山西棉花水分利用效率试验研究.docx
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山西棉花水分利用效率试验研究
饮
水
思
源
天津农学院
毕业论文
中文题目:
山西棉花水分利用效率试验研究
英文题目:
ExperimentalStudyonWaterUtilizationEfficiency
ofCottoninShanxi
学生姓名王联桥
系别水利工程系
专业班级2009级水文与水资源工程专业2班
指导教师王仰仁
成绩评定
2013年6月
目录
1引言1
1.1研究的目的及意义1
1.2该选题的研究现状及发展趋势2
2确定水分利用效率WUE方法4
2.1水分生产函数4
2.2耗水量ET与灌水量M的关系4
2.3棉花水分利用效率的定义及数学表达式4
2.4效益最大时的水分利用效率4
3收集资料6
4结果分析7
4.1模型参数的确定及其变化规律7
4.2WUEymax的变化规律8
4.3WUEBmax的变化规律9
5结论9
参考文献10
致谢11
附录1相关英文文献12
附录2相关英文文献译文21
摘要
根据田间试验资料,系统地分析了棉花耗水量、产量、灌水量、棉花水分利用效率之间的关系。
结果表明:
(1)棉花产量与棉花耗水量呈二次抛物线关系;
(2)山西属于华北平原水资源紧缺地区,按经济效益最佳的灌溉定额进行节水灌溉,可有效地提高棉花水分利用效率。
在此基础上将有限水资源首先分配在棉花的需水临界期会进一步提高水分利用效率;(3)棉花水分利用效率是衡量棉花用水效率的指标之一,要获得最好的社会经济效益,必须兼顾产量与水分利用效率。
关键词:
山西;棉花;水分利用效率;土壤水分含量
ABSTRACT
Therelationshipamongthewaterconsumption,theproduction,theirrigationandtheefficiencyofwaterusageofthecottonwassystematicallyanalyzedbasedonthefieldtestdata.Theresultsindicatedthat
(1)Theoutputofthecottonandthewaterconsumptionshowedthetwofunction;
(2)ShanxiprovinceisoneofthewatershortageareasofplainofNorthChina.Andtheefficiencyofthewaterusageofthecottoncanbeeffectivelyimprovedbyeconomicoptimumirrigationwater-savingirrigation.Onthebasisofit,ifthelimitedwaterresourceswereallocatedpreferentiallyinthecriticalperiodofwaterdemandforthecotton,theefficiencyofthewaterusageofthecottonwouldbefurtherimproved;(3)Thewateruseefficiencyofthecottonisanindicatorofwaterusageofthecotton..Sotheyieldandtheefficiencyofwaterusageofthecottonmustbebalancedtoachievethebestsocialandeconomicbenefits.
Keywords:
Shanxi;Cotton;WaterUseEfficiency;SoilWaterContent
山西棉花水分利用效率试验研究
王联桥
(天津农学院水利工程系)
1引言
1.1研究的目的及意义
水分利用效率是节水农业的重要指标,是节水农业研究的重要理论问题之一。
其研究内容十分广发,包括不同范畴和不同的层次水平。
棉花是人们生活的必需品,特别是在严寒的冬天,棉花的保暖效果非常的强。
作为一个农业大国的中国,人民生活水平还不是很高的情况下,不论是过去还是现在,或是将来。
棉花在国民经济与社会的稳定中都占据着不可替代的作用。
对一个国家的稳定发展有着积极的作用。
然而,由于人口增长,经济发展,还有水资源短缺等原因,导致作物产量降低,以至于有时会出现供不应求的现象,这将严重地影响国家经济发展和人民生活水平。
