河套灌區(qū)春小麥適宜秋澆模式的模擬研究

薛 靜，陳軍鋒，鄭秀清，呂澤浩，李旭強(qiáng)

（太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

0 引 言*

【研究意義】秋澆是河套灌區(qū)在特定的自然氣候條件下，每年秋季在作物非生育期進(jìn)行的一次較大規(guī)模灌溉[1]，其目的在于淋洗田間鹽分和調(diào)整土壤墑情，為來年春播創(chuàng)造良好的土壤水鹽條件[2-3]。然而，灌區(qū)秋澆存在灌水定額過大、水利用效率低的問題，不僅造成水資源浪費，而且還會造成土壤潮塌返漿，導(dǎo)致土壤表層積鹽[4]，不適宜的秋澆時間和水量或許還會加劇土壤次生鹽漬化并危害作物生長[5]。春小麥?zhǔn)呛犹坠鄥^(qū)主要的糧食作物[6]，盡管近年來受市場的影響，種植面積劇減，探討春小麥種植條件下，相對適宜的秋澆模式對保證灌區(qū)糧油生產(chǎn)穩(wěn)定和節(jié)水仍具有重要意義。【研究進(jìn)展】已有學(xué)者在灌區(qū)某一試驗點圍繞不同秋澆條件下土壤剖面的水鹽分布情況開展了相應(yīng)研究[7]，或依據(jù)相應(yīng)的地下水埋深和水質(zhì)的變化來反映秋澆對地下水環(huán)境的綜合影響[8]。同時，針對灌區(qū)適宜的秋澆模式，研究者們也分別從灌溉時間、秋澆定額、鹽分淋洗、節(jié)水覆膜等方面進(jìn)行了積極的討論[9]。以上研究結(jié)果均為灌區(qū)制定科學(xué)合理的秋澆模式奠定了基礎(chǔ)。然而，傳統(tǒng)的田間試驗方法需耗費大量人力物力，利用模型開展相應(yīng)研究已成為一種有效的途徑，其中SHAW 模型已被用于分析河套灌區(qū)沙壕渠試驗站相對適宜的秋澆模式[10]?！厩腥朦c】灌區(qū)秋澆的效果在一定程度上受氣象條件、土壤類型、作物種類、土壤鹽堿化程度和灌溉排水條件的影響，不同地區(qū)適宜的秋澆制度有所差異，農(nóng)田尺度分析得到的結(jié)論并不能代表整個區(qū)域，因此，探討區(qū)域尺度上灌區(qū)因地制宜的秋澆模式，才能為灌區(qū)制定科學(xué)合理的秋澆制度提供一定的參考。農(nóng)業(yè)水文模型（Soil-Water-Atmosphere-Plant，SWAP 和WOrld FOod STudies，WOFOST）結(jié)合田間試驗和地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）技術(shù)及遙感數(shù)據(jù)，采用分布式模式可有效地實現(xiàn)對區(qū)域水資源管理的定量評價[11-12]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究運用該農(nóng)業(yè)水文模型及GIS 技術(shù)，在河套灌區(qū)尺度模擬分析春小麥種植條件下，不同秋澆模式對作物水分生產(chǎn)力（Water Productivity, WP）的影響，進(jìn)而探討灌區(qū)春小麥種植條件下相對適宜的秋澆模式，從而進(jìn)一步為灌區(qū)水土資源的合理利用提供定量化的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國3 個特大型灌區(qū)之一，為黃河沖積平原，地勢平坦、耕作性良好、自然坡度為1/8 000～1/5 000、地面高程為1 018～1 050 m，且光能資源豐富，適宜于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[13]。灌區(qū)屬于溫帶大陸性干旱-半干旱氣候區(qū)，降水稀少且蒸發(fā)強(qiáng)烈，是一個典型的沒有灌溉就沒有農(nóng)業(yè)的地區(qū)。多年來灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依賴黃河水實現(xiàn)灌溉，由于工程配套差和粗放管理，灌區(qū)的灌溉方式主要以地面渠灌為主且大部分依舊是采用大水漫灌，目前仍存在用水定額過大、用水效率低的問題。灌區(qū)土壤封凍期長達(dá)180 d，凍結(jié)厚度為1.1 m[14]。

