阿克蘇河灌區(qū)套種作物需水量及節(jié)水灌溉制度試驗(yàn)研究

郭乙霏，張亞智

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.洋縣引酉工程灌溉管理局，陜西 洋縣 723300）

作物套種模式、土壤水分調(diào)控及節(jié)水灌溉模式等對作物需水量存在較大程度影響，隨著節(jié)水灌溉理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，諸因素對作物需水量的影響機(jī)理和影響程度越來越成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。阿克蘇河灌區(qū)屬于中緯度干旱區(qū)域較為典型的綠洲灌溉系統(tǒng)，灌區(qū)干旱少雨，蒸發(fā)較強(qiáng)，日照長且晝夜溫差大，年平均降水量為65 mm，年潛在蒸發(fā)量1980 mm。灌區(qū)灌溉面積5845 km2，灌溉水量在阿克蘇河總來水量中占比61%。考慮到資源綜合利用程度提升的需要，灌區(qū)單一種植結(jié)構(gòu)比例持續(xù)下降，套種大大增加，套種能有效發(fā)揮不同作物邊行優(yōu)勢，錯(cuò)開用水高峰，提升光能利用率，擴(kuò)大灌溉面積?？梢?，在降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈的阿克蘇河灌區(qū)研究主要作物套種模式下需水量與適宜的節(jié)水灌溉制度實(shí)際意義重大。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)對象以灌區(qū)成熟常規(guī)的作物品種為主，主要是玉米巴單3 號、小麥永良5 號、向日葵油葵560 號，共設(shè)小麥套種玉米、小麥套種油葵等立體套種方式10 個(gè)處理，每個(gè)處理反復(fù)三次，試驗(yàn)區(qū)域面積7.0×10=70 m2，為避免互相影響，將不同的試驗(yàn)區(qū)塊采用高25 cm 的田埂分開。

小麥套種玉米的立體套種方式下，小麥帶寬度和玉米帶寬度分別設(shè)計(jì)為2.0 m 和1.5 m，各試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)設(shè)置兩條小麥帶和兩條玉米帶，玉米的種植方式包括覆膜和不覆膜兩種。在小麥與玉米全生育周期內(nèi)灌水6 次，設(shè)置6 種灌水水平，作為1個(gè)對照處理。主要考察小麥拔節(jié)期、灌漿期、玉米拔節(jié)期、灌漿期、開花期三期的差異。6 種灌水水平分別是53 mm、68 mm、重旱生育期98 mm，中旱生育期83 mm，對照灌水96 mm，不同處理的灌水量情況見表1。

表1 小麥套種玉米灌水量設(shè)計(jì) 單位：mm

小麥套種油葵的立體套種方式下，小麥和油葵設(shè)計(jì)帶寬分別為2.0 m、1.7 m，各試驗(yàn)區(qū)內(nèi)分別設(shè)置兩條小麥帶和兩條油葵帶。作物全生育期內(nèi)設(shè)計(jì)灌水6 次，待小麥二水后再開始油葵的播種。主要考察小麥分葉、拔節(jié)、抽雄和灌漿等關(guān)鍵期內(nèi)的不同，設(shè)計(jì)6 個(gè)灌溉水平，分別是53 mm、68 mm、重旱生育期98 mm，中旱生育期83 mm，對照灌水96 mm，不同處理的灌水量情況見表2。

表2 小麥套種玉米灌水量設(shè)計(jì) 單位：mm

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 灌區(qū)主要作物系數(shù)

2.1.1 單作物系數(shù)

