一种沙地山药灌溉模式的构建方法与流程

[0001]
本发明涉及农业经济作物种植灌溉技术领域，具体是指一种沙地山药灌溉模式的构建方法。


背景技术：

[0002]
山药对生长环境的要求并不太苛刻，适应能力较强。山药喜温，并且能够耐寒。但是种植山药不能涝 或干旱，不能够积水。山药的地上茎叶部分喜温怕霜，比较适宜的栽培温度为二十五至二十八摄氏度；适 宜块茎发芽的温度为十五摄氏度左右，在二十至二十四摄氏度时，块茎生长最为迅速，但当温度低于二十 摄氏度时，块茎的生长便会受到阻碍。块茎的生长需要充足的阳光，适宜于块茎积累养分。栽种山药适宜 选用阳光充足、地势平坦、有机质含量丰富、土壤结构疏松，排水性能以及透气好的沙质土壤。在沙地种 植铁棍山药，不仅挖沟省劲，而且容易收获。此外，沙地早春温度高，夏季昼夜温差大，适于山药的早熟 栽培、夏季的生长和山药根茎的膨大及蛋白质的积累。
[0003]
山药属于耐旱怕涝作物，抗蒸腾作用极强，但要获得高产、品质优良，需要满足其生长发育对土壤水 分的要求，由于山药生长期与汛期大部分吻合，正常年份不需要灌溉，但是由于降雨时空分布不均，干旱 时候需要及时补给土壤水分，发生涝灾后，应该尽快排除土壤中的水分，降低和控制地下水位。
[0004]
根据大量的资料查阅和现场走访一些山药种植的农民得知，山药受到降水条件或者灌溉因素造成的损 失极为普遍。一般山药在沙土地生长环境下产量较高，因为种植山药需要打深沟，且沙质土土壤结构松散， 保水保肥性能较差，在汛期由于降水集中，土壤含水量饱并下渗，导致山药塌沟，山药产量会急剧下降； 另外如果在山药成长期缺水季节，灌溉模式和灌水量得不到控制，也容易出现山药垄下陷，导致山药种植 失败。长期以来，农民在种植山药的过程中，断面一般为沟、垄模式，但是沟、垄的最佳设计尺寸及模式 需要根据山药生长的习性，实现最优化的断面设计；另外山药的传统灌溉是大水漫灌，或者在山药沟进行
ꢀ“
跑马水”，这些极容易导致山药的塌沟、减产，且汛期降水不能及时排除，也会导致塌沟减产，尽管当前 有一些高效节水灌溉模式，比如喷灌、管道灌溉等，但由于山药生长的特殊性，每年需要进行耕作打沟、 扎架等，喷灌设施等无法在田地里进行铺设，高效节水灌溉田间设施与山药的栽培相互冲突。农村农民对 于山药种植的最适合模式、灌溉模式缺少科学的依据，需要在科学的指导下优化和提升沙地的山药灌溉模 式，达到增收减灾的目标。
[0005]
根据广泛的调查，汛期的集中降水和灌溉方式的不妥当是导致山药塌沟、沉陷、减产的主要原因，特 别是丰水年份，需要保证田间积水迅速排出，减少积水导致的土壤饱和；遇到干旱年份，需要灌溉，需要 灌水量得到控制，并且水的停留时间足够短，既满足了山药生长的需水要求，又不至于塌陷造成减产，即 消除汛期积涝及灌溉水对山药种植造成不必要的损失。
[0006]
因此，一种沙地山药灌溉模式的构建方法有待提出。


技术实现要素：

[0007]
为解决上述技术问题，本发明首先构建模型，结合沙土地生长环境等相关的参数，计算适合沙地山药 灌溉模式的相关模式，其具备模式科学合理，能够适应山药的生长环境，节水效益显著、降低灌溉引起的 塌沟可能、增温保墒、技术简单投资少、防止土壤的次生盐渍化等突出优势。
[0008]
为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0009]
一种沙地山药灌溉模式的构建方法，包括山药栽培调查、山药沟灌断面模式函数设计以及山药沟灌断 面优化，其中，
[0010]
所述山药栽培调查包括栽培季节确定、选地施肥、肥水管理、搭架整枝与采收；
[0011]
所述山药沟灌断面模式函数设计包括沟灌目标函数的构建与求解；
[0012]