之所以会出现供不应求的现象,很重要的原因是水资源短缺。
农田灌溉方面,全国现有农田灌溉面积近7.2亿亩,林地果园和牧草灌溉面积约0.3亿亩有灌溉设施的农田占全国耕地面积的48%,但它生产的粮食却占全国粮食总产量的74%。
因此我国研究农业节水的意义巨大。
研究棉花水分的利用效率对棉花的生产及提高棉花的单位产量具有重要作用,棉花水分的利用效率较低,作物往往由于干旱等原因而枯死从而导致粮食减产或绝收。
如果能够对作物的需水及耗水规律有一个透彻的研究,合理而有效的利用水资源,较大程度的提高水资源的利用效率,从而能让棉花等作物不会因水资源的问题而减产。
水是自然资源的重要组成部分,是所有生物的结构组成和生命活动的主要物质基础。
我国地表水资源中国河川年径流总量为27115亿立方米,占全世界径流总量的5.8%,占亚洲径流总量的18.8%。
但按人口平均,每人每年拥有水量尚不及2700立方米,只相当于世界平均数的1/4。
中国水能资源理论蕴藏量达6.76亿千瓦。
水分的利用效率在一定程度上决定了作物的产量,而作物产量是种植业追求的最终目标最主要的部分,也是整个国民经济中最主要的部分。
因此,它是水资源开发特别是水资源利用和水分利用效率的必需资料,同时也是灌排工程规划、设计、管理的基本依据。
目前全世界的用水量在不断增长,水资源不足的矛盾日益突出,因此,对作物需水量和水分利用率的研究和已成为农业研究方面的一个重要研究课题。
棉花是高耗水作物。
通过试验了解棉花耗水规律,从土壤水分、作物生长发育及气象条件三个方面分析棉花耗水变化特点,合理分配水资源,合理调整作物布局,节约用水,达到节水高效的目的,做到充分利用现有的水资源,保证农作物向高效、稳产、高产的目标发展。
1.2该选题的研究现状及发展趋势
研究棉花的耗水规律具有重要的意义。
提高棉花水分利用效率对我国农业用水总量的减少,及万元生产总值的耗水量有积极的意义。
近年来,我们一直努力探索一条适合国情的节水灌溉的道路。
综合国内外的经验教训,根据我国国情,研究农作物耗水量的重要意义。
农作物耗水量的概念,目前国内外尚无一个权威性的定义。
有人把作物耗水量定义为一种作物在土壤水分中国是一个水资源大国,同时也是一个水资源小国,人均占有量来讲相对贫乏的国家。
人均占有水资源量仅有2317m3,居世界第109位,仅及世界平均水平的1/4。
水资源时空分布极不平衡,加之生态进一步恶化,经济发展,用水量的持续加大,水危机己经成为制约我国可持续发展的重要因素。
为了解决目前面临的这些日夜加重的问题,研究棉花水分的利用效率是迫不及待的。
农业是水资源的用水大户,也是浪费大户。
在我国“土渠输水,大水漫灌”的农业灌溉方式仍在普遍沿用,我国每平方米灌溉后增产粮食与发达国家相比差的太多。
因此提倡节水行动,农业应该走在前头,节水是中国农业发展的趋势和必然。
而棉花又是我国重要的农作物之一,属耗水作物,耗水量较大,所以研适宜、生长正常、产量水平均较高条件下的棵间土壤或水面蒸发量与植株蒸腾量及组成植物体、消耗于光合作用等生理进程所需水量之和[1]。
棉花的耗水量取决于生育期间群体叶面蒸腾量及棵间蒸发量。
由于产量水平、气候和品种等的差异,棉花的耗水量差别较大。
塔里木盆地棉花水分利用效率试验研究[2]。
根据田间试验资料,系统地分析了棉花耗水量、产量、边际产量、土壤水分含量、棉花水分利用效率之间的关系。
结果表明:
(1)棉花水分利用效率与棉花耗水量呈二次抛物线关系;
(2)就棉花水分利用效率而言,苗期、蕾期、花铃期、吐絮期对应的1m土体适宜土壤水分下限分别为1m土体田间持水量的74%,68%,65%,67%;(3)塔里木盆地水资源紧缺,按经济效益最佳的灌溉定额进行节水灌溉,可有效地提高棉花水分利用效率。
在此基础上将有限水资源首先分配在棉花的需水临界期(花铃期和蕾期)会进一步提高水分利用效率;(4)棉花水分利用效率是衡量棉花用水效率的指标之一,要获得最好的社会经济效益,必须兼顾产量与水分利用效率。
石河子大学生态农业重点试验室郭金强[3],在3种灌溉量(2850、3900、4950m3/hm2)下研究了棉花膜下滴灌各生育期的耗水量与耗水强度。
结果表明棉花的耗水量随着灌量的增加而增大,在北疆滴灌棉花适宜的灌溉量为3900m3/hm2,棉花最大蒸散量出现在花铃期,其中开花-吐絮期,耗水量240.96mm,最大耗水时段为现蕾-吐絮,日均耗水量3.29~4.15mm。
