華北典型區(qū)冬小麥區(qū)域耗水模擬與灌溉制度優(yōu)化

彭致功 張寶忠 劉 鈺 蔡甲冰 王 蕾 杜麗娟

(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)

華北典型區(qū)冬小麥區(qū)域耗水模擬與灌溉制度優(yōu)化

彭致功1,2張寶忠1,2劉 鈺1,2蔡甲冰1,2王 蕾1,2杜麗娟1,2

(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)

以經(jīng)校驗(yàn)Aquacrop模型模擬了不同土壤條件下冬小麥水分與產(chǎn)量響應(yīng)關(guān)系，結(jié)合北京大興區(qū)土壤分布及其冬小麥實(shí)際種植情況，對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行區(qū)域尺度拓展，以此為基礎(chǔ)分析了研究區(qū)不同灌溉制度下冬小麥耗水量、產(chǎn)量及水分生產(chǎn)率的變化規(guī)律，并推薦了與華北地區(qū)水資源實(shí)際情況相適宜的冬小麥虧缺灌溉制度。結(jié)果表明：應(yīng)用Aquacrop模型能較好模擬冬小麥生育期內(nèi)土壤墑情和冠層覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化過程及其生物量與產(chǎn)量情況，可利用經(jīng)校驗(yàn)后的模型進(jìn)行冬小麥水分與產(chǎn)量響應(yīng)關(guān)系研究。灌溉定額在300 mm范圍內(nèi)，隨著灌溉量增加，耗水量增大；在灌水次數(shù)相同條件下，灌溉日期不同，因蒸騰量變化導(dǎo)致耗水量差異顯著。在相同處理下總體上降水多年份產(chǎn)量較高，而不同處理之間隨著灌溉量增加產(chǎn)量增大；在灌水次數(shù)相同情況下，灌溉關(guān)鍵生育時(shí)段選擇對(duì)冬小麥產(chǎn)量形成及水分生產(chǎn)率提高至關(guān)重要。以冬小麥增產(chǎn)提效為原則，在灌1水情況下重點(diǎn)保障拔節(jié)-抽穗階段的需水；灌2水情況下重點(diǎn)保障返青-拔節(jié)、抽穗-乳熟階段需水；灌3水情況下重點(diǎn)保障返青-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗、抽穗-乳熟階段需水。針對(duì)華北水資源嚴(yán)重短缺實(shí)際，建議北京大興區(qū)冬小麥采用灌2水的虧缺灌溉制度，較灌4水情況下的灌溉量與耗水量分別減少140、65 mm，能確保75%產(chǎn)量?？梢?，在與華北類似的資源性缺水區(qū)域，選擇適宜虧缺灌溉制度，能大幅降低區(qū)域灌溉量與耗水量，在穩(wěn)定區(qū)域冬小麥產(chǎn)量及涵養(yǎng)地下水源方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

冬小麥； Aquacrop模型； 產(chǎn)量； 耗水量； 水分生產(chǎn)率； 虧缺灌溉制度

引言

華北平原幅員約40萬km2，占全國23%耕地面積，生產(chǎn)了近40%的糧食，在保證我國糧食安全方面具有舉足輕重的作用；但因持續(xù)干旱及其工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，該區(qū)域水資源開發(fā)利用率達(dá)到119%，其中京津冀地下水超采面積占平原區(qū)的90%以上，并對(duì)區(qū)域內(nèi)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活水平提高及區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善等造成很大影響[1]。冬小麥作為華北平原種植面積最大的糧食作物，其產(chǎn)量占全國的50%以上[2]。由于受季風(fēng)的影響，華北平原降水分布與冬小麥需水過程的耦合性較差，生育期內(nèi)的降水不到其需水量的40%[3]。為保證冬小麥正常生長(zhǎng)，必須通過灌溉補(bǔ)充冬小麥生育期內(nèi)需水，其灌溉用水量占華北平原農(nóng)業(yè)用水量的70%左右[4]。

