棉花膜下滴灌農(nóng)田單點墑情監(jiān)測模擬模型的建立與檢驗

劉浩，馬富裕，崔靜，孫繪健

（新疆兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室／石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，石河子832003）

棉花膜下滴灌農(nóng)田單點墑情監(jiān)測模擬模型的建立與檢驗

劉浩，馬富裕，崔靜，孫繪健

（新疆兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室／石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，石河子832003）

為了探索較為適宜北疆雜交棉田的灌溉策略及建立該灌水模式下的墑情監(jiān)測模型，在膜下滴灌雜交棉花鈴期，對不同灌水頻率和灌水量條件下土壤含水率的時空變化特征及產(chǎn)量展開大田試驗調(diào)查。結(jié)果表明：5d30mm灌水模式最為適合北疆雜交棉花的生長，根層75%相對含水量為適宜的土壤水分臨界值，并建立該灌水模式下的墑情預(yù)測模擬模型：y＝－1．321x2＋2．855x－0．6178（R2＝0．945），模型的檢驗結(jié)果表明模型可以精確的模擬相同土壤質(zhì)地的土壤含水率。

時空變化；灌溉策略；等值線圖；監(jiān)測模型；模型檢驗

隨著滴灌自動控制系統(tǒng)的大面積推廣和應(yīng)用，用于監(jiān)測土壤墑情的水分傳感器已成為該系統(tǒng)不可或缺的一部分。然而傳感器監(jiān)測結(jié)果的精確度受很多因素的影響，其中埋設(shè)的位置在監(jiān)測中起重要的作用。前人對基于傳感器的土壤墑情監(jiān)測開展了大量的研究。Haise等［1］認為傳感器應(yīng)該安放在根系水分吸收區(qū)域的臨界區(qū)。Phene等［2］認為在滴灌條件下，傳感器應(yīng)該安放在靠近滴頭的區(qū)域。Stegman［3］認為可以根據(jù)不同的根系分層，將2個傳感器安裝在不同的土層深度，而且較深處的傳感器的深度應(yīng)該是較淺處的傳感器的2倍。滴灌條件下對果類植物的土壤含水量監(jiān)測時，傳感器的埋設(shè)點需要更細致的考慮，這是由于這些植物具有粗根系及其代表性根系活動區(qū)域的不確定性，相關(guān)研究文獻也少見報道。李彥［4］認為膜下滴灌棉田一管四模式（即一張薄膜上鋪設(shè)一根毛管，灌溉四行棉花，膜上行距為：20cm＋45cm＋20cm＋60cm）下，監(jiān)測點布設(shè)在距離滴灌帶約30cm處優(yōu)于距離滴灌帶5 cm處。魏恒文［5］認為在土壤剖面以5～10cm和20～30cm處為埋設(shè)傳感器的最佳深度，40～50cm處為輔助埋設(shè)深度，在水平方向，以傳感器埋設(shè)在距滴頭橫向距離為10cm處為佳。

盡管前人已開展了較多的相關(guān)工作，但是關(guān)于基于傳感器的最佳布設(shè)點處的土壤含水量與大田墑情的預(yù)測預(yù)報之間關(guān)系的研究較少。本研究旨在通過分析在膜下滴灌棉田花鈴期不同灌水頻率和灌水量條件下，探索土壤含水率的時空變化特征，以期為土壤水分傳感器監(jiān)測點的分布提供依據(jù)，并據(jù)此構(gòu)建優(yōu)化灌溉模式下的墑情預(yù)報摸擬模型，可為膜下滴灌棉田墑情監(jiān)測和灌溉預(yù)報提供依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 材料

本試驗于2008－2009年在石河子國家農(nóng)業(yè)高新示范園區(qū)（86°01′E，44°26．5′N）進行，試驗區(qū)土壤為中壤土，0～30cm土層含有機質(zhì)30g／kg，堿基氮70 mg／kg，速效磷20mg／kg，速效鉀518mg／kg，pH值為8．3。試驗田土壤的容重和田間持水量見表1。

