黃淮海平原典型區(qū)冬小麥灌溉過(guò)程模擬研究

黃淮海平原典型區(qū)冬小麥灌溉過(guò)程模擬研究

0利用計(jì)算機(jī)模擬等多種方法對(duì)作物灌溉策略的合理設(shè)計(jì)收獲中的水壓差是指由于收獲中的水位不足，影響正常作物生長(zhǎng)發(fā)育的生理現(xiàn)象。如果水分脅迫過(guò)嚴(yán)重，持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，就會(huì)造成農(nóng)業(yè)干旱。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要利用農(nóng)田水分控制試驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)等方法來(lái)制定合理的灌溉策略。傳統(tǒng)的農(nóng)田水分控制試驗(yàn)仍是制定灌溉策略的主要方法。國(guó)內(nèi)外專家將作物生長(zhǎng)期劃分為若干階段,按策略分別實(shí)施不同的灌溉量,通過(guò)分析作物產(chǎn)量、水分利用效率以及生長(zhǎng)過(guò)程的各種指標(biāo)來(lái)選擇最優(yōu)的灌溉策略隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展,作物生長(zhǎng)模型在作物水分脅迫研究中得到應(yīng)用。作物生長(zhǎng)模型是指能定量和動(dòng)態(tài)地描述作物生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量形成過(guò)程及其對(duì)環(huán)境感應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬程序黃淮海平原是中國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)之一,同時(shí)又是主要的水分虧缺區(qū),近些年該地區(qū)干旱發(fā)生頻繁,給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了極大的損失1數(shù)據(jù)和方法1.1河北省主要糧食產(chǎn)區(qū)本文選取黃淮海平原的典型區(qū)域河北滄州作為研究區(qū)。滄州位于河北省東南部(116.83°E,38.33°N),東臨渤海,西靠北京和天津,是河北省主要糧食產(chǎn)區(qū)之一,主要農(nóng)作物為冬小麥和夏玉米。本地區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候,四季變化明顯,年均溫12.5℃,年降水量600mm,降水分布不均勻,夏秋季節(jié)較多,冬春季節(jié)較少。1.2作物生長(zhǎng)模型EPIC模型原名侵蝕和生產(chǎn)力影響估算模型(erosionproductivityimpactcalculator)由美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心于1984年研發(fā)并用于研究土壤侵蝕與作物單產(chǎn)關(guān)系的作物生長(zhǎng)模型通過(guò)輸入溫度、降水、土壤養(yǎng)分以及不同作物參數(shù)等數(shù)據(jù),EPIC模型可以模擬多種作物,并在世界范圍內(nèi)得到廣泛的研究及應(yīng)用。通過(guò)與GIS(地理信息系統(tǒng))結(jié)合,EPIC可用于區(qū)域甚至全球農(nóng)作物單產(chǎn)研究,是研究全球氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)影響的重要工具EPIC模型可以模擬農(nóng)田降水、徑流、土壤滲透、作物蒸散及吸收的整個(gè)農(nóng)田水分運(yùn)移和利用過(guò)程。在作物生長(zhǎng)期間,每天的水分脅迫都可以通過(guò)式(1)計(jì)算得到式中:WS1.3epic所需的氣象數(shù)據(jù)EPIC作物生長(zhǎng)模型運(yùn)行主要需要溫度、降水等氣象數(shù)據(jù)以及作物生長(zhǎng)的土壤數(shù)據(jù)。