冬小麥需耗水規(guī)律研究一直是華北地區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水研究熱點(diǎn)與重點(diǎn)，但大多研究主要集中于田間試驗(yàn)下不同灌溉制度對(duì)冬小麥耗水特征與產(chǎn)量的作用，并通過對(duì)各處理產(chǎn)量與水分利用效率進(jìn)行分析，提出了現(xiàn)狀降水條件下適宜的用水管理措施[5-7]。田間試驗(yàn)研究結(jié)果準(zhǔn)確可靠，但因受制于人力、物力及田間試驗(yàn)期間降水隨機(jī)性等因素影響，存在較大局限性，實(shí)用性差，且周期比較長(zhǎng)[8]。利用模型研究作物耗水規(guī)律，不僅不受研究地域限制，可縮短試驗(yàn)周期和節(jié)約成本，增加研究變量，還可排除干擾因素，弄清試驗(yàn)因素間的真正關(guān)系[9]。但為確保模型模擬結(jié)果合理性，必須根據(jù)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)，所以田間試驗(yàn)和模型研究是互為補(bǔ)充的關(guān)系[10]。

作物水分模擬研究多集中于兩類模型，一類是以土壤水氮運(yùn)移及轉(zhuǎn)化利用為中心的模型，其中以美國的HYDRUS模型為代表，已在土壤水和溶質(zhì)運(yùn)移領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[11-13]，但該模型沒將作物生長(zhǎng)過程考慮在內(nèi)，不能直接模擬作物產(chǎn)量；另一類是以作物生長(zhǎng)發(fā)育為中心的模擬模型，主要研究土壤水分和養(yǎng)分條件對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，能夠?yàn)樽魑锷L(zhǎng)管理提供決策支持[14-15]。為解決大多作物生長(zhǎng)模型計(jì)算復(fù)雜、透明度不足、輸入?yún)?shù)多等問題，世界糧農(nóng)組織研究提出的關(guān)于作物生長(zhǎng)的水分驅(qū)動(dòng)模型，與其他作物模型相比，Aquacrop模型具有輸入?yún)?shù)少、簡(jiǎn)捷易操作，同時(shí)能滿足大田作物生長(zhǎng)模擬精度要求[16]。自Aquacrop模型開發(fā)以來，世界各地對(duì)該模型適用性展開的大量研究表明，利用該模型能較好模擬不同水分處理多種農(nóng)作物的產(chǎn)量形成機(jī)制[17-19]，部分學(xué)者利用經(jīng)校驗(yàn)后的模型開展了氣候變化響應(yīng)[20-21]、灌溉制度優(yōu)化[22-23]、經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)[24]等模型應(yīng)用方面的研究；但涉及該模型應(yīng)用研究多限于站點(diǎn)土壤，存在區(qū)域代表性不足，而對(duì)于不同土壤條件下區(qū)域應(yīng)用研究總體偏少，不利于該模型進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

本文以Aquacrop為技術(shù)支持，選擇華北冬小麥為研究對(duì)象，以田間觀測(cè)結(jié)果對(duì)作物生長(zhǎng)模型進(jìn)行校驗(yàn)，確保模型對(duì)土壤水分、作物長(zhǎng)勢(shì)與產(chǎn)量模擬精度；并結(jié)合研究區(qū)土壤分布與冬小麥實(shí)際種植情況，對(duì)不同土壤條件模擬成果進(jìn)行區(qū)域尺度拓展，基于此分析不同灌溉制度情景下冬小麥區(qū)域耗水特征、產(chǎn)量及其水分生產(chǎn)率等指標(biāo)變化規(guī)律，并優(yōu)化灌溉制度，以期對(duì)華北地區(qū)冬小麥灌溉管理提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2008年10月—2010年6月在中國水利水電科學(xué)研究院大興節(jié)水灌溉試驗(yàn)研究基地進(jìn)行，該基地距北京南約30 km，地處39°37.25′N，116°25.21′E，多年平均氣溫為12.1℃，全年大于10℃的有效積溫為4 730℃，無霜期平均為185 d，全年日照時(shí)數(shù)約為2 600 h，屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候。試驗(yàn)研究基地占地200 m×200 m，灌溉水源為地下水，埋深在10 m左右。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 冬小麥生育期內(nèi)氣象參數(shù)Fig.1 Weather parameters during winter wheat growth period

