引黄灌区夏玉米－冬小麦连作实时灌溉制度研究

2023-08-27马建琴张雅琪郝秀平

人民黄河 2023年7期

马建琴张雅琪郝秀平

摘要：为研究夏玉米－冬小麦连作模式下的节水灌溉制度，针对现有实时灌溉预报忽略了实际生产中复种连作的问题，统筹考虑复种连作时上下季作物生育期间隔时段内土壤水分的收支变化，建立了作物连作的实时灌溉预报模型，以三刘寨引黄灌区２０１４—２０１７年夏玉米－冬小麦连作为例进行模型的应用。结果表明：与传统灌溉制度相比，采用该模型所确定的实时灌溉制度其灌溉定额年均减少２０．４％，灌区的灌溉用水量年均节省１４７０万ｍ３，各年度夏玉米－冬小麦总产量分别增加２．４％、２．２％、０．８％，各年度水分利用效率分别提升１３．６％、１２．３％、１８．３％。

关键词：夏玉米－冬小麦连作；引黄灌区；灌溉制度；实时灌溉；水分利用效率

中图分类号：Ｓ２７４．１；ＴＶ８８２．１文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０２２

引用格式：马建琴，张雅琪，郝秀平．引黄灌区夏玉米－冬小麦连作实时灌溉制度研究［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（７）：１２０－１２４，１５６．

黄河下游引黄灌区是我国重要的粮食产出地，农业灌溉用水量占全灌区引黄水量的６０％以上［１］。然而目前大部分灌区仍沿用传统灌溉模式，水资源利用效率低下［２］，工农业及生活用水的矛盾愈演愈烈［３］，因此研究引黄灌区合理的节水灌溉制度、提高用水效率、保证粮食安全显得尤为重要。

国内外许多学者致力于农业高效节水灌溉制度的研究。ＬＩ等［４］提出一种数据同化优化方法（ＣＬＭ⁃ＤＡ）来优化柑橘田的灌水量，节水效果较好。一部分学者运用作物模型模拟作物生长［５－９］，克服了传统田间试验时间和空间的限制，进行不同降水年型作物种植管理、灌溉制度优化等模拟研究，均取得良好的效果。马建琴等［１０－１１］打破水文年型的局限，在实时灌溉方面进行了深入的研究，构建了以短期实时天气信息为基础的实时灌溉预报模型，并用Ｊａｖａ语言编制了网络计算机软件，实现对作物灌溉的远程及实时调控。黄慧雯等［１２］以洪金灌区水稻分蘖期内短期预报为例，开展灌区水稻灌溉制度的实时优化研究，对南方水稻区各轮灌组间精确配水具有普遍指导意义。

以往研究多集中于不同水文年型下灌溉制度的优化，此类研究结果难以应对实际多变的天气状况。而目前有关实时灌溉制度的研究主要以单一作物为研究对象，对不同作物连作模式下的实时灌溉研究甚少，考虑到农业生产过程的连续性与周期性，仅对单一作物的灌溉制度优化难以实现农田水分的综合管理。为此，本文对实时灌溉预报模型进行延伸，加入对上下季作物种植间隔时段内水分收支的考虑，建立夏玉米－冬小麦连作的实时灌溉预报模型，并应用于河南省三刘寨引黄灌区，以期得到基于实时灌溉预报的作物连作模式下的节水灌溉制度。

１．２．４实时灌溉预报具体步骤

１）作物生育期开始时，根据实测资料或上一时段末土壤含水率确定该时段初的土壤含水率。

２）利用实时气象资料计算当日作物需水量，采用水量平衡方程递推该日末的土壤含水率θｉ。

３）判断土壤含水率预测值θｉ与适宜土壤含水率下限θｌ的关系，θｉ小于θｌ时则判断需要灌水，灌至适宜土壤水分上限θｕ，否则无须灌水，进行下一日土壤含水率的预测。

４）作物生育期结束后，把上季作物收获时的土壤含水率作为两种作物种植间隔时段的初始土壤含水率θ′ｉ－１。

５）根据实测降水量Ｐ′ 和裸地土壤蒸发量ＥＴ′ ，利用式（１）预测种植间隔时段末即下季作物播种时的土壤含水率θ′ｉ。

６）判断θ′ｉ与下季作物适宜播种的土壤含水率下限θｌ的关系，θ′ｉ小于θｌ时则判断需要进行播前灌，灌至适宜播种的土壤水分上限θｕ，否则无须灌水，返回步骤１），重复循环此过程实现作物复种连作灌溉制度优化。

