CN108243921A

CN108243921A - 一种指导棉花灌溉量预警的方法

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Publication number: CN108243921A
Application number: CN201810080672.6A
Authority: CN
Inventors: 张桃花; 梁孔贤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-01-28
Filing date: 2018-01-28
Publication date: 2018-07-06

Abstract

本发明公开了一种指导棉花灌溉量预警的方法，旨在利用TRS土壤水势测定仪对土壤水势进行动态监控，通过标定土壤水分特征曲线，得出土壤相对含水量和土壤水势的关系；然后通过实验设计，对不同灌溉量与籽棉产量进行差异性分析，得出棉花各生育时期适宜灌溉指标。最终通过把动态监测到的水势值转化为土壤相对含水量，来指导棉花生产中的灌溉量和灌溉时间，从而提高农田灌溉用水调度的准确性和灵活性，使得推荐结果实用性更强，应用范围更广。

Description

一种指导棉花灌溉量预警的方法

技术领域：

本发明属于棉花灌溉量预警技术领域，具体涉及一种指导棉花灌溉量预警的方法。

背景技术：

近些年，我国针对农业综合开发而引起水土不平衡的问题，引进和大面积安装了喷、滴灌系统。这些先进的灌溉方式的引进，在节水和提高农作物产量方面发挥了较大的作用。在拥有了大量的、先进的灌溉设施的同时，显现出了缺乏与之相配套的精准灌溉预警技术，灌溉量和灌溉时间的确定仍凭人为的经验进行。这不仅造成水资源的浪费，而且在棉花的主要时期不能够及时灌水，造成不可低估的减产。缺乏与灌溉设施相配套的精准灌溉指导技术，是灌概设施不能发挥其技术优势进而造成生产效益差的主要原因。解决这一问题的关键就在于如何科学地把握灌溉的适时适量的尺度，改变以往传统实施灌溉的方法。

目前通用的土壤水分测定方法为烘干称重法，即利用土钻将湿土的样品进行称量，然后放入供箱内，使其在105～110℃条件下进行烘干，时间以6—8h为宜，一直到恒重为准，那么，湿土与烘干土的重量之差就是土壤中含水量。这种土壤水分的测定方法简便易行，不需要太高的专业技术，结果真实可靠；但是此种方法耗时耗力，综合费用高，还会由于土壤取样对土壤结构造成损坏，深层进行取样的难度也比较大，而取样换位还会由于定点测量的技术局限性而使数据出现误差，很多取样位置不能固定，不适合长期进行监测，土壤的空间变异性影响也是比较大的。从上面的分析可以看出，传统的土壤墒情测量法已经不适应现代化农业的发展，现代农业需要一种自动化程度高，操作简便、数据可靠度高的连续定位土壤水分测定法。

传感器技术、数据处理技术、计算机技术、网络通讯技术、人工智能技术都是农业信息技术的重要组成部分，在这些技术共同发展的情况下，具有针对性的多元化应用价值的棉花生产精准指导技术喷涌而出，这一技术也必将在农田土壤水分的实时采集、传输等方面发挥举足轻重的作用。本发明便是利用土壤水势实时监测，针对棉田土壤水分的动态变化，标定土壤水分特征曲线，通过土壤水分特征曲线方程把动态监测到的不同深度土壤水势值转化为土壤相对含水量，来指导棉花生产中的灌溉。从根本上减少灌溉决策的盲目性和片区性，为棉花进行合理灌溉制度的制订提供科学依据。

现有技术中存在一种基于冠层高光谱指数的小麦植株水分监测方法的专利文献，参见图1所示，该专利文献利用两年2个品种、4个不同水分处理下的两年小麦池栽试验数据，采用减量精细采样法，分析350～2500mm波段范围内原始光谱和倒数光谱的任意两两波段组合而成的高光谱指数与小麦植株含水量和叶层含水量的定量关系，结果发现基于光谱NDVI（R863，R793）和RVI（RC837，RC793）可以监测小麦植株水分含量，基于原始光谱NDVI（R1100，R700）和RVI（R893，R805）可以监测小麦叶层水分含量。该专利文献研究结论为利用高光谱数据快速无损监测小麦水分状况提供新的波段组合和理论依据。但该专利文献具有如下缺点：（1）利用高光谱测定，其测定时间有限制，只能在天气晴朗的时候进行测定。因此，其测定不够方便，而且难以满足水势的实时监测的要求。（2）利用高光谱测定，容易受外界环境的影响。因此，影响了其测量结果的准确度。（3）高光谱仪器成本较高，不适用于大田生产实际。

