塔里木灌区膜下滴灌的棉花需水量及节水效益

闫映宇

(新疆维吾尔自治区水土保持生态环境监测总站, 乌鲁木齐 830000)



塔里木灌区膜下滴灌的棉花需水量及节水效益

闫映宇

(新疆维吾尔自治区水土保持生态环境监测总站, 乌鲁木齐 830000)

为了确定适宜的灌溉制度，2008年通过田间灌溉试验，采用水量平衡法研究了塔里木灌区膜下滴灌棉花需水和耗水规律。以田间试验数据为基础，拟合了棉花的水分生产函数模型，分析评价了膜下滴灌棉花的节水效益。结果表明：塔里木灌区膜下滴灌棉花需水量为543 mm，其中苗期252 mm，蕾期186 mm，花铃期316 mm，吐絮期139 mm。随滴灌量减小，耗水量减小。滴灌量影响棉花各生育阶段的耗水量及产量，并不影响耗水比例。相应于灌溉水利用效率最高点的滴灌量要低于产量最高点的，因此节水与增产产生矛盾，仅从节水角度考虑，滴灌量为3 091 m3/hm2时，可以达到最大灌溉水利用效率，要获得最大产量，滴灌量应满足3 464 m3/hm2。与漫灌相比，膜下滴灌节水增产效益明显。在同一灌溉量下，膜下滴灌增产30.2%，灌溉水利用效率提高30.2%，在同一产量水平下，节水29.3%，灌溉水利用效率提高41.5%。

棉花需水量; 棉花耗水量; 节水效益; 膜下滴灌

膜下滴灌是新疆绿洲农业最为有效的节水灌溉技术，因其具有显著的节水、保温、抑盐、增产效果，在新疆棉田中已获得大面积推广应用。由于滴灌特有的介面特征，显现出在水盐运行环境、运移变化特点、脱盐程度等方面与传统和单一的灌溉方式有着明显不同的特点，膜下滴灌棉田水盐运移规律受到广大学者的广泛关注。国内已对滴灌条件下的土壤水分运动规律及影响因素、湿润体运移的影响因素进行了深入研究[1-8]。棉花膜下滴灌土壤盐分运移规律、分布及累积特征等方面研究也取得了重要进展[9-11]。孙林等[12]还对长期滴灌棉田土壤盐分演变趋势进行了预测。汪有科等[13]对节水增产灌溉模式也进行了探讨。由于膜下滴灌已经改变了以往的水分运移规律，普通灌溉条件下的作物需水规律和灌溉制度不能照搬于膜下滴灌，然而目前对于人们更加关心的膜下滴灌棉花需水耗水规律、节水增产效益、适宜灌溉制度等方面的研究还不足。学者对北疆膜下滴灌棉花需水规律、耗水规律及灌溉制度的研究取得了一些成果[14-15]。南疆地区作物需水规律的研究主要针对普通灌溉方式进行，通过长期研究建立了一些作物需水量计算模型[16-17]。但对膜下滴灌棉花需水规律及灌溉制度的研究极少，刘新永等[18]对南疆膜下滴灌棉花耗水规律以及灌溉制度进行了研究，但仍无法满足整个南疆地区膜下滴灌棉花种植推广的需要。全面了解膜下滴灌棉花需水耗水规律、对比分析不同灌溉方式用水效率、节水效益等对于节水农业的发展、加强水资源的集约管理、水分利用效率的提高和棉花产量的模拟预测等均具有重要意义和作用。但在水资源匮乏的南疆地区有关膜下滴灌棉田需水规律、灌溉制度及棉花水分生产函数，尤其是不同灌溉方式水分利用效率、节水效益的对比研究目前还很欠缺。为此，本文拟通过不同灌溉量的田间小区试验，利用水分动态监测资料，基于水量平衡原理，研究塔里木灌区膜下滴灌棉花生育期的耗水规律，从而确定膜下滴灌棉田水均衡及各要素间的转化关系；建立膜下滴灌、普通漫灌棉花产量与灌水量的定量关系，对比分析膜下滴灌的节水效益，为塔里木灌区科学合理的灌溉及有限水资源的合理配置提供科学的理论依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

