农田水肥高效利用多维临界调控方法

摘要

本发明提供了一种农田水肥高效利用多维临界调控方法，本发明以节水、省肥、高产、控污为目标，基于农田试验与实地查勘数据，结合水肥耦合灌溉、作物生长、控制排水与临界调控等相关理论，构建节水灌溉、控制排水、合理施肥多维临界调控指标，从而实现农田水肥高效利用多维临界调控。本发明可用于农田水肥耦合灌溉与控制排水协同管理，有利于提高水肥利用效率，解决农业、水利分部门管理中潜在的资源浪费与环境污染风险问题。

说明书

技术领域

本发明属于农田水肥利用率调控技术领域，尤其涉及一种农田水肥高效利用多维临界调 控方法。

背景技术

我国农田灌溉用水约占全国用水总量的62％，其中，水稻作为我国主要粮食作物，2013年 播种面积约3048万公顷，产量约占全国粮食总产的40％。随人口增长，城镇化加快与极端 气候频繁，粮食安全与旱涝灾害、水环境污染等已成为制约我国经济社会可持续发展的关键 问题。我国每年农业缺水量达300亿m³，但灌溉水利用系数0.5，灌溉水分生产率1.5kg/m³, 远低于发达国家灌溉水利用系数0.7～0.8和水分生产率2～3kg/m³。合理利用降雨，优化控制 灌溉用水总量，提高农业用水效率，对建立最严格水资源管理制度，解决干旱缺水问题，具 有重要意义。

肥料是农业生产的基本要素和提高作物产量的有效措施。2011年，我国化肥使用量4124t， 化肥消费量占世界1/3以上；单位面积农用化肥使用量434.3kg/hm²，是国际公认的化肥使用 安全上限225kg/hm²的1.93倍。但当季氮肥利用率仅35％，磷肥利用率10％～25％，低于发 达国家15％左右。不仅造成化肥资源浪费，还加重了水环境污染负荷。科学施肥，提高养分 利用效率，减少农业面源污染，对保障农业可持续发展与水资源可持续利用具有重要意义。

目前，主要是通过提高灌水技术及改进施肥方式来提高农田水肥利用率。龚时宏等提出 了一种通过确定最佳灌溉时机和最佳灌溉方法来提高桃树产量以及水分利用率；张建辉等提 出了在坡耕地上挖土坑的方法来提高柑橘肥料利用率；丁孝东等提出了通过测土配方的方法 来提高豆角肥料利用率。上述方法均存在一定局限性，仅适用于特定作物及特定地形；且未 考虑水肥相互作用对作物生长的影响。所以还需深入研究不同地域气候、土壤和作物条件下 水肥耦合灌溉对作物生长、水分养分运移的影响机制。

在控制排水方面，张展羽等提出了一种水位水质联合控制的排水装置；高君等提出了一 种农田排水自动装置。然而这些技术仅用来控制农田排水水位与水质，缺少考虑控制排水水 深对作物生长、水肥利用率、排水水量及水质等方面的影响，所以还需深入探讨水资源高效 利用与旱涝、盐碱、渍、污等灾害综合治理的控制排水技术与标准。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种多目标的农田水肥高效利用多维临界调控 方法，适用于不同自然环境灌区。

本发明以节水、省肥、高产、控污为目标，基于农田试验与实地查勘数据，结合水肥耦 合灌溉、作物生长、控制排水与临界调控等相关理论，构建节水灌溉、控制排水、合理施肥 多维临界调控指标，从而实现农田水肥高效利用多维临界调控。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

农田水肥高效利用多维临界调控方法，包括步骤：

步骤1，构建农田的区域空间属性数据库，所述的区域空间属性数据库包括土壤类型数 据、排水系统设计数据、土地利用数据和气象数据；

步骤2，通过农田的水肥耦合灌溉试验与控制排水试验，获得作物生育期内的气象数据、 地下水位、田间水位、田间渗漏量、灌水量、排水量、水质氮含量、土壤氮含量、作物生理 生态及作物最终产量，即试验数据，其中，气象数据从区域空间属性数据库中获取；对试验 数据进行统计分析获取农田水肥迁移转化规律及作物生长发育与产量形成规律；

