農田灌溉模式的優化路徑選擇

郭又波 魏佳莉 張麗 蔣青松

摘 要：目的：探討不同灌溉模式對棉花生長的影響。方法：通過對5種處理模式下土壤電導率、離子濃度以及評價棉花生長狀況關鍵指標的測定，選取對棉花生長影響最為顯著的5種離子（K+、Na+、Cl-、HCO3-、SO42-），在應用小波去噪進行數據清洗的前提下，構建回歸模型。結果：SO42-與Cl-濃度過高會對棉花生長起抑制作用，在5種處理模式，模式4不僅節水，而且能保證土壤中SO42-與Cl-濃度在合理的濃度范圍內，該處理模式的總體效果最佳。結論：模式4總體效益最佳，是最優的灌溉模式。

關鍵詞：灌溉模式;優化路徑;模型

中圖分類號 S275.6文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）09-0128-04

Abstract： Objective： In order to explore the effects of different irrigation modes on cotton growth. Method： Through the determination of soil electrical conductivity， ion concentration and key indicators for evaluating cotton growth under five treatment modes， selection of cotton The 5 most significant ions （K+， Na+， Cl-， HCO3-， SO42-）， on the premise of applying wavelet denoising for data cleaning， construct a regression model.Result： The results showed that too high concentrations of SO42- and Cl- would inhibit the growth of cotton. In the case of 5 treatment modes， mode 4 not only saved water， but also ensured that the concentrations of SO42- and Cl- in the soil were reasonable. Within the concentration range of， this treatment mode has the best overall effect. Conclusion： Mode 4 has the best overall benefit and is the optimal irrigation mode.

Key words： Irrigation Mode; Optimal Path; Model

1 研究背景

新疆南疆日照長，干旱少雨，蒸發劇烈，屬典型的內陸極端干旱荒漠區。南疆地區由于土壤母質本身含鹽量較高，加之不合理的漫灌壓鹽和粗獷的種植開墾模式，導致水資源被極大地浪費;與此同時，由于毛細管返鹽，造成土壤次生鹽漬化日益嚴峻，致使南疆農業生產受到了嚴重影響。如何有效地緩解水資源緊張的問題，同時有效降低農田土壤含鹽量，以利于農作物生長，這是當前在南疆地區需要重點研究的課題。

研究井渠結合的灌溉模式是解決這一問題的有效方式，相關研究已有一定的進展，也取得了一定的效果。張現超等[1]研究了不同井渠灌水配比和不同灌水定額對冬小麥生長的影響;孫貫芳等[2]研究了河套灌區膜下滴灌玉米土壤水熱鹽效應及秋澆洗鹽灌溉土壤的效果。盡管相關領域已有了部分的研究成果，但已有的研究成果都是針對特定區域的特定問題展開的，研究結果缺乏普適性。尤其對于南疆極端干旱區農田土壤灌溉模式的優化路徑選取問題，少見報道。為此，本研究開展了不同井渠結合灌溉模式對棉花各階段生長發育的影響試驗，以期為緩解南疆灌溉用水壓力以及農田土壤鹽漬化改良提供科學依據。

2 材料與方法

2.1 試驗材料 試驗以新疆主要經濟作物棉花為研究對象。

2.2 試驗方法 采用田間試驗，各試驗小區耕作、鋤草、施肥、化控、催熟等田間管理措施均保持一致。棉花種植方式為1膜2管4行，行距30cm×60cm×30cm，膜寬120cm，膜間距20cm。試驗共設5個模式處理，模式1：井水灌溉;模式2：3/4井水和1/4渠水混合灌溉;模式3：1/2井水和1/2渠水混合灌溉;模式4：1/4井水和3/4渠水混合灌溉;模式5：渠水灌溉。3次重復。小區面積2m×3m，樣本點的選取是隨機的。本試驗將棉花生育期劃分為5個階段：苗期、蕾期、花期、結鈴期、吐絮期。整個生育期采用滴灌方式進行，灌溉定額5400m3/hm2，灌水12次。灌水前對井渠水的總鹽、離子濃度進行測定分析;定期觀測地下水位埋深、地下水總鹽含量、Cl-、SO42-含量及不同深度土壤水分、鹽分含量;對生育期棉花的生長狀況、生理特性等進行測定，灌水量用水表控制[3]。采用電導率儀測定水樣的電導率，用烘干法測定土壤含水量。分別在灌水前后以及棉花生育期的不同階段采用土鉆取土，取土深度為0～10cm，10～20cm，20～30cm，30～40cm，40～50cm，50～60cm，60～70cm，70～80cm。采用土水1∶5飽和浸提液來測土壤電導率，據此得到土壤中可溶性鹽的含量，對于所有離子含量的測定均采用土水1∶5飽和浸提液。

2.3 統計分析 采用MATLAB軟件對原始數據進行小波分析，進行去噪處理，剔除掉異常數據，對清洗后的數據進行建模，以提高結果精度[4]。為了評價5種灌溉模式對棉花生長的影響，選取株高和珠徑為因變量，作加權處理，權重系數分別為0.72、0.28，以影響作物生長的主要因子電導率（x1）和土壤鹽堿性離子HCO3-（x2）、SO42-（x3）、K++Na+（x4）、Cl-（x5）作為自變量，構建多元線性回歸模型。為檢驗模型的合理性，采用人工神經網絡模擬的方法加以檢驗。為提高擬合精度，每一種模型均迭代20000次，對各變量值進行擬合尋優[5]。