供試小麥品種為京麥9428，2008—2009年冬小麥的播種與收獲日期分別為2008年10月9日、2009年6月12日，生育期降水量為120 mm；2009—2010年冬小麥播種與收獲日期分別為2009年10月12日、2010年6月20日，生育期降水量為169 mm。小麥冬灌的灌水量都為60 mm，滿足小麥苗期水分供應(yīng)，確保出苗整齊。返青后開始水分處理，當(dāng)土壤含水率分別達(dá)到田間持水量的70%、60%和50%的灌溉下限開始灌溉，設(shè)置3個(gè)處理，各處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，共9個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積約30 m2；為避免各小區(qū)間土壤水分側(cè)滲，各小區(qū)外設(shè)有1 m的保護(hù)行。各小區(qū)采用的農(nóng)田管理措施如播種、施肥、耕作等均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣保持一致。

1.3 觀測(cè)項(xiàng)目

氣象數(shù)據(jù)主要包括太陽輻射、風(fēng)速、氣溫、大氣濕度和降雨量等，均來自試驗(yàn)基地的氣象站，并根據(jù)試驗(yàn)站的經(jīng)度、緯度、海拔等，采用FAO推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算參照作物騰發(fā)量[25]，試驗(yàn)期間的氣溫、降水量及參照作物騰發(fā)量變化見圖1。采用TRIMER-T3/IPH型土壤水分測(cè)定儀測(cè)定0～100 cm土層的土壤含水率，間隔3～5 d，灌溉或降雨后加測(cè)。冬小麥出苗后，每10 d測(cè)定一次地上生物量；在各小區(qū)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。冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)考種測(cè)產(chǎn)，在各試驗(yàn)小區(qū)選取有代表性1 m2樣方，測(cè)定經(jīng)自然風(fēng)干后籽粒質(zhì)量，并折算成每公頃的產(chǎn)量。葉面積指數(shù)(LAI)每10 d測(cè)定一次；在各小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻，有代表性的3株植株，利用直尺測(cè)量所選植株各葉片長(zhǎng)和最大寬度，采用折算系數(shù)法推算冬小麥葉面積指數(shù)。冬小麥冠層覆蓋度(C)通過葉面積指數(shù)獲得，計(jì)算公式為[26]

C=1.005[1-exp(-0.6LAI)]1.2

(1)

1.4 模型驗(yàn)證

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2009年10月—2010年6月冬小麥生育期間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定，后利用2008年10月—2009年6月的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，得到采用Aquacrop模擬華北冬小麥生長(zhǎng)的主要參數(shù)見表1。

表1 模型中冬小麥部分參數(shù)Tab.1 Preliminary input parameters for winterwheat in Aquacrop

對(duì)于模型校驗(yàn)過程中的模擬值與觀測(cè)值之間的吻合程度采用均方根誤差(RMSE)、平均絕對(duì)誤差(MAE)、平均相對(duì)誤差(MBE)、Nash效率系數(shù)(EF)等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中均方根誤差和平均絕對(duì)誤差可檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔o偏性，指標(biāo)值越低，模型無偏性強(qiáng)，模擬更準(zhǔn)確；Nash效率系數(shù)屬相對(duì)誤差指標(biāo)，是一種無量綱的模型評(píng)價(jià)指標(biāo)，取值接近1表示模型可信度高，取值接近0表示模擬結(jié)果總體可信，但模擬過程誤差大；平均相對(duì)誤差大于0表示模擬結(jié)果偏大，而其小于0表示模擬結(jié)果偏小。各模型評(píng)價(jià)指標(biāo)具體計(jì)算方程為

