王穎輝，湯鵬程，李曙光，田雨春，李嘉琪

(1.通遼市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；3.內(nèi)蒙古通遼市水利技術(shù)推廣站， 內(nèi)蒙古 通遼 028000； 4.科爾沁區(qū)豐田灌溉試驗(yàn)站， 內(nèi)蒙古 通遼 028000)

內(nèi)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(chǎn)區(qū)之一。近年來，在全球氣候變暖的大背景下，內(nèi)蒙古東部區(qū)的氣候出現(xiàn)顯著變化，總體表現(xiàn)為降水量逐年減少，平均氣溫逐年提高，干旱年份出現(xiàn)頻率增多[1]。各地春旱頻率高達(dá)70%以上，特別是近十年來春旱頻率已達(dá)90%以上，夏、秋連旱頻率50%～60%。農(nóng)業(yè)灌溉用水量過大，農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)低，水分生產(chǎn)率低，水資源短缺已經(jīng)成為阻礙當(dāng)?shù)匕l(fā)展的主要因素之一[2-3]。

通遼市是內(nèi)蒙古“節(jié)水增糧”計(jì)劃實(shí)施的重點(diǎn)地區(qū)，為此，以通遼市豐田試驗(yàn)站3 a(2009—2011年)的試驗(yàn)觀測為例開展研究。根據(jù)通遼市水資源公報，2011年全市用水量29.29 億m3，第一產(chǎn)業(yè)農(nóng)業(yè)用水量高達(dá)24.56 億m3，占全市總用水量的83.87%，遠(yuǎn)高于全國農(nóng)業(yè)用水占總用水量65%的水平[4]。在可開發(fā)利用水資源總量一定的前提下，農(nóng)業(yè)用水只能是零增長或負(fù)增長。因此，全面了解該地區(qū)作物需、耗水規(guī)律對于發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)，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(dāng)?shù)貜V泛種植的作物——玉米在干旱年份的需水規(guī)律開展研究，為內(nèi)蒙古東部地區(qū)有限水資源的合理配置提供理論依據(jù)[6]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)選址在通遼市科爾沁區(qū)，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，為干旱、半干旱性氣候，平均海拔為186 m，四季分明，春季多風(fēng)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(nèi)光能資源充足，年日照總時數(shù)為2 967 h，多年平均降雨量為382.1 mm，降雨量年內(nèi)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(fēng)速為3.9 m·s-1，春季風(fēng)大，最大瞬時風(fēng)速達(dá)29 m·s-1。

1.2 試驗(yàn)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(yàn)共設(shè)6個處理，每個處理3個重復(fù)，共18個小區(qū)，每個小區(qū)面積為3.6 m×50 m=180 m2，試驗(yàn)區(qū)外圍設(shè)有3.6 m寬保護(hù)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)總面積0.45 hm2。試驗(yàn)處理按土壤水分加以控制，灌水下限通過土壤墑情監(jiān)測設(shè)備(TDR)進(jìn)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(yàn)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(yàn)處理設(shè)計(jì) 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(nèi)灌溉定額及生育階段劃分

內(nèi)蒙古東部區(qū)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(dāng)年實(shí)際生產(chǎn)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(yàn)采用水表記錄灌溉水量。針對實(shí)測含水率，計(jì)算各小區(qū)具體灌水定額，對不同小區(qū)同時灌水。不同年份各處理實(shí)際灌水?dāng)?shù)據(jù)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(dāng)?shù)貧庀笳镜臄?shù)據(jù)，包括2009—2011年5—9月逐日溫度、蒸發(fā)、日照、最高溫度、最低溫度、2 m高處風(fēng)速、相對濕度和日照時數(shù)等。降雨數(shù)據(jù)見表6。

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

表5 2009—2011年的氣候數(shù)據(jù) Table 5 The climate data of the year from 2009 to 2011

2 結(jié)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(qū)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(jù)作物生育期內(nèi)有效降雨量，采用多年降雨資料排頻，通過對該地區(qū)1980—2011年作物生育期內(nèi)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(nèi)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(nèi)(1980—2011年)枯水年占總年份的37.5%，近20 a內(nèi)(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(nèi)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(qiáng)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(nèi)消耗的水量。由表7可知，內(nèi)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(jié)期、抽雄期較高，苗期、灌漿期較低的趨勢。說明在拔節(jié)期、抽雄期作物生長速度快，葉面蒸騰增大，耗水量大。

