RZWQM2模型模擬地膜覆蓋時(shí)間對南疆棉田水分利用效率及產(chǎn)量的影響

夏 文，林 濤，褚曉升，丁奠元，顏 安，爾 晨，湯秋香,※

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/棉花教育部工程研究中心，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，烏魯木齊830091；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，楊凌 712100；4.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州 225009；5.新疆草地修復(fù)與環(huán)境信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052）

0 引 言

地膜覆蓋具有良好的增溫保墑特性，在新疆棉田中廣泛應(yīng)用，但生產(chǎn)中農(nóng)戶為了節(jié)約成本會(huì)選擇厚度小于0.01 mm的地膜進(jìn)行覆蓋[1]，增大了地膜回收的難度，回收率低[2]，難以降解的殘膜對土壤環(huán)境和作物產(chǎn)量[3]的影響日益凸顯。覆蓋降解地膜能夠減少殘膜污染，但其在使用中存在成本較高、降解時(shí)期與棉花生長規(guī)律不匹配[4]等問題，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益降低[5]。有研究表明[6-7]，全生育期覆蓋地膜會(huì)在一定程度上抑制棉花根系生長、導(dǎo)致吐絮期側(cè)根數(shù)下降、養(yǎng)分吸收率降低，且全生育期覆蓋下生育后期土壤溫度過高，會(huì)使根系呼吸受阻，加快棉花早衰。適時(shí)揭膜可抑制棉花早衰，增加根系透氣性與活性[8]，使作物產(chǎn)量與水分利用效率較全生育期覆膜分別提高13.4%和14.6%[9]。Zhao等[10]發(fā)現(xiàn)覆膜65 d對馬鈴薯產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益以及產(chǎn)投比有明顯的促進(jìn)作用。但不合適的揭膜時(shí)間會(huì)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，棉花生育前期揭膜造成土壤水分蒸發(fā)量大，表現(xiàn)為棉株生長緩慢[11]，且導(dǎo)致雜草危害，脫水脫肥嚴(yán)重[12]，地膜覆蓋時(shí)間過短和過長都會(huì)抑制產(chǎn)量的增加[13]。王海新等[14]研究表明，長時(shí)間覆膜使土壤含水率超過花生所需水量的60%~70%，不利于花生結(jié)實(shí)導(dǎo)致產(chǎn)量降低。因此平衡地膜覆蓋時(shí)間與作物生長及生態(tài)環(huán)境的關(guān)系是新疆棉田殘膜污染治理關(guān)鍵所在。

利用根區(qū)水質(zhì)模型（Root Zone Water Quality Model-version 2，RZWQM2）模擬探尋田間尺度上適宜的地膜覆蓋時(shí)間可彌補(bǔ)田間試驗(yàn)耗費(fèi)大量時(shí)間與成本的缺陷。RZWQM2模型已廣泛用于研究農(nóng)田水分和作物生長發(fā)育等方面。Fang等[15-16]利用 RZWQM2模型研究作物產(chǎn)量和水分利用效率對不同灌溉量的響應(yīng)情況，模擬結(jié)果為有限灌溉水的分配提供參考。Stulina等[17]運(yùn)用RZWQM2模型模擬作物生長季土壤剖面含水率，結(jié)果顯示模擬值與測量值平均誤差小于3.6%，模擬結(jié)果較理想。丁晉利等[18]利用RZWQM2模型較好地探究了不同耕作措施下土壤水分運(yùn)動(dòng)情況，并表明免耕的耗水量和水分利用效率最高，具有較強(qiáng)的蓄水保墑效果。Ma等[19]對RZWQM2模型進(jìn)行了參數(shù)調(diào)整，精確地模擬了2008年和2009年玉米產(chǎn)量和生物量對灌溉量的響應(yīng)，并且預(yù)測了2010年的作物生長和產(chǎn)量。丁奠元等[20]利用RZWQM2模型充分模擬了預(yù)報(bào)式灌溉條件下綠洲棉田生物量與產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)模擬值與實(shí)測值之間均無顯著差異[21]。

