简要信息

【获奖类型】应用一等奖

【任务来源】科技部农业科技成果转化项目

【课题编号】04EFN216800349

【课题起止时间】2004年11月～2006年12月

【完成单位】水利部牧区水利科学研究所

内蒙古农业大学

甘肃省水利厅

内蒙古水利厅

【主要完成人】郭克贞、佘国英、魏占民、佟长福、闫有勇、畅利毛、陈德亮、苏佩凤、段恒荣、吕  森

立项背景

进入21世纪以来，我国草原生态因草畜矛盾长期积累而爆发，并压变为全国性的生态灾难，严重影响国家生态安全，边疆少数民族地区社会稳定和经济发展，为加强草原生态保护建设工作力度，中央在近年来的一号文件中多次强调发展饲草料地灌溉，保护草原生态，促进人与自然和谐。2004年农业科技成果转化资金项目《西北牧区饲草料基地高效节水集成技术示范》由科技部批准立项，合同编号04EFN216800349。项目在甘肃省水利厅、内蒙古自治区水利厅的大力配合下，在甘肃省天祝藏族自治县和内蒙古自治区的鄂尔多斯两地进行技术示范推广的同时开展了人工牧草节水灌溉技术的深化、熟化和创新研究。以大量的技术示范监测资料、调研资料整理分析的同时，进行了田间试验观测研究，经广泛基础资料分析研究与优化计算，形成《西北牧区人工草地水分运移消耗与高效灌溉优化模式研究》。

详细科学技术内容

（1）西北地区干旱指标及旱情实时评估技术研究

在进行西北地区旱灾形成与发展趋势分析的基础上，根据风险理论，建立包括农业干旱发生概率、抗旱能力、受灾作物种植面积比等多因子的灌区人工草业干旱风险评估模型。对常用的四种干旱指标，即降水量指标，供需水关系（土壤含水量）指标，Palmer干旱指标和综合干旱指标进行分析，在指出各评估指标不足的基础上，建立了农业干旱评估指标的量化模型，即农业干旱评估指标的静态模型（）、动态模型（）和评价指标，应用这一评价体系对2005年旱情进行了评估，D=0.289，为中等干旱年，与实际旱灾发生强度相符，能较准确的反映干旱给农业造成的损失。

在分析旱灾发生情况的基础上，建立了干旱风险评估模型（），可利用实时气象资料，根据近期降水、土壤底墒（前期降水）和气温三种因素计算干旱指数，对旱情进行实时监测和灌区旱灾风险评估，分析灌区各种饲草料作物对干旱风险度影响最大的生育阶段和风险度最高的饲草料作物，为牧区制定合理的抗旱方案提供参考依据，以制定合理的抗旱减灾方案。

（2）饲草料地土壤水分动态规律及其预测模型研究

根据田间小区试验观测资料，分析了土壤水分的时空变化特征，研究认为：土壤水分含量在年内变化规律明显，4～7月为迅速失墒期， 5～6月土壤水分严重亏缺，不利于多年生牧草（如披碱草等）的返青和饲草料作物及农作物的出苗；8～9月为雨季增墒期，正常年份可满足饲草料作物的正常生长。建立了饲草料基地土壤水分动态预测的BP人工神经网络模型，经与实测数字拟合，平均绝对误差为0.92；≤10%的相对误差为76.90%；预报值与实测值线性相关系数（R）为0.9440。可利用该模型预测种植区不同时段的土壤水分状况和墒情类别，以提高水分利用率，制定科学、合理的灌溉方案，以便及时采取必要的抗旱补墒措施，对提高抗旱决策具有重要的现实意义。

（3）西北牧区气候因子与牧草产量的关系研究

依据试验观测资料，采用关联分析方法，对影响牧草产量的主要气候因子（降雨、温度、相对湿度、太阳辐射、日照等）进行了动态相互关系探讨。在饲草料作物产量与降水、温度、湿度和太阳辐射单因子相关性分析的相关系数分别为0.9259、0.7880、0.8090和-0.7774；其显著性分别为：高度显著、显著、高度显著、不显著；项目建立了饲草料作物产量与降雨、气温、湿度、太阳辐射、土壤含水量的5个环境因子回归方程，采用多元回归分析法应用该方程对这一地区的饲草料作物与环境因子相关性进行了分析，其总期望系数分别为：0.3819、0.5368、0.2252、0.1056、0.6541，其显著性分别为：较显著、显著、不显著、不显著和显著；在此基础上利用水-热指数建立饲草料作物产量积累的农业气象模型（），并应用多元回归模型和周期方差分方法的结合，对牧草产量进行了模拟。本研究采用最优化原理期望值系数法分析，得出影响人工牧草产量最大的环境因子是土壤含水量，其次是温度和降雨量，客观证明了当地发展草原灌溉的重要性；提出了预测人工牧草产量形成的水—热指数模型，并确定了相应的参数、系数，可较好地服务于区域性人工草地生产力评价。

