段琪彩，張 雷，黃 英，韓煥豪，王樹鵬，李丕清

(1.云南省水利水電科學(xué)研究院，昆明 650228；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 4030072)

0 引 言

云南地處低緯高原，農(nóng)業(yè)氣候資源特征鮮明，造就了立體農(nóng)業(yè)和高原特色農(nóng)業(yè)豐富多彩、復(fù)雜多樣的優(yōu)勢特點。滇中是云南底緯高原的重要組成部分，光熱資源條件好，但水資源較為緊缺[1,2]。為緩解滇中的缺水問題，充分發(fā)揮獨特的自然優(yōu)勢，2018年3月水利部正式對滇中引水工程初步設(shè)計報告準(zhǔn)予行政許可，標(biāo)志著滇中引水工程項目各項前期工作已經(jīng)完成，工程正式啟動。然而，云南作為以山地為主的農(nóng)業(yè)大省，灌溉試驗站網(wǎng)建設(shè)發(fā)展緩慢[3]，灌溉制度研究較中東部地區(qū)差距較大，水肥不合理利用不僅制約著經(jīng)濟發(fā)展，同時造成了局部地區(qū)面源污染，對國家“一帶一路”和長江經(jīng)濟帶戰(zhàn)略產(chǎn)生重要影響[4]。CROPWAT[5]是聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)基于《作物蒸散量-計算作物需水量指南》(FAO-56)開發(fā)的計算機程序，可根據(jù)氣象數(shù)據(jù)、作物特征及土壤理化性質(zhì)計算作物騰發(fā)量和灌溉需水量，模型還可以根據(jù)不同的作物模式、管理條件制定灌溉和供水計劃。目前，該模型在全球不同地區(qū)作物需水量計算和灌溉制度制定中應(yīng)用較廣，Saon Banerjee[6]等應(yīng)用模型對印度恒河下游平原馬鈴薯田蒸散量進行了研究，宋春雨[7]等在土耳其、摩洛哥以及巴基斯坦分別對棉花、甜菜及馬鈴薯進行了聯(lián)合試驗，張沛琪[8]等分析了模型在河套灌區(qū)非充分灌溉決策中的適用性。眾多研究表明，對作物、土壤等參數(shù)進行校準(zhǔn)后，該模型應(yīng)用取得了較好效果[9-13]。本文基于滇中南部建水試驗點水稻和馬鈴薯兩種作物需水量及灌溉試驗觀測數(shù)據(jù)，對CROPWAT模型中灌溉計劃制定功能模塊相關(guān)參數(shù)進行校準(zhǔn)，旨在為該模型在本地區(qū)水資源優(yōu)化配置、高效利用以及灌區(qū)規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 田間試驗

試驗點位于滇中南部建水縣曲江鎮(zhèn)小山村(102°50′E、23°56′N)，海拔1 344 m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，冬干夏濕，雨熱同季，冬無嚴寒，夏無酷暑。多年平均降雨量為683.4 mm，多年平均氣溫為19.3 ℃，多年平均相對濕度為77.5%，多年平均風(fēng)速為3.6 m/s，多年平均日照時數(shù)為9.3 h；極端最高氣溫為35.8 ℃(1958年6月1日)，極端最低氣溫為-3.1 ℃(1984年12月29日)。土壤類型為粉砂黏土，耕作層土壤平均容重為1.32 g/cm3，飽和含水率(體積)為47%，體積田間持水率(體積)為42%。

滇中特色農(nóng)作物可分為大春秋收和小春夏收兩季，大春主要種植水稻、玉米等，小春主要種植馬鈴薯、蠶豆等[14]，本研究試驗作物為水稻和馬鈴薯，試驗時間為2015年12月至2018年12月。稻田水深采用HOBO自記水位計記錄，氣象數(shù)據(jù)采用INSENTEK云智能氣象站自動記錄，土壤墑情采用INSENTEK云智能傳感器記錄；灌水量由水表人工讀取，稻田排水量由田面水深變化量換算。

