基于RZWQM模型的石羊河流域春小麥灌溉制度優(yōu)化

周始威，胡笑濤※，王文娥，Allan A.Andales，張亞軍

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；2.美國科羅拉多州立大學(xué)土壤與作物科學(xué)系，科羅拉多州 80523）

基于RZWQM模型的石羊河流域春小麥灌溉制度優(yōu)化

周始威1，胡笑濤1※，王文娥1，Allan A.Andales2，張亞軍1

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；2.美國科羅拉多州立大學(xué)土壤與作物科學(xué)系，科羅拉多州 80523）

為探討石羊河流域春小麥適宜灌水上限及不同生育期計(jì)劃濕潤層深度，在該地區(qū)開展田間試驗(yàn)。利用田間試驗(yàn)資料對(duì)RZWQM（root zone water quality model）模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，并應(yīng)用模型模擬了灌水上限及不同生育階段計(jì)劃濕潤層深度對(duì)春小麥籽粒產(chǎn)量、灌水量、籽粒灌溉水利用效率及灌水次數(shù)的影響。結(jié)果表明：不同灌水處理間產(chǎn)量差異較小，但所需灌水量有較大差異，存在節(jié)水空間；灌水上限對(duì)于灌水量的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)產(chǎn)量的影響,灌水上限的降低會(huì)增加灌水次數(shù)，從而提高小麥產(chǎn)量；適宜的計(jì)劃濕潤層深度可以保證灌溉水盡可能多的分布于根系吸收范圍內(nèi)，避免浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)水目的；試驗(yàn)證明，通過調(diào)控灌水上限和各生育期計(jì)劃濕潤層深度可以達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。綜合考慮各控制因素對(duì)產(chǎn)量、所需灌水量及籽粒灌溉水利用效率的影響，建議該地區(qū)春小麥灌溉制度為：灌水上限選擇80%田間持水量，苗期計(jì)劃濕潤層深度為30 cm，拔節(jié)期計(jì)劃濕潤層深度為60 cm，抽穗期計(jì)劃濕潤層深度為50 cm，灌漿期計(jì)劃濕潤層深度為70 cm。

灌溉；作物；優(yōu)化；春小麥；RZWQM模型；灌水上限；計(jì)劃濕潤層深度

周始威，胡笑濤，王文娥，Allan A.Andales，張亞軍.基于RZWQM模型的石羊河流域春小麥灌溉制度優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（6）：121-129.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.017 http://www.tcsae.org

Zhou Shiwei,Hu Xiaotao,Wang Wen’e,Allan Andales,Zhang Yajun.Optimization of irrigation schedule based on RZWQM model for spring wheat in Shiyang River Basin[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE）,2016,32(6):121－129.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.017 http://www. tcsae.org

0 引言

石羊河流域氣候干旱少雨，年平均降水量僅為160 mm，且降水存在時(shí)間差異，無法保證作物需水要求，這就需要采取灌溉措施來達(dá)到作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的目的。該地區(qū)地表水資源匱乏，灌溉用水以地下水為主。隨著可利用地下水量的減少，灌溉用水壓力逐年增大，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展要求采用節(jié)水灌溉技術(shù)與管理措施，提高水分利用效率。農(nóng)業(yè)節(jié)水的途徑是多樣的，其中，通過優(yōu)化灌水制度來實(shí)現(xiàn)節(jié)水的方法被廣泛認(rèn)可。

對(duì)于優(yōu)化灌溉制度的研究，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的工作，研究內(nèi)容主要包括適宜灌溉水量的確定以及在生育期內(nèi)水量分配的問題，其實(shí)質(zhì)就是確定不同生育期適宜的灌溉計(jì)劃濕潤層深度和土壤水分上、下限指標(biāo)。不同的生育期，作物對(duì)水分的需求也不同，這些指標(biāo)也應(yīng)發(fā)生變化[1-6]。目前，研究主要集中于不同生育期灌水下限及計(jì)劃濕潤層深度的確定，對(duì)春小麥灌水上限的研究很少，在以往的研究中多以田間持水量為灌水上限，這會(huì)使得一部分灌溉水進(jìn)入濕潤層以下20～30 cm處，造成水分的浪費(fèi)[7-8]。而且在確定計(jì)劃濕潤層深度時(shí)，對(duì)作物的影響考慮不足，不同生育期計(jì)劃濕潤層深度確定不合理。對(duì)于適宜的灌水上限及不同生育期計(jì)劃濕潤層深度需要進(jìn)一步探究。

