一种周年连作宽垄沟的玉米产量的预测方法和灌水质量的评价方法

摘要

本发明提供的一种周年连作宽垄沟的玉米产量的预测方法和灌水质量的评价方法是通过把周年连作宽垄沟的试验地块长度设定为90m，面积为3600m2；并种植两行玉米，供试土壤质地为粉砂壤土，同时通过对土壤的理化作用，把所述供试土壤的平均干容重设定在1.35g/cm3～1.45g/cm3之间，田间持水量为24％～34％之间，土壤有机质平均含量为0.87％～0.97％，全氮平均含量0.0539％～0.0619％，碱解氮平均含量45-60ppm，速效磷平均含量11.8ppm～12.8ppm，速效钾104.4ppm～105.4ppm；根据影响因子进行玉米预测产量S(单位斤)和灌水质量评价Index(单位％)。本发明通过实验实现了在周年连作宽垄沟进行玉米产量预测和进行灌水质量评价，从而提高农业用水效益，实现了农业增效、农民增收的目标。

说明书

技术领域：

本发明涉及农业种植、农田灌溉，是一种新型的种植及灌溉评价方法，属于农业工程领域。

背景技术：

为缓解华北干旱半干旱地区缺水局面，加快农田节水步伐，推动灌区高效农业和现代农业发展，全面推进节水型社会建设。就需要积极变革耕作制度，搜索有效的节水灌溉方式，大面积推广抗旱节水技术既是有效提高农业灌溉用水利用率，实现农业节水的现实需要，也是引导农民转变灌溉观念，减少水资源浪费，实现农业可持续发展的必然选择。目前，我国北方地区目前主要是以传统畦沟灌为主，传统畦沟灌，是小麦实行平作畦灌，小麦收获后，整地灭茬并起垄做沟，垄宽20cm,沟宽40cm，在垄上种植一行玉米。但是如何在周年连作宽垄沟玉米进行产量预测和进行灌水质量评价，从而提高农业用水效益，实现了农业增效、农民增收的目标却没有进行实际操作。

发明内容：

针对上述问题，本发明旨在提供一种种植简单、灌溉简便，可以提高水分利用效率和水分生产效率的产量预测和控制灌水的方法，该方式尤其适用于北方干旱半干旱缺水的地区。

本发明技术方案如下：一种周年连作宽垄沟的玉米产量的预测方法和灌水质量的评价方法，步骤1：首先把周年连作宽垄沟的试验地块长度设定为90m，面积为3600m^2，；种植两行玉米，供试土壤质地为粉砂壤土，同时通过对土壤的理化作用，把供试土壤的平均干容重设定在1.35g/cm³～1.45g/cm³之间，田间持水量为24％～34％之间，土壤有机质平均含量为0.87％～0.97％，全氮平均含 量0.0539％～0.0619％，碱解氮平均含量45-60ppm，速效磷平均含量11.8ppm～12.8ppm，速效钾104.4ppm～105.4ppm；

步骤2：根据测量，得到年平均气温T(单位℃)，多年平均降水量R(单位mm)，平均日照时数H(单位h)，无霜期T₀(单位天)；

根据上述影响因素进行周年连作宽垄沟的玉米产量S(单位斤)的预测值和灌水质量评价Index(单位％)，周年连作宽垄沟的玉米产量S的预测值由作物全生育期耗水量和自然环境两部分因素所影响；

步骤3：目前，多采用二次函数关系即公式一来表示作物全生育期耗水量与周年连作宽垄沟的玉米产量S的关系：

公式一S＝aET²+bET+c

其中公式一的ET为作物全生育期耗水量(mm)，a、b、c为不同的整数，作为用于预测的计算系数；

玉米产量S出现在dS/dET＝0处，定义dS/dET＝0处的用水量值为ETmax，代入公式一，则ETmax＝－b/2a；

步骤4：目前，多采用一次函数关系即公式二来描述地理环境(在周年连作宽垄沟的试验地块的面积)与周年连作宽垄沟的玉米产量S的关系：

公式二S＝xyET

其中公式二中的x为行距(单位cm)，即种植两行玉米的间距、y为株距，即单株之间的间距(单位cm)；

目前，多采用一次函数关系即公式三来描述自然环境与玉米产量S的关系：

公式三S＝T₀×H(ET×T-R)

