基于ISAREG模型的玉米溝灌灌溉制度優化研究

張 寅，孫明海

（河套學院，內蒙古 臨河 015000）

1 試驗區概況與設計

1.1 試驗區概況

試驗區位于內蒙古巴彥淖爾市臨河區，該地區屬于典型的溫帶干旱大陸性季風氣候，冬季寒冷而漫長，夏季炎熱而短促，多年平均氣溫7.1℃，年平均降雨量為141 mm，年平均蒸發量為2 430 mm，年平均日照時數為3 223.7 h，無霜期為140 d 左右。試驗區根層土壤類型以壤土為主，土壤容重為1.48 g/cm3。

1.2 試驗設計

試驗于2018 年在臨河區農業氣象試驗站進行，每個試驗小區長6 m，寬4 m，相鄰小區間埋設地下2 m 深的擋水板，避免地下水分橫向滲透。試驗材料選用灌區農戶常用品種西蒙6 號。灌溉方式為常規壟作覆膜溝灌，斷面形式為梯形。試驗共設2 個處理，每個處理重復3 次，全生育期灌水4 次，灌溉定額分別為280 mm 及260 mm。

2 ISAREG模型和參數驗證

2.1 ISAREG 模型

本文采用葡萄牙里斯本技術大學農學院開發的ISAREG 模型對玉米覆膜溝灌灌溉制度進行研究。ISAREG 模型是以水量平衡原理為基礎建立的，采用的水量平衡方程如下：

2.2 模型參數驗證

本文采用2018 年的試驗資料建模并率定ISAREG 模型中的參數。其中氣象數據由當地農業氣象試驗站提供，參考作物騰發量ET0由修正的Penman-Monteith 公式計算。根據實測資料及FAO-56 的推薦值，修正后玉米生育初期的作物系數為0.4，中期的作物系數為1.02，后期的作物系數為0.57，玉米的產量反應系數為1.13。

以上參數輸入ISAREG 模型進行灌溉模擬，得到相應土壤含水率的模擬值。將田間實測土壤含水率與ISAREG 模型模擬的土壤含水率進行對比，則對比關系如圖1 所示。

從圖中可以看出，溝灌條件下，田間實測土壤含水率的數值與模擬值十分接近，兩者的相對誤差在6% 以內，模擬精度較高。因此，ISAREG 模型中選取的參數合適，可用于評價玉米溝灌的實際灌溉制度，并進行灌溉制度的優化。

3 灌溉制度評價

利用ISAREG 模型對實際玉米溝灌灌溉制度進行評價，模型具體輸出結果見表1。

表1 玉米溝灌實際灌溉制度評價指標

從表1 中分析得出，溝灌條件下，玉米的產量隨灌水量的降低而增加。處理G1 的灌水量為280 mm，其深層滲漏量為7.4 mm， 灌水效率為96.8%，產量下降率為11.2%。與處理G1 相比，處理G2 的灌水量減少了20 mm，深層滲漏量減少了7.4 mm，灌水效率增加了3.2%，達到100%，產量下降率增加了4.5%。分析原因主要是因為玉米生育關鍵期灌水延遲導致處理G2 的產量下降至15.7%。

4 灌溉制度方案設計與優選

4.1 灌溉制度方案設計

為了利用ISAREG 模型制定適合河套灌區的玉米溝灌優化灌溉制度，以當地實際狀況、作物的生長需要以及ISAREG 模型驗證過的基本數據為基礎，設計玉米溝灌灌溉制度方案，通過模型多次模擬，保證產量下降率在10% 以內，找出以下5 種相對合理的灌溉制度設計方案，具體方案設計如下：

方案1：以最大產量為目標。當根系層土壤平均含水率下降至適宜含水率下限時開始實施灌溉，灌水量為補充根系層土壤含水率至田間持水率所需要的水量。

方案2：給定灌水日期。根據當地多年黃河來水時間確定灌水日期。當地農民玉米灌溉從播種之后一般灌4 水，模型中灌水日期制定為6 月8 日、7 月1 日、7 月23 日、8 月15 日。灌水量為補充根系層土壤含水率至田間持水率的90% 所需要的水量。

方案3：給定灌水日期。灌水次數及灌水日期與方案2 相同。灌水量為補充根系層土壤含水率至田間持水率的80% 所需要的水量。方案4：給定灌水定額。方案中的灌水定額采用68 mm，每次灌水時間由模型優化算出。方案5：給定灌水定額。方案中的灌水定額采用60 mm，每次灌水時間由模型優化算出。

4.2 灌溉制度方案優選

通過對玉米溝灌灌溉制度的設計，利用ISAREG 模型進行模擬，模擬結果見表2。

表2 玉米溝灌灌溉制度方案模擬結果

從表2 可以看出：

方案1：以最大產量為目標，玉米覆膜溝灌灌水量為321.3 mm，全生育期內灌水4 次，產量無減產。

方案2 ～方案3：按照黃河來水時間給定灌水日期，與方案2 相比，方案3 的產量下降率增加了2.2%，在合理利用水資源的情況下，灌溉定額減少了32.13 mm，故方案3 較為合理。

方案4 ～方案5：給定灌水定額，灌水時間由模型優化給出。與方案4 相比，方案5 產量下降率增加了1.3%，但灌水定額減少了32 mm，故方案5 較優。

5 結論

本文在田間試驗數據及ISAREG 模型中各項參數驗證的基礎上，對玉米溝灌實際的灌溉制度進行了評價，利用ISAREG 模型模擬了5 種玉米溝灌灌溉制度，結果表明：當灌水時間受到黃河來水時間的限制時，建議玉米溝灌灌溉定額為257.04 mm，全生育期灌水4 次；當灌水時間不受限制時，建議玉米溝灌灌溉定額為240 mm，全生育期灌水4 次，每次灌水量均相同，此方案適合灌溉水源為井水。