智能化膜下滴灌條件下棉花灌溉制度試驗(yàn)研究

潘 渝,雷曉云,李芳松

(1.新疆水利水電科學(xué)研究院,新疆烏魯木齊830049;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,新疆烏魯木齊830052)

0 引 言

傳統(tǒng)的地面漫灌條件下,大量的土壤水分由于無(wú)效蒸發(fā)、深層滲漏而白白浪費(fèi)掉,同時(shí)土壤水分的深層滲漏抬高了地下水位,加劇了蒸發(fā)返鹽進(jìn)而導(dǎo)致土壤鹽堿化。膜下滴灌作為一項(xiàng)新的節(jié)水灌溉技術(shù),采用地表滴灌減少了土壤水分的深層滲漏,通過(guò)覆膜大大降低了棵間的無(wú)效蒸發(fā),并且利用覆膜也提高了地溫,有利于作物的生長(zhǎng)和發(fā)育,可達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的綜合效益。棉花是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要戰(zhàn)略物資,我國(guó)膜下滴灌技術(shù)主要在新疆應(yīng)用于棉花的種植上。而新疆的水資源時(shí)空分布嚴(yán)重不均,南疆極度缺水,加上又缺乏勞動(dòng)力。因此,為了使得南疆地區(qū)的農(nóng)業(yè)盡快步入可持續(xù)的發(fā)展行列,必須在該區(qū)大力研究、推廣實(shí)施集約型的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式——智能化/自動(dòng)化滴灌,以期達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。

雖然已經(jīng)有不少學(xué)者對(duì)膜下滴灌棉田的灌溉制度[1-7]作了一些研究、探討,但是對(duì)于智能化/自動(dòng)化膜下滴灌條件下的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。自2008年起,結(jié)合國(guó)家科技支撐課題“干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)研究與示范——干旱區(qū)智能化微灌關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”,課題組在庫(kù)爾勒包頭湖農(nóng)場(chǎng)棉花智能化滴灌試驗(yàn)田進(jìn)行了為期3 a的大田試驗(yàn)研究,總結(jié)了適合該條件下的棉花灌溉制度。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)智能化棉花膜下滴灌是由中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)、灌溉控制系統(tǒng)DREAM、田間遠(yuǎn)程控制終端RTU、田間自動(dòng)控制電磁閥、土壤水分傳感器、施肥檢測(cè)設(shè)備、控制電纜及相關(guān)的軟件系統(tǒng)組成的一套控制系統(tǒng)。中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)根據(jù)棉花需水規(guī)律和生長(zhǎng)情況制定合理的灌溉計(jì)劃,并將該計(jì)劃轉(zhuǎn)換成控制指令發(fā)送到對(duì)應(yīng)的田間遠(yuǎn)程控制終端RTU,RTU收到指令后開(kāi)啟或關(guān)閉對(duì)應(yīng)的電磁閥開(kāi)關(guān),實(shí)施灌溉計(jì)劃。本系統(tǒng)由一套中央監(jiān)控站、一套小型氣象站、多套R(shí)TU、多個(gè)電磁閥組成,另外還有相應(yīng)的通訊系統(tǒng)和灌溉系統(tǒng)軟件作為支撐。

該試驗(yàn)區(qū)位于庫(kù)爾勒市西南28 km處的包頭湖農(nóng)場(chǎng) ,東經(jīng) 86°08′～86°26′,北緯41°45′～ 41°56′,東鄰永豐渠,西近孔雀河。該區(qū)光照資源豐富、降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,年平均氣溫10.7℃。

耕作土壤為鹽化灰潮土,有機(jī)質(zhì)含量為1.4%～1.59%、含氮量 0.08%～0.13%、速效氮55.6 ppm、全磷0.058%～0.067%、速效磷4.45ppm、含鉀242.8 ppm、20 cm耕作層土壤含鹽量為0.47%～1.2%、pH值為7.98～8.40,棉田土壤容重為1.49 g/cm3,田間持水量為26.1%。地下水埋深約為1.5 m～2.0 m。棉田滴灌帶平均鋪設(shè)間距為1.25 m。棉花的栽培方式為一膜一管四行,滴灌帶布置于膜中間,棉花行東西方向種植,播種模式為:(25+45+25+40)cm。棉花播種期一般為4月下旬,其主要生育期詳見(jiàn)表1。灌溉水水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2,查農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB5084-92)知,pH值＜5.5～8.5,旱作鹽堿土地區(qū)礦化度＜2 g/l,所以該地區(qū)的水源水質(zhì)符合灌溉要求。

表1 棉花主要生育期

表2 水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果

1.2 研究方法

制定灌溉制度的主要依據(jù)是作物的需水規(guī)律,而影響作物對(duì)水分需求的氣象因素主要有:氣溫、蒸發(fā)量、降雨量等。這些氣象參數(shù)資料可從試驗(yàn)區(qū)田間的小型氣象站獲取。2008年的各氣象因素變化情況詳見(jiàn)圖1～圖3。由圖示易知,日平均氣溫波動(dòng)范圍:15℃～30℃,日蒸發(fā)量波動(dòng)范圍:1.8 mm/d～8.0 mm/d,降雨量稀少。