所述山药沟灌断面优化包括覆膜沟缝灌模式拟定、覆膜沟缝灌断面拟定与田间管理。
[0013]
进一步地，所述栽培季节确定包括：
[0014]
露地栽培，春种秋收，生长期180天以上，并于4月上、中旬栽植；所述选地施肥选择地势向阳、平 坦、土层深厚、质地疏松、土壤肥沃、透气性强、排水良好的冲积土或沙质土壤种植，冬季挖深沟，立春 后施肥，然后起垄，并盖上黑色地膜等待定植；所述肥水管理包括根据土壤湿度和土壤质地适度浇水，雨 季及时排涝，追肥2-3次；所述搭架整枝包括支架，支架后按山药茎左旋的特性，用手稍加扶引上架；所 述采收为在10月下旬当地上茎叶枯黄时，先采收株芽，再拆除支架，割去茎蔓，挖出地下块根。
[0015]
进一步地，所述沟灌目标函数的构建与求解引用沟灌目标函数和约束条件，在打沟筑垄后，建立沟灌 几何规划的目标函数，并进行求解，其中，
[0016]
1)目标函数的约束条件包括灌水效率约束p1，即：
[0017][0018]
式中：d
u
为作物根系深度，单位m；b为两沟之间的距离，单位m；ks为入渗长度占沟长的百分数； l为沟长，单位m；α、c同h、b为试验求得的系数和指数；n为沟的糙率；s0为沟的坡度；
[0019]
2)目标函数的约束条件包括沟的沿田块宽度条数约束p2和沟的水流长度约束p3分别为：
[0020][0021]
式中：b
f
为田块宽度，单位m；b为沟的间距，单位m；q
fmin
、q
fmax
分别为沟灌最小和最大流量，单 位m3/s；q
f
为田块流量，单位m3/s；
[0022]
p3＝l
f
/l
max
≤ne≤l
f
/l
min
ꢀꢀꢀ
(3)；
[0023]
设新变数v为：
[0024]
v＝t-p(kpl)h
ꢀꢀꢀ
(4)；
[0025]
或t＝v+p(kpl)h
ꢀꢀꢀ
(5)；
[0026]
3)建立沟灌几何规划的目标函数：
[0027][0028]
式中：n
w
为灌水沟组数；n
fs
为每组灌水沟数目，n
fs
＝qf/q
f
；
[0029]
4)将t代入并整理沟灌几何规划的数学模型为：
[0030][0031]
约束于p1、p2、p3，得到：
[0032][0033]
解此几何规划，得沟灌最优尺寸。
[0034]
进一步地，所述覆膜沟缝灌模式拟定包括利用覆膜保护山药垄，避免灌水造成塌沟，灌溉水在原状土 表面进行，利用覆膜之间的缝隙入渗，达到灌溉的目的；所述覆膜沟缝灌断面拟定包括将地膜铺在垄背上， 因垄下已进行了开沟处理，为避免塌沟，需进行覆膜保护，并将覆膜往垄下延伸，两垄之间的相邻两膜在 沟底留5～10cm的膜缝，作为灌溉的渗水带，沟长100m，通过膜缝供给山药生长的水分；所述田间管理包 括保证覆膜缝隙灌溉的均匀程度，提高灌水质量，土地要平整，沟垄应平直无弯，沟底和沟垄的土壤做到 不要有小坑、小包，不能有大土块，土块中不能有杂草。
[0035]
采用以上方法后，本发明具有如下优点：
[0036]
(1)山药沟灌断面设计更科学合理。因为山药种植模式是沟垄的种植，在打沟筑垄后，预留排水沟， 但是断面尺寸需要得到最优化，根据几何规划法，构建适合沙地山药沟灌的目标函数，并根据相应的约束 条件进行求解。
[0037]
(2)节水效益显著。山药覆膜沟缝灌溉是一种可控制的局部灌溉，在覆膜渗水带的渗灌中，施水面 积只占整个种植面积5％-10％左右；灌溉水从渗水带向周围入渗，不直接接触打沟回填的松软土体，打沟 的松软土体土壤含水量不会在短时间内饱和，既满足了作物正常需水量，又有效控制了单位面积灌水量， 降低了灌水定额。
[0038]
