張雪靚，丁蓓蓓

?作物水肥高效利用?

冬小麥“春澆一水”限水灌溉模式對淺層地下水采補(bǔ)平衡的影響——以河北省太行山山前平原為例

張雪靚1,2，丁蓓蓓1

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2.自然資源部土地工程技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100035）

【】在糧食生產(chǎn)與水資源支撐能力高度矛盾的河北省太行山山前平原，定量探討冬小麥生育期“春澆一水”限水灌溉模式可否實(shí)現(xiàn)淺層地下水采補(bǔ)平衡。應(yīng)用改進(jìn)的SWAT模型對灌溉量相異的8種情景進(jìn)行模擬，并對不同灌溉方案的壓采與節(jié)水效應(yīng)進(jìn)行了定量評估，在此基礎(chǔ)上針對淺層地下水位止降回升這一約束條件，以冬小麥減產(chǎn)最小為目標(biāo)，結(jié)合0-1規(guī)劃，在22個子流域?qū)喔确桨高M(jìn)行了優(yōu)選。①冬小麥“春澆一水”方案能使得研究區(qū)的淺層地下水位下降速度平均減緩至0.34 m/a以內(nèi)，但這將以冬小麥平均減產(chǎn)大約25%～40%為代價。②在空間分布上，位于研究區(qū)北部的大清河淀西平原具有相對較好的地下水涵養(yǎng)效果，而南部的子牙河平原內(nèi)冬小麥產(chǎn)量相對更高。③優(yōu)化后“春澆一水”模式的具體區(qū)劃為：在保定地區(qū)的大部分縣（市）域，主要推薦實(shí)施灌溉定額為50 mm的方案；在邢臺和邯鄲地區(qū)，主要推薦實(shí)施灌溉定額為40 mm方案；在石家莊地區(qū)的西南部，主要推薦實(shí)施灌溉定額為30 mm的方案。在研究區(qū)內(nèi)大約70%的面積上可通過實(shí)施“春澆一水”方案實(shí)現(xiàn)淺層地下水采補(bǔ)平衡，本文可為這個淺層地下水嚴(yán)重超采的井灌區(qū)為壓采而實(shí)施冬小麥“春澆一水”限水灌溉模式提供定量化的科學(xué)支撐和差異化的推薦方案。

限水灌溉；淺層地下水；采補(bǔ)平衡；作物產(chǎn)量；SWAT模型；優(yōu)化

0 引言

【研究意義】河北省是我國地下水超采最嚴(yán)重的省份[1]，自20世紀(jì)90年代起，位于太行山東側(cè)的山前平原淺層含水層儲水量持續(xù)減少、淺層地下水位快速下降，引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題[2-3]。2014年以來，國家高度重視華北地區(qū)地下水超采綜合治理工作[4]，根據(jù)相關(guān)政策文件及已有研究，在河北省太行山山前平原，通過推行作物生育期（特別是在相對高耗水的冬小麥的生育期）的限水灌溉方案來壓減農(nóng)業(yè)灌溉開采量或?qū)⒊蔀樽钪饕穆窂街籟5-6]。這是因?yàn)榕c中東部深層地下水超采區(qū)的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整試點(diǎn)工作相比[7-8]，在保持冬小麥-夏玉米一年二熟種植制度不變的情況下壓減冬小麥的灌溉次數(shù)和灌溉量，可充分發(fā)揮淺層地下水的更新能力和可恢復(fù)性，同時又能維持一定的冬小麥生產(chǎn)能力，兼顧到“水?糧”的權(quán)衡[9-10]。只在冬小麥關(guān)鍵需水期—拔節(jié)期灌溉1次的壓采方案（又稱：冬小麥生育期“春澆一水”模式）是極具推廣潛力的節(jié)水灌溉措施之一，評估這種限水灌溉模式對淺層地下水動態(tài)和冬小麥產(chǎn)量的影響可為該井灌區(qū)的淺層地下水超采綜合治理提供科學(xué)支撐和參考依據(jù)。

【研究進(jìn)展】在位于河北省太行山山前平原內(nèi)的欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站（以下簡稱欒城站），對冬小麥從雨養(yǎng)逐步增加灌水次數(shù)直到灌水5次的田間試驗(yàn)結(jié)果表明：冬小麥生育期“春澆一水”模式的節(jié)水效果最為明顯，一次井灌與雨養(yǎng)條件相比具有最高的灌溉水利用效率[11-12]。但是，在區(qū)域尺度大規(guī)模地開展田間試驗(yàn)幾乎是不可能的，定量回答這樣的限水灌溉方案對研究區(qū)不同地塊會帶來怎樣的節(jié)水壓采效應(yīng)往往需要借助分布式水文模型的模擬分析方法，來彌補(bǔ)田間試驗(yàn)結(jié)果受限于時空尺度的不足。前期工作[9-10]運(yùn)用SWAT模型模擬評估了不同灌水次數(shù)情景下的淺層地下水壓采與農(nóng)田節(jié)水的效應(yīng)，結(jié)果表明，在灌溉量為75 mm的冬小麥生育期“春澆一水”方案下，河北省太行山山前平原的淺層地下水位下降速度可被減緩為現(xiàn)狀灌溉情形下的1/4左右，而冬小麥生育期雨養(yǎng)方案可將該區(qū)域淺層地下水位普遍下降趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)榛厣龖B(tài)勢[9-10]。這啟示我們：若進(jìn)一步調(diào)整冬小麥生育期“春澆一水”模式的灌溉量（灌溉定額），在該井灌區(qū)的大部分區(qū)域或許有望實(shí)現(xiàn)淺層地下水采補(bǔ)平衡。換言之，考慮氣象條件和下墊面的空間變化，在區(qū)域尺度內(nèi)“因地施策”地實(shí)施灌溉定額不同的冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉方案，或?qū)⑹沟迷摼鄥^(qū)的淺層地下水位不再繼續(xù)下降且與雨養(yǎng)條件相比又有更多的冬小麥產(chǎn)量?！厩腥朦c(diǎn)】盡管有研究者在田間尺度進(jìn)行了關(guān)于不同灌溉定額的“春澆一水”相關(guān)試驗(yàn)[11-14]，但目前卻鮮有對其在區(qū)域尺度上的定量探討，特別是針對這種限水灌溉模式下淺層地下水位和作物產(chǎn)量變化的空間差異及其壓采與節(jié)水效果等關(guān)鍵科學(xué)問題?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，本文在前期研究成果的基礎(chǔ)之上，以河北省太行山山前平原為研究區(qū)，進(jìn)一步對冬小麥生育期“春澆一水”限水灌溉模式進(jìn)行更為詳細(xì)的模擬情景設(shè)置，模擬不同灌溉量的“春澆一水”方案下的淺層地下水位動態(tài)與作物產(chǎn)量的時空變化，并定量探討“春澆一水”限水灌溉模式能否實(shí)現(xiàn)淺層地下水采補(bǔ)平衡的壓采目標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省太行山山前平原（36°07ˊN—39°35ˊN，114°17ˊE—116°14ˊE）位于海河流域中部（圖1），以太行山100 m地面等高線以東的沖洪積平原為主，地勢平坦，土層深厚，土質(zhì)良好，非常適宜農(nóng)業(yè)發(fā)展[15]。本研究區(qū)共涉及隸屬于保定、石家莊、邢臺和邯鄲4個地區(qū)的48個縣（市），總面積約22 753 km2，其中耕地面積占比約為80%[16]。研究區(qū)主要種植制度為冬小麥-夏玉米一年二熟制，據(jù)統(tǒng)計(jì)，這2種作物的播種面積占糧食總播種面積的90%以上[16]。該區(qū)域?qū)儆跍貛О霛駶?、半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為450～550 mm[17]，但年內(nèi)分布不均，其中冬小麥生育期內(nèi)降水量不足全年的20%，必須依靠灌溉來保障其產(chǎn)量[18]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)農(nóng)田灌溉用水的90%以上均來自地下水供給[19]。研究區(qū)屬于第四系松散堆積平原，地下蘊(yùn)藏著豐富的孔隙水，其中淺層地下水含水層水質(zhì)良好，是區(qū)域主要的開采層[2]，淺層地下水年天然資源模數(shù)約15萬～25萬m3/（km2·a）[20]。然而，由于高強(qiáng)度的井灌抽取[19-20]，1990年以來研究區(qū)的淺層地下水年開采模數(shù)達(dá)到了20萬～50萬m3/（km2·a）[20]，造成了地下水資源的連續(xù)超采，淺層地下水埋深從1993年的平均10 m左右下降到2012年的平均30 m左右，在部分區(qū)域甚至超過了40 m[10,21]。

