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    棉花節(jié)水灌溉氣象等級(jí)指標(biāo)

    2013-12-20 03:05:56肖晶晶霍治國(guó)姚益平柏秦鳳溫泉沛
    生態(tài)學(xué)報(bào) 2013年22期
    關(guān)鍵詞:發(fā)育期減產(chǎn)節(jié)水

    肖晶晶,霍治國(guó) ,姚益平,張 蕾,李 娜,柏秦鳳,溫泉沛

    (1.中國(guó)氣象科學(xué)研究院,北京 100081;2.浙江省氣候中心,杭州 310017;3.山西省氣象決策服務(wù)中心,太原 030006;4.陜西省經(jīng)濟(jì)作物氣象服務(wù)臺(tái),西安 710000;5.武漢區(qū)域氣候中心,武漢 430074)

    節(jié)水農(nóng)業(yè)因具有顯著的節(jié)水、保質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)效應(yīng)而成為緩解我國(guó)水資源日趨緊張狀況、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的重大戰(zhàn)略措施,同時(shí)也是建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需求,成為未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向[1]。節(jié)水灌溉是實(shí)施節(jié)水農(nóng)業(yè)的主體,其關(guān)鍵問題為如何提高水分利用率,即探尋適宜時(shí)間、適宜灌水量的節(jié)水灌溉指標(biāo)問題。近30年的節(jié)水灌溉理論研究認(rèn)為作物具有一定“補(bǔ)償效應(yīng)”或超補(bǔ)償效應(yīng),在干旱條件下作物通過調(diào)節(jié)同化物再分配、氣孔開度和根冠比來(lái)趨利避害[2-4],以非充分灌溉、調(diào)虧灌溉、控制性交替灌溉和局部灌溉技術(shù)為代表[4-7];其指標(biāo)構(gòu)建以土壤-植物-大氣連續(xù)體(Soil-Plant-Atmosphere Continuum,簡(jiǎn)稱SPAC)中的水分運(yùn)移機(jī)理為基礎(chǔ),主要包括土壤水分指標(biāo)、植物生理指標(biāo)、綜合效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)等[8-10]。然而,現(xiàn)有的節(jié)水灌溉指標(biāo)主要針對(duì)作物全生育期開展,一般通過田間試驗(yàn)得到,局地性較強(qiáng)[11-12]。研究表明,不同時(shí)期、不同程度的水分虧缺對(duì)作物生理影響程度不同,不同水分處理下的增產(chǎn)效果也不相同[13-14]。該類指標(biāo)不僅應(yīng)用推廣難度較大,且難以與實(shí)時(shí)降水監(jiān)測(cè)、未來(lái)降水預(yù)報(bào)進(jìn)行耦合集成應(yīng)用。因此,分發(fā)育期構(gòu)建普適的作物節(jié)水灌溉指標(biāo)成為農(nóng)業(yè)節(jié)水研究熱點(diǎn)。

    棉花是重要的工業(yè)原料,其種植面積居我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物之首。近年來(lái)我國(guó)棉區(qū)北遷西移,長(zhǎng)江流域棉區(qū)和華南棉區(qū)種植面積大幅減少,黃河流域棉區(qū)和西北內(nèi)陸棉區(qū)占全國(guó)棉花種植面積的70%以上[15]。華北和西北為我國(guó)重旱區(qū),西北內(nèi)陸地區(qū)干旱尤為嚴(yán)重,棉花水分虧缺量達(dá)400—500mm[16],基本為灌溉農(nóng)業(yè)。其他棉區(qū)由于降水與作物耗水時(shí)空不匹配,干旱時(shí)有發(fā)生,如長(zhǎng)江中下游的夏季伏旱成為該棉區(qū)減產(chǎn)的主要因素之一。20世紀(jì)90年代以來(lái),干旱發(fā)生的頻率、強(qiáng)度都有增大的趨勢(shì)[17],1992、2001年我國(guó)華北、西南棉花分別因旱減產(chǎn)27.6%和19.9%[18]。隨著水資源日益緊缺和工農(nóng)業(yè)用水矛盾加劇,水資源緊缺問題日益凸顯。同時(shí),由于灌溉時(shí)間、灌溉量不當(dāng),目前我國(guó)農(nóng)田灌溉水利用率系數(shù)僅為0.5,遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國(guó)家的0.7—0.8[19]。因此構(gòu)建棉花節(jié)水灌溉氣象等級(jí)指標(biāo),對(duì)于節(jié)約農(nóng)業(yè)用水、提高農(nóng)田水分利用率,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。研究棉花分發(fā)育期的節(jié)水灌溉氣象等級(jí)指標(biāo),可為通過對(duì)棉花不同發(fā)育階段的需水規(guī)律及其當(dāng)前時(shí)段作物水分虧缺率、虧缺量等的實(shí)時(shí)分析,結(jié)合未來(lái)3d的降水定量預(yù)報(bào),進(jìn)行區(qū)域節(jié)水灌溉氣象等級(jí)預(yù)報(bào),開展實(shí)時(shí)、有針對(duì)性地棉花節(jié)水灌溉氣象服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。