１．３主要参数的确定

１）土壤含水率上、下限（θｕ、θｌ）：适宜的土壤水分环境为作物节水高产提供有利条件，夏玉米土壤含水率上、下限见文献［１８］，冬小麦的节水灌溉指标采用文献［１９］的适应性灌溉阈值确定方法，即利用干旱等级标准判断未来５～１０ｄ的干旱状况，进而选取合理的灌水量上、下限。

２）作物系数（Ｋｃｉ）：采用逐日法［２０］进行修正，即把经验值［２１］作为作物系数的初始值，计算作物实际需水量，基于实测土壤水分數据利用水量平衡方程反推作物系数的逐日修正值。２０１４—２０１７年夏玉米与冬小麦作物系数逐日变化如图２所示。

３）灌溉水利用系数（η）：根据河南省三刘寨灌区资料取值为０．５５［２２］。

２结果与分析

２．１夏玉米－冬小麦连作灌溉制度及供水过程

本研究以三刘寨引黄灌区为例，利用２０１４年６月—２０１７年６月的气象资料和实测土壤水分数据进行夏玉米－冬小麦连作模式的实时灌溉预报。表１列出了两种作物复种连作种植间隔期初始和结束时土壤含水率，以及播种前灌溉水量的计算结果。其中，２０１５年冬小麦－夏玉米－冬小麦和２０１６年夏玉米－冬小麦的种植间隔期结束时土壤含水率θ′ｉ均低于适宜作物播种的含水率下限，故在间隔期结束时进行播前灌，各次播前灌溉水量分别为５５３．６、６０３．１、６９９．７ｍ３／ｈｍ２。

夏玉米－冬小麦连作实时灌溉制度见表２。连作模式下年度灌水次数为５～６次，３个年度的灌溉定额分别为３５９０．９、３９２６．０、３２３０．６ｍ３／ｈｍ２。其中：夏玉米全生育期灌水１～２次，各年份灌溉定额分别为１１５２．２、１１９４．７、５８８．６ｍ３／ｈｍ２；冬小麦全生育期灌水４次，各年份灌溉定额分别为２４３８．７、２７３１．３、２６４２．０ｍ３／ｈｍ２。由上述结果可知２０１５—２０１６年度灌溉定额最高，其主要原因是气候因素影响下降水量偏低和蒸发量增加导致作物需水量增加［２３］，故须增加灌水量以维持作物的正常发育。

由图３可知，夏玉米－冬小麦连作模式下３个年度的作物需水量、降水量和灌水量受天气影响均有差异，但３个年度的总体变化趋势基本一致。夏玉米的需水量自播种之日起呈波动上升趋势，于７月下旬至８月上旬达到最大，随后逐渐波动下降。播种后４２～６３ｄ为夏玉米生长发育的关键期，自然降水不能完全满足作物的水分需求时应及时灌水补充，２０１４年、２０１５年夏玉米的灌水日期符合此规律，２０１６年夏玉米仅灌水１次且灌水日期早于需水高峰，究其原因是该年夏玉米播种时的土壤水分受前一季冬小麦灌溉制度的影响而未进行播前灌，同时该年份汛期降水量较大，满足作物生长所需，无须多次灌溉。这也表明连作模式下前一季作物灌溉制度会对后一季作物灌溉制度产生影响。

冬小麦生育期主要处于枯水期，降水量较少［２４］。需水量高峰位于每年４月中旬至下旬（播种后１８０～２００ｄ），该阶段是冬小麦生长发育的关键期。冬小麦需水量在每年１—２月份呈现最低值，此时的冬小麦处于越冬阶段，生理活动缓慢，对水分要求低。越冬后自３月份起需水量呈逐渐上升趋势，其原因是气温回升、日照时数增加，冬小麦逐渐进入快速发育阶段，对水分需求逐渐增加；然而该时段降水量通常不足，故需１～２次灌水补充。

