薛靜，李旭強(qiáng)，陳軍鋒，鄭秀清，陳瀟宇

（太原理工大學(xué)，太原 030024）

0 引言

【研究意義】?jī)?nèi)蒙古河套灌區(qū)是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，秋澆是灌區(qū)在歷年的生產(chǎn)實(shí)踐中逐步摸索出的一種具有區(qū)域特色的灌溉制度，具有淋鹽保墑效益，能夠保證翌年作物的適時(shí)春播，滿足種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)初期所需要的水鹽條件[1]，同時(shí)秋澆也是灌區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要措施[2]。近年來(lái)，隨著黃河水資源的日趨短缺，尤其是在將黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提升為國(guó)家戰(zhàn)略之時(shí)，探討在可調(diào)用黃河水資源指標(biāo)不斷受到壓縮的條件下，保證作物正常生長(zhǎng)的適宜秋澆模式尤為重要。

【研究進(jìn)展】目前，已有學(xué)者通過(guò)田間試驗(yàn)圍繞秋澆后土壤鹽分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、不同鹽漬化土壤秋澆條件下土壤的水熱鹽動(dòng)態(tài)和秋澆對(duì)土壤微生物區(qū)系的影響等，對(duì)河套灌區(qū)的秋澆制度進(jìn)行了相關(guān)的研究[3-7]，所取得的成果為本研究的秋澆管理提供了一定的科學(xué)指導(dǎo)?！厩腥朦c(diǎn)】然而，傳統(tǒng)田間試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的人力物力，同時(shí)，田間試驗(yàn)極易受不可控因素的影響而不能對(duì)長(zhǎng)期和大規(guī)模的情景分析做出定量評(píng)價(jià)[8]。因此，模型所具有的模擬計(jì)算功能和比較靈活的輸出形式，為解決復(fù)雜的秋澆問題提供了一種新的途徑和方法[9]。SWAP（Soil Water Atmosphere Plant）[10]模型能夠?qū)r(nóng)田蒸散量、農(nóng)田土壤水鹽環(huán)境進(jìn)行模擬，WOFOST（World Food Studies）模型可以以天為步長(zhǎng)模擬作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，將二者有機(jī)結(jié)合能夠較好地探討作物生長(zhǎng)發(fā)育的適宜灌溉模式。近年來(lái)，學(xué)者在世界各地利用SWAP-WOFOST 模型開展了諸多研究[11-13]。同時(shí)，灌溉模式與降水水平密切相關(guān)，不同降水年型下不同的秋澆模式對(duì)作物水分生產(chǎn)力（Water Productivity,WP=作物產(chǎn)量/作物生育期內(nèi)蒸散發(fā)量）的影響必然有所差異。【擬解決的關(guān)鍵問題】以河套灌區(qū)沙壕渠試驗(yàn)站為例，通過(guò)構(gòu)建SWAP-WOFOST 模型，運(yùn)用該模型探討1987—2017年不同降水年型下不同秋澆模式對(duì)春玉米WP的影響，以提高春玉米WP為目標(biāo)，初步確定沙壕渠試驗(yàn)站不同降水年型下春玉米相對(duì)適宜的秋澆模式，從而為灌區(qū)在保障糧食產(chǎn)量的同時(shí)盡可能節(jié)約灌溉水資源提供定量化參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

沙壕渠試驗(yàn)站位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)西北部（40°92′ N、107°18′ E），年均降水量為143 mm，年均蒸發(fā)量高達(dá)2300 mm 左右。每年11月進(jìn)入凍結(jié)期，直至翌年4月開始消融，整個(gè)凍融期長(zhǎng)達(dá)180 余天，最大凍土深度可達(dá)1 m 左右[14]。研究區(qū)的種植模式為一年一作，主要作物有小麥、玉米、葵花、甜菜以及果蔬等。主要通過(guò)引用黃河水進(jìn)行灌溉，試驗(yàn)站所在的解放閘灌域年引黃水量約為13 億m3，多年平均排水量為2 億m3[15]。

