基于PI模型的阿拉善綠洲節(jié)水型種植結構優(yōu)化

馬 波，田軍倉，沈 暉，潘永霞，張會梅

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021；3.教育部旱區(qū)現代農業(yè)水資源高效利用工程研究中心，銀川 750021)

阿拉善盟地處內蒙古自治區(qū)最西端，屬于半干旱-干旱草原向干旱-極干旱荒漠的過渡帶，多年平均降水量東部地區(qū)為100～200 mm，中部為80～100 mm，西部僅35～44 mm左右，年平均蒸發(fā)達2 328～3 934 mm。為滿足糧料的供給，阿拉善左旗自20世紀50～90年代先后開發(fā)建設了8個沙漠綠洲[1]，總面積75.47萬hm2[2]。由于綠洲存在于沙漠之中，農田風蝕、沙化、流沙入侵等致使綠洲內農牧業(yè)發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)修復受到一定程度的制約[3]。

沙漠綠洲從東南向西北，主要分布有淡棕鈣土、灰漠土、灰棕漠土、石膏灰棕漠土，土壤質地差異性大[4]；加之種植結構比較單一，主要以高耗水的玉米為主，致使沙漠綠洲水資源尤為緊缺。

寧夏大學于2013、2014年受阿拉善SEE生態(tài)協會有關項目的資助，在阿拉善左旗通古勒格淖爾蘇木希尼陶海嘎查進行了種植結構及主要農作物水肥資源高效利用研究，通過種植玉米、谷子、油葵，結合土壤質地及灌溉定額，分析其可持續(xù)發(fā)展的節(jié)水型種植結構。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)基本情況

試驗點位于阿拉善左旗通古勒格淖爾蘇木希尼陶海嘎查，土壤質地有2種，一種是0～60 cm均為沙壤土，稱之為均質沙壤土(后文用“Ⅰ”表示該類土壤)，另一種為分層非均質土(后文用“Ⅱ”表示該類土壤)，0～20 cm為沙壤土，20 cm以下為粉質黏土，各層密度及田間持水率見表1。

表1 土壤密度及田間持水率

1.2 試驗方案

選擇玉米、谷子和油葵作為研究作物，方案設計因素有作物種類、土壤質地和灌溉定額。2013年試驗設計為4個處理，2014年試驗設計為8個處理，每個處理面積0.16 hm2，重復3次，兩年試驗設計互為補充，試驗方案見表2。

表2 試驗方案

1.3 試驗實施

玉米種植采用寬窄行形式布置，寬行行距60 cm，窄行行距40 cm，株距23 cm，在窄行中間鋪設1條滴頭間距30 cm的滴灌帶，品種為中地77。2013年于5月2日播種，底肥施用二銨(N-P2O5-K2O:18-46-0)300 kg/hm2，復合肥(N-P2O5-K2O:15-15-15)525 kg/hm2。追肥(尿素N-P2O5-K2O:46-0-0)為600 kg/hm2。

谷子采用寬窄行形式布置，寬行行距40 cm，窄行行距22 cm，株距12.5 cm，在窄行中間鋪設1條滴頭間距30 cm的滴灌帶，谷子品種為張雜谷5號。2014年于5月12日、5月14日播種，底肥施用有機肥(N-P2O5-K2O:12-4-4)600 kg/hm2，追有機肥(N+P2O5+K2O≥35%)30 kg/hm2。

油葵采用寬窄行形式布置，寬行行距60 cm，窄行行距40 cm，株距20 cm，在窄行中間鋪設1條滴頭間距30cm的滴灌帶，葵品種為康地562。2014年于5月24日、5月25日播種，底肥施用二銨(N-P2O5-K2O:18-46-0)300 kg/hm2，復合肥(N-P2O5-K2O:15-15-15)240 kg/hm2，追肥(尿素N-P2O5-K2O:46-0-0)為525 kg/hm2。

1.4 優(yōu)化方法選擇

這里優(yōu)化方法選擇包含兩個方面的內容：一是確定計算土壤生產力指數PI模型，二是優(yōu)化評價指標。

1.4.1 土壤生產力指數PI模型的確定

針對沙漠綠洲土壤質地不均問題，對種植不同作物土壤生產力指數PI進行計算。計算采用Neill提出的基于兩個假設的PI模型[5]：一是在一定氣候條件與管理措施下，作物產量與根系生長成正相關；二是根系生長依賴于土壤質量。該模型可用來評價土壤性質對作物產量的影響，模型表達如下式所示。

(1)

式中：Ak為第k層土壤田間持水率適宜性指數；Ck為第k層土壤密度的適宜性指數；SFk為第k層土壤質地權重；WFk為根據土層厚度計算的根系權重；k為種植區(qū)土壤分層數，k=1,2,…,l，這里將土壤分為3層，每層深度為20 cm，也即l=3。

