河套灌區小麥套種玉米灌溉制度研究

李生勇，韓翠蓮，郭彥芬，霍軼珍

(內蒙古河套學院土木工程系，內蒙古 巴彥淖爾 015000)

隨著水資源短缺日益嚴重及科技不斷進步的現狀，對水資源進行合理利用及調配已然成為亟待解決的問題。根據統計數據顯示，我國農業用水占全國總供水量的65%左右，節水的關鍵在于農業節水。

小麥/玉米套種是河套灌區常規的立體種植模式，而立體種植模式下，由于不同作物間存在對水分與養分的競爭，同時受作物播種時間及株高的影響，使其在光能、熱能等的利用能力方面差異較大[1-4]，這也最終體現在對產量方面的影響。立體種植高效技術主要包括田間灌水技術和灌溉制度的確定[5]，國內外研究者對立體種植做了大量的研究，并且取得了很多研究成果[6-11]。本文在前人研究基礎上，基于大田試驗數據，采用作物水模型Jensen模型對小麥套種玉米的灌溉制度進行優化，旨在為河套灌區立體種植模式下的節水灌溉提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

該試驗于2012年在內蒙古巴彥淖爾市臨河區雙河鎮進行，該地區屬典型的中溫帶干旱大陸性氣候，多年平均降雨量為140 mm，平均氣溫6.8 ℃，平均日照時數3 229.9 h，無霜期130 d左右。試驗區以砂質壤土為主，0～100 cm土壤平均容重1.45 g/cm3，土壤全氮、全磷、全鉀質量比為0.093%、0.07%、1.60%、有機質1.2%，平均pH值7.6。地下水埋深年內變化在0～3 m之間，灌溉水源為黃河水，平均礦化度0.6～0.8 g/L之間。

1.2 試驗設計

整地后，按當地小麥套種玉米常規栽培管理模式進行種植管理，試驗材料采用灌區常規品種，小麥品種為永良4號，生育期為120 d左右；玉米采用西蒙6號，覆膜種植，生育期150 d左右。

小麥套種玉米全生育期內灌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)，其中小麥灌前4水，玉米灌后4水。重點考慮小麥生長季拔節、抽穗、灌漿和玉米抽雄、灌漿期5個關鍵生育期的差異，試驗設5個灌水水平，3次重復，其中CK為對照處理，具體試驗處理如表1所示。

表1 小麥套種玉米試驗處理設計表 m3/hm2

1.3 測試項目及方法

采用土鉆取土，烘干稱重法測定土壤含水率，每7 d觀測一次，播前、灌水前后及降雨后加測，取樣深度100 cm，每20 cm為一層。采用皮尺測量試驗區地下水埋深，每5 d觀測1次，灌水和降雨后加測；采用田間微氣象站采集生育期內氣象數據；收獲時單打單收，測定各試驗處理小區的小麥、玉米產量。

1.4 作物耗水量、水分生產函數的確定

1.4.1作物生育期耗水量的確定

采用水量平衡法計算：

ETc=I+P+K-Wr-D

(1)

式中：ETc為作物階段實際耗水量，mm；I為灌溉水量，mm；P為有效降雨量，mm；K為地下水補給量，mm；Wr為土壤儲水量變化，mm；D為深層滲漏量，mm。

1.4.2作物水模型確定

本文采用以階段相對騰發量作為自變量與相應階段(i)敏感性冪指數λi表征的M.E.Jensen)模型。

(2)

式中：Ya為作物實際產量，kg/hm2；Ym為作物最大產量，kg/hm2；ETa為各階段實際蒸發蒸騰量，mm；ETm為充分灌溉條件下的各階段蒸發蒸騰量mm；λi為作物第i生育階段的水分敏感性指數。

1.4.3作物生育階段劃分

小麥套種玉米生育階段劃分見表2。

表2 小麥套種玉米生育階段劃分

2 結果與分析

2.1 作物各生育期日耗水強度變化

對上述各個分量計算確定后，利用水量平衡原理計算得到作物生育期內日耗水強度變化如表3所示。

表3 不同處理條件下各生育階段日需水強度 mm/d

注：小寫字母代表各指標不同處理間5%顯著水平的差異性，大寫字母為1%顯著水平的差異性。

由表3可知，不同灌水處理水平下作物生育期內日需水強度大小不一，各處理間差異性大多達到顯著或極顯著水平(P<0.05或P<0.01)，小麥生育初期和玉米生育末期日耗水強度較小，平均為1.602和2.338mm/d，隨小麥及玉米生長加之氣溫升高，相應的耗水量增大，且不同處理需水強度差異性日趨顯著。全生育期來看小麥套種玉米各生育階段日需水強度規律為：小麥旺盛期(玉米中期)>小麥中期(玉米初期)>小麥末期(玉米旺盛期)>玉米末期>小麥初期。