耗水強(qiáng)度是指作物在單位時間內(nèi)的耗水量，掌握作物不同生育階段的耗水強(qiáng)度即可求出作物全生育期內(nèi)的需水量，而作物需水量是制定灌排工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理和農(nóng)田灌排實(shí)施的基本依據(jù)，可見耗水強(qiáng)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(qiáng)度略有區(qū)別。2009年日耗水強(qiáng)度介于1.20～6.60 mm·d-1之間，耗水強(qiáng)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(nèi)耗水量變化趨勢具有一致性。2010年日耗水強(qiáng)度介于0.90～4.30 mm·d-1之間，與2009年相比，日耗水強(qiáng)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(nèi)遭受水分脅迫有直接關(guān)系。2011年日耗水強(qiáng)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(nèi)蒙古東部區(qū)干旱年玉米各生育階段耗水強(qiáng)度從大到小的順序?yàn)槌樾燮凇喂?jié)期、灌漿期、苗期。

2.3 玉米產(chǎn)量及水分生產(chǎn)率

水分脅迫對作物的新陳代謝、生理生長等均會產(chǎn)生一定影響。水分脅迫的程度、階段不同，產(chǎn)生結(jié)果不同；水分脅迫也將使作物產(chǎn)生抗逆性，迫使作物根系向深層生長，增強(qiáng)土壤水分的利用率。分析不同處理玉米產(chǎn)量、減產(chǎn)率、水分生產(chǎn)率，結(jié)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(chǎn)。作物水分生產(chǎn)率(WP)計(jì)算公式如下：

WP=Y/ET

(1)

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

造成的減產(chǎn)程度取決于水分脅迫階段。玉米在自然狀態(tài)下(CK)減產(chǎn)率高達(dá)16.9%以上；苗期水分脅迫處理(W2處理)減產(chǎn)率最低，介于0%～3.7%之間；拔節(jié)期水分脅迫處理(W3處理)減產(chǎn)率4%～5%；抽雄期水分脅迫處理(W4處理)減產(chǎn)率8%～15%；灌漿期水分脅迫處理(W5處理)減產(chǎn)率4%～11%?？梢姵樾燮诟珊祵τ衩桩a(chǎn)量影響最大，其次是拔節(jié)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(qiáng)度

Fig.1Differentwaterconsumptionofcornonvariousgrowingstagesintheyearof2009—2011

分析2009—2011年各處理水分生產(chǎn)率可得(表8)，每年對照處理(CK)水分生產(chǎn)率最高。由于CK為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，干旱年份耗水量較小，水分生產(chǎn)率較高，但是與充分灌溉(W1處理)相比，CK減產(chǎn)幅度特別明顯，嚴(yán)重水分虧缺會導(dǎo)致大幅減產(chǎn)。各處理中，抽雄期水分脅迫(W4處理)導(dǎo)致水分生產(chǎn)率不高，故認(rèn)為該生育階段水分脅迫會對最終產(chǎn)量產(chǎn)生重大影響。苗期水分脅迫(W2處理)的水分生產(chǎn)率高于或接近無水分脅迫(W1處理)的水分生產(chǎn)率，拔節(jié)期與灌漿期水分脅迫處理(W3、W4處理)的水分生產(chǎn)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(chǎn)率，個別時期水分脅迫不會造成減產(chǎn)。隨著玉米耗水量的增加，產(chǎn)量持續(xù)增加，而水分生產(chǎn)率先升后降，因此實(shí)際生產(chǎn)中不能盲目追求產(chǎn)量最大，在獲得較高產(chǎn)量的同時，也需兼顧水分生產(chǎn)率的提高，尋求兩者之間的平衡點(diǎn)，使內(nèi)蒙古東部區(qū)干旱年份有限的水資源得以發(fā)揮最大效益。

2.4 玉米干旱年份非充分灌溉制度優(yōu)化

2.4.1 作物-水模型選擇 當(dāng)分配給區(qū)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(chǎn)量，這就是在一定的總灌溉定額(非充分灌溉)下最優(yōu)灌溉制度，即一定的總灌溉水量在農(nóng)作物生長期的最優(yōu)分配。已有研究認(rèn)為Stewart模型較適合內(nèi)蒙古東部地區(qū)的玉米生長特點(diǎn)，對總產(chǎn)量反映靈敏度高，能體現(xiàn)作物各階段水量對產(chǎn)量的影響[10]。故采用Stewart模型，表達(dá)式為：

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

2.4.2 動態(tài)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型 某種作物最優(yōu)灌溉制度的設(shè)計(jì)過程，可以看成是一個多階段決策過程，用動態(tài)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型描述。根據(jù)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(jù)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(shè)計(jì)基本資料詳見表9。

