膜下滴灌條件下棉花年際需水量變化試驗(yàn)分析

翟 超，周和平，謝富明，趙 健

(1.新疆維吾爾自治區(qū)水利管理總站， 新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆灌溉中心試驗(yàn)站， 新疆 烏魯木齊 830000)

膜下滴灌技術(shù)在新疆發(fā)展迅速，新疆統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示[1]，膜下滴灌面積從2002年12萬(wàn)hm2擴(kuò)大到2012年的200萬(wàn)hm2，新疆棉花種植面積從2002年94萬(wàn)hm2增加到2012年的164.67萬(wàn)hm2。準(zhǔn)噶爾盆地南緣區(qū)是北疆地區(qū)棉花主要產(chǎn)區(qū)，占全疆棉花產(chǎn)量的35%左右。氣溫對(duì)棉花生長(zhǎng)影響較大，近50年的溫度升高是過(guò)去100年的2倍[2]。近年西北干旱區(qū)氣溫上升幅度為0.33℃·10a-1，其中北疆增溫幅度大于其它地區(qū)[3]。已有研究表明[4]作物生長(zhǎng)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受氣候變化影響導(dǎo)致作物耗水變化，加上氣候變異帶來(lái)的降水波動(dòng)，引起灌溉需水量的變化。目前針對(duì)氣候變化對(duì)作物需水量影響研究方法有兩種，一是通過(guò)收集歷史氣象資料，分析歷年影響作物需水量變化的主要?dú)庀笠蛩匾约岸嗄晷杷孔兓厔?shì)[5-8]；另一種是將歷史氣象資料與模型相結(jié)合，預(yù)測(cè)未來(lái)年份作物需水量變化趨勢(shì)[9-13]，兩種方法均采用FAO56-PM法計(jì)算作物灌溉需水量。然而，新疆棉花膜下滴灌需水規(guī)律研究大部分集中在2000年左右[14-17]。近15年間氣象環(huán)境也發(fā)生變化，但近期關(guān)于膜下滴灌棉花不同年際間需水規(guī)律和相關(guān)生理指標(biāo)及特征研究較少。本文通過(guò)2013—2015年灌溉試驗(yàn)研究，利用氣象資料、實(shí)測(cè)作物需水量、作物產(chǎn)量和生理特征數(shù)據(jù)，研究準(zhǔn)噶爾盆地南緣區(qū)棉花生育期灌溉需水量變化、主要?dú)庀笥绊懸蛩丶捌湟?guī)律，作物產(chǎn)量、水分生產(chǎn)率、生理特征與灌水量的關(guān)系，為灌區(qū)合理配置灌溉用水、提高水分利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆灌溉中心試驗(yàn)站，地處昌吉市濱湖鎮(zhèn)13戶村(87°18′E，44°01′N)，平均海拔600 m。該區(qū)處于天山北坡沖積、洪積平原南緣，屬天山北坡帶頭屯河流域，年均降水181.7 mm、年蒸發(fā)1 739.1 mm、日照時(shí)數(shù)7.8 h，年均氣溫13.1℃，≥0℃積溫3 834.3℃以上，屬典型內(nèi)陸干旱性氣候。研究區(qū)地下水埋深2.5～4.5 m，棕漠土類土壤質(zhì)地為中—輕壤，0～120 cm土層土壤干容重1.46～1.65 g·cm-3，耕作層1.50～1.60 g·cm-3，0～120 cm土層田間持水量(干土重)18.8%～23.9%，耕作層20.1%～23.4%；地表與地下水礦化度3～4 g·L-1，按等級(jí)劃分屬弱咸水，土壤全鹽小于0.2%，無(wú)鹽漬化；耕作層土壤有機(jī)質(zhì)1.59%，肥力屬中偏下水平，土壤有效氮90.84 mg·kg-1，有效磷41.63 mg·kg-1，有效鉀421.2 mg·kg-1。研究區(qū)建有2組地下廊道防雨棚式測(cè)坑設(shè)施，其中1組具有土壤水分、溫度、鹽分自動(dòng)采集，適應(yīng)不同灌溉試驗(yàn)設(shè)計(jì)需要的自動(dòng)化設(shè)施。測(cè)坑設(shè)施總面積604 m2，每組測(cè)坑面積301.54 m2(長(zhǎng)32.25 m，寬9.35 m)，試驗(yàn)處理小區(qū)24個(gè)，以廊道為中心，兩側(cè)分布12個(gè)(長(zhǎng)×寬，3.333 m×2 m，面積6.67 m2)試驗(yàn)處理小區(qū)，2組測(cè)坑共計(jì)48個(gè)試驗(yàn)處理小區(qū)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試品種為當(dāng)?shù)貜V泛種植的T10。于2013年4月24日播種，9月26日收獲；2014年4月29日播種，9月18日收獲。2015年4月22日播種，9月18日收獲；按照當(dāng)?shù)胤N植方式布置，一膜兩管四行，膜寬125 cm，株距10 cm、行距12 cm。采用迷宮式滴灌帶，滴頭間距20 cm，設(shè)計(jì)滴頭流量為2.4×10-3m3·h-1，用水表控制灌水量。灌水周期、次數(shù)、施肥及病蟲(chóng)害防治均按當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)種植管理方式，灌水周期為10 d一次，關(guān)鍵生育期5 d一次，2013年灌水11次，2014、2015年灌水12次。試驗(yàn)設(shè)計(jì)按《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》(SL13-2004)，采用灌水定額單因素試驗(yàn)，作物全生育期設(shè)置4個(gè)處理水平，重復(fù)3次(表1)。

