南疆无膜滴灌棉田灌溉模式及耗水规律研究

王洪博,赵栗,高阳,王兴鹏*,曹辉

(1.塔里木大学水利与建筑工程学院,新疆 阿拉尔 843300;2.塔里木大学现代农业工程重点实验室,新疆 阿拉尔 843300;3.中国农业科学院农田灌溉研究所,河南 新乡 453000)

膜下滴灌技术是新疆棉花生产的主导模式，棉花覆膜栽培比例已达100%[1-2]，覆膜面积已经超过1.30×106hm2[3]，有效地促进了新疆棉花产业的发展。薄膜覆盖具有增温、保墒、抑制杂草生长、增加农作物产量、改善生态环境及加快棉株生长发育的作用[4]。但是，地膜为聚乙烯化合物，在自然条件下极难降解，在土壤中可存在200～400年[5-6]，长久的积累会破坏土壤结构，阻碍土壤水分入渗，降低种子发芽率，影响棉花生长发育[7]，降低农机作业质量[8]。已有研究表明，新疆地区残膜总量已超过5.0×105t[9]，地膜残留量可达158.4 kg·hm-2[10]。如何有效解决残膜污染问题，已成为新疆地区棉花生产中亟待解决的重大科学问题。2017年，适用于新疆无膜直播的特早熟棉花新品种“中棉619”在南疆地区进行了示范。无膜滴灌技术为治理新疆棉田残膜污染提供了新的途径，具有广阔的应用前景[11]。然而，由膜下滴灌种植模式转变为无膜滴灌模式后，棉花生长前期土壤蒸发会大幅增加，土壤水分状况也会发生明显改变，棉田水分消耗过程与膜下滴灌种植模式相比会显著不同，因此，对无膜滴灌模式的灌水参数进行研究具有重要意义。

基于长远的土壤环境问题考虑，棉花无膜滴灌栽培模式将成为解决棉田地膜残留污染的有效途径[18]，但是关于棉花无膜滴灌条件下灌溉模式的相关研究尚处于起步探索阶段。已有的膜下滴灌灌溉制度不能满足无膜滴灌模式的需要。因此，本文研究了无膜条件下，土壤水分分布、棉花耗水及产量等对不同灌水定额的响应，以期为棉花无膜滴灌制定科学的灌溉制度提供理论依据，为解决地膜残留及棉花无膜滴灌的大面积推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于塔里木河三大源流(阿克苏河、叶尔羌河、和田河)交汇处附近的平原荒漠绿洲区(E 81°2′，N 40°6′，海拔1 014 m)，属于暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，年均气温11.3 ℃，日照时数3 000 h，无霜期180～221 d，年平均降水量50 mm，蒸发量 2 218 mm，为纯灌溉农业区。土壤质地为砂壤土，土壤平均容重1.58 g·cm-3，0—80 cm土壤田间持水量为 23.8%(质量含水率)，地下水深约为3～5 m。

1.2 试验设计

本试验采用单因素完全随机试验设计，参照膜下滴灌灌水定额，设置5个无膜滴灌灌水定额处理，分别为27(I1)、36(I2)、45(I3)、54(I4)和63 mm(I5)，同时以当地膜下滴灌灌水定额36 mm(I6)作为对照处理。每个处理3次重复，共18个小区，小区规格为45 m×1.5 m(长×宽)。从棉花苗期开始，通过逐日气象资料计算ET0-P(降雨量)值，当ET0-P的累积值达到45 mm时进行灌溉[18]，共计灌溉10次。气象数据由试验站HOBO U30自动气象监测仪实时获取，2019年4—9月气象数据如图1所示。

供试棉花品种为中棉619，于2019年4月25日播种，10月30日收获。滴灌带布置方式为2带4行(宽行40 cm+窄行20 cm)，株距10 cm，如图2。滴灌带选用单翼迷宫式滴灌带，规格为Φ16，滴头间距30 cm，滴头最大流量3.0 L·h-1，工作压力0.1 MPa。棉田管理措施与当地一致。

