一种冬小麦按需补灌节水高产方法

摘要

本发明涉及一种冬小麦按需补灌节水高产方法；是根据冬小麦不同生育时期的生长特点和对水分的需求，设置保苗水、促壮水、稳产水和增产水四次补灌水；本发明将便携式仪器田间测定技术与常规测定方法相结合，并以便携式仪器田间测定技术为主获取土壤水分信息，且仅需采集冬小麦播种当日地表下0‑20、20‑40、40‑60、60‑80和80‑100cm土层土壤含水量及冬小麦各生育阶段的降水量，即可确定冬小麦各关键生育时期的需补灌水量。方法简单，易于操作。

说明书

(一)技术领域

本发明属于作物节水灌溉领域，涉及一种冬小麦按需补灌节水高产方法；特别涉及一种依据冬小麦高产需水规律，以适时续存的方式补给土壤贮水，实现供与需的精准匹配，充分利用土壤贮水和自然降水，既保持冬小麦高产水平又节约灌溉用水的技术。

(二)技术背景

我国人均水资源量约为2200m³，目前有16个省(区、市)人均水资源量(不包括过境水)低于严重缺水线，有6个省、区(宁夏、河北、山东、河南、山西、江苏)人均水资源量低于500m³。预测到2030年我国人口增至16亿时，人均水资源量将降到1750m³。特别在我国北方地区(如华北地区等)，近年来水资源数量减少趋势明显。北方缺水地区持续枯水年份的出现，以及黄河、淮河、海河与汉江同时遭遇枯水年份等不利因素的影响，进一步加剧了北方水资源供需失衡的矛盾。我国农业用水约占总用水量的70％，水资源短缺严重制约北方缺水区农业生产发展、威胁我国粮食安全，发展节水农业形势紧迫，意义重大。

传统的节水灌溉多采用固定的灌水次数和灌水量，通过减少灌水次数和灌水量实现节水(Khokhar等,2010；Li等，2010；Thind等，2010；叶德练等，2016)。然而在实际生产中，由于每年的降水年型不同，总降水量和降水的时间分布都有较大差异，因此定额灌溉的方法难以实现水分供给与作物需水的精确匹配，显著影响作物产量和节水效果。为实现精确节水灌溉，前人还提出在每次灌水前测定土壤含水量，设定目标土壤含水量，依据灌水定额公式(山仑等，2004)计算灌水量的办法(何建宁等,2015；Guo等，2015)。但该办法每次灌水前均需要测定土壤含水量，操作较复杂，工作量大，制约了其在生产中的推广应用。

(三)发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种冬小麦按需补灌节水高产方法。

一种冬小麦按需补灌节水高产方法，是根据冬小麦不同生育时期的生长特点和对水分的需求，设置保苗水、促壮水、稳产水和增产水四次补灌水。四次补灌水的具体实施时间、所需补灌水量和补灌方法如下：

1、于冬小麦种植田间安装雨量数据采集及远程传输系统，用于获取冬小麦生育期内的降水量数据。所述的雨量数据采集及远程传输系统包括雨量数据采集器、无线收发器和GPRS网络通讯终端设备。所述的无线收发器安装在雨量数据采集器上，并通过GPRS无线网络将采集的数据传输至GPRS网络通讯终端设备。雨量数据的采集一般每5000-10000亩农田设置一个测定点。

2、利用人工采集土样并用常规方法测定土壤容重和持水量，包括：

(1)冬小麦播种当日播种田间地表下0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm、80-100cm土层土壤容重，依次为ρb_0-20、ρb_20-40、ρb_40-60、ρb_60-80、ρb_80-100；

(2)冬小麦播种当日播种田间地表下0-20cm土层的持水量，用FC_0-20表示。

常年种植冬小麦的地块，以上各土层土壤容重和持水量的测定可以每3-5年进行一次。

3、于冬小麦播种当日，利用便携式土壤水分测定仪采集播种田间地表下0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm、80-100cm土层土壤体积含水量，依次用θ_v-0-20、θ_v-20-40、θ_v-40-60、θ_v-60-80、θ_v-80-100表示。

4、便携式土壤水分测定仪测定数据的换算。

用公式(1)将便携式土壤水分测定仪测得的冬小麦播种当日地表下0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm、80-100cm土层的土壤体积含水量换算为土壤质量含水量：

θ_cm-i-j＝θ_v-i-j/ρb_i-j(1)

所述的公式(1)中，θ_cm-i-j为换算得到的冬小麦播种当日地表下i–j>v-i-j为冬小麦播种当日地表下i–j>i-j为地表下i–j>-3。θ_v-0-20、θ_v-20-40、θ_v-40-60、θ_v-60-80和θ_v-80-100经换算后分别得到地表下0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm、80-100cm土层的θ_cm-0-20、θ_cm-20-40、θ_cm-40-60、θ_cm-60-80和θ_cm-80-100。

