灌水定额与土壤水分阈值协同下南疆膜下滴灌棉花灌溉制度优化

Optimization of Irrigation Schedule for Cotton under Mulched Drip Irrigation in Southern Xinjiang Based on Coordination of Irrigation Quota and Soil Moisture Thresholds

摘要

目的 开展南疆棉花灌溉制度优化研究，量化棉花各生育阶段土壤水分适宜阈值，为传统农业向数字化农业转型提供核心参数支撑。 方法 利用现状调研和不同灌溉水平下棉花生长与土壤水分变化过程的实测数据对AquaCrop模型进行参数化验证，以此为基础开展灌水定额与适宜土壤水分阈值协同下的南疆棉花灌溉制度优化研究。 结果 1）棉花生育期生长状况与土壤含水率变化过程的模拟值与实测值之间的决定系数>0.7，模型模拟精度达82%以上，所以经校验的模型能较好模拟棉花生长与水分之间的响应关系。2）以棉花各生育时段灌溉后土壤水分入渗主要分布在0~0.6 m土层且渗漏损失较小为原则，研究确定南疆棉花膜下滴灌的适宜灌水定额为36 mm。3）提出与区域水资源紧缺状况相协调的优化灌溉制度，其中在水资源紧缺情况下，棉花蕾期、花铃期和吐絮期土壤水分下限宜分别为60%田间持水量（FC）、65%FC、55%FC；水资源紧缺状况适度改善后，棉花蕾期、花铃期及吐絮期的土壤水分下限宜分别为70%FC、75%FC、55%FC。 结论 灌溉制度优化结果可为干旱区棉田精准灌溉和区域水资源高效利用提供理论与基础数据支撑。

Abstract

Objective This study aims to optimize cotton irrigation schedules in southern Xinjiang， quantify the appropriate soil moisture thresholds for different growth stages of cotton， and provide core parameter support for the transformation from traditional agriculture to digital agriculture. Methods The parameters of the AquaCrop model were calibrated and verified using measured data of cotton growth and soil moisture dynamics under different irrigation treatments. Based on this， an optimization study of the cotton irrigation schedule in southern Xinjiang was conducted under the coordination of irrigation quota and appropriate soil moisture thresholds. Results 1） The coefficient of determination （R²） between the simulated and measured values of cotton growth status and soil moisture dynamics during the growth stages exceeded 0.7， and the model simulation accuracy reached over 82%. Therefore， the calibrated model could well simulate the response relationship between cotton growth and soil moisture. 2） Based on the principle that after irrigation at each growth stage， the infiltrated soil moisture was mainly distributed within the 0-0.6 m soil layer with minimal percolation loss， the appropriate irrigation quota for cotton under mulched drip irrigation in southern Xinjiang was determined to be 36 mm. 3） An optimized irrigation schedule coordinated with the regional water scarcity conditions was proposed. Under conditions of water scarcity， the lower limits of soil moisture for cotton at the bud， boll， and boll-opening stages should be 60% field capacity （FC）， 65% FC， and 55% FC， respectively. When the water scarcity condition was moderately alleviated， the lower limits should be 70% FC， 75% FC， and 55% FC， respectively. Conclusion The optimized irrigation schedule can provide theoretical guidance and fundamental data support for precision irrigation of cotton in arid regions and the efficient utilization of regional water resources.

Graphical abstract

关键词

棉花 / 膜下滴灌 / AquaCrop模型 / 土壤水分下限

Key words

cotton / mulched drip irrigation / AquaCrop model / lower limit of soil moisture

中国新疆地处欧亚大陆中部，年降水稀少而蒸发量高，属于典型的大陆性干旱地区^［1］。新疆是我国最大的棉花生产基地，2023年棉花皮棉总产511万t，占全国总量的90%^［2］。南疆地区纬度较低，光热资源充足，昼夜温差大，降水稀少，有利于棉花生长和纤维形成^［3］，南疆棉花种植面积超出全疆2/3^［4］。因受限于水资源短缺实际，南疆棉花正常生长与灌溉存在深度耦合关系^［5］。膜下滴灌技术结合地表覆盖与精准灌溉，可有效抑制土壤水分蒸发，减少渗漏损失，显著提升灌溉效率^［6］，是新疆棉花主要的灌溉方式。新疆棉花灌溉制度优化通过精准调控水肥资源，对实现水资源高效利用、盐碱地改良及产量品质提升具有重要现实意义。