基于FAO 的分段單值平均法[1]進(jìn)行春小麥不同生育期作物系數(shù)的計(jì)算，其生長初期、中期、成熟期作物系數(shù)分別為kcini=0.35、kcmid=1.15、kcend=0.45。玉米在生長初期、中期、成熟期等不同生育期所得作物系數(shù)分別為kcini=0.35、kcmid=1.20、kcend=0.30。油葵在生長初期、中期、成熟期作物系數(shù)分比為kcini=0.35、kcmid=1.10、kcend=0.45。以HOBO 氣象站所提供的氣象資料和土壤條件等進(jìn)行各生育期內(nèi)作物系數(shù)的調(diào)整，尤其是作物生長初期土壤蒸發(fā)在總蒸發(fā)量中占比比較大，所以作物系數(shù)的調(diào)整應(yīng)首先考慮土壤蒸發(fā)的影響，此外就是土壤結(jié)構(gòu)、降水間隔[2]等因素，綜合考慮上述因素所得的作物系數(shù)見表3。

表3 調(diào)整后小麥、玉米和油葵的作物系數(shù)

2.1.2 雙作物系數(shù)

雙作物需水量的計(jì)算主要采用FAO-56 所推薦的方法，如下：

式中：Kci為第i 天的作物系數(shù)；Kcbi為第i 天的基礎(chǔ)作物系數(shù)；Kei為第i 天的蒸發(fā)系數(shù)；ETci為第i 天的作物蒸散量（mm/d）；Eci為第i 天的冠層蒸騰量（mm/d）；Esi為第i 天的土壤蒸發(fā)量（mm/d）；Ksi為第i 天水分脅迫系數(shù)，0≤Ksi≤1。通過上式便可求得小麥、玉米、油葵三種作物的基礎(chǔ)系數(shù)，見表4。

表4 調(diào)整后的基礎(chǔ)作物系數(shù)

2.2 灌區(qū)主要作物生育期內(nèi)需水量

2.2.1 基于水量平衡法的作物需水量

在小麥和玉米及小麥和油葵立體套種情況下運(yùn)用水量平衡法分別計(jì)算各類作物需水量存在很大難度，然而可以通過數(shù)值模擬各類作物全生育期內(nèi)的需水量。在套種情況下作物綜合需水強(qiáng)度比單一作物大，而且在不同作物之間的分配更加均衡，作物需水量更強(qiáng)，小麥日需水量最高達(dá)11.23 mm/d，玉米達(dá)到11.96 mm/d，油葵達(dá)到6.57 mm/d。寒冷干旱區(qū)獨(dú)特的氣候條件也對特征值存在很大程度的影響。此外，套種情況下兩種作物在共生期內(nèi)需水需求較高的情況得以緩解，水分競爭局勢有所緩和，加強(qiáng)了對土壤水分的合理利用，所以套種模式有利于水資源的節(jié)約利用。例如，小麥和玉米在4 月底至7 月中旬的共生期內(nèi)，小麥需水強(qiáng)度在6月上旬結(jié)束后玉米才開始進(jìn)入最大需水期，小麥和油葵在5月底至7 月上旬的共生期內(nèi)，小麥高需水期于6 月上旬結(jié)束，直到7 月下旬油葵才進(jìn)入高需水期。也就是說小麥和玉米的最大需水期一前一后，制約限度不大，而油葵此時(shí)并未播種或處于初期階段需水量很小。所以可以考慮實(shí)行玉米與油葵套種，甚至可以進(jìn)行小麥、玉米與油葵三種作物的套種。

2.2.2 基于FAO- 56 雙作物系數(shù)法的需水量

采用FAO-56 雙作物系數(shù)法計(jì)算小麥、玉米、油葵三種作物日需水量可知，小麥最大需水量出現(xiàn)在日序數(shù)150 d 左右，也就是拔節(jié)- 抽雄- 灌漿時(shí)期；玉米最大需水量出現(xiàn)在日序數(shù)165 d～195 d 左右，也就是拔節(jié)- 抽雄期；油葵日需水量最值則出現(xiàn)在日序數(shù)210 d～225 d 左右，恰好是現(xiàn)蕾- 盛花期。

