不同覆盖条件绿洲棉田作物系数与覆膜系数试验研究

　　摘 要: 为探求不同覆盖条件下绿洲棉田的作物系数与覆膜系数，利用石河子大学节水灌溉站 2018 年蒸渗仪、气象站、叶面积仪、 EM50 实测数据，分析不同覆盖条件下绿洲棉田全生育期的蒸散量、作物系数以及覆膜系数。结果表明: 不覆膜滴灌全生育期作物系数为 1.08，覆膜滴灌全生育期作物系数为 0.79。苗期覆膜系数为 0.772 5，蕾期覆膜系数为 0.718 6，花铃期覆膜系数为 0.777 8，吐絮期覆膜系数为 0.923 8。两种不同滴灌方式下的叶面积指数与作物系数为乘幂函数关系，且相关性显著。可以通过棉花不同生育期的覆膜系数以及叶面积指数与作物系数的拟合关系式，将不同覆盖方式下的作物系数相互转化。

　　本文源自葛瑞晨; 乔长录; 蔡国涛; 任锦豪， 人民黄河 发表时间：2021-04-10《人民黄河》(月刊)创刊于1949年，是黄河水利委员会主办、水利部主管的中文核心期刊，是黄河治理方面的专业技术刊物，是中国学术期刊(光盘版)、万方数据库、中文科技期刊数据库、中国期刊网全文收录期刊。该刊坚持“宣传治黄科技成果，开展学术讨论，为科学治黄服务”的办刊宗旨和“理论与实践、提高与普及相结合，百花齐放、百家争鸣”的办刊方针，报道治黄工程的科技成果、学术争论及动态，介绍国外先进技术，内容涉及防洪、治河、水文、泥沙、水资源、水土保持、灌溉、供水、水利水电工程等。

　　关键词: 绿洲棉田; 作物系数; 蒸渗仪; 覆膜系数; 叶面积指数

　　作物系数是作物实际蒸散量与参考作物蒸散量的比值，是估算作物实际蒸散量的关键参数。作物系数受土壤含水率、气象因素、作物生长状况等影响，在整个生育期内都不断地变化[1-2]。国内外许多学者在试验的基础上利用田间水量平衡法计算作物系数。曹振凯等[3]利用 Penman-Monteith 公式计算了不同覆盖条件下冬小麦作物系数，并对作物系数与种植天数、大于 0 ℃积温进行相关性分析，结果表明其分别呈良好的四次多项式、二次多项式关系。李迎等[4]通过冬小麦叶面积指数与作物系数相关性分析，建立积温模型估算冬小麦的作物系数。王则玉等[5]利用水量平衡法研究不同水分处理下干旱区成龄枣树的耗水规律和作物系数。马建琴等[6]对土壤湿润层深进行修正，确定了夏 玉 米 作 物 系 数 修 正 模 型。杨 晓 娟 等[7] 利 用 1991—2011 年气象数据计算了黑龙江省大豆的作物系数。王贺垒等[8]构建了华北地区茄子蒸散量的估算模型，并建立了叶面积指数与作物系数的相关关系式。左余宝等[9-10]在鲁北地区利用 Penman-Monteith 公式计算了棉花和冬小麦的需水量和作物系数，分析了覆膜和裸地条件下作物系数的不同。马金龙等[11]基于乌兰乌苏农业气象站 2012 年的涡度相关数据，分析了膜下滴灌棉田不同生育阶段的蒸散过程，并确定了干旱区绿洲膜下滴灌棉田的作物系数。综上所述，虽然学者们对不同地点、不同作物的作物系数进行了研究，但是研究多集中在冬小麦、夏玉米等作物，对绿洲棉田的作物系数研究较少，对绿洲棉田不同覆盖条件下的作物系数的研究则更少。

　　玛纳斯河流域( 以下简称玛河流域) 绿洲主要种植棉花，其种植面积占该流域作物种植面积的 60% ～ 70%，其中 80%以上采用膜下滴灌方式灌溉[12-13]。近年来，水资源短缺已经成为制约该流域经济社会发展的重要原因，建立绿洲棉田合理的灌溉制度，对指导农业用水具有重要的意义。笔者通过试验开展作物系数和覆膜系数研究，为准确估算棉田耗水量提供依据，进而为科学制定棉田灌溉制度以及绿洲水资源可持续开发和高效利用提供科学的依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验区概况

