基于AquaCrop的縣域資源節(jié)水潛力研究
——以高臺縣為例

孫 哲，粟曉玲,b

( 西北農(nóng)林科技大學(xué) a 水利與建筑工程學(xué)院，b 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

水資源的合理配置和有效利用關(guān)系著區(qū)域民生改善、經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)健康，我國西北旱區(qū)降水稀少，氣候干燥，蒸發(fā)強烈，水資源嚴重短缺，農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的90%，具有較大的節(jié)水潛力[1]。農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力主要分為工程節(jié)水潛力和資源節(jié)水潛力，其中工程節(jié)水潛力指的是取用水量損失的節(jié)約，包括減少的蒸散量、滲漏損失量和回歸水量；資源節(jié)水潛力是以減少的蒸發(fā)蒸騰消耗水量作為節(jié)水量，由減少的渠系蒸發(fā)量、田間表水蒸發(fā)量、作物蒸騰量和棵間土壤蒸發(fā)量組成[2]。工程節(jié)水潛力忽略了水的循環(huán)再利用和氣候變化，計算的節(jié)水量往往超過地區(qū)實際可節(jié)約最大水量。資源節(jié)水潛力的計算方法主要有3大類：現(xiàn)狀年與規(guī)劃年灌溉需水量的差值[3-5]；節(jié)水技術(shù)實施前后的作物毛需水量(凈灌溉需水量與灌溉水利用系數(shù)的比值)的差值[6-7]；利用遙感作物蒸發(fā)蒸騰量(ET)和遙感作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)構(gòu)建區(qū)域作物水分生產(chǎn)函數(shù)，初步確定適宜的作物耗水量，在此基礎(chǔ)上確定主要作物ET定額，以ET定額為評價標準對作物ET進行調(diào)整，作物遙感現(xiàn)狀的ET均值與調(diào)整后ET均值的差值與作物種植面積的乘積即為該作物的資源節(jié)水潛力[8-9]。朱正元等[3]建立了河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉資源型節(jié)水潛力估算公式，從而得到了2020年和2030年作物灌溉需水量和農(nóng)業(yè)灌溉資源型節(jié)水潛力值。Wu等[7]以湖北省漳河灌區(qū)為研究對象，采用改良的水土流失評估工具SWAT模型模擬了不同節(jié)水情景下的水文過程，計算了不同情景下的節(jié)水潛力。彭致功等[8]構(gòu)建了基于遙感ET數(shù)據(jù)的作物水分生產(chǎn)函數(shù)，計算了理想情景(即水分生產(chǎn)率達到最大)時典型作物的經(jīng)濟耗水量，以農(nóng)作物ET定額為評價標準，獲得典型農(nóng)作物ET定額管理耗水節(jié)水潛力。已有的關(guān)于農(nóng)業(yè)資源節(jié)水潛力的研究大多是與未來情景和理想情景進行比較，未考慮實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中氣候、田間管理和土壤水分變化對實際耗水量的影響，無法反映真實節(jié)水量。另外，已有的研究大多在灌區(qū)尺度上開展，而水資源的管理配置如節(jié)水型社會建設(shè)試點工作、最嚴格水資源管理制度實施均是基于縣域尺度進行的,但目前缺少縣域的資源節(jié)水潛力研究。