    1 資料與方法

    1.1 資料來(lái)源

    氣象資料、土壤濕度資料和作物發(fā)育期資料取自國(guó)家氣象信息中心,氣象資料包括347個(gè)站點(diǎn)1961—2008年逐日的氣壓(hPa)、降水量(mm)、最高溫度(℃)、最低溫度(℃)、水汽壓(hPa)、風(fēng)速(m/s)、日照時(shí)數(shù)(h)等,個(gè)別資料缺失值采用多年平均值代替。土壤濕度資料為89個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站1993—2008年(其中26個(gè)站為1980—2008年)的逐旬土壤相對(duì)濕度、土壤水分常數(shù)等。作物發(fā)育期資料取自各地農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站,產(chǎn)量資料來(lái)自各地的統(tǒng)計(jì)年鑒。

    1.2 研究方法

    論文立足當(dāng)前棉花大田生產(chǎn)水平和農(nóng)田管理水平,基于農(nóng)田水分平衡原理和節(jié)水灌溉理論,依據(jù)節(jié)水灌溉基本原則[20],結(jié)合棉花不同發(fā)育階段的需水規(guī)律和水分敏感系數(shù)[21-22],耦合地面氣象觀測(cè)、農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)、作物產(chǎn)量等多元信息資料,分析氣象條件對(duì)棉花不同發(fā)育階段水分虧缺率及其對(duì)減產(chǎn)率影響的量化關(guān)系,篩選導(dǎo)致棉花不同減產(chǎn)程度的水分虧缺臨界指標(biāo)、變化范圍,構(gòu)建棉花節(jié)水灌溉氣象等級(jí)指標(biāo)。

    1.2.1 棉花需水量

    作物生育期需水量是指在正常生育狀況和最佳水、肥水平下,作物完成正常生長(zhǎng)發(fā)育,獲得高產(chǎn)時(shí)的植株蒸散、棵間蒸發(fā)以及構(gòu)成植株體的水分之和。由于構(gòu)成植株體的水量和棵間蒸發(fā)量很小,實(shí)際計(jì)算時(shí)取作物需水量在數(shù)量上等同于高產(chǎn)水平下的植株蒸騰量和棵間蒸發(fā)量之和,計(jì)算公式為:

    式中,Ei為棉花逐日需水量(mm);ki為對(duì)應(yīng)作物系數(shù);ETOi為逐日可能作物蒸散量(mm),采用FAO-56推薦的Penman-Monteith公式求得,具體計(jì)算過程見文獻(xiàn)[23];n為棉花全生育期總?cè)諗?shù)。取FAO-56推薦系數(shù)值如表 1[24]。

    表1 棉花發(fā)育期作物系數(shù)(FAO-56)Table 1 Crop coefficient of different developmental stages of cotton(FAO-56)

    1.2.2 農(nóng)田自然供水量

    農(nóng)田自然供水量(W)包括土壤有效底墑量、有效降水量和地下水供給量,計(jì)算公式為:

    式中,W1為土壤有效底墑量(mm);W2為有效降水量(mm);W3為地下水供給量(mm)。土壤有效底墑指作物根系層內(nèi)在凋萎濕度以上的土壤水,計(jì)算公式為:

    式中,We為土壤有效底墑(mm);0.1為單位換算系數(shù);h為土層深度(cm);ρ為土壤容重(g/cm3);r為土壤濕度,rw為凋萎濕度,二者均用土壤濕度重量百分率表示,取其分子。有效降水計(jì)算公式為:

    式中,P為實(shí)際降水量(mm);V為作物截留量(mm);Q為徑流量(mm);F為深層滲透量(mm)。由于棉花根系較深,生育期較長(zhǎng),本文取降水量即為有效降水量。在干旱年份,地下水一般不能為作物所用或者利用量極少,在本文不作考慮。

    1.2.3 農(nóng)田灌溉量

    農(nóng)田灌溉量指單位時(shí)間灌溉到農(nóng)田的實(shí)際水量。單位時(shí)間累積灌溉量為全部灌溉量之和:

    式中,GL為累積灌溉量(mm);Gk為第k次的灌溉量(m3/hm2);t為灌溉總次數(shù);0.1為單位換算系數(shù);如灌溉量單位為m3/666.7m2,則單位換算系數(shù)為1.5。灌溉次數(shù)及其灌溉量可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的具體情況確定,一次灌溉量可采用等量或不等量。

    1.2.4 發(fā)育期水分盈虧率/量

    發(fā)育期的水分盈虧量/率是表征作物某發(fā)育期的水分盈虧狀況,計(jì)算公式如下:

    式中,Dz/D為作物某發(fā)育期的農(nóng)田水分盈虧量/率 (mm/%)。當(dāng)Dz/D>0時(shí),農(nóng)田水分盈余,稱為農(nóng)田水分盈余量/率;當(dāng)Dz/D<0時(shí),農(nóng)田水分虧缺,稱為農(nóng)田水分虧缺量/率。W01為時(shí)段始第1天的土壤有效底墑量(mm)。P為時(shí)段內(nèi)的日降水量(mm)。E為時(shí)段內(nèi)的作物日需水量(mm)。j為時(shí)段日數(shù)序號(hào),j=1,2,…,m,m為時(shí)段日數(shù)。

    1.3 產(chǎn)量分解模型

    作物最終產(chǎn)量的形成受多種因子影響,因子間的相關(guān)機(jī)制也很復(fù)雜,綜合起來(lái),可以把這些因子可以分為氣象因子、農(nóng)技措施和隨機(jī)“噪音”三大類[25],分別對(duì)應(yīng)氣象產(chǎn)量、趨勢(shì)產(chǎn)量和噪音產(chǎn)量。其一般通式為:

    式中,y為作物實(shí)際產(chǎn)量;yt為趨勢(shì)產(chǎn)量,yw為氣象產(chǎn)量;Δy“噪音”項(xiàng)所占比例很小,不予考慮。因此 (10)式或簡(jiǎn)化為:

    趨勢(shì)產(chǎn)量采用滑動(dòng)平均模擬方法得到,定義當(dāng)年棉花實(shí)際產(chǎn)量低于對(duì)應(yīng)年趨勢(shì)產(chǎn)量的百分率為當(dāng)年棉花的減產(chǎn)率,計(jì)算公式為:

    1.4 水分虧缺率與減產(chǎn)率理論關(guān)系式的引入

    水分虧缺率是指作物某生育期內(nèi)水分供給量低于其理論需水量的百分比,表明作物全生育期內(nèi)水分的虧缺程度。減產(chǎn)率是指作物實(shí)際產(chǎn)量與作物理論產(chǎn)量的差與理論產(chǎn)量的比值。FAO-1979年提出作物產(chǎn)量與水分應(yīng)該有如下關(guān)系[26]:

    式(14)左邊為減產(chǎn)率,右邊為水分缺水率與0.85的乘積,理論上一定范圍內(nèi)可以認(rèn)為二者近似存在上式關(guān)系。

    1.5 樣本站點(diǎn)選擇

    選取研究站點(diǎn)時(shí)遵循以下幾點(diǎn)原則:①選取發(fā)生干旱、減產(chǎn)的年份,且減產(chǎn)率不少于3%[28];②選取灌溉能力有限的區(qū)域。灌溉能力強(qiáng)的區(qū)域,作物減產(chǎn)往往是由于病蟲害、田間管理、其他氣象災(zāi)害等多方面因素造成,干旱不是主要的減產(chǎn)因素;③選取灌溉能力強(qiáng)、干旱嚴(yán)重、有灌溉記錄的地區(qū)年份進(jìn)行指標(biāo)驗(yàn)證。

