覆膜對滴灌棉田土壤水分時空運移的影響

王 劍，楊北方，陳煥軒，李 鑫，馮 璐，雷亞平， 熊世武，李小飛，王占彪，李亞兵

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室，河南安陽 455000； 2.棉花生物學國家重點實驗室鄭州大學研究基地/鄭州大學，鄭州 450000； 3.河北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/河北省作物生長調(diào)控重點實驗室，河北保定 071001)

0 引 言

【研究意義】與常規(guī)灌溉技術(shù)相比，膜下滴灌技術(shù)由于其節(jié)水[1]、保墑[2-3]、增產(chǎn)[4]等特征在新疆棉區(qū)得到廣泛的應(yīng)用[5]。研究覆膜對滴灌棉田土壤水分時空運移對棉花精準灌溉具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】土壤水分時間和空間維度上有一定的變異性[6-7]。膜下滴灌土壤水分呈現(xiàn)規(guī)律性變化，在空間尺度上淺層土壤的含水量高于深層土壤[8-10]；時間尺度上土壤水分含量的變化曲線整體呈現(xiàn)拋物線狀態(tài)，在棉花花鈴期達到頂峰[8,11]。對不同時間段的2種處理土壤水分含量進行建模擬合，以擬合方程的斜率表征土壤水分含量消退速率[12]?！颈狙芯壳腥朦c】以往研究主要以作物不同生育期的土壤水分變化為主，而土壤水分變化不是一個跳躍式的過程，而是一個連續(xù)的、累積的變化過程。僅研究不同生育期不能完全反映在作物全生育期內(nèi)的水分和溫度的變化特征。目前，對膜下滴灌土壤水分的時空分布及變化研究較少。研究覆膜對滴灌棉田土壤水分時空運移的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】比較膜下滴灌和無膜滴灌，采用5TE土壤水分溫度傳感器實時采集土壤水分數(shù)據(jù)[13，14]，利用Surfer，Voxler等軟件進行時空插值[15-17]，研究膜下滴灌的土壤水分的實時變化狀況，分析其在時空上的變化規(guī)律，為棉花精準灌溉、無膜栽培等技術(shù)提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2018年在中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所阿拉爾試驗基地開展，試驗點位于新疆阿克蘇市阿拉爾10團(40°51′N，81°30′E)，處于暖溫帶大陸性荒漠氣候帶，2018年年平均溫度10.6℃，≥10℃積溫為4 113℃，年降水量48.6 mm，無霜期210 d。試驗田土壤理化性質(zhì)為：pH值7.23, 土壤有機質(zhì)含量12.32 g/kg，全氮含量1.36 g/kg，有效磷含量28.83 mg/kg，有效鉀147.61 mg/kg，選用中棉619號為供試品種。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

設(shè)置膜下滴灌(FM)和無膜滴灌(NM)2種處理，膜下滴灌處理采用“1膜3管3行”的棉花種植和滴灌方式,無膜滴灌處理除不覆膜以外，種植方式、滴灌方式與膜下滴灌保持一致。試驗小區(qū)面積為102.6 m2，播種密度為25.3×104株/ hm2，行距為76 cm。4月15日播種，6月20日(T1)、7月2日(T2)、7月15日(T3)、7月22日(T4)、7月31日(T5)、8月11日(T6)、8月18日(T7)、8月26日(T8)滴灌，平均每次滴灌灌水量為300～375 m3/hm2，處理間的灌溉量一致。其余田間管理措施與當?shù)馗弋a(chǎn)棉田一致。圖1

