南疆无膜棉不同灌溉条件下土壤水分时空变化特征

李志鹏，李亚兵，杨北方，陈国栋，冯 璐，范正义，李小飞，王占彪，熊世武，雷亚平，王国平，万素梅

(1.塔里木大学 农学院，新疆阿拉尔 843300；2.中国农业科学院棉花研究所 棉花生物学国家重点实验室，河南安阳 455000)

新疆是中国主产棉区，自 20 世纪 80 年代开始推广地膜覆盖植棉技术，并且逐步形成了相对完善的种植模式[1-2]。在近30年的推广应用过程中，地膜覆盖的优点有目共睹，但其弊端也逐渐暴露出来，地膜污染问题日趋严重，成为限制新疆地区农业可持续发展的主要因素[3-6]。2014年，棉花产业技术体系将无膜棉列为具有前瞻性的研究任务，认为无膜棉是有效解决国内棉田地膜污染问题的途径之一[7-9]。但是，与地膜覆盖相比，无膜棉存在水分消耗快，不合理的灌溉制度容易导致水分利用率低的问题，因此，研究不同灌溉条件下无膜棉田土壤水分时空变化特征，对无膜棉水分利用及合理灌溉制度的制定具有一定的理论意义。2018年新疆沙雅县无膜棉示范田产量达到了4 800 kg/hm2，仅比对照膜下滴灌棉田低约5%[9]；王洪博等[10]研究结果表明，当无膜棉灌水定额比膜下滴灌高80%时，产量较膜下滴灌高19.54%，也证明了利用无膜棉解决国内棉田种植问题是可行且高效的[9-10]。对于膜下滴灌棉田，土壤水分的变化主要集中在0～60 cm土层，30～40 cm土层土壤含水率高于表层[11]，土壤水分的时空变化趋势为随着土层深度的增加而减小[12-15]，灌水量增加，土壤含水率增加[16]。水分是新疆棉花生产的主要限制因素，而目前国外关于土壤水分时空变化特征的研究，因所处地理位置、气候条件、管理模式与国内不同，其研究结果不适用于中国南疆无膜棉种植模式，国内现有研究大多是针对膜下滴灌棉田，亦不适用于国内无膜棉种植[17-18]。因此，为得到适合中国南疆无膜棉种植的灌溉模式，本文开展无膜棉田土壤水分时空变化特征研究。针对南疆水资源紧缺、地膜污染；以及无膜棉种植刚刚起步相关研究较少等问题，利用现代化技术手段、网格化布置传感器实时长期连续监测的方法开展南疆无膜棉不同灌溉条件下土壤水分时空变化特征的研究，拟阐明无膜棉田土壤水分分布及动态变化特征，以期为无膜棉田水分高效利用及促进棉花早熟、集中成熟提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2020年4-10月在新疆阿拉尔市十团中国农业科学院棉花研究所试验基地(40°51′N，81°30′E)进行，土壤质地为砂壤土。试验点属暖温带大陆性干旱气候，年平均气温10.56 ℃，气温日较差12.2～17.7 ℃，全年累计≥10 ℃，期间日照时数1 793 h，平均无霜冻期为208 d，常年平均降水量48.2 mm。

供试品种为‘中棉619’，试验采用单因素随机区组设计，宽窄行(一膜六行，66 cm+10 cm)的种植模式。棉花种植密度为24 万株/hm2，根据灌水条件不同设置4个处理：蕾期2次+花铃期4次(wmm1)；蕾期2次+花铃期6次(wmm2)；蕾期2次+花铃期8次(wmm3)以及有膜对照蕾期2 次+花铃期8 次(CK)，每个处理3 次重复，共计12个小区，小区面积6.84×7=47.88 m2。各处理全生育期施肥总量相同，通过施肥罐随水施肥。开花前各处理灌水日期与灌水量相同，灌水日期为6月10日、6月21日，灌水量为45 mm，进入花铃期，各无膜处理每次灌水量设置为69 mm，wmm3最后一次灌水量设置为52.2 mm，其他田间管理措施保持一致，适时进行人工除草，有膜对照采取当地正常的田间管理模式，并在8月1日进行揭膜处理。