1.2 分布式SWAP-WOFOST 模型構(gòu)建

以分布式應(yīng)用SWAP-WOFOST 模型對河套灌區(qū)的模擬研究需要劃分均勻的模擬單元，每個模擬單元是由氣象-土壤-土地利用-作物-灌溉排水-地下水埋深等信息疊加而成。利用模型對形成的各個組合分別進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果通過GIS 技術(shù)[14]在區(qū)域上展示，從而實現(xiàn)區(qū)域尺度的分布式模擬[15]。具體對每種主要作物生長條件下的耕地，有135 個土壤水分運動參數(shù)分區(qū)、2 個氣象要素分區(qū)、5 個作物生長參數(shù)分區(qū)、5 個灌溉制度分區(qū)、2 個土壤鹽分運移參數(shù)分區(qū)、5 個土壤剖面初始水壓力頭分區(qū)和2 個土壤剖面初始鹽分濃度分區(qū)及5 個地下水礦化度分區(qū)，共形成165 個分布式模擬分析單元。分別對模型中土壤水力學(xué)參數(shù)、鹽分運移參數(shù)、作物生長參數(shù)進(jìn)行了率定和區(qū)域尺度的驗證。模擬研究中所利用的主要數(shù)據(jù)詳見文獻(xiàn)[6]。本研究選取2000—2010 年為模擬情景分析階段，此階段多年平均降水量處于灌區(qū)平水年的水平，因此，模擬研究結(jié)果代表灌區(qū)平水年的一般水平。

1.3 模擬情景設(shè)置

本模擬研究基于王康[13]所給定的灌區(qū)現(xiàn)狀灌溉制度，設(shè)定春小麥生育期均采用現(xiàn)狀灌溉制度。兼顧考慮灌區(qū)秋收時間（9 月20 日以后）和灌區(qū)土壤上凍時間（11 月15 日左右），模擬中將秋澆時間分別設(shè)定為：9 月30 日、10 月16 日和11 月1 日。秋澆水量則結(jié)合王康[13]所給出的灌區(qū)一般秋澆定額（150 mm）和前人在灌區(qū)試驗站開展研究所得到的適宜秋澆定額（150 mm），在此基礎(chǔ)上嘗試進(jìn)一步減少秋澆定額以實現(xiàn)節(jié)省灌區(qū)秋澆灌水量的目標(biāo)，具體設(shè)定秋澆水量分別為：90、120 和150 mm。將不同的秋澆時間和水量交叉組合，共形成9 種不同的秋澆模擬情景（表1）。

在河套灌區(qū)5 個旗縣區(qū)，利用已構(gòu)建的分布式SWAP-WOFOST 模型，在不同秋澆模式下，對2000—2010 年春小麥單一種植條件下作物水分生產(chǎn)力的時空分布進(jìn)行了模擬分析。通過分析不同秋澆時間和水量組合下灌區(qū)作物的WP，以提高春小麥WP 為目標(biāo)，初步探討灌區(qū)各旗縣區(qū)春小麥種植條件下相對適宜的秋澆模式。研究中假設(shè)2000—2010 年間秋澆模式均保持不變，秋澆所用灌溉水源均為引黃水，其礦化度由所收集的年動態(tài)數(shù)據(jù)逐年確定。

表1 2000—2010 年不同秋澆模擬情景設(shè)置 Table 1 The simulation scenarios of autumn irrigation setting during 2000—2010

