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(陜西省水利水電工程咨詢中心，陜西 西安 710004)

中國是一個水資源需求大國，隨著國民經濟、工業(yè)農業(yè)的發(fā)展，水資源短缺日益嚴重。微咸水礦化度一般為2～5 g/L范圍內的水資源。我國西北地區(qū)寧夏回族自治區(qū)年平均降水290 mm，時空分布極不均勻，水面年蒸發(fā)量1 300 mm，地表水資源量949萬 m3，地下水資源總量不足，另外在寧夏回族自治區(qū)銀川北部具有豐富的咸水資源。但是，利用凈化廠凈化的微咸水資源直接灌溉成本較高，因此必須找到合理的純凈水與微咸水的配比，采用混合水灌溉，才能降低成本，保證較高的產量和更好的作物品質。李良濤(2010)等[1]利用作物生長模擬模型(PS123),分別進行了淡水灌溉方案和微咸水灌溉方案的模擬研究,分析了不同灌溉方案對作物生產力、水分利用效率的影響。試驗結果與目前節(jié)水灌溉試驗基本相吻合;并且通過灌溉方案模擬, 提出了在冬小麥生育期淡水灌溉一到四次, 會獲得高產的最佳灌溉方案;在灌溉四次的冬小麥生產體系中, 建議冬前用淡水灌溉, 返青后可以考慮1～2次微咸水灌。雖然微咸水灌溉對冬小麥返青后無明顯負作用。但是，依然要注意土壤積鹽的影響，建議種下一季作物之前，要利用淡水灌溉一次以壓鹽。張余良等[2]在進行小麥種植時添加了土壤改良劑。結果表明,冬小麥播種前采用適當土壤改良劑能夠提高冬小麥抽穗期、灌漿期的光合速率、葉綠素含量指數(shù), 降低氣孔導度、蒸騰速率。對于寧夏地區(qū)，處于黃河流域，在引黃灌溉較方便的地區(qū)可以將黃河水和微咸水混合灌溉。

沙地是我國北方干旱半干旱區(qū)主要的地貌景觀類型之一，其主要分布在35°～50°N，75°～125°E之間，荒漠化土地面積為267.4萬 km2,占國土面積的27.9%[3];其中四大沙地(毛烏素、渾善達克、科爾沁和呼倫貝爾)面積為1.03萬 km2,分別占國土面積的1.07%和荒漠化面積的3.85%[3]。沙區(qū)旱區(qū)土壤本身的高滲漏、高蒸發(fā)性，導致水資源有效利用率低，植株成活率也較低。因此，沙漠化給我國土地資源和水資源的可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

滴灌作為一種高效、經濟可行的灌溉技術，由于其應用高度本地化，在水和化學應用的調度上具有靈活性，因而得到了廣泛的應用。另外，膜下滴灌是近年來在干旱地區(qū)廣泛應用的一種新型農業(yè)節(jié)水灌溉技術。膜下滴灌不僅可以減少深層土壤水肥的滲漏，而且可以實現(xiàn)水肥一體化，地膜覆蓋下的土壤溫度和濕度可以保持在較高的水平，可以提高土壤肥力和作物產量[4]。

1 研究方法及試驗設計

1.1 微咸水灌溉制度模擬優(yōu)化模型

本文采用水鹽灌溉制度模擬優(yōu)化模型分為兩部分：一是土壤水量平衡模型，其用于估算給定灌溉調度條件下農田隨時間變化的蒸散量；二是利用作物電導率和田間蒸散量估算作物產量(作物耗水量)。

1.1.1 黃瓜生育期土壤水量平衡方程

土壤水量平衡的主要成分，即灌溉量(I)、實際蒸發(fā)蒸騰(ETa)、通過根區(qū)底部的土壤水通量(Q，向下滲流為正方向)。黃瓜根區(qū)水量平衡方程描述如下：

Wt-Wt-1=P-I-(ETa-Q)Δt-R

(1)

1.1.2 黃瓜水鹽生產函數(shù)

通過水鹽生產函數(shù)估算產量、水分和鹽度之間的數(shù)學響應關系。近年來，已有大量研究只涉及水分脅迫或鹽脅迫，以及水分脅迫和鹽脅迫組合對作物產量的影響。研究結果表明，作物產量-鹽分與作物產量-蒸散量呈線性關系[7-9]。對于水分-產量-蒸散的組合函數(shù)，一些學者認為水鹽脅迫對作物產量的影響具有線性或非線性加法模型。然而，這些研究大多是從土壤水勢或灌溉量的角度出發(fā)，而沒有解釋水鹽共同脅迫下作物蒸散與產量的關系。

本研究采用的方法是整個生育期的水鹽生產函數(shù)模型，即用來描述作物產量、ET(作物需水量)和EC(根區(qū)土壤電導率)之間的關系(式(2))。在式(2)中，假設黃瓜的產量只與兩個變量有關，其他影響產量的因素假設為常數(shù)。估算的隱含關系：

Y=f(ET，ECsw，X)

(2)

