基于AquaGIS模型的盈科灌區(qū)制種玉米農(nóng)業(yè)用水效率分析

韓聰穎， 張寶忠， 劉 鈺

(1.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100038；2.國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心， 北京 100048)

1 研究背景

我國農(nóng)業(yè)用水效率僅為40%左右[1]，灌溉水利用系數(shù)僅為0.53，遠(yuǎn)低于歐洲發(fā)達(dá)國家。不合理灌溉是造成農(nóng)業(yè)低效用水的主要原因之一。提高田間農(nóng)藝管理措施，包括制定合理的灌溉制度是提升灌區(qū)灌溉水利用效率的重要途徑。為此，一些學(xué)者[2-4]嘗試對(duì)作物灌溉制度進(jìn)行了優(yōu)化，極大地提高了水分生產(chǎn)率。由于作物模型可重復(fù)性比較強(qiáng)，已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)研究的重要工具。利用作物模型進(jìn)行灌溉制度優(yōu)化已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[5-7]。但是這些優(yōu)化僅限于田間尺度，作物生長環(huán)境比較單一。隨著作物生長環(huán)境，尤其是土壤質(zhì)地的空間變異性，作物最佳灌溉制度也會(huì)產(chǎn)生一定的空間差異。利用作物模型，結(jié)合作物生長環(huán)境的空間變異性對(duì)灌溉制度進(jìn)行空間優(yōu)化具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

鑒于此，學(xué)者們對(duì)如何將田間點(diǎn)模型進(jìn)行區(qū)域應(yīng)用展開了初步探索。Hansen等[8]提出了通過增加模型輸入數(shù)據(jù)取樣點(diǎn)密度，例如通過增加土壤質(zhì)地采樣點(diǎn)數(shù)目，減小模型區(qū)域模擬的誤差，但是此方法僅限于在小尺度范圍進(jìn)行研究。Saarikko[9]將芬蘭地區(qū)劃分為10 km×10 km的柵格，在每個(gè)柵格內(nèi)利用CERES-Wet-Wheat模型結(jié)合有限輸入數(shù)據(jù)，對(duì)小麥產(chǎn)量在不同氣候條件下進(jìn)行估測(cè)。以上模型區(qū)域應(yīng)用方法減小了傳統(tǒng)模型以點(diǎn)帶面帶來的誤差，但是受輸入數(shù)據(jù)尤其是土壤數(shù)據(jù)空間連續(xù)性的限制，區(qū)域模擬誤差仍然很大。并且受空間環(huán)境變異性、輸入數(shù)據(jù)復(fù)雜性等影響，一些作物模型如ASPIM等[10]、CROPSYST等[11]、DSSAT等[12]、WOFOST等[13]的區(qū)域應(yīng)用受到很大限制。

為此，世界糧農(nóng)組織(FAO)研發(fā)了AquaCrop模型[14-15]，并且為促進(jìn)AquaCrop模型在區(qū)域尺度的應(yīng)用，F(xiàn)AO又開發(fā)了AquaData 和 AquaGIS模型[16]，為初步實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的空間差異性劃分提供平臺(tái)。該模型輸入?yún)?shù)比較少，輸入數(shù)據(jù)直觀且易獲取，因此得到了快速而廣泛的發(fā)展[17]。AquaCrop模型和遙感數(shù)據(jù)的耦合為模型區(qū)域應(yīng)用提供了新的研究思路[18]。中國科學(xué)院南京土壤研究所等相關(guān)單位完成了全國土壤數(shù)據(jù)庫建設(shè)，該數(shù)據(jù)基本覆蓋了全國各種類型土壤及其主要屬性特征，這一成果在很大程度上解決了該模型進(jìn)行區(qū)域應(yīng)用時(shí)土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)空間連續(xù)性的難題。目前，利用該分布式模型進(jìn)行區(qū)域應(yīng)用的研究尚少，Lorite等[16]利用該模型對(duì)西班牙南部安達(dá)盧西亞地區(qū)過去30年和未來30年氣候變化對(duì)小麥產(chǎn)量的影響進(jìn)行了模擬，極大地提高了區(qū)域模擬效率。

目前，利用分布式模型對(duì)區(qū)域作物進(jìn)行灌溉制度空間優(yōu)化研究尚少。為此，本文以盈科灌區(qū)為研究區(qū)域，利用分布式AquaGIS模型和帶精英策略的遺傳算法NSGA-II對(duì)該灌區(qū)的制種玉米灌溉制度進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)一步分析該灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率，為提高盈科灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率提供理論指導(dǎo)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

