朱成立 徐雨琳 黃明逸 鄭君玉 張 帆 曹磊齊

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098；2.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，揚(yáng)州 225127)

0 引言

冬小麥適應(yīng)性廣，增產(chǎn)潛力大，是重要的糧食作物之一[1]。然而我國(guó)大部分地區(qū)淡水資源供應(yīng)量與冬小麥生長(zhǎng)季需水量不相匹配，微咸水、咸水逐漸成為重要的替代灌溉水資源[2-3]。咸淡輪灌是目前一種較易實(shí)行的咸水利用方式，但若灌溉不當(dāng)，極易引起水鹽聯(lián)合脅迫，造成作物減產(chǎn)和土壤鹽漬化[4-6]。因此，研究不同灌水量與咸淡輪灌方式下土壤水鹽分布規(guī)律和作物產(chǎn)量，有利于制定適宜的咸淡輪灌制度，促進(jìn)咸水安全利用[7-9]。由于咸水利用對(duì)土壤和作物的影響是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程[10]，且傳統(tǒng)的田間試驗(yàn)受制于人力、物力等因素[11]，試驗(yàn)與作物模型結(jié)合成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[12-13]。

聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)研發(fā)的AquaCrop作物模型以水分驅(qū)動(dòng)，考慮水分、養(yǎng)分和溫度脅迫因素，通過(guò)冠層覆蓋度和收獲指數(shù)等模擬地上干物質(zhì)量和產(chǎn)量[14-15]，操作界面簡(jiǎn)潔，模擬結(jié)果準(zhǔn)確。2012年引入鹽分模塊后[16]，KUMAR等[17]、MONDAL等[18]、HASSANLI等[19]分別運(yùn)用AquaCrop模型對(duì)咸水灌溉條件下小麥、水稻、玉米的產(chǎn)量進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)模擬效果良好，誤差均在可接受范圍之內(nèi)。譚帥[20]構(gòu)建了微咸水膜下滴灌條件下的棉花生長(zhǎng)模型，并提出研究區(qū)中粉砂壤土和砂質(zhì)壤土下適宜的微咸水灌溉定額。但MOHAMMADI等[21]提出在模擬水鹽共同脅迫時(shí)模型的準(zhǔn)確性不如分別評(píng)估水脅迫和鹽脅迫，目前AquaCrop模型在咸水灌溉制度優(yōu)化尤其是咸淡輪灌方面的研究還較少[22]。

本文運(yùn)用AquaCrop模型，研究其在不同灌水定額與咸淡輪灌方式下模擬土壤水鹽變化及冬小麥生長(zhǎng)生產(chǎn)的適用性，以期為冬小麥咸淡輪灌制度優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2017年10月—2018年6月和2018年10月—2019年6月在河海大學(xué)江寧節(jié)水園區(qū)(31°86′N，118°60′E)避雨大棚內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)年平均降雨量1 021.3 mm，年平均蒸發(fā)量900 mm，屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候。供試土壤為黃棕壤土，土壤的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。園區(qū)內(nèi)自來(lái)水作為灌溉淡水，礦化度約為0.3 dS/m。