表1 灌溉試驗(yàn)方案

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤水分測(cè)定 采用TRIME水分儀分別在播種前、收獲后、灌水前，灌水后按20 cm分層測(cè)定0～120 cm土壤含水率。耗水量按照水量平衡公式計(jì)算：

ET=P+W+K-C-ΔS

(1)

式中，P為有效降雨量(mm)；W為灌水量(mm)；K為地下水補(bǔ)給量(mm)；C為深層滲漏量(mm)；ΔS為土壤儲(chǔ)水量的變化量(mm)。試驗(yàn)區(qū)為有底測(cè)坑和防雨棚條件，P=K=0，同時(shí)由于是滴灌，屬于淺層局部濕潤(rùn)灌溉，深層滲漏量C可以忽略不計(jì)。故上式(1)可以寫(xiě)成：

ET=W-ΔS

(2)

本文有效降雨的計(jì)算采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的有效降水量分析方法[18-20]：

(3)

式中，Pe為有效降水量(mm·d-1)；P為總降水量(mm·d-1)。

1.3.2 作物系數(shù)的計(jì)算 作物系數(shù)(Kc)是計(jì)算作物需水量的重要參數(shù)，其計(jì)算公式可用實(shí)測(cè)作物蒸騰量(ET)與同時(shí)間段內(nèi)參考作物蒸騰量(ET0)的比值表示。

Kc=(ET)/(ET0)

(4)

1.3.3 水分利用效率的計(jì)算 水分利用效率計(jì)算公式為[21]

WUE=Ya/ETa

(5)

式中，WUE為水分利用效率(kg·m-3)；Ya為皮棉產(chǎn)量(kg·hm-2)；ETa為生育期間實(shí)際耗水量(mm)。

1.3.4 產(chǎn)量測(cè)定與考種 棉花成熟后進(jìn)行田間調(diào)查統(tǒng)計(jì)，各試驗(yàn)處理小區(qū)選擇5個(gè)面積為1 m2的區(qū)域考種，收花2～3次，并用小型軋花機(jī)脫籽。

1.3.5 生育期動(dòng)態(tài)記載及數(shù)據(jù)處理 采用直尺測(cè)量生育期株高、葉面積，采用SPAD-502Plus便攜式葉綠素儀測(cè)定葉綠素相對(duì)值，采用Excel 2007和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜下滴灌棉花生育期耗水規(guī)律

