吳 程，胡順軍，趙成義

(1.塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300； 2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830011)

農(nóng)田土壤水分條件是作物生長(zhǎng)和發(fā)育的重要因素，是土壤-植被-大氣連續(xù)體中水循環(huán)的關(guān)鍵因子，農(nóng)田土壤水分的變化是降雨和灌溉、植物生長(zhǎng)和發(fā)育、土壤特性和氣象因素等共同作用的結(jié)果，同時(shí)又決定了作物對(duì)土壤水分的吸收利用程度而影響作物產(chǎn)量[1-3]。農(nóng)田土壤水分的研究對(duì)于作物需水耗水規(guī)律、地區(qū)水循環(huán)過程、農(nóng)業(yè)水土資源的持續(xù)利用以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展有重大的理論和實(shí)踐意義[4-6]。

在塔里木灌區(qū)，棉花膜下滴灌技術(shù)由于提高地溫、減少棵間蒸發(fā)和深層滲漏等特點(diǎn)已得到普及[7]。孫林等[8]通過滴灌入滲飽和濕潤(rùn)體形成、毛管擴(kuò)散運(yùn)移兩個(gè)過程，較好地模擬了膜下滴灌土壤水分運(yùn)移過程；劉梅先等[9]通過田間試驗(yàn)，研究了滴水量和滴水頻率對(duì)膜下滴灌棉田土壤水分分布的影響，結(jié)果表明總耗水量與降水和滴水量密切相關(guān)，而與滴水頻率無關(guān)。王小兵等[10]在膜下滴灌條件下研究相應(yīng)的田間耗水強(qiáng)度變化過程。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著灌水頻率的增大,棉花花鈴期耗水強(qiáng)度增大,產(chǎn)量提高。蘇里坦等[11]研究了不同膜下滴灌不同含水量棉花耗水特征，結(jié)果表明，分根交替膜下滴灌提高了棉花的水分利用效率。

本文根據(jù)膜下滴灌棉花0～120 cm土壤水分觀測(cè)資料，分析了膜下滴灌條件下棉花整個(gè)生育期的土壤水分動(dòng)態(tài)及耗水規(guī)律，為塔里木灌區(qū)制定科學(xué)的灌溉模式，合理利用水資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2014年4-10月在新疆阿克蘇地區(qū)綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外站膜下滴灌棉田進(jìn)行，該站位于塔里木河三大源流(阿克蘇河、葉爾羌河和和田河)交匯點(diǎn)附近的平原荒漠綠洲區(qū)內(nèi)，東經(jīng)80°51′，北緯40°37′，海拔1 024 m。多年平均降雨量為45.7 mm，集中在6-8月，平均氣溫11.3 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 950 h，無霜期207 d，年蒸發(fā)量2 110.5 mm。土壤為沙性壤土，土壤干密度1.43～1.53 g/cm3，田間持水量為0.28～0.32 m3/m3，飽和含水量為0.43～0.50 m3/m3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

種植棉花品種為“陸-63”，種植方式為一膜一管四行，平均裸地行寬58 cm，膜上棉花行距分別為18、50、18 cm，平均株距為10 cm。棉花種植時(shí)間為4月17日，灌溉方式為滴灌。整個(gè)生育期降水16次，降水量64.2 mm。整個(gè)生育期灌水6次，灌溉定額分為263.8 mm。 棉花播種后，在大田中央選取3處布置了3排土壤水分監(jiān)測(cè)斷面，土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于寬行、窄行膜間。棉花整個(gè)生育期共施灑尿素325 kg/hm2、磷酸二胺225 kg/hm2、硫酸鉀鎂肥225 kg/hm2?？偣嗨繛?63.8 mm，其中灌水時(shí)間和灌水量分別為7月14日75.37 mm、7月22日62.81 mm、7月26日25.12 mm、8月6日37.69 mm、8月17日37.69 mm、8月23日25.12 mm(見圖1)。

