灌溉總量限制下灌水頻率對冬小麥產(chǎn)量及地下水變化的影響
——以河北省太行山山前平原為例

侯永浩，王楠，丁蓓蓓，張雪靚

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193）

0 引言

【研究意義】我國水資源人均占有量少，時空分布不均，糧食生產(chǎn)對灌溉水的依賴程度高[1]。作為重要的淡水資源，地下水在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中扮演著極為關(guān)鍵的角色；研究表明，全球約70%的地下水開采被用于農(nóng)田灌溉[2]。然而，隨著地下水開采量的不斷增加，北方地區(qū)的地下水位持續(xù)下降，已成為威脅我國農(nóng)業(yè)生態(tài)的突出問題[3]。強(qiáng)化區(qū)域節(jié)水灌溉始終是提高農(nóng)業(yè)水資源效率、保障糧食安全的重要任務(wù)[4]。在我國地下水超采最嚴(yán)重的華北平原，充分灌溉具有不可持續(xù)性，實(shí)行冬小麥調(diào)虧（虧缺）灌溉，將有限的水量重點(diǎn)分配于作物水分敏感期，是建設(shè)節(jié)水農(nóng)業(yè)的必經(jīng)之路[1,3-4]。在“以水定灌”的條件下（在特定的灌溉定額限制條件下），應(yīng)“少量多次”地兼顧更多的水分虧缺期，還是“多量少次”地將有限的水用于最為關(guān)鍵的作物水分敏感期，已成為限水灌溉方案制定中亟待明確的科學(xué)問題。

【研究進(jìn)展】冬小麥-夏玉米輪作是華北平原最為典型且占比最大的農(nóng)業(yè)種植模式。其中，冬小麥生育期內(nèi)降水匱乏、必須依靠井灌以維持產(chǎn)量是造成華北平原地下水超采的根本原因[5]。20世紀(jì)90年代以來，該區(qū)域農(nóng)民普遍在冬小麥生育期內(nèi)灌溉4～6 次（傳統(tǒng)的充分灌溉），灌溉定額約為300～400 mm[6-7]。自2010年起，為治理因地下水超采導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問題，非充分灌溉、調(diào)虧灌溉、關(guān)鍵期灌溉、限水灌溉等降低冬小麥生育期內(nèi)灌溉水總量的節(jié)水灌溉方案已成為研究者和管理者關(guān)注的重要議題[8-12]。在位于華北平原淺層地下水超采區(qū)內(nèi)（太行山山前平原）的欒城生態(tài)實(shí)驗(yàn)站（以下簡稱“欒城站”），有學(xué)者針對冬小麥非充分灌溉（足墑播種條件，結(jié)合追肥只灌1 次拔節(jié)水）、冬小麥夏玉米2 季最小灌溉（保證作物出苗的水分條件，生育期內(nèi)不灌水）、冬小麥生育期不同灌水頻次等方案開展了一系列的定點(diǎn)試驗(yàn)研究[13-15]。河北省《冬小麥和夏玉米調(diào)虧灌溉技術(shù)規(guī)程》指出，對于太行山山前平原區(qū)的灌溉農(nóng)田，冬小麥越冬前、返青—起身前、起身—拔節(jié)前、籽粒灌漿—成熟期合理地實(shí)施調(diào)虧灌溉，可在豐水年和平水年平均減少灌溉次數(shù)1～2 次，節(jié)約灌溉水600～1 500 m3/hm2。河北省《冬小麥節(jié)水高效灌溉制度》提出，太行山山前平原區(qū)應(yīng)采取“前足、中控、后?！钡墓喔仍瓌t，推薦的灌溉制度包括適用于不同降水水平的灌水1次（每次灌溉40 mm）、灌水2 次（每次灌溉30 mm）和灌水3 次（每次灌溉35 mm）等方案。無論是定位試驗(yàn)還是技術(shù)規(guī)程，核心問題均聚焦于如何將有限的水在冬小麥生育期內(nèi)進(jìn)行最優(yōu)化分配，而不同分配方案下的總灌溉水量（灌溉定額）通常較為相近，主要差別往往在于單次灌溉量（灌水定額）與灌水頻率（灌水次數(shù)）的差異。張喜英[16]在欒城站對冬小麥90 mm灌溉定額下的不同灌水次數(shù)開展了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：增加灌水頻率、縮減單次灌水量可促進(jìn)作物根系生長、提升作物產(chǎn)量。【切入點(diǎn)】然而，上述結(jié)果僅能代表特定點(diǎn)位在特定年份的田間試驗(yàn)結(jié)果，對于區(qū)域尺度上未考慮空間異質(zhì)性的影響。此外，鮮有針對相同灌溉定額不同灌水頻率方案下的淺層地下水動態(tài)的比較研究，而上述信息也正是地下水超采區(qū)政策制定者在合理制定限水灌溉方案、提高地下水井灌利用效率亟須的決策支撐。