步骤3，构建作物生长发育和农田水肥迁移转化耦合模型，本步骤进一步包括子步骤：

3.1根据作物生长发育与产量形成规律构建作物生长发育模拟模块；

3.2根据农田水肥迁移转化规律构建农田水肥迁移转化模拟模块；

3.3采用区域空间属性数据库和试验数据对作物生长发育模拟模块和农田水肥迁移转化 模块的参数进行统一、规范、率定和验证，获得作物生长发育和农田水肥迁移转化耦合模型；

步骤4，采用作物生长发育和农田水肥迁移转化耦合模型对不同水肥耦合与控制排水条 件进行模拟，获得水肥耦合与控制排水条件及作物产量、水肥利用率、水肥流失间的动态响 应关系；

步骤5，以高产、节水、省肥和控污为目标函数，以最大淹水深度、水稻水分胁迫、地 下水位、水量平衡、氮平衡为约束，以作物边际水分利用率为灌溉临界调控指标，以利润为 施肥临界调控指标，以地面累计淹水深度和累计超标准地下水深为排水临界调控指标，建立 农田“灌溉-施肥-控制排水”三维临界调控模型；

步骤6，采用“灌溉-施肥-控制排水”三维临界调控模型优化步骤4获得的水肥耦合与控 制排水条件及作物产量、水肥利用率、水肥流失间的动态响应关系；

步骤7，根据优化的水肥耦合与控制排水条件及作物产量、水肥利用率、水肥流失间的 动态响应关系确定最优的灌溉模式、施肥模式和排水模式。

步骤1中所述的土壤类型数据通过对土壤取样并进行化验获得，所述的排水系统设计数 据通过实地测量获得，所述的土地利用数据通过实地调查分析获得，所述的气象数据来自气 象站观测数据。

步骤2中所述的水肥耦合灌溉试验与控制排水试验具体为：

以灌溉模式、施肥模式和排水模式为控制因素，设定不同的灌溉模式、施肥模式和排水 模式，将不同的控制因素组合成一系列水肥耦合和控制排水条件，实测各水肥耦合和控制排 水条件下作物发育期内气象数据、地下水位、田间水位、田间渗漏量、灌水量、排水量、水 质氮含量、土壤氮含量、水稻产量及生理生态。

子步骤3.1中所述的作物生长发育模拟模块为基于ORYZA2000作物生长模型。

子步骤3.2中所述的农田水肥迁移转化模拟模块为基于DRAINMOD-N II的稻田水肥迁 移转化模型。

步骤7进一步依次包括子步骤：

7.1根据优化的水肥耦合与控制排水条件及作物产量、水肥利用率、水肥流失间的动态 响应关系，选择水分利用率最大的灌溉模式为临界灌溉模式；

7.2在临界灌溉模式下，根据优化的水肥耦合与控制排水条件及作物产量、水肥利用率、 水肥流失间的动态响应关系，选取利润最大的施肥模式为临界施肥模式；

7.3在临界灌溉模式和临界施肥模式下，根据优化的水肥耦合与控制排水条件及作物产 量、水肥利用率、水肥流失间的动态响应关系，获得临界排水模式。

与现有技术相比，本发明具有以下的技术效果：

1)解决了农田尺度作物生长模型与土壤养分迁移转化模型、农田排水模型之间输入输出 参数统一、规范与标准化接口问题，实现了模型参数的无缝化连接。

2)实现了农田水肥耦合灌溉与控制排水协同管理，有利于提高水肥利用效率，解决农业、 水利分部门管理中潜在的资源浪费与环境污染风险问题。

附图说明

图1为本发明农田水肥高效利用多维临界调控方法示意图；

图2为区域空间属性数据库建立示意图；

图3为作物生长发育与农田水肥迁移转化耦合模拟模型的计算示意图；

图4为“灌溉-施肥-控制排水”三维临界调控模型示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

见图1，本发明包括步骤：

步骤a，构建区域空间属性数据库，见图2。

对待调控农田区进行现场勘测、实地调查分析及试验观测，获取土壤类型数据、排水系 统设计数据、土地利用数据和气象数据，构建待调控农田的区域空间属性数据库。土壤类型 数据可通过对土壤取样并进行化验获得，排水系统设计数据通过实地测量获得，土地利用数 据通过实地调查分析获得，气象数据来自气象站观测数据。

