基于PI模型的阿拉善綠洲節(jié)水型種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化

馬 波，田軍倉，沈 暉，潘永霞，張會梅

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3.教育部旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用工程研究中心，銀川 750021)

阿拉善盟地處內(nèi)蒙古自治區(qū)最西端，屬于半干旱-干旱草原向干旱-極干旱荒漠的過渡帶，多年平均降水量東部地區(qū)為100～200 mm，中部為80～100 mm，西部僅35～44 mm左右，年平均蒸發(fā)達(dá)2 328～3 934 mm。為滿足糧料的供給，阿拉善左旗自20世紀(jì)50～90年代先后開發(fā)建設(shè)了8個沙漠綠洲[1]，總面積75.47萬hm2[2]。由于綠洲存在于沙漠之中，農(nóng)田風(fēng)蝕、沙化、流沙入侵等致使綠洲內(nèi)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)受到一定程度的制約[3]。

沙漠綠洲從東南向西北，主要分布有淡棕鈣土、灰漠土、灰棕漠土、石膏灰棕漠土，土壤質(zhì)地差異性大[4]；加之種植結(jié)構(gòu)比較單一，主要以高耗水的玉米為主，致使沙漠綠洲水資源尤為緊缺。

寧夏大學(xué)于2013、2014年受阿拉善SEE生態(tài)協(xié)會有關(guān)項(xiàng)目的資助，在阿拉善左旗通古勒格淖爾蘇木希尼陶海嘎查進(jìn)行了種植結(jié)構(gòu)及主要農(nóng)作物水肥資源高效利用研究，通過種植玉米、谷子、油葵，結(jié)合土壤質(zhì)地及灌溉定額，分析其可持續(xù)發(fā)展的節(jié)水型種植結(jié)構(gòu)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本情況

試驗(yàn)點(diǎn)位于阿拉善左旗通古勒格淖爾蘇木希尼陶海嘎查，土壤質(zhì)地有2種，一種是0～60 cm均為沙壤土，稱之為均質(zhì)沙壤土(后文用“Ⅰ”表示該類土壤)，另一種為分層非均質(zhì)土(后文用“Ⅱ”表示該類土壤)，0～20 cm為沙壤土，20 cm以下為粉質(zhì)黏土，各層密度及田間持水率見表1。

表1 土壤密度及田間持水率

1.2 試驗(yàn)方案

選擇玉米、谷子和油葵作為研究作物，方案設(shè)計(jì)因素有作物種類、土壤質(zhì)地和灌溉定額。2013年試驗(yàn)設(shè)計(jì)為4個處理，2014年試驗(yàn)設(shè)計(jì)為8個處理，每個處理面積0.16 hm2，重復(fù)3次，兩年試驗(yàn)設(shè)計(jì)互為補(bǔ)充，試驗(yàn)方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)實(shí)施

玉米種植采用寬窄行形式布置，寬行行距60 cm，窄行行距40 cm，株距23 cm，在窄行中間鋪設(shè)1條滴頭間距30 cm的滴灌帶，品種為中地77。2013年于5月2日播種，底肥施用二銨(N-P2O5-K2O:18-46-0)300 kg/hm2，復(fù)合肥(N-P2O5-K2O:15-15-15)525 kg/hm2。追肥(尿素N-P2O5-K2O:46-0-0)為600 kg/hm2。

谷子采用寬窄行形式布置，寬行行距40 cm，窄行行距22 cm，株距12.5 cm，在窄行中間鋪設(shè)1條滴頭間距30 cm的滴灌帶，谷子品種為張雜谷5號。2014年于5月12日、5月14日播種，底肥施用有機(jī)肥(N-P2O5-K2O:12-4-4)600 kg/hm2，追有機(jī)肥(N+P2O5+K2O≥35%)30 kg/hm2。

油葵采用寬窄行形式布置，寬行行距60 cm，窄行行距40 cm，株距20 cm，在窄行中間鋪設(shè)1條滴頭間距30cm的滴灌帶，葵品種為康地562。2014年于5月24日、5月25日播種，底肥施用二銨(N-P2O5-K2O:18-46-0)300 kg/hm2，復(fù)合肥(N-P2O5-K2O:15-15-15)240 kg/hm2，追肥(尿素N-P2O5-K2O:46-0-0)為525 kg/hm2。