綜上，近年來對RZWQM2模型的研究多側(cè)重于灌溉與施肥制度方面[22-23]?，F(xiàn)階段，RZWQM2中的覆膜模塊尚無法從機(jī)理上實(shí)現(xiàn)對不同地膜覆蓋時(shí)間下棉田水分變化特征和產(chǎn)量形成過程的模擬，限制了RZWQM2在地膜覆蓋上的應(yīng)用。因此，本研究擬依據(jù)積溫學(xué)說，量化覆膜地溫對氣溫的補(bǔ)償效應(yīng)，然后利用RZWQM2模型深入分析地膜覆蓋時(shí)間對棉田水分變化過程和作物生長發(fā)育的影響機(jī)制，以期為RZWQM2模型在模擬地膜覆蓋條件下土壤水分變化與預(yù)測作物產(chǎn)量提供思路。同時(shí)，本文利用 RZWQM2模型研究在覆膜棉花栽培過程中能夠減少地膜殘留污染而且不影響覆膜效果，確保棉花穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的地膜覆蓋時(shí)間，為南疆綠洲棉田降解地膜參數(shù)和適宜地膜覆蓋時(shí)間的確立提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 田間試驗(yàn)

2016－2017 年在新疆阿瓦提棉花綜合試驗(yàn)基地（40°06 N，80°44 E，海拔1 025 m）開展試驗(yàn)。該地屬于溫帶大陸性干旱氣候，降水少（年均降水量46.4 mm）、蒸發(fā)強(qiáng)（蒸發(fā)量2 900 mm）、日照長（日照時(shí)數(shù)2 679 h），農(nóng)業(yè)生產(chǎn)完全依賴于灌溉。此外，≥10 ℃年積溫3 987.7 ℃，無霜期 211 d。2016—2017年棉花生育期內(nèi)氣溫及降水動(dòng)態(tài)變化見圖1。

試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)地膜覆蓋時(shí)間，分別為40 d（D40）、55 d（D55）、70 d（D75）、85 d（D85）、100 d（D100）和常規(guī)全生育期覆蓋（CK），隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，各處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。鋪設(shè)無色普通聚乙烯（Poly Ethylen，PE）地膜（新疆獨(dú)山子天利高新技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)），地膜寬2.05 m，采用1膜2管6行種植方式（圖2），株距11 cm，理論密度19.8 萬株/hm2。2016年，于4月8日播種，4月30日出苗，9月21日收獲，全生育期167 d；2017年，于4月15日播種，5月10日出苗，9月25日收獲，全生育期164 d。采用灌溉施肥，2016年和2017年分別在6月14日和6月17日開始灌溉，每7 d滴灌1次，全生育期共滴灌10次，灌溉量為4 352 m3/hm2。其他管理按照當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)方式進(jìn)行。

1.2 測試項(xiàng)目及方法

1.2.1 氣象數(shù)據(jù)

RZWQM2模型所需的氣象數(shù)據(jù)借助高精度自動(dòng)氣象站測定(Campbell Scientific Inc, USA)，該氣象站由CR3000數(shù)據(jù)采集器控制系統(tǒng)測量、運(yùn)算及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采用10 Hz頻率采集原始數(shù)據(jù)，并提供每30 min的均值。

1.2.2 土壤溫度

覆膜后將測量范圍?30～80 ℃，分辨率 0.1 ℃的 U盤式地溫計(jì)（Micro Lite 5032PU，Israel）埋入每個(gè)處理寬行中間膜下10 cm處；數(shù)據(jù)記錄時(shí)間從覆膜后開始至棉花收獲期結(jié)束，間隔時(shí)長為1 h。

1.2.3 有效積溫和補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算

有效氣積溫是自棉花出苗后影響其生長發(fā)育的重要因素[24]。根據(jù)積溫學(xué)說，棉花完成一個(gè)生育期內(nèi)的生長發(fā)育需要相同的有效積溫值[25-26]。有效積溫計(jì)算公式[27]如下：

