覆膜对滴灌棉田土壤水分时空运移的影响

王 剑，杨北方，陈焕轩，李 鑫，冯 璐，雷亚平， 熊世武，李小飞，王占彪，李亚兵

(1.中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南安阳 455000； 2.棉花生物学国家重点实验室郑州大学研究基地/郑州大学，郑州 450000； 3.河北农业大学农学院/河北省作物生长调控重点实验室，河北保定 071001)

0 引 言

【研究意义】与常规灌溉技术相比，膜下滴灌技术由于其节水[1]、保墒[2-3]、增产[4]等特征在新疆棉区得到广泛的应用[5]。研究覆膜对滴灌棉田土壤水分时空运移对棉花精准灌溉具有重要意义。【前人研究进展】土壤水分时间和空间维度上有一定的变异性[6-7]。膜下滴灌土壤水分呈现规律性变化，在空间尺度上浅层土壤的含水量高于深层土壤[8-10]；时间尺度上土壤水分含量的变化曲线整体呈现抛物线状态，在棉花花铃期达到顶峰[8,11]。对不同时间段的2种处理土壤水分含量进行建模拟合，以拟合方程的斜率表征土壤水分含量消退速率[12]。【本研究切入点】以往研究主要以作物不同生育期的土壤水分变化为主，而土壤水分变化不是一个跳跃式的过程，而是一个连续的、累积的变化过程。仅研究不同生育期不能完全反映在作物全生育期内的水分和温度的变化特征。目前，对膜下滴灌土壤水分的时空分布及变化研究较少。研究覆膜对滴灌棉田土壤水分时空运移的影响。【拟解决的关键问题】比较膜下滴灌和无膜滴灌，采用5TE土壤水分温度传感器实时采集土壤水分数据[13，14]，利用Surfer，Voxler等软件进行时空插值[15-17]，研究膜下滴灌的土壤水分的实时变化状况，分析其在时空上的变化规律，为棉花精准灌溉、无膜栽培等技术提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2018年在中国农业科学院棉花研究所阿拉尔试验基地开展，试验点位于新疆阿克苏市阿拉尔10团(40°51′N，81°30′E)，处于暖温带大陆性荒漠气候带，2018年年平均温度10.6℃，≥10℃积温为4 113℃，年降水量48.6 mm，无霜期210 d。试验田土壤理化性质为：pH值7.23, 土壤有机质含量12.32 g/kg，全氮含量1.36 g/kg，有效磷含量28.83 mg/kg，有效钾147.61 mg/kg，选用中棉619号为供试品种。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

设置膜下滴灌(FM)和无膜滴灌(NM)2种处理，膜下滴灌处理采用“1膜3管3行”的棉花种植和滴灌方式,无膜滴灌处理除不覆膜以外，种植方式、滴灌方式与膜下滴灌保持一致。试验小区面积为102.6 m2，播种密度为25.3×104株/ hm2，行距为76 cm。4月15日播种，6月20日(T1)、7月2日(T2)、7月15日(T3)、7月22日(T4)、7月31日(T5)、8月11日(T6)、8月18日(T7)、8月26日(T8)滴灌，平均每次滴灌灌水量为300～375 m3/hm2，处理间的灌溉量一致。其余田间管理措施与当地高产棉田一致。图1

1.2.2 数据采集

利用中国农业科学院棉花研究所研发的土壤水分和温度数据，采集装备实时采集土壤水分温度变化，采用等间距空间网格法(80 cm×100 cm)将水分温度传感器安置于采样点，水平方向上分别于0、20、40、60、80 cm处设置5个测量点，在垂直方向上分别于地下10、30、50、70、90、110 cm设置6层，每个试验小区共30个测量点。设备每隔1 h采集1次土壤水分、温度、电导率，试验观测于2018年5月18日开始，至2018年9月22日结束，共获取2×2 360×91条数据。图2

1.2.3 数据清洗

对数据进行清洗，以提高数据的质量[18-20]。为提高数据质量，需对数据进行清洗。常见的缺失数据清洗方式为删除和填充[21]，将存在缺失值的一组数据直接删除，填充是根据数据间的关联性估计出准确的缺失值，并通过合适的方法对缺失值进行填充。试验获取数据的时空相关性特性，采用许江等[22]研究的填充方式，即采用马氏距离填充算法填充具有空间相关性的数据，用线性填充具有时间相关性的数据。

1.2.4 土壤水分含量量化

选用的设备中传感器为5TE水分温度传感器，是一种基于频域反射法(FDR)的传感器。每个传感器可以精确测定1(空气)～80(水)范围内的介电常数，再利用Topp方程[23]将传感器所测得介电常数转换成所测位点的土壤含水量：

VWC=4.3×10-6εa3-5.5×10-6Ea2+2.92×10-2Ea-5.3×10-2.