【擬解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究以華北平原典型的淺層地下水超采區(qū)——河北省太行山山前平原為例，應(yīng)用改進(jìn)地下水模塊的分布式水文模型SWAT 模型對冬小麥生育期相同灌溉定額下不同灌水頻率的限水灌溉方案進(jìn)行模擬，分析不同方案下作物產(chǎn)量與淺層地下水動態(tài)的時空變化，并基于“水-糧”權(quán)衡，比較不同灌溉方案的優(yōu)劣，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域尺度“節(jié)水壓采”的農(nóng)田高效用水策略提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省太行山山前平原（東經(jīng)114°17′—116°14′，北緯36°07′—39°35′）地處海河流域中部，涵蓋保定、石家莊、邢臺和邯鄲4 個地級市，總面積約22753 km2，其中耕地面積占比超過80%[17]。該區(qū)域以太行山以東的沖積平原為主，地勢平坦，土壤肥沃，適宜農(nóng)業(yè)發(fā)展[18]。

研究區(qū)內(nèi)冬小麥和夏玉米的播種面積約占糧食總播種面積的90%以上[17]。流經(jīng)研究區(qū)的主要河流為海河水系的2 條重要支流——大清河與子牙河?；谌珖Y源分區(qū)，研究區(qū)包括大清河淀西平原和子牙河平原這2 個水資源三級區(qū)，本研究基于SWAT 模型將其進(jìn)一步細(xì)分為22 個子流域（圖1）。研究區(qū)為溫帶半濕潤、半干旱的大陸性季風(fēng)氣候，根據(jù)1970—2012年降水情況，區(qū)域多年平均降水量為450～550 mm，但冬小麥生育期（10月上旬—次年6月中旬）內(nèi)的降水量占比卻不足全年的20%[18-19]。該區(qū)域?qū)儆诘谒南邓缮⒍逊e平原，由于淺層含水層水質(zhì)良好，因此成為最主要的地下水資源開采層[20]，但連續(xù)的過量開采導(dǎo)致淺層地下水位以超過1m/a 的速度持續(xù)下降[21]。當(dāng)前，由農(nóng)田灌溉造成的淺層地下水大范圍超采已經(jīng)成為限制該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題。