式中Tcum為有效積溫，℃；T為日均氣溫（Ta）或地溫（Ts），℃；Tb為棉花生物學(xué)下限溫度（RZWQM2模型中棉花生物學(xué)下限溫度為12 ℃）。地膜覆蓋下地積溫可彌補(bǔ)同一時(shí)間內(nèi)有效氣積溫的不足，使覆膜棉花生育期較裸地棉花生育期提前。將式（1）代入式（2）計(jì)算棉花增溫補(bǔ)償系數(shù)（Km）[28]：

將計(jì)算出的補(bǔ)償系數(shù)代入式（3）得棉田地膜覆蓋地積溫補(bǔ)償氣積溫的日變化量[29]；地膜覆蓋后地溫與氣溫的比值和土壤增溫值越高，其補(bǔ)償效應(yīng)越明顯[30]，氣積溫補(bǔ)償效應(yīng)變化量的計(jì)算公式如下

式中 ΔT為覆膜地積溫每增加 1 ℃對氣積溫的補(bǔ)償值。RZWQM2模型地膜覆蓋氣溫參數(shù)可以用當(dāng)天裸地地溫加上ΔT來表示。因此，將ΔT代入式（4）可得到地膜覆蓋補(bǔ)償后的日均氣溫Ta-FM。

依據(jù)日均氣溫與最高、最低氣溫互算出覆膜后日最高與最低氣溫，生成與地膜覆蓋對應(yīng)的最高與最低氣溫?cái)?shù)據(jù)文件[27]：

式（1）～（5）中Tcum-LDA為棉花裸地氣積溫，℃；Tcum-FMA表示覆膜棉花氣積溫，℃；Tcum-FMG為覆膜棉花地積溫，℃；Tcum-LDG表示棉花裸地地積溫，℃；Tg-FM表示覆膜棉花10 cm土層日均地溫，℃；Tg-LD表示裸地10 cm土層日均地溫，℃；Ta-FM為棉花覆膜后的日均氣溫，℃；Tmax為覆膜后日最高氣溫，℃；Tmin為覆膜后日最低氣溫，℃。

1.2.4 棉花地上部生物量及產(chǎn)量

在吐絮期每小區(qū)選取具有代表性的 3株棉花，剪去棉花子葉結(jié)以下的部位[31]，105 ℃殺青60 min，85 ℃烘干至恒質(zhì)量并記錄其地上部生物量的質(zhì)量。每小區(qū)分上中下層3部分隨機(jī)取50朵棉花，曬至質(zhì)量恒定后測其單鈴質(zhì)量、籽棉產(chǎn)量。

1.2.5 土壤含水率及水分利用效率

采用烘干法測定土壤含水率。全生育期各處理每隔7 d采一次土樣，共13次，第3次取樣后1 d初次灌溉。取樣點(diǎn)位于各處理同一水平線上窄行、寬行和裸行的0～80 cm深度每20 cm一層，取平均值作為各處理的土壤含水率。水分利用效率（WUE，kg/(hm2·mm)）為籽棉產(chǎn)量與階段耗水量的比值[32]。階段耗水量 ETa（mm）為模型輸出結(jié)果。

1.3 RZWQM2模型應(yīng)用

RZWQM2模型較為常見，其原理等詳見文獻(xiàn)[15-17]。本文RZWQM2模型運(yùn)行需要將氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、作物相關(guān)參數(shù)及農(nóng)藝措施等作為初始條件輸入。2016—2018年逐日氣象數(shù)據(jù)包括最低氣溫、最高氣溫、風(fēng)速、相對濕度和降水量。利用2016—2017年CK處理土壤含水率、地上部生物量及產(chǎn)量實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，同時(shí)期其他處理相對應(yīng)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。將實(shí)測的土壤質(zhì)地、田間持水量、萎蔫系數(shù)以及初始土壤含水率等數(shù)據(jù)輸入模型，采用試錯(cuò)法調(diào)整土壤剖面水力參數(shù)的取值，分析各土層土壤含水率模擬結(jié)果，以期得到適用于南疆地區(qū)棉花地膜覆蓋栽培下的RZWQM2模型。

