根據氣象信息指導南疆棉花膜下滴灌的試驗研究

樊 凱，高 陽，王興鵬，王洪博，段愛旺

(1.中國農業科學院農田灌溉研究所/農業部作物需水與調控重點實驗室，河南 新鄉 453003；2.中國農業科學院研究生院，北京 100081；3.塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

新疆南部地區日照充足、降水稀少、蒸發強烈，農業生產的發展完全依賴于水資源的可利用數量，是典型的灌溉農業區。該地區農業用水占區域總用水量的90%以上，進一步拓展的潛力幾乎為零。因此，大力發展節水灌溉，提高灌溉水利用效率對于保障南疆地區農業生產的可持續發展具有重要意義。

膜下滴灌是將覆膜栽培與滴灌技術相融合的一種新型栽培模式[1]，自1996年提出以來，已在新疆地區得到大面積推廣應用，目前應用面積高達266萬 hm2[2]，成為棉花栽培的主導模式。有關新疆膜下滴灌棉花適宜的灌溉制度及灌水量的研究已有許多[2-22]，蔡煥杰等[3]通過研究確定了荒漠氣候區膜下滴灌棉花適宜的灌水定額及灌水次數；劉新永等[4]通過田間試驗，制定了南疆膜下滴灌棉花在充分供水條件下的灌溉制度；楊鵬年等[5]、黃曉敏等[13]針對淺層地下水對灌溉的補償作用，研究了不同地下水埋深下的膜下滴灌棉花的灌溉制度。這些研究多從固定灌水周期和固定灌水定額出發探求最優的灌溉制度，這樣處理的好處是成果易于理解與使用，不足之處是無法根據各地的實際氣象條件及棉花生長狀況來調整灌水量和灌水時間，容易在一些特殊年份引起較大的偏差。為了提高灌溉的精準性，趙波[6]采用根據土壤墑情監測結果進行灌溉決策的思路，研究了膜下滴灌棉花自動化灌溉適宜的土壤水分控制指標。許多地區也建設了根據土壤墑情監測信息指導棉田灌溉，甚至是自動控制灌溉的系統，試圖做到適時、適量、精準、自動灌溉。但從實際生產中的應用情況看，效果還不是太理想，主要問題有幾個方面：一是設置的土壤墑情監測點數量很少，監測結果的代表性不足，易產生較大的偏差；二是系統運行易受到人為或其他外來因素影響，可靠性沒有保證，對農田耕作的影響也較大；三是系統建設費用較高，嚴重制約其大面積的推廣應用。

作物的蒸騰蒸發過程在很大程度上決定于氣象條件，因此根據氣象信息進行農田灌溉管理具有較好的理論基礎。相較于土壤墑情信息的監測，氣象信息的監測更為方便，代表的區域面積也更大。在生產實踐中，或通過兩種方法來實施這一技術：一是對于較大規模的種植戶或兵團的團場，可以自主設立自動氣象站，并預置相應的程序，自動計算并輸出逐日ET0值，甚至(ETc-P)的值，用戶只要記住各田塊上次灌溉的時間，然后根據這些信息即可確定累計(ETc-P)值，當該值達到30 mm時，即是需要灌溉的時間，這樣的方法也很容易置入自動灌溉控制系統，實施自動灌溉；對于小規模的零散種植戶，在大面積推廣應用時，可以委托氣象站或農技服務部門定時向廣大種植戶提供逐日ET0值或者(ETc-P)值，供種植戶使用；在建立農田管理檔案的情況下，也可由農技服務部門直接向種植戶推送需要灌溉的信息。一般情況下，一個氣象監測點至少可以控制直徑為50 km的區域。基于這樣的考慮，本試驗依據在試驗田實時獲取的氣象數據，利用FAO-56推薦的方法估算膜下滴灌棉田的作物蒸發蒸騰量(ETc)，將其作為灌溉決策的重要參數，然后結合設置不同的灌水定額，探索在南疆地區根據氣象信息指導膜下滴灌棉花精準灌溉的可行性及適宜的灌溉管理方案。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在新疆生產建設兵團一師水利局水土保持試驗站開展。該站距離阿拉爾市區10 km，地理坐標為81°2′E，40°6′N，海拔1 014 m。試驗站所在區域屬典型的內陸極端干旱氣候區，多年平均氣溫11.3℃，降水量45.7 mm，蒸發量2 217.75 mm，日照時數2 950 h，無霜期207 d。試驗區地下水埋深整個棉花生育期均在3 m以上，土壤質地為砂壤土，0～100 cm土層平均容重為1.58 g·cm-3，田間質量持水率為22.1%。

