膜下滴灌土壤濕潤區(qū)對土壤溫度及棉花生長的影響

膜下滴灌土壤濕潤區(qū)對土壤溫度及棉花生長的影響

1材料和方法1.1地下水蒸發(fā)量和水分分布2010年4月至10月，實驗在石河子大學現(xiàn)代灌溉軍事訓練中心（e8559；n4419；高度115米）進行。該地在棉花生長季節(jié)(5—10月)的多年平均降水量83.8mm,相應的蒸發(fā)量1105.4mm,單次降雨量均小于10mm,由于有地膜覆蓋,加之蒸發(fā)量大,所以降水對棉花種植幾乎無補水作用。試驗站地下水埋深8m以下。試驗小區(qū)面積530m2,土壤為輕壤土,物理粘粒含量(粒徑小于0.01mm)大于20%,平均干密度1.57g/cm3,平均空隙率為35.57%,平均田間持水率30.72%(體積含水率)。供試棉花品種為“惠遠710”;滴灌帶采用新疆天業(yè)塑化集團生產(chǎn)的迷宮式薄壁滴灌帶,滴頭間距為30cm。1.2膜下改性設計2010年5月8日播種,“干播濕出”,即低墑播種,滴水出苗;行距為30cm+60cm+30cm的寬、窄行配置,平均株距為11cm(如圖1所示)。對膜下滴水點做3個處理,即在膜下分別布置1條滴灌帶(布置在膜下寬行中心)、2條滴灌帶(布置在膜下窄行中心)和3條滴灌帶。其中,布置3條滴灌帶時,使各滴灌帶上的滴頭相互對應,使膜下各滴水點上的滴頭數(shù)增加,進而獲得大的滴水流量。通過各小區(qū)首部壓力調節(jié),得到3個處理的膜下各滴水點上的滴水流量分別為:1.54、3.14、5.93L/h,分別稱為“1倍滴流量”、“2倍滴流量”和“4倍滴流量”處理,每個處理設5個重復。各處理的灌水量以及施肥方案完全相同。棉花生育期灌溉制度如表1所示。1.3土壤溫度、溫度和單鈴產(chǎn)量測定定苗以前,土壤水分用烘干法測定,每隔6d測定1次,測定深度為60cm,每10cm土層取樣。定苗后,地面0～30cm深度土壤水分采用烘干法測定,地面30cm以下深度采用美國CPN公司生產(chǎn)503DR.9中子水分探測儀測定,每個處理設5根中子鋁管,分別布置在膜下寬、窄行中心和膜外裸地中心,測定深度為130cm,每10cm土層讀1次數(shù),每3d觀測1次。土壤溫度采用中國科學院新疆科學儀器廠生產(chǎn)的RSW-1型熱敏電阻數(shù)字溫度計測定,每個處理埋設3組溫度探頭,分別埋設在與中子鋁管對應的寬、窄行中心和膜外裸地中心,距中子鋁管位置20cm;溫度探頭埋設深度分別距地表0、5、10、15、20、30、40cm。溫度讀取時間與土壤水分的測定同1天進行,每次在北京時間10:00和18:00觀測。每個處理固定選取具有代表性的內、外行各5株棉花,觀測全生育期棉花株高、葉面積、蕾、花、鈴數(shù)的變化,每10d觀測1次。吐絮期測定理論產(chǎn)量,統(tǒng)計各處理的棉花株數(shù),分別在每個處理的5個重復中統(tǒng)計240株棉花的鈴數(shù),得出單株棉花平均鈴數(shù),再隨機采摘50個鈴(直徑大于2cm),在65℃下烘72h,測出棉花平均單鈴質量,進而計算不同處理的棉花理論產(chǎn)量。采用SPSS統(tǒng)計工具進行數(shù)據(jù)分析。2結果與分析2.1不同流量對0cm土層平均含水率的影響滴灌條件下土壤濕潤體尺度和濕潤鋒推進速率主要受土壤水力特性、滴水流量和灌水量的影響。滴水流量越大,土壤濕潤區(qū)寬度或水平運移速度也將越大。