内蒙古中部牧区青贮玉米与苜蓿立体种植灌溉制度优化

郑和祥，赵淑银，郭克贞，刘 虎，魏学敏，贾金良

（1.水利部 牧区水利科学研究所，呼和浩特010020；2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特010018；3.鄂尔多斯市水利工程局，内蒙古 东胜017000）

青贮玉米和紫花苜蓿为内蒙古中部牧区最主要的饲草作物。近年来，随着灌溉方式和种植技术的不断提高，青贮玉米和紫花苜蓿立体种植在该地区得到了较大推广，该模式较大幅度地提高了牧草水热利用效率和产量，与此同时新的种植模式要求相适应的灌溉制度，对灌溉制度进行优化设计可以有效地提高水分利用率及作物产量，制定作物灌溉制度不仅要考虑补充根系层土壤水分以满足作物需求，还应考虑种植模式对灌溉制度的影响［1－3］。

目前确定作物灌溉制度优化的方法很多，如线性规划法、非线性规划法、动态规划法、随机动态规划法和决策系统等［4－5］。目前应用较多的是动态规划法，以及动态规划法与遗传算法等人工智能技术结合的算法，动态规划法优化灌溉制度能够较准确地反映真实情况，但其计算工作量较大且易出现早熟及陷入局部最优而难于求得真正最优解的问题。目前，对立体种植模式的灌溉制度优化研究较少。本文通过引入被国内外广泛认可的具有评价和优化功能的ISAREG模型研究灌溉制度与立体种植相结合的灌溉模式［6－9］，结合田间灌溉试验，在验证模型参数的基础上模拟多种灌水方案，综合考虑作物立体种植条件下不同的需水要求，选出适合于青贮玉米与紫花苜蓿立体种植模式下的灌溉制度。

1 试验地概况与试验设计

1.1 试验地点

试验地选在内蒙古草原站育草基地，该基地位于和林县盛乐镇忽通兔村，距离和林县盛乐经济园区15 k m；和林格尔县位于内蒙古自治区中部，是重要的奶源基地，饲草作物种植规模较大。

试验区属中温带大陆性季风气候区，春季干旱多风，夏季炎热短暂，秋季干燥凉爽，冬季寒冷漫长。多年平均降水量417 mm，多年平均蒸发量1 850 mm，多年平均相对湿度49%；多年平均气温5.6℃，日照时数2 882 h，最大冻土层深度为170 c m。平均风速为2.2 m／s，基本风向为西风。土壤以栗钙土和灰褐土为主，有机质含量0.96%～1.20%。

1.2 试验材料和方法

试验材料为紫花苜蓿和青贮玉米，选用的品种分别为草原2号和科多4号。对两种作物进行立体种植，采用田间对比灌溉试验的研究方法，利用ISAREG模型对紫花苜蓿和青贮玉米立体种植条件下的实际灌溉制度进行评价，在此基础上进行灌溉模拟，得出紫花苜蓿和青贮玉米立体种植优化灌溉制度。

1.3 试验处理

受旱程度划分：土壤含水率介于作物生长阻滞含水率与田间持水率之间时，作物生长正常；土壤含水率介于凋萎含水率与作物生长阻滞含水率之间时，作物将处于中度受旱状态；当土壤含水率接近凋萎系数时，说明作物严重受旱。该气候和土壤条件下的研究成果表明：青贮玉米适宜土壤水为田间持水量的70%～90%，当达到田间持水量的50%时，即达到了中度受旱程度；紫花苜蓿是以土壤水分为田间持水量的65%～85%，50%出现中度受旱［10－13］。

根据优化的立体种植规格［14］，小区宽度设计为8.1 m，长度为10.0 m，面积为81 m2。青贮玉米带宽1.6 m，4行种植，行距0.4 m；紫花苜蓿带宽2.45 m，7行种植，行距0.35 m。试验以青贮玉米和苜蓿中度受旱试验设两个处理，每个处理重复3次，共设置6个试验小区。

