干旱區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物滴灌條件下作物系數(shù)和水分生產(chǎn)率試驗研究

翟 超 周和平

(1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆維吾爾自治區(qū)水利管理總站，新疆 烏魯木齊 830000)

據(jù)統(tǒng)計，新疆膜下滴灌面積從2002年的12萬hm2擴大到2022年的335萬hm2，占全疆總灌溉面積的60%[1]。新疆屬于綠洲農(nóng)業(yè)、灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，膜下滴灌作為新疆主要的節(jié)水灌溉模式，在灌區(qū)落實最嚴(yán)格水資源管理、節(jié)水增收等方面起到了積極的推動作用。

新疆膜下滴灌的研究主要集中于小麥、玉米等糧食作物，其他經(jīng)濟(jì)作物的研究相對較少。棉花的需水量和水分生產(chǎn)率研究集中在2000年左右[2-5]，近年來研究較少。王雪姣等通過COSIM模型進(jìn)行新疆棉花產(chǎn)量動態(tài)預(yù)報研究[6]，最終確定以近10年氣象資料替代獲得的模擬產(chǎn)量平均值作為最終預(yù)報產(chǎn)量。經(jīng)驗證該預(yù)報方法預(yù)報的準(zhǔn)確率在81.3%～99.6%，預(yù)測精度較好。吳立峰等研究了水肥耦合對棉花產(chǎn)量、收益及水分利用效率的影響[7-8]，結(jié)果表明：灌水量80%ETc、N-P2O5-K2O 250-100-50kg/hm2為最佳滴灌施肥策略；同時開展了新疆棉花虧缺灌溉葉面積指數(shù)模擬研究[9]，模型以基于beta函數(shù)的每日熱效應(yīng)為時間尺度，在考慮土壤水分脅迫效應(yīng)的基礎(chǔ)上，使用Logistic函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)描述葉面積指數(shù)的變化速率，分析結(jié)果表明，在充分灌水條件下，葉片潛在衰減面積、葉片日最大增加面積和衰減面積、初花期開始時間是影響模型的主要參數(shù)。國內(nèi)外許多學(xué)者從不同角度建立了棉花的葉面積動態(tài)模型，取得了一定成果[10-16]。谷曉博等研究了降解膜覆蓋對油菜根系、產(chǎn)量和水分利用效率的影響，覆蓋處理的節(jié)水增產(chǎn)效果顯著，覆蓋處理冬油菜2年平均產(chǎn)量相對不覆膜增加45.91%；2年平均水分利用效率與不覆膜相比提高81.68%[17]。丁興利等研究了非充分供水噴灌條件下油菜水分生產(chǎn)函數(shù)[18]，結(jié)果表明：當(dāng)需水量在220～228m3/畝之間時，油菜產(chǎn)量隨著需水量的增加而增加，為合理生產(chǎn)階段。實際生產(chǎn)中，噴灌油菜優(yōu)化灌溉制度推薦為：灌水次數(shù)4次(噴灌3次、后期地面灌1次)；灌水定額(噴灌13～15m3/畝、地面灌70m3/畝)；通過全國各地區(qū)綜合比較[19-23]，油菜生長全生育期灌水總量約為3000～4000m3/hm2，產(chǎn)量可達(dá)2500～3500kg/hm2。艾爾肯·沙依提等[24]開展了膜下滴灌條件下焉耆盆地工業(yè)番茄需水規(guī)律及灌溉制度研究，結(jié)果表明：滴灌工業(yè)番茄作物系數(shù)值在結(jié)果盛期為1.1，結(jié)果后期為0.9，苗期最小為0.5，當(dāng)灌水量為402.8mm時，可得到高產(chǎn)18017.26kg/hm2。劉超峰等[25]對焉耆盆地工業(yè)番茄滴灌節(jié)水制度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：灌溉定額為3900m3/hm2的處理產(chǎn)量最高，為181280kg/hm2。趙娣等研究了不同灌溉方式和灌水量對北疆加工番茄生理生長及產(chǎn)量的影響[26]，結(jié)果表明：分根區(qū)交替灌溉充分灌水條件可作為適宜本地區(qū)的灌水組合模式。王振華等研究了灌溉制度對膜下滴灌甜菜產(chǎn)量及水分利用效率的影響[27]，結(jié)果表明：膜下滴灌甜菜以60mm灌水定額灌水9次，可獲得高產(chǎn)與糖產(chǎn)，較傳統(tǒng)新疆膜下滴灌甜菜制度節(jié)水10%。徐劍等[28]研究了不同灌水量對打瓜生長及產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明：灌溉定額為525m3/hm2時，可獲得2586kg/hm2的高產(chǎn)。