1.4 優(yōu)化方法選擇

這里優(yōu)化方法選擇包含兩個方面的內(nèi)容：一是確定計(jì)算土壤生產(chǎn)力指數(shù)PI模型，二是優(yōu)化評價(jià)指標(biāo)。

1.4.1 土壤生產(chǎn)力指數(shù)PI模型的確定

針對沙漠綠洲土壤質(zhì)地不均問題，對種植不同作物土壤生產(chǎn)力指數(shù)PI進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算采用Neill提出的基于兩個假設(shè)的PI模型[5]：一是在一定氣候條件與管理措施下，作物產(chǎn)量與根系生長成正相關(guān)；二是根系生長依賴于土壤質(zhì)量。該模型可用來評價(jià)土壤性質(zhì)對作物產(chǎn)量的影響，模型表達(dá)如下式所示。

(1)

式中：Ak為第k層土壤田間持水率適宜性指數(shù)；Ck為第k層土壤密度的適宜性指數(shù)；SFk為第k層土壤質(zhì)地權(quán)重；WFk為根據(jù)土層厚度計(jì)算的根系權(quán)重；k為種植區(qū)土壤分層數(shù)，k=1,2,…,l，這里將土壤分為3層，每層深度為20 cm，也即l=3。

1.4.2 優(yōu)化的衡量指標(biāo)

由于阿拉善綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)屬于農(nóng)牧交錯區(qū)，該地區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)要兼顧糧食、油料和飼草3個方面的問題，同時，還要考慮輪作倒茬問題。

這里選取的優(yōu)化衡量指標(biāo)為最大糧食總產(chǎn)量和總凈效益，最大糧食總產(chǎn)量計(jì)算表達(dá)式如下式所示。

(2)

式中：maxY(Aij,yij)為最大糧食總產(chǎn)量，kg；Aij為第i種作物在j區(qū)種植的面積，hm2；yij為第i種作物在j區(qū)的產(chǎn)量，kg/hm2；i為該地區(qū)所種植的作物種類數(shù)，i=1,2,…,n；j為依據(jù)土壤質(zhì)地劃分的種植區(qū)域號，j=1,2,…,m。

這里種植面積在考慮價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)基礎(chǔ)上再考慮輪作倒茬，每一種作物種植面積不超過種植區(qū)總面積的1/n，也即每種作物種植總面積最大為S/n，本研究選取3種作物谷子、玉米和油葵為研究對象，分別代表了糧食作物、飼草作物和油料作物，這里n=3，那么可以用單位面積的結(jié)果來代替該種植區(qū)域優(yōu)化。

總凈效益計(jì)算方法如下式所示。

(3)

式中：maxNB(Aij,yij,Pi,Ei)為總凈效益，元；Aij為第i種作物在j區(qū)種植的面積，hm2；yij為第i種作物在j區(qū)的產(chǎn)量，kg/hm2；Pi為第i種作物價(jià)格，元/kg；Ei為一定條件下第i種作物單位面積當(dāng)年全部支出，元/hm2，i=1,2,…,n；j為依據(jù)土壤質(zhì)地劃分的種植區(qū)域號，j=1,2,…,m。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量及水分利用效率WUE

作物成熟收獲時觀測其產(chǎn)量，利用水量平衡公式計(jì)算田間蒸發(fā)和作物蒸騰量ET，進(jìn)而計(jì)算水分利用效率WUE,計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 產(chǎn)量及水分利用效率

從表3可以看出，2013年，當(dāng)灌溉定額為4 797 m3/hm2時，Ⅰ類土壤種植玉米產(chǎn)量比Ⅱ類土壤高28.3%，灌溉定額為5 712 m3/hm2時，Ⅰ類土壤產(chǎn)量比Ⅱ類土壤高10.4%。Ⅱ類土壤灌溉定額5 712 m3/hm2的產(chǎn)量比4 797 m3/hm2高34.9%，Ⅰ類土壤灌溉定額5 712 m3/hm2的產(chǎn)量比4 797 m3/hm2高16%。可以看出，在該試驗(yàn)區(qū)Ⅱ類土壤種植玉米時灌溉定額達(dá)到5 712 m3/hm2時能夠達(dá)到理想的效果，在Ⅰ類土壤種植玉米時灌溉定額達(dá)到5 712 m3/hm2時可獲得高產(chǎn)。

