干旱区主要经济作物滴灌条件下作物系数和水分生产率试验研究

翟 超 周和平

(1.新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆维吾尔自治区水利管理总站，新疆 乌鲁木齐 830000)

据统计，新疆膜下滴灌面积从2002年的12万hm2扩大到2022年的335万hm2，占全疆总灌溉面积的60%[1]。新疆属于绿洲农业、灌溉农业区，膜下滴灌作为新疆主要的节水灌溉模式，在灌区落实最严格水资源管理、节水增收等方面起到了积极的推动作用。

新疆膜下滴灌的研究主要集中于小麦、玉米等粮食作物，其他经济作物的研究相对较少。棉花的需水量和水分生产率研究集中在2000年左右[2-5]，近年来研究较少。王雪姣等通过COSIM模型进行新疆棉花产量动态预报研究[6]，最终确定以近10年气象资料替代获得的模拟产量平均值作为最终预报产量。经验证该预报方法预报的准确率在81.3%～99.6%，预测精度较好。吴立峰等研究了水肥耦合对棉花产量、收益及水分利用效率的影响[7-8]，结果表明：灌水量80%ETc、N-P2O5-K2O 250-100-50kg/hm2为最佳滴灌施肥策略；同时开展了新疆棉花亏缺灌溉叶面积指数模拟研究[9]，模型以基于beta函数的每日热效应为时间尺度，在考虑土壤水分胁迫效应的基础上，使用Logistic函数的一阶导数描述叶面积指数的变化速率，分析结果表明，在充分灌水条件下，叶片潜在衰减面积、叶片日最大增加面积和衰减面积、初花期开始时间是影响模型的主要参数。国内外许多学者从不同角度建立了棉花的叶面积动态模型，取得了一定成果[10-16]。谷晓博等研究了降解膜覆盖对油菜根系、产量和水分利用效率的影响，覆盖处理的节水增产效果显著，覆盖处理冬油菜2年平均产量相对不覆膜增加45.91%；2年平均水分利用效率与不覆膜相比提高81.68%[17]。丁兴利等研究了非充分供水喷灌条件下油菜水分生产函数[18]，结果表明：当需水量在220～228m3/亩之间时，油菜产量随着需水量的增加而增加，为合理生产阶段。实际生产中，喷灌油菜优化灌溉制度推荐为：灌水次数4次(喷灌3次、后期地面灌1次)；灌水定额(喷灌13～15m3/亩、地面灌70m3/亩)；通过全国各地区综合比较[19-23]，油菜生长全生育期灌水总量约为3000～4000m3/hm2，产量可达2500～3500kg/hm2。艾尔肯·沙依提等[24]开展了膜下滴灌条件下焉耆盆地工业番茄需水规律及灌溉制度研究，结果表明：滴灌工业番茄作物系数值在结果盛期为1.1，结果后期为0.9，苗期最小为0.5，当灌水量为402.8mm时，可得到高产18017.26kg/hm2。刘超峰等[25]对焉耆盆地工业番茄滴灌节水制度进行了研究，结果表明：灌溉定额为3900m3/hm2的处理产量最高，为181280kg/hm2。赵娣等研究了不同灌溉方式和灌水量对北疆加工番茄生理生长及产量的影响[26]，结果表明：分根区交替灌溉充分灌水条件可作为适宜本地区的灌水组合模式。王振华等研究了灌溉制度对膜下滴灌甜菜产量及水分利用效率的影响[27]，结果表明：膜下滴灌甜菜以60mm灌水定额灌水9次，可获得高产与糖产，较传统新疆膜下滴灌甜菜制度节水10%。徐剑等[28]研究了不同灌水量对打瓜生长及产量的影响，结果表明：灌溉定额为525m3/hm2时，可获得2586kg/hm2的高产。

综上所述，现有研究中模拟预测棉花产量、叶面积指数的较多，多年系统实测数据文献较少；油菜大多为疆外试验，疆内采用喷灌模式，滴灌研究较少；工业番茄的研究集中在焉耆盆地，在准噶尔盆地研究较少；甜菜、打瓜也只有少数研究成果，且未见胡萝卜和葵花的相关研究。由于新疆主要经济作物的作物系数和水分生产率的多年分系统研究尚未明晰，本文以新疆7种主要经济作物为研究对象，通过3年系统的灌溉试验，研究作物系数、水分生产函数以及作物生理指标，为新疆灌区主要经济作物需水量及产量计算、分析提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于昌吉市滨湖镇十三户村，该区近10年年均降水量181.7mm、蒸发量1739.1mm、日照时数7.8h，年均气温13.1℃，不小于0℃的积温在3834.3℃以上。试区为棕漠土，土壤质地为中—轻壤，0～120cm土层土壤容重1.36～1.58g/cm3，耕作层1.36～1.53g/cm3，0～120cm土层田间持水量20%～25%，耕作层20%～23%；地下水埋深3～4m。地表水矿化度3～4g/L，为弱咸水，土壤全盐小于0.2%，无盐渍化；耕作层土壤有机质1.59%，肥力属中偏下水平，土壤有效氮90.84mg/kg，有效磷41.63mg/kg，有效钾421.2mg/kg，表现为缺氮少磷钾丰富。试区建有2组48个地下廊道式有底测坑，测坑配备防雨棚，每个测坑面积6.67m2(2m×3.33m)，深2.75m，其中1组具有土壤水分、温度、盐分自动采集功能，各组传感器埋设深度为：10cm、30cm、50cm、70cm、90cm、110cm。

