膜下滴灌模式下种植密度对棉田蒸散发规律影响研究

王小军 ，黄 健 *

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002；2.中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐830002）

蒸散是影响农田水资源利用率的重要因素，是“土壤—植物—大气连续体（SPAC）系统”中水分运移的重要环节[1]，每年地球约有60%的降水通过蒸散发返回到大气中[2]。因此明确作物蒸散规律，对建立合理的灌溉制度以及发展节水农业具有重要的意义[3-4]。蒸渗仪可以用于测量裸土或作物蒸散量以及深层渗漏量，已成为测定农田蒸散发的标准仪器[5]。称重式蒸渗仪可以直接获取作物的蒸散量，且测量精度高、数据的连续性好，被广泛用来研究农田水分蒸散特征与作物耗水规律。López-Urrea，et al[6]发现西班牙半干旱地区的葡萄蒸散量与冠层覆盖率呈线性关系，Howell，et al[7]发现充分灌溉时，玉米2个品种的水分利用效率和蒸散量的日峰值无显著差异。Goyal[8]认为影响印度干旱区蒸散的主要因素是空气温度。Tolk，et al[9]通过研究3种土壤下玉米的蒸散与产量之间的关系，发现土壤类型不影响蒸散量与作物产量的线性关系。Tyagi，et al[10]测量了水稻、向日葵每小时的蒸发量，发现蒸散量的峰值出现在快速发育期。郭春明[11]等对东北地区春玉米的农田蒸散量及其影响因子做了研究，发现叶面积指数是影响春玉米蒸散最主要的生物因子，太阳辐射是最主要的环境驱动因子。还有研究发现蒸散量以及草地的水分平衡不仅受到气候条件的影响，还受到地上生物量、叶面积等生物因素的影响[12-13]。

新疆地处西北干旱地区，水资源匮乏，严重制约新疆农业发展[14]。膜下滴灌技术是一种高效节水灌溉技术，其灌水量少、灌溉频率高，可根据作物需水需肥规律及时将水分和养分均匀持续地输送到植株根部，最大限度地降低了土壤水分的深层渗漏和其他无效途径的用水浪费，且能形成一定的农田小气候，可有效缓解水资源不足与农业用水利用率不高的矛盾[15-16]。北疆绿洲棉区是我国重要的商品棉生产基地，对北疆农业生产和经济有着重大影响[17]。

自20世纪90年代以来，相关学者针对新疆绿洲棉区膜下滴灌模式下的棉田蒸散发规律进行了相关研究。曹兵[18]等对棉花膜下滴灌棉花蒸散量进行观测，研究了棉花生育期逐日蒸散量的变化过程及规律，分析不同时期不同天气条件下膜下滴灌棉花蒸散量及相关气象因子的日变化。陈磊[19]等运用大型称重式蒸渗仪，对绿洲棉田不同覆膜方式下蒸散过程进行了研究，但对不同种植密度条件下的棉田蒸散发规律却鲜有报道。利用大型称重式蒸渗仪对北疆绿洲棉田开展不同种植密度蒸散规律及其影响因子试验研究，旨在探明不同种植密度的棉田蒸散特征及其影响因素，以期为北疆绿洲棉区农田水分管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在中国气象局乌兰乌苏农业与生态试验站（85°49′E，44°17′N；海拔 468.5 m）进行，试验区距离气象观测场500 m，安装有独立观测的大型称重式蒸渗仪（长×宽×高：2.0 m×2.0 m×3.0 m）（西安新汇泽测控技术有限公司造）进行蒸发量和渗漏量观测，边界尺寸误差≤3 mm，称重方式为悬挂式。渗漏量测量采用称重传感器直接测定，测量精度不低于±3%。数据采集及配套软件具有即测即存功能，防止测量数据丢失，同时具有良好的抗风干扰设计，对振动（风荷或其他干扰）具有快速的阻尼作用。棉田入渗量和蒸散量由大型称重式蒸渗仪进行监测。