1.2 方 法

播种前，选择土壤理化性质相对一致的地点，采用空间网格法，将水分传感器均匀布置在80 cm×100 cm的垂直剖面上，第一层传感器设置在距地表10 cm处，以第一层为基准，每隔20 cm进行传感器布设，每层设置5 个传感器，共设置6层，即每个处理为30个测量点，传感器自埋设完成开始，每隔1 h采集一组数据，直至棉花生育期结束。数据采集与储存利用CR1000数据采集器。各处理传感器及滴灌带具体分布如图1所示。

图1 滴灌带及传感器田间分布示意图Fig.1 Diagram of field distribution of drip irrigation zone and sensor

1.3 数据处理与分析方法

1.3.1 空间插值法 利用Stata对每天获取的24组网格数据对应点进行平均处理，获得一个新的网格文件。运用空间统计学软件Surfer的Kriging插值模块将离散型数据转变为连续的线或者面[19]。根据田间调查确定各处理棉花生育期及其具体时间，在每个生育期选择相同的日期，对该日期的平均后数据作等值线图。点内插的克里金方程为：

式中γ(Xi,Xj)是观测点Xi与Xj之间的半变异值；φ是与方差最小化有关的拉格朗日乘数。

利用Surfer软件中3/8扩展Simpson’s计算方法对网格数据进行计算得到土壤总含水量，计算公式如下：

其中，(1,3,3,2,3,3,2,…,3,3,2,1)为各项系数向量，△X是网格数据纵向间距，△Y是网格数据横向间距，Gi,j是i行j列传感器的数据，V是所测定的横截面上的含水量总和。

1.3.2 数据分析 用Stata 14.0软件以及Office 2019进行数据的批量处理及分析，利用Surfer 18绘制土壤水分空间分布以及随时间变化的等直线图，用Origin 2018进行折线图绘制。

2 结果与分析

2.1 无膜棉土壤水分时空分布特征

从各处理不同时期不同土层土壤含水量的分布情况可以看出(图 2)：初花期，CK 10～40 cm土层含水量明显高于无膜棉；到盛花期，CK与无膜棉各土层含水量趋势一致；花铃后期，wmm1处理10～50 cm土层含水量相对较少，wmm3与CK处理70 cm以下土层含水量明显增多；吐絮期后，灌溉停止，各处理20～60 cm相对湿润区域面积缩小，含水量整体下降，趋于一致。

图中棉花4 个生育时期对应的日期从上到下分别为：7月7日、7月20日、8月20日以及9月20日The dates corresponding to the four growth periods of cotton in the figure from top to bottom are:July 7，July 20，August 20 and September 20， respectively图2 无膜棉不同时期土壤水分空间分布Fig.2 Spatial distribution of soil moisture in different periods of filmless cotton

竖直方向上，各处理0～60 cm土层含水量均呈现先增加后减少的空间分布规律，各无膜处理土壤水分主要活跃区域为0～60 cm土层，CK为0～50 cm土层，灌水对0～60 cm土层土壤含水量有显著影响；在20～60 cm处存在相对湿润区域，随着生育进程的推进，湿润区域逐渐缩小；在60～110 cm土层，随着土层深度的增加，wmm1与wmm2处理土壤含水量逐渐减少，wmm3与CK则表现为先减少后增加，随着生育进程的推进，土壤水分有微弱的减少，初花期及盛花期灌水对该土层影响较小，花铃后期，灌水会显著增加深层土壤含水量；水平方向上，受滴灌带布置的影响，在滴灌带正下方扇形区域内含水量较高，吐絮前，随着离滴灌带距离的增加，棉行中间土壤含水量较棉行位置少。

