基于单作物系数法指导南疆棉花膜下滴灌试验研究

杜江涛，张 楠，龚珂宁，黄炳川，杨莹攀，王兴鹏

（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）

0 引 言

棉花是新疆农业的支柱性产业，棉花种植面积稳定在250万hm2左右，占全国棉花产量的比重高达80%［1］。新疆属于极端干旱的地区［2］，全疆水资源的总量为793 亿m3，每1 万km2占有水量仅为4.96 亿m3，为全国平均占有量的18%左右［3］。新疆地区农业用水需求量巨大，占全疆用水总量的90%以上［4］。因此，探寻出适合当地棉花的灌溉制度［5］可以缓解南疆地区水资源用量日趋紧张的状况，也可以满足建设现代农业的需求［6］，为促进新疆社会稳定与农业可持续发展目标做出贡献。针对新疆南疆地区棉花灌溉制度的研究已有许多，王峰等［7］人研究发现，在南疆棉花一膜两带六行的种植模式下，适宜的灌溉制度是灌溉定额300 mm 和生育期内灌水12 次的组合。刘翔等［8］人研究发现在棉花蕾期采用80%作物蒸发蒸腾量ETc的灌水，其他生育期充分灌溉的方法，可保证棉花产量并提高灌溉水利用效率。适合的灌水定额和灌溉频率对于棉花的生长和产量有促进作用［9］，但常规灌溉系统均采用人工通过控制阀门开关进行灌溉，农户通常不能很好地对灌水条件进行判断，另外受传统“多水多产”思维的影响，种植户往往不能严格按照研究所得的设计方案进行灌溉，经常人为延长灌溉时间和灌水量，最终导致棉花滴灌系统运行异常，难以达到预期节水增产的目的［10，11］。

田间作物灌溉决策指标一般包括土壤水分、植物生理特征和气象指标三大类［12］。国内外不少学者围绕着土壤水分和植物生理特征来判断灌溉［13-15］，但其灌溉的决策指标主要集中在某一个体去反映作物整体的水分情况或受胁迫的程度，难以测量植物间的个体差异性，而且作物水分测量仪器的测量范围小、价格高昂及设备稳定性较差，在实际生产中难以大规模的应用和指导灌溉制度［16］。气候的变化对农作物生长和农业生产都将产生较大的影响，它决定了作物在本时段内的蒸腾量的大小，会导致作物耗水情况发生变化，有时还会有降水所产生的波动，会引起灌溉需水量发生变化［17］。通常一个气象站可覆盖方圆50 km 的范围，且通过网络或气象站来获取气象信息相对容易［18］。蒸散作为唯一在地表能量平衡和水量平衡中都出现的因素，是连接生态与水文过程的重要纽带［19］，可作为制定农田灌溉计划的关键指标［20］。本试验运用单作物系数法计算棉田每日的作物蒸发蒸腾量，通过棉田每日作物蒸发蒸腾量与降水量的差值作为灌溉的决策指标，通对设置不同灌水时间和灌水定额的组合，研究不同灌水处理对土壤水分变化、棉花生长情况及产量的影响，以期得到适合南疆棉花膜下滴灌的灌溉管理方案，为未来实现灌溉自动化提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验分别于2019年4-10月和2020年4-10月在新疆生产建设兵团农一师水利局水土保持试验站进行（81°2′E，40°6′N，海拔1 014 m）。试验区多年平均气温为11 ℃，年蒸发量约为2 100 mm，年降水量约为50 mm，年日照时数约为3 000 h，无霜期约为180～220 d，试验区地下水埋深约为4 m。土壤物理参数见表1。

表1 试验区土壤物理参数Tab.1 Soil physical properties of the experimental station

1.2 试验设计

根据樊凯等［21］人研究发现，以棉田每日作物蒸发蒸腾量与降水量差值（ETC-P）为基础进行灌溉，当（ETC-P）累计达到30 mm 时灌溉，设置0.8、1.0 和1.2 倍的（ETC-P）作为灌水定额。综合产量和水分利用效率等因素，最佳的灌水定额为1.2倍的（ETC-P），即灌水定额为36 mm。本次试验在前人试验的基础上进行优化试验，通过设置不同的灌水时间和灌水定额的组合，探究其对土壤水分变化、棉花生长、产量及水分利用效率的影响。

