水分脅迫條件下稻田優化灌溉制度的研究

董淑喜

(黑龍江省農墾牡丹江管理局水務局，黑龍江 密山 158308)

水分脅迫條件下稻田優化灌溉制度的研究

董淑喜

(黑龍江省農墾牡丹江管理局水務局，黑龍江 密山 158308)

本文通過對非充分灌溉條件下水稻優化灌溉制度如何制定進行了研究。其特點是將作物產量模型與耗水規律模型相結合，以相對產量最高為目標函數，建立了優化決策系統，并利用多目標規劃進行求解。該研究成果可使有限的水量在作物生育期內發揮最大的效率，對優化配置水資源，實現農業高效用水具有重要作用。實例研究結果說明，所建模型及求解方法是合理與可行的，不但提高了水分利用效率，還為查哈陽灌區水資源的優化利用提供了科學依據。

水稻水分生產函數;多目標規劃;優化灌溉制度;水分脅迫

查哈陽灌區位于黑龍江省齊齊哈爾市甘南縣境內，諾敏河下游。區內現有耕地5.609萬 hm2，設計灌溉面積1.407萬 hm2。水田主要是河灌，旱田大部分是井灌。由于體制多變、政策不穩、種植方向不明，再加上工程老化嚴重等原因，使得灌溉效益未能得到充分發揮，水田面積徘徊在0.667萬hm2左右。為了使有限的水資源得到合理的利用及農業的可持續發展，提高水資源的利用效率勢在必行。

本研究針對查哈陽灌區水資源不足和分布不均的特點，通過非充分灌溉處理，建立適合查哈陽灌區的水稻水分生產函數，同時在此基礎之上得到優化灌溉制度，不但為查哈陽灌區水資源的優化利用提供了科學依據，也對黑龍江省西部半干旱區發展高效節水農業具有重要的指導意義［1］。

1 材料與方法

1.1 試驗區土壤與當地氣候

試驗于2007年在查哈陽農場灌區內實施。本區屬高漫灘平原區，為第四紀沉積物覆蓋，厚度30～70 m，上部為亞粘土，厚2～6 m，土的承載標準值為100～200 kPa，下部為砂卵石含水層，厚度20～60 m。承載力240～450 kPa。灌區所在區域屬中溫帶大陸性季風氣候區，多年平均氣溫1.6℃，平均降雨量468 mm，≥10℃有效積溫2 470℃，無霜期124天，日照時數2 735 h。2007年整個生育期降雨量235 mm。

1.2 試驗方法與設計

試驗采用筒測法，測筒規格為直徑0.58 m，高 0.9 m，有底，無滲漏。測筒內回填試驗地原狀土，且使筒上層土面與地面齊平，使實驗地氣候與大田氣候一致。土壤容重1.34 g/cm3，飽和含水率51%。移栽時每筒 9穴，每穴 5株，并在第三次處理中移栽8穴，每穴5株。測筒區上部設有活動遮雨棚，以隔絕雨水進入受旱階段的測筒。本試驗的水稻品種為空育131，試驗中的施肥按正常量使用。每天8:00記錄數據，灌水、排水及降雨前后加測，水分水控制在上限(30 mm水層)～設計下限(表1)之間。

表1 各階段受旱下限

試驗采取單階段分別受重旱、輕旱以及相鄰兩階段連續中旱的方法，并設群眾灌溉(深水)為對照處理，共12個處理，每個處理重復3次，計36個測筒。

2 試驗結果與分析

2.1 水分生產函數的建立

水分生產函數是描述作物產量和水分因子之間的數學關系(Water Production Function)。水稻水分生產函數的數學模型主要有動態模型和靜態模型兩大類。國際上公認比較合理和完善的有以下四種:

式中:λi、Ai、Bi、Ci為作物不同階段缺水對產量的敏感指數及敏感系數;i為生育期劃分序號;Ya各處理條件下的實際產量，kg/hm2;Ym為正常灌溉下產量，kg/hm2;ETa為各處理條件下實際蒸發量，mm;ETm為正常處理下的蒸發蒸騰量，mm;n為模型的階段總數，本試驗中為n=4。

2.2 模型求解

由表2的水稻試驗的各處理的蒸發蒸騰量和產量分別得到其相對騰發量和相對產量，分別代入式(1)、(2)、(3)、(4)，即可得到相應的各階段水分敏感指數和相關系數如表3所示。

表2 查哈陽灌區水稻各種處理下的蒸發蒸騰量及產量

2.3 試驗結果分析

(1)從表3可以看出，Jensen模型中其敏感指數在分蘗期最大，乳熟期次之，抽穗期最小，與實驗成果一致，但R值相對較小;對于 Blank模型表明，A值越大，則對水分虧缺越不敏感，其各個生育期對水分脅迫敏感程度的高低順序正好和試驗結果相反，故此模型不適宜用于查哈陽灌區水稻;Stewart模型灌漿期的敏感指數小于拔節期，并且相關系數值R太小，故此模型也不適用于查哈陽灌區水稻［2］。Singh模擬的效果中可以看出敏感的兩個時期是分蘗和乳熟期，不敏感的是抽穗和拔節期，這和試驗結果一致，在模擬的結果中還可看出，在抽穗期為負值，理論上負值意思是水分脅迫反而促使產量增加，而實際結果顯示，由于抽穗期水分脅迫時間短，沒有達到重旱所需要的下限，其產量反而略高于其它處理［3］。