　　本试验于 2018 年 4—10 月在石河子大学节水灌溉试验站开展。该站位于玛河流域中游绿洲内，地理位置为东经 85°59'47″，北纬 44°19'28，属中温性干旱气候区，平均高程 412 m，平均地面坡降为 0.6%，年均日照时间为 2 863 h，多年平均降水量为 208 mm、蒸散能力为 1 660 mm，大于 10 ℃ 积温为 3 463.5 ℃，大于 15 ℃积温为 2 960.0 ℃，昼夜温差大，且气温季节性变化较大，无霜期为 170 d。该站内地面平整，土层深厚，土壤质地为中壤土，地下水埋深 10 m。试验通过大型称重式蒸渗仪( 规格为 2 m×2 m×2 m) 实时监测棉田全生育期的蒸散量和渗透量，气象数据由该站自动气象站提供。

　　1.2 试验设计

　　试验采用两台大型称重式蒸渗仪，开展了覆膜和不覆膜两种处理方式下的对比试验。种植模式采用绿洲灌区常用的一膜三管六行的机采棉种植模式，地膜为 205 cm 宽膜，滴灌带采用绿洲灌区内常用的迷宫式单翼滴灌带，滴灌带距 76 cm，滴头间距 30 cm，人工播种棉花，密度为 19 000 株/hm2 ，棉花株间距 10 cm，具体布置见图 1。棉花品种为“农丰 133 号”，于 4 月 25 日播种，9 月 25 日收获( 因前期和后期的蒸散量都很小，后文全生育期数据统计时间为 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 ，钾肥 60 kg /hm2 ，磷肥 20 kg /hm2 。覆膜与不覆膜两种滴灌方式的灌水量一样，全生育期灌溉水量为 3 342 m3 /hm2 ; 全生育期总共灌水 13 次。

　　1.3 观测项目及方法

　　1.3.1 蒸散量的监测

　　试验棉田全生育期内的蒸散量由大型称重式蒸渗仪进行实时监测，蒸渗仪有效蒸散面积为 4.0 m2 ，可精确测定渗漏量、蒸散量、土壤水分、温度等参数，并且可自行设置采样时间间隔，监测数据存储在数据采集器中。其中，渗漏量、蒸散量的量测误差≤0.02 mm，数据采集时间间隔为 1 h。

　　1.3.2 叶面积指数

　　在棉花全生育期内，每台蒸渗仪监测区内选取 5 株长势均匀的棉花进行标记，从棉花生长到 10 cm 高度开始，用手持式叶面积仪 YMJ-B 每隔 5 d 测定一次。叶面积指数[13]计算公式为式中: LAI 为叶面积指数; S 为单株作物占地面积; f( L， W) 为由叶长和叶宽计算叶面积的函数。

　　1.3.3 气象数据

　　气象数据由试验站内的自动气象站监测所得，包括距离地面 2 m 高处的温度、湿度、降水、辐射、日照时间、风速、风向及气压等数据，记录间隔为 1 h。

　　1.3.4 土壤体积含水率和土壤温度

　　利用 EM50 采集器监测深度为 30、50、70、100、 150 cm五个土层的土壤体积含水率和土壤温度，时间间隔为 1 h。

　　1.4 作物系数

　　采用 FAO-56 中的单作物系数法计算棉花不同生育期的作物系数 Kc :

　　式中: ET 为蒸渗仪获得的生育期的实际蒸散量; ET0为气象数据估算出的参考作物蒸散量[9]; Δ 为饱和水汽压和温度曲线的斜率，kPa /℃ ; Rn 为太阳净辐射量， MJ/m2 ; T 为日平均气温，℃ ; γ 为干湿表常数; u2为2 m 高处的风速，m /s; es和 ea分别为饱和水汽压和实际水汽压，kPa。

　　1.5 覆膜系数

　　覆膜系数定义为不覆膜滴灌方式下的作物系数与覆膜滴灌方式下的作物系数的相关性关系式中的斜率。关系式可表示为 y = kx+b，其中: x 为不覆膜滴灌方式下各生育期的作物系数，y 为覆膜滴灌方式下各生育期的作物系数，k 为覆膜系数。

