紫花苜蓿耗水規(guī)律及灌溉制度優(yōu)化研究

郭彥芬，霍軼珍，王文達

(內蒙古河套學院土木工程系，內蒙古 巴彥淖爾 015000)

紫花苜蓿素有“牧草之王”的美稱，由于其根系較為發(fā)達，產量高，而且富含多種維生素和蛋白質，同時具有耐寒、耐旱和耐鹽堿等對環(huán)境適應性強的特點，是目前我國種植面積最大的人工牧草[1,2]。紫花苜蓿作為內蒙古中西部牧區(qū)的主要飼草料作物，近些年來隨著畜牧業(yè)的快速發(fā)展，紫花苜蓿的種植已經成為發(fā)展地方經濟的一種重要途徑[3]。但有研究表明，適宜紫花苜蓿生長發(fā)育的降水量在500～800 mm之間[4-6]，且紫花苜蓿普遍具有“上保水，下耗水”的特征[7-8]，因此在干旱半干旱區(qū)土壤水分因素成為限制其生長和種植推廣的重要因素[9]。

河套灌區(qū)作為典型的干旱半干旱地區(qū)，年均降雨量稀少、蒸發(fā)強烈[10]，且灌區(qū)農業(yè)用水主要為引黃自流灌溉，但是近些年來隨著節(jié)水改造工程的完成以及在政策的指令下，引黃水量已經減少了20%[11]，在這樣的背景下井渠雙灌得到了一定的發(fā)展，但如何配置井灌水源以達到水資源的高效利用是亟需解決的問題。因此，紫花苜蓿作為灌區(qū)主要的飼草料作物，在這樣的天然條件下，只有進行合理的灌溉，才能使得紫花苜蓿在有限的水資源現(xiàn)狀下收獲最大的效益和高產。本研究在紫花苜蓿前兩茬的生育期內，通過設置不同灌溉定額進行節(jié)水灌溉試驗，旨在探索紫花苜蓿在各生育期的需耗水規(guī)律，同時借助作物-水模型Jensen模型進行灌溉制度的優(yōu)化，以提出灌區(qū)紫花苜蓿種植各生育期適宜的灌水定額，這對于灌區(qū)節(jié)水農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及紫花苜蓿種植的進一步推廣具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內蒙古河套灌區(qū)臨河區(qū)雙河鎮(zhèn)，該地區(qū)多年干旱少雨，年平均降雨量139.8 mm，蒸發(fā)量2 368.5 mm；多年平均氣溫為6.8 ℃，平均日照時數3 230 h，年平均無霜期在130 d左右，屬于典型的中溫帶干旱大陸性氣候。試驗區(qū)以砂質壤土為主，土壤平均容重為1.44 g/cm3；土壤中全氮、全磷、全鉀的質量比為0.102%、0.081%和1.672%，有機質1.26%，灌溉水源為地下水，作物全生育期地下水位平均在1.5～2.5 m。

1.2 試驗設計

試驗紫花苜蓿選用品種為當地常規(guī)品種阿爾金剛，平地后采用拖拉機進行條播，播種深度為3 cm左右，播種行距30 cm，播種量為25 kg/hm2，播種時施底肥過磷酸鈣525 kg/hm2，尿素180 kg/hm2，小區(qū)大小為150 m2(10 m×15 m)，播種時間為2014年7月16日，苜蓿次年4月上旬進入返青期。

本試驗研究過程中，以土壤含水率控制灌溉水量，試驗共設5個灌水水平，3次重復，其中MX5為對照處理(當地充分灌溉)。試驗灌水過程采用畦灌的灌水方式，采用梯形量水堰計量灌溉水量。具體試驗方案如表1所示。

表1 紫花苜蓿灌溉制度(占田間持水率百分比) %

注：表中占田間持水率的百分比中，45、55、65、70分別代表重度受旱、中度受旱、輕度受旱和充分灌溉。

1.3 測試項目及方法

利用土鉆進行取土，采用烘干稱重法測定土壤含水率，取樣深度為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm；采用田間小型氣象站觀測采集苜蓿生育期內氣象數據；每茬紫花苜蓿刈割收獲時各處理單打單收進行產量測定。