EPIC所需的以日為單位的氣象數(shù)據(jù)包括:最高溫、最低溫、降水量、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射和風(fēng)速。本文所用的氣象數(shù)據(jù)是從國(guó)家氣象局獲取的1979-2008年滄州氣象站以上6項(xiàng)數(shù)據(jù);EPIC所需的土壤屬性數(shù)據(jù)來(lái)自于由FAO提供的土壤數(shù)據(jù)集1.4動(dòng)灌溉策略分析灌溉過(guò)程的模擬需要確定灌溉時(shí)間和灌溉量。EPIC模型中灌溉時(shí)間的選擇方式有2種:手動(dòng)灌溉和自動(dòng)灌溉。手動(dòng)灌溉就是根據(jù)人工設(shè)定的固定時(shí)期進(jìn)行灌溉;自動(dòng)灌溉即通過(guò)設(shè)定水分脅迫臨界值(WS本文通過(guò)雨養(yǎng)(無(wú)灌溉)、自動(dòng)柔性灌溉和手動(dòng)剛性灌溉3種灌溉方式分析研究區(qū)冬小麥的水分脅迫規(guī)律并進(jìn)行合理灌溉策略探索。雨養(yǎng)(無(wú)灌溉)模擬排除了人為灌溉的影響,目的是為了分析當(dāng)?shù)刈匀唤涤陾l件對(duì)冬小麥生長(zhǎng)的影響,以得到在無(wú)人為灌溉影響下的冬小麥水分脅迫變化規(guī)律,并以此作為灌溉策略分析的基礎(chǔ),同時(shí)還可以得到無(wú)人為灌溉條件下的作物產(chǎn)量,從而為評(píng)價(jià)灌溉策略的優(yōu)劣提供參考。在自動(dòng)柔性灌溉中,WS2結(jié)果與分析2.1冬小麥雨養(yǎng)情境模擬模擬1979-2008年雨養(yǎng)(無(wú)灌溉)條件下冬小麥的生長(zhǎng),在冬季生長(zhǎng)期(從10月到次年6月)內(nèi)以旬為單位,計(jì)算30a的水分脅迫平均值,如圖1所示。雨養(yǎng)情景模擬可以很好地反映當(dāng)?shù)貧夂驐l件對(duì)冬小麥生長(zhǎng)的影響。由于研究區(qū)在冬小麥生長(zhǎng)季內(nèi)的降水很少,在某些階段出現(xiàn)了水分脅迫現(xiàn)象,對(duì)產(chǎn)量造成了影響。通過(guò)對(duì)水分脅迫隨時(shí)間的變化規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn),在無(wú)灌溉條件下水分脅迫主要發(fā)生在11月下旬至12月中旬、2月中下旬至3月上旬、5月中下旬3個(gè)主要時(shí)期,分別對(duì)應(yīng)于小麥的分蘗期,返青-拔節(jié)期以及灌漿期,這幾個(gè)時(shí)期將成為灌溉策略制定的重要時(shí)期。2.2分不同時(shí)期的灌溉實(shí)施3次自動(dòng)灌溉以旬為研究時(shí)間節(jié)點(diǎn)的灌溉實(shí)施過(guò)程如圖2所示。灌溉存在著4個(gè)高峰期——播種期、分蘗期、返青-拔節(jié)期和灌漿期。其中,除播種期為系統(tǒng)自身設(shè)置外(依農(nóng)學(xué)常識(shí),在播種期需進(jìn)行1次灌溉),其他3個(gè)高峰期分別對(duì)應(yīng)圖1中3個(gè)水分脅迫期。從圖2中還可以看出在分蘗期存在著1個(gè)明顯的高峰,而在從返青期到拔節(jié)期是1個(gè)連續(xù)較高的平臺(tái),在灌漿期也需要一定的水分補(bǔ)充。這表明在分蘗期,對(duì)水分的需求較大,并且需要在短時(shí)間內(nèi)滿足作物的需求,而在返青期到拔節(jié)期作物對(duì)水分出現(xiàn)了一個(gè)較為連續(xù)的需求,因此在這段時(shí)間需要進(jìn)行頻率相對(duì)較高的灌溉來(lái)滿足作物對(duì)水分的需求,在灌漿期也需要一定的快速水分供應(yīng)。依據(jù)不同自動(dòng)灌溉設(shè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn),冬小麥在分蘗期、灌漿期,由于對(duì)水分需求較為迅速,如果自動(dòng)灌溉單次最大灌溉量設(shè)定較大,可在較短時(shí)間內(nèi)提供更多的水分,因此,反映到灌溉實(shí)施圖上,最大灌溉設(shè)定量為30mm的灌溉方案在這2個(gè)時(shí)期的灌溉量相對(duì)較多且完成時(shí)間也較早。