膜下滴灌土壤湿润区对土壤温度及棉花生长的影响

膜下滴灌土壤湿润区对土壤温度及棉花生长的影响

1材料和方法1.1地下水蒸发量和水分分布2010年4月至10月，实验在石河子大学现代灌溉军事训练中心（e8559；n4419；高度115米）进行。该地在棉花生长季节(5—10月)的多年平均降水量83.8mm,相应的蒸发量1105.4mm,单次降雨量均小于10mm,由于有地膜覆盖,加之蒸发量大,所以降水对棉花种植几乎无补水作用。试验站地下水埋深8m以下。试验小区面积530m2,土壤为轻壤土,物理粘粒含量(粒径小于0.01mm)大于20%,平均干密度1.57g/cm3,平均空隙率为35.57%,平均田间持水率30.72%(体积含水率)。供试棉花品种为“惠远710”;滴灌带采用新疆天业塑化集团生产的迷宫式薄壁滴灌带,滴头间距为30cm。1.2膜下改性设计2010年5月8日播种,“干播湿出”,即低墒播种,滴水出苗;行距为30cm+60cm+30cm的宽、窄行配置,平均株距为11cm(如图1所示)。对膜下滴水点做3个处理,即在膜下分别布置1条滴灌带(布置在膜下宽行中心)、2条滴灌带(布置在膜下窄行中心)和3条滴灌带。其中,布置3条滴灌带时,使各滴灌带上的滴头相互对应,使膜下各滴水点上的滴头数增加,进而获得大的滴水流量。通过各小区首部压力调节,得到3个处理的膜下各滴水点上的滴水流量分别为:1.54、3.14、5.93L/h,分别称为“1倍滴流量”、“2倍滴流量”和“4倍滴流量”处理,每个处理设5个重复。各处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土壤温度、温度和单铃产量测定定苗以前,土壤水分用烘干法测定,每隔6d测定1次,测定深度为60cm,每10cm土层取样。定苗后,地面0～30cm深度土壤水分采用烘干法测定,地面30cm以下深度采用美国CPN公司生产503DR.9中子水分探测仪测定,每个处理设5根中子铝管,分别布置在膜下宽、窄行中心和膜外裸地中心,测定深度为130cm,每10cm土层读1次数,每3d观测1次。土壤温度采用中国科学院新疆科学仪器厂生产的RSW-1型热敏电阻数字温度计测定,每个处理埋设3组温度探头,分别埋设在与中子铝管对应的宽、窄行中心和膜外裸地中心,距中子铝管位置20cm;温度探头埋设深度分别距地表0、5、10、15、20、30、40cm。温度读取时间与土壤水分的测定同1天进行,每次在北京时间10:00和18:00观测。每个处理固定选取具有代表性的内、外行各5株棉花,观测全生育期棉花株高、叶面积、蕾、花、铃数的变化,每10d观测1次。吐絮期测定理论产量,统计各处理的棉花株数,分别在每个处理的5个重复中统计240株棉花的铃数,得出单株棉花平均铃数,再随机采摘50个铃(直径大于2cm),在65℃下烘72h,测出棉花平均单铃质量,进而计算不同处理的棉花理论产量。采用SPSS统计工具进行数据分析。2结果与分析2.1不同流量对0cm土层平均含水率的影响滴灌条件下土壤湿润体尺度和湿润锋推进速率主要受土壤水力特性、滴水流量和灌水量的影响。滴水流量越大,土壤湿润区宽度或水平运移速度也将越大。试验中,“4倍滴流量”处理的膜下宽行和膜下窄行0～100cm土层的平均体积含水率均比其他2个处理的值高,说明“4倍滴流量”处理的土壤湿润区最宽,而“1倍滴流量”和“2倍滴流量”处理的土壤湿润区宽度差别不大,如图2所示。图2显示,“2倍滴流量”处理的滴灌带布置在膜下窄行中间,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”处理的值,尽管“4倍滴流量”处理的滴灌带是布置在膜下宽行中间的。这是因为,“4倍滴流量”处理的滴水流量大,超出了土壤入渗强度,导致滴灌时地面出现积水;同时,在覆膜作用下,积水区紧贴地膜产生快速径流,很快流到膜下窄行边缘,使膜下窄行土壤渗水量增多,这样不仅扩大土壤湿润区宽度,而且提高土壤湿润均匀性。2.2对土壤温度的影响土壤水、热状况存在耦合关系,当土壤含水率增高时,土壤的热容量及导热率增加,使得土壤温度的变化幅度减小,土壤升温慢,导致其温度低。而土壤温度升高可使土壤水势增加,土壤水吸力降低,土壤湿润锋运移速度增加。试验结果显示,土壤含水率的增加没有导致土壤温度明显降低,如图3所示。棉花出苗后45d(蕾期)以前,“4倍滴流量”处理的棉花膜下宽行和膜下窄行的0～40cm土层平均土壤温度都高于其他2个处理的相应指标;出苗后60d左右(初花期),各处理的膜下宽行和膜下窄行的土壤温度都出现下降趋势;出苗85d后(花铃期),各处理的膜下窄行土壤温度开始出现差异,“2倍滴流量”处理的膜下窄行土壤含水率高,导致其土壤温度低,而“1倍滴流量”处理的膜下窄行土壤含水率低,使得其土壤温度高;出苗100d后,“4倍滴流量”处理的膜下宽行和膜下窄行的土壤温度都最低,而“1倍滴流量”处理的膜下宽行和膜下窄行的土壤温度最高。