水分胁迫条件下稻田优化灌溉制度的研究

董淑喜

(黑龙江省农垦牡丹江管理局水务局，黑龙江 密山 158308)

水分胁迫条件下稻田优化灌溉制度的研究

董淑喜

(黑龙江省农垦牡丹江管理局水务局，黑龙江 密山 158308)

本文通过对非充分灌溉条件下水稻优化灌溉制度如何制定进行了研究。其特点是将作物产量模型与耗水规律模型相结合，以相对产量最高为目标函数，建立了优化决策系统，并利用多目标规划进行求解。该研究成果可使有限的水量在作物生育期内发挥最大的效率，对优化配置水资源，实现农业高效用水具有重要作用。实例研究结果说明，所建模型及求解方法是合理与可行的，不但提高了水分利用效率，还为查哈阳灌区水资源的优化利用提供了科学依据。

水稻水分生产函数;多目标规划;优化灌溉制度;水分胁迫

查哈阳灌区位于黑龙江省齐齐哈尔市甘南县境内，诺敏河下游。区内现有耕地5.609万 hm2，设计灌溉面积1.407万 hm2。水田主要是河灌，旱田大部分是井灌。由于体制多变、政策不稳、种植方向不明，再加上工程老化严重等原因，使得灌溉效益未能得到充分发挥，水田面积徘徊在0.667万hm2左右。为了使有限的水资源得到合理的利用及农业的可持续发展，提高水资源的利用效率势在必行。

本研究针对查哈阳灌区水资源不足和分布不均的特点，通过非充分灌溉处理，建立适合查哈阳灌区的水稻水分生产函数，同时在此基础之上得到优化灌溉制度，不但为查哈阳灌区水资源的优化利用提供了科学依据，也对黑龙江省西部半干旱区发展高效节水农业具有重要的指导意义［1］。

1 材料与方法

1.1 试验区土壤与当地气候

试验于2007年在查哈阳农场灌区内实施。本区属高漫滩平原区，为第四纪沉积物覆盖，厚度30～70 m，上部为亚粘土，厚2～6 m，土的承载标准值为100～200 kPa，下部为砂卵石含水层，厚度20～60 m。承载力240～450 kPa。灌区所在区域属中温带大陆性季风气候区，多年平均气温1.6℃，平均降雨量468 mm，≥10℃有效积温2 470℃，无霜期124天，日照时数2 735 h。2007年整个生育期降雨量235 mm。

1.2 试验方法与设计

试验采用筒测法，测筒规格为直径0.58 m，高 0.9 m，有底，无渗漏。测筒内回填试验地原状土，且使筒上层土面与地面齐平，使实验地气候与大田气候一致。土壤容重1.34 g/cm3，饱和含水率51%。移栽时每筒 9穴，每穴 5株，并在第三次处理中移栽8穴，每穴5株。测筒区上部设有活动遮雨棚，以隔绝雨水进入受旱阶段的测筒。本试验的水稻品种为空育131，试验中的施肥按正常量使用。每天8:00记录数据，灌水、排水及降雨前后加测，水分水控制在上限(30 mm水层)～设计下限(表1)之间。

表1 各阶段受旱下限

试验采取单阶段分别受重旱、轻旱以及相邻两阶段连续中旱的方法，并设群众灌溉(深水)为对照处理，共12个处理，每个处理重复3次，计36个测筒。

2 试验结果与分析

2.1 水分生产函数的建立

水分生产函数是描述作物产量和水分因子之间的数学关系(Water Production Function)。水稻水分生产函数的数学模型主要有动态模型和静态模型两大类。国际上公认比较合理和完善的有以下四种:

式中:λi、Ai、Bi、Ci为作物不同阶段缺水对产量的敏感指数及敏感系数;i为生育期划分序号;Ya各处理条件下的实际产量，kg/hm2;Ym为正常灌溉下产量，kg/hm2;ETa为各处理条件下实际蒸发量，mm;ETm为正常处理下的蒸发蒸腾量，mm;n为模型的阶段总数，本试验中为n=4。

2.2 模型求解

由表2的水稻试验的各处理的蒸发蒸腾量和产量分别得到其相对腾发量和相对产量，分别代入式(1)、(2)、(3)、(4)，即可得到相应的各阶段水分敏感指数和相关系数如表3所示。

表2 查哈阳灌区水稻各种处理下的蒸发蒸腾量及产量

2.3 试验结果分析

(1)从表3可以看出，Jensen模型中其敏感指数在分蘖期最大，乳熟期次之，抽穗期最小，与实验成果一致，但R值相对较小;对于 Blank模型表明，A值越大，则对水分亏缺越不敏感，其各个生育期对水分胁迫敏感程度的高低顺序正好和试验结果相反，故此模型不适宜用于查哈阳灌区水稻;Stewart模型灌浆期的敏感指数小于拔节期，并且相关系数值R太小，故此模型也不适用于查哈阳灌区水稻［2］。Singh模拟的效果中可以看出敏感的两个时期是分蘖和乳熟期，不敏感的是抽穗和拔节期，这和试验结果一致，在模拟的结果中还可看出，在抽穗期为负值，理论上负值意思是水分胁迫反而促使产量增加，而实际结果显示，由于抽穗期水分胁迫时间短，没有达到重旱所需要的下限，其产量反而略高于其它处理［3］。