5、用公式(2)分别计算出冬小麦播种当日地表下0-20、20-40、40-60、60-80和80-100cm土层的土壤蓄水量：

S_i-j＝0.1×H×ρb_i-j×θ_cm-i-j(2)

所述的公式(2)中，S_i-j为冬小麦播种当日地表下i–j>i-j为地表下i–j>-3；θ_cm-i-j为地表下i–j>

由公式(2)计算得到的地表下0-20、20-40、40-60、60-80和80-100cm土层的土壤蓄水量分别为S_0-20、S_20-40、S_40-60、S_60-80和S_80-100。

6、用公式(3)计算出冬小麦播种当日地表下0-20cm土层的土壤相对含水量：

θ_r-0-20＝θ_cm-0-20×100/FC_0-20(3)

所述的公式(3)中θ_r-0-20为冬小麦播种当日地表下0-20cm土层的土壤相对含水量，单位为％；θ_cm-0-20为上述步骤4)换算得到的地表下0-20cm土层的土壤质量含水量；FC_0-20为上述步骤2)人工采样并用常规方法测定的地表下0-20cm土层的持水量。

7、依据冬小麦播种当日的θ_r-0-20数值的大小，判断是否需要在冬小麦播种后补灌保苗水。

当冬小麦播种当日的θ_r-0-20值大于60％时无需补灌，小于等于60％时，则用公式(4)计算保苗水补灌量：

I_s＝0.4901θ_cm-0-20²-16.412θ_cm-0-20+173.29(4)

所述的公式(4)中I_s为保苗水补灌量，单位为mm；θ_cm-0-20为冬小麦播种当日地表下0-20cm土层的土壤质量含水量，单位为％。

保苗水补灌量最多不超过60mm。

该时期需要补灌时，使用灌溉水分布均匀度较高的微喷灌、喷灌或滴灌等设施进行精量灌溉。

8、使用雨量数据采集器获取的冬小麦播种至越冬期间的降水量数据，计算出该期间的总降水量P_ps。

9、将上述步骤5)计算得到的S_0-20和S_20-40相加得到地表下0-40cm土层土壤蓄水量S_0-40。

10、用公式(5)计算出冬小麦播种至越冬期间的根层主效供水量：

W_ps＝S_0-40+I_s+P_ps(5)

所述的公式(5)中W_ps为冬小麦播种至越冬期间的根层主效供水量，单位为mm；S_0-40为冬小麦播种当日地表下0-40cm土层土壤蓄水量，单位为mm；I_s为保苗水补灌量，单位为mm；P_ps为播种至越冬期间的总降水量，单位为mm。

11、于冬小麦越冬期，依据W_ps数值的大小，判断是否需要补灌促壮水。

当W_ps值大于等于150mm，或虽低于150mm但二者的差值小于5mm时，无需补灌；当W_ps值低于150mm，且二者的差值大于等于5mm时，则用公式(6)计算促壮水补灌量：

I_ps＝150-W_ps(6)

所述的公式(6)中I_ps为促壮水补灌量，单位为mm。

促壮水补灌量最多不超过60mm。

该时期需要补灌时，使用灌溉水分布均匀度较高的微喷灌、喷灌或滴灌等设施进行精量灌溉。

12、使用雨量数据采集器获取的冬小麦播种至拔节期间的降水量数据，计算出该期间的总降水量P_y1。

13、用公式(7)计算冬小麦播种至拔节期间的自然主效供水量：

W_y1＝S_0-40+P_y1(7)

所述的公式(7)中W_y1为冬小麦播种至拔节期间的自然主效供水量，单位为mm；S_0-40为冬小麦播种当日地表下0-40cm土层土壤蓄水量，单位为mm；P_y1为播种至拔节期间的总降水量，单位为mm。

14、于冬小麦拔节期计算稳产水补灌量。

如果保苗水和促壮水补灌量均为0mm，则用公式(8)计算稳产水补灌量：

I_y1＝-0.6829W_y1+173.17(8)

所述的公式(8)中I_y1为稳产水补灌量，单位为mm。

如果保苗水补灌量或促壮水补灌量大于0mm，则先用公式(9)计算出播种至拔节期所需的总补灌水量：

I_ty1＝-0.534W_y1+178.09(9)

所述的公式(9)中I_ty1为播种至拔节期所需的总补灌水量，单位为mm。

再用公式(10)计算稳产水补灌量：

I_y1＝I_ty1-I_s-I_ps(10)