1.4.2 優(yōu)化的衡量指標

由于阿拉善綠洲農業(yè)區(qū)屬于農牧交錯區(qū)，該地區(qū)農業(yè)種植結構要兼顧糧食、油料和飼草3個方面的問題，同時，還要考慮輪作倒茬問題。

這里選取的優(yōu)化衡量指標為最大糧食總產量和總凈效益，最大糧食總產量計算表達式如下式所示。

(2)

式中：maxY(Aij,yij)為最大糧食總產量，kg；Aij為第i種作物在j區(qū)種植的面積，hm2；yij為第i種作物在j區(qū)的產量，kg/hm2；i為該地區(qū)所種植的作物種類數，i=1,2,…,n；j為依據土壤質地劃分的種植區(qū)域號，j=1,2,…,m。

這里種植面積在考慮價格風險基礎上再考慮輪作倒茬，每一種作物種植面積不超過種植區(qū)總面積的1/n，也即每種作物種植總面積最大為S/n，本研究選取3種作物谷子、玉米和油葵為研究對象，分別代表了糧食作物、飼草作物和油料作物，這里n=3，那么可以用單位面積的結果來代替該種植區(qū)域優(yōu)化。

總凈效益計算方法如下式所示。

(3)

式中：maxNB(Aij,yij,Pi,Ei)為總凈效益，元；Aij為第i種作物在j區(qū)種植的面積，hm2；yij為第i種作物在j區(qū)的產量，kg/hm2；Pi為第i種作物價格，元/kg；Ei為一定條件下第i種作物單位面積當年全部支出，元/hm2，i=1,2,…,n；j為依據土壤質地劃分的種植區(qū)域號，j=1,2,…,m。

2 結果與分析

2.1 產量及水分利用效率WUE

作物成熟收獲時觀測其產量，利用水量平衡公式計算田間蒸發(fā)和作物蒸騰量ET，進而計算水分利用效率WUE,計算結果如表3所示。

表3 產量及水分利用效率

從表3可以看出，2013年，當灌溉定額為4 797 m3/hm2時，Ⅰ類土壤種植玉米產量比Ⅱ類土壤高28.3%，灌溉定額為5 712 m3/hm2時，Ⅰ類土壤產量比Ⅱ類土壤高10.4%。Ⅱ類土壤灌溉定額5 712 m3/hm2的產量比4 797 m3/hm2高34.9%，Ⅰ類土壤灌溉定額5 712 m3/hm2的產量比4 797 m3/hm2高16%。可以看出，在該試驗區(qū)Ⅱ類土壤種植玉米時灌溉定額達到5 712 m3/hm2時能夠達到理想的效果，在Ⅰ類土壤種植玉米時灌溉定額達到5 712 m3/hm2時可獲得高產。

2014年，相同灌溉定額條件下，谷子高水Ⅰ類土壤比Ⅱ類土壤產量高23.4%，低水Ⅰ類土壤比Ⅱ類土壤產量高19.7%，油葵高水Ⅰ類土壤比Ⅱ類土壤產量高13.9%，低水Ⅰ類土壤比Ⅱ類土壤產量高32.2%。

同一灌溉定額水平條件下，Ⅰ類土壤比Ⅱ類土壤玉米水分利用效率高28.5%(2013年低水)、10.3%(2013年高水)、19.3%(2014年高水)，Ⅰ類土壤比Ⅱ類土壤谷子水分生產效率高19.8%(2014年低水)、24.2%(2014年高水)，Ⅰ類土壤比Ⅱ類土壤谷子水分利用效率高31.5%(2014年低水)、13.3%(2014年高水)。同一土壤類型條件下，高灌溉定額水平水分利用效率比低灌溉定額水平低。

2.2 種植結構優(yōu)化

2.2.1 參數的確定

(1)根系權重WF。根系權重系數WF直接采用Pierce根據Power等研究結果提出的計算公式[6]，Horn[7]在土壤水分利用模型中給出了理想情況下根系隨土壤深度的變化如下式所示。

(4)

式中：R為計劃濕潤層，cm；depth為土層深度，cm。

Neill提出200 cm厚的土層對于玉米生長適宜[5]，Power等人的田間試驗研究表明，100 cm厚的土層已經足夠[8]，于是Pierce將100 cm作為玉米生長的適宜厚度，可計算得到玉米根系權重計算式，進而計算可得到不同作物的根系權重，計算結果見表4。