圖1 研究區(qū)水系、子流域分布情況Fig.1 The river system and subbasins of the study area

1.2 SWAT 模型的模擬情景設(shè)置

SWAT 模型是一種流域尺度的分布式水文模型，可模擬氣候、水文、泥沙、土壤水和作物生長等過程，在國內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用[22]。Zhang 等[23]及任理等[11]就該模型無法直接模擬與輸出淺層地下水埋深的缺陷，增加了淺層含水層給水度、底板埋深、側(cè)向補(bǔ)給量等參數(shù)，以期更好地模擬研究區(qū)的地下水循環(huán)過程。綜合水文地質(zhì)勘察資料將第四紀(jì)含水巖系中的第Ⅰ含水層與第Ⅱ含水層概化為淺層含水層[24-25]。在此基礎(chǔ)上，基于16 口國家監(jiān)測井和148 口區(qū)域調(diào)查井（前者具有較長時間監(jiān)測序列且監(jiān)測頻率相對密集，后者空間分布較為密集但監(jiān)測頻率相對稀疏）的淺層地下水埋深實(shí)測數(shù)據(jù)，對修改后的地下水模塊及土壤水模塊中的4 個參數(shù)進(jìn)行了率定；并根據(jù)地下水資源評價(jià)資料、遙感數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)年鑒分別對淺層地下水儲量變化、農(nóng)田蒸散量和作物產(chǎn)量的模擬結(jié)果進(jìn)行了多模塊驗(yàn)證，最終構(gòu)建了能夠準(zhǔn)確模擬研究區(qū)冬小麥-夏玉米農(nóng)田水文循環(huán)過程的SWAT 模型[11,23]，并成功應(yīng)用于限水灌溉模式的定量模擬[26-28]。本文運(yùn)用SWAT 模型對研究區(qū)內(nèi)的22 個子流域就不同的灌溉情景進(jìn)行模擬。為了更直觀地與前期研究結(jié)果進(jìn)行對比，設(shè)置1990—2012年為模擬時段，其中1990—1992年作為模型預(yù)熱期，1993—2012年作為模擬分析期。本研究設(shè)定90 mm 灌溉定額下的單次灌水（下文統(tǒng)稱“90 mm-一水”方案）、2 次灌水，每次45 mm（下文統(tǒng)稱“45 mm-二水”方案）和3 次灌水，每次30 mm（下文統(tǒng)稱“30 mm-三水”方案）方案作為模擬情景（表1）。上述模擬方案的設(shè)置主要考慮了以下原因：①前人相關(guān)研究表明，研究區(qū)在“完全休耕”條件下，通過入滲補(bǔ)給與側(cè)向補(bǔ)給進(jìn)入淺層含水層的總補(bǔ)給量（可近似為淺層地下水天然補(bǔ)給量）約為138 mm[19]；對于冬小麥-夏玉米輪作，夏玉米生育期（包括播前水）的平均井灌開采量約為42 mm[19]，由水量平衡原理計(jì)算得出冬小麥生育期的井灌開采量需控制在96 mm 以內(nèi)，才可能實(shí)現(xiàn)淺層地下水采補(bǔ)平衡這一壓采目標(biāo)；②在“少量多次”情況下，在灌水3 次時，若灌溉量少于30 mm，即使實(shí)施小定額灌溉方案，也難以在畦灌條件下得到應(yīng)用；③基于研究區(qū)內(nèi)田間試驗(yàn)及地方灌溉技術(shù)規(guī)程中的相關(guān)信息[10,13-15]，最終制定本研究中的3 種灌溉方案。各模擬情景中的灌水時間是基于前期研究中的模擬試驗(yàn)結(jié)果[12,26]并參考冬小麥關(guān)鍵需水期相關(guān)研究確定[9]?！?0 mm-一水”與“45mm-二水”方案涉及的灌水時間在22 個子流域內(nèi)保持一致，而“30 mm-三水”方案在不同子流域之間略有差異（表1）。為評估不同灌溉方案的地下水壓采效果及其對冬小麥產(chǎn)量的影響，將3 種情景的模擬結(jié)果與基本情景（農(nóng)民歷史灌溉制度）的相應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比較。基本情景的設(shè)置沿用前期研究基礎(chǔ)[6-7]，農(nóng)民普遍在冬小麥生育期灌水4 次，在枯水期和特枯水期時增加1～2 次灌溉，模擬分析時段內(nèi)平均灌溉量為356 mm[11,23]。

表1 模擬情景設(shè)置Table 1 Simulation scenario settings

1.3 灌溉方案的評估及優(yōu)選指標(biāo)

研究區(qū)是我國冬小麥主產(chǎn)區(qū)之一，也是優(yōu)質(zhì)高筋小麥的高產(chǎn)區(qū)[18]。在限水灌溉條件下的冬小麥減產(chǎn)程度是政策制定者需重點(diǎn)考慮的因素。同時，不同灌溉方案下淺層地下水位的變化亦是開展壓采工作須關(guān)注的核心問題。在本研究區(qū)，冬小麥根區(qū)縱向2m 深度土層是一個在重力作用下自由排水的土壤剖面，本研究涉及的水文過程與作物生長機(jī)理之間的相互關(guān)系，均是在這個土壤剖面上發(fā)生的。灌溉于農(nóng)田中的淺層地下水一部分轉(zhuǎn)化為蒸散量進(jìn)入大氣層，另一部分貯存在冬小麥根區(qū)縱向2m 深度土體中，當(dāng)該部分水量超過土壤田間持水率后則會產(chǎn)生深層滲漏，進(jìn)而補(bǔ)給淺層地下水。因此，合理的井灌方案應(yīng)是將灌溉水和降水更多地轉(zhuǎn)化為對作物增產(chǎn)有益的作物蒸散量。分析不同情景下的冬小麥根區(qū)縱向2m 深度土體的滲漏量與農(nóng)田實(shí)際蒸散量（ETa）的差異，可為定量描述農(nóng)田水文循環(huán)、探尋作物產(chǎn)量及地下水變化的原因提供依據(jù)。

