河套灌区向日葵节水灌溉预报模型研究

摘要：以内蒙古西部主要经济作物向日葵为例，基于农田水分平衡原理，利用田间水分控制试验得出了向日葵不同生长发育阶段的需水规律、适宜土壤水分含量及作物系数动态计算式，确定了向日葵灌溉指标，建立了适合河套灌区的向日葵动态灌溉预报模型，实现了向日葵灌溉日期和灌溉量的滚动预报。通过内蒙古巴彦淖尔市2005—2018 年向日葵农业气象常规观测的历史资料和相应气象资料对系列方程式，对动态灌溉预报模型的准确性和适用性进行验证。结果表明，预报灌溉日期与实际灌溉日期相差在2 d及以下的占71%，实际灌溉经验基本符合向日葵的需水要求，表明灌溉模型的准确性和适用性较强，但仍有部分特殊年份依靠传统经验确定灌溉日期，出现多次灌溉现象，导致水资源的浪费。向日葵基本以每年灌溉2次就能满足生长需要，而且通过计算得到的灌溉量也较传统的估算更为精确。

关键词：河套灌区;向日葵;节水灌溉;灌溉日期;灌溉量;灌溉预报模型

随着现代农业发展的需求，发展节水农业是缓解我国水资源日趋紧张、促进国民经济稳定发展的重大战略措施之一，也是未来农业发展的方向[1]。节水农业的发展主体是节水灌溉，节水灌溉的关键是提高水分利用率，即包括什么时间灌溉和灌多少的问题[2-4]。向日葵是内蒙古西部地区的重要经济作物之一，对该区域的经济发展有着重要的促进作用[5-6]。内蒙古向日葵种植面积占全国向日葵种植面积的70%～80%，是我国向日葵的主产区。向日葵以其耐盐碱的特性，主要种植在内蒙古河套灌区，近年来，面对黄河水资源日趋紧缺，引黄河水量指令性缩减的严峻形势，迫切须要大力推进节水灌溉工程发展，提高灌溉技术水平和灌溉用水管理，才能确保科学、高效地利用水资源。此外，当地主要采取漫灌方式进行灌溉，导致农业用水浪费和土壤盐碱化现象非常严重。因此，构建和优化向日葵节水灌溉动态预报模型，可为河套灌区水资源管理和高效利用提供科学依据和可行性方案。

节水灌溉正在从注重工程建设向水资源优化配置转变，以满足现代农业可持续发展的全面要求[7]。国内很多学者围绕农田灌溉指标的确定、农田灌溉管理模型等水资源优化配置方面做了大量的研究工作[8-11]。侯琼等通过产量、水分利用效率和经济效益三者的有效统一，建立了内蒙古主要灌区春小麦、春玉米农田优化灌溉指标[12-13]。肖晶晶等基于农田水分平衡原理、非充分灌溉理论和调亏灌溉理论，构建了棉花和冬小麦不同发育期和全生育期节水灌溉气象等级指标，但由于缺乏灌溉量数据，最终采用灌水次数来反映水分亏缺等级[14-15]。何胜以冬小麦适应性非充分实时灌溉理论为基础，建立了冬小麦水资源实时优化配置模型[16]。武荣盛等依据农田土壤水分平衡理论，建立了适合内蒙古东北部旱作农区的大豆灌溉动态预报模型[17]。国外对于节水灌溉预报的研究，除了传统的农田灌溉指标研究外，更侧重于智能灌溉应用研究[18-20]。大量的研究结果都为水资源优化配置提供了很好的技术支撑。然而，现有的节水灌溉指标由于受作物种类和地域性的差异限制，局地适用性虽然较好，但仍有许多成果不能直接搬用到其他地区[21-22]。因此，针对当地主要作物必须建立符合区域特点的灌溉管理体系。本研究依据农田土壤水分平衡理论，按照节水灌溉基本原则，结合向日葵田间水分控制试验，以期得出不同生长发育阶段的需水规律、适宜土壤水分含量及作物系数动态计算式，基于地面气象观测、农业气象观测、土壤水分等数据，结合未来5 d的降水定量预报，建立适合河套灌区的向日葵动态灌溉预报模型，进行区域灌溉日期和灌溉量的动态预报，旨在为河套灌区优化水资源配置和发展节水农业提供科学依据。

