气候变化下新疆棉花调亏灌溉的节水效果评估

王灵猛，周泽羽，刘 健，金继明

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100；2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌712100）

0 引言

我国是世界上第2 大棉花生产国，据统计2017年我国棉花皮棉产量占世界棉花皮棉产量的1/5 以上[1]。而新疆是我国最大的优质棉产区[2,3]，2017年新疆棉花的播种面积和皮棉产量分别占全国棉花播种面积和皮棉产量的70%和80%[4]。此外，棉花也是新疆播种面积最大的农作物，2018年新疆棉花播种面积占全疆农作物播种面积的38%[5]。所以实现新疆棉花的可持续生产对维持新疆棉农经济收入以及我国乃至世界棉花生产都具有重要意义。

新疆地处欧亚大陆腹地，光照充足、热量丰富、降水稀少、空气干燥，是典型的内陆干旱半干旱区[6]。广袤的土地资源、丰富的光热资源以及较稳定的降水和冰川积雪融水为新疆棉花种植提供了得天独厚的自然条件[2,6]。然而干旱少雨而蒸发强烈的特征使新疆农业以绿洲灌溉农业为主，素有“无灌不植”之说，所以灌溉在新疆棉花生产中具有十分重要的地位和作用[7-9]。近年来由于新疆农作物种植面积和农业用水增加，地下水超采和农业用水挤占生态用水等问题日益凸显，这些问题制约着新疆棉花的可持续生产[4,10,11]。

缓减新疆棉花生产所面临的水资源短缺问题，需要大力推广节水灌溉技术、提高水资源利用效率[12-14]。而调亏灌溉是在水资源有限的情况下减少作物耗水量但不显著减少作物产量，通过提高水资源利用效率以达到节约水资源目的一种生物节水灌溉方法[15,16]。其原理是作物在不同的生长阶段对水分胁迫的敏感度不同，所以生产中可在作物需水关键期进行充分灌溉，而在作物需水不敏感期减少灌溉量[1617]。这一方法在新疆棉花生产中具有广泛的应用前景，所以近年来在与新疆棉花生产相关的研究中不断受到关注[18-22]。然而这些研究主要是历史阶段的试验研究，调亏灌溉在气候变化背景下的节水效果尚有待评估。本研究评估气候变化下新疆棉花调亏灌溉的节水效果，研究结果可为实现新疆棉花可持续生产提供科学参考。

1 数据与方法

1.1 研究区域

新疆植棉区广泛分布于南疆和北疆地区，棉田主要位于盆地和山脚边缘，由于纬度和海拔跨度大，植棉区气候条件尤其是热量条件差异大，不同地区适宜种植不同熟性的棉花。根据姚源松[23,24]的研究，新疆植棉区主要种植早熟和早中熟陆地棉，早熟和早中熟陆地棉种植区棉田面积和棉花产量均占全疆98%左右，所以本研究在早熟和早中熟棉种植区各选一个代表站进行研究（见图1）。研究站点选择中国生态系统研究网络国家野外科学观测研究站“阿克苏站”（80°45'E，40°37'N）和“阜康站”（87°55'E，44°17'N）。“阿克苏站”位于南疆地区，适宜种植新陆中系列早中熟陆地棉，而“阜康站”位于北疆地区，适宜种植新陆早系列早熟陆地棉[23,24]。站点所在区域代表了暖温带干旱区绿洲农田生态系统类型，是研究节水灌溉理论及绿洲农业可持续发展的理想场所[25,26]。

图1 研究站点位置Fig.1 The location of research sites

1.2 模型介绍

本文采用随 DSSAT （Decision support system for agrotechnology transfer）模型[27,28]发布的棉花模型Crop Growth(CROPGRO)-Cotton 模拟历史和未来新疆棉花生产。模型以日为步长进行模拟，需要的输入数据包括气象数据、土壤剖面数据、管理数据和品种参数[29]。棉花发育进程通过生理日的方法模拟，该方法考虑了温度和水分胁迫对棉花发育进程的影响。光合作用基于绿篱光截获并以小时为单位进行模拟[30]，然后以日为单位进行整合。模型通过不同的温度响应函数模拟温度对棉花光合作用、蕾铃脱落的影响，通过Priestley-Taylor公式计算潜在蒸散发，并考虑了二氧化碳（CO2）浓度升高对气孔阻力和植株蒸腾的影响。

