氣候變化下新疆棉花調虧灌溉的節(jié)水效果評估

王靈猛，周澤羽，劉 健，金繼明

（1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌712100；2.西北農林科技大學旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西楊凌712100）

0 引言

我國是世界上第2 大棉花生產國，據統(tǒng)計2017年我國棉花皮棉產量占世界棉花皮棉產量的1/5 以上[1]。而新疆是我國最大的優(yōu)質棉產區(qū)[2,3]，2017年新疆棉花的播種面積和皮棉產量分別占全國棉花播種面積和皮棉產量的70%和80%[4]。此外，棉花也是新疆播種面積最大的農作物，2018年新疆棉花播種面積占全疆農作物播種面積的38%[5]。所以實現新疆棉花的可持續(xù)生產對維持新疆棉農經濟收入以及我國乃至世界棉花生產都具有重要意義。

新疆地處歐亞大陸腹地，光照充足、熱量豐富、降水稀少、空氣干燥，是典型的內陸干旱半干旱區(qū)[6]。廣袤的土地資源、豐富的光熱資源以及較穩(wěn)定的降水和冰川積雪融水為新疆棉花種植提供了得天獨厚的自然條件[2,6]。然而干旱少雨而蒸發(fā)強烈的特征使新疆農業(yè)以綠洲灌溉農業(yè)為主，素有“無灌不植”之說，所以灌溉在新疆棉花生產中具有十分重要的地位和作用[7-9]。近年來由于新疆農作物種植面積和農業(yè)用水增加，地下水超采和農業(yè)用水擠占生態(tài)用水等問題日益凸顯，這些問題制約著新疆棉花的可持續(xù)生產[4,10,11]。

緩減新疆棉花生產所面臨的水資源短缺問題，需要大力推廣節(jié)水灌溉技術、提高水資源利用效率[12-14]。而調虧灌溉是在水資源有限的情況下減少作物耗水量但不顯著減少作物產量，通過提高水資源利用效率以達到節(jié)約水資源目的一種生物節(jié)水灌溉方法[15,16]。其原理是作物在不同的生長階段對水分脅迫的敏感度不同，所以生產中可在作物需水關鍵期進行充分灌溉，而在作物需水不敏感期減少灌溉量[1617]。這一方法在新疆棉花生產中具有廣泛的應用前景，所以近年來在與新疆棉花生產相關的研究中不斷受到關注[18-22]。然而這些研究主要是歷史階段的試驗研究，調虧灌溉在氣候變化背景下的節(jié)水效果尚有待評估。本研究評估氣候變化下新疆棉花調虧灌溉的節(jié)水效果，研究結果可為實現新疆棉花可持續(xù)生產提供科學參考。

1 數據與方法

1.1 研究區(qū)域

新疆植棉區(qū)廣泛分布于南疆和北疆地區(qū)，棉田主要位于盆地和山腳邊緣，由于緯度和海拔跨度大，植棉區(qū)氣候條件尤其是熱量條件差異大，不同地區(qū)適宜種植不同熟性的棉花。根據姚源松[23,24]的研究，新疆植棉區(qū)主要種植早熟和早中熟陸地棉，早熟和早中熟陸地棉種植區(qū)棉田面積和棉花產量均占全疆98%左右，所以本研究在早熟和早中熟棉種植區(qū)各選一個代表站進行研究（見圖1）。研究站點選擇中國生態(tài)系統(tǒng)研究網絡國家野外科學觀測研究站“阿克蘇站”（80°45'E，40°37'N）和“阜康站”（87°55'E，44°17'N）。“阿克蘇站”位于南疆地區(qū)，適宜種植新陸中系列早中熟陸地棉，而“阜康站”位于北疆地區(qū)，適宜種植新陸早系列早熟陸地棉[23,24]。站點所在區(qū)域代表了暖溫帶干旱區(qū)綠洲農田生態(tài)系統(tǒng)類型，是研究節(jié)水灌溉理論及綠洲農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的理想場所[25,26]。

