水资源约束条件下的县域冬小麦节水灌溉制度

0 引 言

中国是一个水资源短缺的农业大国，尤其是北方地区，农田灌溉水资源短缺问题尤为突出，近半数的耕地没有灌溉条件，在井灌区地下水超采严重，不仅制约了农业的发展，而且引发了地面沉陷等生态环境问题[1-2]。在水资源刚性约束条件下，要保证国家粮食安全，有效增加灌溉面积，必须实施节水灌溉[3]。中国自20世纪90年代初期已开始推广农业节水灌溉技术，自2005年开始中央一号文件连续多年强调要积极发展节水旱作农业，加强灌溉用水计量，扩大灌溉面积，但是在大田作物节水灌溉方面依然进展缓慢[3]。原因主要有2个方面：一是田间节水灌溉工程技术在大田作物灌溉中推广难度大[4]；二是在灌溉管理工作的实践中，非充分灌溉、调亏灌溉等节水灌溉研究成果未能得到推广应用。致使目前大田作物生产中，普遍存在因水源不足而放弃灌溉的严重问题。

推广应用高效节水灌溉技术是解决农田灌溉水源不足的重要途径，但是微、喷灌节水灌溉工程技术投资高，且在耕作中容易损毁，维护困难，一般只适宜于林果、蔬菜等经济作物，并不适宜于小麦、玉米等大田作物，预计在未来较长时期内仍难以在大田作物中得到推广应用[4-5]。地面灌溉是一种传统的大田灌水方法，虽然水的利用效率较低，但它仍然是目前世界上广泛采用的一种灌水方法，在高效节水灌溉工程技术难以在大田作物中推广应用的客观形势下，通过优化节水灌溉制度，推广节水型地面灌溉制度是实施大田作物节水灌溉的可行途径[4-5]。近年来，随着非充分灌溉理论研究的不断深入，取得了大量的研究成果[6-12]，为节水灌溉制度的制定奠定了基础，但是，前人所做的研究主要集中在灌水量与产量间的关系及作物水分生产函数研究方面，而将这些理论研究成果反过来应用于农田灌溉管理工作实践的应用性研究却很少[13-21]。史源等[1,22-24]在中国北方不同地区开展过小麦灌溉制度的优化研究，但是研究工作主要是对设定不同灌溉制度的对比试验或情景模拟，通过对比分析提出较优灌水方案，并未给出具体的求解方法，本次研究以冬小麦产量最大化为目标，采用Jensen模型反向解算方法，求解最优灌水方案，将理论研究成果应用于农田灌溉管理工作的实践中，对推进现有研究成果的转化应用意义重大。

河南省是中国粮食生产大省，2019年粮食产量占全国粮食总产量的十分之一，其中小麦总产量约占全国小麦总产量的近三分之一。但是，河南中部和北部广大的冬小麦种植区，冬小麦生育期大气降水很难满足作物需水要求，作物生长对灌溉依赖程度高，而农田区可利用水资源量普遍小于灌溉需水量[25]，农田灌溉水源短缺、灌水效率低下是造成小麦产能不稳的根源所在。本文针对河南省非引灌区农田灌溉水源有限，高效节水灌溉工程技术在大田作物灌溉中难以推广应用的双重约束，以河南省土地综合整治技术推广应用试验区新郑市为研究区，在收集利用县域气象、农林、水利、国土资源等不同部门调查、观测成果资料[26-27]的基础上，充分利用冬小麦水分敏感性研究成果[6-9]和田间试验研究成果[16-18]，以冬小麦产量最大化目标，采用Jensen模型求解法，将有限的水资源量优化分配至冬小麦的不同生育阶段，通过制定冬小麦非充分灌溉制度以提高灌溉水利用效率，缓解水资源短缺对冬小麦生产的约束。

1 研究区概况

1.1 基本概况

新郑市位于河南省中部，隶属于郑州市管辖。全市土地总面积为8.85×104 hm2，其中：农用地面积6.51×104 hm2，占土地总面积的73.54%；农用地中耕地面积为5.37×104 hm2，占土地总面积的60.65%。

新郑市地处河南东部平原与西部山地的过渡地带，地貌类型复杂多样，山地、丘陵、岗地和平原兼有，素有“中原缩影”之称。山地和丘陵集中分布在西南部和西部，岗地主要分布在山丘外围和中部地带，占土地总面积的38.11%，其中山地占4.97%，丘岗地占33.14%，岗地系早期山前洪积倾斜平原，大部分为第四纪黄土覆盖；平原多集中于京广铁路以东，占土地总面积的61.89%，其中京广铁路以西为山前冲积微倾斜平原，约占土地总面积的14.49%，京广铁路以东为黄河泛滥冲积平原区，属黄淮平原的西北边缘部分，占土地总面积的47.40%，其中分布有大量低缓的沙丘岗地。不同地貌类型区土壤质地差异明显，壤土占农田区的比例约为44.3%，主要为分布于京广铁路以西的坡岗地和山前冲积平原区；沙壤土、面沙-细沙土占农田区的比例分别为39.8%、15.9%，主要为分布于京广铁路以东的黄泛平原区和沙丘岗地区[26]。壤土区成土母质为坡积物和山前冲洪积物，土壤透水性较弱，持水性较好，渗透系数k值为0.25～0.5 m/d，给水度μ值为0.033～0.053；沙壤土、面沙-细沙土区成土母质主要为粉土、粉细砂及细砂，土壤透水性较强，持水性较差，渗透系数k值为0.5～8 m/d，给水度μ值为0.041～0.067[27]。

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