不同覆蓋條件綠洲棉田作物系數(shù)與覆膜系數(shù)試驗(yàn)研究

　　摘 要: 為探求不同覆蓋條件下綠洲棉田的作物系數(shù)與覆膜系數(shù)，利用石河子大學(xué)節(jié)水灌溉站 2018 年蒸滲儀、氣象站、葉面積儀、 EM50 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析不同覆蓋條件下綠洲棉田全生育期的蒸散量、作物系數(shù)以及覆膜系數(shù)。結(jié)果表明: 不覆膜滴灌全生育期作物系數(shù)為 1.08，覆膜滴灌全生育期作物系數(shù)為 0.79。苗期覆膜系數(shù)為 0.772 5，蕾期覆膜系數(shù)為 0.718 6，花鈴期覆膜系數(shù)為 0.777 8，吐絮期覆膜系數(shù)為 0.923 8。兩種不同滴灌方式下的葉面積指數(shù)與作物系數(shù)為乘冪函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)性顯著。可以通過棉花不同生育期的覆膜系數(shù)以及葉面積指數(shù)與作物系數(shù)的擬合關(guān)系式，將不同覆蓋方式下的作物系數(shù)相互轉(zhuǎn)化。

　　本文源自葛瑞晨; 喬長(zhǎng)錄; 蔡國濤; 任錦豪， 人民黃河 發(fā)表時(shí)間：2021-04-10《人民黃河》(月刊)創(chuàng)刊于1949年，是黃河水利委員會(huì)主辦、水利部主管的中文核心期刊，是黃河治理方面的專業(yè)技術(shù)刊物，是中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)、萬方數(shù)據(jù)庫、中文科技期刊數(shù)據(jù)庫、中國期刊網(wǎng)全文收錄期刊。該刊堅(jiān)持“宣傳治黃科技成果，開展學(xué)術(shù)討論，為科學(xué)治黃服務(wù)”的辦刊宗旨和“理論與實(shí)踐、提高與普及相結(jié)合，百花齊放、百家爭(zhēng)鳴”的辦刊方針，報(bào)道治黃工程的科技成果、學(xué)術(shù)爭(zhēng)論及動(dòng)態(tài)，介紹國外先進(jìn)技術(shù)，內(nèi)容涉及防洪、治河、水文、泥沙、水資源、水土保持、灌溉、供水、水利水電工程等。

　　關(guān)鍵詞: 綠洲棉田; 作物系數(shù); 蒸滲儀; 覆膜系數(shù); 葉面積指數(shù)

　　作物系數(shù)是作物實(shí)際蒸散量與參考作物蒸散量的比值，是估算作物實(shí)際蒸散量的關(guān)鍵參數(shù)。作物系數(shù)受土壤含水率、氣象因素、作物生長(zhǎng)狀況等影響，在整個(gè)生育期內(nèi)都不斷地變化[1-2]。國內(nèi)外許多學(xué)者在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上利用田間水量平衡法計(jì)算作物系數(shù)。曹振凱等[3]利用 Penman-Monteith 公式計(jì)算了不同覆蓋條件下冬小麥作物系數(shù)，并對(duì)作物系數(shù)與種植天數(shù)、大于 0 ℃積溫進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明其分別呈良好的四次多項(xiàng)式、二次多項(xiàng)式關(guān)系。李迎等[4]通過冬小麥葉面積指數(shù)與作物系數(shù)相關(guān)性分析，建立積溫模型估算冬小麥的作物系數(shù)。王則玉等[5]利用水量平衡法研究不同水分處理下干旱區(qū)成齡棗樹的耗水規(guī)律和作物系數(shù)。馬建琴等[6]對(duì)土壤濕潤(rùn)層深進(jìn)行修正，確定了夏 玉 米 作 物 系 數(shù) 修 正 模 型。楊 曉 娟 等[7] 利 用 1991—2011 年氣象數(shù)據(jù)計(jì)算了黑龍江省大豆的作物系數(shù)。王賀壘等[8]構(gòu)建了華北地區(qū)茄子蒸散量的估算模型，并建立了葉面積指數(shù)與作物系數(shù)的相關(guān)關(guān)系式。左余寶等[9-10]在魯北地區(qū)利用 Penman-Monteith 公式計(jì)算了棉花和冬小麥的需水量和作物系數(shù)，分析了覆膜和裸地條件下作物系數(shù)的不同。馬金龍等[11]基于烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象站 2012 年的渦度相關(guān)數(shù)據(jù)，分析了膜下滴灌棉田不同生育階段的蒸散過程，并確定了干旱區(qū)綠洲膜下滴灌棉田的作物系數(shù)。綜上所述，雖然學(xué)者們對(duì)不同地點(diǎn)、不同作物的作物系數(shù)進(jìn)行了研究，但是研究多集中在冬小麥、夏玉米等作物，對(duì)綠洲棉田的作物系數(shù)研究較少，對(duì)綠洲棉田不同覆蓋條件下的作物系數(shù)的研究則更少。