2014年，相同灌溉定額條件下，谷子高水Ⅰ類土壤比Ⅱ類土壤產(chǎn)量高23.4%，低水Ⅰ類土壤比Ⅱ類土壤產(chǎn)量高19.7%，油葵高水Ⅰ類土壤比Ⅱ類土壤產(chǎn)量高13.9%，低水Ⅰ類土壤比Ⅱ類土壤產(chǎn)量高32.2%。

同一灌溉定額水平條件下，Ⅰ類土壤比Ⅱ類土壤玉米水分利用效率高28.5%(2013年低水)、10.3%(2013年高水)、19.3%(2014年高水)，Ⅰ類土壤比Ⅱ類土壤谷子水分生產(chǎn)效率高19.8%(2014年低水)、24.2%(2014年高水)，Ⅰ類土壤比Ⅱ類土壤谷子水分利用效率高31.5%(2014年低水)、13.3%(2014年高水)。同一土壤類型條件下，高灌溉定額水平水分利用效率比低灌溉定額水平低。

2.2 種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.2.1 參數(shù)的確定

(1)根系權(quán)重WF。根系權(quán)重系數(shù)WF直接采用Pierce根據(jù)Power等研究結(jié)果提出的計(jì)算公式[6]，Horn[7]在土壤水分利用模型中給出了理想情況下根系隨土壤深度的變化如下式所示。

(4)

式中：R為計(jì)劃濕潤層，cm；depth為土層深度，cm。

Neill提出200 cm厚的土層對于玉米生長適宜[5]，Power等人的田間試驗(yàn)研究表明，100 cm厚的土層已經(jīng)足夠[8]，于是Pierce將100 cm作為玉米生長的適宜厚度，可計(jì)算得到玉米根系權(quán)重計(jì)算式，進(jìn)而計(jì)算可得到不同作物的根系權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 根系權(quán)重

(2)土壤質(zhì)地權(quán)重SF。在分層計(jì)算土壤密度適宜性指數(shù)時，考慮到耕種對密度的改良作用，將表土層(0～20 cm)土壤密度適宜性指數(shù)C均賦值為1，表示表土層密度對作物生長沒有限制，不同土壤密度適宜性指數(shù)可表示為式(5)的形式[9，10]。

(5)

式中：γj為第j層土壤的密度，考慮到耕種對密度的影響，因此將表土層(0～20 cm)土壤密度適宜性指數(shù)C均賦值為1，表示表土層密度對作物生長沒有限制。

Gantzer C J認(rèn)為上層土壤對作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)大于下層土壤[9]。冷疏影根據(jù)土壤質(zhì)地對土壤生產(chǎn)力進(jìn)行打分[11]，其中，壤土組7～10分；沙土組和黏土組0～5分。在分類上越靠近壤土的得分越高，據(jù)此來確定不同土層土壤質(zhì)地權(quán)重如表5所示。

表5 土壤質(zhì)地權(quán)重

(3) 土壤密度的適宜性指數(shù)C。Grossman等[10]研究發(fā)現(xiàn)土壤密度與作物產(chǎn)量二者呈負(fù)相關(guān)，也即在質(zhì)地相同的情況下，密度越小對作物的生長越有利。在密度一個較小范圍內(nèi)不會影響作物生長，但增加到一定數(shù)值后會抑制作物生長，將該影響點(diǎn)密度稱為適宜性密度，隨著密度增加，抑制作用增強(qiáng)，直至作物無法生長，此時的密度稱為限制性密度[12，13]。Pierce基于Grossman得出的限制性密度，給出了臨界密度的計(jì)算公式如下。

ec=1.2er-0.53

(6)

式中：ec為臨界密度，g/cm3；er為限制性密度，g/cm3。

通過試驗(yàn)和總結(jié)，Grossman等給出了不同質(zhì)地土壤的適宜性密度和限制性密度[10]，那么，可以計(jì)算得不同質(zhì)地土壤適宜性指數(shù)如表6所示。

表6 土壤密度適宜性指數(shù)

(4)第k層土壤田間持水率適宜性指數(shù)Ak。Grossman等人[10]認(rèn)為當(dāng)土壤有效水含量低于3%(體積百分?jǐn)?shù))時，作物無法生長，超過20%后不會對作物生長構(gòu)成限制。Pierce給出土壤有效水分含量適宜性指數(shù)計(jì)算公式如下。

(7)

