基于ORYZA 2000模型的鄂北地區(qū)水稻水分生產(chǎn)函數(shù)構(gòu)建

，，，，

(1.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程系，武漢 430070； 2.湖北省水利水電科學(xué)研究院 水資源與農(nóng)村水利研究所，武漢 430070; 3.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

基于ORYZA 2000模型的鄂北地區(qū)水稻水分生產(chǎn)函數(shù)構(gòu)建

王麗紅1，劉路廣2，譚君位3，陳道英1，董葦2

(1.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程系，武漢 430070； 2.湖北省水利水電科學(xué)研究院 水資源與農(nóng)村水利研究所，武漢 430070; 3.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

湖北省北部地區(qū)水資源短缺，有限降水難以滿足水稻需水量，需要實(shí)施灌溉以補(bǔ)充水分。為此，根據(jù)長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站水稻灌溉試驗(yàn)成果，基于ORYZA 2000模型構(gòu)建了鄂北地區(qū)水稻生長(zhǎng)模型。根據(jù)不同受旱階段及受旱水平設(shè)置了多種受旱方案，利用構(gòu)建的模型模擬分析了不同受旱方案水稻需水量和產(chǎn)量的變化規(guī)律。結(jié)果表明隨受旱程度的增加,水稻需水量與產(chǎn)量呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)。在模擬成果分析基礎(chǔ)上，根據(jù)最小二乘法原理，計(jì)算分析得到了Jensen模型中不同生育階段敏感系數(shù)，構(gòu)建了鄂北地區(qū)水稻水分生產(chǎn)函數(shù)，對(duì)指導(dǎo)當(dāng)?shù)厮竟喔染哂兄匾饬x。

鄂北地區(qū);水稻；受旱方案；ORYZA 2000模型；需水量；水分生產(chǎn)函數(shù)

水稻是我國主產(chǎn)糧食作物之一，水稻的穩(wěn)產(chǎn)或增產(chǎn)對(duì)保障糧食安全具有重要意義。鄂北地區(qū)位于湖北省北部，屬于水資源短缺地區(qū)，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城鎮(zhèn)供水?dāng)D占農(nóng)業(yè)灌溉用水和生態(tài)環(huán)境用水現(xiàn)象日益嚴(yán)重[1]。而水稻又是高耗水作物，鄂北水資源不足，直接影響到水稻生產(chǎn)。因此，通過田間試驗(yàn)或數(shù)值模擬，確定水稻需水關(guān)鍵期，以使有限的水資源發(fā)揮更大作用尤為關(guān)鍵[2]。然而，僅通過田間試驗(yàn)確定水稻需水規(guī)律需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。本文采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，模擬分析水稻不同生育期受旱后的需水量與產(chǎn)量的變化關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)最小二乘法原理，利用Jensen模型構(gòu)建鄂北地區(qū)水稻水分生產(chǎn)函數(shù)。

1 鄂北地區(qū)水稻生長(zhǎng)模型構(gòu)建

長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站(具體位置見圖1)是鄂北地區(qū)的代表試驗(yàn)站，也是湖北省重點(diǎn)試驗(yàn)站。本文以2010年和2011年在該站開展的水稻不同灌溉模式的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，應(yīng)用ORYZA 2000模型進(jìn)行不同受旱方案下的需水量和產(chǎn)量模擬，以確定適宜的灌溉制度和受旱應(yīng)對(duì)策略。

圖1 鄂北地區(qū)范圍與試驗(yàn)站分布Fig.1 Location of irrigation stations in north Hubei Province

1.1 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用坑測(cè)法，設(shè)計(jì)了淺灌模式、中蓄模式、濕潤(rùn)模式3種處理，重復(fù)3次。3種灌溉模式田面水層控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.2 ORYZA 2000模型率定與驗(yàn)證

ORYZA 2000模型在水稻生長(zhǎng)模擬方面已在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[3-4]，尤其是依托團(tuán)林灌溉試驗(yàn)站多年試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量的參數(shù)率定和應(yīng)用工作。為了更好地模擬鄂北地區(qū)水稻受旱需水量和產(chǎn)量關(guān)系，本文采用長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站和團(tuán)林灌溉試驗(yàn)站聯(lián)合率定參數(shù)的方法，首先采用團(tuán)林灌溉試驗(yàn)站資料對(duì)ORYZA 2000模型基本參數(shù)進(jìn)行初步率定，然后采用長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站水稻產(chǎn)量資料對(duì)模型生長(zhǎng)速率等參數(shù)進(jìn)一步率定和驗(yàn)證。步驟如下：