步骤5：根据公式一、公式二、公式三得到总的产量影响系数λ＝aET²+bET+c+xyET+T₀×H(ET×T-R)，而在一个周年里，S和ET呈时间变化，在农业生产中一个周年，即以时间为农业生产的最小单位，可以认为在其时间上为微分可导性，根据公式一，得到玉米产量的系数主要在时间刻度呈ET的平方的系数进行变化，并且得到时间产量微分的公式四：

公式四：$\mathrm{dS}=\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dET}}\mathrm{dET}$

根据公式一、公式二、公式三、公式四得到公式五：

公式五$\mathrm{dS}=\frac{\mathrm{ET}}{\mathrm{aE}{T}^2+\mathrm{bET}+c+\mathrm{xyET}+T_0\times H(\mathrm{ET}\times T-R)}\mathrm{dET}$

步骤6：设定第一影响因子P＝(b+xy+T₀×H×T)/a；第二影响因子Q＝(c-T₀×H×R)/a；第三影响因子第四影响因子

根据第一影响因子、第二影响因子、第三影响因子、第四影响因子最终得到周年连作宽垄沟的玉米产量S的产量为

$\frac{1}{a}\times \left(\frac{1}{2}\ln \right|m^2+n^2|-\frac{P}{2n}\mathrm{arctg}\frac{m}{n})$

步骤7：周年连作宽垄沟的灌水质量的评价方法的三项评价指标为溉水有效利用效率A(单位％)、储水效率B(单位％)和灌水均匀度C(单位％)；周年连作宽垄沟的灌水质量的评价方法的三项评价指标的累加之和与所述S相除得到Index为衡量尺度，Index的值最大即为周年连作宽垄沟的灌水质量的评价方法的最优值。

具体实施例：

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：

实施例1：

本发明的最佳实施例采用的是在大田挖沟起垄，垄为梯形垄。对玉米产量S预测方法(单位斤)和灌水质量评价方法Index(单位％)是2010年10月～2014 年9月，在河南省节水农业中心试验田进行，试验区地理位置为北纬33°35′，东经111°25′，海拔110.4m，属北温带大陆性季风气候，四季分明。年平均气温14.5℃，多年平均降水量637.1mm，平均日照时数5.6h，无霜期220d。然后在这样的气候条件下在周年连作宽垄沟的试验地块长度设定为90m，面积3600m²；供试土壤质地为粉砂壤土，同时通过对土壤的理化作用，把土壤的平均干容重设定在1.35g/cm³～1.45g/cm³之间，田间持水量为24％～34％之间，土壤有机质平均含量为0.87％～0.97％，全氮平均含量0.0539％～0.0619％，碱解氮平均含量45-60ppm，速效磷平均含量11.8ppm～12.8ppm，速效钾104.4ppm～105.4ppm；

其中田块地势平坦，灌排方便。试验场内设有自动气象站，自动检测空气温度与湿度、太阳辐射强度、风速等相关气象资料。

除了根据灌水，包括有效利用效率、储水效率和灌水均匀度等评价指标同时使用才能较全面的评价田间玉米产量。垄宽、沟宽、沟深这些技术要素也是预测玉米产量的组合因素，此外，年平均气温T(单位℃)，多年平均降水量R(单位mm)，平均日照时数H(单位h)，无霜期T₀(单位天)都是缺一不可的原则，并且在确定不同灌水技术要素的优化组合时，以上3项预测指标的累加之和为衡量尺度，累加值最大即为该技术要素下的最优值。

玉米播种方法，是在垄上种植两行玉米，行距50cm，株距20～25cm。

灌溉方法，是在作物关键生理时期，在沟内灌溉农田灌溉水，垄上作物依靠沟内水分的侧渗来满足其水分需求，灌水量以不漫垄为依据。

在周年连作宽垄沟上种植两行玉米，根据影响因子得到玉米产量S(单位斤)和灌水质量评价方法Index(单位％)；

其中两行玉米的间距为行距x(单位cm)、单株之间的间距为株距y(单位cm)；

年平均气温T(单位℃)，多年平均降水量R(单位mm)，平均日照时数H(单位h)，无霜期T₀(单位天)；

根据以上相关技术因素预测周年连作宽垄沟中的玉米产量S的预测值，其 中玉米产量S的预测值由作物全生育期耗水量和自然环境两部分因素所影响，

采用二次函数关系来表示作物全生育期耗水量与玉米产量S的关系，这种二次函数关系一般是通过长期的数据根据预测得到的，具体的公式如下：

S＝aET²+bET+c    (1)