1 数据来源

灌溉日期和灌溉量预报方程中的参数，主要来源于2012—2014年在内蒙古巴彦淖尔市农业气象试验站开展的田间水分控制试验，试验数据包括向日葵整个生育期内的适宜水分指标、作物系数（Kc）动态计算式和土壤特征参数（土壤容重、田间持水量、凋萎湿度）等。灌溉预报模型适用性检验数据来源于巴彦淖尔市2005—2018年向日葵农业气象常规观测的历史资料，包括土壤水分、灌溉量和发育期等。气象资料采用同期气象站常规观测逐日数据。

2 向日葵灌溉日期和灌溉量预报模型的建立

2.1 向日葵灌溉日期预报方程

式中：Ws为某一生长期起始日计算的土壤含水量，mm;We为某一生长期结束日计算的土壤贮水量，mm;R为生长期内有效降水量，mm;Q为生长期内灌水量，mm;Wm为生长期内根层土壤水分通量，正值表示地下水补给量，负值表示根层水渗漏量，mm;TEC为生长期内农田蒸散量，mm;L为生长期内地表径流量，mm。由于河套灌区地处干旱区，地下水位一般大于5 m，降水量少，降水强度比较小，且灌溉农田地势平坦，产生渗漏、地表径流和地下水上升补给的水量均比较少;因此为了方便实际应用，Wm和L在研究中可忽略不計，而Q在预报灌溉前也为0。综上所述，公式（1）可简化为

当公式（2）达到平衡时，即生长期内允许消耗的水分含量为0时，所对应的日期将被视为可能灌溉日期。在已知Ws和We后，可利用逐日实时气象资料滚动计算R和TEC的累计值。在实际灌溉服务中，以候（5 d）为时间步长，提前5 d做出灌溉预报。设未来5 d的农田蒸散量为TEC，未来5 d 的降水量根据1981—2010年30年的平均值和天气预报结果计算调整。因此，公式（2）可改写成

式中：Wi为生长期内允许水分散失量，mm;∑in=1R 和∑in=1TEC分别为实际降水量、蒸散量的累计值，mm;∑i+5n=i+1R′和∑i+5n=i+1TEC′分别为未来5 d的降水量、水分蒸散量的累计值，mm。当 Wi等于或接近0时所对应的日期，即为可能灌溉日期。根据天气预报内容不断修正预报结果，形成滚动灌溉预报模型。

2.1.1 灌溉日期预报方程中参数的确定

2.1.1.1 初始土壤水分贮量Ws 以向日葵播种后第1次观测到的0～50 cm土壤含水量作为初始土壤有效含水量，之后Ws为灌水后的初始值，即灌水后的含水量上限值，Ws取田间持水量的90%。

2.1.1.2 ∑in=1R和∑i+5n=i+1R′ ∑in=1R为测定Ws或灌水期内每日的实测有效降水量的累计值;∑i+5n=i+1R′ 为第i天后，即第i+1至i+5天的预测有效降水量之和，根据天气预报不断修正降水量预报。

2.1.1.3 生长期末的We（设定灌溉指标时的土壤有效水分贮量） 通过不同的土壤含水量对不同生长期向日葵的生长状况和光合生理的影响分析，得出向日葵生长期适宜土壤含水量如下：2对真叶到花序形成期土壤含水量以55%～70%为宜;花序形成到开花后1周是向日葵的需水关键期，土壤含水量保持在70%～90% 为宜;开花后1周到成熟期土壤水分以55%～70%为宜，依据以上结论确定生长期末的We[26]。

2.1.1.4 ∑in=1TEC和∑i+5n=i+1TEC′ ∑TEC和∑TEC′分别为实际水分蒸散量和預测实际蒸散量的累计值。河套灌区水分的可能蒸发量和实际量蒸散有明显的差异，须要通过作物系数进行订正，实际蒸散量的计算公式如下：

式中：Q计为灌溉量，m3/hm2;h为计划湿润层深度，根据不同生长期向日葵根系的伸展深度确定（表3），m;γ为土层平均质量，t/m3;W上为适宜土壤含水量上限，取田间持水量的90%;W下为土壤含水量下限，本研究根据作物不同生长期通过“2.1.1.3”节中提出的灌溉指标We确定;η田为田间水有效利用系数，本研究取0.95。