２．２灌区作物灌水量

对于灌区来说，以各作物灌溉定额与种植面积的乘积除以灌溉水利用系数可得该灌区的毛灌溉用水量［２５］。三刘寨引黄灌区夏玉米、冬小麦灌溉定额经验值［２６］与计算值的对比见表３。由表３可知，与传统灌溉方式相比，夏玉米－冬小麦连作模式下的实时灌溉各年度灌溉定额分别减少９０９、５７４、１２６９ｍ３／ｈｍ２，年均降幅约２０．４％；各年度灌溉用水量较经验值分别降低１５８５万、９３６万、１８８８万ｍ３，年均可节省灌溉用水量１４７０万ｍ３，节省幅度达１８．３％。综上所述，作物连作的实时灌溉制度具有良好的节水效果。

２．３灌区产量及水分利用效率

将实时灌溉制度与传统灌溉制度的产量及水分利用效率进行对比，见表４，连作模式的实时灌溉制度可在保证产量的前提下显著提高水分利用效率。结合图４可知，在该灌溉制度下，２０１４—２０１７年３个年度夏玉米－冬小麦产量分别为１３１７８．３４、１３１３１．６９、１２９６１．３５ｋｇ／ｈｍ２，与传统灌溉制度下的产量相比分别增加了２．４％、２．２％、０．８％；各年度耗水量分别为８２７５．６、８２４４．８、７９３８．４ｍ３／ｈｍ２，比充分灌溉耗水量缩减９．９％、９．０％、１４．７％；各年度水分利用效率分别提高了１３．６％、１２．３％、１８．３％，达到了节水增产的效果。水分利用效率受作物耗水量和产量的影响，一定耗水量范围内产量随耗水量的增加而增加，水分利用效率则随二者的增加呈下降趋势。当耗水量超过某一特定值后，产量反而减小，水分利用效率更低［２７］。传统灌溉制度为追求高产稳产而进行及时足量的灌水，这种充分灌溉不仅会增大蒸发损失，过量灌水还会抑制作物的生长发育。非充分灌溉时作物受到一定程度的水分胁迫，而作物自身具有对水分亏缺的适应机制，能在水分胁迫状态下产生补偿作用［２８］，适度的水分亏缺未必会显著降低产量，反而会提高作物的水分利用效率。实时灌溉模型通过灌水上、下限来控制水分胁迫程度，总耗水量随着灌水量的减少而减少，适应性的土壤水分胁迫未使作物减产，水分利用效率明显提高。

３结论

通过分析夏玉米－冬小麦连作时上下季作物种植间隔时段内土壤水分的流入与消耗，建立了作物连作的实时灌溉预报模型，并得到了满足连作种植模式且适应实时天气变化的灌溉制度。研究结果表明：１）在连作模式下，该模型根据土壤墒情和天气的实时动态及时调整灌水方案，灌溉日期与需水关键期基本吻合，灌水量满足非充分灌溉灌水上、下限的要求。２）与三刘寨引黄灌区传统灌溉制度相比，夏玉米－冬小麦连作实时灌溉制度的灌溉定额年均减少９１７ｍ３／ｈｍ２，降幅为２０．４％，该灌溉定额下灌区灌溉用水量年均节省１４７０万ｍ３，降幅为１８．３％，节水效果显著。３）２０１４—２０１７年各年度夏玉米－冬小麦试验产量与充分灌溉的产量相比分别提升２．４％、２．２％、０．８％，耗水量减少９．９％、９．０％、１４．７％，而水分利用效率分别提高１３．６％、１２．３％、１８．３％，达到了节水增产的效果。综上所述，该模型能够为指导引黄灌区节水灌溉、实现农业水资源动态综合管理提供科学依据。

参考文献：

［１］张金萍，肖宏林．黄河流域灌区农业用水研究发展历程与展望［Ｊ］．灌溉排水学报，２０２０，３９（１０）：９－１７．

［２］张金良．黄河流域生态保护和高质量发展水战略思考［Ｊ］．人民黄河，２０２０，４２（４）：１－６．

［３］马海军．引黄灌区推广高效节水灌溉的意义探究［Ｊ］．农业与技术，２０１３，３３（８）：５７．

［４］ＬＩＤ，ＨＡＲＲＩＥ－ＪＨＦ，ＨＡＮＸ，ｅｔａｌ．ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＡｎＯｐｅｒ⁃ａｔｉｏｎａｌＲｅａｌ⁃ＴｉｍｅＩｒｒｉｇａｔｉｏｎＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＳｃｈｅｍｅｆｏｒＤｒｉｐＩｒｒｉ⁃ｇａｔｅｄＣｉｔｒｕｓＦｉｅｌｄｓｉｎＰｉｃａｓｓｅｎｔ，Ｓｐａｉｎ［Ｊ］．ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＷａｔｅｒＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，２０１８（２０８）：４６５－４７７．

