基于CROPWAT模型的玉米需水量及灌溉制度研究

【目的】研究黑龙江西部气候变化对玉米需水量影响及不同降雨年型下喷灌、膜下滴灌的灌溉制度。【方法】基于黑龙江省肇州县1988—2015年气象资料、作物参数和土壤数据,利用Mann-Kendall趋势检验法分析了玉米生育期内各气象因素变化规律,结合CROPWAT模型研究了黑龙江省西部玉米需水量、有效降雨量和灌溉需水量的年际和各生育期间的变化规律并总结归纳了导致这些变化的气象原因,分析了不同降雨年型作物需水量与有效降雨量的耦合度并制订了相应的喷灌和膜下滴灌灌溉制度。【结果】(1)玉米生长期内,月平均最高温度和月平均最低温度显著升高,月平均风速显著降低;(2)玉米生长期内需水量受最高温度影响,以8.72 mm/10 a的速率增长,变化范围为374.7~537.0 mm;(3)特枯水年、枯水年、平水年和丰水年的需水量分别为500.3、470.8、442.8、395.4 mm。(4)不同降雨年型作物需水量与有效降雨量的耦合度总体呈先升增大后减小的变化趋势;(5)喷灌条件下,特枯水年、枯水年和平水年的灌溉净定额分别为187.4、125.4、49.2 mm;(6)膜下滴灌条件下,特枯水年、枯水年和平水年的灌溉净定额分别为163、95.6、35.8 mm。【结论】在气候变化背景下,该地区有效降雨呈减小趋势,玉米需水量呈增大趋势,除丰水年外,有效降雨量难以满足玉米的需水要求,在农业生产中应根据不同降雨年型在抽雄期和灌浆期进行适量灌溉来保证玉米稳产、高产。     

基于组合模型的辽宁省玉米水分盈亏量时空分布特征研究

根据辽宁省27个气象站1955—2014年逐日气象数据与相关玉米生长资料,对辽宁省不同区域玉米生育期需水量、水分盈亏量的确定方法及其时空分布特征进行深入分析。结果表明,辽宁省玉米生育期需水量以辽西最高(大于380 mm),辽南最低(小于345 mm)。玉米的水分盈亏量从西北至东南依次增加,其中辽西地区亏水现象普遍存在。不同地区年际水分盈亏量均呈逐渐下降趋势,其中辽西、辽北地区下降趋势显著(U_FU_(0.05/2)=1.96),辽中地区下降极其显著(U_F=-2.89U_(0.01/2)=-2.58),下降速率达19.465 mm/10 a。大部分研究站点(55.6%~81.5%),典型年法计算的水分盈亏量要高于虚拟年法。不同水文年,2种方法计算结果一致性由好到差依次为:丰水年、干旱年、特旱年和平水年,且对于大部分研究站点(48%~74%),2种方法计算结果的差异小于30 mm。为了提高计算精度,采用组合模型对辽宁省玉米水分盈亏量进行计算,结果表明随着水文频率的增加(水文年型由丰水年变为特旱年),辽宁省出现水分亏缺的区域逐渐增大,在丰水年,仅辽西的朝阳地区出现水分亏缺,而在特旱年,除辽东的本溪、丹东一带,全省大部分区域均存在不同程度的水分亏缺。     

广西木薯需水量及灌溉需求指数分析

基于南宁、北海、玉林、龙州4个气象站的长系列气象资料以及2014-2015年木薯生育期的观测资料,采用Penman-Monteith公式计算了木薯主产区内参考作物和木薯各生育期的需水量,采用经验公式计算木薯主产区内木薯各生育期的有效降雨量,并进行排频得到不同水平年各主产区木薯生育期需水量与有效降雨量,计算分析各主产区内木薯的灌溉需求指数。结果表明:广西木薯主产区木薯多年平均需水量为770.18 mm,灌溉需求指数0.14,丰水年(P=25%)、平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)木薯需水量分别为704.91、758.88和866.05 mm,灌溉需求指数分别为0、0.17和0.39。     