1.2 試驗設計

1.2.1 灌水時間確定 試驗自蕾期(5月25日)開始，利用氣象信息計算確定每天的水分盈虧量，當累計虧水量達到30 mm(即累計作物騰發量(ETc)-降雨量(P)=30 mm)時進行灌水。

作物蒸發蒸騰量(ETc)采用FAO-56推薦的單作物系數法計算[7]：

ETc=ET0×Kc

(1)

參考作物需水量(ET0)采用FAO-56修正并推薦的Penman-Monteith公式[7]計算。

(2)

式中,Rn為凈輻射(MJ·m-2·d-1),G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1),T為平均氣溫(℃),ed為實際水汽壓(kPa),Δ為溫度-飽和水汽壓關系曲線上T處的切線斜率(kPa·℃-1),γ為濕度表常數(kPa·℃-1)，u2為高度2 m處的風速(m·s-1)，ea為飽和水汽壓(kPa)。

作物系數(Kc)是實際蒸散發(ETc)與參考作物騰發量(ET0)的比值。作物系數分為雙作物系數和單作物系數，雙作物系數將土壤蒸發和作物蒸騰分開考慮，而單作物系數則將兩者結合在一起考慮。本試驗采用單作物系數法，利用FAO-56給定的作物系數參考值計算棉花需水量。

作物系數在生長初期和生長中期是一個常數，分別為Kc-ini和Kc-mid，在生長最后階段是Kc-end，在快速生長期和生長后期，Kc呈線性變化。FAO-56給定的參考值需根據當地的氣候條件進行調整。提供的Kc-ini需要考慮濕潤條件(灌溉和降雨)的頻次，當灌溉或降雨的強度小于10 mm時，還需要考慮潛在蒸發的強度。FAO-56提供了用于調整較小灌溉和降雨強度條件下的Kc-ini圖表，Kc-ini被看作是降雨或灌溉頻次和潛在蒸發強度的函數。Kc-mid需根據當地的氣象條件、作物高度進行調整，計算公式如下：

Kc-mid=Kc-mid(Tab)+[0.04(u2-2)

(3)

其中,Kc-mid是根據當地氣候條件調整的后的FAO作物系數，Kc-mid(Tab)是FAO-56給定的標準條件下的參考值，u2是高度為2 m處的平均風速，RHmin是平均最小相對濕度，h為生長中期作物高度。Kc-end的調整方法與Kc-mid一致，使用的是生長后期對應的參數。

試驗區周邊地區，棉花在蕾期和花鈴期累計作物騰發量(ETc)的多年平均值為380 mm，多年平均有效降雨量(P)為45.7 mm，在充分考慮降雨對土壤水的補給作用的條件下，棉花生育期需灌水約334.3 mm。

蔡煥杰等[3]研究發現，在荒漠氣候區膜下滴灌棉花全生育期灌水12～14次，灌水定額25～30 mm之間可實現優質高產和提高水分利用率的目的。王峰等[8]的研究指出，在南疆一膜兩帶六行的種植模式下，棉花生育期內灌水12次，灌水量控制在300 mm左右是比較適宜的灌溉制度，與蔡煥杰等人研究結果接近。據此，將單次灌水量控制在30 mm左右。

1.2.2 灌水定額設置 灌水定額設置3個水平，分別為水分虧缺量的0.8、1.0和1.2倍，即T1：30×0.8=24 mm，T2：30×1.0=30 mm，T3：30×1.2=36 mm，另設1個按照當地常規灌溉制度進行灌溉的處理T4，作為對照。T4處理的第一次灌水日期為6月15日，然后按照蕾期灌水周期7 d、花鈴期灌水周期5 d、灌水定額40 mm的模式進行灌溉。每個處理設置3個重復，共12個小區，按照完全隨機區組設計進行田間布置。

1.3 栽培模式及灌溉管網布置

試驗田棉花于4月3日播種，7月11日打頂，10月20日全部收獲完畢。試驗地在2016年11月進行冬灌，灌水定額200 mm；2017年3月進行春灌，灌定額100 mm。

施肥方式為隨水施肥，第一次灌溉按150 kg·hm-2用量施用尿素，第二次灌溉不施肥，第三次按150 kg·hm-2施用滴灌專用肥(總養分≥43%，N∶P2O5∶K2O =18∶12∶13)，至8月20日施最后一次肥。