CROPGRO-Cotton 模型在新疆地区的适用性已通过大田试验数据得到评估。王兴鹏等[31,32]用3 个灌溉水平下的棉花田间试验数据评估了该模型对南疆地区棉花生长发育和产量模拟的适用性，结果表明模型能很好地模拟棉花开花期、成熟期和籽棉产量，其模拟值与实测值的绝对相对误差（absolute relative error，ARE）在校正处理中分别为0%、2.74% 和9.02%，在验证处理中分别为4.88%、2.30%和12.88%；模型也能精确反映不同灌溉策略对棉花物候和籽棉产量的影响。谭红等[33]评价了该模型在石河子地区的适用性，结果显示模型能很好地模拟花铃期、吐絮期和产量，其模拟值与实测值的归一化均方根误差（The normalized root mean square error，n-RMSE）在模型校正时均小于10%，在模型验证时分别为3.5%、1.46%和8.94%。此外，Himanshu 等[34]运用该模型模拟了美国南部高原区调亏灌溉对棉花籽棉产量和灌溉水利用率的影响，结果表明模型可以有效模拟调亏灌溉的作用。因此，CROPGRO-Cotton 模型可用于评估气候变化背景下新疆棉花调亏灌溉的节水效果。

1.3 数据

1.3.1 历史气象数据

输入作物模型的历史气象数据来自中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集[35]，此数据集由中国科学院青藏高原所（Institute of Tibetan Plateau Research，Chinese Academy of Sciences，ITPCAS）开发，以下简称ITPCAS 数据集。作物模型所需的逐日太阳辐射、日最高气温、日最低气温和日降水量均由此数据集提取。

1.3.2 未来气象数据

研究使用的未来气象数据来自第5阶段全球耦合模式相互比较计划中的3 个大气环流模式（General Circulation Models，GCMs）[36]。这3 个GCMs 代表不同的升温强度，其中IPSLCM5A-MR 升温最强，MIROC5 升温中等，GFDL-ESM2G 升温最弱[37]。2 种代表浓度路径（RCP 4.5 和RCP 8.5）的数据被用来预测未来新疆棉花生产，其中RCP 4.5 为中等浓度温室气体排放情景，而RCP 8.5 为较高浓度温室气体排放情景[4]。输入作物模型的未来气候数据主要包括日最高气温、日最低气温、降水量和日太阳辐射，未来CO2浓度数据来自文献[38]。为了减少GCMs 数据的不确定性，研究中将粗分辨率（1.3°～2.5°）的未来气候数据通过统计降尺度变换为0.1°×0.1°分辨率的数据，降尺度过程中使用的观测数据为ITPCAS数据集。

1.3.3 土壤数据

模型所需的土壤剖面数据主要来自中国生态系统研究网络阿克苏站[25]和阜康站[26]、中国土壤数据库（http：//vdb3.soil.csdb.cn/）的实测资料，涉及的土壤参数主要包括分层的黏粒含量、粉粒含量、凋萎含水量、田间持水量、饱和含水量、土壤容重、有机质、全氮含量和作物根系生长参数等，部分参数直接来源于实测资料（见表1），没有观测的土壤参数主要依据实测土壤质地数据（即土壤黏粒含量、粉粒含量等），经DSSAT模型的SBuild模块计算得到。

表1 土壤参数实测资料Tab.1 The measured data for soil parameters

1.3.4 栽培管理资料

棉花栽培管理资料主要包括棉花品种、播种日期、种植密度等数据。本文采用的早中熟陆地棉品种是南疆主栽品种“新陆中46号”，品种对应的模型品种参数来自王兴鹏等[31,32]的研究，采用的早熟陆地棉品种是“新陆早45号”，品种对应的模型品种参数来自谭红等[33]的研究（见表2）。相关研究表明CROPGRO-Cotton 模型能较好地模拟新疆棉花开花期、成熟期和籽棉产量[31-33]。根据中国生态系统研究网络阿克苏站[25]和阜康站[26]、相关文献[32,33]的棉花栽培管理资料，阿克苏站棉花的播种日期设置为4月23日，种植密度设置为30 株/m2，而阜康站棉花的播种日期设置为4月24日，种植密度设置为19株/m2。

