基于参考作物法的玛河灌区棉花耗水强度研究

曹玉斌，何新林，吕廷波，辛明亮，王萌萌，石培君

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2. 现代节水灌溉兵团重点试验室，新疆 石河子 832000)

长期以来棉花耗水规律的研究一直备受学者们的关注，王海艳等[1]针对不同水文年和不同生育阶段作物耗水强度不同的问题，认为计算前应先对计算区域历年降雨排频寻找典型年，并在计算中确定作物不同阶段日均耗水强度；H. J. Farahani等[2]在叙利亚北部棉花种植区域开展试验研究，对国际粮农组织推荐的Kc值进行调整，确定了更加符合该区域情况的棉花Kc值曲线。杨九刚等[3]探究了灌水次数和灌溉定额对膜下滴灌棉花生长及产量的影响，认为灌水频次和灌溉定额共同影响棉花的生长和产量；张振华等[4]则将试验与气象资料计算相结合，对膜下滴灌条件下作物的需水规律和各生育期作物系数进行了研究。

本研究选取新疆重要棉花产区，玛纳斯河流域中游平原灌区(以下简称玛河灌区)为研究区，基于参考作物法从灌区尺度上对棉花的耗水强度进行研究。研究结果可为区域棉花灌溉水管理和棉田规划设计的合理化、精细化提供科学依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

玛河灌区位于天山北坡，准噶尔盆地南缘,地理位置85°00′～86°32′E，44°10′～45°14′N，总面积约8.40×103km2,是新疆最大的荒漠绿洲农耕区和全国第4大灌溉农业区，棉花种植面积占作物种植面积的70%以上。灌区内气候干燥，夏季炎热，冬季寒冷，属典型干旱大陆性气候。灌区年日照时数2 550～3 100 h，年均降水量110～200 mm，年均蒸发量1 500～2 000 mm，无霜期148～187 d。玛河灌区地势南高北低，自西向东分布着下野地灌区、安集海灌区、金沟河灌区、石河子灌区、玛纳斯灌区、莫索湾灌区以及新湖总场灌区等7个子灌区。

1.2 研究方法

(1)作物耗水强度计算方法。作物耗水强度用来反映作物在1 d内的耗水量，单位为mm/d[1]。本文采用参考作物法计算作物耗水强度，根据作物生育期内的气象资料，利用联合国粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith公式计算出参考作物蒸发蒸腾量(ET0)，再根据作物种类确定作物系数(Kc)，对ET0进行修正，就得到了所需计算的作物蒸发蒸腾量(ETc)，进而可以确定作物耗水强度[5-7]。

Kc采用FAO推荐的分段单值平均法[8-11]确定,并依据研究区气候条件进行修正。修正Kcmid、Kcend公式如下：

(1)

式中：Kc(tab)为标准条件(标准条件是指空气湿度≈45%，风速≈2 m/s，供水充足，管理良好，生长正常，大面积高产的作物生长条件)时各个生育阶段的作物系数(Kcini、Kcmid、Kcend)；U2为地面以上2 m高处的风速，m/s；RHmin为各个生育阶段日最低相对湿度的平均值，%；h为各个生育阶段作物的平均高度，m。

棉花的Kc变化过程可概化为4个阶段和3个值。4个阶段依次为初期、发展期、生育中期、末期，初期(init)作物系数Kcini，发展期(dev)作物系数Kcini

(2)

式中:i为生育期内的日序；Kci为第i天的Kc值；Lstage为计算阶段的长度，d；∑Lprev为以前所有阶段长度和，d；Kcprev为Kci所处生育期的上一阶段生育期的Kc值；Kcnext为Kci所处生育期的下一阶段生育期的Kc值。

(2)空间插值方法。本文采用ArcGIS中的地统计学插值法、经验贝叶斯Kriging法，对灌区棉花耗水强度进行空间插值。经验贝叶斯Kriging插值法是一种非确定性预测模型，能将预测误差最小化，将预测标准误差与预测值之间的不确定性进行量化。

2 结果分析

2.1 灌区棉花不同生育期耗水强度变化分析

灌区各区域棉花生育期时间划分基本相同，故选取石河子灌区的棉花种植生育期时间资料，对整个玛河灌区内部的棉花Kc值和耗水强度进行计算。棉花生育期时间划分及Kc值计算结果如表1所示。

表1 棉花各生育期时间划分及作物系数(Kc)取值Tab.1 The cotton growth period of each time division and crop coefficient (Kc) values

研究根据地形、地貌和纬度的差异，在玛河灌区及其周边的24个气象站中选取乌兰乌苏、石河子、147团、炮台、莫索湾和150团24连等6个典型气象站2013年度棉花生育期内的气象资料，研究分析灌区棉花不同生育期的耗水强度。

