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(duì)現(xiàn)有實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)忽略了實(shí)際生產(chǎn)中復(fù)種連作的問題，統(tǒng)籌考慮復(fù)種連作時(shí)上下季作物生育期間隔時(shí)段內(nèi)土壤水分的收支變化，建立了作物連作的實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)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(jìn)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(shí)時(shí)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)省１ ４７０ 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(shí)時(shí)灌溉；水分利用效率

中圖分類號(hào)：Ｓ２７４．１；ＴＶ８８２．１ 文獻(xiàn)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(shí)時(shí)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(yùn)用作物模型模擬作物生長(zhǎng)［５－９］ ，克服了傳統(tǒng)田間試驗(yàn)時(shí)間和空間的限制，進(jìn)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(shí)時(shí)灌溉方面進(jìn)行了深入的研究，構(gòu)建了以短期實(shí)時(shí)天氣信息為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)模型，并用Ｊａｖａ 語言編制了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物灌溉的遠(yuǎn)程及實(shí)時(shí)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(bào)為例，開展灌區(qū)水稻灌溉制度的實(shí)時(shí)優(yōu)化研究，對(duì)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(duì)實(shí)際多變的天氣狀況。而目前有關(guān)實(shí)時(shí)灌溉制度的研究主要以單一作物為研究對(duì)象，對(duì)不同作物連作模式下的實(shí)時(shí)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(duì)單一作物的灌溉制度優(yōu)化難以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水分的綜合管理。為此，本文對(duì)實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)模型進(jìn)行延伸，加入對(duì)上下季作物種植間隔時(shí)段內(nèi)水分收支的考慮，建立夏玉米－冬小麥連作的實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)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(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)的作物連作模式下的節(jié)水灌溉制度。

１．２．４ 實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)具體步驟

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

２）利用實(shí)時(shí)氣象資料計(jì)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(cè)值θｉ與適宜土壤含水率下限θｌ的關(guān)系，θｉ 小于θｌ 時(shí)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(jìn)行下一日土壤含水率的預(yù)測(cè)。

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

５）根據(jù)實(shí)測(cè)降水量Ｐ′ 和裸地土壤蒸發(fā)量ＥＴ′ ，利用式（１）預(yù)測(cè)種植間隔時(shí)段末即下季作物播種時(shí)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(shí)則判斷需要進(jìn)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(shí)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(xiàn)［１８］，冬小麥的節(jié)水灌溉指標(biāo)采用文獻(xiàn)［１９］的適應(yīng)性灌溉閾值確定方法，即利用干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)判斷未來５～１０ ｄ 的干旱狀況，進(jìn)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(jìn)行修正，即把經(jīng)驗(yàn)值［２１］ 作為作物系數(shù)的初始值，計(jì)算作物實(shí)際需水量，基于實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行夏玉米－冬小麥連作模式的實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)。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(shí)土壤含水率，以及播種前灌溉水量的計(jì)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(shí)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(shí)進(jìn)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(shí)時(shí)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(gè)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(gè)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(gè)年度的總體變化趨勢(shì)基本一致。夏玉米的需水量自播種之日起呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，于７ 月下旬至８ 月上旬達(dá)到最大，隨后逐漸波動(dòng)下降。播種后４２～６３ ｄ為夏玉米生長(zhǎng)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(shí)應(yīng)及時(shí)灌水補(bǔ)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(shí)的土壤水分受前一季冬小麥灌溉制度的影響而未進(jìn)行播前灌，同時(shí)該年份汛期降水量較大，滿足作物生長(zhǎng)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(huì)對(duì)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(zhǎng)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(shí)的冬小麥處于越冬階段，生理活動(dòng)緩慢，對(duì)水分要求低。越冬后自３ 月份起需水量呈逐漸上升趨勢(shì)，其原因是氣溫回升、日照時(shí)數(shù)增加，冬小麥逐漸進(jìn)入快速發(fā)育階段，對(duì)水分需求逐漸增加；然而該時(shí)段降水量通常不足，故需１～２ 次灌水補(bǔ)充。

２．２ 灌區(qū)作物灌水量

對(duì)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(yàn)值［２６］ 與計(jì)算值的對(duì)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(shí)時(shí)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(yàn)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(dá)１８．３％。綜上所述，作物連作的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)灌溉制度與傳統(tǒng)灌溉制度的產(chǎn)量及水分利用效率進(jìn)行對(duì)比，見表４，連作模式的實(shí)時(shí)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(gè)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(dá)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(shì)。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(jìn)行及時(shí)足量的灌水，這種充分灌溉不僅會(huì)增大蒸發(fā)損失，過量灌水還會(huì)抑制作物的生長(zhǎng)發(fā)育。非充分灌溉時(shí)作物受到一定程度的水分脅迫，而作物自身具有對(duì)水分虧缺的適應(yīng)機(jī)制，能在水分脅迫狀態(tài)下產(chǎn)生補(bǔ)償作用［２８］ ，適度的水分虧缺未必會(huì)顯著降低產(chǎn)量，反而會(huì)提高作物的水分利用效率。實(shí)時(shí)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(shí)上下季作物種植間隔時(shí)段內(nèi)土壤水分的流入與消耗，建立了作物連作的實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)模型，并得到了滿足連作種植模式且適應(yīng)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)及時(shí)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(shí)時(shí)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)?。?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(yàn)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(dá)到了節(jié)水增產(chǎn)的效果。綜上所述，該模型能夠?yàn)橹笇?dǎo)引黃灌區(qū)節(jié)水灌溉、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源動(dòng)態(tài)綜合管理提供科學(xué)依據(jù)。

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