圖1 研究區(qū)的地理位置、所涉及的子流域及土地利用類型

1.2 SWAT模型的模擬情景設(shè)置

SWAT模型是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)發(fā)展中心開發(fā)的適用于較大流域尺度的分布式水文模型[22]。這是一個以水量平衡原理為基礎(chǔ)、以日尺度為運(yùn)行步長的物理過程模型，能夠模擬氣候、水文、泥沙、土壤水和作物生長的農(nóng)業(yè)管理措施及過程[22-23]。Zhang 等[9]及任理等[10]針對SWAT的原始版本不能直接模擬與輸出淺層地下水位這一問題，在地下水模塊中新增了淺層含水層給水度、孔隙度、底板埋深等參數(shù)（量）；并在水量平衡的計(jì)算過程中增加了山前側(cè)向補(bǔ)給量，便于更加準(zhǔn)確地模擬研究區(qū)內(nèi)淺層地下水儲量變化。以淺層地下水埋深為目標(biāo)，用16口國家級監(jiān)測井在1993—2010年的3 264個監(jiān)測數(shù)據(jù)和20口區(qū)域調(diào)查井在2006—2012年的100個實(shí)測數(shù)據(jù)作為率定參比值，用128口區(qū)域調(diào)查井在2006—2012年的650個實(shí)測數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證值，對修改后的地下水模塊及土壤水模塊中的4個參數(shù)進(jìn)行了率定，決定系數(shù)2和納什系數(shù)NSE均在0.9以上；在此基礎(chǔ)上又根據(jù)地下水資源評價資料、遙感數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)年鑒分別對淺層地下水儲量變化、農(nóng)田蒸散量和作物產(chǎn)量的模擬結(jié)果進(jìn)行了多模塊的驗(yàn)證，構(gòu)建了能夠合理模擬該井灌區(qū)農(nóng)業(yè)水文循環(huán)的評價工具；率定與驗(yàn)證的具體過程與結(jié)果詳見文獻(xiàn)[10,21]。

本文應(yīng)用上述改進(jìn)了地下水模塊后的SWAT模型對研究區(qū)所涉及的22個子流域（圖1）在不同灌溉情景下的淺層地下水位（量）和作物產(chǎn)量變化及2 m土體的水均衡動態(tài)進(jìn)行模擬分析。為便于與前期工作進(jìn)行比較分析，本文的模擬時段同樣設(shè)置為1990—2012年，其中1990—1992年為模型預(yù)熱期，1993—2012年作為模擬分析時段。參閱在研究區(qū)開展的田間試驗(yàn)工作[11-14, 24-27]和地方技術(shù)規(guī)程[28]中冬小麥生育期內(nèi)單次灌溉量的數(shù)值和范圍，設(shè)計(jì)了“春澆一水”模式下8種模擬情景開展研究（表1）。其中，灌溉定額為75 mm的情景（亦即：情景六）模擬結(jié)果引自文獻(xiàn)[9-10]。將這些情景結(jié)果列于后文，是為了基于Zhang等[9]及任理等[10]模擬結(jié)果，探討在本文所設(shè)定的其他模擬情景下，淺層地下水位和作物產(chǎn)量等模擬變量的變化。下文中的“基本情景”是指冬小麥-夏玉米一年二熟制下的現(xiàn)狀灌溉制度（表1），在8種模擬情景下的夏玉米生育期的灌溉制度均與基本情景保持一致[9-10, 21, 29]。同時，也將相關(guān)評估結(jié)果統(tǒng)計(jì)到研究區(qū)所涉及的大清河淀西平原和子牙河平原這2個水資源三級區(qū)[9-10,21]，以期為流域尺度的水資源宏觀管理提供參考與決策的依據(jù)。

表1 模擬情景

1.3 淺層地下水壓采與農(nóng)田節(jié)水效應(yīng)的評估指標(biāo)

