农田灌溉模式的优化路径选择

郭又波 魏佳莉 张丽 蒋青松

摘 要：目的：探讨不同灌溉模式对棉花生长的影响。方法：通过对5种处理模式下土壤电导率、离子浓度以及评价棉花生长状况关键指标的测定，选取对棉花生长影响最为显著的5种离子（K+、Na+、Cl-、HCO3-、SO42-），在应用小波去噪进行数据清洗的前提下，构建回归模型。结果：SO42-与Cl-浓度过高会对棉花生长起抑制作用，在5种处理模式，模式4不仅节水，而且能保证土壤中SO42-与Cl-浓度在合理的浓度范围内，该处理模式的总体效果最佳。结论：模式4总体效益最佳，是最优的灌溉模式。

关键词：灌溉模式;优化路径;模型

中图分类号 S275.6文献标识码 A文章编号 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，蒸发剧烈，属典型的内陆极端干旱荒漠区。南疆地区由于土壤母质本身含盐量较高，加之不合理的漫灌压盐和粗犷的种植开垦模式，导致水资源被极大地浪费;与此同时，由于毛细管返盐，造成土壤次生盐渍化日益严峻，致使南疆农业生产受到了严重影响。如何有效地缓解水资源紧张的问题，同时有效降低农田土壤含盐量，以利于农作物生长，这是当前在南疆地区需要重点研究的课题。

研究井渠结合的灌溉模式是解决这一问题的有效方式，相关研究已有一定的进展，也取得了一定的效果。张现超等[1]研究了不同井渠灌水配比和不同灌水定额对冬小麦生长的影响;孙贯芳等[2]研究了河套灌区膜下滴灌玉米土壤水热盐效应及秋浇洗盐灌溉土壤的效果。尽管相关领域已有了部分的研究成果，但已有的研究成果都是针对特定区域的特定问题展开的，研究结果缺乏普适性。尤其对于南疆极端干旱区农田土壤灌溉模式的优化路径选取问题，少见报道。为此，本研究开展了不同井渠结合灌溉模式对棉花各阶段生长发育的影响试验，以期为缓解南疆灌溉用水压力以及农田土壤盐渍化改良提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 试验材料 试验以新疆主要经济作物棉花为研究对象。

2.2 试验方法 采用田间试验，各试验小区耕作、锄草、施肥、化控、催熟等田间管理措施均保持一致。棉花种植方式为1膜2管4行，行距30cm×60cm×30cm，膜宽120cm，膜间距20cm。试验共设5个模式处理，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次重复。小区面积2m×3m，样本点的选取是随机的。本试验将棉花生育期划分为5个阶段：苗期、蕾期、花期、结铃期、吐絮期。整个生育期采用滴灌方式进行，灌溉定额5400m3/hm2，灌水12次。灌水前对井渠水的总盐、离子浓度进行测定分析;定期观测地下水位埋深、地下水总盐含量、Cl-、SO42-含量及不同深度土壤水分、盐分含量;对生育期棉花的生长状况、生理特性等进行测定，灌水量用水表控制[3]。采用电导率仪测定水样的电导率，用烘干法测定土壤含水量。分别在灌水前后以及棉花生育期的不同阶段采用土钻取土，取土深度为0～10cm，10～20cm，20～30cm，30～40cm，40～50cm，50～60cm，60～70cm，70～80cm。采用土水1∶5饱和浸提液来测土壤电导率，据此得到土壤中可溶性盐的含量，对于所有离子含量的测定均采用土水1∶5饱和浸提液。

2.3 统计分析 采用MATLAB软件对原始数据进行小波分析，进行去噪处理，剔除掉异常数据，对清洗后的数据进行建模，以提高结果精度[4]。为了评价5种灌溉模式对棉花生长的影响，选取株高和珠径为因变量，作加权处理，权重系数分别为0.72、0.28，以影响作物生长的主要因子电导率（x1）和土壤盐碱性离子HCO3-（x2）、SO42-（x3）、K++Na+（x4）、Cl-（x5）作为自变量，构建多元线性回归模型。为检验模型的合理性，采用人工神经网络模拟的方法加以检验。为提高拟合精度，每一种模型均迭代20000次，对各变量值进行拟合寻优[5]。

3 结果与分析

3.1 土壤的含盐量 不同土层深度处土壤的含盐量及主要盐离子的比例如表1所示。由表1可知，当土层深度为0～20cm时，Ca2+的变异系数是所有离子中数值最大的，同理可以得出，当土层深度为20～40cm，40～60cm时，Cl-的变异系数最大;当土层深度为60～80cm时，Mg2+的变异系数最大。当土层深度不同时，其他离子的变异系数在10%～100%，为中等变异，各离子之间的变异程度较大，变化范围在23%～187%。阳离子浓度K++Na+>Mg2+>Ca2+>Mg2+，阴离子浓度SO42->Cl->HCO3-。