灌水定额与土壤水分下限阈值是灌溉制度优化的核心调控参数，二者通过作物需水规律、土壤质地和水资源效率形成动态匹配关系，共同决定灌溉时机与水量。在灌水定额方面，崔永生等^［7］结合南疆常规灌溉模式设置6种不同灌水定额，发现棉花产量随灌溉定额增加呈先升后降的趋势；范雅君等^［8］则通过设置不同灌水定额并调整玉米各生育期灌水次数以模拟水分亏缺，明确了玉米适宜定额范围及各生育期最优水量分配；杜江涛等^［9］基于棉花蒸发蒸腾量与降水量的日差值确定固定灌水定额，提出生育期297 mm为最优灌溉定额。在土壤水分下限阈值方面，苑蒙飞等^［10］通过设置番茄关键控水期不同水分下限阈值，得出番茄各生育期适宜灌水下限。HUANG等^［11］在微喷灌条件下，设定3种小麦花期后的适宜土壤水分下限，结果表明，小麦花期后60%FC的灌溉阈值可以促进土壤水分吸收和生物量积累，进而提升产量。上述研究虽在单因素优化上取得进展，但研究的前提条件都是考虑现状天气条件，因天气变化具有随机性，现状天气条件难以在未来重现，导致研究成果的代表性不足；特别是在土壤水分下限阈值方面，未深入探讨水分下限与定额的协同效应。以往灌溉制度优化多以传统试验为主，存在耗时费力、处理情景有限、水分下限精度难以控制等问题，难以支撑多因素耦合的优化研究。作物生长模型整合作物遗传特性、环境因子及管理措施等，可实现对作物生理生态过程的全过程量化模拟，有利于揭示多因素交互过程的复杂机制，突破天气状况限制，能够解决典型年灌水定额与土壤水分下限阈值协同下的灌溉制度优化难题。

AuqaCrop模型是由联合国粮食及农业组织（FAO）开发的作物生长模型，主要用于模拟作物对水分的响应和产量形成，并在作物灌溉管理、种植制度、未来气候情景等模拟中的应用已取得较好效果^［12-13］。因此，本研究将利用经验证的AquaCrop模型，研究不同灌水定额下膜下滴灌棉花滴灌湿润范围与棉花根系生长的互馈关系，并确定适宜的灌水定额；以此为基础，研究棉花各生育期不同土壤水分下限阈值下土壤水分动态与作物产量的响应机制，以棉花产量及水分生产率为多元目标确定棉花灌溉制度的最优解，为干旱区棉田精准灌溉提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验观测在2023年4月至2024年10月进行，在南疆塔里木灌区及其阿拉尔现代农业院士专家工作站分别开展现状灌溉制度棉花生长状况调研与不同灌溉水平下棉花灌溉制度试验研究。试验区属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，昼夜温差大，常年干旱少雨，地表蒸发强烈。多年平均降水量为50 mm，年蒸发量约2 200 mm，全年≥10 ℃的有效积温约4 000 ℃，无霜期220 d左右，近5 a平均地下水埋深为4.74 m，土壤质地为砂壤土。新疆棉花种植模式以宽窄行和等行距为主，其中宽窄行应用面积广泛、产量较优^［14-15］。

试验期间的气象数据来自阿拉尔国家气象站，棉花生育期内的降雨量、最高气温、最低气温及参考作物腾发量（ET_o）见图1。

1.2 试验设计

1.2.1 棉花现状灌溉制度调研

2023年在南疆塔里木灌区开展现状灌溉制度下棉花生长状况调研，选择灌溉定额差异比较大的3个代表性样点S1、S2、S3，基本能代表该灌区田间灌溉量多寡情况。各样点棉花品种均为“塔河2号”，为南疆棉花主栽品种；宽窄行配置10 cm+66 cm+10 cm，滴灌带布置方式为一膜三带六行，膜宽200 cm，膜间距33 cm。S1、S2与S3的播种日期分别为4月7日、4月15日及4月4日，收获日期皆为10月2日。按照农户经验进行施肥与灌溉管理，各样点具体灌溉制度见表1。