本研究將在3 種限水灌溉情景下模擬分析時段內(nèi)的冬小麥單產(chǎn)（kg/hm2）、淺層地下水位變化速度（m/a）、作物根系土壤水分滲漏量（mm）和ETa（mm）。此外，為“因地制宜”地推行限水灌溉方案，采用作物地下水灌溉生產(chǎn)力這一指標(biāo)，即CGWP（Crop Groundwater Productivity），對各子流域內(nèi)的3 種模擬情景進(jìn)行優(yōu)選，進(jìn)而形成冬小麥相同灌溉定額限制下不同灌水頻率的區(qū)劃設(shè)計(jì)。CGWP體現(xiàn)了“水-糧”權(quán)衡的思想，可反映地下水消耗量對冬小麥產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。本研究定義CGWP為旱作條件與雨養(yǎng)條件相比，淺層地下水位（m）每下降一個單位所帶來的作物增產(chǎn)量（kg/hm2）。因此，CGWP值越高，說明灌溉水對冬小麥產(chǎn)量的貢獻(xiàn)越大，或冬小麥的單位增產(chǎn)量所消耗的淺層地下水資源量就越少，也就說明該灌溉模式下地下水井灌利用效率越高。計(jì)算式為：

式中：CGWPi為第i種情景下（i=1,2,3）模擬分析時段內(nèi)的作物地下水灌溉生產(chǎn)力（kg/m3）；YDLi為第i種情景下（i=1,2,3）模擬分析時段內(nèi)冬小麥的年均產(chǎn)量（kg/hm2）；YLDr為模擬分析時段內(nèi)冬小麥在雨養(yǎng)條件下的年均產(chǎn)量（kg/hm2）；SHGWHTi為第i種情景下（i=1,2,3）模擬分析時段內(nèi)的淺層地下水平均埋深（m）；SHGWHTr為模擬分析時段內(nèi)冬小麥在雨養(yǎng)條件下的淺層地下水平均埋深（m）。其中，冬小麥雨養(yǎng)條件下的模擬結(jié)果取自Zhang 等[26]、任理等[11]研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物產(chǎn)量及減產(chǎn)率

在大清河淀西平原，除子流域dx1 外，其他子流域在90 mm 灌溉定額下的冬小麥產(chǎn)量均分布在4000～4700 kg/hm2（表2）。對比3 種情景，在該水資源三級區(qū)若要收獲更高的冬小麥產(chǎn)量，該區(qū)內(nèi)的10個子流域均表現(xiàn)為“45 mm-二水”方案最優(yōu)；對于大部分子流域，“30 mm-三水”方案優(yōu)于“90 mm-一水”方案。其中，子流域dx2（位于保定地區(qū)北部）在不同灌溉方案下的冬小麥產(chǎn)量的差異（最優(yōu)情景與最劣情景的差值）最大，“45 mm-二水”方案下的產(chǎn)量相比“30 mm-三水”方案的產(chǎn)量高出近 400 kg/hm2。同時，dx2 也是唯一一個“90 mm-一水”方案在冬小麥產(chǎn)量方面的表現(xiàn)明顯優(yōu)于“30 mm-三水”方案的子流域。與基本情景相比，在“90 mm-一水”、“45 mm-二水”、“30 mm-三水”方案下，大清河淀西平原各子流域的冬小麥平均減產(chǎn)率分別為24%、21%和23%。

表2 2 個水資源三級區(qū)內(nèi)各子流域在3 種模擬情景下的冬小麥年平均產(chǎn)量Table 2 The annual average yield of winter wheat in the subbasinsunder the three limited irrigation scenarios