試驗中,“4倍滴流量”處理的膜下寬行和膜下窄行0～100cm土層的平均體積含水率均比其他2個處理的值高,說明“4倍滴流量”處理的土壤濕潤區(qū)最寬,而“1倍滴流量”和“2倍滴流量”處理的土壤濕潤區(qū)寬度差別不大,如圖2所示。圖2顯示,“2倍滴流量”處理的滴灌帶布置在膜下窄行中間,但其在膜下窄行中的土壤平均含水率仍然小于“4倍滴流量”處理的值,盡管“4倍滴流量”處理的滴灌帶是布置在膜下寬行中間的。這是因為,“4倍滴流量”處理的滴水流量大,超出了土壤入滲強度,導致滴灌時地面出現(xiàn)積水;同時,在覆膜作用下,積水區(qū)緊貼地膜產(chǎn)生快速徑流,很快流到膜下窄行邊緣,使膜下窄行土壤滲水量增多,這樣不僅擴大土壤濕潤區(qū)寬度,而且提高土壤濕潤均勻性。2.2對土壤溫度的影響土壤水、熱狀況存在耦合關系,當土壤含水率增高時,土壤的熱容量及導熱率增加,使得土壤溫度的變化幅度減小,土壤升溫慢,導致其溫度低。而土壤溫度升高可使土壤水勢增加,土壤水吸力降低,土壤濕潤鋒運移速度增加。試驗結果顯示,土壤含水率的增加沒有導致土壤溫度明顯降低,如圖3所示。棉花出苗后45d(蕾期)以前,“4倍滴流量”處理的棉花膜下寬行和膜下窄行的0～40cm土層平均土壤溫度都高于其他2個處理的相應指標;出苗后60d左右(初花期),各處理的膜下寬行和膜下窄行的土壤溫度都出現(xiàn)下降趨勢;出苗85d后(花鈴期),各處理的膜下窄行土壤溫度開始出現(xiàn)差異,“2倍滴流量”處理的膜下窄行土壤含水率高,導致其土壤溫度低,而“1倍滴流量”處理的膜下窄行土壤含水率低,使得其土壤溫度高;出苗100d后,“4倍滴流量”處理的膜下寬行和膜下窄行的土壤溫度都最低,而“1倍滴流量”處理的膜下寬行和膜下窄行的土壤溫度最高。土壤溫度的變化過程反映了地面覆膜、土壤水分和葉片遮光等因素對土壤溫度的影響。出苗45d之前,棉花葉面積較小,地面受光面積大;同時,日間氣溫處在上升期,土壤吸熱量大,當土壤含水率高時,土壤吸熱多,傳熱快,加上有地膜覆蓋,阻礙了土壤熱量的夜間散失,所以,在此階段“4倍滴流量”處理的土壤溫度大于其他2個處理的相應指標。出苗60d后,棉花進入花期,葉面積增大,而且灌水頻繁,使得各處理的土壤溫度都下降。出苗85d左右,正是棉花葉面積達到最大值的時期,在葉片遮光作用下,地面受光面積極度減小,只有膜外裸地尚能接受光照,所以,該階段“1倍滴流量”、“2倍滴流量”和“4倍滴流量”處理膜下窄行溫度分別比其膜下寬行溫度大0.4、0.2、0.1℃。因為“1倍滴流量”處理的窄行棉花葉面積小,其裸地的受光面積相對較大,加上該處理的膜下窄行土壤含水率低,所以,其相應的土壤溫度最高。出苗100d后,棉花進入吐絮期,葉面積減少,但是,“4倍滴流量”處理的葉面積遠大于其他2個處理的相應指標,同時,這一時期日間氣溫已處于下降期,土壤吸熱量減少,而且田間已停止滴灌,所以,此階段“4倍滴流量”處理的土壤因其前期含水率高,葉面遮光相對較大,土壤吸熱少,導致膜下寬行和膜下窄行的土壤溫度都最低;而“1倍滴流量”處理因其葉面積遮光相對較小,土壤吸熱相對高,使相應的膜下寬行和膜下窄行的土壤溫度都最高。對棉花生育期3個處理的土壤溫度差異進行顯著性檢驗(表2),差異沒有達到顯著的程度,說明這一時期不同處理的土壤濕潤區(qū)對土壤溫度影響并不大,所以總體上說,田間膜下土壤濕潤區(qū)擴大以及含水率增高并沒有使土壤溫度明顯降低。2.3不同生長階段的棉葉面積試驗中,不同處理下的棉花葉面積生長趨勢基本一致,都在出苗后85d左右葉面積達到峰值。但是,由于“4倍滴流量”處理的土壤濕潤區(qū)和含水率比其他2個處理的相應指標高,其相應的棉花葉面積生長速率自出苗45d以后比其他2個處理的葉面積生長速率顯著加快,如表3所示。