2.2 无膜棉土壤水分随时间变化特征

如图3所示，整体土壤含水量的变化规律与灌溉时间以及棉花生育期基本一致，灌溉后土壤含水量明显高于灌溉前，各处理不同土层土壤含水量随时间变化先增加后减少，不同处理土壤含水量的增加和减少速度不相同，0～50 cm土层变化幅度更加明显，随着土层深度的增加，土壤含水量的变化幅度减小。同一个处理不同时期的下降速度也不相同，具体表现为：盛花期土壤含水量下降较快，花铃后期下降较慢。不同处理不同土层含水量变化表现为除50～70 cm土层外，wmm1下降速度最快、含水量最低，在0～50 cm土层两次灌水间含水量最低点显著低于其他处理；吐絮后，wmm2在10～30 cm土层含水量最高，30～50 cm土层处理间差异不显著，CK在50～70 cm土层含水量最低，wmm3在50～90 cm土层含水量最高，为0.16～0.35 m3/m3。

图3 不同土层土壤含水量Fig.3 Soil water content in different soil layers

2.3 无膜棉土壤水分随时间的消耗特征

如图4所示，灌水会短暂提高各处理的耗水量，灌水当天及灌水后一天，耗水量明显大于灌水前；盛花期前各个处理的土壤耗水量均逐渐增加，进入盛花期土壤水分消耗达到最大，wmm1最大水分消耗出现在7月29日，最大耗水量为10.28 mm，wmm2最大水分消耗出现在7月28日，最大耗水量为13.7 mm，wmm3最大水分消耗出现在7月27日，最大耗水量为17.75 mm，CK最大水分消耗出现在7月24日，最大耗水量为8.47 mm，各处理在达到最大耗水量时的灌水次数分别是5次、6次、7次、6次，由此可见，在每次灌水量相同的情况下，灌溉次数越多，土壤水分消耗量越大，CK由于覆盖地膜，耗水量小于其他几个处理，CK最大耗水日期早于无膜处理。对于无膜处理，灌水次数越多，最大耗水量日期出现越早。盛花期后，各处理的耗水量均呈下降趋势，在8月1日前，各处理的耗水量为wmm3>wmm2>wmm1>CK；8月1日至吐絮结束，wmm3耗水量大于其他处理，此阶段各处理耗水量为wmm3>CK>wmm2>wmm1。

图4 不同时期土壤水分消耗量Fig.4 Soil water consumption in different periods

3 讨 论

3.1 无膜棉土壤水分时空分布特征

灌水及地表覆盖程度是影响土壤水分时空分布的重要因素，灌水次数及灌溉量的多少直接影响各土层的水分分布特征[20]。本试验结果表明，灌水次数较少的处理wmm1、wmm2，棉花长势偏弱，地表覆盖度较低，土壤水分的垂直分布特征为随着土层深度的增加先增加后减少，而对于灌水次数多的处理wmm3及有膜对照CK，棉花长势良好，封行程度高，土壤水分的垂直分布特征表现为先增加后减少再增加，土壤水分的剧烈变化区域为0～50 cm，该结果与孙巨龙[21]、吴凤全等[22]研究结果一致。造成不同处理土壤水分分

布不同的可能原因是，wmm1、wmm2灌水次数少，植株矮小，后期封行程度低，地表裸露，水分蒸发快，导致下渗量减少；另一方面可能是灌溉次数少导致土壤水势小，水分未向土壤深层运移存储，wmm3和CK则与此相反[23]。CK在初花期及盛花期，土壤相对湿润区域为0～50 cm，而无膜处理相对湿润区域则是0～60 cm，造成这种差异的原因可能是前期无膜棉单次灌水量大于CK；而在8月14日灌溉后，CK由于灌溉次数较多，棉花长势良好，封行程度高，表层水分充足，灌溉水下渗较多，相对湿润区域扩大，CK与无膜处理相对湿润区域的差异减小[24-25]。进入花铃后期，wmm3由于前期灌水次数多，棉田水分充足，营养生长旺盛，有效阻止了地表水分的蒸发，浅层土壤含水量较高，此时灌水后，表层水分下渗较多，深层土壤水分显著增加。吐絮后，由于处理间的灌水差异，棉花长势及土壤含水量表现出显著差异，在蒸腾、棵间蒸发的共同作用下，不同处理间土壤水分的空间分布差异更加明显，wmm3以及CK处理60 cm以下土壤含水量更高。