在土壤水分模塊參數(shù)率定驗(yàn)證后達(dá)可信區(qū)間的基礎(chǔ)上用試錯(cuò)法對作物進(jìn)行遺傳特性參數(shù)的率定。RZWQM2模型中的作物參數(shù)選用與試驗(yàn)區(qū)棉花最相近的作物品種。農(nóng)藝措施包括播種收獲日期、密度、灌水施肥管理和耕作方式。

1.4 模型評(píng)價(jià)方法

本研究通過 3個(gè)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估模型模擬效果，分別是均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）、平均相對誤差（Mean Relative Error，MRE）和一致性指數(shù)（d），反映模擬值與實(shí)測值的吻合度。RMSE和MRE的值越小，表明模擬值與實(shí)測值的差異越小，d值越接近1，模型的模擬結(jié)果越精準(zhǔn)可靠。其計(jì)算公式見文獻(xiàn)[20,33]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用DPS Version 7.05 軟件和Excel2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理與分析，采用最小顯著性差異（Least Square Difference，LSD）法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。采用 Sigmaplot Version 12.5 軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 RZWQM2模型率定和驗(yàn)證

2.1.1 棉田土壤含水率的率定與驗(yàn)證

基于CK處理2016－2017年全生育期內(nèi)0～80 cm土層的土壤剖面實(shí)測水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行模型率定（表1），模擬土壤含水率的MRE值為5.99%～14.39%，在合理范圍內(nèi)；RMSE 值為0.02～0.03 cm3/cm3；d值為0.79～0.90，均大于 0.75。總體變化趨勢為隨土壤深度的增加含水率的模擬結(jié)果越好，各指標(biāo)均表現(xiàn)出土壤含水率實(shí)測值與模擬值有較好的擬合性，表明RZWQM2模型可用于土壤含水率的模擬。率定后土壤參數(shù)如表2。

表1 率定和驗(yàn)證過程中各層土壤含水率模擬精度Table 1 Accuracy of soil water content simulation at different soil depths during calibration and validation processes

表2 土壤基本理化性質(zhì)Table 2 Basic physiochemical properties

利用率定后的土壤含水率參數(shù)，驗(yàn)證D40、D55、D70、D85和D100處理2016年和2017年全生育期內(nèi)0～80 cm土層的土壤剖面含水率，驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。其中不同深度土層的土壤含水率的MRE值2 a最小值均在60～80 cm土層，為5.90%～11.66%；對于RMSE，各驗(yàn)證處理為 0.02～0.04 cm3/cm3；對于d值，D40 處理最低，0.66～0.81，D100處理最高，0.80～0.94。以D70和D100為例，比較0～80 cm各土層土壤含水率模擬值和實(shí)測值隨時(shí)間變化情況，如圖3所示。

圖3表明，2 a各處理土壤含水率在初次灌溉前（即出苗后45 d和38 d）模擬值和實(shí)測值擬合度顯著優(yōu)于灌溉后，且表層土壤的含水率實(shí)測值與模擬值差異最大，其原因可能是上層地表水分蒸散量與水分入滲相互作用的影響較大，受降雨或灌溉量影響明顯。綜上，RZWQM2模型能夠模擬不同地膜覆蓋時(shí)間下土壤含水率變化，為下一步的棉花地上部生物量的模擬提供可用土壤含水率數(shù)據(jù)。