1.4 紫花苜蓿各生育期耗水量的確定

本研究采用水量平衡法進行紫花苜蓿耗水量的計算，公式為：

ETa=M+P+K-W-D

(1)

式中：ETa為紫花苜蓿各生育階段實際耗水量，mm；M為實際灌溉水量，mm；P為生育階段有效降雨量，mm；W為各生育階段土壤儲水量變化，mm；K為地下水補給量，mm；D為深層滲漏水量，mm。

1.5 地下水補給及滲漏水量的確定

本研究分別在各處理小區(qū)中間埋設50、70 cm兩根張力計，選定距地表為60 cm處為作物根系層下邊界，根據實測負壓值及室內試驗得出的作物根系層各水力學參數，采用達西定律計算地下水補給量與滲漏量。

(2)

式中：ψm1和ψm2分別為土壤層深度為50和70 cm處的基質勢值，hPa；θ為50和70 cm處的平均體積含水率，%；Z1和Z2為兩處的埋深，cm。

1.6 紫花苜蓿生育階段的劃分

由于作物對水分虧缺的反應存在明顯的滯后效應，如果生育階段劃分過短，則會造成跨階段的影響，難以反映實際情況。如果生育階段劃分太長，則使得試驗結果偏差較大，不能準確反映不同階段的特征。因此準確地劃分紫花苜蓿生育階段是保證能夠正確求解水分敏感性指標的基礎，本研究中紫花苜蓿的生育階段劃分如表2所示。

表2 紫花苜蓿生育階段劃分

2 結果與分析

2.1 作物相對產量及各階段相對騰發(fā)量

2015年紫花苜蓿第1茬和第2茬的相對產量及各生育階段的相對騰發(fā)量如表3所示。整體來看，灌水量是影響紫花苜蓿各生育階段相對騰發(fā)量的主要因素，各生育期灌水量越多，相應的相對騰發(fā)量值越大，反之亦然。同時研究發(fā)現(xiàn)，第1茬紫花苜蓿收獲期的相對產量與關鍵生育期現(xiàn)蕾期的相對騰發(fā)量呈現(xiàn)正相關，說明現(xiàn)蕾期水分狀況是影響苜蓿產量形成的重要因素。而第2茬收獲期產量與紫花苜蓿關鍵生育期現(xiàn)蕾期和開花期的相對騰發(fā)量呈現(xiàn)正相關，這也說明這兩個階段的水分狀況會直接影響苜蓿產量的形成。

表3 紫花苜蓿生育階段的相對產量和相對騰發(fā)量

注：MX1為返青期重度缺水；MX2為分枝期重度缺水；MX3為現(xiàn)蕾期重度缺水；MX4為開花期重度缺水；MX5為充分灌溉條件。

2.2 基于Jensen模型推求作物水分敏感性系數

本研究采用階段相對騰發(fā)量作自變量與相應階段(i)敏感性冪指數λi表征的作物-水模型M.E.Jensen(1968年)模型對作物水分敏感性系數進行求解。其公式為：

(3)

式中：Ya、Ym分別為作物的實際和最大產量，kg/hm2；ETa和ETm分別為各階段實際蒸發(fā)蒸騰量及充分灌溉條件下的各階段蒸發(fā)蒸騰量，mm；λi為作物敏感性系數，無量綱;其中i=1，2，3，…，n，為生育階段劃分序號。

對公式(3)兩邊取對數有：

(4)

則可得到線性方程：

(5)

式中：i代表求解參數時劃分的階段序號，i=1，2，3，…，n，n為劃分的階段總數。

設試驗共有m個處理，處理號j=1，2，3，…，m，則可得到m組Xji、Zj。一般的，為了獲得唯一可行解，應滿足m>n+1，為了獲得穩(wěn)定最優(yōu)解，應滿足m≥n的約束條件。

(6)

(7)

令

(8)

(9)

化簡可得一組聯(lián)立線性方程式，即正規(guī)方程組，即：

(10)

