毛乌素沙地紫花苜蓿人工草地的调亏灌溉技术研究

1、2中国水利学会2011学术年会大力推广节水节能技术促进农村水利现代化建设毛乌素沙地紫花苜蓿人工草地的调亏灌溉技术研究郭克贞1，任 蓉2，苏佩凤1，吕志远2，范志东2（1.水利部牧区水利科学研究所 呼和浩特 010010；2.内蒙古农业大学水利与建筑工程学院 呼和浩特 010020）摘 要： 调亏灌溉研究的主要目标是从作物自身生理角度出发，探索其生长发育以及产量形成对水分亏缺程度和亏缺阶段的反应，研究不同生育时期施加不同程度的水分亏缺及亏缺消除后对生长和产量的补偿生长效应，确定不同生育阶段的作物耗水量，寻找各生育阶段作物水分敏感指标，从理论上明确实施调亏灌溉的可行性，确定作物最适调亏时期和调亏程

2、度，可将有限的水量合理地分配到各个生育阶段，为实施调亏灌溉的依据。关键词：毛乌素沙地；紫花苜蓿；需水规律；调亏灌溉中图分类号：s275 文献标识码：a0 引言毛乌素沙地位于我国黄河流域中心，由于历史、自然、地理因素，以及人口、牲畜承载规模远远大于土地资源承载能力，20世纪70年代以来草地退化沙化、耕地沙漠化严重1，为保护家园，当地开展了大规模的灌溉人工草地建设，以图增加草地生产能力，平衡草畜矛盾，实现生态环境好转。但是，由于草地灌溉理论技术研究项目开展有限，一些关键技术问题较少研究，制约了人工草地建设管理水平的提高，以及节水灌溉工程效益的发挥。调亏灌溉是近年发展形成的一项高效节水灌溉技术本，项

3、目针对人工牧草自身水分生理特点，在小区试验的基础上，进行调亏灌溉技术研究，为提高当地人工草地节水灌溉管理水平提供技术依据。1 试验区基本条件试验区位于鄂尔多斯市乌审旗境内的毛乌素沙地治理研究中心，多年平均降雨量350mm，多年平均蒸发量22002800mm，平均风速3.0m/s。年日照时数为2886h，无霜期130140d。牧草生长期主要气象参数如表1。收稿日期：2011-08-02作者简介：郭克贞（1955-），男，教授级高级工程师，主要从事草地节水灌溉方面的研究。紫花苜蓿生长发育期包括返青期、分枝期、孕蕾期和开花期4个生育期。本研究以此为划分标准，将每一茬苜蓿生长期分为4个阶段，对其进行不

4、同的水分处理。试验采用调亏灌溉法，设充分灌溉（简称对照）、轻度调亏、中度调亏、重度调亏4种灌溉水平，并且在不同的生育阶段施加。试验采用田间对比试验法，设13个非充分灌溉处理和1个充分灌溉处理，1个自然状态处理，重复3次，共45个试验小区，小区面积30m2，小区间设保护隔离区。试验水分处理设计如表2所示。主要观测内容包括气象条件、地下水、土壤、作物共4大部分资料。2 不同处理下的土壤水分与产量试验结果分析2.1 紫花苜蓿各调亏灌溉处理土壤含水率变化规律本试验从2009年4月25日至9月24日，动态监测了紫花苜蓿整个生育季内的土壤水分变化，并绘制了土壤水分动态变化图。在试验开展前（4月25日），测

5、定了各试验小区的初始含水率，结果表明各处理的土壤含水率基本处于同一水平，潜层土壤含水率平均值为10%（体积含水率），深层土壤平均含水率为25%。取1m深为土壤水分变化观测层，试验各处理的水分控制标准介于充分灌溉处理70%f，轻度缺水（50%60%）f、中度缺水（40%50%）f、重度缺水（30%40%）f之间，图1反映了6种典型处理1m深土层内土壤水分的变化规律。2宁夏红寺堡扬黄灌区蓄水池调蓄与特色作物节灌模式研究与应用刘学军张红玲景清华表1 紫花苜蓿生长期49月主要气象参数(2009年)tab1 main weather parameters in growth perior 49 of a

