干旱缺水區膜下滴灌棉花節水機理及灌溉制度研究

石 巖，張金霞，董平國，成自勇，石培澤

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院， 甘肅 蘭州 730070； 2.武威市水利技術綜合服務中心， 甘肅 武威 733000； 3.甘肅省蘭州市大砂溝電力提灌工程管理處，甘肅 蘭州 730070)

擴大節水、高效、耐旱作物的種植比例[1-4]、調整農業種植結構[5-7]及進行農田覆蓋[8-11]是破解結構性缺水問題、促進農業可持續發展的重要措施。在干旱缺水區將地膜覆蓋與滴灌兩種技術相結合，更有利于作物產量和水分利用率的提高，可以達到提高地溫、保水節水、優質高產的綜合效應[3]。而膜下滴灌就是將這兩種技術相結合的一項節水灌溉新技術：滴灌系統將水供給作物根部的土壤，土壤團粒結構疏松而不被破壞，深層滲漏及肥料損失減少，同時地膜覆蓋具有保墑增溫作用，即減少了蒸發，又提高了農作物對水肥利用效率[5]。調查顯示，膜下滴灌與傳統灌溉相比可節水30%～50%，增產20%～30%[7]。所以，在生態脆弱和有限定額灌溉的石羊河流域，研究推廣膜下滴灌技術具有重要的實際生產意義。

在膜下滴灌技術研究方面，國內學者主要側重于研究一管兩行或兩管四行的需水規律[12-13]、灌溉制度與作物節水機理[14]、對作物生長發育和水肥利用效率的影響[15]及節水灌溉模式[16]、作物土壤水熱鹽運移規律[17]等方面。艾先濤等[18]調查發現，棉花的平均灌溉定額為300 m3·667m-2，生育期灌水12～14次，灌水定額10～25 m3·667m-2，增產20%～50%。蔡煥杰等[19]對高桿稀植棉花的研究結果表明，“一管四行”灌溉方式不同毛管間距對棉花產量和品質有較大影響。國內在大田滴灌作物方面毛管的配置多為一管兩行或兩管四行，毛管間距僅40～60 cm，其毛管一項投入近1 000 元·667m-2，最多能使用3年，和畦灌相比雖然節水但投入產出比低，嚴重影響了群眾推廣滴灌的積極性；在滴灌工程運行方面，灌水次數多，灌水定額變化范圍大，灌溉定額高，影響了滴灌工程正常安全運行和效益的發揮；在研究方面對大田滴灌密植作物、一管多行(3行及以上)的高效灌溉方式、適宜灌水定額、節水機理及節水相應的高產灌溉制度研究國內未見過相關報道，所以進行一條毛管控制灌溉多行作物的膜下滴灌模式及其高產灌溉制度的研究是非常必要的。

本文針對石羊河流域干旱缺水、生態脆弱和一管兩行的膜下滴灌投入高、推廣難等實際問題，基于膜下滴灌棉花研究一管多行的高效灌溉方式、適宜的毛管(滴灌管)配置方式和灌水定額，提出既可大幅度減少投入又可達到高產豐產水平的節水高效膜下滴灌模式。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗設在甘肅民勤縣小壩口灌溉試驗站(位于北緯38°31′，東徑105°01′，高程為1 380 m左右)，土壤屬砂壤土，透水性中等。采用地下水灌溉，礦化度1.2～1.5 g·L-1，埋深28～33 m。區內氣候干旱，降雨稀少，年均降水量110 mm，主要集中于7—9月，年蒸發量2 600 mm。作物生長期內日照時間長，晝夜溫差大，無霜期158 d。0～100 cm土層內容重隨深度而增大，平均容重為1.49 g·cm-3；孔隙度42.76%，田間持水率為21.83%(表1)。

