基于參考作物法的瑪河灌區(qū)棉花耗水強度研究

曹玉斌，何新林，呂廷波，辛明亮，王萌萌，石培君

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2. 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點試驗室，新疆 石河子 832000)

長期以來棉花耗水規(guī)律的研究一直備受學(xué)者們的關(guān)注，王海艷等[1]針對不同水文年和不同生育階段作物耗水強度不同的問題，認為計算前應(yīng)先對計算區(qū)域歷年降雨排頻尋找典型年，并在計算中確定作物不同階段日均耗水強度；H. J. Farahani等[2]在敘利亞北部棉花種植區(qū)域開展試驗研究，對國際糧農(nóng)組織推薦的Kc值進行調(diào)整，確定了更加符合該區(qū)域情況的棉花Kc值曲線。楊九剛等[3]探究了灌水次數(shù)和灌溉定額對膜下滴灌棉花生長及產(chǎn)量的影響，認為灌水頻次和灌溉定額共同影響棉花的生長和產(chǎn)量；張振華等[4]則將試驗與氣象資料計算相結(jié)合，對膜下滴灌條件下作物的需水規(guī)律和各生育期作物系數(shù)進行了研究。

本研究選取新疆重要棉花產(chǎn)區(qū)，瑪納斯河流域中游平原灌區(qū)(以下簡稱瑪河灌區(qū))為研究區(qū)，基于參考作物法從灌區(qū)尺度上對棉花的耗水強度進行研究。研究結(jié)果可為區(qū)域棉花灌溉水管理和棉田規(guī)劃設(shè)計的合理化、精細化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

瑪河灌區(qū)位于天山北坡，準噶爾盆地南緣,地理位置85°00′～86°32′E，44°10′～45°14′N，總面積約8.40×103km2,是新疆最大的荒漠綠洲農(nóng)耕區(qū)和全國第4大灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，棉花種植面積占作物種植面積的70%以上。灌區(qū)內(nèi)氣候干燥，夏季炎熱，冬季寒冷，屬典型干旱大陸性氣候。灌區(qū)年日照時數(shù)2 550～3 100 h，年均降水量110～200 mm，年均蒸發(fā)量1 500～2 000 mm，無霜期148～187 d?，敽庸鄥^(qū)地勢南高北低，自西向東分布著下野地灌區(qū)、安集海灌區(qū)、金溝河灌區(qū)、石河子灌區(qū)、瑪納斯灌區(qū)、莫索灣灌區(qū)以及新湖總場灌區(qū)等7個子灌區(qū)。

1.2 研究方法

(1)作物耗水強度計算方法。作物耗水強度用來反映作物在1 d內(nèi)的耗水量，單位為mm/d[1]。本文采用參考作物法計算作物耗水強度，根據(jù)作物生育期內(nèi)的氣象資料，利用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith公式計算出參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)，再根據(jù)作物種類確定作物系數(shù)(Kc)，對ET0進行修正，就得到了所需計算的作物蒸發(fā)蒸騰量(ETc)，進而可以確定作物耗水強度[5-7]。

Kc采用FAO推薦的分段單值平均法[8-11]確定,并依據(jù)研究區(qū)氣候條件進行修正。修正Kcmid、Kcend公式如下：

(1)

式中：Kc(tab)為標準條件(標準條件是指空氣濕度≈45%，風(fēng)速≈2 m/s，供水充足，管理良好，生長正常，大面積高產(chǎn)的作物生長條件)時各個生育階段的作物系數(shù)(Kcini、Kcmid、Kcend)；U2為地面以上2 m高處的風(fēng)速，m/s；RHmin為各個生育階段日最低相對濕度的平均值，%；h為各個生育階段作物的平均高度，m。

棉花的Kc變化過程可概化為4個階段和3個值。4個階段依次為初期、發(fā)展期、生育中期、末期，初期(init)作物系數(shù)Kcini，發(fā)展期(dev)作物系數(shù)Kcini

(2)