在《國家農(nóng)業(yè)節(jié)水綱要（2012—2020年）》[30]等政策文件中，“節(jié)水壓采”作為華北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水調(diào)控的總體目標(biāo)，是在該區(qū)域衡量節(jié)水灌溉措施的重要標(biāo)尺。另一方面，河北省太行山山前平原不僅是河北省冬小麥的主產(chǎn)區(qū)，而且是優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，因此在限水灌溉模式下冬小麥的減產(chǎn)情況也是管理部門關(guān)心的重要指標(biāo)，特別是在當(dāng)前全方位保障糧食安全的國家戰(zhàn)略背景下[31]。基于上述考慮，以基本情景及8種限水灌溉情景下SWAT模型輸出的模擬結(jié)果為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，分別從以下3個方面對不同灌溉定額的冬小麥“春澆一水”方案進(jìn)行定量評估：

1）淺層地下水壓采效應(yīng)

定義各限水灌溉情景與基本情景相比所減少的淺層地下水開采量（或超采量）占基本情景中淺層地下水開采量（或超采量）的比例為各限水灌溉情景下對淺層地下水井灌開采量（或超采量）的壓減率，以評估地下水井灌開采量和超采量的變化程度。

2）農(nóng)田節(jié)水效應(yīng)

與淺層地下水壓采效應(yīng)的評估思路相似，定義“春澆一水”限水灌溉方案與基本情景相比減少的農(nóng)田耗水量、與基本情景相比農(nóng)田耗水量的減少程度這2個指標(biāo)來評估其節(jié)水效應(yīng)。其中，不同情景下的農(nóng)田耗水量（mm）是根據(jù)SWAT模型輸出的逐年實(shí)際蒸散量（Actual Evapotranspiration,a）計(jì)算其在模擬分析時段內(nèi)的平均值而獲得。

3）作物產(chǎn)量變化

與上述2方面的評估指標(biāo)相仿，定義“春澆一水”限水灌溉方案與基本情景相比冬小麥的減產(chǎn)量、與基本情景相比冬小麥的減產(chǎn)率這2個指標(biāo)來評估作物產(chǎn)量的變化。其中，不同情景下冬小麥的產(chǎn)量是根據(jù)SWAT模型輸出的冬小麥逐年單產(chǎn)（kg/hm2）計(jì)算其在模擬分析時段內(nèi)的平均值而獲得。

1.4 基于0-1規(guī)劃的區(qū)域尺度限水灌溉模式優(yōu)化

在水利部聯(lián)合四部委印發(fā)的《華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動方案》等一系列國家和地方管理部門的相關(guān)文件中[4,6,30]，實(shí)現(xiàn)采補(bǔ)平衡始終是地下水超采區(qū)綜合治理工作的重要目標(biāo)。針對研究區(qū)淺層地下水壓采的現(xiàn)實(shí)需求，兼顧冬小麥產(chǎn)量對保障口糧安全的重要性，將SWAT模型的模擬結(jié)果與經(jīng)典的0-1規(guī)劃方法相結(jié)合，針對每一個子流域，以淺層地下水能夠?qū)崿F(xiàn)“采補(bǔ)平衡”為約束條件，以冬小麥減產(chǎn)率最小為目標(biāo)函數(shù)，在8種特定灌溉定額的“春澆一水”限水灌溉方案中優(yōu)選出能夠滿足上述約束條件下這一目標(biāo)函數(shù)的方案，作為在該子流域所推薦的“春澆一水”限水灌溉方案。如此遍歷所有子流域，便可獲得具有因地施策特點(diǎn)的“春澆一水”的限水灌溉方案的空間分布，稱為優(yōu)化的冬小麥生育期“春澆一水”限水灌溉模式。其中，參照前期研究工作[9-10]，假設(shè)：若淺層地下水位20 a累積下降幅度小于1 m（亦即：淺層地下水位年均下降速度小于0.05 m/a），或淺層地下水位的年均變化為正即滿足淺層地下水位不再繼續(xù)下降的條件，并以此作為判斷淺層地下水實(shí)現(xiàn)“采補(bǔ)平衡”的標(biāo)準(zhǔn)。在每一個子流域，所建立的0-1規(guī)劃模型為：

目標(biāo)函數(shù)：

隨著有軌電車的發(fā)展，已經(jīng)逐漸形成幾種現(xiàn)代有軌電車駕駛員培訓(xùn)模式，通過分析培訓(xùn)模式的特點(diǎn)，結(jié)合蘇州有軌電車駕駛員的狀況，從而選擇合適的駕駛員培訓(xùn)模式。

約束條件：

式中：min為模擬分析時段內(nèi)冬小麥的年均減產(chǎn)率取最小值（%）；y為模擬分析時段內(nèi)第種限水灌溉情景下冬小麥的年均減產(chǎn)率（%）；h為模擬分析時段內(nèi)第種限水灌溉情景下淺層地下水位的年均變化速度（m/a）；x代表是否選擇第種限水灌溉情景：x等于0代表不選擇第種限水灌溉情景，x等于1代表選擇第種限水灌溉情景；為限水灌溉情景的取值（=1, 2, …, 8）。

上述“模擬?評估?優(yōu)化”的研究思路所構(gòu)成的本文主要研究內(nèi)容及其技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線圖