RZWQM（root zone water quality model）模型[9]由于能夠準(zhǔn)確的模擬農(nóng)田水分和養(yǎng)分循環(huán)，被廣泛應(yīng)用于水肥對(duì)土壤-作物系統(tǒng)影響的研究中[9-16]。通過對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，模型能夠較準(zhǔn)確預(yù)測不同灌水處理下作物產(chǎn)量差異及土壤含水率狀況，可用于灌水制度的優(yōu)化[17-18]。本文先利用田間實(shí)測資料來率定和驗(yàn)證模型，證明其適用性；然后利用率定參數(shù)對(duì)多種灌溉方案進(jìn)行模擬，探究不同灌溉制度對(duì)灌水次數(shù)、產(chǎn)量、所需灌溉水量及籽粒灌溉水利用效率的影響，得到適宜的灌水上限及不同生育期計(jì)劃濕潤層深度，為農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究的田間試驗(yàn)開展于2014年3-7月，試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在甘肅省武威市中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河流域節(jié)水試驗(yàn)站。該試驗(yàn)站地處河西走廊東部，緊鄰騰格里沙漠（102° 51′01″E、37°50′49″N），海拔高度為1 500 m，為大陸性溫帶干旱氣候，干旱指數(shù)15～25。該地區(qū)水資源缺乏，地下水位埋深較大，在40 m左右，平均降水量僅為164.4 mm，而平均蒸發(fā)量卻大于2 000 mm，擁有豐富的光熱資源，年日照大于3 000 h，年平均氣溫在8℃左右，0℃以上的積溫超過3 550℃。試驗(yàn)期間總的降水量為126 mm，大的降水有5次，分別在4月15日、4月18日、5月10日、7月8日及7月22日，降水量分別為17.4、15.6、12.1、23.6及30.0 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

春小麥?zhǔn)鞘蚝恿饔蛑饕Z食作物。試驗(yàn)田種植作物品種選用當(dāng)?shù)仄毡榉N植的春小麥品種——永良9號(hào)。根據(jù)作物需水狀況及不同生育期作物生長特性，試驗(yàn)設(shè)不同灌水上限和計(jì)劃濕潤層深度，灌水方式采用地面畦灌。灌水上限（以占田間持水量比例表示）設(shè)5個(gè)水平，即100%、95%、90%、85%、80%。苗期春小麥根系短、需水量較少，計(jì)劃濕潤層深度設(shè)30、35、40、45及50 cm，計(jì)5個(gè)水平。拔節(jié)期春小麥根系增長、需水量增大，計(jì)劃濕潤層深度設(shè)40、45、50、55及60 cm，計(jì)5個(gè)水平。抽穗、灌漿期春小麥根系與需水量均較大，計(jì)劃濕潤層深度設(shè)50、55、60、65及70 cm，計(jì)5個(gè)水平。試驗(yàn)采用5因素5水平正交設(shè)計(jì)（表1），共25個(gè)處理，所有處理的灌水下限均為65%田間持水量。選用處理A1B1C1D1E1、A1B3C3D3E3、A1B5C5D5E5進(jìn)行田間試驗(yàn)，用于模型的率定與驗(yàn)證，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共計(jì)9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)面積為16 m2（4 m×4 m），采用隨機(jī)區(qū)組排列并設(shè)有保護(hù)行。春小麥于3月24號(hào)播種，播種密度為300萬株/hm2，行距為15 cm，7月25號(hào)收獲，生育期為123 d。所施氮肥為尿素，在播種前施入，施肥量為180 kg/hm2，在小麥整個(gè)生育期內(nèi)不施肥。灌溉用水為機(jī)井水，灌水量用精確水表控制，各小區(qū)的其他條件及措施均與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)正交表Table 1 Factors and levers of orthogonal design

1.3 觀測指標(biāo)與測定方法

1.3.1 基礎(chǔ)土樣采集與測定

播種前在試驗(yàn)地兩端挖1 m×1 m土壤剖面，采集0～100 cm（以20 cm為間隔）土壤樣品，測定土壤的基本理化性質(zhì)及土壤的有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮及銨態(tài)氮含量、體積含水率。對(duì)比兩端剖面土壤樣品的測試結(jié)果，如果差異大于15%，則放棄該試驗(yàn)地塊，另選地塊進(jìn)行試驗(yàn)。本試驗(yàn)所選試驗(yàn)場地兩端剖面土壤理化指標(biāo)差異均小于10%，符合試驗(yàn)要求，所選試驗(yàn)地塊的土壤理化性質(zhì)以兩端剖面所測數(shù)值的平均值表示。試驗(yàn)地點(diǎn)土壤基本物理性質(zhì)見表2。

表2 供試土壤物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of tested soil

1.3.2 常規(guī)氣象數(shù)據(jù)測定

氣象數(shù)據(jù)由站內(nèi)自動(dòng)氣象站采集，包括最低氣溫、最高氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、太陽輻射、相對(duì)濕度、降雨時(shí)間及降雨量等。

1.3.3 作物管理數(shù)據(jù)測定

作物管理數(shù)據(jù)主要包括作物播種日期、播種密度、播種深度、耕作方式、灌溉水量及灌溉日期、施肥量及施肥日期等田間管理措施的實(shí)施方案。

1.3.4 土壤含水率測定

采用Diviner2000土壤水分測量儀，深度均為100 cm，間隔10 cm，每周周二和周六測定。同時(shí)采用烘干法測定土壤含水率，每周六一次，灌水前后加測一次，對(duì)Diviner2000數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。

