不同灌溉制度下水稻產(chǎn)量的模擬研究

唐 皓

(遼寧省農(nóng)村水利建設(shè)管理局，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

水稻是我國(guó)的主要糧食作物，其產(chǎn)量的高低將直接影響全國(guó)的糧食安全保障[1]；黨的十九大報(bào)告明確提出要“確保國(guó)家糧食安全，把中國(guó)人的飯碗牢牢端在自己手中”，因此水稻穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)成為十分重要而急迫的研究課題。在我國(guó)耕地面積持續(xù)減少的背景下，靠不斷擴(kuò)大水稻種植面積來(lái)提高產(chǎn)量的方法已無(wú)較大潛力，只能通過(guò)優(yōu)選高產(chǎn)品種、推廣優(yōu)質(zhì)栽培技術(shù)、實(shí)施合理灌溉制度等方式來(lái)提高單位面積的產(chǎn)量，以提高我國(guó)的水稻總產(chǎn)量[2]。灌溉制度對(duì)作物產(chǎn)量具有明顯的影響[3]，一般情況下，充分灌溉可保證作物產(chǎn)量的最大化[4]，但由于水資源也是限制我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要制約因素[5]，因此有必要充分了解不同灌溉制度下的水稻產(chǎn)量變化規(guī)律，并以此為依據(jù)來(lái)平衡“節(jié)約水資源”和“提高糧食產(chǎn)量”雙重發(fā)展目標(biāo)。

目前，不同灌溉制度下水稻產(chǎn)量的研究主要集中于田間試驗(yàn)法，該方法結(jié)果準(zhǔn)確可靠，但需要耗費(fèi)大量的人力與物力，且研究周期較長(zhǎng)，地域限制非常嚴(yán)格，因此實(shí)用性相對(duì)較差；模擬法主要采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)果預(yù)測(cè)，可以節(jié)省大量的人力與物力，周期性短，具有較為廣泛的適用性，因此正逐漸成為該領(lǐng)域研究的重要方式。在各作物生長(zhǎng)模型中，世界糧農(nóng)組織開(kāi)發(fā)的AquaCrop模型具有參數(shù)少、易操作、精度高等優(yōu)勢(shì)，在美國(guó)、加拿大、意大利、西班牙、澳大利亞等國(guó)的玉米、大麥、小麥、棉花、土豆、甜菜等作物產(chǎn)量的預(yù)測(cè)中得到了普遍的驗(yàn)證與應(yīng)用[6]，而在我國(guó)水稻產(chǎn)量的預(yù)測(cè)中卻應(yīng)用得很少。因此，本文通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)和模擬的水稻產(chǎn)量來(lái)評(píng)價(jià)AquaCrop模型在水稻產(chǎn)量模擬中的適用性，并應(yīng)用率定且驗(yàn)證過(guò)的模型來(lái)對(duì)16組不同灌溉制度情景下的水稻產(chǎn)量進(jìn)行模擬，從而為水稻產(chǎn)量模擬技術(shù)的應(yīng)用和水稻的灌溉管理提供科學(xué)支撐。

1 作物生長(zhǎng)模型

1.1 AquaCrop模型概述

AquaCrop模型是由國(guó)際糧農(nóng)組織于2009年開(kāi)發(fā)成功并向全球免費(fèi)推廣的一款作物生長(zhǎng)模型。該模型為一個(gè)土壤-作物-大氣的連續(xù)系統(tǒng)，包含土壤水分平衡、作物生長(zhǎng)模擬、和大氣組分三大基本模塊，此外還提供了灌溉和施肥等管理措施模塊。AquaCrop模型具有參數(shù)少、易操作、精度高等優(yōu)勢(shì)，但在我國(guó)水稻產(chǎn)量的預(yù)測(cè)中尚處于起步階段，因此有必要對(duì)其適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并為其應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。

1.2 AquaCrop模型基本方程

AquaCrop模型的核心方程為[6]：

Y=fHI×HI0×B

(1)

式中，Y—最終作物產(chǎn)量，kg/m2；fHI—調(diào)整系數(shù)；HI0—作物成熟時(shí)的收獲指數(shù)；B—為生物量，kg/m2，其具體表達(dá)式為：

(2)

式中，Ksp—溫度脅迫系數(shù)，該值介于0～1之間，0值表示溫度太低不能滿足作物生長(zhǎng)，1值表示作物生長(zhǎng)所需熱量能夠完全得到滿足；WP—作物水分生產(chǎn)力，指單位面積單位蒸騰量的地上干物質(zhì)，WP*—標(biāo)準(zhǔn)化的作物水分生產(chǎn)力；ET0i—第i天的參考蒸散量，采用FAO Penman-Monteith公式計(jì)算得到；Tri—第i天的作物蒸騰量，其公式為：