(2)Singh模型为相加模型，也较为适合半干旱和半湿润地区籽实产量计算，适合干旱地区牧草和饲料作物的生物学产量计算，查哈阳灌区水稻选用模型作为当地的水稻水分生产函数模型较为合适。

0.333 8 0.157 8 0.032 9 0.160 2 0.836 8 Blank 模型 Ai0.462 4 0.282 1 0.088 4 0.285 2 0.996 3 Stewart模型 Bi0.362 1 0.013 9 －0.160 8 0.010 9 0.603 7 Singh模型 Ci Jensen模型 λi 0.724 3 0.142 8 －0.145 3 0.217 2 0.997 4

3 水稻优化灌溉制度模型

3.1 目标函数

生长阶段作物水分生产函数适宜采用Singh模型提出的连加模型，其目标函数为单位面积上实际产量与最高产量之比最大，即

式中:ETa为各处理条件下的实际蒸发量，mm;ETm为正常处理条件下的最大蒸发蒸腾量，mm;Ci为各处理条件下的产量影响系数。

(1)约束条件:

其中:i为生育期划分序号，i=1，2，3，4;r为各个生育期腾发量之和。

(2)初始条件:

设作物可用于分配的水量为农作物全生育期可用于分配的水量 Q，即

3.2 求解方法

在优化配水时，将公式(7)(8)结合起来，采用 matlab7.1编程计算，让程序在满足公式条件的前提下选择最优目标，主程序计算中将分配给作物净灌溉水量，通过调用子程序实现净灌溉水量在作物各生育期内的优化分配，最终实现主、子程序同时优化，以实现灌溉水资源的最高效益。

3.3 求解结果及分析

通过优化结果可以看出，在P=75%(表5)，灌溉定额为8 877 m3/hm2时，其相对产量达到94%。在保证水资源可持续利用前提下，实现了水稻相对产量的最大。

表4 查哈阳灌区水稻非充分灌溉下优化灌溉制度求解数据(P=75%)

4 结论

(1)本文在非充分灌溉试验资料的基础上，分析研究了水稻水分生理需水特性，通过对 Jensen、Blank、Stewart、Singh四种模型的求解结果比较，得出查哈阳灌区水稻最适宜的水分生产函数模型为模型。

表5 查哈阳灌区水稻非充分灌溉制度优化成果(P=75%)

(2)在水稻水分生产函数的基础上，建立了查哈阳灌区非充分灌溉下的优化灌溉制度模型。即将作物产量模型与耗水规律模型相结合，以相对产量最高为目标函数，建立了计算机优化决策系统。采用 matlab7.1编程，求解设计保证率p=75%情况下水稻各阶段的优化灌水量，为查哈阳灌区水资源的优化利用提供了科学依据。

［1］刘增进，李宝萍，李远华等.冬小麦水分利用效率与最优灌溉制度的研究.［J］农业工程学报.2004.7(4):58 －63.

［2］程建平，曹凑贵，蔡明历等.不同灌溉方式对水稻产量和水分生产率的影响［J］农业工程学报.2006(12):28－33.

［3］付强，王立坤，门宝辉等.推求水稻非充分灌溉下优化灌溉制度的新方法［J］.水利学报.2002(10):39－40.

［4］王克全，付强，季飞，徐淑琴等.查哈阳灌区水稻水分生产函数模型及其应用试验研究［J］.灌溉排水学报2008:100－101.

Study on Optimization Irrigation Procedure of Rice Filed under Water Stress

DONG Shu－xi
(College of Water Conservancy and Building Engineering，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，Heilongjiang)

The paper studies how to draw the rice optimal irrigation system under the condition of non－sufficient irrigation.The character is that the model of yield connect with the model of water－consuming law.In order to get max object function and max yield，it set up optimization irrigation procedure with multiobjective programming. This result can get max efficiency under limited water consumption. It very important for optimized water resource and realized modern agriculture. The results show that this model improve efficiency and it provides scientific basis for Cha Hayang irrigation district.

Rice water production function;multiobjective programming;optimization irrigation procedure and water stress

S274

A

1004－1184(2012)01－0107－02

2011－05－23

黑龙江省农垦总局科技攻关项目(HNKSV－13);黑龙江省科技攻关项目(GB06B106－7);东北农业大学创新团队项目联合资助。

董淑喜(1982—)，男，江苏连云港人，硕士，工程师，主要从事农业节水灌溉管理研究工作。