表1 試驗田土壤的田間持水量和容重Tab．1Soil bulk density and field capacity of experimental field

供試棉花品種石雜2號由石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)研究中心培育，試驗用種也由該機構(gòu)提供。膜下滴灌地采用“干播濕出”方式播種出苗，一膜6行種植模式，即1條膜帶上播種6行棉花，寬窄行配置方案為18cm－55cm－18cm－55cm－18cm－76cm，每條膜下鋪設(shè)3條滴灌帶，位于窄行中央位置，株距為9cm，保苗24×104株／hm2。播前施三料磷肥225kg／hm2（含P2O546%），尿素150kg／hm2（含 N 46%）。2008年4月24日播種，7月6日打頂，花鈴肥于6月26日開始隨水追施，到8月底結(jié)束滴肥，9月6日結(jié)束灌溉。始花（6月26日）前所有處理統(tǒng)一管理，管理方法同高產(chǎn)田。

1．2 方法

1．2．1 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)4個灌溉頻率和灌水量處理，即3d 18mm（每3d灌溉18mm，下同）、3d30mm、5d 18mm及5d30mm（表2），在棉花的花鈴期，對其進行為期2個灌水周期的土壤含水量動態(tài)監(jiān)測，土壤剖面取樣深度范圍為0～60cm，分0～20cm，20～40cm，40～60cm 3層測定土壤重量含水量，其中0～60cm的土壤含水量為3個土層的平均值。為了確定在三管六（即一張膜上三根毛管，每根毛管管兩行棉花，膜上行距為：18cm－55cm－18cm－55cm－18cm－76cm，下同）配置條件下距離垂直滴灌帶方向不同距離各點的土壤含水量時空變化，試驗設(shè)計在水平方向距離滴灌帶0．0cm、18．25 cm、36．5cm、54．75cm、73．00cm、91．25cm、109．5 cm分7個監(jiān)測點進行測定（圖1），整個土層土壤含水率為7個點的平均值。

表2 不同灌溉頻率和灌水量處理表Tab．2Irrigation frequency and amount of different treatment

圖1 三管六配置下棉花生長位置與土壤含水量測定位置Fig．1The location of cotton and the mensuration point of soil moisture

以坐標軸中矩形黑點標記處為原點，水平方向為X軸，垂直方向為Y軸，圖1中7個點的坐標分別為1（0，0）、2（18．25，0）、3（36．5，0）、4（54．75，0）、5（73，0）、6（91．25，0）、7（109．5，0）。

1．2．2 測定項目

1．2．2．1 棉花測產(chǎn)

在盛絮期選擇長勢良好的地塊6．67m2，每個小區(qū)選3個點，產(chǎn)量取3次重復(fù)的平均值。測產(chǎn)方法：對每個小區(qū)的棉花株數(shù)、吐絮個數(shù)、青鈴個數(shù)進行計數(shù)。并在各小區(qū)內(nèi)收取10株上部、中部和下部棉花共計30株，稱其單鈴重。棉花產(chǎn)量計算公式：

上式中，Y 為小區(qū)產(chǎn)量（kg／6．67m2）；n吐為吐絮的個數(shù)；n青青鈴的個數(shù)；W吐為平均單鈴?fù)滦醯闹亓浚╣）。

1．2．2．2 土壤水分傳感器的優(yōu)化埋設(shè)點的確定依據(jù)

在棉花的花鈴期，利用烘干法對不同水分處理的0～20cm、20～40cm、40～60cm的土壤含水量進行2個灌水周期的調(diào)查，分析最優(yōu)灌溉模式中，距離滴頭不同距離，各點不同土壤層次的土壤含水率的時空變化特征，確定在時間上變化幅度最大、空間上變化幅度最小的點，通過該點與整個土層土壤含水率的平均值進行回歸分析，建立膜下滴灌棉花根層墑情變化的單點預(yù)測模型，最終確定土壤水分傳感器在根層剖面優(yōu)化布設(shè)數(shù)量和埋設(shè)深度，從而使埋設(shè)的土壤水分傳感器能夠準確監(jiān)測不同生育階段計劃濕潤層土壤含水量的變化。