(2)

(3)

(4)

(5)

n——實(shí)測(cè)次數(shù)

1.5 情景方案設(shè)置

通過對(duì)大興區(qū)近50 a降水量進(jìn)行頻率分析，獲得冬小麥生育期內(nèi)多年平均、豐水年、平水年、干旱年及特旱年降水量分別為128、163、114、79、57 mm，與之相應(yīng)的年份分別為1997年、2005年、1962年、1974年、1975年。選擇播種-返青、返青-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗及抽穗-乳熟4個(gè)關(guān)鍵生育期，灌水次數(shù)分別考慮雨養(yǎng)、灌1水、灌2水、灌3水及灌4水等，按全排列共分16種處理。根據(jù)相關(guān)研究成果，冬小麥的灌水定額多在60～80 mm，在播種-返青期根系較淺時(shí)灌水定額取60 mm，而其它生育階段灌水定額取80 mm，各灌溉制度情景方案見表2。

表2 灌溉制度情景方案Tab.2 Scenarios of irrigation schedule

注：“√”表示該生育階段灌水。

1.6 區(qū)域用水指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[27]，北京大興區(qū)冬小麥多年平均播種面積為121.47 km2。土壤類型按照發(fā)生學(xué)分類，主要分為褐土、潮土、水稻土3個(gè)土類，細(xì)分為13類土壤類型，各類土壤顆粒組成見表3，不同土壤類型下冬小麥播種面積見表4；其中S13類與中國水利水電科學(xué)研究院大興節(jié)水灌溉試驗(yàn)研究基地土壤類型一致，而在該種土壤類型下冬小麥播種面積不到21%，所以僅利用該種土壤類型下冬小麥生長(zhǎng)模擬結(jié)果難以代表整個(gè)區(qū)域?qū)嶋H。為此，依據(jù)各土壤類型下模擬結(jié)果，考慮不同土壤類型下冬小麥實(shí)際面積，對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行區(qū)域拓展，使研究成果更具有區(qū)域代表性，具體計(jì)算公式為

(6)

式中IQ——區(qū)域模擬指標(biāo)

ki——第i種土壤的比例系數(shù)

Ii——第i種土壤模擬指標(biāo)

表3 大興區(qū)土壤顆粒組成Tab.3 Soil particlesize distribution in Daxing District %

注：1 m土層內(nèi)砂粒、粉粒、粘粒及膠粒的粒徑大小分別為0.05～2 mm、0.005～0.05 mm、0.002～0.005 mm、0～0.002 mm。

表4 不同土壤類型下冬小麥播種面積Tab.4 Winter wheat planting area under different soils

2 結(jié)果與討論

2.1 模型校驗(yàn)

由圖2可看出，在小麥返青期后實(shí)測(cè)土壤含水率與模擬值吻合較好，模擬值能反映土壤含水率動(dòng)態(tài)變化過程。在模型校驗(yàn)時(shí)，土壤含水率模擬值與觀測(cè)值之間的RMSE、MAE分別小于2.35%、1.94%；決定系數(shù)R2均大于0.735(plt;0.001)，而效率系數(shù)EF均大于0.514，表明模型模擬土壤含水率的擬合度與精度都較高。

圖2 冬小麥土壤含水率的模擬值與實(shí)測(cè)值比較Fig.2 Comparison between simulated and measured values of soil water content

圖3 冬小麥冠層覆蓋度的模擬值與實(shí)測(cè)值比較Fig.3 Comparison between simulated and measured values of canopy cover

