水資源約束條件下的縣域冬小麥節水灌溉制度

朱嘉偉，趙聰佳，郭蕊蕊，周琳琳

水資源約束條件下的縣域冬小麥節水灌溉制度

朱嘉偉，趙聰佳，郭蕊蕊，周琳琳

（河南農業大學資源與環境學院，鄭州 450002）

在高效節水灌溉工程技術難以在大田作物中推廣應用的形勢下，優化制定節水灌溉制度是提高灌溉水利用效率的可行途徑。該研究以河南省新鄭市為研究區，在對冬小麥全生育期及不同生育階段的作物需水量、天然供水量、灌溉需水量進行估算的基礎上，針對農田灌溉水源不足的條件約束，以冬小麥產量最大化為目標，采用Jensen模型反向求解法，將現有的冬小麥水分敏感性研究成果應用于非引灌區縣域節水灌溉制度的制定，通過實施非充分灌溉制度，緩解水資源供需矛盾。結果表明：1）新鄭市平水年和干旱年冬小麥全生育期供水總量小于需水總量，難以滿足農田灌溉需求，需要實施非充分灌溉制度；2）采用Jensen模型不能直接優化解算冬小麥不同生育期的灌水定額，但是可以通過優化解算出的冬小麥不同生育期的騰發量間接確定灌水定額；3）優化解算得冬小麥苗期、越冬、拔節、抽穗、灌漿等不同生育期的騰發量占全生育期的比例分別為15.8%、5.4%、23.4%、34.9%、20.5%，與不同生育期敏感性指數的大小成正比；4）新鄭市冬小麥豐水年灌溉關鍵期為灌漿期，平水年灌溉關鍵期為抽穗期和灌漿期，干旱年灌溉關鍵期為抽穗期，但是苗期、拔節、灌漿期均需要適量灌溉。該研究表明采用Jensen模型反向求解法可優化確定冬小麥不同生育期的灌水定額，研究提出的非充分灌溉制度制定方法對推進現有理論研究成果在農田灌溉實際工作中的應用具有重要的實踐意義。

灌溉；作物；節水：非充分灌溉；灌溉制度；河南省

0 引 言

中國是一個水資源短缺的農業大國，尤其是北方地區，農田灌溉水資源短缺問題尤為突出，近半數的耕地沒有灌溉條件，在井灌區地下水超采嚴重，不僅制約了農業的發展，而且引發了地面沉陷等生態環境問題[1-2]。在水資源剛性約束條件下，要保證國家糧食安全，有效增加灌溉面積，必須實施節水灌溉[3]。中國自20世紀90年代初期已開始推廣農業節水灌溉技術，自2005年開始中央一號文件連續多年強調要積極發展節水旱作農業，加強灌溉用水計量，擴大灌溉面積，但是在大田作物節水灌溉方面依然進展緩慢[3]。原因主要有2個方面：一是田間節水灌溉工程技術在大田作物灌溉中推廣難度大[4]；二是在灌溉管理工作的實踐中，非充分灌溉、調虧灌溉等節水灌溉研究成果未能得到推廣應用。致使目前大田作物生產中，普遍存在因水源不足而放棄灌溉的嚴重問題。

推廣應用高效節水灌溉技術是解決農田灌溉水源不足的重要途徑，但是微、噴灌節水灌溉工程技術投資高，且在耕作中容易損毀，維護困難，一般只適宜于林果、蔬菜等經濟作物，并不適宜于小麥、玉米等大田作物，預計在未來較長時期內仍難以在大田作物中得到推廣應用[4-5]。地面灌溉是一種傳統的大田灌水方法，雖然水的利用效率較低，但它仍然是目前世界上廣泛采用的一種灌水方法，在高效節水灌溉工程技術難以在大田作物中推廣應用的客觀形勢下，通過優化節水灌溉制度，推廣節水型地面灌溉制度是實施大田作物節水灌溉的可行途徑[4-5]。近年來，隨著非充分灌溉理論研究的不斷深入，取得了大量的研究成果[6-12]，為節水灌溉制度的制定奠定了基礎，但是，前人所做的研究主要集中在灌水量與產量間的關系及作物水分生產函數研究方面，而將這些理論研究成果反過來應用于農田灌溉管理工作實踐的應用性研究卻很少[13-21]。史源等[1,22-24]在中國北方不同地區開展過小麥灌溉制度的優化研究，但是研究工作主要是對設定不同灌溉制度的對比試驗或情景模擬，通過對比分析提出較優灌水方案，并未給出具體的求解方法，本次研究以冬小麥產量最大化為目標，采用Jensen模型反向解算方法，求解最優灌水方案，將理論研究成果應用于農田灌溉管理工作的實踐中，對推進現有研究成果的轉化應用意義重大。