表4 根系權重

(2)土壤質地權重SF。在分層計算土壤密度適宜性指數時，考慮到耕種對密度的改良作用，將表土層(0～20 cm)土壤密度適宜性指數C均賦值為1，表示表土層密度對作物生長沒有限制，不同土壤密度適宜性指數可表示為式(5)的形式[9，10]。

(5)

式中：γj為第j層土壤的密度，考慮到耕種對密度的影響，因此將表土層(0～20 cm)土壤密度適宜性指數C均賦值為1，表示表土層密度對作物生長沒有限制。

Gantzer C J認為上層土壤對作物產量的貢獻大于下層土壤[9]。冷疏影根據土壤質地對土壤生產力進行打分[11]，其中，壤土組7～10分；沙土組和黏土組0～5分。在分類上越靠近壤土的得分越高，據此來確定不同土層土壤質地權重如表5所示。

表5 土壤質地權重

(3) 土壤密度的適宜性指數C。Grossman等[10]研究發(fā)現土壤密度與作物產量二者呈負相關，也即在質地相同的情況下，密度越小對作物的生長越有利。在密度一個較小范圍內不會影響作物生長，但增加到一定數值后會抑制作物生長，將該影響點密度稱為適宜性密度，隨著密度增加，抑制作用增強，直至作物無法生長，此時的密度稱為限制性密度[12，13]。Pierce基于Grossman得出的限制性密度，給出了臨界密度的計算公式如下。

ec=1.2er-0.53

(6)

式中：ec為臨界密度，g/cm3；er為限制性密度，g/cm3。

通過試驗和總結，Grossman等給出了不同質地土壤的適宜性密度和限制性密度[10]，那么，可以計算得不同質地土壤適宜性指數如表6所示。

表6 土壤密度適宜性指數

(4)第k層土壤田間持水率適宜性指數Ak。Grossman等人[10]認為當土壤有效水含量低于3%(體積百分數)時，作物無法生長，超過20%后不會對作物生長構成限制。Pierce給出土壤有效水分含量適宜性指數計算公式如下。

(7)

則可以計算得到不同種植區(qū)域不同土層土壤田間持水率適宜性指數如表7所示。

表7 田間持水率適宜性指數

(5)土壤生產力指數PI計算。根據式(1)計算PI可得到如表8所示結果。

表8 生產力指數PI

從計算得到的生產力指數PI來看，Ⅰ類土壤種植3種作物的差別不是很明顯，而Ⅱ類土壤種植3種作物的生產力指數差異很大，種植玉米的生產力指數PI為0.729 3，種植谷子的生產力指數為0.767 9，種植油葵生產力指數為0.809 1，可見在Ⅰ類土壤種植玉米、谷子、油葵都可以獲得高產，而在Ⅱ類土壤種植油葵和谷子比較理想，種植玉米受到減產影響較大。

2.2.2 種植結構優(yōu)化

(1)以糧食總產量最大為目標的優(yōu)化。在以糧食總產量為目標情況下，以每種處理的單位面積產量為基礎進行計算總產量，這里考慮2種灌溉定額水平進行優(yōu)化，優(yōu)化的思路就是根據土壤生產力指數PI調整種植區(qū)域，同時考慮面積約束問題，優(yōu)化結果如表9和表10所示。

表9 以糧食總產量最大為目標低灌溉定額水平優(yōu)化

注：作物種類編號里1代表玉米，2代表谷子，3代表油葵；土壤質地編號里Ⅰ代表均質沙壤土，Ⅱ代表非均質土。

從表9可以看出未優(yōu)化(2013、2014年實際觀測數據)時，按照單位面積來計算，總產量為4.263 萬kg，而優(yōu)化后，產量可達到4.384 2 萬kg，增產糧食202 kg/hm2，增產率為2.8%。

從表10可以看出未優(yōu)化(2013、2014年實際觀測數據)時，按照單位面積來計算，總產量為5.104 5 萬kg，而優(yōu)化后，產量可達到5.152 2 萬kg，增產糧食79.5 kg/hm2，增產率為0.93%。

(2)以產值最大為目標的優(yōu)化。考慮到作物產值和農牧民收入問題，研究將總產值作為目標進行優(yōu)化，在兼顧總產值和面積約束條件下進行優(yōu)化，不同灌溉定額水平凈收益優(yōu)化后結果見表11和表12。

從表11可以看出未優(yōu)化(2013、2014年實際觀測數據)時，按照單位面積來計算，總凈效益4.804 53 萬元，而優(yōu)化后，總凈效益可達到4.816 08 萬元，凈效益增加7.7 元/hm2。

從表12可以看出未優(yōu)化(2013、2014年實際觀測數據)時，按照單位面積來計算，總凈效益7.185 99 萬元，而優(yōu)化后，總凈效益可達到7.533 75 萬元，凈效益增加249.84 元/hm2。

