RZWQM2模型模拟地膜覆盖对南疆棉田水分利用效率

　　摘要：为准确预知地膜覆盖与作物的匹配情况，该研究针对南疆棉田，在大田试验基础上应用根区水质模型（RootZoneWaterQualityModel-version2，RZWQM2），对2016－2017年籽棉产量及水分利用效率（WaterUseEfficiency，WUE）等数据进行模型参数率定与验证，利用验证后的模型模拟地膜覆盖时间55～105d下以3d为间隔的地上部生物量、籽棉产量和水分利用效率，并对2018年和2019年不同地膜覆盖时间下棉花生长状况进行预测。结果表明，各层土壤含水率模拟值和实测值之间的均方根误差和均方误差分别在0.02～0.04cm3/cm3、5.90%～28.66%之间，地上部生物量和籽棉产量的一致性指数分别为0.70～0.93和0.80～0.94。2a间地上部生物量随地膜覆盖时间的延长而增加，籽棉产量和水分利用效率呈先上升后下降的趋势，其峰值分别出现在91～93d和97～99d。因此，在南疆地区选用适宜的地膜覆盖时间为91～99d，有利于降低残膜污染风险，保持较高的籽棉产量和水分利用效率。

　　关键词：地膜；棉花；土壤；覆盖时间；RZWQM2模型；籽棉产量；水分利用效率

　　0引言

　　地膜覆盖具有良好的增温保墒特性，在新疆棉田中广泛应用，但生产中农户为了节约成本会选择厚度小于0.01mm的地膜进行覆盖[1]，增大了地膜回收的难度，回收率低[2]，难以降解的残膜对土壤环境和作物产量[3]的影响日益凸显。覆盖降解地膜能够减少残膜污染，但其在使用中存在成本较高、降解时期与棉花生长规律不匹配[4]等问题，导致经济效益降低[5]。有研究表明[6-7]，全生育期覆盖地膜会在一定程度上抑制棉花根系生长、导致吐絮期侧根数下降、养分吸收率降低，且全生育期覆盖下生育后期土壤温度过高，会使根系呼吸受阻，加快棉花早衰。适时揭膜可抑制棉花早衰，增加根系透气性与活性[8]，使作物产量与水分利用效率较全生育期覆膜分别提高13.4%和14.6%[9]。Zhao等[10]发现覆膜65d对马铃薯产量、经济效益以及产投比有明显的促进作用。但不合适的揭膜时间会产生负效应，棉花生育前期揭膜造成土壤水分蒸发量大，表现为棉株生长缓慢[11]，且导致杂草危害，脱水脱肥严重[12]，地膜覆盖时间过短和过长都会抑制产量的增加[13]。王海新等[14]研究表明，长时间覆膜使土壤含水率超过花生所需水量的60%~70%，不利于花生结实导致产量降低。因此平衡地膜覆盖时间与作物生长及生态环境的关系是新疆棉田残膜污染治理关键所在。

　　1材料与方法

　　1.1田间试验

　　2016－2017年在新疆阿瓦提棉花综合试验基地（40°06N，80°44E，海拔1025m）开展试验。该地属于温带大陆性干旱气候，降水少（年均降水量46.4mm）、蒸发强（蒸发量2900mm）、日照长（日照时数2679h），农业生产完全依赖于灌溉。此外，≥10℃年积温3987.7℃，无霜期211d。2016—2017年棉花生育期内气温及降水动态变化见图1。

　　试验设置6个地膜覆盖时间，分别为40d（D40）、55d（D55）、70d（D75）、85d（D85）、100d（D100）和常规全生育期覆盖（CK），随机区组设计，各处理设3个重复。铺设无色普通聚乙烯（PolyEthylen，PE）地膜（新疆独山子天利高新技术股份有限公司生产），地膜宽2.05m，采用1膜2管6行种植方式（图2），株距11cm，理论密度19.8万株/hm2。2016年，于4月8日播种，4月30日出苗，9月21日收获，全生育期167d；2017年，于4月15日播种，5月10日出苗，9月25日收获，全生育期164d。采用灌溉施肥，2016年和2017年分别在6月14日和6月17日开始灌溉，每7d滴灌1次，全生育期共滴灌10次，灌溉量为4352m3/hm2。其他管理按照当地传统方式进行。

　　1.2测试项目及方法

　　1.2.1气象数据

　　RZWQM2模型所需的气象数据借助高精度自动气象站测定(CampbellScientificInc,USA)，该气象站由CR3000数据采集器控制系统测量、运算及数据存储，采用10Hz频率采集原始数据，并提供每30min的均值。