河南省是中國糧食生產大省，2019年糧食產量占全國糧食總產量的十分之一，其中小麥總產量約占全國小麥總產量的近三分之一。但是，河南中部和北部廣大的冬小麥種植區，冬小麥生育期大氣降水很難滿足作物需水要求，作物生長對灌溉依賴程度高，而農田區可利用水資源量普遍小于灌溉需水量[25]，農田灌溉水源短缺、灌水效率低下是造成小麥產能不穩的根源所在。本文針對河南省非引灌區農田灌溉水源有限，高效節水灌溉工程技術在大田作物灌溉中難以推廣應用的雙重約束，以河南省土地綜合整治技術推廣應用試驗區新鄭市為研究區，在收集利用縣域氣象、農林、水利、國土資源等不同部門調查、觀測成果資料[26-27]的基礎上，充分利用冬小麥水分敏感性研究成果[6-9]和田間試驗研究成果[16-18]，以冬小麥產量最大化目標，采用Jensen模型求解法，將有限的水資源量優化分配至冬小麥的不同生育階段，通過制定冬小麥非充分灌溉制度以提高灌溉水利用效率，緩解水資源短缺對冬小麥生產的約束。

1　研究區概況

1.1　基本概況

新鄭市位于河南省中部，隸屬于鄭州市管轄。全市土地總面積為8.85×104hm2，其中：農用地面積6.51×104hm2，占土地總面積的73.54%；農用地中耕地面積為5.37×104hm2，占土地總面積的60.65%。

新鄭市地處河南東部平原與西部山地的過渡地帶，地貌類型復雜多樣，山地、丘陵、崗地和平原兼有，素有“中原縮影”之稱。山地和丘陵集中分布在西南部和西部，崗地主要分布在山丘外圍和中部地帶，占土地總面積的38.11%，其中山地占4.97%，丘崗地占33.14%，崗地系早期山前洪積傾斜平原，大部分為第四紀黃土覆蓋；平原多集中于京廣鐵路以東，占土地總面積的61.89%，其中京廣鐵路以西為山前沖積微傾斜平原，約占土地總面積的14.49%，京廣鐵路以東為黃河泛濫沖積平原區，屬黃淮平原的西北邊緣部分，占土地總面積的47.40%，其中分布有大量低緩的沙丘崗地。不同地貌類型區土壤質地差異明顯，壤土占農田區的比例約為44.3%，主要為分布于京廣鐵路以西的坡崗地和山前沖積平原區；沙壤土、面沙-細沙土占農田區的比例分別為39.8%、15.9%，主要為分布于京廣鐵路以東的黃泛平原區和沙丘崗地區[26]。壤土區成土母質為坡積物和山前沖洪積物，土壤透水性較弱，持水性較好，滲透系數值為0.25～0.5 m/d，給水度值為0.033～0.053；沙壤土、面沙-細沙土區成土母質主要為粉土、粉細砂及細砂，土壤透水性較強，持水性較差，滲透系數值為0.5～8 m/d，給水度值為0.041～0.067[27]。

區內氣候為暖溫帶大陸性季風氣候，多年（1956－2015年）平均降水量為627.1 mm，多年平均氣溫14.2 ℃，光熱條件適宜多種農作物生長，為河南省糧食生產核心區，2018年糧食總產量為26.77×104t。