盈科灌區(qū)位于張掖市甘州區(qū)，地理位置38°50′～38°58′N, 100°17′～100°34′E。灌區(qū)年平均氣溫6.5～8.5℃，多年平均降雨量133 mm，參考作物年蒸散發(fā)量1 200 mm左右。灌區(qū)內(nèi)地下水埋深比較大，從西南部的40 m減小為東北部的5 m。盈科灌區(qū)占地面積192 km2，其中灌溉面積占比68%。灌區(qū)主要種植作物有制種玉米、大田玉米、小麥、蔬菜及其他作物，其中，制種玉米是當(dāng)?shù)刈钪饕霓r(nóng)作物，種植面積占總種植面積的50%左右。該區(qū)域制種玉米采用覆膜種植，平均在4月22日左右播種，9月23日左右收獲，全生育期150 d左右，據(jù)甘州區(qū)水務(wù)局統(tǒng)計(jì)，灌區(qū)制種玉米生育期平均灌溉5次，灌溉制度如表1所示，本文以播種后天數(shù)表示灌水時(shí)間。本研究于2012年4月-2013年9月在盈科灌區(qū)一分支渠石橋五斗二農(nóng)渠進(jìn)行了田間試驗(yàn)，為模型率定和驗(yàn)證提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表1 盈科灌區(qū)制種玉米現(xiàn)狀灌溉制度

2.2 數(shù)據(jù)獲取方法

(1)田間試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)主要包括葉面積指數(shù)、地上干物質(zhì)量、土壤含水率，數(shù)據(jù)采集方法詳見參考文獻(xiàn)[19]；

(2)土壤數(shù)據(jù)來源于南京土壤研究所，根據(jù)土壤質(zhì)地柵格數(shù)據(jù)顯示，盈科灌區(qū)不同深度層土壤屬性空間差異比較大，該區(qū)0～30 cm和30～100 cm兩個(gè)深度層土壤主要為黏壤土、壤土和粉砂壤土(土壤屬性如表2所示)，土壤水力學(xué)參數(shù)利用Rosetta軟件基于土壤粒徑組成進(jìn)行估算；

(3)氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，本文采用張掖站氣象資料，包括日最低氣溫、日最高氣溫、平均濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、日降雨量；

(4)灌溉管理資料來源于盈科灌區(qū)水管局，資料顯示該灌區(qū)平均灌溉4次，全生育期入田水量604 mm。

表2 盈科灌區(qū)0～100 cm深度土壤屬性

2.3 AquaGIS介紹

AquaGIS模型是AquaCrop模型基于作物生長環(huán)境的空間差異性進(jìn)行的集成，該軟件將作物生長環(huán)境劃分成獨(dú)立的勻質(zhì)模擬單元，對(duì)區(qū)域內(nèi)不同的模擬單元進(jìn)行獨(dú)立模擬。AquaGIS模型核心組成是batch文件，該文件集成了模型運(yùn)行需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要包括作物、氣象、土壤、灌溉、播種日期、初始條件、田間管理等。軟件使用步驟簡單介紹如下：

(1)利用ArcGIS將目標(biāo)區(qū)域的空間屬性文件，包括土壤類型、種植結(jié)構(gòu)、灌溉分布、氣象等進(jìn)行疊加，將目標(biāo)區(qū)域劃分成獨(dú)立的模擬單元，使模擬單元擁有獨(dú)立的模擬環(huán)境；

(2)按照batch文件的結(jié)構(gòu)，對(duì)每個(gè)模擬單元進(jìn)行模擬環(huán)境分配；

(3)利用率定好的AquaCrop模型按照模擬單元的模擬環(huán)境生成對(duì)應(yīng)的.cro文件，即作物文件，這里主要是指肥脅迫參數(shù)；

(4)按照氣象文件和土壤文件要求，整理模型模擬需要的weather文件和soil文件；

其他操作主要包括：根據(jù)實(shí)際情況整理模型需要的初始含水率、地下水文件(由于盈科灌區(qū)地下水埋深較大，所以本研究予以忽略)，播種日期(本研究采用統(tǒng)一播種日期)，田間管理文件。

輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成即可運(yùn)行軟件，對(duì)作物生長狀況及需耗水規(guī)律進(jìn)行空間模擬。該軟件自帶的空間分析功能可以對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行空間展示。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 AquaCrop模型率定和驗(yàn)證

分別利用2012和2013年田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)AquaCrop模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，以確定適合盈科灌區(qū)制種玉米的模型參數(shù)，并選擇均方根誤差RMSE、標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差NRMSE、一致性指數(shù)d對(duì)率定結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，模型率定結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示，冠層覆蓋度率定和驗(yàn)證過程的RMSE分別為7.5%和7.9%，NRMSE分別為10.2%和11.9%，d分別為0.97和0.98；土壤水儲(chǔ)量的RMSE分別為18.8和40.1 mm，NRMSE分別為6.2%和13.4%，d分別為0.93和0.75。其中，模型進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，土壤肥脅迫系數(shù)仍然采用的2012年率定值，這與2013年實(shí)際情況有所出入，因此導(dǎo)致地上干物質(zhì)量模擬誤差稍微偏大，其中NRMSE分別為21.5%和51%稍有偏高，但是d分別達(dá)到了0.97和0.86，模擬結(jié)果可以接受。

表3 AquaCrop模型率定和驗(yàn)證評(píng)價(jià)指標(biāo)