表2 CROPGRO-Cotton模型棉花品种参数Tab.2 Genetic coefficients of cotton in the CROPGRO-Cotton model

1.4 试验设计

1.4.1 棉花生长阶段划分

根据Himanshu 等[34]的研究将棉花生育期划分为出苗期、现蕾期、开花期、开花盛期和成熟期，并将播种期至出苗期、出苗期至现蕾期、开花盛期至成熟期3个阶段确定为棉花生长需水不敏感期[34]。棉花现蕾期至开花期、开花期至开花盛期一般均需要30 d 左右[34,39]，由于CROPGRO-Cotton 模型不能模拟棉花现蕾期和开花盛期，棉花现蕾期通过开花期减去30 d 确定，棉花开花盛期通过开花期加上30 d确定。

1.4.2 充分和调亏灌溉试验设计

为了评估气候变化背景下新疆棉花调亏灌溉的节水效果，本文设置充分灌溉（FullIRR）和调亏灌溉（IRR**）2 组试验模拟历史和未来新疆棉花生产（见表3）。充分灌溉通过模型自动灌溉程序实现，当模拟的土壤水分消耗至有效土壤含水量的50%时开始灌溉，当剖面土壤水分达到有效土壤含水量的85%时结束灌溉。调亏灌溉只在对水分胁迫不敏感的生长阶段进行，而在其他生长阶段调亏灌溉与充分灌溉采取相同的灌溉量。调亏灌溉共设置6个处理，其中IRR90表示在对水分胁迫不敏感的生长阶段调亏灌溉用水量为充分灌溉的90%，而在其他生长阶段调亏灌溉与充分灌溉采取相同的灌溉量，其他调亏灌溉处理与该处理采用类似的表示方法。

表3 充分和调亏灌溉处理Tab.3 The treatments for full and regulated deficit irrigation

1.4.3 充分和调亏灌溉试验设计

棉花水分生产力通过籽棉产量除以棉花生育期实际蒸散发计算得到。为了优化调亏灌溉策略和评价调亏灌溉节水效果，本文通过公式（1）计算调亏灌溉下各变量较充分灌溉下各变量的相对变化。优化调亏灌溉策略的方法与Himanshu等[34]的研究相似，当调亏灌溉籽棉产量较充分灌溉减产少于5%时认为调亏灌溉对籽棉产量没有显著影响，这时将多个调亏灌溉处理中水分生产力最高的处理作为最优调亏灌溉策略。结果分析时用GFDL、MIROC5 和IPSL 分别代表GFDLESM2G、MIROC5和IPSL-CM5A-MR 3个GCMs；用BL 代表基准期1999-2018年，P1、P2 分别代表2041-2060年和2081-2100年2 个时段；GFDL-P1 代表GFDL-ESM2G 在P1 时段对应结果，其他GCMs和时段的组合采用类似表示方法。

式中：△IRR代表调亏灌溉下各变量较充分灌溉下各变量的相对变化；IRR**代表各调亏灌溉处理下模拟的籽棉产量、生育期实际蒸散发和水分生产力；FullIRR代表充分灌溉下模拟的籽棉产量、生育期实际蒸散发和水分生产力。

2 结果与分析

2.1 棉花生长季气候条件变化

与BL 期间相比，P1、P2 时段2 个站点棉花生长季（4–11月）日平均气温平均值呈上升趋势，但日太阳辐射平均值和总降水量没有明显的变化趋势（见图2）。阿克苏BL 期间棉花生长季日太阳辐射平均值、日平均气温平均值和总降水量分别为18.5 MJ/m2、17.8°C 和78.7 mm，阜康BL 期间棉花生长季日太阳辐射平均值、日平均气温平均值和总降水量分别为18.7 MJ/m2、16.5°C 和155.5 mm。与BL 期间相比，在RCP 4.5情景下阿克苏P1、P2 时段棉花生长季日平均太阳辐射分别增加-1.3%～-1.1%和-1.3%～0.3%，日平均气温分别增加1%～10.8%和0.8%～17.3%，总降水量分别增加3.4%～14.8%和-3.1%～17.2%；在RCP 8.5 情景下阿克苏P1、P2 时段这些变量分别增加-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%。与BL 期间相比，在RCP 4.5 情景下阜康P1、P2 时段棉花生长季日平均太阳辐射分别增加0.2%～0.7%和0.4%～1.3%，日平均气温分别增加0.6%～10.5% 和0.6%～18.5%，总降水量分别增加-2.8%～33.5%和-14.4%～28.7%；在RCP 8.5 情景下阜康P1、P2 时段这些变量分别增加-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%。与BL 期间相比，2 个站点和2 种情景下模式IPSL-CM5A-MR 升温均最强，MIROC5升温中等，而GFDL-ESM2G升温均最少。