本研究以甘肅省張掖市高臺縣為例，利用AquaCrop作物模型對主要作物制種玉米、商品玉米和小麥進行產(chǎn)量模擬，建立作物、土壤、管理、氣候要素與產(chǎn)量之間的關(guān)系，進而確定作物實際耗水量，通過優(yōu)化灌溉制度改變作物耗水量和產(chǎn)量，根據(jù)作物耗水量減少量與種植面積確定資源節(jié)水潛力，以期為縣域農(nóng)業(yè)節(jié)水工作的開展提供支持。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅省張掖市高臺縣地理坐標為39°03′-39°59′ N、98°57′-100°06′ E,位于河西走廊中部，黑河干流中下游，屬干旱缺水地區(qū)，是典型的灌溉農(nóng)業(yè)縣。2017年農(nóng)業(yè)用水量為3.56億m3，占總用水量的90%以上，灌溉用水主要靠黑河引水和機井提水[10]。高臺縣多年平均降水量僅103.2 mm，且多集中在7～9月，蒸發(fā)量約2 000 mm，年平均溫度為7.6 ℃[11]。研究區(qū)主要作物為玉米和小麥，種植面積占耕地面積的61.71%，玉米生長季為4-9月，小麥生長季為3-7月。玉米根據(jù)用途和品質(zhì)特性分為制種玉米和商品玉米，制種玉米的單產(chǎn)低于商品玉米(圖1)，但經(jīng)濟效益較高。高臺縣2002-2015年噴微灌面積從360 hm2增加至7 300 hm2，田間節(jié)灌率(即噴微灌面積與有效灌溉面積的比值)從1.2%增加至19.33%。2002-2015年高臺縣制種玉米、商品玉米和小麥的種植面積分別增加了7 120，4 700和2 780 hm2(圖1)，作物生長對水資源的需求量增加，但可利用水量是一定的，農(nóng)業(yè)節(jié)水研究十分必要[12]。

圖1 高臺縣2002-2015年主要作物產(chǎn)量及種植面積Fig.1 Yield and planting area for staple crops in the Gaotai county from 2002 to 2015

1.2 研究方法

1.2.1 AquaCrop作物模型原理 AquaCrop是由國際糧農(nóng)組織(FAO)開發(fā)的描述氣候-作物-土壤相互作用的水分驅(qū)動作物模型，結(jié)合田間管理和灌溉管理，綜合評估水對作物生產(chǎn)的影響，可用作規(guī)劃工具協(xié)助灌溉和雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的管理決策[13]。向模型輸入氣候數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)，以作物實際產(chǎn)量為依據(jù)，采用“試錯法”率定作物參數(shù)，完成模型模擬。AquaCrop模型具有用戶界面友好、輸入數(shù)據(jù)少、精度高等優(yōu)點，實現(xiàn)了作物蒸騰和土壤蒸發(fā)的有效分離。

作物蒸騰量、地上生物量和產(chǎn)量的計算公式[14]為：

Tr=KsKsTrKcTrET0；

(1)

(2)

Y=HI·B。

(3)

式中：Tr為作物蒸騰量，mm；Ks為土壤水脅迫系數(shù)，%；KsTr為冷脅迫系數(shù)，%；KcTr為作物蒸騰系數(shù)，%；ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm；B為地上生物量，t/hm2；WP*為標準化水分生產(chǎn)率，g/m2；Y為作物產(chǎn)量，t/hm2；HI為收獲指數(shù)，%。

1.2.2 AquaCrop模型的校準和評估 作物在生長發(fā)育過程中主要受到水分脅迫、溫度脅迫、肥力脅迫和病蟲害的影響，導(dǎo)致產(chǎn)量降低，AquaCrop模型為半定量模型，采用定性和定量結(jié)合的方法模擬作物生長發(fā)育。人們將模型模擬的產(chǎn)量與實際產(chǎn)量進行比較，以此評估模型的性能。采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)(r)、均方根誤差(RMSE)、歸一化均方根誤差(CV(RMSE))、納什效率系數(shù)(EF)和一致性指數(shù)(d)對模型的模擬精度進行檢驗。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

1.2.3 耗水量計算 作物耗水量包括土壤蒸發(fā)量和作物蒸騰量，在AquaCrop模型中土壤蒸發(fā)主要受到土壤含水量、氣侯和冠層覆蓋度的影響。

ET=E+Tr；

(9)

E=Kr(1-CC*)KexET0。

(10)

式中：ET為作物蒸發(fā)蒸騰量，mm；E為土壤蒸發(fā)量，mm；Kr為蒸發(fā)減少系數(shù)；CC*為冠層覆蓋度，%；Kex為完全濕潤且無遮蔭土壤表面的土壤蒸發(fā)系數(shù)。

縣域年耗水量即各主要作物耗水量與種植面積的乘積之和與各主要作物種植面積之和的比值：

(11)