发明内容：

针对现有作物水分监测方法成本高、易受外界环境和土壤质地影响等问题，本发明提供了一种利用土壤水势来指导棉花灌溉量预警的新方法。通过把动态监测到的水势值转化为土壤相对含水量，来指导棉花生产中的灌溉量和灌溉时间，从而提高农田灌溉用水调度的准确性和灵活性，使得推荐结果实用性更强。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种指导棉花灌溉量预警的方法，包括以下步骤，

第1步，土壤水势值的测定：

使用TRS-II土壤水势仪进行棉花干旱胁迫实验，对各小区棉田土壤深度范围在0～20cm和20～40cm各生育时期土壤水势分别进行测定；使用前将水势探头（陶瓷头）在水中浸泡3小时以上；水势探头埋入湿润土壤1小时，干燥土壤数小时后即可进行土壤水势的测定，计算公式如下：

土壤水势（KPa）=水势读数-探头水柱高（cm）/10.2。

公式中：10.2是指厘米水柱高转换为千帕斯卡（KPa）的转换系数。

探头水柱高：是指水势探头的橡皮塞下边缘到陶瓷头中心高度。

土壤水势值单位是巴（bar，1bar=100 kPa）土壤水分饱和，水势为零；含水量低于饱和状态，水势为负值，土壤越干旱，负值越大。一般植物的生存范围是0到-15巴（-1500kPa）。土壤水势测定过程中不受各种土壤性质的影响，测定结果可直接用于灌溉指标，克服了土壤水分温度计测定过程中考虑不同土壤性质的弊端。

第2步，土壤含水量的测定：

采用烘干法，首先用土钻取土，用铝盒收集，在105℃的烘箱内烘24 h至恒重，根据公式：土壤含水量=（W铝烘干前-W铝烘后）/（W铝烘干后-W铝），即测得土壤含水量。

第3步，建立土壤水分特征曲线：

通过标定土壤水分特征曲线，在得出土壤相对含水量和土壤水势关系的基础上，判断出土壤的水分状况，在播种之前对试验地随机定点，用环刀法对A、B和C三个不同取样点的0～20cm和20～40cm的土壤进行取样，进行容重的测定，分别得出对应取样点土壤水分的不同指标XA1、XA2、XB1、XB2、XC1和XC2；利用EXCEL进行数据回归分析，求得土壤水分特征曲线；在0～20cm的土壤水分特征曲线方程采用Y=-63.318Ln(X)+ 303.63；在20～40 cm的土壤水分特征曲线方程采用Y= - 72.724Ln(X)+ 342.25。

第4步，确定棉花灌溉上限和下限：

根据壤土0～20cm水分特征曲线Y=-63.318Ln(X)+ 303.63来确定棉花在各个时期面所需要的土壤水势的上限和下限；根据壤土20～40cm水分特征曲线Y=- 72.724Ln(X)+342.25来确定棉花在各个时期面所需要的土壤水势的上限和下限。

第5步，通过实验设计，对不同灌溉量与籽棉产量进行差异性分析，得出棉花各生育时期适宜灌溉指标。

第6步，最终通过把动态监测到的水势值转化为土壤相对含水量，来指导棉花生产中的灌溉量和灌溉时间。

第1步中，测定时在水势探头的塑料管内注满冷开水，塞紧橡皮塞，在安装水势探头的指定位置用大于水势探头直径1～3mm的土钻打孔成洞，水势探头根据地势高低分别设置深度在20cm和40cm，向洞底倒入5ml泥浆，把水势探头插入洞中，将水势探头的塑料管周围的土壤捣实。

第4步中，苗期灌溉的上限是相对持水量的65%，下限是相对持水量的55%；蕾期的灌溉量上限和下限应控制在75%和65%；铃期灌溉的上限和下限应该是相对含水量的85%和60%；吐絮期灌溉的上限和下限应该是相对含水量的70%和50%。