基于這些研究成果的作物水鹽生產函數(shù)，本研究選擇了三種作物水鹽生產函數(shù)，并對其進行了介紹：

線性函數(shù)：R(Y)=a0+a1R(ET)+a2R(ECsw)

(3)

Cobb-Douglas函數(shù)：R(Y)=a0R(ET)a1R(ECsw)a2

(4)

二次函數(shù)：

式中，R為成坑半徑；為粉碎區(qū)半徑，為介質斷裂韌度；?0為破碎巖石介質噴射的壓縮射流系數(shù), 由式(14)確定：

R(Y)=a0+a1R(ET)+a2R(ET)2+a3R(ECsw)+a4R(ECsw)2+a5R(ET)R(ECsw)

(5)

式中：R(Y),R(ET)和R(ECsw)為無量綱標準化變量；R(Y)為黃瓜相對作物產量；R(ET)為相對作物需水量；R(ECsw)為根區(qū)土壤相對電導率。

1.2 試驗設計

黃瓜兩年連續(xù)田間試驗在寧夏銀北地區(qū)沙漠溫室(N 38°30°，E 106°07°，海拔1 111.5 m)進行。試驗區(qū)位于中溫帶干旱氣候區(qū)，年平均氣溫9.7℃，年降水量200 mm，年平均日照時間2 000～2 800 h。

試驗在荒漠溫室內進行，為5個處理對比試驗，每個處理3次重復試驗，膜下滴灌用PE塑料覆蓋層(0.06 mm厚)，面積為165 m2。供試作物為黃瓜(黃乳)。覆膜寬度為0.7 m，采用一膜兩行滴灌管鋪設。相鄰地膜間的距離為0.3 m，同一地膜下滴灌管行距為0.4 m，每行播種間隔0.3 m?？偡N植密度為90 045株/hm2。試驗區(qū)土壤為砂壤土，生長期平均土壤干容重為1.485 g/cm3，田間持水量(θFC)為21.02 cm3/cm3。各試驗區(qū)采用寬0.70 m、長5.50 m、深0.60 m的防滲處理，試驗區(qū)地膜采用PE塑料覆蓋。試驗區(qū)底部用粘土鋪蓋，深度為0.10 m，具有防滲功能。然后用0.1 m、30 kg發(fā)酵分解秸稈回填砂壤土，再用0.4 m砂壤土，最后用0.1 m粘土在試驗小區(qū)地表回填。每個試驗小區(qū)的面積為3.85 m2，深度為0.6 m，試驗點土壤質地和地下水質地見表1和表2。

表1 土壤物理化學性質

表2 灌溉水化學性質

五個試驗處理的種植密度、施肥量和灌溉量均相同，生長期分別從2015年1月16日至6月22日和2015年8月11日至11月8日，表3為五個處理的灌溉方式。2015年1月16日至6月22日期間，從播種到收獲的灌溉定額為每一塊試驗小區(qū)3 630 m3/hm2。在前期107 d的生長階段，灌溉間隔為4 d；灌水定額為120 m3/hm2，在后期49 d的生長階段，灌溉間隔為3 d，灌水定額為180 m3/hm2。從2015年8月11日的播種到11月8日的灌溉定額為每一塊試驗小區(qū)田1 714.5 m3/hm2；灌溉間隔為3 d；灌水定額為180 m3/hm2。本試驗研究了利用微咸水灌溉的五種不同灌溉方式對黃瓜產量的影響，探索了在我國西北非耕地區(qū)利用微咸水灌溉的最佳灌溉方式。

表3 試驗設計

1.3 試驗測量方法

(1)在試驗期間，Penman-Monteith模型所需的每日氣象數(shù)據，包括最高、最低和平均氣溫、最高和最低相對濕度、實際和可能的日照時數(shù)比率以及溫室2m高度的風速；由標準自動氣象站(GAWS005 Veinasa)持續(xù)觀測。每5秒對數(shù)據進行采樣，并使用數(shù)據記錄器計算和記錄15 min的平均值；

(2)利用時頻反射器(TDR)周期性地(每5～10 d)測量土壤體積含水率、土壤導電性和土壤溫度。每個試驗小區(qū)插有5根TDR管，5根TDR管間隔1米，在所有試驗處理中，以0.2 m土壤厚度間隔進行測量，每次灌溉前后測量土壤體積含水率。

(3)黃瓜收獲后，對每一個試驗小區(qū)的黃瓜產量進行了測量。

2 結果分析

2.1 微咸水灌溉對黃瓜產量的影響研究

如圖1所示，黃瓜產量關系為：處理4>處理1>處理3>處理2>CK。處理4獲得最高產量，即凈化水灌溉處理。處理3和處理2的產量近似，這是因為凈化水和微咸水交替灌溉可以使土壤含鹽量保持一個穩(wěn)定水平。無論是基于灌溉時間的交替灌溉還是基于生長期的交替灌溉，對黃瓜產量的影響近似相同。除處理4外，處理1的產量最高，然而，CK的產量為最低值。與處理4相比，處理1、處理2、處理3和CK的黃瓜產量分別下降6.21%、14.67%、7.88%和17.71%?？偠灾瑥慕洕蛩?、節(jié)水方式和咸水高效利用等方面考慮，混水(微咸水和凈化水按照1:1混合)灌溉是該地區(qū)的最佳灌溉方式。