基于虚拟年和典型年法组合模型的辽宁省玉米水分盈亏量研究

根据辽宁省27个气象站1955-2014年逐日气象数据与相关玉米生长资料,对辽宁省不同区域玉米生育期需水量、水分盈亏量的确定方法及其时空分布特征进行深入分析。结果表明,辽宁省玉米生育期需水量以辽西最高(大于380mm),辽南最低(小于345mm)。玉米的水分盈亏量从西北至东南依次增加,其中辽西地区亏水现象普遍存在。不同地区年际水分盈亏量均呈逐渐下降趋势,其中辽西、辽北地区下降趋势显著(UFU0.05/2=1.96),辽中地区下降极其显著(UF=-2.89U0.01/2=-2.58),下降速率达19.465mm/10a。大部分研究站点(55.6%~81.5%),典型年法计算的水分盈亏量要高于虚拟年法。不同水文年,2种方法计算结果一致性由好到差依次为:湿润年、干旱年、特旱年和平水年,且对于大部分研究站点(48%~74%),2种方法计算结果的差异小于30mm。为了提高计算精度,采用组合模型对辽宁玉米水分盈亏量进行计算,表明随着水文频率的增加(水文年型由湿润变干旱),辽宁省出现水分亏缺的区域逐渐增大,在湿润年,仅辽西的朝阳地区出现水分亏缺,而在特旱年,除辽东的本溪、丹东一带,全省大部分区域均存在不同程度的水分亏缺。     

黑龙江省近50年大豆需水量与干旱时空分布特征研究

基于黑龙江省28个气象站1966—2015年逐日气象数据和20个农业气象站1991—2008年大豆生育期观测资料,计算大豆不同生育阶段的有效降雨量、需水量和水分盈亏指数(Crop water surplus deficit index)及三者的气候倾向率,并根据水分盈亏指数制定干旱等级,计算各生育阶段干旱频率和干旱强度,利用Arc Map空间分析功能绘制相应分布图。结果表明,黑龙江省大豆生育期内年均有效降雨量为253～370 mm,平均值为321 mm,除生长前期外,其他各生育阶段均表现为中部高和东西部较低的分布趋势,大豆生育期有效降雨量气候倾向率为-6.16～9.09 mm/(10a),平均值为2.41 mm/(10a),生长前期有效降雨量总体呈上升趋势,生长后期有效降雨量总体呈下降趋势;大豆年均需水量为336～465 mm,平均值为388 mm,各生育阶段需水量均呈中部低、东西部高的空间分布规律,大豆生育期内需水量气候倾向率为-16.01～2.42 mm/(10a),平均值为-5.17 mm/(10a),各生育阶段需水量总体呈下降趋势;大豆生育期内年均水分盈亏指数为-44.5%～8.9%,均值为-15%,自西向东呈先增大后减小的趋势,水分盈亏指数的气候倾向率为-1.89～4.92%/(10a),水分盈亏指数总体呈上升趋势;大豆各生育阶段干旱频率分布与需水量空间分布大致相同,其中生长前期和快速发育期干旱频率高于生长中期和生长后期,易发生春旱和夏旱。本研究可为黑龙江省大豆的灌溉管理和旱灾预防提供理论依据和参考。     

