基于ISAREG模型的玉米沟灌灌溉制度优化研究

张 寅，孙明海

（河套学院，内蒙古 临河 015000）

1 试验区概况与设计

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古巴彦淖尔市临河区，该地区属于典型的温带干旱大陆性季风气候，冬季寒冷而漫长，夏季炎热而短促，多年平均气温7.1℃，年平均降雨量为141 mm，年平均蒸发量为2 430 mm，年平均日照时数为3 223.7 h，无霜期为140 d 左右。试验区根层土壤类型以壤土为主，土壤容重为1.48 g/cm3。

1.2 试验设计

试验于2018 年在临河区农业气象试验站进行，每个试验小区长6 m，宽4 m，相邻小区间埋设地下2 m 深的挡水板，避免地下水分横向渗透。试验材料选用灌区农户常用品种西蒙6 号。灌溉方式为常规垄作覆膜沟灌，断面形式为梯形。试验共设2 个处理，每个处理重复3 次，全生育期灌水4 次，灌溉定额分别为280 mm 及260 mm。

2 ISAREG模型和参数验证

2.1 ISAREG 模型

本文采用葡萄牙里斯本技术大学农学院开发的ISAREG 模型对玉米覆膜沟灌灌溉制度进行研究。ISAREG 模型是以水量平衡原理为基础建立的，采用的水量平衡方程如下：

2.2 模型参数验证

本文采用2018 年的试验资料建模并率定ISAREG 模型中的参数。其中气象数据由当地农业气象试验站提供，参考作物腾发量ET0由修正的Penman-Monteith 公式计算。根据实测资料及FAO-56 的推荐值，修正后玉米生育初期的作物系数为0.4，中期的作物系数为1.02，后期的作物系数为0.57，玉米的产量反应系数为1.13。

以上参数输入ISAREG 模型进行灌溉模拟，得到相应土壤含水率的模拟值。将田间实测土壤含水率与ISAREG 模型模拟的土壤含水率进行对比，则对比关系如图1 所示。

从图中可以看出，沟灌条件下，田间实测土壤含水率的数值与模拟值十分接近，两者的相对误差在6% 以内，模拟精度较高。因此，ISAREG 模型中选取的参数合适，可用于评价玉米沟灌的实际灌溉制度，并进行灌溉制度的优化。

3 灌溉制度评价

利用ISAREG 模型对实际玉米沟灌灌溉制度进行评价，模型具体输出结果见表1。

表1 玉米沟灌实际灌溉制度评价指标

从表1 中分析得出，沟灌条件下，玉米的产量随灌水量的降低而增加。处理G1 的灌水量为280 mm，其深层渗漏量为7.4 mm， 灌水效率为96.8%，产量下降率为11.2%。与处理G1 相比，处理G2 的灌水量减少了20 mm，深层渗漏量减少了7.4 mm，灌水效率增加了3.2%，达到100%，产量下降率增加了4.5%。分析原因主要是因为玉米生育关键期灌水延迟导致处理G2 的产量下降至15.7%。

4 灌溉制度方案设计与优选

4.1 灌溉制度方案设计

为了利用ISAREG 模型制定适合河套灌区的玉米沟灌优化灌溉制度，以当地实际状况、作物的生长需要以及ISAREG 模型验证过的基本数据为基础，设计玉米沟灌灌溉制度方案，通过模型多次模拟，保证产量下降率在10% 以内，找出以下5 种相对合理的灌溉制度设计方案，具体方案设计如下：

方案1：以最大产量为目标。当根系层土壤平均含水率下降至适宜含水率下限时开始实施灌溉，灌水量为补充根系层土壤含水率至田间持水率所需要的水量。

方案2：给定灌水日期。根据当地多年黄河来水时间确定灌水日期。当地农民玉米灌溉从播种之后一般灌4 水，模型中灌水日期制定为6 月8 日、7 月1 日、7 月23 日、8 月15 日。灌水量为补充根系层土壤含水率至田间持水率的90% 所需要的水量。

方案3：给定灌水日期。灌水次数及灌水日期与方案2 相同。灌水量为补充根系层土壤含水率至田间持水率的80% 所需要的水量。方案4：给定灌水定额。方案中的灌水定额采用68 mm，每次灌水时间由模型优化算出。方案5：给定灌水定额。方案中的灌水定额采用60 mm，每次灌水时间由模型优化算出。

4.2 灌溉制度方案优选

通过对玉米沟灌灌溉制度的设计，利用ISAREG 模型进行模拟，模拟结果见表2。

表2 玉米沟灌灌溉制度方案模拟结果

从表2 可以看出：

方案1：以最大产量为目标，玉米覆膜沟灌灌水量为321.3 mm，全生育期内灌水4 次，产量无减产。

方案2 ～方案3：按照黄河来水时间给定灌水日期，与方案2 相比，方案3 的产量下降率增加了2.2%，在合理利用水资源的情况下，灌溉定额减少了32.13 mm，故方案3 较为合理。

方案4 ～方案5：给定灌水定额，灌水时间由模型优化给出。与方案4 相比，方案5 产量下降率增加了1.3%，但灌水定额减少了32 mm，故方案5 较优。

5 结论

本文在田间试验数据及ISAREG 模型中各项参数验证的基础上，对玉米沟灌实际的灌溉制度进行了评价，利用ISAREG 模型模拟了5 种玉米沟灌灌溉制度，结果表明：当灌水时间受到黄河来水时间的限制时，建议玉米沟灌灌溉定额为257.04 mm，全生育期灌水4 次；当灌水时间不受限制时，建议玉米沟灌灌溉定额为240 mm，全生育期灌水4 次，每次灌水量均相同，此方案适合灌溉水源为井水。