2 結(jié)果與分析

2.1 情景模擬結(jié)果分析

2.1.1 淺層地下水位變化

從研究區(qū)整體來看，在灌溉定額為40～90 mm的“春澆一水”限水灌溉模式下，淺層地下水位的平均下降速度可從基本情景下的大約1.10 m/a減緩為0.06～0.34 m/a；當(dāng)灌溉定額降低至30 mm時，22個子流域內(nèi)淺層地下水位的年均變化的平均值呈現(xiàn)出了輕微回升的態(tài)勢（圖3）。具體地，由于氣象條件和下墊面的空間異質(zhì)性，淺層地下水位的變化在不同子流域及2個水資源三級區(qū)之間都呈現(xiàn)出差異。其中，對于大清河淀西平原（下文中統(tǒng)一簡化為dx）的子流域dx1和子牙河平原（下文中統(tǒng)一簡化為zy）的子流域zy1，在本文的這8種“春澆一水”的限水灌溉方案下，淺層地下水位均呈現(xiàn)出回升的趨勢。根據(jù)Zhang等[9]研究結(jié)果，這2個子流域在“春澆兩水”（即：分別在冬小麥的拔節(jié)期和抽穗期進(jìn)行灌溉）的限水灌溉方案下淺層地下水位就已不再下降，因而為了獲得更高的冬小麥產(chǎn)量，可在這2個子流域?qū)嵤按簼矁伤钡南匏喔确桨敢远糁茰\層地下水的超采情勢。對于研究區(qū)北部的大清河淀西平原所涉及的10個子流域，當(dāng)“春澆一水”的限水模式下的灌溉定額為80 mm時，有1/2以上的子流域（dx1、dx2、dx3、dx4、dx5、dx7、dx9）內(nèi)的淺層地下水位下降速度可減緩到0.25 m/a以內(nèi)（亦即：20 a內(nèi)淺層地下水位累積下降幅度小于5 m）；當(dāng)灌溉定額減小到50 mm時，有5個子流域（dx1、dx3、dx4、dx5、dx7）的淺層地下水變化呈現(xiàn)出回升的態(tài)勢，即地下水持續(xù)超采的利用現(xiàn)狀將得到遏制。然而，對于研究區(qū)南部的子牙河平原所涉及的12個子流域，若要實(shí)現(xiàn)有1/2的子流域中淺層地下水位下降速度減緩到0.25 m/a以內(nèi)，則需要實(shí)施灌溉定額為70 mm的“春澆一水”的限水灌溉方案，當(dāng)這些子流域?qū)嵤┕喔榷~為30 mm的“春澆一水”的限水灌溉方案時，淺層地下水位將基本轉(zhuǎn)變?yōu)榛厣膽B(tài)勢；對研究區(qū)南部的子牙河平原所涉及的另外1/2的子流域（zy2、zy4、zy7、zy10和zy11）來說，即使實(shí)施本文所設(shè)置的30 mm灌溉定額的限水灌溉情景，淺層地下水依然呈現(xiàn)出超采的情勢，其中zy2、zy4和zy7所涉及的區(qū)域內(nèi)淺層地下水位下降速度仍高達(dá)0.25 m/a以上。綜合對比大清河淀西平原和子牙河平原這2個水資源三級區(qū)的模擬結(jié)果，各限水灌溉情景下大清河淀西平原淺層地下水的涵養(yǎng)情況較子牙河平原相對更好。

此外，對作物根系帶2 m土體的儲水量變化進(jìn)行了定量分析，以評估在研究區(qū)內(nèi)長期實(shí)施本文所設(shè)計(jì)的冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉模式是否會引起表層土壤的干化。模擬結(jié)果顯示，與已有的研究結(jié)果[9-10]一樣，在本文所設(shè)計(jì)的限水灌溉情景中，盡管2 m土體儲水量在年際間有起伏波動，但并未出現(xiàn)持續(xù)增加或減少的趨勢，其多年平均變化量趨于0，這說明：若實(shí)施本文所設(shè)計(jì)的冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉方案，將不會使該區(qū)域的井灌耕地表層出現(xiàn)“干化”的現(xiàn)象，這些限水灌溉模式在研究區(qū)平水偏枯的降水年型下具有20 a這樣較長時期應(yīng)用的可行性。

2.1.2作物產(chǎn)量

在冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉模式下，研究區(qū)在模擬分析時段內(nèi)的冬小麥產(chǎn)量、夏玉米產(chǎn)量及輪作周年產(chǎn)量詳見表2。整體來看，在本文設(shè)計(jì)的幾種“春澆一水”情景下，冬小麥年均單產(chǎn)約為3 310～4 248 kg/hm2；這種限水灌溉模式所帶來的土壤水分狀況變化幾乎不會影響其后茬夏玉米的單產(chǎn)水平；由2種作物年均單產(chǎn)加和，輪作周年的作物產(chǎn)量約為9 818～10 811 kg/hm2。

圖3 不同模擬情景下淺層地下水位年均變化速度的空間分布

為了研究冬小麥產(chǎn)量在不同子流域之間的空間分異情況，將本文的8種模擬情景劃分為30～60 mm和70～90 mm這2個范圍對冬小麥單產(chǎn)的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，在灌溉定額為30～60 mm時（圖4（a）和圖4（b）），大清河淀西平原的10個子流域中，除dx1的冬小麥單產(chǎn)小于3 000 kg/hm2，其他9個子流域的冬小麥單產(chǎn)均分布在3 000～4 000 kg/hm2之間；而在子牙河平原，幾乎所有子流域內(nèi)的冬小麥單產(chǎn)均分布在大約3 500～4 500 kg/hm2之間，其中在zy2、zy4、zy11和zy12內(nèi)的冬小麥單產(chǎn)相對較高。在灌溉定額為70～90 mm時（圖4（c）和圖4（d）），大清河淀西平原的10個子流域內(nèi)，除dx1外冬小麥的單產(chǎn)都分布在4 000 kg/hm2左右，而子牙河平原的12個子流域內(nèi)冬小麥的單產(chǎn)均在4 000 kg/hm2以上，特別是在90 mm灌溉定額的“春澆一水”的限水灌溉方案下，子流域zy4、zy11和zy12的冬小麥單產(chǎn)超過4 500 kg/hm2。綜合對比大清河淀西平原和子牙河平原水資源三級區(qū)，子牙河平原的冬小麥單產(chǎn)普遍高于大清河淀西平原。結(jié)合淺層地下水位的變化，大清河淀西平原的淺層地下水涵養(yǎng)相對更好，而子牙河平原的冬小麥產(chǎn)量相對更高。這主要與2個區(qū)域內(nèi)下墊面的非飽和帶土壤質(zhì)地的差異有關(guān)，大清河淀西平原的淺層地下水垂向補(bǔ)給量相對較多，而農(nóng)田蒸散量相對較少。

表2 作物產(chǎn)量模擬結(jié)果

注 Irr.是指這種模擬情景下冬小麥生育期內(nèi)的灌溉量。

2.2 淺層地下水壓采與農(nóng)田節(jié)水的效應(yīng)

為方便流域管理機(jī)構(gòu)參考使用，以研究區(qū)所涉的2個水資源三級區(qū)為評估單元，將本文的8種限水灌溉模擬情景對淺層地下水壓采與農(nóng)田節(jié)水的效應(yīng)及其對作物產(chǎn)量的影響進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。與基本情景相比，灌溉定額為70～90 mm的冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉方案，可將基本情景下的淺層地下水井灌開采量壓減70%左右（大約31.5億m3），削減大約75%的淺層地下水井灌超采量（大約13億m3），減少大約17%～18%的農(nóng)田耗水量，并將冬小麥的年均減產(chǎn)率控制在大約30%以內(nèi)。若實(shí)施灌溉定額為50～60 mm的冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉方案，可將基本情景下的淺層地下水井灌開采量壓減75%左右（大約33.7億m3），削減大約85%的淺層地下水井灌超采量（大約15億m3），減少20%左右的農(nóng)田耗水量，并將冬小麥年均減產(chǎn)率控制在30%～35%之間。若實(shí)施灌溉定額為30～40 mm的冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉方案，可將基本情景下的淺層地下水井灌開采量壓減80%左右（大約36億m3），削減90%（大約16億m3）以上的淺層地下水井灌超采量，減少22%～24%的農(nóng)田耗水量，但冬小麥的減產(chǎn)率將接近40%。