綜上所述，現(xiàn)有研究中模擬預(yù)測棉花產(chǎn)量、葉面積指數(shù)的較多，多年系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)文獻(xiàn)較少；油菜大多為疆外試驗，疆內(nèi)采用噴灌模式，滴灌研究較少；工業(yè)番茄的研究集中在焉耆盆地，在準(zhǔn)噶爾盆地研究較少；甜菜、打瓜也只有少數(shù)研究成果，且未見胡蘿卜和葵花的相關(guān)研究。由于新疆主要經(jīng)濟(jì)作物的作物系數(shù)和水分生產(chǎn)率的多年分系統(tǒng)研究尚未明晰，本文以新疆7種主要經(jīng)濟(jì)作物為研究對象，通過3年系統(tǒng)的灌溉試驗，研究作物系數(shù)、水分生產(chǎn)函數(shù)以及作物生理指標(biāo)，為新疆灌區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物需水量及產(chǎn)量計算、分析提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于昌吉市濱湖鎮(zhèn)十三戶村，該區(qū)近10年年均降水量181.7mm、蒸發(fā)量1739.1mm、日照時數(shù)7.8h，年均氣溫13.1℃，不小于0℃的積溫在3834.3℃以上。試區(qū)為棕漠土，土壤質(zhì)地為中—輕壤，0～120cm土層土壤容重1.36～1.58g/cm3，耕作層1.36～1.53g/cm3，0～120cm土層田間持水量20%～25%，耕作層20%～23%；地下水埋深3～4m。地表水礦化度3～4g/L，為弱咸水，土壤全鹽小于0.2%，無鹽漬化；耕作層土壤有機質(zhì)1.59%，肥力屬中偏下水平，土壤有效氮90.84mg/kg，有效磷41.63mg/kg，有效鉀421.2mg/kg，表現(xiàn)為缺氮少磷鉀豐富。試區(qū)建有2組48個地下廊道式有底測坑，測坑配備防雨棚，每個測坑面積6.67m2(2m×3.33m)，深2.75m，其中1組具有土壤水分、溫度、鹽分自動采集功能，各組傳感器埋設(shè)深度為：10cm、30cm、50cm、70cm、90cm、110cm。

1.2 試驗設(shè)計

2018—2020年進(jìn)行了6種經(jīng)濟(jì)作物滴灌試驗，以灌水定額單因素為研究對象，設(shè)置4種水平(見表1)，3次重復(fù)，隨機排列于試驗測坑內(nèi)，試驗采用滴灌系統(tǒng)灌溉方式，毛管間距0.6m，滴頭間距0.2m，滴頭流量2.1L/h，額定工作壓力0.1MPa。測坑試驗小區(qū)內(nèi)滴灌帶鋪設(shè)與大田一致。供試作物品種為棉花(中棉113)、油菜(塔油2號)、番茄(利豐早熟)、甜菜(豐甜2號)、打瓜(SWBB-01)、胡蘿卜(馳誠黃)、葵花(高油王DK567)。7種作物滴灌試驗，均以1條滴灌帶2行作物播種，油菜、胡蘿卜均無地膜滴灌，其他5種作物均為膜下滴灌方式，播種密度與大田種植相同。

表1 作物灌溉試驗因素水平設(shè)計

1.3 試驗過程

各年4月底完成播種(干播濕出)，每個處理小區(qū)選擇2處固定埋設(shè)土壤含水率測管，采用PR2水分儀對0～120cm土層(每層20cm)，每5天進(jìn)行一次土壤含水率觀測，灌水前、后加測。試驗作物的品種、灌水時間、施肥種類、施肥方法和施肥量等均參照當(dāng)?shù)毓鄥^(qū)常用的種植管理模式確定，主要施尿素和速溶性滴灌肥(含作物所需的各類養(yǎng)分)，施肥3次，分別在作物前期、中期及中后期實施，根據(jù)不同作物品種，施肥量在375～450kg/hm2之間。試驗觀測氣象數(shù)據(jù)由田間自動氣象站采集，作物成熟后每區(qū)人工收割脫粒晾曬干凈后進(jìn)行測產(chǎn)。