本试验种植的棉花品种为“新陆中46 号”。灌溉工作自蕾期开始（2019年6月19日，2020年6月10日），试验灌水时间设置3 个水平，分别为当棉田每日作物蒸发蒸腾量与降水量差值(ETC-P）累计达到25、30 和35 mm 时进行灌水，对应的灌水定额设置为ETC-P的1.2 倍，即T1：25 mm×1.2=30 mm、T2：30 mm×1.2=36 mm 和T3：35 mm×1.2=42 mm，共计3 个处理，每个处理重复3次，共9个小区，不同处理实际灌水情况见表2。

表2 不同处理实际灌水情况Tab.2 Actual irrigation of different treatments

气象信息数据由架设在试验田边上是HOBO 自动气象监测站获取，计算过程参考SL13-2015《灌溉实验规范》进行。2019年和2020年逐日最高温、最低温、太阳辐射和降雨量如图1所示。

图1 2019年和2020年气棉花生育期内气象数据Fig.1 Meteorological data during the cotton growing season in 2019 and 2020

作物蒸发蒸腾量ETc采用FAO-56 推荐的单作物系数法计算，公式如下所示：

参考作物需水量ET0采用FAO-56 修正并推荐的Penman-Monteith公式计算。公式如下所示：

式中：ET0为参考作物需水量，mm；Rn为净辐射量，MJ/（m2•d）；G为土壤热通量，MJ/（m2•d）；γ为湿度计常数，kPa/°C；T为空气平均温度，°C；u2为地面以上2 m高处的风速，m/s；es为空气饱和水气压，kPa；ed为空气实际水气压，kPa；Δ为温度—饱和水汽压关系曲线上T处的切线斜率，kPa/°C。

作物系数Kc将FAO-56 给定的参考值，根据试验地气象条件（风速、相对湿度）、作物高度和覆膜情况进行本地化调整［18］。

棉花种植模式为一膜两带六行，棉花行距（66+10）cm，株距10 cm，滴灌覆膜种植，见图2 所示。滴灌带选用单翼迷宫式滴灌带，规格为Φ16，滴头间距30 cm，额定流量为3.0 L/h，工作压力为0.1 MPa。施肥标准按照1 200 kg/hm2随水施用滴灌专用肥，喷施农药及其他日常管理与当地常规相同。

图2 滴灌带布置及种植模式（单位：cm）Fig.2 Schematic diagram of cotton planting pattern and drip irrigation belt

1.3 测定项目及测定方法

（1）株高的测定。在每个试验小区内随机选出长势均匀的3 株棉花作标记，自棉花蕾期开始，每隔10 d 用尺子测量棉花株高。

（2）生物量的测定。在棉花每个生育期末，从各试验小区内随机选3 株棉花，分别摘取出棉花的茎、叶和蕾铃部分，先用烘箱105 ℃杀青30 min，后用75 ℃烘干至恒重，称取棉花各部分的干物质质量。

（3）土壤含水率测定。将EM 50 土壤水分自动监测系统安装在各试验小区中部棉花株间位置，探头埋设深度为10、20、40、60 和80 cm。每个生育期末用取土烘干法测定棉花株间的土壤含水率，并用来对仪器进行校准

（4）棉花耗水量。棉花耗水量（ET）采用水量平衡法计算，如公式（3）。

式中：ET为在一定时段内棉田的腾发耗水，mm；ΔS为0.8 m 土层内土壤含水量在时段初末的变化量，mm；P为棉田获得的有效降雨补给量，mm；I为在一段时段内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。

