基于土壤水勢(shì)的棉花滴灌預(yù)警模型研究

周莉薇 張強(qiáng) 張國(guó)龍 張澤

摘要[目的]研究膜下滴灌棉花不同土層深度土壤水勢(shì)變化及與棉花功能葉片水勢(shì)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)土壤水分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。[方法]利用水勢(shì)測(cè)定儀測(cè)定土壤水勢(shì)，并建立基于土壤水勢(shì)的棉花滴灌預(yù)警模型。[結(jié)果]土壤水勢(shì)在20～40 cm土層變化幅度較大，土壤水勢(shì)（x）與棉花功能葉的凌晨葉水勢(shì)（y）之間的關(guān)系：0～20 cm土層的方程式為y=-0.000 7x2-0.028 3x-1.394 3（R2=0.964 3），20～40 cm土層的方程式為y=-0.000 8x2-0.046 6x-1.8 093（R2=0.948 2）。通過(guò)田間驗(yàn)證預(yù)測(cè)精度較高（R2=0.945 7）。 [結(jié)論]該研究為膜下滴灌棉花灌溉補(bǔ)水和水分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考。

關(guān)鍵詞滴灌；棉花；水勢(shì)；預(yù)警；模型

中圖分類號(hào)S275.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2017）10-0113-02

Study on Warning Model of Cotton Drip Irrigation Based on Soil Water Potential

ZHOU Liwei1，ZHANG Qiang2，ZHANG Guolong2，ZHANG Ze2*（1.Huili Irrigation Polytron Technologies Inc，Shihezi，Xinjiang 832003；2.Shihezi Hao Fengde Technology Co.Ltd.，Shihezi， Xinjiang 832003）

Abstract[Objective] To study the relationship between soil water potential changes of cotton under mulched dip irrigation in different soil depth and water potential of cotton function leaf，and realize the realtime monitoring of soil moisture.[Method] Soil water potential was measured using water potential instrument，and early warning model of cotton drip irrigation based on soil water potential was established.[Result] Change amplitude of soil water potential （SWP） was maximum in soil layer of 20-40 cm，and the relationship between soil water potential （x） and leaf water potential of function leaves （y） in the morning：equation in 0-20 cm soil layer for y=0.000 7x2-0.028 3x-1.394 3 （R2=0.964 3），equation in 20-40 cm soil layer for y=0.000 8x2-0.046 6x-1.809 3（R2=0.948 2）.Through the field validation prediction accuracy was higher （R2=0.945 7）.[Conclusion] The study can provide theoretical reference for filling water and realtime monitoring and early warning.

Key wordsDrip irrigation；Cotton；Water potential；Warning；Model

新疆植棉區(qū)屬于半干旱地區(qū)，具有豐富充足的自然光熱資源。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和開(kāi)發(fā)，新疆棉區(qū)具備較為先進(jìn)、完善的膜下灌溉體系和技術(shù)[1]。目前新疆飲用的水資源中，農(nóng)業(yè)用水比例位居首位，達(dá)97%[2]。近年來(lái)，由于新疆工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展、人口數(shù)量的逐步增加以及西部大開(kāi)發(fā)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)水平突飛猛進(jìn)，城市居民生活用水和工農(nóng)業(yè)用水?dāng)?shù)量急劇增加，水資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致水資源供應(yīng)明顯不足[3]。因此水資源成為目前農(nóng)業(yè)發(fā)展急需考慮的重要因素，了解和掌握棉田土壤水分的變化運(yùn)移規(guī)律，對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育、水分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和灌溉用水計(jì)劃具有一定的指導(dǎo)意義，能夠有效地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[4-6]。筆者通過(guò)研究膜下滴灌棉花不同土層深度土壤水勢(shì)變化與棉花功能葉片水勢(shì)之間的關(guān)系，研究其變化規(guī)律，建立基于土壤水勢(shì)的棉花滴灌預(yù)警模型，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉補(bǔ)水計(jì)劃提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況試驗(yàn)在新疆石河子國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)進(jìn)行，園區(qū)位于天山北麓，地處準(zhǔn)噶爾盆地南部的沙漠和綠洲交界帶，常年干旱少雨，光熱資源充足。該地年降雨量?jī)H180.5 mm，蒸發(fā)量1 534.4 mm，無(wú)霜期166 d，年平均日照時(shí)數(shù)2 784 h。試驗(yàn)地土壤類型屬于灰漠土，土壤質(zhì)地為砂壤土。耕層0～30 cm基本養(yǎng)分情況：有機(jī)質(zhì)含量25 g/g，堿解氮含量83 mg/kg，速效磷含量32 mg/kg，速效鉀含量287 mg/kg，田間持水量22.13%。