(3)提高了汛期的排水效率，缩短了排水周期。因为我国暖温带主汛期一般为6月-9月，这个时期 正好是山药的生长期，汛期的强降水是造成山药塌沟、大幅度减产的直接因素，所以在山药垄上覆盖薄膜 并预留缝，因为薄膜具有防渗作用，特别是打沟的松散土质区，缩短了山药排水周期，排水周期缩短了50％ 以上，而下渗水分减少了60％，但是预留膜缝的作用是留给山药足够的水分，又不至于造成垄塌陷。
[0039]
(4)大大降低了灌溉引起的塌沟可能。灌水质量的好坏依据是灌水后水分在土壤空间的分布情况， 覆膜沟缝灌溉使灌水量的入渗得到了有效控制，虽然其土壤的水量分布存在不均衡，但是满足灌溉要求的 同时避免了塌沟损失，解决了长期以来灌溉塌沟的难题，山药覆膜沟缝灌溉后土壤的含水量可达田间持水 量的70-80％左右。
[0040]
(5)增温保墒。由于整个山药生长期内山药被薄膜覆盖，膜下土壤白天积蓄的热量晚上不易散失， 土壤中的水分在膜内进行小循环，湿润表层土，发挥了地膜早期增温的热效应，保墒效果好。
[0041]
(6)技术简单、投资小。覆膜沟缝灌溉是在地膜栽培技术的基础上发展起来的，只
是在铺膜和灌水 方式上进行了改变，栽培措施和管理方法与膜侧沟灌基本相同。因此，覆膜沟缝灌溉技术简单易行。
[0042]
(7)防止土壤的次生盐渍化。虽然覆膜沟缝灌溉渗入水量小于沟灌，形成重力水淋盐不如膜侧沟灌， 但由于覆膜沟缝灌溉垂直入渗强度大，作物吸水量较小，水量分布均匀，加之铺膜面积大、保墒好、蒸发 减少，所以抑制返盐能力强，表层土壤脱盐率高于普通沟灌。
附图说明
[0043]
图1是本发明的技术路线图；
[0044]
图2是本发明的试验样地土壤粒度分布图；
[0045]
图3是本发明山药覆膜缝隙灌溉断面示意图。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
[0047]
如附图1所示，该发明主要包含以下步骤：
[0048]
(1)山药栽培技术调查，工作流程为栽培季节确定、选地施肥、肥水管理、搭架整枝与采收；
[0049]
(2)山药沟灌断面模式函数设计，依次建立沟灌几何规划的目标函数、求解沟灌模型最优解、设计 山药覆膜缝隙灌溉模型；
[0050]
(3)山药沟灌断面技术优化，包括覆膜沟缝灌模式拟定、覆膜沟缝灌断面拟定与田间管理。
[0051]
如附图2所示，该示范区土壤多为沙性土壤，土壤孔隙率较大，保肥、保水性能相对较差，0.4m土 层平均土壤干容重1.36g/cm3，田间持水率占土体24％，有机质1.2％～1.43％，全氮0.075％～0.95％。项目 区土壤采样深度取1.6米，从地表至最底端每20cm用环刀取土壤样品，共计8个样本，分析试验区的土 壤颗粒的分布，研究灌溉水下渗情况。根据附图2可知，x轴上1代表粒度直径范围＞2mm；2代表粒度直 径范围在0.6-2mm之间；3代表粒度直径范围在0.2-0.6mm之间；4代表粒度直径范围＜0.2mm。
[0052]
如附图3所示，提供一种山药沟灌几何规划的目标函数。
[0053]
山药种植模式是沟垄的种植，在打沟筑垄后，种植垄上沟灌较适合山药的沟垄种植模式，建立沟灌几 何规划的目标函数：
[0054][0055]
式中：q
f
为沟灌流量(m3/s)；n
w
为灌水沟组数；n
fs
为每组灌水沟数目(n
ft
＝q
f
/q
f
，q
f
为田块流量)， 其他符号与畦田灌溉的几何规划方法中(1)式相同，这里仅将“畦”字改为“沟”字。
[0056]
约束条件：
[0057]
灌水效率约束p1，采用雷弟同克奈玛经验公式计算，即
[0058][0059]
式中：d
u
为作物根系深度(m)；b为两沟之间的距离(m)；ks为入渗长度占沟长的百分数；l为沟 长(m)；α、c同h、b为试验求得的系数和指数；n为沟的糙率；s0为沟的坡度。
[0060]