［５］張耘铨，刘继龙，聂堂哲．基于ＣＲＯＰＷＡＴ模型的玉米需水量及灌溉制度研究［Ｊ］．灌溉排水学报，２０１８，３７（７）：６７－７５．

［６］陈超飞，柳双环，郭大辛，等．基于ＡｑｕａＣｒｏｐ模型的夏玉米生长模拟及灌溉制度优化［Ｊ］．干旱地区农业研究，２０１９，３７（３）：７２－８２．

［７］梁永辉，王振华，宋利兵，等．基于ＣＥＲＥＳ－Ｍａｉｚｅ模型的新疆滴灌玉米灌溉制度优化［Ｊ］．灌溉排水学报，２０２２，４１（１）：４１－４８．

［８］ＢＡＩＹ，ＧＡＯＪＨ．ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＮｉｔｒｏｇｅｎＦｅｒｔｉｌｉｚｅｒＳｃｈｅｄ⁃ｕｌｅｏｆＭａｉｚｅＵｎｄｅｒＤｒｉｐＩｒｒｉｇａｔｉｏｎｉｎＪｉｌｉｎ，Ｃｈｉｎａ，ＢａｓｅｄｏｎＤＳ⁃ＳＡＴａｎｄＧＡ［Ｊ］．ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＷａｔｅｒＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，２０２１，２４４：１０６５５５．

［９］ＰＥＮＧＺＧ，ＺＨＡＮＧＢＺ，ＸＵＤ，ｅｔａｌ．ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＩｒｒｉｇａ⁃ｔｉｏｎＳｃｈｅｄｕｌｅＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＲｅｓｐｏｎｓｅＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆＷａｔｅｒＣｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｎｄＹｉｅｌｄｆｏｒＷｉｎｔｅｒＷｈｅａｔｉｎＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＰｌａｉｎ［Ｊ］．ＤｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎａｎｄＷａｔｅｒＴｒｅａｔｍｅｎｔ，２０１８（１１８）：２６－３８．

［１０］张振伟，马建琴．基于日需水量的作物非充分实时灌溉预报模型及应用［Ｊ］．水电能源科学，２０１４，３２（４）：１６７－１７０．

［１１］马建琴，李明．作物在线实时灌溉制度研究及其管理软件研制［Ｊ］．节水灌溉，２０１１（８）：５５－５７，６０．

［１２］黄慧雯，程吉林，王明东，等．南方大型灌区水稻田灌溉制度实时优化方法研究［Ｊ］．灌溉排水学报，２０１９，３８（增刊１）：５１－５６．

［１３］卞艳丽，黄福贵，曹惠提．黄河下游三刘寨引黄灌区引水能力分析［Ｊ］．人民黄河，２０１９，４１（１）：１５２－１５６．

［１４］马建琴，郝秀平，刘蕾．北方灌区水资源节水高效智能管理关键技术研究［Ｍ］．郑州：黄河水利出版社，２０１８：５２－７０．

［１５］李鹏飞．多水源灌区水资源实时优化配置［Ｄ］．郑州：华北水利水电大学，２０１６：１６－２３．

［１６］丰尔蔓．灌区实时灌溉预报和用水计划的研究［Ｄ］．杨凌：西北农林科技大学，２０２０：１７－２０．

［１７］刘春伟，邱让建，孙亚卿，等．不同材料和尺寸微型蒸渗仪测定土壤蒸發量［Ｊ］．中国农村水利水电，２０１８（６）：１－５．

［１８］谷红梅，高彦君，陆建红．洛阳地区节水高效小麦玉米连作灌溉制度分析［Ｊ］．人民黄河，２０１４，３６（２）：８５－８９．

［１９］何胜．冬小麦适应性节水灌溉预报与实时配水技术研究［Ｄ］．郑州：华北水利水电大学，２０１６：３９－４２．

［２０］马建琴，李鹏飞，刘蕾．河南地区夏玉米作物系数试验研究［Ｊ］．节水灌溉，２０１６（４）：２４－２７．

［２１］彭世彰，索丽生．节水灌溉条件下作物系数和土壤水分修正系数试验研究［Ｊ］．水利学报，２００４，３５（１）：１７－２１．