本文關(guān)鍵詞：新疆棉花滴灌施肥水肥耦合效應(yīng)與生長模擬研究

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【摘要】：水資源短缺和農(nóng)土環(huán)境惡化是制約新疆北部作物生產(chǎn)的2大重要因素。近些年來,新疆棉區(qū)棉花生產(chǎn)發(fā)展迅速,棉花面積和總產(chǎn)均居全國之首,棉花生產(chǎn)主要種植技術(shù)的是膜下滴灌技術(shù),該技術(shù)對推動棉花節(jié)水灌溉有重要作用。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展,滴灌施肥技術(shù)(Fertigation)是未來棉花生產(chǎn)最有效的節(jié)水節(jié)肥技術(shù),在缺水的新疆地區(qū),如何實施棉花有效地滴灌施肥技術(shù),對提高棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)、節(jié)水節(jié)肥有十分重要的作用和意義。本文在新疆石河子以棉花品種“新陸早33號”為研究對象,于2012和2013年棉花生長季,設(shè)置5個施肥水平(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為100%施肥量,即F1.0)和3個灌溉水平(60%ETc:Wi、80%ETc:W2、100%ETc:W3, ETc是作物蒸發(fā)蒸騰量),對不同滴灌施肥水平棉花生長、生理、產(chǎn)量及構(gòu)成要素、水分利用效率、氮磷鉀利用效率、氮磷鉀累積量和土壤水分進行了分析,研究了北疆地區(qū)不同滴灌施肥水平下棉花生長特性、干物質(zhì)積累規(guī)律、及水肥消耗機制,在此基礎(chǔ)上,使用改進WOFOST模型對虧缺灌溉條件下棉花生長、土壤水分分布進行了模擬研究和探索。具體結(jié)果如下：(1)與100%ETc灌溉量相比,80%ETc虧缺灌溉不會明顯降低籽棉產(chǎn)量和干物質(zhì)質(zhì)量并可以獲得更高的水分利用效率(WUE)。60%ETc的虧缺灌溉顯著降低了棉花生長和籽棉產(chǎn)量,其中產(chǎn)量降低22.2%～25.1%。在2012年,灌水量對籽棉產(chǎn)量、干物質(zhì)質(zhì)量、耗水量和肥料偏生產(chǎn)力影響顯著,施肥對收獲指數(shù)和水分利用效率影響顯著；在2013年,灌水量和施肥量對籽棉產(chǎn)量、干物質(zhì)質(zhì)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力影響顯著,灌水量還對收獲指數(shù)和耗水量影響顯著。2012和2013年棉花耗水量分別為277-419和316-438 mm, WUE為1.27～1.65和1.27～1.52kg m-3,其中產(chǎn)量最高的水肥組合處理為W3F1.2和W3F1.0,WUE最高的處理均為W2F1.0,凈收益最高的處理均為W3F1.o。肥料偏生產(chǎn)力隨施肥量增加而逐漸降低,隨灌水量增加而升高,其中2a最高的處理均為W1F0.6。(2)針對在不同滴灌施肥水平下,產(chǎn)量、WUE和凈收益難以兼顧問題,在二元二次回歸的基礎(chǔ)上,通過歸一化去除了各目標變量的量綱,最后通過不同的組合方式得到了基于產(chǎn)量、WUE和凈收益多目標綜合效益最大化的滴灌水肥量,即在2012和2013年灌水量分別為412和348 mm,施肥量分別為278-111-56和258-103-52 kg/hm2 (N-P2O5-K2O)可以使產(chǎn)量、WUE和凈收益的綜合效益最大化。(3)對2a棉花株高、莖粗、葉面積指數(shù)、果枝數(shù)、地上干物質(zhì)量和根干物質(zhì)量與產(chǎn)量及構(gòu)成要素進行典型相關(guān)分析,結(jié)果表明,株高、葉面積指數(shù)、果枝數(shù)、地上干物質(zhì)量和根干物質(zhì)量增加有利于產(chǎn)量和有效鈴數(shù)增加,而百鈴重與果枝數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系�；疑P(guān)聯(lián)度分析結(jié)果表明,株高、LAI和地上干物質(zhì)量與產(chǎn)量關(guān)系比較密切,這可能是滴灌施肥條件下,根區(qū)內(nèi)水分養(yǎng)分相對充足,不需要有早作作物強大的根系造成的。(4)針對當?shù)胤柿侠眯什桓叩膯栴},研究了不同滴灌施肥水平下棉花不同器官養(yǎng)分積累規(guī)律和養(yǎng)分利用效率。在盛花期以前葉片是氮含量最高的器官,成鈴期開始棉鈴成為氮含量最高的器官；在初花期以前葉片是磷含量最高的器官,但到了盛花期棉鈴開始成為磷含量最高的器官；在初花期莖稈是鉀含量最高的器官,盛花期以后棉鈴成為鉀含量最高的器官。水肥處理開始后生育期內(nèi)棉花氮磷鉀動態(tài)累積量均可以用Logistic曲線描述且精度較高,棉花氮積累的旺盛期開始于播后43-52 d,氮積累的旺盛期結(jié)束跨度較大,最早在播后76d結(jié)束,最晚可達100d結(jié)束。