1.2 测定项目与方法

蒸渗仪观测频率为每30 min一次，于2018年6—10月进行全天24 h连续观测。按《农业气象观测规范》测定棉花苗期、现蕾期、开花期、吐絮期的日期（表 1）。

表1 棉花生育期日期

将每条滴灌带的两行棉花分别划分成60 cm×60 cm的样方，形成一膜6行9个样方，一膜4行6个样方，于棉花苗期各标记长势一致的棉苗6株，其标记顺序如图1所示。分别在苗期、蕾期、花铃期、吐絮期测定其株高和叶面积。叶面积采用LI-3100便携式叶面积仪进行测量，并计算其叶面积指数。叶面积指数=取样叶片总面积/取样土地面积。

图1 田间取样图

1.3 试验设计

采用2组大型称重式蒸渗仪，试验设置不同种植密度条件，一膜3管6行（30株/m2），一膜2管4行（20株/m2），采用宽度为205 cm的地膜，棉花采用人工播种，行距为10 cm，株距10 cm，采用滴灌带，滴头间距30 cm，一条滴灌带灌溉2行棉花。

试验棉田全生育期滴水次数10次，施肥和田间管理与大田实际生产一致。

图2 试验种植图（单位：cm）

1.4 数据处理

所有数据都使用Spss 23软件进行分析，Microsoft Excel 2007完成制图。

2 结果与分析

2.1 不同种植密度下棉花关键生育期蒸散量日变化特征

利用大型蒸渗仪的实测值，可以精确刻画出棉花日内每小时的蒸散量变化趋势。本文因苗期蒸渗仪故障，特选取2018年6—10月蒸散量进行监测。

不同种植密度条件下棉田蒸散量日变化特征如图3所示。两种密度条件下日蒸散量变化规律基本保持一致，呈倒“V”型分布，08：00—22：00 蒸散量由零缓慢增加，然后下降。蕾期棉花进入快速生长发育期，叶片面积增大，花铃期是棉花生长发育的旺盛时期，一膜4行种植方式较一膜6行种植方式蒸散量降低。吐絮期棉花营养生长停止，生殖生长减缓，叶片萎缩脱落，两种密度条件蒸散量差异逐渐减小。

图3 不同生育期日蒸散量变化过程（a为蕾期，b为花铃期，c为吐絮期）

2.2 不同种植密度下棉田关键生育期蒸散过程变化特征

蕾期，与一膜6行相比，一膜4行蒸散量偏少49.11 mm（37.17%）（表 1），花铃期蒸散强度最高，一膜6行种植的总蒸散量为309.12 mm，比一膜4行种植高61.35 mm（表1），一膜4行种植较一膜6行蒸散量偏低19.85%；吐絮期，植株叶片开始脱落，温度下降，蒸散强度低于花铃期和蕾期，两种种植方式蒸散强度差异逐渐减小。花铃期是棉花生育期内蒸散量最大的时期，超过蕾期和吐絮期的蒸散量总和。

表2 不同种植密度棉田蒸散变化特征

2.3 不同种植密度对棉花株高和叶面积的影响

叶面积和株高是反映棉花生长的重要指标。不同种植密度下，棉花植株高度随时间变化见图4。苗期，一膜4行种植比一膜6行种植株高出2.3 cm，蕾期高出 4.4 cm，花铃期高出2.6 cm，吐絮期高出2.7 cm。不同种植密度条件下，棉花的叶面积指数变化趋势见图5，苗期棉花的叶面积增长缓慢，由于苗期灌水较少，其后期干旱少雨，土壤温度较高，棉花生长所需水分受到限制，蕾期棉花生长发育加快，叶面积指数明显增大，蒸散量也随之增加，此时的蒸散量、叶面积增加速度加快，花铃期是棉花生长发育最旺盛时期，叶面积指数达到最大，此时的棉田蒸散量以作物蒸腾作用为主，也是整个生育期蒸散量最大时期，吐絮期棉花营养生殖趋于停止，生殖生长减缓，叶片萎缩脱落蒸散量减小。研究发现：整个生育期一膜6行的叶面积指数始终大于一膜4行，株高小于一膜4行，各个生育期一膜4行种植的蒸散量小于一膜6行种植。