2.2.3 套種模式下的作物綜合需水量

由小麥、玉米和油葵套種模式下作物需水量分析結(jié)果可知，小麥、玉米、油葵在生育期內(nèi)日需水量平均值分別為3.05 mm、3.67 mm 和4.10 mm。而且，全生育期內(nèi)小麥、油葵套種模式下的日需水量顯然高于覆膜玉米，需水量并非隨灌水量的增加而同步增大，兩者之間并不呈線性關(guān)系（圖1）。隨著灌水量的減小，作物耗水量反而增加。只有覆膜玉米其灌水量與需水量反向變化，對于覆膜玉米套種而言，灌溉方式對耗水量影響較大，覆膜的保水性存在很大限度，而且隨著灌溉量的增大，覆膜難以支撐大體積水，短時(shí)間內(nèi)很難全部下滲，從而導(dǎo)致灌溉水的浪費(fèi)（圖2）。

圖1 不同套種方式下玉米、油葵全生育期需水量

圖2 不同套種方式下小麥全生育期需水量

圖3 不同套種方式下作物綜合需水量

由圖3 可知，玉米套種及油葵套種方式下，小麥的需水量存在一定差異，小麥套種覆膜玉米的情況下需水量較低，而在不同灌溉水量下小麥套種葵花和套種不覆膜玉米的需水量大致接近。尤其是灌水量在45 m3/畝的灌溉水平下，兩種套種方式下小麥需水量幾乎是一致的。同一試驗(yàn)條件下，不同種植和灌溉模式下小麥和玉米的需水量均隨灌溉水量的減少而增大，綜合上述情況可以看出，40 m3/畝和50 m3/畝的兩種灌溉水平交替模式下作物的套種能有效節(jié)約需水量。

2.3 灌溉制度

新疆阿克蘇河灌區(qū)土壤呈現(xiàn)出明顯的鹽漬化特征，當(dāng)秋澆灌水定額為180 mm 時(shí)，次年春季將會有效起到土壤儲水保墑的作用，秋澆定額中的50%將儲存在1 m 以內(nèi)的土層，地表蒸發(fā)量不足30%。阿克蘇河灌區(qū)現(xiàn)狀年灌溉面積885.3 萬畝，灌溉用水量46.1 億m3，占阿克蘇河流域總來水量的54%。在阿克蘇河灌區(qū)上游阿合奇試驗(yàn)站節(jié)水灌溉制度的試驗(yàn)中，小麥、玉米、油葵產(chǎn)量分別提升了15.21%、12.80%、32.47%，灌溉節(jié)水量分別為890 m3/hm2、1250 m3/hm2及550 m3/hm2，灌溉水利用率的提升幅度分別為27.13%、20.52%和16.49%。

3 結(jié)論及討論

本文研究表明，作物本身具有一定的生理節(jié)水和抗旱能力，作物在不同生育階段需水量程度不同，對水分的敏感程度也不同。就灌溉制度而言，可以實(shí)行適度的水分虧缺調(diào)控，能有效促進(jìn)作物群體產(chǎn)量的提升。通過比較阿克蘇河灌區(qū)主要小麥、玉米、油葵等主要套種作物產(chǎn)量可知，小麥套種覆膜玉米產(chǎn)量較高，無論單種與套種，覆膜玉米產(chǎn)量均比不覆膜要高。與不覆膜玉米套種的小麥在產(chǎn)量上略占優(yōu)勢，而且與不覆膜玉米產(chǎn)量存在此消彼長的關(guān)系，套種方式下油葵的生物產(chǎn)量也有大幅度提升，考慮到其用于生物飼料、肥料時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益顯著，但是套種模式下油葵經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量不佳，減產(chǎn)較為嚴(yán)重，所以并不推薦。在小麥與覆膜玉米、不覆膜玉米和油葵套種模式下，小麥的水分生產(chǎn)率和產(chǎn)量均有提高，比農(nóng)戶套種的整體水分生產(chǎn)率提升較大。