（5）产量测定。在棉花收获期，在每个小区内随机框选出3个2.33 m×2 m 的样方，随机摘取100 朵棉花和摘取样方中剩余吐絮棉花，同时记录样方棉花株数和未吐絮铃数，棉花总产量计算式为：

式中：Y为棉花总产量，t/hm；np为单株棉铃数，个/株；w为单铃质量，g；ρ为种植密度，株/m2。

（6）水分利用效率。水分利用效率WUEET和WUEI分别按照公式（4）和（5）计算。

式中：y表示籽棉的产量，kg/hm2；I为生育期内对棉田的灌溉水补给量，m3/hm2；ET为实际耗水量，mm。

2 结果与分析

2.1 不同灌水处理的土壤水分变化

用0～40 cm 土层所测得的土壤含水率作为棉花主根区的土壤平均含水率［22］，不同灌水处理棉花在生长过程中主根区的土壤含水率变化如图3所示。在2019年和2020年试验中，土壤含水率波动与各处理灌水频率保持一致，每次灌水前土壤含水率都处于相对低点，灌水后迅速增加，从图中土壤含水率波峰的高度可以直观反映出单次灌水定额的大小，其中T3处理波峰高度最大，T2处理次之，T1处理波峰高度最小。进入蕾期后，3 个处理开始灌水工作，前期因为ET0和Kc值较小，各处理灌水时间间隔较长，波峰之间间隔较远。当进入花铃期后，随着气温的不断升高，ET0和Kc值的变大，使得灌水频率逐渐加快，此时波峰之间的距离明显变近，各灌水处理的灌水频率也逐渐趋于稳定。

图3 2019年和2020年各处理主根区土壤水分动态图Fig.3 Soil water dynamic in main root zone of each treatment in 2019 and 2020

棉田土壤含水率会受到灌水定额、降雨以及作物蒸发蒸腾的影响，为了探究不同灌水处理对土壤水分分布情况的影响，分别选取了棉花苗期末、蕾期末、花铃前期和花铃后期0～80 cm土层剖面土壤含水率分布情况进行分析。图4 为2019 和2020年各灌水处理处理在不同生育期末土壤含水率剖面分布图。在2019年试验中，不同生育期末各灌水处理的土壤含水率随着土层深度的增加呈现出先增大后降低的变化趋势，土壤含水率在0～40 cm 土层的变化幅度较大，在土层60 cm 处达到峰值，随后呈现逐渐减小的趋势，土壤含水率在土层80 cm 处基本保持稳定。滴灌是一种局部浸润的灌溉方式，土壤水分纵向波动主要发生在土层60 cm 以上的区域［23］，有研究发现棉花在膜下滴灌条件下，0～40 cm 的土层作为棉花的主根区集中了棉花85%的根系［24］，土壤含水率受棉花根系吸水和上层土壤易被蒸发等因素影响波动较大，使得土壤含水率在土层60 cm 处达到峰值。随着土壤深度的增加，土壤中黏粒所占比降低，土壤持水性也随之下降，加之受滴灌条件和灌水定额的影响，在60～80 cm 土层中土壤含水率逐渐降低。T3处理因灌水定额最大，0～60 cm土层的土壤含水率在各棉花生育期末均大于其他两个处理。2020年棉田土壤含水率剖面分布情况与2019年基本一致，土壤含水率先随土层深度的增加而增加，在土层深度为60 cm 处达到最大值后逐渐降低，土层深度为0～60 cm 时，土壤含水率与灌水定额成正相关关系。不同年份因气候等因素影响，作物的耗水情况有些差异，对应的导致不同年份的土壤含水率变化也有些差异。

图4 2019年和2020年各处理不同生育期末土壤含水率剖面分布图Fig.4 Map of average soil water content profiles of each treatment at different growth stages in 2019 and 2020

