董淑喜

(黑龍江省農(nóng)墾牡丹江管理局水務(wù)局，黑龍江 密山 158308)

水分脅迫條件下稻田優(yōu)化灌溉制度的研究

董淑喜

(黑龍江省農(nóng)墾牡丹江管理局水務(wù)局，黑龍江 密山 158308)

本文通過對(duì)非充分灌溉條件下水稻優(yōu)化灌溉制度如何制定進(jìn)行了研究。其特點(diǎn)是將作物產(chǎn)量模型與耗水規(guī)律模型相結(jié)合，以相對(duì)產(chǎn)量最高為目標(biāo)函數(shù)，建立了優(yōu)化決策系統(tǒng)，并利用多目標(biāo)規(guī)劃進(jìn)行求解。該研究成果可使有限的水量在作物生育期內(nèi)發(fā)揮最大的效率，對(duì)優(yōu)化配置水資源，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效用水具有重要作用。實(shí)例研究結(jié)果說明，所建模型及求解方法是合理與可行的，不但提高了水分利用效率，還為查哈陽灌區(qū)水資源的優(yōu)化利用提供了科學(xué)依據(jù)。

水稻水分生產(chǎn)函數(shù);多目標(biāo)規(guī)劃;優(yōu)化灌溉制度;水分脅迫

查哈陽灌區(qū)位于黑龍江省齊齊哈爾市甘南縣境內(nèi)，諾敏河下游。區(qū)內(nèi)現(xiàn)有耕地5.609萬 hm2，設(shè)計(jì)灌溉面積1.407萬 hm2。水田主要是河灌，旱田大部分是井灌。由于體制多變、政策不穩(wěn)、種植方向不明，再加上工程老化嚴(yán)重等原因，使得灌溉效益未能得到充分發(fā)揮，水田面積徘徊在0.667萬hm2左右。為了使有限的水資源得到合理的利用及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，提高水資源的利用效率勢(shì)在必行。

本研究針對(duì)查哈陽灌區(qū)水資源不足和分布不均的特點(diǎn)，通過非充分灌溉處理，建立適合查哈陽灌區(qū)的水稻水分生產(chǎn)函數(shù)，同時(shí)在此基礎(chǔ)之上得到優(yōu)化灌溉制度，不但為查哈陽灌區(qū)水資源的優(yōu)化利用提供了科學(xué)依據(jù)，也對(duì)黑龍江省西部半干旱區(qū)發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)具有重要的指導(dǎo)意義［1］。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)土壤與當(dāng)?shù)貧夂?/h3>

試驗(yàn)于2007年在查哈陽農(nóng)場(chǎng)灌區(qū)內(nèi)實(shí)施。本區(qū)屬高漫灘平原區(qū)，為第四紀(jì)沉積物覆蓋，厚度30～70 m，上部為亞粘土，厚2～6 m，土的承載標(biāo)準(zhǔn)值為100～200 kPa，下部為砂卵石含水層，厚度20～60 m。承載力240～450 kPa。灌區(qū)所在區(qū)域?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫1.6℃，平均降雨量468 mm，≥10℃有效積溫2 470℃，無霜期124天，日照時(shí)數(shù)2 735 h。2007年整個(gè)生育期降雨量235 mm。

1.2 試驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用筒測(cè)法，測(cè)筒規(guī)格為直徑0.58 m，高 0.9 m，有底，無滲漏。測(cè)筒內(nèi)回填試驗(yàn)地原狀土，且使筒上層土面與地面齊平，使實(shí)驗(yàn)地氣候與大田氣候一致。土壤容重1.34 g/cm3，飽和含水率51%。移栽時(shí)每筒 9穴，每穴 5株，并在第三次處理中移栽8穴，每穴5株。測(cè)筒區(qū)上部設(shè)有活動(dòng)遮雨棚，以隔絕雨水進(jìn)入受旱階段的測(cè)筒。本試驗(yàn)的水稻品種為空育131，試驗(yàn)中的施肥按正常量使用。每天8:00記錄數(shù)據(jù)，灌水、排水及降雨前后加測(cè)，水分水控制在上限(30 mm水層)～設(shè)計(jì)下限(表1)之間。