6个试验小区的根系层土壤类型相同，均分为两层，上层0—40 c m为粉壤土，土壤容重1.43 g／c m3，下层40—100 c m 为粉土，土壤容重1.40 g／c m3；土壤含水率采用取土烘干法测定，并用该数据进行水量平衡验证。

2 ISAREG模型概述

2.1 模型的原理

ISAREG模型是葡萄牙里斯本技术大学农学院开发的灌溉模型，它具有概念明确、模拟精度高、易于操作且功能多的特点，对评价现有灌溉制度，制定优化灌溉制度具有指导作用。ISAREG模型的主要功能是模拟农田土壤水分的变化，从而评价给定的灌溉制度，计算作物需水量和灌溉需水量，也可通过不同灌水方案的模拟对比，制定优化灌溉制度［12－13］。该模型考虑了：（1）作物根系吸水深度的变化；（2）非均质土层的影响；（3）不同深度地下水位的影响；（4）作物受旱时土壤供水能力对腾发量的影响。

ISAREG模型以水量平衡原理为基础，采用的水量平衡方程为：

式中：θi，θi－1——第i，i－1天根系层的土壤含水率（%）；Pi——第i天的有效降雨量（mm）；Ini——第i天的净灌水量（mm）；ETai——第i天的作物实际腾发量（mm）；DPi——第i天的深层渗漏量（mm）；GWi——第i天的地下水补给量（mm）；zri——第i天的根系层深度（m）。

2.2 模型的数据结构

模型的主要输入数据分为7类：（1）气象数据：包括有效降雨量Pe、参考作物腾发量ET0和其它的各项常规气象数据等；（2）作物数据：包括作物类型、作物生育期、计划湿润层深度、实效水可利用系数p、作物系数Kc、产量反应系数Ky等；（3）土壤数据：包括土壤类型、每层的土壤深度d、田间持水率θFC、凋萎点θWP等；（4）地下水数据：包括地下水补给量GW和深层渗漏量DP；（5）灌溉数据：根据不同的模拟类型输入初始土壤储水率、灌水日期、灌水定额和灌水达到的土壤含水率范围以及灌水的各种约束条件等；（6）水量数据：包括灌水时间间隔和可供水量等；（7）验证数据：为实测田间含水率［15－18］。

模型的输出数据根据模拟输入选项的差异有所不同，主要包括：灌溉定额、灌水定额、灌水时间、灌水次数、深层渗漏量、水分利用效率、最大腾发量、实际腾发量、水分胁迫时的减产率、模拟含水率与田间数据的对比等。

3 模型参数计算和验证

3.1 参考作物腾发量ET 0

参考作物腾发量ET0采用Pen man-Monteith方法计算。本文根据2011年观测的气象数据计算得到青贮玉米与紫花苜蓿立体种植全生育期的逐日ET0。

3.2 作物系数Kc

作物系数Kc是根据参照作物腾发量计算实际作物需水量的重要参数。青贮玉米与紫花苜蓿立体种植的作物系数分两步计算，首先采用FAO-56推荐的分段单值平均法计算青贮玉米与紫花苜蓿单作时的作物系数，根据FAO-56给出的标准条件下不同生育阶段的作物系数［17－19］，结合当地气候、土壤条件调整各生育阶段的作物系数Kc；然后计算两种作物立体种植时的综合作物系数Kc（field）。综合作物系数是根据两种作物的种植比率f和作物高度h结合两种作物的权重来确定的，计算公式为：

式中：Kc（field）——综合作物系数；f1，f2——两种作物的种植比例；h1，h2——两种作物的高度（m）；kc1，kc2——两种作物的作物系数。

采用上述步骤计算青贮玉米与紫花苜蓿立体种植的综合作物系数时，由于两种作物的种植日期、各生育阶段划分、生育期长短、收获期均不相同，应重新进行生育阶段组合，根据青贮玉米与紫花苜蓿的生长特点划分为6个阶段：苜蓿第一茬生育前期青贮玉米还未播种，因此生育前期综合作物系数即为苜蓿单作时的作物系数，苜蓿第一茬生育中期基本上对应于青贮玉米的生育前期，苜蓿第一茬生育后期对应于青贮玉米生育中期的前半阶段，苜蓿第二茬生育前期对应于青贮玉米生育中期的后半阶段，苜蓿第二茬生育中期对应于青贮玉米生育后期的前半阶段，苜蓿第二茬生育后期对应于青贮玉米生育后期的后半阶段（表1）。