由圖3可看出，冬小麥出苗后進(jìn)入越冬期，生長(zhǎng)緩慢甚至停止，冠層覆蓋度保持較低水平，低于20%，翌年3月氣溫回升，返青后冠層覆蓋度迅速增加，至抽穗期達(dá)到生育期內(nèi)最大值，而后隨著冬小麥成熟，葉片發(fā)黃，莖稈衰老，冠層覆蓋度下降。在模型校驗(yàn)時(shí)，冠層覆蓋度模擬值與觀測(cè)值之間的RMSE、MAE分別小于7.0%、5.9%，模擬誤差在可接受范圍內(nèi)；決定系數(shù)R2均大于0.686(plt;0.001)，而效率系數(shù)EF均大于0.628。實(shí)測(cè)冠層覆蓋度與模型模擬值基本吻合，模擬值能反映冠層覆蓋度在生育期內(nèi)變化過程。

圖4 冬小麥生物量及產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測(cè)值比較Fig.4 Comparison between simulated and measured values of biomass and yield

由圖4可看出，生物量的模擬值與實(shí)測(cè)值均在1∶1線附近，模擬值與觀測(cè)值之間的RMSE、MAE、MBE分別為294、221、92 kg/hm2，決定系數(shù)R2為0.969(plt;0.001)，效率系數(shù)EF為0.966，表明模型能很好模擬冬小麥干物質(zhì)累積過程。產(chǎn)量模擬值與觀測(cè)值之間的RMSE、MAE、MBE分別為148、127、-32 kg/hm2，決定系數(shù)R2為0.896(plt;0.001)，效率系數(shù)EF為0.889，表明該模型也能較好地模擬冬小麥產(chǎn)量。

以上模型率定和驗(yàn)證結(jié)果表明，應(yīng)用Aquacrop能較好地模擬不同灌溉制度下冬小麥生育期土壤墑情和冠層覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化過程及其生物量與產(chǎn)量情況，可利用經(jīng)校驗(yàn)后的模型進(jìn)行冬小麥水分與產(chǎn)量響應(yīng)關(guān)系研究，為華北冬小麥灌溉管理提供理論依據(jù)。

2.2 不同灌溉制度下冬小麥耗水量

圖5 不同灌溉制度下冬小麥耗水量Fig.5 Water consumption under different irrigation schedules during winter wheat growth period

不同灌溉制度下冬小麥耗水量見圖5，雨養(yǎng)條件下冬小麥耗水量最??；在相同灌溉制度下，與干旱年相比豐水年耗水量較高。在多年平均條件下，在雨養(yǎng)下耗水量為236 mm；灌1水下耗水量在266～329 mm范圍內(nèi)；灌2水下耗水量在309～404 mm范圍內(nèi)；灌3水下耗水量在396～426 mm范圍內(nèi)；灌4水下耗水量為437 mm?？梢?，總的趨勢(shì)上隨灌溉量增加耗水量增大；在灌水次數(shù)相同的條件下，不同的灌水日期冬小麥耗水量差異較大。在灌1水下，T2處理耗水量最高，而T4處理耗水量較低；在灌2水下，T8處理耗水量最高，而T7處理耗水量較低；在灌3水下，T11處理耗水量最高，而T13處理耗水量較低。不同灌溉制度下冬小麥蒸騰量見圖6，雨養(yǎng)下冬小麥蒸騰量最小，在相同處理下不同水文年生育期內(nèi)蒸騰量差異不顯著。在多年平均條件下，雨養(yǎng)下蒸騰量為115 mm；灌1水下蒸騰量在115～215 mm范圍內(nèi)；灌2水下蒸騰量在167～314 mm范圍內(nèi)；灌3水下蒸騰量在295～337 mm范圍內(nèi)；灌4水下蒸騰量為348 mm。可見，蒸騰量與耗水量的變化規(guī)律相同，即隨灌溉量增加蒸騰量增大；在灌水次數(shù)相同的條件下，不同的灌水日期冬小麥蒸騰量差異較大。由此可見，冬小麥蒸騰量的變化是導(dǎo)致冬小麥耗水量隨之變化的最為關(guān)鍵影響因素之一。