水稻為一季中稻，品種為秈稻(宜香3003)，4月中旬育秧，5月下旬至6月初插秧，9月下旬收割，本田期120 d左右。灌溉模式為傳統(tǒng)的淹水灌溉，田面水層深度控制為：灌前下限10 mm，灌后上限初期(返青期)為30 mm、中后期(分蘗至乳熟期)為50 mm，雨后蓄水深度初期為40 mm、中后期為90 mm，黃熟期自然落干。水稻試驗結(jié)果為：作物系數(shù)Kc在0.93～1.26之間，根系層土層深度在0.10～0.50 m之間，株高1.00 m，耕作層深度0.50 m，稻田滲漏量為2 mm/d；全生育期降水量在425.8～579.0 mm之間，灌水量在268.2～445.3 mm之間，排水量在0.4～60.4 mm之間。

馬鈴薯12月上旬或中旬栽種，次年4月上旬采收，全生育期115 d左右。馬鈴薯地壟上覆膜，為膜上微噴灌模式，灌溉控制方式為：栽種時灌水至田間持水率的40%，苗芽出土前不用灌水；出苗后至采收期間保持土壤含水率在田間持水率的50%～100%。馬鈴薯試驗結(jié)果為：作物系數(shù)Kc在0.14～1.49之間，根系層土層深度在200～500 mm之間，株高0.60 m，耕作層深度0.50 m；全生育期降水量在224.0～294.6 mm之間，灌水量在162.2～219.5 mm之間。

1.2 模型應(yīng)用

應(yīng)用CROPWAT模型模擬灌水量過程涉及氣象數(shù)據(jù)，同時需對作物、土壤參數(shù)和灌溉管理條件進行設(shè)置。

1.2.1 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)包括最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、日照時數(shù)和降水量，本研究取用建水試驗點定點觀測數(shù)據(jù)，時間尺度為日。

1.2.2 作物參數(shù)

作物參數(shù)包括播種時間、各階段生長時間、作物系數(shù)、根系層深度、株高和水稻泡田土層深度共6個參數(shù)，本研究播種時間根據(jù)試驗取用，其他參數(shù)根據(jù)試驗結(jié)果對模型中預(yù)設(shè)值進行校準(zhǔn)，結(jié)果見表1。由表1可見，與模型中預(yù)設(shè)值比較，取用值水稻作物系數(shù)前期和初期略偏小、中期相同、末期接近，生長時間前期和初期偏小、旺盛期和中期偏大、末期偏小，根系層深度初期相同、中期略偏小，泡田土層深度、作物株高兩者相同。馬鈴薯作物系數(shù)初期明顯偏小、中期接近、末期偏大，生長時間初期偏大、旺盛期和末期相同、中期偏小，根系層深度初期相同、中期略偏小，株高兩者相同。表明本地區(qū)水稻和馬鈴薯兩種作物各階段生長時間和作物系數(shù)與模型中預(yù)設(shè)值差異較大，實際應(yīng)用時應(yīng)進行適當(dāng)修訂，其他參數(shù)可采用模型預(yù)設(shè)值。

1.2.3 土壤參數(shù)

土壤參數(shù)包括土壤總有效水量、最大入滲速率、耕作層深度、初始有效土壤水分耗損率共4個綜合參數(shù)，另外還包括泡田時排水孔隙度、臨界消耗率和泡田完成時水層深度、最大水層深度4個附加參數(shù)。土壤參數(shù)不僅與土壤類型有關(guān)，還與前期降水量有關(guān)，水稻季與馬鈴薯季部分參數(shù)存在差異，本研究除總有效水量(TAW)按式(1)計算外[5]，其他參數(shù)根據(jù)試驗結(jié)果進行設(shè)置，結(jié)果見表2。

TAW=1 000 (θcf-θwp)

(1)

式中：TAW為總有效水量，mm/m；θfc為田間持水率，取0.42；θwp為凋萎點含水率，取0.27。

1.2.4 灌溉管理條件

灌溉管理條件相關(guān)參數(shù)包括有效降水量計算、灌溉方式、土地整理(水稻泡田)方式等設(shè)置。有效降水量采用模型推薦的USDA-SCS法計算；水稻灌溉方式按本文中田間試驗方案設(shè)置，泡田方式設(shè)置為由田持泡至飽和，泡田完成后水深為30 mm。馬鈴薯灌溉設(shè)置為較節(jié)水的方式，灌前下限為臨界耗盡，上限設(shè)置為田持水量，其他參數(shù)采用默認值。