基于CERES-Maize模型的新疆滴灌玉米灌溉制度优化

【目的】研究新疆膜下滴灌玉米的灌溉制度和需水规律,为新疆玉米节水增产提供科学指导。【方法】基于2020年4个不同灌水水平下的玉米生长发育及产量数据,对DSSAT-CERES-Maize模型进行参数率定和验证,评价模型在新疆地区的适用性;利用1979―2017年气象数据,对典型年型分别设置14种灌溉方案,探究新疆膜下滴灌玉米的最优灌溉制度。【结果】利用玉米的叶面积指数、干物质量、产量的观测值对CERES-Maize模型进行参数率定和验证。叶面积指数、干物质量、产量等的模拟值和实测值都表现出了较好的一致性,模拟效果较好。通过模拟分析可得,不同年型玉米关键需水期对缺水的敏感程度大小为:抽雄期>拔节期>灌浆期。综合考虑产量和水分利用效率,枯水年、平水年、丰水年玉米抽雄期灌溉量分别为180、180、120 mm,灌浆期均灌溉120 mm,其余各生育期灌溉量都为60mm时最优。优化后灌溉制度对应的产量分别在枯水年、平水年、丰水年占对应最高产量的99.53%、97.51%、98.45%。【结论】CERES-Maize模型总体上可以应用于新疆地区滴灌玉米的研究,利用模型优化后的灌溉制度能够为新疆滴灌玉米的种植提供一定的参考依据。     

1959—2015年黑龙江省玉米需水量时空分布特征

基于黑龙江省26个气象站1959—2015年的逐日气象数据和14个农业气象观测站的1991—2008年玉米生育期观测资料,利用单作物系数法和Arcmap的空间分析功能计算并绘制了玉米生育期内各月有效降雨量(Effective precipitation)、需水量(Crop water requirement)和灌溉需水量(Irrigation requirement)及三者气候倾向率的分布图,揭示了黑龙江省玉米水分供需的时空分布规律。结果表明：黑龙江省玉米生育期有效降雨量平均值为302mm,高值区位于中部地区,5—6月呈增长趋势,7—9月呈下降趋势;需水量平均值为383mm,自西向东总体呈先减小后增大的分布趋势,除9月外,全生育期及各月需水量均呈减小趋势;灌溉需水量平均值为153mm,其分布与需水量分布相似,西部地区灌溉需水量较大,5、7月呈减小趋势,而8、9月呈大幅增加趋势,应在7、8月适时补充灌溉,保障玉米产量。本研究可为黑龙江省玉米种植区灌溉水资源分配和灌溉制度制定提供科学依据。     

华北地区夏玉米水分生产率多参数全局敏感性分析

量化限制因素的敏感性对协同提升作物水分生产率具有重要意义,为了探讨作物水分生产率在不同土壤、气象以及田间管理措施下参数的敏感性,以华北地区夏玉米为研究对象,采用扩展傅里叶幅度检验法,量化了基于DNDC模型的夏玉米水分生产率对土壤、气象和田间管理(灌溉水量、施肥量)等10个参数的敏感程度,结果表明:DNDC模型能够有效地模拟0～50 cm土壤水分、作物蒸发蒸腾量、作物生长过程以及产量;灌溉水量、土壤初始氨氮浓度、CO_2浓度、第二次施肥量、降雨量以及日最高温度是不同水文年条件下对夏玉米水分生产率敏感程度高的限制因素。当水文年型由丰水年-平水年-枯水年转变时,灌溉水量的敏感性呈高于施肥量的敏感性的变化趋势,因此,考虑限制因素的敏感程度将更有助于提出区域分异下水分生产率多要素协同提升的技术途径。     

通辽玉米滴灌灌溉制度

为更加合理制定玉米滴灌灌溉制度,以我国“节水增粮行动”为背景, 于2016年在内蒙古通辽开展玉米滴灌灌溉制度试验研究.根据试验区34 a的降雨资料进行降雨频率分析,选取不同水文年型的代表年,结合玉米滴灌试验得到实际耗水规律,对比6种灌溉处理在各生育阶段的变化情况,测定了株高、叶面积指数、玉米产量等指标.结果表明:中水处理作物性状及产量较高,且水分利用效率最高,为最佳灌水处理;以中水处理作为滴灌灌溉制度的参考依据,通过气象数据计算参考蒸发蒸腾量ET₀.利用实际耗水量获取各生育阶段作物系数,结合代表年型的ET₀计算需水量.根据降雨量,得到不同水文年型滴灌灌溉制度:枯水年覆膜滴灌灌溉定额1 575 m³/hm²,无膜滴灌灌溉定额1 785 m³/hm²;平水年覆膜滴灌灌溉定额1 125 m³/hm²,无膜滴灌灌溉定额1 425 m³/hm²;丰水年覆膜滴灌灌溉定额600 m³/hm²,无膜滴灌灌溉定额900 m³/hm².     