由表2不同試驗(yàn)處理棉花生育期耗水分析可知，總耗水量隨灌水量增加而顯著增大，各年份T4處理比T3、T2和T1處理分別高15.04%～13.00%、28.52%～27.24%和43.27%～37.40%，T3處理比T2和T1分別高17.48%～14.36%和34.14%～26.32%，T2處理比T1高20.64%～13.96%。

棉花生育期內(nèi)耗水量隨灌水量增加而增大，在出苗～現(xiàn)蕾、現(xiàn)蕾～開(kāi)花、開(kāi)花～吐絮階段差異顯著。出苗～現(xiàn)蕾階段各年份T4處理耗水量比T3、T2和T1處理分別高25.07%～9.95%、34.61%～32.22%和56.38%～41.07%，T3處理比T2和T1處理分別高27.39%～10.76%和41.79%～28.53%，T2處理比T1處理高34.77%～9.88%?，F(xiàn)蕾～開(kāi)花階段各年份T4處理耗水量比T3、T2和T1處理分別高11.15%～11.12%、26.73%～20.57%和42.80%～34.09%，T3處理比T2和T1處理分別高17.53%～10.70%和35.64%～25.89%，T2處理比T1處理高22.89%～12.03%。開(kāi)花～吐絮階段各年份T4處理階段耗水量比T3、T2和T1處理分別高14.55%～14.50%、30.39%～25.19%和44.74%～32.84%，T3處理比T2和T1處理分別高18.53%～12.50%和35.33%～21.44%，T2處理比T1處理高20.62%～10.22%。

各處理生育期內(nèi)耗水模數(shù)變化規(guī)律為：播種～出苗階段耗水模數(shù)為1.70%～3.68%，出苗～現(xiàn)蕾階段為13.22%～31.38%，現(xiàn)蕾～開(kāi)花階段為18.84%～32.47%，開(kāi)花～吐絮階段達(dá)最大值25.26%～34.60%，吐絮～收花階段為14.56%～22.17%。各處理播種～出苗階段耗水強(qiáng)度最小為0.86～1.88 mm·d-1；出苗～現(xiàn)蕾階段耗水強(qiáng)度為1.04～3.25 mm·d-1，現(xiàn)蕾～開(kāi)花階段氣溫升高，植株生長(zhǎng)旺盛，耗水強(qiáng)度為3.59～6.37 mm·d-1，開(kāi)花～吐絮階段，是營(yíng)養(yǎng)和生殖生長(zhǎng)并進(jìn)期，耗水強(qiáng)度達(dá)最大為2.51～6.86 mm·d-1，吐絮～收花階段，植株葉片逐漸凋零，耗水強(qiáng)度下降為1.87～4.69 mm·d-1，全生育期棉花平均日耗水強(qiáng)度變化范圍為3.05～3.55 mm·d-1。

以上分析看出，棉花生育期總耗水量隨灌水量增加而顯著增大；不同處理在出苗～現(xiàn)蕾、現(xiàn)蕾～開(kāi)花、開(kāi)花～吐絮階段耗水量差異顯著，這是由于不同灌溉處理下總耗水量存在差異，且在開(kāi)花～吐絮階段不同灌溉處理間差異最大，說(shuō)明這一時(shí)期棉花對(duì)水分需求最大。

2.2 氣象因素變化規(guī)律

由表3可知，氣象因素中平均溫度、有效降雨、太陽(yáng)輻射、相對(duì)濕度呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，2015年平均溫度比前兩年高7.3%～17.0%，有效降雨高2.5%～22.8%，太陽(yáng)輻射高1.57%～12.1%，相對(duì)濕度高15.0%～23.5%。平均溫度和太陽(yáng)輻射的峰值出現(xiàn)在現(xiàn)蕾～開(kāi)花階段，有效降雨和相對(duì)濕度的峰值出現(xiàn)在吐絮～收花階段，風(fēng)速的峰值出現(xiàn)在播種～出苗階段。