式中：ET为作物全生育期耗水量(mm)；a,b,c为二次函数得到的不同的预测系数；

玉米产量S出现在dS/dET＝0处，定义该处的用水量值为ETmax，代入公式(1)，则ETmax＝－b/2a；目前，多采用一次函数关系来描述地理环境(在周年连作宽垄沟的试验地块的面积)与玉米产量S的关系：

S＝xyET     (2)

目前，多采用一次函数关系来描述自然环境与玉米产量S的关系：

S＝T₀×H(ET×T-R)     (3) 

这两个一次函数一般来说，是因为根据计算发现产量与阳光等自然因素都是成正比的关系，仅仅只有某个年份产生波动，根据公式(1)、(2)、(3)得到总的产量影响系数λ＝aET²+bET+c+xyET+T₀×H(ET×T-R)，由于在一个周年里，玉米产量S和ET呈时间变化，在农业生产中一个周年，即以时间为农业生产的最小单位，可以认为在其时间上为微分可导性，根据主要公式(1)S＝aET²+bET+c，得到产量S的系数主要在时间刻度呈ET的平方的系数进行变化，并且得到时间产量微分公式

将公式(1)、(2)、(3)代入式(4)获得如下公式：

$\mathrm{dS}=\frac{\mathrm{ET}}{\mathrm{aE}{T}^2+\mathrm{bET}+c+\mathrm{xyET}+T_0\times H(\mathrm{ET}\times T-R)}\mathrm{dET}---\left(5\right)$

对公式(5)进行求解

$\mathrm{dS}=\frac{\mathrm{ET}}{\mathrm{aE}{T}^2+(b+\mathrm{xy}+T_0\times H\times T)\mathrm{ET}+c-T_0\times H\times R}\mathrm{dET}$

令(b+xy+T₀×H×T)/a＝P；(c-T₀×H×R)/a＝Q；

则$\mathrm{dS}=\frac{1}{a}\times \frac{\mathrm{ET}}{E{T}^2+P\times \mathrm{ET}+Q}\mathrm{dET}$

$\mathrm{dS}=\frac{1}{a}\times \frac{\mathrm{ET}}{E{T}^2+\frac{P}{2}\times \mathrm{ET}+{\left(\frac{P}{2}\right)}^2+(Q-{\left(\frac{P}{2}\right)}^2)}\mathrm{dET}$

$\mathrm{dS}=\frac{1}{a}\times \frac{\mathrm{ET}}{{(\mathrm{ET}+\frac{P}{2})}^2+(Q-{\left(\frac{P}{2}\right)}^2)}\mathrm{dET}$

$\mathrm{dS}=\frac{1}{a}\times \frac{(\mathrm{ET}+\frac{P}{2})-\frac{P}{2}}{{(\mathrm{ET}+\frac{P}{2})}^2+(Q-{\left(\frac{P}{2}\right)}^2)}\mathrm{dET}$

$\mathrm{dS}=\frac{1}{a}\times \frac{(\mathrm{ET}+\frac{P}{2})-\frac{P}{2}}{{(\mathrm{ET}+\frac{P}{2})}^2+(Q-{\left(\frac{P}{2}\right)}^2)}\mathrm{dET}$

$\mathrm{dS}=\frac{1}{a}\times \frac{(\mathrm{ET}+\frac{P}{2})-\frac{P}{2}}{{(\mathrm{ET}+\frac{P}{2})}^2+{\left(\sqrt{(Q-{\left(\frac{P}{2}\right)}^2)}\right)}^2}\mathrm{dET}$

令$\mathrm{ET}+\frac{P}{2}=m;\sqrt{(Q-{\left(\frac{P}{2}\right)}^2)}=n$

则$\mathrm{dS}=\frac{1}{a}\times \frac{m-\frac{P}{2}}{m^2+n^2}\mathrm{dET}$

$\mathrm{dS}=\frac{1}{a}\times (\frac{m}{m^2+n^2}-\frac{P}{2}\frac{1}{m^2+n^2})\mathrm{dET}$