1.2 试验设计

2018—2020年进行了6种经济作物滴灌试验，以灌水定额单因素为研究对象，设置4种水平(见表1)，3次重复，随机排列于试验测坑内，试验采用滴灌系统灌溉方式，毛管间距0.6m，滴头间距0.2m，滴头流量2.1L/h，额定工作压力0.1MPa。测坑试验小区内滴灌带铺设与大田一致。供试作物品种为棉花(中棉113)、油菜(塔油2号)、番茄(利丰早熟)、甜菜(丰甜2号)、打瓜(SWBB-01)、胡萝卜(驰诚黄)、葵花(高油王DK567)。7种作物滴灌试验，均以1条滴灌带2行作物播种，油菜、胡萝卜均无地膜滴灌，其他5种作物均为膜下滴灌方式，播种密度与大田种植相同。

表1 作物灌溉试验因素水平设计

1.3 试验过程

各年4月底完成播种(干播湿出)，每个处理小区选择2处固定埋设土壤含水率测管，采用PR2水分仪对0～120cm土层(每层20cm)，每5天进行一次土壤含水率观测，灌水前、后加测。试验作物的品种、灌水时间、施肥种类、施肥方法和施肥量等均参照当地灌区常用的种植管理模式确定，主要施尿素和速溶性滴灌肥(含作物所需的各类养分)，施肥3次，分别在作物前期、中期及中后期实施，根据不同作物品种，施肥量在375～450kg/hm2之间。试验观测气象数据由田间自动气象站采集，作物成熟后每区人工收割脱粒晾晒干净后进行测产。

1.4 分析方法

将作物生长期划分为四个阶段：ⓐ作物初始生长期：从播种到作物覆盖率接近10%，此阶段作物系数为Kc1；ⓑ作物快速发育期：从覆盖率10%到充分覆盖，即大田作物覆盖率达到70%～80%，此阶段作物系数为Kc2；ⓒ作物生育中期：从作物充分覆盖到成熟期开始，叶片开始发黄，此阶段作物系数为Kc3；ⓓ作物成熟期：从叶片开始变黄到作物生理成熟或收割，此阶段作物系数为Kc4。

参考作物蒸发蒸腾量，按彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)公式计算分析：

(1)

式中 ET0——参考作物蒸散量，mm/d；

Δ——温度-饱和水汽压关系曲线在T处的切线斜率，kPa/℃；

Rn——净辐射，MJ/(m2·d)；

G——土壤热通量，MJ/(m2·d)；

ea——饱和水汽压，kPa；

ed——实际水汽压，kPa；

γ——湿度常数，kPa/℃；

T——平均气温，℃；

u2——2m处的风速，m/s。

参数计算方法见文献[29]。作物系数按下式计算：

Kc=ETi/ET0i

(2)

式中Kc——作物系数；

i——作物生长的第i阶段；

ETi——作物生长的第i阶段需水量，mm；

ET0i——作物生长的第i阶段参考作物蒸发蒸腾量，mm。

作物灌溉水生产率按下式计算：

η产=Yi/E

(3)

式中Yi——某种作物单产，kg/hm2；

E——该作物全生育期灌溉用水量，mm。

2 结果与分析

2.1 作物系数分析

由表2分析结果可知，7种滴灌作物系数表现出以下规律：

表2 经济作物系数Kc分析成果

a.作物生长过程中作物系数变化表现为：初始生长期Kc1较小，快速发育期Kc2快速增长，生育中期Kc3达到最大，成熟期Kc4逐渐下降，作物系数总体趋势为前期由小到大，作物生长旺盛期最大，后期逐渐减小。

b.不同阶段作物系数大小有所不同，这是作物自身生物学特性的反映，它与作物种类、品种、生育期以及作物群体叶面积指数等因素有关。

c.作物系数随灌水定额和水分处理水平增加而增加，但各作物系数在不同生长阶段变化趋势及分布特征相似。7种作物各生长阶段作物系数在0.36～1.21之间，全生育期在0.64～0.89之间。棉花各生长阶段作物系数在0.43～1.21之间；油菜各生长阶段作物系数在0.73～1.14之间；工业番茄各生长阶段作物系数在0.36～1.13之间；甜菜各生长阶段作物系数在0.45～1.08之间；胡萝卜各生长阶段作物系数在0.45～0.90之间；打瓜各生长阶段作物系数在0.61～1.02之间；葵花各生长阶段作物系数在0.64～1.12之间。