2.3 不同灌溉制度下冬小麥產(chǎn)量

圖6 不同灌溉制度下冬小麥蒸騰量Fig.6 Transpiration under different irrigation schedules during winter wheat growth period

圖7 不同灌溉制度下冬小麥產(chǎn)量Fig.7 Yield of winter wheat under different irrigation schedules

圖8 不同灌溉制度下冬小麥水分生產(chǎn)率Fig.8 Water productivity (WP) of winter wheat under different irrigation schedules

不同灌溉制度下冬小麥產(chǎn)量見圖7，為保證順利出苗，在各情景方案中設(shè)置初始含水量接近田間持水量，加之播種-返青階段氣溫低、冬小麥植株矮小使其在該生育時(shí)段需水量較??；在其他生育時(shí)段不灌溉，而僅選擇在播種-返青期灌溉(T1)或不灌溉(T0)都對(duì)穩(wěn)定冬小麥產(chǎn)量作用不大，表明返青后灌溉對(duì)華北冬小麥穩(wěn)產(chǎn)與提效具有重要的實(shí)際意義。灌溉定額在300 mm內(nèi)，相同處理下，與干旱年份相比，總體上降水量多的年份產(chǎn)量較高；但部分處理因受年內(nèi)降水分布影響，并不全是在豐水年產(chǎn)量最大，如T3、T7、T8、T10、T13及T14處理在多年平均下產(chǎn)量最大。在多年平均條件下，雨養(yǎng)條件下冬小麥產(chǎn)量為1.70 kg/hm2；灌1水產(chǎn)量在77.50～3 713.79 kg/hm2范圍內(nèi)；灌2水下產(chǎn)量在1 333.93～6 201.05 kg/hm2范圍內(nèi)；灌3水下產(chǎn)量在5 584.37～6 626.09 kg/hm2范圍內(nèi)；灌4水下產(chǎn)量為7 026.04 kg/hm2?？梢?，灌溉定額在300 mm內(nèi)，隨灌溉量增加冬小麥產(chǎn)量增大。在灌水次數(shù)相同的條件下，灌水時(shí)間選擇尤為關(guān)鍵。在灌1水條件下，T3處理產(chǎn)量最高，而T4處理產(chǎn)量最小；在灌2水條件下，T9處理產(chǎn)量最高，而T7處理產(chǎn)量最低；在灌3水條件下，T14處理產(chǎn)量最高，而T13處理產(chǎn)量最低。

2.4 不同灌溉制度下冬小麥水分生產(chǎn)率

不同灌溉制度下冬小麥水分生產(chǎn)率見圖8，由于雨養(yǎng)條件下冬小麥每公頃產(chǎn)量小于600 kg，但是其耗水量依然在200 mm左右；與其他有灌溉的處理相比，冬小麥雨養(yǎng)下水分生產(chǎn)率較低。針對(duì)同一處理，由于典型水文年內(nèi)降水分布差異，各水文年間冬小麥水分生產(chǎn)率沒有明顯規(guī)律。在多年平均條件下，灌1水各處理水分生產(chǎn)率在0.03～1.15 kg/m3范圍內(nèi)；灌2水各處理水分生產(chǎn)率在0.43～1.54 kg/m3范圍內(nèi)；灌3水各處理水分生產(chǎn)率在1.41～1.57 kg/m3范圍內(nèi)；灌4水處理水分生產(chǎn)率為1.61 kg/m3?？梢姡喔榷~在300 mm內(nèi)，總體上隨灌溉量增加水分生產(chǎn)率增大。在灌水次數(shù)相同的條件下，灌溉關(guān)鍵期的選擇對(duì)冬小麥水分生產(chǎn)率影響顯著，其中灌1水、灌2水及灌3水情景方案下冬小麥水分生產(chǎn)率最高處理分別為T3、T9及T14；而灌1水、灌2水及灌3水情景方案下冬小麥水分生產(chǎn)率最小的處理分別為T1、T7及T13。