6、lfalfa(2009)气象参数生长时段4月5月6月7月8月9月平均气温/10.8315.3720.4222.118.7714.77相对湿度/%38.3243.3934.4753.1867.9263.98太阳辐射/(wm-2)247.73269.73318.39257.79212.83178.64大气压强/kpa86.6786.986.2186.2486.7286.972m高风速/(ms-1)2.412.111.491.230.861.22降雨量/mm3.122.957.871.9155.115.3表2 紫花苜蓿调亏灌溉试验处理设计tab2 medicago sativa design of

7、water treatments %处理编号各阶段水分条件返青期分枝期孕蕾期开花期自然状态（ck）mx-1返青期mx-240-5007570分枝期轻旱mx-37050607570中旱mx-47040507570重旱mx-57030407570孕蕾期轻旱mx-67070506070中旱mx-77070405070重旱mx-87070304070开花期轻旱mx-97070755060中旱mx-107070754050重旱mx-1170707530401、2阶段连旱mx-124050405070702、3阶段连旱mx-137040504050703、4阶段连旱mx-14707040504050水分适

8、宜mx-15（ck）70757570注：表中所列含水率为下限值，其上限为田间持水量8毛乌素沙地此紫花苜蓿人工草地的调亏灌溉技术研究 郭克贞 任 蓉 苏佩凤 等体积含水率/%日期/（月-日）图1 不同亏水处理条件下0100cm土层内平均体积含水率动态变化(2009)fig1 change of average soil moisture dynamic trends during 0-100cm for different water deficit treatments(2009)由图1可知，在1m深内土层内，ck处理土壤含水率变化频率快，但变化幅度较小，最高值出现在6月7日为17.82%，最

9、低值（6月3日）仍有12.43%；而处理5、8的变化频率在各自亏水处理的生育期内较小，而变化幅度十分剧烈，最低含水率分别发生在分枝期（7月3日）和孕蕾期（7月25日），仅有8.59%、8.31%；处理4、7介于ck与处理5、8之间，这是在生育期进行调亏灌溉处理由灌水频率和灌水量共同作用的结果。但无论何种处理，灌水初期的土壤含水率消耗速度明显高于后期，特别在重度水分亏缺处理5、8表现更加明显。这是因为灌水前期表层土壤的水分较高，其蒸发强度也相对较大，后期随着土壤含水率的下降，表土蒸发强度明显下降。降雨对土壤含水率也有所影响，特别是当降雨量大于10mm时，会使土壤含水率明显增加，7月5日各处理含水

10、率均有上升，各处理在灌水前土壤含水率呈递减趋势，但由于灌水，总体上土壤水分是围绕着一条主线上下波动的。2.2 水分亏缺对紫花苜蓿产量的影响紫花苜蓿不同的生育阶段对水分的需求不同，对水分的敏感程度也不同，水分亏缺对作物生理特性和生态性状的影响最终反映在产量的差异上。试验各处理产量情况见表3。表3 各处理紫花苜蓿产量及减产率(2009)tab yield and yield reduction rate of alfalfa under different treatments(2009)处理第一茬第二茬第三茬总产量减产率(6月18日)(8月8日)(9月24日)/(kghm-2)/%12324ec

11、1925eb1217dc548356.7124642aa3958aa2008aa1060816.2534900aa4242aa2317aa114589.5444325aa3292ba1958aa957524.4153017db2800da1286cb710343.9365042aa4375aa2458aa118756.2574425aa3300ba2117aa984222.3083592ca2892ca1550ba803336.5895150aa4496aa2567aa122133.59104725aa4092aa2258aa1107512.57113608ca3183ba1808aa8600