將上述正規(guī)方程組，利用矩陣法求解，令：

(11)

將式(10)改寫為LK=F。

則

K=L-1F

(12)

解此正規(guī)方程，可得回歸系數K1、K2、…、Kn。求得Ki后，即求得λi值。圖1為紫花苜蓿各生育階段的敏感性系數λi計算結果。

圖1 紫花苜蓿各生育階段敏感性指數

由圖1可知，紫花苜?，F(xiàn)蕾期的敏感性指數最大，其次為開花期，即紫花苜蓿的關鍵生育期為現(xiàn)蕾期、開花期，這一結果與當地實際情況相一致，因此在灌溉水量有限時，應保證這個時期的灌溉用水量以提高苜蓿的產量。

2.3 紫花苜蓿灌溉制度優(yōu)化

優(yōu)化灌溉制度即在有限的農業(yè)供水條件下，為達到作物高產的目標，對作物的不同生育階段以作物水分生產函數為依據，根據土壤含水率的變化動態(tài)、降雨補給、灌溉水滲漏等指標，在各生育階段分配灌溉的可供水量，實現(xiàn)對灌水量的最優(yōu)分配。本文采用Jensen模型，利用最小二乘法確定的優(yōu)化灌溉制度，之所以采用Jensen模型，是因為此模型不僅能夠反映灌水量及灌水時間對不同對作物產量產生的影響，而且這種影響是通過環(huán)境條件對不同時段騰發(fā)量的綜合且隨機的作用來表示，優(yōu)化灌溉制度結果如表4所示。

表4 紫花苜蓿各生育階段優(yōu)化灌溉制度參數表

由表4可知，紫花苜蓿的關鍵需水期是現(xiàn)蕾期和開花期，當灌溉水量有限時，應首先保證供給這兩階段用水，以保證作物在有限水量的情況下，獲得最大的產量。由于返青期和分枝期作物的敏感性指數較低，對產量的影響不大，所以在不影響產量的情況下可以減少作物的灌水量，從而達到節(jié)水的目的。根據紫花苜蓿生長特點和利用目的，一般在開花盛期收割，這時紫花苜蓿的營養(yǎng)成分高，適口性好。綜合計算分析后，紫花苜蓿兩茬的優(yōu)化灌溉制度為第1茬灌溉定額以1 400 m3/hm2為宜，第2茬灌溉定額以2 300 m3/hm2為宜，且返青期、分枝期、現(xiàn)蕾期和開花期的灌水定額分別為200、300、500、400和300、400、900、700 m3/hm2，兩茬灌水次數分別為4次和5次。

3 結 語

(1)通過對不同處理條件下的紫花苜蓿兩茬生育期內的相對騰發(fā)量和相對產量的研究發(fā)現(xiàn)，灌水量是影響紫花苜蓿各生育階段相對騰發(fā)量的主要因素，且第1茬紫花苜蓿收獲期的相對產量與關鍵生育期現(xiàn)蕾期的相對騰發(fā)量呈現(xiàn)正相關，而第2茬收獲期產量與紫花苜蓿關鍵生育期現(xiàn)蕾期和開花期的相對騰發(fā)量呈現(xiàn)正相關，這也說明該階段是紫花苜蓿生育期的耗水旺盛階段，該階段土壤水分虧缺會直接影響苜蓿產量的形成。

(2)通過多元線性回歸的方法求解得到了兩茬紫花苜蓿在返青期、分枝期、現(xiàn)蕾期和開花期的敏感性系數，第1茬分別為0.103、0.161、0.731和0.322，第2茬分別為0.041、0.143、0.375和0.315，說明河套灌區(qū)紫花苜蓿生長關鍵需水期分別為現(xiàn)蕾期和開花期。

(3)利用作物-水模型Jensen模型，采用最小二乘法優(yōu)化了兩茬紫花苜蓿生育期內的灌溉制度，第1茬灌溉定額以1 400 m3/hm2為宜，第2茬以2 300 m3/hm2為宜，各茬灌水次數分別以4次和5次為最優(yōu)。

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