2.5 大興區(qū)冬小麥適宜灌溉制度推薦

在確保冬小麥穩(wěn)產(chǎn)條件下，以水分生產(chǎn)率較大為原則，推薦灌1水處理為T3，即重點(diǎn)保障拔節(jié)-抽穗階段需水，該處理下產(chǎn)量與水分生產(chǎn)率分別為2 565 kg/hm2、0.91 kg/m3；推薦灌2水處理為T9，即重點(diǎn)保障返青-拔節(jié)、抽穗-乳熟階段需水，該處理下產(chǎn)量與水分生產(chǎn)率為5 205 kg/hm2、1.40 kg/m3；推薦灌3水處理為T14，重點(diǎn)保障返青-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗及抽穗-乳熟階段需水，該處理下產(chǎn)量與水分生產(chǎn)率分別為6 180 kg/hm2、1.53 kg/m3。針對(duì)華北地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺實(shí)際，北京大興區(qū)務(wù)必堅(jiān)持量水發(fā)展，大力推廣虧缺灌溉制度。由于灌1水優(yōu)化灌溉制度下產(chǎn)量與水分生產(chǎn)率偏低，同時(shí)小麥品質(zhì)也難以得到保證；而灌3、灌4水處理下灌溉量與耗水量仍偏大，不利于該區(qū)域地下水涵養(yǎng)。為此，建議北京市大興區(qū)冬小麥采用灌2水適度虧缺的灌溉制度，灌溉定額僅為160 mm，與灌4水相比，灌溉量與耗水量分別減少140、65 mm，但仍能保證75%產(chǎn)量。

3 結(jié)論

(1)應(yīng)用Aquacrop能較好地模擬不同灌溉制度下冬小麥生育期內(nèi)土壤墑情和冠層覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化過程及其生物量與產(chǎn)量情況，其中模擬值與觀測(cè)值之間決定系數(shù)R2、效率系數(shù)EF分別大于0.68、0.51，且模擬誤差也在可接受范圍內(nèi)，可利用經(jīng)校驗(yàn)后的模型進(jìn)行冬小麥水分與產(chǎn)量響應(yīng)關(guān)系研究。

(2)利用經(jīng)校驗(yàn)的模型模擬了不同土壤條件下冬小麥水分與產(chǎn)量響應(yīng)關(guān)系，結(jié)合北京大興區(qū)土壤分布及其冬小麥的實(shí)際種植情況，對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行區(qū)域尺度拓展，獲得具有區(qū)域代表性的冬小麥耗水量、產(chǎn)量及水分生產(chǎn)率的變化規(guī)律。結(jié)果表明，灌溉定額在300 mm范圍內(nèi)，隨著灌溉量增加，耗水量、產(chǎn)量及其水分生產(chǎn)率都相應(yīng)增大；在灌水次數(shù)相同條件下，為了保證冬小麥產(chǎn)量與提高水分生產(chǎn)率，灌溉關(guān)鍵生育時(shí)段選擇至關(guān)重要。

(3)在確保冬小麥穩(wěn)產(chǎn)條件下，以水分生產(chǎn)率較大為原則，灌1水要重點(diǎn)保障拔節(jié)-抽穗階段需水，該處理下產(chǎn)量與水分生產(chǎn)率分別為2 565 kg/hm2、0.91 kg/m3；灌2水要重點(diǎn)保障返青-拔節(jié)、抽穗-乳熟階段需水，該處理下產(chǎn)量與水分生產(chǎn)率分別為5 205 kg/hm2、1.40 kg/m3；灌3水要重點(diǎn)保障返青-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗及抽穗-乳熟階段需水，該處理下產(chǎn)量與水分生產(chǎn)率分別為6 180 kg/hm2、1.53 kg/m3?？梢姡捎脙?yōu)化灌溉制度，在冬小麥各生育時(shí)段合理配置有限水資源，有利于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)與水分生產(chǎn)率最大化。

