不同覆蓋條件綠洲棉田作物系數與覆膜系數試驗研究

　　摘 要: 為探求不同覆蓋條件下綠洲棉田的作物系數與覆膜系數，利用石河子大學節水灌溉站 2018 年蒸滲儀、氣象站、葉面積儀、 EM50 實測數據，分析不同覆蓋條件下綠洲棉田全生育期的蒸散量、作物系數以及覆膜系數。結果表明: 不覆膜滴灌全生育期作物系數為 1.08，覆膜滴灌全生育期作物系數為 0.79。苗期覆膜系數為 0.772 5，蕾期覆膜系數為 0.718 6，花鈴期覆膜系數為 0.777 8，吐絮期覆膜系數為 0.923 8。兩種不同滴灌方式下的葉面積指數與作物系數為乘冪函數關系，且相關性顯著。可以通過棉花不同生育期的覆膜系數以及葉面積指數與作物系數的擬合關系式，將不同覆蓋方式下的作物系數相互轉化。

　　本文源自葛瑞晨; 喬長錄; 蔡國濤; 任錦豪， 人民黃河 發表時間：2021-04-10《人民黃河》(月刊)創刊于1949年，是黃河水利委員會主辦、水利部主管的中文核心期刊，是黃河治理方面的專業技術刊物，是中國學術期刊(光盤版)、萬方數據庫、中文科技期刊數據庫、中國期刊網全文收錄期刊。該刊堅持“宣傳治黃科技成果，開展學術討論，為科學治黃服務”的辦刊宗旨和“理論與實踐、提高與普及相結合，百花齊放、百家爭鳴”的辦刊方針，報道治黃工程的科技成果、學術爭論及動態，介紹國外先進技術，內容涉及防洪、治河、水文、泥沙、水資源、水土保持、灌溉、供水、水利水電工程等。

　　關鍵詞: 綠洲棉田; 作物系數; 蒸滲儀; 覆膜系數; 葉面積指數

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

　　瑪納斯河流域( 以下簡稱瑪河流域) 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，水資源短缺已經成為制約該流域經濟社會發展的重要原因，建立綠洲棉田合理的灌溉制度，對指導農業用水具有重要的意義。筆者通過試驗開展作物系數和覆膜系數研究，為準確估算棉田耗水量提供依據，進而為科學制定棉田灌溉制度以及綠洲水資源可持續開發和高效利用提供科學的依據。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗區概況

　　本試驗于 2018 年 4—10 月在石河子大學節水灌溉試驗站開展。該站位于瑪河流域中游綠洲內，地理位置為東經 85°59'47″，北緯 44°19'28，屬中溫性干旱氣候區，平均高程 412 m，平均地面坡降為 0.6%，年均日照時間為 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，且氣溫季節性變化較大，無霜期為 170 d。該站內地面平整，土層深厚，土壤質地為中壤土，地下水埋深 10 m。試驗通過大型稱重式蒸滲儀( 規格為 2 m×2 m×2 m) 實時監測棉田全生育期的蒸散量和滲透量，氣象數據由該站自動氣象站提供。

　　1.2 試驗設計

　　試驗采用兩臺大型稱重式蒸滲儀，開展了覆膜和不覆膜兩種處理方式下的對比試驗。種植模式采用綠洲灌區常用的一膜三管六行的機采棉種植模式，地膜為 205 cm 寬膜，滴灌帶采用綠洲灌區內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“農豐 133 號”，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，后文全生育期數據統計時間為 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 觀測項目及方法

　　1.3.1 蒸散量的監測

　　試驗棉田全生育期內的蒸散量由大型稱重式蒸滲儀進行實時監測，蒸滲儀有效蒸散面積為 4.0 m2 ，可精確測定滲漏量、蒸散量、土壤水分、溫度等參數，并且可自行設置采樣時間間隔，監測數據存儲在數據采集器中。其中，滲漏量、蒸散量的量測誤差≤0.02 mm，數據采集時間間隔為 1 h。

　　1.3.2 葉面積指數

　　在棉花全生育期內，每臺蒸滲儀監測區內選取 5 株長勢均勻的棉花進行標記，從棉花生長到 10 cm 高度開始，用手持式葉面積儀 YMJ-B 每隔 5 d 測定一次。葉面積指數[13]計算公式為式中: LAI 為葉面積指數; S 為單株作物占地面積; f( L， W) 為由葉長和葉寬計算葉面積的函數。

　　1.3.3 氣象數據

　　氣象數據由試驗站內的自動氣象站監測所得，包括距離地面 2 m 高處的溫度、濕度、降水、輻射、日照時間、風速、風向及氣壓等數據，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 采集器監測深度為 30、50、70、100、 150 cm五個土層的土壤體積含水率和土壤溫度，時間間隔為 1 h。

　　1.4 作物系數

　　采用 FAO-56 中的單作物系數法計算棉花不同生育期的作物系數 Kc :

　　式中: ET 為蒸滲儀獲得的生育期的實際蒸散量; ET0為氣象數據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; u2為2 m 高處的風速，m /s; es和 ea分別為飽和水汽壓和實際水汽壓，kPa。

　　1.5 覆膜系數

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

　　1.6 數據處理

　　使用 Excel2017、Origin9.0 進行試驗數據的處理和繪圖。

　　2 結果與分析

　　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，在棉花整個生育期內，不覆膜蒸散量、覆膜蒸散量和參考作物蒸散量的變化趨勢基本一致。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 月上旬因為溫度上升，植株生長，所以蒸散量較大; 8 月中旬因為植株停止生長，棉花葉片枯萎，所以蒸散量減小。

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

　　2.2 全生育期作物系數

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

　　2.3 覆膜系數

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

　　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到最大值，主要原因是不覆膜表層土壤蒸發作用強烈，導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到最小值，主要原因是覆膜降低土壤表層的蒸發作用，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基本一致。覆膜、不覆膜兩種滴灌方式下土壤溫度的變化規律都表現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的土壤溫度，主要原因是覆膜有保溫的作用。

　　2.5 作物系數與葉面積的關系

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

　　3 討 論

　　作物系數是實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之一。利用稱重式蒸滲儀實時監測數據與氣象數據計算出來的作物系數相對精度較高。不同覆蓋方式下棉花的蒸散量和作物系數都呈現先增大后減小的趨勢，并都在花鈴期達到最大值，這說明作物系數能很好地表示作物需水量，可以根據作物系數來制定灌溉制度。

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

　　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律都表現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的土壤溫度，主要原因是覆膜有保溫的作用。

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

　　4 結 論

　　本研究以新疆石河子大學節水灌溉農田試驗站棉花為例，研究了不同處理方式下棉田的作物系數和覆膜系數，分析了不同處理方式下的土壤體積含水率和土壤溫度，以及葉面積指數與作物系數的相關關系。

　　( 1) 全生育期內，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律都表現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與葉面積指數的擬合關系式為 Kc = 0.456LAI 0.479 ，決定系數 R2 = 0.95; 不覆膜滴灌方式下棉花作物系數與葉面積指數的擬合關系式為 Kc = 0.548LAI 0.482 ，決定系數 R2 = 0.89。可以利用葉面積指數直接計算作物系數。