式中:i為生育期內(nèi)的日序；Kci為第i天的Kc值；Lstage為計算階段的長度，d；∑Lprev為以前所有階段長度和，d；Kcprev為Kci所處生育期的上一階段生育期的Kc值；Kcnext為Kci所處生育期的下一階段生育期的Kc值。

(2)空間插值方法。本文采用ArcGIS中的地統(tǒng)計學(xué)插值法、經(jīng)驗貝葉斯Kriging法，對灌區(qū)棉花耗水強度進行空間插值。經(jīng)驗貝葉斯Kriging插值法是一種非確定性預(yù)測模型，能將預(yù)測誤差最小化，將預(yù)測標準誤差與預(yù)測值之間的不確定性進行量化。

2 結(jié)果分析

2.1 灌區(qū)棉花不同生育期耗水強度變化分析

灌區(qū)各區(qū)域棉花生育期時間劃分基本相同，故選取石河子灌區(qū)的棉花種植生育期時間資料，對整個瑪河灌區(qū)內(nèi)部的棉花Kc值和耗水強度進行計算。棉花生育期時間劃分及Kc值計算結(jié)果如表1所示。

表1 棉花各生育期時間劃分及作物系數(shù)(Kc)取值Tab.1 The cotton growth period of each time division and crop coefficient (Kc) values

研究根據(jù)地形、地貌和緯度的差異，在瑪河灌區(qū)及其周邊的24個氣象站中選取烏蘭烏蘇、石河子、147團、炮臺、莫索灣和150團24連等6個典型氣象站2013年度棉花生育期內(nèi)的氣象資料，研究分析灌區(qū)棉花不同生育期的耗水強度。

由圖1、圖2可以看出，瑪河灌區(qū)典型站點棉花日平均耗水強度和耗水量在不同生育階段變化明顯。均呈現(xiàn)出苗期、蕾期逐漸增大，到花鈴期突增達到峰值，而后在吐絮期逐漸減小的變化趨勢。苗期時各典型站點的日平均耗水強度差異較小，為1.62～1.76 mm/d，耗水量為69.82～73.92 mm。進入蕾期，棉花日平均耗水強度迅速增長，各站點附近的棉花的日平均耗水強度也出現(xiàn)明顯差異，最小值為3.74 mm/d，出現(xiàn)在下野地灌區(qū)西部的炮臺站點附近，最大值則達到4.70 mm/d，出現(xiàn)在莫索灣灌區(qū)北部，緊靠沙漠的150團24連站點及其附近區(qū)域，差值接近1 mm/d，但由于蕾期時間較短，耗水量只有86.03～108.05 mm?；ㄢ徠谑枪鄥^(qū)棉花耗水高峰期，在此期間棉花日平均耗水強度持續(xù)增加并達到峰值，灌區(qū)內(nèi)部各部分區(qū)域的日平均耗水強度差異變大，最小值5.64 mm/d，分布在灌區(qū)中部莫索灣灌區(qū)的147團站點附近，最大值則達到6.84 mm/d，依然分布于150團24連站點附近，差值達到1.2 mm/d。由于花鈴期日平均耗水強度大，且生育期時間長，所以耗水量高達310.43～375.99 mm，高于其他3個生育期耗水量之和。進入吐絮期，棉花植株基本成型，生長速度減慢，各站點日平均耗水強度均大幅下降，差值減小，為2.00～2.50 mm/d，耗水量也下降為68.16～84.89 mm。各生育期日平均耗水強度的大小順序為花鈴期>蕾期>吐絮期>苗期，這一順序與李明思[12]等的研究結(jié)果一致。此外本文關(guān)于棉花各生育期耗水強度的計算結(jié)果與張金珠[13]的試驗結(jié)果也相符合。

圖1 典型站點棉花各生育期日平均耗水強度Fig.1 The average daily water consumption intensity of cotton in growing period for typical meteorological stations

圖2 典型站點棉花各生育期耗水量Fig.2 The cotton water consumption in different growth stages for typical meteorological stations