1.3 测定项目与方法

①土壤体积含水率：采用土壤水热自动监测系统(EM50 5TM，记录频次为1次·h-1)监测土壤体积含水率，监测点埋设于棉花主根区(窄行)，如图2所示。埋设深度为10、20、40、60和80 cm，并在每个生育阶段末期采用土钻取土校核仪器。

②棉花耗水量：耗水量(ET)采用水量平衡法[19]计算，如公式(1)。

ET=ΔS+P+I+G-R0-DP

(1)

式中，ET为棉田在时段内的耗水量(mm)；ΔS为0—80 cm土层内土壤含水量在时段初相较于时段末的变化量(mm)；P为棉田获得的有效降雨补给量(mm)；I为棉田获得的灌溉水补给量(mm)；G为地下水补给量(mm)；R0为地表径流量(mm)；DP为时段内的深层渗漏量(mm)。

近3年温度与大气主要污染物pearson相关系数值如表2所示，从表2中可以看出，颗粒物、SO2与温度的关系呈现逐年递增，这几种污染物与温度都有着较大的关系，可以通过减少温室效应降低他们的浓度，而NO2、O3与温度的关系并不显著，在未来几年，如何控制减少这2种气体成为治理环境问题的关键，应加强对这2种气体的监测与防治。

由于采用滴灌供水，且地下水位在3 m以上，故地表径流、深层渗漏及地下水补给忽略不计，因此耗水量计算公式可简化为公式(2)。

ET=ΔS+P+I

(2)

③棉花地上部干物质量：分别于苗期、蕾期和花铃期的末期，随机选择6株具有代表性的植株，将棉株地上部分为茎、叶和生殖器官，105 ℃杀青30 min后，置于65 ℃烘箱中烘干至恒重，采用电子秤(0.01 g)测定茎、叶和生殖器官的干物质量。

④棉花产量：根据吐絮情况分3次在小区固定区域进行采摘，称取每次实际采摘吐絮铃的质量，记录铃数并计算单铃重w，根据小区密度ρ，计算单株铃数np和棉花理论产量Y，计算方法[18,20]如公式(3)。

Y=0.01npwρ

(3)

式中，Y为籽棉总产量(kg·hm-2)；np为单株铃数(个·株-1)；w为单铃重(g)；ρ为种植密度(株·hm-2)。

⑤水分利用效率：水分利用效率WUEET和灌溉水利用效率WUEI分别按照公式(4)和(5)计算。

WUEET=y/ET

(4)

WUEI=y/I

(5)

式中,y为籽棉的产量(kg·hm-2)；I为生育期内对棉田的灌溉水量(mm)；ET为耗水量(mm)。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和DPS进行数据整理和分析，运用Origin 2017进行绘图，采用Duncan新复极差法进行方差分析和差异性检验。

2 结果与分析

2.1 不同灌水定额对土壤水分动态变化的影响

土壤水分受灌溉、降雨和蒸发等作用呈周期性变化，灌溉及降雨补充土壤水分，而蒸发作用则消耗土壤水分。不同处理下0—80 cm土壤水分动态变化如图3所示。不同灌水定额棉田土壤平均含水率呈现明显的差异，随着灌水量的增加呈上升趋势，I5处理的土壤含水率最大。相同灌溉定额时，膜下滴灌I6处理的土壤含水率高于无膜滴灌I2处理。

不同处理土壤含水率的垂向分布略有差异(图3)。无膜滴灌条件下，I5处理的土壤含水量随土壤深度的增加而增加;而I1、I2、I3及I4处理的土壤含水率在60 cm深处达到峰值，之后随深度增加土壤含水量逐渐减小。I1、I2及I3处理0—20 cm土壤含水率变化幅度较大，属于水分活跃层，土壤含水率较低，易形成明显的“干燥区”；20—40 cm土壤含水率变化幅度较小，属于水分次活跃层；40—80 cm土壤含水率较为稳定，属于稳定层，较高的土壤含水率形成“湿润区”；而I4和I5处理0—80 cm土壤含水率变化幅度均保持较高水平。膜下滴灌I6处理土壤含水率随土层深度的变化与无膜滴灌相似，但土壤含水率波动幅度低于I2处理。