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秋澆模式下春小麥水分生產(chǎn)力

2.1.1 時間尺度分析

河套灌區(qū)不同秋澆模式下2000—2010 年春小麥的WP 表現(xiàn)出一定的差異（圖1）。2004 年各秋澆模式下春小麥的WP 均處于較高水平，平均值達(dá)到1.47 kg/m3，而2010 年則均處于相對較低的水平，平均值僅為0.80 kg/m3。根據(jù)灌區(qū)年降水量差異可知，降水量相對較低的年份內(nèi)，不同秋澆模式下春小麥的WP基本保持在1.11～1.33 kg/m3；降水量相對較高的年份內(nèi)，春小麥的WP 則基本保持在1.20～1.37 kg/m3（圖1）。整體而言，不同秋澆模式下2000—2010 年春小麥的多年平均WP 保持在1.21～1.28 kg/m3，當(dāng)采用9月30 日灌水90 mm 的秋澆模式下，春小麥的多年平均WP 達(dá)到最大，而采用11 月1 日灌水150 mm 的秋澆模式，春小麥的多年平均WP 則最小。

通過比較灌區(qū)逐年各秋澆模式下春小麥的WP 可知，在模擬時段內(nèi)2005 年和2007 年，采用9 月30日灌水120 mm 的秋澆模式春小麥的WP 最高，相比基本情景春小麥的平均WP 分別提高了約2.33%和4.32%；2008 年和2009 采用9 月30 日灌水150 mm的秋澆模式下春小麥的WP 最高，相比基本情景春小麥的平均WP 分別提高了約1.91%和2.07%；其余年份則均采用9 月30 日灌水90 mm 的秋澆模式春小麥的WP 相對最高，相比基本情景春小麥的平均WP 分別提高了約3.14%～10.07%（表2）。綜上所述，在2000—2010 年間，以提高春小麥WP 為目標(biāo)，河套灌區(qū)逐年所推薦的秋澆模式如表4 所示。其中9 月30日灌水90 mm 的秋澆模式在多數(shù)年份中均表現(xiàn)理想，對于降水量相對較少的年份（2005、2007 年和2009年）則在提早秋澆的同時保持灌水量為120～150 mm較為適宜。

表2 不同秋澆模式下春小麥平均WP 的變幅 Table 2 Differences in spring wheat WP between the different autumn irrigation %

圖1 不同秋澆模式下春小麥的平均WP Fig.1 Average spring wheat WP under different autumn irrigation modes

2.1.2 空間尺度分析

河套灌區(qū)不同秋澆模式下春小麥的WP表現(xiàn)出一定的空間變異性，具體分析可知，不同秋澆模式下春小麥WP 較高的地區(qū)主要集中在磴口縣、杭錦后旗、臨河區(qū)南部和五原縣東部的大部分耕地，WP 較低的地區(qū)則主要分布在臨河區(qū)中部、五原縣南部和烏拉特前旗的部分耕地（圖2）。對于灌區(qū)大部分耕地面積而言，采用每年9 月30 日灌水90 mm 的秋澆模式，春小麥的WP 相對較為理想。在磴口縣和杭錦后旗的大部分耕地上采用每年11 月1 日灌水120 mm 的秋澆模式，春小麥的WP 相對較高（圖2）。

圖2 不同秋澆模式下春小麥平均WP 的空間分布 Fig.2 Spatial distribution of spring wheat WP under different autumn irrigation modes

圖3 河套灌區(qū)不同秋澆模式下春小麥的平均WP Fig.3 Annual average spring wheat WP under different autumn irrigation modes in the Hetao Irrigation District