圖4 大清河淀西平原和子牙河平原子流域內(nèi)的冬小麥年均產(chǎn)量的模擬結(jié)果

表3 冬小麥生育期“春澆一水”的8種限水灌溉模式對淺層地下水壓采與農(nóng)田節(jié)水的效應(yīng)及冬小麥減產(chǎn)情況

注 dx表示大清河淀西平原；zy表示子牙河平原。

2.3 區(qū)域尺度冬小麥生育期“春澆一水”限水灌溉模式的優(yōu)化

由文中2.1和2.2節(jié)的情景分析與評估結(jié)果可知，當(dāng)在22個子流域?qū)嵤┩环N限水灌溉方案時，無法在所有井灌耕地上均實(shí)現(xiàn)淺層地下水的采補(bǔ)平衡。因此，利用分布式水文模型的特點(diǎn)、結(jié)合0-1規(guī)劃方法在研究區(qū)范圍內(nèi)開展冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉模式的優(yōu)化，針對每一個子流域求解出能夠?qū)崿F(xiàn)淺層地下水位不再繼續(xù)下降且冬小麥減產(chǎn)幅度最小的限水灌溉方案，其空間分布如圖5（a）所示。在這種優(yōu)化的冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉模式下，與基本情景相比，在淺層地下水采補(bǔ)平衡約束下平均的冬小麥最小減產(chǎn)幅度約為36%（除無可行解的區(qū)域外），其空間差異如圖5（b）所示?？紤]到我國的政策制定與管理（如水資源管理的“三條紅線”）的最小行政單元為縣（市）域，將上述結(jié)果的空間分布與研究區(qū)所涉及的48個縣（市）域的邊界疊加，獲得便于將本文的相關(guān)模擬結(jié)果為縣（市）有關(guān)管理部門在實(shí)際應(yīng)用中參考的圖件。

圖5 以淺層地下水采補(bǔ)平衡為約束、冬小麥減產(chǎn)最小為目標(biāo)所優(yōu)化的限水灌溉模式及對應(yīng)的冬小麥減產(chǎn)率的空間分布

根據(jù)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，在研究區(qū)中部偏東的無極、深澤、晉州、辛集、寧晉東北部、趙縣東北部、新樂南部、正定北部和永年北部等區(qū)域，決策變量無可行解，可見在灌溉定額最小（30 mm）的冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉方案下，這些區(qū)域所涉及的優(yōu)化計(jì)算單元（子流域）仍無法滿足0-1規(guī)劃模型中的淺層地下水采補(bǔ)平衡的約束條件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在大清河淀西平原和子牙河平原內(nèi)，無可行解的區(qū)域分別約占這2個水資源三級區(qū)面積的大約20%和35%?？梢姙閷?shí)現(xiàn)淺層地下水采補(bǔ)平衡的壓采目標(biāo)，這些區(qū)域需實(shí)施壓采力度更大的管理措施（如：冬小麥雨養(yǎng)方案，季節(jié)性休耕方案等）。在研究區(qū)其余大約70%面積上的有可行解的區(qū)域，優(yōu)化的限水灌溉模式的空間分布（圖5（a））表現(xiàn)為：灌溉定額為30 mm的“春澆一水”的限水灌溉方案的推薦區(qū)域主要涉及石家莊西南部地區(qū)的元氏與欒城和保定定州的北部及邢臺地區(qū)的南和與沙河，其面積約占研究區(qū)的14%；灌溉定額為40 mm的“春澆一水”的限水灌溉方案的推薦區(qū)域主要分布在邢臺和邯鄲地區(qū)的大部分縣（市）域，其面積約占研究區(qū)的21%；灌溉定額為50 mm的“春澆一水”的限水灌溉方案的推薦區(qū)域主要涉及保定地區(qū)的大部分縣（市）域，其面積約占研究區(qū)的24%；灌溉定額為60 mm的“春澆一水”的限水灌溉方案的推薦區(qū)域主要分布在保定地區(qū)南部和石家莊北部的少部分縣（市）域，其面積僅占研究區(qū)的5%左右；灌溉定額為90 mm的“春澆一水”的限水灌溉方案的推薦區(qū)域主要涉及保定地區(qū)北部的淶水、易縣以及石家莊地區(qū)中部的藁城、正定等縣（市）域，其面積約占研究區(qū)的7%。

以冬小麥減產(chǎn)率最小為目標(biāo)所優(yōu)化的結(jié)果顯示：只有灌溉定額為90 mm的“春澆一水”的限水方案所涉及的區(qū)域（保定地區(qū)北部和石家莊中西部的部分縣域）才可以實(shí)現(xiàn)將冬小麥的減產(chǎn)率控制在30%以內(nèi)（圖5（b）），這些縣（市）域在某種意義上將是冬小麥生育期“春澆一水”限水灌溉模式的適宜推廣區(qū)，因?yàn)樵谶@種限水灌溉模式下這些區(qū)域既可以實(shí)現(xiàn)淺層地下水的采補(bǔ)平衡、也可將冬小麥的減產(chǎn)率控制在不影響區(qū)域糧食供銷平衡的范圍內(nèi)[15]。保定南部、石家莊西南部、邢臺西北部因?yàn)樾鑼?shí)施灌溉定額為30～40 mm的“春澆一水”的限水灌溉模式，所以冬小麥的減產(chǎn)率相對較高，可達(dá)到40%以上。對于邢臺地區(qū)的大部分縣（市）域和整個邯鄲地區(qū)，若要實(shí)現(xiàn)淺層地下水采補(bǔ)平衡，冬小麥的減產(chǎn)率在30%～40%之間。