所述的公式(10)中I_y1、I_s和I_ps分别为稳产水、保苗水和促壮水补灌量，单位为mm。

该时期需要补灌时，使用灌溉水分布均匀度较高的微喷灌、喷灌或滴灌等设施进行精量灌溉。

15、使用雨量数据采集器获取的冬小麦播种至子粒形成期期间的降水量数据，计算出该期间的总降水量P_y2。

16、利用上述步骤5)计算得到的S_0-20、S_20-40、S_40-60、S_60-80和S_80-100，通过加和计算出0-100cm土层土壤蓄水量S_0-100。

17、用公式(11)计算冬小麦播种至子粒形成期期间的自然主效供水量：

W_y2＝0.7S_0-100+0.3P_y2(11)

所述的公式(11)中W_y2为冬小麦播种至子粒形成期期间的自然主效供水量，单位为mm；S_0-100为冬小麦播种当日地表下0-100cm土层土壤蓄水量，单位为mm；P_y2为播种至子粒形成期期间的总降水量，单位为mm。

18、于冬小麦子粒形成期计算增产水补灌量。

首先用公式(12)计算出冬小麦播种至子粒形成期期间所需的总补灌水量：

I_ty2＝-1.2039W_y2+382.42(12)

所述的公式(12)中I_ty2为冬小麦播种至子粒形成期期间所需的总补灌水量，单位为mm。

再用公式(13)计算增产水补灌量：

I_y2＝I_ty2-I_s-I_ps-I_y1(13)

所述的公式(13)中I_y2、I_s、I_ps和I_y1分别为增产水、保苗水、促壮水和稳产水补灌量，单位为mm。

增产水补灌量最多不超过60mm。

该时期需要补灌时，使用灌溉水分布均匀度较高的微喷灌、喷灌或滴灌等设施进行精量灌溉。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明将便携式仪器田间测定技术与常规测定方法相结合，并以便携式仪器田间测定技术为主获取土壤水分信息，且仅需采集冬小麦播种当日地表下0-20、20-40、40-60、60-80和80-100cm土层土壤含水量及冬小麦各生育阶段的降水量，即可确定冬小麦各关键生育时期的需补灌水量。方法简单，易于操作。

2、水浇地冬小麦耗水的来源包括土壤贮水、自然降水和灌溉水。本发明以冬小麦节水高产为目标，依据冬小麦各生育阶段对水分的需求及土壤水和降水供给状况，精确计算冬小麦各关键生育时期需补灌水量，充分利用了土壤贮水和自然降水，不仅能保持冬小麦正常的高产水平，而且显著减少灌溉水投入，每公顷节水650立方米以上。

3、本发明所提供的按需补灌节水高产方法可通过相关技术软件的开发为冬小麦轻简化和信息化栽培提供理论、技术和数据支撑。

四、具体实施方式：

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后，可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但是只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

试验在山东省肥城市边院镇南仇村粉壤土地块上进行，种植冬小麦高产品种济麦22。试验田0-100cm土层土壤粘粒、砂粒和粉粒含量分别为10.8％、19.2％、69.8％。0-20cm土层土壤含有机质14.0g>-1、全氮1.0g>-1，含碱解氮、速效磷、速效钾分别为100.1、43.9和119.9mg>-1。

2014年10月11日播种冬小麦。采用冬小麦按需补灌节水高产方法操作如下：

1、于冬小麦种植田间安装雨量数据采集及远程传输系统。所述的雨量数据采集及远程传输系统包括雨量数据采集器、无线收发器和GPRS网络通讯终端设备。所述的无线收发器安装在雨量数据采集器上，并通过GPRS无线网络将采集的数据传输至GPRS网络通讯终端设备。所述的土壤水分记录仪采用浙江托普云农科技股份有限公司生产的TZS-3X型多点土壤水分记录仪，所述的雨量数据采集器采用JDZ05-1型雨量数据采集器，所述的无线收发器采用LS-CDMA DTU型收发器，所述的GPRS网络通讯终端设备采用HUAWEI GRA-UL00型号手机。雨量数据的采集每5000亩设置一个测定点。

2、利用人工采集土样并用常规方法测定土壤容重和持水量，包括：

(1)冬小麦播种当日播种田间地表下0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm、80-100cm土层土壤容重，依次为ρb_0-20、ρb_20-40、ρb_40-60、ρb_60-80、ρb_80-100；

(2)冬小麦播种当日播种田间地表下0-20cm土层的持水量，用FC_0-20表示。

本实施例对上述土层土壤容重和持水量的测定结果如表1所示。

表1本发明实施例测定的冬小麦播种当日播种田间地表下0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm、80-100cm土层的土壤容重和0-20cm土层的持水量

本试验田常年种植冬小麦，所以土壤容重和持水量的测定可以每3-5年进行一次。

3、于冬小麦播种当日，使用北京盟创伟业科技有限公司生产的SU-LA型高智能土壤水分测试仪采集播种田间地表下0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm、80-100cm土层土壤体积含水量数据，如表2所示。地表下0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm、80-100cm土层土壤体积含水量依次用θ_v-0-20、θ_v-20-40、θ_v-40-60、θ_v-60-80、θ_v-80-100表示。

