內蒙古東部干旱年份玉米需水規律及灌溉制度優化

王穎輝，湯鵬程，李曙光，田雨春，李嘉琪

(1.通遼市水利規劃設計研究院， 內蒙古 通遼 028000；2.水利部牧區水利科學研究所， 內蒙古 呼和浩特 010018；3.內蒙古通遼市水利技術推廣站， 內蒙古 通遼 028000； 4.科爾沁區豐田灌溉試驗站， 內蒙古 通遼 028000)

內蒙古東部土地資源豐富，光熱資源較好，是我國最重要的糧食主產區之一。近年來，在全球氣候變暖的大背景下，內蒙古東部區的氣候出現顯著變化，總體表現為降水量逐年減少，平均氣溫逐年提高，干旱年份出現頻率增多[1]。各地春旱頻率高達70%以上，特別是近十年來春旱頻率已達90%以上，夏、秋連旱頻率50%～60%。農業灌溉用水量過大，農業灌溉水利用系數低，水分生產率低，水資源短缺已經成為阻礙當地發展的主要因素之一[2-3]。

通遼市是內蒙古“節水增糧”計劃實施的重點地區，為此，以通遼市豐田試驗站3 a(2009—2011年)的試驗觀測為例開展研究。根據通遼市水資源公報，2011年全市用水量29.29 億m3，第一產業農業用水量高達24.56 億m3，占全市總用水量的83.87%，遠高于全國農業用水占總用水量65%的水平[4]。在可開發利用水資源總量一定的前提下，農業用水只能是零增長或負增長。因此，全面了解該地區作物需、耗水規律對于發展高效節水農業，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義[5]。針對當地廣泛種植的作物——玉米在干旱年份的需水規律開展研究，為內蒙古東部地區有限水資源的合理配置提供理論依據[6]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗選址在通遼市科爾沁區，屬北溫帶大陸性季風氣候區，為干旱、半干旱性氣候，平均海拔為186 m，四季分明，春季多風少雨，夏季炎熱，秋季涼爽，冬季干燥寒冷。年平均氣溫為6.2℃，境內光能資源充足，年日照總時數為2 967 h，多年平均降雨量為382.1 mm，降雨量年內分配很不均勻，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%。多年平均風速為3.9 m·s-1，春季風大，最大瞬時風速達29 m·s-1。

1.2 試驗處理及方法

供試玉米品種為鄭單958，種植模式均壟種植，壟間距60 cm，株距24 cm，種植密度在6.3×104～6.6×104株·hm-2。試驗共設6個處理，每個處理3個重復，共18個小區，每個小區面積為3.6 m×50 m=180 m2，試驗區外圍設有3.6 m寬保護區，試驗區總面積0.45 hm2。試驗處理按土壤水分加以控制，灌水下限通過土壤墑情監測設備(TDR)進行觀測，2 d觀測一次，降雨或灌溉后加測一次，并以不灌溉為對照(CK)(表1)。

試驗田耕作層0～25 cm為壤土，25～80 cm為粘土，80～100 cm為粘土含砂層；耕作層土壤容重1.24 g·cm-3，孔隙度55%，田間持水率33.3%。

表1 玉米試驗處理設計 Table 1 Design of experimental treatments of corn

注：表中所列含水率均為下限值，其上限為田間持水量的90%；各階段水分條件指占田間持水量的百分比。

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階段降雨分布 Table 2 The annual rainfall distribution at different stage of corn

1.3 玉米生育期內灌溉定額及生育階段劃分

內蒙古東部區玉米在5月初播種，9月下旬收獲，全生育期約135 d，具體播種、收獲時間視當年實際生產情況而定。2009—2011年玉米生育階段劃分具體見表3。

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

田間試驗采用水表記錄灌溉水量。針對實測含水率，計算各小區具體灌水定額，對不同小區同時灌水。不同年份各處理實際灌水數據詳見表4。

2009—2011各年度玉米生育期氣候資料見表5。氣象資料采用當地氣象站的數據，包括2009—2011年5—9月逐日溫度、蒸發、日照、最高溫度、最低溫度、2 m高處風速、相對濕度和日照時數等。降雨數據見表6。

表4 各年實際灌水量/(m3·hm-2) Table 4 The actual irrigation of different years

表5 2009—2011年的氣候數據 Table 5 The climate data of the year from 2009 to 2011

2 結果與分析

2.1 降雨頻率分析及水文年劃分

依降水保證率的不同，將通遼地區不同年份劃分為干旱水文年、正常水文年和濕潤水文年(一般把保證率小于37.5%的降雨年份作為濕潤水文年,保證率介于37.5%～62.5%之間的降雨年份作為中等水文年,保證率大于62.5%的降雨年份作為干旱年,而把接近95%保證率的年份作為特別干旱年)。