1.2　農田灌溉可利用水資源量

農田灌溉可利用水資源量是節水灌溉制度制定的基礎依據。新鄭市為非引灌區，農田灌溉缺乏引灌水源，灌溉水源主要為淺層地下水和蓄積雨洪水源，不同地區水資源稟賦條件差異較大。黃河沖積平原、山前平原-崗地區以井灌為主，灌溉水源為淺層地下水；山地和丘陵區以旱作為主，淺層地下水可利用模數小，潛水面埋藏深度普遍大于50 m，地下水補給條件差，不適宜開采利用，農田灌溉主要依靠修建小型蓄水工程蓄積雨洪水源。依據淺層地下水資源可利用模數的大小[27]和土壤質地差異，可將新鄭市劃分為黃泛平原灌溉區、山前平原灌溉區和山丘緩坡灌溉區三大灌區。

地表水資源主要來源于蓄積雨洪資源。降水量在年際間變化大，變差系數為22%。25%、50%、75%降水保證率的年降水量分別為723.8、614.8、465.5 mm。依據《新鄭市1:10萬水文地質調查報告》，新鄭市由山丘區至平原區，地表徑流量逐漸減少，南部山丘區、西北部崗地區、中東部平原區多年平均地表徑流系數分別為0.41、0.21、0.18。平原（崗地）區為井灌區，不考慮蓄積利用地表水；山地和丘陵緩坡農田區淺層地下水埋藏深、可利用模數小，農田灌溉水源主要為蓄積大氣降水，雨洪資源蓄積采用在田間地頭修建小型蓄水池工程蓄積田面滲余降水，蓄水工程按75%降水保證率設計，田面徑流系數參照平原區取0.18，則75%保證率農田區地表水徑流深度為83.8 mm，以攔蓄利用率為75%估算，則農田區可蓄積利用的地表水資源模數為628 m3/hm2（表1）。

表1 新鄭市不同農田灌溉區可利用水資源量

依據《新鄭市1:10萬水文地質調查報告》[27]，新鄭市多年平均淺層地下水資源量為9 479.69×104m3，可利用量為7 847.24×104m3，可利用模數平均值為885 m3/hm2。其中：黃泛平原灌溉區淺層地下水資源可利用模數為1 222 m3/hm2，區內淺層地下水補給條件好，水位埋深淺（<10 m），適宜作為農田灌溉水源；山前平原灌溉區淺層地下水可利用模數為714 m3/hm2，土壤質地為沙壤土，大氣降水補給條件較好，地下水水位埋深較淺（<30 m），適宜作為農田灌溉水源；山丘緩坡灌溉區淺層地下水可利用模數為235 m3/hm2，土壤質地壤土，地下水水位埋深（>50 m），大氣降水補給條件差，可利用模數小，不適宜作為農田灌溉水源開發利用。

綜上所述可看出，新鄭市黃泛平原灌溉區、山前平原灌溉區和山丘緩坡灌溉區三大灌區，農田灌溉可利用水資源模數分別為1 222、714、628 m3/hm2，黃泛平原灌溉區、山前平原灌溉區可利用水資源為地下水，山丘緩坡灌溉區可利用水資源為地表水（表1）。

2 農田灌溉需水量分析

冬小麥全生育期作物需水量與全生育期有效降水量和播種時土壤底墑間的差值為灌溉需水量，當可利用水資源量小于灌溉需水量時，需要將有限的水資源優化分配冬小麥不同生育期，以提高水資源的利用效率，節約利用有限的水資源。

2.1 作物需水量

作物需水量可采用通過直接試驗或間接計算2種方法求得，鑒于氣象資料易于獲取，建議在求取不同地區作物需水量時采用間接計算法。

前人曾采用間接計算法求得了研究區冬小麥全生育期的作物需水量，本次研究擬直接引用前人計算結果。馬志紅等[28]采用FAO1998年推薦的Penman-Monteith公式，利用河南省各站點多年旬平均氣象資料，首先計算出河南省冬小麥參考作物騰發量0，然后根據河南省氣象科學研究所[29]和水利部農田灌溉研究所[30]提供的冬小麥全生育期騰發量修訂系數（c= 0.876～1.01），對0進行訂正后得到了河南省冬小麥農田潛在騰發量ET（即需水量），其中新鄭市值為425 mm左右，這與肖俊夫等[20]依據田間試驗數據計算出的鄭州北部新鄉地區冬小麥全生育期經濟灌水量基本一致，因此本次研究新鄭市冬小麥農田潛在騰發量ET取值設為425 mm[28]。

