引黃灌區(qū)夏玉米－冬小麥連作實時灌溉制度研究

馬建琴 張雅琪 郝秀平

摘 要：為研究夏玉米－冬小麥連作模式下的節(jié)水灌溉制度，針對現(xiàn)有實時灌溉預(yù)報忽略了實際生產(chǎn)中復(fù)種連作的問題，統(tǒng)籌考慮復(fù)種連作時上下季作物生育期間隔時段內(nèi)土壤水分的收支變化，建立了作物連作的實時灌溉預(yù)報模型，以三劉寨引黃灌區(qū)２０１４—２０１７ 年夏玉米－冬小麥連作為例進行模型的應(yīng)用。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)灌溉制度相比，采用該模型所確定的實時灌溉制度其灌溉定額年均減少２０．４％，灌區(qū)的灌溉用水量年均節(jié)?。?４７０ 萬ｍ３，各年度夏玉米－冬小麥總產(chǎn)量分別增加２．４％、２．２％、０．８％，各年度水分利用效率分別提升１３．６％、１２．３％、１８．３％。

關(guān)鍵詞：夏玉米－冬小麥連作；引黃灌區(qū)；灌溉制度；實時灌溉；水分利用效率

中圖分類號：Ｓ２７４．１；ＴＶ８８２．１ 文獻標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０２２

引用格式：馬建琴，張雅琪，郝秀平．引黃灌區(qū)夏玉米－冬小麥連作實時灌溉制度研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（７）：１２０－１２４，１５６．

黃河下游引黃灌區(qū)是我國重要的糧食產(chǎn)出地，農(nóng)業(yè)灌溉用水量占全灌區(qū)引黃水量的６０％以上［１］ 。然而目前大部分灌區(qū)仍沿用傳統(tǒng)灌溉模式，水資源利用效率低下［２］ ，工農(nóng)業(yè)及生活用水的矛盾愈演愈烈［３］ ，因此研究引黃灌區(qū)合理的節(jié)水灌溉制度、提高用水效率、保證糧食安全顯得尤為重要。

國內(nèi)外許多學(xué)者致力于農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉制度的研究。ＬＩ 等［４］ 提出一種數(shù)據(jù)同化優(yōu)化方法（ＣＬＭ?ＤＡ）來優(yōu)化柑橘田的灌水量，節(jié)水效果較好。一部分學(xué)者運用作物模型模擬作物生長［５－９］ ，克服了傳統(tǒng)田間試驗時間和空間的限制，進行不同降水年型作物種植管理、灌溉制度優(yōu)化等模擬研究，均取得良好的效果。馬建琴等［１０－１１］ 打破水文年型的局限，在實時灌溉方面進行了深入的研究，構(gòu)建了以短期實時天氣信息為基礎(chǔ)的實時灌溉預(yù)報模型，并用Ｊａｖａ 語言編制了網(wǎng)絡(luò)計算機軟件，實現(xiàn)對作物灌溉的遠程及實時調(diào)控。黃慧雯等［１２］ 以洪金灌區(qū)水稻分蘗期內(nèi)短期預(yù)報為例，開展灌區(qū)水稻灌溉制度的實時優(yōu)化研究，對南方水稻區(qū)各輪灌組間精確配水具有普遍指導(dǎo)意義。

以往研究多集中于不同水文年型下灌溉制度的優(yōu)化，此類研究結(jié)果難以應(yīng)對實際多變的天氣狀況。而目前有關(guān)實時灌溉制度的研究主要以單一作物為研究對象，對不同作物連作模式下的實時灌溉研究甚少，考慮到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的連續(xù)性與周期性，僅對單一作物的灌溉制度優(yōu)化難以實現(xiàn)農(nóng)田水分的綜合管理。為此，本文對實時灌溉預(yù)報模型進行延伸，加入對上下季作物種植間隔時段內(nèi)水分收支的考慮，建立夏玉米－冬小麥連作的實時灌溉預(yù)報模型，并應(yīng)用于河南省三劉寨引黃灌區(qū)，以期得到基于實時灌溉預(yù)報的作物連作模式下的節(jié)水灌溉制度。

１．２．４ 實時灌溉預(yù)報具體步驟

１）作物生育期開始時，根據(jù)實測資料或上一時段末土壤含水率確定該時段初的土壤含水率。

２）利用實時氣象資料計算當(dāng)日作物需水量，采用水量平衡方程遞推該日末的土壤含水率θｉ 。

３）判斷土壤含水率預(yù)測值θｉ與適宜土壤含水率下限θｌ的關(guān)系，θｉ 小于θｌ 時則判斷需要灌水，灌至適宜土壤水分上限θｕ，否則無須灌水，進行下一日土壤含水率的預(yù)測。