1.2.2 不同灌溉水平下棉花灌溉制度试验

2024年在阿拉尔现代农业院士专家工作站进行不同灌溉水平下棉花灌溉试验，设置24、30、36、45 mm等4个灌水定额，每个处理3次重复，共计12个小区，按照完全随机区组设计进行田间布置。试验小区长14 m，宽11 m，面积为154 m²。供试棉花品种为“塔河2号”，本研究的种植模式与现状调研种植模式相同。因选择试验地为盐碱土，采用干播湿出方法易造成在棉种周围盐分聚集对出苗不利，为保证苗齐苗壮，采用覆膜春灌的非生育期盐分淋洗模式，洗盐定额为80 m³/（667 m²）。棉花播种日期为2024年4月30日，收获日期为10月12日。播前施50 kg/（667 m²）磷酸二铵作为基肥；进入蕾期后随水滴施尿素及滴灌肥（N、P₂O₅和K₂O总养分量≥60%）。喷药管理及其他农艺措施参照当地经验，具体灌溉制度见表2。

1.3 观测指标及方法

采用烘干称重法每10 d测定土壤的质量含水率。

冠层覆盖度（CC）代表冠层的发育程度。在小区选取3株代表性植株并标记，平均每10 d人工测量植株叶片的最大长度和宽度，结合种植密度以推求叶面积指数（LAI），尔后通过LAI计算CC，具体计算公式为：

\mathrm{C}\mathrm{C}=\mathrm{1.005}\times (\mathrm{1}-{\mathrm{e}}^{-\mathrm{0.6}\mathrm{L}\mathrm{A}\mathrm{I}}{)}^{\mathrm{1.2}}（1）

地上部生物量平均每10 d测量1次，在小区随机选择3株长势均匀的棉花，采用烘干法测定其干物重。在棉花吐絮率超过90%时，各小区随机选取3个2.33 m×2.00 m测产样方摘取棉花，经自然风干后称重，尔后折算为单位面积产量（Y）。

水分生产率（WUE）反映作物生产过程中的能量转化效率，其计算公式为：

\mathrm{W}\mathrm{U}\mathrm{E}=Y/(\mathrm{10}\mathrm{E}\mathrm{T})（2）

式中：Y为籽棉产量，t/hm²；ET为作物实际耗水量，mm。

1.4 AquaCrop模型简介

AquaCrop模型是一种针对干旱地区农作物水分利用效率进行模拟评估的模型，模型揭示作物水分响应机制，有助于制定水分亏缺条件下的灌溉制度；且模型所需输入参数少，通用性较强。通过生物量和收获指数来模拟作物生产力水平，生物量是通过作物冠层及根系生长模拟获得，量化叶片衰老过程，减少因为叶面积指数等不确定性造成的误差。

1.5 灌溉制度情景方案制定

本研究设定棉花土壤水分下限阈值范围为蕾期50%~70%FC、花铃期65%~80%FC、吐絮期55%~75%FC（FC为田间持水量），以每次5%~10%的变化幅度确定不同生育期适宜的灌溉下限（表3）。对各生育期设定土壤水分下限采用随机组合方法确定不同的灌溉制度情景，利用校验后模型模拟不同灌溉制度情景下的棉花生长动态，当根区土壤含水量下降到设定阈值时，且兼顾未来几天不会发生降水或大风情况下，按照设定灌水定额进行适时灌溉，在对灌溉时间、灌溉量及其产量等模拟结果相同情景进行合并后，最终得到14种有效灌溉制度情景方案。

1.6 数据分析与模型评价

本研究的数据处理、分析与图表绘制均在Excel 2021软件中完成。为评价校验后模型模拟精度，采用决定系数（R²）、一致性系数（d）、均方根误差（RMSE）和标准均方根误差（NRMSE）对模型进行评价。R²和d越接近1，RMSE和NRMSE越小，说明模型模拟效果越好，数据越接近实测值。

