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棉花滴灌节水机理与优质高效灌溉模式

申孝军  
【摘要】:新疆荒漠内陆气候为棉花生长提供了得天独厚的自然生态环境,已发展成我国最大的优质棉生产基地。但是,水资源匮乏、农业水资源供需矛盾突出等问题又在一定程度上限制了棉花产量的提高。如何高效利用有限水资源进行灌溉已成为当地棉花生产中急需解决的突出问题之一。本文以新疆大田棉花为研究对象,探讨膜下滴灌和地下滴灌条件下,水分调控对棉花根区土壤水分、棉株生长发育、籽棉产量和棉纤维品质等指标的影响,确定适合新疆滴灌棉花的优质高效灌溉模式及相应灌溉指标。取得了以下主要成果: (1)提出了膜下滴灌条件下土壤剖面平均含水率计算方法。采用3点取样(膜下宽行中央、膜下窄行中央和膜外裸地),在水平方向上利用面积加权平均法计算各层土壤平均含水率,然后在垂直方向上利用积分中值定理法计算平均值,其结果与真实值(高密度取样积分法求解)最接近;膜下滴灌棉田墒情监测的土壤水分传感器适宜埋设位置是地表下0~10cm、20~30cm、40~50cm和60~80cm(选膜下宽行中央、膜下窄行中央和膜外裸地3个观测点)。 (2)分析了蕾期和花铃期水分调控对棉花株高、茎粗、叶面积以及根系生长发育的影响。蕾期适度水分胁迫(灌水下限为60%田间持水率(θf)),既能适度抑制地上部分营养生长,促进根系生长发育,又能促进光合产物向生殖器官的运转,为棉花的优质高产奠定基础;蕾期水分过低(灌水下限为50%θf)会抑制棉花植株的正常生长发育,水分过高(灌水下限为75%θf)又会造成棉株旺长,均不利于棉花高产。花铃期水分胁迫不仅抑制棉株生长,还导致棉花蕾铃大量脱落,这种负面影响随水分胁迫的加剧而加重(与75%θf灌水下限处理籽棉产量相比,50%θf灌水下限处理减产24.19%~29.17%)。与膜下滴灌相比,地下滴灌能促进深层根系发育(花铃期调查发现,地下滴灌43~70cm土层平均根重密度比膜下滴灌高37.64%),有利于提高水分利用效率。 (3)阐明了不同生育期水分调控对棉花品质的影响。蕾期适度水分胁迫有利于霜前花衣分以及棉纤维上半部平均长度和断裂比强度的提高,但过度水分胁迫会使其降低;花铃期水分胁迫降低了棉纤维上半部平均长度,而且随着水分胁迫的加剧而加重;花铃期适度水分胁迫有利于棉纤维断裂比强度的提高,但过度水分胁迫则会降低棉纤维断裂比强度。棉纤维整齐度、伸长率和马克隆值对水分调控的敏感性非常小。除受水分调控的影响外,棉花品质指标还受灌水方式的影响,地下滴灌更有利于棉花品质的改善,棉纤维上半部平均长度、断裂比强度、伸长率和整齐度分别比膜下滴灌提高了0.18%~0.97%、0.84%~1.88%、0.99%~2.53%和0.96%~1.61%。 (4)分析了不同灌水方式对棉花耗水量和水分利用效率的影响。高产条件下棉花全生育耗水量为453~540mm,苗期、蕾期、花铃期和吐絮期的耗水量分别占全生育耗水量的17%-22%、14%~19%、49%~58%和6%~15%;阶段耗水量和总耗水量均随水分胁迫程度的加剧而降低。相同水分处理条件下,地下滴灌耗水量比膜下滴灌增加了4.42%~8.98%,产量除蕾期重度亏水处理外其他处理均比膜下滴灌有不同程度的增加,而水分利用效率差异相对较小。与对照处理相比,蕾期适度水分胁迫处理的籽棉产量提高了11.28%~13.10%,水分利用效率提高了9.91%~12.40%。 (5)建立了3种棉花需水量估算模型,包括基于恒水位蒸发皿蒸散量模型、基于有效积温模型以及基于叶面积指数模型。利用2008年棉花生育期内的实测资料进行模型验证,模拟值的相对误差分别为2.37%~13.53%(基于叶面积指数模型)、0.68%~21.72%(基于有效积温模型)和1.77%~4.35%(基于蒸发皿蒸发量模型);蕾期和花铃期累积需水量的模拟值与实测值的相对误差分别为1.52%-5.53%和0.29%~8.88%,能够满足实时灌溉对作物需水量计算精度的要求。 (6)初步确定了适合不同毛管布设方式下的新疆滴灌棉花优质高效灌溉模式。一膜一管四行:出苗水45mm,苗期和吐絮期不灌水,蕾期和花铃期灌水定额分别为22.5mm和37.5mm,灌水周期均为7d;一膜两管四行和地下滴灌:出苗水45mm,苗期和吐絮期不灌水,蕾期和花铃期的灌水控制下限分别为60%和75%田间持水率(以窄行土壤含水率为依据),灌水定额均为30mm。出苗水灌45mm,苗期和吐絮期不灌水,蕾期和花铃期当冠层上方恒水位蒸发皿累积蒸发量达到75mm和50mm时进行灌水,灌水定额分别为30mm和35mm。 本研究的主要创新点: ①提出了适宜滴灌棉田土壤剖面平均含水率的计算方法以及膜下滴灌棉田墒情监测的土壤水分探头布设方案; ②构建了滴灌条件下基于恒水位蒸发皿蒸散量的棉田需水量估算模型,模型精度高、操作方法简单,便于推广应用; ③提出了适合新疆滴灌棉花优质高产的节水灌溉模式及相应的灌溉指标,基于恒水位水面蒸发量的优质高效灌溉模式,以设备简易、操作简单的优势可以大范围推广应用。


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