表1 甘肅民勤縣小壩口灌溉試驗站土壤物理性質

1.2 試驗方案與設計

試驗作物：棉花，種植品種為“新陸早7號”。

滴灌工程布設：水源為井水+蓄水池。輸水系統采用干支毛三級管道輸水，干管首部安裝控制閥門、壓力表；支管首端安裝閥門，并安裝水表監控水量；毛管采用直徑16 mm的滴灌管，內鑲式滴頭，滴頭間距為30 cm，運行壓力調控在1.5～2 kg·cm-2之間，滴頭流量3 L·h-1[20]。

試驗設計：試驗選擇毛管配置、灌溉定額、灌水定額三個控制因素，采用三因素不等水平設計試驗，如表2所示。按毛管配置方式設兩種，一管四行(R1)：指一條毛管控制灌溉四行作物；一管三行(R2)：指一條毛管控制灌溉三行作物。毛管間距(加通風作業帶20 cm)分別為80 cm、100 cm(如圖1所示)。灌溉定額設5個水平：分別是120(W1)、100(W2)、80(W3)、60(W4)和40(W5) m3·667m-2。灌水定額分兩類實施，一類(G1)設三個水平：分別是20、15 m3·667m-2和10 m3·667m-2；另一類(G2)設一個水平：是20 m3·667m-2。依據多年的大田棉花的試驗成果資料[5]，灌水時間以作物生育期確定，G1類第一次灌水時間設在開花初期、最后一次灌水設在吐絮期；G2類第一次灌水時間設在現蕾期、最后一次灌水設在吐絮初期；另外兩類灌溉制度在開花期、吐絮初期各灌一次水，在棉鈴期依據灌溉定額灌水1～3次(注：根據降水適時調整灌水時間和灌水量，當次降水大于20 mm可減少一次灌水。生育“初期”是指10%的作物進入該期；生育“期”是指50%的作物進入該期)。綜上共設定8種棉花灌溉制度實施方案，將毛管配置方式與灌溉制度組合設共16個處理(表3)，3次重復，共計48個試驗小區。另外，G2類灌溉制度試驗年9月4日降水27 mm，各處理吐絮初期未進行最后一次灌水，實際灌溉定額40～100 m3·667m-2。4月中旬播種，為確保出苗條件一致，播種時灌水定額都為80 m3·667m-2，播種量約8 kg·667m-2。施底肥：磷酸二銨和尿素(含N≥46.3%)各13 kg·667m-2，復合肥25 kg·667m-2。滴灌第一次水(現蕾期或開花初期)、第三次水(棉鈴期)時分別施尿素10.5 kg·667m-2。各個小區的施肥施藥、播種、耕作、鋤草等農藝措施均相同。棉花行距20 cm，種植保苗密度1.2萬株·667m-2以上。

表2 膜下滴灌棉花試驗因素水平

圖1棉花膜下滴灌毛管配置形式

Fig.1 Layout form of lateral tube for cotton by drip irrigation

1.3 測試項目與方法

從播種開始日常的觀測：記錄播種時間、播種量、出苗情況、出苗數和各生育階段的進入時間和最終收獲時間。記錄全生育期的灌溉時間，灌水次數，灌水量；灌水量由水表控制。

土壤水分測定：0～20 cm內土層采用烘干法、其余土層采用中子儀測定，觀測深度為100 cm，間距為20 cm。一管三行的處理中各小區埋設2根中子管，分別埋設在毛管下方和左測二行植株之間；一管四行的處理中各小區埋設3根中子管，分別埋設在毛管下方和內外植株之間。作物蒸發蒸騰量采用水量平衡法計算，相鄰兩次土壤水分的差值加上時段內降水和灌水量為該時段內作物蒸發蒸騰量。

收獲計產：棉花試驗區每年9月中上旬開始收花；9月中下旬第2次收花，10月上中旬收霜后花；10月中下旬拔桿。測定產量時，各小區分別收獲，并做好稱重(0.01 mg)記錄。

表3 棉花膜下滴灌灌溉制度試驗設計方案

1.4 數據統計與方法

采用Excel進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 膜下滴灌灌溉制度對棉花耗水、蒸騰速率的影響