棉花产量的测定：在棉花收获季节进行测产，不同试验点分别取样10个重复样品，每个重复样品按照100株的产量为标准。

本发明的有益效果：本发明主要是针对规模化生产条件下的滴灌农田灌溉管理过程中，提出一种新的棉花灌溉临界值指导方法，利用TRS-土壤水势测定仪对土壤水势进行动态监控，通过标定土壤水分特征曲线，得出土壤相对含水量和土壤水势的关系；然后通过实验设计，对不同灌溉量与籽棉产量进行差异性分析，得出棉花各生育时期适宜灌溉指标。最终通过把动态监测到的水势值转化为土壤相对含水量，来指导棉花生产中的灌溉量和灌溉时间，从而提高农田灌溉用水调度的准确性和灵活性，使得推荐结果实用性更强，应用范围更广。本发明为滴灌棉花精准灌溉的实现提供了技术支撑，从节约劳动力、降低劳动强度、节约用水、提高作物产品等方面带动滴灌产业的发展，提升整体区域经济发展，加快农业现代化进程。因此，本发明对于节水产业链的延伸、提高劳动生产率等方面有较好的作用。

附图说明：

图1是传统的土壤墒情测量法步骤框图。

图2是0～20cm的土壤水分特征曲线。

图3是20～40cm的土壤水分特征曲线。

图4是棉花产量与不同发育阶段土壤含水量的关系图。

图5是本发明预警方法步骤框图。

具体实施方式：

实施例1：随着农业集约化程度越来越高，滴灌节水与滴灌自动化设备的使用也越来越多，但是在滴灌自动化设备使用过程中，尤其在大田滴灌过程中，面临着劳动成本高、劳动强度高等问题。针对现有作物水分监测方法成本高、易受外界环境和土壤质地影响等问题，本发明旨在利用TRS-土壤水势测定仪对土壤水势进行动态监控，参见图5所示，通过标定土壤水分特征曲线，得出土壤相对含水量和土壤水势的关系；然后通过实验设计，对不同灌溉量与籽棉产量进行差异性分析，得出棉花各生育时期适宜灌溉指标。最终通过把动态监测到的水势值转化为土壤相对含水量，来指导棉花生产中的灌溉量和灌溉时间，从而提高农田灌溉用水调度的准确性和灵活性，使得推荐结果实用性更强，应用范围更广。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

试验设计

试验在新疆石河子某棉花实验田进行。根据当前大田棉花生产实际肥料用量，播前均施P₂O₅135kg/hm²(重过磷酸钙，含P₂O₅46%)和K₂O 90kg/hm²(硫酸钾，含K₂O51%)作基肥。氮肥（250kgN/hm²）以尿素施入，全部作追肥随水滴施。小区面积为49.2m²（8m×2.05m×3），膜宽2.05m，行距配置为60cm，株距12cm。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。棉花在4月15日覆膜种植，氮素运筹均按基肥30%、花铃肥70%比例随水施入,其他田间管理均按高产栽培要求进行。

表1 棉花全生育期水肥管理计划

2.土壤水势值的测定。

使用TRS-II土壤水势仪进行棉花干旱胁迫实验，对各小区棉田土壤深度范围在0～20cm和20～40cm各生育时期土壤水势进行测定。使用前将水势探头（陶瓷头）在水中浸泡3小时以上；测定时在水势探头塑料管内注满冷开水，塞紧橡皮塞，在安装水势探头的指定位置用大于陶瓷管直径的1～3mm的土钻打孔，陶瓷头根据地势高低分别设置深度在20cm、40cm，向洞底倒入约5ml泥浆，把水势探头插入洞中，将塑杆周围的土壤捣实。水势探头埋入湿润土壤1小时，干燥土壤数小时后即可进行土壤水势的测定，计算公式如下：

土壤水势（KPa）=水势读数-探头水柱高（cm）/10.2

探头水柱高：是指橡皮塞下边缘到陶瓷头中心高度。

土壤水势值单位是巴（bar，1bar=100kPa）土壤水分饱和，水势为零；含水量低于饱和状态，水势为负值，土壤越干旱，负值越大。一般植物的生存范围是0到-15巴（-1500kPa）。土壤水势测定过程中不受各种土壤性质的影响，测定结果可直接用于灌溉指标，克服了土壤水分温度计测定过程中考虑不同土壤性质的弊端。

其中涉及到TRS-II土壤水势仪为现有产品，其的仪器技术参数：

（1）水势最大负荷：100Kpa （2）分辨率：0.01Kpa （3）精度：±1 （4）土壤温度测量范围：-55～+150℃ （5）温度精度：±0.5 （6）标准配置探头数量：3个