　　1.2.2土壤温度

　　覆膜后将测量范围?30～80℃，分辨率0.1℃的U盘式地温计（MicroLite5032PU，Israel）埋入每个处理宽行中间膜下10cm处；数据记录时间从覆膜后开始至棉花收获期结束，间隔时长为1h。

　　2结果与分析

　　2.1RZWQM2模型率定和验证

　　2.1.1棉田土壤含水率的率定与验证

　　基于CK处理2016－2017年全生育期内0～80cm土层的土壤剖面实测水分数据进行模型率定（表1），模拟土壤含水率的MRE值为5.99%～14.39%，在合理范围内；RMSE值为0.02～0.03cm3/cm3；d值为0.79～0.90，均大于0.75。总体变化趋势为随土壤深度的增加含水率的模拟结果越好，各指标均表现出土壤含水率实测值与模拟值有较好的拟合性，表明RZWQM2模型可用于土壤含水率的模拟。率定后土壤参数如表2。

　　利用率定后的土壤含水率参数，验证D40、D55、D70、D85和D100处理2016年和2017年全生育期内0～80cm土层的土壤剖面含水率，验证结果如表1所示。其中不同深度土层的土壤含水率的MRE值2a最小值均在60～80cm土层，为5.90%～11.66%；对于RMSE，各验证处理为0.02～0.04cm3/cm3；对于d值，D40处理最低，0.66～0.81，D100处理最高，0.80～0.94。以D70和D100为例，比较0～80cm各土层土壤含水率模拟值和实测值随时间变化情况，如图3所示。

　　后45d和38d）模拟值和实测值拟合度显著优于灌溉后，且表层土壤的含水率实测值与模拟值差异最大，其原因可能是上层地表水分蒸散量与水分入渗相互作用的影响较大，受降雨或灌溉量影响明显。综上，RZWQM2模型能够模拟不同地膜覆盖时间下土壤含水率变化，为下一步的棉花地上部生物量的模拟提供可用土壤含水率数据。

　　2.1.2棉花地上部生物量率定与验证

　　在RZWQM2模型验证土壤含水率得到较精准的土壤参数的基础上，调整棉花生长参数，对棉花地上部生物量进行率定和验证。率定后的作物参数如表3所示。2016年和2017年棉花地上部生物量的模拟值与实测值的对比分析见表4，MRE为13.06%～26.80%，RMSE为1094.05～3835.27kg/hm2，d值为0.70～0.93。2a间均表现为D40处理各评价指标最好，随着地膜覆盖时间的增加，模拟值和实测值的拟合度下降，到D100处理达到最低值后，拟合程度逐渐提高。从年际间的变化程度上看，随着地膜覆盖时间的增加，各评价指标2a间的变化幅度下降。综上，棉花地上部生物量模拟结果表明，RZWQM2模型可以较好地模拟不同地膜覆盖时间下棉花的生长规律。

　　2.2地膜覆盖时间模拟结果

　　利用率定后的RZWQM2模型，模拟从地膜覆盖55d开始、每3d为一间隔的地膜覆盖时间下棉花地上部生物量、籽棉产量及水分利用效率，如图5所示。2a吐絮期地上部生物量随地膜覆盖时间的延长而增加，籽棉产量和WUE呈先上升后下降的趋势。

　　吐絮期地上部生物量随地膜覆盖时间的变化符合“S”型增长，总体呈“慢-快-慢”的增长趋势。在地膜覆盖时间为55～75d时，地上部生物量增长率为1.33%～13.89%；在地膜覆盖时间为76～96d时，地上部生物量增长率为15.20%～20.36%，最高；在地膜覆盖时间为77～105d时，地上部生物量增长率为0.29%～0.66%。籽棉产量随地膜覆盖时间的延长呈先快速上升后缓慢下降的趋势，其峰值分别出现在91～93d和97～99d，其中76～81d产量增长率达3.27%～6.33%，最高。WUE随地膜覆盖时间的延长也呈先上升后下降的趋势，其峰值分别出现在91～93d和97～99d，其中73～81d时WUE增长率最高，达8.05%～15.74%。综上，在地膜覆盖时间到达一定天数后，合理缩短覆膜天数可提高地上部生物量、产量及水分利用效率。