磷積累的旺盛期開始于42-51d與氮積累的旺盛期開始時間比較接近,但磷積累的旺盛期結(jié)束較早,一般在播后70-82d,鉀積累旺盛期開始于播后38-49d,最晚結(jié)束于播后90d左右。低灌水處理(60%ETc)與其余灌水處理相比,養(yǎng)分積累的旺盛期開始和結(jié)束普遍較早。各處理100 kg皮棉的氮磷鉀攝取量介于1：0.23-0.29：1.14-1.35之間。灌水量為W1F10處理氮磷鉀吸收率最高。(5)針對目前模擬水分脅迫條件下棉花葉面積指數(shù)動態(tài)變化的模型較少問題,建立了在充分灌溉和虧缺灌溉下,新疆棉花葉面積指數(shù)的動態(tài)模擬模型。模型以基于beta函數(shù)的每日熱效應(yīng)為時間尺度,在考慮了土壤水分脅迫效應(yīng)基礎(chǔ)上,使用Logistic函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)描述葉面積指數(shù)的變化速率,葉片衰老過程同樣使用了Logistic函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù),并假設(shè)從初花期開始發(fā)生。該模型還考慮了上壤水分脅迫和溫度對葉片衰老的加速效應(yīng)。最后使用石河子棉花灌溉試驗觀測結(jié)果對模型進行了參數(shù)校正,檢驗和敏感度分析。檢驗結(jié)果顯示：充分灌水條件下的均方根誤差(RMSE)為0.22,殘差聚集系數(shù)(CRM)為-0.01；20%和40%虧缺灌溉條件下的RMSE和CRM分別為0.37,-0.05和0.23,0。此外,葉面積指數(shù)的模擬結(jié)果與1：1直線間R2為0.96。說明模型準確的模擬了新疆棉花葉片全生育期的動態(tài)變化過程。敏感度分析結(jié)果表明,在充分灌水條件下,葉片潛在衰老面積,葉片日最大擴展面積和衰老面積,初花期開始時間是影響模型的主要參數(shù)。(6)針對WOFOST模型在水分脅迫模擬精度不足以及無法模擬覆膜條件下的蒸發(fā),而AquaCrop模型對作物生長考慮過于簡單的問題,借鑒AquaCrop模型的水分脅迫因子和上壤水分模塊,將WOFOST模型的水分脅迫因子和上壤水分模塊進行了改進。改進WOFOST模型對于開花天數(shù)和成熟天數(shù)模擬精度不高,且無法模擬水分脅迫對開花和成熟的提前效果。地上干物質(zhì)量、籽棉產(chǎn)量、各器官干物質(zhì)量、WUE、耗水量和上壤含水量模擬值與實測值的nRMSE介于2.8%-20%,—致性系數(shù)介于0.56-0.99,模型效率介于-1.45-1,其中有效鈴數(shù)和百鈴質(zhì)量模擬精度較高,耗水量和水分利用效率模擬精度較低。最后通過設(shè)置的不同灌溉間隔天數(shù)和不同灌水量水平試驗,對模型進行了簡單的應(yīng)用,模擬結(jié)果顯示,隨著灌水量降低籽棉產(chǎn)量逐漸降低,隨著灌水間隔延長,籽棉產(chǎn)量也逐漸下降,灌水量為1.0ETc,灌水間隔為2d可以獲得最大的籽棉產(chǎn)量；當灌水間隔為4d且灌水量為0.8ETc時,可以獲得最高WUE,其值為1.65 kg/m3。
【關(guān)鍵詞】：棉花 水分 肥料 產(chǎn)量 模擬 WOFOST模型
【學位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：S562
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 緒論15-26
• 1.1 選題目的和意義15-16
• 1.2 滴灌施肥研究進展16-22
• 1.2.1 膜下滴灌條件下土壤水肥遷移研究16-17
• 1.2.2 滴灌條件下水肥對作物生長發(fā)育調(diào)節(jié)17-19
• 1.2.3 滴灌條件下水肥對作物的養(yǎng)分吸收、利用影響研究19-21
• 1.2.4 滴灌條件下水肥對作物的產(chǎn)量和水分利用效率21-22
• 1.3 棉花生長模型研究進展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 存在問題25-26
• 第二章 研究內(nèi)容與方法26-33
• 2.1 研究內(nèi)容26
• 2.2 試驗材料26-29
• 2.2.1 試驗區(qū)概況26-27
• 2.2.2 試驗處理27-28
• 2.2.3 田間試驗28-29
• 2.3 測定項目與方法29-31
• 2.4 統(tǒng)計分析31-32
• 2.5 程序開發(fā)32-33
• 第三章 滴灌施肥水肥耦合對棉花產(chǎn)量、收益及水分利用效率的效應(yīng)33-48
• 3.1 不同滴灌施肥水平對棉花耗水的影響34-37
• 3.1.1 氣象因素變化34
• 3.1.2 耗水量34-37
• 3.2 不同滴灌施肥水平對棉花產(chǎn)量的影響37-41