2 結(jié)果與分析

2．1 最優(yōu)灌溉策略的確定及土壤水分傳感器在水平方向最佳布設(shè)點的分析

2．1．1 不同灌溉頻率和水量處理對膜下滴灌棉花產(chǎn)量及其農(nóng)藝性狀的影響

研究結(jié)果（表3）表明，不同灌溉頻率和水量處理之間，株高、單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴數(shù)和產(chǎn)量均存在顯著性差異。

從株高來看，3d30mm＞3d18mm＞5d30 mm＞5d18mm；3d30mm和其余3個水分處理存在顯著性差異，5d30mm處理和5d18mm處理差異不顯著，但均顯著低于其余水分處理。

從單株結(jié)鈴數(shù)來看，3d18mm處理和5d30 mm處理差異不顯著，3d30mm處理和5d18mm處理差異不顯著，但顯著低于其余水分處理。

從單鈴重來看，5d30mm＞3d18mm＞5d18 mm＞3d30mm，4個水分處理相互之間均存在顯著性差異。

從產(chǎn)量上來看，5d30mm處理和3d18mm處理產(chǎn)量最高，二者之間差異不顯著，3d30mm處理和5d18mm形成處理間的顯著差異，并顯著低于3d18mm處理和5d30mm處理。

對照北疆棉花高產(chǎn)記錄［6－7］，本研究的5d30 mm供水模式應(yīng)為接近發(fā)揮本地區(qū)棉花生產(chǎn)潛力的供水模式，因此，暫可將其定為北疆雜交棉花適宜的灌溉策略，其根層的水分變化特征為優(yōu)化特征。

表3 不同灌溉頻率和水量處理的產(chǎn)量及其農(nóng)藝性狀Tab．3Yield and cotton character under different irrigation frequency and quantity treatment

2．1．2 不同灌水頻率和水量處理土壤含水率的時空變化特征

不同處理各監(jiān)測點土壤含水率的動態(tài)變化見圖2。圖2中，3d18mm處理和3d30mm處理中，X軸數(shù)字序列1～5分別代表灌前24h、灌后24h、灌后48h、下次灌前24h、下次灌后24h；5d18mm處理和5d30mm處理中，數(shù)字序列1～5分別代表灌前24h、灌后48h、灌后120h、下次灌前196h、下次灌后48h。各處理Y軸數(shù)字序列1～7代表距離滴頭不同距離的7個取樣點。

由圖2可見，5d30mm處理中，整個灌水周期各點相對田間含水量都基本保持在75%左右，較為適宜作物的生長。結(jié)合2．1．1節(jié)所述，5d30mm產(chǎn)量較3d18mm偏高，可將根層75%相對含水量暫定為北疆雜交棉花適宜的土壤水分臨界值。3d 30mm處理中，由于灌水量過大且灌水周期較短，導(dǎo)致該處理在整個灌水周期中的土壤含水率都處于過飽和狀態(tài)，而5d18mm中，由于灌水量較少且灌水周期較長，導(dǎo)致該處理在整個灌水周期中土壤含水率都處于虧缺狀態(tài)。3d18mm處理中，灌后24 h，除1、5兩點，其它各點土壤含水率能都低于75%，較5d30mm供水模式使作物輕度缺水，不太適宜作物生長。

在5d30mm 處理中，1、2、4、5四點的灌溉前后土壤含水率變化幅度較大，其中，1、5兩點由于處在滴管下方，土壤含水率較七個點的平均土壤含水率偏高，而2、4點的土壤含水率更接近整個土層的土壤含水率值。

圖2 不同處理各監(jiān)測點土壤含水率的動態(tài)變化Fig．2Transformation trends of soil moisture content under different treatment

2．1．3 土壤含水率等值線圖的分析

圖3為5d30mm清水模式的土壤水分等值線，其中，X軸為水平方向，圖3a左下角處為原點，（0，20）點為滴頭正下方，（73，20）點為滴管正下方，棉株行所在坐標為（9，20），（64，20），（82，20）。