1.3.5 春小麥生長指標(biāo)測定

1）生育期觀測：觀測春小麥各個(gè)生育階段的生長狀況，記錄各生育期的起止時(shí)間，見表3。

表3 春小麥生育期Table 3 Growth period for spring wheat

2）株高、葉面積：春小麥每周用精度為0.01 m卷尺測量一次株高、葉面積，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取10株測量，結(jié)果取平均值。計(jì)算葉面積時(shí)，采用長寬系數(shù)法。單株葉面積=Σ（L×B）×0.65,式中Σ表示葉片總數(shù)，L為葉長，B為葉寬。

3）生物量及產(chǎn)量：春小麥從返青期開始，每個(gè)生育期內(nèi)采樣一次，取春小麥地上部分，先以高溫殺青，再恒溫下烘干，然后稱其質(zhì)量，得到生物量。待收獲時(shí)，選1 m2小麥進(jìn)行脫粒，風(fēng)干后測定小麥籽粒產(chǎn)量，將同處理數(shù)據(jù)求平均值得出實(shí)際產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS17.0軟件對(duì)不同灌水處理方案的小麥籽粒產(chǎn)量、灌水次數(shù)、灌溉水量和籽粒灌溉水利用效率進(jìn)行方差分析，采用LSD（least significant difference）法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，并進(jìn)行極差分析。采用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 RZWQM模型率定和驗(yàn)證

2.1RZWQM模型

RZWQM是由美國農(nóng)業(yè)部大平原系統(tǒng)研究所于1992年推出的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和資源管理模型。該模型由物理過程、化學(xué)過程、養(yǎng)分過程、殺蟲劑過程、作物生長過程和管理過程組成，各部分是相互影響的，可以用于模擬作物生長和水分、養(yǎng)分及殺蟲劑在作物根區(qū)內(nèi)的運(yùn)移[1]。

RZWQM運(yùn)行所需最少數(shù)據(jù)包括模擬過程斷點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)、日氣象數(shù)據(jù)、剖面描述、土層深度、密度和機(jī)械組成、1/3×105pa或1/10×105pa土壤含水率、土表殘茬干物質(zhì)量、農(nóng)藥的半衰期、指定作物類型及區(qū)域參數(shù)、選定管理方式、最初土壤剖面含水率及溫度、最初土壤剖面pH值和CEC（cation exchange capacity）、養(yǎng)分過程所需的輸入?yún)?shù)[21]。

2.2 RZWQM模型率定和驗(yàn)證

本研究選用2014年春小麥數(shù)據(jù)，以處理A1B3C3D3E3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定，用處理A1B1C1D1E1和處理A1B5C5D5E5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。在研究中，主要用到模型中的土壤水分模塊和作物生長模塊。2模塊之間是相互影響的，一般依照土壤水分模塊、作物生長模塊的順序進(jìn)行率定。采用試錯(cuò)法，將2個(gè)模塊的模擬精度調(diào)校至率定的要求，然后使用率定后的參數(shù)，對(duì)處理A1B1C1D1E1與處理A1B5C5D5E5進(jìn)行模擬。最后，比較模擬值與實(shí)測值的差異，對(duì)模型的模擬效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。模型運(yùn)行的效果可以用均方誤差RMSE（root mean square error）和平均相對(duì)誤差MRE（mean relative error）進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中N是觀測值的個(gè)數(shù)，Qi表示第i個(gè)觀測值，Pi表示第i個(gè)觀測值的模擬值。一般認(rèn)為，均方誤差RMSE、平均相對(duì)誤差MRE的值越小越好，表明模擬值與實(shí)測值的差異越小，即模型的模擬結(jié)果越精準(zhǔn)可靠。

2.2.1 土壤水分模塊率定和驗(yàn)證

由于土壤水力學(xué)參數(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)的缺乏，在對(duì)石羊河節(jié)水試驗(yàn)站的土壤水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，采用RZWQM模型水力學(xué)參數(shù)模塊提供的最小輸入選項(xiàng)，即飽和導(dǎo)水率和田間持水量。

通過比較分析土壤各層體積含水率的實(shí)測值和模擬值，相應(yīng)的調(diào)整各層土壤參數(shù)（主要是飽和導(dǎo)水率和田間持水量），使模擬值與實(shí)測值盡可能一致。土壤水力特性參數(shù)的最終率定結(jié)果，見表4。對(duì)比各深度土層土壤含水率模擬值和實(shí)測值隨時(shí)間變化（圖1，圖2），可以看出，模擬值很好的反映了實(shí)測值的變化趨勢，7月份以前的土壤含水率的模擬值與實(shí)測值吻合較好，但7月份土壤含水率的實(shí)測值與模擬值有偏差，各深度土層含水率的模擬值均大于實(shí)測值。結(jié)合降雨情況，參考朱國威[21]的分析，主要是因?yàn)槟Ｐ洼斎胫胁捎媒涤陼r(shí)段平均值，與實(shí)際瞬時(shí)雨強(qiáng)不一致造成的。

