干旱区秸秆覆盖对滴灌土壤水盐分布及棉花生长的调控效应

【摘要】：为探索秸秆覆盖对干旱区土壤水盐分布和北疆滴灌棉花生长和产量的影响，2009-2012年以小麦秸秆为材料，通过室内土柱试验，对比研究了不同秸秆覆盖量、秸秆覆盖位置和秸秆长度对土柱一维垂直入渗和蒸发情况下土壤剖面水温盐分布的影响；同时结合4年测坑试验，研究了表层覆盖、地表下30cm覆盖和无覆盖三种处理分别在非盐碱土和盐碱土条件下对滴灌棉花生长、根系和产量的影响；利用HYDRUS软件模拟了秸秆覆盖土壤水分和温度的运动过程，揭示了秸秆覆盖土壤水温盐分布特点及对滴灌棉花生长的调控效应。主要结论有： （1）无覆盖和秸秆表层覆盖积水入渗湿润土体含水率由上向下逐渐由饱和含水率减少至初始值；垂直一维入渗中累积入渗量、入渗锋均随时间延长而增大，入渗初期累积入渗量和入渗锋增加较快，随时间延续其增加趋势渐缓，构建了无覆盖一维垂直积水入渗模型。 （2）深处秸秆覆盖即秸秆夹层厚度和密度对入渗水流起到阻滞作用，使下渗水流滞留于秸秆夹层以上土体，还具减渗性，使下渗水量及入渗锋面湿润速度减小，同时也影响盐分及离子运移，盐分从上到下逐渐升高，Cl~-入渗后在剖面上变化规律与总盐变化规律相同，HCO_3~-离子对秸秆夹层的敏感性强于SO_4~(2-)。 （3）秸秆覆盖对土壤温度场具有显著影响。秸秆层无论在何位置均能阻挡或吸收一部分热能，表层覆盖量越大剖面温度变化越缓并与无覆盖温差越大。20cm处覆盖在0-40cm范围温度变化特征与无覆盖一致，秸秆夹层传热性能远大于表层覆盖。表层覆盖0-20cm范围内温度均低于20cm深处覆盖相应位置温度，在0-40h以内20cm深处覆盖在20-40cm范围内温度均低于表层覆盖相应位置温度，但在40h以后20cm处覆盖吸热效应降低，在整个深度范围内温度升高速率高于表层覆盖；拟合得出了土层温度与深度和时间的通用函数关系。 （4）秸秆覆盖对土壤水分分布影响显著，秸秆覆盖位置对一维土柱蒸发后土壤含水率分布具有显著影响。秸秆表层覆盖能有效抑制水分蒸发散失，表层秸秆覆盖量越大，对表层和上层土壤含水率蒸发抑制作用越强，长度5cm秸秆覆盖量12000kg/hm~2时相对无覆盖处理可抑制水分蒸发散失52.21%。20cm深处秸秆覆盖对抑制水分蒸发散失作用并不显著，在秸秆覆盖量达到12000kg/hm~2以上时，5cm长度秸秆覆盖相对具有较好的抑制土壤蒸发作用。表层覆盖0-20cm土层含水率均高于20cm深处秸秆覆盖，20cm深处秸秆覆盖在20-40cm土层含水率均高于表层覆盖，且秸秆覆盖量越大，这种现象越明显。方差分析结果表明秸秆覆盖量在表层覆盖情况下对累积蒸发量、0-15cm平均含水率、0-15cm平均含盐量的贡献最大，效应最显著；在20cm处覆盖时秸秆覆盖量只对0-15cm平均含水率的影响最大。 （5）垂直一维蒸发条件下，秸秆覆盖相应影响或减少盐分上移，秸秆覆盖位置主要影响覆盖层紧密连接的下层土壤中盐分运动，使盐分积聚在秸秆层以下一定范围土壤里。表层土壤盐分变化率随秸秆覆盖量增加而减小，秸秆覆盖量在12000kg/hm~2以上时，对土壤盐分抑制作用显著，抑制深度20cm左右。20cm深处秸秆覆盖减少了盐分向上迁移，呈现上层盐分变化率减少，秸秆层以下10cm范围内盐分变化率升高，长度5cm秸秆在覆盖量较大时对上层土壤盐分抑制效果较好。表层覆盖在0-20cm土层范围内土壤盐分变化率高于20cm深处秸秆覆盖，在20-25cm土层则是20cm深处秸秆覆盖土壤盐分变化率较高。 （6）秸秆覆盖测坑滴灌棉花试验表明，秸秆覆盖通过对土壤水分的影响间接影响了土壤盐分的运移和分布。表层秸秆覆盖具有明显的抑制水分散失作用，能减少中壤土、盐碱土0-20cm土层水分蒸发，保水效果较好。30cm深层秸秆覆盖在秸秆腐烂之前（有效期约100d）具有明显的抑制深层水分和盐分向上迁移，0-20cm土壤盐分含量较低，盐分主要在30-40cm深处聚集，有利于棉花根区形成脱盐区，抑盐效果高于表层覆盖，能够起到隔层抑盐改良盐碱土作用，但在棉花生长后期对于蒸发和盐分抑制作用不明显。 （7）秸秆覆盖显著影响根系根长密度分布，对深层根系分布影响更大，中壤土根系分布更深，秸秆覆盖减少0-28cm耕作层根重密度分布比重，增加根长密度比重，分别促使棉花细根在耕作层和主根向深层发育和分布。表层覆盖促进耕作层根系发育，30cm覆盖限制上层根系发育，促进30cm以下土层根系发育。