试验于2005—2012年在中国科学院阿克苏农田生态系统国家野外科学观测研究站(40°37′N，80°45′E)进行。该地气候属于暖温带干旱气候，年平均气温11.2℃，与同纬度地区相比，夏季温度偏高、冬季温度偏低、春秋季节气温变化剧烈。年降水量45.7 mm，年水面蒸发量2 500 mm，无霜期207 d，全年日照时数2 940 h，年太阳辐射总量6 000 MJ/m2。试验地土壤为粉砂壤土。

1.2试验设计

试验采用随机区组设计，灌溉量共设6个水平，分别为：4 265 m3/hm2(Ⅰ)，3 926 m3/hm2(Ⅱ)，3 600 m3/hm2(Ⅲ)，3 271 m3/hm2(Ⅳ)，2 947 m3/hm2(Ⅴ)，2 618 m3/hm2(Ⅵ)，每处理4次重复，小区面积389.2 m2。供试棉花品种为中棉49，株行距采用宽窄行配置[(10+65+10+60)cm]，即1膜种植4行棉花，窄行距10 cm，宽行距65 cm，膜间距60 cm，株距均为10 cm。4月28日播种，播种前施磷酸二铵450 kg/hm2作基肥。全生育期灌溉采用滴灌模式，滴灌带铺设在宽行中央，每7天滴灌1次，每次灌溉持续7～11 h，6月24日(蕾期)第1次灌水，共灌水10次。在第3～6次灌溉时，随水追施尿素450 kg/hm2，磷酸二氢钾150 kg/hm2。

1.3研究方法

1.3.1土壤水分观测在不同水分处理棉花宽行、窄行、膜间分别埋设中子管，用中子水分仪(CNC503DR)测定0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm土层的土壤含水量。每隔2 d测定1次，滴灌前后加测。为了解决中子仪测定表层土壤水分不准确的问题，利用烘干法对中子仪进行标定。

1.3.2参考作物蒸散量ET0的确定采用FAO(Smith，1991)推荐的Penman-Monteith公式计算参考作物蒸散量ET0[19]：

(1)

式中：ET0——参考作物蒸散量(mm)；Rn——作物表层的净辐射量[MJ/(m2·d)]；G——土壤热通量[MJ/(m2·d)]，T——日平均温度(℃)；u2——2 m高度的日平均风速(m/s)；ea-ed——饱和水汽压差(kPa)；Δ——饱和水气压—温度曲线上的斜率(kPa/℃)；γ——干湿表常数(kPa/℃)。根据阿克苏试验站全年气象资料，通过上式计算得到参考作物蒸散量ET0。

1.3.3膜下滴灌棉花需水量ETc及作物系数Kc确定方法棉花需水量与其影响因素之间的数学模型如下：

ETc=Kc×ET0

(2)

式中：ETc——作物需水量(mm)；ET0——参考作物蒸散量(mm)；Kc——作物系数。首先计算出参考作物蒸散量ET0，再在充分湿润的土壤条件下实测作物需水量ETc，二者的比值即为膜下滴灌条件下的棉花系数Kc。

1.3.4膜下滴灌棉花耗水量确定方法根据农田水量平衡原理[20]，膜下滴灌棉田水量平衡简化式为：

ET=I-(W2-W1)-BW

(3)

式中：ET——棉花耗水量(mm)；W1——时段初100 cm土体储水量(mm)；W2——时段末100 cm土体储水量(mm)；I——灌水量(mm)；BW——根系层(100 cm)下界面水分交换量(mm)，取向下为正。由公式(3)计算棉花耗水量，根系层界面通量由达西定律计算。

1.3.5数据处理数据采用单因子方差分析(One-way ANOVA)，如果ANOVA结果显著，再用最小显著差数法(LSD)对各处理进行两两配对多重比较。所有统计分析均采用Excel和SPPS 13.0完成。