3.2 无膜棉土壤含水量随时间的变化特征

研究结果表明，棉田灌水当天0～50 cm土层土壤含水量增大，随着土层深度的增加，含水量逐渐下降[26]；随着灌水次数的增加，表层水分充足，灌溉水受到重力势和基质势的双重作用，水分下渗速度加快，深层含水量逐渐增大[27-28]。本试验中，在50～90 cm土层，wmm3处理的含水量始终最高，wmm1始终最低，均是上述原因所致。花铃期0～50 cm土层，wmm1处理在两次灌水间含水量最低的主要原因是灌水后，土壤水分持续消耗，含量下降，加之灌水周期长，水分没有得到及时补充。从试验结果可以看出，从初花期至吐絮结束，棉田深层土壤含水量的变化幅度较小，但是随着灌水次数的增加，wmm3处理在花铃后期灌水后，深层土壤含水量显著增加，在吐絮期内50～90 cm土层含水量远高于其他处理，根据棉花不同生育期需水量规律，吐絮期的需水量是最少的[29]，因此，适当增加前期灌水次数，减少花铃后期的灌水量，能够有效阻止水分的深层渗漏损失，在保证棉花正常生长的同时，有效提高水分的利用率[30]。

3.3 无膜棉土壤水分随时间的消耗特征

本研究结果表明，棉花进入花铃期，土壤水分消耗量逐渐增大，这是因为7月下旬开始，棉花群体进入快速生长期，叶面积指数和根系活力达到高峰，需水量增大，此期的耗水主要用于地表蒸发和植株蒸腾，土壤水分消耗量最大，此时的总耗水量为wmm3>wmm2>wmm1>CK，CK处理耗水量最低的原因是地膜覆盖阻止了地表水分的蒸发，耗水量主要来源于植株蒸腾[31]。盛花期后，棉花营养生长逐渐减弱，群体耗水量下降，且日平均温度开始下降，各处理土壤耗水量均呈下降趋势，直至吐絮结束，此阶段各处理耗水量顺序发生变化，即wmm3>CK>wmm2>wmm1，CK处理耗水量显著增大，原因可能是8月1日揭膜且后期灌水次数多于wmm1、wmm2。全生育期wmm3的耗水量一直最高，且随着灌水次数的减少，对应各处理土壤耗水量依次减少，结果表明灌水方式显著影响土壤水分消耗。CK在花铃后期灌水后土壤耗水量出现大幅度增加，也证明土壤水分的消耗主要来源于地表蒸发。研究表明，棉花花铃期的耗水量多少与最终的棉花产量有直接关系，且随灌溉定额的增加，棉花产量表现为先增加后减少的趋势[32-33]。

4 结 论

灌水次数及灌溉定额会显著影响土壤水分的空间分布情况，随着灌水次数以及灌溉定额的增加，相对湿润区域扩大，60 cm以下土层含水量明显增加；灌水对土壤水分的消耗量影响显著，随着灌水次数及灌水定额的增加，土壤水分消耗量增加，而有膜对照由于前期地膜覆盖，土壤总耗水量低于各无膜处理。

综上，由于前期棉花植株矮小，根系较浅，地表裸露，灌溉只湿润表层0～40 cm即可，灌溉定额不必太大，以减少积水造成的蒸发损失；花铃期需要加大灌溉量及增加灌溉次数以满足该期旺盛的生长需要；后期由于封行后地表蒸发减少以及营养生长的减弱，适当降低灌溉量以减少水分深层渗漏浪费。

本试验中，由于设置的灌溉梯度有限，只能得到一些初步的结论，后期还需根据棉花各生育期耗水规律，设置更多的灌水梯度，并结合株高、产量等农艺指标进行综合分析，以确定南疆无膜棉最佳灌水制度。