在子牙河平原，“45 mm-二水”方案下的冬小麥產(chǎn)量依然在大部分情況下較優(yōu)，但不如其在大清河淀西平原的優(yōu)勢明顯（表2）。對于分布在子牙河中部的部分子流域，“90 mm-一水”方案下的產(chǎn)量已非常接近甚至反超“45 mm-二水”方案下的產(chǎn)量。與大清河淀西平原相比，子牙河平原12 個子流域的冬小麥產(chǎn)量在不同模擬情景下的空間異質(zhì)性更大。例如，“90 mm-一水”方案在子牙河平原表現(xiàn)出較強(qiáng)的地域性，對于zy1、zy2、zy3 和zy4（多分布于石家莊地區(qū)）這4 個子流域，該情景下的冬小麥產(chǎn)量與其他2 種情景相比是最低的，而在zy6、zy9 和zy11（多分布于邯鄲和邢臺地區(qū)）這3 個子流域，該情景下的冬小麥產(chǎn)量與其他2 種情景相比卻是最高的。與基本情景相比，“90 mm-一水”、“45 mm-二水”和“30 mm-三水”方案下的子牙河平原各子流域的冬小麥平均減產(chǎn)率分別為22%、20%和23%。

2.2 淺層地下水位變化

在“90 mm-一水”、“45 mm-二水”、“30 mm-三水”灌溉方案下，大清河淀西平原淺層地下水位的平均變化速度分別為-0.22、-0.28、-0.27 m/a，與基本情景下的-1.0 m/a 相比，下降速度存在顯著減緩。其中，子流域dx1（位于保定地區(qū)北部）表現(xiàn)出了淺層地下水位“止降回升”的壓采效果，平均回升速度約為0.17～0.27 m/a（表3）。對于研究區(qū)南部的子牙河平原，其淺層地下水超采形勢相比大清河淀西平原更為嚴(yán)峻，“90 mm-一水”、“45 mm-二水”、“30 mm-三水”灌溉方案下的淺層地下水位平均變化速度分別為-0.44、-0.49、-0.47 m/a，與基本情景下的-1.2 m/a 相比，下降速度同樣存在顯著減緩；其中，子流域zy1（位于石家莊地區(qū)西部）表現(xiàn)出了淺層地下水接近“采補(bǔ)平衡”的壓采效果，而子流域zy2（位于石家莊地區(qū)中東部）的淺層地下水位下降速度仍高達(dá)1.0 m/a 以上（表3）。整體來看，在絕大部分子流域，“90 mm-一水”方案與其他2 種方案相比具有更優(yōu)秀的地下水壓采效果，這種優(yōu)勢在大清河淀西平原內(nèi)的除子流域dx2 以外的9 個子流域以及子牙河平原內(nèi)的zy1、zy2、zy3 和zy12 子流域（這13 個子流域位于保定地區(qū)及石家莊地區(qū)中東部）尤為突出。

表3 大清河淀西平原和子牙河平原內(nèi)的各子流域在3 種模擬情景下的淺層地下水位年平均變化速度Table 3 The variation rates of shallow groundwater table in the subbasins of the Dianxi Plain of the Daqing River basin and the Plain of the Ziya River basin under the three limited irrigation scenarios

2.3 冬小麥根區(qū)縱向2 m 土層深度內(nèi)的土壤水分滲漏量

表4為2 個水資源三級區(qū)內(nèi)各子流域及三級區(qū)之間在3 種灌溉情景下的冬小麥根區(qū)縱向2 m 土層深度內(nèi)的土壤水分滲漏量（以下簡稱滲漏量）。在大清河淀西平原，各子流域在3 種模擬情景下的年平均滲漏量分布在50～64 mm 之間。其中，“90 mm-一水”方案下的滲漏量平均值最大，相比“45 mm-二水”方案平均高出8.8 mm，相比“30mm-三水”方案平均高出6.8 mm。在子牙河平原，各子流域在3 種模擬情景下的滲漏量介于49～60 mm 之間。其中，“90 mm-一水”方案下的滲漏量平均值分別比“45 mm-二水”和“30mm-三水”高出7.2 mm 和5.6 mm。