通过分析不同离子之间的相关性可知，SO42-与K++Na+之间的相关性较强，而SO42-与Cl-之间的相关性较大，HCO3-与pH值之间的相关性强;SO42-与K++Na+呈现显著正相关，Ca2+与pH值之间呈正相关，HCO3-与Cl-呈现正相关，HCO3-与K++Na+呈现正相关，从而得出K+、Na+、Cl-、HCO3-、SO42-对土壤中的盐分起着很大的决定性作用，这些离子对农作物的生长非常重要。

3.2 不同处理模式对不同深度土层含盐量的影响 鉴于棉花的根系较短，主要分布在0～30cm深度范围内，以10cm作为分层标准，考虑0～10cm，10～20cm以及20～30cm不同深度处土层的含盐率。分析结果表明，不同处理模式对土壤垂直方向的含盐量分布影響较大，不同处理模式对不同深度土层含盐量的影响如表2所示。从表2可以看出，不同模式的处理下，土壤中的含盐量也有较大的差异，但随着土壤的深度逐渐增大，土壤中的含盐率也在明显的下降。当土壤深度为0～10cm时，由模式1到模式5土壤的含盐率逐渐从强碱变为弱碱;当土层深度为10～20cm，20～30cm时，几种不同的模式下土壤呈现酸性。在模式1下，不同土层的含盐率在4.46%～11.23%;在模式2下，不同土层的含盐率在4.46%～9.97%;在模式3下，不同土层的含盐率在3.67%～9.62%;在模式4下，不同土层的含盐率在2.09%～7.64%;在模式5下，不同土层的含盐率在3.23%～7.83%。初步来看，处理模式4对水盐运移的影响可能较大。

3.3 不同处理模式的回归模型 由表3可知，模式1全井水灌溉模式下电导率高，含盐量越大，对棉花生长的抑制作用越强;并且当土壤中的SO42-、Cl-含量较高时，会造成抑制棉花生长的结果;棉花属于耐碱性作物，K+、Na+，HCO3-对其生长具有促进作用;在处理模式4下，HCO3-浓度增加，分解成CO2的浓度增加，会促进棉花的生长。此种灌溉模式下，SO42-、Cl-浓度降低到合适的范围内，可以满足棉花生长的需求，对其生长产生促进作用。与此同时，土壤电导率降低，表明离子总体浓度降低，可知灌溉模式4对促进棉花生长的效果最好。

3.4 模型验证 通过人工神经网络模拟得到拟合效果图，如图1所示。由图1可知，拟合结果与回归方程所建模型是一致的。据此进一步表明，混合灌溉模式4产生的总体效果最佳。

4 结论与讨论

当采用模式1全井水灌溉时，土壤电导率最高，含盐量最大，各离子的浓度最大，Cl-、SO42-浓度超出了作物生长的适应范围，对作物的生长起着强烈抑制作用，K+增强了作物抗自然灾害的能力，与事实相符;当采用模式2，3/4井水与1/4渠水混合灌溉时，SO42-、Cl-浓度依旧很高，对作物的生长发育起抑制作用;而当采用模式3，1/2井水与1/2渠水混合灌溉时，土壤的离子浓度明显下降，电导率下降，虽然土壤中仍存在SO42-，但是其对棉花的生长不存在抑制作用，而Cl-浓度对作物的生长起抑制作用;当采用模式4，1/4井水与3/4渠水混合灌溉时，SO42-与Cl-浓度都未超出农作物的适应范围，并且对棉花的生长发育起到了帮助的作用;当采用模式5全部渠水灌溉时，SO42-与Cl-浓度也很好地起到了促进棉花生长的作用，但综合考虑节水因素与回归方程的决定系数可知，模式5与模式4相比较仍有着明显不足。总体而言，模式4的总体效益最佳，这与前述中的灌溉模式4对水盐运移的影响最大存在一定的联系。综上，在5种灌溉模式中，模式4是最优的灌溉模式。

由本次试验可知，不同灌溉模式对棉花生长有着较大的差异，对棉花生长影响最为显著的是K+、Na+、Cl-、HCO3-、SO42-等5种离子，SO42-与Cl-浓度过高会对棉花生长起抑制作用。5种处理模式中，灌溉模式4不仅节水，而且能保证土壤中SO42-与Cl-浓度在合理的浓度范围内，该处理模式总体效益最佳。

参考文献

[1]张现超，乔冬梅，齐学斌，等.不同井渠配比灌水模式对土壤盐分及冬小麦生长发育的影响[J].灌溉排水学报，2015，34（04）：49-54.

[2]孙贯芳，屈忠义，杜斌，等.不同灌溉制度下河套灌区玉米膜下滴灌水热盐运移规律[J].农业工程学报，2017，33（12）：144-152.

[3]张飞，丁建丽，塔西甫拉提·特依拜，等.干旱区典型绿洲土壤盐渍化特征分析——以渭干河-库车河三角洲为例[J].草业学报，2013，16（4）：34-40.

[4]程正兴，杨守志，冯晓霞.小波分析理论、算法、进展与应用[M].北京：国防工业出版社，2007.

[5]郝婷.基于人工神经网络算法对临床症状进行中医证候分类的研究[D].兰州：兰州大学，2017. （责编：张宏民）