基于土壤水勢的棉花滴灌預警模型研究

周莉薇 張強 張國龍 張澤

摘要[目的]研究膜下滴灌棉花不同土層深度土壤水勢變化及與棉花功能葉片水勢之間的關(guān)系，實現(xiàn)土壤水分的實時監(jiān)測。[方法]利用水勢測定儀測定土壤水勢，并建立基于土壤水勢的棉花滴灌預警模型。[結(jié)果]土壤水勢在20～40 cm土層變化幅度較大，土壤水勢（x）與棉花功能葉的凌晨葉水勢（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）。通過田間驗證預測精度較高（R2=0.945 7）。 [結(jié)論]該研究為膜下滴灌棉花灌溉補水和水分實時監(jiān)測預警提供參考。

關(guān)鍵詞滴灌；棉花；水勢；預警；模型

中圖分類號S275.6文獻標識碼

A文章編號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)過多年的發(fā)展和開發(fā)，新疆棉區(qū)具備較為先進、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97%[2]。近年來，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發(fā)帶來的經(jīng)濟水平突飛猛進，城市居民生活用水和工農(nóng)業(yè)用水數(shù)量急劇增加，水資源浪費現(xiàn)象嚴重，導致水資源供應明顯不足[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移規(guī)律，對棉花生長發(fā)育、水分的實時監(jiān)測和灌溉用水計劃具有一定的指導意義，能夠有效地指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[4-6]。筆者通過研究膜下滴灌棉花不同土層深度土壤水勢變化與棉花功能葉片水勢之間的關(guān)系，研究其變化規(guī)律，建立基于土壤水勢的棉花滴灌預警模型，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉補水計劃提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗地概況試驗在新疆石河子國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)進行，園區(qū)位于天山北麓，地處準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。該地年降雨量僅180.5 mm，蒸發(fā)量1 534.4 mm，無霜期166 d，年平均日照時數(shù)2 784 h。試驗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試驗材料

棉花品種為新陸早62號。

1.3試驗方法試驗于2015年4月15日播種，播種密度為225萬株/hm2，播種深度為3 cm。根據(jù)目前大田棉花生產(chǎn)實際肥料用量，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。試驗地種植方式為棉花連作，東西走向，兩頭設(shè)置保護行。采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，其他田間管理均按高產(chǎn)栽培要求進行。

1.4測定項目與方法土壤水勢的測定使用TRS-Ⅱ 數(shù)顯土壤水勢測量儀。土壤水勢計算公式：

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

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

使用小液流法測定棉花倒4葉葉片水勢值，測定時間為11∶00—13∶00。

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

2結(jié)果與分析

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

可以看出，不同采樣時期土壤水勢之間均具有顯著差異，同時7月14日采樣的土壤水勢與7月8日、7月10日、7月12日采樣的土壤水勢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影響棉花的正常生長發(fā)育，此時需要生產(chǎn)管理者進行及時的灌溉補水。

2.2土壤水勢與凌晨葉水勢的關(guān)系

可知，土壤水勢（SWP，x）與棉花功能葉的凌晨葉片水勢（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值小于以上數(shù)值，則棉花不能正常生長，甚至影響棉花的生長發(fā)育。根據(jù)各個生育期的需水臨界土壤水勢值，可以進行膜下滴灌棉花的土壤水分實時監(jiān)測?？梢詫⑼翆由疃?～20和20～40 cm的土壤水勢值作為棉花灌溉措施的標準，當土壤實際水勢小于該值時，則應采取適當?shù)拇胧┻M行補水灌溉，以保證棉花的水分需求。

2.3基于土壤水勢的棉花滴灌預警模型驗證

基于2016年測定的棉花全生育期土壤水勢值和葉片臨界水勢值，進行預測模型的驗證，結(jié)果表明，R2=0.945 7，RMSE=0.271（圖3）。因此，基于土壤水勢預測棉花水分情況的此種方法可靠度較高，是實時監(jiān)測棉花水分的一種新方法。

3結(jié)論

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

（2）膜下滴灌棉花土層深度為0～20 cm時，土壤需要灌溉補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，土壤需要灌溉補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。以上各個數(shù)值可以作為棉花水分虧缺的重要指標以指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉。

（3）土壤水勢（x）與棉花功能葉的凌晨葉水勢（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，通過實際驗證，