表4 大清河淀西平原和子牙河平原內(nèi)的各子流域在3 種模擬情景下的作物根系帶2 m 土體的年平均水分滲漏量Table 4 The percolation from the soil profile (2 m) in the subbasinsof the Dianxi Plain of the Daqing River basin and the Plain of the Ziya River basin under the three limited irrigation scenarios

2.4 農(nóng)田耗水量

研究區(qū)各子流域在3 種灌溉情景下的年平均ETa介于530～576 mm 之間，其與基本情景相比的降低程度及其空間分布如圖2所示。各子流域在“45 mm-二水”和“30mm-三水”情景下年平均ETa的減幅約為13%～18%，在“90 mm-一水”情景下年平均ETa的減幅約為15%～19%。在大清河淀西平原，“90 mm-一水”情景下的年平均ETa比“45 mm-二水”和“30mm-三水”情景分別平均降低10.3 mm 和8.8 mm；在子牙河平原，“90 mm-一水”情景下的年平均ETa比“45 mm-二水”和“30mm-三水”情景分別平均降低7.4 mm和5.8 mm。雖然“45 mm-二水”和“30mm-三水”方案下的年平均ETa差異不超過2mm，但“45 mm-二水”方案不僅具有更高的蒸散量，而且對作物增產(chǎn)有效的蒸騰量占比也略高于“30mm-三水”方案。

圖2 與基本情景相比，3 種模擬情景下農(nóng)田實(shí)際蒸散量減少程度的空間分布及各組分的占比情況Fig.2 Spatial distribution of reduction in actual evapotranspiration (ETa) under different simulation scenarios compared with the current situation and the proportions constituting in the ETa under the three limited irrigation scenarios

2.5 區(qū)域尺度冬小麥灌溉方案優(yōu)選

基于能夠同時兼顧地下水涵養(yǎng)與作物生產(chǎn)的CGWP指標(biāo)，針對每一個子流域，挑選出地下水消耗對作物增產(chǎn)貢獻(xiàn)最大的灌溉方案，作為在該子流域所推薦的灌溉方案，進(jìn)而獲得優(yōu)選灌溉方案的區(qū)劃設(shè)計(jì)方案。22 個子流域在3 種灌溉情景下的CGWP結(jié)果及優(yōu)選后的灌溉方案區(qū)劃如表5和表6所示。在大清河淀西平原，有6 個子流域（dx3、dx4、dx5、dx6、dx8 和dx10）在“90 mm-一水”情景下的CGWP最高，有4 個子流域（dx1、dx2、dx7 和dx9）在“45 mm-二水”情景下的CGWP最高，表明基于這2 種灌溉方案在相應(yīng)的子流域中進(jìn)行井灌，冬小麥的增產(chǎn)所消耗的淺層地下水資源相對最少。大清河淀西平原內(nèi)所有子流域在“30mm-三水”情景下的CGWP最低，表明從提高作物對地下水灌溉的利用效率角度來講，這種灌溉方案的優(yōu)勢最不明顯。dx7、dx8 和dx9（位于石家莊地區(qū)北部和保定地區(qū)南部）在各模擬情景下的CGWP相比其他子流域更高，可見在這些地區(qū)井灌對冬小麥增產(chǎn)的貢獻(xiàn)相對較大。

表5 大清河淀西平原和子牙河平原各子流域在不同灌溉情景下的作物地下水灌溉生產(chǎn)力Table 5 Crop groundwater irrigation productivity under different irrigation scenarios in the 10 subbains of the Dianxi Plain of the Daqing River basin and the 12 subbasins of the Plain of the Ziya River basin

表6 優(yōu)選灌溉方案區(qū)劃Table 6 The spatial distribution of the recommended irrigation schemes

在子牙河平原，優(yōu)選結(jié)果為“90 mm-一水”方案的子流域依然是最多的，約占58%；其次是“45 mm-二水”方案，約占33%；與大清河淀西平原不同的是，該水資源三級區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了一個優(yōu)選結(jié)果為“30mm-三水”方案的子流域（zy4），其位于石家莊地區(qū)東部。整體來看，子牙河平原各子流域的CGWP平均值低于大清河淀西平原。其中，子流域zy2 和zy6（位于石家莊地區(qū)東北部和邢臺地區(qū)西北部）的CGWP最低，表明在這些地區(qū)井灌對冬小麥增產(chǎn)的貢獻(xiàn)相對較小。

