基于AquaCrop乌兰布和沙区农田对灌水方式和土质的响应及灌溉制度优化

作     者：胡小东 

作者单位：内蒙古农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李仙岳

授予年度：2020年

学科分类：082802[工学-农业水土工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0815[工学-水利工程] 0903[农学-农业资源与环境] 

主      题：乌兰布和沙区 灌水方式 土壤质地 AquaCrop 耗水 灌溉制度优化 

摘      要：针对内蒙古乌兰布和沙区农田土壤贫瘠、水分渗漏严重等导致水分利用效率低、作物产量不高等现状,本文以玉米为试验对象,于2016～2018年在乌兰布和木垒滩节水试验站设置不同灌水方式（滴灌、畦灌）与不同土壤质地（砂土、砂壤土）试验,共包括砂土滴灌（T1）、砂土畦灌（T2）、砂壤土滴灌（T3）、砂壤土畦灌（T4）4个处理,研究了不同灌水方式及土壤质地组合对玉米生长、耗水、水分利用效率等的影响,并基于AquaCrop进行了耗水机制分析和灌溉制度优化,同时结合区域沙区农田土壤水分、作物生长的监测和评价,摸清了沙区农田玉米耗水规律,提出了适合干旱沙区不同灌溉与土质下的水分管理模式,研究对于沙区农田粮食增产、水分高效利用都具有重要意义。主要研究结果如下:（1）率定和验证了 AquaCrop模型在乌兰布和沙区滴灌、畦灌条件砂土和砂壤土农田的应用。土壤含水率、覆盖度和地上部生物量验证期的均方根误差（RMSE）平均分别为1.40%、8.38%、2.17 kg/hm2,决定系数（R2）平均分别为0.88、0.91、0.95,符合度指数（d）平均分别为0.97、0.98和0.95,总精度较高。（2）基于FAO双作物系数法构建了乌兰布和沙区不同灌水方式及土壤质地农田玉米腾发量估算模型,与水量平衡相比最大和最小相对误差分别为16.78%,和3.83%;总体上,不同处理耗水量大小顺序为T3T1T4T2。相同土壤质地条件下,玉米拔节期滴灌农田需水强度和需水模数分别比畦灌高16%、21%,抽雄期则提高了 5%和9%;相同灌溉方式下,砂壤土农田需水强度比砂土高7.38%,其中在拔节期滴灌砂壤土农田的需水强度和需水模数分别较砂土提高了 17%和4%,而抽雄期则提高了10%和 2%。（3）相同土质下,滴灌农田腾发量比畦灌提高了 10.77%,40cm与100cm位置土壤水分渗漏量分别降低了 74.96%和64.34%,产量平均提高了 19.33%,田间水利用系数平均提高了 26.15%、WUEGrain平均提高了 2.11%,相同灌水方式下滴灌砂壤土农田耗水量比砂土增大了 6.62%,但深层渗漏量降低了 24.56%,产量提高了 10.02%,田间水利用系数提高了 0.31%、WUEGrain提高了 2.31%。其中砂壤土滴灌（T3）农田产量最高,平均值为11.876 t/hm2,分别比T1、T4、T2平均提高了 12.80%、19.22%、29.88%;水分利用效率最高,均值为3.10 kg/m3,分别比T4、T1、T2平均提高了 1.14%、2.31%、5.45%。（4）区域沙区农田监测显示,滴灌占65.8%,畦灌占34.2%,砂土占63.2%;砂壤土占36.8%。区域土壤质地和土壤水分分布不均匀。滴灌砂土（T1）、滴灌砂壤土（T3）、畦灌砂土（T2）和畦灌砂壤土（T4）玉米平均产量为分别为10.84 t/hm2、12.17 t/hm2、7.21 t/hm2和8.06 t/hm2。滴灌区玉米产量比畦灌区提高了 50.63%,而相同灌水方式下,砂壤土农田与砂土相比,玉米产量提高了 12.11%,差异不显著。（5）AquaCrop模型估算了不同处理生育期水分亏缺指数（SWDt）,其中T1、T2、T3、T4处理生育期SWDt平均分别为0.38,0.16,0.36和0.34。畦灌条件下水分亏缺（SWDt0）时间平均比滴灌农田长6天;而砂土农田水分亏缺平均比砂壤土长4天,其中畦灌砂土水分亏缺时间最长,比滴灌砂壤土长12天。通过不同情景模拟及二次函数优化后,得到乌兰布和沙区不同灌溉方式下农田较优灌溉制度,当乌兰布和沙区滴灌农田灌溉定额在371.93mm、畦灌农田灌溉定额在412.09mm时,玉米耗水量分别为407.42mm和367.27mm;此时玉米获得最优水分利用效率和产量,其中水分利用效率分别为3.23kg/m3和3.03 kg/m3,产量均值分别为13178.40kg/hm2和11138.62kg/hm2。