基于土壤水势的棉花滴灌预警模型研究

周莉薇 张强 张国龙 张泽

摘要[目的]研究膜下滴灌棉花不同土层深度土壤水势变化及与棉花功能叶片水势之间的关系，实现土壤水分的实时监测。[方法]利用水势测定仪测定土壤水势，并建立基于土壤水势的棉花滴灌预警模型。[结果]土壤水势在20～40 cm土层变化幅度较大，土壤水势（x）与棉花功能叶的凌晨叶水势（y）之间的关系：0～20 cm土层的方程式为y=-0.000 7x2-0.028 3x-1.394 3（R2=0.964 3），20～40 cm土层的方程式为y=-0.000 8x2-0.046 6x-1.8 093（R2=0.948 2）。通過田间验证预测精度较高（R2=0.945 7）。 [结论]该研究为膜下滴灌棉花灌溉补水和水分实时监测预警提供参考。

关键词滴灌；棉花；水势；预警；模型

中图分类号S275.6文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）10-0113-02

Study on Warning Model of Cotton Drip Irrigation Based on Soil Water Potential

ZHOU Liwei1，ZHANG Qiang2，ZHANG Guolong2，ZHANG Ze2*（1.Huili Irrigation Polytron Technologies Inc，Shihezi，Xinjiang 832003；2.Shihezi Hao Fengde Technology Co.Ltd.，Shihezi， Xinjiang 832003）

Abstract[Objective] To study the relationship between soil water potential changes of cotton under mulched dip irrigation in different soil depth and water potential of cotton function leaf，and realize the realtime monitoring of soil moisture.[Method] Soil water potential was measured using water potential instrument，and early warning model of cotton drip irrigation based on soil water potential was established.[Result] Change amplitude of soil water potential （SWP） was maximum in soil layer of 20-40 cm，and the relationship between soil water potential （x） and leaf water potential of function leaves （y） in the morning：equation in 0-20 cm soil layer for y=0.000 7x2-0.028 3x-1.394 3 （R2=0.964 3），equation in 20-40 cm soil layer for y=0.000 8x2-0.046 6x-1.809 3（R2=0.948 2）.Through the field validation prediction accuracy was higher （R2=0.945 7）.[Conclusion] The study can provide theoretical reference for filling water and realtime monitoring and early warning.

Key wordsDrip irrigation；Cotton；Water potential；Warning；Model

新疆植棉区属于半干旱地区，具有丰富充足的自然光热资源。经过多年的发展和开发，新疆棉区具备较为先进、完善的膜下灌溉体系和技术[1]。目前新疆饮用的水资源中，农业用水比例位居首位，达97%[2]。近年来，由于新疆工农业的快速发展、人口数量的逐步增加以及西部大开发带来的经济水平突飞猛进，城市居民生活用水和工农业用水数量急剧增加，水资源浪费现象严重，导致水资源供应明显不足[3]。因此水资源成为目前农业发展急需考虑的重要因素，了解和掌握棉田土壤水分的变化运移规律，对棉花生长发育、水分的实时监测和灌溉用水计划具有一定的指导意义，能够有效地指导农业生产[4-6]。笔者通过研究膜下滴灌棉花不同土层深度土壤水势变化与棉花功能叶片水势之间的关系，研究其变化规律，建立基于土壤水势的棉花滴灌预警模型，为农业生产灌溉补水计划提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地概况试验在新疆石河子国家农业科技园区进行，园区位于天山北麓，地处准噶尔盆地南部的沙漠和绿洲交界带，常年干旱少雨，光热资源充足。该地年降雨量仅180.5 mm，蒸发量1 534.4 mm，无霜期166 d，年平均日照时数2 784 h。试验地土壤类型属于灰漠土，土壤质地为砂壤土。耕层0～30 cm基本养分情况：有机质含量25 g/g，碱解氮含量83 mg/kg，速效磷含量32 mg/kg，速效钾含量287 mg/kg，田间持水量22.13%。