1.2 SWAP-WOFOST 模型的構(gòu)建

SWAP-WOFOST 是用于模擬田間尺度上土壤水分、溶質(zhì)運(yùn)移和熱量傳輸以及作物生長(zhǎng)過(guò)程的模型。在本研究中，利用包括根系吸水在內(nèi)的Richards 方程來(lái)模擬土壤水分運(yùn)動(dòng)，并考慮對(duì)流-彌散方程模擬鹽分運(yùn)移過(guò)程[16]，利用熱流方程以及解析法計(jì)算土壤溫度，利用作物生長(zhǎng)子模型（WOFOST）模擬作物生長(zhǎng)過(guò)程。

基于試驗(yàn)站所收集的氣象、作物、灌溉、土壤以及邊界條件等數(shù)據(jù)構(gòu)建了SWAP-WOFOST 模型。試驗(yàn)站土壤基本理化性質(zhì)見表1；上邊界條件由降雨、灌溉、土壤蒸發(fā)及植物蒸騰決定；下邊界條件采用所收集的試驗(yàn)站的地下水位動(dòng)態(tài)。

表1 沙壕渠試驗(yàn)站土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soils in the Shahaoqu experiment station

本次研究基于所收集的田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別以土壤體積含水率、含鹽量、溫度，葉面積指數(shù)（Leaf Area Index,LAI）和春玉米產(chǎn)量為目標(biāo)函數(shù)，采用“試錯(cuò)法”對(duì)SWAP-WOFOST 模型的土壤水力學(xué)參數(shù)、鹽分運(yùn)移參數(shù)和作物生長(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的率定和驗(yàn)證。利用率定驗(yàn)證后的模型對(duì)試驗(yàn)站1987—2017年不同降水年型下不同秋澆模式的春玉米WP進(jìn)行模擬分析，以提高春玉米的WP為目標(biāo)，初步確定該試驗(yàn)站不同降水年型下相對(duì)適宜的秋澆模式。假設(shè)模擬時(shí)段內(nèi)作物品種和生育期內(nèi)的灌溉制度均保持不變。

1.3 模擬精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前還沒有單一的指標(biāo)能夠充分評(píng)價(jià)模型的性能，因此，本文選擇5 個(gè)常用的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)模型模擬值與實(shí)測(cè)值之間的吻合程度，分別為平均偏差誤差（MBE）、均方根誤差（RMSE）、歸一化均方根誤差（NRMSE）、決定系數(shù)（R2）和一致性系數(shù)（d）。MBE、RMSE和NRMSE反映了模擬值與實(shí)測(cè)值之間的平均誤差、相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差，其值越小表明模型模擬效果越好，其中MBE正值表示模擬值高估了實(shí)測(cè)值，反之則低估了實(shí)測(cè)值，RMSE與實(shí)測(cè)值的均值之比控制在20%以內(nèi)為宜，NRMSE低于25%表示模擬效果較好，介于25%～30%之間表示模擬結(jié)果基本可接受，大于30%則表示模擬結(jié)果較差。R2和d表示實(shí)測(cè)值與模擬值之間的一致性，越接近1 表示模擬精度越高，通常認(rèn)為d大于0.6，R2大于0.5 時(shí)，模擬結(jié)果可行[17-18]。

統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：xi為實(shí)測(cè)值；為模擬值；為實(shí)測(cè)值的平均值；n為實(shí)測(cè)值個(gè)數(shù)。

1.4 模擬情景設(shè)置

將研究區(qū)1987—2017年的降水?dāng)?shù)據(jù)劃分為3 種降水年型：豐水年、平水年及枯水年。具體降水年型劃分結(jié)果如表2所示，其計(jì)算式為：

表2 1987—2017年不同降水年型Table 2 Different precipitation years during 1987—2017

式中：R為干旱指數(shù)；P為年降水量；M為年均降水量；σ為標(biāo)準(zhǔn)差。豐水年：R≥0.35；平水年：-0.35＜R＜0.35；枯水年：R≤-0.35[19]。