依據新鄭市多年旬平均氣象資料，計算得冬小麥苗期（10月1日－11月15日）、越冬（11月16日－1月30日）、拔節（2月1日－3月31日）、抽穗（4月1日－4月30日）、灌漿–成熟（5月1日－6月30日）不同生育期作物需水量占全生育期需水量的比例分別為16.0%、9.5%、22.3%、27.8%、24.5%，這一結果與史源等[1,21]研究得出的華北地區冬小麥各生育期的耗水比例基本一致，據此比例可計算得冬小麥不同生育期的需水量分別依次為68.0、40.2、94.6、118.0和104.2 mm。

2.2 天然供水量

2.2.1 冬小麥播種時土壤底墑量

土壤田間持水量、凋萎系數是估算土壤最大底墑量的重要指標。結合冬小麥根系分布特點，以0～100 cm土層內的土壤最大有效持水量作為計算土壤最大底墑量的有效深度，則其計算公式為

式中W為土壤最大底墑量，mm；r為土壤田間持水量（體積含水率），%；r為凋萎系數，%。

土壤實際可形成的底墑量還取決于區內降雨量、蒸發量的大小以及灌水量的多少。由于新鄭市7–9月的降水量占全年降水量的54.8%，期間降雨量大于蒸發量，除極端干旱年外夏玉米不需要灌溉，因此，冬小麥播種時土壤底墑量可不考慮灌溉因素；區內土壤質地較疏松、滲透性較好，且耕地修筑有田埂，除極端強降雨外，降雨量可視為有效降雨量。因此，土壤實際可形成的底墑量計算公式為

式中W為冬小麥播種時土壤形成的底墑量，mm；P為冬小麥播種前期7－9月有效降水量，mm；為夏玉米7－9月實際騰發量，mm。當W>W時，實際底墑量取W值。

土壤質地是影響土壤持水性、土壤最大底墑量的關鍵因素。依據前人對不同質地土壤持水性研究結果和本次實測結果，利用公式（1）估算得砂土、砂壤土、壤土可形成的最大底墑量如表2所示。由表2可以看出，不同學者測試估算的土壤最大底墑量雖然存在差異，但是不同質地土壤的最大底墑量差異顯著，取本次實測范圍的中間值，可估算得黃泛平原灌溉區、山前平原灌溉區、山丘緩坡灌溉區的土壤最大底墑量分別為110.5、145.5、164.0 mm左右。依據新鄭市1956－2015年氣象數據統計分析得，新鄭市豐水年（25%降水保證率）、平水年（50%降水保證率）、干旱年（75%降水保證率）7－9月降雨量分別為396.6、336.8、260.2 mm，多年平均蒸發量為271.5 mm（蒸發量年際變化?。?，可以看出，新鄭市豐水年、平水年7－9月降雨量均大于蒸發量。利用公式（2）可估算得豐水年黃泛平原灌溉區、山前平原灌溉區、山丘緩坡灌溉區冬小麥播種時的土壤墑量分別約為110.5、125.1、125.1 mm；而平水年和干旱年不同灌區的土壤底墑量均相同，分別為65.3、0 mm。

表2 不同質地土壤持水性參數值

注：田間持水量、凋萎系數均為體積含水率。

Note: Field moisture capacity and wilting coefficient are all water percent of volume.

