CN105075575A - 一种在宽窄行间作的玉米、大豆的产量预测方法和灌水质量的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在宽窄行间作玉米、大豆产量预测和灌水质量评价方法，它通过测量得到年平均气温T，多年平均降水量R，平均日照时数H，无霜期T0以及作物全生育期耗水量等影响因子进行玉米、大豆预测产量S和灌水质量评价Index。本发明通过实验和数学演算实现了在宽窄行间作进行玉米、大豆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。

Description

一种在宽窄行间作的玉米、大豆的产量预测方法和灌水质量的评价方法

技术领域

本发明涉及农业种植与农田灌溉，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，加快农田节水灌溉的节奏，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，探索有效的节水灌溉方法，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。如何在宽窄行间作玉米、大豆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，实现农业增效、农民增收的目标。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种在宽窄行间作的玉米、大豆的产量预测方法和灌水质量的评价方法。

本发明的技术方案如下：1.一种在宽窄行间作玉米、大豆产量的预测方法和灌水质量的评价方法，其特征为：

产量的预测：

1)首先把所述宽窄行间作的试验地块长度设定为15m，面积为1680m²；种植玉米和大豆，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1.34g/cm³～1.44g/cm³之间，田间持水量为23％～33％之间，土壤有机质平均含量为0.86％～0.96％，全氮平均含量0.0529％～0.0609％，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斤和灌水质量评价值Index；其中种植两行玉米、大豆的间距为行距x(单位cm)、单株之间的间距为株距y(单位cm)；

2)根据监测设备测量得到年平均气温T℃，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)；

3)将测得的以上数据通过以下公式计算出在所述宽窄行间作的玉米、大豆产量在时间上的微分变化，从而求出在所述宽窄行间作的玉米(大豆)产量S的产量；

$\mathrm{dS}=\frac{\mathrm{ET}}{{\mathrm{aET}}^2+\mathrm{bET}+c+\mathrm{xyET}+T_0\×H(\mathrm{ET}\×T-R)}\mathrm{dET}$

式中：ET为作物全生育期耗水量(mm)，a、b、c分别为用于拟合的不同的回归系数；

灌水质量的评价

4)测量灌水有效利用效率A(单位％)、储水效率B(单位％)和灌水均匀度C(单位％)的三项评价指标；

5)将上述三项评价指标求和得出的数值Sw与上述测得的产量值S相除得到灌水质量评价值Index，所述的Index的值最大即为所述宽窄行间作玉米、大豆的灌水质量评价的最优值。

根据以上相关技术因素预测宽窄行间作的玉米(大豆)产量S的拟合值，窄行间作的玉米(大豆)S的拟合值由作物全生育期耗水量和自然环境两部分因素所影响；

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玉米(大豆)产量S的关系：

S＝aET²+bET+c(1)

式中：ET为作物全生育期耗水量(mm)，a、b、c分别为用于拟合的不同的回归系数；

玉米(大豆)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；

目前，多采用一次函数关系即公式二来描述地理环境(在窄行间作的试验地块的面积)与窄行间作的玉米(大豆)产量S的关系：

S＝xyET(2)

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(大豆)产量S的关系：

S＝T₀×H(ET×T-R)(3)

根据公式(1)、公式(2)、公式(3)得到总的产量影响系数

λ＝aET²+bET+c+xyET+T₀×H(ET×T-R)，而在生育期里面，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(大豆)产量的系数主要在时间刻度上呈ET的平方的系数而进行变化，并且得到时间产量微分公式 $\mathrm{dS}=\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dET}}\mathrm{dET}---\left(4\right)$

将公式一、公式二、公式三代入公式四获得如下产量S的计算公式：

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

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。

附图说明

图1为本发明的作物全生育期耗水量与玉米(大豆)产量S的关系图。

具体实施方式

为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，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细的叙述。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，能实现同样功能的方案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：

本实施例采用的对玉米(大豆)产量S预测方法(单位斤)和灌水质量评价方法Index(单位％)是2009年6月～2011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宽窄行间作的试验地块长度设定为15m，面积1680m²；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1.34g/cm³～1.44g/cm³之间，田间持水量为23％～33％之间，土壤有机质平均含量为0.86％～0.96％，全氮平均含量0.0529％～0.0609％，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(大豆)产量，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、大豆播种方法，是在麦收后隔行点播玉米，玉米行株距为40cm(行距)×20cm(株距)，大豆穴距为40cm(行距)×20cm(穴距)，每穴两株。玉米、大豆间距为40cm。