• 3.2.1 不同滴灌施肥水平對棉花產(chǎn)量的影響37-38
• 3.2.2 不同滴灌施肥水平對棉花有效鈴數(shù)的影響38-39
• 3.2.3 不同滴灌施肥水平對棉花百鈴質(zhì)量的影響39-41
• 3.3 不同滴灌施肥水平對棉花水分利用效率的影響41-42
• 3.4 不同滴灌施肥水平對棉花凈收益的影響42-43
• 3.5 滴灌施肥水肥耦合效應(yīng)43-46
• 3.6 討論與小結(jié)46-48
• 第四章 滴灌施肥棉花生長的水肥耦合效應(yīng)48-70
• 4.1 不同滴灌施肥水平對棉花株高的影響48-50
• 4.2 不同滴灌施肥水平對棉花莖粗的影響50-51
• 4.3 不同滴灌施肥水平對棉花果枝數(shù)的影響51-52
• 4.4 不同滴灌施肥水平對棉花葉面積指數(shù)的影響52-53
• 4.5 不同滴灌施肥水平對棉花收獲期干物質(zhì)量積累的影響53-58
• 4.5.1 不同滴灌施肥水平對棉花收獲期地上干物質(zhì)量的影響53-57
• 4.5.2 不同滴灌施肥水平對棉花收獲期根干物質(zhì)量的影響57-58
• 4.6 不同滴灌施肥水平對棉花收獲指數(shù)的影響58-60
• 4.7 不同滴灌施肥水平對棉花根冠比的影響60-61
• 4.8 不同滴灌施肥水平對棉花凈同化率的影響61-63
• 4.9 不同滴灌施肥水平對棉花葉片葉面積持續(xù)時間的影響63-64
• 4.10 棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成要素與生長指標之間相關(guān)關(guān)系64-68
• 4.10.1 棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成要素與生長指標皮爾遜相關(guān)系數(shù)65-66
• 4.10.2 棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成要素與生長指標典型相關(guān)分析66-67
• 4.10.3 棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成要素與生長指標灰色關(guān)聯(lián)分析67
• 4.10.4 棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成要素與生長指標主成分分析67-68
• 4.11 討論與小結(jié)68-70
• 第五章 滴灌施肥棉花養(yǎng)分吸收利用的水肥耦合效應(yīng)70-84
• 5.1 不同滴灌施肥水平對棉花各器官養(yǎng)分吸收量及分配的影響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 鉀吸收量及分配76-80
• 5.2 不同滴灌施肥水平對棉花皮棉產(chǎn)量和養(yǎng)分利用的影響80-82
• 5.3 討論與小結(jié)82-84
• 第六章 不同灌溉條件下棉花葉面積指數(shù)的數(shù)值模擬研究84-95
• 6.1 材料與方法84-88
• 6.1.1 試驗處理84
• 6.1.2 模型建立84-88
• 6.2 結(jié)果與分析88-91
• 6.2.1 模型參數(shù)率定88-89
• 6.2.2 模型驗證89-91
• 6.3 模型參數(shù)敏感度分析91-93
• 6.4 討論與小結(jié)93-95
• 第七章 基于改進WOFOST模型棉花生長、土壤水動態(tài)和產(chǎn)量模擬研究95-109
• 7.1 WOFOST模型及改進95-99
• 7.1.1 生長發(fā)育模擬95
• 7.1.2 潛在毛光合量模擬95-96
• 7.1.3 蒸發(fā)蒸騰與實際毛光合量模擬96-97
• 7.1.4 呼吸消耗97
• 7.1.5 干物質(zhì)積累與分配97-98
• 7.1.6 土壤水分98-99
• 7.2 改進WOFOST模型參數(shù)率定與驗證99-107
• 7.2.1 模型參數(shù)率定99-103
• 7.2.2 模型參數(shù)驗證103-107
• 7.3 基于改進模型的灌溉制度優(yōu)化107
• 7.4 討論與小結(jié)107-109
• 第八章 結(jié)論與展望109-112
• 8.1 主要結(jié)論109-110
• 8.2 創(chuàng)新點110-111
• 8.3 展望和需要進一步研究的問題111-112
• 參考文獻112-125
• 致謝125-126
• 作者簡介126

【引證文獻】

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 羅宏海;張宏芝;王嬌;李善龍;張亞黎;張旺鋒;;膜下滴灌水氮運籌對棉花根冠生長及水分利用效率的影響[A];中國棉花學會2013年年會論文集[C];2013年

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本文編號：720458