圖3 5d30mm灌水模式的土壤水分等值線Fig．3Soil moisture isoline figure of 5d30mm treatment

從圖3a至圖3d可以看出，灌前24h和灌后196 h（即下次灌前24h），土壤含水率等值線最稀疏，灌溉后24h土壤水分等值線圖最密，隨著時間的延長，土壤含水率等值線圖越來稀疏，土壤含水量變化梯度越來越?。?］，灌溉不同時段0～20cm土層的土壤水分等值線最稀，隨著土壤深度的增加，土壤含水率等值線圖越來越密，土壤含水量變化梯度越來越大［8－9］。這是由于灌后，土壤水分由于基質(zhì)勢和重力勢的作用，而再分布過程，到了下次灌溉前，土壤水分再分配基本上結(jié)束，在時間尺度上相比灌后48h，土壤水分在空間上更加均一，土壤水分在空間上的梯度也達到最低點。從圖3a可以看出，不同時段各點的土壤含水率變化梯度較大的區(qū)域都分布在0～40cm，灌前24h，土壤含水率在水平方向30～55cm、垂直方向0～40cm處和水平方向62～80cm、垂直方向0～40 cm、土壤含水率空間上的變化梯度較小，即取樣點3、4、5三處。但是由于點3處距離滴灌帶較遠，對灌水的敏感度較低，灌前、灌后土壤含水率變化的幅度較小，且其值較平均值較低，而點5位于滴管正下方，其值相比平均值較高，因此，水平方向距離滴灌帶18．25 cm，垂直方向0～40cm，即點4處的水分變化可作為傳感器的最佳布設(shè)點。

2．2 土壤水分傳感器的最佳埋設(shè)深度

2．2．1 不同深度土壤含水率的相關(guān)關(guān)系分析

前人關(guān)于土壤水分垂直分布規(guī)律方面的研究結(jié)果表明，0～100cm土層大致分為2個層次，0～40 cm 為速變層，40～100cm 為活躍層［10－11］。在作物生長過程中，作物根系在速變層吸收土壤水分最多，該層土壤含水率在灌溉前、后變化最為劇烈。該層土壤水分變化特征能夠充分反映主要根系層土壤含水率的變化，是埋設(shè)土壤水分傳感器的最佳代表層。因此，需要對速變層的土壤含水率與作物根區(qū)不同層次的土壤含水率進行相關(guān)分析，為最終確定最佳觀測層次提供依據(jù)，從而精簡土壤水分傳感器的安裝位置和數(shù)量。以此為依據(jù)分別分析不同深度土壤含水率與整個耕層的相關(guān)關(guān)系。由表4可以看出，點2、點4的0～20cm土層、20～40cm土層的土壤含水率與0～60cm土層的土壤含水率呈顯著性相關(guān)，而且20～40cm與0～60cm土層的線性相關(guān)程度較高。由此可知，點2、點4的0～20cm土層、20～40cm土層、0～60cm土層三者之間的土壤含水率可以建立二次項回歸方程，其中各點20～40cm土層與0～60cm土層的線性相關(guān)程度最高。

表4 不同深度土壤含水率的相關(guān)性（R2）Tab．4The correlation of soil moisture among different layers

2．2．2 不同深度土壤含水率的線性相關(guān)擬合

結(jié)合2．2．1節(jié)所述，2、4兩點的0～20cm 土層、20～40cm土層、0～60cm土層三者之間土壤含水率可以建立二次項回歸模型，且20～40cm土層能較好的預(yù)測計劃濕潤層0～60cm土層的土壤含水率（表4）。在考慮到墑情監(jiān)測的經(jīng)濟性和精準性的前提條件下，可以將土壤水分傳感器布設(shè)在點4的20～40cm用來指征0～60cm土層的土壤含水率，即點4的土壤剖面30cm處。

表5 點4不同土層土壤含水率二次項回歸分析結(jié)果Tab．5Analysis results of different soil layers for observed point 4

