冬小麦的优化灌溉制度

冬小麦的优化灌溉制度

1.冬小麦的优化灌溉制度 篇一

一、材料与方法

㈠试验地区情况简介

本试验模拟区为甘肃省定西县李家堡乡。李家堡位于陇中黄土高原, 甘肃省中南部, 地处温带半干旱区。海拔2000m左右, 年均太阳辐射592.9 k J·cm2, 日照时数2476.6h, 年均气温6.4℃。多年平均降雨量390.99mm, 年蒸发量1531mm, 干燥度2.53。试验地土壤为黄绵土, 土壤容重1.19g/cm3, p H值8.36, 透水速度大于0.5mm/min, 最大吸湿水为3%~8%, 凋萎湿度3%~10%, 田间持水量20%~28%, 2m深土层内可蓄有效水400mm~500mm。

据图1显示, 1996年~2011年生育期降水量, 降水量最多的年份为1999年, 降水量为304.4mm;降水量最少的年份为2009年, 仅为95.2mm, 最大值约最小值的3.2倍 (以上降水量数据来源于定西市气象局) 。

㈡APSI M模型简介

APSIM是由隶属澳大利亚联邦科工组织和昆士兰州政府的农业生产系统组 (APARU) 开发研制, 可以用于模拟旱作农业系统中各主要组分的机理模型[2]。APSIM模拟平台包括一系列用来模拟农业系统中的生物和物理过程的生物物理模块、允许用户确定管理决策以反映模拟场景特征并控制模拟行为的管理模块、输入输出模块和驱动模拟过程、控制独立模块中信息传输的模拟引擎。其中的作物模型以通用模板概念为基础, 提供了一种获取统一的原则、测试新的认识、比较不同的模拟途径的方法, 并且保持对预测能力的关注。所有的作物用同样的代码来模拟, 仅仅是采用自身的作物参数文件来区分特定的实例[3]。

㈢最佳灌溉量的指标确定

研究制定灌溉策略不仅保证灌溉水分的利用效率, 同时使作物的产量在经济许可的范围达到最高水平, 以最小的水分消耗取得最大的产量。为了更准确衡量灌溉水量对作物的增产效果本文引用了一个有实际意义的灌溉管理指标一一灌溉水利用率 (IWUE单位:kg·hm-2·mm-1) , 即单位灌水量的增产量[4]。

计算公式如下:式中:IWUE为灌水利用效率;Yriir为模拟灌溉条件下产量;Yrain为模拟自然雨养条件下产量;IEsum为模拟作物生长期内总灌溉量。

㈣模拟设计

根据降水量情况, 优先选择生育前期补水。实验设计如表1所示。

㈤模型检验

根据田间实测产量数据和模拟产量数据进行模型的有效性检验, 产量模拟值和实测值呈显著正相关, 归一化均方根误差NRMSE为4.55%, 模型有效参数ME为0.916, 表明用此模型模拟小麦的产量有较高的准确性[5]。

㈥数据处理和统计分析

根据15年间小麦生育期降水量、小麦产量, 选取典型值年份。利用EXCEL软件, 计算产量提高百分百比和灌溉水利用效率。

二、结果分析

根据1996年~2011年小麦生育期降水量, 本实验设定降水量低于150mm的年份为干旱年份;降水量在150mm~250mm的为贫水年份;降水量在250mm以上的为丰水年份。

㈠干旱年型灌溉方案研究

本实验选取两个降水量相近的年份进行研究, 2008年 (降水量130.7mm) 、2011年 (降水量132.6mm) 。干旱年型补水处理 (见表2) 。

选取的两个干旱年份, 通过补水处理, 产量有明显提升。在Xh4补水方式下, 产量达到最高, 产量分别提升了21%和29%;继续补水产量应该还有上升的空间, 只是增加的产量越来越少。可见在干旱条件下, 水分是影响小麦产量的最主要因素。

在芽期、拔节期、抽穗期对水分需求比较敏感, 在这三个阶段补水产量提升较多;而在灌浆期自然降水量相对于其他时期较多, 此时灌溉对作物产量的提升幅度很小, 首先该时期的降水已经可以基本满足小麦生长需求, 再次小麦灌浆期的水分缺乏不是很敏感, 所以进入灌浆期, 基本可以不实施灌溉。

通过比较IWUE的数值, 与小麦产量并不呈现正相关。当灌溉水较少时, 水资源利用效率也低, 当灌溉量达到80mm~100mm时, IWUE达到峰值, 之后随着补水的增加, 产量虽然也在增加, 可是灌溉水分利用率开始降低。根据表中的结果, 虽然产量提升幅度较大, 可是水资源利用率并不高。究其原因, 在降水量较少的年份, 土壤含水量少, 同时太阳辐射强烈。灌溉水容易渗入地下, 或者从地表蒸发。还没有被作物及时吸收, 水分便已经被消耗了许多。在这个阶段灌溉时, 应该采取适中的水量, 水量太少, 容易蒸发消耗;水量太多, 则易造成地下渗透。

