内蒙古东部干旱年份玉米需水规律及灌溉制度优化

王颖辉，汤鹏程，李曙光，田雨春，李嘉琪

(1.通辽市水利规划设计研究院， 内蒙古 通辽 028000；2.水利部牧区水利科学研究所， 内蒙古 呼和浩特 010018；3.内蒙古通辽市水利技术推广站， 内蒙古 通辽 028000； 4.科尔沁区丰田灌溉试验站， 内蒙古 通辽 028000)

内蒙古东部土地资源丰富，光热资源较好，是我国最重要的粮食主产区之一。近年来，在全球气候变暖的大背景下，内蒙古东部区的气候出现显著变化，总体表现为降水量逐年减少，平均气温逐年提高，干旱年份出现频率增多[1]。各地春旱频率高达70%以上，特别是近十年来春旱频率已达90%以上，夏、秋连旱频率50%～60%。农业灌溉用水量过大，农业灌溉水利用系数低，水分生产率低，水资源短缺已经成为阻碍当地发展的主要因素之一[2-3]。

通辽市是内蒙古“节水增粮”计划实施的重点地区，为此，以通辽市丰田试验站3 a(2009—2011年)的试验观测为例开展研究。根据通辽市水资源公报，2011年全市用水量29.29 亿m3，第一产业农业用水量高达24.56 亿m3，占全市总用水量的83.87%，远高于全国农业用水占总用水量65%的水平[4]。在可开发利用水资源总量一定的前提下，农业用水只能是零增长或负增长。因此，全面了解该地区作物需、耗水规律对于发展高效节水农业，提高作物的水分利用效率，制定合理的灌溉制度具有重要的意义[5]。针对当地广泛种植的作物——玉米在干旱年份的需水规律开展研究，为内蒙古东部地区有限水资源的合理配置提供理论依据[6]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验选址在通辽市科尔沁区，属北温带大陆性季风气候区，为干旱、半干旱性气候，平均海拔为186 m，四季分明，春季多风少雨，夏季炎热，秋季凉爽，冬季干燥寒冷。年平均气温为6.2℃，境内光能资源充足，年日照总时数为2 967 h，多年平均降雨量为382.1 mm，降雨量年内分配很不均匀，春季4—5月份降雨量占全年的13%，夏季降雨集中在6—8月份，占全年的69%。多年平均风速为3.9 m·s-1，春季风大，最大瞬时风速达29 m·s-1。

1.2 试验处理及方法

供试玉米品种为郑单958，种植模式均垄种植，垄间距60 cm，株距24 cm，种植密度在6.3×104～6.6×104株·hm-2。试验共设6个处理，每个处理3个重复，共18个小区，每个小区面积为3.6 m×50 m=180 m2，试验区外围设有3.6 m宽保护区，试验区总面积0.45 hm2。试验处理按土壤水分加以控制，灌水下限通过土壤墒情监测设备(TDR)进行观测，2 d观测一次，降雨或灌溉后加测一次，并以不灌溉为对照(CK)(表1)。

试验田耕作层0～25 cm为壤土，25～80 cm为粘土，80～100 cm为粘土含砂层；耕作层土壤容重1.24 g·cm-3，孔隙度55%，田间持水率33.3%。

表1 玉米试验处理设计 Table 1 Design of experimental treatments of corn

注：表中所列含水率均为下限值，其上限为田间持水量的90%；各阶段水分条件指占田间持水量的百分比。

Nota：moisture content listed in the table are the lower limit value； each stage of the moisture conditions refers to the percentage of field capacity.

表2 各年度玉米不同生育阶段降雨分布 Table 2 The annual rainfall distribution at different stage of corn

1.3 玉米生育期内灌溉定额及生育阶段划分

内蒙古东部区玉米在5月初播种，9月下旬收获，全生育期约135 d，具体播种、收获时间视当年实际生产情况而定。2009—2011年玉米生育阶段划分具体见表3。

表3 玉米不同年份生育期(M-d) Table 3 The corn growth stage of different years

田间试验采用水表记录灌溉水量。针对实测含水率，计算各小区具体灌水定额，对不同小区同时灌水。不同年份各处理实际灌水数据详见表4。

2009—2011各年度玉米生育期气候资料见表5。气象资料采用当地气象站的数据，包括2009—2011年5—9月逐日温度、蒸发、日照、最高温度、最低温度、2 m高处风速、相对湿度和日照时数等。降雨数据见表6。

表4 各年实际灌水量/(m3·hm-2) Table 4 The actual irrigation of different years

表5 2009—2011年的气候数据 Table 5 The climate data of the year from 2009 to 2011

2 结果与分析

2.1 降雨频率分析及水文年划分

依降水保证率的不同，将通辽地区不同年份划分为干旱水文年、正常水文年和湿润水文年(一般把保证率小于37.5%的降雨年份作为湿润水文年,保证率介于37.5%～62.5%之间的降雨年份作为中等水文年,保证率大于62.5%的降雨年份作为干旱年,而把接近95%保证率的年份作为特别干旱年)。

