关于玉米优化灌溉模式的理论研究初探

1 研究意义

随着人类社会的进步, 经济的发展, 人口的剧增, 加之水资源浪费与污染严重, 全世界的耗水量在迅速的增加。我国的水资源状况和农业用水的问题更加突出。据水利电力部《中国水资源评价》报告中指出, 我国水资源总量为28124亿立方米, 居世界前列。但是, 由于我国人居于世界首位, 人均水资源占有量仅为2220立方米, 为世界平均占有量的1/4, 排在第121位。随着人口的继续增加, 到2030年, 我国人均水资源占有量将降低到1760立方米, 直逼世界公认的严重缺水警戒线1700立方米。

我国的玉米总产量位列世界第二, 仅次于美国。玉米是我国三大主要粮食品种之一, 占全国粮食总量的1/4。玉米是畜牧业生产的主要原料, 有“饲料之王”之称。此外, 玉米还有重要的工业价值, 在一次性能源日渐枯竭的今天显得尤为重要。如何有效的利用有限的水资源, 使每单位的水的产出达到最大, 已成为研究的焦点。

2 研究目标

对玉米优化灌溉模式进行理论探讨, 合理安排玉米的灌溉, 使玉米产量达到最大的条件下消耗的水资源最少, 或者是水分生产效率最大, 同时具有很强的可操作性。

3 研究内容与计算方法

3.1 研究内容

(1) 根据FAO推荐的算法, 计算玉米各生育阶段的参考作物蒸散量, 需水量和实际耗水量。

(2) 根据前三年的平均产量与增产系数, 确定当年的目标产量, 在根据作物水分生产力, 计算出全生育期所需水分总量。

(3) 优化灌溉方案的建立:通过水分与产量关系, 得到水分亏缺对作物产量的影响, 应用Jensen模型确立水分亏缺时作物分在各个生育阶段的优化分配, 使作物产量达到最大。

3.2 计算方法

3.2.1 参考作物蒸散量的计算方法

目前计算参考作物蒸散量的方法应用比较广泛的是1998年的Penman-Monteith法。参照作物蒸散量为一种假想的参照作物冠层的蒸散速率。假设作物高度为0.12m, 固定的叶面阻力为70s/m, 反射率为0.23, 非常类似于表面开阔, 高度一致, 生长旺盛, 完全遮盖地面而不缺水的绿色草地的蒸腾和蒸发量。

3.2.2 作物实际蒸散量的计算方法

要将参考作物蒸散量换算成为实际作物需水量, 还应当充分考虑作物的生物学特性及田间水分状况的影响。因此, 不同作物的作物系数Kc及土壤水分修正系数Ks的确定, 已直接影响作物需水量的正确与否。

3.2.3 有效降水量的计算方法

降水是农田水分的重要收入相。然而, 并不是降到农田中的水分都能被作物利用。对作物生长发育有用的降水, 在生长季里被作物利用, 在非生长季贮存在土壤中的那部分称为有效降水量, 即计划湿润层深度内的土壤水分增加量。在这里将计划湿润层定义为作物根系得有效深度, 它随着作物生育期变化。

3.2.4 计划湿润层以下土壤水分补给量计算方法

根据夏玉米田间密度资料, 70cm~100cm土层内的根密度占的比例较小, 但是, 随着主要根系层内根系吸水, 土层之间的水势梯度逐渐增加, 下层土壤内的水分不断向上补给, 这部分水分的多少与农田蒸散有关。

3.2.5 地表径流的计算方法

径流是指落到土地表面的降水, 由地面与地下注入河流, 最后流经出口断面的水量。其中, 来自地面部分的叫地表径流。本文用径流系数J来表示径流, 径流系数指同一地区同一时间内的径流深度R与降雨深度P之间的比例关系, 用公式表示为:。

3.2.6 地下水补给的处理方法

地下水对农田土壤水分的补充是目前研究的一个难题, 在地下水埋深小于3.5米时, 可以不予考虑, 当地下水埋深大于3.5米时, 应考虑地下水对农田水分的补给量, 其大小与土壤结构、质地、作物种类、地下水埋深和大气蒸发条件有关。

3.2.7 有效灌溉的计算方法

在降雨量不能够满足作物正常的生长发育对水分的需求的时候, 就需要对其进行灌溉。灌溉时间、灌溉量和采用的灌溉方法直接决定了灌溉的效率。本文将灌溉水分的90%视为有效水。

3.2.8 土壤实时含水量的计算方法

获取土壤的实时含水量的方法很多, 可以通过仪器测定, 也可以通过计算获得, 但在实际操作中, 由于条件的限制, 以及操作的可行性和复杂性, 本研究采取水量平衡原理逐日推算求得土壤实时含水量的方法:

3.2.9 玉米的合理灌溉决策

本研究选用Jensen模型作为分阶段的作物水分生产函数模型。Jensen模型是我国采用的最为普遍的作物水分生产函数形式。它用阶段蒸发蒸腾量作为自变量, 各生育阶段为相乘关系, 具体形式为:

从玉米的水分敏感指数, 我们不难看出, 在供水量不能满足玉米全生育期内的水分需求时, 优先将水分灌溉在水分敏感指数大的生育阶段。

3.2.1 0 玉米水分利用效率的确定

水分利用效率WUE定义为作物每消耗1m3水所能产生的籽粒产量, 即:

若要求水分利用效率最高, 可对上式进行求导, 使导数为0, 则可以求出水分利用效率最高时的作物经济耗水量计算公式:

4 结论

本灌溉模式主要分三个部分:玉米各个生育阶段的需水量, 在目标产量下的需水量, 水分在各个生育阶段的最优分配。

(1) 在玉米各个生育阶段的需水量的计算过程中, 输入的基本资料为气象资料、作物资料和土壤资料, 容易获得。

(2) 在目标产量下计算所需水量的模型为经过实测数据模拟得到的经验函数, 不具备普遍适用性, 甚至在同一个地区得不同年份也有较大的误差, 但是这个模型仍然充分说明玉米产量与耗水量之间的数量关系, 具有较强的指导意义。

(3) 在计算水分在各个生育阶段的最优化分配的过程中, 模型选用了著名的Jensen模型, 这是目前在中国应用最为广泛的优化灌溉模型, 经过了多年的实际应用, 其准确性已经得到了广泛的认可。

5 讨论

目前, 由于缺乏气象数据及相关计算机编程知识, 本文还只限于理论算法上的研究, 如何将理论算法变成计算机模型, 实现人机对话, 应用在实际生产中, 最终得到灌水时间、灌溉量等信息, 还需进一步的学习。

摘要：通过水分平衡理论和作物水分生产函数模型的结合, 对玉米优化灌溉模式进行了理论探讨。

关键词：玉米,优化灌溉,节水灌溉,水分平衡