新疆棉花滴灌施肥水肥耦合效应与生长模拟研究

发布时间：2017-08-22 17:33

  本文关键词：新疆棉花滴灌施肥水肥耦合效应与生长模拟研究

  更多相关文章： 棉花 水分 肥料 产量 模拟 WOFOST模型

【摘要】：水资源短缺和农土环境恶化是制约新疆北部作物生产的2大重要因素。近些年来,新疆棉区棉花生产发展迅速,棉花面积和总产均居全国之首,棉花生产主要种植技术的是膜下滴灌技术,该技术对推动棉花节水灌溉有重要作用。随着现代农业的发展,滴灌施肥技术(Fertigation)是未来棉花生产最有效的节水节肥技术,在缺水的新疆地区,如何实施棉花有效地滴灌施肥技术,对提高棉花的产量和品质、节水节肥有十分重要的作用和意义。本文在新疆石河子以棉花品种“新陆早33号”为研究对象,于2012和2013年棉花生长季,设置5个施肥水平(60%:F0.6、80%:F0.8、100%:F1.0、120%:F1.2和140%：F1.4,以250-100-50 kg/hm2的N-P2O5-K2O为100%施肥量,即F1.0)和3个灌溉水平(60%ETc:Wi、80%ETc:W2、100%ETc:W3, ETc是作物蒸发蒸腾量),对不同滴灌施肥水平棉花生长、生理、产量及构成要素、水分利用效率、氮磷钾利用效率、氮磷钾累积量和土壤水分进行了分析,研究了北疆地区不同滴灌施肥水平下棉花生长特性、干物质积累规律、及水肥消耗机制,在此基础上,使用改进WOFOST模型对亏缺灌溉条件下棉花生长、土壤水分分布进行了模拟研究和探索。具体结果如下：(1)与100%ETc灌溉量相比,80%ETc亏缺灌溉不会明显降低籽棉产量和干物质质量并可以获得更高的水分利用效率(WUE)。60%ETc的亏缺灌溉显著降低了棉花生长和籽棉产量,其中产量降低22.2%～25.1%。在2012年,灌水量对籽棉产量、干物质质量、耗水量和肥料偏生产力影响显著,施肥对收获指数和水分利用效率影响显著；在2013年,灌水量和施肥量对籽棉产量、干物质质量、水分利用效率和肥料偏生产力影响显著,灌水量还对收获指数和耗水量影响显著。2012和2013年棉花耗水量分别为277-419和316-438 mm, WUE为1.27～1.65和1.27～1.52kg m-3,其中产量最高的水肥组合处理为W3F1.2和W3F1.0,WUE最高的处理均为W2F1.0,净收益最高的处理均为W3F1.o。肥料偏生产力随施肥量增加而逐渐降低,随灌水量增加而升高,其中2a最高的处理均为W1F0.6。(2)针对在不同滴灌施肥水平下,产量、WUE和净收益难以兼顾问题,在二元二次回归的基础上,通过归一化去除了各目标变量的量纲,最后通过不同的组合方式得到了基于产量、WUE和净收益多目标综合效益最大化的滴灌水肥量,即在2012和2013年灌水量分别为412和348 mm,施肥量分别为278-111-56和258-103-52 kg/hm2 (N-P2O5-K2O)可以使产量、WUE和净收益的综合效益最大化。(3)对2a棉花株高、茎粗、叶面积指数、果枝数、地上干物质量和根干物质量与产量及构成要素进行典型相关分析,结果表明,株高、叶面积指数、果枝数、地上干物质量和根干物质量增加有利于产量和有效铃数增加,而百铃重与果枝数呈负相关关系。灰色关联度分析结果表明,株高、LAI和地上干物质量与产量关系比较密切,这可能是滴灌施肥条件下,根区内水分养分相对充足,不需要有早作作物强大的根系造成的。(4)针对当地肥料利用效率不高的问题,研究了不同滴灌施肥水平下棉花不同器官养分积累规律和养分利用效率。在盛花期以前叶片是氮含量最高的器官,成铃期开始棉铃成为氮含量最高的器官；在初花期以前叶片是磷含量最高的器官,但到了盛花期棉铃开始成为磷含量最高的器官；在初花期茎秆是钾含量最高的器官,盛花期以后棉铃成为钾含量最高的器官。水肥处理开始后生育期内棉花氮磷钾动态累积量均可以用Logistic曲线描述且精度较高,棉花氮积累的旺盛期开始于播后43-52 d,氮积累的旺盛期结束跨度较大,最早在播后76d结束,最晚可达100d结束。磷积累的旺盛期开始于42-51d与氮积累的旺盛期开始时间比较接近,但磷积累的旺盛期结束较早,一般在播后70-82d,钾积累旺盛期开始于播后38-49d,最晚结束于播后90d左右。