棉花的生育階段劃分為播種～現蕾、現蕾～開花、開花～吐絮、吐絮～拔桿階段；按階段分別計算了棉花生育期或階段耗水量、日蒸騰速率。生育階段耗水量等于階段內的土壤含水量增值、降水、灌水量之和，日蒸騰速率等于階段耗水量除以生育階段天數。膜下滴灌灌溉制度對棉花耗水、蒸騰速率的影響如表4和表5所示。結果表明，灌溉定額一定時毛管配置方式對棉花耗水量影響差異不大，G1方案在247～276 m3·667m-2之間變化；G2方案耗水量與G1方案耗水量變化基本相同，一管三行略高于一四管行，隨灌溉定額的增加而增加，在252～272 m3·667m-2之間變化。花鈴期是需水高峰期，階段耗水量前期61天內低于40 m3·667m-2，現蕾～開花24天內變化于40～50 m3·667m-2，開花～吐絮60天內變化于140～165 m3·667m-2，后期21天內在15 m3·667m-2以下。在不同灌溉定額下，日蒸騰水量變化趨勢一致，且中期大而前后期小。從播種到現蕾，日蒸騰量低于1.5 mm，并呈下降趨勢，受降水影響，日蒸騰量先增大后減小，至開花期下降至1 mm以下；開花期后，日蒸騰量隨作物的生長呈直線增長，到花鈴期日蒸騰量2.5～3 mm達最高，吐絮后呈直線快速下降。

2.2 膜下滴灌灌水因素對棉花產量效益的影響

(1) 灌水定額對棉花產量的影響。

膜下滴灌棉花產量隨灌水定額增加而增加，增產水平極顯著(F=59.66，P<0.01)。灌水定額15 m3·667m-2的比10 m3·667m-2的增產12～16 kg·667m-2，增幅4%～7%；灌水定額20 m3·667m-2的比15 m3·667m-2的增產45～51 kg·667m-2，增幅16%～19%；比10 m3·667m-2的增產61～63 kg·667m-2，增幅23%～25%(表6)。所以灌水定額20 m3·667m-2是一管三行或一管四行膜下滴灌棉花的高產灌水定額。圖2也進一步證明在相同灌溉定額時灌水定額20 m3·667m-2的G2類灌溉制度產量效益明顯高于灌水定額10、15、20 m3·667m-2的G1類灌溉制度產量效益，增產50～80 kg·667m-2，差異顯著。灌水定額為20 m3·667m-2的G2類灌溉制度比灌水定額10、15、20 m3·667m-2的G1類灌溉制度的產量增加極顯著(F=9.77,P<0.01)，增幅達17%～58%。

(2) 灌溉定額與產量效益關系。

棉花膜下滴灌灌溉定額與產量呈二次拋物線關系，R2>0.96相關程度高(圖2)，灌溉定額115～120 m3·667m-2以下時，產量隨灌溉定額的增加顯著(F=10.4，P<0.05)。G1灌溉制度條件下(圖2中虛線)，當灌溉定額達到93 m3·667m-2時，棉花產量達到272 kg·667m-2，相應的灌溉水分生產率達到2.92 kg·m-3。G2灌溉制度條件下(圖2中實線)，當灌溉定額達到115 m3·667m-2時，棉花產量達到323 kg·667m-2，相應的灌溉水分生產率達到2.81 kg·m-3。結果表明：灌溉定額在80～90 m3·667m-2以下，產量隨定額呈直線增長，說明此階段灌水對棉花產量起決定性作用；灌溉定額為90～115 m3·667m-2時，產量隨灌溉定額增長明顯減緩，說明此階段水量增幅大于產量增幅，水決定性作用逐漸減緩；灌溉定額大于115～120 m3·667m-2時產量隨灌溉定額的增加而減少，說明此階段灌水不利于棉花產量的增加。說明全生育期灌水80～120 m3·667m-2是膜下滴灌棉花獲得高產的較為合理的灌溉定額。