表9 玉米灌溉制度設(shè)計(jì)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(chǎn)量最大為目標(biāo)，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(jì)劃濕潤層土壤含水率約束：

θw≤θi≤θf，i=1,2,…,n

(5)

式中，θi為計(jì)劃濕潤層土壤平均含水率(占干土質(zhì)量的百分比)(%)；θf為田間持水率(占干土質(zhì)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(zhì)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(tài)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(yōu)化灌溉制度，詳見表10。在干旱年，當(dāng)M≤1 200 m3·hm-2時，灌溉水量應(yīng)首先保證玉米抽雄期、灌漿期需水要求；當(dāng)1 200 m3·hm-2≤M≤1 800 m3·hm-2時，玉米的灌水量應(yīng)依次保證拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期需水要求；當(dāng)1 800 m3·hm-2≤M≤2 400 m3·hm-2時，灌溉的水量應(yīng)依次保證苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期需水要求；當(dāng)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(dāng)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(yōu)化灌溉制度 Table 10 Optimize irrigation system of corn in dry years

3 結(jié) 論

1) 干旱年份玉米在拔節(jié)期、抽雄期耗水量較大，耗水高峰出現(xiàn)在拔節(jié)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(qiáng)度總體呈抽雄期>拔節(jié)期>灌漿期>苗期，全生育期日耗水強(qiáng)度介于0.79～6.5 mm·d-1之間。

2) 玉米各生育階段產(chǎn)生不同程度的水分脅迫均會造成一定幅度的減產(chǎn)，水分脅迫階段不同，減產(chǎn)幅度不同。玉米在自然狀態(tài)下減產(chǎn)率達(dá)到16%以上，苗期、拔節(jié)期水分脅迫處理減產(chǎn)率較小，均未達(dá)到顯著水平，而抽雄期水分脅迫導(dǎo)致平均減產(chǎn)10%以上。水分生產(chǎn)率與產(chǎn)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(shù)學(xué)模型與動態(tài)規(guī)劃，得到在干旱年玉米的最優(yōu)化灌溉制度。當(dāng)灌水量(M)≤1 200 m3·hm-2時，灌溉水量應(yīng)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(dāng)1 200 m3·hm-2≤M≤1 800 m3·hm-2時，玉米的灌水量應(yīng)依次保證拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期需水要求，全生育期灌水3次；當(dāng)1 800 m3·hm-2≤M≤2 400 m3·hm-2時，灌溉的水量應(yīng)依次保證苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期需水要求，全生育期灌水4次；當(dāng)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(dāng)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。

[1] 彭世彰，朱成立.節(jié)水灌溉的作物需水量試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報，2003,22(2)：21-25.

[2] 鄭根昌，翟 祥，楊恒山，等.內(nèi)蒙古西遼河平原農(nóng)業(yè)氣候資源持續(xù)利用途徑研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2001,4(70)：31-33.

[3] 劉戰(zhàn)東，肖俊夫，南紀(jì)琴，等.晉中地區(qū)不同灌水處理對春玉米形態(tài)指標(biāo)、耗水量及產(chǎn)量的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011,20(10)：43-48.

[4] 于 淼，甄文超，王振宇，等.山前平原區(qū)夏玉米對水分和密度的響應(yīng)[J].節(jié)水灌溉，2010，(9)：11-14.

[5] 梁懷宇，楊恒山，劉 晶，等.1951—2008年西遼河平原玉米氣候生產(chǎn)潛力變化特征分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2011,27(30)：16-20.

[6] 何俊仕，邊曉東，付玉娟，等.西遼河平原主要作物耗水量及耗水規(guī)律研究[J].節(jié)水灌溉，2012，(11)：1-4.

[7] 李淑文，于 淼，杜建云，等.不同灌水處理下土壤水分動態(tài)及玉米水分利用效率研究[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010,33(4)：17-21.

[8] 田德龍，鹿海員，郭克貞，等.井渠雙灌條件下玉米需水量研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013,41(9)：3813-3816.

[9] 王仕新，劉作新，趙煥胤，等.遼西半干旱地區(qū)主要作物耗水規(guī)律的初步研究[J].生態(tài)學(xué)雜志，1997,16(3)：11-18.

[10] 曹慶軍，崔金虎，王洪預(yù)，等.玉米拔節(jié)后不同水分處理對植株性狀和水分利用效率的影響[J].玉米科學(xué)，2011,19(3)：105-109.