2.1.2 棉花地上部生物量率定與驗(yàn)證

在 RZWQM2模型驗(yàn)證土壤含水率得到較精準(zhǔn)的土壤參數(shù)的基礎(chǔ)上，調(diào)整棉花生長參數(shù)，對棉花地上部生物量進(jìn)行率定和驗(yàn)證。率定后的作物參數(shù)如表3所示。2016年和2017年棉花地上部生物量的模擬值與實(shí)測值的對比分析見表4，MRE為 13.06%～26.80%，RMSE為1 094.05～3 835.27 kg/hm2，d值為 0.70～0.93。2 a間均表現(xiàn)為D40處理各評(píng)價(jià)指標(biāo)最好，隨著地膜覆蓋時(shí)間的增加，模擬值和實(shí)測值的擬合度下降，到D100處理達(dá)到最低值后，擬合程度逐漸提高。從年際間的變化程度上看，隨著地膜覆蓋時(shí)間的增加，各評(píng)價(jià)指標(biāo)2 a間的變化幅度下降。綜上，棉花地上部生物量模擬結(jié)果表明，RZWQM2模型可以較好地模擬不同地膜覆蓋時(shí)間下棉花的生長規(guī)律。

表3 率定后作物參數(shù)Table 3 Crop parameters after calibration

表4 不同覆膜時(shí)間下棉花地上部生物量實(shí)測值與模擬值Table 4 Measured and simulated values of aboveground biomass of cotton under different mulching time

2.1.3 籽棉產(chǎn)量的率定與驗(yàn)證

借助RZWQM2模型進(jìn)行棉花產(chǎn)量的率定與驗(yàn)證，通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，各處理的模擬值與實(shí)測值具有線性關(guān)系。2016年和2017年二者回歸方程R2均為0.85（圖4），表明不同地膜覆蓋時(shí)間下產(chǎn)量模擬值和實(shí)測值呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。MRE為 5.79%～7.98%，RMSE為359.24～511.27 kg/hm2，d為0.80～0.94?？梢?，籽棉產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測值的誤差較穩(wěn)定。這表明RZWQM2模型能較好地模擬不同地膜覆蓋時(shí)間對棉花產(chǎn)量的影響。

綜上，通過對模型土壤水分模塊、作物生長模塊的率定與驗(yàn)證證明 RZWQM2模型可以較精確地模擬不同地膜覆蓋時(shí)間下棉田土壤水分和棉花地上部生物量及產(chǎn)量的變化情況，可用于探索南疆地區(qū)適宜棉花生長的地膜覆蓋時(shí)間。

2.2 地膜覆蓋時(shí)間模擬結(jié)果

利用率定后的RZWQM2模型，模擬從地膜覆蓋55 d開始、每3 d為一間隔的地膜覆蓋時(shí)間下棉花地上部生物量、籽棉產(chǎn)量及水分利用效率，如圖5所示。2 a吐絮期地上部生物量隨地膜覆蓋時(shí)間的延長而增加，籽棉產(chǎn)量和WUE呈先上升后下降的趨勢。

吐絮期地上部生物量隨地膜覆蓋時(shí)間的變化符合“S”型增長，總體呈“慢-快-慢”的增長趨勢。在地膜覆蓋時(shí)間為55～75 d時(shí)，地上部生物量增長率為1.33%～13.89%；在地膜覆蓋時(shí)間為76～96 d時(shí)，地上部生物量增長率為15.20%～20.36%，最高；在地膜覆蓋時(shí)間為77～105 d時(shí)，地上部生物量增長率為0.29%～0.66%。籽棉產(chǎn)量隨地膜覆蓋時(shí)間的延長呈先快速上升后緩慢下降的趨勢，其峰值分別出現(xiàn)在91～93 d和97～99 d，其中76～81 d產(chǎn)量增長率達(dá)3.27%～6.33%，最高。WUE隨地膜覆蓋時(shí)間的延長也呈先上升后下降的趨勢，其峰值分別出現(xiàn)在91～93 d和97～99 d，其中73～81 d時(shí)WUE增長率最高，達(dá)8.05%～15.74%。綜上，在地膜覆蓋時(shí)間到達(dá)一定天數(shù)后，合理縮短覆膜天數(shù)可提高地上部生物量、產(chǎn)量及水分利用效率。