3 討論

1）在位于研究區(qū)內(nèi)的欒城站，相關(guān)研究者也對只在冬小麥拔節(jié)期灌溉1次的“春澆一水”方案進(jìn)行了田間試驗(yàn)[11-14]，涉及的灌溉定額大都在60～90 mm，冬小麥的平均產(chǎn)量約在4 500～7 500 kg/hm2。本文對欒城站所在的水文響應(yīng)單元內(nèi)的模擬結(jié)果顯示：與這些田間試驗(yàn)大致相近的灌溉定額下，冬小麥的平均產(chǎn)量約為3 500～4 500 kg/hm2。造成這種差異的主要原因如下：①模擬時在該水文響應(yīng)單元所概化的土壤質(zhì)地與試驗(yàn)站的站點(diǎn)尺度上的不盡相同；②模型輸入的氣象條件也與站點(diǎn)的實(shí)際情況有所差異；③在該水文響應(yīng)單元模擬所用的冬小麥參數(shù)是根據(jù)欒城站1997—2005年的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)率定的[33-34]，是對本研究模擬時段內(nèi)冬小麥品種的概化而未考慮品種的變化；④田間在采用節(jié)水灌溉時常配套一些農(nóng)藝補(bǔ)償措施（如：改變播種密度、灌水后的及時劃鋤與松土保墑、深耕與精細(xì)整地等），以減少灌溉方案對冬小麥產(chǎn)量的影響，但本研究的模擬中難以反映這些農(nóng)藝措施的補(bǔ)償效應(yīng)。本研究給出的“春澆一水”限水灌溉模式下的冬小麥產(chǎn)量在某種意義上是偏于保守的估計(jì)。

2）在前期工作中，基于相同的思路也對考慮不同灌水次數(shù)的限水灌溉模式進(jìn)行了優(yōu)化，表明：若要實(shí)現(xiàn)研究區(qū)淺層地下水采補(bǔ)平衡，大部分區(qū)域在冬小麥生育期的降水水平為平水時都需要實(shí)施雨養(yǎng)方案，此時，研究區(qū)在模擬時段內(nèi)平均的冬小麥最小減產(chǎn)率約為42%[9-10]。本研究以實(shí)現(xiàn)淺層地下水采補(bǔ)平衡為約束，對研究區(qū)內(nèi)冬小麥“春澆一水”的方案進(jìn)行了優(yōu)化，這種優(yōu)化模式在大約70%的區(qū)域上能夠?qū)崿F(xiàn)淺層地下水位止降回升，而這些區(qū)域在模擬時段內(nèi)平均的冬小麥最小減產(chǎn)率為36%。在此，不妨假設(shè)：在本研究所優(yōu)化的“春澆一水”模式能夠達(dá)到地下水采補(bǔ)平衡的區(qū)域以外的那部分區(qū)域，實(shí)施冬小麥生育期“雨養(yǎng)”方案，這樣就可以使得研究區(qū)的淺層地下水都達(dá)到采補(bǔ)平衡。若按照前期模擬所獲得的“雨養(yǎng)”方案下冬小麥平均減產(chǎn)率約54%進(jìn)行估算[9-10]，通過面積加權(quán)平均便得到整個研究區(qū)內(nèi)冬小麥的平均減產(chǎn)率約為42%。這一減產(chǎn)率與前期研究中所優(yōu)化的限水灌溉模式[9-10]雖然相近，但本研究優(yōu)化的“春澆一水”模式不涉及降水水平的劃分，因而在實(shí)施中無需基于預(yù)測冬小麥生育期的降水水平而確定灌水時間和灌水次數(shù)。當(dāng)然，本研究優(yōu)化的“春澆一水”模式下的灌水定額大多在30～50 mm，這往往需要諸如小畦灌溉或“小白龍”灌溉等方式。

4 結(jié)論

1）運(yùn)用改進(jìn)的SWAT模型與經(jīng)典的0-1規(guī)劃方法，面向“節(jié)水壓采”的地下水超采區(qū)水資源管理目標(biāo)，本研究在統(tǒng)籌考慮淺層地下水涵養(yǎng)與冬小麥生產(chǎn)下的“模擬?評估?優(yōu)化”的研究思路可為類似地區(qū)提供參考。

2）冬小麥生育期“春澆一水”（只在冬小麥的拔節(jié)期灌溉1次）方案下，河北省太行山山前平原淺層地下水位的平均下降速度將減緩至0.34 m/a以內(nèi)，淺層地下水年均井灌開采量和超采量可分別削減大約70%～80%和75%～90%，農(nóng)田耗水量平均減少17%～24%，但冬小麥平均減產(chǎn)25%～40%。

3）在各子流域進(jìn)行優(yōu)化后的“春澆一水”限水灌溉模式可使得研究區(qū)內(nèi)大約70%的面積實(shí)現(xiàn)淺層地下水采補(bǔ)平衡，優(yōu)化后的區(qū)劃為：在保定地區(qū)、邢臺和邯鄲地區(qū)、石家莊地區(qū)西南部，分別主要推薦實(shí)施灌溉定額為50、40 mm和30 mm的方案，在這些區(qū)域內(nèi)冬小麥最小減產(chǎn)率的平均值約為36%。對于研究區(qū)中部偏東的部分區(qū)域，冬小麥生育期的“春澆一水”方案無法實(shí)現(xiàn)遏制淺層地下水位的繼續(xù)下降，需實(shí)施壓采力度更大的措施以實(shí)現(xiàn)淺層地下水資源的可持續(xù)利用。

致謝：感謝中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院任理教授對本研究相關(guān)的科學(xué)問題所給予的指教以及對論文手稿提出的修改意見。感謝中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心張喜英研究員在作者到欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站調(diào)研期間就冬小麥限水灌溉田間試驗(yàn)方面所給予的指教。

[1] 張宗祜, 李烈榮. 中國地下水資源（河北卷）[M]. 北京: 中國地圖出版社, 2005.

ZHANG Zonghu, LI Lierong. Groundwater Resources of China-Hebei volume[M]. Beijing: Sinomaps Press, 2005.

[2] 陳望和. 河北地下水[M]. 北京: 地震出版社, 1999.

CHEN Wanghe. Groundwater in Hebei Province[M]. Beijing: Seismological Press, 1999.

[3] 張兆吉, 費(fèi)宇紅. 華北平原地下水可持續(xù)利用圖集[M]. 北京: 中國地圖出版社, 2009.

ZHANG Zhaoji, FEI Yuhong. Atlas of Groundwater Sustainable Utilization in North China Plain[M]. Beijing: Sinomaps Press, 2009.

[4] 中華人民共和國水利部,中華人民共和國財(cái)政部,國家發(fā)展和改革委員會,等. 華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動方案[Z]. 2019.

The Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China, The Ministry of Finance of the People’s Republic of China, National Development and Reform Commission, et al. The notification of comprehensive treatment on groundwater overexploitation in the North China Plain[Z]. 2019.

[5] 王慧軍. 河北省種植業(yè)高效用水技術(shù)路線圖[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2011.

WANG Huijun. The Technology Roadmap of High-efficiency Water Use for Crop Production in Hebei Province[M]. Beijing: China Agriculture Press, 2011.

[6] 河北省人民政府. 關(guān)于印發(fā)河北省地下水超采綜合治理試點(diǎn)方案（2014年度）的通知[Z]. 2014.

The Department of Water Resources of Hebei Province. Pilot project of comprehensive treatment on groundwater over-exploitation in Hebei Province in 2014[Z]. 2014.

[7] 河北省農(nóng)業(yè)廳, 河北省財(cái)政廳, 河北省委省政府農(nóng)村工作辦公室. 關(guān)于印發(fā)《河北省2017年度耕地季節(jié)性休耕制度試點(diǎn)實(shí)施方案》的通知[Z]. 2017.

Department of Agriculture of Hebei Province, the Department of Finance of Hebei Province, the Rural Affairs Office of Hebei Provincial Party Committee and Government. The notification of the implementation plan of pilot project of the seasonal fallow system in Hebei Province in 2017[Z]. 2017.

[8] 中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部就耕地輪作休耕制度試點(diǎn)情況舉行發(fā)布會[Z]. 2018.

The Ministry of Agriculture of the People’s Republic of China. The conference of the pilot project of crop rotation and fallow system [Z]. 2018.

[9] ZHANG X L, REN L, WAN L. Assessing the trade-off between shallow groundwater conservation and crop production under limited exploitation in a well-irrigated plain of the Haihe River basin using the SWAT model[J]. Journal of Hydrology, 2018, 567: 253-266.

[10] 任理, 張雪靚. 海河流域井灌區(qū)在現(xiàn)狀和限水灌溉及休耕模式下淺層地下水動態(tài)與糧食產(chǎn)量變化的模擬研究：以河北省太行山山前平原為例[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2020.

REN Li, ZHANG Xueliang. Simulation of the variations in shallow groundwater and crop yield under the current situation, limited irrigation schemes, and fallow scheme patterns in the well-irrigated region of the Haihe River basin – a case study of the piedmont plain of Mount Taihang in Hebei Province[M]. Beijing: Science Press, 2020.

[11] ZHANG X Y, QIN W L, CHEN S Y, et al. Responses of yield and WUE of winter wheat to water stress during the past three decades-A case study in the North China Plain[J]. Agricultural Water Management, 2017, 179: 47-54.

[12] 張喜英. 華北典型區(qū)域農(nóng)田耗水與節(jié)水灌溉研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(10): 1 454-1 464.

ZHANG Xiying. Water use and water-saving irrigation in typical farmlands in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(10): 1 454-1 464.

[13] ZHANG X Y, PEI D, HU C S. Conserving groundwater for irrigation in the North China Plain[J]. Irrigation Science, 2003, 21(4): 159-166.

[14] 裴宏偉, 孫宏勇, 沈彥俊, 等. 不同灌溉處理下冬小麥水平衡與灌溉增產(chǎn)效率研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2011,19(05):1 054-1 059.

PEI Hongwei, SUN Hongyong, SHEN Yanjun, et al. Water balance and yield-increasing efficiency of irrigation of winter wheat under different irrigation schemes[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011, 19(5):1 054-1 059.

[15] 王慧軍. 河北省糧食綜合生產(chǎn)能力研究[M]. 石家莊: 河北科學(xué)技術(shù)出版社, 2010.

WANG Huijun. Research of Comprehensive Grain Production Capability in Hebei Province[M]. Shijiazhuang: Science and Technology Press of Hebei Province, 2010.

[16] 河北省人民政府辦公廳, 河北省統(tǒng)計(jì)局. 河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒[M]. 北京: 中國統(tǒng)計(jì)出版社, 1995—2013.

General Office of The People’s Government of Hebei Province, Hebei Provincial Bureau of Statistics. Hebei Rural Statistical Yearbook[M]. Beijing: China Statistics Press, 1995—2013.

[17] 河北統(tǒng)計(jì)局. 河北統(tǒng)計(jì)年鑒[M]. 北京:中國統(tǒng)計(jì)出版社, 1985—2019.

Hebei Provincial Bureau of Statistics. Hebei Statistical Yearbook[M]. Beijing: China Statistics Press, 1985—2019.

[18] ZHANG X Y, PEI D, CHEN S Y, et al. Performance of double-cropped winter wheat-summer maize under minimum irrigation in the North China Plain[J]. Agronomy Journal, 2006, 98(6): 1 620-1 626.

[19] “新一輪全國地下水資源評價”項(xiàng)目辦公室. “新一輪全國地下水資源評價”附表[Z]. 2004.

National Groundwater Resources Assessment Project Office. Attached Tables of National Groundwater Resources Assessment[Z]. 2004.

[20] 中國地質(zhì)調(diào)查局. 華北平原地下水可持續(xù)利用調(diào)查評價[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 2009.

China Geological Survey. Investigation and Assessment of Groundwater Sustainable Utilization in the North China Plain[M]. Beijing: Geological Publishing House, 2009.

[21] ZHANG X L, REN L, KONG X B. Estimating spatiotemporal variability and sustainability of shallow groundwater in a well-irrigated plain of the Haihe River basin using SWAT model[J]. Journal of Hydrology, 2016, 541: 1 221-1 240.

[22] NEITCSH S L, ARNOLD J G, KINIRY J R, et al. Soil and Water Assessment Tool Theoretical documentation, version 2009. Grassland, Soil and Water Research Laboratory, Agricultural Research Service and Blackland Research Center, Texas Agricultural Experiment Station, Temple, TX [EB/OL]. 2011. http://www.brc.tamus.edu/swat/.

[23] JAYAKRISHNAN R, SRINIVASAN R, SANTHI C, et al. Advances in the application of the SWAT model for water resources management[J]. Hydrological Processes, 2005, 19(3): 749-762.

[24] 彭致功, 張寶忠, 劉鈺, 等. 華北典型區(qū)冬小麥區(qū)域耗水模擬與灌溉制度優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2017, 48(11): 238-246.