則可以計(jì)算得到不同種植區(qū)域不同土層土壤田間持水率適宜性指數(shù)如表7所示。

表7 田間持水率適宜性指數(shù)

(5)土壤生產(chǎn)力指數(shù)PI計(jì)算。根據(jù)式(1)計(jì)算PI可得到如表8所示結(jié)果。

表8 生產(chǎn)力指數(shù)PI

從計(jì)算得到的生產(chǎn)力指數(shù)PI來看，Ⅰ類土壤種植3種作物的差別不是很明顯，而Ⅱ類土壤種植3種作物的生產(chǎn)力指數(shù)差異很大，種植玉米的生產(chǎn)力指數(shù)PI為0.729 3，種植谷子的生產(chǎn)力指數(shù)為0.767 9，種植油葵生產(chǎn)力指數(shù)為0.809 1，可見在Ⅰ類土壤種植玉米、谷子、油葵都可以獲得高產(chǎn)，而在Ⅱ類土壤種植油葵和谷子比較理想，種植玉米受到減產(chǎn)影響較大。

2.2.2 種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(1)以糧食總產(chǎn)量最大為目標(biāo)的優(yōu)化。在以糧食總產(chǎn)量為目標(biāo)情況下，以每種處理的單位面積產(chǎn)量為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算總產(chǎn)量，這里考慮2種灌溉定額水平進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的思路就是根據(jù)土壤生產(chǎn)力指數(shù)PI調(diào)整種植區(qū)域，同時考慮面積約束問題，優(yōu)化結(jié)果如表9和表10所示。

表9 以糧食總產(chǎn)量最大為目標(biāo)低灌溉定額水平優(yōu)化

注：作物種類編號里1代表玉米，2代表谷子，3代表油葵；土壤質(zhì)地編號里Ⅰ代表均質(zhì)沙壤土，Ⅱ代表非均質(zhì)土。

從表9可以看出未優(yōu)化(2013、2014年實(shí)際觀測數(shù)據(jù))時，按照單位面積來計(jì)算，總產(chǎn)量為4.263 萬kg，而優(yōu)化后，產(chǎn)量可達(dá)到4.384 2 萬kg，增產(chǎn)糧食202 kg/hm2，增產(chǎn)率為2.8%。

從表10可以看出未優(yōu)化(2013、2014年實(shí)際觀測數(shù)據(jù))時，按照單位面積來計(jì)算，總產(chǎn)量為5.104 5 萬kg，而優(yōu)化后，產(chǎn)量可達(dá)到5.152 2 萬kg，增產(chǎn)糧食79.5 kg/hm2，增產(chǎn)率為0.93%。

(2)以產(chǎn)值最大為目標(biāo)的優(yōu)化。考慮到作物產(chǎn)值和農(nóng)牧民收入問題，研究將總產(chǎn)值作為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，在兼顧總產(chǎn)值和面積約束條件下進(jìn)行優(yōu)化，不同灌溉定額水平凈收益優(yōu)化后結(jié)果見表11和表12。

從表11可以看出未優(yōu)化(2013、2014年實(shí)際觀測數(shù)據(jù))時，按照單位面積來計(jì)算，總凈效益4.804 53 萬元，而優(yōu)化后，總凈效益可達(dá)到4.816 08 萬元，凈效益增加7.7 元/hm2。

從表12可以看出未優(yōu)化(2013、2014年實(shí)際觀測數(shù)據(jù))時，按照單位面積來計(jì)算，總凈效益7.185 99 萬元，而優(yōu)化后，總凈效益可達(dá)到7.533 75 萬元，凈效益增加249.84 元/hm2。

表10 以糧食總產(chǎn)量最大為目標(biāo)高灌溉定額水平優(yōu)化

注：作物種類編號里1代表玉米，2代表谷子，3代表油葵；土壤質(zhì)地編號里Ⅰ代表均質(zhì)沙壤土，Ⅱ代表非均質(zhì)土。

表11 以產(chǎn)值最大為目標(biāo)低灌溉定額水平優(yōu)化

注：作物種類編號里1代表玉米，2代表谷子，3代表油葵；土壤質(zhì)地編號里Ⅰ代表均質(zhì)沙壤土，Ⅱ代表非均質(zhì)土。

表12 以產(chǎn)值最大為目標(biāo)高灌溉定額水平優(yōu)化

注：作物種類編號里1代表玉米，2代表谷子，3代表油葵；土壤質(zhì)地編號里Ⅰ代表均質(zhì)沙壤土，Ⅱ代表非均質(zhì)土。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，灌溉定額為：玉米5 712 m3/hm2、谷子4 020 m3/hm2、油葵4 470 m3/hm2時可以獲得最優(yōu)的產(chǎn)量和明顯的經(jīng)濟(jì)效益，依據(jù)PI模型優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)后凈效益明顯增加。

