摘要：以內(nèi)蒙古西部主要經(jīng)濟(jì)作物向日葵為例，基于農(nóng)田水分平衡原理，利用田間水分控制試驗(yàn)得出了向日葵不同生長發(fā)育階段的需水規(guī)律、適宜土壤水分含量及作物系數(shù)動(dòng)態(tài)計(jì)算式，確定了向日葵灌溉指標(biāo)，建立了適合河套灌區(qū)的向日葵動(dòng)態(tài)灌溉預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)了向日葵灌溉日期和灌溉量的滾動(dòng)預(yù)報(bào)。通過內(nèi)蒙古巴彥淖爾市2005—2018 年向日葵農(nóng)業(yè)氣象常規(guī)觀測的歷史資料和相應(yīng)氣象資料對系列方程式，對動(dòng)態(tài)灌溉預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確性和適用性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，預(yù)報(bào)灌溉日期與實(shí)際灌溉日期相差在2 d及以下的占71%，實(shí)際灌溉經(jīng)驗(yàn)基本符合向日葵的需水要求，表明灌溉模型的準(zhǔn)確性和適用性較強(qiáng)，但仍有部分特殊年份依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)確定灌溉日期，出現(xiàn)多次灌溉現(xiàn)象，導(dǎo)致水資源的浪費(fèi)。向日葵基本以每年灌溉2次就能滿足生長需要，而且通過計(jì)算得到的灌溉量也較傳統(tǒng)的估算更為精確。

關(guān)鍵詞：河套灌區(qū);向日葵;節(jié)水灌溉;灌溉日期;灌溉量;灌溉預(yù)報(bào)模型

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)是緩解我國水資源日趨緊張、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的重大戰(zhàn)略措施之一，也是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向[1]。節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展主體是節(jié)水灌溉，節(jié)水灌溉的關(guān)鍵是提高水分利用率，即包括什么時(shí)間灌溉和灌多少的問題[2-4]。向日葵是內(nèi)蒙古西部地區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)作物之一，對該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的促進(jìn)作用[5-6]。內(nèi)蒙古向日葵種植面積占全國向日葵種植面積的70%～80%，是我國向日葵的主產(chǎn)區(qū)。向日葵以其耐鹽堿的特性，主要種植在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)，近年來，面對黃河水資源日趨緊缺，引黃河水量指令性縮減的嚴(yán)峻形勢，迫切須要大力推進(jìn)節(jié)水灌溉工程發(fā)展，提高灌溉技術(shù)水平和灌溉用水管理，才能確?？茖W(xué)、高效地利用水資源。此外，當(dāng)?shù)刂饕扇÷喾绞竭M(jìn)行灌溉，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)和土壤鹽堿化現(xiàn)象非常嚴(yán)重。因此，構(gòu)建和優(yōu)化向日葵節(jié)水灌溉動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型，可為河套灌區(qū)水資源管理和高效利用提供科學(xué)依據(jù)和可行性方案。

節(jié)水灌溉正在從注重工程建設(shè)向水資源優(yōu)化配置轉(zhuǎn)變，以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的全面要求[7]。國內(nèi)很多學(xué)者圍繞農(nóng)田灌溉指標(biāo)的確定、農(nóng)田灌溉管理模型等水資源優(yōu)化配置方面做了大量的研究工作[8-11]。侯瓊等通過產(chǎn)量、水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益三者的有效統(tǒng)一，建立了內(nèi)蒙古主要灌區(qū)春小麥、春玉米農(nóng)田優(yōu)化灌溉指標(biāo)[12-13]。肖晶晶等基于農(nóng)田水分平衡原理、非充分灌溉理論和調(diào)虧灌溉理論，構(gòu)建了棉花和冬小麥不同發(fā)育期和全生育期節(jié)水灌溉氣象等級(jí)指標(biāo)，但由于缺乏灌溉量數(shù)據(jù)，最終采用灌水次數(shù)來反映水分虧缺等級(jí)[14-15]。何勝以冬小麥適應(yīng)性非充分實(shí)時(shí)灌溉理論為基礎(chǔ)，建立了冬小麥水資源實(shí)時(shí)優(yōu)化配置模型[16]。武榮盛等依據(jù)農(nóng)田土壤水分平衡理論，建立了適合內(nèi)蒙古東北部旱作農(nóng)區(qū)的大豆灌溉動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型[17]。國外對于節(jié)水灌溉預(yù)報(bào)的研究，除了傳統(tǒng)的農(nóng)田灌溉指標(biāo)研究外，更側(cè)重于智能灌溉應(yīng)用研究[18-20]。大量的研究結(jié)果都為水資源優(yōu)化配置提供了很好的技術(shù)支撐。然而，現(xiàn)有的節(jié)水灌溉指標(biāo)由于受作物種類和地域性的差異限制，局地適用性雖然較好，但仍有許多成果不能直接搬用到其他地區(qū)[21-22]。因此，針對當(dāng)?shù)刂饕魑锉仨毥⒎蠀^(qū)域特點(diǎn)的灌溉管理體系。本研究依據(jù)農(nóng)田土壤水分平衡理論，按照節(jié)水灌溉基本原則，結(jié)合向日葵田間水分控制試驗(yàn)，以期得出不同生長發(fā)育階段的需水規(guī)律、適宜土壤水分含量及作物系數(shù)動(dòng)態(tài)計(jì)算式，基于地面氣象觀測、農(nóng)業(yè)氣象觀測、土壤水分等數(shù)據(jù)，結(jié)合未來5 d的降水定量預(yù)報(bào)，建立適合河套灌區(qū)的向日葵動(dòng)態(tài)灌溉預(yù)報(bào)模型，進(jìn)行區(qū)域灌溉日期和灌溉量的動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)，旨在為河套灌區(qū)優(yōu)化水資源配置和發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