式中：ETz為縣域年耗水量;ETi為第i種主要作物的耗水量，mm；Ai為第i種主要作物的種植面積，×103hm2。

1.2.4 作物灌溉制度的優(yōu)化 將作物的灌水定額以5%的比例依次降低，直至灌水定額降為原灌水定額的40%為止，最優(yōu)的灌溉制度是在產(chǎn)量降低小于5%的前提下，產(chǎn)量最大且耗水量最小的灌溉制度。該問題屬于多目標優(yōu)化問題，利用線性加權(quán)法和全局改進歸一化方法[17]求解。以不同的灌溉制度X為自變量，以作物產(chǎn)量Y和ET為因變量，λ1和λ2為權(quán)重，構(gòu)造目標函數(shù)U(X)：

U(X)=λ1Y(X)-λ2ET(X)。

(12)

約束條件：

Yt≥0.95Y0。

(13)

式中：Yt是灌溉制度優(yōu)化之后的作物產(chǎn)量，t/hm2；Y0是AquaCrop模型模擬的產(chǎn)量，t/hm2。

高臺縣的人均糧食占有量遠遠超過400 kg/人，完全滿足糧食安全標準[18]。相比于糧食產(chǎn)量，耗水量對高臺縣發(fā)展制約更大，因此本研究中產(chǎn)量的權(quán)重λ1取0.4，耗水量的權(quán)重λ2取0.6。采用全局改進歸一化方法，對因變量Y和ET進行指標類型一致化處理和無量綱處理，處理后指標值越大效果越優(yōu)。

1.2.5 資源節(jié)水潛力計算 資源節(jié)水潛力即灌溉制度優(yōu)化前后耗水量的減少量與作物種植面積的乘積：

(14)

式中：Ws為某年的資源節(jié)水潛力，×104m3；ΔETi為第i種作物在灌溉制度優(yōu)化前后耗水量的變化量，mm。

1.3 數(shù)據(jù)來源

AquaCrop模型的數(shù)據(jù)輸入模塊由氣候模塊、作物模塊、土壤模塊和管理模塊組成，輸出數(shù)據(jù)包含逐日的地上生物量、產(chǎn)量、土壤蒸發(fā)量和作物蒸騰量等。高臺縣2002-2015年的風(fēng)速、降水、氣溫、日照和濕度等逐日氣象數(shù)據(jù)來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，利用模型自帶的ET0計算器計算參考作物蒸散量。作物的生長周期、種植密度、播種時間、生育期積溫、參考收獲系數(shù)等參數(shù)參見文獻[19-22](表1)。土層數(shù)、土壤類型、田間持水量和凋萎含水量等土壤數(shù)據(jù)來源于土壤科學(xué)數(shù)據(jù)庫和文獻[23](表2)。管理數(shù)據(jù)中的灌溉水質(zhì)、灌溉制度(表3)、灌溉水利用系數(shù)、種植面積和產(chǎn)量來源于《張掖市灌溉管理年報》、《張掖市統(tǒng)計年鑒》和文獻[24-26]。

表1 高臺縣主要作物的AquaCrop模型校準參數(shù)Tabel 1 Calibrated parameters in AquaCrop model for staple crops in the Gaotai county

表2 高臺縣主要土壤參數(shù)Tabel 2 Main soil parameters of the Gaotai county

表3 高臺縣2002-2015年主要作物灌溉制度(AquaCrop模型輸入)Table 3 Irrigation scheduling for staple crops in the Gaotai county from 2002 to 2015 (AquaCrop model input) mm

2 結(jié)果與分析

2.1 高臺縣作物產(chǎn)量模型模擬和評估

對高臺縣2002-2015年制種玉米、商品玉米和小麥產(chǎn)量進行模擬，結(jié)果見表4。由表4可知，制種玉米、商品玉米和小麥產(chǎn)量的觀測值與模擬值的最大相對誤差分別為-3.34%，-5.78%和-10.34%。

表4 高臺縣2002-2015年制種玉米、商品玉米和小麥產(chǎn)量模擬結(jié)果Table 4 Simulation results of yields of seed maize,commodity corn and wheat in the Gaotai county from 2002 to 2015