圖2 灌溉制度與產量的比較

表5 G2類灌溉制度條件下棉花耗水量和蒸騰速率

表6 灌水定額與產量效益關系分析

(3) 花鈴期灌水量對產量的影響。

圖3表明棉花產量隨花鈴期灌水量的增加而增加；產量與灌水量呈二次多項式關系，相關程度高(R2>0.96)，灌溉定額60～80 m3·667m-2以下時,產量隨灌量的增加顯著(F=10.51，P<0.05)。花鈴期灌水量60 m3·667m-2以下產量隨水量呈直線增加；而灌水60～80 m3·667m-2增幅變緩；灌水90 m3·667m-2時達最高產量水平，產量可達320 kg·667m-2以上。說明膜下滴灌棉花花鈴期是棉花的關鍵灌水期，花鈴期灌水3～4次，灌水20 m3·667m-2，灌水量60～80 m3·667m-2是膜下滴灌棉花獲得高產的較為合理的灌水制度。

圖3花鈴期灌水量與產量關系

Fig.3 The relations between irrigation water volume and production in the boll stage

(4) 灌水時間對產量的影響。

第一次灌水的時間(在現蕾期比開花初期增產)對產量的影響達到極顯著水平(F=32.4，P<0.01)，而兩種灌溉方式的增產增幅差異不明顯(F=0.03，P>0.05)。吐絮初期9月4日降水27 mm，最后一次灌水未實施，降水相當灌水18 m3·667m-2，在40～60 m3·667m-2灌溉定額情況下，在現蕾期開始第一次灌水比在開花初期開始的增產42～91 kg·667m-2，增幅18%～58%；現蕾期灌第一次水的平均產量263.7 kg·667m-2，比開花初期灌第一次水的增產66.57 kg·667m-2，增幅33.88%；灌溉定額60 m3·667m-2的平均產量256.78 kg·667m-2，比灌溉定額40 m3·667m-2的增產54 kg·667m-2，增幅26.63%。結果表明，棉花膜下滴灌產量的提高是第一次灌水時間和灌溉定額偶合作用的結果，現蕾期開始第一次灌水的產量大于開花初期開始第一次灌水(表6)。故，第一次灌水的時間在現蕾期比較合理。

吐絮初期灌最后一次水比吐絮中后期灌最后一次水產量增加顯著(F=9.6，P<0.05)。灌溉定額在80～100 m3·667m-2范圍內，最后一次灌水時間在吐絮初期時，產量為273～316 kg·667m-2，在吐絮中后期時產量只有255～272 kg·667m-2。灌溉定額100 m3·667m-2兩種灌溉方式下吐絮初期灌最后一次水的平均產量312.82 kg·667m-2，比吐絮中后期灌最后一次水的增產41.62 kg·667m-2，增幅15.35%；灌溉定額80 m3·667m-2平均產量278.07 kg·667m-2,增產20.82 kg·667m-2，增幅8.09%。兩種灌溉方式不同灌溉定額時吐絮初期灌最后一次水的平均產量295.45 kg·667m-2，增產31.22 kg·667m-2增幅11.82%(表7)。這是第一次和最后一次灌水時間與灌水定額的綜合影響的結果。九月下旬棉花已進入吐絮中期，此時灌水近乎無效，甚至起了反作用，表現在摘花期又有新芽從腋間不斷發出，形成水分無效消耗，棉花不能按期成熟，品質產量均有下降。因此最后一次灌水應在9月上旬結束比較合適，若8月25日至9月6日有大于20 mm的有效降水可減少一次灌水。