表1 立体种植综合作物系数

3.3 产量反应系数K y

单一作物产量反应系数Ky采用以下公式进行计算：

式中：Ya——作物实际产量（kg／h m2）；Ym——作物最 大 产 量 （kg／h m2）；ETa——作 物 实 际 腾 发 量（mm）；ETm——作物最大腾发量（mm）。模拟时采用的水分生产函数的产量反应系数Ky为FAO-56推荐值，不同的作物有不同的产量反应系数［20］。青贮玉米与紫花苜蓿立体种植时的产量反应系数采用综合产量反应系数，计算公式为：

式中：Ky（field）——综合产量反应系数；Ym1，Ym2——两种作物的最大产量（kg／h m2）。

FAO-56推荐的苜蓿产量反应系数为1.10，青贮玉米产量反应系数为1.25，根据不同作物立体种植比例和对应的最大产量计算得到青贮玉米与苜蓿立体种植的综合产量反应系数为1.18。

3.4 模型参数验证

根系层土壤平均含水量可能处于3个不同区域：过量含水区，θs≥θ＞θFC，此时由于有重力排水，土壤含水量不能为作物即时利用，但部分可作为深层储水为作物后期所利用；实效含水量区，θFC≥θ≥θOYT，该区的土壤含水量可为作物即时利用，且能使作物保持最大腾发量，故称为最优产量区或适宜含水率区域；水分亏缺区，θOYT＞θ≥θWP，此时作物因受旱而不能达到最大腾发量，作物产量下降。

根据上述选定的各项参数进行灌溉模拟，图1为2011年青贮玉米与紫花苜蓿立体种植两个处理整个生育期的土壤含水率动态模拟结果与田间实测含水率值的对比。两个处理模拟含水率的相对误差均在8.00%以内，相对误差的平均值为3.7%，可以满足模拟精度要求。表明该模型模拟青贮玉米与紫花苜蓿立体种植选用的土壤、气象、降雨和作物等各方面的参数较适合，可以用该模型的各参数评价青贮玉米与紫花苜蓿立体种植的各种灌溉设计方案，并对灌溉制度进行优化。

4 青贮玉米与苜蓿立体种植灌溉制度方案设计和优选

4.1 灌溉制度方案设计

对现状实际灌溉制度观测数据的分析得出：不适宜的灌水日期和灌水定额使得青贮玉米和苜蓿立体种植条件下水分利用效率和产量没有达到最理想状态。首先是由于不适宜的灌水日期，实际灌溉制度在土壤含水率降低至适宜含水率以下，甚至达到凋萎点时仍未进行灌水，造成了产量降低；其次是含水率未降低至适宜含水率时进行了灌水，导致灌水次数增加，降低了水分利用效率；再者是每次的灌水定额有时灌至田间持水率以上，有时则未灌至田间持水量，导致水分利用效率较低，产量未达最高水平，因此需对实际灌溉制度进行调整和优化。根据研究区的现状和实际灌溉制度评价结果设计青贮玉米与苜蓿立体种植灌溉制度方案，通过对各种方案进行多次组合模拟，在保证产量下降率较小，一般在10.0%以下，初步筛选出下述6种典型方案进行分析：

