膜下滴灌模式下種植密度對棉田蒸散發(fā)規(guī)律影響研究

王小軍 ，黃 健 *

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆 烏魯木齊830002）

蒸散是影響農(nóng)田水資源利用率的重要因素，是“土壤—植物—大氣連續(xù)體（SPAC）系統(tǒng)”中水分運移的重要環(huán)節(jié)[1]，每年地球約有60%的降水通過蒸散發(fā)返回到大氣中[2]。因此明確作物蒸散規(guī)律，對建立合理的灌溉制度以及發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)具有重要的意義[3-4]。蒸滲儀可以用于測量裸土或作物蒸散量以及深層滲漏量，已成為測定農(nóng)田蒸散發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)儀器[5]。稱重式蒸滲儀可以直接獲取作物的蒸散量，且測量精度高、數(shù)據(jù)的連續(xù)性好，被廣泛用來研究農(nóng)田水分蒸散特征與作物耗水規(guī)律。López-Urrea，et al[6]發(fā)現(xiàn)西班牙半干旱地區(qū)的葡萄蒸散量與冠層覆蓋率呈線性關(guān)系，Howell，et al[7]發(fā)現(xiàn)充分灌溉時，玉米2個品種的水分利用效率和蒸散量的日峰值無顯著差異。Goyal[8]認(rèn)為影響印度干旱區(qū)蒸散的主要因素是空氣溫度。Tolk，et al[9]通過研究3種土壤下玉米的蒸散與產(chǎn)量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土壤類型不影響蒸散量與作物產(chǎn)量的線性關(guān)系。Tyagi，et al[10]測量了水稻、向日葵每小時的蒸發(fā)量，發(fā)現(xiàn)蒸散量的峰值出現(xiàn)在快速發(fā)育期。郭春明[11]等對東北地區(qū)春玉米的農(nóng)田蒸散量及其影響因子做了研究，發(fā)現(xiàn)葉面積指數(shù)是影響春玉米蒸散最主要的生物因子，太陽輻射是最主要的環(huán)境驅(qū)動因子。還有研究發(fā)現(xiàn)蒸散量以及草地的水分平衡不僅受到氣候條件的影響，還受到地上生物量、葉面積等生物因素的影響[12-13]。

新疆地處西北干旱地區(qū)，水資源匱乏，嚴(yán)重制約新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展[14]。膜下滴灌技術(shù)是一種高效節(jié)水灌溉技術(shù)，其灌水量少、灌溉頻率高，可根據(jù)作物需水需肥規(guī)律及時將水分和養(yǎng)分均勻持續(xù)地輸送到植株根部，最大限度地降低了土壤水分的深層滲漏和其他無效途徑的用水浪費，且能形成一定的農(nóng)田小氣候，可有效緩解水資源不足與農(nóng)業(yè)用水利用率不高的矛盾[15-16]。北疆綠洲棉區(qū)是我國重要的商品棉生產(chǎn)基地，對北疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟有著重大影響[17]。

自20世紀(jì)90年代以來，相關(guān)學(xué)者針對新疆綠洲棉區(qū)膜下滴灌模式下的棉田蒸散發(fā)規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)研究。曹兵[18]等對棉花膜下滴灌棉花蒸散量進(jìn)行觀測，研究了棉花生育期逐日蒸散量的變化過程及規(guī)律，分析不同時期不同天氣條件下膜下滴灌棉花蒸散量及相關(guān)氣象因子的日變化。陳磊[19]等運用大型稱重式蒸滲儀，對綠洲棉田不同覆膜方式下蒸散過程進(jìn)行了研究，但對不同種植密度條件下的棉田蒸散發(fā)規(guī)律卻鮮有報道。利用大型稱重式蒸滲儀對北疆綠洲棉田開展不同種植密度蒸散規(guī)律及其影響因子試驗研究，旨在探明不同種植密度的棉田蒸散特征及其影響因素，以期為北疆綠洲棉區(qū)農(nóng)田水分管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在中國氣象局烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)與生態(tài)試驗站（85°49′E，44°17′N；海拔 468.5 m）進(jìn)行，試驗區(qū)距離氣象觀測場500 m，安裝有獨立觀測的大型稱重式蒸滲儀（長×寬×高：2.0 m×2.0 m×3.0 m）（西安新匯澤測控技術(shù)有限公司造）進(jìn)行蒸發(fā)量和滲漏量觀測，邊界尺寸誤差≤3 mm，稱重方式為懸掛式。滲漏量測量采用稱重傳感器直接測定，測量精度不低于±3%。數(shù)據(jù)采集及配套軟件具有即測即存功能，防止測量數(shù)據(jù)丟失，同時具有良好的抗風(fēng)干擾設(shè)計，對振動（風(fēng)荷或其他干擾）具有快速的阻尼作用。棉田入滲量和蒸散量由大型稱重式蒸滲儀進(jìn)行監(jiān)測。