低灌水处理(60%ETc)与其余灌水处理相比,养分积累的旺盛期开始和结束普遍较早。各处理100 kg皮棉的氮磷钾摄取量介于1：0.23-0.29：1.14-1.35之间。灌水量为W1F10处理氮磷钾吸收率最高。(5)针对目前模拟水分胁迫条件下棉花叶面积指数动态变化的模型较少问题,建立了在充分灌溉和亏缺灌溉下,新疆棉花叶面积指数的动态模拟模型。模型以基于beta函数的每日热效应为时间尺度,在考虑了土壤水分胁迫效应基础上,使用Logistic函数的一阶导数描述叶面积指数的变化速率,叶片衰老过程同样使用了Logistic函数的一阶导数,并假设从初花期开始发生。该模型还考虑了上壤水分胁迫和温度对叶片衰老的加速效应。最后使用石河子棉花灌溉试验观测结果对模型进行了参数校正,检验和敏感度分析。检验结果显示：充分灌水条件下的均方根误差(RMSE)为0.22,残差聚集系数(CRM)为-0.01；20%和40%亏缺灌溉条件下的RMSE和CRM分别为0.37,-0.05和0.23,0。此外,叶面积指数的模拟结果与1：1直线间R2为0.96。说明模型准确的模拟了新疆棉花叶片全生育期的动态变化过程。敏感度分析结果表明,在充分灌水条件下,叶片潜在衰老面积,叶片日最大扩展面积和衰老面积,初花期开始时间是影响模型的主要参数。(6)针对WOFOST模型在水分胁迫模拟精度不足以及无法模拟覆膜条件下的蒸发,而AquaCrop模型对作物生长考虑过于简单的问题,借鉴AquaCrop模型的水分胁迫因子和上壤水分模块,将WOFOST模型的水分胁迫因子和上壤水分模块进行了改进。改进WOFOST模型对于开花天数和成熟天数模拟精度不高,且无法模拟水分胁迫对开花和成熟的提前效果。地上干物质量、籽棉产量、各器官干物质量、WUE、耗水量和上壤含水量模拟值与实测值的nRMSE介于2.8%-20%,—致性系数介于0.56-0.99,模型效率介于-1.45-1,其中有效铃数和百铃质量模拟精度较高,耗水量和水分利用效率模拟精度较低。最后通过设置的不同灌溉间隔天数和不同灌水量水平试验,对模型进行了简单的应用,模拟结果显示,随着灌水量降低籽棉产量逐渐降低,随着灌水间隔延长,籽棉产量也逐渐下降,灌水量为1.0ETc,灌水间隔为2d可以获得最大的籽棉产量；当灌水间隔为4d且灌水量为0.8ETc时,可以获得最高WUE,其值为1.65 kg/m3。
【关键词】：棉花 水分 肥料 产量 模拟 WOFOST模型
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S562
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 绪论15-26
• 1.1 选题目的和意义15-16
• 1.2 滴灌施肥研究进展16-22
• 1.2.1 膜下滴灌条件下土壤水肥迁移研究16-17
• 1.2.2 滴灌条件下水肥对作物生长发育调节17-19
• 1.2.3 滴灌条件下水肥对作物的养分吸收、利用影响研究19-21
• 1.2.4 滴灌条件下水肥对作物的产量和水分利用效率21-22
• 1.3 棉花生长模型研究进展22-25
• 1.3.1 GOSSYM模型22-23
• 1.3.2 Cotton2K模型23
• 1.3.3 CROPGRO模型23-24
• 1.3.4 WOFOST模型24
• 1.3.5 AquaCrop模型24-25
• 1.4 存在问题25-26
• 第二章 研究内容与方法26-33
• 2.1 研究内容26
• 2.2 试验材料26-29
• 2.2.1 试验区概况26-27
• 2.2.2 试验处理27-28
• 2.2.3 田间试验28-29
• 2.3 测定项目与方法29-31
• 2.4 统计分析31-32
• 2.5 程序开发32-33
• 第三章 滴灌施肥水肥耦合对棉花产量、收益及水分利用效率的效应33-48
• 3.1 不同滴灌施肥水平对棉花耗水的影响34-37
• 3.1.1 气象因素变化34
• 3.1.2 耗水量34-37