表7 第一次和最后一次灌水時間對產量的影響

2.3 節水高產機理

膜下滴灌棉花灌溉定額與產量呈二次拋物線關系，R2>0.9相關程度高，最佳灌溉定額棉花115 m3·667m-2，產量323 kg·667m-2，灌溉水生產率2.81 kg·m-3。膜下滴灌棉花產量隨灌水定額增加而增加，灌水定額20 m3·667m-2的比15 m3·667m-2的增產16%～19%；比10 m3·667m-2的增產23%～25%，灌水定額20 m3·667m-2的G2類灌溉制度平均產量289.55 kg·667m-2，比10、15、20 m3·667m-2的G1類灌溉制度平均產量增加25.69%，說明灌水定額20 m3·667m-2是膜下滴灌棉花取得高產的有效定額。灌水定額20 m3·667m-2時，產量隨灌水次數的增加而增加，灌水3～5次的較灌水2次的增產顯著，增幅12.09%～28.97%；灌水4～5次較灌水4次增產明顯減緩，增幅12.5%～14.81%；灌水5次較灌水4次的增產不顯著，增幅只有2%左右，說明4～5次灌水制度是干旱缺水區較佳的高產灌溉制度。灌溉定額80～100 m3·667m-2的平均產量312.82～319.26 kg·667m-2，均達高產水平(表8)；G2類灌溉制度條件下，灌溉定額80～100 m3·667m-2比40～60 m3·667m-2的灌溉，株高70 cm增加5～10 cm，果枝數7～8個、棉鈴數6～7個分別增加1～2個，是為無霜短的石河流域中下游種植矮桿密植(1.2萬株左右)棉花奠定了高產條件；棉鈴脫落或空枝率小于22%下降6～13個百分點，棉鈴重9.5～10 g·個-1,增加1～2 g·個-1，產量310～322 kg·667m-2增加40～60 kg·667m-2,增幅13%～19%；G2類灌溉制度膜下滴灌試驗安排比較合理，將有限的水量灌在關鍵時期，促進了營養生長和生殖生長。

兩種毛管配置方式下灌溉定額與產量均呈二次拋物線關系，相關程度高(R2>0.96)，產量水平無差異(F=0.04，P>0.1)，一管三行優于一管四行的灌溉方式，增產1.57%～3.61%；一管三行和一管四行生育期灌水80～100 m3·667m-2，都能達到310～325 kg·667m-2的高產水平；G2類灌溉制度條件下，灌水4～5次灌溉定額80～100 m3·667m-2的增產4.9～5.5 kg·667m-2，增幅小于2%；灌水2～3次灌溉定額40～60 m3·667m-2的增產8～9 kg·667m-2，增幅3%～4%(表8)。所以膜下滴灌棉花選擇一條毛管控制灌溉4行作物比一條毛管控制灌溉3行作物即可減少投入又能獲得高產，一管三行、一管四行兩種高效灌溉方式，毛管間距可擴大到80～100 cm，毛管用量比現狀減少33%～50%，是干旱缺水區膜下滴灌棉花節水高效的田間灌溉方式。

表8 不同灌溉制度條件下膜下滴灌棉花產量

干旱區降水稀少而在作物生育期仍有大于10～25 mm的有效降水，對土壤水分及作物生長和產量產生較大影響，尤其對棉花作物影響更大。當某生育期降水大于10～15 mm時延遲灌水3～5 d，大于20～25 mm時延遲一輪灌水。膜下滴灌棉花前期降水和播種前灌水的共同作用使作物根層土壤水分(體積含水量，下同)保持在50%～60%以上，促進了作物根系發育，有利于較深層的土壤水分的利用，促進了作物營養生長，搭建了高產豐產骨架。關鍵需水期有效降水和適宜的灌水定額共同作用，使作物根層土壤水分保持在45%～50%以上，控制了營養生長，促進了生殖生長，提高了結果率、結實率、籽粒飽滿度和品質。成熟前期有效降水大于20 mm，土壤水分保持在45%～40%以下，可防止作物貪青徒長晚熟和品質產量下降。

膜下滴灌棉花現蕾期灌第一次水，吐絮初期灌最后一次水，棉鈴期灌水2～4次，全生育期灌水4～6次，灌水定額20 m3·667m-2，灌溉定額80～120 m3·667m-2的灌溉制度，是有限灌溉條件下的節水高效的灌溉模式，產量可達310 kg·667m-2以上水平，灌溉水生產率可達2.8～3.0 kg·667m-3。土壤水分下限開花前不低于60%，棉鈴期維持在45%～60%之間，吐絮期至收獲期可低于40%～50%以下，膜下滴灌土壤水分可滿足作物營養生長和生殖生長的需求，利用有限的降水資源，達到節水高效的目的。在雨量較好的條件下膜下滴灌棉花選用一管三行或一管四行的灌溉方式，灌溉定額80～100 m3·667m-2，灌水4～5次，灌水定額20 m3·667m-2的灌溉制度是獲得高產的最優灌溉模式。

