基于輪作模式的大興區(qū)麥玉灌溉制度優(yōu)化

楊 晶，段 萌，張寶忠，段喜明

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西晉中 030801；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

0 引 言

優(yōu)化灌溉制度是根據(jù)作物的需水特征和缺水敏感因子、以及當(dāng)?shù)氐臍夂颉⑼寥?、農(nóng)業(yè)和灌溉技術(shù)等方面在灌溉水量有限時(shí)，制定的最佳灌水方案[1]。由于可用于灌溉的水資源日益稀缺，在作物生長(zhǎng)階段實(shí)行非充分灌溉，可在一定程度上提高水分生產(chǎn)率[2]。

優(yōu)化灌溉制度是我國(guó)北方農(nóng)業(yè)節(jié)水的研究重點(diǎn)。田間試驗(yàn)得到的結(jié)果較為可靠，但因周期長(zhǎng)，投入比較高，且受各種不確定因素的影響，實(shí)用性較差；模型研究可降低試驗(yàn)成本，縮短試驗(yàn)周期，減少各種因素的干擾。與其他作物生長(zhǎng)模型相比，Aquacrop 模型具有輸入?yún)?shù)少、操作簡(jiǎn)便、模擬精度尚可的特點(diǎn)[3]。為保證模型模擬結(jié)果的可靠性，需利用田間試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模型精度的驗(yàn)證與評(píng)價(jià)，常用做優(yōu)化灌溉制度的手段。

以往研究多集中在冬小麥和夏玉米單作模式下優(yōu)化灌溉制度，較少在冬小麥-夏玉米輪作（簡(jiǎn)稱“麥玉輪作”）模式下優(yōu)化灌溉制度得到耗水規(guī)律和產(chǎn)量分析[4]，并提出合理的灌水措施，并且較少考慮不同灌溉制度下的土壤水分變化[5]。為此，本文以Aquacrop 模型為技術(shù)支持，通過田間觀測(cè)結(jié)果來校驗(yàn)作物生長(zhǎng)模型，以確保模型精度。在輪作模式下對(duì)冬小麥和夏玉米的灌溉制度進(jìn)行優(yōu)化和分析，從而為華北地區(qū)的農(nóng)業(yè)高效灌溉提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)在中國(guó)水科院大興節(jié)水灌溉試驗(yàn)研究基地（39°37′25″N,116°25′51″E）進(jìn)行[6]，多年平均氣溫12.1 ℃，全年日照時(shí)數(shù)約2 600 h，屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，地下水深10 m。

1.2 觀測(cè)項(xiàng)目

模型的輸入模塊主要包括作物、氣象、土壤、地下水、田間管理和初始條件等。根據(jù)試驗(yàn)站的大氣平均溫度、平均相對(duì)濕度、飽和水氣壓差、太陽凈輻射，平均氣壓，2 m 高度處風(fēng)速，采用FAO 推薦的Penman-Monteith 公式計(jì)算參照作物騰發(fā)量ET0[7]。土壤體積含水率采用TRIMER-T3/IPH 型土壤水分測(cè)定儀測(cè)定，每隔3～5d 在平均間隔為10 cm 且1.1 m 的深度的Trime 管進(jìn)行測(cè)量，降雨和灌溉后加測(cè)一次。冬小麥和夏玉米出苗后，每10 d 測(cè)定一次地上生物量，在各小區(qū)（面積為5.5 m×5.5 m）選取有代表性3株植株，從莖基部剪下，獲得完整的冠部，烘干后稱量，并根據(jù)同期分蘗情況，推算單位面積的生物量[8]。收獲時(shí)考種測(cè)產(chǎn)，測(cè)定各小區(qū)經(jīng)自然風(fēng)干后籽粒質(zhì)量，并折算成每公頃的產(chǎn)量[9]。葉面積指數(shù)(LAI)平均每5 d觀測(cè)一次，選取各小區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)均勻、具有代表性的3株植物，對(duì)其株高、葉面積進(jìn)行標(biāo)記，并進(jìn)行定點(diǎn)觀察，用鋼尺測(cè)量了3株有效葉片的長(zhǎng)度和寬度，并計(jì)算了每株有效葉面積的平均面積，將其乘以折算系數(shù)K，除以株距與行距。冬小麥和夏玉米的冠層覆蓋度(C)通過葉面積指數(shù)獲得，計(jì)算公式如下[10]：

土壤數(shù)據(jù)來源于2020年大興試驗(yàn)站的土壤粒徑分析，試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)以砂壤土為主，土壤理化特性見表1[11]。

表1 大興試驗(yàn)站土壤特性Tab.1 Soil characteristics of Daxing experiment station

1.3 AquaCrop模型

利用實(shí)測(cè)的作物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、灌溉制度、田間管理措施等資料建立模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，分別選擇土壤含水率、冠層覆蓋度、生物量與產(chǎn)量等指標(biāo)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)。其中選擇2019年10月-2020年10月麥玉生育期間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定；利用2020年10月-2021年10月的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1.4 情景方案設(shè)置