西北农林科技大学蔡焕杰[4]在新疆石河子炮台土壤改良试验站,进行了不同水分处理对膜下滴灌棉花生长和产量影响的研究。
结果表明,为了获得较高的皮棉产量和水分利用率,膜下滴灌棉花全生育期的耗水量应在345~380mm,特定阶段和程度的水分亏缺虽然降低了总生物量,但提高了生殖器官在总生物量中的分配比例,与对照相比,苗期每次灌水推迟2d,蕾期恢复正常供水,花铃后期每次灌水推迟2d,是适合于当地膜下滴灌棉花需水规律的灌水模式。
棉花叶片水分利用效率及其影响因素的研究[5]。
在北疆棉区田间自然条件下对棉叶水分利用效率(WUE)及其影响因素的研究表明,
(1)棉叶WUE日变化呈多峰型,最低谷出现在午后光合午休及蒸腾作用最旺盛的15--17时。
(2)棉花生育后期,叶片WUE随主茎叶片自上而下降低,但上部叶片变幅较小,同时随生育时期推延、叶片衰老而降低。
(3)高产棉田WUE比普通棉田高。
(4)由于基因型间叶片WUE存在显著的差异以及WUE与光合速率的关系比与蒸腾速率更密切,因此,通过育种途径或栽培措施增加棉叶光合速率是提高WUE的关键。
石河子大学新疆作物高产研究中心李少昆[6]和水利与建筑工程学院李明思、马富裕[7]等以田间试验为基础对膜下滴灌棉花的田间需水规律进行了对比研究,从土壤-作物-大气连续体的角度对该技术下影响棉花耗水的主要因素进行了分析,找到了膜下滴灌比沟灌省水的依据,同时发现对棉花采用膜下滴灌技术可改善需水量在各生育阶段的合理分配,提高叶面积指数LAI,生理上提高了作物水分利用率及增产潜力。
王淑芬[8]-[10]等通过2004年棉花生长季田间试验,我们研究了膜下滴灌棉花关键生育期不同灌水量和灌水次数对其生长、产量及水分利用效率(WUE)的影响,旨在建立河北南部棉区滴灌条件下的优化灌溉模式,提高作物水分利用效率,达到节水增产目的。
试验结果表明:
不同灌水方式对棉花产量和水分利用效率的影响具有显著差异,棉花需水关键期花铃期分2次少量灌水处理,每次灌水量10.42mm,明显优于两次多量灌水和集中一次灌溉等其他处理,产量和WUE最高,分别高达4929.0kg/hm2和0.98kg/m3,具有明显的节水增产效益。
归纳总结上述研究文献,认为在农作物耗水量的计算模型方面,应该从实践应用的角度出发,结合我国的水文资料,对棉花耗水量进行进一步的研究,为我国棉花的高产和水资源高效利用提供科学依据。
作物耗水量的研究始终紧紧围绕为经济发展服务,努力为探索符合我国国情的节水灌溉作贡献,并在此进程中不断深化理论,取得应用价值。
2确定水分利用效率WUE方法
2.1水分生产函数
作物产量与水分因子之间的数学关系称为作物水分生产函数。
确定作物水分生产函数模型,首先要选定其因变量和自变量,才能写出具体表达式。
因变量只有一个,即产量。
现将自变量考虑为棉花的耗水量ET。
产量y与耗水量成二次函数关系,即:
(1)
式中a,b,c为系数,根据试验资料拟合曲线求得。
y为产量,kg/亩,ET为耗水量,m3/亩。
2.2耗水量ET与灌水量M的关系
由耗水量和灌水量的关系不难看出随着灌水量的增加耗水量也在不断增加,因此可取一次次函数作为耗水量与灌水量关系,即:
(2)
式中a1,b1为系数,根据试验资料拟合曲线求得。
ET为耗水量,m3/亩,M为灌水量,m3/亩。
2.3棉花水分利用效率的定义及数学表达式
产量水平上的水分利用效率即是单位耗水量的产量。
产量用经济产量更接近农业生产实际,耗水量包括土面蒸发对节水更有意义。
棉花水分利用效率定义为皮棉产量y(kg/hm2)与棉田耗水量ET(mm)的比值,即
(3)
要求得最大产量即y有最大值则有
(4)
将(4)式代入
(1)式中求得ymax。
2.4效益最大时的水分利用效率
WUEBmax单位亩产棉花的最佳水分利用效率,即效益最大时的水分利用效率。
最大效益同产量、灌水量以及投资成一次线性关系则
(5)
式中,
B--最大效益(单位,元/);
Py--棉花价格市场价(单位,8元/kg);
C0--棉花产前投资(单位,元)
PM--灌水价格根据山西当地灌水价格(单位,0.4元/m3)
M--灌水量(单位,m3)
利用式(5)求效益对供水量的偏导数,并令其等于零,
则
(6)
(7)
对式
(1)求一级导数得
(8)
对式