　　1.6 数据处理

　　使用 Excel2017、Origin9.0 进行试验数据的处理和绘图。

　　2 结果与分析

　　2.1 生育期蒸散量

　　不同处理方式下棉花全生育期蒸散量见图 2。由图 2 可知，在棉花整个生育期内，不覆膜蒸散量、覆膜蒸散量和参考作物蒸散量的变化趋势基本一致。不覆膜蒸散量最大，参考作物蒸散量次之，覆膜蒸散量最小。6 月上旬蒸散量较小，主要原因是植株叶面积较小，温度较低; 6 月中旬到 8 月上旬因为温度上升，植株生长，所以蒸散量较大; 8 月中旬因为植株停止生长，棉花叶片枯萎，所以蒸散量减小。

　　对比两种不同处理方式下的蒸散量和作物系数 ( 见表 1) 可知，两种处理方式下蒸散量和作物系数都是呈先增大后减小的变化趋势，并且都在花铃期达到最大值。不覆膜方式下的蒸散量和作物系数均大于覆膜方式下的蒸散量和作物系数。不覆膜全生育期蒸散量和作物系数分别为 542.02 mm 和 1.08，各生育期的作物系数分别为 0.69、0.97、1.20、0.98。覆膜全生育期蒸散量和作物系数分别为 397.54 mm 和 0.79，各生育期作物系数分别为 0.49、0.71、0.89、0.72。作物系数和蒸散量的变化趋势基本一致，说明作物系数可以很好地反映作物的需水量和需水规律。

　　2.2 全生育期作物系数

　　不同处理方式下棉花全生育期逐日作物系数见图 3。由图 3 可知，两种处理方式下全生育期作物系数变化趋势基本一致，不覆膜方式下的作物系数大于覆膜方式下的作物系数，主要原因是覆膜抑制了土壤蒸发，导致蒸散量降低，作物系数减小。全生育期内作物系数变化趋势为先增大后减小，苗期作物系数最小，花铃期作物系数最大，说明花铃期作物需水量达到最大值。

　　2.3 覆膜系数

　　不同生育期覆膜系数见图 4。由图 4 可知，不覆膜和覆膜两种方式下的作物系数呈现很好的线性关系，各生育期拟合关系式之间都有一定差异，但是所有生育期的决定系数 R2 都大于 0.9，表明各生育期的覆膜系 数 显 著 性 都 很 高。苗期拟合关系式为 y =0.772 5x-0.043 2，蕾期拟合关系式为 y = 0. 718 6x + 0.008 9，花铃期拟合关系式为 y = 0.777 8x-0.049，吐絮期拟合关系式为 y = 0.923 8x-0.179 6。根据覆膜系数的定义可知，苗期覆膜系数为 0.772 5，蕾期覆膜系数为 0.718 6，花铃期覆膜系数为 0.777 8，吐絮期覆膜系数为 0.923 8。其中苗期和吐絮期数据较少，误差较大，在今后的研究中应完善苗期和吐絮期的数据，从而得到更准确的覆膜系数。

　　2.4 土壤含水率和土壤温度

　　不同处理方式下棉田土壤逐日含水率见图 5。由图 5 可知，深度在 50 cm 以上的土壤体积含水率变化剧烈，150 cm 深处土壤体积含水率基本不变，深 50 ～ 150 cm 之间土壤体积含水率变化不大，说明棉花根系主要吸收 50 cm 以上土层土壤的水分。不覆膜滴灌方式下土壤体积含水率随着土壤深度的增加而增大， 150 cm深处土壤体积含水率达到最大值，主要原因是不覆膜表层土壤蒸发作用强烈，导致表层土壤体积含水率较低，深层土壤体积含水率高。覆膜滴灌方式下土壤体积含水率随着土壤深度的增加而减小，150 cm 深处土壤体积含水率达到最小值，主要原因是覆膜降低土壤表层的蒸发作用，使土壤温度升高，深层土壤水分向上迁移，并在膜下形成水滴降落到土壤表层，所以表层土壤体积含水率最大，深层体积含水率较小。

　　不同处理方式下棉田土壤逐日温度见图 6。由图 6 可知，各土层温度变化趋势基本一致。覆膜、不覆膜两种滴灌方式下土壤温度的变化规律都表现为随着土壤深度的增加而降低。覆膜滴灌方式下的同样深度的土壤温度高于不覆膜滴灌时的土壤温度，主要原因是覆膜有保温的作用。