　　3讨论

　　3.1地膜覆盖下RZWQM2模型适用性分析

　　本文运用RZWQM2模型分析不同地膜覆盖时间下新疆棉田土壤水分运动状况，进行了籽棉产量和水分利用效率模拟和预测。通过依次对水分模块和作物模块参数的率定和验证结果表明模拟精度较高。本研究模拟验证各层土壤含水率的RMSE、MRE和d值分别在0.02～0.04cm3/cm3、5.90%～28.66%和0.66～0.94之间变化，其中下部土层模拟效果优于上部土层，这与Wang等[34-35]在模拟不同土层水分变化时结果一致，可能是由于土壤表层有机质含量、大孔隙等性质的时空变化较深层土壤复杂。土壤含水率的模拟值大于实测值，主要因为模型输入降雨数据与实际瞬时降雨不同，采用的是降雨时段的平均值[36]。2a间棉花地上部生物量模拟值均在D100处理达到峰值且拟合度d值最低，分别为0.72和0.70，原因可能是本试验通过温度补偿法利用温度变量代替地膜覆盖时间，模型只考虑到温度单方面对棉花地上部生物量积累的影响，所以随温度变量的提高地上部生物量一直呈上升趋势，而适当的地膜覆盖时间既能在生育前期保证生长所需温度，又可在后期改善群体内部通风情况，较全生育期覆膜积累更高的地上部生物量，故模拟值和实测值的拟合度呈先下降后上升的趋势，因此模型中棉花不同器官间生物量转运对不同地膜覆盖时间的响应还需进一步探究。籽棉产量2016年模拟值小于实测值而2017年呈相反趋势。Saseendran等[37-38]在研究作物生长的模拟效果时发现其结果取决于蒸散量和叶面积指数的一致性，故在以后的研究中应关注蒸散量和叶面积指数的模拟结果，在作物生长方面取得更高的模拟水平。

　　3.2覆膜时间确定

　　借助作物模型可以较大程度削减田间试验所需时间和成本的投入，实现多水平、多因素的试验方案研究[33]。本试验中田间观测部分以15d为一个阶梯，利用验证后的模型将处理梯度细化，以3d为间隔模拟水分利用效率及棉株生长状态，模拟结果表明，各指标随着覆膜时间的延长呈“S”型增长趋势，在出苗后73～96d增长率达到峰值，超过105d后缓步下降。

　　4结论

　　本文运用RZWQM2模型模拟新疆棉区不同地膜覆盖时间对棉田土壤水分动态变化和棉花生长的影响，结论如下：

　　1）RZWQM2模型验证时0～80cm各土层土壤含水率的均方根误差、平均相对误差和一致性指数值分别在0.02～0.04cm3/cm3、5.90%～28.66%和0.66～0.94之间变化，模拟的地上部生物量和籽棉产量模拟值与实测值的一致性指数分别在0.70～0.93和0.80～0.94范围内变化。因此，RZWQM2模型能够较好地模拟不同地膜覆盖时间下土壤水分动态变化和作物生长状况，为新疆地区探索出适合当地生态条件的最佳地膜覆盖时间。

　　2）地膜覆盖时间的长短对棉花产量、水分利用效率和棉田土壤水分分布影响较大。地膜覆盖时间达73～81d时水分利用效率增长率最高，在91～99d时表现出最高的籽棉产量。综合考虑在南疆地区覆膜时间达到91～99d（8月中上旬）时能够在不减弱覆膜效果的前提下保持较高的籽棉产量和水分利用效率。

　　[参考文献]

　　[1]牛媛，杨相昆，张占琴，等.揭膜种植方式下不同灌水量对棉花光合特性及产量的影响[J].江苏农业科学，2019，47(16)：82-88.

NiuYuan,YangXiangkun,ZhangZhanqin,etal.Effectsofdifferentirrigationamountonphotosyntheticcharacteristicsandyieldofcottonunderuncoatedplantingmethod[J].JiangsuAgriculturalScience,2019,47(16):82-88.(inChinesewithEnglishabstract)

　　[2]赵岩，陈学庚，温浩军，等.农田残膜污染治理技术研究现状与展望[J].农业机械学报，2017，48(6)：1-14.

ZhaoYan,ChenXuegeng,WenHaojun,etal.Researchstatusandprospectofresiduefilmpollutioncontroltechnologyinfarmland[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2017,48(6):1-14.(inChinesewithEnglishabstract)　　[3]JiangXJ,LiuW,WangE,etal.ResidualplasticmulchfragmentseffectsonsoilphysicalpropertiesandwaterflowbehaviorintheMinqinOasis,northwesternChina[J].SoilandTillageResearch,2017,166:100-107.

　　夏文1，林涛2，褚晓升3，丁奠元4，颜安5，尔晨1，汤秋香1,5※