(2)求一级倒数得
(9)
将(7)、(8)、(9)式代入(6)式得
代入数据求得
(10)
此时M为效益最大B取得最大值时,即Bmax时得灌水量。
将(10)代入
(2)式可求得ETBmax,再将求出的ETBmax代入
(1)式可求得最大效益时的WUEBmax,
(11)
3收集资料
采用1980年--1988年山西棉花水分利用的试验研究实测资料汇总,将部分资料整理转化为相应所需的资料。
将各年的资料整理、归纳,绘出拟合出每个站每年的拟合曲线并把典型年的图像作为例子。
下面将1982年夹马口站的拟合曲线图1和图2为例:
图11982年夹马口站产量y--ET耗水量变化图
图21982年夹马口站耗水量ET--M灌水量变化图
4结果分析
4.1模型参数的确定及其变化规律
根据实测资料,利用最小二乘法原理可求得模型的参数,见表1:
表1模型参数表
站名
年份
产量y与耗水量ET
耗水量ET与灌水量M
a
b
c
R2
a1
b1
R2
二分局
1980
-0.004
3.067
-538.98
0.637
0.841
304.45
0.975
二分局
1982
-0.0248
17.11
-2888.4
0.495
0.591
311.29
0.491
二分局
1987
-0.0016
1.109
-149.19
0.209
0.856
241.81
0.821
鼓水
1982
-0.0057
3.756
-545.19
0.846
0.802
255.39
0.975
鼓水
1986
-0.0041
2.769
-375.59
0.777
1.164
200.13
0.493
红旗
1983
-0.0152
8.14
-988.12
0.443
1.554
195.21
0.75
红旗
1988
-0.0054
3.925
-657.04
0.865
0.979
347.32
0.993
夹马口
1981
-0.0025
1.814
-256.2
0.56
1.055
226.13
0.816
夹马口
1982
-0.0042
3.59
-678.16
0.791
0.724
299.45
0.972
夹马口
1984
-0.0112
8.699
-1639.7
0.427
0.381
373.75
0.708
夹马口
1985
-0.0016
1.282
-212
0.626
1.477
248.8
0.939
夹马口
1986
-0.0012
0.777
-61.909
0.733
0.915
185.28
0.977
夹马口
1987
-0.0014
1.073
-143.14
0.369
1.043
287.15
0.989
利民
1985
-0.011
7.787
-1311.3
0.572
1.068
318.39
0.84
小奕
1983
-0.0767
48.22
-7456.5
0.954
0.73
309.66
0.917
小奕
1985
-0.0058
4.59
-803.9
0.902
1.374
246.2
0.793
由实测资料所求得资料参数表可得出a、b、c、R2各站年变化关系,见表1。
(1)产量y与耗水量ET的二次函数关系中,图线是开口向下的抛物线,即a<0,并且数量级为10-3。
(2)产量y与耗水量ET的二次函数关系中,ET=0时y轴上的截距总是小于0,即产量总是负值,出现负值是不合理的,不合理的原因可能是耗水量为零时产量与耗水量不满足二次关系。
(3)产量y与耗水量ET的二次函数关系中,拟合出来的曲线R2大于0.2,说明拟合可靠程度较大。
(4)耗水量与灌水量的一次关系中a1介于0.38到1.48之间;
(5)耗水量与灌水量的一次关系中,一次函数曲线的截距在180m3/亩到350m3/亩之间。
表示不灌水时,灌水能到达180m3/亩到350m3/亩,这说明降雨量在这之间。
4.2WUEymax的变化规律
根据式
(1)、
(2)以及表1中参数可求得WUEymax。
结果见表2。
表2水分生产效率表
站名
年份
产量最大时的水分生产效率
效益最大时的水分生产效率
ymax(kg/亩)
ETmax(m3/亩)
WUEymax(kg/m3)
MBmax(m3/亩)
ETBmax(m3/亩)
yBmax(kg/亩)
WUEBmax(kg/m3)
二分局
1980
48.9256
383.375
0.128
85.055