2.2.2 冬小麥全生育期大氣有效降水量

冬小麥全生育期降雨強度小，降水量均可視為有效降水量。依據新鄭市1956－2015年氣象數據，統計得新鄭市豐水年（25%降水保證率）、平水年（50%降水保證率）、干旱年（75%降水保證率）冬小麥全生育期降雨量分別為254.6、216.3、163.8 mm。

2.3 灌溉需水量

由于新鄭市冬春季節降水量小，強度也不大，故可不考慮徑流和滲漏量，則冬小麥灌溉需水量的計算式可以簡化為

式中為冬小麥全生育期灌溉需水量，mm；為冬小麥全生育期需水量，mm；W為冬小麥底墑量，mm；為冬小麥全生育期降水量，mm。

新鄭市冬小麥全生育期作物需水量為425 mm左右[28]，利用式（3）計算得新鄭市各個灌溉區不同氣候年型的灌溉需水量如表3所示。由表3可知，豐水年各灌區的可利用水資源量大于灌溉需水量，除豐水年外各灌溉區的可利用水資源量均小于冬小麥作物灌溉需水量。

表3 新鄭市不同農田灌溉區冬小麥作物灌溉需水量

3 水資源約束條件下的灌水定額優化分配

現有研宄表明，作物產量不僅與全生育期的供水量有關，更取決于供水量在全生育期內的分配[20-24]。依據作物水分生產函數，將有限的水資源優化分配至作物生長的關鍵期，是制定非充分灌溉制度，提高水分利用效率、節水增產的有效途徑。

3.1 作物水分生產函數模型的選取

作物水分生產函數是描述作物產量與作物騰發耗水量之間關系的數學函數，作物生育階段水分生產函數模型又可分為連加模型和連乘模型2種。連乘模型不僅體現了作物各生育階段缺水對作物生長造成不利影響程度的大小，而且表達了作物階段缺水的“滯后作用”對產量的影響，體現了早期階段影響導致死亡的這一作物生理過程[17]；而連加模型在實際應用中，當旱期階段導致作物死亡時，卻仍能算出產量，不符合實際情況，因此，連乘模型對產量目標的反應比連加模型更敏感，更符合實際。張志宇等[21]研究表明Jensen乘法模型的擬合精度最高，Jensen模型的表達式為

式中為作物生育階段數；為作物生育期階段的編號；λ為第生育階段的敏感指數；ETa為第生育階段的實際騰發量，mm；ETm為第生育階段的潛在騰發量（與對應的騰發量），mm；為作物實際產量，kg；為作物最高產量（充分灌溉），kg。

3.2 灌水定額優化求解方法步驟

冬小麥的全生育期可劃分為苗期、越冬、拔節、抽穗、灌漿-成熟5個生育階段，分別用1、2、3、4、5表示，在某一地區冬小麥的ETm、λ均可視為固定的常數。因此，冬小麥灌溉水資源在作物不同生育階段的最優化分配，是在灌水總量一定的條件下，以產量最大為目標優化求解ETa的過程，即對公式（4）求解ETa使/最大化的過程。在求解出ETa后，即可確定冬小麥不同生育階段的灌水定額W，計算式如下：

式中W為冬小麥第生育階段灌水定額，mm；W為冬小麥第生育階段的底墑量，mm；P為冬小麥第生育階段的降水量，mm。

由于在確定的地區，一定氣候年型的W和P均為常數，因此，求解出ETa后即可得到冬小麥不同生育階段的灌水定額W。ETa的求解方法步驟如下：

1）為了求解方便，將式（4）表達為

2）根據公式（4），求解/的最大值也就是求解的最大值，公式（6）可轉化為

3）由于在一定地區、一定氣候年型的ETm、∑(ETa)為常數，λ也為常數，因此可設：

式中為常數；＝∑(ETa)，為常數；x為ETa占的比例系數，1+2+3+4+5=1。

4）將式（8）、式（9）代入式（7），則式（7）可表示為

5）由于、λ均為常數，因此式（11）又可表示為

式中、1、2、3、4、5均為常數。

6）對公式（11）求偏微分，并令其等于0，則可得到：

7）令式（12）分別與式（13）、式（14）、式（15）、式（16）相等，整理后得：

8）由于1+2+3+4+5=1，因此得：

同理可得：

將公式（18）代入公式（9）可得：

將ETa代入公式（5）即可計算出冬小麥不同生育階段優化分配的灌水定額W。當ETa/i≥1，ETa取i值，計算的灌溉需水量為負值，表明不需要灌溉，且部分天然水轉化為下階段底墑量。