12、32.11123817ba3075ba1708aa860032.11133783ba2933ca1767aa848333.03144167aa3233ba1842aa924227.04155267aa4775aa2625aa126670表3列出了不同水分亏缺处理对紫花苜蓿产量的影响。分析可知：各灌溉处理在不同茬次及全年的产量均与自然状态下(处理15)的产量存在极显著性差异（p0.01）,说明灌溉可较明显增加苜蓿产量。第一茬，全生育期充分灌溉处理ck的产量最高达5267kg/hm2，其它处理较对照均有减产，但减产程度不同。各生育阶段轻度、中度水分亏缺处理产量与ck比较都没有显著性差异。说明这些阶

13、段适度亏水后水分条件一经改善（灌溉后）均表现出明显的补偿效应。但重度亏水处理呈现不同程度的显著性差异，说明重度水分亏缺严重抑制了作物有机质的积累，对人工牧草产量较大。紫花苜蓿产量在全年内的变化为逐茬递减。图2反映了不同处理全年总产量和减产率的情况。返青开花期中度亏水处理较对照分别下降了16.25%、24.41%、22.3%、12.57%，因此，从调亏灌溉时间上来看，亏水发生在返青期和开花期产量略高于分枝期和孕蕾期。而分枝期中度、重度缺水减产率分别为24.41%和43.93%，在各处理中减产率最高。turner2（1990）研究表明：适度的水分亏缺对某些作物来说有利于增产。适时适度的水分亏缺在复

14、水后存在着补偿生长效应，但胁迫程度过大或历时过长会使复水无法起到补偿作用，导致产量下降。综合以上研究表明，土壤含水率保持在40%f以上的调亏灌溉不会对苜蓿产量造成不利影响，但首先要保证分枝期和孕蕾期有适宜的土壤水分环境。图2 不同水分处理紫花苜蓿全年产量和减产率fig2 yield and yield reduction rate of alfalfa for different water deficit treatments3 多刈条件下的紫花苜蓿耗水量计算与耗水规律研究3.1 需水量计算方法选用项目采用1979年fao推荐使用的penman-monteith近似式作为人工牧草et0和作物

15、系数计算方法3。计算公式如下：（1）利用田间自动气象站连续采集的2009年气象资料，逐日计算紫花苜蓿全生育期内的et0，结果如图8所示。3.2 紫花苜蓿作物系数与需水规律项目以紫花苜蓿各阶段充分灌溉且取得最高产量的处理作为紫花苜蓿需水量作物系数kc值3 计算基准值，计算结果如表4所示。3.3紫花苜蓿耗水量结果依据紫花苜蓿各生育阶段的et0和表4中的kc值可计算不同处理的紫花苜蓿耗水量，具体结果如表5所示。各种水分处理返青期耗水强度较小，耗水强度最大的对照处理（充分灌溉）也只有2.68mm/d；分枝期耗水强度有所提高，到孕蕾期耗水强度达到最大，开花期后又略有减小。在当地自然降水环境条件下，灌溉水

16、量是影响紫花苜蓿耗水的主要因素，总趋势是耗水量随着灌水量的增加而增加，不同灌水时间也会引起耗水量的差异。表4表明不同灌水处理的紫花苜蓿耗水量存在差异，充分灌水处理全年灌水量为460mm，计算有效降水量，其耗水量最大为590.5mm。4紫花苜蓿水分利用效率作物水分利用效率是指单位水量所产出的同化物质，是表征作物产量与水分消耗关系的定量指标3。在干旱半干旱地区，水资源匮乏，灌水成本较高，因此追求以最低的灌水定额获得最高的生产效率，是缺水区灌溉用水管理追求的目标之一，本文采用下式进行水分利用效率计算。 （2）表9中列出了不同水分亏缺处理全年产量水平下的紫花苜蓿水分利用效率。比较可知：充分灌溉处理（c