不同水平年不同生育期降水量所對應的節水高產高效灌溉制度見表9。吐絮始期(8月25日—9月5日)有效降水累計25 mm或次降水大于20 mm時可采用5次水灌溉制度，現蕾期灌1次水，花鈴期灌4次水，吐絮后再不灌水；棉鈴期(7月15日—8月26日)無一次大于10 mm的有效降水花鈴期灌水4次，現蕾、吐絮始各灌1次水共灌6次水；兩生育期內同時有效降水累計或次降水大于15～20 mm時，采用4次水制度。為確保高產各年份在棉鈴期可增灌1次水，定額10 m3·667m-2。

3 討論與結論

1) 灌溉定額一定時毛管配置方式對棉花耗水量影響差異不大，G1方案變化于247～276 m3·667m-2；G2方案耗水量近于G1方案耗水量，一管三行略高于一四管行，隨灌溉定額的增加而增加，變化于252～272 m3·667m-2。耗水模數與灌溉定額從100 m3·667m-2逐漸下降至40 m3·667m-2，呈逆向關系。在不同灌溉定額下，日蒸騰水量呈同一趨勢變化，并中期大前后期小。膜下滴灌棉花產量隨灌水定額增加而增加。灌水定額20 m3·667m-2是一管三行或一管四行膜下滴灌棉花的高產灌水定額。灌溉定額達到115 m3·667m-2時，棉花產量達到323kg·667m-2，相應的灌溉水分生產率達到2.81 kg·m-3。灌溉定額在80～90 m3·667m-2以下時，產量隨定額呈直線增長，說明此階段灌水對棉花產量起決定性作用；灌溉定額為90～115 m3·667m-2時，產量隨灌溉定額增長明顯減緩，說明此階段水量增幅大于產量增幅，水決定性作用逐漸減緩；灌溉定額大于115～120 m3·667m-2時產量隨灌溉定額的增加而減少，說明此階段水起了不利因素的作用

表9 節水高產高效灌溉制度

。

2) 花鈴期是需水高峰期，此階段缺水將嚴重影響作物產量，適時適量灌水，土壤水分保持在45%～50%以上時可取達高產水平[21-22]，這與前面分析的結果是一致的。膜下滴灌棉花花鈴期是棉花的關鍵灌水期，花鈴期灌水3～4次，灌水20 m3·667m-2，灌水量60～80 m3·667m-2是膜下滴灌棉花獲得高產的較為合理的灌水制度。第一次灌水時間在現蕾始比較合理；最后一次灌水應在9月上旬結束比較合適。膜下滴灌棉花選擇一條毛管控制灌溉4行作物比一條毛管控制灌溉3行作物即可減少投入又能獲得高產水平，是石河流域矮桿密植棉花節水高效的田間工程灌溉方式。

3) 以灌溉水生產率最高為目標的高效灌溉制度：現蕾始灌第一次水(6月20日左右)，吐絮始灌最后一次水(9月1日—9月5日)，棉鈴期灌水4次(7月10日左右開始灌水，灌水間隔15-10-15 d，灌水定額20-20-20-20 m3·667m-2，8月20日左右結束)，全生育期灌水6次，灌溉定額120 m3·667m-2的灌溉制度。以獲最高產量為目標的高產灌溉制度：現蕾初期灌第一次水(6月20日左右)，吐絮初期灌最后一次水(9月1日—9月5日)，棉鈴期灌水5次(7月10日左右開始灌水，灌水間隔15-7-7-11 d，灌水定額20-20-10-20-20 m3·667m-2，8月20日左右結束)，全生育期灌水7次，灌溉定額130 m3·667m-2的灌溉制度。

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