2．3 單點墑情監(jiān)測模型的建立

通過以上分析得知點4在水平方向和垂直方向都能較好的模擬灌區(qū)0～60cm土層的土壤含水率，以點4為最佳觀測點，利用水平方向距離點源處18．25cm處，剖面30cm處的土壤含水率指征大田的墑情狀況，以此為基礎(chǔ)，將該點的土壤含水率值與距離點源處不同距離各點的土壤含水率的平均值進行回歸分析，得到如下回歸模型：

y＝－1．321x2＋2．855x－0．6178，（R2＝0．945）。

上式中，y為最佳監(jiān)測點土壤含水率值，x為距離點源處不同距離各點的土壤含水率的平均值。

2．4 模型的驗證

以2009年石河子總場異地但相同質(zhì)地的地塊測得的土壤含水量時空調(diào)查數(shù)據(jù)為依據(jù)，對單點墑情模型進行檢驗，檢驗結(jié)果見表6。

表6 模型預(yù)測精度的分析結(jié)果Tab．6Precision analysis result of model for estimating

將2009年在相同土壤質(zhì)地條件下測得的水平方向距離滴頭18．25cm處、剖面30cm處的土壤含水率代入模型中，求得不同距離各點的平均值的模擬值。由表6可以看出，模擬值與觀測值的精度分析結(jié)果，其相對誤差為9．95%，根均方差為0．0192，相關(guān)系數(shù)和一致性系數(shù)分別為0．9450和0．9998，接近于1，置信度α為0．0051，小于0．01，這表明可以用該模型對土壤墑情狀況進行模擬。

圖4中的土壤含水量模擬值與觀測值之間的關(guān)系也表明，模型具有較好的預(yù)測性和較強的符合度。

由此可見，利用該式能較好的模擬田間墑情狀況。

圖4 在相同土壤質(zhì)地的土壤含水率的實測值與模擬值的比較Fig．4The compare between the observed soil moisture and the simulated withthe same soil texture

3 結(jié)論

1）5d30mm處理的產(chǎn)量最為接近發(fā)揮棉花生產(chǎn)潛力的供水模式，因此暫可將其定為北疆雜交棉花適宜的灌溉策略。

2）以75%田間相對持水量為灌溉臨界值，根據(jù)水平方向距離滴頭18．25cm和剖面30cm處的土壤含水率可以預(yù)測0～60cm土層的SWC，以此為基礎(chǔ)建立的回歸模型的預(yù)測值可指導(dǎo)灌溉。

3）利用2009年石河子總場的異地同質(zhì)地的土壤含水率調(diào)查數(shù)據(jù)對該模型進行驗證，結(jié)果表明，相對誤差為9．95%，根均方差為0．0192，相關(guān)系數(shù)和一致性系數(shù)分別為0．9450和0．4838，接近于1，置信度α為0．0051，小于0．01，模型具有較好的預(yù)測性和較強的符合度。因此，該模型可以對土壤墑情狀況進行預(yù)測。

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Establishment and Verification of Soil Moisture Model for Cotton Cultivation with Drip Irrigation under Mulch

LIU Hao，MA Fuyu，CUI Jing，SUN Huijian
（The Key Laboratory of Oasis Eco－Agriculture，Xinjiang Production and Construction Group／College of Agriculture，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

Field experiment was conducted to investigate spatial and temporal variation of soil moisture and its yield under irrigation frequency and amount of different treatments during flowering－bolling stage of hybrid cotton．Thus efficient irrigation strategy may be provided and soil moisture model under this irrigation strategy could be established for hybrid cotton in Northern Xinjiang．The result showed that 5d30mm irrigation mode was recommended for hybrid cotton growth in Northern Xinjiang，75%of relative soil water content could be recognized as the critical value of soil moisture．Moreover，the soil moisture model was established as followed：y＝ －1．321x2＋2．855x－0．6178（R2＝0．945），which can precisely simulate soil moisture with the same soil texture for different regions in different years．

spatial and temporal variation；irrigation strategy；isoline figure；monitor model；model verification

S152．72；S275

A

2010－03－18

國家科技支撐計劃項目（2007BAD44B07），國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2006AA100218－6），新疆兵團科技型中小企業(yè)創(chuàng)新計劃（2006YD43），農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項目（2008GB2G410378）

劉浩（1984－），男，碩士生，專業(yè)方向為作物信息技術(shù)；e－mail：liuhao0938＠163．com。

馬富裕（1967－），男，教授，博士生導(dǎo)師，從事作物生理生態(tài)與農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究；e－mail：mafuyu403＠m(xù)sn．com。