气候变化下新疆棉花调亏灌溉节水效果评估研究

李孙强

（新疆维吾尔自治区水利厅水土改良实验场，新疆 昌吉 831102）

调亏灌溉技术是一种科学的灌溉技术，在不会对作物生长产生明显影响的基础上有效控制用水，从而达到节水的效果。该技术的核心是根据农作物不同发展阶段中存在的水分胁迫差异性，在作物关键生长阶段充分灌溉，其他需水量不敏感阶段减少灌溉，实现节水效果［1-2］。因此，调亏灌溉在新疆棉花种植中具有重要的应用价值与意义，但鉴于新疆独特的气候特征，是否适用调亏灌溉技术以及实际应用中的节水效果有待深入研究。本研究针对这一问题进行详细分析，探究调亏灌溉技术在新疆棉花生产中的应用效果与价值。

1 研究方法与内容

1.1 研究区域的设定

新疆南、北地区气候存在较大的差异，不同区域适合种植不同品种的棉花，目前新疆主要种植的棉花分为早熟、早中熟陆地棉2 个品种。因此，本研究选取2 个区域中典型的棉花种植品种作为研究对象，区域位置分别为阿克苏站观测研究站（南疆，早中熟陆地棉）及昌吉站观测研究站（北疆，早熟陆地棉）。

1.2 研究模型的选用

本研究采用随机棉花生长模型分析历史及未来棉花种植情况，需要气象、土壤、管理及品种参数数据。模型模拟棉花发育涉及温度、水分胁迫等影响；光合作用基于绿篱光截获，记录作物变化，关注温度、季节影响；应用P-T 公式估算潜在蒸散量，包括CO2体积分数对气孔及蒸腾影响。棉花生长模型能有效反馈灌溉方案对生长发育节律和产量影响，具有模拟调亏灌溉的作用。模型将用于新疆棉花种植调亏灌溉技术方案应用效果分析［3-4］。

1.3 研究所需数据的获取

1.3.1 气象数据

研究中需要分析区域的历史及未来推演气象数据，其中历史气象数据主要来源于中国科学院青藏高原研究所机构知识库，数据类型包括逐日太阳辐射、气温、降水量等；未来气象数据来自3 个大气环流模式（General Cireulation Models，GCMs），分别为高增温强度模式（IPSL）、中等增温强度模式（MIROC5）、最小增温强度模式（GFDL），其中还包括未来温室气体浓度（中等浓度RCP4.5、高浓度RCP8.5）的演算数据。本研究中所需要的未来气候数据主要涵盖日太阳辐射、气温、降水量、未来CO2体积分数等数据。为了提升未来数据的准确性，将模型中粗分辨率（1.3°～2.5°）的未来气候数据通过统计调整为0.1°×0.1°。

1.3.2 作物种植管理资料

研究模型中棉花种植管理数据分别为品种、种植日期、栽植密度等。阿克苏研究点早中熟陆地棉品种为新陆中82 号；昌吉研究点早熟陆地棉品种为新陆早84 号。其中，阿克苏研究点棉花种植日期为4月21日，种植密度采用常规30 株/m2；昌吉研究点棉花种植日期为4月25日，种植密度采用常规19 株/m2。

1.4 试验设计

1.4.1 棉花生长阶段划分

依据现有研究，将棉花生育期分为出苗期、现蕾期、开花期、开花盛期及成熟期5 个阶段，并将播种至出苗期、出苗期至现蕾期、开花盛期至成熟期确定为需水量不敏感阶段。由于模型无法展现棉花现蕾期至开花盛期（实际中此过程周期为30 d），因此研究模型中将现蕾期以在开花期减少30 d、开花盛期以开花期增加30 d 的方式代替。

1.4.2 灌溉方案设计

本研究针对不同研究点设置充分灌溉及调亏灌溉2 种方案进行模拟分析，其中模型中充分灌溉采用自动灌溉模式，设置参数为土壤有效含水量降低至50%后实施灌溉、达到85%后停止灌溉；调亏灌溉仅在棉花需水量不敏感阶段进行，分别为充分灌溉用水量的40%～90%，每10 个百分点为1 个等级，共设置6 个处理。根据公式：棉花水分生产力=籽棉产量/棉花生育期蒸散发，对调亏灌溉策略进行优化处理，研究中不同变量在调亏灌溉及充分灌溉中的变化情况（△IRR）计算式如下。