    2 結(jié)果與分析

    將各地區(qū)的氣象資料、土壤水分資料和產(chǎn)量資料代入(1)—(14)式,可以得到不同水分虧缺率下對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)率。按照自然災(zāi)害等級(jí)劃分方法[29],以減產(chǎn)率5%、10%和20%為界限點(diǎn)分析減產(chǎn)率與水分虧缺率、水分虧缺量的對(duì)應(yīng)關(guān)系,構(gòu)建棉花節(jié)水灌溉氣象等級(jí)指標(biāo)。

    囿于篇幅,論文以棉花全生育期的指標(biāo)構(gòu)建為例,給出棉花節(jié)水灌溉氣象等級(jí)指標(biāo)的構(gòu)建方法和驗(yàn)證情況。其他發(fā)育期節(jié)水灌溉氣象等級(jí)指標(biāo)構(gòu)建方法及驗(yàn)證與此方法相同。

    2.1 棉花全生育期節(jié)水灌溉氣象等級(jí)指標(biāo)的構(gòu)建

    2.1.1 棉花水分虧缺率等級(jí)指標(biāo)

    基于全國(guó)棉花產(chǎn)區(qū)逐站、逐年的水分虧缺率、減產(chǎn)率計(jì)算結(jié)果,篩選由干旱導(dǎo)致棉花減產(chǎn)且灌溉能力有限的站點(diǎn)和年份,表2按照不同減產(chǎn)率等級(jí)給出了不同站點(diǎn)、不同年份棉花全生育期水分虧缺率與減產(chǎn)率的對(duì)應(yīng)情況。

    表2 棉花全生育期水分虧缺率與減產(chǎn)率的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 The relationship between the moisture deficiency rates and yield reduction rates of the whole growth stage of cotton

    Jensen模型研究表明,棉花前期產(chǎn)量-水分敏感指數(shù)較小,上升緩慢,且發(fā)育期復(fù)水后對(duì)補(bǔ)償效應(yīng)顯著,因此一定程度的干旱并不直接影響作物籽粒形成;后期進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和生殖生長(zhǎng)期,產(chǎn)量-水分敏感指數(shù)上升較快,且復(fù)水補(bǔ)償效應(yīng)較小,因此隨著干旱加劇,減產(chǎn)明顯[30]。由表2可以看出,減產(chǎn)率>20%、10%—20%和5%—10%對(duì)應(yīng)樣本水分虧缺率(D)的平均值分別為50.36%、38.76%和29.31%。將表2用圖形表示(圖略),可以看出樣本點(diǎn)的減產(chǎn)率與水分虧缺呈現(xiàn)出明顯的直線關(guān)系(R2=0.75),與前人研究成果相符[31]。虧缺灌溉試驗(yàn)表明,85%虧缺情況下,棉花產(chǎn)量與常年持平(產(chǎn)量波動(dòng)在±5%以內(nèi)),即水分虧缺超過15%時(shí)可能出現(xiàn)減產(chǎn)(產(chǎn)量波動(dòng)超過5%);虧缺70%、55%處理下呈現(xiàn)的旱情隨發(fā)育期變化,在需水關(guān)鍵期出現(xiàn)明顯的中旱和重旱[31]。表2中落在D≥45%、30%—45%和15%—30%區(qū)間內(nèi)的樣本分別占3個(gè)減產(chǎn)率區(qū)間內(nèi)所有樣本的83.33%、77.78%和 33.33%,落在對(duì)應(yīng) D 區(qū)間±2.5%所占比率分別達(dá) 83.33%、88.89%、66.67%(表3),96.00%的樣本D≥15%時(shí)減產(chǎn)率≥5%,與虧缺灌溉試驗(yàn)結(jié)論相符。表明在實(shí)際生產(chǎn)中棉花全生育期水分虧缺率≥15%可以作為棉花減產(chǎn)的臨界指標(biāo)。