由图1、图2可以看出，玛河灌区典型站点棉花日平均耗水强度和耗水量在不同生育阶段变化明显。均呈现出苗期、蕾期逐渐增大，到花铃期突增达到峰值，而后在吐絮期逐渐减小的变化趋势。苗期时各典型站点的日平均耗水强度差异较小，为1.62～1.76 mm/d，耗水量为69.82～73.92 mm。进入蕾期，棉花日平均耗水强度迅速增长，各站点附近的棉花的日平均耗水强度也出现明显差异，最小值为3.74 mm/d，出现在下野地灌区西部的炮台站点附近，最大值则达到4.70 mm/d，出现在莫索湾灌区北部，紧靠沙漠的150团24连站点及其附近区域，差值接近1 mm/d，但由于蕾期时间较短，耗水量只有86.03～108.05 mm。花铃期是灌区棉花耗水高峰期，在此期间棉花日平均耗水强度持续增加并达到峰值，灌区内部各部分区域的日平均耗水强度差异变大，最小值5.64 mm/d，分布在灌区中部莫索湾灌区的147团站点附近，最大值则达到6.84 mm/d，依然分布于150团24连站点附近，差值达到1.2 mm/d。由于花铃期日平均耗水强度大，且生育期时间长，所以耗水量高达310.43～375.99 mm，高于其他3个生育期耗水量之和。进入吐絮期，棉花植株基本成型，生长速度减慢，各站点日平均耗水强度均大幅下降，差值减小，为2.00～2.50 mm/d，耗水量也下降为68.16～84.89 mm。各生育期日平均耗水强度的大小顺序为花铃期>蕾期>吐絮期>苗期，这一顺序与李明思[12]等的研究结果一致。此外本文关于棉花各生育期耗水强度的计算结果与张金珠[13]的试验结果也相符合。

图1 典型站点棉花各生育期日平均耗水强度Fig.1 The average daily water consumption intensity of cotton in growing period for typical meteorological stations

图2 典型站点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 灌区棉花耗水强度空间分布研究分析

利用全部24个气象站点2013年度棉花生育期内的气象资料，进行灌区棉花耗水强度的空间分布研究。

由图3可知，玛河灌区全生育期平均耗水强度在空间上呈带状分布，自灌区西南向东北表现为递增趋势，大小为3.45～3.98 mm/d。灌区棉花全生育期平均耗水强度在空间上的变化量为0.53 mm/d，针对整个玛河灌区来说其变化平缓，空间分布相对均匀。但从玛河灌区内部各子灌区及其内部各部分区域的角度看，位于玛河灌区西南部，毗邻天山的下野地灌区、安集海灌区、金沟河灌区的棉花全生育期平均耗水强度较小，为3.45～3.60 mm/d，而位于玛河灌区东北部，沙漠边缘的莫索湾灌区东北部、新湖总场灌区北部的取值则达到3.82～3.98 mm/d，最大增长率达到15.36%，如果将2部分区域全生育期平均耗水强度的差值乘以全生育期天数，则可知2部分区域全生育期耗水量的差值大小为34.10～82.15 mm，相当于灌区棉花苗期的耗水量。这说明灌区棉花全生育期平均耗水强度值存在比较显著的区域差异。

图3 灌区棉花全生育期平均耗水强度空间分布Fig.3 Spatial distribution of the growing period average water consumption intensity of cotton

2.3 灌区棉花设计耗水强度的确定

在规划设计中，为满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强度来确定设计耗水强度。花铃期为棉花耗水的高峰期，故应依据花铃期的棉花日平均耗水强度确定灌区棉花设计耗水强度值。由图4可知灌区棉花设计耗水强度呈现出西南低、东北高，由西南部向东北部递增的趋势，最大值为6.45 mm/d，最小值为5.69 mm/d。灌区棉花设计耗水强度在空间上大致可划分为高、中、低3个取值区域。其中高值区取值为6.09～6.45 mm/d，集中分布于灌区东北部的莫索湾灌区、新湖总场灌区北部、下野地灌区东部、玛纳斯灌区北部，占玛河灌区总面积的33.14%；低值区取值为5.69～5.83 mm/d，主要分布于灌区西南部的下野地灌区、安集海灌区和金沟河灌区西南部，占玛河灌区总面积的24.28%；位于玛河灌区中部的剩余区域为中值区，设计耗水强度的取值为5.84～6.08 mm/d，占玛河灌区总面积的42.58%。

图4 灌区棉花设计耗水强度空间分布Fig.4 Spatial distribution for design water consumption intensity of cotton

上述结果证明，目前玛河灌区棉花种植规划设计参照《微灌工程技术规范》(GB/T 50485-2009)[14]在4～7 mm/d选取设计耗水强度是基本合理的，研究将灌区棉花设计耗水强度的取值范围进一步缩小至5.69～6.45 mm/d，对灌区棉花灌溉工程规划设计和灌溉制度的制定有一定的现实意义。

3 结 论

(1)玛河灌区棉花各生育期日平均耗水强 度呈现出苗期、蕾期逐渐增大，到花铃期突增达到峰值，而后在吐絮期逐渐减小的变化趋势。各生育期日均耗水强度大小顺序为花铃期>蕾期>吐絮期>苗期。

(2)玛河灌区棉花全生育期平均耗水强度在空间上呈现出由灌区西南部向东北部逐渐递增的趋势，取值为3.45～3.98 mm/d。其中毗邻天山的灌区西南部区域取值为3.45～3.60 mm/d，紧靠古尔班通古特大沙漠的灌区东北部取值则为3.75～3.98 mm/d。

(3)玛河灌区棉花设计耗水强度取值范围应为5.69～6.45 mm/d，可分为高值区(6.09～6.45 mm/d)、中值区(5.84～6.08 mm/d)、低值区(5.69～5.83 mm/d)3块区域。在规划设计时，针对灌区的不同区域选取相应的棉花设计耗水强度值，可达到较好的规划设计效果。

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