吴 程，胡顺军，赵成义

(1.塔里木大学水利与建筑工程学院， 新疆 阿拉尔 843300； 2.中国科学院新疆生态与地理研究所 荒漠与绿洲生态国家重点实验室，乌鲁木齐 830011)

农田土壤水分条件是作物生长和发育的重要因素，是土壤-植被-大气连续体中水循环的关键因子，农田土壤水分的变化是降雨和灌溉、植物生长和发育、土壤特性和气象因素等共同作用的结果，同时又决定了作物对土壤水分的吸收利用程度而影响作物产量[1-3]。农田土壤水分的研究对于作物需水耗水规律、地区水循环过程、农业水土资源的持续利用以及农业生产的持续发展有重大的理论和实践意义[4-6]。

在塔里木灌区，棉花膜下滴灌技术由于提高地温、减少棵间蒸发和深层渗漏等特点已得到普及[7]。孙林等[8]通过滴灌入渗饱和湿润体形成、毛管扩散运移两个过程，较好地模拟了膜下滴灌土壤水分运移过程；刘梅先等[9]通过田间试验，研究了滴水量和滴水频率对膜下滴灌棉田土壤水分分布的影响，结果表明总耗水量与降水和滴水量密切相关，而与滴水频率无关。王小兵等[10]在膜下滴灌条件下研究相应的田间耗水强度变化过程。试验结果表明,随着灌水频率的增大,棉花花铃期耗水强度增大,产量提高。苏里坦等[11]研究了不同膜下滴灌不同含水量棉花耗水特征，结果表明，分根交替膜下滴灌提高了棉花的水分利用效率。

本文根据膜下滴灌棉花0～120 cm土壤水分观测资料，分析了膜下滴灌条件下棉花整个生育期的土壤水分动态及耗水规律，为塔里木灌区制定科学的灌溉模式，合理利用水资源提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2014年4-10月在新疆阿克苏地区绿洲农田生态系统国家野外站膜下滴灌棉田进行，该站位于塔里木河三大源流(阿克苏河、叶尔羌河和和田河)交汇点附近的平原荒漠绿洲区内，东经80°51′，北纬40°37′，海拔1 024 m。多年平均降雨量为45.7 mm，集中在6-8月，平均气温11.3 ℃，年日照时数2 950 h，无霜期207 d，年蒸发量2 110.5 mm。土壤为沙性壤土，土壤干密度1.43～1.53 g/cm3，田间持水量为0.28～0.32 m3/m3，饱和含水量为0.43～0.50 m3/m3。

1.2 试验设计

种植棉花品种为“陆-63”，种植方式为一膜一管四行，平均裸地行宽58 cm，膜上棉花行距分别为18、50、18 cm，平均株距为10 cm。棉花种植时间为4月17日，灌溉方式为滴灌。整个生育期降水16次，降水量64.2 mm。整个生育期灌水6次，灌溉定额分为263.8 mm。 棉花播种后，在大田中央选取3处布置了3排土壤水分监测断面，土壤水分监测点分别位于宽行、窄行膜间。棉花整个生育期共施洒尿素325 kg/hm2、磷酸二胺225 kg/hm2、硫酸钾镁肥225 kg/hm2。总灌水量为263.8 mm，其中灌水时间和灌水量分别为7月14日75.37 mm、7月22日62.81 mm、7月26日25.12 mm、8月6日37.69 mm、8月17日37.69 mm、8月23日25.12 mm(见图1)。

图1 中子管安装示意图Fig.1 The installation schematic of neutron tube

1.3 沿定指标与方法

(1)土壤含水量测定。采用CNC503B型中子仪对土壤含水量进行测定，中子管埋深为1.2 m左右，从播种当天开始监测土壤表面以下0～120 cm的土壤含水量，每隔20 cm为一层，每层读数3次，读数时间为16 s，取其平均值为观测值。每隔7 d测定一次，灌水前后加测，直到棉花收获停止监测。

(2)棉田耗水量的测定。棉田耗水根据水量平衡公式计算[12]:

ET=SWD+P+I+G-D-R

(1)

式中：ET为棉田耗水量，mm;P为降雨量，mm;I为灌水量，mm;D为土壤水分下渗量，mm;R为地表径流量，mm;SWD为土壤水分消耗量，mm;G为土壤毛管上升水量，mm。