2.3 地膜覆蓋時(shí)間對籽棉產(chǎn)量和WUE影響模擬預(yù)測

利用率定后的 RZWQM2模型，以 2018年和 2019年氣象數(shù)據(jù)（圖6）為基礎(chǔ)值，對該條件下籽棉產(chǎn)量和WUE隨地膜覆蓋時(shí)間延長的變化情況進(jìn)行預(yù)測（圖7）。籽棉產(chǎn)量和WUE預(yù)測值隨地膜覆蓋時(shí)間呈二次曲線關(guān)系，R2均高于0.85，籽棉產(chǎn)量及WUE隨地膜覆蓋時(shí)間的延長而增加，分別在90 d和85 d時(shí)到達(dá)峰值，隨后降低。在地膜覆蓋時(shí)間低于60 d時(shí)，2019年籽棉產(chǎn)量顯著低于2018年，而在地膜覆蓋時(shí)間大于60 d時(shí)，2 a籽棉產(chǎn)量無顯著差異。在地膜覆蓋時(shí)間對WUE的影響方面，2018年WUE均顯著高于2019年。由此看出，不同地膜覆蓋時(shí)間下籽棉產(chǎn)量及WUE對不同的氣候條件的響應(yīng)程度存在差異，因此，可通過對多年不同氣象條件下地膜覆蓋時(shí)間的模擬，合理調(diào)節(jié)覆膜時(shí)間長短，穩(wěn)定籽棉產(chǎn)量并提高WUE。

3 討 論

3.1 地膜覆蓋下RZWQM2模型適用性分析

本文運(yùn)用 RZWQM2模型分析不同地膜覆蓋時(shí)間下新疆棉田土壤水分運(yùn)動(dòng)狀況，進(jìn)行了籽棉產(chǎn)量和水分利用效率模擬和預(yù)測。通過依次對水分模塊和作物模塊參數(shù)的率定和驗(yàn)證結(jié)果表明模擬精度較高。本研究模擬驗(yàn)證各層土壤含水率的RMSE、MRE和d值分別在0.02～0.04 cm3/cm3、5.90%～28.66%和0.66～0.94之間變化，其中下部土層模擬效果優(yōu)于上部土層，這與Wang等[34-35]在模擬不同土層水分變化時(shí)結(jié)果一致，可能是由于土壤表層有機(jī)質(zhì)含量、大孔隙等性質(zhì)的時(shí)空變化較深層土壤復(fù)雜。土壤含水率的模擬值大于實(shí)測值，主要因?yàn)槟Ｐ洼斎虢涤陻?shù)據(jù)與實(shí)際瞬時(shí)降雨不同，采用的是降雨時(shí)段的平均值[36]。2 a間棉花地上部生物量模擬值均在D100處理達(dá)到峰值且擬合度d值最低，分別為0.72和0.70，原因可能是本試驗(yàn)通過溫度補(bǔ)償法利用溫度變量代替地膜覆蓋時(shí)間，模型只考慮到溫度單方面對棉花地上部生物量積累的影響，所以隨溫度變量的提高地上部生物量一直呈上升趨勢，而適當(dāng)?shù)牡啬じ采w時(shí)間既能在生育前期保證生長所需溫度，又可在后期改善群體內(nèi)部通風(fēng)情況，較全生育期覆膜積累更高的地上部生物量，故模擬值和實(shí)測值的擬合度呈先下降后上升的趨勢，因此模型中棉花不同器官間生物量轉(zhuǎn)運(yùn)對不同地膜覆蓋時(shí)間的響應(yīng)還需進(jìn)一步探究。籽棉產(chǎn)量2016年模擬值小于實(shí)測值而2017年呈相反趨勢。Saseendran等[37-38]在研究作物生長的模擬效果時(shí)發(fā)現(xiàn)其結(jié)果取決于蒸散量和葉面積指數(shù)的一致性，故在以后的研究中應(yīng)關(guān)注蒸散量和葉面積指數(shù)的模擬結(jié)果，在作物生長方面取得更高的模擬水平。