    為什么分層選課有優(yōu)勢(shì)?首先,小學(xué)生缺少主見,他們的選擇行為容易受其他同學(xué)的干擾,所以需要教師引導(dǎo);其次,小學(xué)生不能理解拓展課的教學(xué)目的,需要教師分析解讀;再則,每門課程都有名額限制,通過班主任引導(dǎo),可以保證每個(gè)學(xué)生都能夠選到課程;最后,課程選擇時(shí)間縮短,提高了學(xué)校拓展性課程的編班效率。

    表3 棉花全生育期水分虧缺率等級(jí)指標(biāo)的回代驗(yàn)證情況Table 3 The validation of moisture deficiency rates'grading indexes of the whole growth stage of cotton

    按表3給出的棉花水分虧缺率等級(jí)區(qū)間,對(duì)全部站點(diǎn)、區(qū)間站點(diǎn)分別計(jì)算不同等級(jí)區(qū)間的水分虧缺率、減產(chǎn)率平均值,并進(jìn)行直線擬合;比較擬合直線與0.85理論線的平行關(guān)系,全部站點(diǎn)、區(qū)間站點(diǎn)的擬合直線斜率分別為1.1和0.92,區(qū)間站點(diǎn)較全部站點(diǎn)更與理論值接近,但有一定的偏差,這可能是棉花品種抗旱性提高有關(guān)。綜上,可將指標(biāo)的閾值分別設(shè)定于15%、30%和45%。

    2.1.2 水分虧缺量等級(jí)指標(biāo)

    棉花耗水較多,耗水系數(shù)一般為1300—2000,且隨著產(chǎn)量的提高而降低[32]。不同發(fā)育期缺水敏感系數(shù)不同,水分虧缺對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量的影響不同。產(chǎn)量-水分函數(shù)研究表明作物產(chǎn)量與耗水量呈現(xiàn)出較好的曲線函數(shù)關(guān)系,即一定程度的水分虧缺量對(duì)產(chǎn)量影響并不明顯[27,30]。試驗(yàn)表明干旱狀態(tài)下,一定范圍內(nèi)隨著供水量的增加,棉花產(chǎn)量與耗水量呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系,但當(dāng)供水超過一定限度時(shí),增產(chǎn)不明顯,甚至減產(chǎn)[31,33]。

    圖1 棉花生育期水分虧缺率-灌溉次數(shù)/減產(chǎn)率對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.1 The relationship of the moisture deficiency rates with irrigation times,and product deficiency rates of cotton's whole growth stage

    由于灌溉定額與當(dāng)?shù)氐耐寥李愋汀⑺那闆r等密切相關(guān),棉花在各地的灌溉制度差異較大。以新疆為例,吐魯番地區(qū)一次灌水120mm;阿克蘇地區(qū)一次灌水80—250mm(新疆農(nóng)氣觀測(cè)報(bào)表)。考慮到棉花種植區(qū)的灌溉特征,且既得資料大部分只記錄灌溉次數(shù),因此本文采用灌水次數(shù)來(lái)反映其水分虧缺等級(jí),如圖1。圖1中4水下(27個(gè)樣本)對(duì)應(yīng)未灌溉的D平均值、最大值和最小值為 65.78%、84.94%和 48.88%,灌溉后減產(chǎn)率平均值、最大、最小值分別為 0.29%、27.20%和-27.21%,其中9.52%的樣本減產(chǎn)率超過10%,74.07%的樣本減產(chǎn)率<5%,增產(chǎn)超過5%的樣本占28.57%;5水下(20個(gè)樣本)對(duì)應(yīng)未灌溉的D平均值、最大值和最小值為 70.46%、82.33%和 45.52%,灌溉后減產(chǎn)率平均值、最大、最小值分別為3.82%、16.63%和-4.92%,其中15%的樣本減產(chǎn)率超過10%,55%的樣本減產(chǎn)率<5%,沒有增產(chǎn)超過5%的樣本;綜上表明5水并不比4水增產(chǎn)明顯,即出現(xiàn)了多灌的情況?!?水時(shí),除一個(gè)年份點(diǎn)水分虧缺率小于30%以外,其他年份點(diǎn)水分虧缺率均大于30%。因此將2水和4水定為指標(biāo)閾值,即棉花全生育期水分虧缺量節(jié)水灌溉氣象等級(jí)指標(biāo)為1—2水、2—4水和≥4水。圖1中1—2水、2—4水和>4水未灌溉時(shí)水分虧缺率(D)平均值分別為37.81%、60.96%和73.92%(表4)。根據(jù)上文分析結(jié)果,1—2水、2—4水時(shí)D平均值分別為Ⅱ、Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),灌溉不合理造成減產(chǎn)超過5%的比例占14.29%和32.07%,具體如表4。