表1 長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站中稻灌溉試驗(yàn)水層深度處理Table 1 Thresholds of water level for different middle-season rice irrigation modes at Changqu Irrigation Station mm

注：表中3個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)(如5-30-30)分別表示灌溉下限、灌溉上限和一次降雨后田間最大蓄水上限

(1) 采用團(tuán)林灌溉試驗(yàn)站多年水稻灌溉試驗(yàn)資料，對(duì)ORYZA模型中的基本作物參數(shù)(干物質(zhì)分配系數(shù)FLV,FST,FSO，死葉速率DRLV等)進(jìn)行初步率定。

(2) 采用長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站水稻物候?qū)崪y(cè)資料對(duì)ORYZA模型中物候相關(guān)參數(shù)(階段發(fā)展速率參數(shù)DVRJ，DVRI，DVRP，DVRR)進(jìn)行率定。

(3) 采用2010年和2011年逐日氣象資料和不同灌溉模式的產(chǎn)量資料，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)率定和驗(yàn)證。

ORYZA模型率定和驗(yàn)證成果見表2。由表2可知，淺灌、中蓄2種灌溉模式水稻產(chǎn)量模擬值小于實(shí)測(cè)值，而濕潤(rùn)灌溉模式模擬值偏高。不同灌溉模式下，率定期產(chǎn)量模擬值保持不變，而驗(yàn)證期產(chǎn)量模擬值有較小的差異。主要因?yàn)?種灌溉模式水稻生育期內(nèi)灌溉控制下限最小設(shè)定為0，未造成水稻產(chǎn)生水分脅迫現(xiàn)象，僅分蘗后期曬田時(shí)可能因?yàn)槠陂g氣象因素影響造成水稻生長(zhǎng)不同程度的短期水分脅迫。率定期曬田期間由于降雨充沛，未造成水稻生長(zhǎng)產(chǎn)生水分脅迫現(xiàn)象，不同灌溉模式下產(chǎn)量模擬值無變化；而驗(yàn)證期由于不同灌溉模式下曬田期初始水層的差異，且曬田期間降雨較少，使得水稻在生長(zhǎng)模擬過程中受到不同程度的水分脅迫，因此不同灌溉模式下產(chǎn)量具有差異?？傊?，模型率定和驗(yàn)證期，產(chǎn)量模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好，表明該模型有較好的適用性，模型中的參數(shù)取值合理且模擬精度可靠。

表2 水稻產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬值Table 2 Measured and simulated yields ofmiddle-season rice

2 不同受旱方案數(shù)值模擬

2.1 受旱方案設(shè)置

(1) 采用宜城站逐日氣象資料，為減少降雨對(duì)模擬試驗(yàn)的干擾，將水稻本田生育期所有降雨設(shè)置為0，水稻需水量全部由灌溉滿足。

(2) 模型模擬水稻充分灌溉和不同生育階段遭受不同程度受旱處理時(shí)的生長(zhǎng)，受旱程度設(shè)5個(gè)水平，按耕作層飽和含水率的百分比設(shè)定為90%，80%，70%，60%，50%。

(3) 水稻生育期各階段受旱處理設(shè)8個(gè)水平：分蘗受旱、拔節(jié)孕穗期受旱、抽穗開花期受旱、乳熟期受旱、分蘗期和拔節(jié)孕穗期連旱、拔節(jié)孕穗期和抽穗開花期連旱、抽穗開花期和乳熟期連旱、分蘗后期和拔節(jié)孕穗期和抽穗開花期連旱。單生育階段按耕作層飽和含水率的百分比設(shè)定5個(gè)受旱程度：90%，80%，70%，60%，50%；多生育階段連旱，受旱程度4個(gè)水平:90%，80%，70%，60%，共計(jì)36個(gè)處理。

(4) 水稻的播種日期統(tǒng)一設(shè)定為5月10日，移栽日期統(tǒng)一設(shè)定為6月9日。

不同的年份，水稻生育期內(nèi)的降雨量及參考作物騰發(fā)量分布不一致，因此水稻生育期各階段的敏感指數(shù)可能不一致，為此，本研究按水稻生育期內(nèi)的累積降雨量進(jìn)行排頻，得到了頻率分別為25%，50%，75%對(duì)應(yīng)的豐水年、平水年、枯水年3個(gè)典型年，運(yùn)用ORYZA 2000模型模擬了鄂北地區(qū)不同水平年不同受旱處理下的水稻生長(zhǎng)過程。