表1 供試土壤基本物理性質(zhì)Tab.1 Main physical properties of soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以蘇麥10號(hào)為研究對(duì)象，分別于2017年10月23日—2018年6月11日和2018年10月24日—2019年6月12日進(jìn)行冬小麥的測(cè)坑試驗(yàn)，兩年生育期均為232 d。試驗(yàn)田單個(gè)測(cè)坑面積為250 cm×200 cm，各測(cè)坑間通過(guò)水泥混凝土墻體隔開(kāi)，在播前灌足量底墑水(淡水)以保證正常出苗。本試驗(yàn)考慮不同灌水量及咸淡輪灌方式兩個(gè)主效應(yīng)因素。充分灌溉處理為每當(dāng)深度60 cm處的土壤含水率接近田間持水率的70%時(shí)灌水至100%，每次灌水量80 mm(I3)，設(shè)置其他非充分、充分灌溉水平，每次灌水40 mm(I1)、60 mm(I2)、100 mm(I4)。使用10 dS/m咸水與淡水在冬小麥3個(gè)不同生育期進(jìn)行輪灌，淡水為園區(qū)內(nèi)自來(lái)水，咸水由NaCl配置而成，3種輪灌方式為咸淡淡(A1)、淡咸淡(A2)、淡淡咸(A3)，并設(shè)一組全生育期淡水灌溉(A0)對(duì)照試驗(yàn)。第1年3次灌水時(shí)間在157 d(拔節(jié)水)、179 d(抽穗水)、196 d(灌漿水)，第2年灌水時(shí)間分別在166、188、208 d。對(duì)上述灌水量與咸淡輪灌方式采用排列組合設(shè)計(jì)，共16組處理。冬小麥播種量為300 kg/hm2，播前對(duì)0～20 cm土層翻耕并施750 kg/hm2復(fù)合肥(含氮、磷、鉀)底肥，次年抽穗期均勻噴灑農(nóng)藥防治蚜蟲(chóng)。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)與方法

1.3.1土壤含水率與含鹽量

在每次灌水前后3 d及生育期開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，對(duì)0～60 cm土層進(jìn)行取樣。采用干燥法測(cè)量土壤含水率，計(jì)算公式為

(1)

式中θ——土壤體積含水率，%

γ——土壤容重，g/cm3

m1——土壤濕土質(zhì)量，g

m0——土壤干土質(zhì)量，g

ρw——水密度，取1 g/cm3

土壤含鹽量測(cè)定采用浸提法，使用DDBJ—350型便攜式電導(dǎo)率儀測(cè)量土壤飽和浸提液的電導(dǎo)率(EC)。

1.3.2冠層覆蓋度

在越冬期后每隔15～20 d，每個(gè)處理隨機(jī)選取10株冬小麥，測(cè)量葉片最大長(zhǎng)度和寬度，冠層覆蓋度(Canopy cover，CC)由葉面積指數(shù)(Leaf area index，LAI)計(jì)算得到，公式為

CC=1.005(1-exp(-0.6LAI))1.2×100%

(2)

其中

(3)

式中ρ——種植密度，株/hm2

m——測(cè)定株數(shù)

n——第j株小麥的總?cè)~片數(shù)

L——葉片長(zhǎng)度，m

B——葉片最寬處寬度，m

1.3.3生物量和產(chǎn)量

在冬小麥越冬期后每隔15～20 d，測(cè)量地上部生物量，每個(gè)測(cè)坑取3株，從地表處砍斷植株，取地上部分在105℃干燥箱內(nèi)殺青0.5 h，75℃下干燥至質(zhì)量恒定并稱量。冬小麥產(chǎn)量由收獲時(shí)單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量相乘得到：記錄1 m2地塊中的有效穗數(shù)；每個(gè)測(cè)坑取6株具有代表性植株，測(cè)量得到每株小麥的穗粒數(shù)；稱量收獲后的隨機(jī)1 000粒小麥種子質(zhì)量，得到千粒質(zhì)量。

1.3.4蒸發(fā)蒸騰量

冬小麥累積蒸發(fā)蒸騰量(ET)通過(guò)水量平衡法計(jì)算，公式為

ET=ΔW+I+P+Sg-D-Rf

(4)

式中 ΔW——播種與取樣時(shí)土壤含水量差值，mm

I——灌溉水量，mm

P——降雨量，mm

Sg——地下水補(bǔ)給量，mm

D——深層滲漏量，mm

Rf——地表徑流，mm

由于本試驗(yàn)在避雨大棚內(nèi)進(jìn)行，無(wú)降雨補(bǔ)給水分；測(cè)坑地下2 m處有自由排水口，試驗(yàn)區(qū)地下水長(zhǎng)期在2 m以下，故并無(wú)地下水補(bǔ)給；本研究灌水上限至100%田間持水率，不考慮深層滲漏量和地表徑流。