根據作物生育期內有效降雨量，采用多年降雨資料排頻，通過對該地區1980—2011年作物生育期內降雨資料分析劃分不同水文年份：作物生育期有效降雨量327 mm以上為濕潤年；介于259～327 mm為一般年；259 mm以下為干旱年。2009—2011年，玉米生育期內有效降雨量分別為212.9、242.3、209.0 mm，均屬于干旱年份。由各年度水文年劃分(表6)可知，近30 a內(1980—2011年)枯水年占總年份的37.5%，近20 a內(1992—2011年)枯水年占總年份的50%，近10 a來(2002—2011年)玉米枯水年占到70%；降水量逐年減少趨勢明顯，干旱年份頻率顯著增多[4]。

表6 玉米生育期內降雨分析及水文年劃分 Table 6 Rainfall analysis and hydrological year divided in maize growth period

2.2 不同處理各生育階段耗水量與耗水強度分析

作物田間耗水量是指作物從播種至收獲整個生育期內消耗的水量。由表7可知，內蒙古東部干旱年份玉米全生育期耗水量介于246～410 mm之間，充分灌溉條件下玉米在干旱年份耗水量為400 mm左右。分析玉米各處理不同生育階段的耗水量得出，玉米各生育階段耗水量在33～158 mm之間，變幅較大。且各生育階段耗水量總體變化呈拔節期、抽雄期較高，苗期、灌漿期較低的趨勢。說明在拔節期、抽雄期作物生長速度快，葉面蒸騰增大，耗水量大。

耗水強度是指作物在單位時間內的耗水量，掌握作物不同生育階段的耗水強度即可求出作物全生育期內的需水量，而作物需水量是制定灌排工程規劃、設計、管理和農田灌排實施的基本依據，可見耗水強度的重要性[7-9]。雖然2009—2011年均是干旱年份，但不同年份間耗水強度略有區別。2009年日耗水強度介于1.20～6.60 mm·d-1之間，耗水強度整體呈生育中期高，生育前、后期較低的趨勢，該趨勢與生育期內耗水量變化趨勢具有一致性。2010年日耗水強度介于0.90～4.30 mm·d-1之間，與2009年相比，日耗水強度變化趨勢近似，個別處理變化有所不同，與該處理生育期內遭受水分脅迫有直接關系。2011年日耗水強度在0.79～4.95 mm·d-1之間，其變化趨勢與2009、2010年相似。綜上可得，內蒙古東部區干旱年玉米各生育階段耗水強度從大到小的順序為抽雄期、拔節期、灌漿期、苗期。

2.3 玉米產量及水分生產率

水分脅迫對作物的新陳代謝、生理生長等均會產生一定影響。水分脅迫的程度、階段不同，產生結果不同；水分脅迫也將使作物產生抗逆性，迫使作物根系向深層生長，增強土壤水分的利用率。分析不同處理玉米產量、減產率、水分生產率，結果表明，玉米不同生育階段水分脅迫條件下均會造成一定幅度的減產。作物水分生產率(WP)計算公式如下：

WP=Y/ET

(1)

式中，Y為作物產量(kg·hm-2)；ET為作物耗水量(作物蒸發蒸騰量，m3·hm-2)。

造成的減產程度取決于水分脅迫階段。玉米在自然狀態下(CK)減產率高達16.9%以上；苗期水分脅迫處理(W2處理)減產率最低，介于0%～3.7%之間；拔節期水分脅迫處理(W3處理)減產率4%～5%；抽雄期水分脅迫處理(W4處理)減產率8%～15%；灌漿期水分脅迫處理(W5處理)減產率4%～11%。可見抽雄期干旱對玉米產量影響最大，其次是拔節期、灌漿期、苗期。

表7 玉米不同處理各生育階段耗水量/mmTable 7 The water consumption on different growth stage of corn

圖1 2009—2011年玉米不同處理各生育階段耗水強度

Fig.1Differentwaterconsumptionofcornonvariousgrowingstagesintheyearof2009—2011

分析2009—2011年各處理水分生產率可得(表8)，每年對照處理(CK)水分生產率最高。由于CK為雨養農業，干旱年份耗水量較小，水分生產率較高，但是與充分灌溉(W1處理)相比，CK減產幅度特別明顯，嚴重水分虧缺會導致大幅減產。各處理中，抽雄期水分脅迫(W4處理)導致水分生產率不高，故認為該生育階段水分脅迫會對最終產量產生重大影響。苗期水分脅迫(W2處理)的水分生產率高于或接近無水分脅迫(W1處理)的水分生產率，拔節期與灌漿期水分脅迫處理(W3、W4處理)的水分生產率略低于W1處理。綜上所述，對不同生育階段有效的水分脅迫可提高水分生產率，個別時期水分脅迫不會造成減產。隨著玉米耗水量的增加，產量持續增加，而水分生產率先升后降，因此實際生產中不能盲目追求產量最大，在獲得較高產量的同時，也需兼顧水分生產率的提高，尋求兩者之間的平衡點，使內蒙古東部區干旱年份有限的水資源得以發揮最大效益。