４）作物生育期結(jié)束后，把上季作物收獲時的土壤含水率作為兩種作物種植間隔時段的初始土壤含水率θ′ｉ －１。

５）根據(jù)實測降水量Ｐ′ 和裸地土壤蒸發(fā)量ＥＴ′ ，利用式（１）預(yù)測種植間隔時段末即下季作物播種時的土壤含水率θ′ｉ 。

６）判斷θ′ｉ 與下季作物適宜播種的土壤含水率下限θｌ的關(guān)系，θ′ｉ 小于θｌ時則判斷需要進行播前灌，灌至適宜播種的土壤水分上限θｕ，否則無須灌水，返回步驟１），重復(fù)循環(huán)此過程實現(xiàn)作物復(fù)種連作灌溉制度優(yōu)化。

１．３ 主要參數(shù)的確定

１）土壤含水率上、下限（θｕ、θｌ ）：適宜的土壤水分環(huán)境為作物節(jié)水高產(chǎn)提供有利條件，夏玉米土壤含水率上、下限見文獻［１８］，冬小麥的節(jié)水灌溉指標(biāo)采用文獻［１９］的適應(yīng)性灌溉閾值確定方法，即利用干旱等級標(biāo)準(zhǔn)判斷未來５～１０ ｄ 的干旱狀況，進而選取合理的灌水量上、下限。

２）作物系數(shù)（Ｋｃｉ ）：采用逐日法［２０］ 進行修正，即把經(jīng)驗值［２１］ 作為作物系數(shù)的初始值，計算作物實際需水量，基于實測土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)利用水量平衡方程反推作物系數(shù)的逐日修正值。２０１４—２０１７ 年夏玉米與冬小麥作物系數(shù)逐日變化如圖２ 所示。

３）灌溉水利用系數(shù)（η）：根據(jù)河南省三劉寨灌區(qū)資料取值為０．５５［２２］ 。

２ 結(jié)果與分析

２．１ 夏玉米－冬小麥連作灌溉制度及供水過程

本研究以三劉寨引黃灌區(qū)為例，利用２０１４ 年６月—２０１７ 年６ 月的氣象資料和實測土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進行夏玉米－冬小麥連作模式的實時灌溉預(yù)報。表１列出了兩種作物復(fù)種連作種植間隔期初始和結(jié)束時土壤含水率，以及播種前灌溉水量的計算結(jié)果。其中，２０１５ 年冬小麥－夏玉米－冬小麥和２０１６ 年夏玉米－冬小麥的種植間隔期結(jié)束時土壤含水率θ′ｉ 均低于適宜作物播種的含水率下限，故在間隔期結(jié)束時進行播前灌，各次播前灌溉水量分別為５５３．６、６０３．１、６９９．７ ｍ３ ／ ｈｍ２。

夏玉米－冬小麥連作實時灌溉制度見表２。連作模式下年度灌水次數(shù)為５ ～ ６ 次，３ 個年度的灌溉定額分別為３ ５９０．９、３ ９２６．０、３ ２３０．６ ｍ３ ／ ｈｍ２。其中：夏玉米全生育期灌水１～２ 次，各年份灌溉定額分別為１ １５２．２、１ １９４．７、５８８．６ ｍ３ ／ ｈｍ２；冬小麥全生育期灌水４ 次，各年份灌溉定額分別為２ ４３８．７、２ ７３１．３、２ ６４２．０ ｍ３ ／ ｈｍ２。由上述結(jié)果可知２０１５—２０１６ 年度灌溉定額最高，其主要原因是氣候因素影響下降水量偏低和蒸發(fā)量增加導(dǎo)致作物需水量增加［２３］ ，故須增加灌水量以維持作物的正常發(fā)育。

由圖３ 可知，夏玉米－冬小麥連作模式下３ 個年度的作物需水量、降水量和灌水量受天氣影響均有差異，但３ 個年度的總體變化趨勢基本一致。夏玉米的需水量自播種之日起呈波動上升趨勢，于７ 月下旬至８ 月上旬達到最大，隨后逐漸波動下降。播種后４２～６３ ｄ為夏玉米生長發(fā)育的關(guān)鍵期，自然降水不能完全滿足作物的水分需求時應(yīng)及時灌水補充，２０１４ 年、２０１５ 年夏玉米的灌水日期符合此規(guī)律，２０１６ 年夏玉米僅灌水１ 次且灌水日期早于需水高峰，究其原因是該年夏玉米播種時的土壤水分受前一季冬小麥灌溉制度的影響而未進行播前灌，同時該年份汛期降水量較大，滿足作物生長所需，無須多次灌溉。這也表明連作模式下前一季作物灌溉制度會對后一季作物灌溉制度產(chǎn)生影響。

冬小麥生育期主要處于枯水期，降水量較少［２４］ 。需水量高峰位于每年４ 月中旬至下旬（播種后１８０～２００ｄ），該階段是冬小麥生長發(fā)育的關(guān)鍵期。冬小麥需水量在每年１—２ 月份呈現(xiàn)最低值，此時的冬小麥處于越冬階段，生理活動緩慢，對水分要求低。越冬后自３ 月份起需水量呈逐漸上升趨勢，其原因是氣溫回升、日照時數(shù)增加，冬小麥逐漸進入快速發(fā)育階段，對水分需求逐漸增加；然而該時段降水量通常不足，故需１～２ 次灌水補充。

