基于參考作物法的瑪河灌區棉花耗水強度研究

曹玉斌，何新林，呂廷波，辛明亮，王萌萌，石培君

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2. 現代節水灌溉兵團重點試驗室，新疆 石河子 832000)

長期以來棉花耗水規律的研究一直備受學者們的關注，王海艷等[1]針對不同水文年和不同生育階段作物耗水強度不同的問題，認為計算前應先對計算區域歷年降雨排頻尋找典型年，并在計算中確定作物不同階段日均耗水強度；H. J. Farahani等[2]在敘利亞北部棉花種植區域開展試驗研究，對國際糧農組織推薦的Kc值進行調整，確定了更加符合該區域情況的棉花Kc值曲線。楊九剛等[3]探究了灌水次數和灌溉定額對膜下滴灌棉花生長及產量的影響，認為灌水頻次和灌溉定額共同影響棉花的生長和產量；張振華等[4]則將試驗與氣象資料計算相結合，對膜下滴灌條件下作物的需水規律和各生育期作物系數進行了研究。

本研究選取新疆重要棉花產區，瑪納斯河流域中游平原灌區(以下簡稱瑪河灌區)為研究區，基于參考作物法從灌區尺度上對棉花的耗水強度進行研究。研究結果可為區域棉花灌溉水管理和棉田規劃設計的合理化、精細化提供科學依據。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

瑪河灌區位于天山北坡，準噶爾盆地南緣,地理位置85°00′～86°32′E，44°10′～45°14′N，總面積約8.40×103km2,是新疆最大的荒漠綠洲農耕區和全國第4大灌溉農業區，棉花種植面積占作物種植面積的70%以上。灌區內氣候干燥，夏季炎熱，冬季寒冷，屬典型干旱大陸性氣候。灌區年日照時數2 550～3 100 h，年均降水量110～200 mm，年均蒸發量1 500～2 000 mm，無霜期148～187 d。瑪河灌區地勢南高北低，自西向東分布著下野地灌區、安集海灌區、金溝河灌區、石河子灌區、瑪納斯灌區、莫索灣灌區以及新湖總場灌區等7個子灌區。

1.2 研究方法

(1)作物耗水強度計算方法。作物耗水強度用來反映作物在1 d內的耗水量，單位為mm/d[1]。本文采用參考作物法計算作物耗水強度，根據作物生育期內的氣象資料，利用聯合國糧農組織(FAO)推薦的Penman-Monteith公式計算出參考作物蒸發蒸騰量(ET0)，再根據作物種類確定作物系數(Kc)，對ET0進行修正，就得到了所需計算的作物蒸發蒸騰量(ETc)，進而可以確定作物耗水強度[5-7]。

Kc采用FAO推薦的分段單值平均法[8-11]確定,并依據研究區氣候條件進行修正。修正Kcmid、Kcend公式如下：

(1)

式中：Kc(tab)為標準條件(標準條件是指空氣濕度≈45%，風速≈2 m/s，供水充足，管理良好，生長正常，大面積高產的作物生長條件)時各個生育階段的作物系數(Kcini、Kcmid、Kcend)；U2為地面以上2 m高處的風速，m/s；RHmin為各個生育階段日最低相對濕度的平均值，%；h為各個生育階段作物的平均高度，m。

棉花的Kc變化過程可概化為4個階段和3個值。4個階段依次為初期、發展期、生育中期、末期，初期(init)作物系數Kcini，發展期(dev)作物系數Kcini

(2)

式中:i為生育期內的日序；Kci為第i天的Kc值；Lstage為計算階段的長度，d；∑Lprev為以前所有階段長度和，d；Kcprev為Kci所處生育期的上一階段生育期的Kc值；Kcnext為Kci所處生育期的下一階段生育期的Kc值。

(2)空間插值方法。本文采用ArcGIS中的地統計學插值法、經驗貝葉斯Kriging法，對灌區棉花耗水強度進行空間插值。經驗貝葉斯Kriging插值法是一種非確定性預測模型，能將預測誤差最小化，將預測標準誤差與預測值之間的不確定性進行量化。

2 結果分析

2.1 灌區棉花不同生育期耗水強度變化分析

灌區各區域棉花生育期時間劃分基本相同，故選取石河子灌區的棉花種植生育期時間資料，對整個瑪河灌區內部的棉花Kc值和耗水強度進行計算。棉花生育期時間劃分及Kc值計算結果如表1所示。

表1 棉花各生育期時間劃分及作物系數(Kc)取值Tab.1 The cotton growth period of each time division and crop coefficient (Kc) values

研究根據地形、地貌和緯度的差異，在瑪河灌區及其周邊的24個氣象站中選取烏蘭烏蘇、石河子、147團、炮臺、莫索灣和150團24連等6個典型氣象站2013年度棉花生育期內的氣象資料，研究分析灌區棉花不同生育期的耗水強度。