圖1 中子管安裝示意圖Fig.1 The installation schematic of neutron tube

1.3 沿定指標(biāo)與方法

(1)土壤含水量測(cè)定。采用CNC503B型中子儀對(duì)土壤含水量進(jìn)行測(cè)定，中子管埋深為1.2 m左右，從播種當(dāng)天開始監(jiān)測(cè)土壤表面以下0～120 cm的土壤含水量，每隔20 cm為一層，每層讀數(shù)3次，讀數(shù)時(shí)間為16 s，取其平均值為觀測(cè)值。每隔7 d測(cè)定一次，灌水前后加測(cè)，直到棉花收獲停止監(jiān)測(cè)。

(2)棉田耗水量的測(cè)定。棉田耗水根據(jù)水量平衡公式計(jì)算[12]:

ET=SWD+P+I+G-D-R

(1)

式中：ET為棉田耗水量，mm;P為降雨量，mm;I為灌水量，mm;D為土壤水分下滲量，mm;R為地表徑流量，mm;SWD為土壤水分消耗量，mm;G為土壤毛管上升水量，mm。

在生長(zhǎng)季內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)地表徑流，R=0;由于試驗(yàn)地地下水位較深,G=0;膜下滴灌灌水量較小，D=0。

(3)灌水量及降雨量測(cè)定。通過水表對(duì)灌水量進(jìn)行測(cè)定，降雨量取自于新疆阿克蘇農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站。

(4)數(shù)據(jù)分析。采用Excel2003 和Spass軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，用Surfer8.0軟件進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花全生育期土壤水分的季節(jié)變化

將裸地、寬行、窄行各個(gè)深度觀測(cè)的土壤含水率的平均值作為膜下滴灌棉田的土壤含水率，圖2描述了棉花整個(gè)生育期地表以下0～120 cm土壤含水率的等值線圖。在4月份土壤各個(gè)層次的土壤含水率較大，表層(0～20 cm)土壤含水率在四五月份最高，在10月份達(dá)到最低，深層(100～120 cm)土壤含水率在四五月份最高，且整個(gè)生育期都保持一個(gè)較高的水平，但隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)一個(gè)下降的趨勢(shì)。

由于灌溉水入滲補(bǔ)給、降雨入滲補(bǔ)給和棉花蒸散發(fā)的共同影響，土壤水分的季節(jié)變化過程分為3個(gè)階段：第一階段為土壤水分穩(wěn)定期，第二階段為土壤水分劇烈變化期，第三階段為土壤水分緩慢消耗期。在播種當(dāng)天(4月18日)，由于灌水的影響，各個(gè)層次土壤含水率較大；棉花收獲時(shí)(10月31日)，各個(gè)層次土壤含水率為最低。4月中旬到7月中旬，棉花生長(zhǎng)緩慢，表層土壤蒸發(fā)量小，土壤含水率變化較小，為土壤水分穩(wěn)定期；從7月中旬到8月底棉花植株個(gè)體增大以及蒸散發(fā)加劇，表層與根系層土壤含水率變化劇烈，在此期間，由于灌水的影響，土壤含水率會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)地幅度的上升，為土壤水分劇烈變化期；從8月底到10月底，棉花生長(zhǎng)緩慢，但是氣溫較高，棉田土壤含水率下降趨勢(shì)緩慢，為土壤水分緩慢消耗期。

圖2 棉花不同層次土壤水分等值線圖Fig.2 Soil moisture contour map of cotton different levels

2.2 不同生育期土壤水分剖面變化

圖3表示不同灌溉水源和灌溉方式下, 棉花各生育期土壤水分的垂直動(dòng)態(tài)變化情況。從圖3中可以看出,棉花不用生育期不同層次的土壤含水率的變化來表示土壤水分動(dòng)態(tài)的變化，其中各個(gè)生育期的含水率用其生育期內(nèi)觀測(cè)值的平均值來表示，整個(gè)生育期的不同層次的土壤含水率垂直分布圖如圖3所示。

圖3 不同生育期水分特征Fig.3 Water characteristics of different growth stages

土壤水分在不同的層次具有不同的變化特征，從空間變化來看，在苗期到蕾期平均土壤含水率的高低排列順序?yàn)?～20 cm<20～40 cm<40～60 cm<60～80 cm<80～100 cm<100～120 cm。從蕾期到吐絮期為0～20 cm<20～40 cm<40～60 cm<60～80 cm<100～120 cm<80～100 cm，其中100～120 cm土壤水分的減少是由于棉花后期根系的伸長(zhǎng)，下層水分向上運(yùn)輸以滿足生長(zhǎng)的需求。0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm土層土壤水分在整個(gè)生育期的減少量依次為12%、10%、11%、7%、4%、6%、說明土壤水分的減少量主要在0～60 cm,且表層土壤含水率和主要根層土壤含水率變化趨勢(shì)保持一致，這與根系主要分布在0～60 cm有關(guān)[13]。