基于分布式模擬結(jié)果，將河套灌區(qū)5 個旗縣區(qū)內(nèi)各自的耕地分別進(jìn)行統(tǒng)計匯總，通過比較各旗縣區(qū)不同秋澆模式下春小麥的WP，以春小麥WP 最高為選擇依據(jù)，進(jìn)而確定了春小麥種植條件下各旗縣區(qū)相對適宜的秋澆模式。結(jié)果表明，基本情景下河套灌區(qū)春小麥多年平均WP 約為1.15 kg/m3，其中杭錦后旗各秋澆模式下春小麥的WP 均相對較高，基本保持在1.23～1.31 kg/m3，而烏拉特前旗各秋澆模式下春小麥的WP 則相對較低，基本保持在0.97～1.09 kg/m3（圖3）。灌區(qū)除磴口縣外，其余各旗縣區(qū)采用9 月30 日灌水90 mm 的秋澆模式，春小麥的WP 均處于較高水平，最高達(dá)到1.31 kg/m3，而磴口縣則采用9 月30日灌水120 mm 的秋澆模式相對較為適宜（表4）。相比基本情景，采用9 月30 日灌水90 mm 的秋澆模式，杭錦后旗、臨河區(qū)、五原縣和烏拉特前旗耕地上春小麥的WP 分別提高了約3.88%、14.24%、1.91%和10.36%，而采用9 月30 日灌水120 mm 的秋澆模式，磴口縣內(nèi)耕地上春小麥的WP 則僅提高了約1.18%（表3）。整體而言，春小麥單一種植條件下，基于水分生產(chǎn)力優(yōu)先推薦的秋澆模式中灌區(qū)5 個旗縣區(qū)的秋澆水量均較基本情景有所減少，同時秋澆的時間均建議提前至每年的9 月30 日。

表3 河套灌區(qū)相對基本情景不同秋澆模式下春小麥平均WP 的變幅 Table 3 Differences in spring wheat WP between the different autumn irrigation and basic scenarios in the Hetao Irrigation District %

表4 2000—2010 年河套灌區(qū)基于春小麥WP 優(yōu)先推薦的秋澆模式 mm Table 4 The suggested autumn irrigation mode based on optimal spring wheat WP in the Hetao Irrigation District during 2000—2010

2.2 以提高WP 為目標(biāo)的秋澆模式選優(yōu)

基于水分生產(chǎn)力優(yōu)先的秋澆模式下，分別對2000—2010 年灌區(qū)春小麥種植條件下作物的平均產(chǎn)量和WP 的空間分布進(jìn)行分析。結(jié)果表明，采用推薦的秋澆模式，河套灌區(qū)春小麥多年平均產(chǎn)量為4 385 kg/hm2，WP 為1.22 kg/m3（表5）。春小麥產(chǎn)量較高的地區(qū)主要集中在磴口縣、杭錦后旗、臨河區(qū)南部和五原縣北部，產(chǎn)量達(dá)到4 461～5 912 kg/hm2，相對較低的地區(qū)主要分布在臨河區(qū)中部、五原縣西南部和烏拉特前旗部分地區(qū)，產(chǎn)量為2 026～3 810 kg/hm2（圖4（a））。春小麥WP 較高的地區(qū)主要集中在磴口縣、杭錦后旗和五原縣北部地區(qū)，WP 達(dá)到1.27～2.40 kg/m3，WP 較低地區(qū)的分布與產(chǎn)量基本保持一致（圖4（b））。

相比基本情景，采用推薦的秋澆模式下河套灌區(qū)春小麥多年平均產(chǎn)量增大約6.47%，多年平均WP 提高約6.32%（表5）。除臨河區(qū)中部、五原縣西部和烏拉特前旗部分耕地外，灌區(qū)其余地區(qū)采用推薦的秋澆模式后春小麥的產(chǎn)量均有所提高，其中磴口縣東南部、杭錦后旗北部、臨河區(qū)北部產(chǎn)量的提升幅度相對較高（圖5（a））。同時，春小麥的WP 也有所增大，增效較為明顯的地區(qū)主要分布在磴口縣、杭錦后旗、臨河區(qū)南部、五原縣東部和烏拉特前旗西部地區(qū)（圖5（b））。整體而言，灌區(qū)單一種植春小麥條件下，采用水分生產(chǎn)力優(yōu)先推薦的秋澆模式時能夠保證灌區(qū)在節(jié)省一定秋澆水量的同時作物的產(chǎn)量和WP 均有所提高。