图4 不同种植密度对株高的影响

图5 不同种植密度对叶面积指数的影响

2.4 不同气象因子对不同种植密度棉田蒸散量的影响

对棉田花铃期气象因子与所测定的蒸散量进行相关分析，由图6可知，一膜4行与一膜6行种植的棉田的蒸散发与日平均气温（P＜0.01）呈显著正相关，与空气相对湿度呈显著负相关（P＜0.01），与日平均风速和日平均水汽压关系不大。

图 6 一膜 4 行（a、c、e、g）和一膜 6 行（b、d、f、h）棉田蒸散量与温度、相对湿度、风速、水气压的相关性

3 结论与讨论

利用大型称重式蒸渗仪连续监测不同种植密度下的棉田蒸散过程，分析了新疆绿洲棉田蒸散发的变化特征及其影响因子，研究发现：

（1）不同生育期不同种植密度的棉田蒸散量都呈单峰型变化，且季节变化明显，蕾期和花铃期一膜6行种植蒸散量比一膜4行大。

（2）蕾期、花铃期蒸散强度一膜6行比一膜4行高；花铃期蒸散强度最高；吐絮期，蒸散强度低于蕾期和花铃期，两种密度的蒸散强度差异变小。

（3）不同种植密度条件下花铃期棉田的蒸散发量与日平均气温呈极显著正相关，与空气相对湿度呈极显著负相关，与日平均风速，日平均水气压的关系不大。

在整个生育期内，两种种植密度条件下水分蒸散主要发生在 08：00—22：00，在 22：00—08：00 基本没有蒸散或蒸散量接近于零，这与相关研究一致[19]。Tyagi，et al[10]研究发现水稻、向日葵的蒸发量峰值出现在快速发育期，本研究中不同种植密度条件下花铃期蒸散强度最大，蕾期次之，吐絮期最小，说明花铃期是棉花生育期需水的关键时期，应保证充足的水分供应。农田水分蒸散在农田水量平衡和能量平衡计算中占有重要地位[20]。农田蒸散由土壤蒸发和作物蒸腾组成[21]。棉田蒸散作为田间水分消耗的主要形式，是作物生长过程中水量平衡不可缺少的组成成分，而棵间蒸发作为农田蒸散的重要组成部分，是田间小气候的一个重要指标，也是衡量无效耗水的重要指标，不参与产量形成，因此减少棵间土壤蒸发对提高棉花水分利用效率、节约灌溉用水具有十分重要的作用。本研究中，两种种植密度下，每个蒸渗仪所有土地都被地膜覆盖，因此两种密度的土壤蒸发量差别不大，田间蒸散发主要由作物蒸腾组成，一膜4行的蒸散量小于一膜6行，一膜6行的叶面积指数大于一膜4行，叶面积系数影响田间蒸散发，这与相关研究一致[11]。

作物蒸散不仅与生育期相关，而且与下垫面环境、气象因子等有关，同时作物蒸散对农田灌溉管理决策、农作物产量估算及农田土壤水分预测等许多问题密切相关[22-24]。Goyal[8]对印度干旱区蒸散发进行研究得出影响蒸散发的主要因素是日平均气温。本研究中，不同种植密度条件下的棉田蒸散发与日平均气温和空气相对湿度极显著相关（P＜0.01），空气相对湿度对棉田蒸散发的相关性最好。本试验不足之处是大型蒸渗仪数量较少，在以后的试验中应投入更多的蒸渗仪，加强试验的重复性，进一步提升试验的精确性。