圖1 研究站點位置Fig.1 The location of research sites

1.2 模型介紹

本文采用隨 DSSAT （Decision support system for agrotechnology transfer）模型[27,28]發(fā)布的棉花模型Crop Growth(CROPGRO)-Cotton 模擬歷史和未來新疆棉花生產。模型以日為步長進行模擬，需要的輸入數據包括氣象數據、土壤剖面數據、管理數據和品種參數[29]。棉花發(fā)育進程通過生理日的方法模擬，該方法考慮了溫度和水分脅迫對棉花發(fā)育進程的影響。光合作用基于綠籬光截獲并以小時為單位進行模擬[30]，然后以日為單位進行整合。模型通過不同的溫度響應函數模擬溫度對棉花光合作用、蕾鈴脫落的影響，通過Priestley-Taylor公式計算潛在蒸散發(fā)，并考慮了二氧化碳（CO2）濃度升高對氣孔阻力和植株蒸騰的影響。

CROPGRO-Cotton 模型在新疆地區(qū)的適用性已通過大田試驗數據得到評估。王興鵬等[31,32]用3 個灌溉水平下的棉花田間試驗數據評估了該模型對南疆地區(qū)棉花生長發(fā)育和產量模擬的適用性，結果表明模型能很好地模擬棉花開花期、成熟期和籽棉產量，其模擬值與實測值的絕對相對誤差（absolute relative error，ARE）在校正處理中分別為0%、2.74% 和9.02%，在驗證處理中分別為4.88%、2.30%和12.88%；模型也能精確反映不同灌溉策略對棉花物候和籽棉產量的影響。譚紅等[33]評價了該模型在石河子地區(qū)的適用性，結果顯示模型能很好地模擬花鈴期、吐絮期和產量，其模擬值與實測值的歸一化均方根誤差（The normalized root mean square error，n-RMSE）在模型校正時均小于10%，在模型驗證時分別為3.5%、1.46%和8.94%。此外，Himanshu 等[34]運用該模型模擬了美國南部高原區(qū)調虧灌溉對棉花籽棉產量和灌溉水利用率的影響，結果表明模型可以有效模擬調虧灌溉的作用。因此，CROPGRO-Cotton 模型可用于評估氣候變化背景下新疆棉花調虧灌溉的節(jié)水效果。

1.3 數據

1.3.1 歷史氣象數據

輸入作物模型的歷史氣象數據來自中國區(qū)域高時空分辨率地面氣象要素驅動數據集[35]，此數據集由中國科學院青藏高原所（Institute of Tibetan Plateau Research，Chinese Academy of Sciences，ITPCAS）開發(fā)，以下簡稱ITPCAS 數據集。作物模型所需的逐日太陽輻射、日最高氣溫、日最低氣溫和日降水量均由此數據集提取。

1.3.2 未來氣象數據

研究使用的未來氣象數據來自第5階段全球耦合模式相互比較計劃中的3 個大氣環(huán)流模式（General Circulation Models，GCMs）[36]。這3 個GCMs 代表不同的升溫強度，其中IPSLCM5A-MR 升溫最強，MIROC5 升溫中等，GFDL-ESM2G 升溫最弱[37]。2 種代表濃度路徑（RCP 4.5 和RCP 8.5）的數據被用來預測未來新疆棉花生產，其中RCP 4.5 為中等濃度溫室氣體排放情景，而RCP 8.5 為較高濃度溫室氣體排放情景[4]。輸入作物模型的未來氣候數據主要包括日最高氣溫、日最低氣溫、降水量和日太陽輻射，未來CO2濃度數據來自文獻[38]。為了減少GCMs 數據的不確定性，研究中將粗分辨率（1.3°～2.5°）的未來氣候數據通過統(tǒng)計降尺度變換為0.1°×0.1°分辨率的數據，降尺度過程中使用的觀測數據為ITPCAS數據集。