(4)針對(duì)華北地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺實(shí)際問題，北京市大興區(qū)務(wù)必堅(jiān)持量水發(fā)展，大力推廣虧缺灌溉制度，建議北京市大興區(qū)冬小麥采用灌2水適度虧缺的灌溉制度，灌溉定額僅為160 mm；與灌4水相比，灌溉量與耗水量分別減少140、65 mm，但仍能保證75%產(chǎn)量。冬小麥采用適度虧缺的灌溉制度，能大幅降低區(qū)域灌溉量與耗水量，在穩(wěn)定區(qū)域糧食產(chǎn)量及涵養(yǎng)地下水源方面具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

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SimulationforRegionalWaterConsumptionandOptimizationofIrrigationScheduleforWinterWheatinNorthChina

PENG Zhigong1,2ZHANG Baozhong1,2LIU Yu1,2CAI Jiabing1,2WANG Lei1,2DU Lijuan1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSimulationandRegulationofWaterCycleinRiverBasin,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China2.NationalCenterofEfficientIrrigationEngineeringandTechnologyResearch-Beijing,Beijing100048,China)

The relationship between grain yield response of winter wheat and soil water under different soils was simulated based on the calibrated Aquacrop model, and the expansion at regional scale was conducted to the results from the model simulation, combined with the soil distribution and the actual planting of winter wheat in Daxing District, Beijing, on the basis of which the variations of the water consumption, the yield and the water productivity of winter wheat under different irrigation schedules were analyzed, and the deficit irrigation schedule for winter wheat that was suitable for the actual situation of the water resources in North China was recommended. The results showed that the application of Aquacrop model can better simulate the dynamic changeable process of the soil moisture and the canopy coverage during the growth period of winter wheat as well as the biomass and the yield, and the calibrated model can be used to study the relationship between grain yield response of winter wheat and soil water. When the irrigation quota was within the range of 300 mm, the water consumption was increased with the increase of irrigation amount; under the condition of the same number of irrigation times, the difference of the water consumption was significant due to the variation of the transpiration amount since the irrigation date was different. Under the same treated conditions, the yield was higher in the years with excessive precipitation on the whole, while the yield was increased with the increase of irrigation amount under different treated conditions; with the same irrigation times, the selection of irrigation date for key growing stage was essential to the yield formation of the winter wheat and the increase of water productivity. Based on the principle of production-increasing and efficiency-improving of the winter wheat, in the case of the irrigation for one time, the key guarantee should be on the water demand for the jointing-heading-stage; in the case of the irrigation for two times, the key guarantee should be on the water demand for the returning-green-jointing stage and heading-milky-ripe-stage; in the case of the irrigation for three times, the key guarantee should be on the water demand for the returning-green-jointing stage, the jointing-heading-stage and the heading-milky-ripe-stage. Aiming at the actual situation of the serious shortage of water resources in North China, it was recommended that the deficit irrigation schedule with two times of irrigation should be adopted for the winter wheat in Daxing District, Beijing, which can reduce the irrigation quantity and water consumption respectively by 140 mm and 65 mm to ensure 75% of the yield, compared with the condition of the irrigation for four times. Thus it can be seen that the selection of proper deficit irrigation schedule can greatly reduce the regional irrigation amount and water consumption in the areas of shortage of water resource similar to North China, which had important practical significance in stabilizing the yield of winter wheat and conserving water sources in the region.

winter wheat; Aquacrop model; yield； water consumption; water productivity; deficit irrigation schedule

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.029

S274

A

1000-1298(2017)11-0238-09

2017-08-25

2017-09-24

中國水利水電科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(節(jié)基本科研KY1740)、水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201501016、201501017)和流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究項(xiàng)目(2016TS06)

彭致功(1975—)，男，高級(jí)工程師，博士，主要從事農(nóng)業(yè)用水管理研究，E-mail： pengzhg@iwhr.com

張寶忠(1981—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，主要從事節(jié)水灌溉理論與新技術(shù)研究，E-mail： zhangbz@iwhr.com