計(jì)算率定和驗(yàn)證過程中模擬值和實(shí)測值在各土層深度處均方誤差RMSE和平均相對(duì)誤差MRE，結(jié)果見表5。由表可知，不同深度的RMSE值均不大于0.03 cm3/cm3，MRE值均低于20%，這說明RZWQM模型可以對(duì)土壤水分進(jìn)行較好的模擬。

上部土層（0～40 cm土層）含水率實(shí)測值和模擬值吻合較好，誤差小于12%，效果優(yōu)于下部土層，可能是因?yàn)槟Ｐ筒荒芎芎玫哪M水分入滲過程，模型所使用的土壤孔隙度為默認(rèn)值而非實(shí)測值[22]。模擬誤差的成因可能還源于土壤飽和導(dǎo)水率和田間持水量的標(biāo)定值與真值的誤差；含水率的測定深度與RZWQM模擬的剖分節(jié)點(diǎn)深度不完全一致[21]。

表4 土壤水力學(xué)參數(shù)標(biāo)定結(jié)果Table 4 Result of soil hydraulic parameters

圖1 模型率定中不同土層土壤含水率實(shí)測值與模擬值對(duì)比情況（處理A1B3C3D3E3）Fig.1 Comparison of measured and simulated soil water content in different depth in calibration（A1B3C3D3E3treatment）

圖2 模型驗(yàn)證中不同土層土壤含水率實(shí)測值與模擬值對(duì)比情況Fig.2 Comparison of measured and simulated soil water content in different depth in validation

表5 不同深度土壤含水率實(shí)測值與模擬值的比較Table 5 Comparison of simulated and measured soil water content in different depth

2.2.2 作物生長模塊率定和驗(yàn)證

對(duì)于作物生長模塊，率定包括對(duì)物候期、葉面積指數(shù)、產(chǎn)量和干物質(zhì)量的率定。本文采用地上部干物質(zhì)量、物候期及葉面積指數(shù)的實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)作物生長模塊的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，校驗(yàn)后的參數(shù)見表6。

對(duì)葉面積指數(shù)的模擬情況見圖3，可以發(fā)現(xiàn)模型可以很好模擬葉面積指數(shù)的變化趨勢。7月份以前的葉面積指數(shù)模擬值與實(shí)測值吻合較好，但7月份葉面積的實(shí)測值與模擬值有較大偏差，這是因?yàn)榇盒←溸M(jìn)入成熟期且該時(shí)期降雨較多，致使葉片凋落速度加快，使模擬值大于實(shí)測值。

模型對(duì)物候期、產(chǎn)量及干物質(zhì)量的模擬情況見表7，率定處理與驗(yàn)證處理的物候期模擬值與實(shí)測值差異不大于2 d，干物質(zhì)量的模擬值與實(shí)測值的誤差小于18%，產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測值的誤差較穩(wěn)定，在20%左右。該模型模擬的產(chǎn)量比實(shí)測產(chǎn)量要高，這與薛長亮[23]的模擬效果不同，原因可能是本試驗(yàn)在春小麥的生育階段未施肥，田間試驗(yàn)產(chǎn)量較低。

表6 率定后的石羊河流域春小麥品種參數(shù)Table 6 Variety parameters of spring wheat in Shiyang River Basin

圖3 葉面積指數(shù)實(shí)測值與模擬值對(duì)比情況Fig.3 Comparison of measured and simulated LAI

綜上所述，通過對(duì)土壤水分模塊、作物生長模塊的率定，RZWQM模型可以較準(zhǔn)確的模擬石羊河流域春小麥農(nóng)田土壤水分及春小麥的產(chǎn)量，可用于評(píng)價(jià)不同灌水方案的優(yōu)劣。

表7 春小麥生育期及產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測值比較Table 7 Comparison between simulated and observed growing stage(yield)of spring wheat