　　瑪納斯河流域( 以下簡(jiǎn)稱瑪河流域) 綠洲主要種植棉花，其種植面積占該流域作物種植面積的 60% ～ 70%，其中 80%以上采用膜下滴灌方式灌溉[12-13]。近年來，水資源短缺已經(jīng)成為制約該流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要原因，建立綠洲棉田合理的灌溉制度，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)用水具有重要的意義。筆者通過試驗(yàn)開展作物系數(shù)和覆膜系數(shù)研究，為準(zhǔn)確估算棉田耗水量提供依據(jù)，進(jìn)而為科學(xué)制定棉田灌溉制度以及綠洲水資源可持續(xù)開發(fā)和高效利用提供科學(xué)的依據(jù)。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

　　本試驗(yàn)于 2018 年 4—10 月在石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站開展。該站位于瑪河流域中游綠洲內(nèi)，地理位置為東經(jīng) 85°59'47″，北緯 44°19'28，屬中溫性干旱氣候區(qū)，平均高程 412 m，平均地面坡降為 0.6%，年均日照時(shí)間為 2 863 h，多年平均降水量為 208 mm、蒸散能力為 1 660 mm，大于 10 ℃ 積溫為 3 463.5 ℃，大于 15 ℃積溫為 2 960.0 ℃，晝夜溫差大，且氣溫季節(jié)性變化較大，無霜期為 170 d。該站內(nèi)地面平整，土層深厚，土壤質(zhì)地為中壤土，地下水埋深 10 m。試驗(yàn)通過大型稱重式蒸滲儀( 規(guī)格為 2 m×2 m×2 m) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)棉田全生育期的蒸散量和滲透量，氣象數(shù)據(jù)由該站自動(dòng)氣象站提供。

　　1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　試驗(yàn)采用兩臺(tái)大型稱重式蒸滲儀，開展了覆膜和不覆膜兩種處理方式下的對(duì)比試驗(yàn)。種植模式采用綠洲灌區(qū)常用的一膜三管六行的機(jī)采棉種植模式，地膜為 205 cm 寬膜，滴灌帶采用綠洲灌區(qū)內(nèi)常用的迷宮式單翼滴灌帶，滴灌帶距 76 cm，滴頭間距 30 cm，人工播種棉花，密度為 19 000 株/hm2 ，棉花株間距 10 cm，具體布置見圖 1。棉花品種為“農(nóng)豐 133 號(hào)”，于 4 月 25 日播種，9 月 25 日收獲( 因前期和后期的蒸散量都很小，后文全生育期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)間為 6 月初至 8 月底) 。棉花全生育期共施肥 9 次，每次施用氮肥 90 kg /hm2 ，鉀肥 60 kg /hm2 ，磷肥 20 kg /hm2 。覆膜與不覆膜兩種滴灌方式的灌水量一樣，全生育期灌溉水量為 3 342 m3 /hm2 ; 全生育期總共灌水 13 次。

　　1.3 觀測(cè)項(xiàng)目及方法

　　1.3.1 蒸散量的監(jiān)測(cè)

　　試驗(yàn)棉田全生育期內(nèi)的蒸散量由大型稱重式蒸滲儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，蒸滲儀有效蒸散面積為 4.0 m2 ，可精確測(cè)定滲漏量、蒸散量、土壤水分、溫度等參數(shù)，并且可自行設(shè)置采樣時(shí)間間隔，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集器中。其中，滲漏量、蒸散量的量測(cè)誤差≤0.02 mm，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為 1 h。

