膜下滴灌灌水技术参数对土壤水热盐动态和作物水分利用的影响

论文摘要

膜下滴灌技术是滴灌技术与地膜栽培技术的结合,既有节水增产效果,也有增温保墒促使作物早熟的特点。虽然该技术在国内外多种经济作物上都有应用,但对其节水机理的研究并不深入,特别是关于该技术设计参数的研究成果很少,不利于该技术理论的发展。本文通过室内和小区试验以及大田生产实验,采用膜下滴灌、无膜滴灌和畦灌相比较的方法进行棉花种植,较为全面和系统地对滴灌系统设计中滴头流量选择问题、土壤湿润区（或湿润比）设计问题、线源滴灌土壤湿润均匀性问题、膜下滴灌土壤湿润区及土壤温度问题、膜下滴灌棉花根系分布及植株生长问题、膜下滴灌棉花产量和水分利用效率问题、盐化土壤膜下滴灌棉花土壤水、热、盐耦合和棉花生长特点等有关滴灌和膜下滴灌技术设计理论问题进行了试验、观测、分析和研究,得出了如下研究结论。（1）点源滴灌条件下,土壤湿润区形状本质上是受滴头流量与土壤入渗速度之间的相互关系影响。当滴头流量大于土壤入渗速度时,土壤表面出现积水区并向四周扩展,促使土壤湿润区水平运移速度增大,而垂直运移速度相应减小;当滴头流量小于土壤入渗速度时,土壤表面积水区很小或不出现积水区,湿润区垂直运移速度比水平运移速度快;当滴头流量不变而增加滴水量时,土壤入渗速度随时间而降低,其入渗速度逐渐小于滴头流量,土壤湿润区的水平运移速度加快。因此,滴灌技术设计中,应当以土壤设计湿润宽度作为滴头流量的设计依据,而在设计滴头流量时,应以土壤入渗特性和地表积水区变化过程作为计算基础。（2）线源滴灌土壤湿润均匀度影响着田间作物生长的均匀性,它是确定滴头间距的主要依据,同时也决定着线源滴灌滴头流量和滴水量的取值。沿滴灌毛管方向的土壤湿润均匀性取决于滴头下方土壤湿润区的交汇程度,交汇程度越大,土壤湿润均匀度就越大;垂直滴灌毛管方向的土壤湿润均匀性取决于滴头下方土壤湿润区的宽度,湿润宽度越大,湿润均匀度就越高;沿滴灌毛管方向的土壤湿润均匀度随滴头间距的减小而增大,随滴水量的增加而增加。（3）膜下滴灌条件下,地膜阻碍地表积水区向膜外扩展,使膜内土壤含水率远高于膜外土壤含水率,形成膜下整体灌溉的土壤湿润形式。所以,膜下滴灌的土壤设计湿润区就是地膜覆盖区。在行距30+60cm的栽培模式下,膜下滴灌的土壤湿润比为67%-83%,而无膜滴灌的土壤湿润比为33%-67%。膜下滴灌土壤灌水深度比无膜滴灌土壤灌水深度浅,比畦灌灌水深度更浅。膜下滴灌条件下,土壤含水率和土壤温度都比无膜滴灌条件下的土壤温度和含水率高。但是,土壤温度的变化主要受气候影响,只是在短期内受土壤含水率变化的影响。土壤温度的变化与土壤含水率的变化之间呈线性负相关。（4）膜下滴灌棉花总根量比无膜滴灌棉花总根量大,但比畦灌棉花总根量小。而且,膜下滴灌棉花根系主要分布在膜下土壤中,膜下滴灌毛管附近土壤中的棉花根重是膜外根重的14-23倍。膜边上的棉花根系的侧根大都偏向膜下土壤中生长。在垂直方向,膜下滴灌棉花根系比无膜滴灌棉花和畦灌棉花根系分布浅,0-30cm土层内的棉花根系重量占总根重的87%以上。其中,表层土壤中的棉花根重密度最大,而且根重密度随土层深度的增加呈指数函数递减。膜下滴灌土壤温度高,促使膜下滴灌棉花根系生长比无膜滴灌和畦灌棉花根系生长快,与后者相比,出现明显的早熟早衰现象。