1.3.3 土壤數據

模型所需的土壤剖面數據主要來自中國生態(tài)系統(tǒng)研究網絡阿克蘇站[25]和阜康站[26]、中國土壤數據庫（http：//vdb3.soil.csdb.cn/）的實測資料，涉及的土壤參數主要包括分層的黏粒含量、粉粒含量、凋萎含水量、田間持水量、飽和含水量、土壤容重、有機質、全氮含量和作物根系生長參數等，部分參數直接來源于實測資料（見表1），沒有觀測的土壤參數主要依據實測土壤質地數據（即土壤黏粒含量、粉粒含量等），經DSSAT模型的SBuild模塊計算得到。

表1 土壤參數實測資料Tab.1 The measured data for soil parameters

1.3.4 栽培管理資料

棉花栽培管理資料主要包括棉花品種、播種日期、種植密度等數據。本文采用的早中熟陸地棉品種是南疆主栽品種“新陸中46號”，品種對應的模型品種參數來自王興鵬等[31,32]的研究，采用的早熟陸地棉品種是“新陸早45號”，品種對應的模型品種參數來自譚紅等[33]的研究（見表2）。相關研究表明CROPGRO-Cotton 模型能較好地模擬新疆棉花開花期、成熟期和籽棉產量[31-33]。根據中國生態(tài)系統(tǒng)研究網絡阿克蘇站[25]和阜康站[26]、相關文獻[32,33]的棉花栽培管理資料，阿克蘇站棉花的播種日期設置為4月23日，種植密度設置為30 株/m2，而阜康站棉花的播種日期設置為4月24日，種植密度設置為19株/m2。

表2 CROPGRO-Cotton模型棉花品種參數Tab.2 Genetic coefficients of cotton in the CROPGRO-Cotton model

1.4 試驗設計

1.4.1 棉花生長階段劃分

根據Himanshu 等[34]的研究將棉花生育期劃分為出苗期、現蕾期、開花期、開花盛期和成熟期，并將播種期至出苗期、出苗期至現蕾期、開花盛期至成熟期3個階段確定為棉花生長需水不敏感期[34]。棉花現蕾期至開花期、開花期至開花盛期一般均需要30 d 左右[34,39]，由于CROPGRO-Cotton 模型不能模擬棉花現蕾期和開花盛期，棉花現蕾期通過開花期減去30 d 確定，棉花開花盛期通過開花期加上30 d確定。

1.4.2 充分和調虧灌溉試驗設計

為了評估氣候變化背景下新疆棉花調虧灌溉的節(jié)水效果，本文設置充分灌溉（FullIRR）和調虧灌溉（IRR**）2 組試驗模擬歷史和未來新疆棉花生產（見表3）。充分灌溉通過模型自動灌溉程序實現，當模擬的土壤水分消耗至有效土壤含水量的50%時開始灌溉，當剖面土壤水分達到有效土壤含水量的85%時結束灌溉。調虧灌溉只在對水分脅迫不敏感的生長階段進行，而在其他生長階段調虧灌溉與充分灌溉采取相同的灌溉量。調虧灌溉共設置6個處理，其中IRR90表示在對水分脅迫不敏感的生長階段調虧灌溉用水量為充分灌溉的90%，而在其他生長階段調虧灌溉與充分灌溉采取相同的灌溉量，其他調虧灌溉處理與該處理采用類似的表示方法。