灌溉方法，是在作物关键生理时期，在所述行间灌溉农田灌溉水，地面上作物依靠根部吸收地下水分来满足其水分需求。

在所述的宽窄行间作地面上种植两行玉米，根据影响因子得到玉米(大豆)产量S(单位斤)和灌水质量评价方法Index(单位％)；

其中两行玉米(大豆)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宽窄行间作中的玉米(大豆)产量S的拟合值，其中玉米(大豆)产量S的拟合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(大豆)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拟合得到的，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为二次函数拟合的不同的回归系数；

玉米(大豆)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所述地理环境(所述的在宽窄行套做的试验地块的面积)与玉米(大豆)产量S的关系：

S＝xyET(2)

目前，多采用一次函数关系来描述所述自然环境与玉米(大豆)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)，由于在一个生育期里，玉米(大豆)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

$\mathrm{dS}=\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dET}}\mathrm{dET}---\left(4\right)$

将公式(1)、(2)、(3)代入式(4)获得如下公式：

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

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。

举例说明本发明中的作物全生育期耗水量与玉米(大豆)产量S的关系的试验和数学拟合过程。

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夏玉米和大豆灌水方案设计(mm)

表2夏玉米和大豆的复合产量及其构成因子

表3夏玉米和大豆的水分生产效率

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分别为回归系数。

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。

根据夏玉米和大豆的田间试验实测资料，分别点绘出常单作种植和宽窄行间作种植产量与全生育期耗水量的关系图，见图1。可以看出：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两个个阶段：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。夏玉米和大豆的复合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。

夏玉米和大豆的水分生产函数关系式为：

Y＝-0.4427ET²+369.30ET-68951R²＝1.0000(2)

由式2计算得到宽窄行间作夏玉米和大豆复合产量在取得最大产量8066.44kg/hm²时的耗水量为417.10mm；由式2计算得到常规种植模式夏玉米在取得最大产量7035.80kg/hm²时的耗水量为455.55mm。种植结果表明在节水38.45mm的情况下，夏玉米和大豆的复合产量提高1030.64kg/hm²。这说明小麦、玉米宽垄沟灌能够实现夏玉米和大豆的节水高产。

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宽窄行间作玉米大豆产量；

本发明的发明效果是根据实践，在周年宽窄行间作玉米、大豆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、大豆产量；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，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。

Claims (1)

1.一种在宽窄行间作玉米、大豆产量的预测方法和灌水质量的评价方法，其特征为：

产量的预测：

1)首先把所述宽窄行间作的试验地块长度设定为15m，面积为1680m²；种植玉米和大豆，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1.34g/cm³～1.44g/cm³之间，田间持水量为23％～33％之间，土壤有机质平均含量为0.86％～0.96％，全氮平均含量0.0529％～0.0609％，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斤和灌水质量评价值Index；其中种植两行玉米、大豆的间距为行距x、单株之间的间距为株距y；

2)根据监测设备测量得到年平均气温T，多年平均降水量R，平均日照时数H，无霜期T₀；

3)将测得的以上数据通过以下公式计算出在所述宽窄行间作的玉米、大豆产量在时间上的微分变化，从而求出在所述宽窄行间作的玉米、大豆产量S的值；

$\mathrm{dS}=\frac{\mathrm{ET}}{a{\mathrm{ET}}^2+\mathrm{bET}+c+{\mathrm{xyET}+T}_0\×H(\mathrm{ET}\×T-R)}\mathrm{dET}$

式中：ET为作物全生育期耗水量，a、b、c分别为用于拟合的不同的回归系数；

灌水质量的评价：

4)测量灌水有效利用效率A、储水效率B和灌水均匀度C的三项评价指标；5)将上述第4步骤中的三项评价指标求和得出的数值Sw与上述测得的产量值S相除得到灌水质量评价值Index，所述的Index的值最大即为所述宽窄行间作玉米、大豆的灌水质量评价的最优值。