最终得到$\mathrm{dS}=\frac{1}{a}\times \left(\frac{1}{2}\ln \right|m^2+n^2|-\frac{P}{2n}\mathrm{arctg}\frac{m}{n})$

dS即为在一周年连作宽垄沟玉米产量，也即在连续周年里S的产量为 $\frac{1}{a}\times \left(\frac{1}{2}\ln \right|m^2+n^2|-\frac{P}{2n}\mathrm{arctg}\frac{m}{n})+C;$C大于零的任意实数，在本实验中可以根据各种条件(初、边值条件)会约束C的取值。

灌水质量评价方法的三项评价指标为溉水有效利用效率A(单位％)、储水效率B(单位％)和灌水均匀度C(单位％)；田间灌水质量的三项评价指标的累加之和Sw与S相除得到Index为衡量尺度，Index的值最大即为灌水质量评价方法的最优值。

实施例二：举例说明本发明中的作物全生育期耗水量与玉米产量S的关系的试验和数学预测过程，本试验地人工起垄，沟断面采用梯形形式，梯形沟沟垄规格分别为70cm和40cm，垄高20cm，相邻两沟中心距离为110cm。

本试验夏玉米的灌水方案见表1；夏玉米的产量构成因子见表2；夏玉米的水分利用效率见表3。

表1夏玉米灌水方案设计(mm)

表2夏玉米产量及其构成因子

表3夏玉米的水分生产效率

在70cm垄宽条件下，田面坡度为1‰时，沟宽选择40cm、沟深选择20cm的灌水效果最佳，灌水质量3项评价指标之和达到280.77％，采用垄顶宽70cm，垄底宽90cm，垄高20cm，沟底宽20cm，沟顶宽40cm，在垄上周年轮作种植玉米，在沟内灌水；目前，多采用二次函数关系来表示作物生育期耗水量与产量的关系：

Y＝aET²+bET+c             (1) 

式中：Y为作物产量(kg/hm²)，ET为作物全生育期耗水量(mm)，a、b、c分别为计算系数。

作物的最大产量出现在dY/dET＝0处，定义该处的用水量值为ET_max，代入式1，则ET_max＝-b/2a。

根据夏玉米的田间试验实测资料，可以分别点绘出常规种植模式和一体化垄作种植模式产量与全生育期耗水量的关系图，并且通过分析两者呈现出相关程度较高的抛物线关系。可将关系曲线划分为三个阶段：第一阶段是产量随耗水量的增加而迅速增长阶段；第二阶段是产量随耗水量的增加缓慢增长阶段，该阶段曲线到达顶点；第三阶段顶点过后，产量随着耗水量的提高呈现负增长。夏玉米产量呈现的变化规律与作物的土壤水分环境密切相关，土壤水分过低时，因不能满足作物生理需水，生长受到抑制而减产；土壤水分过高时，使土壤通气性不良，深层渗漏量增加，导致养分大量流失，造成减产。

夏玉米的水分生产函数关系式为：

Y＝–0.274ET²+231.58ET–41208 R²＝0.9435          (2) 

由式2计算得到宽垄沟灌夏玉米在取得最大产量7723.84kg/hm²时的耗水量为422.59mm；由式2计算得到常规种植模式夏玉米在取得最大产量7099.094kg/hm²时的耗水量为452.91mm。种植结果表明在节水30.32mm的情况下，夏玉米产量提高624.75kg/hm²。这说明小麦、玉米宽垄沟灌能够实现夏玉米节水高产。

根据上述研究可以得到总的产量影响系数，而在一个周年里可以得到时间产量微分公式关于时间的变化，然后对微分公式求解就能预测在一周年连作宽垄沟玉米产量；

本发明的发明效果是根据实践，在周年连作宽垄沟玉米产量预测和灌水质量评价方法具有以下优点：

通过技术创新实现节水灌溉，并且能根据灌溉，自然条件预测时间单位玉米玉米产量。

并且根据天气情况，灌溉条件对垄上种植作物，垄沟空出用于灌溉，垄沟增加通风透光，增加产量进行调整。

在预测的基础上解决耕地实现轮耕，三到五年轮耕一次，使耕地休养生息。

预测产量的基础上能有条件的节水灌溉，在垄沟内灌水，省时节水且可操作性强，有利于田间管理，便于田间施肥和喷洒农药、叶面肥。