灌溉日期和灌溉量預(yù)報(bào)方程中的參數(shù)，主要來源于2012—2014年在內(nèi)蒙古巴彥淖爾市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站開展的田間水分控制試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括向日葵整個(gè)生育期內(nèi)的適宜水分指標(biāo)、作物系數(shù)（Kc）動(dòng)態(tài)計(jì)算式和土壤特征參數(shù)（土壤容重、田間持水量、凋萎濕度）等。灌溉預(yù)報(bào)模型適用性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于巴彥淖爾市2005—2018年向日葵農(nóng)業(yè)氣象常規(guī)觀測的歷史資料，包括土壤水分、灌溉量和發(fā)育期等。氣象資料采用同期氣象站常規(guī)觀測逐日數(shù)據(jù)。

2 向日葵灌溉日期和灌溉量預(yù)報(bào)模型的建立

2.1 向日葵灌溉日期預(yù)報(bào)方程

式中：Ws為某一生長期起始日計(jì)算的土壤含水量，mm;We為某一生長期結(jié)束日計(jì)算的土壤貯水量，mm;R為生長期內(nèi)有效降水量，mm;Q為生長期內(nèi)灌水量，mm;Wm為生長期內(nèi)根層土壤水分通量，正值表示地下水補(bǔ)給量，負(fù)值表示根層水滲漏量，mm;TEC為生長期內(nèi)農(nóng)田蒸散量，mm;L為生長期內(nèi)地表徑流量，mm。由于河套灌區(qū)地處干旱區(qū)，地下水位一般大于5 m，降水量少，降水強(qiáng)度比較小，且灌溉農(nóng)田地勢平坦，產(chǎn)生滲漏、地表徑流和地下水上升補(bǔ)給的水量均比較少;因此為了方便實(shí)際應(yīng)用，Wm和L在研究中可忽略不計(jì)，而Q在預(yù)報(bào)灌溉前也為0。綜上所述，公式（1）可簡化為

當(dāng)公式（2）達(dá)到平衡時(shí)，即生長期內(nèi)允許消耗的水分含量為0時(shí)，所對應(yīng)的日期將被視為可能灌溉日期。在已知Ws和We后，可利用逐日實(shí)時(shí)氣象資料滾動(dòng)計(jì)算R和TEC的累計(jì)值。在實(shí)際灌溉服務(wù)中，以候（5 d）為時(shí)間步長，提前5 d做出灌溉預(yù)報(bào)。設(shè)未來5 d的農(nóng)田蒸散量為TEC，未來5 d 的降水量根據(jù)1981—2010年30年的平均值和天氣預(yù)報(bào)結(jié)果計(jì)算調(diào)整。因此，公式（2）可改寫成

式中：Wi為生長期內(nèi)允許水分散失量，mm;∑in=1R 和∑in=1TEC分別為實(shí)際降水量、蒸散量的累計(jì)值，mm;∑i+5n=i+1R′和∑i+5n=i+1TEC′分別為未來5 d的降水量、水分蒸散量的累計(jì)值，mm。當(dāng) Wi等于或接近0時(shí)所對應(yīng)的日期，即為可能灌溉日期。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)內(nèi)容不斷修正預(yù)報(bào)結(jié)果，形成滾動(dòng)灌溉預(yù)報(bào)模型。