3 春小麥灌溉制度模擬研究

將率定的參數(shù)輸入RZWQM模型，按照表1中模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)改變不同生育期灌水上限和計(jì)劃濕潤層深度，灌水下限按照充分灌溉，均設(shè)定為田間持水量的65%。模型的模擬過程是以時(shí)間為序的，從苗期入手，以時(shí)間順序查找，當(dāng)某一時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)計(jì)劃濕潤層（試驗(yàn)方案規(guī)定的苗期計(jì)劃濕潤層深度）內(nèi)平均含水率低于田間持水量的65%時(shí)，將該時(shí)間點(diǎn)定為第1次灌水的日期，灌水量的多少由灌水上、下限及計(jì)劃濕潤層計(jì)算確定，由此得到第1次灌水的時(shí)間及灌水量；然后將第1次灌水的時(shí)間及灌水量作為輸入數(shù)據(jù)輸入模型，再次運(yùn)行模型，得到模擬結(jié)果，仍參照上述方法進(jìn)行查找，確定第2次的灌水時(shí)間及灌水量，以此類推得出不同模擬情景下的灌水量、灌水時(shí)間及灌水次數(shù)。對(duì)于同種作物，作物生育期的變化主要受積溫的影響，模型對(duì)生育期的劃分也以積溫為依據(jù)，本試驗(yàn)采用充分灌溉，生育期的界定與灌水量多少的關(guān)系不大，所以在模擬過程中所使用的生育期劃分節(jié)點(diǎn)與率定過程中模型所計(jì)算的生育期劃分節(jié)點(diǎn)一致。不同處理下的灌水次數(shù)、灌水量、產(chǎn)量及籽粒灌溉水利用效率，見表8。

表8 正交試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果Table 8 Simulated result of orthogonal design

3.1 不同灌水處理對(duì)春小麥籽粒產(chǎn)量及灌水次數(shù)的影響

分析模擬結(jié)果可知，A3B1C3D5E2處理的籽粒產(chǎn)量最高，達(dá)到8 088 kg/hm2，A1B5C5D5E5處理最低，為7 590 kg/hm2，兩者相差僅498 kg/hm2，這說明試驗(yàn)所設(shè)處理均可以較好的滿足春小麥的需水要求。對(duì)春小麥籽粒產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，結(jié)果顯示各控制指標(biāo)對(duì)籽粒產(chǎn)量的影響程度為:灌水上限＞苗期計(jì)劃濕潤層深度＞灌漿期計(jì)劃濕潤層深度＞拔節(jié)期計(jì)劃濕潤層深度＞抽穗期計(jì)劃濕潤層深度，灌水上限與苗期計(jì)劃濕潤層深度對(duì)產(chǎn)量的影響達(dá)到顯著水平（P＜0．05），其余因素對(duì)產(chǎn)量的影響不顯著。

對(duì)于灌水次數(shù)，不同灌水處理間的模擬結(jié)果有較大的差異，最少為6次，最多的灌水次數(shù)達(dá)到10次，灌水次數(shù)與灌水量之間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。試驗(yàn)區(qū)為干旱內(nèi)陸區(qū)，蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨量，灌溉是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必要措施。田間試驗(yàn)結(jié)果表明地面灌水次數(shù)在5～7次，與當(dāng)?shù)貙?shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中春小麥灌水次數(shù)近似[24]，模擬灌水次數(shù)高于田間試驗(yàn)結(jié)果。這種結(jié)果差異的原因主要是春小麥灌漿后期在實(shí)際灌溉中會(huì)停止灌水，而模型模擬進(jìn)行到生育期結(jié)束會(huì)增加灌水次數(shù)，另外由于模擬設(shè)計(jì)的較淺的計(jì)劃濕潤層深度與較低灌水上限組合造成的低定額灌溉也會(huì)造成頻繁灌溉。由表10可知，灌水上限對(duì)灌水次數(shù)的影響達(dá)到顯著水平（P＜0.05），各生育期計(jì)劃濕潤層深度對(duì)灌水次數(shù)的影響不顯著，可以通過調(diào)控灌水上限來調(diào)控灌水次數(shù)。由圖4可見，灌水上限的降低可以增加灌溉次數(shù)，而灌水次數(shù)的增加可以達(dá)到增產(chǎn)的效果。牟洪臣[25]認(rèn)為灌水次數(shù)的增加有利于分蘗數(shù)增加和穗長的增長，從而增加產(chǎn)量。這也解釋了為什么苗期計(jì)劃濕潤層深度對(duì)產(chǎn)量影響顯著。

圖4 灌水上限與灌溉次數(shù)及籽粒產(chǎn)量的關(guān)系Fig.4 Relation among irrigation frequency irrigation upper limit and grain yield

結(jié)合春小麥籽粒產(chǎn)量的方差分析，對(duì)比各控制指標(biāo)同一水平下籽粒產(chǎn)量的平均值，分析可知最優(yōu)高產(chǎn)組合為：灌水上限為80%田間持水量，苗期計(jì)劃濕潤層深度為30 cm，拔節(jié)期計(jì)劃濕潤層深度為45 cm，抽穗期計(jì)劃濕潤層深度為65 cm，灌漿期計(jì)劃濕潤層深度為65 cm。