２．２ 灌區(qū)作物灌水量

對于灌區(qū)來說，以各作物灌溉定額與種植面積的乘積除以灌溉水利用系數(shù)可得該灌區(qū)的毛灌溉用水量［２５］ 。三劉寨引黃灌區(qū)夏玉米、冬小麥灌溉定額經(jīng)驗值［２６］ 與計算值的對比見表３。由表３ 可知，與傳統(tǒng)灌溉方式相比，夏玉米－冬小麥連作模式下的實時灌溉各年度灌溉定額分別減少９０９、５７４、１ ２６９ ｍ３ ／ ｈｍ２，年均降幅約２０．４％；各年度灌溉用水量較經(jīng)驗值分別降低１ ５８５ 萬、９３６ 萬、１ ８８８ 萬ｍ３，年均可節(jié)省灌溉用水量１ ４７０ 萬ｍ３，節(jié)省幅度達１８．３％。綜上所述，作物連作的實時灌溉制度具有良好的節(jié)水效果。

２．３ 灌區(qū)產(chǎn)量及水分利用效率

將實時灌溉制度與傳統(tǒng)灌溉制度的產(chǎn)量及水分利用效率進行對比，見表４，連作模式的實時灌溉制度可在保證產(chǎn)量的前提下顯著提高水分利用效率。結(jié)合圖４ 可知，在該灌溉制度下，２０１４—２０１７ 年３ 個年度夏玉米－冬小麥產(chǎn)量分別為１３ １７８．３４、１３ １３１．６９、１２ ９６１．３５ｋｇ／ ｈｍ２，與傳統(tǒng)灌溉制度下的產(chǎn)量相比分別增加了２．４％、２． ２％、０． ８％； 各年度耗水量分別為８ ２７５．６、８ ２４４．８、７ ９３８． ４ ｍ３ ／ ｈｍ２， 比充分灌溉耗水量縮減９．９％、９．０％、１４．７％；各年度水分利用效率分別提高了１３．６％、１２．３％、１８．３％，達到了節(jié)水增產(chǎn)的效果。水分利用效率受作物耗水量和產(chǎn)量的影響，一定耗水量范圍內(nèi)產(chǎn)量隨耗水量的增加而增加，水分利用效率則隨二者的增加呈下降趨勢。當(dāng)耗水量超過某一特定值后，產(chǎn)量反而減小，水分利用效率更低［２７］ 。傳統(tǒng)灌溉制度為追求高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)而進行及時足量的灌水，這種充分灌溉不僅會增大蒸發(fā)損失，過量灌水還會抑制作物的生長發(fā)育。非充分灌溉時作物受到一定程度的水分脅迫，而作物自身具有對水分虧缺的適應(yīng)機制，能在水分脅迫狀態(tài)下產(chǎn)生補償作用［２８］ ，適度的水分虧缺未必會顯著降低產(chǎn)量，反而會提高作物的水分利用效率。實時灌溉模型通過灌水上、下限來控制水分脅迫程度，總耗水量隨著灌水量的減少而減少，適應(yīng)性的土壤水分脅迫未使作物減產(chǎn)，水分利用效率明顯提高。

３ 結(jié)論

通過分析夏玉米－冬小麥連作時上下季作物種植間隔時段內(nèi)土壤水分的流入與消耗，建立了作物連作的實時灌溉預(yù)報模型，并得到了滿足連作種植模式且適應(yīng)實時天氣變化的灌溉制度。研究結(jié)果表明：１）在連作模式下，該模型根據(jù)土壤墑情和天氣的實時動態(tài)及時調(diào)整灌水方案，灌溉日期與需水關(guān)鍵期基本吻合，灌水量滿足非充分灌溉灌水上、下限的要求。２）與三劉寨引黃灌區(qū)傳統(tǒng)灌溉制度相比，夏玉米－冬小麥連作實時灌溉制度的灌溉定額年均減少９１７ ｍ３ ／ ｈｍ２，降幅為２０．４％，該灌溉定額下灌區(qū)灌溉用水量年均節(jié)省１ ４７０萬ｍ３，降幅為１８．３％，節(jié)水效果顯著。３）２０１４—２０１７ 年各年度夏玉米－冬小麥試驗產(chǎn)量與充分灌溉的產(chǎn)量相比分別提升２．４％、２．２％、０．８％，耗水量減少９．９％、９．０％、１４．７％，而水分利用效率分別提高１３．６％、１２．３％、１８．３％，達到了節(jié)水增產(chǎn)的效果。綜上所述，該模型能夠為指導(dǎo)引黃灌區(qū)節(jié)水灌溉、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源動態(tài)綜合管理提供科學(xué)依據(jù)。

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