表1 建水試驗點水稻和馬鈴薯作物參數(shù)表

表2 建水試驗點水稻和馬鈴薯土壤參數(shù)表

2 結(jié)果分析

2.1 水稻灌水量模擬結(jié)果分析

根據(jù)2016-2018年逐日氣象數(shù)據(jù)和設(shè)定的模型參數(shù)，模擬了3個稻季的泡田水量和本田期灌水量過程，各稻季灌水量如表3所示，灌水量過程如圖1所示。由表3可見，模擬的水稻泡田水量在192.3～195.0 mm之間，本田期灌水量在288.3～414.4 mm之間，全生育期灌水量在483.3～609.4 mm之間。與試驗觀測值比較，2016稻季泡田水量偏大、本田期灌水量偏小，2017稻季則相反表現(xiàn)為泡田水量偏小、本田期灌水量偏大，2018稻季泡田水量和本田期灌水量均偏小。從試驗的3稻季來看，泡田水量相差在-7.1%～+8.3%之間，本田期灌水量相差在-6.9%～+7.5%之間，全生育期灌水量相差在-5.8%～+1.1%，模擬與試驗觀測值未表現(xiàn)出明顯的系統(tǒng)偏差，全生育期灌水量偏差在±6%以內(nèi)。

表3 建水水稻試驗觀測與模擬灌水量統(tǒng)計表

由圖1可見，泡田水量試驗觀測與模擬結(jié)果差異較小。本田期灌水次數(shù)試驗觀測在7～11次之間，模擬在8～11次之間，其中2016稻季試驗觀測次數(shù)與模擬相同，2017稻季模擬多2次，2018稻季模擬多1次；灌水定額試驗觀測值在25.6～55.6 mm之間，模擬值在20.9～45.9 mm之間，模擬值略偏??；灌水時間試驗觀測與模擬一般相差1～2 d，個別時間相差4～6 d，3個稻季灌水時間相同的共8次，相差2 d及以內(nèi)占試驗總灌水次數(shù)的88%。灌水量過程差異較大的是：2016稻季第53 d與第57 d的灌水時間相差4 d；2017稻季試驗觀測第10 d有1次大額灌水，模擬則分別在第8、11、14 d各1次小額灌水；2018稻季模擬第54 d多1次灌水，最后1次灌水相差6 d?？傮w來看，試驗觀測與模型模擬的灌水量過程對應(yīng)性較好，灌水次數(shù)接近，灌水定額模擬值略偏小，灌水時間略有差異。因本次試驗委托當(dāng)?shù)卮迕裼^測，灌水時機和灌水時稻田水層深度未能嚴格按照試驗方案控制，部分時間的灌水定額偏大，是導(dǎo)致灌水時間略有偏差的主要原因。

圖1 建水水稻試驗觀測與模型模擬灌水量過程

2.2 馬鈴薯灌水量模擬結(jié)果分析

馬鈴薯試驗觀測與模型模擬灌水量如表4所示，灌水量過程如圖2所示。由表4可見，模擬的馬鈴薯全生育期灌水量在181.5～201.0 mm之間，模擬與試驗觀測的灌水量相差在-9.7%～+11.9%之間，其中2015-2016季模擬值偏大，其余兩季模擬值偏小。

表4 建水馬鈴薯試驗觀測與模型模擬灌水量統(tǒng)計表

圖2 建水馬鈴薯試驗觀測與模擬灌水量過程

由圖2可見，馬鈴薯試驗觀測灌水次數(shù)在8～11次之間，模擬灌水次數(shù)在7～8次之間，其中2015-2016季試驗觀測次數(shù)多4次，2016-2017季灌水次數(shù)相同，2017-2018季試驗觀測次數(shù)多2次；灌水定額試驗觀測值在3.4～36.5 mm之間，模擬值在12.7～38.3 mm之間，模擬值略偏大；試驗期灌水時間同步的僅3次，一般相差2～3 d，其中相差3 d及以內(nèi)占試驗總灌水次數(shù)的66%，可見灌水時間的同步性沒有水稻好。灌水量差異較大的是：2015-2016季試驗觀測第52 d和第60 d分別有1次小額灌水，模擬則在第57 d有1次較大灌水，另外試驗觀測在第91 d、第108 d、第112 d分別多1次灌水，該季馬鈴薯試驗觀測的灌水次數(shù)較多，但灌水定額較模擬值偏??；2016-2017季第一次灌水模擬值在第10 d，試驗觀測在第47 d，除第62 d和第111 d的灌水時間相差較大外，其余時間的同步性較2015-2016季好；2017-2018季模擬值第13 d有1次灌水，試驗觀測分別在第43 d、第45 d和54 d各1次小額灌水，模擬則集中在第51 d 有1次大額灌水，試驗觀測在第91 d多1次灌水，灌水時間的同步性也較好?？傮w來看，馬鈴薯季試驗觀測與模型模擬的灌水量過程相應(yīng)性尚好，試驗觀測灌水次數(shù)較多的2015-2016季灌水定額偏小，2016-2017季和2017-2018季試驗觀測與模型模擬的灌水次數(shù)、灌水定額、灌水時間較接近。因本次試驗為委托觀測，雖然安裝了土壤墑情監(jiān)測儀器，但灌水時機和灌水上、下限未嚴格按土壤含水量控制，是導(dǎo)致灌水定額出現(xiàn)偏差的主要原因，而且出現(xiàn)偏差后將累積影響后期的灌水時間和灌水定額，故馬鈴薯季試驗觀測與模型模擬的灌水量過程相應(yīng)性沒有水稻季好。