（4）西北牧区人工草地SPAC系统水分能量关系研究

利用能量平衡原理，在分析土壤水势、人工牧草叶水势、大气水势对植物水分蒸腾蒸发影响的基础上，深入探讨人工草地SPAC系统水分运移与能量损耗之间的相互关系，研究揭示了一年生禾本科牧草（燕麦）、多年生禾本科牧草（披碱草）、多年生豆科牧草（紫花苜蓿）叶水势与土壤、大气水势的关系。研究发现，人工牧草的叶水势与大气水势和土壤基质势呈正相关的线性关系。土壤水势对叶水势的影响较大气水势大。在时间上基质势的日变幅较小，叶水势和大气水势的日变幅较大。在空间上，大气水势远远大于作物叶水势，作物叶水势大于土壤基质势。大气水势与牧草叶水势、牧草叶水势与土水势之间存在10倍以上的水势差，而土水势与大气水势存在100倍以上的水势差，这一水势差维持了人工草地的正常水分运动。为人工牧草水分生理调控提供技术支撑。

（5）人工牧草需水规律、需水量与水分经济需水量研究

根据试验观测资料，采用水量平衡法、Penman-Monteith法、修正Penman法以及BP神经网络模型，在系列参数、系数确定的基础上，对燕麦、披碱草、紫花苜蓿不同亏水状态下减产状况分析和耗水量研究的基础上，进行需水量计算，确定了3种人工牧草正常生长的需水量，及其水分经济需水量，并对其需水关键期及其作物需水系数、需水规律进行研究确定，燕麦全生育期需水量为240m3/亩，其水分经济需水量为189m3/亩；需水强度介于1.69～3.97m3/亩·d之间；披碱草全生育期需水量为254m3/亩，其水分经济需水量为227m3/亩，需水强度介于1.30～2.92m3/亩·d之间；紫花苜蓿在3次青刈利用条件下整个生长季的需水量为642m3/亩，其水分经济需水量为544 m3/亩，需水强度刈后显著降低，变化规律为1.77 m3/亩→5.92 m3/亩→2.17 m3/亩→6.30 m3/亩→3.23 m3/亩→5.72 m3/亩→2. 17 m3/亩；并进行了需水量预报方法的探讨，为更好的调控饲草料地土壤水分和发展节水灌溉草业生产、促进地方经济发展提供了技术支撑。

（6）西北地区人工牧草合理灌溉定额与灌溉制度优化

本项研究应用确定型动态规划模型进行了灌溉制度优化。提出西北地区人工牧草合理灌溉定额，人工牧草主要是披碱草的合理灌溉定额最大为145m3/亩，最小应考虑在雨养条件下是否有产量。当C≥0时，最小灌溉定额为追求生产弹性系数最大时的灌溉定额；当C<0时，最小灌溉定额为58m3/hm2。当灌水定额M<35m3/亩时，灌溉水量应首先应保证返青期灌水需求，当35 m3/亩≤M≤65m3/亩时，灌水量依次保证返青期和拔节—抽穗期的灌溉用水；如水源充足，M>145m3/亩时，可以考虑在拔节-抽穗期灌2次水。紫花苜蓿：当M≤50m3/亩时,灌溉的水量应首先保证紫花苜蓿现蕾期灌水需求。当50 m3/亩≤M≤100m3/亩时，灌水量依次保证分枝期和现蕾期的灌溉用水，紫花苜蓿的产量随灌溉定额的增加有大幅度增加；当100 m3/亩≤M≤150m3/亩时，灌水量依次保证分枝期和现蕾期和返青期灌水；当M≥150m3/亩时，随灌溉定额的增加产量增加幅度较小，可以考虑在开花期不灌水。

在对饲草料作物产量和灌溉定额进行分析的基础上，根据试验观测资料，建立灌溉定额与作物产量关系的优化模型，并利用该模型进行饲草料作物可获得的最高产量下的最佳灌溉定额和优化灌溉制度研究，为加强灌溉用水管理，发展节水灌溉草业生产服务。

（7）西北牧区人工牧草的作物-水模型确定

我国通常采用Jensen、Minhas、Blank、Stewart、Sing等静态作物-水模型以及机理性和经验性动态模型推求作物水分敏感指数。本研究采用静态模型，在进行不同灌溉人工牧草各阶段需水量与相应产量的关系研究的基础上，选择目前国际上采用的加法、乘法模型，进行披碱草、燕麦和紫花苜蓿的水分敏感指数拟合研究，经拟合提出3种牧草生育阶段水分敏感程度：披碱草采用Minhas模型较好，相关系数达0.95，F>F0.01，其各生育阶段水分敏感程度的高低顺序为：拔节-抽穗期、灌浆-成熟期、分蘖-拔节期、抽穗-开花期、返青-分蘖期，以拔节-抽穗期对水分最为敏感；燕麦则采用Stewart模型较好，相关系数达0.95，F>F0.01，其各生育阶段水分敏感程度的高低顺序为：抽穗-开花期、拔节-抽穗期、分蘖-拔节期、苗期-分蘖期、开花-收获期，以抽穗-开花期对水分最为敏感；紫花苜蓿采用 Stewart模型能较好，相关系数达0.92，F>F0.01，其各生育阶段水分敏感程度的高低顺序为：现蕾-开花、分枝-现蕾、返青-分枝、开花-结荚，以现蕾-开花期对水分最为敏感。根据不同生育期的水分敏感指数和水分敏感期，以加强灌溉用水管理。