膜下滴灌棉花生育期进程比无膜滴灌和畦灌棉花的生育进程快,叶面积指数比后者的叶面积指数大,棉花早熟。（5）膜下滴灌棉花和无膜滴灌棉花的籽棉单产都比畦灌棉花籽棉单产增产40%以上。膜下滴灌棉花土壤耗水主要集中在膜下0-60cm土层内,膜内土壤耗水量是膜外土壤耗水量的7倍,而且土壤表层的耗水强度最大。膜下滴灌土壤耗水量随深度的变化与棉花根密度分布有关,它们之间的关系可用指数函数描述。膜下滴灌的棵间蒸发量仅仅是其植株蒸腾量的28.57%,是畦灌棉花棵间蒸发量的17.39%。膜下滴灌棉花的水分利用效率为1.332kg/m3,比无膜滴灌棉花高0.168kg/m3。膜下滴灌棉花灌溉生产率为1.304kg/m3,比无膜滴灌棉花高0.201kg/m3。理论上膜下滴灌棉花每kg籽棉耗水比无膜滴灌棉花节水15.4%。（6）盐化土壤上进行膜下滴灌时,土壤盐分呈环状分布,膜外或膜下深层土壤含盐率高,而膜内上层土壤含盐率低。此时,土壤湿润区越大对作物生长越有利,所以盐化土壤上进行膜下滴灌时土壤湿润比和湿润深度比非盐化土壤的同类指标大。重盐化土壤上膜下滴灌棉花受盐分胁迫严重,棉花生长期比正常情况下缩短15d;株高仅为正常生长棉花株高的一半,叶片过早衰亡,棉花产量低,品质差。另外,膜下滴灌条件下,盐化土壤因含水率和矿物质含量高,其温度比非盐化土壤温度稳定,受大气温度的影响不明显。盐化土壤膜下滴灌棉花根系分布呈现去盐性特征。棉花根系向含盐率较低的土层中生长,所以,棉花根系主要生长在土层上部,总根量小。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 滴灌土壤水分动态
• 1.2.2 滴灌条件下作物根系分布及根系吸水
• 1.2.3 滴灌土壤溶质运移
• 1.2.4 膜下滴灌研究
• 1.2.4.1 覆盖条件下土壤水热耦合运动
• 1.2.4.2 膜下滴灌技术的应用研究
• 1.2.4.3 棉花滴灌技术的应用研究
• 1.2.4.4 棉花膜下滴灌技术的应用研究
• 1.3 论文研究的问题
• 1.3.1 滴头流量设计依据和土壤湿润均匀性的影响因素
• 1.3.2 膜下滴灌条件下土壤水、热变化对棉花根系形态、生长状态和产量和耗水规律的影响
• 1.3.3 盐化土壤上膜下滴灌棉花根区土壤水、热、盐环境与棉花生长的关系
• 第二章 试验材料与方法
• 2.1 点源滴灌滴头流量和滴水量对土壤湿润区的影响
• 2.2 线源滴灌滴头流量、滴水量和滴头间距组合对土壤湿润均匀性的影响
• 2.3 盐化土壤膜下滴灌棉花土壤水、热、盐动态及棉花生长试验
• 2.4 膜下滴灌、无膜滴灌、畦灌棉花对照试验
• 2.5 大田棉花膜下滴灌土壤脱盐试验
• 第三章 点源滴灌条件下灌水参数对土壤湿润区的影响与模拟
• 3.1 点源滴灌土壤湿润区形状在滴灌技术设计中的作用
• 3.2 滴头流量对土壤湿润区的影响
• 3.3 滴水量对土壤湿润区的影响
• 3.4 地表积水区对土壤湿润区的影响
• 3.5 点源滴灌土壤湿润区数值模拟
• 3.6 本章小结
• 第四章 线源滴灌条件下灌水参数对土壤湿润均匀性的影响与模拟
• 4.1 沙土线源滴灌土壤湿润均匀性的影响因素