2.1.1 灌溉日期預(yù)報(bào)方程中參數(shù)的確定

2.1.1.1 初始土壤水分貯量Ws 以向日葵播種后第1次觀測到的0～50 cm土壤含水量作為初始土壤有效含水量，之后Ws為灌水后的初始值，即灌水后的含水量上限值，Ws取田間持水量的90%。

2.1.1.2 ∑in=1R和∑i+5n=i+1R′ ∑in=1R為測定Ws或灌水期內(nèi)每日的實(shí)測有效降水量的累計(jì)值;∑i+5n=i+1R′ 為第i天后，即第i+1至i+5天的預(yù)測有效降水量之和，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)不斷修正降水量預(yù)報(bào)。

2.1.1.3 生長期末的We（設(shè)定灌溉指標(biāo)時(shí)的土壤有效水分貯量） 通過不同的土壤含水量對不同生長期向日葵的生長狀況和光合生理的影響分析，得出向日葵生長期適宜土壤含水量如下：2對真葉到花序形成期土壤含水量以55%～70%為宜;花序形成到開花后1周是向日葵的需水關(guān)鍵期，土壤含水量保持在70%～90% 為宜;開花后1周到成熟期土壤水分以55%～70%為宜，依據(jù)以上結(jié)論確定生長期末的We[26]。

2.1.1.4 ∑in=1TEC和∑i+5n=i+1TEC′ ∑TEC和∑TEC′分別為實(shí)際水分蒸散量和預(yù)測實(shí)際蒸散量的累計(jì)值。河套灌區(qū)水分的可能蒸發(fā)量和實(shí)際量蒸散有明顯的差異，須要通過作物系數(shù)進(jìn)行訂正，實(shí)際蒸散量的計(jì)算公式如下：

式中：Q計(jì)為灌溉量，m3/hm2;h為計(jì)劃濕潤層深度，根據(jù)不同生長期向日葵根系的伸展深度確定（表3），m;γ為土層平均質(zhì)量，t/m3;W上為適宜土壤含水量上限，取田間持水量的90%;W下為土壤含水量下限，本研究根據(jù)作物不同生長期通過“2.1.1.3”節(jié)中提出的灌溉指標(biāo)We確定;η田為田間水有效利用系數(shù)，本研究取0.95。

3 灌溉預(yù)報(bào)模型的檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證河套灌區(qū)向日葵灌溉預(yù)報(bào)模式及相關(guān)公式的準(zhǔn)確性和適用性，本研究利用內(nèi)蒙古巴彥淖爾市2005—2018 年向日葵農(nóng)業(yè)氣象常規(guī)觀測的歷史資料和相應(yīng)氣象資料對系列方程式進(jìn)行驗(yàn)證。其中，第1次灌溉以播種日測定的土壤相對含水量作為Ws，第2次及第3次灌溉Ws取田間持水量的90%。We取發(fā)生干旱時(shí)土壤的相對含水量或者生長期灌溉量最小值。標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)由熱量變量方程和葉面積指數(shù)方程進(jìn)行修正計(jì)算，得到作物系數(shù)的動(dòng)態(tài)計(jì)算式。按照公式（3）、公式（9）計(jì)算灌溉日期和灌溉量，并將其與We出現(xiàn)日期或?qū)嶋H灌溉日期進(jìn)行比較（表4）。通過預(yù)報(bào)灌溉日期與實(shí)際日期對比發(fā)現(xiàn)，二者相差在0～19 d，其中相差時(shí)間為2 d及以下的占71%，說明灌溉日期預(yù)報(bào)方程的準(zhǔn)確性較高。結(jié)果相差較大的是2007年和2010年的第1次灌溉，通過近灌溉日期逢8的土壤含水量觀測數(shù)據(jù)可以看到，這2年第1次灌溉前的土壤相對濕度都在70%以上，土壤含水量完全能夠滿足作物當(dāng)時(shí)的需水要求;但田間管理更多的是按照發(fā)育期或者當(dāng)?shù)毓喔攘?xí)慣進(jìn)行，如果按照土壤實(shí)際情況，灌溉日期可以往后推幾天，可實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉。第1次灌溉的誤差直接影響了第2次灌溉的日期預(yù)測，去掉這2年的第1次灌溉預(yù)報(bào)日期，預(yù)報(bào)灌溉日期與實(shí)際日期相差時(shí)間在0～7 d內(nèi)。通過預(yù)報(bào)灌溉日期的計(jì)算也發(fā)現(xiàn)，向日葵整個(gè)生育階段基本以2次灌溉為主，第1次灌溉在花序形成前期進(jìn)行，第2次灌溉基本在花序形成到開花期進(jìn)行，實(shí)際灌溉經(jīng)驗(yàn)基本符合向日葵生長的需水要求，但應(yīng)以實(shí)際土壤水分情況而定，例如2010年6月24日可不進(jìn)行灌溉，而在7月28日要進(jìn)行灌溉，以實(shí)現(xiàn)節(jié)水優(yōu)化灌溉。2007年進(jìn)行了3次灌溉，第3次灌溉日期處于向日葵開花后1周到成熟期，當(dāng)時(shí)灌溉土壤相對濕度為7187%，土壤濕度完全能夠滿足作物需水要求，且向日葵逐漸進(jìn)入成熟階段，此時(shí)作物的需水量逐漸降低，此時(shí)段的灌溉可以取消，以實(shí)行節(jié)水優(yōu)化灌溉。