沟的沿田块宽度条数约束p2和沟的水流长度约束p3分别为：
[0061][0062]
式中：b
f
为田块宽度；b为沟的间距；q
fmin
、q
fmax
分别为沟灌最小和最大流量；q
f
为田块流量。
[0063]
p3＝l
f
/l
max
≤n
e
≤l
f
/l
min
ꢀꢀꢀ
(3)
[0064]
设新变数v为：
[0065]
v＝t-p(k
p l)
h
ꢀꢀꢀ
(4)
[0066]
或t＝v+p(k
p l)
h
ꢀꢀꢀ
(5)
[0067]
将t代入重新整理沟灌几何规划的数学模型为：
[0068][0069]
约束于p1、p2和p3，
[0070][0071]
解此几何规划，得沟灌最优尺寸。
[0072]
实施例一
[0073]
提供一种山药沟灌目标函数求解模式。
[0074]
目标函数：
[0075]
min
z
＝0.4396n
w
n
e
v
÷
10906n
w-0.0277
n
e-1.227
+1306n
e
[0076]
约束于
[0077][0078]
本例考虑目标函数和p1约束，项数t＝4，变数n＝8(即n
w
，n
e
，v)，故难度为零。满足归一性和 正交条件，即：
[0079]
w
01
+w
02
+w
03
＝1
[0080]
n
e
：w
01-1.227w
02
+w
03
＝0
[0081]
n
w
：w
01-0.227w
02-0.196w
04
＝0
[0082]
v：w
01-0.742w
04
＝0
[0083]
解上述线性方程组求得w
01
＝0.139，w
02
＝0.45，w
03
＝0.411，w
04
＝0.102，代入对偶函数并求得原 问题最小值z*＝4558。
[0084]
由目标函数第三项得：
[0085]
1306n
e
＝w
03
z*＝0.411
×
4588
[0086]
n
e
＝1.44，因n
e
≥2，取n
e
＝2
[0087]
由目标函数第二项得：
[0088]
10906n
w-0.227
n
e-1.227
＝w
02
z*＝0.45
×
4588；
[0089][0090]
n
w
＝11
[0091]
将n
e
、n
w
代入约束p1得：
[0092]
v
0.7999
(0.555n
w
0.3152+0.479)+1.697n
w0.3152
+1.467＝57.76
[0093]
v＝75.73
[0094]
已知田块长度为405m，故每条沟长
[0095]
已知田块流量为158l/s，每条沟流量为2.2，故每组沟的条数n
fs
＝q
f
/q
f
＝158/2.2＝72条，
[0096]
已知入渗参数k
p
＝0.9，p＝0.0245，h＝1.55，由灌水时间t＝v+p(k
p
l)
h
＝75.73+0.0245(0.9
×
202.5) 1.55
＝153.93min。
[0097]
本发明膜缝灌是沟内膜上灌的改进形式，将地膜铺在垄背上，因为垄下已经进行了开沟 处理，为避免塌沟，需要进行覆膜保护，并将覆膜往垄下延伸，两垄之间的邻两膜在沟底留有5～10cm的 膜缝，作为灌溉的渗水带，沟长约100m，通过膜缝供给山药生长的水分，节水效果明显，避免了塌沟的 问题，另外汛期降水的排除也缩短了周期。但是，这种灌溉方式降低了灌溉的效率，要经过较长的时间才 可以将灌溉水渗入土体内，实践证明，该种模式的灌溉模式的优化最突出的塌沟现象得到了最大程度的避 免。
[0098]
需要强调的是：以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说 明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括 在本发明的专利保护范围内。