河套灌区小麦套种玉米灌溉制度研究

李生勇，韩翠莲，郭彦芬，霍轶珍

(内蒙古河套学院土木工程系，内蒙古 巴彦淖尔 015000)

随着水资源短缺日益严重及科技不断进步的现状，对水资源进行合理利用及调配已然成为亟待解决的问题。根据统计数据显示，我国农业用水占全国总供水量的65%左右，节水的关键在于农业节水。

小麦/玉米套种是河套灌区常规的立体种植模式，而立体种植模式下，由于不同作物间存在对水分与养分的竞争，同时受作物播种时间及株高的影响，使其在光能、热能等的利用能力方面差异较大[1-4]，这也最终体现在对产量方面的影响。立体种植高效技术主要包括田间灌水技术和灌溉制度的确定[5]，国内外研究者对立体种植做了大量的研究，并且取得了很多研究成果[6-11]。本文在前人研究基础上，基于大田试验数据，采用作物水模型Jensen模型对小麦套种玉米的灌溉制度进行优化，旨在为河套灌区立体种植模式下的节水灌溉提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

该试验于2012年在内蒙古巴彦淖尔市临河区双河镇进行，该地区属典型的中温带干旱大陆性气候，多年平均降雨量为140 mm，平均气温6.8 ℃，平均日照时数3 229.9 h，无霜期130 d左右。试验区以砂质壤土为主，0～100 cm土壤平均容重1.45 g/cm3，土壤全氮、全磷、全钾质量比为0.093%、0.07%、1.60%、有机质1.2%，平均pH值7.6。地下水埋深年内变化在0～3 m之间，灌溉水源为黄河水，平均矿化度0.6～0.8 g/L之间。

1.2 试验设计

整地后，按当地小麦套种玉米常规栽培管理模式进行种植管理，试验材料采用灌区常规品种，小麦品种为永良4号，生育期为120 d左右；玉米采用西蒙6号，覆膜种植，生育期150 d左右。

小麦套种玉米全生育期内灌6水(5月6日、5月19日、6月10日、7月15日、8月3日、8月23日)，其中小麦灌前4水，玉米灌后4水。重点考虑小麦生长季拔节、抽穗、灌浆和玉米抽雄、灌浆期5个关键生育期的差异，试验设5个灌水水平，3次重复，其中CK为对照处理，具体试验处理如表1所示。

表1 小麦套种玉米试验处理设计表 m3/hm2

1.3 测试项目及方法

采用土钻取土，烘干称重法测定土壤含水率，每7 d观测一次，播前、灌水前后及降雨后加测，取样深度100 cm，每20 cm为一层。采用皮尺测量试验区地下水埋深，每5 d观测1次，灌水和降雨后加测；采用田间微气象站采集生育期内气象数据；收获时单打单收，测定各试验处理小区的小麦、玉米产量。

1.4 作物耗水量、水分生产函数的确定

1.4.1作物生育期耗水量的确定

采用水量平衡法计算：

ETc=I+P+K-Wr-D

(1)

式中：ETc为作物阶段实际耗水量，mm；I为灌溉水量，mm；P为有效降雨量，mm；K为地下水补给量，mm；Wr为土壤储水量变化，mm；D为深层渗漏量，mm。

1.4.2作物水模型确定

本文采用以阶段相对腾发量作为自变量与相应阶段(i)敏感性幂指数λi表征的M.E.Jensen)模型。

(2)

式中：Ya为作物实际产量，kg/hm2；Ym为作物最大产量，kg/hm2；ETa为各阶段实际蒸发蒸腾量，mm；ETm为充分灌溉条件下的各阶段蒸发蒸腾量mm；λi为作物第i生育阶段的水分敏感性指数。

1.4.3作物生育阶段划分

小麦套种玉米生育阶段划分见表2。

表2 小麦套种玉米生育阶段划分

2 结果与分析

2.1 作物各生育期日耗水强度变化

对上述各个分量计算确定后，利用水量平衡原理计算得到作物生育期内日耗水强度变化如表3所示。

表3 不同处理条件下各生育阶段日需水强度 mm/d

注：小写字母代表各指标不同处理间5%显著水平的差异性，大写字母为1%显著水平的差异性。

由表3可知，不同灌水处理水平下作物生育期内日需水强度大小不一，各处理间差异性大多达到显著或极显著水平(P<0.05或P<0.01)，小麦生育初期和玉米生育末期日耗水强度较小，平均为1.602和2.338mm/d，随小麦及玉米生长加之气温升高，相应的耗水量增大，且不同处理需水强度差异性日趋显著。全生育期来看小麦套种玉米各生育阶段日需水强度规律为：小麦旺盛期(玉米中期)>小麦中期(玉米初期)>小麦末期(玉米旺盛期)>玉米末期>小麦初期。