2 结果与分析

2.1 模型校正与验证

为确保率定后模型能满足不同灌溉制度下棉花生长及土壤含水率变化过程的模拟需要，本研究利用2024年不同灌溉水平下各处理的冠层覆盖度、地上部生物量、土壤含水量及产量等实测数据对模型的参数进行率定，并利用2023年调研现状灌溉制度下棉花生长数据对模型的参数进一步验证，经调试后的参数值见表4。

2024年模型率定下棉花冠层覆盖度模拟情况分别见图2和表5。不同处理棉花的冠层覆盖度变化的趋势基本相同，棉花在开始播种后至40 d内缓慢生长，随后进入快速生长阶段，逐渐达到最大值并趋于稳定，尔后随着植物的冠层逐渐衰老，冠层覆盖度逐渐降低。不同处理冠层覆盖度模拟值与实测值之间的R²、d、RMSE和NRMSE分别为0.93~0.97、0.88~0.91、3.58%~4.61%和3.91%~5.77%；所有处理的模拟值与实测值之间的R²、d、RMSE及NRMSE分别为0.90、0.93、4.05%和4.69%，模型模拟误差较小，模拟值能反映冠层覆盖度在生育期内的变化过程。

由图3可知，棉花生长过程中利用光合作用积累生物量，其各部分生理器官在同化作用的条件下进行生长发育，在播种后第130 d左右累计到最大值并趋于稳定。由表5可知，棉花地上部生物量不同处理模拟值与实测值之间的R²、d、RMSE及NRMSE分别为0.88~0.98、0.93~0.98、0.93~1.24 t/hm²和8.73%~17.26%；所有处理的模拟值与实测值之间的R²、d、RMSE及NRMSE分别为0.92、0.96、1.04 t/hm²和13.82%，生物量模拟值与实测值的增减趋势一致，模拟值能反映生物量在生育期内的变化过程，且生物量与灌水定额呈明显的正相关。

由图4可见，土壤含水量的模拟值与实测值比较接近，土壤含水量随着灌水定额的增大而增加。由表5可知，不同处理土壤含水率模拟值与实测值之间的R²、d、RMSE及NRMSE分别为0.73~0.91、0.93~0.97、0.67%~2.34%、6.82%~14.53%；所有处理之间的R²、d、RMSE和NRMSE分别为0.83、0.95、1.49%和11.92%。

由图5和表5可知，不同处理棉花籽棉产量实测值与模拟值之间的R²、d、RMSE和NRMSE分别为0.97、0.99、0.20 t/hm²和3.4%，模拟误差较小。可见，经率定后对棉花的冠层覆盖度、生物量、土壤含水率和产量总体拟合度较好，各指标模拟精度都>82%。

图6为2023年现状灌溉制度下模型验证得到的棉花生长状况调研数据实测值与模拟值对比，校验的统计参数见表6。各调研点冠层覆盖度模拟值与实测值之间的R²、d、RMSE及NRMSE分别为0.90~0.93、0.63~0.92、0.86%~0.96%、0.90%~1.00%；所有调研点模拟值与实测值的R²、d、RMSE及NRMSE分别为0.92、0.92、0.83%、0.87%。所有调研点生物量和产量模拟值与实测值之间的R²均不小于0.9，NRMSE不大于12.26%，模拟精度较好。各调研点土壤含水率模拟值与实测值之间的R²、d、RMSE及NRMSE分别为0.72~0.84、0.83~0.95、0.91%~1.65%、4.56%~8.03%；所有调研点模拟值与实测值之间的R²、d、RMSE及NRMSE分别为0.74、0.92、1.40%、7.05%。所有调研点产量的模拟值与实测值之间的R²、d、RMSE及NRMSE分别为0.97、0.89、0.20 t/hm²、2.84%，模拟值相比于实测值较高。针对所有调研点各指标模拟精度都>87%，进一步验证率定后各参数较为可靠。