    表4 棉花生育期灌溉次數(shù)與水分虧缺率、產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì)分析Table 4 The Statistical Analysis of the moisture deficiency rates,irrigation times,and product deficiency rates of cotton's whole growth stage

    2.1.3 基于實(shí)際灌溉的間接驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證上文得到指標(biāo)的可行性,選取灌溉條件好、有灌溉記載的地區(qū)的獨(dú)立樣本,通過計(jì)算無(wú)灌溉時(shí)的棉花生育期水分虧缺率和水分虧缺量、統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)年份的實(shí)際灌溉量與減產(chǎn)率樣本(表5,圖2),進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證。

    表5 棉花全生育期水分虧缺率/量與實(shí)際灌溉量、減產(chǎn)率的驗(yàn)證樣本Table5 The validation of the whole growth stage of cotton of the moisture deficiency rates/the quantity of water deficit,irrigation and yield reduction rates

    續(xù)表

    由表5可以看出,無(wú)灌溉的情況下水分虧缺率在46.63%—87.44%,幾乎所有年份都處于重旱狀況。按照上文得到的指標(biāo),Ⅲ級(jí)指標(biāo)(D)區(qū)間的吻合率為77.27%(灌≥4水)。在完全落在Ⅲ級(jí)指標(biāo)區(qū)間的44個(gè)樣本中,灌溉后增產(chǎn)的有16個(gè),減產(chǎn)在5%以下有8個(gè),減產(chǎn)在5%以上有7個(gè)。其中灌3水的9個(gè)樣本1次灌水量為100—185mm,灌溉量基本滿足作物水分虧缺量,除巴里坤2000年減產(chǎn)率超過10%以外,其余樣本減產(chǎn)率均<10%,其中增產(chǎn)的有3個(gè)。落在灌4—5水的25個(gè)樣本中,增產(chǎn)的有10個(gè),且以灌4—5水增產(chǎn)幅度最大,減產(chǎn)在5%以下有7個(gè),減產(chǎn)在5%以上有10個(gè),其中超過10%的有2個(gè);落在灌6—7水的8個(gè)樣本中,增產(chǎn)的有2個(gè),減產(chǎn)在5%以下有1個(gè),減產(chǎn)在5%以上有5個(gè)。比較超額灌溉年份的減產(chǎn)率和適量灌溉年的減產(chǎn)率,發(fā)現(xiàn)超額灌溉年份并沒有隨著灌溉量的增加而出現(xiàn)較大幅度的增產(chǎn),表明節(jié)水灌溉是十分必要的,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。

    圖2 棉花水分虧缺量/灌溉量與減產(chǎn)率對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 The corresponding relationship of water deficit volume/irrigation volume and production rate of cotton

    表6樣本水分虧缺率均>45%,灌溉量≥250mm。由于新疆地區(qū)灌溉制度不一,取平均值120mm作為灌溉1水參考值。由圖2可以看出,灌溉后的棉花大多增產(chǎn)或減產(chǎn)率分布在5%以下,其中灌溉后增產(chǎn)的年份占所有年份的52.27%,減產(chǎn)率±5%的年份占所有年份的36.36%,表明通過灌溉可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。圖中45°虛線表示水分虧缺量和灌水量完全相等時(shí)的線,虛線表示灌水偏差在1水范圍,超過85%的點(diǎn)落在虛線范圍內(nèi)。45°線之下點(diǎn)為灌溉量大于水分虧缺量的年份,表明在生產(chǎn)中節(jié)水的空間仍然較大,如新疆阿克蘇2007年,灌溉1020mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其水分虧缺量703.30mm,產(chǎn)量為平產(chǎn)年,并沒有因?yàn)楣嗨龆喽黠@增產(chǎn)。45°線之上的點(diǎn)為灌溉量小于水分虧缺量的年份,表明該地區(qū)灌溉條件改善空間較大。