3.2 不同灌水處理對(duì)春小麥所需灌溉水量的影響

不同灌水處理對(duì)所需灌水量有明顯影響，A1B4C4D4E4處理所需灌水量最大，達(dá)431.1 mm，A5B3C2D1E5所需灌水量最小，為323.7 mm，兩者相差97.4 mm，而兩者的產(chǎn)量僅相差125 kg/hm2，這說明可以通過控制灌水上限和不同生育期的計(jì)劃濕潤層深度來達(dá)到節(jié)水保產(chǎn)目的。對(duì)各處理所需灌水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明（表9，表10），各因素對(duì)春小麥所需灌水量的影響程度依次為:灌水上限＞拔節(jié)期計(jì)劃濕潤層深度＞灌漿期計(jì)劃濕潤層深度＞抽穗期計(jì)劃濕潤層深度＞苗期計(jì)劃濕潤層深度，灌水上限與拔節(jié)期、灌漿期、抽穗期計(jì)劃濕潤層深度對(duì)灌水量的影響達(dá)到極顯著水平（P＜0．01），苗期計(jì)劃濕潤層深度對(duì)所需灌水量的影響不顯著。這是由于苗期，春小麥所需水量較小，所以苗期的計(jì)劃濕潤層深度對(duì)整個(gè)生育期所需灌水量影響不大；春小麥在拔節(jié)期、抽穗期及灌漿期生長旺盛，需水量較大，所以對(duì)整個(gè)生育期內(nèi)所需灌溉水量影響顯著。計(jì)劃濕潤層的選取對(duì)生育期內(nèi)所需灌水量的影響是復(fù)雜的，在一定灌水上限下，選取大的計(jì)劃濕潤層深度可以增大單次灌水量，從而減少灌水次數(shù),有利于減少表層土壤的水分蒸發(fā)，節(jié)約灌溉水。但大的濕潤層也可能會(huì)使一部分灌溉水因滲入根區(qū)范圍外而無法使作物吸收，造成浪費(fèi)?？紤]到灌水上限對(duì)灌水次數(shù)的顯著影響，通過控制灌水上限來減少土表蒸發(fā)是可行的。通過控制計(jì)劃濕潤層深度可以控制濕潤范圍，保證作物正常需水要求，節(jié)約用水。所以說選取最優(yōu)節(jié)水組合需要綜合考慮灌水上限及不同生育期計(jì)劃濕潤層的影響。

表9 春小麥籽粒產(chǎn)量和灌溉水利用的方差分析Table 9 Variance analysis of spring wheat yield and water utilization

表10 春小麥產(chǎn)量和灌溉水利用的極差分析Table 10 Range analysis of spring wheat yield and water utilization

結(jié)合灌水量的方差分析，對(duì)比各控制因素同一水平下灌水量的平均值，分析可知最優(yōu)節(jié)水組合為：灌水上限為80%田間持水量，苗期計(jì)劃濕潤層深度為35 cm，拔節(jié)期計(jì)劃濕潤層深度為60 cm，抽穗期計(jì)劃濕潤層深度為50 cm，灌漿期計(jì)劃濕潤層深度為70 cm。

3.3 不同灌水處理對(duì)春小麥籽粒灌溉水利用效率的影響

籽粒灌溉水利用效率（GIWUE）在不同灌水處理下也有大的差異（表8），A5B3C2D1E5處理的GIWUE最大，為2.48 kg/m3，A1B4C4D4E4的GIWUE最小，為1.84 kg/m3，兩者相差0.64 kg/m3。因?yàn)椴煌幚黹g籽粒產(chǎn)量差異不大，所以不同處理間GIWUE的差異主要來源于灌水量的差異。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知（表9，表10），各控制因素對(duì)GIWUE的影響存在差異，由大到小依次為灌水上限、灌漿期計(jì)劃濕潤層深度、抽穗期計(jì)劃濕潤層深度、拔節(jié)期計(jì)劃濕潤層深度、苗期計(jì)劃濕潤層深度。灌水上限與灌漿期、抽穗期、拔節(jié)期計(jì)劃濕潤層深度對(duì)GIWUE的影響呈極顯著水平（P＜0．01），苗期計(jì)劃濕潤層深度對(duì)GIWUE的影響較弱，呈顯著水平（P＜0．05）。結(jié)合GIWUE的方差分析，對(duì)比各控制因素同一水平下GIWUE的平均值，分析可知最高GIWUE的組合為:灌水上限選擇80%田間持水量，苗期計(jì)劃濕潤層深度為30 cm，拔節(jié)期計(jì)劃濕潤層深度為60 cm，抽穗期計(jì)劃濕潤層深度為50 cm，灌漿期計(jì)劃濕潤層深度為70 cm。

4 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)旨在優(yōu)化石羊河流域現(xiàn)有灌溉制度，以實(shí)現(xiàn)節(jié)水、增產(chǎn)的目的。現(xiàn)有研究多在探究如何利用作物的虧缺補(bǔ)償效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)節(jié)水的目的，但該方法受作物品種遺傳特性及環(huán)境因素的影響較大，很難得到準(zhǔn)確的結(jié)果，適用性受到了限制。本試驗(yàn)通過控制灌水下限，使作物始終處于適宜的土壤水分條件下，然后綜合考慮灌水上限、生育期及計(jì)劃濕潤層深度對(duì)春小麥產(chǎn)量、灌水次數(shù)、灌水量及籽粒灌溉水利用效率的影響，探究節(jié)水增產(chǎn)的灌溉制度。

