呼图壁县膜下滴灌棉花灌水时间研究

阿布都卡依木·阿布力米提，马英杰，张佳学

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.北京联创思源测控技术有限公司，北京 100085)

膜下滴灌在新疆已经应用了十几年,充分体现了其节水增产效益。但是在其应用过程中,也出现节省的水量满足不了逐年增加的土地开垦面积、农业用水紧缺、过量施肥导致土壤盐渍化等一系列问题。解决这些问题的关键是确定更加精确的灌溉制度,在保证农作物生长需水的同时,避免水分的深层渗漏[1]。而确定不同模式下滴灌棉花灌水时间是制定灌溉制度的重要因素之一。许多学者研究了在不同灌水量、不同滴头流量下，湿润体随灌水时间的变化，并证明其规律呈良好的显著关系[2-4]。

本文以棉花膜下滴灌实地数据为依据，主要讨论一膜两管和一膜三管两种不同滴灌管铺设方式下棉花地土壤湿润情况，及湿润锋随时间变化过程。根据实测数据确定出适合当地情况的最佳灌水时间。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2014年7月1日至2014年9月10日在位于新疆呼图壁县大丰镇以东1.5 km处、312国道北侧的红柳塘村棉花示范田(86.63°，44.18°)进行。试验区土质为黏壤土，土壤密度为γ=1.45 g/cm3，平均气温6.7 ℃，年降水量167 mm，无霜期平均180 d。本试验中选用当地膜下滴灌铺设常用的两种方式，即一膜六行两管和一膜六行三管(见图1)。棉花的株距为10 cm，行距为12-66-12-66 cm。

图1 两种滴灌管铺设方式示意图

1.2 试验方法

花本试验通过在滴灌管正下方以单一滴头为中心，其湿润区域开挖坡面的方法，观测两种滴灌管铺设方式下，滴灌棉根系层的湿润情况以及湿润锋随时间的变化过程。在一同个条田内选择两种铺设方式，又在同一铺设方式下选取3条支管作为研究小区进行，支管铺设长度均为50 m。在每一个小区选取3条分别在支管两头离条田边缘第三个铺膜上和中间一个铺膜上滴灌管作取样采集对象进行试验，滴灌管铺设长度均为65 m。每一条滴灌管上离滴灌管两端5 m的位置取相邻两个滴头作为观测点，实验小区和采集点详细的布置如图2所示。两种不同种植模式各有3个重复，按照该灌区轮灌制度统一分配的条件下总共做了3次试验，总共有2×3×3×2×3=108个数据观测点，一次试验时间均为8 h。试验在滴头正下方以选定滴头为中心开挖剖面，观测灌水后土壤的湿润半径和深度；在试验中灌水到2 h的时候，在选定滴头正下方用小铁铲挖开剖面观测棉花根系所在土壤层湿润情况。挖开范围为以滴头为中心宽度20 cm、深度15 cm，然后用米尺量测此瞬间较准确的湿润锋水平和垂直扩散度。继续灌水 4、6、8 h后，在同一条滴灌管上以第一次选定的滴头左右隔5个滴头的间距进行测定，测试方法与灌水2 h后相同。以此类推直至灌水后8 h停止，开挖剖面宽度和深度随着时间逐渐加大到湿润锋以滴头为中心水平半径60 cm、垂直深度60 cm。

图2 大田试验小区采集点布置

2 结果与分析

试验小区的管道流量和压力相同以及整个滴灌系统正常运行状态下，在滴灌管离支管近的滴头和离滴灌管尾端近的滴头之处，进行滴灌湿润锋水平扩散半径和垂直渗透深度的变化情况与灌水时间之间的关系，以及两种种植模式大田滴灌当中在灌水时间方面的优势作比较。每次试验前后当地气候均处于经常状态，也没有出现影响试验结果的气候因素。

2.1 一膜两管滴灌模式下棉花湿润锋随时间的变化情况

滴灌棉花在相同的滴头流量和灌水量一膜两管种植模式下，同一条滴灌管首端和尾端选定滴头之处湿润锋随时间变化如表1和表2所示，其关系图如图3所示。

由表1和表2可知，一膜两管模式的棉花灌水过了8 h后，滴灌管首端湿润锋以滴头为中心垂直湿润深度达到40 cm以上、水平湿润半径35 cm以上。同时，在滴灌管尾端湿润锋以滴头为中心垂直湿润深度接近40 cm、水平湿润半径也接近35 cm。湿润半径r和湿润深度h与时间t的关系做回归分析(见图3)，所得结果如下：

表1 滴灌管首端湿润锋 cm/h

表2 滴灌管尾端湿润锋 cm/h

图3 一膜两管铺设方式滴灌管首尾端湿润锋与时间关系图

滴灌管首端：

f(r-t)=0.159 3x2+3.429 8x

f(h-t)=0.268 1x2+3.004xR2≥0.99

(1)

滴灌管尾端：

f(r-t)=0.147 2x2+2.960 5x

f(h-t)=0.239 9x2+2.809xR2≥0.98

(2)

为进一步的观察和掌握在同时间内同一条滴灌管首尾端湿润体变化情况，分别对同一条滴灌管首端和尾端湿润锋水平扩散半径与时间的关系(见表3)以及垂直方向深度与时间的关系(见表4)进行分析。

由图4可知，在相同时间内同一条滴灌管首端和尾端湿润锋水平和垂直方向的扩散情况有所差别。由相关性分析可知多项式拟合公式R2均大于0.98。但是总体上看，一膜两管种 植模式滴灌管首端和尾端湿润度随时间变化量取平均值，过了8 h后湿润半径达到35 cm、湿润深的达到39 cm。根据王一民[9,10]等人的研究发现，棉花全生育期根系分布最为兴旺层次是0～40 cm范围。该结论与本试验结果一致，由此可知，当前的棉花湿润范围可以满足棉花根系吸水条件，棉花湿润情况如图5所示。