1.2.2 數(shù)據(jù)采集

利用中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所研發(fā)的土壤水分和溫度數(shù)據(jù)，采集裝備實時采集土壤水分溫度變化，采用等間距空間網(wǎng)格法(80 cm×100 cm)將水分溫度傳感器安置于采樣點，水平方向上分別于0、20、40、60、80 cm處設(shè)置5個測量點，在垂直方向上分別于地下10、30、50、70、90、110 cm設(shè)置6層，每個試驗小區(qū)共30個測量點。設(shè)備每隔1 h采集1次土壤水分、溫度、電導(dǎo)率，試驗觀測于2018年5月18日開始，至2018年9月22日結(jié)束，共獲取2×2 360×91條數(shù)據(jù)。圖2

1.2.3 數(shù)據(jù)清洗

對數(shù)據(jù)進行清洗，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量[18-20]。為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，需對數(shù)據(jù)進行清洗。常見的缺失數(shù)據(jù)清洗方式為刪除和填充[21]，將存在缺失值的一組數(shù)據(jù)直接刪除，填充是根據(jù)數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性估計出準確的缺失值，并通過合適的方法對缺失值進行填充。試驗獲取數(shù)據(jù)的時空相關(guān)性特性，采用許江等[22]研究的填充方式，即采用馬氏距離填充算法填充具有空間相關(guān)性的數(shù)據(jù)，用線性填充具有時間相關(guān)性的數(shù)據(jù)。

1.2.4 土壤水分含量量化

選用的設(shè)備中傳感器為5TE水分溫度傳感器，是一種基于頻域反射法(FDR)的傳感器。每個傳感器可以精確測定1(空氣)～80(水)范圍內(nèi)的介電常數(shù)，再利用Topp方程[23]將傳感器所測得介電常數(shù)轉(zhuǎn)換成所測位點的土壤含水量：

VWC=4.3×10-6εa3-5.5×10-6Ea2+2.92×10-2Ea-5.3×10-2.

式中VWC為土壤含水量；ε為介電常數(shù)。

再利用Surfer 2017(Golden Software Inc.,USA)軟件中3/8擴展Simpson’s規(guī)則對網(wǎng)格數(shù)據(jù)中的30個觀測點數(shù)值進行計算土壤總含水量，計算公式如下：

其中，(1,3,3,2,3,3,2,…,3,3,2,1)為各項系數(shù)向量，IX是網(wǎng)格數(shù)據(jù)縱向間距，IY是網(wǎng)格數(shù)據(jù)橫向間距，Gi,j是行i和列j的傳感器的水分量化值，V是所測定的特定橫截面上總水分含量。

1.2.5 土壤水分不同維度切割

利用Voxler4.0(Golden Software Inc.,USA)軟件對獲得的時空數(shù)據(jù)進行3D可視化重現(xiàn)[17]，并在水平方向于0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm切割，利用Voxler軟件對兩種處理的土壤含水量的分布在垂直深度方向上進行切片處理，ABCDE為FM的垂直深度位置0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm的土層切塊，F(xiàn)GHIJ為NM的垂直深度位置0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm的土層切塊。分析FM和NM處理的土壤水分在空間上水平方向、垂直方向以及在時間上不同維度的變化。圖3

按照距離棉行遠近對兩種處理的土壤水分含量的分布進行水平方向上切片，abcd分別為FM水平方向上0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm的土層切塊，fghi分別為NM水平方向上0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm的土層切塊，其中ad、fi分別為FM和NM的近根系土層，bc、gh為遠根系土層。

2 結(jié)果與分析

2.1 有無覆膜處理生育期土壤水分含量變化

研究表明，F(xiàn)M的棉田土壤體積含水量范圍為0.13～0.27 m3/m3，NM的變化范圍在0.09～0.11 m3/m3，F(xiàn)M的整體土壤水分含量遠高于NM。2種處理的土壤水分含量變化的總體趨勢類似，均在滴灌后出現(xiàn)波動，在5月18日至T1時間內(nèi)，F(xiàn)M和NM的土壤水分含量變化平緩，F(xiàn)M的土壤水分含量下降趨勢大于NM；在棉田滴灌(T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8)后，每次滴灌當天2種處理的土壤水分含量明顯增多，且在第2 d達到最高，隨后隨著時間的增加而逐漸下降。FM的土壤水分含量滴灌后的增幅和變化趨勢要大于NM。圖4