泾惠渠灌区冬小麦夏玉米连作需水量及灌水模式研究

为了寻求冬小麦-夏玉米连作下的节水高效灌溉制度,采用大田小区试验,在连作种植模式下,统筹分析了冬小麦和夏玉米的需水量及生育期内降雨量,并与当地传统灌溉制度进行了产量对比。结果表明,连作种植模式下,泾惠渠灌区冬小麦、夏玉米全生育期需水量分别为410 mm和400 mm。在年降雨量为490 mm时,连作种植1 a内的经济灌溉定额为305 mm,相比于传统灌溉能节水8.9%。连作条件下作物总产量为12 010 kg/hm~2,产量相对于传统单作种植增加了6.2%,达到了增产目的。在冬小麦抽穗期和夏玉米播种期减少灌水,可在保证产量的基础上有效提高水分利用效率,是更为优化的连作灌水模式。     

泾惠渠灌区作物种植结构变化对灌溉需水量的影响

研究种植结构变化对灌区作物需水量和灌溉需水量的影响,能够为作物生育期的灌溉用水管理和农业水资源规划提供基础数据。依据泾惠渠灌区实测降水和蒸发蒸腾等气象数据,采用FAO推荐的Penman-Monteith公式和作物系数法计算灌区主要作物需水量;通过频率计算和配线法确定灌区丰水年(25%)、平水年(50%)和枯水年(75%)的有效降水量;根据1988—2014年Landsat卫星遥感影像提取的泾惠渠灌区不同历史时期农业种植结构数据,计算典型水文年份灌区总灌溉需水量,并分析作物需水量和灌溉需水量在不同典型水文年的年际和月际变化。结果表明,随着泾惠渠灌区农业种植结构的变化,灌区总的作物需水量和灌溉需水量都呈现显著下降趋势。但泾惠渠灌区在1988—2005年间,单位面积平均作物需水量和平均灌溉需水量都基本保持不变,随后均呈小幅下降趋势。各月份作物总需水量和总灌溉需水量除6月份之外,其余各月份都呈现显著下降趋势;但在此期间,灌区单位面积平均作物需水量和平均灌溉需水量除在4、8、9月份呈下降趋势,而6月份呈显著增加趋势外,其余各月份基本保持不变。灌区总的作物需水量和灌溉需水量的下降主要是由农作物种植面积大量减少所致,种植结构的变化对其影响较小,但灌区种植结构调整后的作物需水量状况更符合区域有效降水特点。     

宁夏中部干旱区油葵畦灌优化灌溉制度研究

基于田间试验,分析了水平畦灌条件下不同灌溉制度对土壤水分、油葵生长生理指标、产量及水分利用效率(WUE)的影响。结果表明,油葵生育期内灌溉计划湿润层为0～40cm时,可满足其水分需求;在2012年生长季降雨量较大(247mm)的情况下,较低灌水定额对作物的生长生理指标并无显著负面影响;丰水年宁夏中部干旱带油葵畦灌的优化灌溉制度为灌水4次,每次灌水定额600m3/hm2,在保证产量的基础上,作物耗水量可降低20%以上,WUE提高约20%。     

