基于ISAREG模型的玉米溝灌灌溉制度優(yōu)化研究

張 寅，孫明海

（河套學(xué)院，內(nèi)蒙古 臨河 015000）

1 試驗(yàn)區(qū)概況與設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市臨河區(qū)，該地區(qū)屬于典型的溫帶干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷而漫長，夏季炎熱而短促，多年平均氣溫7.1℃，年平均降雨量為141 mm，年平均蒸發(fā)量為2 430 mm，年平均日照時(shí)數(shù)為3 223.7 h，無霜期為140 d 左右。試驗(yàn)區(qū)根層土壤類型以壤土為主，土壤容重為1.48 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018 年在臨河區(qū)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站進(jìn)行，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)長6 m，寬4 m，相鄰小區(qū)間埋設(shè)地下2 m 深的擋水板，避免地下水分橫向滲透。試驗(yàn)材料選用灌區(qū)農(nóng)戶常用品種西蒙6 號。灌溉方式為常規(guī)壟作覆膜溝灌，斷面形式為梯形。試驗(yàn)共設(shè)2 個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3 次，全生育期灌水4 次，灌溉定額分別為280 mm 及260 mm。

2 ISAREG模型和參數(shù)驗(yàn)證

2.1 ISAREG 模型

本文采用葡萄牙里斯本技術(shù)大學(xué)農(nóng)學(xué)院開發(fā)的ISAREG 模型對玉米覆膜溝灌灌溉制度進(jìn)行研究。ISAREG 模型是以水量平衡原理為基礎(chǔ)建立的，采用的水量平衡方程如下：

2.2 模型參數(shù)驗(yàn)證

本文采用2018 年的試驗(yàn)資料建模并率定ISAREG 模型中的參數(shù)。其中氣象數(shù)據(jù)由當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站提供，參考作物騰發(fā)量ET0由修正的Penman-Monteith 公式計(jì)算。根據(jù)實(shí)測資料及FAO-56 的推薦值，修正后玉米生育初期的作物系數(shù)為0.4，中期的作物系數(shù)為1.02，后期的作物系數(shù)為0.57，玉米的產(chǎn)量反應(yīng)系數(shù)為1.13。

以上參數(shù)輸入ISAREG 模型進(jìn)行灌溉模擬，得到相應(yīng)土壤含水率的模擬值。將田間實(shí)測土壤含水率與ISAREG 模型模擬的土壤含水率進(jìn)行對比，則對比關(guān)系如圖1 所示。

從圖中可以看出，溝灌條件下，田間實(shí)測土壤含水率的數(shù)值與模擬值十分接近，兩者的相對誤差在6% 以內(nèi)，模擬精度較高。因此，ISAREG 模型中選取的參數(shù)合適，可用于評價(jià)玉米溝灌的實(shí)際灌溉制度，并進(jìn)行灌溉制度的優(yōu)化。

3 灌溉制度評價(jià)

利用ISAREG 模型對實(shí)際玉米溝灌灌溉制度進(jìn)行評價(jià)，模型具體輸出結(jié)果見表1。

表1 玉米溝灌實(shí)際灌溉制度評價(jià)指標(biāo)

從表1 中分析得出，溝灌條件下，玉米的產(chǎn)量隨灌水量的降低而增加。處理G1 的灌水量為280 mm，其深層滲漏量為7.4 mm， 灌水效率為96.8%，產(chǎn)量下降率為11.2%。與處理G1 相比，處理G2 的灌水量減少了20 mm，深層滲漏量減少了7.4 mm，灌水效率增加了3.2%，達(dá)到100%，產(chǎn)量下降率增加了4.5%。分析原因主要是因?yàn)橛衩咨P(guān)鍵期灌水延遲導(dǎo)致處理G2 的產(chǎn)量下降至15.7%。

4 灌溉制度方案設(shè)計(jì)與優(yōu)選

4.1 灌溉制度方案設(shè)計(jì)

為了利用ISAREG 模型制定適合河套灌區(qū)的玉米溝灌優(yōu)化灌溉制度，以當(dāng)?shù)貙?shí)際狀況、作物的生長需要以及ISAREG 模型驗(yàn)證過的基本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)玉米溝灌灌溉制度方案，通過模型多次模擬，保證產(chǎn)量下降率在10% 以內(nèi)，找出以下5 種相對合理的灌溉制度設(shè)計(jì)方案，具體方案設(shè)計(jì)如下：

方案1：以最大產(chǎn)量為目標(biāo)。當(dāng)根系層土壤平均含水率下降至適宜含水率下限時(shí)開始實(shí)施灌溉，灌水量為補(bǔ)充根系層土壤含水率至田間持水率所需要的水量。

方案2：給定灌水日期。根據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄挈S河來水時(shí)間確定灌水日期。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民玉米灌溉從播種之后一般灌4 水，模型中灌水日期制定為6 月8 日、7 月1 日、7 月23 日、8 月15 日。灌水量為補(bǔ)充根系層土壤含水率至田間持水率的90% 所需要的水量。

方案3：給定灌水日期。灌水次數(shù)及灌水日期與方案2 相同。灌水量為補(bǔ)充根系層土壤含水率至田間持水率的80% 所需要的水量。方案4：給定灌水定額。方案中的灌水定額采用68 mm，每次灌水時(shí)間由模型優(yōu)化算出。方案5：給定灌水定額。方案中的灌水定額采用60 mm，每次灌水時(shí)間由模型優(yōu)化算出。

4.2 灌溉制度方案優(yōu)選

通過對玉米溝灌灌溉制度的設(shè)計(jì)，利用ISAREG 模型進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見表2。

表2 玉米溝灌灌溉制度方案模擬結(jié)果

從表2 可以看出：

方案1：以最大產(chǎn)量為目標(biāo)，玉米覆膜溝灌灌水量為321.3 mm，全生育期內(nèi)灌水4 次，產(chǎn)量無減產(chǎn)。

方案2 ～方案3：按照黃河來水時(shí)間給定灌水日期，與方案2 相比，方案3 的產(chǎn)量下降率增加了2.2%，在合理利用水資源的情況下，灌溉定額減少了32.13 mm，故方案3 較為合理。

方案4 ～方案5：給定灌水定額，灌水時(shí)間由模型優(yōu)化給出。與方案4 相比，方案5 產(chǎn)量下降率增加了1.3%，但灌水定額減少了32 mm，故方案5 較優(yōu)。

5 結(jié)論

本文在田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)及ISAREG 模型中各項(xiàng)參數(shù)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對玉米溝灌實(shí)際的灌溉制度進(jìn)行了評價(jià)，利用ISAREG 模型模擬了5 種玉米溝灌灌溉制度，結(jié)果表明：當(dāng)灌水時(shí)間受到黃河來水時(shí)間的限制時(shí)，建議玉米溝灌灌溉定額為257.04 mm，全生育期灌水4 次；當(dāng)灌水時(shí)間不受限制時(shí)，建議玉米溝灌灌溉定額為240 mm，全生育期灌水4 次，每次灌水量均相同，此方案適合灌溉水源為井水。