TRS-II土壤水势仪功能和特点：

（1）高精度高分辨率可同时测量土壤的水势和温度（TRS-II型可测水势和温度）。（2）仪器操作简单，携带方便，使用灵活，可以只采购一套仪器，多个探头。（3）具有自动抓取土壤水势峰值功能。（4）具有时间设置功能、满量程设置功能、自动保存功能。

（5）可同时记录温度、水势、时间、存储序号和具有背光灯功能（6）自动关机功能。在无操作显示器按键情况下，10分钟后显示器自动关机。

土壤含水量的测定。

本发明土壤含水量测定方法采用烘干法，采用土钻取土，用铝盒收集，在105℃的烘箱内烘24 h至恒重，根据公式土壤含水量=（W铝烘干前-W铝烘后）/（W铝烘干后-W铝），即测得土壤含水量。

土壤水分特征曲线的建立。

通过标定土壤水分特征曲线，在得出土壤相对含水量和土壤水势关系的基础上，判断出土壤的水分状况，从根本上减少灌溉决策的盲目性和片区性，为棉花进行合理灌溉制度的制订提供科学依据。在播种之前对试验地随机定点，用环刀法对三个不同取样点的0～20cm和20～40cm的土壤进行取样，进行容重的测定，结果表明0～20cm的土壤容重是1.33g/cm³，而20～40cm的土壤容重是1.44 g/cm³。

表2 不同深度的土壤干容重

对于测定土壤水分的两个不同指标，土壤含水量与土壤水吸力之间的关系甚为密切。土壤水吸力受温度的影响比较大，所以在测量的时候应保持在一定日期段，定时测定，这样会减少因为温度波动因素带来的影响。如下表结果，土壤相对含水量和土壤水吸力成反比，土壤相对含水量越大，土壤水吸力越小；土壤相对含水量越小，土壤水势吸力大。利用EXCEL进行数据回归分析，从而求得土壤水分特征曲线，参见图2和图3所示。可以看出0～20cm的土壤水分特征曲线方程是Y=-63.318Ln(X)+ 303.63；20～40 cm的土壤水分特征曲线方程是Y= - 72.724Ln(X)+ 342.25。

土壤含水量与棉花产量的关系。

通过对不同小区棉花产量与棉花不同生育时期的土壤相对含水量进行差异分析，结果表明：苗期灌溉的上限应该是相对持水量的65%，下限应该是相对持水量的55%；蕾期的灌溉量上限和下限应控制在75%和65%；铃期灌溉的上限和下限应该是相对含水量的85%和60%；吐絮期灌溉的上限和下限应该是相对含水量的70%和50%。棉花不同发育阶段土壤含水量与棉花产量的关系见图4。

棉花灌溉上下限的确定。

根系在土壤不同层次中的分布趋势递减, 绝大部分集中在0～30cm深度，因此根据壤土20～40cm水分特征曲线Y=- 72.724Ln(X)+342.25来确定棉花在各个时期面所需要的土壤水势的上限和下限（如表3）：苗期灌溉的上限和下限土壤水势值应该是-39、-51kPa；蕾期的灌溉量上限和下限土壤水势值应该是-28、-39kPa；铃期灌溉的上限和下限土壤水势值应该是-19、-44kPa；吐絮期灌溉的上限和下限土壤水势值应该是-39、-58kPa。

表3 棉花各个时期的灌溉上限和下限

0-10 Kpa：表示潮湿，对多数作物湿度过高。10-30 Kpa：表示湿润，适宜多数作物生长。30-50 Kpa：表示干爽，喜湿作物已需灌水。 50 Kpa：表示干燥，多数作物需要灌水。

实施例2：在实施例1的基础上，对棉花产量与不同生育时期土壤水势关系的确定。

通过试验设置，在棉花不同生育时期设定不同等级（水平）的含水量灌溉试验，棉花苗期土壤含水量控制在45%～75%、蕾期55%～85%、铃期60%～90%、吐絮期45%～75%，变化幅度均设为5%，7 个水平，每个水平重复3 次。然后分别对不同生育时期，不同灌溉等级（水平）对棉花产量的影响进行方差分析，并多重比较分析得出灌溉上下限。