2.2 不同灌水处理的耗水规律

不同灌水处理下棉花蕾期及花铃期耗水规律如表3 所示。在棉花蕾期时，2019年试验各灌水处理耗水强度在4.19～4.83 mm/d 之间，2020年试验各灌水处理耗水强度在3.16～3.92 mm/d之间。花铃期是棉花生长的关键时期和需水的高峰期，充足的土壤水分对于棉花保蕾、成铃都起着重要的作用。进入花铃期后，棉花生长因营养生长和生殖生长并存，因此对于水分的消耗量也达到了顶峰，2019年和2020年试验其日耗水强度值分别为5.73～5.99 mm/d 和3.76～4.65 mm/d。两年试验棉花总耗水量随灌溉定额的增加而增加，各处理总耗水量的大小关系为T3＞T2＞T1。

表3 2019年和2020年不同处理的棉花耗水规律Tab.3 Water consumption of cotton under different treatments in 2019 and 2020

2.3 不同灌水处理对株高的影响

株高是判断棉花发育情况的重要指标之一，2019年和2020年在棉花生育期内不同灌水处理对株高的影响见图5。通过2019年和2020年两年试验发现，不同灌水处理棉花株高生长趋势基本保持一致，前期株高快速增长，后期增长幅度趋于平缓。在2019年试验中，播种后81 d 棉花株高增长速度较快，株高日均增长量在0.65 cm/d 以上。蕾期末各灌水处理棉花株高分别为T1=54.6 cm，T2=0.61 cm 和T3=65 cm。进入花铃期后棉花生长从营养生长为主转向以生殖生长为主，加之在2019年7月20日无人机喷药打顶之后，棉花株高停止增长。2020年各处理棉花株高生长趋势与2019年试验结果相似，出苗后90 d棉花株高增长较快，棉花株高日均增长量在0.61 cm/d以上。蕾期末各灌水处理棉花株高分别为T1=54.7 cm，T2=56.3 cm 和T3=59.2 cm，T3处理比T1处理株高高7.60%。在2020年7月22日无人机喷药打顶后，棉花株高几乎不再增加。通过以上两年试验发现，较高的灌水定额可以提高棉花生长速度和株高，促进棉花生长。

图5 2019年和2020年不同处理间株高变化过程Fig.5 Plant high under different treatments in 2019 and 2020

2.4 不同灌水处理对干物质的影响

棉花各部分干物质总质量可反映出水分对光合产物合成和运输的影响，不同灌水处理棉花各生育期末地上干物质质量如图6所示。棉花地上部分干物质总量随着棉花的生长发育不断增加，在2019年试验中，棉花处于苗期和蕾期时，主要以营养生长为主，不同处理茎叶干物质量占地上部干物质总量为78%～100%。进入花铃期后，棉花主要以生殖生长为主，不同处理蕾铃干物质量占地上部干物质总量为61%～69%，棉花生长至花铃后期，T3处理干物质积累量最大，较T1和T2处理分别增加了8%和4%。T1处理蕾铃干物质量最大，T2处理次之，T3处理最小。在2020年试验中，苗期和蕾期不同处理茎叶干物质量占地上部干物质总量为85%～100%。进入花铃前期，棉花主要以生殖生长为主，不同灌水处理蕾铃干物质量占地上部干物质总量为39%～74%，至花铃后期，T3处理干物质积累量最大，T2处理次之，T1处理最小。蕾铃干物质量分别为T1=241.64 g，T2=232.61 g和T3=183.79 g，T1处理较T2处理和T3处理分别增加了3.87%和31.47%。由两年试验可知，较大的灌水定额对棉花地上部分干物质总量有促进作用，花铃后期棉花蕾铃干物质量是影响最终棉花产量的重要影响因素，高频次灌溉和小灌水定额的组合可以提高棉花花铃后期蕾铃的干物质量。

图6 2019年和2020年不同处理的地上干物质积累量Fig.6 Top biomass weights under different treatments in 2019 and 2020