土壤温度的变化过程反映了地面覆膜、土壤水分和叶片遮光等因素对土壤温度的影响。出苗45d之前,棉花叶面积较小,地面受光面积大;同时,日间气温处在上升期,土壤吸热量大,当土壤含水率高时,土壤吸热多,传热快,加上有地膜覆盖,阻碍了土壤热量的夜间散失,所以,在此阶段“4倍滴流量”处理的土壤温度大于其他2个处理的相应指标。出苗60d后,棉花进入花期,叶面积增大,而且灌水频繁,使得各处理的土壤温度都下降。出苗85d左右,正是棉花叶面积达到最大值的时期,在叶片遮光作用下,地面受光面积极度减小,只有膜外裸地尚能接受光照,所以,该阶段“1倍滴流量”、“2倍滴流量”和“4倍滴流量”处理膜下窄行温度分别比其膜下宽行温度大0.4、0.2、0.1℃。因为“1倍滴流量”处理的窄行棉花叶面积小,其裸地的受光面积相对较大,加上该处理的膜下窄行土壤含水率低,所以,其相应的土壤温度最高。出苗100d后,棉花进入吐絮期,叶面积减少,但是,“4倍滴流量”处理的叶面积远大于其他2个处理的相应指标,同时,这一时期日间气温已处于下降期,土壤吸热量减少,而且田间已停止滴灌,所以,此阶段“4倍滴流量”处理的土壤因其前期含水率高,叶面遮光相对较大,土壤吸热少,导致膜下宽行和膜下窄行的土壤温度都最低;而“1倍滴流量”处理因其叶面积遮光相对较小,土壤吸热相对高,使相应的膜下宽行和膜下窄行的土壤温度都最高。对棉花生育期3个处理的土壤温度差异进行显著性检验(表2),差异没有达到显著的程度,说明这一时期不同处理的土壤湿润区对土壤温度影响并不大,所以总体上说,田间膜下土壤湿润区扩大以及含水率增高并没有使土壤温度明显降低。2.3不同生长阶段的棉叶面积试验中,不同处理下的棉花叶面积生长趋势基本一致,都在出苗后85d左右叶面积达到峰值。但是,由于“4倍滴流量”处理的土壤湿润区和含水率比其他2个处理的相应指标高,其相应的棉花叶面积生长速率自出苗45d以后比其他2个处理的叶面积生长速率显著加快,如表3所示。对单株叶面积进行方差分析(表3)。出苗45d之内(蕾期),各处理的棉花叶面积之间差异不显著,出苗45d以后,“4倍滴流量”处理的棉花叶面积与其他2个处理的叶面积之间出现极显著差异,但“1倍滴流量”处理与“2倍滴流量”处理的棉花叶面积之间差异不显著。从图2和图3可以发现,仅在棉花出苗45d内,“4倍滴流量”处理的土壤温度是高于其他2个处理,而整个生育期内3个处理的土壤温度没有显著差异;但是,整个生育期内“4倍滴流量”处理的土壤湿润区和含水率始终大于其他2个处理的相应值,“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,而膜下窄行土层是棉花根系主要分布区,由此说明,棉花叶面积生长主要受土壤湿润区和土壤水分状况调控。棉株的生长过程符合logistic曲线,如图4所示。各处理下的棉花株高生长速度都呈现出“慢—快—慢”的变化规律。出苗45d后,“4倍滴流量”处理的棉花株高明显高于其他2个处理的相应值。而方差分析表明,此阶段“1倍滴流量”和“2倍滴流量”处理的棉花株高之间差异不显著。可以看出,导致各处理之间棉花株高生长差异的原因与导致其叶面积生长差异的原因相同。2.4“4倍滴流量”对棉花产量的影响棉花的产量构成因素主要包括单株结铃数、单铃质量、衣指和衣分等指标,对不同土壤湿润区处理下的棉花铃数、单铃质量、籽棉理论产量和实际产量进行差异显著性分析,如表4所示。“4倍滴流量”处理的棉花株高、叶面积都要大于其他处理的相应值,成铃数多,使其籽棉理论产量大幅增加,其理论单产分别比“1倍滴流量”和“2倍滴流量”的相应指标增大了1377.69、1344.78kg/hm2。但是,3个处理的籽棉实际产量差异并不显著,尽管从数值上来看,“4倍滴流量”处理的籽棉实际产量最大。因为出苗100d后,“4倍滴流量”处理的土壤含水率大,土壤温度低,使得棉铃贪青,导致吐絮阶段滞后。3覆盖膜下各田间土壤温度的变化以及其与含水率的关系膜下滴灌土壤湿润区宽度和含水率分布状况主要对田间滴灌带用量有影响,如果土壤湿润区宽度大,而且含水率分布均匀,则农工倾向于采用“1膜1管”的滴灌带田间布置模式,即膜下只铺设1根滴灌带,以节省田间投资。但是,土壤湿润区尺度增加以后,可能导致土壤温度降低,反而影响作物生长,所以,田间膜下滴灌的土壤水热耦合关系是膜下滴灌技术设计中应该考虑的问题。试验中发现,滴水流量越大,形成的土壤湿润区也越大,土壤含水率分布越均匀。试验中还发现,“4倍滴流量”处理的膜下窄行的土壤含水率大于“2倍滴流量”处理的膜下窄行土壤含水率,尽管后者的滴灌带就布置在膜下窄行中间。在膜下滴灌条件下,可以通过增大滴水流量来扩大土壤湿润区宽度和提高土壤湿润均匀度,进而减少田间滴灌带用量。试验表明,田间土壤温度同时受土壤水分、气温、覆膜、作物叶面积等因素的影响,特别是当地面覆膜以后,土壤温度不再与土壤含水率呈现负相关关系,而是基本不随土壤含水率变化,膜下滴灌土壤湿润区扩大和土壤含水率的增加对棉花生育期的膜下土壤温度没有显