Tr=Ks(KcbxCC*)ET0

(3)

式中，Ks—土壤水分修正系數(shù)，介于0～1之間，0值表示作物受到嚴(yán)重的水分脅迫，1值表示無(wú)水分脅迫影響；Kcbx—比例因子；CC*—調(diào)整的作物冠層覆蓋率，表示冠層生長(zhǎng)狀況，在作物的生長(zhǎng)過(guò)程中，t時(shí)刻的作物冠層覆蓋率CC為：

(4)

在作物的衰老過(guò)程中，公式為：

(5)

式中，CC0—初始時(shí)刻的冠層覆蓋率；t—時(shí)間，CGC—冠層覆蓋率日增長(zhǎng)量，CCx為最大植被冠層覆蓋率，CDCt為達(dá)到最大冠層覆蓋后的日衰減量。

2 模型驗(yàn)證方法與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)材料與方法

為評(píng)價(jià)AquaCrop模型在水稻產(chǎn)量中的適用性，對(duì)吳珠明的水稻灌溉試驗(yàn)[6](以下簡(jiǎn)稱為“驗(yàn)證試驗(yàn)”)進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。該試驗(yàn)于2016年在淠史杭灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)水稻品種為岡優(yōu)渝九，試驗(yàn)田土壤條件參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土壤條件基本參數(shù)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了淺濕間歇I、淺濕間歇II、群習(xí)灌、和不灌水4種不同的灌溉制度；其中淺濕間歇指在水稻生長(zhǎng)期內(nèi)設(shè)置一定的灌溉間歇天數(shù)，群習(xí)灌情景指按照設(shè)計(jì)保持水層，不灌水情景指除移栽時(shí)以外不灌水。試驗(yàn)中各生育期的氣象條件與灌溉制度的設(shè)計(jì)水層與間歇天數(shù)總結(jié)于表2中，其它試驗(yàn)細(xì)節(jié)可參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

表2 各生育期氣象條件與灌溉制度參數(shù)

2.2 模型驗(yàn)證與結(jié)果

選用淺濕間歇I情景實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)水稻產(chǎn)量指標(biāo)對(duì)AquaCrop模型的參數(shù)進(jìn)行率定，后利用淺濕間歇II、群習(xí)灌、和不灌水3種灌溉制度情景對(duì)AquaCrop模型進(jìn)行驗(yàn)證。率定的作物收獲指數(shù)為39%，作物系數(shù)為1.32，土壤水分消耗系數(shù)上限為0.73，土壤水分消耗系數(shù)下限為0.24，冠層增長(zhǎng)率為0.031，冠層衰老率為0.180，其它參數(shù)選用默認(rèn)值。采用標(biāo)準(zhǔn)的誤差分析指標(biāo)(平均相對(duì)誤差MBE、決定系數(shù)R2、Nash效率系數(shù)EF、均方根差RMES、平均絕對(duì)誤差MAE、平均相對(duì)誤差MBE，具體公式可參見(jiàn)文獻(xiàn)[8])評(píng)價(jià)模型的適用性，結(jié)果如圖1所示。各散點(diǎn)表示水稻產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測(cè)值之比，各散點(diǎn)均比較接近等值線(1∶1線)，表明模擬結(jié)果較精確；趨勢(shì)線系數(shù)為1.137，大于1，說(shuō)明當(dāng)水稻產(chǎn)量較低時(shí)AquaCrop模型傾向于低估實(shí)際產(chǎn)量，而當(dāng)產(chǎn)量較高時(shí)則模型傾向于高估；MBE小于0，說(shuō)明該模型總體是低估了水稻產(chǎn)量；R2和EF均較接近于1，同時(shí)RMES、MAE、MBE的數(shù)值均較小，說(shuō)明模擬值與觀測(cè)值之間具有較高的吻合度，滿足精度要求，可以應(yīng)用于實(shí)際的案例當(dāng)中。

圖1 水稻產(chǎn)量實(shí)測(cè)與模擬值比較圖

3 應(yīng)用案列

3.1 模擬灌溉制度情景設(shè)計(jì)

采用經(jīng)過(guò)率定與驗(yàn)證的AquaCrop模型對(duì)不同灌溉制度下的水稻產(chǎn)量進(jìn)行模擬，在驗(yàn)證試驗(yàn)的基礎(chǔ)上共設(shè)計(jì)16種不同的灌溉制度情景。將水稻的生育期歸納為返青與分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期、和乳熟期共4個(gè)時(shí)期，黃熟期由于不需灌水，故不作考慮。各灌溉制度在不同生育期內(nèi)的灌溉定額見(jiàn)表3，其中G0表示雨養(yǎng)灌溉制度，對(duì)應(yīng)于驗(yàn)證試驗(yàn)中的“不灌水”情景；G1、G2、和G3系列分別表示灌1水、灌2水、和灌3水類灌溉制度；G4表示在4個(gè)生育期均進(jìn)行灌溉，對(duì)應(yīng)于驗(yàn)證試驗(yàn)中的“群習(xí)灌”情景。