3.3 非充分灌溉制度的制定

3.3.1 敏感指數λ的確定

非充分灌溉制度是指在農田灌溉水資源量有限的條件下，在農作物全生育期期內科學合理地分配有限的水量，將有限的水資源用于作物關鍵需水階段，以獲取最佳的產量目標。合理確定作物不同生育階段的作物水分敏感指數是科學制定非充分灌溉的關鍵。中國自20世紀80年代開始在非充分灌溉方面進行了大量的試驗研究，汪志農等[19-21]依據田間試驗數據，采用Jensen模型分別在鄭州、新鄉、河北省中部（望都縣）建立了冬小麥分生育期耗水量與產量的關系模型，計算出了冬小麥不同生育階段的水分敏感指數（表4）。由表4可看出，不同的研究者在不同地區計算出的冬小麥不同生育階段的敏感指數變化規律是相同的，敏感期由大到小的序次為抽穗、拔節、灌漿、苗期、越冬，在抽穗-灌漿期對缺水最為敏感，拔節期次之，然后是苗期，而越冬期的敏感性最小，反映了同一作物水分生產函數具有相同的內在規律性?，F有研究成果為非充分灌溉制度的制定奠定了理論基礎、提供了基礎依據。由于同一作物的生長發育過程具有類似的特點和習性，且收集的田間試驗數據位于華北平原區，與研究區處于相同或相近氣候區，因此，可利用已有研究成果作為研究區冬小麥的水分生產函數參數，考慮到敏感性指數均為經驗數據，取已有敏感性指數的平均值較為適宜（表4）。由公式（19）可看出，灌水定額的優化分配結果取決于作物不同生育階段敏感性指數的相對大小，敏感性指數的絕對值對分配結果影響不大。

表4 冬小麥不同生育期作物水分敏感性指數

3.3.2 不同生育階段實際騰發量ETa的確定

不同灌溉區不同氣候年型作物供水量是不同的。當冬小麥全生育期供水量大于全生育期作物需水量425 mm時，不同生育階段實際騰發量ETa按最大騰發量（需水量）ETm確定，即苗期、越冬、拔節、抽穗、灌漿-成熟各生育期供水量分別為68.0、40.2、94.6、118.0和104.2 mm；當全生育期供水量小于全生育期作物需水量時，按照公式（19）和表4中λ的均值計算得，不同生育階段的實際騰發量ETa占供水總量的比例依次為15.8%、5.4%、23.4%、34.9%、20.5%。在分配過程中若出現≥ETm情況時，取ETm值，不同灌溉區不同氣候年型冬小麥生育期的實際騰發量優化分配結果如表5所示。

表5 新鄭市冬小麥全生育期供水總量及在不同生育階段的優化騰發量

3.3.3 不同生育階段天然供水量

不同灌溉區不同氣候年型冬小麥播種時的土壤底墑量如表5所示，依據近60 a新鄭市大氣降雨量數據統計得，豐水年、平水年、干旱年冬小麥苗期、越冬、拔節、抽穗、灌漿-成熟不同生育期的大氣降水量如表6所示。

3.3.4 冬小麥不同生育階段灌水定額

前述立足于不同灌溉區不同氣候年型冬小麥全育期供水總量，以冬小麥產量最大化為目標，通過作物水分生產函數模型求解，將冬小麥全育期供水總量優化分配到了作物的不同生育階段，即各階段的騰發量（表5）。

不同的氣候年型、不同灌區冬小麥播種時的土壤底墑量如表3所示，不同的氣候年型冬小麥不同生育階段的大氣降水量如表6所示。依據表5中確定的冬小麥不同生育階段的騰發量，減去土壤底墑量（表3）和大氣降水量（表6）即可求得不同灌區、不同氣候年型冬小麥不同生育階段的灌水定額，具體如表7所示。當W≤0時，說明天然供水量大于實際騰發量，不需要灌溉，灌水定額取0，騰發剩余量可轉為作物下一生育階段的土壤底墑量。由表7可看出，新鄭市豐水年冬小麥灌溉關鍵期為灌漿期，灌水定額占灌溉定額的比例為73.3%～96.7%；平水年灌溉關鍵期為抽穗和灌漿期，灌水定額占灌溉定額的比例分別為60.8%～68.5%、32.2%～38.0%；干旱年苗期、拔節、抽穗、灌漿均需要灌溉，抽穗期為灌溉關鍵期，灌水定額占灌溉定額的比例高達53.9%～71.9%。