表10 以糧食總產量最大為目標高灌溉定額水平優(yōu)化

注：作物種類編號里1代表玉米，2代表谷子，3代表油葵；土壤質地編號里Ⅰ代表均質沙壤土，Ⅱ代表非均質土。

表11 以產值最大為目標低灌溉定額水平優(yōu)化

注：作物種類編號里1代表玉米，2代表谷子，3代表油葵；土壤質地編號里Ⅰ代表均質沙壤土，Ⅱ代表非均質土。

表12 以產值最大為目標高灌溉定額水平優(yōu)化

注：作物種類編號里1代表玉米，2代表谷子，3代表油葵；土壤質地編號里Ⅰ代表均質沙壤土，Ⅱ代表非均質土。

通過以上分析發(fā)現，灌溉定額為：玉米5 712 m3/hm2、谷子4 020 m3/hm2、油葵4 470 m3/hm2時可以獲得最優(yōu)的產量和明顯的經濟效益，依據PI模型優(yōu)化種植結構后凈效益明顯增加。

3 結 語

(1)通過2013和2014年在該地區(qū)進行的玉米、谷子和油葵的試驗，發(fā)現同一灌溉定額水平條件下在不同區(qū)域同一作物獲得的產量有所不同。

(2)通過分析發(fā)現，同一灌水技術和灌溉制度時影響作物產量的因素在于土壤質地，本試驗所選取的兩個區(qū)域土壤質地有所差異，在均質沙壤土區(qū)同一灌水技術和灌溉制度時產量高于非均質土。

(3)通過計算發(fā)現不同作物在不同區(qū)域具有不同的土壤生產力指數，均質沙壤土區(qū)玉米、谷子、油葵的生產力指數依次為0.833、0.828 1、0.825 1；非均質土區(qū)玉米、谷子、油葵的生產力指數依次為0.729 3、0.767 9、0.809 1，計算結果與試驗結果相符。

(4)通過種植結構優(yōu)化，低灌溉定額水平條件下糧食總產量提高2.8%，總凈效益提高7.7 元/hm2，高灌溉定額水平條件下糧食總產量提高0.93%，總凈效益提高249.84 元/hm2。

(5)本優(yōu)化是在考慮作物種植面積受到輪 作倒茬和價格風險條件下所得到的。

[1] 張 偉，李 方，楊 麗.阿拉善左旗綠洲的重要作用及保護建議[J].內蒙古水利，2013，(6)：76-77.

[2] 謝家麗，顏長珍，李 森，等.近35 a內蒙古阿拉善盟綠洲化過程遙感分析[J].中國沙漠，2012，32(4)：1 142-1 147.

[3] 董 智，李紅麗.烏蘭布和沙漠人工綠洲沙害綜合控制技術體系[J].中國沙漠，2011，31(2)：339-345.

[4] 杜方紅，黃文浩．阿拉善地區(qū)生態(tài)環(huán)境問題及探討[J]．內蒙古環(huán)境保護，2005,17(3):5-9．

[5] Neill L L.An evalution of soil productivity based on root growth and water depletion[D].M.S.Thesis.Univ.Mo., Columbia.,1979.

[6] Pierce F J, Larson W E, Dowdy R H, et al. Productivity of soil assessing of long-term changes due to erosion [J]. J. of Soil and Water Cons,1983,38:39-44.

[7] Horn F W. The predication of amounts of depth distribution of water in a well drained soil[D].M.S.Thesis.University of Missouri.,1971.

[8] Power J F，Sandoval F M，Ries R E. Effect of top soil and subsoil thickness on soil water content and crop production[J].Soil Sci.Soc.AM.J.,1981，45:124-129.

[9] Gantzer C J, McCarty T R. Corn yield prediction for a claypan soil using a productivity index[C]∥ In. Erosion and soil productivity. Proc. Natl. Sym. Erosion and productivity. New Orieans, LA. ASAE. St. Joseph. MO.,1985:170-181.

[10] Grossman R B, Berdanier C R.Erosion tolerance for cropland: application of soil survey base[J]. Soil Sci. Soc. Am., Madison, Wisc.,1982,(45):113-130.

[11] 冷疏影.地理信息系統(tǒng)支持下的中國農業(yè)生產潛力研究[J].自然資源學報，1992,7(1):71-79.

[12] 孫振寧，謝 云，段興武. 生產力指數模型PI在北方土壤生產力評價中的應用[J].自然資源學報，2009,24(4)：708-719.

[13] 段興武，謝 云，張玉平，等.PI模型在東北松嫩黑土區(qū)土壤生產力評價中的應用[J].中國農學通報,2010,26(8):179-188.