周英霞等[27]利用AquaCrop模型模擬陜西省延安市冬小麥產(chǎn)量，最大相對誤差為-8.2%；黃燦等[28]用該模型模擬河北曲周的夏玉米產(chǎn)量，最大相對誤差為10.95%。高臺縣3種作物產(chǎn)量模擬的相對誤差幾乎都在10%以內(nèi)，說明用AquaCrop可以模擬高臺縣作物產(chǎn)量。模型的性能評估是對其模擬精度的定量估計，由于不同的評估指標都有自身的優(yōu)勢和劣勢，因此使用不同指標的集合對充分評估模型的性能是必要的。根據(jù)AquaCrop模型對高臺縣2002-2015年制種玉米、商品玉米和小麥產(chǎn)量的模擬精度指標(表5)可知，模型對3種作物產(chǎn)量的模擬精度均較好，其中對制種玉米和商品玉米的模擬精度高于小麥，這與AquaCrop參考手冊中給出的模型在水分脅迫情況下對玉米的模擬性能優(yōu)于小麥的結(jié)論一致。

表5 高臺縣制種玉米、商品玉米和小麥產(chǎn)量模擬精度分析Table 5 Evaluation results for simulations in terms of yields of seed maize,commodity corn and wheat in the Gaotai county

2.2 高臺縣作物耗水量計算結(jié)果

根據(jù)校準后的AquaCrop模型輸出的不同作物全生育期的土壤蒸發(fā)量和作物蒸騰量(表6)，計算主要作物實際耗水量和高臺縣作物耗水量，結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，高臺縣2002-2015年制種玉米、商品玉米和小麥年耗水量分別為351.5～395.1，393.5～459.6和416.8～493.5 mm。線性擬合發(fā)現(xiàn)，從2002-2015年制種玉米的年耗水量增加5.54 mm，商品玉米和小麥的年耗水量分別減少4.07和16.81 mm。高臺縣2002-2015年制種玉米、商品玉米和小麥的年均耗水量分別為366.1，423.7和451.2 mm，制種玉米的耗水量最低。將高臺縣2002-2015年各主要作物年耗水量與種植面積加權(quán)平均,得到高臺縣的年耗水量為384.1～429.8 mm。周劍等[29]將土壤水分信息引入SEBS模型，利用MODIS影像，結(jié)合WRF模式輸出的格網(wǎng)和地面觀測的氣象數(shù)據(jù)估算的高臺縣2012年主要作物的實際蒸散量為399.8 mm。由圖2可知，本研究模擬的高臺縣2012年主要作物耗水量為404.4 mm，與周劍等[29]的研究結(jié)果接近，說明耗水量估計結(jié)果是合理的。

表6 高臺縣2002-2015年主要作物的土壤蒸發(fā)量(E)和作物蒸騰量(Tr)Table 6 Soil evaporation and crop transpiration for staple crops in the Gaotai county from 2002 to 2015 mm

2.3 高臺縣灌溉制度優(yōu)化結(jié)果

高臺縣作物灌溉制度優(yōu)化結(jié)果如表7所示。利用校準后的AquaCrop模型計算灌溉制度優(yōu)化前3種作物的年耗水量，將其與2002-2015年灌溉制度優(yōu)化后的年耗水量進行對比，結(jié)果見表8。由表8可以看出，灌溉制度優(yōu)化后制種玉米、商品玉米和小麥年耗水量較優(yōu)化前分別減少4.8～16.9，10.4～24.0和11.4～47.1 mm，年均耗水量分別減少10.8，17.7和22.3 mm。由圖3可知，2002-2015年高臺縣制種玉米、商品玉米和小麥的年資源節(jié)水潛力分別為26.66～176.66，13.62～145.54和31.46～320.28萬m3，年均資源節(jié)水潛力分別為66.62，63.50和99.90萬m3。高臺縣的年資源節(jié)水潛力為98.17～485.02萬m3，年均資源節(jié)水潛力為230.02萬m3。高臺縣的資源節(jié)水潛力隨年份的增加總體呈增大趨勢，其中小麥的節(jié)水潛力最大，制種玉米和商品玉米的節(jié)水潛力基本相同。

圖2 2002-2015年高臺縣作物年耗水量的變化Fig.2 Annual water consumption interannual variability for crops in the Gaotai county from 2002 to 2015