圖4 河套灌區(qū)推薦秋澆模式下春小麥平均產(chǎn)量和WP 的空間分布 Fig.4 Spatial distribution of spring wheat yieldand WP under the suggested autumn irrigation modes in the Hetao Irrigation District

圖5 河套灌區(qū)推薦秋澆模式相比基本情景春小麥產(chǎn)量和WP 變幅的空間分布 Fig.5 Change of spring wheat yield and WP under the suggested autumn irrigation modes in the Hetao Irrigation District

表5 優(yōu)選秋澆模式下春小麥的平均產(chǎn)量和WP Table 5 Average yield and WP of spring wheat of optimized autumn irrigation mode

3 討 論

3.1 不同秋澆時間對春小麥WP 的影響

河套灌區(qū)不同秋澆模式下春小麥的WP表現(xiàn)出一定差異，當(dāng)灌區(qū)秋澆水量保持150 mm 不變時，將秋澆時間提前至9 月30 日，灌區(qū)5 個旗縣區(qū)春小麥的WP 均有不同程度的提高，而將秋澆時間推后至11月1 日，除臨河區(qū)外，其余各旗縣區(qū)春小麥WP 均出現(xiàn)不同程度的降低。當(dāng)秋澆水量保持120 mm 時，相比基本情景，不同秋澆時間下灌區(qū)5 個旗縣區(qū)春小麥的WP 均有所提升或基本保持穩(wěn)定，其中秋澆時間為9 月30 日時，灌區(qū)5 個旗縣區(qū)春小麥的WP 相對最高，其次為10 月16 日，11 月1 日進(jìn)行秋澆時春小麥的WP 相對最低。當(dāng)秋澆水量保持90 mm 時，相比基本情景，秋澆時間為9 月30 日時，灌區(qū)5 個旗縣區(qū)春小麥的WP 均有所提高；秋澆時間為10 月16 日時，臨河區(qū)和烏拉特前旗春小麥的WP 有所提高，其余地區(qū)基本保持穩(wěn)定；秋澆時間為11 月1 日時，除磴口縣外，其余地區(qū)春小麥的WP 均有不同程度的增大。

由此可見，對于春小麥而言，當(dāng)設(shè)定秋澆水量分別為150、120、90 mm 不變時，將灌區(qū)秋澆時間提前至每年9 月30 日在一定程度上均能夠提高作物的WP，相對較為理想。以上結(jié)果與郭素珍[16]根據(jù)實測資料，探討不同秋澆時間對河套灌區(qū)水鹽運移和農(nóng)業(yè)環(huán)境影響的結(jié)果保持一致。秋澆時間提前在一定程度上能夠提高春小麥的WP 主要是由于凍結(jié)土壤具有明顯的減滲特性[17]，提早進(jìn)行秋澆會延長土壤凍結(jié)前水分向下滲漏的時間，從而使得第二年春季作物根系帶土壤水分相對較少，有效緩解了作物根系帶土壤通氣性不良，影響作物根系吸水、不利于其生長的狀況。

3.2 不同秋澆水量對春小麥WP 的影響

當(dāng)灌區(qū)秋澆時間固定為每年10 月16 日時，減少秋澆灌水量的20%或40%，基本能夠保證灌區(qū)春小麥的WP 有所提高或基本穩(wěn)定。這可能主要是由于適當(dāng)減少秋澆灌水量后改善了第二年春季分蘗期由于滲漏量增大所導(dǎo)致的地下水埋深迅速變淺，進(jìn)而造成根系帶土壤通氣性不良，影響作物根系吸水、不利于其生長的狀況。