• 3.2 不同滴灌施肥水平对棉花产量的影响37-41
• 3.2.1 不同滴灌施肥水平对棉花产量的影响37-38
• 3.2.2 不同滴灌施肥水平对棉花有效铃数的影响38-39
• 3.2.3 不同滴灌施肥水平对棉花百铃质量的影响39-41
• 3.3 不同滴灌施肥水平对棉花水分利用效率的影响41-42
• 3.4 不同滴灌施肥水平对棉花净收益的影响42-43
• 3.5 滴灌施肥水肥耦合效应43-46
• 3.6 讨论与小结46-48
• 第四章 滴灌施肥棉花生长的水肥耦合效应48-70
• 4.1 不同滴灌施肥水平对棉花株高的影响48-50
• 4.2 不同滴灌施肥水平对棉花茎粗的影响50-51
• 4.3 不同滴灌施肥水平对棉花果枝数的影响51-52
• 4.4 不同滴灌施肥水平对棉花叶面积指数的影响52-53
• 4.5 不同滴灌施肥水平对棉花收获期干物质量积累的影响53-58
• 4.5.1 不同滴灌施肥水平对棉花收获期地上干物质量的影响53-57
• 4.5.2 不同滴灌施肥水平对棉花收获期根干物质量的影响57-58
• 4.6 不同滴灌施肥水平对棉花收获指数的影响58-60
• 4.7 不同滴灌施肥水平对棉花根冠比的影响60-61
• 4.8 不同滴灌施肥水平对棉花净同化率的影响61-63
• 4.9 不同滴灌施肥水平对棉花叶片叶面积持续时间的影响63-64
• 4.10 棉花产量及其构成要素与生长指标之间相关关系64-68
• 4.10.1 棉花产量及其构成要素与生长指标皮尔逊相关系数65-66
• 4.10.2 棉花产量及其构成要素与生长指标典型相关分析66-67
• 4.10.3 棉花产量及其构成要素与生长指标灰色关联分析67
• 4.10.4 棉花产量及其构成要素与生长指标主成分分析67-68
• 4.11 讨论与小结68-70
• 第五章 滴灌施肥棉花养分吸收利用的水肥耦合效应70-84
• 5.1 不同滴灌施肥水平对棉花各器官养分吸收量及分配的影响70-80
• 5.1.1 N吸收量及分配70-73
• 5.1.2 磷吸收量及分配73-76
• 5.1.3 钾吸收量及分配76-80
• 5.2 不同滴灌施肥水平对棉花皮棉产量和养分利用的影响80-82
• 5.3 讨论与小结82-84
• 第六章 不同灌溉条件下棉花叶面积指数的数值模拟研究84-95
• 6.1 材料与方法84-88
• 6.1.1 试验处理84
• 6.1.2 模型建立84-88
• 6.2 结果与分析88-91
• 6.2.1 模型参数率定88-89
• 6.2.2 模型验证89-91
• 6.3 模型参数敏感度分析91-93
• 6.4 讨论与小结93-95
• 第七章 基于改进WOFOST模型棉花生长、土壤水动态和产量模拟研究95-109
• 7.1 WOFOST模型及改进95-99
• 7.1.1 生长发育模拟95
• 7.1.2 潜在毛光合量模拟95-96
• 7.1.3 蒸发蒸腾与实际毛光合量模拟96-97
• 7.1.4 呼吸消耗97
• 7.1.5 干物质积累与分配97-98
• 7.1.6 土壤水分98-99
• 7.2 改进WOFOST模型参数率定与验证99-107
• 7.2.1 模型参数率定99-103
• 7.2.2 模型参数验证103-107
• 7.3 基于改进模型的灌溉制度优化107
• 7.4 讨论与小结107-109
• 第八章 结论与展望109-112
• 8.1 主要结论109-110
• 8.2 创新点110-111
• 8.3 展望和需要进一步研究的问题111-112
• 参考文献112-125
• 致谢125-126
• 作者简介126

【引证文献】

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 罗宏海;张宏芝;王娇;李善龙;张亚黎;张旺锋;;膜下滴灌水氮运筹对棉花根冠生长及水分利用效率的影响[A];中国棉花学会2013年年会论文集[C];2013年

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本文编号：720458