17、k）虽然在所有处理中产量最大，但其水分利用效率并不最高，水分利用效率为2.145kg/m3；而轻度亏水处理的3、6、9水分利用效率均高于对照处理，分别为2.208 kg/m3、2.197 kg/m3、2.152 kg/m3，说明轻度水分亏缺可以获得较高的wue；处理2、10产量与ck没有显著性差异，说明在供水不能满足紫花苜蓿全生育期的需水要求时，在返青、开花期可以不灌水或少灌水；重度缺水处理5、8，由于水分胁迫较重，严重抑制了有机物的合成，产量较低，致使水分利用效率也较低，仅为1.714 kg/m3和1.883 kg/m3。通过上述分析可知：不同的亏水阶段及亏水程度，对产量及wue的影响存在显

18、著差异，所以有必要对有限水资源进行合理分配，以达到水资源的优化配置。图3 紫花苜蓿生育期参考作物滕发量(2009年)fig reference crop evapotranspiration of alfalfa(2009)表4 紫花苜蓿各茬次生育期作物系数kc计算表table4 crop coefficient kc calculation table in growth perior of every stubble alfalfa mm/d茬次生育期返青期分枝期孕蕾期开花期全生育期参考作物腾发量4.66 5.40 5.37 5.39 4.91第一茬实际作物需水量2.68 4.88 5.7

19、7 4.60 4.57需水模数14.67 28.61 40.55 16.17 kc0.58 0.90 1.07 0.85 0.93参考作物腾发量6.31 4.77 4.87 3.93 5.02第二茬实际作物需水量2.74 4.32 5.39 3.92 4.24需水模数14.20 28.51 40.65 16.64 kc0.43 0.90 1.11 1.00 0.85参考作物腾发量3.94 3.15 3.28 3.34 3.10第三茬实际作物需水量1.88 2.74 4.21 1.60 2.60需水模数13.85 31.34 37.82 16.99 kc0.48 0.87 1.28 0.48 0

20、.84表5 各处理苜蓿耗水量、产量及水分利用效率(2009)tab5 water use,yield and water use efficiency of alfalfa under different treatments(2009)处理耗水量/mm全年产量/(kghm-2)水分利用效率/(kgm-3)节水/%处理15590.5126672.145处理9567.8122172.1523.84处理6540.6118752.1978.46处理3518.8114582.20812.13处理10491.9110752.25116.70处理2482.5106082.19918.29处理7476.29

21、8422.06719.36处理4467.795752.04720.80处理14449.892422.05523.83处理12431.586001.99326.93处理11429.686002.00227.24处理13423.684832.00328.27处理8426.580331.88327.77处理5414.371001.71429.84图4是不同处理产量和耗水量之间的拟合曲线以及水分利用效率和耗水量之间的拟合关系。其拟合关系式分别为：y=-0.2687et2+162.17et-18631 r2=0.9759y=-0.1234et2+152.13et-34252 r2=0.9797由拟合方程

22、可知：产量最初随耗水量的增加而显著增加，当耗水量大于某一值时产量反而随耗水量增加而减少，说明当灌水量或耗水量增加到一定数值时，再增加供水紫花苜蓿不但不能增加产量，反而可能使产量下降。水分利用效率的拟合曲线表明，无论全年还是第一茬wue均呈典型的二次抛物线，说明当耗水量较小的时候，产量对耗水量的增加非常敏感，产量增幅快于耗水量的增幅，水分利用效率随耗水量的增加逐渐增大；当耗水量增加到一定程度以后，产量的增加速率将慢于耗水量，导致水分利用效率降低。以上结果表明，在水资源短缺地区，应在追求高产的同时注重wue，最好在两者之间寻求较为理想的阈值指标。(a) 第一茬(b) 全年图4 紫花苜蓿耗水量与产量

23、及水分利用效率的关系fig relationship between et、yield and wue for different water deficit treatments5多刈条件下的紫花苜蓿水分生产函数水分生产函数是合理调控灌水，进行灌溉水优化配置的必要依据。本文从不同处理紫花苜蓿产量与全生育期总腾发量和阶段耗水量的关系出发，采用国际上应用较多的5种作物水模型3（jensen模型、minhas模型、blank模型、singh模型、stewart模型）进行拟合，推求不同生育阶段的敏感指标，然后根据相关性分析确认适合毛乌素沙地紫花苜蓿的人工牧草水模型。经拟合、确认，jensen模型较适