（8）西北牧区人工草地非充分灌溉制度优化研究

在根据水势（土壤水势、大气水势和叶水势）理论建立作物水模型，对燕麦、披碱草和紫花苜蓿-水模型及关键灌水期研究的基础上，应用基于加速遗传算法的二维动态规划法对作物间水量分配（灌溉制度优化）研究，并结合小区试验和示范区实际灌溉用水情况，确定以披碱草为代表的多年生禾本科人工牧草，灌水量应保持在150～300mm之间，其产草量可达到充分灌溉的80%～95%，而灌溉用水量仅是充分灌溉的38%～75%，水量较少时应优先满足分蘖—拔节、拔节—抽穗期灌溉用水，水量较多时则返青—分蘖水也显得较为重要；以燕麦草为代表的一年生禾本科人工牧草，灌水量应保持在150～200mm之间，其产草量可达到充分灌溉的86%～95%，而灌溉用水量仅是充分灌溉的42%～72%，水量较少时，生育前期—苗期（播前）、分蘖—拔节、拔节—抽穗期应基本平均分配灌溉用水；水量较多时，则苗期（播前）—分蘖可安排较多的灌溉水量；紫花苜蓿在3次刈割利用的情况下，当M≤150mm时，对于第一茬紫花苜蓿，灌溉的水量应首先保证返青期灌水需求，对于第二、三茬紫花苜蓿，灌溉的水量应首先保证现蕾期灌水需求；当150mm≤M≤300mm时，每一茬紫花苜蓿的灌水量应依次保证分枝期和现蕾期的灌溉用水；当300mm≤M≤450mm时，每一茬紫花苜蓿的灌水量依次保证分枝期和现蕾期和返青期灌水。并列表给出适合当地自然气候条件下得分充分优化灌溉制度，为技术推广应用奠定了基础。

（9）饲草料基地节水灌溉效益评价研究

项目采用层次分析法评价了示范区人工牧草节水灌溉工程的生态效益，建立经济效益、生态效益评价指标体系，从生态效益综合评价系统的权重结果可以看出：小气候效益所占权重值最大，说明饲草料地节水灌溉可显著的改善草地近地层小气候；其次为生物效益，说明发展灌溉人工饲草料地可使天然草场群落结构得到一定程度的改善；然后是土壤改良效益。

同时以示范区节水工程建设、工程运行管理为基础进行了饲草料基地节水灌溉工程投入-产出核算和经济效益评价，并对草原节水灌溉的生态效益进行了评价研究，以说明西北牧区饲草料地节水灌溉的可行性。

发明及创新点

项目核心技术结合当地自然条件熟化、深化形成较为完整的高效灌溉用水管理技术体系，具有较强的先进性和实用性，在人工草地SPAC水分运移消耗规律、人工草地BP神经网络需水量预报、人工牧草作物-水模型优化、人工草地RAGA-DP模型非充分灌溉制度优化等方面具有较大创新。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

经同行专家鉴定，该项研究成果系统解决了西北牧区人工草地节水灌溉的关键理论技术问题，与当前国内外相关技术成果综合比较，整体达到了国际先进水平。

成果应用情况及社会经济效益

该项目在甘肃省水利厅、内蒙古水利厅以及两省区有关地方水利局的大力支持配合下在甘肃省天祝县建成饲草料节水灌溉示范工程3000亩，技术推广辐射面积达到5万亩。示范区人工牧草干草产量800多kg/亩，直接间接经济效益2600万元，社会、生态效益显著。

项目在内蒙古鄂尔多斯草原及相邻的中西部地区进行了技术示范推广，技术示范面积近1万亩，技术推广辐射面积达到50万亩以上，节水35%，水分生产率提高40%以上，直接间接经济效益2.5亿元，为保护草原生态，提高牧民生活作出了贡献。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

以饲草料地节水灌溉为中心的牧区水利工作作为水利部的3个亮点提出多年,倍受水利部各级领导的关注,灌溉饲草料地因具有极大的增产稳产、抗灾保畜功能，经过研究示范和宣传引导，作为草原生态保护、牧民脱贫致富的有效保障技术措施受到各方所公认。人工牧草灌溉实验研究由于经费所限，试验研究布点稀少且分布不均，对于广大的西北地区、众多种类的人工牧草干旱预测模型、产量与气候因子的关系、需水规律与需水量、牧草—水模型、非充分灌溉制度及其优化还需多点、长历时的深入实验研究，以适应蓬勃发展的饲草料地节水灌溉需求。

项目试验研究小区牧草长势                  技术示范推广