本文首次采用 RZWQM2模型模擬地膜覆蓋時(shí)間對新疆棉田水分利用效率及產(chǎn)量的影響，在此之前在新疆棉田并未開展相似研究。本文研究是通過一個(gè)棉區(qū)多年的實(shí)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行RZWQM2模型的參數(shù)優(yōu)化，檢驗(yàn)該方法的可靠性，對RZWQM2模型在該領(lǐng)域應(yīng)用認(rèn)知進(jìn)行初步探索。該方法在新疆地區(qū)開展不同地膜覆蓋時(shí)間的模擬研究仍需隨著模擬位點(diǎn)的增加進(jìn)行多方面驗(yàn)證。

3.2 覆膜時(shí)間確定

借助作物模型可以較大程度削減田間試驗(yàn)所需時(shí)間和成本的投入，實(shí)現(xiàn)多水平、多因素的試驗(yàn)方案研究[33]。本試驗(yàn)中田間觀測部分以15 d為一個(gè)階梯，利用驗(yàn)證后的模型將處理梯度細(xì)化，以3 d為間隔模擬水分利用效率及棉株生長狀態(tài)，模擬結(jié)果表明，各指標(biāo)隨著覆膜時(shí)間的延長呈“S”型增長趨勢，在出苗后73～96 d增長率達(dá)到峰值，超過105 d后緩步下降。

朱繼杰等[39]設(shè)6月上、中、下旬揭膜和不揭膜4個(gè)處理探討覆膜時(shí)間長短對棉花生長發(fā)育的影響，結(jié)果表明在河北地區(qū) 6月中旬揭膜可提高單株鈴數(shù)，促進(jìn)后期產(chǎn)量的形成。本研究對南疆棉花現(xiàn)蕾后至吐絮前植株需水敏感期進(jìn)行分組模擬后發(fā)現(xiàn)，在91～99 d即覆膜至8月中上旬揭膜，表現(xiàn)出較高的產(chǎn)量和水分利用效率。這可能是由于相較頭水前揭膜，此時(shí)棉花冠層已封閉，地表接受的太陽輻射較小，最大限度的抑制了土壤蒸發(fā)，因而，降低了非生產(chǎn)性耗水量，增加了生產(chǎn)性耗水比例。同時(shí)，揭膜后改善了土壤的通風(fēng)透氣情況，提高土壤微生物活性。因此，該時(shí)期揭膜對棉花生長影響較小，且此時(shí)地膜拉伸強(qiáng)度仍較高，更利于機(jī)械回收[40]。前人在研究不同地膜覆蓋時(shí)間對棉花生長及土壤水分變化的影響效應(yīng)時(shí)設(shè)置的處理較少，與本試驗(yàn)結(jié)果存在差異主要受氣候條件、土壤質(zhì)地、農(nóng)田管理措施等因素的影響，還需在今后的研究中深入探究。當(dāng)前新疆地區(qū)實(shí)際生產(chǎn)中以全生育期覆膜，收獲后揭膜為主，少量為播前或苗期揭膜。已有研究表明，播前揭膜，由于生育期及冬閑期，長期受到紫外線、風(fēng)沙的影響，地膜風(fēng)化嚴(yán)重，機(jī)械強(qiáng)度顯著降低，由于長期受灌溉以及機(jī)械碾壓等因素的影響，地膜與土壤粘連嚴(yán)重，難以分離，此外受秸稈等雜物影響回收難度增大，上述因素疊加顯著降低了地膜回收率[41]。研究也表明，苗期揭膜加劇了土壤蒸發(fā)，不僅增加了非生產(chǎn)性耗水占比，加劇土壤次生鹽堿化程度，而且不利于增加地溫和抑制雜草，因此，不利于作物生長[2]。收獲后地膜經(jīng)歷較長的耕作期力學(xué)性能降低[42]。本研究表明，利用驗(yàn)證后的RZWQM2模型可根據(jù)當(dāng)前氣候條件精準(zhǔn)確定獲得較高產(chǎn)量和水分利用效率的地膜覆蓋時(shí)間。

