育期蒸散量最大時期，膜下滴灌葉面積較不覆膜增加了24.25%；吐絮期(8月25日-8月29日)棉花營養(yǎng)生長趨于停止，生育生長也慢慢減緩，葉面積逐漸減小，葉面積指數(shù)LAI降低，蒸散量也是隨之降低，膜下滴灌葉面積較不覆膜方式增加26.67%。研究發(fā)現(xiàn)：整個生育期不同覆膜方式的葉面積指數(shù)LAI和蒸散量的變化趨勢基本保持一致，而各個生育期膜下滴灌的蒸散量小于不覆膜方式，膜下滴灌的葉面積指數(shù)LAI大于不覆膜方式。LAI升高促使蒸散量增加，LAI降低促使蒸散量減少。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對LAI與蒸散量進(jìn)行相關(guān)分析(圖6)，結(jié)果表明覆膜條件下和不覆膜條件下LAI與蒸散量相關(guān)系數(shù)均較低，相關(guān)性不顯著。

圖6 不同覆膜方式蒸散量與LAI相關(guān)性Fig.6 Correlation between evapotranspiration and LAI in different film mulching methods

2.4 膜下滴灌灌溉制度的確定

膜下滴灌棉花根區(qū)土壤水分消耗深度為60 cm，在計算灌水定額時H一般取40～60 cm[22]，由于試驗區(qū)地下水較深，K=0；膜下滴灌灌水深度與耗水深度一致，故，C=0。通過監(jiān)測灌水前土壤含水量及田間氣象數(shù)據(jù)，可根據(jù)公式(2)、(3)計算出膜下滴灌棉各生育階段的灌水定額與灌水周期，其中γ=1.45 g/cm3,δ=0.9。膜下滴灌灌溉制度為：苗期每次灌水定額為21.6 mm，每15 d灌一次；蕾期每次灌水定額為33.6 mm，每8 d灌一次；花鈴期每次灌水定額為38.1 mm，每7 d灌一次；吐絮期每次灌水定額為27 mm，每18 d灌一次，吐絮期為促使棉花早豐收，實際灌水量應(yīng)小于理論灌水量。

3 討 論

棉花生育期耗水的主要方式是蒸散發(fā)，棉田的蒸散由土壤蒸發(fā)和作物蒸騰組成。而在棉花生長過程中，水量平衡是一個重要的計算指標(biāo)[23]。慕彩蕓等[11]研究表明覆膜滴灌對棉花蒸散量的影響比較顯著,本試驗條件下研究發(fā)現(xiàn)苗末期至吐絮初期，膜下滴灌總蒸散量是397.54 mm，膜下滴灌的蒸散量較不覆膜方式降低26.5%，這與本研究結(jié)果相似；李洋等[24]認(rèn)為降雨對蒸散量有明顯效果，降雨后蒸散量比降雨前實際蒸散量明顯增加。本研究結(jié)果表明：降雨后的蒸散量明顯高于降雨前的蒸散量，降雨前后膜下滴灌的蒸散量始終小于不覆膜的蒸散量，這與本研究結(jié)果一致；同時還可以得出降雨后膜下滴灌蒸散量較不覆膜方式降低27.58%，說明降雨后覆膜方式對降低蒸散量有促進(jìn)作用。

劉凈賢[16]通過試驗表明，葉面積指數(shù)LAI是影響作物蒸散量的主要生物因子；在棉花花鈴期和蕾期表現(xiàn)最為明顯。本試驗條件下，LAI顯著影響棉花土壤蒸散量，花鈴期最為顯著，而LAI對苗期、吐絮期的蒸散量影響較小，這與本研究結(jié)果類似，同時LAI的升高能促使蒸散量升高，LAI降低會引起蒸散量的降低，這與柳藝博[25]等研究結(jié)果相似。并且，本試驗還得出膜下滴灌LAI大于不覆膜。郭春明等[26]研究表明，葉面積指數(shù)在很大程度上影響蒸散量，蒸散量與葉面積指數(shù)存在顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，而本試驗條件下蒸散量與葉面積的線性正相關(guān)性關(guān)系較低，與其研究結(jié)果不一致這可能與作物本身的生長狀況、灌水制度、太陽輻射等氣象因子的差異有關(guān)。對于生長指標(biāo)而言，覆膜滴灌降低了土壤水分蒸發(fā)，起到蓄水保墑的作用[27]，可為作物生長貯存更多的土壤水分[28]。本試驗條件下不同覆膜方式對棉花的株高和葉面積有不同的影響，膜下滴灌處理下棉花株高、葉面積生長優(yōu)于不覆膜處理，這與王順霞[29]研究結(jié)果相同。

閆映宇[15]采用水量平衡法對新疆綠洲區(qū)膜下滴灌棉花需水量和耗水量研究表明花鈴期需水量最大而吐絮期需水量最小，這與本文的研究結(jié)果一致。同時本試驗條件下還得出同時期不覆膜處理下棉花需水量大于膜下滴灌處理。翟超等[30]研究發(fā)現(xiàn)作物的需水量受到蒸散量的影響，蒸散量增加，作物耗水增多，需水量增加，這與本文的研究結(jié)果一致。并且，本試驗還可以得出膜下滴灌有利于生育期內(nèi)棉花耗水量降低，減少棉花需水量，節(jié)約水資源。杜加強(qiáng)等[31]研究表明，降雨對作物需水量有一定的影響，由于相對濕度的顯著增加造成土壤濕度增加，同時降低田間溫度，減小蒸發(fā)，耗水量降低，從而需水量減小，這與本研究結(jié)果相同。

作物蒸散量不僅與生育期有關(guān), 同時受生態(tài)系統(tǒng)、多種環(huán)境因子和氣象因子[32]共同制約： 除了葉面積指數(shù)等生物因子[33]，還包括土壤含水量、空氣相對濕度、氣溫等非生物環(huán)境因子。而本試驗僅在田間定點監(jiān)測1 a,在接下來的試驗中將繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。

4 結(jié) 語

膜下滴灌對于棉花的生長過程和棉田蒸散有著重要的影響，通過蒸滲儀、田間氣象站連續(xù)監(jiān)測膜下滴灌與不覆膜棉田蒸散過程和棉花的生長過程，分析了棉田蒸散與棉花的生長規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)：苗期，膜下滴灌與不覆膜蒸散強(qiáng)度較弱，覆膜使蒸散量降低28.71%，進(jìn)入蕾期后，蒸散強(qiáng)度比苗期高，覆膜使蒸散量降低27.04%；花鈴期蒸散強(qiáng)度最高，覆膜使蒸散量降低26.35%；吐絮期，蒸散強(qiáng)度低于蕾期和花鈴期而高于苗期，覆膜使蒸散量降低26.38%。蒸散量會受到降雨的影響，降雨對蒸散有促進(jìn)作用。膜下滴灌能夠有效地抑制棉花的棵間蒸發(fā)，節(jié)約水分，從而提高了水分的利用效率，使得覆膜條件下的株高和葉面積均大于不覆膜。本文根據(jù)膜下滴灌的蒸散量確定了棉田灌溉制度，可為實際生產(chǎn)提供參考。

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