在農(nóng)業(yè)氣象觀測記錄中，傳統(tǒng)的灌溉量基本為1 050 m3/hm2;但在實(shí)際灌溉中，灌溉量應(yīng)根據(jù)作物不同生長期的土壤含水量和根系的伸展深度等因素確定。本研究計(jì)算的灌溉量在820～1 450 m3/hm2 之間，且第1次灌溉量基本高于第2次灌溉量，這主要由于第1次灌溉日期距播種日期遠(yuǎn)長于距第2次灌溉日期，同時(shí)當(dāng)?shù)亟涤昙性?月下旬到8月上旬，生長期降雨對實(shí)際灌溉用水補(bǔ)充作用明顯。

4 結(jié)果與討論

灌溉是預(yù)防或減輕旱災(zāi)的有效手段，節(jié)水灌溉已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一，是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇，適時(shí)適量灌溉是節(jié)約日益匱乏的有限水資源的主要途徑之一[31]。本研究以內(nèi)蒙古西部河套灌區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物向日葵為例，根據(jù)農(nóng)田土壤水分平衡原理，利用地面氣象觀測站2005—2018年逐日氣象資料、巴彥淖爾市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站2005—2018年逐旬土壤含水量數(shù)據(jù)，以及實(shí)際灌溉量、發(fā)育期等資料，結(jié)合向日葵田間水分控制試驗(yàn)得出的向日葵不同生長期的需水規(guī)律、適宜最低土壤含水量下限及作物系數(shù)動(dòng)態(tài)計(jì)算式，確定了向日葵灌溉指標(biāo)，建立了適合河套灌區(qū)的向日葵灌溉預(yù)報(bào)模型，并在實(shí)際灌溉服務(wù)中進(jìn)行了驗(yàn)證。通過熱量變量方程計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)，結(jié)合作物系數(shù)的動(dòng)態(tài)計(jì)算式和其他參數(shù)計(jì)算式，得到灌溉日期和灌溉量預(yù)報(bào)結(jié)果，并將其與We出現(xiàn)日期或?qū)嶋H灌溉日期進(jìn)行比較。結(jié)果表明，預(yù)報(bào)灌溉日期與實(shí)際日期相差2 d及以下的占71%。同時(shí)通過灌溉預(yù)報(bào)日期的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，向日葵基本每年灌溉2次，實(shí)際灌溉經(jīng)驗(yàn)基本符合向日葵的需水要求，但應(yīng)以實(shí)際土壤水分情況而定。在農(nóng)業(yè)氣象觀測記錄中，傳統(tǒng)的灌溉量是1 050 m3/hm2，本研究得出的灌溉量較傳統(tǒng)灌溉量的估算更為精確。河套灌區(qū)的向日葵灌溉預(yù)報(bào)模型的建立綜合考慮了土壤、作物和大氣連續(xù)系統(tǒng)中的水分傳輸進(jìn)程，使用的大多數(shù)資料是已知的氣象資料和田間試驗(yàn)結(jié)果，保證了模型精度，因而預(yù)報(bào)結(jié)果比較可靠，為開展實(shí)時(shí)、有針對性的向日葵節(jié)水灌溉氣象服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。但由于本研究中的預(yù)報(bào)模式是在一定的地區(qū)和作物條件下建立的，其參數(shù)能否在相似地區(qū)直接套用，還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

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