表3 滴灌管首、尾端湿润锋水平方向变化 cm/h

表4 滴灌管首、尾端湿润锋垂直方向变化 cm/h

图4 一膜两管方式滴灌管首尾端湿润锋与时间的关系

图5 一膜两管湿润锋的变化及湿润范围示意图

2.2 一膜三管模式棉花湿润锋随时间的变化情况

一膜三管种植模式下的滴灌棉花，试验条件与一膜两管种植模式相同，运用同样的原理对一膜三管种植模式进行分析。同一条滴灌管首端和尾端选定滴头之处湿润锋随时间变化如表5和表6所示。

表5 滴灌管首端湿润锋 cm/h

表6 滴灌管尾端湿润锋 cm/h

图6 一膜三管铺设方式滴灌管首尾端湿润锋与时间关系图

由表5、表6和图6可以看到：一膜三管种植模式的棉花灌水持续8 h后，滴灌管首尾端湿润锋以滴头为中心垂直和水平扩散度均达到50 cm。分析毛管首端和尾端湿润锋趋势随时间变化关系图(见图6)，针对湿润半径r和湿润深度h与时间t的关系做回归分析：

滴灌管首端:

f(r-t)=0.266 1x2+4.125 8x

f(h-t)=0.076 6x2+5.722 6xR2≥0.99

(3)

滴灌管尾端:

f(r-t)=0.290 3x2+3.864 5x

f(h-t)=0.090 7x2+5.420 2xR2≥0.98

(4)

为进一步的观察和掌握一膜三管模式滴灌管棉花在同时间内、同一条滴灌管首尾端湿润体变化情况。下面对同一条滴灌管首端、尾端的湿润锋水平扩散与时间的关系(见表7)以及垂直方向深度与时间的关系(见表8)进行分析。

表7 滴灌管首、尾端湿润锋水平方向变化 cm/h

表8 滴灌管首、尾端湿润锋垂直方向变化 cm/h

图7 一膜三管方式滴灌管首尾端湿润锋与时间的关系

一膜三管模式滴灌棉花在灌水量、压力相同的情况下，湿润锋垂直和水平扩散度随时间变化也很明显。由图7可知，一膜三管棉花模式，同一时间和灌水量情况下，滴灌管首端和尾端湿润锋的变化情况有所差别。通过滴灌管湿润体的水平扩散和垂向入渗度与灌水时间的关系用二项式函数关系进行回归分析得知，相关性多项式拟合公式R2均大于0.98。

对于整个灌区滴灌棉花湿润锋随着时间变化而言：

F(t)=at2+btR2>0.98

(5)

式中：F(t)为在时间t时湿润锋的湿润半径和湿润深度，cm；t为灌水时间，h；a,b为拟合参数。

以上拟合公式R2均大于0.98,说明交汇面湿润锋水平、垂直运移距离与入渗时间均满足良好的线性函数关系[5]。棉花湿润情况随时间关系见图8。

图8 一膜三管湿润锋的变化及湿润范围示意图

2.3 最佳灌水时间的确定

从北疆作物根系的分布、发育、分布规律中看出,苗期根系已布满耕层,主根入土垂直深度达35 cm;开花期主根入土深度达123 cm,大量根系分布在0～60 cm土层[6]。主要构造有52.4%、65.8%和73.3%以上的根量分别集中在地表20、30和40 cm深的土层内,80.6%以上的根量集中在植株两侧0～15 cm土体内[7]。

通过研究和分析不同种植模式滴灌棉花湿润锋随灌水时间变化情况，灌水量和滴头流量相同、滴灌自由入渗的条件下，黏壤土垂直湿润锋运移速度大于水平湿润锋运移速度[8]。对同一种土壤湿润体和作物根系的关系而言，一膜两管滴灌模式棉花灌水8 h后，作物主吸水根的水平和垂直分布范围均湿润。一膜三管模灌溉模式棉花6 h后，作物主吸水根的水平和垂直分布层均未达到湿润。

3 结 语

通过试验和数据分析得知：

(1)滴灌棉花灌水量、滴头流量为定值、滴灌自由入渗条件下，黏壤土垂直湿润锋运移速度往往大于水平湿润锋运移速度，湿润锋垂直方向入渗所用的时间最短。此结论和其他学者研究的结果保持一致。

(2)一膜两管种植模式的滴灌棉花，灌水过了8 h后湿润锋水平扩散度和垂直入渗度均接近40 cm。此湿润状态完全能够满足作物该时间段内根系吸水的要求。

(3)一膜三管种植模式的滴灌棉花，灌水过了6 h后湿润锋水平扩散度和垂直入渗度约40 cm。棉花该时刻湿润状态完全能够满足作物根系分布层吸水的要求。灌水超越6 h以后，开始出现整个覆膜上面都有积水的现象，8 h后甚至出现铺膜上有流动水的情况，湿润深度达到50 cm。

在田间管网系统的运行和田间操作管理具备理想条件下，通过湿润锋趋势和时间关系以及湿润锋水平扩散与垂直渗透关系的分析，得到一膜两管和一膜三管不同滴灌管铺设方式的滴灌棉花最佳灌水时间。即一膜三管的模式灌水时间为6 h比较合理，均能满足作物根系吸水要求。一膜两管的模式灌水时间为8 h比较合理，均能满足作物根系吸水要求。

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