PENG Zhigong, ZHANG Baozhong, LIU Yu, et al. Simulation for Regional Water Consumption and Optimization of Irrigation Schedule for Winter Wheat in North China[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery. 2017, 48(11): 238-246.

[25] 武劍. 河北平原區(qū)冬小麥合理灌溉制度試驗(yàn)研究[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2015, 13: 785-787.

WU Jian. Experimental research on reasonable irrigation system of winter wheat in Hebei plain[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology, 2015, 13(4): 785-787.

[26] 張喜英, 裴冬, 胡春勝. 太行山山前平原冬小麥和夏玉米灌溉指標(biāo)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2002(6): 36-41.

ZHANG Xiying, PEI Dong, HU Chunsheng. Index System for Irrigation Scheduling of Winter Wheater and Maize in the Piedmont of Mountain Taihang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2002(6): 36-41.

[27] 張喜英, 裴冬, 由懋正. 太行山前平原冬小麥優(yōu)化灌溉制度的研究[J]. 水利學(xué)報(bào), 2001(1): 90-95.

ZHANG Xiying, PEI Dong, YOU Maozheng. Field studies on optimum irrigation scheduling for winter wheat in the piedmont of Mt.Taihang[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2001(1): 90-95.

[28] 河北省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局. 冬小麥和夏玉米調(diào)虧灌溉技術(shù)規(guī)程[S] 2012. DB 13/T 1521—2012.

Hebei Provincial Bureau of Quality and Technical Supervision. Technical Regulations for Regulated Deficit Irrigation of Winter Wheat and Summer Maize[S]. 2012. DB 13/T 1521—2012.

[29] SUN C, REN L. Assessing crop yield and crop water productivity and optimizing irrigation scheduling of winter wheat and summer maize in the Haihe plain using SWAT model[J]. Hydrological Processes, 2014, 28(4): 2 478-2 498.

[30] 中華人民共和國國務(wù)院. 關(guān)于印發(fā)國家農(nóng)業(yè)節(jié)水綱要（2012—2020年）的通知[Z]. 2012.

The State Council of the People’s Republic of China. Notice on the National Agricultural Water Conservation Program (2012—2020) [Z]. 2012.

[31] 中國共產(chǎn)黨中央委員會辦公廳, 國務(wù)院. 關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見[Z].2021.

General Office of the CPC Central Committee, the State Council of the People’s Republic of China. No.1 central document: Opinions on comprehensively pushing forward rural vitalization and accelerating the modernization of agriculture and rural areas [Z]. 2021.

[32] 河北省水利廳. 河北水利統(tǒng)計(jì)年鑒—1994—2012[M]. 北京: 中國統(tǒng)計(jì)出版社, 1994—2012.

Hebei Provincial Department of Water Resources. Hebei Water Statistical Yearbook[M]. Beijing: China Statistics Press, 1994—2012.

[33] 潘登. 海河平原冬小麥和夏玉米水分生產(chǎn)函數(shù)及節(jié)水灌溉制度的模擬研究[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011.

PAN Deng. Modelling of Crop Water Production Function and Water Saving Irrigation of Winter Wheat and Summer Maize in Haihe Plain[D]. Beijing: China Agricultural University, 2011.

[34] 孫琛. 海河流域地表水資源量和蒸散發(fā)及作物水分生產(chǎn)力的模擬研究[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012.

SUN Chen. Simulation of surface water resources and evapotranspiration and crop water productivity in the Haihe River Basin[D]. Beijing: China Agricultural University, 2012.

The Effects of Limiting Irrigation Frequency of Winter Wheat to One Time on Shallow Groundwater Balance and Wheat Yield:A Simulation Study on a Piedmont Plain of Taihang Mountain in Hebei Province

ZHANG Xueliang1, 2, DING Beibei1

(1. College of Land Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. Land Engineering Technology Innovation Center, Ministry of Natural Resources, Beijing 100035, China)

【】Groundwater-irrigated winter wheat in the piedmont plain of Mountain Taihang in Hebei province faces a conflict between dwindled water resources and increased demand of the wheat for water. Reducing irrigation frequency of the winter wheat to just one time during its growth season is a strategy to balance groundwater conservation and wheat yield. The aim of this paper is to investigate its practicability and feasibility.【】We designed eight scenarios with different irrigation amounts, and simulated crop growth and groundwater variations associated with each scenario using a modified SWAT model. Based on the simulated results, a 0-1 linear programming was conducted for 22 subbasins to minimize wheat yield loss under the constraint condition of stopping the decline of shallow groundwater table.【】①Under the limited irrigation scheme for winter wheat with once time at the jointing stage, the declining rate of shallow groundwater table in the study area would be restrained to less than 0.34 m/a on average. However, it would reduce average wheat yield by 25%～40% in comparison with the current situation. ② Spatially, the Daqing River Dianxi Plain in the northern part of the study area had a more satisfactory groundwater conservation effects; whereas, in the Ziya River Plain, which is located at the southern part, a higher averaged wheat yield performed. ③For most areas around Baoding, the optimized irrigation amount was 50 mm, while for areas around Xingtai and Handan, the optimized irrigation amount was 40 mm. In the southwest of Shijiazhuang, the optimized irrigation amount was 30 mm.【】The optimized results showed that reducing irrigation frequency of winter wheat to just once at the jointing stage can achieve shallow groundwater equilibrium in approximately 70% of the study area. These results could provide quantitative reference for implementing a workable limited-irrigation scheme in this groundwater-irrigated region where the shallow groundwater has been severely overexploited for more than four decades.

limited irrigation scheme; shallow groundwater; groundwater equilibrium; crop yield; SWAT model; irrigation optimization

張雪靚, 丁蓓蓓. 冬小麥“春澆一水”限水灌溉模式對淺層地下水采補(bǔ)平衡的影響——以河北省太行山山前平原為例[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(9): 1-10.

ZHANG Xueliang, DING Beibei.The Effects of Limiting Irrigation Frequency of Winter Wheat to One Time on Shallow Groundwater Balance and Wheat Yield: A Simulation Study on a Piedmont Plain of Taihang Mountain in Hebei Province[J].Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(9): 1-10.

S274.1；S275.5

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021259

1672 – 3317（2021）09 - 0001 - 10

2021-07-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41807183）

張雪靚（1991-），女。講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事水土資源可持續(xù)利用的研究。E-mail:zhangxueliang@cau.edu.cn

責(zé)任編輯：韓 洋