• 4.1.1 滴水量和滴头流量对沙土湿润均匀性的影响
• 4.1.2 滴头间距对沙土湿润均匀性的影响
• 4.2 沙壤土线源滴灌土壤湿润均匀性的影响因素
• 4.2.1 滴头流量和滴水量对沙壤土湿润均匀性的影响
• 4.2.2 滴头间距对沙壤土湿润均匀性的影响
• 4.3 轻壤土线源滴灌土壤湿润均匀性的影响因素
• 4.3.1 滴头流量和滴水量对轻壤土湿润均匀性的影响
• 4.4 线源土壤湿润区数值模拟
• 4.5 本章小结
• 第五章 不同灌溉技术对土壤水分和温度变化的影响
• 5.1 不同灌水方式对土壤水分分布的影响
• 5.1.1 膜下滴灌土壤含水率分布
• 5.1.2 无膜滴灌土壤含水率分布
• 5.1.3 畦灌土壤含水率分布
• 5.2 不同灌水方式对土壤温度的影响
• 5.2.1 无膜滴灌对土壤温度影响
• 5.2.2 膜下滴灌对土壤温度影响
• 5.2.3 畦灌对土壤温度影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 不同灌溉技术对棉花生长与水分利用的影响
• 6.1 灌溉技术对棉花根系形态的影响
• 6.1.1 膜下滴灌棉花根系分布特征
• 6.1.2 无膜滴灌棉花根系分布特征
• 6.1.3 畦灌棉花根系分布特征
• 6.2 灌溉技术对棉花地上部生长特征及产量的影响
• 6.2.1 棉花植株生长状况
• 6.2.2 棉花叶面积指数
• 6.2.3 棉花产量
• 6.2.4 棉花品质
• 6.3 不同灌溉技术条件下棉花田间耗水规律
• 6.3.1 膜下滴灌棉花田间耗水
• 6.3.2 无膜滴灌棉花田间耗水
• 6.3.3 畦灌棉花田间耗水
• 6.3.4 不同灌溉技术条件下棉花水分利用效率和灌溉水生产率
• 6.4 本章小结
• 第七章 膜下滴灌条件下盐化土壤水、热、盐变化规律及棉花水分利用
• 7.1 膜下滴灌条件下盐化土壤水、热状况
• 7.2 膜下滴灌条件下盐化土壤盐分分布
• 7.3 膜下滴灌条件下盐化土壤中棉花根系形态及土壤水吸力
• 7.4 盐化土壤膜下滴灌棉花地上部生长状况
• 7.5 盐化土壤膜下滴灌棉花水分利用效率
• 7.6 大田膜下滴灌脱盐效果
• 7.7 本章小结
• 第八章 膜下滴灌最优灌水技术参数设计
• 8.1 膜下滴灌土壤设计湿润深度
• 8.2 膜下滴灌土壤设计湿润比或湿润宽度
• 8.3 膜下滴灌土壤设计湿润均匀度
• 8.4 膜下滴灌土壤设计湿润体积
• 8.5 膜下滴灌土壤设计滴头流量
• 8.6 膜下滴灌土壤设计滴头间距
• 8.7 膜下滴灌条件下盐化土壤设计湿润宽度
• 第九章 结论与讨论
• 9.1 点源滴灌条件下滴头流量和滴水量对土壤湿润区的影响
• 9.2 线源滴灌条件下滴头流量、滴水量和滴头间距对土壤湿润均匀性的影响
• 9.3 膜下滴灌土壤水、热变化规律
• 9.4 膜下滴灌棉花根系分布和植株生长状况
• 9.5 膜下滴灌棉花产量、品质和水分利用率
• 9.6 盐化土膜下滴灌棉花土壤水、热、盐运移特点及棉花根系分布
• 9.7 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者简介