    表6 基于實(shí)際灌溉的棉花水分虧缺率等級(jí)指標(biāo)的回代驗(yàn)證情況Table 6 The validation of the moisture deficiency rates'grading indexes of cotton basing on irrigation

    綜合實(shí)際灌溉樣本完全落在指標(biāo)區(qū)間的吻合率、完全落在指標(biāo)區(qū)間樣本實(shí)際灌水后棉花增產(chǎn)或減產(chǎn)在5%以下、以及超量灌水導(dǎo)致大部樣本減產(chǎn)5%以上的驗(yàn)證結(jié)果,表明論文構(gòu)建的棉花水分虧缺率等級(jí)指標(biāo)是合理的、可行的。

    2.2 棉花節(jié)水灌溉氣象等級(jí)指標(biāo)與分析

    通過分析棉花全發(fā)育期的水分虧缺率、水分虧缺量與減產(chǎn)率的關(guān)系,構(gòu)建了棉花節(jié)水灌溉Ⅰ—Ⅲ級(jí)等級(jí)指標(biāo),從理論和實(shí)際生產(chǎn)角度進(jìn)行驗(yàn)證。引入FAO-1979產(chǎn)量-水分函數(shù)從理論上初步證明的指標(biāo)的可行性;利用大田生產(chǎn)樣本站點(diǎn),從實(shí)際生產(chǎn)上驗(yàn)證指標(biāo)的適用性。

    采用同樣的方法進(jìn)行棉花播種-現(xiàn)蕾、現(xiàn)蕾-開花期和開花-吐絮期節(jié)水灌溉氣象等級(jí)指標(biāo)的構(gòu)建,結(jié)果見如表7。

    表7 棉花節(jié)水灌溉氣象等級(jí)指標(biāo)Table 7 Studying on Meteorology Index of Water-Saving Irrigation Levels of cotton

    表7中全生育期與不同生育期的指標(biāo)并不完全一致,這主要是由于不同發(fā)育階段的水分虧缺敏感指數(shù)、需水量、“補(bǔ)償和超補(bǔ)償效應(yīng)”不同造成的[34-35]。棉花蕾期前為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段,該階段地上部的莖葉生長(zhǎng)緩慢,地下部的根系生長(zhǎng)迅速,可以較好地利用地下水,且該發(fā)育階段具有較強(qiáng)的補(bǔ)償效應(yīng)。另外,苗期的水分敏感系數(shù)較小,當(dāng)水分虧缺率較小時(shí),對(duì)產(chǎn)量的影響并不明顯[30]。研究表明,苗期適量的干旱有利于棉花根系深扎,利于后期水肥的吸收[36]。因此該發(fā)育階段水分虧缺率指標(biāo)值較其他發(fā)育期略大。現(xiàn)蕾-開花期Ⅲ級(jí)指標(biāo)下限要低于其他發(fā)育期,是由于該發(fā)育階段為棉花的生殖生長(zhǎng)期,水分敏感系數(shù)和需水量較高的緣故。開花-吐絮期包括花鈴期和吐絮期,前期水肥需求較大,后期營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)逐步趨于停止,因此Ⅲ級(jí)下限指標(biāo)值并不比苗期低。全生育期綜合了各發(fā)育期的水分敏感系數(shù)、補(bǔ)償效應(yīng)等因素,因此Ⅰ級(jí)上、下限較分發(fā)育期略低、Ⅱ級(jí)上限與Ⅲ級(jí)下限與現(xiàn)蕾-開花相同。