表3灌溉制度情景方案與灌溉定額

單位：mm

3.2 模擬結(jié)果與討論

不同灌溉制度下水稻產(chǎn)量的模擬結(jié)果如圖2所示。根據(jù)圖2可知，在各種灌溉制度下，雨養(yǎng)灌溉模式(G0A)的水稻產(chǎn)量最低，僅為4995kg/hm2，主要因?yàn)樽匀唤邓臅r(shí)間分布與水稻需水過(guò)程的耦合性一般都比較差，不進(jìn)行灌溉則無(wú)法保證水稻的需水量，從而限制了水稻的正常生長(zhǎng)。在灌1水類灌溉制度中，G1C的產(chǎn)量最大，而G1A最小，說(shuō)明若僅進(jìn)行1次灌溉，在抽穗開(kāi)花期進(jìn)行灌溉產(chǎn)量最大，而在返青與分蘗期灌溉則產(chǎn)量最差，由于返青與分蘗期的設(shè)計(jì)灌水定額量也同時(shí)較大，因此無(wú)論從節(jié)約水資源角度或提升作物產(chǎn)量角度來(lái)分析，都不適宜將灌水期確定于返青與分蘗期；在灌2水類灌溉制度中，G2D情景下的水稻產(chǎn)量最大，而G2C最小，因此若僅進(jìn)行2次灌溉，則建議將灌水期確定為拔節(jié)孕穗期、和抽穗開(kāi)花期；在灌3水類灌溉制度中，G3A情景下的水稻產(chǎn)量最大，而G3C最小，因此若進(jìn)行3次灌溉，則建議將灌水期確定為返青與分蘗期、拔節(jié)孕穗期、和抽穗開(kāi)花期。不灌溉、灌1水、灌2水、灌3水、和灌4水(群習(xí)灌)的平均水稻產(chǎn)量分別為4995、5965、7621、9319、9890kg/hm2，即水稻產(chǎn)量隨灌水次數(shù)的增加而增加。

圖2 不同灌溉制度下水稻產(chǎn)量的模擬結(jié)果

隨著水資源短缺問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，單位面積作物產(chǎn)量往往不再是灌溉制度設(shè)計(jì)的唯一標(biāo)準(zhǔn)，還要考慮水資源的生產(chǎn)效率，并根據(jù)“節(jié)約水資源”與“提高作物產(chǎn)量”兩個(gè)目標(biāo)之間的相對(duì)重要性來(lái)確定最佳的灌溉方案。例如，G4A的產(chǎn)量為9890kg/hm2，而G3A的產(chǎn)量為9762kg/hm2，兩者產(chǎn)量?jī)H相差128kg/hm2，但G3A灌溉制度少一次灌水期，因此在水資源短缺情況下，虧缺灌溉可以提供更高的生產(chǎn)效率，當(dāng)決策者認(rèn)為節(jié)省的水資源價(jià)值超過(guò)損失的潛在水稻產(chǎn)量時(shí)，則依據(jù)實(shí)際情況應(yīng)該選擇G3A灌溉制度；同理，在其它情況下，也可以參考本文方法選擇最適宜的灌溉制度。

4 結(jié)語(yǔ)

采用AquaCrop作物生長(zhǎng)模型研究了不同灌溉制度下的水稻產(chǎn)量，主要得到以下重要結(jié)論：

(1)AquaCrop模型在水稻產(chǎn)量的模擬中具有較高的適用性，具有一定的推廣價(jià)值。

(2)在不同灌溉制度中，水稻產(chǎn)量隨灌水次數(shù)的增加而增加，但產(chǎn)量的增加幅度可能較小，即虧缺灌溉制度可以有更高的生產(chǎn)效率，因此當(dāng)節(jié)省的水資源價(jià)值超過(guò)損失的潛在水稻產(chǎn)量時(shí)，虧缺灌溉制度可具有更大的優(yōu)勢(shì)。

(3)若僅進(jìn)行1次灌溉，在抽穗開(kāi)花期進(jìn)行灌溉產(chǎn)量最大；若僅進(jìn)行2次灌溉，則建議將灌水期確定為拔節(jié)孕穗期、和抽穗開(kāi)花期；若進(jìn)行3次灌溉，則建議將灌水期確定為返青與分蘗期、拔節(jié)孕穗期、和抽穗開(kāi)花期。

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