由圖1、圖2可以看出，瑪河灌區典型站點棉花日平均耗水強度和耗水量在不同生育階段變化明顯。均呈現出苗期、蕾期逐漸增大，到花鈴期突增達到峰值，而后在吐絮期逐漸減小的變化趨勢。苗期時各典型站點的日平均耗水強度差異較小，為1.62～1.76 mm/d，耗水量為69.82～73.92 mm。進入蕾期，棉花日平均耗水強度迅速增長，各站點附近的棉花的日平均耗水強度也出現明顯差異，最小值為3.74 mm/d，出現在下野地灌區西部的炮臺站點附近，最大值則達到4.70 mm/d，出現在莫索灣灌區北部，緊靠沙漠的150團24連站點及其附近區域，差值接近1 mm/d，但由于蕾期時間較短，耗水量只有86.03～108.05 mm。花鈴期是灌區棉花耗水高峰期，在此期間棉花日平均耗水強度持續增加并達到峰值，灌區內部各部分區域的日平均耗水強度差異變大，最小值5.64 mm/d，分布在灌區中部莫索灣灌區的147團站點附近，最大值則達到6.84 mm/d，依然分布于150團24連站點附近，差值達到1.2 mm/d。由于花鈴期日平均耗水強度大，且生育期時間長，所以耗水量高達310.43～375.99 mm，高于其他3個生育期耗水量之和。進入吐絮期，棉花植株基本成型，生長速度減慢，各站點日平均耗水強度均大幅下降，差值減小，為2.00～2.50 mm/d，耗水量也下降為68.16～84.89 mm。各生育期日平均耗水強度的大小順序為花鈴期>蕾期>吐絮期>苗期，這一順序與李明思[12]等的研究結果一致。此外本文關于棉花各生育期耗水強度的計算結果與張金珠[13]的試驗結果也相符合。

圖1 典型站點棉花各生育期日平均耗水強度Fig.1 The average daily water consumption intensity of cotton in growing period for typical meteorological stations

圖2 典型站點棉花各生育期耗水量Fig.2 The cotton water consumption in different growth stages for typical meteorological stations

2.2 灌區棉花耗水強度空間分布研究分析

利用全部24個氣象站點2013年度棉花生育期內的氣象資料，進行灌區棉花耗水強度的空間分布研究。

由圖3可知，瑪河灌區全生育期平均耗水強度在空間上呈帶狀分布，自灌區西南向東北表現為遞增趨勢，大小為3.45～3.98 mm/d。灌區棉花全生育期平均耗水強度在空間上的變化量為0.53 mm/d，針對整個瑪河灌區來說其變化平緩，空間分布相對均勻。但從瑪河灌區內部各子灌區及其內部各部分區域的角度看，位于瑪河灌區西南部，毗鄰天山的下野地灌區、安集海灌區、金溝河灌區的棉花全生育期平均耗水強度較小，為3.45～3.60 mm/d，而位于瑪河灌區東北部，沙漠邊緣的莫索灣灌區東北部、新湖總場灌區北部的取值則達到3.82～3.98 mm/d，最大增長率達到15.36%，如果將2部分區域全生育期平均耗水強度的差值乘以全生育期天數，則可知2部分區域全生育期耗水量的差值大小為34.10～82.15 mm，相當于灌區棉花苗期的耗水量。這說明灌區棉花全生育期平均耗水強度值存在比較顯著的區域差異。

圖3 灌區棉花全生育期平均耗水強度空間分布Fig.3 Spatial distribution of the growing period average water consumption intensity of cotton

2.3 灌區棉花設計耗水強度的確定

在規劃設計中，為滿足作物耗水高峰期的灌溉需求，需按耗水高峰期的日平均耗水強度來確定設計耗水強度。花鈴期為棉花耗水的高峰期，故應依據花鈴期的棉花日平均耗水強度確定灌區棉花設計耗水強度值。由圖4可知灌區棉花設計耗水強度呈現出西南低、東北高，由西南部向東北部遞增的趨勢，最大值為6.45 mm/d，最小值為5.69 mm/d。灌區棉花設計耗水強度在空間上大致可劃分為高、中、低3個取值區域。其中高值區取值為6.09～6.45 mm/d，集中分布于灌區東北部的莫索灣灌區、新湖總場灌區北部、下野地灌區東部、瑪納斯灌區北部，占瑪河灌區總面積的33.14%；低值區取值為5.69～5.83 mm/d，主要分布于灌區西南部的下野地灌區、安集海灌區和金溝河灌區西南部，占瑪河灌區總面積的24.28%；位于瑪河灌區中部的剩余區域為中值區，設計耗水強度的取值為5.84～6.08 mm/d，占瑪河灌區總面積的42.58%。

圖4 灌區棉花設計耗水強度空間分布Fig.4 Spatial distribution for design water consumption intensity of cotton

上述結果證明，目前瑪河灌區棉花種植規劃設計參照《微灌工程技術規范》(GB/T 50485-2009)[14]在4～7 mm/d選取設計耗水強度是基本合理的，研究將灌區棉花設計耗水強度的取值范圍進一步縮小至5.69～6.45 mm/d，對灌區棉花灌溉工程規劃設計和灌溉制度的制定有一定的現實意義。

3 結 論

(1)瑪河灌區棉花各生育期日平均耗水強 度呈現出苗期、蕾期逐漸增大，到花鈴期突增達到峰值，而后在吐絮期逐漸減小的變化趨勢。各生育期日均耗水強度大小順序為花鈴期>蕾期>吐絮期>苗期。

(2)瑪河灌區棉花全生育期平均耗水強度在空間上呈現出由灌區西南部向東北部逐漸遞增的趨勢，取值為3.45～3.98 mm/d。其中毗鄰天山的灌區西南部區域取值為3.45～3.60 mm/d，緊靠古爾班通古特大沙漠的灌區東北部取值則為3.75～3.98 mm/d。

(3)瑪河灌區棉花設計耗水強度取值范圍應為5.69～6.45 mm/d，可分為高值區(6.09～6.45 mm/d)、中值區(5.84～6.08 mm/d)、低值區(5.69～5.83 mm/d)3塊區域。在規劃設計時，針對灌區的不同區域選取相應的棉花設計耗水強度值，可達到較好的規劃設計效果。

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