當(dāng)灌區(qū)秋澆時間提前至每年9 月30 日，秋澆灌水量保持150 mm 不變時，灌區(qū)各旗縣區(qū)春小麥的WP 均出現(xiàn)不同程度的提高，當(dāng)秋澆灌水量減少20%或40%時，臨河區(qū)和烏拉特前旗春小麥的WP 均出現(xiàn)7.74%～14.24%的增大，而其余地區(qū)則基本保持穩(wěn)定?？梢娫谔崆扒餄驳耐瑫r再減少灌水量，對不同土壤質(zhì)地表現(xiàn)出不同的效果。這主要是由于土壤凍結(jié)對重質(zhì)土壤入滲能力的影響要大于輕質(zhì)土壤[16]，對于土壤質(zhì)地相對偏砂的地區(qū)，延長土壤凍結(jié)前的水分入滲時間并減少灌水量，凍結(jié)過程對土壤減滲特性又相對弱，則可能會造成第二年作物根系帶水分較少的狀況，而土壤持水性較好的地區(qū)，當(dāng)延長水分的下滲時間并減少秋澆灌水量后，能夠更好地避免第二年作物分蘗期灌溉后根系帶水分過高的問題，從而更有利于作物的生長。

當(dāng)灌區(qū)秋澆時間推遲至每年的11 月1 日，秋澆水量保持150 mm 不變時，除臨河區(qū)外，其余各旗縣區(qū)春小麥的WP 均出現(xiàn)不同程度的降低，當(dāng)秋澆灌水量減少20%或40%時，臨河區(qū)和烏拉特前旗春小麥的WP 均出現(xiàn)2.94%～11.30%的增大，而其余地區(qū)則基本保持穩(wěn)定。這可能是由于僅推遲秋澆時間，會縮短土壤凍結(jié)前水分下滲的時間，使得第二年春季作物根系帶土壤水分相對較高。然而，在推遲秋澆時間的同時減少秋澆水量則可以在一定程度上緩解這一問題，尤其是土壤容水量相對較高的地區(qū)表現(xiàn)出的優(yōu)勢更為明顯。

整體而言，通過在區(qū)域尺度嘗試對不同秋澆模式下春小麥的WP 進(jìn)行模擬評價，進(jìn)而給出灌區(qū)5 個旗縣區(qū)以提高作物WP 為目標(biāo)的相對適宜的秋澆模式，從而為灌區(qū)秋澆制度的調(diào)整和實現(xiàn)區(qū)域節(jié)水增效戰(zhàn)略目標(biāo)提供了一定的理論參考。

4 結(jié) 論

1）河套灌區(qū)2000—2010 年春小麥單一種植條件下，調(diào)整秋澆定額和時間對不同旗縣區(qū)作物的水分生產(chǎn)力均有一定程度的影響。

2）以提高春小麥的WP 為目標(biāo)，得到灌區(qū)相對適宜的秋澆模式：磴口縣推薦采用每年9 月30 日，灌水120 mm 的秋澆模式；其余旗縣區(qū)均推薦采用每年9 月30 日，灌水90 mm 的秋澆模式。在該推薦的秋澆模式下，灌區(qū)5 個旗縣區(qū)的秋澆灌定額均較基本情景有所減少，且秋澆的時間均提前至每年的9 月30 日。

3）在推薦秋澆模式下灌區(qū)春小麥的多年平均產(chǎn)量較基本情景增大約6.47%，多年平均WP 提高約6.32%。整體而言，采用水分生產(chǎn)力優(yōu)先推薦的秋澆模式能夠保證灌區(qū)在節(jié)省一定的秋澆水量的同時春小麥的產(chǎn)量和WP 均有所提高。

致謝：感謝中國農(nóng)業(yè)大學(xué)任理教授對本工作的指導(dǎo)。感謝內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)屈忠義教授，巴彥淖爾市水利科學(xué)研究所的張義強(qiáng)、夏玉紅和范澤華高級工程師，武漢大學(xué)王修貴、王康和伍靖偉教授，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院姚艷敏副研究員，西北農(nóng)林科技大學(xué)王玉寶副教授對本工作的支持和幫助。