注：冠層覆蓋度的單位為%； 地上干物質(zhì)量的單位為t/hm2； 土壤儲(chǔ)水量的單位為mm。

3.2 盈科灌區(qū)現(xiàn)狀年農(nóng)業(yè)用水效率

利用AquaGIS模型對(duì)盈科灌區(qū)2015年制種玉米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率進(jìn)行空間模擬。該灌區(qū)2015年制種玉米平均產(chǎn)量為13.31 t/hm2，水分生產(chǎn)率WPET為2.01 kg/m3，灌溉水生產(chǎn)率WPI僅為2.21 kg/m3。模擬結(jié)果顯示，灌區(qū)2015年制種玉米生育期滲漏量144 mm，造成了極大的水資源損失。為提高灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率，根據(jù)黑河中游綠洲實(shí)際配水情況，分別假定灌區(qū)配水3、4、5和6次，并對(duì)每種假定分別進(jìn)行灌溉制度優(yōu)化，結(jié)果如表4所示。

表4 盈科灌區(qū)現(xiàn)狀年及優(yōu)化灌溉制度的農(nóng)業(yè)用水效率

分析可知，灌溉制度優(yōu)化以后制種玉米產(chǎn)量略有降低，但是減少量均在5%以內(nèi)。灌溉制度優(yōu)化以后灌溉定額明顯減少，蒸散發(fā)量減少36～53 mm，實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)意義上的節(jié)水，水分生產(chǎn)率WPET增加量在5%左右，灌溉水生產(chǎn)率WPI增量達(dá)到25%-48%，極大地提高了農(nóng)業(yè)用水效率。綜合優(yōu)化結(jié)果，灌區(qū)現(xiàn)狀年平均灌溉4次灌溉制度最優(yōu)，灌溉水效率WPI可達(dá)到3.27 kg/m3。

3.3 盈科灌區(qū)不同水文年農(nóng)業(yè)用水效率

對(duì)張掖水文站(1980-2014)年降雨資料進(jìn)行降雨頻率分析(如圖1所示)，分別得到該站點(diǎn)豐水年(保證率25%)、平水年(保證率50%)和枯水年(保證率75%)的年均降雨量。對(duì)應(yīng)站點(diǎn)不同水文年及對(duì)應(yīng)氣象要素如表5所示。對(duì)盈科灌區(qū)不同水文年制種玉米灌溉制度進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)一步對(duì)比分析該灌區(qū)不同水文年的農(nóng)業(yè)用水效率，結(jié)果如表6所示。

對(duì)表5、表6進(jìn)行分析可知，盈科灌區(qū)豐水年和枯水年水分生產(chǎn)率WPET基本一致，平均為2.26～2.29 kg/m3，平水年比較低，為2.09～ 2.17 kg/m3。氣象數(shù)據(jù)顯示，平水年平均風(fēng)速達(dá)到2.8 m/s，高于豐水年(1.8 m/s)和枯水年(1.8 m/s)，且該水平年平均相對(duì)濕度低于豐水年和枯水年，因此平水年ET整體偏高。綜合對(duì)比灌區(qū)制種玉米WPET、WPI、產(chǎn)量可知，豐水年灌區(qū)最佳灌水次數(shù)為3次，平水年最佳灌水次數(shù)為4次，枯水年最佳灌水次數(shù)為5次。

水文氣象要素豐水年(P=25%)平水年(P=50%)枯水年(P=75%)典型年份200820131980年降雨量/mm154125100年日照時(shí)數(shù)/h305231733174年平均氣溫/℃8.38.87.3平均風(fēng)速/( m·s-1)1.82.81.8年平均相對(duì)濕度/%51.243.951.2

表6 盈科灌區(qū)不同水文年優(yōu)化灌溉制度的農(nóng)業(yè)用水效率

4 結(jié) 論

(1)基于分布式作物模型的灌溉制度優(yōu)化能夠充分考慮作物生長環(huán)境因素的空間變異性，尤其是土壤質(zhì)地的空間變化對(duì)灌溉制度的影響，能夠更加合理地制定出適合目標(biāo)區(qū)域的灌溉制度，最大限度地提高區(qū)域農(nóng)業(yè)用水效率。

(2)灌溉制度不合理是盈科灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率偏低的重要因素，通過優(yōu)化灌溉制度，灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率有很大的提升空間。本文提出了適合盈科灌區(qū)實(shí)際配水情況的一組優(yōu)化灌溉制度，通過灌溉制度優(yōu)化，灌區(qū)制種玉米蒸散發(fā)量減少36～53 mm，水分生產(chǎn)率WPET增加5%左右，灌溉水生產(chǎn)率WPI增加25%～48%，極大地提高了灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率。

(3)本文對(duì)張掖水文站降雨資料進(jìn)行分析，分別制定了盈科灌區(qū)不同水平年的灌溉制度，并提出了不同水文年最佳灌溉制度，分別為豐水年灌區(qū)最佳灌水3次、平水年最佳灌水4次、枯水年最佳灌溉5次，為盈科灌區(qū)科學(xué)合理的灌溉管理提供理論指導(dǎo)。