本文通過優(yōu)化適線法擬合Pearson-Ⅲ型曲線[12]，分析北京站1981-2021年作物生育期內(nèi)的累積降雨量，確定氣象典型年豐水年、平水年和枯水年分別為1997年、2009年和1987年，降雨量分別為690 mm、527 mm 和432 mm。根據(jù)土壤水分占田間持水量（FC）的不同進(jìn)行灌溉制度情景設(shè)定，以耗水量、產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率為目標(biāo)函數(shù)，調(diào)整灌水量、灌水時(shí)間和灌水次數(shù)對(duì)灌溉制度進(jìn)行優(yōu)化決策。設(shè)計(jì)土壤水分下限達(dá)到70%FC、60%FC、50%FC時(shí)，根據(jù)查閱文獻(xiàn)和當(dāng)?shù)毓喔冉?jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行灌溉的灌水定額分別為60 mm、80 mm、100 mm。麥玉輪作的灌水時(shí)間階段可分為：冬灌A，返青-拔節(jié)B，拔節(jié)-抽穗C，抽穗-灌漿D，灌漿-乳熟E，玉米苗期F。設(shè)置38 種灌溉情景（T1～T38）如表2所示。

表2 麥玉輪作灌溉制度情景方案Tab.2 Scenarios of winter wheat-summer maize rotation irrigation system

2 結(jié)果與分析

2.1 模型率定與驗(yàn)證

本文主要采用均方根誤差(RMSE)、決定系數(shù)（R2）、Nash效率系數(shù)(EF)指標(biāo)進(jìn)行模型精度評(píng)價(jià)。運(yùn)用率定后的AquaCrop模型用來進(jìn)行灌溉制度優(yōu)化。麥玉生育期內(nèi)土壤墑情、冠層覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化過程及其生物量和產(chǎn)量見圖1、圖2和表3；模型校驗(yàn)后的參數(shù)見表4。

表3 模型生產(chǎn)潛力率定驗(yàn)證評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.3 Model production potential calibration verification evaluation index

表4 麥玉AquaCrop模型參數(shù)列表Tab.4 Parameter list of AquaCrop model for winter wheat and summer maize

圖1 麥玉土壤含水率模擬值與實(shí)測(cè)值比較Fig.1 Comparison between simulated and measured soil moisture content of wheat and maize

圖2 麥玉冠層覆蓋度模擬值與實(shí)測(cè)值比較Fig.2 Comparison between simulated and measured canopy coverage of wheat and maize

2.2 不同灌溉制度下麥玉輪作的特征指標(biāo)變化規(guī)律

2.2.1 總耗水量

不同灌溉制度下麥玉輪作總耗水量見圖3。在平水年條件下，灌溉定額為0（雨養(yǎng)條件下）、180～240 mm、300～320 mm、360～400 mm 時(shí)的總耗水量分別為555.9 mm、630.2～707.7 mm、738.7～772.4 mm、770.3～796.8 mm。

圖3 不同灌溉制度下麥玉輪作的總耗水量Fig.3 The total water consumption of wheat-maize rotation under different irrigation systems

灌溉定額為180～240 mm、300～320 mm、360～370 mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的最高和最低總耗水量分別為T30（707.7 mm）和T17（630.2 mm）、T33 （772.4 mm） 和T31 （738.7 mm）、T38（800.2 mm）和T1（773.3 mm）。

2.2.2 總產(chǎn)量

不同灌溉制度下麥玉輪作的總產(chǎn)量見圖4。在平水年條件下，灌溉定額為0（雨養(yǎng)條件下）、180～240 mm、300～320 mm、360～400 mm 時(shí)對(duì)應(yīng)的麥玉總產(chǎn)量分別為8 599 kg/hm2、10 241～14 681 kg/hm2、15 417～16 817 kg/hm2、16 053～16 119 kg/hm2?？梢娍偖a(chǎn)量隨灌溉量的增加而增大。

圖4 不同灌溉制度下麥玉輪作的總產(chǎn)量Fig.4 The total yield of wheat-maize rotation under different irrigation systems

灌溉定額為180～240 mm、300～320 mm、360～370 mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的最高和最低總產(chǎn)量分別為T9（14 681 kg/hm2）和T17（10 241 kg/hm2）、T6（16 817 kg/hm2）和T35（15 417 kg/hm2）、T38（16 898 kg/hm2）和T36（16 807 kg/hm2）。

2.2.3 總水分生產(chǎn)率

不同灌溉制度下麥玉輪作的總水分生產(chǎn)率見圖5。在平水年條件下，灌溉定額為0（雨養(yǎng)條件下）、180～240 mm、300～320 mm、360～370 mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的總水分生產(chǎn)率分別為1.54 kg/m3、1.62～2.14 kg/m3、2.00～2.22 kg/m3、2.08～2.11 kg/m3。

圖5 不同灌溉制度下麥玉輪作的總水分生產(chǎn)率Fig.5 Total water productivity of wheat-maize rotation under different irrigation systems

