ISAREG模型基础上玉米沟灌灌溉制度优化探究

2020-11-19 186 上传者：管理员

摘要：为了探索河套灌区玉米的节水灌溉制度，采用沟灌对玉米的灌溉制度进行研究。以田间试验数据为基础，利用ISAREG模型对玉米沟灌的实际灌溉制度进行评价，并模拟了多种灌水方案。研究表明：灌溉水源为黄河水时，玉米生育期内灌水4次，总灌水量约为257mm，产量下降率为8.1%；灌溉水源为井水时，玉米全生育期灌水4次，灌溉定额为240mm，产量下降率为7.8%。因此，制定合理的玉米沟灌灌溉制度，为当地合理节约水资源提供参考。

关键词：
ISAREG模型
沟灌
灌溉制度
玉米
节水灌溉
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1、试验区概况与设计

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古巴彦淖尔市临河区，该地区属于典型的温带干旱大陆性季风气候，冬季寒冷而漫长，夏季炎热而短促，多年平均气温7.1℃，年平均降雨量为141mm，年平均蒸发量为2430mm，年平均日照时数为3223.7h，无霜期为140d左右。试验区根层土壤类型以壤土为主，土壤容重为1.48g/cm3。

1.2 试验设计

试验于2018年在临河区农业气象试验站进行，每个试验小区长6m，宽4m，相邻小区间埋设地下2m深的挡水板，避免地下水分横向渗透。试验材料选用灌区农户常用品种西蒙6号。灌溉方式为常规垄作覆膜沟灌，断面形式为梯形。试验共设2个处理，每个处理重复3次，全生育期灌水4次，灌溉定额分别为280mm及260mm。

2、ISAREG模型和参数验证

2.1 ISAREG模型

本文采用葡萄牙里斯本技术大学农学院开发的ISAREG模型对玉米覆膜沟灌灌溉制度进行研究。ISAREG模型是以水量平衡原理为基础建立的，采用的水量平衡方程如下：

式中：分别为第天和第i天根系层的土壤含水率（%）；为第i天的有效降雨量（mm）；为第天的净灌水量（mm），为第天作物的实际蒸发量（mm）；为第天土壤深层渗漏量（mm）；为第天地下水的补给量（mm）；为第天根系层深度（m）。

2.2 模型参数验证

本文采用2018年的试验资料建模并率定ISAREG模型中的参数。其中气象数据由当地农业气象试验站提供，参考作物腾发量ET0由修正的Penman-Monteith公式计算。根据实测资料及FAO-56的推荐值，修正后玉米生育初期的作物系数为0.4，中期的作物系数为1.02，后期的作物系数为0.57，玉米的产量反应系数为1.13。

以上参数输入ISAREG模型进行灌溉模拟，得到相应土壤含水率的模拟值。将田间实测土壤含水率与ISAREG模型模拟的土壤含水率进行对比，则对比关系如图1所示。

图1玉米沟灌田间实测土壤含水率与ISAREG模型模拟含水率对比

从图中可以看出，沟灌条件下，田间实测土壤含水率的数值与模拟值十分接近，两者的相对误差在6%以内，模拟精度较高。因此，ISAREG模型中选取的参数合适，可用于评价玉米沟灌的实际灌溉制度，并进行灌溉制度的优化。

3、灌溉制度评价

利用ISAREG模型对实际玉米沟灌灌溉制度进行评价，模型具体输出结果见表1。

表1玉米沟灌实际灌溉制度评价指标

从表1中分析得出，沟灌条件下，玉米的产量随灌水量的降低而增加。处理G1的灌水量为280mm，其深层渗漏量为7.4mm,灌水效率为96.8%，产量下降率为11.2%。与处理G1相比，处理G2的灌水量减少了20mm，深层渗漏量减少了7.4mm，灌水效率增加了3.2%，达到100%，产量下降率增加了4.5%。分析原因主要是因为玉米生育关键期灌水延迟导致处理G2的产量下降至15.7%。

4、灌溉制度方案设计与优选

4.1 灌溉制度方案设计

为了利用ISAREG模型制定适合河套灌区的玉米沟灌优化灌溉制度，以当地实际状况、作物的生长需要以及ISAREG模型验证过的基本数据为基础，设计玉米沟灌灌溉制度方案，通过模型多次模拟，保证产量下降率在10%以内，找出以下5种相对合理的灌溉制度设计方案，具体方案设计如下：

方案1：以最大产量为目标。当根系层土壤平均含水率下降至适宜含水率下限时开始实施灌溉，灌水量为补充根系层土壤含水率至田间持水率所需要的水量。

方案2：给定灌水日期。根据当地多年黄河来水时间确定灌水日期。当地农民玉米灌溉从播种之后一般灌4水，模型中灌水日期制定为6月8日、7月1日、7月23日、8月15日。灌水量为补充根系层土壤含水率至田间持水率的90%所需要的水量。

方案3：给定灌水日期。灌水次数及灌水日期与方案2相同。灌水量为补充根系层土壤含水率至田间持水率的80%所需要的水量。

方案4：给定灌水定额。方案中的灌水定额采用68mm，每次灌水时间由模型优化算出。

方案5：给定灌水定额。方案中的灌水定额采用60mm，每次灌水时间由模型优化算出。

4.2 灌溉制度方案优选

通过对玉米沟灌灌溉制度的设计，利用ISAREG模型进行模拟，模拟结果见表2。

表2玉米沟灌灌溉制度方案模拟结果

从表2可以看出：

方案1：以最大产量为目标，玉米覆膜沟灌灌水量为321.3mm，全生育期内灌水4次，产量无减产。

方案2～方案3：按照黄河来水时间给定灌水日期，与方案2相比，方案3的产量下降率增加了2.2%，在合理利用水资源的情况下，灌溉定额减少了32.13mm，故方案3较为合理。

方案4～方案5：给定灌水定额，灌水时间由模型优化给出。与方案4相比，方案5产量下降率增加了1.3%，但灌水定额减少了32mm，故方案5较优。

5、结论

本文在田间试验数据及ISAREG模型中各项参数验证的基础上，对玉米沟灌实际的灌溉制度进行了评价，利用ISAREG模型模拟了5种玉米沟灌灌溉制度，结果表明：当灌水时间受到黄河来水时间的限制时，建议玉米沟灌灌溉定额为257.04mm，全生育期灌水4次；当灌水时间不受限制时，建议玉米沟灌灌溉定额为240mm，全生育期灌水4次，每次灌水量均相同，此方案适合灌溉水源为井水。

张寅,孙明海.基于ISAREG模型的玉米沟灌灌溉制度优化研究[J].新农业,2020(22):63-65.

基金:河套学院科学技术研究项目《基于ISAREG模型的河套灌区沟灌灌溉制度优化研究》(项目编号:HYZQ201719).