基于李瑞平等[20]從節(jié)水和土壤鹽漬化防治角度對(duì)河套灌區(qū)秋澆制度分析得出的結(jié)果，綜合土壤特性，秋澆定額應(yīng)在150～250 mm 之間。秋澆時(shí)間安排在每年的9月末至10月末之間。本次研究共探討3 種秋澆定額（150、200、250 mm）和3 種秋澆時(shí)間（9月30日、10月15日以及10月30日）組合情景，同時(shí)設(shè)置不進(jìn)行秋澆作為對(duì)照CK，共計(jì)10 種秋澆模式作為模擬情景（表3）。本研究以當(dāng)年的秋澆定額與本年度的降水年型相匹配進(jìn)行模擬分析。

表3 不同秋澆模擬情景Table 3 The simulation scenarios of autumn irrigation

2 結(jié)果與分析

2.1 模型參數(shù)率定與驗(yàn)證

2.1.1 參數(shù)率定

根據(jù)收集的2013年11月—2014年10月沙壕渠試驗(yàn)站各層土壤含水率、溫度和含鹽量的數(shù)據(jù)[27]對(duì)SWAP-WOFOST 模型土壤水力學(xué)參數(shù)、熱特性參數(shù)和鹽分運(yùn)移參數(shù)分別進(jìn)行率定。同時(shí)，利用所收集的試驗(yàn)站春玉米的LAI和春玉米單產(chǎn)數(shù)據(jù)[28-32]對(duì)模型的作物生長(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行率定。

圖1、圖2 分別為率定階段土壤含水率、溫度、含鹽量、春玉米LAI和春玉米產(chǎn)量模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果。由圖1 和圖2 可以看出，各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測(cè)值與模擬值都比較均勻地分布在1∶1 線二側(cè)，可以較好地反映實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)。R2均在0.78 以上，d在0.8 以上，RMSE和NRMSE值均在允許的范圍內(nèi)，說(shuō)明模擬值與實(shí)測(cè)值具有較好的一致性。

圖1 率定期土壤含水率、溫度和含鹽量的實(shí)測(cè)值和模擬值Fig.1 Comparison of measured and simulated soil moisture,temperature and salt in calibration

圖2 率定期葉面積指數(shù)和產(chǎn)量的實(shí)測(cè)值和模擬值Fig.2 Comparison of measured and simulated leaf area index and maize yields in calibration

由表4 可知，各層土壤含水率的模擬值與實(shí)測(cè)值的NRMSE均在20%以下，d均大于0.80，表明土壤含水率的模擬結(jié)果較為理想。土壤深度20～60 cm 處的土壤含水率模擬值和實(shí)測(cè)值的d最低，這是因?yàn)槟M周期中凍融期在50 cm深度土壤含水率的變化幅度最小所導(dǎo)致的。土壤溫度的模擬值與實(shí)測(cè)值的NRMSE保持在3.02%～11.66%之間，d在0.95～0.98之間，模擬效果較好。d整體較高與整個(gè)模擬期大氣溫度的變化以及土壤溫度變化幅度較大使得數(shù)據(jù)變異性較大有關(guān)。土壤含鹽量的模擬值與實(shí)測(cè)值的一致性較好，NRMSE在9.64%～11.76%之間，d均大于0.75。土層深度20～60cm 處的土壤含鹽量的模擬結(jié)果也較差，可能是由于土壤鹽分模擬累積了土壤水分的模擬誤差。模型能夠較好地模擬土壤水熱鹽的變化規(guī)律和春玉米的生長(zhǎng)過(guò)程。

表4 土壤含水率、溫度和含鹽量的率定Table 4 Statistics of soil moisture,temperature and salt in calibration