根据作物生育期内有效降雨量，采用多年降雨资料排频，通过对该地区1980—2011年作物生育期内降雨资料分析划分不同水文年份：作物生育期有效降雨量327 mm以上为湿润年；介于259～327 mm为一般年；259 mm以下为干旱年。2009—2011年，玉米生育期内有效降雨量分别为212.9、242.3、209.0 mm，均属于干旱年份。由各年度水文年划分(表6)可知，近30 a内(1980—2011年)枯水年占总年份的37.5%，近20 a内(1992—2011年)枯水年占总年份的50%，近10 a来(2002—2011年)玉米枯水年占到70%；降水量逐年减少趋势明显，干旱年份频率显著增多[4]。

表6 玉米生育期内降雨分析及水文年划分 Table 6 Rainfall analysis and hydrological year divided in maize growth period

2.2 不同处理各生育阶段耗水量与耗水强度分析

作物田间耗水量是指作物从播种至收获整个生育期内消耗的水量。由表7可知，内蒙古东部干旱年份玉米全生育期耗水量介于246～410 mm之间，充分灌溉条件下玉米在干旱年份耗水量为400 mm左右。分析玉米各处理不同生育阶段的耗水量得出，玉米各生育阶段耗水量在33～158 mm之间，变幅较大。且各生育阶段耗水量总体变化呈拔节期、抽雄期较高，苗期、灌浆期较低的趋势。说明在拔节期、抽雄期作物生长速度快，叶面蒸腾增大，耗水量大。

耗水强度是指作物在单位时间内的耗水量，掌握作物不同生育阶段的耗水强度即可求出作物全生育期内的需水量，而作物需水量是制定灌排工程规划、设计、管理和农田灌排实施的基本依据，可见耗水强度的重要性[7-9]。虽然2009—2011年均是干旱年份，但不同年份间耗水强度略有区别。2009年日耗水强度介于1.20～6.60 mm·d-1之间，耗水强度整体呈生育中期高，生育前、后期较低的趋势，该趋势与生育期内耗水量变化趋势具有一致性。2010年日耗水强度介于0.90～4.30 mm·d-1之间，与2009年相比，日耗水强度变化趋势近似，个别处理变化有所不同，与该处理生育期内遭受水分胁迫有直接关系。2011年日耗水强度在0.79～4.95 mm·d-1之间，其变化趋势与2009、2010年相似。综上可得，内蒙古东部区干旱年玉米各生育阶段耗水强度从大到小的顺序为抽雄期、拔节期、灌浆期、苗期。

2.3 玉米产量及水分生产率

水分胁迫对作物的新陈代谢、生理生长等均会产生一定影响。水分胁迫的程度、阶段不同，产生结果不同；水分胁迫也将使作物产生抗逆性，迫使作物根系向深层生长，增强土壤水分的利用率。分析不同处理玉米产量、减产率、水分生产率，结果表明，玉米不同生育阶段水分胁迫条件下均会造成一定幅度的减产。作物水分生产率(WP)计算公式如下：

WP=Y/ET

(1)

式中，Y为作物产量(kg·hm-2)；ET为作物耗水量(作物蒸发蒸腾量，m3·hm-2)。

造成的减产程度取决于水分胁迫阶段。玉米在自然状态下(CK)减产率高达16.9%以上；苗期水分胁迫处理(W2处理)减产率最低，介于0%～3.7%之间；拔节期水分胁迫处理(W3处理)减产率4%～5%；抽雄期水分胁迫处理(W4处理)减产率8%～15%；灌浆期水分胁迫处理(W5处理)减产率4%～11%。可见抽雄期干旱对玉米产量影响最大，其次是拔节期、灌浆期、苗期。

表7 玉米不同处理各生育阶段耗水量/mmTable 7 The water consumption on different growth stage of corn

图1 2009—2011年玉米不同处理各生育阶段耗水强度

Fig.1Differentwaterconsumptionofcornonvariousgrowingstagesintheyearof2009—2011

分析2009—2011年各处理水分生产率可得(表8)，每年对照处理(CK)水分生产率最高。由于CK为雨养农业，干旱年份耗水量较小，水分生产率较高，但是与充分灌溉(W1处理)相比，CK减产幅度特别明显，严重水分亏缺会导致大幅减产。各处理中，抽雄期水分胁迫(W4处理)导致水分生产率不高，故认为该生育阶段水分胁迫会对最终产量产生重大影响。苗期水分胁迫(W2处理)的水分生产率高于或接近无水分胁迫(W1处理)的水分生产率，拔节期与灌浆期水分胁迫处理(W3、W4处理)的水分生产率略低于W1处理。综上所述，对不同生育阶段有效的水分胁迫可提高水分生产率，个别时期水分胁迫不会造成减产。随着玉米耗水量的增加，产量持续增加，而水分生产率先升后降，因此实际生产中不能盲目追求产量最大，在获得较高产量的同时，也需兼顾水分生产率的提高，寻求两者之间的平衡点，使内蒙古东部区干旱年份有限的水资源得以发挥最大效益。