式中VWC为土壤含水量；ε为介电常数。

再利用Surfer 2017(Golden Software Inc.,USA)软件中3/8扩展Simpson’s规则对网格数据中的30个观测点数值进行计算土壤总含水量，计算公式如下：

其中，(1,3,3,2,3,3,2,…,3,3,2,1)为各项系数向量，IX是网格数据纵向间距，IY是网格数据横向间距，Gi,j是行i和列j的传感器的水分量化值，V是所测定的特定横截面上总水分含量。

1.2.5 土壤水分不同维度切割

利用Voxler4.0(Golden Software Inc.,USA)软件对获得的时空数据进行3D可视化重现[17]，并在水平方向于0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm切割，利用Voxler软件对两种处理的土壤含水量的分布在垂直深度方向上进行切片处理，ABCDE为FM的垂直深度位置0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm的土层切块，FGHIJ为NM的垂直深度位置0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm的土层切块。分析FM和NM处理的土壤水分在空间上水平方向、垂直方向以及在时间上不同维度的变化。图3

按照距离棉行远近对两种处理的土壤水分含量的分布进行水平方向上切片，abcd分别为FM水平方向上0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm的土层切块，fghi分别为NM水平方向上0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm的土层切块，其中ad、fi分别为FM和NM的近根系土层，bc、gh为远根系土层。

2 结果与分析

2.1 有无覆膜处理生育期土壤水分含量变化

研究表明，FM的棉田土壤体积含水量范围为0.13～0.27 m3/m3，NM的变化范围在0.09～0.11 m3/m3，FM的整体土壤水分含量远高于NM。2种处理的土壤水分含量变化的总体趋势类似，均在滴灌后出现波动，在5月18日至T1时间内，FM和NM的土壤水分含量变化平缓，FM的土壤水分含量下降趋势大于NM；在棉田滴灌(T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8)后，每次滴灌当天2种处理的土壤水分含量明显增多，且在第2 d达到最高，随后随着时间的增加而逐渐下降。FM的土壤水分含量滴灌后的增幅和变化趋势要大于NM。图4

2.2 有无覆膜处理生育期土壤水分含量消退速率

研究表明，在滴灌前(5月18日-T1)，FM和NM的土壤水分含量变化较为平缓，水分消退速率分别为3×10-4m3/(m3·d)和0.7×10-4m3/(m3·d)；在T1至T6时间段内，FM的水分消退速率变幅小，约为30×10-4m3/(m3·d)，而NM的水分消退速率变幅较大，但均低于10×10-4m3/(m3·d)；在T6至T8时间段内，FM的水分消退速率增大，约为70×10-4m3/(m3·d)，NM的水分消退速率与T1至T6时间段的相近，仍低于10×10-4m3/(m3·d)；在T8至9月22日时间段，FM的水分消退速率降低至3×10-3m3/(m3·d)，NM的水分消退速率与T1至T6、T6至T8时间段的相似，保持低于1×10-3m3/(m3·d)。表1

表1 不同处理生育期土壤水分含水量线性建模Table 1 Linear modeling of soil moisture content in different treatments throughout the growth period

2.3 有无覆膜处理的不同深度的土壤水分变化差异

研究表明，FM的土壤水分含量随着深度的增加呈增加的趋势，80～100 cm土层(E)土壤水分含量最高，NM的土壤水分含量随着土层深度的增加呈先降低后增加的趋势，在60～80 cm土层(I)土壤水分含量最低；同一深度的土层，FM的土壤水分含量比无膜处理高。图5

FM在滴灌(T1)前各不同深度土层的水分变化较为稳定，开始滴灌后，土壤水分交流增多，上层土壤水分开始向下迁移，底层土壤水分含量变多，滴灌结束后(T8-9月22日)，各土层土壤水分含量迅速下降，且上层土壤水分消耗最多，底层消耗最少。NM各不同深度土层土壤水分变化较为缓慢，开始滴灌(T1)后，0～20 cm土层(F)土壤水分随时间变化的变化幅度较大，其余土层的土壤水分变化较为稳定，滴灌补充的水分主要集中于0～20 cm土层(F)；而到了最后1次滴灌(T8)后，各土层水分消耗增多，上层土壤水分因蒸发迅速而减少最多。图6，图7

2.4 有无膜处理的不同水平距离的土壤水分变化差异

研究表明，FM的近根系土层与远根系土层的土壤水分含量无显著的变化，且各土层的水分时空变化趋势也较为相似，而NM的变化趋势与覆膜处理类同。在同一水平方向切割土层上，FM的土壤水分含量高于NM土壤水分含量。图8