　　1.3.2 葉面積指數(shù)

　　在棉花全生育期內(nèi)，每臺(tái)蒸滲儀監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)選取 5 株長(zhǎng)勢(shì)均勻的棉花進(jìn)行標(biāo)記，從棉花生長(zhǎng)到 10 cm 高度開始，用手持式葉面積儀 YMJ-B 每隔 5 d 測(cè)定一次。葉面積指數(shù)[13]計(jì)算公式為式中: LAI 為葉面積指數(shù); S 為單株作物占地面積; f( L， W) 為由葉長(zhǎng)和葉寬計(jì)算葉面積的函數(shù)。

　　1.3.3 氣象數(shù)據(jù)

　　氣象數(shù)據(jù)由試驗(yàn)站內(nèi)的自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)所得，包括距離地面 2 m 高處的溫度、濕度、降水、輻射、日照時(shí)間、風(fēng)速、風(fēng)向及氣壓等數(shù)據(jù)，記錄間隔為 1 h。

　　1.3.4 土壤體積含水率和土壤溫度

　　利用 EM50 采集器監(jiān)測(cè)深度為 30、50、70、100、 150 cm五個(gè)土層的土壤體積含水率和土壤溫度，時(shí)間間隔為 1 h。

　　1.4 作物系數(shù)

　　采用 FAO-56 中的單作物系數(shù)法計(jì)算棉花不同生育期的作物系數(shù) Kc :

　　式中: ET 為蒸滲儀獲得的生育期的實(shí)際蒸散量; ET0為氣象數(shù)據(jù)估算出的參考作物蒸散量[9]; Δ 為飽和水汽壓和溫度曲線的斜率，kPa /℃ ; Rn 為太陽凈輻射量， MJ/m2 ; T 為日平均氣溫，℃ ; γ 為干濕表常數(shù); u2為2 m 高處的風(fēng)速，m /s; es和 ea分別為飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓，kPa。

　　1.5 覆膜系數(shù)

　　覆膜系數(shù)定義為不覆膜滴灌方式下的作物系數(shù)與覆膜滴灌方式下的作物系數(shù)的相關(guān)性關(guān)系式中的斜率。關(guān)系式可表示為 y = kx+b，其中: x 為不覆膜滴灌方式下各生育期的作物系數(shù)，y 為覆膜滴灌方式下各生育期的作物系數(shù)，k 為覆膜系數(shù)。

　　1.6 數(shù)據(jù)處理

　　使用 Excel2017、Origin9.0 進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和繪圖。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 生育期蒸散量

　　不同處理方式下棉花全生育期蒸散量見圖 2。由圖 2 可知，在棉花整個(gè)生育期內(nèi)，不覆膜蒸散量、覆膜蒸散量和參考作物蒸散量的變化趨勢(shì)基本一致。不覆膜蒸散量最大，參考作物蒸散量次之，覆膜蒸散量最小。6 月上旬蒸散量較小，主要原因是植株葉面積較小，溫度較低; 6 月中旬到 8 月上旬因?yàn)闇囟壬仙仓晟L(zhǎng)，所以蒸散量較大; 8 月中旬因?yàn)橹仓晖Ｖ股L(zhǎng)，棉花葉片枯萎，所以蒸散量減小。

　　對(duì)比兩種不同處理方式下的蒸散量和作物系數(shù) ( 見表 1) 可知，兩種處理方式下蒸散量和作物系數(shù)都是呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，并且都在花鈴期達(dá)到最大值。不覆膜方式下的蒸散量和作物系數(shù)均大于覆膜方式下的蒸散量和作物系數(shù)。不覆膜全生育期蒸散量和作物系數(shù)分別為 542.02 mm 和 1.08，各生育期的作物系數(shù)分別為 0.69、0.97、1.20、0.98。覆膜全生育期蒸散量和作物系數(shù)分別為 397.54 mm 和 0.79，各生育期作物系數(shù)分別為 0.49、0.71、0.89、0.72。作物系數(shù)和蒸散量的變化趨勢(shì)基本一致，說明作物系數(shù)可以很好地反映作物的需水量和需水規(guī)律。

　　2.2 全生育期作物系數(shù)