表6 新鄭市冬小麥不同生育期大氣降水量

表7 新鄭市不同氣候年型冬小麥不同生育期灌水定額

在設定不灌溉、均勻灌溉、非充分灌溉3種情景下，利用冬小麥水分生產函數（式（4））對作物相對產量進行估算，估算結果如表8所示。由表8可看出，平水年采取非充分灌溉制度估算得的冬小麥產量比不灌溉或均勻灌溉情景下分別高40.9%、20.6%；干旱年采取非充分灌溉制度估算得的冬小麥產量比不灌溉或均勻灌溉情景下分別高58.9%、23.8%。

表8 新鄭市不同灌溉制度情景下冬小麥相對產量估算

注：ETa/ETm為實際騰發量與潛在騰發量的比值；λ為生育階段的敏感指數；相對產量為實際產量與充分灌溉條件下的潛在產量的比值。

Note:ETa/ETmis the ratio of actual and potential evaporation;λis sensitive index in growth stage; Relative yield is the ratio of actual and potential yield in sufficient irrigation.

4 討論與結論

4.1 討 論

目前國內對作物水分生產函數的研究，積累了大量的冬小麥不同生育期敏感指數等試驗數據，但是并未反向求解出冬小麥不同生育期的優化供水量，而且優化供水量也等同于需要灌水量，優化供水量扣除土壤底墑量、階段降水量后才是需要的灌水量，這一過程需要結合灌區灌水總量、土壤質地、氣象要素等調查研究成果進行解算，優化解算確定具體的灌水定額，不通過這一優化解算過程，在水資源不足條件下，已有研究成果難以落實到實際灌溉工作中。

新鄭市農田灌溉可利用用水資源量為640～1 225 m3/hm2，僅為《河南省地方標準—農業用水定額》確定量的28.8%～55.0%，但是，在設定不灌溉、均勻灌溉、非充分灌溉3種情景下，利用冬小麥水分生產函數對作物產量進行估算，估算得平水年采取非充分灌溉制度比不灌溉、均勻灌溉可增產20.6%～40.9%，干旱年可增產23.8%～58.9%，因此，在農田灌溉水源短缺的半干旱-干早地區，應加強非充分灌溉制度的推廣力度，不應放棄灌溉，尤其是干旱年在冬小麥播種時，采用簡單易行的點灌，用水量小，但可保全苗，增產效果顯著。

目前中國許多灌區設置了灌溉實驗站，積累了大量的作物需水量、作物水分敏感指數等試驗數據，為非充分灌溉制度的制定奠定了基礎，雖然這些試驗數據不一定很精確，但是給出了一定的范圍，具有重要的使用價值，應盡快將其推廣應用于灌溉管理工作的實踐中，并在實踐中不斷總結完善。

4.2 結 論

1）在冬小麥全生育期供水總量不足（＜潛在騰發量）情況下，利用現有冬小麥水分敏感性研究成果，采用Jensen模型求解法可以解算出冬小麥不同生育階段的供水量（實際騰發量）優化值，以實現小麥產量最大化，不同生育階段供水量的分配比例與其水分敏感指數大小呈正比。

2）新鄭市豐水年水資源可滿足冬小麥充分灌溉需要，灌溉關鍵期為灌漿期，灌水定額占灌溉定額的比例為73.3%～96.7%；平水年和干旱年水資源量小于灌溉需水量，需要實施非充分灌溉制度，高效節約利用水資源，平水年灌溉關鍵期為抽穗和灌漿期，灌水定額占灌溉定額的比例分別為60.8%～68.5%、32.2%～38.0%；干旱年苗期、拔節、抽穗、灌漿均需要灌溉，抽穗期為灌溉關鍵期，灌水定額占灌溉定額的比例高達53.9%～71.9%。