3 灌溉预报模型的检验

为了验证河套灌区向日葵灌溉预报模式及相关公式的准确性和适用性，本研究利用内蒙古巴彦淖尔市2005—2018 年向日葵农业气象常规观测的历史资料和相应气象资料对系列方程式进行验证。其中，第1次灌溉以播种日测定的土壤相对含水量作为Ws，第2次及第3次灌溉Ws取田间持水量的90%。We取发生干旱时土壤的相对含水量或者生长期灌溉量最小值。标准作物系数由热量变量方程和叶面积指数方程进行修正计算，得到作物系数的动态计算式。按照公式（3）、公式（9）计算灌溉日期和灌溉量，并将其与We出现日期或实际灌溉日期进行比较（表4）。通过预报灌溉日期与实际日期对比发现，二者相差在0～19 d，其中相差时间为2 d及以下的占71%，说明灌溉日期预报方程的准确性较高。结果相差较大的是2007年和2010年的第1次灌溉，通过近灌溉日期逢8的土壤含水量观测数据可以看到，这2年第1次灌溉前的土壤相对湿度都在70%以上，土壤含水量完全能够满足作物当时的需水要求;但田间管理更多的是按照发育期或者当地灌溉习惯进行，如果按照土壤实际情况，灌溉日期可以往后推几天，可实现节水灌溉。第1次灌溉的误差直接影响了第2次灌溉的日期预测，去掉这2年的第1次灌溉预报日期，预报灌溉日期与实际日期相差时间在0～7 d内。通过预报灌溉日期的计算也发现，向日葵整个生育阶段基本以2次灌溉为主，第1次灌溉在花序形成前期进行，第2次灌溉基本在花序形成到开花期进行，实际灌溉经验基本符合向日葵生长的需水要求，但应以实际土壤水分情况而定，例如2010年6月24日可不进行灌溉，而在7月28日要进行灌溉，以实现节水优化灌溉。2007年进行了3次灌溉，第3次灌溉日期处于向日葵开花后1周到成熟期，当时灌溉土壤相对湿度为7187%，土壤湿度完全能够满足作物需水要求，且向日葵逐渐进入成熟阶段，此时作物的需水量逐渐降低，此时段的灌溉可以取消，以实行节水优化灌溉。

在农业气象观测记录中，传统的灌溉量基本为1 050 m3/hm2;但在实际灌溉中，灌溉量应根据作物不同生长期的土壤含水量和根系的伸展深度等因素确定。本研究计算的灌溉量在820～1 450 m3/hm2 之间，且第1次灌溉量基本高于第2次灌溉量，这主要由于第1次灌溉日期距播种日期远长于距第2次灌溉日期，同时当地降雨集中在7月下旬到8月上旬，生长期降雨对实际灌溉用水补充作用明显。

4 结果与讨论

灌溉是预防或减轻旱灾的有效手段，节水灌溉已成为农业可持续发展的重要手段之一，是我国农业现代化的必然选择，适时适量灌溉是节约日益匮乏的有限水资源的主要途径之一[31]。本研究以内蒙古西部河套灌区主要经济作物向日葵为例，根据农田土壤水分平衡原理，利用地面气象观测站2005—2018年逐日气象资料、巴彦淖尔市农业气象试验站2005—2018年逐旬土壤含水量数据，以及实际灌溉量、发育期等资料，结合向日葵田间水分控制试验得出的向日葵不同生长期的需水规律、适宜最低土壤含水量下限及作物系数动态计算式，确定了向日葵灌溉指标，建立了适合河套灌区的向日葵灌溉预报模型，并在实际灌溉服务中进行了验证。通过热量变量方程计算标准作物系数，结合作物系数的动态计算式和其他参数计算式，得到灌溉日期和灌溉量预报结果，并将其与We出现日期或实际灌溉日期进行比较。结果表明，预报灌溉日期与实际日期相差2 d及以下的占71%。同时通过灌溉预报日期的计算发现，向日葵基本每年灌溉2次，实际灌溉经验基本符合向日葵的需水要求，但应以实际土壤水分情况而定。在农业气象观测记录中，传统的灌溉量是1 050 m3/hm2，本研究得出的灌溉量较传统灌溉量的估算更为精确。河套灌区的向日葵灌溉预报模型的建立综合考虑了土壤、作物和大气连续系统中的水分传输进程，使用的大多数资料是已知的气象资料和田间试验结果，保证了模型精度，因而预报结果比较可靠，为开展实时、有针对性的向日葵节水灌溉气象服务提供科学依据。但由于本研究中的预报模式是在一定的地区和作物条件下建立的，其参数能否在相似地区直接套用，还有待于进一步验证。

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