作物生長模擬模型的使用可以大大減少試驗(yàn)時(shí)間及成本的投入，可以實(shí)現(xiàn)更多組合的優(yōu)化設(shè)計(jì)，適用于較多因素、水平的試驗(yàn)方案模擬。RZWQM模型可以準(zhǔn)確的模擬土壤的水分狀況，在國內(nèi)外很多地區(qū)已得到驗(yàn)證。Stulina[13]嘗試使用RZWQM模型對(duì)費(fèi)爾干那流域的作物進(jìn)行模擬，結(jié)果表明該模型可以較好的模擬土壤水分及作物生長狀況，5個(gè)土層的土壤含水率實(shí)測值和模擬值平均偏差僅為3.6%，作物產(chǎn)量誤差為13%，可用于評(píng)測該流域灌溉和施肥措施對(duì)作物產(chǎn)量的影響。李艷等[26]利用RZWQM模型對(duì)華北的冬小麥和夏玉米生長進(jìn)行模擬，模型驗(yàn)證結(jié)果表明各土層土壤含水率的相對(duì)誤差在-6.66%～5.83%之間變化，冬小麥和夏玉米產(chǎn)量、吸氮量的模擬值與實(shí)測值的相對(duì)誤差小于25%，可利用驗(yàn)證后的RZWQM模型模擬該地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作條件下土壤氮、水運(yùn)移及作物生長的動(dòng)態(tài)變化。對(duì)于石羊河流域，目前還未有學(xué)者利用該模型模擬春小麥的生長發(fā)育。本研究利用石羊河流域春小麥大田試驗(yàn)資料對(duì)RZWQM模型進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，結(jié)果表明土壤含水率、葉面積及產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測值吻合度均較好，其中各層土壤含水率的RMSE值不大于0.03 cm3/cm3，5個(gè)土層的土壤水含量模擬值和實(shí)測值平均偏差為12.37%；產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測值的誤差也較穩(wěn)定，在20%左右，可用于評(píng)價(jià)不同灌水處理的優(yōu)劣。

模擬結(jié)果表明：不同灌水處理間產(chǎn)量差異很小，可見試驗(yàn)所設(shè)灌水處理均可以較好的滿足春小麥的需水要求；灌水上限的下降會(huì)增加灌水次數(shù)，有利于增產(chǎn)。黨根友[27]選用春小麥品種寧春50號(hào)為試驗(yàn)材料，通過3個(gè)節(jié)水處理研究灌水次數(shù)對(duì)春小麥產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)灌水次數(shù)較多的處理春小麥水分利用效率明顯降低，生育后期物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移量增加，產(chǎn)量增加，與本試驗(yàn)結(jié)果相符。試驗(yàn)證明灌水上限對(duì)于灌水量的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)產(chǎn)量的影響，適當(dāng)降低灌水上限有利于保產(chǎn)、節(jié)水。試驗(yàn)表明節(jié)水灌溉的適宜土壤水分上限為80%田間持水量。孫景生[28]從葉片水平探討提高光合水分利用效率指導(dǎo)大田灌溉的適宜土壤水分上限指標(biāo)為80%田間持水量，與本試驗(yàn)結(jié)果相同。而王寶英[8]分析大量的田間實(shí)測資料，討論了土壤水分對(duì)小麥生長發(fā)育及作物產(chǎn)量的影響，指出小麥高產(chǎn)的適宜土壤水分上限指標(biāo)為85%～90%田間持水量，高于本次試驗(yàn)結(jié)果，這有可能是由試驗(yàn)地點(diǎn)和供試小麥品種不同引起的。關(guān)于各生育期的計(jì)劃濕潤層深度，目前還未有學(xué)者系統(tǒng)的給出合理的建議。本研究發(fā)現(xiàn)各生育期所需灌水量為：拔節(jié)期＞灌漿期＞抽穗期＞苗期。張旭東[29]對(duì)甘肅定西春小麥生育期日蒸散資料進(jìn)行分析，研究了旱作春小麥的耗水規(guī)律，得出各生育期需水強(qiáng)度為：抽穗期＞灌漿期＞拔節(jié)期＞苗期。這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果有差異，可能是由于降水年型不同，石羊河流域在春小麥灌漿期與抽穗期降雨較多，致使該時(shí)期所需灌水量減少。

綜合考慮各控制因素對(duì)產(chǎn)量、所需灌水量及籽粒灌溉水利用效率的影響，建議石羊河流域春小麥灌溉模式為：灌水上限選擇80%田間持水量，苗期計(jì)劃濕潤層深度為30 cm，拔節(jié)期計(jì)劃濕潤層深度為60 cm，抽穗期計(jì)劃濕潤層深度為50 cm，灌漿期計(jì)劃濕潤層深度為70 cm。該模式可以有效節(jié)約農(nóng)業(yè)用水，增加春小麥產(chǎn)量。