在生长季内没有发现地表径流，R=0;由于试验地地下水位较深,G=0;膜下滴灌灌水量较小，D=0。

(3)灌水量及降雨量测定。通过水表对灌水量进行测定，降雨量取自于新疆阿克苏农田生态系统国家野外科学观测研究站。

(4)数据分析。采用Excel2003 和Spass软件进行数据处理分析，用Surfer8.0软件进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 棉花全生育期土壤水分的季节变化

将裸地、宽行、窄行各个深度观测的土壤含水率的平均值作为膜下滴灌棉田的土壤含水率，图2描述了棉花整个生育期地表以下0～120 cm土壤含水率的等值线图。在4月份土壤各个层次的土壤含水率较大，表层(0～20 cm)土壤含水率在四五月份最高，在10月份达到最低，深层(100～120 cm)土壤含水率在四五月份最高，且整个生育期都保持一个较高的水平，但随着时间的推移呈现一个下降的趋势。

由于灌溉水入渗补给、降雨入渗补给和棉花蒸散发的共同影响，土壤水分的季节变化过程分为3个阶段：第一阶段为土壤水分稳定期，第二阶段为土壤水分剧烈变化期，第三阶段为土壤水分缓慢消耗期。在播种当天(4月18日)，由于灌水的影响，各个层次土壤含水率较大；棉花收获时(10月31日)，各个层次土壤含水率为最低。4月中旬到7月中旬，棉花生长缓慢，表层土壤蒸发量小，土壤含水率变化较小，为土壤水分稳定期；从7月中旬到8月底棉花植株个体增大以及蒸散发加剧，表层与根系层土壤含水率变化剧烈，在此期间，由于灌水的影响，土壤含水率会出现相应地幅度的上升，为土壤水分剧烈变化期；从8月底到10月底，棉花生长缓慢，但是气温较高，棉田土壤含水率下降趋势缓慢，为土壤水分缓慢消耗期。

图2 棉花不同层次土壤水分等值线图Fig.2 Soil moisture contour map of cotton different levels

2.2 不同生育期土壤水分剖面变化

图3表示不同灌溉水源和灌溉方式下, 棉花各生育期土壤水分的垂直动态变化情况。从图3中可以看出,棉花不用生育期不同层次的土壤含水率的变化来表示土壤水分动态的变化，其中各个生育期的含水率用其生育期内观测值的平均值来表示，整个生育期的不同层次的土壤含水率垂直分布图如图3所示。

图3 不同生育期水分特征Fig.3 Water characteristics of different growth stages

土壤水分在不同的层次具有不同的变化特征，从空间变化来看，在苗期到蕾期平均土壤含水率的高低排列顺序为0～20 cm<20～40 cm<40～60 cm<60～80 cm<80～100 cm<100～120 cm。从蕾期到吐絮期为0～20 cm<20～40 cm<40～60 cm<60～80 cm<100～120 cm<80～100 cm，其中100～120 cm土壤水分的减少是由于棉花后期根系的伸长，下层水分向上运输以满足生长的需求。0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm土层土壤水分在整个生育期的减少量依次为12%、10%、11%、7%、4%、6%、说明土壤水分的减少量主要在0～60 cm,且表层土壤含水率和主要根层土壤含水率变化趋势保持一致，这与根系主要分布在0～60 cm有关[13]。

通过变异系数来反映土壤水分的变化程度，变异系数大表示土壤水分变化剧烈，变异系数小表示变化程度弱。棉花整个生育期0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm土层土壤含水率的变异系数分别为0.16、0.12、0.12、0.07、0.04、0.06。由此可知，0～60 cm为次活跃层，60～120 cm为稳定层[14]。在活跃层，0～20 cm的土壤含水率变化最为剧烈，活跃层受降水和灌溉、棉花根系吸水以及土壤蒸发等因素的影响，含土壤水量变化较大；在稳定层，土壤水分的减少主要是因为根系长度超过60 cm以后，60～120 cm的土壤水分向根系运移。

2.3 灌水前后土壤含水率的变化

滴灌条件下灌溉水入渗特征用8月23日灌水前后(间隔24 h)0～120 cm土壤含水率变化来描述，灌水量为25.12 mm。从图4可以看出，滴灌后，宽行与窄行表层含水率迅速提高，说明灌水量主要分布在0～40 cm土层内。且0～40 cm含水率分布为宽行>窄行>裸行，这主要是由于滴灌带布设在宽行，宽行离滴头最近，但是由于灌水时间较长，滴灌的水开始渗透，已经渗透到窄行处，宽行与窄行的土壤含水率相差不大。裸行由于天气、灌水量和棵间蒸发的原因，0～20 cm含水率降低，20～40 cm土壤含水量有小幅度的增加。40～60 cm窄行土壤含水率没有明显的变化。宽行和裸地土壤含水率下降。说明滴灌条件下，灌溉水主要在紧靠滴头的地方土壤含水量最高, 随着离滴头在各个方向上距离的增加, 土壤含水量逐渐减小[15]。