表1 各階段受旱下限

試驗(yàn)采取單階段分別受重旱、輕旱以及相鄰兩階段連續(xù)中旱的方法，并設(shè)群眾灌溉(深水)為對(duì)照處理，共12個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，計(jì)36個(gè)測(cè)筒。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水分生產(chǎn)函數(shù)的建立

水分生產(chǎn)函數(shù)是描述作物產(chǎn)量和水分因子之間的數(shù)學(xué)關(guān)系(Water Production Function)。水稻水分生產(chǎn)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型主要有動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型兩大類。國際上公認(rèn)比較合理和完善的有以下四種:

式中:λi、Ai、Bi、Ci為作物不同階段缺水對(duì)產(chǎn)量的敏感指數(shù)及敏感系數(shù);i為生育期劃分序號(hào);Ya各處理?xiàng)l件下的實(shí)際產(chǎn)量，kg/hm2;Ym為正常灌溉下產(chǎn)量，kg/hm2;ETa為各處理?xiàng)l件下實(shí)際蒸發(fā)量，mm;ETm為正常處理下的蒸發(fā)蒸騰量，mm;n為模型的階段總數(shù)，本試驗(yàn)中為n=4。

2.2 模型求解

由表2的水稻試驗(yàn)的各處理的蒸發(fā)蒸騰量和產(chǎn)量分別得到其相對(duì)騰發(fā)量和相對(duì)產(chǎn)量，分別代入式(1)、(2)、(3)、(4)，即可得到相應(yīng)的各階段水分敏感指數(shù)和相關(guān)系數(shù)如表3所示。

表2 查哈陽灌區(qū)水稻各種處理下的蒸發(fā)蒸騰量及產(chǎn)量

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)從表3可以看出，Jensen模型中其敏感指數(shù)在分蘗期最大，乳熟期次之，抽穗期最小，與實(shí)驗(yàn)成果一致，但R值相對(duì)較小;對(duì)于 Blank模型表明，A值越大，則對(duì)水分虧缺越不敏感，其各個(gè)生育期對(duì)水分脅迫敏感程度的高低順序正好和試驗(yàn)結(jié)果相反，故此模型不適宜用于查哈陽灌區(qū)水稻;Stewart模型灌漿期的敏感指數(shù)小于拔節(jié)期，并且相關(guān)系數(shù)值R太小，故此模型也不適用于查哈陽灌區(qū)水稻［2］。Singh模擬的效果中可以看出敏感的兩個(gè)時(shí)期是分蘗和乳熟期，不敏感的是抽穗和拔節(jié)期，這和試驗(yàn)結(jié)果一致，在模擬的結(jié)果中還可看出，在抽穗期為負(fù)值，理論上負(fù)值意思是水分脅迫反而促使產(chǎn)量增加，而實(shí)際結(jié)果顯示，由于抽穗期水分脅迫時(shí)間短，沒有達(dá)到重旱所需要的下限，其產(chǎn)量反而略高于其它處理［3］。

(2)Singh模型為相加模型，也較為適合半干旱和半濕潤地區(qū)籽實(shí)產(chǎn)量計(jì)算，適合干旱地區(qū)牧草和飼料作物的生物學(xué)產(chǎn)量計(jì)算，查哈陽灌區(qū)水稻選用模型作為當(dāng)?shù)氐乃舅稚a(chǎn)函數(shù)模型較為合適。

0.333 8 0.157 8 0.032 9 0.160 2 0.836 8 Blank 模型 Ai0.462 4 0.282 1 0.088 4 0.285 2 0.996 3 Stewart模型 Bi0.362 1 0.013 9 －0.160 8 0.010 9 0.603 7 Singh模型 Ci Jensen模型 λi 0.724 3 0.142 8 －0.145 3 0.217 2 0.997 4

3 水稻優(yōu)化灌溉制度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

生長階段作物水分生產(chǎn)函數(shù)適宜采用Singh模型提出的連加模型，其目標(biāo)函數(shù)為單位面積上實(shí)際產(chǎn)量與最高產(chǎn)量之比最大，即

式中:ETa為各處理?xiàng)l件下的實(shí)際蒸發(fā)量，mm;ETm為正常處理?xiàng)l件下的最大蒸發(fā)蒸騰量，mm;Ci為各處理?xiàng)l件下的產(chǎn)量影響系數(shù)。