表3 充分和調虧灌溉處理Tab.3 The treatments for full and regulated deficit irrigation

1.4.3 充分和調虧灌溉試驗設計

棉花水分生產力通過籽棉產量除以棉花生育期實際蒸散發(fā)計算得到。為了優(yōu)化調虧灌溉策略和評價調虧灌溉節(jié)水效果，本文通過公式（1）計算調虧灌溉下各變量較充分灌溉下各變量的相對變化。優(yōu)化調虧灌溉策略的方法與Himanshu等[34]的研究相似，當調虧灌溉籽棉產量較充分灌溉減產少于5%時認為調虧灌溉對籽棉產量沒有顯著影響，這時將多個調虧灌溉處理中水分生產力最高的處理作為最優(yōu)調虧灌溉策略。結果分析時用GFDL、MIROC5 和IPSL 分別代表GFDLESM2G、MIROC5和IPSL-CM5A-MR 3個GCMs；用BL 代表基準期1999-2018年，P1、P2 分別代表2041-2060年和2081-2100年2 個時段；GFDL-P1 代表GFDL-ESM2G 在P1 時段對應結果，其他GCMs和時段的組合采用類似表示方法。

式中：△IRR代表調虧灌溉下各變量較充分灌溉下各變量的相對變化；IRR**代表各調虧灌溉處理下模擬的籽棉產量、生育期實際蒸散發(fā)和水分生產力；FullIRR代表充分灌溉下模擬的籽棉產量、生育期實際蒸散發(fā)和水分生產力。

2 結果與分析

2.1 棉花生長季氣候條件變化

與BL 期間相比，P1、P2 時段2 個站點棉花生長季（4–11月）日平均氣溫平均值呈上升趨勢，但日太陽輻射平均值和總降水量沒有明顯的變化趨勢（見圖2）。阿克蘇BL 期間棉花生長季日太陽輻射平均值、日平均氣溫平均值和總降水量分別為18.5 MJ/m2、17.8°C 和78.7 mm，阜康BL 期間棉花生長季日太陽輻射平均值、日平均氣溫平均值和總降水量分別為18.7 MJ/m2、16.5°C 和155.5 mm。與BL 期間相比，在RCP 4.5情景下阿克蘇P1、P2 時段棉花生長季日平均太陽輻射分別增加-1.3%～-1.1%和-1.3%～0.3%，日平均氣溫分別增加1%～10.8%和0.8%～17.3%，總降水量分別增加3.4%～14.8%和-3.1%～17.2%；在RCP 8.5 情景下阿克蘇P1、P2 時段這些變量分別增加-2.5%～-1.7% 和-2.7%～-0.5%、3.5%～15.4% 和15.5%～38.2%、-18.9%～21.7%和-47.3%～13.1%。與BL 期間相比，在RCP 4.5 情景下阜康P1、P2 時段棉花生長季日平均太陽輻射分別增加0.2%～0.7%和0.4%～1.3%，日平均氣溫分別增加0.6%～10.5% 和0.6%～18.5%，總降水量分別增加-2.8%～33.5%和-14.4%～28.7%；在RCP 8.5 情景下阜康P1、P2 時段這些變量分別增加-0.4%～1.2%和-0.8%～1.3%、5.1%～15.3%和21.5%～43.7%、-7.7%～22.4%和-14.6%～22.6%。與BL 期間相比，2 個站點和2 種情景下模式IPSL-CM5A-MR 升溫均最強，MIROC5升溫中等，而GFDL-ESM2G升溫均最少。

圖2 未來氣候條件下棉花生長季氣候變量較基準期變化Fig.2 The changes of climate variables during the cotton growing season under future climate conditions relative to the baseline period

2.2 優(yōu)化棉花調虧灌溉策略

隨著調虧灌溉用水量減少，棉花籽棉產量和生育期實際蒸散發(fā)減少（見圖3和圖4）。但在一定范圍內，調虧灌溉下籽棉產量較充分灌溉減產少于5%。當BL期間對應的調虧灌溉弱于IRR70，RCP 4.5 和RCP 8.5 情景下GFDL-P1、GFDL-P2、MIROC5-P1、MIROC5-P2、IPSL-P1、IPSL-P2 對應的調虧灌溉分別弱于IRR60、IRR60、IRR60、IRR70、IRR70、IRR80和IRR60、IRR70、IRR70、IRR70、IRR70、IRR80 時，阿克蘇調虧灌溉下籽棉產量較充分灌溉減產少于5%；同理，阜康調虧灌溉下籽棉產量較充分灌溉變化也符合此規(guī)律。這主要是由于輕度調虧灌溉對棉花生長造成的水分脅迫較小，并且播種至現蕾期調虧灌溉能促進棉花根系生長，有助于根系從土壤中吸取更多水分來維持棉花生長。與充分灌溉相比，輕度調虧灌溉對棉花葉面積指數和生育期植株蒸騰造成的影響也較小，所以輕度調虧灌溉下棉花生育期實際蒸散發(fā)減少主要由土壤蒸發(fā)減少造成。