图2 未来气候条件下棉花生长季气候变量较基准期变化Fig.2 The changes of climate variables during the cotton growing season under future climate conditions relative to the baseline period

2.2 优化棉花调亏灌溉策略

随着调亏灌溉用水量减少，棉花籽棉产量和生育期实际蒸散发减少（见图3和图4）。但在一定范围内，调亏灌溉下籽棉产量较充分灌溉减产少于5%。当BL期间对应的调亏灌溉弱于IRR70，RCP 4.5 和RCP 8.5 情景下GFDL-P1、GFDL-P2、MIROC5-P1、MIROC5-P2、IPSL-P1、IPSL-P2 对应的调亏灌溉分别弱于IRR60、IRR60、IRR60、IRR70、IRR70、IRR80和IRR60、IRR70、IRR70、IRR70、IRR70、IRR80 时，阿克苏调亏灌溉下籽棉产量较充分灌溉减产少于5%；同理，阜康调亏灌溉下籽棉产量较充分灌溉变化也符合此规律。这主要是由于轻度调亏灌溉对棉花生长造成的水分胁迫较小，并且播种至现蕾期调亏灌溉能促进棉花根系生长，有助于根系从土壤中吸取更多水分来维持棉花生长。与充分灌溉相比，轻度调亏灌溉对棉花叶面积指数和生育期植株蒸腾造成的影响也较小，所以轻度调亏灌溉下棉花生育期实际蒸散发减少主要由土壤蒸发减少造成。

图3 RCP 4.5和RCP 8.5情景阿克苏调亏灌溉籽棉产量、实际蒸散发和水分生产力较充分灌溉变化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

图4 RCP 4.5和RCP 8.5情景阜康调亏灌溉籽棉产量、实际蒸散发和水分生产力较充分灌溉变化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

随着调亏灌溉用水量减少，棉花水分生产力呈先增加后减少趋势（见图3和图4）。在一定范围内，调亏灌溉对籽棉产量造成的影响很小，实际蒸散发随灌溉量减少而减小，棉花水分生产力呈增加趋势，而当灌溉量继续减少，调亏灌溉对籽棉产量的影响增加，产量减少严重，棉花水分生产力呈减少趋势，因此棉花水分生产力存在一个最大值。当BL 期间对应的调亏灌溉为IRR70，RCP 4.5 和RCP 8.5 情景下GFDL-P1、GFDL-P2、MIROC5-P1、MIROC5-P2、IPSL-P1、IPSL-P2 对应的调亏灌溉分别为IRR60、IRR60、IRR60、IRR70、IRR70、IRR80 和IRR60、IRR70、IRR70、IRR80、IRR80、IRR90时，阿克苏棉花水分生产力达到最大值。同理，阜康棉花水分生产力变化也符合此规律。

根据棉花籽棉产量和水分生产力随灌溉量减少所呈现的变化规律，为了在不显著减少籽棉产量的情况下尽量减少棉花生产耗水量，当调亏灌溉对籽棉产量的影响小于5%时，将多个调亏灌溉处理中棉花水分生产力最高的处理作为最优调亏灌溉策略，据此可优化出2 个站点BL 和P1、P2 时段棉花生产的最优调亏灌溉策略（见表4和表5）。

表4 阿克苏基准期和未来气候条件下的最优调亏灌溉策略Tab.4 The optimal strategies of regulated deficit irrigation at Aksu under the baseline period and future climate conditions

表5 阜康基准期和未来气候条件下的最优调亏灌溉策略Tab.5 The optimal strategies of regulated deficit irrigation at Fukang under the baseline period and future climate conditions