1.2 測定項目與方法

蒸滲儀觀測頻率為每30 min一次，于2018年6—10月進(jìn)行全天24 h連續(xù)觀測。按《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》測定棉花苗期、現(xiàn)蕾期、開花期、吐絮期的日期（表 1）。

表1 棉花生育期日期

將每條滴灌帶的兩行棉花分別劃分成60 cm×60 cm的樣方，形成一膜6行9個樣方，一膜4行6個樣方，于棉花苗期各標(biāo)記長勢一致的棉苗6株，其標(biāo)記順序如圖1所示。分別在苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期測定其株高和葉面積。葉面積采用LI-3100便攜式葉面積儀進(jìn)行測量，并計算其葉面積指數(shù)。葉面積指數(shù)=取樣葉片總面積/取樣土地面積。

圖1 田間取樣圖

1.3 試驗設(shè)計

采用2組大型稱重式蒸滲儀，試驗設(shè)置不同種植密度條件，一膜3管6行（30株/m2），一膜2管4行（20株/m2），采用寬度為205 cm的地膜，棉花采用人工播種，行距為10 cm，株距10 cm，采用滴灌帶，滴頭間距30 cm，一條滴灌帶灌溉2行棉花。

試驗棉田全生育期滴水次數(shù)10次，施肥和田間管理與大田實際生產(chǎn)一致。

圖2 試驗種植圖（單位：cm）

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)都使用Spss 23軟件進(jìn)行分析，Microsoft Excel 2007完成制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植密度下棉花關(guān)鍵生育期蒸散量日變化特征

利用大型蒸滲儀的實測值，可以精確刻畫出棉花日內(nèi)每小時的蒸散量變化趨勢。本文因苗期蒸滲儀故障，特選取2018年6—10月蒸散量進(jìn)行監(jiān)測。

不同種植密度條件下棉田蒸散量日變化特征如圖3所示。兩種密度條件下日蒸散量變化規(guī)律基本保持一致，呈倒“V”型分布，08：00—22：00 蒸散量由零緩慢增加，然后下降。蕾期棉花進(jìn)入快速生長發(fā)育期，葉片面積增大，花鈴期是棉花生長發(fā)育的旺盛時期，一膜4行種植方式較一膜6行種植方式蒸散量降低。吐絮期棉花營養(yǎng)生長停止，生殖生長減緩，葉片萎縮脫落，兩種密度條件蒸散量差異逐漸減小。

圖3 不同生育期日蒸散量變化過程（a為蕾期，b為花鈴期，c為吐絮期）

2.2 不同種植密度下棉田關(guān)鍵生育期蒸散過程變化特征

蕾期，與一膜6行相比，一膜4行蒸散量偏少49.11 mm（37.17%）（表 1），花鈴期蒸散強度最高，一膜6行種植的總蒸散量為309.12 mm，比一膜4行種植高61.35 mm（表1），一膜4行種植較一膜6行蒸散量偏低19.85%；吐絮期，植株葉片開始脫落，溫度下降，蒸散強度低于花鈴期和蕾期，兩種種植方式蒸散強度差異逐漸減小。花鈴期是棉花生育期內(nèi)蒸散量最大的時期，超過蕾期和吐絮期的蒸散量總和。

表2 不同種植密度棉田蒸散變化特征

2.3 不同種植密度對棉花株高和葉面積的影響

葉面積和株高是反映棉花生長的重要指標(biāo)。不同種植密度下，棉花植株高度隨時間變化見圖4。苗期，一膜4行種植比一膜6行種植株高出2.3 cm，蕾期高出 4.4 cm，花鈴期高出2.6 cm，吐絮期高出2.7 cm。不同種植密度條件下，棉花的葉面積指數(shù)變化趨勢見圖5，苗期棉花的葉面積增長緩慢，由于苗期灌水較少，其后期干旱少雨，土壤溫度較高，棉花生長所需水分受到限制，蕾期棉花生長發(fā)育加快，葉面積指數(shù)明顯增大，蒸散量也隨之增加，此時的蒸散量、葉面積增加速度加快，花鈴期是棉花生長發(fā)育最旺盛時期，葉面積指數(shù)達(dá)到最大，此時的棉田蒸散量以作物蒸騰作用為主，也是整個生育期蒸散量最大時期，吐絮期棉花營養(yǎng)生殖趨于停止，生殖生長減緩，葉片萎縮脫落蒸散量減小。研究發(fā)現(xiàn)：整個生育期一膜6行的葉面積指數(shù)始終大于一膜4行，株高小于一膜4行，各個生育期一膜4行種植的蒸散量小于一膜6行種植。