2.1.1 參數(shù)驗(yàn)證

根據(jù)2014年11月—2015年10月的土壤含水率、溫度和含鹽量數(shù)據(jù)[27]以及沙壕渠試驗(yàn)站不同年份的春玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)[33-38]進(jìn)行模型的驗(yàn)證。

圖3 為驗(yàn)證期土壤含水率、溫度和含鹽量的實(shí)測(cè)值和模擬值比較，圖4 為驗(yàn)證期春玉米產(chǎn)量的實(shí)測(cè)值和模擬值比較。土壤含水率、含鹽量、溫度和春玉米產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測(cè)值的NRMSE均低于20%，d和R2均高于0.75，RMSE分別為0.03 cm3/cm3、0.27 mg/cm3、1.18 ℃和694.64 kg/hm2。由表5 可知，土壤含水率、含鹽量和溫度的MBE分別為0.01～0.02 cm3/cm3、-0.02～0.12 mg/cm3和-0.29～0.08 ℃，NRMSE均小于20%，d大于0.75。以上指標(biāo)表明，整體上模擬值與實(shí)測(cè)值吻合程度較高，可以較好地模擬研究區(qū)內(nèi)土壤水熱鹽動(dòng)態(tài)變化和春玉米的生長(zhǎng)過(guò)程。率定驗(yàn)證后的土壤水力學(xué)參數(shù)、鹽分運(yùn)移參數(shù)和主要作物參數(shù)如表6 和表7所示。

圖3 驗(yàn)證期土壤含水率、溫度和含鹽量的實(shí)測(cè)值和模擬值比較Fig.3 Comparison of measured and simulated soil moisture,temperature and salt in verification

圖4 驗(yàn)證期春玉米產(chǎn)量的實(shí)測(cè)值和模擬值比較Fig.4 Comparison of measured and simulated maizeyields in verification

表5 土壤含水率、溫度和含鹽量的驗(yàn)證Table 5 Statistics of soil moisture,temperature and salt in verification

表6 率定后的土壤水力學(xué)參數(shù)和鹽分運(yùn)移參數(shù)Table 6 The calibrated soil hydraulics parameters and solute transport parameters

表7 率定后的春玉米生長(zhǎng)參數(shù)Table 7 Thecalibrated main crop parameter of spring maize

2.2 不同降水年型下秋澆模擬結(jié)果分析

2.2.1 豐水年適宜秋澆模式分析

圖5 為豐水年不同秋澆模式下春玉米的平均WP，由圖5 可知，豐水年9 種秋澆模式下春玉米的WP在1.86～1.90 kg/m3之間，較未秋澆時(shí)均有所提高，其中情景二下提高的幅度最小，約為3.3%，而情景三下提高的幅度最大，約為5.5%，表明秋澆對(duì)春玉米的WP有一定影響。相同秋澆時(shí)間下，秋澆量為150 mm比秋澆量為200 mm 和250 mm 時(shí)春玉米的平均WP分別降低約1.23%和0.53%，秋澆量為200 mm 比250 mm 時(shí)春玉米的平均WP提高約為0.71%。在秋澆灌水量相同時(shí)，10月15日秋澆比9月30日和10月30日秋澆，春玉米的平均WP分別降低約0.4%和0.5%，而9月30日比10月30日進(jìn)行秋澆的春玉米平均WP高約0.53%。因此，以提高春玉米的WP為目標(biāo)，建議在豐水年于9月30日進(jìn)行秋澆，秋澆定額為200 mm 左右較為適宜。

圖5 豐水年不同秋澆模式下春玉米的平均WPFig.5 Average spring maize WP under different autumn irrigation modes in wet years