3 討論

水分脅迫是指作物水分散失超過其根系水分吸收，使植株組織膨壓降低、代謝失調(diào)的現(xiàn)象[29]。水分脅迫對冬小麥生理與生態(tài)的影響是多方面的，在水分脅迫下冬小麥的地上部分生長將受到抑制；同時，水分脅迫抑制根系生長，降低了根系的吸水面積和吸水能力，影響其對水分和養(yǎng)分的吸收和運(yùn)輸，從而導(dǎo)致冬小麥產(chǎn)量下降[29-32]。SWAT 模型可通過比較作物的實(shí)際蒸散發(fā)和潛在蒸散發(fā)來模擬水分脅迫[22]，通過讀取冬小麥生育期內(nèi)存在水分脅迫的天數(shù)分析其對收獲產(chǎn)量的影響機(jī)制，結(jié)果顯示：在大清河淀西平原，“90 mm-一水”、“45 mm-二水”、“30 mm-三水”情景下的冬小麥生育期內(nèi)的水分脅迫天數(shù)分別為71、62、72 d；子牙河平原的相應(yīng)結(jié)果分別為68、61、69 d。因此，“45 mm-二水”灌溉方案下的水分脅迫天數(shù)最少，“90 mm-一水”和“30 mm-三水”灌溉方案下的水分脅迫天數(shù)相近，這可能是導(dǎo)致“45 mm-二水”方案下的冬小麥產(chǎn)量整體占優(yōu)的主要原因。不同灌溉方案對冬小麥產(chǎn)量的影響與水分在作物根系帶土體中的分配情況有關(guān)，進(jìn)而導(dǎo)致不同水平的水分脅迫。盡管“90 mm-一水”方案是灌溉在冬小麥最關(guān)鍵的需水期（拔節(jié)期），但是由于灌水定額偏大，使得灌溉后的土壤水分超過了田間持水率，從而形成了滲漏補(bǔ)給。與灌水次數(shù)為2 次和3 次的灌溉方案相比，單次大定額灌溉方案下，灌水發(fā)生前土壤水分相對不足、灌水發(fā)生時產(chǎn)生無效滲漏、灌水后土壤水分持續(xù)消耗未能得到繼續(xù)補(bǔ)充所造成的水分脅迫是導(dǎo)致冬小麥產(chǎn)量相對不高的主要原因。而“30 mm-三水”方案與“45 mm-二水”方案相比，盡管作物根系帶2m 土體的滲漏量較為相近，但“30 mm-三水”方案的蒸散量略低于“45 mm-二水”方案，且作物蒸騰量在蒸散量中的占比也明顯低于“45 mm-二水”方案，從而造成了相對更大的減產(chǎn)幅度。

按研究區(qū)長序列（1970—2012年）冬小麥生育期內(nèi)降水量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[19]進(jìn)行劃分，在冬小麥生育期不同降水水平下，3 種限水灌溉情景的冬小麥產(chǎn)量如表7所示。在特枯水期，“90 mm-一水”的方案冬小麥產(chǎn)量最高；而在豐水期、平水期和枯水期，“90 mm-一水”和“30 mm-三水”方案下的冬小麥產(chǎn)量無明顯規(guī)律，但均低于“45 mm-二水”方案，這與前文中按20 a 平均進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算的結(jié)果一致。

表7 冬小麥生育期不同降水水平下3 種模擬情景的冬小麥平均產(chǎn)量Table 7 Average yield of winter wheat in three simulated scenarios under different precipitation exceedance probabilities (PEPs) of winter wheat growing season