圖3 RCP 4.5和RCP 8.5情景阿克蘇調虧灌溉籽棉產量、實際蒸散發(fā)和水分生產力較充分灌溉變化Fig.3 The changes of seed cotton yield，actual evapotranspiration，and water productivity under regulated deficit irrigation relative to full irrigation for RCP 4.5 and RCP 8.5 scenarios at Aksu

圖4 RCP 4.5和RCP 8.5情景阜康調虧灌溉籽棉產量、實際蒸散發(fā)和水分生產力較充分灌溉變化Fig.4 The changes of seed cotton yield，actual evapotranspiration，and water productivity under regulated deficit irrigation relative to full irrigation for RCP 4.5 and RCP 8.5 scenarios at Fukang

隨著調虧灌溉用水量減少，棉花水分生產力呈先增加后減少趨勢（見圖3和圖4）。在一定范圍內，調虧灌溉對籽棉產量造成的影響很小，實際蒸散發(fā)隨灌溉量減少而減小，棉花水分生產力呈增加趨勢，而當灌溉量繼續(xù)減少，調虧灌溉對籽棉產量的影響增加，產量減少嚴重，棉花水分生產力呈減少趨勢，因此棉花水分生產力存在一個最大值。當BL 期間對應的調虧灌溉為IRR70，RCP 4.5 和RCP 8.5 情景下GFDL-P1、GFDL-P2、MIROC5-P1、MIROC5-P2、IPSL-P1、IPSL-P2 對應的調虧灌溉分別為IRR60、IRR60、IRR60、IRR70、IRR70、IRR80 和IRR60、IRR70、IRR70、IRR80、IRR80、IRR90時，阿克蘇棉花水分生產力達到最大值。同理，阜康棉花水分生產力變化也符合此規(guī)律。

根據棉花籽棉產量和水分生產力隨灌溉量減少所呈現的變化規(guī)律，為了在不顯著減少籽棉產量的情況下盡量減少棉花生產耗水量，當調虧灌溉對籽棉產量的影響小于5%時，將多個調虧灌溉處理中棉花水分生產力最高的處理作為最優(yōu)調虧灌溉策略，據此可優(yōu)化出2 個站點BL 和P1、P2 時段棉花生產的最優(yōu)調虧灌溉策略（見表4和表5）。

表4 阿克蘇基準期和未來氣候條件下的最優(yōu)調虧灌溉策略Tab.4 The optimal strategies of regulated deficit irrigation at Aksu under the baseline period and future climate conditions

表5 阜康基準期和未來氣候條件下的最優(yōu)調虧灌溉策略Tab.5 The optimal strategies of regulated deficit irrigation at Fukang under the baseline period and future climate conditions