综上，模型经校验后，膜下滴灌棉花冠层覆盖度、生物量、土壤含水率和产量模拟值与实测值之间的评价指标R²均不<0.74，NRMSE均<14.93%，说明经校验后的模型能较好地模拟膜下滴灌棉花水分与产量响应关系，可利用经校验模型开展南疆棉花灌溉制度优化研究。

2.2 适宜灌水定额的确定

棉花根系主要活动层会随生育期发生动态变化，从苗期的0.2 m逐步扩展至花铃期的0.8 m左右^［16］。在膜下滴灌条件下，灌溉影响范围主要集中在0~0.6 m土层范围内^［17］。李少昆等^［18］对棉花根系分布的研究表明，在适宜灌溉下棉花根系根量的垂直分布呈现出自地表向下逐步增加的趋势，在0~0.5 m土层中的根量占比已达90%以上。当灌溉湿润范围覆盖足够比例的根量时，土壤水分在根系分布区域能形成相对稳定且适宜的水分环境，为棉花生长所需水分提供保障。综合膜下滴灌影响范围与棉花根系分布特征，本研究将0~0.6 m作为棉花的有效根系层深度。

南疆棉花生育期适逢用水高峰期，受渠系供水能力及水资源短缺等因素限制，农田灌溉以地表水轮灌为主，遵循统一申请、统一灌溉的原则，轮灌周期为5~7 d^［19］。在兼顾南疆地表水轮灌周期实际情况，通过分析24、30、36、45 mm等不同灌水定额下棉花各生育期灌溉前及灌溉翌日土壤水分的入渗动态，以灌溉能否有效入渗至棉花主要根系分布层且渗漏损失较少为原则，确定膜下滴灌棉花的适宜灌水定额。

由图7可知，灌溉后各深度土层的土壤含水率增大，且增幅与灌水定额呈正相关。蕾期棉花根系主要分布在0~0.3 m，在灌溉量分别为24、30、36、45 mm的条件下，灌水翌日在0~0.3 m土层土壤水分体积分数分别增加2.9%、3.1%、5.0%和5.4%。在30、36、45 mm灌溉条件下，0.3~0.5 m土层土壤水分体积分数分别增加2.0%、2.7%和5.5%。24 mm灌溉条件下增加较少，在深层土壤的增加值较低，仅能在浅层土壤中提供有限的水分供给，在蕾期可以满足棉花生长需求；45 mm灌溉条件下，0.3~0.5 m土层的水量增加较多，超出棉花根系需水范围且存在深层渗漏风险。

花铃期棉花根系已扩展至0.8 m，但棉花根系仍主要分布在0~0.6 m。在灌溉量分别为24、30、36、45 mm的灌溉条件下，花铃期灌水翌日0~0.6 m土层土壤水分体积分数分别提升至11.1%、13.3%、15.4%和15.9%。灌水定额为36、45 mm的水分增量差异较小，当灌水定额为24、30 mm时，棉花主要根系层的土壤水分体积分数低于60%FC，棉花存在缺水风险。花铃期是棉花的关键生育期，缺水会抑制棉铃发育，导致棉花严重减产和品质下降，因此，花铃期大定额的灌溉有助于保证棉花生长的用水需求。

吐絮期随着灌水定额的增加，土壤水分分布的垂直距离增加，土壤湿润区域增大。与灌水前日相比，灌溉量分别为24、30、36、45 mm的灌溉条件下，土壤水分体积分数在0~0.6 m分别增加至11.5%、14.7%、18.1%和22.2%。当灌水定额<24 mm时，棉花灌水翌日主要根系层的土壤水分体积分数为51%FC，此时缺水易引发棉铃提前开裂，不仅限制铃重和纤维发育，而且会降低产量。当灌水定额为45 mm时，棉花灌水翌日主要根系层的土壤水分体积分数达99%FC，超出棉花用水需求，水分过大会导致棉铃贪青晚熟，影响采收。

