基于DNDC模型的北方受旱区农作物灌溉节水模式探讨

2019-03-26周琳琳

水利技术监督 2019年2期

周琳琳

(铁岭市水利工程质量监督站，辽宁铁岭 112000)

对于农业而言，旱灾损失主要是对粮食产量的影响[1]，因此，可以将作物产量作为衡量损失的指标。Zhang指出作物产量是受干旱胁迫的综合结果，因此可以利用作物产量来刻画旱灾损失的高低[2]。Li认为受干旱胁迫情况下的粮食产量与正常情况相比的损失程度可以用于衡量干旱大小[3]。在这一思想主导下，提出了基于因旱粮食损失的旱灾损失动态评估方法[4- 5]，该方法是基于作物产量预测技术，在作物受干旱胁迫条件下，通过对作物生长状态的观测，预测未来粮食最终产量。当前，在北方旱区需要一些灌溉技术为粮食生产安全提供保障。为此本文结合常用的灌水方式和农艺措施，开展膜下滴灌[6]、膜下微喷[7]、膜上灌溉[8]、低压管灌[9]和微喷灌溉[10]等地面灌溉技术对比试验研究，选择出最适宜在北方地区应用的灌溉技术模式，以便在抗击春旱及伏旱保苗、保墒中发挥积极作用，实现玉米稳产高产。

1 DNDC模型主要原理

DNDC模型[10]由6个子模型构成如图1所示，分别模拟土壤气候、农作物生长、有机质分解、硝化、反硝化和发酵过程，这些过程描述了土壤碳氮的产生、分解和转化，最后给出作物生物量、土壤有机碳和CO2、N2O等温室气体通量。其中与本研究关系密切的作物生长模块如图1所示。

2 模型应用

2.1 模型数据收集

模型对气象数据的输入参数为逐日温度(最高、最低温)和降水。本研究取1995—2009年的逐日温度数据和降雨数据进行气象数据集构建。温度数据来源于中国气象局提供的站点数据，属于全要素气象站点数据，包括日最高气温、日最低气温、日降水量、日太阳总辐射、日相对湿度和日平均风速等，辽宁省有28个站点。收集了区域地形数据，如图2所示，此外除了查阅相关文献资料外，进行了野外实地调研，采集作物样品，进行生物量、C/N比值等测量，为模型参数提供实测数据。

2.2 模型参数

土壤数据源为国家第二次土壤调查数据，模型主要考虑土壤的性质(如沙土、黏土、壤土等)，土壤有机碳(SOC)，黏土含量(Clay)，酸碱度(pH)，土壤容重(buck density)等。在区域模拟中，输入参数为这些指标的最大最小值。

图1 作物生长模型结构原理

图2 区域高程地形数据

2.3 作物生长模拟结果

采用1995—2016年的22年数据进行参数率定，见表1建立了区域的本地化数据库。这里以区域2000、2001、2002年的数据来说明DNDC模型运行和参数率定过程，作物生长模拟结果如图3—4所示。

表1 土壤数据示例表

图3 2000、2001、2002年的温度、养分和水分分布曲线

图4 DNDC模型模拟作物逐日生长情况

图3所示分别是3年的积温曲线、养分胁迫曲线和水分胁迫曲线。从图3(a)可以看出这3年的温度状况(胁迫程度)基本一致。对于养分情况，通过调查研究得知，辽宁地区玉米施肥(主要是无机肥)情况良好，基本满足玉米作物的氮肥供应，因此养分(氮)胁迫为1(即不存在胁迫，如图3(b))。而这3年的水分胁迫相差较大，其中2000年的水分胁迫最严重，2001年次之，2002年再次。

图4所示DNDC模型模拟这3年玉米作物的籽粒和茎叶的逐日形成过程，通过生物量的多少来表示，其中籽粒即是玉米的产量，经过转换系数的转换可以得到单产的产量。从图中可以看出，受水分胁迫最严重的2000年的作物生物量(产量)最小，而相对的受水分胁迫最轻的2002年的生物量(产量)最大。图中同时反映了作物的生长关键期，不同的生长时期作物的生物量增长速率不同。

2.4 灌水模式对作物生长期株高影响

对不同灌溉节水模式下作物生长期的株高进行了模拟试验，试验结果见表2。

表2 不同灌水模式下玉米生育期株高数据表

从表2中可看出，对于2013年中MWP以及GG灌溉节水模式下的作物株高明显高于其他节水模式，在2014年及2015年，各灌溉节水模式下作物株高都较为相近。对于农作物而言，其作物株高是其高粮食产量的主要基础，在相应灌溉节水模式下的作物株高均可以在生育期间达到一定程度的高值，由于不同节水灌溉模式的不同，不同作物生育期的株高发育程度不同，总体而言，膜下微润灌>膜下微喷>膜下滴灌>传统灌溉>管灌与微喷联合灌>微润灌>无灌溉，在后续补水的过程中，农作物的株高变化趋势较为一致。在WPGG、GG两个灌水模式下，由于没有覆膜，使得在生长前期株高较低，后期呈现明显的递增变化，而在MWR模式下，其后期作物株高变化较为平稳。

2.5 灌水模式对作物生长期叶面积影响

对不用灌水模式下的作物生长期的叶面积指数进行动态分析，试验分析结果见表3。

表3 不同灌水模式下玉米生育期叶面积数据表

从试验结果分析可知，不同灌溉节水模式下作物叶面积指数呈现单峰变化，在作物拔节期叶面积指数的增长数据较为缓慢，而在拔节后叶面积指数迅速增长，在作物灌浆期叶面积指数达到最大程度，而在作物生长后期，其叶面积指数出现一定程度的下降变化趋势。在作物的整个生长期内，农作物叶面积指数和灌溉节水的模式以及农作物耕种方式均具有较大的相关性。在WR和CK两种灌溉节水模式下，为进行覆膜处理要比覆膜处理方式下的叶面积指数要小，而在整个作物生长期内，不进行节水灌溉方式下的叶面积指数均小于各个时期的叶面积指数。从试验数据可看出，WPGG与GG两种节水灌溉方式下，在苗期与拔节期，WPGG方式下的叶面积指数均小于同期GG灌溉节水方式下的叶面积指数。而MWR与WR相比下，在苗期与拔节期，MWR处理方式下的叶面积指数要小于WR方式下的叶面积指数。

2.6 灌水模式对作物耗水量影响

对不同灌水模式下的作物耗水量进行了试验分析，试验分析结果见表4。

表4 不同灌溉技术模式下玉米各生育阶段日均耗水量单位:mm

从表1中可看出，作物在生长前期的耗水量较小，而在生长中期耗水量逐步变大，在成熟期呈现逐步减小的变化趋势。从2013年作物生长初期可看出，由于初期作物株高较低，气温影响下的蒸散发较小，各种灌溉节水方式下的作物日耗水量较小比例在0.08～0.36mm/d之间，而在2014年作物各生长期的日耗水量减小比例在0.08～0.36mm/d之间，在2015年作物各生长期的日耗水量递减比例在0.03～0.31mm/d之间，作物育苗期产量递减25%左右。这样表明了在未覆膜处理方式下的作物耗水量得到有效减少，在作物育苗期程度逐步加大，随着气温的增加以及作物株高的增长，作物耗水量也逐步增加。