　　不同處理方式下棉花全生育期逐日作物系數(shù)見圖 3。由圖 3 可知，兩種處理方式下全生育期作物系數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，不覆膜方式下的作物系數(shù)大于覆膜方式下的作物系數(shù)，主要原因是覆膜抑制了土壤蒸發(fā)，導(dǎo)致蒸散量降低，作物系數(shù)減小。全生育期內(nèi)作物系數(shù)變化趨勢(shì)為先增大后減小，苗期作物系數(shù)最小，花鈴期作物系數(shù)最大，說明花鈴期作物需水量達(dá)到最大值。

　　2.3 覆膜系數(shù)

　　不同生育期覆膜系數(shù)見圖 4。由圖 4 可知，不覆膜和覆膜兩種方式下的作物系數(shù)呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，各生育期擬合關(guān)系式之間都有一定差異，但是所有生育期的決定系數(shù) R2 都大于 0.9，表明各生育期的覆膜系 數(shù) 顯 著 性 都 很 高。苗期擬合關(guān)系式為 y =0.772 5x-0.043 2，蕾期擬合關(guān)系式為 y = 0. 718 6x + 0.008 9，花鈴期擬合關(guān)系式為 y = 0.777 8x-0.049，吐絮期擬合關(guān)系式為 y = 0.923 8x-0.179 6。根據(jù)覆膜系數(shù)的定義可知，苗期覆膜系數(shù)為 0.772 5，蕾期覆膜系數(shù)為 0.718 6，花鈴期覆膜系數(shù)為 0.777 8，吐絮期覆膜系數(shù)為 0.923 8。其中苗期和吐絮期數(shù)據(jù)較少，誤差較大，在今后的研究中應(yīng)完善苗期和吐絮期的數(shù)據(jù)，從而得到更準(zhǔn)確的覆膜系數(shù)。

　　2.4 土壤含水率和土壤溫度

　　不同處理方式下棉田土壤逐日含水率見圖 5。由圖 5 可知，深度在 50 cm 以上的土壤體積含水率變化劇烈，150 cm 深處土壤體積含水率基本不變，深 50 ～ 150 cm 之間土壤體積含水率變化不大，說明棉花根系主要吸收 50 cm 以上土層土壤的水分。不覆膜滴灌方式下土壤體積含水率隨著土壤深度的增加而增大， 150 cm深處土壤體積含水率達(dá)到最大值，主要原因是不覆膜表層土壤蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致表層土壤體積含水率較低，深層土壤體積含水率高。覆膜滴灌方式下土壤體積含水率隨著土壤深度的增加而減小，150 cm 深處土壤體積含水率達(dá)到最小值，主要原因是覆膜降低土壤表層的蒸發(fā)作用，使土壤溫度升高，深層土壤水分向上遷移，并在膜下形成水滴降落到土壤表層，所以表層土壤體積含水率最大，深層體積含水率較小。

　　不同處理方式下棉田土壤逐日溫度見圖 6。由圖 6 可知，各土層溫度變化趨勢(shì)基本一致。覆膜、不覆膜兩種滴灌方式下土壤溫度的變化規(guī)律都表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加而降低。覆膜滴灌方式下的同樣深度的土壤溫度高于不覆膜滴灌時(shí)的土壤溫度，主要原因是覆膜有保溫的作用。

　　2.5 作物系數(shù)與葉面積的關(guān)系

　　不同處理方式下葉面積指數(shù)和作物系數(shù)的擬合關(guān)系見圖 7。由圖 7 可知，覆膜、不覆膜兩種滴灌方式下，隨葉面積指數(shù)的增大作物系數(shù)都呈現(xiàn)乘冪曲線的變化趨勢(shì)，覆膜方式下棉花作物系數(shù)與葉面積指數(shù)的擬合關(guān)系式為 Kc = 0.456LAI 0.479 ，決定系數(shù) R2 = 0.95; 不覆膜滴灌方式下棉花作物系數(shù)與葉面積指數(shù)的擬合關(guān)系式為 Kc = 0.548LAI 0.482 ，決定系數(shù) R2 = 0.89。決定系數(shù)都大于 0.85，表明葉面積指數(shù)和作物系數(shù)相關(guān)性很顯著，可以利用棉花的葉面積指數(shù)有效表示棉花作物系數(shù)，從而確定棉花的實(shí)際蒸散量，為棉田灌溉制度的制定提供參考。