2.3 氣象因素對(duì)棉花生育期需水量的影響

為分析氣象因素對(duì)棉花需水量的影響，采用Pearson相關(guān)分析法，對(duì)2013—2015年氣象要素與棉花生育期需水量進(jìn)行相關(guān)分析，由表4結(jié)果看出，不同氣象要素與各生育期需水量的相關(guān)關(guān)系不同，太陽(yáng)輻射、風(fēng)速在播種～出苗、吐絮～收花階段與需水量呈正相關(guān)關(guān)系，相對(duì)濕度在出苗～現(xiàn)蕾階段與需水量呈負(fù)相關(guān)，平均溫度在現(xiàn)蕾～開(kāi)花、開(kāi)花～吐絮階段與需水量呈正相關(guān)，相關(guān)性顯著(P≤0.05)。由于處理在雨棚下試驗(yàn)，有效降雨因素影響不顯著。為深入研究影響需水量變化的主要?dú)庀笠蛩?，采用線性逐步回歸的方法分析了氣象因素變化與棉花需水量之間的關(guān)系，其中平均溫度的變化對(duì)其影響最為突出，線性回歸方程的決定系數(shù)均達(dá)到0.74。

2.4 作物系數(shù)分析

三年間棉花各處理作物系數(shù)的變化規(guī)律見(jiàn)表5，年際作物系數(shù)隨灌水定額增加而增大，其值在0.56～1.08之間變化，各生育階段作物系數(shù)變化為：播種～出苗階段作物系數(shù)0.23～0.50，出苗～現(xiàn)蕾階段作物系數(shù)0.25～0.76，現(xiàn)蕾～開(kāi)花階段作物系數(shù)0.78～1.33，開(kāi)花～吐絮階段作物系數(shù)在0.72～1.64，吐絮～收花階段作物系數(shù)0.62～1.19。綜合分析表明，三年間作物系數(shù)開(kāi)花～吐絮階段最大，其值為1.13，播種～出苗作物系數(shù)最小，其值為0.31。

表2 2013—2015年不同處理棉花耗水規(guī)律

注：不同小寫(xiě)字母表示同一時(shí)期不同灌溉處理差異顯著(P≤0.05)。下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among different treatments in the same stage. The same as below.

表3 2013—2015年棉花不同生育期氣象要素變化

表4 棉花不同生育階段灌溉需水量與氣象要素的相關(guān)系數(shù)

注：*為0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。 Note: Significant correlation at theP<0.05 level (bilateral).

表5 2013—2015年不同處理?xiàng)l件下棉花各生育階段作物系數(shù)

由圖1可知，生育期內(nèi)作物系數(shù)呈單峰變化，不同年份峰值出現(xiàn)時(shí)期不同，2013、2014年峰值出現(xiàn)在開(kāi)花～吐絮階段，2015年峰值出現(xiàn)在現(xiàn)蕾～開(kāi)花階段。通過(guò)分析氣象數(shù)據(jù)可知，2015年現(xiàn)蕾～開(kāi)花階段最高氣溫達(dá)45.2℃，受氣溫影響，此階段棉花參考作物蒸騰量與實(shí)際耗水量相關(guān)性較大，同時(shí)該階段耗水量分別比2013、2014年同期高37.93%、15.01%，耗水強(qiáng)度也高于其它年份。受灌水量影響，T4的實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量高于其它處理，在全生育期內(nèi)，相應(yīng)階段的作物系數(shù)也高于其它處理。

2.5 生理指標(biāo)分析

表6為各處理棉花株高、葉面積指數(shù)和葉綠素測(cè)定結(jié)果，各處理苗期～花鈴期，株高與葉面積指數(shù)隨灌水量增大而增加，吐絮期略有降低，隨后保持平穩(wěn)，全生育期呈單峰變化，峰值出現(xiàn)在花鈴期。葉綠素峰值出現(xiàn)在蕾期，此時(shí)是棉花營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)最旺盛時(shí)期。T3處理葉面積指數(shù)高于其它處理，較高葉面積指數(shù)提高了棉花光合作用，有利于生殖生長(zhǎng)階段有機(jī)物的積累。