城市化背景下陂塘水文调节能力变化研究

快速城市化背景下,陂塘等小型水体的数量和面积大幅度减少,区域水文调节能力受到显著影响。以重庆两江新区肖家河和后河流域为例,以2000、2012年的土地利用数据为基础,利用定量化模拟计算方法,分析了城市化前后陂塘在不同水文年份下拦蓄地表径流、灌溉农作物和削减峰值径流能力的变化。研究表明,城市化后陂塘的消失使研究区在遇丰水年时的洪涝适应能力和遇枯水年时的干旱适应能力大大减弱。陂塘旱涝调节能力显著降低主要表现在三个方面:枯水年的作物供水量减少了近1/10;平水年、偏丰水年和丰水年间的年雨水调蓄量减少了约1/3;对单次暴雨的洪峰削减能力减少了近1/4。     

北京市草坪灌溉制度拟定

根据北京地区的气象、草坪和土壤资料,利用由FAO编制的CROPWAT软件,计算了不同降雨年型北京市草坪灌溉制度,结果为：在干旱年份灌水25次,净灌溉定额447mm;平水年灌水23次,净灌溉定额411mm;丰水年灌水19次,净灌溉定额347mm。     

基于DSSAT模型的冬小麦最优灌溉制度研究

为探讨DSSAT模型在不同年型冬小麦灌溉制度优化中的可行性,利用涟水县水利科学研究站1985—2015年冬小麦生育期降水资料排频适线,得到了降水量经验频率分别为25%、50%和75%对应的设计值,然后选取淮安站2001—2016年期间与3种经验频率对应降水量接近的年份作为代表年——2007—2008年(丰水年)、2006—2007年(平水年)、2011—2012年(枯水年)。通过生育阶段和灌溉次数的不同组合,拟订了15种灌溉制度(T1～T15),借助调参后的DSSAT模型对3种年型冬小麦灌溉制度进行了模拟。结果表明,经调试后DSSAT品种参数能够较为准确地反映作物的主要遗传特征。在统筹考虑产量、灌溉用水量和水分利用效率最优的情况下,2007—2008年(丰水年)、2006—2007年(平水年)、2011—2012年(枯水年)均宜选取灌溉制度T3。在BCC-CSM1. 1气候模式下,考虑RCP4. 5、RCP8. 5两种情景,模拟了2030—2095年冬小麦水分产量效应,发现当初始土壤含水率为田间持水率的60%、80%时,T3、T6相对于雨养条件具有一定的优越性。     

皖东江淮丘陵区不同水文年水稻优化灌溉制度的研究

依据安徽省天长市气象局1961-2008年多年气象资料和安徽省天长二峰灌溉试验重点站多年水稻灌溉试验成果,从不同水文年的水稻需水量、渗漏量、降雨量入手,利用建立的水分生产函数模型和水量平衡原理分析了皖东江淮丘陵区不同水文年水稻在不同供水条件下的优化灌溉制度。为准确客观评估皖东江淮丘陵区的水稻干旱损失,制定抗旱减灾工作预案,水资源的优化调度,合理的调整产业结构等提供科学依据。     

不同降水年型下免耕对冬小麦氮素积累与产量的影响

基于河南省2011—2017年长期定位耕作试验数据对RZWQM2模型进行了率定和验证,利用RZWQM2模型分析了不同降水年型免耕对0~100cm土层贮水量、冬小麦地上部氮素积累量和根部氮素积累量、冬小麦产量及氮素利用率的影响。模拟结果表明,不同降水年型冬小麦地上部氮素积累量和根部氮素积累量、冬小麦产量由大到小均表现为丰水年、平水年、枯水年。与传统耕作相比,免耕使枯水年、平水年和丰水年冬小麦不同生育期0~100cm土层平均贮水量分别提高11.3%、12.9%和16.9%。与传统耕作相比,免耕使枯水年冬小麦地上部氮素积累量和平水年抽雄期-收获期根部氮素积累量分别提高2.5%和3.1%,分别提高枯水年、平水年和丰水年氮素利用率26.7%、8.7%和6.0%,免耕较传统耕作氮肥利用效率在枯水年提高11.7%,而在丰水年降低1.7%。     