2　结果与分析

2.1膜下滴灌棉花耗水量与耗水规律

由表1看出，滴灌量对棉花耗水量的影响显著，随滴灌量减小，棉花总耗水量减小。由于苗期土壤水分一致，各处理耗水量基本相同，从蕾期开始经过灌水处理，耗水量随滴灌量减小而减小。各处理棉花花铃期耗水量最大，其次是蕾期，苗期和吐絮期较小。各处理棉花的日耗水强度，苗期差异不明显，其值为1.2～1.3 mm/d；蕾期以后日耗水强度增大，并随滴灌量的增加而增大。蕾期各处理在2.5～3.3 mm/d；进入花铃期后，日耗水强度达到最大值，其值在3.7～5.5 mm/d变化；吐絮期又降低，约1.4～2.2 mm/d。可见，膜下滴灌棉花花铃期是其生育期中耗水强度最大的阶段，耗水量占全生育期耗水总量的50%之多，其次是蕾期，苗期和吐絮期最小。

表1　不同水分处理棉花各生育阶段的耗水量

注：不同小写字母表示处理间差异达显著水平(p<0.05),下表同。

由表2可以看出，各阶段耗水量占总耗水量的百分数(模系数)差异显著，苗期最小，在8.9%～12.5%；花铃期达到最大值51.6%～53.8%，蕾期为15.4%～16.8%，吐絮期为19.1%～22.5%，但处理之间差异不明显。说明滴灌量只影响棉花耗水量，并不影响各阶段的耗水比例。

表2不同水分处理棉花各生育阶段的耗水比例%

生育时期时间/d耗水比例ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ苗期438.9±2.19.5±2.210.0±2.010.6±1.410.8±1.312.5±1.5蕾期3015.9±0.516.2±0.815.4±1.016.2±0.616.8±0.816.8±1.1花铃期6153.8±2.351.8±2.353.0±2.050.7±1.552.6±2.151.6±1.2吐絮期6021.4±1.922.5±2.521.6±1.222.5±2.619.8±1.319.1±1.9全生育期194100.0100.0100.0100.0100.0100.0

2.2膜下滴灌棉花需水量和需水规律

从表3可以看出，膜下滴灌棉花全生育期需水量为543.2 mm。不同生育阶段，需水量差异显著。苗期最小为54.4 mm，占生育期总需水量的10.0%，需水强度1.3 mm/d；花铃期最大为288.0 mm，占生育期总需水量的53.0%，需水强度4.7 mm/d；蕾期需水量83.5 mm，占生育期总需水量的15.4%，需水强度2.8 mm/d；吐絮期需水量117.3 mm，占生育期总需水量的21.6%，需水强度1.9 mm/d。

2.3膜下滴灌棉花水分生产函数

膜下滴灌棉花籽棉产量Y与生育期滴灌量I的关系如图1所示。经回归分析得二者之间符合二次抛物线关系:

Y=-0.0026I2+18.015I-24845

(R2=0.9592，n=6)

(4)

为了分析灌溉效应，引入灌溉平均产量AI和灌溉边际产量MI两个基本概念，且定义灌溉平均产量AI是指平均投入每单位灌水量所获得的产量[21]，即灌溉水分利用效率；灌溉边际产量MI是指增加单位灌水量所增加的产量，它是Y—I关系的一阶导数，AI，MI的单位为kg/(hm2·m3)。

MI=dY/dI=18.015-0.0052I

(5)

AI=Y/I=18.015-0.0026I-24845/I

(6)

表3膜下滴灌棉花需水量及其规律

生育期(月-日)时间/d参考作物蒸散量/mm作物系数需水量/mm需水强度/(mm·d-1)模系数/%苗期(04-25—06-08)43251.9±7.0a0.22±0.003a54.4±1.4a1.3±0.03a10.0±2.0a蕾期(06-08—07-08)30186.0±6.0b0.45±0.010b83.5±1.7b2.8±0.06b15.4±1.0a花铃期(07-08—09-07)61315.7±4.5c0.91±0.010c288.0±4.3c4.7±0.07c53.0±2.0a吐絮期(09-07—11-07)60139.3±6.1d0.84±0.03d117.3±3.1d1.9±0.05d21.6±1.2a全生育期194892.90.61543.22.7100.0