2.3 差異性分析

為進一步分析試驗觀測與模型模擬結(jié)果的差異性，采用F檢驗對灌水量序列進行檢驗，對模型參數(shù)設(shè)置的合理性進行驗證，結(jié)果如表5所示。由表5可見，水稻季的F值在0.816～1.113之間，P值在0.371～0.483之間；馬鈴薯季的F值在0.927～3.487之間，P值在0.057～0.461之間?？傮w來看，水稻各季和馬鈴薯2016-2017季的灌水量過程差異較小，馬鈴薯2015-2016季和2017-2018季的灌水量過程差異略大，但從統(tǒng)計學(xué)的角度看均未達到置信度95%的顯著差異，即試驗觀測與模型模擬的灌水量過程方差接近，序列未表現(xiàn)出顯著的差異性，表明所取用的模型參數(shù)基本合理。

表5 建水水稻和馬鈴薯試驗觀測與模擬灌水量F檢驗表

3 結(jié) 論

依據(jù)2015-2018年建水試驗點觀測數(shù)據(jù)，對CROPWAT模型中相關(guān)參數(shù)進行了校準(zhǔn)，并模擬了水稻和馬鈴薯的灌水量過程，得到以下結(jié)論。

(1)應(yīng)用CROPWAT模型模擬滇中南部水稻和馬鈴薯灌水量時，作物參數(shù)與模型中預(yù)設(shè)值存在一定差異，水稻作物系數(shù)前期為0.95、初期為1.00、中期為1.20、末期為1.04，馬鈴薯作物系數(shù)初期為0.16、中期為1.12、末期為0.95；土壤參數(shù)應(yīng)根據(jù)實際進行設(shè)置，粉沙黏土總有效水量為150 mm/m，最大入滲速率水稻季為8 mm/m、馬鈴薯季為28 mm/m，初始有效土壤水分耗竭率水稻季為0%、馬鈴薯季為19%，水稻泡田時排水孔隙度為33%；其他參數(shù)和灌溉管理條件等可根據(jù)實際或參考模型中預(yù)設(shè)值取用。

(2)應(yīng)用CROPWAT模擬的水稻泡田水量在192.3～195.0 mm之間；本田期灌水次數(shù)在8～11次、灌水定額在20.9～45.9 mm之間、灌溉定額在288.3～414.4mm之間；全生育期灌溉定額在483.3～609.4 mm之間，模型模擬與試驗觀測灌溉定額相差在±6%以內(nèi)。馬鈴薯全生育期灌水次數(shù)在7～8次、灌水定額在12.7～38.3 mm之間、灌溉定額在181.5～201.0 mm之間，模擬與試驗觀測灌溉定額相差在±12%以內(nèi)。模擬與試驗觀測的灌水次數(shù)接近，灌水定額水稻模擬值略偏小、馬鈴薯模擬值略偏大，灌水時間雖然略有差異但總體對應(yīng)性較好。

(3)對模型參數(shù)進行校準(zhǔn)，并合理設(shè)置灌溉管理條件相關(guān)選項后，模型模擬與試驗觀測的灌水量過程未表現(xiàn)出統(tǒng)計學(xué)上的顯著差異性，該模型在滇中南部水稻和馬鈴薯灌水量過程模擬中的應(yīng)用效果較好，據(jù)此制定的灌溉制度可更好地把握灌水時間，提高制定灌溉制度的精度。