2.2 不同水分处理对作物产量和水分生产率的影响

适宜的水分条件是保证作物正常生长的限制性条件，过多或过少都会影响到作物产量的形成。由表4可知，XY1小麦产量最高，达到4 758.9 kg/hm2，分别较处理CK、XY2、XY3、XY4产量高2.01%、2.78%、22.09%和16.35%，差异达到极显著性水平(P<0.01)，这是由于处理XK2和XK3在分蘖和灌浆期的关键生育期受到了一定的干旱水分胁迫作用，最终影响到了产量的形成；处理CK、XK4在拔节和抽穗期进行充分灌溉，而该年份此阶段降雨较多，灌水后地下水位壅高，小麦在一定程度上受到了渍害，影响到了小麦的正常生长。

通过对比不同处理玉米产量发现，处理CK产量最高，达到9 116.9 kg/hm2，分别较处理XY1、XY2、XY3、XY4高4.20%、24.19%、35.19%和16.50%，差异达到极显著性水平(P<0.01)。分析原因发现，第三、四水时玉米正处于生殖生长期，适当增加灌水量可显著促进植株生长，有利于增加产量，同时对比发现玉米抽雄期及灌浆期增加灌水量可显著提高产量，而受水分亏缺的胁迫的作用减产幅度较大。通过对两种作物水分生产率的分析发现，处理XY1、XY2水分生产率分别达到2.73和2.66 kg/m3，极显著高于其他处理(P<0.01)，分析原因，在作物生育前期生长缓慢，需水量较小，同时在小麦拔节及抽穗期的生育阶段降雨较多，进行充分灌溉无疑会降低水分生产率。

表4 不同处理条件下作物产量和水分生产率

注：大写字母代表各指标不同处理1%显著水平的差异性。

2.3 作物水模型的确定

运用已知函数对作物产量进行预报和模拟，首先需确定相应阶段的水分敏感指标。本文采用最小二乘法将作物-水模型Jensen模型转换为求解线性方程组，然后采用多元线性回归方法求解敏感指标。具体求解方法如下。

(3)

可得到线性方程：

(4)

经计算得小麦套种玉米各生育阶段优化灌溉制度参数如表4。

表5 小麦套种玉米各生育阶段优化灌溉制度参数表

2.4 灌溉制度优化

灌溉制度的优化即在限制灌溉水量的条件下，为达到作物品质优良、高产的目标，对不同作物及作物的不同生育阶段以作物水分生产函数为依据，根据土壤含水率的变化动态、降雨补给、地下水补给等情况，在各生育阶段分配灌溉的可供水量，对灌水量进行最优分配。本试验利用Jensen模型，采用二维动态规划原理来确定小麦套种玉米的节水灌溉制度，计算结果如表6所示。

表6 小麦套种玉米优化灌溉制度表

由表6 可知随灌水量增加作物相对产量增加显著，灌水量由385 mm增加到505 mm时，相应的相对产量由0.634 6提高到0.980 2，但灌水量增加到485 mm后再增加灌水量增产效果不再明显，且均接近最大产量。综合考虑小麦套种玉米全生育期以460～485 mm的灌溉供水量为宜。相应的优化灌溉制度为小麦分蘖-拔节期95 mm，拔节-抽穗期105～110 mm，抽穗-灌浆期65～70 mm，玉米拔节-抽雄期95～105 mm，抽雄-灌浆期100～105 mm。且在供水量一定的情况下，优先保证作物各生育阶段敏感指数较大的生育阶段对水分的需求。

3 结 论

(1)不同处理条件下全生育期小麦套种玉米各生育阶段日需水强度规律为小麦旺盛期(玉米中期)>小麦中期(玉米初期)>小麦末期(玉米旺盛期)>玉米末期>小麦初期。

(2)通过多元线性回归方法求解敏感指标得到敏感性指数小麦拔节-抽穗期(0.335 6)>玉米拔节-抽雄期(0.320 7)>玉米抽雄-灌浆期(0.310 2)>小麦分蘖-拔节期(0.305 0)>小麦抽穗-灌浆期(0.143 2)。

(3)利用Jensen模型确定了小麦套种玉米水分生产函数，并对其灌溉制度进行了优化，以产量最大为目标函数得出小麦套种玉米最优灌溉制度为：小麦分蘖-拔节期95 mm，拔节-抽穗期105～110 mm，抽穗-灌浆期65～70 mm，玉米拔节-抽雄期95～105 mm，抽雄-灌浆期100～105 mm。

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