24、合毛乌素沙地紫花苜蓿节水灌溉实际。其水分生产函数表达式为：第一茬： (3)第二茬： (4)第三茬： (5)全 年： (6)将第一茬紫花苜蓿不同处理的蒸发蒸腾量和产量代入上述模型进行检验，得到预测产量及相对误差，结果如表6。结果表明，试验平均相对误差为12.99%，剔除3个重度亏水处理（处理5、8、11）后，平均相对误差为4.45%，可见拟合模型具有较高精度。6 调亏灌溉技术研究6.1优化方法为进行调亏灌溉研究，采用动态规划法进行优化决策，首先将紫花苜蓿生育期划分为几个相关阶段，再选取状态变量和决策变量及定义最优值函数，然后逐个求解。每段决策的选取均从全局出发考虑问题的最优解。在推求整个问题最优

25、策略时，由于初始状态是已知的，而每段的决策都是该段状态的函数，故最优策略所经过的各段状态便可逐次变换得到，从而确定最优线路。一个多阶段决策过程最优化问题的动态规划模型，包括了阶段、状态、决策、策略、状态转移、指标函数和最优值函数等关键因素。表6 jensen模型的模拟结果对比tab6 comparison between measured and simulation yield of jensen model处理实测产量/(kghm-2)预测产量/(kghm-2)相对误差/%2464247943.27 3490048660.704432543971.6753017375524.4665042

26、51071.2974425487810.2383592452225.9 9515051190.6110472549594.95113608444923.3112381740115.0913378340065.90144167462811.066.2优化配置的数学模型根据紫花苜蓿不同生长阶段的水分敏感指数、不同生育期的需水量及允许的土壤水分亏缺程度以jensen模型为依据，采取动态规划法，以单方产量最大为目标的灌溉制度。常用的动态规划数学模型6、7描述如下：（1）目标函数在可供水量一定的条件下，采用连乘的作物水分生产函数jensen模型，以追求单位面积的产量最大为目标，即ya/ym1.0。即：

27、（7）（2）阶段变量按照紫花苜蓿生育过程，将其划分为返青、分枝、孕蕾和开花期4个生长阶段，以生育阶段为阶段变量即n=1,2,3,4。（3）决策变量：决策变量设为各阶段灌水量mi，i=1,2,3,4。（4）状态变量：各阶段初可用于分配的水量qi和计划湿润层内可供作物根系吸收利用的总有效水量wi，i=1,2,n, wi是土壤含水率的函数。 （8）式中：为土壤平均干容重，k/cm3；hi为计划湿润层深度，m；为i阶段内计划湿润层的平均土壤含水率(g/g)，%；a为土壤含水率下限，%。（5）系统方程水量分配方程： （9）式中：，分别为第i，i+1阶段的可供水量，为第i阶段的灌水定额。田间水量平衡方程：

28、 （10）式中：etai为i阶段实际蒸发蒸腾量，mm，pi为有效降雨量，mm,mi为灌水定额，m3/hm2,ki为地下水补给量，mm，ci为深层渗漏量，mm。（6）约束条件：0miqi；0etaiet； 0wiwmi； aif式中：wmi为田间需水上限值（即饱和含水率时土壤计划湿润层内的有效水量，m3/hm2；f为田间持水率，%。（7）初始条件：1=0式中：0为计划湿润层初始土壤含水率，%。（8）递推方程： (11)（9）决策参数：依据小区田间试验观测结果确定动态规划方程所需参数如表7所示。表7 紫花苜蓿调亏灌溉制度参数tab7 regulated deficit irrigation sys