2.2 有無覆膜處理生育期土壤水分含量消退速率

研究表明，在滴灌前(5月18日-T1)，F(xiàn)M和NM的土壤水分含量變化較為平緩，水分消退速率分別為3×10-4m3/(m3·d)和0.7×10-4m3/(m3·d)；在T1至T6時間段內(nèi)，F(xiàn)M的水分消退速率變幅小，約為30×10-4m3/(m3·d)，而NM的水分消退速率變幅較大，但均低于10×10-4m3/(m3·d)；在T6至T8時間段內(nèi)，F(xiàn)M的水分消退速率增大，約為70×10-4m3/(m3·d)，NM的水分消退速率與T1至T6時間段的相近，仍低于10×10-4m3/(m3·d)；在T8至9月22日時間段，F(xiàn)M的水分消退速率降低至3×10-3m3/(m3·d)，NM的水分消退速率與T1至T6、T6至T8時間段的相似，保持低于1×10-3m3/(m3·d)。表1

表1 不同處理生育期土壤水分含水量線性建模Table 1 Linear modeling of soil moisture content in different treatments throughout the growth period

2.3 有無覆膜處理的不同深度的土壤水分變化差異

研究表明，F(xiàn)M的土壤水分含量隨著深度的增加呈增加的趨勢，80～100 cm土層(E)土壤水分含量最高，NM的土壤水分含量隨著土層深度的增加呈先降低后增加的趨勢，在60～80 cm土層(I)土壤水分含量最低；同一深度的土層，F(xiàn)M的土壤水分含量比無膜處理高。圖5

FM在滴灌(T1)前各不同深度土層的水分變化較為穩(wěn)定，開始滴灌后，土壤水分交流增多，上層土壤水分開始向下遷移，底層土壤水分含量變多，滴灌結(jié)束后(T8-9月22日)，各土層土壤水分含量迅速下降，且上層土壤水分消耗最多，底層消耗最少。NM各不同深度土層土壤水分變化較為緩慢，開始滴灌(T1)后，0～20 cm土層(F)土壤水分隨時間變化的變化幅度較大，其余土層的土壤水分變化較為穩(wěn)定，滴灌補充的水分主要集中于0～20 cm土層(F)；而到了最后1次滴灌(T8)后，各土層水分消耗增多，上層土壤水分因蒸發(fā)迅速而減少最多。圖6，圖7

2.4 有無膜處理的不同水平距離的土壤水分變化差異

研究表明，F(xiàn)M的近根系土層與遠根系土層的土壤水分含量無顯著的變化，且各土層的水分時空變化趨勢也較為相似，而NM的變化趨勢與覆膜處理類同。在同一水平方向切割土層上，F(xiàn)M的土壤水分含量高于NM土壤水分含量。圖8

FM遠根系土層與近根系土層的水分變化趨勢相同，且隨著時間的延長，各土層的水分逐漸趨于一致；NM的近根系土層和遠根系土層水分含量隨時間的變化趨勢也是相同的，但近根系土層水分略高于遠根系土層水分含量，各土層間土壤水分遷移趨勢不明顯。圖9，圖10