2.2 不同水分處理對作物產量和水分生產率的影響

適宜的水分條件是保證作物正常生長的限制性條件，過多或過少都會影響到作物產量的形成。由表4可知，XY1小麥產量最高，達到4 758.9 kg/hm2，分別較處理CK、XY2、XY3、XY4產量高2.01%、2.78%、22.09%和16.35%，差異達到極顯著性水平(P<0.01)，這是由于處理XK2和XK3在分蘗和灌漿期的關鍵生育期受到了一定的干旱水分脅迫作用，最終影響到了產量的形成；處理CK、XK4在拔節和抽穗期進行充分灌溉，而該年份此階段降雨較多，灌水后地下水位壅高，小麥在一定程度上受到了漬害，影響到了小麥的正常生長。

通過對比不同處理玉米產量發現，處理CK產量最高，達到9 116.9 kg/hm2，分別較處理XY1、XY2、XY3、XY4高4.20%、24.19%、35.19%和16.50%，差異達到極顯著性水平(P<0.01)。分析原因發現，第三、四水時玉米正處于生殖生長期，適當增加灌水量可顯著促進植株生長，有利于增加產量，同時對比發現玉米抽雄期及灌漿期增加灌水量可顯著提高產量，而受水分虧缺的脅迫的作用減產幅度較大。通過對兩種作物水分生產率的分析發現，處理XY1、XY2水分生產率分別達到2.73和2.66 kg/m3，極顯著高于其他處理(P<0.01)，分析原因，在作物生育前期生長緩慢，需水量較小，同時在小麥拔節及抽穗期的生育階段降雨較多，進行充分灌溉無疑會降低水分生產率。

表4 不同處理條件下作物產量和水分生產率

注：大寫字母代表各指標不同處理1%顯著水平的差異性。

2.3 作物水模型的確定

運用已知函數對作物產量進行預報和模擬，首先需確定相應階段的水分敏感指標。本文采用最小二乘法將作物-水模型Jensen模型轉換為求解線性方程組，然后采用多元線性回歸方法求解敏感指標。具體求解方法如下。

(3)

可得到線性方程：

(4)

經計算得小麥套種玉米各生育階段優化灌溉制度參數如表4。

表5 小麥套種玉米各生育階段優化灌溉制度參數表

2.4 灌溉制度優化

灌溉制度的優化即在限制灌溉水量的條件下，為達到作物品質優良、高產的目標，對不同作物及作物的不同生育階段以作物水分生產函數為依據，根據土壤含水率的變化動態、降雨補給、地下水補給等情況，在各生育階段分配灌溉的可供水量，對灌水量進行最優分配。本試驗利用Jensen模型，采用二維動態規劃原理來確定小麥套種玉米的節水灌溉制度，計算結果如表6所示。

表6 小麥套種玉米優化灌溉制度表

由表6 可知隨灌水量增加作物相對產量增加顯著，灌水量由385 mm增加到505 mm時，相應的相對產量由0.634 6提高到0.980 2，但灌水量增加到485 mm后再增加灌水量增產效果不再明顯，且均接近最大產量。綜合考慮小麥套種玉米全生育期以460～485 mm的灌溉供水量為宜。相應的優化灌溉制度為小麥分蘗-拔節期95 mm，拔節-抽穗期105～110 mm，抽穗-灌漿期65～70 mm，玉米拔節-抽雄期95～105 mm，抽雄-灌漿期100～105 mm。且在供水量一定的情況下，優先保證作物各生育階段敏感指數較大的生育階段對水分的需求。

3 結 論

(1)不同處理條件下全生育期小麥套種玉米各生育階段日需水強度規律為小麥旺盛期(玉米中期)>小麥中期(玉米初期)>小麥末期(玉米旺盛期)>玉米末期>小麥初期。

(2)通過多元線性回歸方法求解敏感指標得到敏感性指數小麥拔節-抽穗期(0.335 6)>玉米拔節-抽雄期(0.320 7)>玉米抽雄-灌漿期(0.310 2)>小麥分蘗-拔節期(0.305 0)>小麥抽穗-灌漿期(0.143 2)。

(3)利用Jensen模型確定了小麥套種玉米水分生產函數，并對其灌溉制度進行了優化，以產量最大為目標函數得出小麥套種玉米最優灌溉制度為：小麥分蘗-拔節期95 mm，拔節-抽穗期105～110 mm，抽穗-灌漿期65～70 mm，玉米拔節-抽雄期95～105 mm，抽雄-灌漿期100～105 mm。

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