综上所述，受制于南疆轮灌周期，在灌水定额不大于30 mm时，随着棉花需水增加，特别是在花铃期与吐絮期等需水关键期，会造成潜在缺水危机，不利于棉花正常生长；灌水定额达45 mm时，灌溉入渗超出棉花各生育期主要根系分布范围，渗漏损失风险增加；而灌水定额为36 mm时，灌水量入渗在主要根系分布范围内，该范围内土壤墒情能满足棉花各需水关键期水分供给需求。综合考虑各生育期棉花根系分布特征及其关键生育期需水要求，本研究确定36 mm为适宜的灌水定额。

2.3 膜下滴灌棉花灌溉制度优化

以研究确定的适宜灌水定额为基础，利用经校验后模型，模拟不同灌溉制度情景方案下棉花产量与水分响应关系见表7。不同灌溉制度情景对产量和水分生产率的影响存在显著差异，棉花产量为5.875~7.476 t/hm²，水分生产率为1.177~1.272 kg/m³；W1处理的产量最低，为5.875 t/hm²，W6处理产量最高为7.476 t/hm²；W4处理的水分生产率最小，达1.177 kg/m³；W12处理的水分生产率最大，为1.272 kg/m³。

在新疆干旱气候下，棉花收获后土壤储水量因蒸发而无效损耗。在灌溉量相同时，以产量最大作为灌溉制度优化标准；在灌溉量不同时，兼顾区域水资源紧缺实际情况下，以产量较高作为灌溉制度优化标准。当灌溉定额为360 mm时，其耗水量、产量、水分生产率分别为498 mm、5.875 t/hm²、1.179 kg/m³。当灌溉定额为396 mm时，W2为适宜灌溉制度，相应地其耗水量、产量、水分生产率分别为534 mm、6.637 t/hm²、1.243 kg/m³。当灌溉定额为432 mm时，W11为适宜灌溉制度，相应地其耗水量、产量、水分生产率分别为562 mm、7.082 t/hm²、1.260 kg/m³。在灌溉定额为468 mm时，W6为适宜灌溉制度，其耗水量、产量及水分生产率分别为594 mm、7.476 t/hm²、1.259 kg/m³。根据上述不同灌溉量选择相应的适宜灌溉制度，在水资源紧缺情况下，蕾期土壤水分阈值下限可适度降低至60%FC，花铃期土壤水分阈值下限不低于65%FC，而吐絮期土壤水分阈值下限可降低至55%FC，如W2；在水资源限制不明显情况下，建议选择W6，蕾期、花铃期及吐絮期的土壤水分阈值下限分别为70%FC、75%FC、55%FC。根据不同灌溉定额下的适宜灌溉制度及其对应适宜土壤水分下限表明，花铃期和蕾期为棉花需水关键期，而吐絮期为棉花非需水关键期。

3 讨论

3.1 适宜灌水定额的合理性

在棉花灌水定额相关研究中，刘新永等^［20］研究指出，在充分灌溉下棉花蕾期、花铃期、盛铃期的灌水定额分别为40、50、35 mm；范军亮等^［21］在南疆棉花产量品质和水肥利用效率研究中采用30~50 mm的灌水定额；南疆现状灌溉制度调查成果中，现状灌水定额在28~47 mm（表1）。本研究表明，因受制于示范区在棉花生育期来水量多寡及其相应渠道供水能力，考虑现状5~7 d轮灌周期实际情况，采用36 mm定额在灌水翌日在垂直剖面上土壤湿润了主要根系范围内，呈现先增大后减小的典型分布特征，与CHEN等^［22］揭示的根区水分空间分布规律一致。同时，有研究^［23］表明，37.5 mm灌水定额有助于减少盐分积累。可见，灌水定额为36 mm与现状灌水定额范围内相符合，且能满足棉花蕾期、花铃期及吐絮期等各个生育时段需水要求，在有效淋洗根区土壤盐分的同时，还可以降低渗漏损失的风险。