2.3 調虧灌溉節(jié)水效果評估

根據2 個站點BL 和P1、P2 時段棉花生產調虧灌溉策略優(yōu)化結果，調虧灌溉可提高新疆棉花水分生產力并節(jié)省灌溉量（見表4和表5）。BL期間調虧灌溉可使阿克蘇棉花水分生產力提高2.24%、節(jié)省灌溉量88 mm，使阜康棉花水分生產力提高3.54%、節(jié)省灌溉量124 mm。RCP 4.5 情景下，調虧灌溉可使阿克蘇P1、P2 時段棉花水分生產力分別提高1.78%～2.97%和0.73%～2.88%，分別節(jié)省灌溉量84～120 mm 和59～117 mm；可使阜康P1、P2 時段棉花水分生產力分別提高1.06%～2.52%和0.58%～1.81%，分別節(jié)省灌溉量99～113 mm 和68～118 mm。RCP 8.5情景下，調虧灌溉可使阿克蘇P1、P2時段棉花水分生產力分別提高0.87%～2.58%和0.23%～1.89%，分別節(jié)省灌溉量59～114 mm 和38～83 mm；可使阜康P1、P2 時段棉花水分生產力分別提高0.31%～0.83%和0.04%～0.19%，分別節(jié)省灌溉量75～76 mm 和29～57 mm。總體來說，調虧灌溉可以有效提高新疆棉花水分生產力，節(jié)省灌溉用水量，其最優(yōu)灌溉用水量較充分灌溉可節(jié)約5%～28%的灌溉量。

新疆棉花生產最優(yōu)調虧灌溉的調虧程度隨溫度升高呈減弱趨勢，但CO2濃度升高可能影響這種趨勢。最優(yōu)調虧灌溉策略是不顯著影響籽棉產量的多個調虧灌溉處理中棉花水分生產力最高的處理。棉花水分生產力通過籽棉產量和生育期實際蒸散發(fā)計算，而籽棉產量和生育期實際蒸散發(fā)主要受溫度和CO2濃度影響，因此最優(yōu)調虧灌溉策略與溫度和CO2濃度密切相關。CO2濃度相同的情況下，兩個站點和兩種情景下P1、P2 時段最優(yōu)調虧灌溉的調虧程度均滿足GFDL-ESM2G 最強、MIROC5次之、IPSL-CM5A-MR最弱的規(guī)律，這主要是由于溫度升高后需要更多灌溉量來維持蒸散發(fā)耗水。大多數情況下氣候變暖使最優(yōu)調虧灌溉的調虧程度減弱，但CO2濃度升高會減少植株蒸騰和加強光合作用，進而影響這種趨勢。阿克蘇RCP 4.5 情景下GFDL-P1、GFDL-P2、MIROC5-P1 和RCP 8.5情景下GFDL-P1對應最優(yōu)調虧灌溉的調虧程度較BL對應最優(yōu)調虧灌溉的調虧程度強，這主要是由于CO2濃度升高使氣孔導度減小，導致實際蒸散發(fā)減少[40]，升溫較弱的情況下這種影響可能超過溫度升高導致的實際蒸散發(fā)增加。此外，CO2濃度升高會加強光合作用，這種影響可能減弱調虧灌溉對籽棉產量形成造成的影響[41]。因此，為了在不顯著減少籽棉產量的情況下盡量減少新疆棉花生產耗水量，需要不斷優(yōu)化調虧灌溉策略以適應氣候變化。

3 結語

（1）與BL 相比，P1、P2 時段2 個站點棉花生長季日平均氣溫平均值呈上升趨勢，但日太陽輻射平均值和總降水量沒有明顯的變化趨勢；2 個站點和2 種情景下模式IPSL-CM5AMR 升溫均最強，MIROC5 升溫中等，而GFDL-ESM2G 升溫均最少。

（2）在一定程度的調虧灌溉下籽棉產量較充分灌溉減產少于5%，而且水分生產力隨調虧灌溉用水量減少呈先增加后減少的趨勢，據此可優(yōu)化新疆棉花生產的調虧灌溉策略。調虧灌溉可以有效提高新疆棉花水分生產力，節(jié)省灌溉用水量，其最優(yōu)灌溉用水量較充分灌溉可節(jié)約5%～28%的灌溉量。

（3）新疆棉花生產最優(yōu)調虧灌溉調虧程度隨溫度升高呈減弱趨勢，但CO2濃度升高可能影響這種趨勢。為了在不顯著減少籽棉產量的情況下盡量減少新疆棉花生產耗水量，需要不斷優(yōu)化調虧灌溉策略以適應氣候變化。