3 討 論

3.1 覆膜對土壤水分垂直方向分布的影響

覆膜處理下的土壤水分含量在垂直方向上隨著土層深度的增加呈增加的趨勢，80～100 cm土層土壤水分含量最高，而無膜滴灌處理下土壤水分含量隨著土層深度的增加呈先降低后增加的趨勢，在60～80 cm土層水分含量最低。與無膜滴灌相比，覆膜滴灌土壤整體水分含量較多，土壤濕潤形式與漫灌形成的土壤水分分布狀態(tài)類似，水分在土壤空間維度的垂直方向不同深度的遷移運動較為劇烈，沒有明顯的垂直分層現(xiàn)象，這與李明思等[24]研究一致。而無膜滴灌的土壤水分主要集中于0～20 cm深度的土層，且不同深度土層間運移不明顯，具有明顯的分層現(xiàn)象。這是由于地膜覆蓋隔離了土壤與空氣的水熱交流[25-26]，使得滴灌水分在表層的蒸發(fā)量減少，從而迫使水分向深層運移，無膜處理由于土壤表層土壤與空氣交流劇烈，滴灌水進入表層土壤時就以蒸發(fā)的途徑散失，因此，形成了明顯的垂直分層現(xiàn)象。無膜滴灌處理的土壤水分主要分布表層(0～20 cm)。

3.2 覆膜對土壤水分水平方向分布的影響

沿水平方向的同一位置切割土層，膜下滴灌的土壤水分含量高于無膜滴灌，但2種處理的近根系土層與遠根系土層的土壤水分含量無顯著的變化。而姚名澤[27]研究表明，膜下滴灌土壤水分含量在水平方向上存在差異，且應(yīng)與離滴管的距離呈負相關(guān)；王允喜[28]認為不同滴灌布置方式影響土壤濕潤區(qū)的寬度，隨著每膜中滴灌配置數(shù)目的增加，水平方向的水分含量均勻性提高，“1膜3管”的滴灌配置下水分方向土壤水分均勻度大于95%。試驗棉花種植方式滴灌配置方式為“1膜3管3行”形式，水分較為充足，水平方向上均勻性較好。在新疆設(shè)計棉花種植制度時，需特別注意滴灌與棉花的配置方式，合理的配置方式能構(gòu)造出長勢均勻的群體[29]。

3.3 覆膜對土壤水分分布在時間維度的影響

隨著棉花生育進程的推進，膜下滴灌處理的土壤水分含量總體呈現(xiàn)上升的趨勢，而無膜滴灌處理的土壤水分變化較為平穩(wěn)，膜下滴灌處理的土壤水分含量遠低于無膜滴灌。并且每次滴灌后，2種處理的土壤水分均有不同程度的升高，隨后又以一定的速率消退，不同處理在不同生育進程階段的水分消退速率不同。膜下滴灌和無膜滴灌的土壤水分均在第1次滴灌前消退速率較小，而在開始滴灌(T1)后2種處理的水分消退速率增大，分別維持在30×10-4m3/(m3·d)和10×10-4m3/(m3·d)左右；在T6～T8(8/11～8/26)滴灌時，膜下滴灌處理的土壤水分消退速率增大，此時棉花處于花鈴期，研究表明，棉花在花鈴期對水分的需求增多[8,11]；在最后1次滴灌后(T8-9/22)，膜下滴灌處理的土壤水分消退速率降低至30×10-4m3/(m3·d)，此時沒有滴灌水分補充，葉片開始衰老，植株蒸騰速率開始下降，蒸散耗水減少[30]。

4 結(jié) 論

覆膜使土壤水分含量增多，在垂直方向，膜下滴灌棉田的土壤水分在不同深度間水分運移增多，表層滴灌水分向下遷移，80～100 cm土層水分最多，而無膜處理的土壤水分主要集中于0～20 cm土層。在水平方向，覆膜和無膜處理的滴灌棉田的近根系和遠根系土層均無明顯差異。在時間維度，覆膜處理的土壤水分含量總體趨勢呈現(xiàn)上升的趨勢，而無膜處理則變化平緩；2種處理在第1次滴灌前，土壤水分消退速率分別為3×10-4m3/ (m3·d)和0.7×10-4m3/ (m3·d)，變化平緩；在開始滴灌后，覆膜處理的消減速率從30×10-4m3/ (m3·d)增至70×10-4m3/ (m3·d)，又降低至30×10-4m3/ (m3·d)，而無膜處理的土壤水分消減速率一直維持在10×10-4m3/ (m3·d)。