2.4 玉米干旱年份非充分灌溉制度優化

2.4.1 作物-水模型選擇 當分配給區域上某種作物的總灌溉水量(灌溉定額)小于該作物整個生育期的總灌溉需水量時，如何將總灌溉水量分配到作物的各生長階段，使得供水不足時獲得最好的產量，這就是在一定的總灌溉定額(非充分灌溉)下最優灌溉制度，即一定的總灌溉水量在農作物生長期的最優分配。已有研究認為Stewart模型較適合內蒙古東部地區的玉米生長特點，對總產量反映靈敏度高，能體現作物各階段水量對產量的影響[10]。故采用Stewart模型，表達式為：

(2)式中，Ya為作物實際產量；Ym為作物最大產量；ETa為全生育期實際蒸發量；ETm為全生育期最大蒸發量；為作物不同階段(i)缺水對產量的敏感系數。表8 各處理需水量、產量及水分生產率Table 8 The computation of water demand, yield and water productivity

2.4.2 動態規劃的數學模型 某種作物最優灌溉制度的設計過程，可以看成是一個多階段決策過程，用動態規劃的數學模型描述。根據玉米生長過程，將其生育期劃分為i個階段。決策變量取為各階段灌水量mi，根據玉米生育期的不同需水量要求，確定玉米灌溉定額，玉米灌溉制度設計基本資料詳見表9。

表9 玉米灌溉制度設計基本資料 Table 9 The basic information of corn on irrigation system design

在可分配水量一定情況下，采用Blank模型，以追求單位面積的產量最大為目標，即：

(3)

約束條件包括灌水量約束、土壤含水率約束和邊界約束。

灌水量約束：

(4)

計劃濕潤層土壤含水率約束：

θw≤θi≤θf，i=1,2,…,n

(5)

式中，θi為計劃濕潤層土壤平均含水率(占干土質量的百分比)(%)；θf為田間持水率(占干土質量的百分比)(%)。

邊界約束：

θ≤θ0

(6)

式中，θ0為土壤初始含水率(占干土質量的百分比)(%)。

逆序遞推，順序決策，其遞推方程為：

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

i=1,2…,n-1

(7)

式中，Ri(qi，Wi)為在qi狀態下，所得的本階段(i)效益；fn*(qn)為余留階段的最大總效益。

利用前述遞推方程式，采用擬序遞推法，從n階段開始算起，逐漸推至階段1，然后在正向逐段決策，可得玉米的最優化灌溉制度，詳見表10。在干旱年，當M≤1 200 m3·hm-2時，灌溉水量應首先保證玉米抽雄期、灌漿期需水要求；當1 200 m3·hm-2≤M≤1 800 m3·hm-2時，玉米的灌水量應依次保證拔節期、抽雄期、灌漿期需水要求；當1 800 m3·hm-2≤M≤2 400 m3·hm-2時，灌溉的水量應依次保證苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期需水要求；當2 400 m3·hm-2≤M≤3 000 m3·hm-2時，玉米生育期灌水5次，抽雄期灌水2次；當2 400 m3·hm-2≤M≤3 600 m3·hm-2時，玉米生育期灌水6次，抽雄期、灌漿期灌水各2次。

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

3 結 論

1) 干旱年份玉米在拔節期、抽雄期耗水量較大，耗水高峰出現在拔節期至抽雄期，這2個階段耗水量占全生育期的44.78%～60.57%。耗水強度總體呈抽雄期>拔節期>灌漿期>苗期，全生育期日耗水強度介于0.79～6.5 mm·d-1之間。

2) 玉米各生育階段產生不同程度的水分脅迫均會造成一定幅度的減產，水分脅迫階段不同，減產幅度不同。玉米在自然狀態下減產率達到16%以上，苗期、拔節期水分脅迫處理減產率較小，均未達到顯著水平，而抽雄期水分脅迫導致平均減產10%以上。水分生產率與產量對耗水量的要求不具有一致性，合理的水分脅迫有利于提高干旱年份水資源的利用效率。

3) 通過數學模型與動態規劃，得到在干旱年玉米的最優化灌溉制度。當灌水量(M)≤1 200 m3·hm-2時，灌溉水量應首先保證玉米抽雄期、灌漿期需水要求,全生育期灌水2次；當1 200 m3·hm-2≤M≤1 800 m3·hm-2時，玉米的灌水量應依次保證拔節期、抽雄期、灌漿期需水要求，全生育期灌水3次；當1 800 m3·hm-2≤M≤2 400 m3·hm-2時，灌溉的水量應依次保證苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期需水要求，全生育期灌水4次；當2 400 m3·hm-2≤M≤3 000 m3·hm-2時，玉米生育期灌水5次，抽雄期灌水2次；當2 400 m3·hm-2≤M≤3 600 m3·hm-2時，玉米生育期灌水6次，抽雄期、灌漿期灌水各2次。

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