通過變異系數(shù)來反映土壤水分的變化程度，變異系數(shù)大表示土壤水分變化劇烈，變異系數(shù)小表示變化程度弱。棉花整個(gè)生育期0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm土層土壤含水率的變異系數(shù)分別為0.16、0.12、0.12、0.07、0.04、0.06。由此可知，0～60 cm為次活躍層，60～120 cm為穩(wěn)定層[14]。在活躍層，0～20 cm的土壤含水率變化最為劇烈，活躍層受降水和灌溉、棉花根系吸水以及土壤蒸發(fā)等因素的影響，含土壤水量變化較大；在穩(wěn)定層，土壤水分的減少主要是因?yàn)楦甸L(zhǎng)度超過60 cm以后，60～120 cm的土壤水分向根系運(yùn)移。

2.3 灌水前后土壤含水率的變化

滴灌條件下灌溉水入滲特征用8月23日灌水前后(間隔24 h)0～120 cm土壤含水率變化來描述，灌水量為25.12 mm。從圖4可以看出，滴灌后，寬行與窄行表層含水率迅速提高，說明灌水量主要分布在0～40 cm土層內(nèi)。且0～40 cm含水率分布為寬行>窄行>裸行，這主要是由于滴灌帶布設(shè)在寬行，寬行離滴頭最近，但是由于灌水時(shí)間較長(zhǎng)，滴灌的水開始滲透，已經(jīng)滲透到窄行處，寬行與窄行的土壤含水率相差不大。裸行由于天氣、灌水量和棵間蒸發(fā)的原因，0～20 cm含水率降低，20～40 cm土壤含水量有小幅度的增加。40～60 cm窄行土壤含水率沒有明顯的變化。寬行和裸地土壤含水率下降。說明滴灌條件下，灌溉水主要在緊靠滴頭的地方土壤含水量最高, 隨著離滴頭在各個(gè)方向上距離的增加, 土壤含水量逐漸減小[15]。

圖4 棉花不同行間水分入滲特征Fig.4 Water infiltration characteristics of different cotton lines

2.4 棉田耗水特性

棉花各生育階段耗水量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表l,棉花苗期日均耗水量0.6 mm,蕾期日均耗水量2.6 mm,花鈴期耗水量最大,日均7 mm,吐絮期耗水量開始減少,日均0.7 mm。苗期由于植株較小，氣溫較低，加上地膜覆蓋，日耗水強(qiáng)度最低；蕾期，棉花進(jìn)人營(yíng)養(yǎng)和生殖生長(zhǎng)并進(jìn)階段，植株日益長(zhǎng)大，氣溫持續(xù)上升，導(dǎo)致棉田日耗水強(qiáng)度迅速增加；花鈴期, 氣溫進(jìn)一步升高, 植株生長(zhǎng)進(jìn)入旺期, 日耗水強(qiáng)度達(dá)到最大；吐絮期，葉片脫落以及溫度的降低使棉田日耗水量不斷減小。

表1 棉花耗水特征Tab.1 Water consumption characteristics of cotton

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)按照土壤水分變化的程度將棉花的生育期分為3個(gè)時(shí)期，4月中旬到7月中旬為土壤水分穩(wěn)定期，7月中旬到8月底為土壤水分劇烈變化期，8月底到10月底為緩慢消耗期。

(2)膜下滴灌棉田土壤水分的垂直變化可分為0～20 cm活躍層，20～60 cm次活躍層，60～120 cm穩(wěn)定層。

(3)由于灌水的影響，0～40 cm含水量迅速提高，40～60 cm相對(duì)較小，說明灌溉水的入滲深度主要分布在0～40 cm。

(4)膜下滴灌棉田棉花苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期的耗水量分別為30.7、91.6、357.4、43.7 mm，耗水強(qiáng)度分別為0.63、2.62、7.01、0.71 mm/d。

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