以苗期为例进行分析如下：

表4 棉花产量与苗期不同灌溉水平的关系 g/100株

从表4, 可以得出在苗期的7 个不同灌溉方案中, 灌溉量在60%的产量最高, 也是最适宜的灌溉指标。处理3、5 都和处理4 在产量上都有着显著性。其他各处理与处理4 差异极显著。因此, 苗期灌溉的上限应该是相对持水量的65%, 下限应该是相对持水量的55%。

以此类推，分析得出棉花蕾期、铃期、吐絮期的灌溉上限和下限。

实施例3：在实施例1的基础上，对水分特征曲线的标定。

在棉花的生育灌溉期间，滴灌定额少于45mm，一般只能影响到土壤0～40 cm 这一区域。要掌握灌溉过程中土壤水分的变化情况，只需要对0～40mm土层内的土壤进行监测。在掌握了土壤的动态变化情况后，生产者即可对棉花进行合理的灌溉。

本发明采用TRS-II土壤水势仪对0～20cm和20～40cm的土壤水势值进行动态监测。并对这两层进行土壤水分特征曲线的标定，在得出土壤相对含水量和土壤水势关系的基础上，转换为土壤相对含水量，据此判断出土壤的水分状况。具体测定方法如实施例1所示。得出0～20cm的土壤水分特征曲线方程是Y=-63.318Ln(X)+303.63；20～40cm的土壤水分特征曲线方程是Y=- 72.724Ln(X)+ 342.25。其中y为土壤水吸力（KPa），x为土壤相对含水量（%）。

Claims

1.一种指导棉花灌溉量预警的方法，其特征在于，包括以下步骤，

第1步，土壤水势值的测定：

使用TRS-II土壤水势仪进行棉花干旱胁迫实验，对各小区棉田土壤深度范围在0～20cm和20～40cm各生育时期土壤水势分别进行测定；使用前将水势探头在水中浸泡3小时以上；水势探头埋入湿润土壤1小时，干燥土壤数小时后即可进行土壤水势的测定，计算公式如下：

土壤水势=水势读数-探头水柱高/10.2

公式中：10.2是指厘米水柱高转换为千帕斯卡的转换系数；

探头水柱高：是指水势探头的橡皮塞下边缘到陶瓷头中心高度；

第2步，土壤含水量的测定：

采用烘干法，首先用土钻取土，用铝盒收集，在105℃的烘箱内烘24 h至恒重，根据公式：土壤含水量=（W铝烘干前-W铝烘后）/（W铝烘干后-W铝），即测得土壤含水量；

第3步，建立土壤水分特征曲线：

通过标定土壤水分特征曲线，在得出土壤相对含水量和土壤水势关系的基础上，判断出土壤的水分状况，在播种之前对试验地随机定点，用环刀法对A、B和C三个不同取样点的0～20cm和20～40cm的土壤进行取样，进行容重的测定，分别得出对应取样点土壤水分的不同指标XA1、XA2、XB1、XB2、XC1和XC2；利用EXCEL进行数据回归分析，求得土壤水分特征曲线；在0～20cm的土壤水分特征曲线方程采用Y=-63.318Ln(X)+ 303.63；在20～40 cm的土壤水分特征曲线方程采用Y= - 72.724Ln(X)+ 342.25；

第4步，确定棉花灌溉上限和下限：

2.根据权利要求1所述的指导棉花灌溉量预警的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

第5步，通过实验设计，对不同灌溉量与籽棉产量进行差异性分析，得出棉花各生育时期适宜灌溉指标；

3.根据权利要求1所述的指导棉花灌溉量预警的方法，其特征在于，在第1步中，测定时在水势探头的塑料管内注满冷开水，塞紧橡皮塞，在安装水势探头的指定位置用大于水势探头直径1～3mm的土钻打孔成洞，水势探头根据地势高低分别设置深度在20cm和40cm，向洞底倒入5ml泥浆，把水势探头插入洞中，将水势探头的塑料管周围的土壤捣实。

4.根据权利要求1所述的指导棉花灌溉量预警的方法，其特征在于，第4步中，苗期灌溉的上限是相对持水量的65%，下限是相对持水量的55%；蕾期的灌溉量上限和下限应控制在75%和65%；铃期灌溉的上限和下限应该是相对含水量的85%和60%；吐絮期灌溉的上限和下限应该是相对含水量的70%和50%。

5.根据权利要求1所述的指导棉花灌溉量预警的方法，其特征在于，棉花产量的测定：在棉花收获季节进行测产，不同试验点分别取样10个重复样品，每个重复样品按照100株的产量为标准。