　　3 討 論

　　作物系數(shù)是實(shí)際蒸散量與參考作物蒸散量的比值，是作物需水量的重要參數(shù)之一。利用稱重式蒸滲儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)計(jì)算出來的作物系數(shù)相對(duì)精度較高。不同覆蓋方式下棉花的蒸散量和作物系數(shù)都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并都在花鈴期達(dá)到最大值，這說明作物系數(shù)能很好地表示作物需水量，可以根據(jù)作物系數(shù)來制定灌溉制度。

　　利用不覆膜、覆膜兩種滴灌方式下作物系數(shù)的相關(guān)性分析，得出苗期覆膜系數(shù)為 0.772 5、蕾期覆膜系數(shù)為 0.718 6、花鈴期覆膜系數(shù)為 0.777 8、吐絮期覆膜系數(shù)為 0.923 8。其中苗期和吐絮期數(shù)據(jù)較少，誤差較大，所以在今后的研究中應(yīng)完善苗期和吐絮期的數(shù)據(jù)，從而得到更準(zhǔn)確的覆膜系數(shù)。

　　不同處理方式下的土壤體積含水率和土壤溫度的變化過程有差異，不覆膜滴灌方式下土壤體積含水率隨著土壤深度的增加而增大，覆膜滴灌方式下土壤體積含水率隨著土壤深度的增加而減小，其原因是覆膜降低了土壤表層的蒸發(fā)作用，并在膜下形成水滴降落到土壤表層，因此表層土壤體積含水率最大，深層土壤體積含水率較小。兩種不同滴灌方式下土壤溫度的變化規(guī)律都表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加而降低，覆膜滴灌方式下同樣深度的土壤溫度高于不覆膜滴灌時(shí)的土壤溫度，主要原因是覆膜有保溫的作用。

　　通過對(duì)葉面積指數(shù)和作物系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到 覆 膜 滴 灌 方 式 下相關(guān)性關(guān)系式為 Kc = 0.456LAI 0.479 ，決定系數(shù) R2 = 0.95; 不覆膜滴灌方式下相關(guān)性關(guān)系式為 Kc = 0.548LAI 0.482 ，決定系數(shù) R2 = 0.89。兩種覆蓋方式下的相關(guān)性都顯著，可以利用葉面積指數(shù)確定作物系數(shù)，從而為棉花的灌溉制度制定提供合理的依據(jù)。

　　4 結(jié) 論

　　本研究以新疆石河子大學(xué)節(jié)水灌溉農(nóng)田試驗(yàn)站棉花為例，研究了不同處理方式下棉田的作物系數(shù)和覆膜系數(shù)，分析了不同處理方式下的土壤體積含水率和土壤溫度，以及葉面積指數(shù)與作物系數(shù)的相關(guān)關(guān)系。

　　( 1) 全生育期內(nèi)，不覆膜方式下，全生育期蒸散量為 542.02 mm，苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期的作物系數(shù)分別為 0.69、0.97、1.20、0.98; 覆膜方式下，全生育期蒸散量為 397.54 mm，苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期作物系數(shù)分別為 0.49、0.71、0.89、0.72。

　　( 2) 苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期的覆膜系數(shù)分別為 0.772 5、0.718 6、0.777 8、0.923 8。

　　(3) 不覆膜方式下土壤含水率隨著土層深度的增加而增大，覆膜滴灌方式下土壤含水率隨著土層深度的增加而減小。兩種不同處理方式下土壤溫度的變化規(guī)律都表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而降低，兩種處理方式下棉花根系主要吸收 50 cm 以上土層土壤的水分。

　　( 4) 覆膜方式下棉花作物系數(shù)與葉面積指數(shù)的擬合關(guān)系式為 Kc = 0.456LAI 0.479 ，決定系數(shù) R2 = 0.95; 不覆膜滴灌方式下棉花作物系數(shù)與葉面積指數(shù)的擬合關(guān)系式為 Kc = 0.548LAI 0.482 ，決定系數(shù) R2 = 0.89。可以利用葉面積指數(shù)直接計(jì)算作物系數(shù)。