较大或过量灌溉用水将会导致作物系数增大，由此反映出土壤水分过多和作物对水分无效消耗，不利于灌溉节水。

2.2 作物灌溉水分生产率分析

表3为7种滴灌作物三年平均灌溉水分生产率。

表3 试区滴灌作物3年灌水量、作物产量分析结果

试验区7种作物水分生产函数见图1。

图1 试区7种作物水分生产函数

由表3和图1可知：多年平均情况下，棉花产量T3处理分别比T1、T2、T4高出23.07%、12.02%、5.40%；油菜产量T3处理分别比T1、T2、T4高出63.55%、43.44%、14.38%；工业番茄产量T3处理分别比T1、T2、T4高出52.65%、22.64%、12.95%；甜菜产量T3处理分别比T1、T2、T4高出39.24%、13.12%、22.13%；胡萝卜产量T3处理分别比T1、T2、T4高出24.28%、11.53%、15.83%；打瓜产量T3处理分别比T1、T2、T4高出42.28%、21.53%、25.00%；葵花产量T3处理分别比T1、T2、T4高出54.64%、37.61%、20.97%。

通过多年产量及灌水量数据建立7种作物水分生产函数模型(见表4)，各函数拟合度较好，在0.7011～0.9757之间。

表4 滴灌作物水分生产函数与水分生产效率

由表4可知，棉花水分生产率为4.16kg/(hm2·mm)，油菜水分生产率为5.27kg/(hm2·mm)，工业番茄水分生产率为244.82kg/(hm2·mm)，甜菜水分生产率为181.07kg/(hm2·mm)，胡萝卜水分生产率为210.35kg/(hm2·mm)，打瓜水分生产率为5.85kg/(hm2·mm)，葵花水分生产率为8.27kg/(hm2·mm)。

由多年试验结果可以看出，在当地气候和灌溉水肥条件下，由于作物品种、灌溉需水量不同水分生产率差异较大，7种滴灌作物水分生产率范围为4.16～244.82kg/(hm2·mm)，灌溉水分生产率由小到大顺序为：油菜、打瓜、葵花、棉花、甜菜、胡萝卜、工业番茄。

3 讨 论

水是新疆经济社会发展的命脉，水资源的利用效率直接影响新疆发展空间，当前在各行业用水统计中，农业用水占90%以上，农业对GDP的贡献仅有14%，高效利用好水资源是推动水利高质量发展的关键手段，通过本文的分析，单方水产出较高的经济作物，有利于水资源的节约利用，今后可在适宜的区域进行作物种植结构调整，发展特色种植，即发展经济效益高的作物，从而实现水资源高效利用。

4 结 论

7种滴灌作物初始生长期Kc1较小，快速发育期Kc2快速增长，生育中期Kc3达到最大，成熟期Kc4逐渐下降，作物系数总体趋势为前期由小到大，作物生长旺盛期最大，后期逐渐减小。不同阶段作物系数大小有所不同，这是作物自身生物学特性的反映，它与作物种类、品种、生育期以及作物群体叶面积指数等因素有关。作物系数随灌水定额和水分处理水平增加而增加，但各作物系数在不同生长阶段变化趋势及分布特征相似。7种作物各生长阶段作物系数在0.36～1.21之间，全生育期在0.64～0.89之间。从建立的水分生产函数看，T3处理的产量较其他3个处理高，拟合度好。同一作物，随着灌水定额试验处理水平增加，产量和灌溉水量同步增加，而水分生产率则同步递减，高水分处理试验结果表现为灌溉水量增加而产量却相应减少。可见，作物水分生产率并非愈大愈好，灌水量并非越多越好，只有适宜取值，才能提高水分利用效率，不同作物获得最大产量对应的灌溉定额各不相同，具体表现为：棉花灌溉定额为548mm，油菜灌溉定额为456mm，工业番茄灌溉定额为491mm，甜菜灌溉定额为455mm，胡萝卜灌溉定额为431mm，打瓜灌溉定额为420mm，葵花灌溉定额为491mm。