2.2 數(shù)值模擬成果分析

2.2.1 不同受旱方案水稻需水量變化規(guī)律分析

根據(jù)模擬成果，將不同受旱方案不同生育期水稻需水量(ETC)成果進(jìn)行匯總。由于不同水平年不同受旱方案不同生育期水稻需水量變化規(guī)律差異不大，限于篇幅，僅列出了平水年不同受旱方案不同生育水稻需水量，具體見圖2。由圖2可知，存在以下變化規(guī)律：

圖2 平水年不同受旱方案不同生育期水稻需水量Fig.2 Water demand of paddy rice in different breeding periods under different drought schemes of normal flow year

(1) 受旱程度不同，不同生育期水稻需水量變化規(guī)律差異性不大，主要呈現(xiàn)隨受旱程度的增加(90%～60%稱為受旱程度增加)需水量降低幅度有所增加。

(2) 分蘗期受旱，無論是單生育期受旱，還是生育期連續(xù)受旱，分蘗期水稻需水量變化較大，表明這一生育期受旱對(duì)水稻需水量影響較大。

(3) 分蘗期單獨(dú)受旱，分蘗期水稻需水量降低明顯，但其他生育期水稻需水量有所反彈，需水量略大于正常條件的水稻需水量。

(4) 拔節(jié)孕穗期、抽穗期和乳熟期受旱程度為90%或80%時(shí)，水稻需水量降低幅度并不明顯，但受旱程度達(dá)到70%或60%時(shí)，水稻需水量降低幅度較為明顯。

2.2.2 不同受旱方案水稻產(chǎn)量變化規(guī)律分析

圖3 平水年不同受旱方案水稻產(chǎn)量Fig.3 Yield of rice under different drought schemes of normal flow year

根據(jù)模擬成果，不同水平年不同受旱方案水稻產(chǎn)量變化規(guī)律差異不大，限于篇幅，僅列出了平水年不同受旱方案水稻產(chǎn)量，具體見圖3。由圖3可知，存在以下變化規(guī)律：

(1) 不同受旱方案與正常灌溉相比，產(chǎn)量均有一定程度的降低。

(2) 隨受旱程度的增加，水稻產(chǎn)量降低幅度增加。

(3) 受旱程度為80%時(shí)，水稻產(chǎn)量降低不明顯，當(dāng)受旱程度達(dá)到70%及以下時(shí)(60%或50%)，水稻某個(gè)受旱方案或多個(gè)受旱方案水稻產(chǎn)量降低較為明顯。

3 鄂北地區(qū)水稻水分生產(chǎn)函數(shù)的構(gòu)建

利用第2節(jié)不同水平年不同受旱方案水稻產(chǎn)量與騰發(fā)量的模擬成果，采用Jensen模型構(gòu)建鄂北地區(qū)水稻水分生產(chǎn)函數(shù)[5-6]，即

(1)

式中：λi為作物不同階段缺水對(duì)產(chǎn)量的敏感指數(shù)；i為生育階段劃分序號(hào)；Ya為各處理?xiàng)l件下實(shí)際產(chǎn)量(kg/hm2)；Ym為正常灌溉下產(chǎn)量(kg/hm2)；ETa為各處理?xiàng)l件下實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量(mm)；ETm為正常處理下的蒸發(fā)蒸騰量(mm)；n為模型的總階段數(shù)，本試驗(yàn)中n=4。

將Jensen模型線性化，采用最小二乘法原理求解，分別得到鄂北地區(qū)水稻Jensen模型中不同生育階段敏感指數(shù)見表3。

表3 Jensen模型不同生育階段敏感指數(shù)Table 3 Sensitivity index of Jensen model indifferent breeding periods

由表3可知，不同年型Jensen模型的參數(shù)不一致，分蘗期、乳熟期的敏感系數(shù)都較小，對(duì)水分的敏感程度不高。豐水年和枯水年，拔節(jié)孕穗期敏感指數(shù)最高，抽穗開花期相對(duì)較低；而平水年，抽穗開花期敏感指數(shù)最高，拔節(jié)孕穗期的敏感指數(shù)相對(duì)較低。根據(jù)水稻生長(zhǎng)特點(diǎn)，一般在拔節(jié)孕穗期或抽穗開花期對(duì)缺水較敏感，而分蘗期及乳熟期對(duì)缺水不敏感，以上敏感指數(shù)在整個(gè)生育期的變化特點(diǎn)符合一般規(guī)律，不同典型年的變化是由于受典型年氣象條件而導(dǎo)致的。由于不同典型年Jensen模型中敏感指標(biāo)的大小及其在年內(nèi)的變化規(guī)律存在差異，為便于實(shí)際應(yīng)用，將典型年的Jensen模型各階段敏感指數(shù)求均值，可以得到鄂北地區(qū)Jensen模型為