表7 2002-2015年高臺縣主要作物優(yōu)化后的灌溉制度Table 7 Irrigation scheduling for staple crops in the Gaotai county from 2002 to 2015 after optimization mm

表8 2002-2015年高臺縣主要作物灌溉制度優(yōu)化前后年耗水量的變化Table 8 Changes in annual water consumption before and after optimization of irrigation scheduling for staplecrops in Gaotai County from 2002 to 2015 mm

表8(續(xù)) Continued table 8

圖3 高臺縣主要作物資源節(jié)水潛力年際變化Fig.3 Resource-based water-saving potential interannual variability for staple crops in the Gaotai county

3 討 論

由于缺乏實際的田間管理數(shù)據(jù)(如施肥、農(nóng)藥、地表覆蓋等)，本研究中AquaCrop模型管理數(shù)據(jù)中的地膜覆蓋率、地壟設(shè)置和雜草侵擾等采用模型的默認設(shè)置作為輸入，這可能導(dǎo)致模擬結(jié)果有一定的誤差[13]。利用AquaCrop模型模擬作物產(chǎn)量時土壤數(shù)據(jù)模塊未設(shè)置地下水相關(guān)參數(shù)，這是因為高臺縣地下水埋深平均大于5 m，對作物生長的影響可以忽略[30]。 AquaCrop模型用于模擬作物產(chǎn)量，假定田間是均勻的，在作物發(fā)育、蒸騰、土壤特性和管理方面無空間差異，只考慮垂直輸入(降雨、灌溉和毛細上升)和輸出(蒸發(fā)、蒸騰和深層滲透)的水通量，這會導(dǎo)致結(jié)果存在一定的系統(tǒng)性誤差[31]。因為缺少分區(qū)的模型輸入數(shù)據(jù)，本研究將高臺縣作為均一的模擬單元處理，未考慮作物生長環(huán)境的空間變化。在后續(xù)工作中，應(yīng)當(dāng)加強數(shù)據(jù)的收集整理工作，進一步研究作物生長環(huán)境的空間變化對資源節(jié)水潛力的影響。另外，資源節(jié)水潛力受到種植面積和作物耗水的雙重影響，因此農(nóng)業(yè)節(jié)水不僅需要優(yōu)化灌溉制度，而且需要合理控制種植面積。為了更好地開展農(nóng)業(yè)節(jié)水工作，政府部門也應(yīng)采取相應(yīng)措施,如實施嚴格的用水定額管理、實行節(jié)水激勵政策、配套相應(yīng)農(nóng)業(yè)灌溉用水計量設(shè)施和開展節(jié)水宣傳教育活動等。

4 結(jié) 論

本研究以甘肅省張掖市高臺縣為例，利用AquaCrop模型模擬制種玉米、商品玉米和小麥的產(chǎn)量。通過調(diào)節(jié)灌水定額，利用線性加權(quán)和全局改進歸一化方法實現(xiàn)灌溉制度優(yōu)化，計算了高臺縣的資源節(jié)水潛力，主要結(jié)果如下。

1)利用AquaCrop模型模擬制種玉米、商品玉米和小麥的產(chǎn)量，率定作物參數(shù)和肥力脅迫，結(jié)合多種統(tǒng)計指標評估模型性能，3種作物產(chǎn)量的模擬精度均較好，模擬精度大小表現(xiàn)為制種玉米>商品玉米>小麥。

2)2002-2015年高臺縣制種玉米、商品玉米和小麥的年均耗水量分別為366.1，423.7和451.2 mm。制種玉米的年均耗水量增加5.54 mm，商品玉米和小麥的年均耗水量分別減少4.07和16.81 mm。

3)采用線性加權(quán)和全局改進歸一化方法結(jié)合AquaCrop模型進行灌溉制度優(yōu)化，優(yōu)化后高臺縣2002-2015年制種玉米、商品玉米和小麥的年均耗水量分別減少10.8，17.7和22.3 mm，年均資源節(jié)水潛力分別為66.62，63.50和99.90萬m3，高臺縣年均資源節(jié)水潛力為230.02萬m3。