图4 棉花不同行间水分入渗特征Fig.4 Water infiltration characteristics of different cotton lines

2.4 棉田耗水特性

棉花各生育阶段耗水量的统计结果见表l,棉花苗期日均耗水量0.6 mm,蕾期日均耗水量2.6 mm,花铃期耗水量最大,日均7 mm,吐絮期耗水量开始减少,日均0.7 mm。苗期由于植株较小，气温较低，加上地膜覆盖，日耗水强度最低；蕾期，棉花进人营养和生殖生长并进阶段，植株日益长大，气温持续上升，导致棉田日耗水强度迅速增加；花铃期, 气温进一步升高, 植株生长进入旺期, 日耗水强度达到最大；吐絮期，叶片脱落以及温度的降低使棉田日耗水量不断减小。

表1 棉花耗水特征Tab.1 Water consumption characteristics of cotton

3 结 语

(1)按照土壤水分变化的程度将棉花的生育期分为3个时期，4月中旬到7月中旬为土壤水分稳定期，7月中旬到8月底为土壤水分剧烈变化期，8月底到10月底为缓慢消耗期。

(2)膜下滴灌棉田土壤水分的垂直变化可分为0～20 cm活跃层，20～60 cm次活跃层，60～120 cm稳定层。

(3)由于灌水的影响，0～40 cm含水量迅速提高，40～60 cm相对较小，说明灌溉水的入渗深度主要分布在0～40 cm。

(4)膜下滴灌棉田棉花苗期、蕾期、花铃期、吐絮期的耗水量分别为30.7、91.6、357.4、43.7 mm，耗水强度分别为0.63、2.62、7.01、0.71 mm/d。

[1] 邹文秀,韩晓增,江 恒,等.东北黑土区降水特征及其对土壤水分的影响[J].农业工程学报,2011,27(9):196-202.

[2] 贺军奇，任 超. 不同灌水定额条件下土壤水分空间变化特征研究[J].节水灌溉，2010,(5):28-31.

[3] 杨文治,余存祖.黄土高原区域治理与评价[M].北京:科学出版社,1991.

[4] Qiu Yang,Fu Bojie,Wang Jun,et al.Soil moisture variation in relation to topography and land use in a hillslope catchment of the Loess Plateau, China[J].Journal of Hydrology,2001,(240):243-263.

[5] 赵景波,侯雨乐,曹军骥,等.青海湖西吉尔孟附近土壤水分研究[J].地理科学,2011,31(4):394-400.

[6] 李保国,龚元石,左 强.农田土壤水的动态模型及应用[M].北京:科学出版社, 2000:10-13.

[7] 邵光成,蔡焕杰,吴 磊,等.新疆大田膜下滴灌的发展前景[J].干旱地区农业研究,2001,19(3): 122-127.

[8] 孙 林，罗 毅.膜下滴灌棉田土壤水盐运移简化模型[J]. 农业工程学报，2012，28(24)：105-114.

[9] 刘梅先，杨劲松，李晓明，等.膜下滴灌条件下滴水量和滴水频率对棉田土壤水分分布及水分利用效率的影响[J].应用生态学报，2011，22(12)：3 203-3 210.

[10] 王小兵,李明思,何春燕.膜下高频滴灌棉花田间耗水规律的试验研究[J].水资源与水工程学报,2008,19(1):38-42.

[11] 苏里坦,虎胆·吐马尔白,张展羽.分根交替膜下滴灌条件下南疆棉花耗水特性与生长特征[J]. 农业工程学报,2009,25(6)：20-25.

[12] Zhang X Y,Chen S Y,Sun HY,et al. Dry matter,harvest index,grain yield and water use efficiency as affected by water supply in winter wheat[J].Irrigation Science,2008,27:1-10.

[13] 孔繁宇,胡同军.棉田地下滴灌土壤水分变化及需水规律初探[J].中国农学报,2005,21(1):323-323.

[14] 邹文秀,韩晓增,王守宇,等. 黑土区土壤剖面水分动态变化研究[J]. 水土保持通报,2009,(3):130-132.

[15] 李 红,王 林,董 智,等.额济纳绿洲滴灌棉田土壤水分动态变化研究[J].干旱区资源与环境，2000,14(5):49-55.