步骤b，基于待调控农田区的水肥耦合灌溉试验与控制排水试验的数据，经统计分析获 取农田水肥迁移转化规律及作物生长发育与产量形成规律。

本具体实施中，在2007～2008年间对待调控水稻田进行大量水肥耦合灌溉试验和控制排 水试验，并对试验数据进行分析，根据水肥耦合灌溉试验数据获得不同水肥耦合条件下作物 生长发育与产量形成规律，根据控制排水试验获得不同水肥耦合条件下农田水肥迁移转化规 律。所述的作物生长发育与产量形成规律和农田水肥迁移转化规律可以为一系列数据、图表 或文字描述。

本具体实施中水肥耦合灌溉试验和控制排水试验具体为：考虑3个控制因素：灌溉模式、 施肥模式和排水模式，灌溉模式设置淹灌和间歇灌溉两种灌溉，淹灌包括30mm淹灌模式和 60mm淹灌模式，间歇灌溉包括30mm间歇灌溉模式和60mm间歇灌溉模式，30mm淹灌模 式表示水稻生育期内保持淹灌，且每次灌溉时农田间灌溉定额为30mm，60mm淹灌模式、 30mm间歇灌溉模式、60mm间歇灌溉模式的含义以此类推。施肥模式设置三种施氮水平，分 别为0kg/hm²、135kg/hm²、180kg/hm²；排水模式设置控制排水水深0.5m和常规排水两种。

对上述控制因素组合后获得24组水肥耦合和控制排水条件，每组水肥耦合条件设置一个 重复。将试验区划分为48个面积大致相等的试验小区，试验小区内均种植水稻II优7954， 分别用上述24组水肥耦合条件对试验小区进行控制，并获得水稻生育期内气象数据、地下水 位、田间水位、田间渗漏量、灌水量、排水量、水质氮含量、土壤氮含量、水稻产量及生理 生态，从而获得试验数据，气象数据从区域空间属性数据库中获取。

步骤c，构建作物生长发育和农田水肥迁移转化耦合模型。

根据步骤b获得的作物生长发育规律及农田水肥迁移转化规律，分别建立作物生长发育 模拟模块和农田水肥迁移转化模拟模块，本具体实施中建立的作物生长发育模拟模块为基于 ORYZA2000作物生长模型，建立的农田水肥迁移转化模拟模块为基于DRAINMOD-N II的稻 田水肥迁移转化模型；采用待调控农田区的区域空间属性数据库和水肥耦合灌溉试验与控制 排水试验数据对作物生长发育模拟模块和农田水肥迁移转化模拟模块的参数进行统一、规范、 率定、检验，形成作物生长发育模拟模块与农田水肥迁移转化模拟模块的“无缝”连接，构 成作物生长发育和农田水肥迁移转化耦合模型。

下面以水稻田为例进一步说明作物生长发育和农田水肥迁移转化耦合模型的获得过程：

水稻生长发育模拟模块需要气象数据、水稻特性参数、土壤类型数据、田间管理数据。 水稻田水肥迁移转化模拟模块需要气象数据、水稻生长相关参数、排水系统设计数据、土壤 类型数据、氮运移及转化参数。气象数据、土壤类型数据和排水系统设计数据通过区域空间 属性数据库获得；水稻特性参数包括水稻发育速率、比叶面积、同化物分配系数等，由水稻 生长发育模拟模块参数率定得到；氮运移及转化参数包括径向弥散度、弯曲度、公差、最小 时间步长，氮转化参数包括日最大转换量、最佳温度、临界土壤水空隙，由水肥迁移转化模 拟模块参数率定得到。田间管理数据包括灌溉模式、施肥模式和排水模式。

水稻生长发育模拟模块和水稻田水肥迁移转化模块所需参数有大量相同部分，而且水稻 生长发育模拟模块输出的水稻生长发育情况、水稻氮素利用情况和水稻水分利用情况又可以 作为水稻田水肥迁移转化模块的输入，水稻生长发育情况、水稻氮素利用情况和水稻水分利 用情况即水稻生长相关参数。采用2007年的水稻田的水肥耦合灌溉试验与控制排水试验数据 对作物生长发育和农田水肥迁移转化耦合模型参数进行率定，采用2008年的水稻田的水肥耦 合灌溉技术与控制排水试验数据对作物生长发育和农田水肥迁移转化耦合模型参数进行验 证。