FM远根系土层与近根系土层的水分变化趋势相同，且随着时间的延长，各土层的水分逐渐趋于一致；NM的近根系土层和远根系土层水分含量随时间的变化趋势也是相同的，但近根系土层水分略高于远根系土层水分含量，各土层间土壤水分迁移趋势不明显。图9，图10

3 讨 论

3.1 覆膜对土壤水分垂直方向分布的影响

覆膜处理下的土壤水分含量在垂直方向上随着土层深度的增加呈增加的趋势，80～100 cm土层土壤水分含量最高，而无膜滴灌处理下土壤水分含量随着土层深度的增加呈先降低后增加的趋势，在60～80 cm土层水分含量最低。与无膜滴灌相比，覆膜滴灌土壤整体水分含量较多，土壤湿润形式与漫灌形成的土壤水分分布状态类似，水分在土壤空间维度的垂直方向不同深度的迁移运动较为剧烈，没有明显的垂直分层现象，这与李明思等[24]研究一致。而无膜滴灌的土壤水分主要集中于0～20 cm深度的土层，且不同深度土层间运移不明显，具有明显的分层现象。这是由于地膜覆盖隔离了土壤与空气的水热交流[25-26]，使得滴灌水分在表层的蒸发量减少，从而迫使水分向深层运移，无膜处理由于土壤表层土壤与空气交流剧烈，滴灌水进入表层土壤时就以蒸发的途径散失，因此，形成了明显的垂直分层现象。无膜滴灌处理的土壤水分主要分布表层(0～20 cm)。

3.2 覆膜对土壤水分水平方向分布的影响

沿水平方向的同一位置切割土层，膜下滴灌的土壤水分含量高于无膜滴灌，但2种处理的近根系土层与远根系土层的土壤水分含量无显著的变化。而姚名泽[27]研究表明，膜下滴灌土壤水分含量在水平方向上存在差异，且应与离滴管的距离呈负相关；王允喜[28]认为不同滴灌布置方式影响土壤湿润区的宽度，随着每膜中滴灌配置数目的增加，水平方向的水分含量均匀性提高，“1膜3管”的滴灌配置下水分方向土壤水分均匀度大于95%。试验棉花种植方式滴灌配置方式为“1膜3管3行”形式，水分较为充足，水平方向上均匀性较好。在新疆设计棉花种植制度时，需特别注意滴灌与棉花的配置方式，合理的配置方式能构造出长势均匀的群体[29]。

3.3 覆膜对土壤水分分布在时间维度的影响

随着棉花生育进程的推进，膜下滴灌处理的土壤水分含量总体呈现上升的趋势，而无膜滴灌处理的土壤水分变化较为平稳，膜下滴灌处理的土壤水分含量远低于无膜滴灌。并且每次滴灌后，2种处理的土壤水分均有不同程度的升高，随后又以一定的速率消退，不同处理在不同生育进程阶段的水分消退速率不同。膜下滴灌和无膜滴灌的土壤水分均在第1次滴灌前消退速率较小，而在开始滴灌(T1)后2种处理的水分消退速率增大，分别维持在30×10-4m3/(m3·d)和10×10-4m3/(m3·d)左右；在T6～T8(8/11～8/26)滴灌时，膜下滴灌处理的土壤水分消退速率增大，此时棉花处于花铃期，研究表明，棉花在花铃期对水分的需求增多[8,11]；在最后1次滴灌后(T8-9/22)，膜下滴灌处理的土壤水分消退速率降低至30×10-4m3/(m3·d)，此时没有滴灌水分补充，叶片开始衰老，植株蒸腾速率开始下降，蒸散耗水减少[30]。

4 结 论

覆膜使土壤水分含量增多，在垂直方向，膜下滴灌棉田的土壤水分在不同深度间水分运移增多，表层滴灌水分向下迁移，80～100 cm土层水分最多，而无膜处理的土壤水分主要集中于0～20 cm土层。在水平方向，覆膜和无膜处理的滴灌棉田的近根系和远根系土层均无明显差异。在时间维度，覆膜处理的土壤水分含量总体趋势呈现上升的趋势，而无膜处理则变化平缓；2种处理在第1次滴灌前，土壤水分消退速率分别为3×10-4m3/ (m3·d)和0.7×10-4m3/ (m3·d)，变化平缓；在开始滴灌后，覆膜处理的消减速率从30×10-4m3/ (m3·d)增至70×10-4m3/ (m3·d)，又降低至30×10-4m3/ (m3·d)，而无膜处理的土壤水分消减速率一直维持在10×10-4m3/ (m3·d)。