3.2 考虑土壤水分适宜下限阈值的灌溉制度优化

南疆是棉花的主产区，为应对新疆严峻的水资源短缺形势，棉花各生育阶段土壤水分适宜下限阈值研究一直是广大学者关注的重点研究方向。李彦等^［24］以棉花产量和水分利用效率较高为评价标准，得到棉花蕾期、花铃期及吐絮期适宜的土壤水分下限阈值分别为65%~70%FC、75%~85%FC、55%~65%FC；申孝军等^［25］研究表明，30 mm定额下花铃期灌水下限75%FC的灌溉设置更加高效；齐文婷等^［26］通过分析不同土壤水分下限阈值下新疆棉花光合效率及产量形成机制表明，棉花蕾期、花铃期的适宜土壤水分下限阈值均为70%~75%FC；HE等^［27］虽建议南疆棉花种植土壤水分下限为75%FC，但对棉花整个生育期仅界定单一水分下限，可能因忽视不同生育期需水差异而造成水分浪费。综合来看，本研究确定的棉花适宜土壤水分下限阈值与上述研究结果基本相符，同时结合区域水资源差异，细化了南疆棉花各生育时段的适宜土壤水分下限阈值，为区域不同水资源条件下棉花水分精准管理提供明确依据。

从水分调控机制来看，各生育期水分下限阈值对棉花生长的影响存在显著差异。蕾期是棉花生长和发育的并进时期，耗水量逐渐增加。在W1~W3情景下，当花铃期和吐絮期水分下限不变，蕾期水分下限由50%FC提高至70%FC时，产量增幅达19.6%，但若维持50%FC，产量在5.875~6.678 t/hm²，相较于其他情景产量较低，说明50%FC的下限可能因水分胁迫限制棉花后期生长潜力，提升蕾期水分下限可为棉花前期生长和结铃储备奠定基础。花铃期历时较长，是棉铃发育和纤维形成的核心阶段，对水分胁迫最敏感，由W3、W6和W9情景可知，在其他生育阶段土壤水分下限阈值保持不变时，花铃期水分下限从65%FC升至75%FC，产量增幅达6.3%，WUE提高0.003 kg/m³，但进一步提升花铃期土壤水分下限阈值至80%时，棉花产量降低1.6%，反而因灌溉量增加，引发边际效益递减，说明花铃期存在最优水分阈值区间，过高的灌水下限会造成水资源浪费和棉花减产。吐絮期棉花生理活动衰退，耗水量减少，当蕾期和花铃期水分下限不变，吐絮期的土壤水分下限阈值由55%FC提升至65%FC时，棉花产量增加有限，相较于蕾期与花铃期，吐絮期对水分调控敏感性显著降低，产量效益超过耗水量增加的成本，甚至CHEN等^［28］研究表明，棉花吐絮期适度水分亏缺有利于稳产。由于棉花吐絮期为非需水关键期，下限控制在55%~65%FC时可满足基本稳产需求。

与现状灌溉定额相比，W2和W6均在灌溉定额的适宜范围内，且产量分别增加9.6%和19.7%，与WANG等^［29］发现的495 mm灌溉水平下棉花产量未显著下降且水分利用效率较高的结果一致，也符合LI等^［30］在砂壤土条件下推荐450~500 mm灌水量能达成水资源效率与棉花产量、品质协同提升的目标。因此，在水资源紧缺情况下，建议选择W2作为优化灌溉制度；在水资源限制不明显情况下，建议选择W6作为优化灌溉制度，通过保障需水关键期的水分供给，为提高棉花产量提供实践指导。

4 结论

1）利用实测试验数据对模型参数进行本地化，不同条件下的棉花生长及水分指标模拟值与实测值之间的统计参数可同时达到决定系数不小于0.7、标准均方根误差不大于17.26%，能够较好地模拟南疆棉花生长与水分响应关系。

2）以研究确定的南疆棉花膜下滴灌适宜灌水定额为36 mm为基础，提出在水资源紧缺条件下建议棉花蕾期、花铃期及吐絮期的土壤水分下限分别为60%FC、65%FC、55%FC；在水资源状况限制不明显情况下，蕾期、花铃期及吐絮期的土壤水分阈值下限分别为70%FC、75%FC、55%FC。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2022YFD1900504)

山东省重点研发计划(2024CXGC010912)

新疆维吾尔自治区塔里木河流域管理局项目(145B2021)