1.2试验材料

棉花品种为新陆早62号。

1.3试验方法试验于2015年4月15日播种，播种密度为225万株/hm2，播种深度为3 cm。根据目前大田棉花生产实际肥料用量，以K2O 51%作为基肥。氮肥（250 kg N/hm2）以尿素施入，全部作为追肥随水滴施。小区面积为49.2 m2（8.00 m×2.05 m×3），膜宽2.05 m，行距为60 cm，株距12 cm。试验地种植方式为棉花连作，东西走向，两头设置保护行。采用随机区组试验设计，其他田间管理均按高产栽培要求进行。

1.4测定项目与方法土壤水势的测定使用TRS-Ⅱ 数显土壤水势测量仪。土壤水势计算公式：

土壤水势（kPa）=[水势读数（cm）-探头水柱高（cm）]/10.2

式中，10.2为单位转换系数，探头水柱高为水势探头到橡皮塞的垂直高度。

使用小液流法测定棉花倒4叶叶片水势值，测定时间为11∶00—13∶00。

1.5数据处理试验数据采用Excel 2003软件进行整理和回归分析，并采用SPSS进行方差分析。

2结果与分析

2.1不同土层土壤水势变化从表1可以看出，7月8—14日40～60 cm土层的水势变化幅度较小，20～40 cm土层的水势变化幅度较大，这表明0～40 cm土层土壤水势变化受棉花蒸腾作用和土壤蒸散作用的影响较大，0～40 cm土层的水勢值更能实时地反映土壤水分亏缺情况。因此，通过测定该范围土壤的水势值能够准确地反映土壤水分对棉花植株的有效性，从而指导农业灌溉用水。

可以看出，不同采样时期土壤水势之间均具有显著差异，同时7月14日采样的土壤水势与7月8日、7月10日、7月12日采样的土壤水势之间具有极显著差异。这表明7月14日的土壤墒情发生了较大变化，如不采取一定的措施则会影响棉花的正常生长发育，此时需要生产管理者进行及时的灌溉补水。

2.2土壤水势与凌晨叶水势的关系

可知，土壤水势（SWP，x）与棉花功能叶的凌晨叶片水势（PLWP，y）之间的关系：0～20 cm土层的方程式y=-0.000 7x2-0.028 3x-

这表明在棉花的不同生育期，如果不同土层的土壤水势值小于以上数值，则棉花不能正常生长，甚至影响棉花的生长发育。根据各个生育期的需水临界土壤水势值，可以进行膜下滴灌棉花的土壤水分实时监测。可以将土层深度0～20和20～40 cm的土壤水势值作为棉花灌溉措施的标准，当土壤实际水势小于该值时，则应采取适当的措施进行补水灌溉，以保证棉花的水分需求。

2.3基于土壤水势的棉花滴灌预警模型验证

基于2016年测定的棉花全生育期土壤水势值和叶片临界水势值，进行预测模型的验证，结果表明，R2=0.945 7，RMSE=0.271（图3）。因此，基于土壤水势预测棉花水分情况的此种方法可靠度较高，是实时监测棉花水分的一种新方法。

3结论

（1）7月8—14日土壤水势在20～40 cm土层变化幅度较大，其次是0～20 cm，40～60 cm土层土壤水势变化幅度较小，因此0～40 cm土层土壤水势可用来反映土壤墒情变化。

（2）膜下滴灌棉花土层深度为0～20 cm时，土壤需要灌溉补水的需水临界值在棉花的花前期、花铃期、吐絮期分别

为34.9、-40.2、-45.0 kPa；土层深度为20～40 cm时，土壤需要灌溉补水的需水临界值在棉花的花前期、花铃期、吐絮期分别为43.3、-49.1、-54.0 kPa。以上各个数值可以作为棉花水分亏缺的重要指标以指导农业生产灌溉。

（3）土壤水势（x）与棉花功能叶的凌晨叶水势（y）之间的关系：0～20 cm土层的方程式为y=-0.000 7x2-

0.028 3x-1.394 3（R2=0.964 3），20～40 cm土层的方程式为y=

-0.000 8x2-0.046 6x-1.809 3（R2=0.948 2），相关系数均较大，通过实际验证，