1.4 分析方法

將作物生長期劃分為四個階段：?作物初始生長期：從播種到作物覆蓋率接近10%，此階段作物系數(shù)為Kc1；?作物快速發(fā)育期：從覆蓋率10%到充分覆蓋，即大田作物覆蓋率達(dá)到70%～80%，此階段作物系數(shù)為Kc2；?作物生育中期：從作物充分覆蓋到成熟期開始，葉片開始發(fā)黃，此階段作物系數(shù)為Kc3；?作物成熟期：從葉片開始變黃到作物生理成熟或收割，此階段作物系數(shù)為Kc4。

參考作物蒸發(fā)蒸騰量，按彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)公式計算分析：

(1)

式中 ET0——參考作物蒸散量，mm/d；

Δ——溫度-飽和水汽壓關(guān)系曲線在T處的切線斜率，kPa/℃；

Rn——凈輻射，MJ/(m2·d)；

G——土壤熱通量，MJ/(m2·d)；

ea——飽和水汽壓，kPa；

ed——實際水汽壓，kPa；

γ——濕度常數(shù)，kPa/℃；

T——平均氣溫，℃；

u2——2m處的風(fēng)速，m/s。

參數(shù)計算方法見文獻(xiàn)[29]。作物系數(shù)按下式計算：

Kc=ETi/ET0i

(2)

式中Kc——作物系數(shù)；

i——作物生長的第i階段；

ETi——作物生長的第i階段需水量，mm；

ET0i——作物生長的第i階段參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm。

作物灌溉水生產(chǎn)率按下式計算：

η產(chǎn)=Yi/E

(3)

式中Yi——某種作物單產(chǎn)，kg/hm2；

E——該作物全生育期灌溉用水量，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物系數(shù)分析

由表2分析結(jié)果可知，7種滴灌作物系數(shù)表現(xiàn)出以下規(guī)律：

表2 經(jīng)濟(jì)作物系數(shù)Kc分析成果

a.作物生長過程中作物系數(shù)變化表現(xiàn)為：初始生長期Kc1較小，快速發(fā)育期Kc2快速增長，生育中期Kc3達(dá)到最大，成熟期Kc4逐漸下降，作物系數(shù)總體趨勢為前期由小到大，作物生長旺盛期最大，后期逐漸減小。

b.不同階段作物系數(shù)大小有所不同，這是作物自身生物學(xué)特性的反映，它與作物種類、品種、生育期以及作物群體葉面積指數(shù)等因素有關(guān)。

c.作物系數(shù)隨灌水定額和水分處理水平增加而增加，但各作物系數(shù)在不同生長階段變化趨勢及分布特征相似。7種作物各生長階段作物系數(shù)在0.36～1.21之間，全生育期在0.64～0.89之間。棉花各生長階段作物系數(shù)在0.43～1.21之間；油菜各生長階段作物系數(shù)在0.73～1.14之間；工業(yè)番茄各生長階段作物系數(shù)在0.36～1.13之間；甜菜各生長階段作物系數(shù)在0.45～1.08之間；胡蘿卜各生長階段作物系數(shù)在0.45～0.90之間；打瓜各生長階段作物系數(shù)在0.61～1.02之間；葵花各生長階段作物系數(shù)在0.64～1.12之間。

較大或過量灌溉用水將會導(dǎo)致作物系數(shù)增大，由此反映出土壤水分過多和作物對水分無效消耗，不利于灌溉節(jié)水。

2.2 作物灌溉水分生產(chǎn)率分析

表3為7種滴灌作物三年平均灌溉水分生產(chǎn)率。

表3 試區(qū)滴灌作物3年灌水量、作物產(chǎn)量分析結(jié)果

試驗區(qū)7種作物水分生產(chǎn)函數(shù)見圖1。

圖1 試區(qū)7種作物水分生產(chǎn)函數(shù)