供試棉花品種為“新陸中56”，覆膜種植，田間布置方式為一膜兩帶六行[23](見圖1)，行距為10 cm+66 cm+10 cm+66 cm+10 cm，株距10 cm。膜寬2 m，兩膜之間留未覆膜白地33 cm。滴灌帶規格為Φ16 mm，滴頭間距20 cm，滴頭流量2.29 L·h-1，供水壓力0.1 MPa。每個試驗小區長22 m，寬度為3個膜帶，約6 m，使用同一個支管供水，由安裝在支管上的水表和閘閥監測與控制各試驗小區的灌水量。

圖1 滴灌帶布置方式/cmFig.1 Scheme of cotton field layout

1.4 觀測項目及觀測方法

1.4.1 土壤含水率 每個處理選擇一個試驗小區，在小區中部選擇一條具有良好代表性的滴灌帶，在其正下方安裝EM50土壤水分自動監測系統，探頭安裝深度為10、20、40、60 cm和80 cm，并在每個生育階段內用土鉆取土對儀器設備進行校正。

1.4.2 植株生長發育指標 從棉花現蕾期開始，在每個試驗小區內選擇具有較好代表性的3株棉花進行標記，每10 d測定一次株高，每15 d測定一次葉面積。株高為地面到冠層自然頂部的高度用直尺測定；葉面積測定時，用直尺逐個量取標記棉株葉片的長度和最大寬度值，用“單葉面積=長×寬×0.75”計算各葉片的面積，然后將所有單葉面積值累加，得到單株葉面積。植株生物量每15 d測定一次，在各試驗小區內隨機選擇3個具有較好代表性的棉株，連根拔起，除掉附帶的土壤后，置于烘箱中在105℃下殺青30 min，之后調至65℃烘干至恒重，取出稱取棉株的總重量，分解后再測取棉株各組成部分的干物質質量。

1.4.3 氣象信息觀測 氣象信息由設置在試驗田內的HOBO自動氣象站記錄，監測項目包括氣溫、太陽輻射、風速、風向、相對濕度、降水量等項目，每10 min記錄一次。每天早上8∶00定時下載氣象數據，利用相應的程序計算ET0、ETc和水分虧缺量，并計算確定自上次灌溉后的累計水分虧缺量。

1.5 數據分析處理

采用SAS ver9.2與Microsoft Excel對數據進行統計分析和作圖，采用Duncan’s新復極差法進行方差分析和差異性檢驗(α=0.05)。文中平均值指其加權平均值，加權平均值=∑(樣品含量×取樣深度/分析深度)。

2 結果與分析

試驗執行期間，利用自動氣象站監測的氣象信息，根據Penman-Monteith公式計算的每日參考作物蒸散量(ET0)，采用單作物系數法確定棉田每日蒸散量(ETc)，以及2017年5-9月逐日降雨量的變化與分布情況如圖2所示。

2.1 不同處理的土壤含水率動態

棉花進入蕾期(5月25日)后開始進行灌水處理，一直持續至花鈴期結束(8月24日)。T1、T2和T3處理的第一水灌水日期為6月7日，T4常規灌溉處理則為6月15日，各處理的實際灌水情況見表1。文獻[9,14-15]及本試驗取樣結果顯示，膜下滴灌條件下，地表以下40 cm土層范圍集中了85% 以上的根系，為棉花的主根區。據此，取0～40 cm處不同深度測量值的算術平均值為主根區土壤平均含水率，生育期內各處理主根區的土壤含水率動態變化如圖3所示。從圖3可以看出，各處理土壤含水率變化周期與灌水周期一致，每次灌水前都處于相對低值，灌水后顯著增加。根據氣象信息指導灌溉的處理，土壤含水率變化趨勢一致，因灌水定額的不同，呈3種梯度，即T3>T2>T1，且3個處理的灌前土壤含水率的相對低值在蕾期呈現出逐漸降低趨勢，進入花鈴前期后又開始上升，之后逐漸趨于穩定。T4對照處理灌前土壤含水率的相對低值與其他3個處理呈現出不同的變化趨勢，從蕾期到花鈴期，先增大后減小，在花鈴前期達到峰值，之后逐漸減小，并在花鈴后期趨于穩定。