對單株葉面積進行方差分析(表3)。出苗45d之內(蕾期),各處理的棉花葉面積之間差異不顯著,出苗45d以后,“4倍滴流量”處理的棉花葉面積與其他2個處理的葉面積之間出現(xiàn)極顯著差異,但“1倍滴流量”處理與“2倍滴流量”處理的棉花葉面積之間差異不顯著。從圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn),僅在棉花出苗45d內,“4倍滴流量”處理的土壤溫度是高于其他2個處理,而整個生育期內3個處理的土壤溫度沒有顯著差異;但是,整個生育期內“4倍滴流量”處理的土壤濕潤區(qū)和含水率始終大于其他2個處理的相應值,“1倍滴流量”和“2倍滴流量”膜下窄行的土壤含水率相差不大,而膜下窄行土層是棉花根系主要分布區(qū),由此說明,棉花葉面積生長主要受土壤濕潤區(qū)和土壤水分狀況調控。棉株的生長過程符合logistic曲線,如圖4所示。各處理下的棉花株高生長速度都呈現(xiàn)出“慢—快—慢”的變化規(guī)律。出苗45d后,“4倍滴流量”處理的棉花株高明顯高于其他2個處理的相應值。而方差分析表明,此階段“1倍滴流量”和“2倍滴流量”處理的棉花株高之間差異不顯著?？梢钥闯?導致各處理之間棉花株高生長差異的原因與導致其葉面積生長差異的原因相同。2.4“4倍滴流量”對棉花產(chǎn)量的影響棉花的產(chǎn)量構成因素主要包括單株結鈴數(shù)、單鈴質量、衣指和衣分等指標,對不同土壤濕潤區(qū)處理下的棉花鈴數(shù)、單鈴質量、籽棉理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量進行差異顯著性分析,如表4所示?！?倍滴流量”處理的棉花株高、葉面積都要大于其他處理的相應值,成鈴數(shù)多,使其籽棉理論產(chǎn)量大幅增加,其理論單產(chǎn)分別比“1倍滴流量”和“2倍滴流量”的相應指標增大了1377.69、1344.78kg/hm2。但是,3個處理的籽棉實際產(chǎn)量差異并不顯著,盡管從數(shù)值上來看,“4倍滴流量”處理的籽棉實際產(chǎn)量最大。因為出苗100d后,“4倍滴流量”處理的土壤含水率大,土壤溫度低,使得棉鈴貪青,導致吐絮階段滯后。3覆蓋膜下各田間土壤溫度的變化以及其與含水率的關系膜下滴灌土壤濕潤區(qū)寬度和含水率分布狀況主要對田間滴灌帶用量有影響,如果土壤濕潤區(qū)寬度大,而且含水率分布均勻,則農工傾向于采用“1膜1管”的滴灌帶田間布置模式,即膜下只鋪設1根滴灌帶,以節(jié)省田間投資。但是,土壤濕潤區(qū)尺度增加以后,可能導致土壤溫度降低,反而影響作物生長,所以,田間膜下滴灌的土壤水熱耦合關系是膜下滴灌技術設計中應該考慮的問題。試驗中發(fā)現(xiàn),滴水流量越大,形成的土壤濕潤區(qū)也越大,土壤含水率分布越均勻。試驗中還發(fā)現(xiàn),“4倍滴流量”處理的膜下窄行的土壤含水率大于“2倍滴流量”處理的膜下窄行土壤含水率,盡管后者的滴灌帶就布置在膜下窄行中間。在膜下滴灌條件下,可以通過增大滴水流量來擴大土壤濕潤區(qū)寬度和提高土壤濕潤均勻度,進而減少田間滴灌帶用量。試驗表明,田間土壤溫度同時受土壤水分、氣溫、覆膜、作物葉面積等因素的影響,特別是當?shù)孛娓材ひ院?土壤溫度不再與土壤含水率呈現(xiàn)負相關關系,而是基本不隨土壤含水率變化,膜下滴灌土壤濕潤區(qū)擴大和土壤含水率的增加對棉花生育期的膜下土壤溫度沒有顯