2.4 玉米干旱年份非充分灌溉制度优化

2.4.1 作物-水模型选择 当分配给区域上某种作物的总灌溉水量(灌溉定额)小于该作物整个生育期的总灌溉需水量时，如何将总灌溉水量分配到作物的各生长阶段，使得供水不足时获得最好的产量，这就是在一定的总灌溉定额(非充分灌溉)下最优灌溉制度，即一定的总灌溉水量在农作物生长期的最优分配。已有研究认为Stewart模型较适合内蒙古东部地区的玉米生长特点，对总产量反映灵敏度高，能体现作物各阶段水量对产量的影响[10]。故采用Stewart模型，表达式为：

(2)式中，Ya为作物实际产量；Ym为作物最大产量；ETa为全生育期实际蒸发量；ETm为全生育期最大蒸发量；为作物不同阶段(i)缺水对产量的敏感系数。表8 各处理需水量、产量及水分生产率Table 8 The computation of water demand, yield and water productivity

2.4.2 动态规划的数学模型 某种作物最优灌溉制度的设计过程，可以看成是一个多阶段决策过程，用动态规划的数学模型描述。根据玉米生长过程，将其生育期划分为i个阶段。决策变量取为各阶段灌水量mi，根据玉米生育期的不同需水量要求，确定玉米灌溉定额，玉米灌溉制度设计基本资料详见表9。

表9 玉米灌溉制度设计基本资料 Table 9 The basic information of corn on irrigation system design

在可分配水量一定情况下，采用Blank模型，以追求单位面积的产量最大为目标，即：

(3)

约束条件包括灌水量约束、土壤含水率约束和边界约束。

灌水量约束：

(4)

计划湿润层土壤含水率约束：

θw≤θi≤θf，i=1,2,…,n

(5)

式中，θi为计划湿润层土壤平均含水率(占干土质量的百分比)(%)；θf为田间持水率(占干土质量的百分比)(%)。

边界约束：

θ≤θ0

(6)

式中，θ0为土壤初始含水率(占干土质量的百分比)(%)。

逆序递推，顺序决策，其递推方程为：

fi*(qi)=max{Ri(qi,mi)+fi+1*}(qi+1)},

i=1,2…,n-1

(7)

式中，Ri(qi，Wi)为在qi状态下，所得的本阶段(i)效益；fn*(qn)为余留阶段的最大总效益。

利用前述递推方程式，采用拟序递推法，从n阶段开始算起，逐渐推至阶段1，然后在正向逐段决策，可得玉米的最优化灌溉制度，详见表10。在干旱年，当M≤1 200 m3·hm-2时，灌溉水量应首先保证玉米抽雄期、灌浆期需水要求；当1 200 m3·hm-2≤M≤1 800 m3·hm-2时，玉米的灌水量应依次保证拔节期、抽雄期、灌浆期需水要求；当1 800 m3·hm-2≤M≤2 400 m3·hm-2时，灌溉的水量应依次保证苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期需水要求；当2 400 m3·hm-2≤M≤3 000 m3·hm-2时，玉米生育期灌水5次，抽雄期灌水2次；当2 400 m3·hm-2≤M≤3 600 m3·hm-2时，玉米生育期灌水6次，抽雄期、灌浆期灌水各2次。

表10 干旱年玉米优化灌溉制度 Table 10 Optimize irrigation system of corn in dry years

3 结 论

1) 干旱年份玉米在拔节期、抽雄期耗水量较大，耗水高峰出现在拔节期至抽雄期，这2个阶段耗水量占全生育期的44.78%～60.57%。耗水强度总体呈抽雄期>拔节期>灌浆期>苗期，全生育期日耗水强度介于0.79～6.5 mm·d-1之间。

2) 玉米各生育阶段产生不同程度的水分胁迫均会造成一定幅度的减产，水分胁迫阶段不同，减产幅度不同。玉米在自然状态下减产率达到16%以上，苗期、拔节期水分胁迫处理减产率较小，均未达到显著水平，而抽雄期水分胁迫导致平均减产10%以上。水分生产率与产量对耗水量的要求不具有一致性，合理的水分胁迫有利于提高干旱年份水资源的利用效率。

3) 通过数学模型与动态规划，得到在干旱年玉米的最优化灌溉制度。当灌水量(M)≤1 200 m3·hm-2时，灌溉水量应首先保证玉米抽雄期、灌浆期需水要求,全生育期灌水2次；当1 200 m3·hm-2≤M≤1 800 m3·hm-2时，玉米的灌水量应依次保证拔节期、抽雄期、灌浆期需水要求，全生育期灌水3次；当1 800 m3·hm-2≤M≤2 400 m3·hm-2时，灌溉的水量应依次保证苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期需水要求，全生育期灌水4次；当2 400 m3·hm-2≤M≤3 000 m3·hm-2时，玉米生育期灌水5次，抽雄期灌水2次；当2 400 m3·hm-2≤M≤3 600 m3·hm-2时，玉米生育期灌水6次，抽雄期、灌浆期灌水各2次。

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