1.2試驗(yàn)材料

棉花品種為新陸早62號(hào)。

1.3試驗(yàn)方法試驗(yàn)于2015年4月15日播種，播種密度為225萬(wàn)株/hm2，播種深度為3 cm。根據(jù)目前大田棉花生產(chǎn)實(shí)際肥料用量，以K2O 51%作為基肥。氮肥（250 kg N/hm2）以尿素施入，全部作為追肥隨水滴施。小區(qū)面積為49.2 m2（8.00 m×2.05 m×3），膜寬2.05 m，行距為60 cm，株距12 cm。試驗(yàn)地種植方式為棉花連作，東西走向，兩頭設(shè)置保護(hù)行。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其他田間管理均按高產(chǎn)栽培要求進(jìn)行。

1.4測(cè)定項(xiàng)目與方法土壤水勢(shì)的測(cè)定使用TRS-Ⅱ 數(shù)顯土壤水勢(shì)測(cè)量?jī)x。土壤水勢(shì)計(jì)算公式：

土壤水勢(shì)（kPa）=[水勢(shì)讀數(shù)（cm）-探頭水柱高（cm）]/10.2

式中，10.2為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，探頭水柱高為水勢(shì)探頭到橡皮塞的垂直高度。

使用小液流法測(cè)定棉花倒4葉葉片水勢(shì)值，測(cè)定時(shí)間為11∶00—13∶00。

1.5數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003軟件進(jìn)行整理和回歸分析，并采用SPSS進(jìn)行方差分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同土層土壤水勢(shì)變化從表1可以看出，7月8—14日40～60 cm土層的水勢(shì)變化幅度較小，20～40 cm土層的水勢(shì)變化幅度較大，這表明0～40 cm土層土壤水勢(shì)變化受棉花蒸騰作用和土壤蒸散作用的影響較大，0～40 cm土層的水勢(shì)值更能實(shí)時(shí)地反映土壤水分虧缺情況。因此，通過(guò)測(cè)定該范圍土壤的水勢(shì)值能夠準(zhǔn)確地反映土壤水分對(duì)棉花植株的有效性，從而指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉用水。

可以看出，不同采樣時(shí)期土壤水勢(shì)之間均具有顯著差異，同時(shí)7月14日采樣的土壤水勢(shì)與7月8日、7月10日、7月12日采樣的土壤水勢(shì)之間具有極顯著差異。這表明7月14日的土壤墑情發(fā)生了較大變化，如不采取一定的措施則會(huì)影響棉花的正常生長(zhǎng)發(fā)育，此時(shí)需要生產(chǎn)管理者進(jìn)行及時(shí)的灌溉補(bǔ)水。

2.2土壤水勢(shì)與凌晨葉水勢(shì)的關(guān)系

可知，土壤水勢(shì)（SWP，x）與棉花功能葉的凌晨葉片水勢(shì)（PLWP，y）之間的關(guān)系：0～20 cm土層的方程式y(tǒng)=-0.000 7x2-0.028 3x-

這表明在棉花的不同生育期，如果不同土層的土壤水勢(shì)值小于以上數(shù)值，則棉花不能正常生長(zhǎng)，甚至影響棉花的生長(zhǎng)發(fā)育。根據(jù)各個(gè)生育期的需水臨界土壤水勢(shì)值，可以進(jìn)行膜下滴灌棉花的土壤水分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?？梢詫⑼翆由疃?～20和20～40 cm的土壤水勢(shì)值作為棉花灌溉措施的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)土壤實(shí)際水勢(shì)小于該值時(shí)，則應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行補(bǔ)水灌溉，以保證棉花的水分需求。

2.3基于土壤水勢(shì)的棉花滴灌預(yù)警模型驗(yàn)證

基于2016年測(cè)定的棉花全生育期土壤水勢(shì)值和葉片臨界水勢(shì)值，進(jìn)行預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證，結(jié)果表明，R2=0.945 7，RMSE=0.271（圖3）。因此，基于土壤水勢(shì)預(yù)測(cè)棉花水分情況的此種方法可靠度較高，是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)棉花水分的一種新方法。

3結(jié)論

（1）7月8—14日土壤水勢(shì)在20～40 cm土層變化幅度較大，其次是0～20 cm，40～60 cm土層土壤水勢(shì)變化幅度較小，因此0～40 cm土層土壤水勢(shì)可用來(lái)反映土壤墑情變化。

（2）膜下滴灌棉花土層深度為0～20 cm時(shí)，土壤需要灌溉補(bǔ)水的需水臨界值在棉花的花前期、花鈴期、吐絮期分別

為34.9、-40.2、-45.0 kPa；土層深度為20～40 cm時(shí)，土壤需要灌溉補(bǔ)水的需水臨界值在棉花的花前期、花鈴期、吐絮期分別為43.3、-49.1、-54.0 kPa。以上各個(gè)數(shù)值可以作為棉花水分虧缺的重要指標(biāo)以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉。

（3）土壤水勢(shì)（x）與棉花功能葉的凌晨葉水勢(shì)（y）之間的關(guān)系：0～20 cm土層的方程式為y=-0.000 7x2-

0.028 3x-1.394 3（R2=0.964 3），20～40 cm土層的方程式為y=

-0.000 8x2-0.046 6x-1.809 3（R2=0.948 2），相關(guān)系數(shù)均較大，通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，