图1 青贮玉米与紫花苜蓿立体种植土壤含水率模拟值与实测值对比

方案Ⅰ：以产量最大为目标，当根系层土壤平均含水率降至适宜含水率下限时即实施灌溉，灌水量为补充根系层土壤水分至田间持水量时所需要的水量。方案Ⅱ：根据土壤含水率确定灌水日期，当根系层土壤平均含水率降至适宜含水率下限时即实施灌溉，灌水量为补充根系层土壤水分至有效含水率的90%时所需要的水量。方案Ⅲ：根据土壤含水率确定灌水日期，当根系层土壤平均含水率降至适宜含水率下限的90%时实施灌溉，灌水量为补充根系层土壤水分至田间持水量所需要的水量。方案Ⅳ：根据土壤含水率确定灌水日期，当根系层土壤平均含水率降至适宜含水率下限的80%时实施灌溉，灌水量为补充根系层土壤水分至田间持水量所需要的水量。方案Ⅴ：给定灌水定额，根据青贮玉米和苜蓿田间持水量与适宜含水量下限的差约为65 mm，本方案采用的灌水定额为59 mm，每次灌水时间由模型进行优化计算给出。方案Ⅵ：给定灌水定额，采用方案Ⅴ灌水定额的90.0%，即每次灌水量均为54 mm，每次灌水时间由模型进行优化计算给出。

对上述方案进行模拟时，根系层土壤初始储水量采用青贮玉米播种前根系层土壤的有效储水量，土壤初始土壤含水率约在32.0%左右。表2给出了青贮玉米与苜蓿立体种植各灌溉制度方案的模拟结果。分析表2中6种灌溉制度方案的模拟输出结果可以得出：

表2 青贮玉米与苜蓿立体种植灌溉制度方案设计模拟结果对比

方案Ⅰ生育期需灌水7次，需要的总灌水量多，实际腾发量达到最大腾发量的值；该方案在整个生育期结束时土壤储水量较小，其土壤含水率基本达到适宜含水率下限；作物在整个生育期均未受水分胁迫，无受旱减产。

方案Ⅱ至方案Ⅳ均是根据土壤含水率确定灌水日期。从输出结果可以看出，方案Ⅱ生育期需灌水8次，增大了输水损失，与方案Ⅰ相比，减少了每次的灌水定额，总灌水量也略有减少，但土壤含水率基本保持在适宜含水率范围，仅在生育期结束时，降至适宜含水率以下，对产量的影响很小，产量下降率仅为0.42%。

方案Ⅲ与方案Ⅰ和Ⅱ相比，不但总灌水量大幅度降低，而且只需灌水6次，减少了1～2次灌水，降低了输水损失；由于该时期正是玉米的需水敏感期，因此造成产量的显著下降，产量下降率为4.52%。

方案Ⅳ生育期需灌水6次，每次灌水均是在土壤含水率降至适宜含水率下限的80%时才开始灌溉，与方案Ⅲ相比，每次的灌水定额增大，生育期总灌水量也增大了，虽然在玉米生育后期的土壤含水率均在适宜含水率范围，在整个生育期结束时土壤储水量比方案Ⅲ大，但对产量的影响相对较小，产量下降率为3.15%。

方案Ⅴ与方案Ⅵ均是给定固定的灌水定额，模型根据土壤适宜含水率下限计算得出灌水日期，方案Ⅴ灌水次数为6次，方案Ⅵ灌水次数为7次。方案Ⅴ与方案Ⅵ均产生了深层渗漏，但补给量也较大；两个方案的产量下降率均较大，分别为6.97%和4.28%。

根据上述6种方案的输出结果，在综合考虑总灌水量、灌水次数、渗漏量、补给量和产量下降率的情况下，得出平水年（P＝50%）青贮玉米与苜蓿立体种植灌溉制度的较优选方案为：方案Ⅳ，其灌溉制度见表3。

表3 青贮玉米与苜蓿立体种植优选灌溉制度

5 结论

（1）对ISAREG模型模拟青贮玉米与苜蓿立体种植灌溉制度时的各项参数进行了预处理和验证，分别对青贮玉米与苜蓿立体种植两个试验处理的实际灌溉制度进行了评价，各处理的灌水定额和灌水时间均存在不适宜的问题，需要进行优化设计。

（2）采用ISAREG模型，根据青贮玉米与苜蓿立体种植的需水要求进行了充分灌溉和非充分灌溉的多组合方案设计，得到了青贮玉米与苜蓿立体种植的优选灌溉制度。

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