3 結(jié) 語

(1)通過2013和2014年在該地區(qū)進(jìn)行的玉米、谷子和油葵的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)同一灌溉定額水平條件下在不同區(qū)域同一作物獲得的產(chǎn)量有所不同。

(2)通過分析發(fā)現(xiàn)，同一灌水技術(shù)和灌溉制度時影響作物產(chǎn)量的因素在于土壤質(zhì)地，本試驗(yàn)所選取的兩個區(qū)域土壤質(zhì)地有所差異，在均質(zhì)沙壤土區(qū)同一灌水技術(shù)和灌溉制度時產(chǎn)量高于非均質(zhì)土。

(3)通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)不同作物在不同區(qū)域具有不同的土壤生產(chǎn)力指數(shù)，均質(zhì)沙壤土區(qū)玉米、谷子、油葵的生產(chǎn)力指數(shù)依次為0.833、0.828 1、0.825 1；非均質(zhì)土區(qū)玉米、谷子、油葵的生產(chǎn)力指數(shù)依次為0.729 3、0.767 9、0.809 1，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符。

(4)通過種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化，低灌溉定額水平條件下糧食總產(chǎn)量提高2.8%，總凈效益提高7.7 元/hm2，高灌溉定額水平條件下糧食總產(chǎn)量提高0.93%，總凈效益提高249.84 元/hm2。

(5)本優(yōu)化是在考慮作物種植面積受到輪 作倒茬和價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)條件下所得到的。

[1] 張 偉，李 方，楊 麗.阿拉善左旗綠洲的重要作用及保護(hù)建議[J].內(nèi)蒙古水利，2013，(6)：76-77.

[2] 謝家麗，顏長珍，李 森，等.近35 a內(nèi)蒙古阿拉善盟綠洲化過程遙感分析[J].中國沙漠，2012，32(4)：1 142-1 147.

[3] 董 智，李紅麗.烏蘭布和沙漠人工綠洲沙害綜合控制技術(shù)體系[J].中國沙漠，2011，31(2)：339-345.

[4] 杜方紅，黃文浩．阿拉善地區(qū)生態(tài)環(huán)境問題及探討[J]．內(nèi)蒙古環(huán)境保護(hù)，2005,17(3):5-9．

[5] Neill L L.An evalution of soil productivity based on root growth and water depletion[D].M.S.Thesis.Univ.Mo., Columbia.,1979.

[6] Pierce F J, Larson W E, Dowdy R H, et al. Productivity of soil assessing of long-term changes due to erosion [J]. J. of Soil and Water Cons,1983,38:39-44.

[7] Horn F W. The predication of amounts of depth distribution of water in a well drained soil[D].M.S.Thesis.University of Missouri.,1971.

[8] Power J F，Sandoval F M，Ries R E. Effect of top soil and subsoil thickness on soil water content and crop production[J].Soil Sci.Soc.AM.J.,1981，45:124-129.

[9] Gantzer C J, McCarty T R. Corn yield prediction for a claypan soil using a productivity index[C]∥ In. Erosion and soil productivity. Proc. Natl. Sym. Erosion and productivity. New Orieans, LA. ASAE. St. Joseph. MO.,1985:170-181.

[10] Grossman R B, Berdanier C R.Erosion tolerance for cropland: application of soil survey base[J]. Soil Sci. Soc. Am., Madison, Wisc.,1982,(45):113-130.

[11] 冷疏影.地理信息系統(tǒng)支持下的中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力研究[J].自然資源學(xué)報(bào)，1992,7(1):71-79.

[12] 孫振寧，謝 云，段興武. 生產(chǎn)力指數(shù)模型PI在北方土壤生產(chǎn)力評價(jià)中的應(yīng)用[J].自然資源學(xué)報(bào)，2009,24(4)：708-719.

[13] 段興武，謝 云，張玉平，等.PI模型在東北松嫩黑土區(qū)土壤生產(chǎn)力評價(jià)中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2010,26(8):179-188.