2.2 微咸水灌溉下黃瓜水鹽生產模型

本文采用線性函數(shù)模型、Cobb-Douglas函數(shù)模型以及二次函數(shù)模型分析黃瓜產量與作物需水量以及土壤電導率之間的關系，研究結果表明，Cobb-Douglas函數(shù)模型模擬結果較理想。通過二次函數(shù)模型模擬結果表明，在給定的其他變量不變的情況下，作物產量會隨著產量的增加而增加，隨著土壤電導率的增加而減少。同時，預測在收獲時土壤的電導率會隨著灌溉水的礦化度增加而增加。如果不對咸水進行過濾凈化，那么土壤中的鹽分積累和采收時間的土壤電導率將隨著灌溉水量的增加而增加，直至下次灌溉開始。為了消除黃瓜第一生長期與第二生長期在土壤、田間環(huán)境和試驗設計方面對黃瓜產量的差異影響，將黃瓜產量、需水量和土壤電導率三個變量通過減去平均值和除以標準差得到了標準差，轉化為標準變量，即相對產量、相對需水量和相對土壤電導率(RY, RET和RECsw)，表4為模型中涉及變量的取值范圍。首先，利用第一茬黃瓜的實測數(shù)據來擬合這三個水鹽函數(shù)模型的系數(shù)；其次，利用第二茬黃瓜的實測數(shù)據對模型進行了驗證。經驗證，與需水量的標準偏差相比(SD=0.071)，產量的標準偏差(SD=2.64)相對較高。

圖1 黃瓜產量

變量取值范圍平均值標準偏差(SD)產量/t/hm242.39～49.945.812.64需水量/cm24.375～24.5624.460.071土壤電導率/sm/cm0.81～1.821.220.34

結果表明，在產量和土壤電導率變化的情況下，二次函數(shù)模型比線性函數(shù)模型和Cobb-Douglas函數(shù)模型(表5)能夠更好地解釋黃瓜產量、需水量隨土壤電導率變化規(guī)律。三種水鹽生產函數(shù)模型的RY,RET和RECsw均顯著相關(P<0.05)。根據三個水鹽生產函數(shù)模型的估算系數(shù)F和RMSE，二次函數(shù)模型的RMSE最低，F(xiàn)最高，說明二次函數(shù)模型具有較高的精度和統(tǒng)計顯著性。從表5可以看出，在三種水鹽生產函數(shù)模型中，RY和RET之間呈正相關，RY和RECsw之間呈負相關，這歸因于高土壤鹽分會導致作物的水鹽脅迫，降低作物產量。研究結果表明，黃瓜產量不僅與土壤電導率有關，而且與黃瓜需水量有關。綜上所述，二次函數(shù)模型計算的最大黃瓜產量估計值為42.08 t/hm2,ET和ECsw分別為23.81 cm和3.15 ms/cm。

在這些作物水鹽生產模型中，黃瓜相對產量的預測能力可以通過觀測值RY與模擬值RY之間的線性關系來估計。表6表示觀測值RY與模擬值RY之間的線性函數(shù)關系以及三個作物水鹽生產模型的模擬精度。通過觀測值RY與模擬值RY的比較，可以看出，模擬值RY較觀測值RY高，其原因在于第一茬黃瓜收獲后導致土壤鹽分積累，因此在第二茬黃瓜種植開始前土壤鹽分較高，導致黃瓜生長出現(xiàn)水鹽脅迫，減產。在這三個水鹽生產函數(shù)模型中，二次函數(shù)模型的R2(0.76)值最高，RMSE值(0.5)最低。綜上所述，二次函數(shù)模型可作為西北干旱地區(qū)溫室黃瓜水鹽脅迫下的水鹽生產函數(shù)模型。

表5 黃瓜需水量與作物產量和土壤電導率的線性、Cobb-Douglas和二次函數(shù)模型估算

***在1%概率水平上顯著；**在5%概率水平上顯著；*在10%概率水平上顯著。

表6 黃瓜產量實測值與水鹽生產函數(shù)模型模擬值的擬合優(yōu)度指標

3 結語

本試驗采用1:1微咸水和凈化水混合灌溉，獲得了黃瓜最高的產量。在三個水鹽生產函數(shù)模型中，二次函數(shù)模型的R2值(0.76)最高，RMSE值(0.5)最低。此外，研究結果表明，在產量和土壤鹽分變化的情況下，二次函數(shù)模型中選擇的變量比線性函數(shù)模型及Cobb-Douglas函數(shù)模型能更好地解釋說明。綜上所述，二次函數(shù)模型可作為我國西北干旱地區(qū)日光溫室黃瓜水鹽脅迫條件下水鹽生產函數(shù)模型，咸水灌溉制度采用混合咸水和凈化水按1:1為最優(yōu)灌溉方案。