4、土壤水分测试仪测定数据的换算。

用公式(1)将土壤水分测试仪测得的冬小麦播种当日地表下0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm、80-100cm土层的土壤体积含水量换算为土壤质量含水量。换算结果如表2所示。换算后得到的地表下0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm、80-100cm土层的土壤质量含水量分别用θ_cm-0-20、θ_cm-20-40、θ_cm-40-60、θ_cm-60-80和θ_cm-80-100表示。

表2本发明实施例土壤水分测试仪测得的冬小麦播种当日地表下0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm、80-100cm土层的土壤体积含水量及换算后得到的土壤质量含水量

5、用公式(2)分别计算出冬小麦播种当日地表下0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm和80-100cm土层的土壤蓄水量。本实施例计算得到的S_0-20、S_20-40、S_40-60、S_60-80和S_80-100分别为60.3、63.9、64.2、70.2和74.5mm。

6、用公式(3)计算出冬小麦播种当日地表下0-20cm土层的土壤相对含水量：

θ_r-0-20＝θ_cm-0-20×100/FC_0-20＝20.8×100/28.8＝72.2％。

7、依据冬小麦播种当日的θ_r-0-20数值的大小，判断是否需要在冬小麦播种后补灌保苗水。

由于本实施例的θ_r-0-20＝72.2％＞60％，所以无需灌溉保苗水。

8、使用雨量数据采集器获取的降水量数据，计算出冬小麦播种至越冬期间的总降水量P_ps＝22.5mm。

9、将上述步骤5)计算得到的S_0-20和S_20-40相加得到地表下0-40cm土层土壤蓄水量：

S_0-40＝60.3+63.9＝124.2mm。

10、用公式(5)计算出冬小麦播种至越冬期间的根层主效供水量：

W_ps＝S_0-40+I_s+P_ps＝124.2+0+22.5＝146.7mm。

11、于冬小麦越冬期依据W_ps数值的大小，判断是否需要补灌促壮水。

由于本实施例的W_ps＝146.7mm，虽低于150mm但二者的差值小于5mm，所以无需灌溉促壮水。

12、使用雨量数据采集器获取的降水量数据，计算出冬小麦播种至拔节期间的总降水量P_y1＝91.3mm。

13、用公式(7)计算出冬小麦播种至拔节期间的自然主效供水量：

W_y1＝S_0-40+P_y1＝124.2+91.3＝215.5mm。

14、于冬小麦拔节期计算稳产水补灌量。

由于本实施例的保苗水和促壮水补灌量均为0mm，所以采用公式(8)计算稳产水补灌量：

I_y1＝-0.6829W_y1+173.17＝-0.6829×215.5+173.17＝26.0mm。

本实施例的稳产水补灌量I_y1为26.0mm。

使用山东农业大学和山东东禾农业科技有限公司合作生产的小麦玉米周年生产变量肥水一体化灌溉系统进行精量灌溉。

15、使用雨量数据采集器获取的降水量数据，计算出冬小麦播种至子粒形成期期间的总降水量P_y2＝120.4mm。

16、利用上述步骤5)计算得到的S_0-20、S_20-40、S_40-60、S_60-80和S_80-100，通过加和计算出0-100cm土层土壤蓄水量：

S_0-100＝60.3+63.9+64.2+70.2+74.5＝333.1mm。。

17、用公式(11)计算出冬小麦播种至子粒形成期期间的自然主效供水量：

W_y2＝0.7S_0-100+0.3P_y2＝0.7×333.1+0.3×120.4＝233.17+36.12＝269.3mm。

18、于冬小麦子粒形成期计算增产水补灌量。

首先用公式(12)计算出冬小麦播种至子粒形成期期间所需的总补灌水量：

I_ty2＝-1.2039W_y2+382.42＝-1.2039×269.3+382.42＝58.2mm；

再用公式(13)计算增产水补灌量：

I_y2＝I_ty2-I_s-I_ps-I_y1＝58.2-0-0-26.0＝32.2mm。

由于32.2mm＜60mm，则本实施例的增产水补灌量I_y2为32.2mm。

使用山东农业大学和山东东禾农业科技有限公司合作生产的小麦玉米周年生产变量肥水一体化灌溉系统进行精量灌溉。

11、如表3所示，本实施例冬小麦全生育期总补灌水量为58.2mm，与传统畦灌处理相比，全生育期节水66.2mm，每公顷节水662立方米，增产185.3公斤。

表3本发明实施例冬小麦按需补灌与传统畦灌全生育期灌水量和产量对比