2.2.2 平水年適宜秋澆模式分析

如圖6所示，平水年秋澆條件下春玉米的平均WP較未秋澆時(shí)提高4.7%～7.0%。相同秋澆時(shí)間下，隨著秋澆量的增加，春玉米WP均呈先增大后減小的趨勢(shì)；相同秋澆時(shí)間，秋澆量為200 mm 和250 mm條件比150 mm 的春玉米的平均WP分別高0.74%和0.19%，秋澆量為250 mm 比200 mm 條件時(shí)春玉米的平均WP低約0.56%。同一秋澆量時(shí)，9月30日秋澆比10月15日秋澆的春玉米的平均WP高1.31%，9月30日秋澆比10月30日秋澆的春玉米的平均WP高1.12%，10月30日秋澆與10月15日秋澆的春玉米的平均WP無(wú)明顯變化。秋澆情景三的春玉米的平均WP約為1.82 kg/m3，高于其他8 種秋澆情景約1.68%以上。因此，平水年較為適宜的秋澆模式是選擇9月30日前后進(jìn)行秋澆，定額控制在200 mm 左右。

圖6 平水年不同秋澆模式下春玉米的平均WPFig.6 Average spring maize WP under different autumn irrigation modes in normal precipitation years

2.2.3 枯水年適宜秋澆模式分析

圖7 為枯水年不同秋澆模式下春玉米的平均WP，從圖7 可以看出，秋澆后的春玉米WP平均為1.65 kg/m3比未秋澆時(shí)的提高了約6%。秋澆時(shí)間相同但秋澆量不同時(shí)，秋澆量為200mm 比150 mm 和250 mm下春玉米平均WP分別提高了約1.42%和1.39%；不同秋澆時(shí)間在灌水量保持一致時(shí)，10月30日比9月30日和10月15日秋澆的春玉米的平均WP分別提高約1.22%和1.63%?？菟瓴煌餄材M情景中，春玉米WP在情景九條件下達(dá)到最大，較其他8 種秋澆情景提高了1.81%～3.68%。因此，在10月30日前后保持200 mm 的秋澆量是枯水年較為適宜的秋澆模式。

圖7 枯水年不同秋澆模式下春玉米的平均WPFig.7 Average spring maize WP under different autumn irrigation modes in dry years

整體而言，豐水年、平水年和枯水年未秋澆時(shí)春玉米的平均WP分別為1.80、1.70 和1.55 kg/m3，進(jìn)行秋澆時(shí)9 種情景下春玉米的平均WP分別為1.87、1.79 和1.65 kg/m3，相同秋澆情景下的春玉米WP均隨著降水年型從豐水年到枯水年逐漸減小。在同一秋澆情景時(shí)，平水年比豐水年的春玉米WP低約3.23%～5.56%，枯水年比平水年的春玉米WP低約5.59%～8.82%，枯水年比豐水年的春玉米WP低9.63%～13.89%。不論何種降水年型下的秋澆情景，情景三的平均WP均不低于情景二和情景四，情景六的平均WP均高于情景五和情景七，情景九的平均WP均不低于情景八和情景十，這表明不同秋澆時(shí)間在秋澆量為200 mm 時(shí)春玉米WP均相對(duì)較高。

3 討論

3.1 不同降水年型下秋澆定額分析

研究表明，隨著降水年型從豐水年到枯水年，秋澆后春玉米的平均WP呈下降趨勢(shì)，表明降水量是限制春玉米生長(zhǎng)的主要因素之一。無(wú)論何種降水年型，秋澆后春玉米的平均WP均較未秋澆時(shí)提高了3%以上，說(shuō)明秋澆對(duì)春玉米的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用。