2.2 灌區(qū)棉花耗水強度空間分布研究分析

利用全部24個氣象站點2013年度棉花生育期內(nèi)的氣象資料，進行灌區(qū)棉花耗水強度的空間分布研究。

由圖3可知，瑪河灌區(qū)全生育期平均耗水強度在空間上呈帶狀分布，自灌區(qū)西南向東北表現(xiàn)為遞增趨勢，大小為3.45～3.98 mm/d。灌區(qū)棉花全生育期平均耗水強度在空間上的變化量為0.53 mm/d，針對整個瑪河灌區(qū)來說其變化平緩，空間分布相對均勻。但從瑪河灌區(qū)內(nèi)部各子灌區(qū)及其內(nèi)部各部分區(qū)域的角度看，位于瑪河灌區(qū)西南部，毗鄰天山的下野地灌區(qū)、安集海灌區(qū)、金溝河灌區(qū)的棉花全生育期平均耗水強度較小，為3.45～3.60 mm/d，而位于瑪河灌區(qū)東北部，沙漠邊緣的莫索灣灌區(qū)東北部、新湖總場灌區(qū)北部的取值則達到3.82～3.98 mm/d，最大增長率達到15.36%，如果將2部分區(qū)域全生育期平均耗水強度的差值乘以全生育期天數(shù)，則可知2部分區(qū)域全生育期耗水量的差值大小為34.10～82.15 mm，相當于灌區(qū)棉花苗期的耗水量。這說明灌區(qū)棉花全生育期平均耗水強度值存在比較顯著的區(qū)域差異。

圖3 灌區(qū)棉花全生育期平均耗水強度空間分布Fig.3 Spatial distribution of the growing period average water consumption intensity of cotton

2.3 灌區(qū)棉花設(shè)計耗水強度的確定

在規(guī)劃設(shè)計中，為滿足作物耗水高峰期的灌溉需求，需按耗水高峰期的日平均耗水強度來確定設(shè)計耗水強度。花鈴期為棉花耗水的高峰期，故應(yīng)依據(jù)花鈴期的棉花日平均耗水強度確定灌區(qū)棉花設(shè)計耗水強度值。由圖4可知灌區(qū)棉花設(shè)計耗水強度呈現(xiàn)出西南低、東北高，由西南部向東北部遞增的趨勢，最大值為6.45 mm/d，最小值為5.69 mm/d。灌區(qū)棉花設(shè)計耗水強度在空間上大致可劃分為高、中、低3個取值區(qū)域。其中高值區(qū)取值為6.09～6.45 mm/d，集中分布于灌區(qū)東北部的莫索灣灌區(qū)、新湖總場灌區(qū)北部、下野地灌區(qū)東部、瑪納斯灌區(qū)北部，占瑪河灌區(qū)總面積的33.14%；低值區(qū)取值為5.69～5.83 mm/d，主要分布于灌區(qū)西南部的下野地灌區(qū)、安集海灌區(qū)和金溝河灌區(qū)西南部，占瑪河灌區(qū)總面積的24.28%；位于瑪河灌區(qū)中部的剩余區(qū)域為中值區(qū)，設(shè)計耗水強度的取值為5.84～6.08 mm/d，占瑪河灌區(qū)總面積的42.58%。

圖4 灌區(qū)棉花設(shè)計耗水強度空間分布Fig.4 Spatial distribution for design water consumption intensity of cotton

上述結(jié)果證明，目前瑪河灌區(qū)棉花種植規(guī)劃設(shè)計參照《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50485-2009)[14]在4～7 mm/d選取設(shè)計耗水強度是基本合理的，研究將灌區(qū)棉花設(shè)計耗水強度的取值范圍進一步縮小至5.69～6.45 mm/d，對灌區(qū)棉花灌溉工程規(guī)劃設(shè)計和灌溉制度的制定有一定的現(xiàn)實意義。