2.5 不同灌水处理对产量的影响

影响棉花产量的主要因素有单铃质量和单株铃数，其中单株铃数对产量影响最大，单铃质量次之。表4 列出了2019年和2020年不同灌水处理棉花的构成因子及水分利用效率。由表4可知，两年试验各处理单铃质量均无显著差异，说明试验设置的3 种灌溉频率对单铃质量的影响较小，而单株铃数则随着灌溉频率的增加而增加，其中T1和T2处理之间差异不显著，但显著高于T3处理。2019年各处理籽棉产量分别为T1=6.57 t/hm2、T2=6.50 t/hm2及T3=6.07 t/hm2，2020年试验各处理籽棉产量分别为T1=6.81 t/hm2、T2=6.83 t/hm2和T3=6.09 t/hm2，T1及T2处理产量差异不显著，T3处理产量最低。水分利用效率随着灌溉定额和总耗水量的增加而减少，T1处理水分利用效率最高，达显著水平。

表4 2019年和2020年不同处理棉花产量构成因子及水分利用效率Tab.4 Cotton yield components and irrigation water use efficiency under different treatment in 2019 and 2020

3 讨 论

棉花的生长情况和产量与灌水频率和灌水定额紧密相关［23］。棉花的株高、干物质量是棉花在生长发育过程中产量形成的重要条件［25］，在2019年和2020年两试验中，T3处理的株高和干物质质量均为最高，但产量却是3个处理中最低的，造成这样的原因是由于棉花缺水导致棉铃过早吐絮，茎秆干物质占比加大，导致生殖器官光合产物累积不足，致使棉花单铃重降低，造成产量降低［26］。T1与T3处理相比，T1处理虽然灌水定额最小，但通过提高灌溉频率，使棉花单株结铃数增加，不仅提高了棉花产量，也获得了较高的水分利用效率。这与刘新永等［27］和高龙等［28］人的研究发现中高频率的灌溉可以提高土壤中的含水量，在棉花生长过程中降低受旱程度，有利于棉花根系水分吸收，进而促进棉花生长的结论一致［29］。

适度的亏缺灌溉能够提高棉花产量和灌溉水利用效率［8，30］。目前南疆地区膜下滴灌棉花普遍的灌溉定额为400 mm 左右［7，31，32］，平均产量为6.06 t/hm2［33］。两年试验中T1处理的产量分别为6.57 t/hm2和6.83 t/hm2，与常规灌溉制度相比，灌溉定额降低了17.5%左右，产量提高了8.42%～12.71%左右，说明在南疆地区棉花膜下滴灌依据单作物系数法来指导灌溉，通过设置当棉田每日作物蒸发蒸腾量与降水量的差值（ETC-P）累计达到25 mm 开始灌溉，灌水定额30 mm 和生育期内灌水次数为11 的组合，可以在保证稳产甚至增产的情况下，进一步降低灌溉定额。这与王军等［34］得出新疆地区棉花膜下滴灌条件下优化的灌溉定额为280～307 mm 的结论和林涛等［35］提出的高频灌溉能降低无效耗水，提升水分利用效率的结论相近。

4 结 语

（1）以ETC-P为基础进行灌溉，不同灌水处理对棉花生长情况有着明显的影响。较高的灌溉定额可以促进棉花的株高和干物质总质量，如T3处理棉花株高及干物质总质量均高于T1及T2处理。

（2）通过单作物系数法指导南疆地区棉花膜下滴灌，小灌水定额和高频率的组合，能使提高棉花单株结铃数，进而提高产量。如T1处理比T3处理单株结铃数多5.98%～7.56%，产量提高了7.56%～8.24%。水分利用效率随着灌溉定额和总耗水量的增加而减少，其中T1处理最高，T2处理次之，T3处理最小。

（3）综合两年田间试验的灌水量、棉花产量和水分利用效率等因素考虑，通过单作物系数法指导南疆地区棉花膜下滴灌，当棉田每日作物蒸发蒸腾量与降水量的差值（ETC-P）累计达到25 mm 时开始灌溉、灌水定额为30 mm 和在棉花生育期内灌水11 次的组合，可以提高棉花产量和水分利用效率，推荐用于南疆地区棉花膜下滴灌的灌溉管理。 □