    3 結(jié)論與討論

    (1)節(jié)水灌溉已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向,是我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇[1]。節(jié)水灌溉不同于以往的“豐水灌溉”,是為了保證水資源的持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。節(jié)水灌溉從注重工程建設(shè)轉(zhuǎn)移到實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置來(lái)滿足社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的全面要求,體現(xiàn)了現(xiàn)代水利發(fā)展的方向,是節(jié)水灌溉發(fā)展的基礎(chǔ)[37]。水分虧缺補(bǔ)償、超補(bǔ)償效應(yīng)與作物水分生產(chǎn)函數(shù)研究表明,發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水是緩解水分供求矛盾、建設(shè)高效農(nóng)業(yè)需要。當(dāng)前,水分不足已成為影響我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。未來(lái)氣候變化與作物需水量的關(guān)系研究顯示,當(dāng)溫度上升1—4℃時(shí),我國(guó)華北地區(qū)棉花生長(zhǎng)期內(nèi)需水量將增加1.7%—18.3%[38]。而節(jié)水灌溉試驗(yàn)在高產(chǎn)(增產(chǎn))前提下,棉花節(jié)水灌溉可以使需水量減少30%[39],棉花在輕度干旱比頻灌時(shí)產(chǎn)量要高,適當(dāng)發(fā)育期適當(dāng)?shù)乃痔澣?,不僅不影響產(chǎn)量,而且還能提高水分利用率[40-41]。

    (2)論文從實(shí)際生產(chǎn)角度出發(fā),耦合氣象、土壤、產(chǎn)量等多元信息資料首次構(gòu)建了適用于大田生產(chǎn)的棉花不同發(fā)育期和全生育期節(jié)水灌溉氣象Ⅰ—Ⅲ級(jí)等級(jí)指標(biāo)。論文得到的棉花產(chǎn)量與水分在干旱情況下的線性關(guān)系與俞希根等結(jié)論一致,指標(biāo)初始閾值與本文結(jié)論相同[31]。指標(biāo)體系以節(jié)水灌溉理論為基礎(chǔ),結(jié)合FAO-1979產(chǎn)量|水分函數(shù)和大田實(shí)際水分虧缺率、水分虧缺量、灌溉量與減產(chǎn)率的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從理論和實(shí)際生產(chǎn)證明了指標(biāo)的適用性。指標(biāo)構(gòu)建和驗(yàn)證資料分別利用了不同地區(qū)的獨(dú)立樣本。利用無(wú)灌溉或少量灌溉地區(qū)的水分虧缺率、水分虧缺量與減產(chǎn)率之間的關(guān)系構(gòu)建指標(biāo)臨界閾值;利用灌溉能力強(qiáng)的地區(qū)無(wú)灌溉時(shí)的水分虧缺率、水分虧缺量、灌溉量和灌溉后的減產(chǎn)率的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行二次驗(yàn)證。指標(biāo)構(gòu)建和驗(yàn)證資料相互獨(dú)立、互相印證。

    (3)指標(biāo)體系綜合考慮地區(qū)間氣候、土壤、水分等差異,通過農(nóng)田實(shí)時(shí)分析與未來(lái)定量預(yù)報(bào)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)分時(shí)段和滾動(dòng)干旱監(jiān)測(cè)、預(yù)警和響應(yīng),為開展實(shí)時(shí)、有針對(duì)性的棉花節(jié)水灌溉氣象服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)論文結(jié)論,結(jié)合當(dāng)前發(fā)育期前期的土壤水分、當(dāng)前時(shí)段的作物耗水量、降水可以實(shí)現(xiàn)作物不同發(fā)育期時(shí)段的干旱監(jiān)測(cè);利用本文指標(biāo)體系,考慮當(dāng)前發(fā)育期土壤水分、根據(jù)FAO-56公式估算出下階段作物耗水量,耦合天氣預(yù)報(bào)情報(bào),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)下一階段的干旱情況的預(yù)警和響應(yīng)。

    囿于資料可獲取等限制,論文未考慮不同地區(qū)、作物品種、生長(zhǎng)狀況等差異,統(tǒng)一采用FAO-56推薦作物系數(shù)計(jì)算作物耗水量;論文取正常情況下的根系發(fā)育狀況,未考慮土壤類型、降水、田間管理等因素對(duì)根系的影響[36,41],并據(jù)此計(jì)算土壤有效底墑;有效降水本文取降水量[42]。FAO-1979產(chǎn)量-水分函數(shù)中產(chǎn)量為最高產(chǎn)量,論文取干旱年份下的趨勢(shì)產(chǎn)量。此外,有關(guān)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際灌溉能力和指標(biāo)細(xì)化等問題有待下一步研究。

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