蒙东地区紫花苜蓿喷灌最优化灌溉制度的研究

2016-03-23陈晓鹏

节水灌溉 2016年7期

曹睿，陈晓鹏

(1.内蒙古机电职业技术学院水利与土木建筑工程系，呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区水利水电勘测设计院，呼和浩特 010020)

蒙东地区(除呼伦贝尔市)水资源严重匮乏，人均水资源量不足800 m3，相当于国家和自治区人均水资源量的1/4，在世界公认的1 000 m3极度匮乏水资源线以下。随着国民经济发展速度的提高，水资源匮乏的制约作用将更为明显。赤峰市作为内蒙古自治区东部的重要农业大市，农业用水占水资源比重较大。而农业灌溉仍有一大部分采取传统的灌溉方式，灌溉定额相对较高，普遍存在着大水漫灌的现象，节约水资源，强化水资源稀缺意识已到了刻不容缓的地步[1]。华北各省市针对各地不同的缺水特点，对人工牧草节水进行了探讨和分析。近几年，对我国华北部分牧业地区牧草灌溉进行了较为充分的研究。水利部牧区水利科学研究所刘虎、伊力哈木、郭克贞等[2]以新疆北部阿勒泰草原为研究对象,通过对多年的牧草灌溉试验数据进行分析比较,初步得到该区域苜蓿土壤水分与生长发育及产量关系。内蒙古农业大学于婵、高瑞忠、朝伦巴根等学者[3]通过浑善达克沙地人工牧草灌溉试验场观测的气象、叶片的蒸腾速率、叶面积指数、有效根系层深度、土壤含水率、土壤蒸发等数据,利用双作物系数法模拟计算了2004、2005年老芒麦的日作物需水量,经与实测的作物蒸腾和土壤蒸发数据对比分析,检验了需水量模拟值与实测值间的一致性,在此基础之上,讨论了老芒麦需水量与产量、光合作用与蒸腾速率、光合作用与根系层土壤含水率的关系；袁莉、路晶[4]通过分析数据简要阐述了苏丹草在不同生育期的灌溉制度与增产效果，为后续工作者的工作打下了坚实的理论基础；曾冬梅、时志宇、潘群燕[5]针对新疆不同区域由于自然环境、水热条件、土壤耕作性能的差异,牧草的需水状况不同，通过对作物生育期内不同阶段的需水量进行测试和分析,分析作物产量和灌溉水量的关系, 提出切合实际的灌溉制度,以指导灌溉实践。蒙东地区是我国主要的牧业发展基地，发展好人工牧草，有利于保障牧业畜产品的产量和安全。通过研究内蒙古自治区常用牧区作物紫花苜蓿的生长特点及需求，解决牧业用水短缺问题。赤峰市属于典型的内蒙古缺水区，采用赤峰市试验数据，能够很好地代表缺水区牧业发展的后续思路。

赤峰市人均水资源占有量仅为850 m3,不足全国人均水资源占有量的40%,每公顷水资源占有水量仅为3 120 m3,是全国单位公顷占有水量的近13%，水资源的匮乏严重制约着以赤峰市为代表的牧区草业的发展，发展高效节水牧业，有利于打开牧区生产种植缺水的桎梏，打造一个新的历史阶段[6]。

1 试验内容与方法

1.1 研究区概况

项目区选取在被誉为“中国草都”的阿鲁科尔沁旗绍根镇巴音温度嘎查境内，基地面积800 hm2，经多年试验土壤、温度、水分等条件非常适应紫花苜蓿生长，并且基地附近无都市和大工业区，无污染源，是生产优质紫花苜蓿的理想之地。

阿鲁科尔沁旗绍根镇巴音温度嘎查年平均气温5.5 ℃，无霜期为95～140 d，年平均降水量300～400 mm，属典型的大陆性气候。试验作物采用紫花苜蓿，该作物生长周期短，水分保有率低，干草产量高，适合在蒙东缺水地区生长，且种植经验丰富，作物对当地的土壤水分、盐分、温度等条件能够很好地适合，鉴于以上原因，本次试验采用紫花苜蓿作为研究对象。

1.2 试验方法[4]

试验采用田间对比试验法设计，对紫花苜蓿的灌溉试验设3个处理，即3个灌水水平进行对比试验；根据研究区作物、土壤等特性，结合喷灌机的性能参数设计，设计3个处理的灌水定额分别为225、300和375 m3/hm2。

每个处理的灌水日期和灌水次数相同；灌水日期根据灌水定额为300 m3/hm2试验处理的适宜含水率下限计算确定；每个处理3次重复，共计9个试验小区(处理1、处理2、处理3、重复1-1、重复2-1、重复3-1、重复1-2、重复2-2、重复3-2)进行不同喷水量的对照试验，见图1。

图1 试验区域分布图

所采用喷灌机控制面积36 hm2，分为1个基础试验区及2个对照试验区，总计9个小试验区，小试验区面积分别为0.2、0.5、0.9 hm2，供水流量采用计算机远程控制，9个区域的温度、湿度、雨量远程自动观测及传输。设定试验区灌水定额为处理1区：375 m3/hm2；处理2区：300 m3/hm2；处理3区：225 m3/hm2。

试验主要对土壤密度、田间持水率进行测定、对喷灌不同生育期适宜指标进行设定，通过对不同生育期指标的分析和研究，确定紫花苜蓿的最优化灌溉定额、分析增产增效效果，为牧业生产及舍饲圈养作指导。