2.3 调亏灌溉节水效果评估

根据2 个站点BL 和P1、P2 时段棉花生产调亏灌溉策略优化结果，调亏灌溉可提高新疆棉花水分生产力并节省灌溉量（见表4和表5）。BL期间调亏灌溉可使阿克苏棉花水分生产力提高2.24%、节省灌溉量88 mm，使阜康棉花水分生产力提高3.54%、节省灌溉量124 mm。RCP 4.5 情景下，调亏灌溉可使阿克苏P1、P2 时段棉花水分生产力分别提高1.78%～2.97%和0.73%～2.88%，分别节省灌溉量84～120 mm 和59～117 mm；可使阜康P1、P2 时段棉花水分生产力分别提高1.06%～2.52%和0.58%～1.81%，分别节省灌溉量99～113 mm 和68～118 mm。RCP 8.5情景下，调亏灌溉可使阿克苏P1、P2时段棉花水分生产力分别提高0.87%～2.58%和0.23%～1.89%，分别节省灌溉量59～114 mm 和38～83 mm；可使阜康P1、P2 时段棉花水分生产力分别提高0.31%～0.83%和0.04%～0.19%，分别节省灌溉量75～76 mm 和29～57 mm。总体来说，调亏灌溉可以有效提高新疆棉花水分生产力，节省灌溉用水量，其最优灌溉用水量较充分灌溉可节约5%～28%的灌溉量。

新疆棉花生产最优调亏灌溉的调亏程度随温度升高呈减弱趋势，但CO2浓度升高可能影响这种趋势。最优调亏灌溉策略是不显著影响籽棉产量的多个调亏灌溉处理中棉花水分生产力最高的处理。棉花水分生产力通过籽棉产量和生育期实际蒸散发计算，而籽棉产量和生育期实际蒸散发主要受温度和CO2浓度影响，因此最优调亏灌溉策略与温度和CO2浓度密切相关。CO2浓度相同的情况下，两个站点和两种情景下P1、P2 时段最优调亏灌溉的调亏程度均满足GFDL-ESM2G 最强、MIROC5次之、IPSL-CM5A-MR最弱的规律，这主要是由于温度升高后需要更多灌溉量来维持蒸散发耗水。大多数情况下气候变暖使最优调亏灌溉的调亏程度减弱，但CO2浓度升高会减少植株蒸腾和加强光合作用，进而影响这种趋势。阿克苏RCP 4.5 情景下GFDL-P1、GFDL-P2、MIROC5-P1 和RCP 8.5情景下GFDL-P1对应最优调亏灌溉的调亏程度较BL对应最优调亏灌溉的调亏程度强，这主要是由于CO2浓度升高使气孔导度减小，导致实际蒸散发减少[40]，升温较弱的情况下这种影响可能超过温度升高导致的实际蒸散发增加。此外，CO2浓度升高会加强光合作用，这种影响可能减弱调亏灌溉对籽棉产量形成造成的影响[41]。因此，为了在不显著减少籽棉产量的情况下尽量减少新疆棉花生产耗水量，需要不断优化调亏灌溉策略以适应气候变化。

3 结语

（1）与BL 相比，P1、P2 时段2 个站点棉花生长季日平均气温平均值呈上升趋势，但日太阳辐射平均值和总降水量没有明显的变化趋势；2 个站点和2 种情景下模式IPSL-CM5AMR 升温均最强，MIROC5 升温中等，而GFDL-ESM2G 升温均最少。

（2）在一定程度的调亏灌溉下籽棉产量较充分灌溉减产少于5%，而且水分生产力随调亏灌溉用水量减少呈先增加后减少的趋势，据此可优化新疆棉花生产的调亏灌溉策略。调亏灌溉可以有效提高新疆棉花水分生产力，节省灌溉用水量，其最优灌溉用水量较充分灌溉可节约5%～28%的灌溉量。

（3）新疆棉花生产最优调亏灌溉调亏程度随温度升高呈减弱趋势，但CO2浓度升高可能影响这种趋势。为了在不显著减少籽棉产量的情况下尽量减少新疆棉花生产耗水量，需要不断优化调亏灌溉策略以适应气候变化。