式中：R（*%F）为不同的调亏灌溉策略；F为充分灌溉模式。

若调亏灌溉下棉籽产量低于充分灌溉5%，则表明调亏灌溉不会对棉花产生影响，此时便可将调亏灌溉中最大水分生产力作为最佳的优化策略。结果分析则采用GCM 进行模拟，其中研究的基准历史时段2003—2022年用BL 表示，预测时段2041—2060年用P1 表示、2081—2100年用P2 表示。

2 结果与分析

2.1 气候条件下棉花生长季气候变量分析

相较于BL 历史基准期阶段，P1、P2 时段2 个站点棉花生长季（研究根据现实中实际情况取值为4—11月）日平均气温平均值均为增长状态，但日太阳辐射平均值及总降水量变化不大，见图1。由图1 还可以发现，与BL 时段相比，2 个站点和2 种情景下，模式IPSL 升温均最强，MIROC5 升温中等，而GFDL 升温均最少。

图1 未来气候条件下棉花生长季气候变量与基准期变化对比

阿克苏BL 时段的太阳辐射平均值、日平均气温平均值及总降水量分别为18.7 MJ/m2、17.9 ℃、78.6 mm，昌吉BL 时段的太阳辐射平均值、日平均气温平均值及总降水量分别为18.9 MJ/m2、16.7 ℃、155.6 mm。以BL 时段相比，各站点不同情景、阶段下太阳辐射平均值、日平均气温平均值及总降水量增长程度如表1所示。

表1 各站点不同情景、阶段下太阳辐射平均值、日平均气温平均值及总降水量增长程度

2.2 调亏灌溉方案的优化调整

在调亏灌溉模型中，籽棉产量、蒸散发水平随用水量降低而减少，但产量减少相较于充分灌溉通常在5%以内。阿克苏调亏灌溉下棉籽产量较充分灌溉减产低于5%，昌吉与阿克苏具有同质性。调亏灌溉时，棉花水分生产力先扬后抑。此状态下调亏灌溉策略对籽棉产量影响较小，生育期蒸散发水平降低，水分生产力增加。但用水持续降低将导致产量、水分生产力严重降低。阿克苏棉花水分生产力为最高；昌吉与阿克苏具有同质性。综合分析，在减少耗水量、籽棉产量影响低于5%为条件下，可得到最优调亏灌溉策略。

2.3 调亏灌溉节水效果评估

根据调亏灌溉优化结果，调亏灌溉可有效提升棉花水分生产力，能够得到良好的节水效果，其中BL 时段采用调亏灌溉可使阿克苏、昌吉棉花水分生产力分别增加2.3%、3.5%。各站点在调亏灌溉模式下不同情景的棉花水分生产力提升程度及节省灌溉量如表2所示，数据综合分析显示，最优灌溉用水量较充分灌溉可节约灌溉量5%～28%。

表2 各站点在调亏灌溉模式下不同情景的棉花水分生产力提升程度及节省灌溉量

进一步研究发现，调亏灌溉所取得的增益效果与环境温度成反比关系，但CO2体积分数又会影响这种关系；优化策略对于籽棉产量、棉花水分生产力产生形成明显影响；在CO2体积分数相同的条件下，温度升高将会增加蒸散发，但CO2体积分数升高后植物的植株蒸腾及光合作用会得到加强从而使其受到影响［5］。因此，为了在不显著减少籽棉产量的情况下尽量减少新疆棉花生产耗水量，需要不断优化调亏灌溉策略。

3 结论

本研究通过选取新疆早熟、早中熟2 个典型的棉花种植区域为对象，采用棉花生长及棉花生长模型，结合GCM 作为气候模拟工具，开展棉花种植的充分灌溉、调亏灌溉模拟试验，研究结果如下。

1）P1、P2 时段2 个站点在4—11月棉花生长季节的日平均气温平均值相较于BL 历史基准期阶段具有不同程度的增长。但是，太阳辐射、降水量变化却不大，其中升温情况由大到小依次为IPSL、MIROC5、GFDL。

2）调亏灌溉下棉籽产量较充分灌溉减产低于5%，调亏灌溉使用的灌溉水量降低，棉花水分生产力呈现先扬后抑的状态，据此可优化新疆棉花生产的调亏灌溉策略。调亏灌溉可以有效提高新疆棉花水分生产力，节省灌溉用水量，最优灌溉用水量较充分灌溉可节约灌溉量5%～28%。

3）调亏灌溉所取得的增益效果与环境温度呈反比关系，但CO2体积分数又会影响这种关系，为了在不显著减少籽棉产量的情况下尽量降低新疆棉花生产耗水量，需要不断优化调亏灌溉策略以适应气候变化。