(2)

水分生產(chǎn)函數(shù)是非充分灌溉條件下灌溉用水管理的重要依據(jù)，但是由于開展水分生產(chǎn)函數(shù)試驗(yàn)需要大量的人力物力，一般需要3 a的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；另外，由于水分生產(chǎn)函數(shù)模型參數(shù)受典型年干旱程度影響，即使有3 a試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也不能保證這3 a代表平均情況。因此，采用試驗(yàn)的方法往往較難獲得合適的模型參數(shù)，這也是目前不同學(xué)者得到的作物水分生產(chǎn)函數(shù)模型參數(shù)存在較大差異的原因。本研究采用模型模擬典型年不同受旱處理蒸發(fā)蒸騰量及產(chǎn)量數(shù)據(jù)，分析其變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上求解水分生產(chǎn)函數(shù)模型參數(shù)，其多年平均值代表了不同的年型，有利于科學(xué)制定鄂北地區(qū)水稻灌溉制度，對(duì)指導(dǎo)水稻節(jié)水灌溉及非充分灌溉具有重要的理論意義。

4 結(jié) 語

(1) 根據(jù)長(zhǎng)渠灌溉試驗(yàn)站和團(tuán)林試驗(yàn)站資料，對(duì)ORYZA 2000模型進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，驗(yàn)證表明該模型可以較好地模擬鄂北地區(qū)水稻田間生長(zhǎng)。

(2) 基于受旱水平與受旱階段不同，擬定了36種受旱方案，采用構(gòu)建ORYZA 2000模型對(duì)不同受旱方案下水稻騰發(fā)量和產(chǎn)量進(jìn)行了模擬，分析了不同受旱方案的水稻需水量和水稻產(chǎn)量的變化規(guī)律。

(3) 基于ORYZA 2000對(duì)不同受旱方案的模擬成果，采用Jensen模型構(gòu)建了鄂北地區(qū)水稻水分生產(chǎn)函數(shù)。

(4) 該成果為構(gòu)建水稻水分生產(chǎn)函數(shù)提供了新方法，對(duì)指導(dǎo)鄂北地區(qū)水稻節(jié)水灌溉與非充分灌溉具有重要的理論意義。

[1] 劉路廣, 吳 瑕, 王麗紅, 等. 鄂北地區(qū)不同灌溉模式水稻需水及生長(zhǎng)特性研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2016, 35(3): 32-36.

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(編輯：陳 敏)

Water Production Function of Paddy Rice in NorthHubei Province Based on ORYZA 2000 Model

WANG Li-hong1，LIU Lu-guang2，TAN Jun-wei3，CHEN Dao-ying1，DONG Wei2
(1.Department of Water Conservancy Engineering, Hubei Water Resources Technical College, Wuhan 430070, China；2.Department of Water Resources and Rural Water Conservancy, Hubei Water Resources Research Institute, Wuhan 430070, China; 3.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Irrigation is required in the north of Hubei Province as scarce water resource and limited precipitation could not meet the water demand of rice growth. In view of this, we built a paddy rice growth model for northern Hubei Province based on ORYZA 2000 model according to the results of irrigation test at Changqu irrigation station. By using the proposed model, we simulated the variation rules of water demand and yield of paddy rice in different drought conditions (different growth periods and drought levels). Results revealed that the water demand and yield of paddy rice decreased with the aggravation of drought. On this basis, we obtained the sensitivity coefficients at different stages, and established the water production function of paddy rice in association with the Jensen model and the least squares theory. The results could guide the irrigation of paddy rice in northern Hubei Province.

north Hubei Province; paddy rice; drought schemes; ORYZA 2000 model; water demand; water production function

2016-05-22；

：2016-07-10

湖北省水利廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目(HBSLKY201404)

王麗紅(1984-)，女，山東德州人，講師，碩士，主要從事灌溉排水理論與技術(shù)研究,(電話)18995536064(電子信箱)wlh1984@163.com。

譚君位(1988-)，男，湖北恩施人，博士研究生，主要從事水資源高效利用研究，(電話)15827075903(電子信箱)tanjunwei@whu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20160543

2017,34(9):74-78

S274

：A

：1001-5485(2017)09-0074-05