河套灌區(qū)小麥套種玉米灌溉制度研究

李生勇，韓翠蓮，郭彥芬，霍軼珍

(內(nèi)蒙古河套學(xué)院土木工程系，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

隨著水資源短缺日益嚴(yán)重及科技不斷進(jìn)步的現(xiàn)狀，對(duì)水資源進(jìn)行合理利用及調(diào)配已然成為亟待解決的問題。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水占全國(guó)總供水量的65%左右，節(jié)水的關(guān)鍵在于農(nóng)業(yè)節(jié)水。

小麥/玉米套種是河套灌區(qū)常規(guī)的立體種植模式，而立體種植模式下，由于不同作物間存在對(duì)水分與養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)受作物播種時(shí)間及株高的影響，使其在光能、熱能等的利用能力方面差異較大[1-4]，這也最終體現(xiàn)在對(duì)產(chǎn)量方面的影響。立體種植高效技術(shù)主要包括田間灌水技術(shù)和灌溉制度的確定[5]，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)立體種植做了大量的研究，并且取得了很多研究成果[6-11]。本文在前人研究基礎(chǔ)上，基于大田試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用作物水模型Jensen模型對(duì)小麥套種玉米的灌溉制度進(jìn)行優(yōu)化，旨在為河套灌區(qū)立體種植模式下的節(jié)水灌溉提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

該試驗(yàn)于2012年在內(nèi)蒙古巴彥淖爾市臨河區(qū)雙河鎮(zhèn)進(jìn)行，該地區(qū)屬典型的中溫帶干旱大陸性氣候，多年平均降雨量為140 mm，平均氣溫6.8 ℃，平均日照時(shí)數(shù)3 229.9 h，無霜期130 d左右。試驗(yàn)區(qū)以砂質(zhì)壤土為主，0～100 cm土壤平均容重1.45 g/cm3，土壤全氮、全磷、全鉀質(zhì)量比為0.093%、0.07%、1.60%、有機(jī)質(zhì)1.2%，平均pH值7.6。地下水埋深年內(nèi)變化在0～3 m之間，灌溉水源為黃河水，平均礦化度0.6～0.8 g/L之間。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

整地后，按當(dāng)?shù)匦←溙追N玉米常規(guī)栽培管理模式進(jìn)行種植管理，試驗(yàn)材料采用灌區(qū)常規(guī)品種，小麥品種為永良4號(hào)，生育期為120 d左右；玉米采用西蒙6號(hào)，覆膜種植，生育期150 d左右。

小麥套種玉米全生育期內(nèi)灌6水(5月6日、5月19日、6月10日、7月15日、8月3日、8月23日)，其中小麥灌前4水，玉米灌后4水。重點(diǎn)考慮小麥生長(zhǎng)季拔節(jié)、抽穗、灌漿和玉米抽雄、灌漿期5個(gè)關(guān)鍵生育期的差異，試驗(yàn)設(shè)5個(gè)灌水水平，3次重復(fù)，其中CK為對(duì)照處理，具體試驗(yàn)處理如表1所示。

表1 小麥套種玉米試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)表 m3/hm2

1.3 測(cè)試項(xiàng)目及方法

采用土鉆取土，烘干稱重法測(cè)定土壤含水率，每7 d觀測(cè)一次，播前、灌水前后及降雨后加測(cè)，取樣深度100 cm，每20 cm為一層。采用皮尺測(cè)量試驗(yàn)區(qū)地下水埋深，每5 d觀測(cè)1次，灌水和降雨后加測(cè)；采用田間微氣象站采集生育期內(nèi)氣象數(shù)據(jù)；收獲時(shí)單打單收，測(cè)定各試驗(yàn)處理小區(qū)的小麥、玉米產(chǎn)量。

1.4 作物耗水量、水分生產(chǎn)函數(shù)的確定

1.4.1作物生育期耗水量的確定

采用水量平衡法計(jì)算：

ETc=I+P+K-Wr-D

(1)