本文建議的灌溉制度可以達(dá)到增產(chǎn)節(jié)水的目的。但是，受正交試驗(yàn)方法性質(zhì)的影響，無法確定該灌溉制度是否達(dá)到了最優(yōu)，需要增加水平梯度，使結(jié)果盡可能的接近最優(yōu)。

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Optimization of irrigation schedule based on RZWQM model for spring wheat in Shiyang River Basin

Zhou Shiwei1,Hu Xiaotao1※,Wang Wen’e1,Allan A.Andales2,Zhang Yajun1
(1.Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas of Ministry of Education,Northwest A&F University, Yangling 712100,China;2.Department of Soil and Crop Sciences,Colorado State University,Fort Collins,CO 80523,United States)

The climate of Shiyang River Basin is dry and rainless.The average annual pre cipitation is only 160 mm with the time differences.The optimizing irrigation system has been widely recognized by achieving the water saving.In past researches,the upper limit of water was usually the field capacity,which could lead to the waste of irrigation water.When determining scheming wetting layer depth,they considered effects on crops inadequately.RZWQM(root zone water quality model)had been widely used in studies of the effects of sewage sludge on soil-crop systems due to the accurate simulation of farmland water and nutrient cycling.To explore the scheming wetted soil layer depth and irrigation upper limits in different growth period for spring wheat,the field experiments were conducted in Shiyang River Basin of the Gansu province in 2014. According to the status of crop water requirement and crop growth characteristics,we set different irrigation upper limits and scheming wetted soil layer depth at different stages.We irrigated fields with border irrigation.The irrigation upper limits(expressed as field capacity)were set to 100%,95%,90%,85%and 80%.In seedling stage,the scheming wetted soil layer depths were set to 30 cm,35 cm,40 cm,45 cm and 50 cm.In jointing stage,the scheming wetted soil layer depth were set to 40 cm,45 cm,50 cm,55 cm and 60 cm.In heading stage and filling stage,the scheming wetted soil layer depths were set to 50 cm,55 cm,60 cm,65 cm and 70 cm.The experiments were adopted orthogonal design and chosen L25(55) orthogonal tables.All irrigation threshold was 65%of field capacity.The field experiments were chosen A1B1C1D1E1, A1B3C3D3E3,A1B5C5D5E5to repeat 3 times.The field measured data was used to calibrate and verify the model.The RMSE of each layer of soil water content was not greater than 0.03%.The mean deviation of soil water content in five layers was 12.37%.The deviation of yield was relatively stable,which was around 20%.The results showed that RZWQM could be used to simulate the change of soil water content and growth of crop.Then the model was used to evaluate the effect of various irrigation upper limits and scheming wetted soil layer depth in different growth period on crop yield,irrigation amount,water use efficiency and the frequency of irrigation.The irrigation amount of A1B4C4D4E4was the most,which was 431.1 mm.The irrigation amount of A5B3C2D1E5was the least,which was 323.7 mm.The difference between A1B4C4D4E4and A5B3C2D1E5was 125 kg/hm2.The yield in different irrigation treatments was not obviously changed compared with the needed irrigation amount so we could save water on the premise of not decreasing yield.The effect of the irrigation upper limit on irrigation amount was more remarkable than that of crop yield.The reducing of irrigation upper limit could increase the irrigation frequency to improve the yield of spring wheat.The differences of GIWUE were from the differences of irrigation amount.The GIWUE of A5B3C2D1E5was the most,which was 2.48 kg/m3.The GIWUE of A1B4C4D4E4was the least, which was 1.84 kg/m3.The difference between A5B3C2D1E5and A1B4C4D4E4was 0.64 kg/m3.The appropriate scheming wetted soil layer depth could effectively improve the utilization efficiency of irrigation water and achieved the purpose of water saving.Through regulating irrigation upper limit and scheming wetted soil layer depth in different growth period,we could save water and improve the yield of spring wheat.Considering the influence of the control factors on the yield, irrigation amounts and GIWUE,we choose 80%of soil moisture as irrigation upper limit,and the optimal scheming wetted soil layer depths are 30 cm,60 cm,50 cm and 70 cm at seeding,jointing,heading and filling stages,respectively.

irrigation;crops;optimization;spring wheat;RZWQM model;irrigation upper limit;scheming wetted soil layer depth

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.017

S275

A

1002-6819（2016）-06-0121-09

2015-09-11

2016-01-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51179163）

周始威（1990-），男，漢族，河南安陽人，主要從事節(jié)水灌溉原理與新技術(shù)研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100。Email:wdzw2015@163.com

※通信作者：胡笑濤（1972-），男，漢族，博士，教授，主要從事節(jié)水灌溉理論與新技術(shù)研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100。Email:huxiaotao11@nwsuaf.edu.cn