步骤d，水肥耦合与控制排水下水肥利用率分析

设定不同水肥耦合与控制排水条件，采用作物生长发育和农田水肥迁移转化耦合模型进 行模拟，采用作物生长发育和农田水肥迁移转化耦合模型对不同水肥耦合与控制排水条件进 行模拟，得到水肥耦合与控制排水条件及作物产量、水肥利用率、水肥流失间的动态响应关 系；水肥流失采用排水水量和排水水质进行衡量。

例如，可设定x种灌溉模式、y种施肥模式及z种排水模式，则共有x*y*z组水肥耦合条 件，输入x*y*z组水肥耦合条件，采用作物生长发育和农田水肥迁移转化耦合模型进行模拟 计算，获得灌溉模式-排水模式-施肥模式-水稻产量-灌溉水量-水肥利用率-排水水量-排水水质 间的动态响应关系。本具体实施中设定9种灌溉模式：雨养模式、淹灌30mm模式、淹灌40mm 模式、淹灌60mm模式、淹灌75mm模式、间歇灌溉30mm模式、间歇灌溉45mm模式、间 歇灌溉60mm模式、间歇灌溉75mm模式；设定12种施肥模式：施氮水平0kg/hm²、30kg/hm²、 60kg/hm²、90kg/hm²、120kg/hm²、150kg/hm²、180kg/hm²、210kg/hm²、240kg/hm²、270kg/hm²、 330kg/hm²、360kg/hm²；5种排水模式：非控制排水、深度20cm的控制排水、深度30cm的 控制排水、深度40cm的控制排水、深度50cm的控制排水深度，灌溉模式、施肥模式、排水 模式三个调控变量组合起来有540组水肥耦合条件。

步骤e，构建农田“灌溉-施肥-控制排水”三维临界调控模型。

以节水、省肥、高产、控污为多目标，以作物边际水分利用率为灌溉临界调控指标，以 利润为施肥临界调控指标，以地面累计淹水深度和累计超标准地下水深为排水临界调控指标， 建立农田“灌溉-施肥-控制排水”三维临界调控模型。

以最大淹水深度、水稻水分胁迫、地下水位、水量平衡、氮平衡为约束，以水稻边际水 分生产率和水稻水分生产弹性系数分别作为灌溉临界调控指标与灌溉临界识别条件，所述的 水分生产弹性系数为边际水分利用率除以平均水分利用率。以利润和边际利润分别作为施肥 临界调控指标与施肥临界识别条件，以地面累计淹水深度和累计超标准地下水深为排水临界 调控指标，建立农田“灌溉-施肥-控制排水”三维临界调控模型。

1)目标函数

(1)高产目标函数

水稻产量是灌溉、施肥和排水共同作用的结果，水稻高产目标函数：

Z＝maxY_a(1)

式(1)中，Y_a为水稻生长发育和农田水肥迁移转化耦合模型模拟得到的水稻实际产量单 位：kg/hm²。

(2)节水目标函数

充分利用降雨与农田排水优化灌溉制度，使水稻全生育期灌溉水量最小，节水目标函数 如下：

$\min X=\min \left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{m}_i\right)---\left(2\right)$

式(2)中，X为水稻全生育期的灌溉水量，单位：mm；m_i为第i阶段的灌溉水量，单位： mm。

(3)省肥目标函数

以施肥量最小为目标函数，如下：

$\min N=\min \left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{n}_i\right)---\left(3\right)$

式(3)中，N为水稻全生育期的施肥量，单位：kg；n_i为第i阶段水稻施肥量，单位： kg。

(4)控污目标函数

以氮素流失量最小为控污目标函数，如下：

$\min N_L=\min \left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{N}_{\mathrm{Li}}\right)---\left(4\right)$