根據(jù)上述的自動(dòng)灌溉試驗(yàn)結(jié)果,鑒于返青-拔節(jié)期灌溉處于連續(xù)較高平臺(tái),在手動(dòng)灌溉模擬中,將其拆開實(shí)施灌溉,因此在整個(gè)冬小麥生長(zhǎng)期內(nèi)選定包括播種期、分蘗期、返青期、拔節(jié)期和灌漿期在內(nèi)的5個(gè)灌溉階段進(jìn)行手動(dòng)剛性灌溉模擬。2.3灌溉對(duì)作物產(chǎn)量的影響評(píng)價(jià)灌溉策略優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)主要考慮產(chǎn)量和灌溉水分利用效率(wateruseefficiency,WUE)2個(gè)方面。其中水分利用效率依據(jù)式(2)計(jì)算得到式中:WUE——水分利用效率,t/(hm由表1可知,研究區(qū)降水遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足冬小麥生長(zhǎng)的水分需求。灌溉與雨養(yǎng)條件下作物產(chǎn)量差異較大,經(jīng)過(guò)灌溉的作物產(chǎn)量明顯高于雨養(yǎng)條件。此外,由于模型模擬采用自動(dòng)柔性灌溉模擬,因此在3種模擬情景間各項(xiàng)指標(biāo)間相差不大,但仍然可以發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律:從模擬產(chǎn)量結(jié)果來(lái)看,自動(dòng)灌溉ATMX設(shè)定為10mm時(shí)冬小麥的產(chǎn)量最高,達(dá)到了4.3866t/hm從水分利用效率來(lái)看,水分利用效率隨著ATMX的增大而減小,當(dāng)自動(dòng)灌溉ATMX設(shè)置為5mm時(shí),水分利用效率達(dá)到了最大值0.002163t/(hm優(yōu)化后的灌溉模擬為手動(dòng)剛性灌溉,灌溉總量為130mm,模擬產(chǎn)量為4.3364t/hm3灌溉策略對(duì)作物水分脅迫的模擬本文利用EPIC作物生長(zhǎng)模型模擬冬小麥在3種灌溉情景下的生長(zhǎng)過(guò)程,擺脫農(nóng)學(xué)試驗(yàn)時(shí)空的束縛,并通過(guò)設(shè)定靈活的灌溉方式,探索研究區(qū)合理的灌溉策略。研究發(fā)現(xiàn):1)在研究區(qū)灌溉對(duì)于作物的生長(zhǎng)是十分重要的,通過(guò)合理的灌溉能顯著提高作物產(chǎn)量。通過(guò)分析水分脅迫在沒(méi)有灌溉的生長(zhǎng)季的變化,發(fā)現(xiàn)在分蘗期、返青-拔節(jié)期及灌漿期水分脅迫現(xiàn)象嚴(yán)重,水分虧缺較大;2)通過(guò)不同灌溉方式的產(chǎn)量對(duì)比,根據(jù)作物不同生長(zhǎng)階段的需水特點(diǎn),分別實(shí)施不同的灌溉量,其中播種期需灌溉10mm,分蘗期40mm,返青期35mm,拔節(jié)期35mm,灌漿期10mm,此灌溉策略在提高產(chǎn)量的同時(shí)保證了水分利用效率在一個(gè)較高的水平。通過(guò)試驗(yàn)可以看出EPIC作物生長(zhǎng)模型能夠很好的進(jìn)行作物的水分脅迫研究,通過(guò)不同種灌溉策略的對(duì)比研究得到最佳的管理措施。作物生長(zhǎng)模型通過(guò)對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬,可以很好的反映各種因素,例如水分、養(yǎng)分等對(duì)作物的影響,并且作物生長(zhǎng)模型不受時(shí)間和空間的限制,從而節(jié)省了大量的人力物力。因此,利用作物生長(zhǎng)模型進(jìn)行作物的生長(zhǎng)管理是農(nóng)業(yè)科學(xué)發(fā)展的重要方向之一。同時(shí),在本次試驗(yàn)中仍有需要改進(jìn)之處?，F(xiàn)今作物生長(zhǎng)模型雖然很好地從機(jī)理方面描述了作物生長(zhǎng)過(guò)程,但仍有較大的統(tǒng)計(jì)分析成分,需要提高以適應(yīng)精細(xì)農(nóng)業(yè)的要求;評(píng)判灌溉策略的優(yōu)劣時(shí)還可以引進(jìn)更多的參數(shù),例如灌溉經(jīng)濟(jì)效率,得到不同灌溉策略的灌溉經(jīng)濟(jì)效率;很多地區(qū)的耕作方式為一年多熟,因此可研