圖1 2008年棉花生育期氣溫變化

所以本試驗(yàn)在南疆地區(qū)天氣炎熱、蒸發(fā)量大、降雨稀少的條件下進(jìn)行的。主要針對(duì)棉花在全生育期的4個(gè)階段(即播種～現(xiàn)蕾、現(xiàn)蕾～開(kāi)花、開(kāi)花～吐絮、吐絮～收獲)對(duì)水分的需求進(jìn)行分析。然后根據(jù)各階段的需水規(guī)律將有限的灌溉水量進(jìn)行最優(yōu)分配,使單位面積上的棉花產(chǎn)量最高。

圖2 2008年棉花生育期水分蒸發(fā)量變化

圖3 2008年棉花生育期降雨量情況

土壤含水率監(jiān)測(cè)。根據(jù)灌水前、后采用烘干稱重法測(cè)定的土壤含水率資料,發(fā)現(xiàn)土壤的適宜含水率范圍在17%～25%之間。從土壤含水率隨深度的分布來(lái)看,土壤表層的含水率值略小于底層的,即40 cm～60 cm＞20 cm～40 cm＞0～20 cm,說(shuō)明土壤水分的消耗依然有一個(gè)從上到下變小的趨勢(shì)。土壤含水率變化情況詳見(jiàn)圖4～圖5。

圖4 試驗(yàn)地土壤含水率變化曲線(0～60 cm)

圖5 試驗(yàn)地不同土層含水率變化曲線

2 結(jié)果與分析

以2008年棉花生育期內(nèi)的灌水量、耗水量為依據(jù),分析灌水對(duì)棉花產(chǎn)量的影響。棉田灌水量、各階段的耗水情況分別見(jiàn)表3、表4。

表3 2008年棉花生育期各階段的灌水量 (單位:m3/畝)

表4 2008年棉花生育期各階段的耗水情況

李明思等[8]通過(guò)田間挖根分析發(fā)現(xiàn),膜下滴灌棉花的根系主要分布在地表0～60 cm內(nèi)的土層,棉花在出苗期對(duì)表層(0～20 cm)土壤水分要求較高,棉花發(fā)芽需要吸收土壤中的水分,此時(shí)應(yīng)該使表層土壤含水率達(dá)到田間持水量的80%左右,而在下部。在苗期,總的土壤含水率一般應(yīng)控制在田間持水量的65%以上。

參考表4可知,現(xiàn)蕾期,由于氣溫升高,植株生長(zhǎng)迅速,葉面積系數(shù)增大,營(yíng)養(yǎng)和生殖生長(zhǎng)并進(jìn),需水量增多。此時(shí)總的土壤含水率應(yīng)控制在田間持水量的70%以上。

結(jié)合表3～表4知,花鈴期是棉花需水的高峰期,適宜的土壤水分對(duì)于保蕾、成鈴起到承上啟下的增產(chǎn)作用,這時(shí)期氣溫最高,葉面積系數(shù)最大,騰發(fā)量也大,所以這個(gè)階段的需水量也最大。如果缺水可致使鈴脫落,影響產(chǎn)量?；ㄢ徠诘耐寥篮首詈帽３衷谔镩g持水量的70%以上。

吐絮期是棉花的衰老期,需水量較少,這個(gè)時(shí)期如果水分高,棉纖維增長(zhǎng),但衣分率減少。所以這個(gè)時(shí)期的土壤含水率應(yīng)控制在田間持水量的65%為宜。

根據(jù)以上分析制定出了適宜當(dāng)?shù)刂悄芑喂鄺l件的優(yōu)化灌溉制度,見(jiàn)表5。采用這種灌溉制度在智能化滴灌示范區(qū)進(jìn)行了2 a(2009年～2010年)的定點(diǎn)試驗(yàn),實(shí)際畝產(chǎn)量均達(dá)到400 kg籽棉,比前幾年提高產(chǎn)量10%～20%。取得了顯著的節(jié)水增產(chǎn)的效果。

表5 適宜當(dāng)?shù)氐喂鄺l件的優(yōu)化灌溉制度

3 結(jié) 論

本文對(duì)智能化滴灌示范區(qū)的技術(shù)資料進(jìn)行分析,得出了可以在條件類似的地區(qū)推廣運(yùn)用的智能化/自動(dòng)化滴灌的優(yōu)化灌溉制度,見(jiàn)表5。這是根據(jù)棉花不同生育期需水量不同的實(shí)際情況制定的一種按需配水的優(yōu)化灌溉制度。并且經(jīng)過(guò)2 a的試驗(yàn)驗(yàn)證,取得了明顯的節(jié)水增產(chǎn)的效果。

目前新疆仍處于經(jīng)濟(jì)落后地區(qū),全面推行智能化滴灌的條件還不夠成熟,但是在已經(jīng)建設(shè)的示范區(qū)內(nèi)獲取的寶貴資料是有意義的,可供未來(lái)進(jìn)行該方面的研究、技術(shù)推廣參考。

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