在位于研究區(qū)內(nèi)的欒城站，張喜英等[16]在田間尺度上進(jìn)行了與本研究設(shè)計(jì)的3 種灌溉方案相似的大田測坑試驗(yàn)；結(jié)果表明，在田塊尺度上，90 mm 灌溉定額下的3 種灌溉方案的冬小麥產(chǎn)量約為7500～9000 kg/hm2，而本文在區(qū)域尺度上的模擬產(chǎn)量約為 4000～5000 kg/hm2，造成這種差異的原因詳見張雪靚等[27]研究結(jié)果。張喜英等[16]試驗(yàn)結(jié)果表明，在90 mm 灌溉定額下，隨著灌溉頻率的增加，冬小麥產(chǎn)量也會增加，按冬小麥產(chǎn)量進(jìn)行排序的結(jié)果為：“30 mm-三水”方案＞“45 mm-二水”方案＞“90 mm-一水”方案，而本文對欒城站所在水文單元的模擬結(jié)果為“45 mm-二水”方案＞“90 mm-一水”方案＞“30 mm-三水”方案。造成上述較大差異的原因可能有以下幾點(diǎn)：①水文響應(yīng)單元面積遠(yuǎn)大于田間試驗(yàn)小區(qū)面積，模擬時所概化的區(qū)域尺度土壤質(zhì)地以及輸入的氣象數(shù)據(jù)都與站點(diǎn)尺度大不相同，這都會影響水分和養(yǎng)分在作物根系帶土體的分布狀況，從而導(dǎo)致產(chǎn)量差異；②田間試驗(yàn)的3 次灌水時期分別為拔節(jié)期、抽穗期與灌漿期，而在該水文響應(yīng)單元內(nèi)基于權(quán)衡考慮地下水涵養(yǎng)與作物生產(chǎn)而設(shè)置的灌溉時期為越冬期、拔節(jié)期和抽穗期，這也可能導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)顯著差異；③田間試驗(yàn)條件下采用小定額灌溉時常配套一些農(nóng)藝補(bǔ)償措施，如密播、深松耕、使用地膜覆蓋或秸稈覆蓋等，而SWAT模型卻難以量化上述措施的貢獻(xiàn)，這同時也是SWAT模型在未來亟須完善的問題。

現(xiàn)階段研究區(qū)內(nèi)大田作物的灌溉方式通常為畦灌，本研究設(shè)計(jì)有限供水（冬小麥生育期灌溉定額90 mm）下的3 種灌溉頻率的灌水方案，除灌溉1 次方案的灌水定額為90 mm 以外，灌溉2 次（灌水定額45 mm）和3 次方案（灌水定額30 mm）可能都需要小畦灌溉、噴灌或滴灌等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)小定額灌溉。然而，這些節(jié)水灌溉技術(shù)的成本投入較高[33]；另一方面，灌水頻率的增加也會帶來勞動力成本投入的增加[34]。因此，小定額灌溉方案還需配合簡便易行且經(jīng)濟(jì)可行的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，從這個角度來看，本文所推薦的灌溉方案區(qū)劃中少有“30 mm-三水”的優(yōu)選結(jié)果也具備一定的現(xiàn)實(shí)可操作性。

4 結(jié)論

限水灌溉模式（冬小麥生育期灌溉定額90 mm）下，在河北省太行山山前平原分別于冬小麥拔節(jié)期、抽穗期進(jìn)行灌溉的“45 mm-二水”方案下的冬小麥產(chǎn)量相對最高。與之相比，“90 mm-一水”方案（僅在拔節(jié)期進(jìn)行灌溉）會產(chǎn)生較大的土壤水深層滲漏，“30 mm-三水”方案則會增大土面蒸發(fā)、降低作物蒸騰量在蒸散發(fā)中的比例，從而帶來相對更高的減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

90 mm 灌溉定額的冬小麥限水灌溉方案會造成研究區(qū)內(nèi)大清河淀西平原和子牙河平原這2 個水資源三級區(qū)冬小麥平均減產(chǎn)21%～24%和20%～23%；在保定地區(qū)北部和石家莊地區(qū)西部的部分區(qū)域，可使得淺層地下水實(shí)現(xiàn)“止降回升”，在其他區(qū)域，盡管地下水仍表現(xiàn)為超采形勢，但水位下降速度相比現(xiàn)狀條件下平均減緩60%～75%。

為最大化提高地下水的井灌利用效率，在冬小麥90 mm 灌溉定額限制下，約54%的區(qū)域推薦實(shí)施“90 mm-一水”方案、只有石家莊東部的辛集市和晉州市（約占研究區(qū)面積的6%）推薦實(shí)施“30 mm-三水”方案、其他區(qū)域推薦實(shí)施“45 mm-二水”方案。