由图1可见，3条曲线有两个重要的转折点把Y—I曲线分为3段：第1个点是MI—I曲线与AI—I曲线的交点C，是平均产量曲线的最高点，该点边际产量等于平均产量，灌溉水分利用效率最大为1.941 kg/(hm2·m3)，对应的滴灌量为3 091 m3/hm2；第2个点是Y—I曲线的最高点D，该点边际产量MI等于零，产量最大为6 360 kg/hm2，滴灌量为3 464 m3/hm2，灌溉水分利用效率为1.836 kg/(hm2·m3)。曲线第1段是从原点到D点，边际产量大于平均产量，产量增加的幅度大于灌水量增加的幅度。属于棉花水分极缺区，该段灌溉量的增加会显著提高产量，因此只要水量允许，就应予以投入；第2段是从C点到D点，虽然边际产量大于零，但已小于平均产量，产量增加的幅度小于灌水量增加的幅度，属于棉花水分缺乏调节区，调节滴灌量为3 091～3 464 m3/hm2，当滴灌量达到3 464 m3/hm2时，产量最大。第3段是D点以后，边际产量小于零，产量随灌水量增大而减小，属于奢侈灌溉区。

图1　膜下滴灌棉花产量、平均产量、边际产量与灌水量的关系

2.4膜下滴灌棉田节水效益

膜下滴灌及普通漫灌条件下，棉花产量与灌溉量的关系如图2所示，经回归分析，均符合二次抛物线关系。膜下滴灌棉花产量与滴灌量的关系见公式(4)。普通漫灌棉花产量与灌溉量的关系式如下：

Y=-0.000973I2+7.5986I-9761.7

(R2=0.9672，n=6)

(7)

由图2可以看出，灌溉量小于3 464 m3/hm2时，两种灌溉方式棉花产量都随灌溉量增加而增大，膜下滴灌棉花产量大于普通漫灌，并且增加幅度也大于普通漫灌，说明膜下滴灌棉花对灌溉水分的敏感性大于普通漫灌。灌溉量增加到3 464 m3/hm2(G点)，膜下滴灌棉花产量达最大6 360 kg/hm2，灌溉水利用效率为1.836 kg/(hm2·m3)，此时普通漫灌棉花产量4 885 kg/hm2，灌溉水利用效率1.410 kg/(hm2·m3)，膜下滴灌增产30.2%，灌溉水利用效率提高30.2%。灌溉量在3 464～3 905 m3/hm2时，膜下滴灌棉花产量随灌溉量增加而减小，而普通漫灌棉花产量随灌溉量增加继续增大，灌溉量增大到3 905 m3/hm2(H点)时，普通漫灌棉花产量达最大5 074 kg/hm2，灌溉水利用效率为1.299 kg/(hm2·m3)。当膜下滴灌棉花产量等于普通漫灌棉花的最大产量时，滴灌量为2 761 m3/hm2，灌溉水利用效率为1.838 kg/(hm2·m3)，比普通漫灌节水29.3%。灌水量大于3 905 m3/hm2后，两种灌溉方式棉花产量都随灌溉量增加而减小。两种灌溉方式棉花产量都达到最大时，膜下滴灌棉花比普通漫灌节水11.3%，增产25.3%，灌溉水利用效率提高41.3%。