圖2 ET0、ETc及降雨量Fig.2 ET0、ETc and rainfall

表1 各處理實際灌溉情況

圖4顯示的是各灌水處理在蕾期、花鈴前期和花鈴后期的土壤含水率剖面分布情況。可以看出，不同生育階段各處理的土壤含水率剖面分布均隨著土層深度的增加而增大，在60 cm處達到峰值后又逐漸減小。0～40 cm土層土壤含水率的波動幅度較大，60 cm以下土壤含水率變化幅度逐漸減小，在80 cm處土壤含水率基本保持穩定。T4對照處理因灌水定額大，灌水間隔時間短，0～60 cm土層的土壤含水率要顯著大于其他3個處理，而T1～T3處理在該土層的土壤含水率與灌水定額呈正相關關系。

2.2 不同處理的水分消耗規律

試驗結果 (表2)表明，各處理的總耗水量及生育期內各階段耗水量差異較大。T4作為對照處理，供水充分，其耗水量最大；T1處理灌水量最小，耗水量也最小；其他處理耗水量在兩者之間浮動。從土壤水的供需關系來看，雖然苗期植株弱小，蒸騰微弱，地面覆膜抑制了蒸發[25]，但由于苗期不進行灌溉，降水稀少，耗水量仍遠大于補給量。而播種前進行的春灌，使土壤貯水充足，在沒有灌水及降雨補給的情況下，棉花苗期的生長發育得到了保障。進入蕾期后，各處理的灌水及降雨補給量仍不能滿足其耗水需求，仍需土壤貯水的補給。花鈴期隨著灌水時間間隔的縮短，T4處理逐漸出現了供過于求的現象，T3處理則接近于供需平衡，而其他2個處理仍出現了不同程度的水分虧缺。

圖3 各處理主根區土壤水分動態圖Fig.3 Soil water dynamic diagram in main root zone of each treatment

圖4 各處理不同生育階段內平均土壤含水率剖面分布圖Fig.4 Map of average soil water content profiles of each treatment at different growth stages

2.3 不同處理對棉花生長發育及產量的影響

不同灌水處理下的棉花株高生長過程如圖5(A)所示。T1～T3處理生長過程基本一致，前期增長緩慢，在播種85 d后，進入快速生長期，至96 d時生長基本停止；而T4處理的快速生長期要比其他3個處理提前，在播種64 d后其株高日增長量就達到了1.19 cm·d-1，至播種后85 d，T4處理的株高長至51.4 cm，其他3個處理均略低于它，T1處理最低，為47.84 cm。相比于對照處理，根據氣象信息指導灌溉的處理，前期灌水定額小，灌水時間間隔長，棉花植株生長發育滯后。因灌水定額最小，T1的株高及其日增長量顯著低于T2和T3處理；T2和T3處理雖有灌水定額差異，但自第一次灌水之后，2個處理的株高沒有明顯差異。說明較高的灌水定額雖有助于棉花生長速度的提高，但單純的提高灌水定額對棉花生長的促進作用有限。

不同灌水處理的棉花葉面積變化如圖5(B)所示。單株葉面積在棉花生育期內呈現出先增大后減小的趨勢。T1～T3處理的葉面積增長趨勢基本一致，而T4作為對照處理，自播種64 d后與其他3個處理的差異逐漸增大。播種85 d后T4處理的葉面積比T1～T3分別低了43.2%、51.9%和29.5%。播種后105 d依據氣象信息指導灌溉的T1～T3處理葉面積達到峰值，且灌水定額越高，葉面積越大。而對照處理T4則相對滯后，在播種120 d后才達到峰值。說明傳統灌溉方式的高定額、短周期持續促進了棉花的生長，使棉花生育階段延長，發育滯后[24]。

表2 各處理耗水規律

注：同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different letters in the same column mean significant difference among treatments atP<0.05 level. The same below.

圖5 不同處理下株高、葉面積變化過程Fig.5 Changes of plant height and leaf area underdifferent treatments

不同灌水處理的棉花地上干物質量如圖6所示。隨著棉花的生長發育，植株莖干重、蕾鈴干重、地上部干物質總量均不斷增加，其中蕾鈴干重的增長極為顯著，T3、T4處理從盛蕾期至盛鈴期蕾鈴干重增長比例分別高達1 735%、1 466%。這是由于棉株生殖生長所占比例不斷提高，光合產物向生殖器官運輸累積導致的。開花期及盛花期，T1、T2處理干物質總量及蕾鈴干物質量顯著高于T3，這是由于低灌水定額造成的一定程度的水分虧缺，棉花營養生長受阻，提前進入生殖生長導致的[22]。相對的，T4處理蕾鈴占地上干物質的比例為47.80%，顯著低于T1處理的54.2%，此時對照處理的營養生長依然旺盛。盛鈴期, T1～T3處理干物質總量T1