式中：ETc為作物階段實(shí)際耗水量，mm；I為灌溉水量，mm；P為有效降雨量，mm；K為地下水補(bǔ)給量，mm；Wr為土壤儲(chǔ)水量變化，mm；D為深層滲漏量，mm。

1.4.2作物水模型確定

本文采用以階段相對(duì)騰發(fā)量作為自變量與相應(yīng)階段(i)敏感性冪指數(shù)λi表征的M.E.Jensen)模型。

(2)

式中：Ya為作物實(shí)際產(chǎn)量，kg/hm2；Ym為作物最大產(chǎn)量，kg/hm2；ETa為各階段實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量，mm；ETm為充分灌溉條件下的各階段蒸發(fā)蒸騰量mm；λi為作物第i生育階段的水分敏感性指數(shù)。

1.4.3作物生育階段劃分

小麥套種玉米生育階段劃分見表2。

表2 小麥套種玉米生育階段劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 作物各生育期日耗水強(qiáng)度變化

對(duì)上述各個(gè)分量計(jì)算確定后，利用水量平衡原理計(jì)算得到作物生育期內(nèi)日耗水強(qiáng)度變化如表3所示。

表3 不同處理?xiàng)l件下各生育階段日需水強(qiáng)度 mm/d

注：小寫字母代表各指標(biāo)不同處理間5%顯著水平的差異性，大寫字母為1%顯著水平的差異性。

由表3可知，不同灌水處理水平下作物生育期內(nèi)日需水強(qiáng)度大小不一，各處理間差異性大多達(dá)到顯著或極顯著水平(P<0.05或P<0.01)，小麥生育初期和玉米生育末期日耗水強(qiáng)度較小，平均為1.602和2.338mm/d，隨小麥及玉米生長(zhǎng)加之氣溫升高，相應(yīng)的耗水量增大，且不同處理需水強(qiáng)度差異性日趨顯著。全生育期來看小麥套種玉米各生育階段日需水強(qiáng)度規(guī)律為：小麥旺盛期(玉米中期)>小麥中期(玉米初期)>小麥末期(玉米旺盛期)>玉米末期>小麥初期。

2.2 不同水分處理對(duì)作物產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率的影響

適宜的水分條件是保證作物正常生長(zhǎng)的限制性條件，過多或過少都會(huì)影響到作物產(chǎn)量的形成。由表4可知，XY1小麥產(chǎn)量最高，達(dá)到4 758.9 kg/hm2，分別較處理CK、XY2、XY3、XY4產(chǎn)量高2.01%、2.78%、22.09%和16.35%，差異達(dá)到極顯著性水平(P<0.01)，這是由于處理XK2和XK3在分蘗和灌漿期的關(guān)鍵生育期受到了一定的干旱水分脅迫作用，最終影響到了產(chǎn)量的形成；處理CK、XK4在拔節(jié)和抽穗期進(jìn)行充分灌溉，而該年份此階段降雨較多，灌水后地下水位壅高，小麥在一定程度上受到了漬害，影響到了小麥的正常生長(zhǎng)。

通過對(duì)比不同處理玉米產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，處理CK產(chǎn)量最高，達(dá)到9 116.9 kg/hm2，分別較處理XY1、XY2、XY3、XY4高4.20%、24.19%、35.19%和16.50%，差異達(dá)到極顯著性水平(P<0.01)。分析原因發(fā)現(xiàn)，第三、四水時(shí)玉米正處于生殖生長(zhǎng)期，適當(dāng)增加灌水量可顯著促進(jìn)植株生長(zhǎng)，有利于增加產(chǎn)量，同時(shí)對(duì)比發(fā)現(xiàn)玉米抽雄期及灌漿期增加灌水量可顯著提高產(chǎn)量，而受水分虧缺的脅迫的作用減產(chǎn)幅度較大。通過對(duì)兩種作物水分生產(chǎn)率的分析發(fā)現(xiàn)，處理XY1、XY2水分生產(chǎn)率分別達(dá)到2.73和2.66 kg/m3，極顯著高于其他處理(P<0.01)，分析原因，在作物生育前期生長(zhǎng)緩慢，需水量較小，同時(shí)在小麥拔節(jié)及抽穗期的生育階段降雨較多，進(jìn)行充分灌溉無疑會(huì)降低水分生產(chǎn)率。