图2　不同灌溉方式棉花滴灌量与产量关系

3　结论与讨论

塔里木灌区膜下滴灌棉花全生育期需水量543 mm，苗期最小占生育期总需水量的10.0%，花铃期最大占53.0%，蕾期占15.4%，吐絮期占21.6%。不同滴灌量下，棉花实际耗水量与需水量有差值，表现出不同程度的盈亏。滴灌量在3 600 m3/hm2时，水分供需平衡。滴灌量的大小直接影响棉花产量及灌溉水利用效率的高低，其关系符合二次抛物线，遵循“报酬递减规律”。但产量的最高点与灌溉水利用效率的最高点并不一致，相应于灌溉水利用效率最高点的滴灌量要低于产量最高点的滴灌量，因此节水与增产存在矛盾。仅从节水角度考虑，滴灌量为3 091 m3/hm2时，可以达到最大灌溉水利用效率，但此时棉花产量比最高产量降低5.7%。要获得最大产量，滴灌量应满足3 464 m3/hm2。在滴灌量小于3 091 m3/hm2阶段，属于膜下滴灌棉花水分极缺区，若水资源允许，应尽量予以投入；在滴灌量为3 091～3 464 m3/hm2阶段，属于水分缺乏调节区；在滴灌量大于3 464 m3/hm2阶段，产量随滴灌量增大而减小，属于奢侈灌溉区。

在同一管理模式下，膜下滴灌棉花的最高产量大于普通漫灌，在二者都达到最高产量时，膜下滴灌棉花比普通漫灌节水11.3%，增产25.3%，灌溉水利用效率提高41.3%。在同一灌溉量(膜下滴灌棉花产量最大时的灌溉量)下，膜下滴灌比普通漫灌增产30.2%，灌溉水利用效率提高30.2%。在同一产量(漫灌棉花最大产量)下，膜下滴灌比普通漫灌节水29.3%，灌溉水利用效率提高41.5%，说明在目前普通漫灌棉花的产量水平及水资源利用条件下，采用膜下滴灌技术，发展节水农业，有巨大的增产潜力，可大幅度提高灌溉水利用效率。从可持续发展的角度出发，探索膜下滴灌的生态环境效应及土壤盐分发展趋势，确定膜下滴灌技术适宜性评价指标，从而建立干旱区绿洲节水农业的生态安全及可持续性评估机制，是新疆乃至西北干旱区发展可持续节水农业的根本要求。

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Cotton Water Requirements and Water Saving Benefit Under Mulched Drip Irrigation in Tarim Irrigated Area

YAN Yingyu

(GeneralStationofSoilandWaterConversationandEcoenvironmentalMonitoringofXinjiang,Urumqi830000,China)

The primary purpose of this research was to give suitable irrigation program according to the growth period and water requirement. A cotton field experiment with mulched drip irrigation was conducted in Tarim Irrigated Area of Xinjiang in 2008. Water balance method was adopted to investigate the water requirement and water consumption pattern of cotton under mulched drip irrigation in Tarim Irrigated Area. Statistical analysis of experimental data of irrigation indicates that the relationship between yield of cotton and irrigation presents a quadratic parabola. We fit the model of cotton water production on the basis of field experimental data of cotton. And the analysis on water saving benefit of cotton under mulched drip irrigation was carried out. Results indicate that water requirements for the irrigated cotton are 543 mm in Tarim Irrigated Area; the water requirement at the seedling stage is 252 mm, it is 186 mm at budding stage, it is 316 mm at bolling stage and it is 139 mm at wadding stage: the irrigation amount determines the spatial distribution of soil moisture and water consumption during cotton life cycle. However, water consumption at different growth stages was inconsistent with irrigation. Quantitatively, the water consumed by cotton decreases upon the increase of irrigation amount. From the perspective of water saving, the maximal water use efficiency can reach to 3 091 m3/hm2. But the highest cotton yield demands 3 464 m3/hm2irrigation water. In summary, compared to the conventional drip irrigation, a number of benefits in water saving and yield increase were observed when using plastic mulch. At the same amount of irrigation, the cotton yield with plastic mulch was 30.2% higher than conventional practices, and the efficiency of water utilization increased by 30.2%. While at the same yield level, 29.3% of water was saved by using plastic mulch, and the efficiency increased by 41.5%.

cotton water requirements; cotton water consumption; water saving Benefit; drip irrigation under mulching

2015-03-05

2015-03-16

973课题(2009CB421302);中国科学院创新项目(KZCX2-YW-127)

闫映宇(1982—),男,甘肃通渭人,硕士,工程师,主要从事土壤生态与环境及水土保持相关研究。E-mail:yyy_2009@126.com

S562； S274.3

A

1005-3409(2016)01-0123-05