2.2.4 總土壤水分變化

不同灌溉制度下冬小麥-夏玉米輪作全年總土壤水分變化見圖6，與其他有灌溉的處理相比，雨養(yǎng)條件下冬小麥-夏玉米的土壤水分變化消耗較大，其水分變化量在69.4 mm 左右。在同一處理?xiàng)l件下，因典型水文年內(nèi)降水分布的差異，輪作下的土壤水分在枯水年條件下與豐水年和平水年相比變化較大，當(dāng)在平水年條件下，灌溉定額為180～240 mm 下各處理土壤水分變化在63.3～93.7 mm 范圍內(nèi)；灌溉定額為300～320 mm 下各處理土壤水分變化在-23.8～43.7 mm 范圍內(nèi)；灌溉定額為360～370 mm下各處理土壤水分變化在-32.0～37.2 mm范圍內(nèi)；可知，總體上輪作下土壤水分變化量隨灌溉量的增大而減小。

圖6 不同灌溉制度下麥玉輪作的總土壤水分變化Fig.6 Changes of total soil moisture in wheat-maize rotation under different irrigation systems

2.3 大興區(qū)麥玉輪作時(shí)灌溉制度的優(yōu)化

在確保麥玉輪作穩(wěn)產(chǎn)條件下，平水年型不同灌溉制度如表5所示。T23處理（灌溉定額為180～240 mm）的產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率偏低；而T38 處理（灌溉定額為320～370 mm）時(shí)灌溉量偏大；T5和T6水分生產(chǎn)率相對(duì)其他情景方案較高，T5處理（灌溉定額為300 mm）與T6 處理（灌溉定額320 mm）相比，灌溉量減少20 mm，但仍能保證99.5%產(chǎn)量。由此遴選出試驗(yàn)區(qū)冬小麥-夏玉米輪作時(shí)，采用T5處理（灌溉定額為300 mm）的優(yōu)化灌溉制度。

表5 推薦冬小麥-夏玉米輪作灌溉制度Tab.5 Recommended wheat-maize rotation irrigation system

3 討 論

（1）農(nóng)業(yè)水資源的稀缺使得大家日益重視農(nóng)業(yè)用水，灌溉制度的研究成為熱點(diǎn)[13,14]，而前人研究大多集中于作物單作模式下灌溉用水更少或追求高產(chǎn)這一方向，較少研究輪作模式下的灌溉制度研究。本文認(rèn)為作物輪作模式下優(yōu)化灌溉制度能夠更加節(jié)水，而單作模式下優(yōu)化灌溉制度，產(chǎn)量較高但全年整體來看并不省水。輪作時(shí)灌溉定額小于300 mm 的耗水量、產(chǎn)量會(huì)隨著灌溉定額的增加而增加，這與其他學(xué)者的研究成果相一致[15]。

（2）作物單作時(shí)僅在生育期內(nèi)優(yōu)化灌溉制度看似省水，但實(shí)際上是消耗掉了土壤原本儲(chǔ)存的水分；而作物輪作時(shí)優(yōu)化灌溉制度，卻能使水分生產(chǎn)率和產(chǎn)量提高。以麥玉輪作為例[16]，玉米并未進(jìn)行播前灌溉，而是利用小麥生育期末的灌水和土壤水分，作為玉米的底墑水，這一優(yōu)化灌溉制度能為該地區(qū)農(nóng)業(yè)用水提供指導(dǎo)。

4 結(jié) 論

（1）AquaCrop 模型可較好地模擬不同灌溉制度下，麥玉輪作模式的土壤水分和冠層覆蓋度，以及生物量和產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)變化過程，模型的模擬值與觀測(cè)值之間的RMSE均小于20%，R2和EF分別大于0.7和0.5，模擬誤差較小。

（2）利用驗(yàn)證后的模型模擬麥玉輪作灌溉定額與耗水量、產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率之間的響應(yīng)關(guān)系，確定和評(píng)估麥玉輪作模式下的生產(chǎn)潛力。結(jié)果表明，在輪作條件下且灌水量小于300 mm 時(shí)，耗水量、產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率隨灌溉量的增大而增加，而土壤水分變化量隨灌溉量的增大而減小。灌溉定額和關(guān)鍵生育期的選擇，對(duì)于保證總年產(chǎn)量和節(jié)水至關(guān)重要。

（3）當(dāng)前華北地區(qū)嚴(yán)重缺水，應(yīng)堅(jiān)持量水發(fā)展，大力推廣虧缺灌溉制度，建議采用麥玉輪作種植模式，且灌溉定額為300 mm，保障冬小麥在返青-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗、抽穗-灌漿、灌漿-乳熟（T5：300 mm），夏玉米苗期階段灌水，將灌漿-乳熟階段的補(bǔ)充灌水作為夏玉米底墑水，用于滿足玉米種子發(fā)芽的土壤含水率，此時(shí)得到的總產(chǎn)量為16 735 kg/hm2，總耗水量為758.2 mm，水分生產(chǎn)率為2.21 kg/m3，因此輪作模式下的該灌溉制度較為節(jié)水并且產(chǎn)量能得到保障。