3）利用冬小麥水分生產函數估算作物相對產量可知，與不灌溉或均勻灌溉相比，平水年和干旱年采用非充分灌溉均增產效果顯著。因此，在農田灌溉水源短缺的地區，應加強非充分灌溉制度的推廣應用力度。

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Water-saving irrigation regime for winter wheat in county areas under water resources constraints

Zhu Jiawei, Zhao Congjia, Guo Ruirui, Zhou Linlin

(,,450002,)

High-efficiency water-saving irrigation engineering technology is facing a difficult situation to be extended popularlycovering the field crops.A feasible way can be to optimize the water-saving irrigation regime, thereby to improve the efficiency of irrigation water. In this study, an optimization design was conducted to develop a water-saving irrigation regime in Xinzheng City, Henan Province, China.Three scenarios were set, including non-irrigation, average irrigation, and insufficient irrigation. The specific procedures were: First, Penman-Monteith formula was used to calculate indirectly the water volumes that the winter wheat required in the full and every growth stages. Second, the collected parameters were selected, such as meteorological data, the field moisture capacity, wilting coefficient of different types of soil texture, and hydro-geological data, thereby to estimate the total water resource that supplied in the full growth stage of winter wheat, including atmospheric precipitation, soil water content, and available water resource for irrigation. Third, the water sensitivity index of winter wheat was used to monitor the water demand of winter wheat in the different growth stages. Taking the maximum yield of winter wheat as a goal, a Jensen-model was selected to optimize the total supply water, and further distribute to the different growth stages of winter wheat. Finally, the obtained parameters were used, including the actual evapotranspiration, atmospheric precipitation, and soil water content, to calculate the irrigation water quota in different growth stages of winter wheat. The results showed that: 1) The total supply water was less than that in normal and dry years in Xinzheng City, Henan Province, China. Therefore, it was necessary to implement deficit irrigation regime. 2) Since the Jensen-model cannot be used to calculate directly the irrigating quota in different growth stages, the actual evaporation can be achieved for the weight coefficient of sensitivity index in different growth stages of winter wheat. Specifically, the allocation proportions of evaporations were 15.8%, 5.4%, 23.4%, 34.9%, 20.5% in seedling, over-wintering, booting, heading, and filling stages. 3) In Xinzheng City, the key irrigation periods of winter wheat were the heading and filling stages. In filling stages, the irrigating quota accounted for 73.3%-96.7% of the total irrigation amount in high flow years. In heading and filling stages, the irrigating quota accounted for 60.8%-68.5% and 32.2%-38.0% in normal flow years. In heading stages，the irrigating quota accounted for 53.9%-71.9% in dry years. In Jensen-model estimation, the yield of winter wheat under insufficient irrigation was 20.6%-40.9% higher than that under non-irrigation or average irrigation in normal flow year, and 23.8%-58.9% higher in dry year. Therefore, the amount of water resources available for irrigation in Xinzheng City was only 640-1225 m3/hm2, 28.8%-55.0% of the quota given in Henan Province local standard-agricultural water. Nevertheless, the insufficient irrigation can be recommended for the field crops. The finding can offer the basic counties (cities) data for extending a deficit irrigation regime to other counties.

irrigation; crops; water-saving; deficit irrigation; irrigation schedule; Henan Province

朱嘉偉，趙聰佳，郭蕊蕊，等. 水資源約束條件下的縣域冬小麥節水灌溉制度[J]. 農業工程學報，2021，37(1)：92-100.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.012 http://www.tcsae.org

Zhu Jiawei, Zhao Congjia, Guo Ruirui, et al. Water-saving irrigation regime for winter wheat in county areas under water resources constraints[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 92-100. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.012 http://www.tcsae.org

2020-06-14

2020-09-11

國土資源部公益性行業科研專項課題（201411022-03）

朱嘉偉，博士，副教授，研究方向為土地資源調查評價與規劃。Email：Zhujw686@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.012

S274.1

A

1002-6819(2021)-01-0092-09