表4 不同處理?xiàng)l件下作物產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率

注：大寫字母代表各指標(biāo)不同處理1%顯著水平的差異性。

2.3 作物水模型的確定

運(yùn)用已知函數(shù)對(duì)作物產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)報(bào)和模擬，首先需確定相應(yīng)階段的水分敏感指標(biāo)。本文采用最小二乘法將作物-水模型Jensen模型轉(zhuǎn)換為求解線性方程組，然后采用多元線性回歸方法求解敏感指標(biāo)。具體求解方法如下。

(3)

可得到線性方程：

(4)

經(jīng)計(jì)算得小麥套種玉米各生育階段優(yōu)化灌溉制度參數(shù)如表4。

表5 小麥套種玉米各生育階段優(yōu)化灌溉制度參數(shù)表

2.4 灌溉制度優(yōu)化

灌溉制度的優(yōu)化即在限制灌溉水量的條件下，為達(dá)到作物品質(zhì)優(yōu)良、高產(chǎn)的目標(biāo)，對(duì)不同作物及作物的不同生育階段以作物水分生產(chǎn)函數(shù)為依據(jù)，根據(jù)土壤含水率的變化動(dòng)態(tài)、降雨補(bǔ)給、地下水補(bǔ)給等情況，在各生育階段分配灌溉的可供水量，對(duì)灌水量進(jìn)行最優(yōu)分配。本試驗(yàn)利用Jensen模型，采用二維動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理來確定小麥套種玉米的節(jié)水灌溉制度，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 小麥套種玉米優(yōu)化灌溉制度表

由表6 可知隨灌水量增加作物相對(duì)產(chǎn)量增加顯著，灌水量由385 mm增加到505 mm時(shí)，相應(yīng)的相對(duì)產(chǎn)量由0.634 6提高到0.980 2，但灌水量增加到485 mm后再增加灌水量增產(chǎn)效果不再明顯，且均接近最大產(chǎn)量。綜合考慮小麥套種玉米全生育期以460～485 mm的灌溉供水量為宜。相應(yīng)的優(yōu)化灌溉制度為小麥分蘗-拔節(jié)期95 mm，拔節(jié)-抽穗期105～110 mm，抽穗-灌漿期65～70 mm，玉米拔節(jié)-抽雄期95～105 mm，抽雄-灌漿期100～105 mm。且在供水量一定的情況下，優(yōu)先保證作物各生育階段敏感指數(shù)較大的生育階段對(duì)水分的需求。

3 結(jié) 論

(1)不同處理?xiàng)l件下全生育期小麥套種玉米各生育階段日需水強(qiáng)度規(guī)律為小麥旺盛期(玉米中期)>小麥中期(玉米初期)>小麥末期(玉米旺盛期)>玉米末期>小麥初期。

(2)通過多元線性回歸方法求解敏感指標(biāo)得到敏感性指數(shù)小麥拔節(jié)-抽穗期(0.335 6)>玉米拔節(jié)-抽雄期(0.320 7)>玉米抽雄-灌漿期(0.310 2)>小麥分蘗-拔節(jié)期(0.305 0)>小麥抽穗-灌漿期(0.143 2)。

(3)利用Jensen模型確定了小麥套種玉米水分生產(chǎn)函數(shù)，并對(duì)其灌溉制度進(jìn)行了優(yōu)化，以產(chǎn)量最大為目標(biāo)函數(shù)得出小麥套種玉米最優(yōu)灌溉制度為：小麥分蘗-拔節(jié)期95 mm，拔節(jié)-抽穗期105～110 mm，抽穗-灌漿期65～70 mm，玉米拔節(jié)-抽雄期95～105 mm，抽雄-灌漿期100～105 mm。

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