余根堅(jiān)[21]在沙壕渠試驗(yàn)站通過(guò)田間試驗(yàn)分析指出，將秋澆定額定為1800～2250 m3/hm2，第二年春播時(shí)能夠滿足作物正常生長(zhǎng)的土壤水鹽要求。這與本文研究得出的不同降水年型下適宜的秋澆定額為200 mm 左右基本一致。熊志平等[5]和孟春紅等[22]研究表明，把秋澆定額選為1500～1950 m3/hm2，比較符合河套灌區(qū)節(jié)水、保墑、淋鹽的作用。李瑞平等[23]認(rèn)為秋澆定額為150～200 mm 時(shí)，春播期土壤含水率基本適宜，能夠起到?jīng)_洗壓鹽的作用。由此表明，不同降水年型下的秋澆定額為200 mm 基本符合灌區(qū)的秋澆實(shí)際。之所以降水量對(duì)秋澆定額沒有表現(xiàn)出明顯影響，主要是由于河套灌區(qū)屬于溫帶大陸性干旱-半干旱氣候區(qū)，降水主要集中在春玉米的生育期5—9月，占全年降水量的85%以上，秋澆后到翌年春播前降水量相對(duì)較少，春玉米非生育期內(nèi)降水量的標(biāo)準(zhǔn)差為12.5 mm。因此，不同降水年型下作物非生育期內(nèi)降水量的差異不大，進(jìn)而對(duì)適宜秋澆灌溉量的影響不明顯。

3.2 不同降水年型下秋澆時(shí)間分析

豐水年和平水年條件下，秋澆前地下水埋深較淺，在9月30日左右較早進(jìn)行秋澆，有研究表明，只要通過(guò)合理的土壤翻耕方式，確保耕地質(zhì)量，使地下水回落至適宜的埋深以下，便能夠保證一定墑情的同時(shí)也可控制灌域土壤鹽漬化[3,24]。而枯水年條件下，地下水埋深較深，過(guò)早秋澆會(huì)出現(xiàn)春干失墑現(xiàn)象，秋澆量過(guò)大會(huì)使得肥料大量流失、土壤結(jié)構(gòu)破壞，還會(huì)造成春播期土壤含水率過(guò)高，土壤溫度下降，進(jìn)而直接影響種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)[25]。同時(shí)，土壤持水能力是有限的，超過(guò)的部分均以重力水的形式補(bǔ)給地下水，而地下水蒸發(fā)量又會(huì)隨著地下水位的增高而增加[2]，極易加劇土壤鹽漬化。在豐水年和平水年適當(dāng)提前在9月30日進(jìn)行秋澆會(huì)使土壤凍結(jié)前有足夠時(shí)間進(jìn)行水分和鹽分的向下遷移，而枯水年推遲到10月30日秋澆會(huì)縮短土壤凍結(jié)前水分向下遷移時(shí)間，再進(jìn)行適量的秋澆定額，能夠更好保證翌年作物根區(qū)土壤水分和鹽分，進(jìn)而有利于作物的生長(zhǎng)[26]。

雖然在不同降水年型下秋澆后春玉米WP變化不夠明顯，但是本研究初步模擬分析得出的結(jié)果仍可為研究區(qū)在不同降水年型下春玉米相對(duì)適宜秋澆模式的制定提供理論參考。以提高春玉米WP為目標(biāo)，在不同降水年型下提出相對(duì)適宜的秋澆模式的同時(shí)還需合理確定春玉米生育期的灌溉制度，后續(xù)將繼續(xù)探討不同秋澆模式結(jié)合春玉米生育期不同的灌溉制度對(duì)春玉米WP的影響，從而為研究區(qū)不同降水年型下制定作物高效用水的灌溉制度提供更加合理的參考。

4 結(jié)論

1）率定和驗(yàn)證過(guò)程中SWAP-WOFOST 模型對(duì)土壤含水率、溫度和含鹽量及LAI和春玉米產(chǎn)量的模擬值和實(shí)測(cè)值吻合程度較高。率定驗(yàn)證后的模型能夠較好地反映土壤水熱鹽的變化趨勢(shì)和春玉米的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，可以用于研究區(qū)不同降水年型下相對(duì)適宜秋澆模式的探討。

2）以提高春玉米WP為目標(biāo)，豐水年和平水年時(shí)，秋澆定額的合理值為200 mm 左右，相對(duì)適宜的秋澆時(shí)間應(yīng)在9月30日前后；枯水年時(shí)，秋澆定額的合理值為200 mm，同時(shí)適宜的秋澆時(shí)間建議選在10月30日前后。