2.6 水分生產(chǎn)率分析

表7為2013—2015年灌水量與產(chǎn)量、水分利用率分析結(jié)果，可以看出，不同灌水量處理棉花產(chǎn)量差異較顯著。三年最高產(chǎn)量對(duì)應(yīng)灌水定額均為450 m3·hm-2，最低產(chǎn)量灌水定額為300 m3·hm-2，T3處理比T4、T2和T1處理產(chǎn)量分別高6.18%～1.82%、11.38%～9.67%和25.92%～11.39%。各處理產(chǎn)量與生育期灌水量呈二次曲線關(guān)系，隨灌水量的增加產(chǎn)量先增后減，經(jīng)優(yōu)化分析棉花生育期灌水量496～605 m3·hm-2，產(chǎn)量可達(dá)2 280～2 400 kg·hm-2。水分生產(chǎn)率隨灌水量增加而降低，變幅0.65～0.34 kg·m-3之間。

圖1 不同處理?xiàng)l件下棉花各生育期作物系數(shù)

表7 2013—2015年不同處理下棉花灌水量、耗水量、產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率

3 結(jié) 論

1) 棉花全生育期總耗水量隨灌水量增加而增大，不同年份各試驗(yàn)處理間耗水量變化較大；生育階段耗水量，不同處理在出苗～現(xiàn)蕾、現(xiàn)蕾～開(kāi)花、開(kāi)花～吐絮階段耗水量差異明顯，這是由于不同灌溉處理和年際氣象因素對(duì)總耗水量影響較大，開(kāi)花-吐絮階段不同灌溉處理對(duì)棉花生長(zhǎng)差異影響最大，說(shuō)明這一時(shí)期水分需求敏感。

2) 氣象要素對(duì)棉花生育期需水量影響，太陽(yáng)輻射、風(fēng)速在播種～出苗、吐絮～收花階段與需水量呈正相關(guān)關(guān)系，相對(duì)濕度在出苗～現(xiàn)蕾階段與需水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，氣溫在現(xiàn)蕾～開(kāi)花、開(kāi)花～吐絮階段與需水量呈正相關(guān)關(guān)系。全生育期氣溫變化對(duì)作物需水量影響最大，線性回歸方程相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.74。

3) 棉花皮棉產(chǎn)量與全生育期灌水量呈二次拋物線關(guān)系，經(jīng)優(yōu)化分析達(dá)到2 280～2 400 kg·hm-2，相應(yīng)灌水量為496～605 mm，水分生產(chǎn)率為0.48～0.37 kg·m-3。

4) 棉花作物系數(shù)大小表現(xiàn)為：開(kāi)花～吐絮>現(xiàn)蕾～開(kāi)花>吐絮～收花>出苗～現(xiàn)蕾>播種～出苗，全生育期呈單峰變化，表現(xiàn)為先增后減規(guī)律，作物系數(shù)峰值出現(xiàn)在開(kāi)花～吐絮期，其值為1.13。播種～出苗期最小，其值為0.31。

5) 生育期內(nèi)棉花株高、葉面積指數(shù)和葉綠素含量，整體趨勢(shì)為先增后減，最終保持平穩(wěn)。株高和葉面積指數(shù)與灌水量呈正比，隨灌水量增大而增加，峰值出現(xiàn)在花鈴期，葉綠素含量峰值出現(xiàn)在蕾期。

6) 膜下滴灌棉花灌溉定額為496～605 mm，灌水次數(shù)10～12次，其中苗期3次，蕾期2～3次，花鈴期4～5次，吐絮期1次，平均灌水周期10 d(蕾期、花鈴期5 d一次)。

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