(2)Singh模型為相加模型，也較為適合半干旱和半濕潤地區籽實產量計算，適合干旱地區牧草和飼料作物的生物學產量計算，查哈陽灌區水稻選用模型作為當地的水稻水分生產函數模型較為合適。

0.333 8 0.157 8 0.032 9 0.160 2 0.836 8 Blank 模型 Ai0.462 4 0.282 1 0.088 4 0.285 2 0.996 3 Stewart模型 Bi0.362 1 0.013 9 －0.160 8 0.010 9 0.603 7 Singh模型 Ci Jensen模型 λi 0.724 3 0.142 8 －0.145 3 0.217 2 0.997 4

3 水稻優化灌溉制度模型

3.1 目標函數

生長階段作物水分生產函數適宜采用Singh模型提出的連加模型，其目標函數為單位面積上實際產量與最高產量之比最大，即

式中:ETa為各處理條件下的實際蒸發量，mm;ETm為正常處理條件下的最大蒸發蒸騰量，mm;Ci為各處理條件下的產量影響系數。

(1)約束條件:

其中:i為生育期劃分序號，i=1，2，3，4;r為各個生育期騰發量之和。

(2)初始條件:

設作物可用于分配的水量為農作物全生育期可用于分配的水量 Q，即

3.2 求解方法

在優化配水時，將公式(7)(8)結合起來，采用 matlab7.1編程計算，讓程序在滿足公式條件的前提下選擇最優目標，主程序計算中將分配給作物凈灌溉水量，通過調用子程序實現凈灌溉水量在作物各生育期內的優化分配，最終實現主、子程序同時優化，以實現灌溉水資源的最高效益。

3.3 求解結果及分析

通過優化結果可以看出，在P=75%(表5)，灌溉定額為8 877 m3/hm2時，其相對產量達到94%。在保證水資源可持續利用前提下，實現了水稻相對產量的最大。

表4 查哈陽灌區水稻非充分灌溉下優化灌溉制度求解數據(P=75%)

4 結論

(1)本文在非充分灌溉試驗資料的基礎上，分析研究了水稻水分生理需水特性，通過對 Jensen、Blank、Stewart、Singh四種模型的求解結果比較，得出查哈陽灌區水稻最適宜的水分生產函數模型為模型。

表5 查哈陽灌區水稻非充分灌溉制度優化成果(P=75%)

(2)在水稻水分生產函數的基礎上，建立了查哈陽灌區非充分灌溉下的優化灌溉制度模型。即將作物產量模型與耗水規律模型相結合，以相對產量最高為目標函數，建立了計算機優化決策系統。采用 matlab7.1編程，求解設計保證率p=75%情況下水稻各階段的優化灌水量，為查哈陽灌區水資源的優化利用提供了科學依據。

［1］劉增進，李寶萍，李遠華等.冬小麥水分利用效率與最優灌溉制度的研究.［J］農業工程學報.2004.7(4):58 －63.

［2］程建平，曹湊貴，蔡明歷等.不同灌溉方式對水稻產量和水分生產率的影響［J］農業工程學報.2006(12):28－33.

［3］付強，王立坤，門寶輝等.推求水稻非充分灌溉下優化灌溉制度的新方法［J］.水利學報.2002(10):39－40.

［4］王克全，付強，季飛，徐淑琴等.查哈陽灌區水稻水分生產函數模型及其應用試驗研究［J］.灌溉排水學報2008:100－101.

Study on Optimization Irrigation Procedure of Rice Filed under Water Stress

DONG Shu－xi
(College of Water Conservancy and Building Engineering，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，Heilongjiang)

The paper studies how to draw the rice optimal irrigation system under the condition of non－sufficient irrigation.The character is that the model of yield connect with the model of water－consuming law.In order to get max object function and max yield，it set up optimization irrigation procedure with multiobjective programming. This result can get max efficiency under limited water consumption. It very important for optimized water resource and realized modern agriculture. The results show that this model improve efficiency and it provides scientific basis for Cha Hayang irrigation district.

Rice water production function;multiobjective programming;optimization irrigation procedure and water stress

S274

A

1004－1184(2012)01－0107－02

2011－05－23

黑龍江省農墾總局科技攻關項目(HNKSV－13);黑龍江省科技攻關項目(GB06B106－7);東北農業大學創新團隊項目聯合資助。

董淑喜(1982—)，男，江蘇連云港人，碩士，工程師，主要從事農業節水灌溉管理研究工作。