3.3 RZWQM2模型對不同年份生態(tài)因子的響應(yīng)分析

土壤水熱[43]、氣溫[44]和降水[45]情況是影響作物生長發(fā)育的重要生態(tài)環(huán)境因子。2016—2017年通過田間試驗(yàn)對RZWQM2模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，確定模型可較好地模擬不同地膜覆蓋時(shí)間下田間作物的生長變化。以2018年和2019年的生態(tài)因子模擬預(yù)測棉花產(chǎn)量及水分利用效率對不同地膜覆蓋時(shí)間的響應(yīng)。結(jié)果表明，2 a產(chǎn)量無顯著差異，但2018年各處理WUE均高于2019年，分析其原因可能為2019年氣溫高、降水少，棉田耗水量升高，導(dǎo)致WUE隨之降低，最終保證了產(chǎn)量在一個(gè)相對穩(wěn)定的水平。丁晉利[46]提出，在RZWQM2模型中，作物生長的限制主要基于氣溫，產(chǎn)量的差異性受限于不同氣候模式下的最高和最低氣溫，具有明顯的不確定性，而Voloudakis等[47]提出高溫對產(chǎn)量有一定負(fù)面的影響。筆者認(rèn)為，要預(yù)測未來氣候變化對適宜地膜覆蓋時(shí)間的影響，首先應(yīng)獲得長時(shí)間序列的氣象數(shù)據(jù)，了解氣候變化的趨勢，在此基礎(chǔ)上要加強(qiáng)耕作方式、品種類型、播期、密度、覆膜方式、灌溉管理等栽培措施對地膜覆蓋時(shí)間的響應(yīng)研究。然而要獲得不同生態(tài)區(qū)多年多點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)，需要耗費(fèi)巨大的時(shí)間、人力和經(jīng)濟(jì)成本，具有較大的難度，仍需要加強(qiáng)研究團(tuán)隊(duì)之間的合作、交流與數(shù)據(jù)共享。

此外，覆膜周期的變化對棉田耗水結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化、鹽分分布、養(yǎng)分運(yùn)移與吸收等重要生理生態(tài)過程的影響機(jī)理尚不清晰，仍需進(jìn)一步深入研究，相關(guān)工作需要在以后的研究中有序開展，以達(dá)到提高認(rèn)知水平和優(yōu)化相關(guān)配套措施的目的。

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用 RZWQM2模型模擬新疆棉區(qū)不同地膜覆蓋時(shí)間對棉田土壤水分動(dòng)態(tài)變化和棉花生長的影響，結(jié)論如下：

1）RZWQM2模型驗(yàn)證時(shí)0～80 cm各土層土壤含水率的均方根誤差、平均相對誤差和一致性指數(shù)值分別在0.02～0.04 cm3/cm3、5.90%～28.66%和0.66～0.94之間變化，模擬的地上部生物量和籽棉產(chǎn)量模擬值與實(shí)測值的一致性指數(shù)分別在0.70～0.93和0.80～0.94范圍內(nèi)變化。因此，RZWQM2模型能夠較好地模擬不同地膜覆蓋時(shí)間下土壤水分動(dòng)態(tài)變化和作物生長狀況，為新疆地區(qū)探索出適合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)條件的最佳地膜覆蓋時(shí)間。

2）地膜覆蓋時(shí)間的長短對棉花產(chǎn)量、水分利用效率和棉田土壤水分分布影響較大。地膜覆蓋時(shí)間達(dá)73～81 d時(shí)水分利用效率增長率最高，在91～99 d時(shí)表現(xiàn)出最高的籽棉產(chǎn)量。綜合考慮在南疆地區(qū)覆膜時(shí)間達(dá)到91～99 d（8月中上旬）時(shí)能夠在不減弱覆膜效果的前提下保持較高的籽棉產(chǎn)量和水分利用效率。