3 結果與分析

3.1 土壤的含鹽量 不同土層深度處土壤的含鹽量及主要鹽離子的比例如表1所示。由表1可知，當土層深度為0～20cm時，Ca2+的變異系數是所有離子中數值最大的，同理可以得出，當土層深度為20～40cm，40～60cm時，Cl-的變異系數最大;當土層深度為60～80cm時，Mg2+的變異系數最大。當土層深度不同時，其他離子的變異系數在10%～100%，為中等變異，各離子之間的變異程度較大，變化范圍在23%～187%。陽離子濃度K++Na+>Mg2+>Ca2+>Mg2+，陰離子濃度SO42->Cl->HCO3-。

通過分析不同離子之間的相關性可知，SO42-與K++Na+之間的相關性較強，而SO42-與Cl-之間的相關性較大，HCO3-與pH值之間的相關性強;SO42-與K++Na+呈現顯著正相關，Ca2+與pH值之間呈正相關，HCO3-與Cl-呈現正相關，HCO3-與K++Na+呈現正相關，從而得出K+、Na+、Cl-、HCO3-、SO42-對土壤中的鹽分起著很大的決定性作用，這些離子對農作物的生長非常重要。

3.2 不同處理模式對不同深度土層含鹽量的影響 鑒于棉花的根系較短，主要分布在0～30cm深度范圍內，以10cm作為分層標準，考慮0～10cm，10～20cm以及20～30cm不同深度處土層的含鹽率。分析結果表明，不同處理模式對土壤垂直方向的含鹽量分布影響較大，不同處理模式對不同深度土層含鹽量的影響如表2所示。從表2可以看出，不同模式的處理下，土壤中的含鹽量也有較大的差異，但隨著土壤的深度逐漸增大，土壤中的含鹽率也在明顯的下降。當土壤深度為0～10cm時，由模式1到模式5土壤的含鹽率逐漸從強堿變為弱堿;當土層深度為10～20cm，20～30cm時，幾種不同的模式下土壤呈現酸性。在模式1下，不同土層的含鹽率在4.46%～11.23%;在模式2下，不同土層的含鹽率在4.46%～9.97%;在模式3下，不同土層的含鹽率在3.67%～9.62%;在模式4下，不同土層的含鹽率在2.09%～7.64%;在模式5下，不同土層的含鹽率在3.23%～7.83%。初步來看，處理模式4對水鹽運移的影響可能較大。

3.3 不同處理模式的回歸模型 由表3可知，模式1全井水灌溉模式下電導率高，含鹽量越大，對棉花生長的抑制作用越強;并且當土壤中的SO42-、Cl-含量較高時，會造成抑制棉花生長的結果;棉花屬于耐堿性作物，K+、Na+，HCO3-對其生長具有促進作用;在處理模式4下，HCO3-濃度增加，分解成CO2的濃度增加，會促進棉花的生長。此種灌溉模式下，SO42-、Cl-濃度降低到合適的范圍內，可以滿足棉花生長的需求，對其生長產生促進作用。與此同時，土壤電導率降低，表明離子總體濃度降低，可知灌溉模式4對促進棉花生長的效果最好。

3.4 模型驗證 通過人工神經網絡模擬得到擬合效果圖，如圖1所示。由圖1可知，擬合結果與回歸方程所建模型是一致的。據此進一步表明，混合灌溉模式4產生的總體效果最佳。

4 結論與討論

當采用模式1全井水灌溉時，土壤電導率最高，含鹽量最大，各離子的濃度最大，Cl-、SO42-濃度超出了作物生長的適應范圍，對作物的生長起著強烈抑制作用，K+增強了作物抗自然災害的能力，與事實相符;當采用模式2，3/4井水與1/4渠水混合灌溉時，SO42-、Cl-濃度依舊很高，對作物的生長發育起抑制作用;而當采用模式3，1/2井水與1/2渠水混合灌溉時，土壤的離子濃度明顯下降，電導率下降，雖然土壤中仍存在SO42-，但是其對棉花的生長不存在抑制作用，而Cl-濃度對作物的生長起抑制作用;當采用模式4，1/4井水與3/4渠水混合灌溉時，SO42-與Cl-濃度都未超出農作物的適應范圍，并且對棉花的生長發育起到了幫助的作用;當采用模式5全部渠水灌溉時，SO42-與Cl-濃度也很好地起到了促進棉花生長的作用，但綜合考慮節水因素與回歸方程的決定系數可知，模式5與模式4相比較仍有著明顯不足?？傮w而言，模式4的總體效益最佳，這與前述中的灌溉模式4對水鹽運移的影響最大存在一定的聯系。綜上，在5種灌溉模式中，模式4是最優的灌溉模式。

由本次試驗可知，不同灌溉模式對棉花生長有著較大的差異，對棉花生長影響最為顯著的是K+、Na+、Cl-、HCO3-、SO42-等5種離子，SO42-與Cl-濃度過高會對棉花生長起抑制作用。5種處理模式中，灌溉模式4不僅節水，而且能保證土壤中SO42-與Cl-濃度在合理的濃度范圍內，該處理模式總體效益最佳。

參考文獻

[1]張現超，喬冬梅，齊學斌，等.不同井渠配比灌水模式對土壤鹽分及冬小麥生長發育的影響[J].灌溉排水學報，2015，34（04）：49-54.

[2]孫貫芳，屈忠義，杜斌，等.不同灌溉制度下河套灌區玉米膜下滴灌水熱鹽運移規律[J].農業工程學報，2017，33（12）：144-152.

[3]張飛，丁建麗，塔西甫拉提·特依拜，等.干旱區典型綠洲土壤鹽漬化特征分析——以渭干河-庫車河三角洲為例[J].草業學報，2013，16（4）：34-40.

[4]程正興，楊守志，馮曉霞.小波分析理論、算法、進展與應用[M].北京：國防工業出版社，2007.

[5]郝婷.基于人工神經網絡算法對臨床癥狀進行中醫證候分類的研究[D].蘭州：蘭州大學，2017. （責編：張宏民）