由表3和圖1可知：多年平均情況下，棉花產(chǎn)量T3處理分別比T1、T2、T4高出23.07%、12.02%、5.40%；油菜產(chǎn)量T3處理分別比T1、T2、T4高出63.55%、43.44%、14.38%；工業(yè)番茄產(chǎn)量T3處理分別比T1、T2、T4高出52.65%、22.64%、12.95%；甜菜產(chǎn)量T3處理分別比T1、T2、T4高出39.24%、13.12%、22.13%；胡蘿卜產(chǎn)量T3處理分別比T1、T2、T4高出24.28%、11.53%、15.83%；打瓜產(chǎn)量T3處理分別比T1、T2、T4高出42.28%、21.53%、25.00%；葵花產(chǎn)量T3處理分別比T1、T2、T4高出54.64%、37.61%、20.97%。

通過多年產(chǎn)量及灌水量數(shù)據(jù)建立7種作物水分生產(chǎn)函數(shù)模型(見表4)，各函數(shù)擬合度較好，在0.7011～0.9757之間。

表4 滴灌作物水分生產(chǎn)函數(shù)與水分生產(chǎn)效率

由表4可知，棉花水分生產(chǎn)率為4.16kg/(hm2·mm)，油菜水分生產(chǎn)率為5.27kg/(hm2·mm)，工業(yè)番茄水分生產(chǎn)率為244.82kg/(hm2·mm)，甜菜水分生產(chǎn)率為181.07kg/(hm2·mm)，胡蘿卜水分生產(chǎn)率為210.35kg/(hm2·mm)，打瓜水分生產(chǎn)率為5.85kg/(hm2·mm)，葵花水分生產(chǎn)率為8.27kg/(hm2·mm)。

由多年試驗結(jié)果可以看出，在當(dāng)?shù)貧夂蚝凸喔人蕳l件下，由于作物品種、灌溉需水量不同水分生產(chǎn)率差異較大，7種滴灌作物水分生產(chǎn)率范圍為4.16～244.82kg/(hm2·mm)，灌溉水分生產(chǎn)率由小到大順序為：油菜、打瓜、葵花、棉花、甜菜、胡蘿卜、工業(yè)番茄。

3 討 論

水是新疆經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的命脈，水資源的利用效率直接影響新疆發(fā)展空間，當(dāng)前在各行業(yè)用水統(tǒng)計中，農(nóng)業(yè)用水占90%以上，農(nóng)業(yè)對GDP的貢獻(xiàn)僅有14%，高效利用好水資源是推動水利高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵手段，通過本文的分析，單方水產(chǎn)出較高的經(jīng)濟(jì)作物，有利于水資源的節(jié)約利用，今后可在適宜的區(qū)域進(jìn)行作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，發(fā)展特色種植，即發(fā)展經(jīng)濟(jì)效益高的作物，從而實現(xiàn)水資源高效利用。

4 結(jié) 論

7種滴灌作物初始生長期Kc1較小，快速發(fā)育期Kc2快速增長，生育中期Kc3達(dá)到最大，成熟期Kc4逐漸下降，作物系數(shù)總體趨勢為前期由小到大，作物生長旺盛期最大，后期逐漸減小。不同階段作物系數(shù)大小有所不同，這是作物自身生物學(xué)特性的反映，它與作物種類、品種、生育期以及作物群體葉面積指數(shù)等因素有關(guān)。作物系數(shù)隨灌水定額和水分處理水平增加而增加，但各作物系數(shù)在不同生長階段變化趨勢及分布特征相似。7種作物各生長階段作物系數(shù)在0.36～1.21之間，全生育期在0.64～0.89之間。從建立的水分生產(chǎn)函數(shù)看，T3處理的產(chǎn)量較其他3個處理高，擬合度好。同一作物，隨著灌水定額試驗處理水平增加，產(chǎn)量和灌溉水量同步增加，而水分生產(chǎn)率則同步遞減，高水分處理試驗結(jié)果表現(xiàn)為灌溉水量增加而產(chǎn)量卻相應(yīng)減少?？梢?，作物水分生產(chǎn)率并非愈大愈好，灌水量并非越多越好，只有適宜取值，才能提高水分利用效率，不同作物獲得最大產(chǎn)量對應(yīng)的灌溉定額各不相同，具體表現(xiàn)為：棉花灌溉定額為548mm，油菜灌溉定額為456mm，工業(yè)番茄灌溉定額為491mm，甜菜灌溉定額為455mm，胡蘿卜灌溉定額為431mm，打瓜灌溉定額為420mm，葵花灌溉定額為491mm。