圖4 不同種植密度對株高的影響

圖5 不同種植密度對葉面積指數(shù)的影響

2.4 不同氣象因子對不同種植密度棉田蒸散量的影響

對棉田花鈴期氣象因子與所測定的蒸散量進(jìn)行相關(guān)分析，由圖6可知，一膜4行與一膜6行種植的棉田的蒸散發(fā)與日平均氣溫（P＜0.01）呈顯著正相關(guān)，與空氣相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與日平均風(fēng)速和日平均水汽壓關(guān)系不大。

圖 6 一膜 4 行（a、c、e、g）和一膜 6 行（b、d、f、h）棉田蒸散量與溫度、相對濕度、風(fēng)速、水氣壓的相關(guān)性

3 結(jié)論與討論

利用大型稱重式蒸滲儀連續(xù)監(jiān)測不同種植密度下的棉田蒸散過程，分析了新疆綠洲棉田蒸散發(fā)的變化特征及其影響因子，研究發(fā)現(xiàn)：

（1）不同生育期不同種植密度的棉田蒸散量都呈單峰型變化，且季節(jié)變化明顯，蕾期和花鈴期一膜6行種植蒸散量比一膜4行大。

（2）蕾期、花鈴期蒸散強度一膜6行比一膜4行高；花鈴期蒸散強度最高；吐絮期，蒸散強度低于蕾期和花鈴期，兩種密度的蒸散強度差異變小。

（3）不同種植密度條件下花鈴期棉田的蒸散發(fā)量與日平均氣溫呈極顯著正相關(guān)，與空氣相對濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與日平均風(fēng)速，日平均水氣壓的關(guān)系不大。

在整個生育期內(nèi)，兩種種植密度條件下水分蒸散主要發(fā)生在 08：00—22：00，在 22：00—08：00 基本沒有蒸散或蒸散量接近于零，這與相關(guān)研究一致[19]。Tyagi，et al[10]研究發(fā)現(xiàn)水稻、向日葵的蒸發(fā)量峰值出現(xiàn)在快速發(fā)育期，本研究中不同種植密度條件下花鈴期蒸散強度最大，蕾期次之，吐絮期最小，說明花鈴期是棉花生育期需水的關(guān)鍵時期，應(yīng)保證充足的水分供應(yīng)。農(nóng)田水分蒸散在農(nóng)田水量平衡和能量平衡計算中占有重要地位[20]。農(nóng)田蒸散由土壤蒸發(fā)和作物蒸騰組成[21]。棉田蒸散作為田間水分消耗的主要形式，是作物生長過程中水量平衡不可缺少的組成成分，而棵間蒸發(fā)作為農(nóng)田蒸散的重要組成部分，是田間小氣候的一個重要指標(biāo)，也是衡量無效耗水的重要指標(biāo)，不參與產(chǎn)量形成，因此減少棵間土壤蒸發(fā)對提高棉花水分利用效率、節(jié)約灌溉用水具有十分重要的作用。本研究中，兩種種植密度下，每個蒸滲儀所有土地都被地膜覆蓋，因此兩種密度的土壤蒸發(fā)量差別不大，田間蒸散發(fā)主要由作物蒸騰組成，一膜4行的蒸散量小于一膜6行，一膜6行的葉面積指數(shù)大于一膜4行，葉面積系數(shù)影響田間蒸散發(fā)，這與相關(guān)研究一致[11]。

作物蒸散不僅與生育期相關(guān)，而且與下墊面環(huán)境、氣象因子等有關(guān)，同時作物蒸散對農(nóng)田灌溉管理決策、農(nóng)作物產(chǎn)量估算及農(nóng)田土壤水分預(yù)測等許多問題密切相關(guān)[22-24]。Goyal[8]對印度干旱區(qū)蒸散發(fā)進(jìn)行研究得出影響蒸散發(fā)的主要因素是日平均氣溫。本研究中，不同種植密度條件下的棉田蒸散發(fā)與日平均氣溫和空氣相對濕度極顯著相關(guān)（P＜0.01），空氣相對濕度對棉田蒸散發(fā)的相關(guān)性最好。本試驗不足之處是大型蒸滲儀數(shù)量較少，在以后的試驗中應(yīng)投入更多的蒸滲儀，加強試驗的重復(fù)性，進(jìn)一步提升試驗的精確性。