2.2 不同灌水定额对棉花耗水特性的影响

不同灌水定额的棉花耗水规律如表1所示，苗期棉花的日均耗水量为0.75～3.34 mm；蕾期日均耗水量为3.07～6.96 mm；花铃期日均耗水量为2.13～5.34 mm。随着灌水定额的增加，棉花耗水量逐渐增大，且变化幅度呈递增的趋势。其中，无膜滴灌I2和I4处理的耗水量分别为412.73和561.57 mm，较膜下滴灌I6处理分别增加了0.51%和36.75%。

表1 不同灌水定额下棉花的耗水规律Table 1 Water consumption of cotton under different irrigation quotas

2.3 不同灌水定额对棉花地上部干物质积累量的影响

由图4可知，棉花地上部干物质积累量随生育期的推进而逐渐增加，但不同处理各器官占比存在差异，茎叶占比先增加后减小，而蕾铃占比逐渐增加。棉花苗期和蕾期主要以营养生长为主。苗期，不同处理茎、叶占比分别为32%～43%和57%～68%。蕾期，茎占比为38%～47%；叶片生长放缓，占比为41%～46%；蕾铃占比为13%～17%。花铃前期，棉花从营养生长向生殖生长转变，以蕾铃发育为主，茎、叶占比显著降低，分别为27%～35%和16%～21%；蕾铃占比上升，为47%～55%。花铃后期，茎、叶占继续减小，分别为19%～22%和13%～16%；蕾铃占比升高至64%～67%。综上所述，苗期和蕾期，棉花地上部干物质积累量随灌水定额的增加而增加；进入花铃期后，地上部干物质积累量随灌水定额的增加呈先增加后减小的趋势。其中，I4处理的地上部干物质积累量最大，较I5处理增加了23%左右；膜下滴灌I6处理的地上部干物质积累量在整个生育期都较高，显著高于相同灌溉额度的无膜滴灌I2处理(P<0.05)。

2.4 不同灌水定额对棉花产量及灌溉水利用效率的影响

不同灌水定额下棉花的产量及水分利用效率如表2所示，棉花单株铃数、单铃重及籽棉产量均随灌水定额的增加呈先增加后减小的趋势，以I4处理最高，籽棉产量为5 999.49 kg·hm-2。相同灌溉量时，膜下滴灌I6处理的单株铃数显著低于I2处理；但单铃重及籽棉产量均显著高于I2处理，籽棉产量为6 155.92 kg·hm-2，较I2处理增产16.62%，但与I4处理无显著差异。无膜滴灌条件下，水分利用效率随着灌水定额的增加逐渐减小，I1处理最高，为1.69 kg·m-3和1.38kg·m-3，但仍低于膜下滴灌I6处理。

注：不同字母表示相同时期不同处理间差异在P<0.05水平显著。Note:Different letters indicate significant differences between different treaments in same stage at P<0.05 level.图4 不同灌水定额下棉花地上部干物质积累量Fig.4 Dry matter accumulation in cotton shoots under different irrigation quotas

表2 不同灌水定额下棉花的产量和水分利用效率Table 2 Yield and water use efficiency of cotton under different irrigation quotas

3 讨论

灌水量是棉花灌溉制度中的重要参数，合理的灌溉能够适时适量的为作物提供生长所需水分，促进作物的生长发育并提高产量。不同灌水定额处理的土壤平均含水率呈现明显差异，灌水定额越高，土壤含水率越高，说明土壤湿润深度受灌水定额的影响较大，随灌溉定额的增加而增加。相同灌水定额时，膜下滴灌处理 (I6)的土壤含水率高于无膜滴灌处理(I2)，这是由于薄膜覆盖减少了土壤水分蒸发量，因此，膜下滴灌处理的水分消耗量小于无膜滴灌。不同处理土壤含水率的垂向分布也存在差异。无膜滴灌条件下，I5处理的土壤含水量随土壤深度的增加而增加，而I1、I2、I3及I4处理的土壤含水率在60 cm深处达到峰值，之后随深度增加土壤含水量逐渐减小。同时，I1、I2及I3处理0—20 cm土壤含水率变化幅度较大，而I4和I5处理0—80 cm土壤含水率变化幅度均保持较高水平，说明较大的灌水定额，可以湿润到深层土壤，土壤水分变化幅度增大。