式(4)中，N_L为全生育期氮素流失量单位：kg/hm²；N_Li为第i阶段的氮素流失量，为水 稻生长发育和农田水肥迁移转化耦合模型的模拟输出。

单位：kg/hm²。

2)约束条件

(1)最大淹水深度约束

为保证水稻不因涝渍灾害导致减产，控制水稻水层深度h_i不高于最大淹水深度h_max：

h_i≤h_max>

水稻水层深度通过排水方式进行控制。

(2)水稻水分胁迫约束

为保证水稻正常机能不被干扰，水稻水分亏缺C_WD不超过水稻水分胁迫C_WS：

C_WD≥C_WS>

(3)地下水位约束

H_I≤H₀-X_OI>

式(7)中，H_I为水稻田水位，单位：m；H₀为水稻地面平均高程，单位：m；Z_0i为第i 阶段地下水临界深度，不同作物对应不同的地下水临界深度，可查阅相关文献获得，单位： m。

(4)水量平衡约束

在灌排系统单元中，各阶段必须满足水量平衡：

h_i+1＝h_i+P_i+m_i-ET_ai-C_i-ΔH_i-S_i>

式(8)中，h_i、h_i+1分别为第i、i+1阶段水稻水量，单位：mm；P_i为第i阶段有效降雨 量，为实测数据，单位：mm；m_i为第i阶段灌溉水量，为实测数据，单位：mm；ET_ai为第i 阶段水稻实际蒸腾量，为模拟值，单位：mm；C_i为第i阶段农田地表排水量，为实测数据， 单位：mm；S>i为第i阶段农田渗漏量，为模拟值，单位：mm；△H_i为第i阶段地下水补给深 度，为实测数据，单位：mm。

(5)氮平衡约束

任一时段灌排系统单元氮的收入和支出应保持平衡：

N_APi＝N_Ui+N_Li+N_Si+N_Gi>

式(9)中，N_APi为第i阶段施入氮肥总量，单位：kg/hm²；N_ui为第i阶段水稻氮素吸收 量，单位：kg/hm²；N_Li为第i阶段氮素损失量，单位：kg/hm²；N_Si为第i阶段末残余氮，单 位：kg/hm²；N_Gi为NH₃挥发和反硝化损失氮量，单位：kg/hm²。除了N_APi为实测值外，其余 均为水肥迁移迁移转化模拟模型模拟值。

农田“灌溉-施肥-控制排水”三维临界调控模型可通过基于ORYZA2000作物生长模型和 基于DRAINMOD-N II的稻田水肥迁移转化模型实现，即将设定的目标函数、约束条件和临 界调控指标输入作物生长发育和农田水肥迁移转化耦合模型，即可获得优化后的水肥耦合与 控制排水条件和作物产量、水肥利用率、水肥流失间的动态响应关系。

步骤f，水肥耦合与控制排水模式优化。

采用步骤e构建的“灌溉-施肥-控制排水”三维临界调控模型、各项临界调控指标及对应 的临界识别条件，在步骤d获得的根据优化的水肥耦合与控制排水条件和作物产量、水肥利 用率、水肥流失间的动态响应关系中，采用边际函数法得到最佳水肥耦合与控制排水模式。

本步骤具体为：

(1)确定灌溉模式：

根据优化的水肥耦合与控制排水条件及作物产量、水肥利用率、水肥流失间的动态响应 关系确定最优的灌溉模式：在同等产量下间歇灌溉相比于淹灌所需灌溉水量更少，而相比于 雨养方式，间歇灌溉产量明显增加，因此间歇灌溉更优；进而选取边际水分利用率最大即水 分生产弹性系数为1的灌溉模式为临界灌溉模式，本具体实施中选定的临界灌溉模式为间歇 灌溉30mm模式。

(2)确定施肥模式：

在临界灌溉模式后，根据优化的水肥耦合与控制排水条件及作物产量、水肥利用率、水 肥流失间的动态响应关系选取利润最大即边际利润为0的施肥模式为临界施肥水平，本具体 实施中选定的临界施肥水平170kg/hm²施氮量。

(3)确定排水模式：

根据优化的水肥耦合与控制排水条件和作物产量、水肥利用率、水肥流失间的动态响应 关系可以看出，排水总量随着控制排水深度增加而增加，当排水深度低于20cm时，稻田会 受涝，因此取控制排水深度为20cm。