㈡贫水年型灌溉方案研究

实验区在小麦生育期的平均降水量为190.9mm, 所以本实验选取两个降水量接近190mm的年份作为研究对象, 分别是1996年 (降水量195.6mm) 、和2010年 (降水量185mm) 。

由表3可以看出, 贫水年型出现的次数最多, 根据产量分析, 在采取Xh4方式补水后两年的产量达到最大值, 产量平均提升了约35%和30%。适当补水可以减轻水分对生长的限制, 增产效果比较明显。但是对比Xh3和Xh4的产量, 在开花期补水30mm时, 产量增幅很小, 再次说明小麦对开花期需水敏感。同时当总灌溉量达到170mm时, 加上自然降水, 小麦的需水已达到饱和, 再进行补水已无意义。

通过分析灌溉水利用效率, 当采用Xn3和Xn2时IWUE值最高, 分别为5.02和4.76。

通过比较贫水年份的平均灌溉水利用率高于干旱年份和丰水年份。在经济条件容许下可以采取Xh4方案追求最大产量。但是考虑到水资源利用率, Xn3方式灌溉, 适当的灌溉措施, 不但可以使产量提升, 同时避免了水资源的浪费。

㈢丰水年型灌溉方案研究

作为干旱区, 丰水年很少出现, 只有1998年和1999年的小麦生育期降水量分别达到了291.8mm和304.4mm, 故选取这两个年份进行研究。小麦需水已接近饱和, 所以在这组年型中, 取消了高水的设置。尽管降水总量已经接近小麦生理需水值, 可是在发芽期的降水仍然较少, 所以补水设置主要集中在发芽期至抽穗期。丰水水年型补水处理 (见表4) 。

通过降水量分析, 小麦需水已接近饱和, 所以在这组年型中, 取消了高水的设置。尽管降水总量已经接近小麦生理需水值, 可是在发芽期的降水仍然较少, 所以补水设置主要集中在发芽期至抽穗期。虽然是丰水年型, 但在发芽期和拔节期进行适当补水, 产量还是有略微提升。在采用低水处理时, 两年分别增产0.05%;在采用中水处理时, 两年也增产0.05%。不同的水处理结果相同, 更多的补水并没有让产量继续增加。当水分过多时, 土壤湿度明显高于正常值, 导致土壤透气性差, 氧气不流通, 导致根系难以呼吸, 也导致营养物质吸收困难。再次之后补水, 产量不升反降。说明此时小麦对自然降水的吸收程度以达到饱和, 此时再进行补水反而会引起产量下降。

在该年型中, 产量最高的灌溉方式时在发芽期、拔节期和抽穗期总共灌溉60mm~70mm, 以Xn2、Xl3补水设置为例。灌水利用率最高的是Xn1方式, 两年的平均IWUE为3.47, 此时水资源利用率最高。由此可见虽然是湿润年份通过对小麦进行适当灌溉, 还是可以提高一定产量的。

三、结论

小麦产量和灌溉水利用率不呈现正相关分布, 当作物产量达到一定值时, IWUE达到最大值, 之后随着产量的上升, IWUE开始下降。三种不同年型, 干旱年型的IWUE平均值为3.76, 正常年型的IWUE平局值为4.16, 湿润年型的IWUE2.51。干旱年型因为蒸发较强, 再加上地下渗透, 不少水分被浪费, 所以灌溉水分效率低于正常年型。湿润年型因为自然降水量较多, 基本满足小麦生长需求, 灌溉已不能明显提升产量, 所以水分利用效率最低。干旱年型下, 采取Xn1灌溉方式, 即发芽水30mm、拔节水30mm、抽穗水35mm, 此时水分利用效率最高, 同时产量平均提升了约19%。正常年型下采取Xn3灌溉方式, 即发芽水30mm、拔节水30mm、抽穗水30mm、挑起水30mm。此时水分利用率最高, 产量提升了约31%。湿润年型下采取Xn1灌溉方式, 即发芽水30mm、拔节水20mm, IWUE值最高, 产量提升了约0.6%。

参考文献

[1]周婧.基于APSI M作物模型的旱地小麦水肥耦合效应分析[D].兰州:甘肃农业大学硕士学位论文, 2012.

[2]沈禹颖, 南志标, Bi l l Bel l ot t i, 等.APSI M模型的发展与应用[J].应用生态学报, 2002, ⑻.

[3]林忠辉, 莫兴国, 项月琴.作物生长模型研究综述[J].作物学报, 2003, ⑼.

[4]王琳.APSI M模型应用于华北平原作物生产潜力和节水优化模式[D].南京信息工程大学, 2007.