從棉花產量結果 (表3)看出，T4對照處理籽棉產量最高，根據氣象指導灌溉的3個處理籽棉產量隨著灌水定額的增加而增加，其中灌水定額最高的T3處理，籽棉產量僅比T4低了2.45%，其WUE值雖然是3個處理中最低的，但仍比T4高了15.87%。說明根據氣象指導灌水的灌溉方式在保證產量的前提下能顯著提高WUE值。

圖6 不同處理下地上干物質變化Fig.6 Change of aboveground dry matter of cotton under different treatments

表3 不同處理對棉花產量和灌溉水利用效率的影響

3 討 論

本試驗中，常規灌溉處理灌水定額最大，灌水時間間隔相對較短，生育期內灌水量和耗水量最大，在不同土壤深度處各生育階段的平均土壤含水率也處在最高水平。T1～T3處理，灌水定額越高，棉花主根區土壤含水率及縱向剖面處土壤含水率越高，生育期內耗水量也越高。T1～T3灌水量分別為264、330、396 mm，這與蔡煥杰等[3]提出的膜下滴灌棉花灌水量可降至240～345 mm的結論基本一致。從階段耗水量來看，花鈴期最大，占全生育期耗水的60%以上[4]。

T1～T3與T4處理的葉面積分別于播種后105 d和120 d達到最大值，說明常規灌溉的高灌水定額、短灌水周期對于棉花生長具有持續促進作用，并在一定程度上使棉花生育階段延長，發育滯后。余美等[10]的研究也發現過量灌溉會造成棉花生長過于旺盛，貪青晚熟。

各處理產量隨著灌水量的增加而增加，而灌溉水生產率則隨著灌水量的增加而減少，與楊九剛等[11]的研究結論相似。T3處理的產量最高為7 072.05 kg·hm-2,與T4的7 245.28 kg·hm-2無顯著差異，而WUE值卻比T4提高了15.87%。說明以氣象信息為基礎進行灌溉是可行的。

T4對照處理與其它3個處理在土壤水分動態及棉花生長發育上的差異，除了受灌水定額的影響，還與灌水周期有關。楊九剛等[11]在研究中發現，棉花的生長發育受灌水定額和灌水周期雙重作用的影響，高龍等[9]在研究中注意到棉田鹽分的累積運移也受這兩個因素的影響。根據氣象信息指導灌溉的3個處理，單次灌水時間由選定的累計虧水值(即累計作物騰發量(ETc)-降雨量(P))及氣象因素來決定。選定的虧水值較大時，灌水時間間隔長，單次灌水需補充的水分較多，容易造成深層滲漏；選定的虧水值較小時，灌水時間間隔短，但對設備及能源的損耗較大。因此對累積虧水值的選取，除了要考慮當地歷時氣象資料及灌溉經驗外，還需參考土壤的田間持水率等物理特性及不同的灌水間隔對土壤鹽分累積運移的影響。目前，這方面的研究仍十分有限，需要做更多的探索。

根據氣象信息指導灌溉，除了可以利用實時氣象資料外，還應充分考慮對預測氣象資料的使用。當預測到有降雨發生時，可以適時將灌水時間推遲，以免灌水后降水造成不必要的深層滲漏。

4 結 論

1)受灌水定額大、灌水周期短的影響，常規灌溉處理棉花的生長發育比根據氣象信息指導灌溉處理棉花相對滯后。

2)根據氣象信息指導確定灌溉時間后，采用不同的灌水定額對棉花生長發育和產量有明顯影響。較高的灌水定額可以顯著增加株高，提升光合產物累積量，保證棉花產量，如T3處理的籽棉產量達到了7 072.05 kg·hm-2。相較而言，低灌水定額處理雖然可以促進棉花早熟，但棉花產量較低，T1處理籽棉產量僅為5 945.25 kg·hm-2。

3)基于氣象信息指導灌溉的處理能充分利用降雨，提高灌溉水利用效率。T1～T4處理灌水量分別為264、330、396、560 mm，灌溉水利用效率分別為1.03、0.90、0.81、0.59 kg·m-3。

4)綜合灌溉用水量、產量及水分利用效率幾方面的因素，認為當棉田作物蒸發蒸騰量與降水量的差值累計達到30 mm進行灌溉、灌水定額設置為36 mm的組合，可以在保證棉花產量不顯著降低的條件下，顯著減少灌溉用水量，提高灌溉水利用效率和田間水利用效率，適于在南疆地區根據氣象信息指導膜下滴灌棉花時使用。