29、tem parameters of alfalfa茬次参数生育阶段返青期分枝期孕蕾期开花期第一茬阶段最大耗水量37.5773.26103.8541.41允许最小耗水量28.656.8182.3527.45有效降雨量/mm0039.360地下水补给量/mm06.27.56.9敏感指数0.04850.73740.49270.2351第二茬阶段最大耗水量31.6562.0887.9935.29允许最小耗水量19.0038.7453.0719.17有效降雨量/mm034.75015.13地下水补给量/mm0.55.86.65.6敏感指数0.09590.47550.23790.0785第三茬阶段最大耗水

30、量17.4033.5847.6218.79允许最小耗水量10.1922.9532.909.24有效降雨量/mm19.5522.9107.8地下水补给量/mm0.004.901.101.00敏感指数0.06860.57350.40370.0467全年阶段最大耗水量86.62168.92239.4695.49允许最小耗水量57.79118.50168.3255.86有效降雨量/mm19.5557.6639.3622.93地下水补给量/mm0.516.915.213.5敏感指数0.09350.51550.30690.13836.3 优化结果分析6.3.1 优化结果动态规划优化结果如表8，各阶段精准调

31、亏灌溉用水量见表9。6.3.2 结果分析优化结果如表9所示。由此可知，当供水量100mm时，灌溉水量应保证紫花苜蓿分枝孕蕾期的灌溉用水需求；当供水量100m350mm时，灌水量依次保证分枝期、孕蕾期、返青期和开花期需水要求，且在此区间内紫花苜蓿产量随着灌水量的增加而大幅度增加；当灌溉供水量为350mm时，其相对产量可达0.9299；当灌溉供水量350mm时，随灌溉水量的增加，产量增加幅度很小，可见，人工牧草灌溉应寻找一个相对较优的定额，达到节水高效的目的。具体灌溉制度如下：紫花苜蓿全年收获三茬，进行5次灌水，全年灌溉定额为350mm。第一、二茬灌水2次，分别在分枝初期及孕蕾期进行灌水，第三茬仅

32、在孕蕾期灌一次水，灌水定额5090mm。表8 紫花苜蓿调亏灌溉制度tab8 regulated deficit irrigation system of alfalfa mm灌水量生育期相对产量返青期分枝期孕蕾期开花期00.3180 100069.1130.8900.5118 15010.8291.5547.6300.6067 20020.9761.4993.2824.260.6756 30027.0994.36145.133.450.8557 35044.2194.36153.3658.070.9299 40061.6894.36184.959.060.9946 表9 紫花苜蓿各生育阶段的调

33、亏灌水量 mm第一茬第二茬第三茬返青期分枝期孕蕾期开花期返青期分枝期孕蕾期开花期返青期分枝期孕蕾期开花期000000000000049.119.520015.7713.60004.237.7705.9165.0514.7504.9120.9020.92005.6011.96011.4643.7028.7514.189.5114.0341.065.9803.7623.474.1014.8167.0644.7219.5412.2821.5363.878.2505.7736.515.6624.2267.0647.2733.9319.9921.5367.5114.3205.7738.589.8233.

34、8167.0656.9934.5127.8721.5381.3914.5605.7746.529.9910中国水利学会2011学术年会大力推广节水节能技术促进农村水利现代化建设7 结论（1） 调亏灌溉的研究目标在于从作物自身生理角度出发，探索其生长和产量对水分亏缺程度和亏缺阶段的反应，研究不同生育时期施加不同程度的水分亏缺及亏缺消除后对生长和产量的补偿生长效应，确定不同生育阶段的作物耗水量，寻找各生育阶段作物水分敏感指标，从理论上明确实施调亏灌溉的可行性，确定作物最适调亏时期和调亏程度，将有限的水量合理地分配到各个生育阶段。（2） 毛乌素沙地紫花苜蓿全年产量为3万kg/hm2。不同水分处理产量存在一定差异，基本趋势是，轻旱中旱重旱，开花期缺水返青期缺水孕蕾期缺水分枝期缺水。土壤含水率下限为40%50%f以上的处理产量较对照（充分灌溉）没有显著降低