气候变化对汾西灌区灌溉用水量的影响研究

研究灌区气象要素长期变化特征及其对灌溉用水量的影响对掌握灌区灌溉用水规律从而进行更科学合理的灌溉具有一定的指导意义和实际参考价值。基于山西汾西灌区3个气象站点1975-2018年的实测气象资料，采用线性倾向估计、M-K检验等方法分析降水和气温的时间变化特征，用作物系数法计算灌区作物需水量和灌溉用水量，综合分析气候变化对灌溉用水量的影响，建立了不同水文典型年降水、作物需水量与灌溉用水量之间的关系。结果表明：44 a来汾西灌区降水量以2.7 mm/10a的速率下降，在1977年第一次突变；平均气温以0.471℃/10a的速率显著上升，在1997年突变；灌区气候向暖干方向发展，灌溉用水量以25.4 mm/10a的速率上升。气温突变伴随着降水骤降为多年最低值，灌溉用水量比多年均值增加了396.8 mm，远大于降水突变年。作物需水量增加1 mm，灌溉用水量就会增加1.92 mm；降水增多，其对灌溉用水的影响减小，单位降水量在丰、平、枯水年可分别引起1.29、1.74、2.72单位灌溉用水量的变化，枯水年的灌溉定额比丰、平水年多出20%。     

黄土高原不同水平年旱涝时空分布特征分析

全球气候变暖大背景下,黄土高原总体呈现暖干化趋势,未来干旱还可能会加剧。为了全面了解黄土高原旱涝时空变化特征,为黄土高原应对旱涝灾害提供决策依据,根据黄土高原及周边263个气象站的降水数据划分降水水平年,以标准化降水指数（SPI）为指标,分析了黄土高原地区不同水平年年际及年内旱涝特征。结果显示,黄土高原在丰、平、枯水年均有不同程度的干旱发生。丰水年黄土高原干旱面积占5.7%,雨涝面积占40.9%;平水年干旱面积占12.7%,雨涝面积占19.3%;枯水年干旱面积占44.4%,雨涝面积占17.9%。不同水平年的干旱区域存在差异。不同水平年内春旱较重,丰水年和平水年雨季开始后干旱逐渐缓解,枯水年雨季不能有效缓解春季以来的干旱,且秋涝明显,各水平年年内干旱的时空分布存在显著差异。不同水平年年际和年内旱涝差异大且变化频繁,为了确保黄土高原农业生产旱涝保收,应合理布设小型水利工程与田间灌溉设施。      

贵州省ET_0计算方法的全局性评价及其率定

为了获取适合贵州地区时空全局的参考作物需水量少参数计算方法,根据对贵州省1959-2011年降雨量的降雨频率曲线分析,选取了2008年、2007年、2010年和2009年分别作为贵州省丰水年、平水年、枯水年和特枯水年的典型代表水平年,分别运用少参数的Hargreaves法、Hargreaves修正法、Priestly-Taylor法、Irmak-Allen法和Mccloud法计算贵州全省内各站点在不同水平年的逐日ET0,并将其与标准的FAO-56Penman Monteith法计算结果进行相关性和误差分析。结果表明:Hargreaves法、Hargreaves修正法、Priestly-Taylor法和Irmak-Allen法与FAO-56PM法的相关性较好,趋势线斜率为0.855 9~1.186 4,相关系数均大于0.89;经过当地率定后无需风速资料的Priestly-Taylor法与Irmak-Allen法在不同水文年和空间上均具有较高的计算精度,相对误差均小于8%,均方根误差为0.25mm/d,率定后仅需温度资料的Hargreaves法次之,相对误差为10.07%,均方根误差为0.32mm/d。研究结果为贵州地区在资料缺乏气象资料情况下ET0的精确计算提供了有效的方法。