(1)約束條件:

其中:i為生育期劃分序號(hào)，i=1，2，3，4;r為各個(gè)生育期騰發(fā)量之和。

(2)初始條件:

設(shè)作物可用于分配的水量為農(nóng)作物全生育期可用于分配的水量 Q，即

3.2 求解方法

在優(yōu)化配水時(shí)，將公式(7)(8)結(jié)合起來，采用 matlab7.1編程計(jì)算，讓程序在滿足公式條件的前提下選擇最優(yōu)目標(biāo)，主程序計(jì)算中將分配給作物凈灌溉水量，通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)凈灌溉水量在作物各生育期內(nèi)的優(yōu)化分配，最終實(shí)現(xiàn)主、子程序同時(shí)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)灌溉水資源的最高效益。

3.3 求解結(jié)果及分析

通過優(yōu)化結(jié)果可以看出，在P=75%(表5)，灌溉定額為8 877 m3/hm2時(shí)，其相對(duì)產(chǎn)量達(dá)到94%。在保證水資源可持續(xù)利用前提下，實(shí)現(xiàn)了水稻相對(duì)產(chǎn)量的最大。

表4 查哈陽灌區(qū)水稻非充分灌溉下優(yōu)化灌溉制度求解數(shù)據(jù)(P=75%)

4 結(jié)論

(1)本文在非充分灌溉試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，分析研究了水稻水分生理需水特性，通過對(duì) Jensen、Blank、Stewart、Singh四種模型的求解結(jié)果比較，得出查哈陽灌區(qū)水稻最適宜的水分生產(chǎn)函數(shù)模型為模型。

表5 查哈陽灌區(qū)水稻非充分灌溉制度優(yōu)化成果(P=75%)

(2)在水稻水分生產(chǎn)函數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了查哈陽灌區(qū)非充分灌溉下的優(yōu)化灌溉制度模型。即將作物產(chǎn)量模型與耗水規(guī)律模型相結(jié)合，以相對(duì)產(chǎn)量最高為目標(biāo)函數(shù)，建立了計(jì)算機(jī)優(yōu)化決策系統(tǒng)。采用 matlab7.1編程，求解設(shè)計(jì)保證率p=75%情況下水稻各階段的優(yōu)化灌水量，為查哈陽灌區(qū)水資源的優(yōu)化利用提供了科學(xué)依據(jù)。

［1］劉增進(jìn)，李寶萍，李遠(yuǎn)華等.冬小麥水分利用效率與最優(yōu)灌溉制度的研究.［J］農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2004.7(4):58 －63.

［2］程建平，曹湊貴，蔡明歷等.不同灌溉方式對(duì)水稻產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率的影響［J］農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2006(12):28－33.

［3］付強(qiáng)，王立坤，門寶輝等.推求水稻非充分灌溉下優(yōu)化灌溉制度的新方法［J］.水利學(xué)報(bào).2002(10):39－40.

［4］王克全，付強(qiáng)，季飛，徐淑琴等.查哈陽灌區(qū)水稻水分生產(chǎn)函數(shù)模型及其應(yīng)用試驗(yàn)研究［J］.灌溉排水學(xué)報(bào)2008:100－101.

Study on Optimization Irrigation Procedure of Rice Filed under Water Stress

DONG Shu－xi
(College of Water Conservancy and Building Engineering，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，Heilongjiang)

The paper studies how to draw the rice optimal irrigation system under the condition of non－sufficient irrigation.The character is that the model of yield connect with the model of water－consuming law.In order to get max object function and max yield，it set up optimization irrigation procedure with multiobjective programming. This result can get max efficiency under limited water consumption. It very important for optimized water resource and realized modern agriculture. The results show that this model improve efficiency and it provides scientific basis for Cha Hayang irrigation district.

Rice water production function;multiobjective programming;optimization irrigation procedure and water stress

S274

A

1004－1184(2012)01－0107－02

2011－05－23

黑龍江省農(nóng)墾總局科技攻關(guān)項(xiàng)目(HNKSV－13);黑龍江省科技攻關(guān)項(xiàng)目(GB06B106－7);東北農(nóng)業(yè)大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目聯(lián)合資助。

董淑喜(1982—)，男，江蘇連云港人，碩士，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉管理研究工作。