盐碱土棉花根系偏细长，单位体积土体细根较多，在盐碱逆境下秸秆覆盖更能促进根系向更细更长方面发育，提高根长分布密度。 （8）秸秆覆盖对滴灌棉花生长及产量具有一定影响，尤其体现在盐碱土条件下。非盐碱土秸秆覆盖对滴灌棉花株高、叶面积指数和产量相对无覆盖促进作用不显著，但表层覆盖综合调控效应优于30cm深处覆盖尤其在棉花生长中后期（花铃期）。盐碱土秸秆覆盖对滴灌棉花株高、叶面积指数和产量促进作用相对显著，尤其在中后期秸秆覆盖可促进棉花生长，提高叶面积指数，提高产量，表层覆盖抑盐效应较30cm覆盖显著；30cm深层秸秆覆盖效应在棉花生长前期（苗期、蕾期）明显，后期（花铃期）减弱；表层覆盖相对无覆盖和30cm深层覆盖可分别提高棉花产量3.2-17.9%与3.1-16.3%。 （9）利用HYDRUS软件对秸秆覆盖土壤水分、温度运动的模拟值与实测值对比结果比较理想，较好地反映土壤含水量在试验期内随蒸发、灌溉等因素的变化规律，可用作秸秆覆盖条件下土壤水热盐运移预测研究。 作为探索减缓新疆农田残膜污染、发展生态高效农业的一种尝试，秸秆覆盖与滴灌结合在盐碱地棉花等作物上具有应用的可能和前景，相关技术还需深入研究。 【关键词】：秸秆覆盖 滴灌 棉花 水盐分布 根密度 产量 温度 干旱区
【学位授予单位】：新疆农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S152.7;S562
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 研究目的和意义11-14
• 1.2 国内外研究现状14-20
• 1.3 研究内容20-21
• 第2章 土壤水热相关参数的测定21-33
• 2.1 土壤水分特征曲线的测定21-23
• 2.2 水平土柱吸渗法测定非饱和土壤的水平扩散率23-24
• 2.3 非饱和土壤导水率的测定24-25
• 2.4 土壤的热特性25-31
• 2.5 土壤饱和导水率的测定31
• 2.6 本章小结31-33
• 第3章 秸秆覆盖对垂直一维入渗土壤水盐分布的影响33-49
• 3.1 无覆盖土柱一维积水入渗水盐分布及运移特征33-42
• 3.2 具有秸秆夹层的层状土壤一维垂直入渗水盐分布特征42-47
• 3.3 本章小结47-49
• 第4章 秸秆覆盖对垂直一维蒸发土壤水热盐运移的影响49-85
• 4.1 秸秆覆盖对垂直一维土壤蒸发的影响49-68
• 4.2 秸秆覆盖对土柱蒸发条件下水盐分布的影响68-77
• 4.3 秸秆覆盖蒸发条件下累积蒸发量及水盐含量方差分析77-81
• 4.4 本章小结81-85
• 第5章 秸秆覆盖对滴灌棉花水盐分布的调控效应85-100
• 5.1 材料与方法85-86
• 5.2 秸秆覆盖对滴灌棉花水盐分布的影响86-89
• 5.3 秸秆覆盖对滴灌盐碱土土壤垂直方向水盐运移的影响89-90
• 5.4 秸秆覆盖对盐碱土土壤水盐水平运移的影响90-97
• 5.5 深层秸秆覆盖对深层土壤水分的影响97-98
• 5.6 本章小结98-100
• 第6章 秸秆覆盖对滴灌棉花生长的调控效应100-116
• 6.1 试验材料与方法100-102
• 6.2 秸秆覆盖对滴灌棉花株高的影响102-103
• 6.3 秸秆覆盖对滴灌棉花叶面积指数的影响103-105
• 6.4 秸秆覆盖对滴灌棉花根系分布的影响105-112
• 6.5 秸秆覆盖对滴灌棉花产量的影响112-114
• 6.6 关于秸秆覆盖对滴灌棉花生长影响的讨论114
• 6.7 本章小结114-116
• 第7章 基于 HYDRUS-2D 软件秸秆覆盖土壤水热模拟116-126
• 7.1 水热运动方程116-117
• 7.2 单元划分离散及边界条件117-118
• 7.3 模型参数118
• 7.4 土壤水分、温度运动数值模拟结果118-121
• 7.5 模型参数调整和模型识别121-124
• 7.6 本章小结124-126
• 第8章 结论与展望126-131
• 8.1 主要研究结论126-128
• 8.2 研究展望128-131
• 参考文献131-137
• 致谢137-138
• 作者简介138

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