　　2.5 作物系数与叶面积的关系

　　不同处理方式下叶面积指数和作物系数的拟合关系见图 7。由图 7 可知，覆膜、不覆膜两种滴灌方式下，随叶面积指数的增大作物系数都呈现乘幂曲线的变化趋势，覆膜方式下棉花作物系数与叶面积指数的拟合关系式为 Kc = 0.456LAI 0.479 ，决定系数 R2 = 0.95; 不覆膜滴灌方式下棉花作物系数与叶面积指数的拟合关系式为 Kc = 0.548LAI 0.482 ，决定系数 R2 = 0.89。决定系数都大于 0.85，表明叶面积指数和作物系数相关性很显著，可以利用棉花的叶面积指数有效表示棉花作物系数，从而确定棉花的实际蒸散量，为棉田灌溉制度的制定提供参考。

　　3 讨 论

　　作物系数是实际蒸散量与参考作物蒸散量的比值，是作物需水量的重要参数之一。利用称重式蒸渗仪实时监测数据与气象数据计算出来的作物系数相对精度较高。不同覆盖方式下棉花的蒸散量和作物系数都呈现先增大后减小的趋势，并都在花铃期达到最大值，这说明作物系数能很好地表示作物需水量，可以根据作物系数来制定灌溉制度。

　　利用不覆膜、覆膜两种滴灌方式下作物系数的相关性分析，得出苗期覆膜系数为 0.772 5、蕾期覆膜系数为 0.718 6、花铃期覆膜系数为 0.777 8、吐絮期覆膜系数为 0.923 8。其中苗期和吐絮期数据较少，误差较大，所以在今后的研究中应完善苗期和吐絮期的数据，从而得到更准确的覆膜系数。

　　不同处理方式下的土壤体积含水率和土壤温度的变化过程有差异，不覆膜滴灌方式下土壤体积含水率随着土壤深度的增加而增大，覆膜滴灌方式下土壤体积含水率随着土壤深度的增加而减小，其原因是覆膜降低了土壤表层的蒸发作用，并在膜下形成水滴降落到土壤表层，因此表层土壤体积含水率最大，深层土壤体积含水率较小。两种不同滴灌方式下土壤温度的变化规律都表现为随着土壤深度的增加而降低，覆膜滴灌方式下同样深度的土壤温度高于不覆膜滴灌时的土壤温度，主要原因是覆膜有保温的作用。

　　通过对叶面积指数和作物系数进行相关性分析，得到 覆 膜 滴 灌 方 式 下相关性关系式为 Kc = 0.456LAI 0.479 ，决定系数 R2 = 0.95; 不覆膜滴灌方式下相关性关系式为 Kc = 0.548LAI 0.482 ，决定系数 R2 = 0.89。两种覆盖方式下的相关性都显著，可以利用叶面积指数确定作物系数，从而为棉花的灌溉制度制定提供合理的依据。

　　4 结 论

　　本研究以新疆石河子大学节水灌溉农田试验站棉花为例，研究了不同处理方式下棉田的作物系数和覆膜系数，分析了不同处理方式下的土壤体积含水率和土壤温度，以及叶面积指数与作物系数的相关关系。

　　( 1) 全生育期内，不覆膜方式下，全生育期蒸散量为 542.02 mm，苗期、蕾期、花铃期、吐絮期的作物系数分别为 0.69、0.97、1.20、0.98; 覆膜方式下，全生育期蒸散量为 397.54 mm，苗期、蕾期、花铃期、吐絮期作物系数分别为 0.49、0.71、0.89、0.72。

　　( 2) 苗期、蕾期、花铃期、吐絮期的覆膜系数分别为 0.772 5、0.718 6、0.777 8、0.923 8。

　　(3) 不覆膜方式下土壤含水率随着土层深度的增加而增大，覆膜滴灌方式下土壤含水率随着土层深度的增加而减小。两种不同处理方式下土壤温度的变化规律都表现为随着土层深度的增加而降低，两种处理方式下棉花根系主要吸收 50 cm 以上土层土壤的水分。

　　( 4) 覆膜方式下棉花作物系数与叶面积指数的拟合关系式为 Kc = 0.456LAI 0.479 ，决定系数 R2 = 0.95; 不覆膜滴灌方式下棉花作物系数与叶面积指数的拟合关系式为 Kc = 0.548LAI 0.482 ，决定系数 R2 = 0.89。可以利用叶面积指数直接计算作物系数。