375.939
48.704
0.13
二分局
1982
63.765
345.02
0.185
54.213
343.314
63.693
0.186
二分局
1987
42.9096
346.5
0.124
100.949
328.253
42.377
0.129
鼓水
1982
73.4957
329.456
0.223
85.562
323.985
73.325
0.226
鼓水
1986
91.8982
337.671
0.272
113.624
332.434
91.786
0.276
红旗
1983
101.7296
267.77
0.38
46.011
266.711
101.713
0.381
红旗
1988
56.3288
363.463
0.155
11.662
358.732
56.208
0.157
夹马口
1981
72.8233
362.78
0.201
120.552
353.3
72.599
0.205
夹马口
1982
89.0315
427.393
0.208
165.276
419.176
88.748
0.212
夹马口
1984
49.5371
388.362
0.128
22.968
382.508
49.153
0.129
夹马口
1985
44.6004
400.469
0.111
95.543
389.888
44.421
0.114
夹马口
1986
63.965
323.875
0.197
126.553
301.114
63.343
0.21
夹马口
1987
62.4928
383.25
0.163
75.729
366.127
62.082
0.17
利民
1985
66.6804
353.936
0.188
31.299
351.808
66.631
0.189
小奕
1983
124.1619
314.381
0.395
5.854
313.934
124.147
0.395
小奕
1985
104.0891
395.664
0.263
106.512
392.526
104.032
0.265
平均值
72.2771
357.7103
0.2075
77.9601
349.9843
72.0601
0.2108
由表2可以看出WUEymax的变化规律:
(1)各站年WUEymax的平均值为0.2075kg/m3,且WUEymax在0.11--0.40kg/m3之间。
(2)各站年的平均耗水量为357.7103m3/亩,平均最大产量为72.2771kg/亩。
(3)试验阶段各站年内,1983年小奕的产量最大,为124.1619kg/亩,二分局1987年的产量最小,为42.9096kg/亩。
(4)试验阶段各站年内,夹马口1982年耗水量最大,为427.393m3/亩,红旗1983年耗水量最少,为267.770m3/亩。
(5)夹马口站各年内的WUEymax为0.168kg/m3,平均最大产量为63.7kg/亩。
4.3WUEBmax的变化规律
WUEBmax的变化规律可以由表2右半部分可看出:
(1)ETmax与ETBmax都在260m3/亩到450m3/亩之间,各站之间变化幅度在很小的范围内变动;
(2)WUEymax总是小于WUEBmax并且处于0.1kg/m3至0.3kg/m3之间。
(3)综合表2各站年之间产量和耗水量变化幅度不大,在一定的范围之内波动。
(4)灌水量对各站棉花产量的影响趋势相同,灌水量影响耗水量,耗水量影响面花产量,产量和耗水量共同作用水分利用效率WUE。
(5)第4列和第5列可以看出在一定范围内,WUEymax随着ETmax的增加而减小,并且耗水量都在300m3/亩附近。
(6)夹马口各年的棉花平均产量是63.74kg/亩,平均耗水量是381m3/亩。
(7)采用的1980年--1988年的效益最大时各站年的棉花平均产量是72.0601kg/亩。
5结论
根据田间试验资料,系统地分析了棉花耗水量、产量、灌水量、棉花水分利用效率之间的关系。
结果表明:
(1)棉花产量与棉花耗水量呈二次抛物线关系;
(2)山西属于华北平原水资源紧缺地区,按经济效益最佳的灌溉定额进行节水灌溉,可有效地提高棉花水分利用效率。
在此基础上将有限水资源首先分配在棉花的
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