无膜滴灌条件下，棉花生育期耗水过程主要表现为：苗期日耗水强度较低；进入蕾期，棉花生长加快，日耗水强度明显增加，达到最大值；到了花铃期，日耗水强度略有降低。而膜下滴灌条件下，棉花生育期耗水过程表现为：苗期较低，蕾期快速增加，花铃期达到最大值。这可能是因为无膜滴灌的棉花播种较晚，整体生育期推迟；同时，膜下滴灌棉花花铃期灌水量较大，因此，花铃期耗水较大。总体来说，棉花耗水量随灌水定额的增加而逐渐增加[21]，I5处理的耗水量最高。其中，相同灌水定额时，无膜滴灌处理(I2)的总耗水量较膜下滴灌处理(I6)无显著差异；但苗期耗水量显著高于膜下滴灌处理 (I6)；花铃期耗水量显著低于膜下滴灌处理(I6)，这可能是由于薄膜覆盖且进行灌溉，导致土壤含水量增加，为棉花蒸腾提供所需水分，因此，棉花耗水量高于无膜处理。

棉花各部分干物质积累量反映了不同灌水定额对棉花光合作用产物及运输的影响[22]。苗期和蕾期以营养生长为主，茎叶的干物质积累量逐渐增加；花铃期以生殖生长为主，蕾铃的干物质积累量大幅度增加。总体而言，棉花地上部干物质积累量随灌水定额的增加呈先增加后减少的趋势，I4处理地上部干物质积累量最大，这是由于适量的水分有利于地上部干物质的积累，在此基础上增加灌水量易造成肥料淋洗，导致肥料吸收利用效率较低，影响棉花营养及生殖生长[23]。而膜下滴灌处理在整个生育期内的地上部干物质积累量均较高，表明薄膜覆盖有利于棉花的生长，提高地上部干物质积累量。

通过棉花产量和水分利用效率能够反映灌水量对棉花生长和耗水情况的影响。棉花产量主要由单株铃数及单铃重构成。本研究表明，不同灌水定额下，棉花的单株铃数、单铃重和籽棉产量均随灌水定额的增加呈先增加后减小的趋势，I4处理最高；但水分利用效率则随着灌水定额的增加呈逐渐降低的趋势，I1处理最高。由此表明，较大或较小的灌水量均不利于棉花高产，适宜的灌溉量更有利于提高棉花产量[24]。

从长远的土壤环境及可持续发展考虑，通过灌水量弥补棉花产量对于解决残膜污染具有重要意义，且无膜滴灌栽培模式下的灌溉参数仍有较大的提升潜力。灌溉定额为360 mm时，无膜滴灌I2处理的棉花产量较膜下滴灌I6处理减产14.25%；但灌溉定额提高到540 mm时，无膜滴灌I4处理棉花的产量与膜下滴灌处理无显著差异。由此表明，通过提高灌水定额可减轻无膜对产量造成的影响。棉花各生育期耗水量表明，高频次灌溉增加了棉花苗期的灌溉定额，但棉花苗期需水量较小，大量的水分因土壤蒸发而无法被植物利用。因此，无膜滴灌栽培模式下，可适当减少苗期的灌溉定额，同时增加棉田的施肥量，促进棉花生长，提高棉花产量，进而提高水分利用效率。在南疆地区开展无膜滴灌棉花试验尚处于探索阶段，且棉花耗水、生长及产量也会随气候变化存在年际间差异[18]，因此，需开展长期连续性试验进一步研究无膜滴灌棉花的灌溉参数。