2 试验结果的分析与对比

试验成果分析主要从土壤密度、灌溉定额、不同生育期适宜指标及作物产量4方面进行分析。

2.1 土壤密度的分析

土壤密度作为作物生长的一个重要指标，起着至关重要的作用。即：土壤密度小，表明土壤较疏松，通透性好；反之，土壤密度大，表明土体紧实，结构性和通透性较差。土壤孔隙度又称孔度，系指单位体积土壤中孔隙所占的百分率。一般粗质地土壤孔隙度较低，但粗孔隙较多，而细质地土壤相反。经测定，试验区的土壤密度为1.544 g/cm3，土壤的孔隙率为45%。

选取各生育期具有典型代表的试验区域，通过作物种植区域地下纵断面观察作物根系在各生育期的发展态势，经环刀法和率定确定，0～20 cm的土壤密度最大，孔隙度最小，60～80 cm次之，40～60 cm土壤密度最小。0～100 cm加权平均土壤密度为1.54 g/cm3。说明该土质结构合理、孔隙较多，耕性、透水性、通气性较好，利用水分和空气的吸收，有较强的保水能力，适合人工牧草的生长见表1。

表1 试验田密度、田间持水量

经过测定土壤田间持水率按质量比为11.9%，按体积比为23.5%。通过以上实测资料做质量含水率x与体积含水率y的相关分析，建立经验公式：

y=3.601 7x0.756 9

(1)

经相关显著性分析，x与y相关系数R2=0.996，相关极显著。

2.2 不同生育期指标分析

通过对作物各生育阶段的土层进行纵剖，观察生育期内作物需水的适宜深度，同时测定适宜土壤湿润含水率下限，如表2所示。

表2 喷灌紫花苜蓿不同生育期适宜指标

通过在同一区域不同地块(光照时间、强度、土壤肥力等基本相似)进行试验对比，观察得出在苗期到开花阶段，湿润深度加大到45 cm以上，紫花苜蓿根系在生长过程中向土壤深层延伸，45 cm有利于紫花苜蓿根系的发展和汲取水分，保证每茬产量均较高。同时在试验中建议喷灌时期选取在无风或微风期间，保证水均匀喷洒，对产量影响最小。紫花苜蓿一般可收割三茬，由于第三茬成熟临近冬季，为了保护植物的根系，故不建议对紫花苜蓿第三茬进行收割。

2.3 灌溉定额的分析

紫花苜蓿是深根植物，根系很发达，能吸收深层土壤水分，但其根系不宜长期水淹，因此，制定合理高效的灌溉制度有利于保护紫花苜蓿的生长和增加作物的产量。根据赤峰市阿鲁科尔沁旗年降雨量300～400 mm的具体情况，设计最优化灌溉制度。

对阿鲁科尔沁旗天山气象站多年降雨频率分析得出：项目实施第一年2012年为丰水年，降雨频率为3.33%；而2013和2014年为偏旱年，降雨频率分别为62%和58%。2012-2014年降雨量和降雨频率见表3。

表3 2012-2014年降雨量统计

根据田间自动气象站资料，2012-2014年紫花苜蓿生育期有效降雨量分别为325、221和261 mm，通过水量平衡反推出降雨频率分别为85%(干旱年)、50%(平水年)2个不同水平年的紫花苜蓿喷灌制度见表4。

表4 最优化紫花苜蓿灌溉制度

2.4 紫花苜蓿增产增效分析

紫花苜蓿生长发育的不同时期进行不同水分处理，会直接影响到紫花苜蓿的生长发育、生理指标，最终影响作物产量。从表5中可以看出，紫花苜蓿产量与灌水量密切相关。随着灌溉定额的增大，产量有线性逐渐增加的趋势。处理1的产量最高为1.36万kg/hm2，处理3的产量最低为1.02万kg/hm2，较处理1低3 500 kg/hm2，产量降低25%。处理1增产幅度和增产效果明显高于其他处理。

以各处理小区产量为标准计算公顷产量，根据实际种植密度计算各处理的公顷产量结果如表6所示。从表6中可以看出，处理1产量为1.382 4万kg/hm2，处理2的产量为1.430 7万kg/hm2，处理3的产量为1.353 4万kg/hm2。各处理的产量间无明显差异。

表5 不同处理紫花苜蓿产量增产效果

通过分析和校核，核定内蒙古蒙东地区牧区温暖半干旱农业区的灌溉定额为4 200 m3/hm2，在干旱年份，加大计划湿润层深度为45 cm，增加灌溉定额600 m3/hm2，即可保证紫花苜蓿的正常生长。

表6 紫花苜蓿各处理作物需水系数及水分利用率表

通过以上实测资料做紫花苜蓿需水量x(mm)与产量y(kg/hm2)的相关分析，建立经验公式：

y=-0.303x2+361x-93 582

(2)

经相关显著性分析，紫花苜蓿需水量x与y产量相关系数R2=0.94，相关极显著。

紫花苜蓿产量根据测算结果，2012年各处理之间无明显差异，平均产量为1.406 82万kg/hm2，2013、2014年的产量由于灌水量的不同，差距很大，效益按最优考虑，分别为1.368 0、1.463 61万kg/hm2，综合考虑产量，本次效益分析产量采用平均每公顷1.406 82万kg，每公斤1.8元，每公顷产值为2.532 2万元，扣除成本5 995元，纯产值1.932 7万元/hm2；青储紫花苜蓿每公顷产量为69.75 t，每吨300元，每公顷产值为2.092 5万元，扣除成本9 916元，纯产值1.100 9万元/hm2；天然草场每公顷产值3 000 元，扣除收获成本300元，每公顷纯产值2 700 元。根据投入产出分析，种植紫花苜蓿比种植青储紫花苜蓿每公顷多收入8 318 元，比天然草场多收入1.662 7万元。

综上所述，采用紫花苜蓿喷灌高密度种植，节水、节肥、省工，增产，可利于示范和大面积推广。