3 結(jié) 論

(1)瑪河灌區(qū)棉花各生育期日平均耗水強 度呈現(xiàn)出苗期、蕾期逐漸增大，到花鈴期突增達到峰值，而后在吐絮期逐漸減小的變化趨勢。各生育期日均耗水強度大小順序為花鈴期>蕾期>吐絮期>苗期。

(2)瑪河灌區(qū)棉花全生育期平均耗水強度在空間上呈現(xiàn)出由灌區(qū)西南部向東北部逐漸遞增的趨勢，取值為3.45～3.98 mm/d。其中毗鄰天山的灌區(qū)西南部區(qū)域取值為3.45～3.60 mm/d，緊靠古爾班通古特大沙漠的灌區(qū)東北部取值則為3.75～3.98 mm/d。

(3)瑪河灌區(qū)棉花設(shè)計耗水強度取值范圍應(yīng)為5.69～6.45 mm/d，可分為高值區(qū)(6.09～6.45 mm/d)、中值區(qū)(5.84～6.08 mm/d)、低值區(qū)(5.69～5.83 mm/d)3塊區(qū)域。在規(guī)劃設(shè)計時，針對灌區(qū)的不同區(qū)域選取相應(yīng)的棉花設(shè)計耗水強度值，可達到較好的規(guī)劃設(shè)計效果。

[1] 王海艷,何 玲,宋 妮,等. 作物灌溉設(shè)計中耗水強度問題研究[J].節(jié)水灌溉, 2013,(6):64-66.

[2] Farahani H J, Oweis T Y, Izzi G. Crop coefficient for drip-irrigated cotton in a Mediterranean environment[J]. Irrigation Science, 2008,26(5):375-383.

[3] 楊九剛,何繼武,馬英杰,等. 灌水頻率和灌溉定額對膜下滴灌棉花生長及產(chǎn)量的影響[J].節(jié)水灌溉, 2011,(3):29-32.

[4] 張振華,蔡煥杰,楊潤亞,等. 沙漠綠洲灌區(qū)膜下滴灌作物需水量及作物系數(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2004,20(5):97-100.

[5] 康紹忠,邵明安. 作物蒸發(fā)蒸騰量的計算方法研究[J]. 水土保持研究, 1991,(1):66-74.

[6] 徐 凱,陸垂裕,季海萍. 作物蒸發(fā)騰發(fā)量計算研究綜述[J]. 人民黃河, 2013,35(4):61-65.

[7] Pirkner M, Dicken U, Tanny J. Erratum to: Penman-Monteith approaches for estimating crop evapotranspiration in screenhouses----a case study with table-grape[J]. International Journal of Biometeorology, 2013,58(5):739-740.

[8] Hunsaker D J, Pinter P J, Barnes E M, et al. Estimating cotton evapotranspiration crop coefficients with a multispectral vegetation index[J]. Irrigation Science, 2003,22(2):95-104.

[9] 樊引琴,蔡煥杰. 單作物系數(shù)法和雙作物系數(shù)法計算作物需水量的比較研究[J]. 水利學(xué)報, 2002,(3):50-54.

[10] 陳 超,龐艷梅,潘學(xué)標,等. 1961-2012年中國棉花需水量的變化特征[J].自然資源學(xué)報, 2015,30(12):2 107-2 119.

[11] 佟 玲.石羊河流域作物蒸發(fā)蒸騰量時空分異規(guī)律的研究[D]. 陜西楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué), 2004.

[12] 李明思,馬富裕,鄭旭榮,等. 膜下滴灌棉花田間需水規(guī)律研究[J].灌溉排水學(xué)報,2002,21(1):58-60.

[13] 張金珠. 北疆膜下滴灌棉花土壤水鹽運移特征及耗水規(guī)律試驗研究[D]. 烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué), 2010.

[14] GB/T 50485-2009,微灌工程技術(shù)規(guī)范[S]．

[15] 范文波, 吳普特, 耿寶江. 石河子墾區(qū)50年ET0變化對棉花單產(chǎn)和灌溉水量的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2011,30(3):47-50.