1.4 AquaCrop模型數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

基于田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)置AquaCrop模型中相應(yīng)的氣象、作物參數(shù)、土壤性質(zhì)、灌溉制度、初始條件等數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合水分脅迫和鹽分脅迫模塊來(lái)模擬咸淡輪灌下冬小麥生長(zhǎng)過(guò)程及產(chǎn)量。

1.4.1氣象數(shù)據(jù)

試驗(yàn)區(qū)冬小麥生育期內(nèi)逐日氣溫、日照時(shí)間、濕度、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)由試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)便攜式氣象監(jiān)測(cè)儀(ASHUR-MWS600型)獲得，由于采取了避雨種植試驗(yàn)，降水?dāng)?shù)據(jù)由灌溉數(shù)據(jù)代替。參考作物蒸發(fā)蒸騰量通過(guò)AquaCrop模型自帶的ET0計(jì)算模塊獲得。表2為兩年冬小麥生育期內(nèi)的逐月氣象數(shù)據(jù)。

表2 2017—2018年和2018—2019年逐月氣象數(shù)據(jù)Tab.2 Monthly meteorological data in 2017—2018 and 2018—2019

1.4.2作物數(shù)據(jù)

作物參數(shù)中種植方式、種植密度、初始冠層覆蓋度和生長(zhǎng)生育期等根據(jù)田間試驗(yàn)實(shí)際情況輸入，基底溫度、上限溫度等默認(rèn)參數(shù)采用模型推薦值，歸一化水分生產(chǎn)力、參考收獲指數(shù)、水分脅迫參數(shù)、鹽分脅迫參數(shù)等根據(jù)模型手冊(cè)提供的取值范圍采用“試錯(cuò)法”進(jìn)行修正。使用2017—2018年試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)的調(diào)試，使模型模擬值與觀測(cè)值間誤差符合范圍，并運(yùn)用2018—2019年試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證調(diào)試后的模型參數(shù)。校準(zhǔn)后的具體作物參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 咸淡輪灌下的冬小麥作物參數(shù)校準(zhǔn)Tab.3 Calibration of crop parameters under brackish and fresh water cycle irrigation

1.4.3土壤數(shù)據(jù)

AquaCrop模型中土壤數(shù)據(jù)需要輸入土壤層數(shù)和深度、質(zhì)地、飽和含水率、田間持水率、凋萎系數(shù)等。本試驗(yàn)包含2個(gè)土層，分別為壤土層(0～60 cm)和粘壤土層(60～150 cm)。各水力特性指標(biāo)使用環(huán)刀法取樣，利用壓力膜儀測(cè)得，具體土壤參數(shù)見(jiàn)表1。

1.4.4灌溉制度數(shù)據(jù)

本試驗(yàn)灌水方法選擇地面灌-漫灌，2017—2018年灌水時(shí)間分別為播種后157、179、196 d，2018—2019年灌水時(shí)間為播種后166、188、208 d。每次灌水量為40、60、80、100 mm，灌咸水時(shí)含鹽量為10 dS/m。

1.4.5初始條件數(shù)據(jù)

模型運(yùn)行初始條件包括各土層初始含水率和含鹽量。由于播種前各處理均得到了充分淡水灌溉以保證出苗，因此模型中土壤初始含水率設(shè)為田間持水率；測(cè)得初始土壤含鹽量為1 dS/m。

1.5 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

本研究利用相對(duì)誤差(Pe)、決定系數(shù)(R2)、均方根誤差(RMSE)和一致性指數(shù)(d)來(lái)評(píng)價(jià)模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證的精度。Pe和RMSE越小，R2和d越接近1，表明模擬值與實(shí)測(cè)值越接近，模型具有較好的一致性，模擬結(jié)果精確。

1.6 情景模擬設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步探索適宜的咸淡輪灌制度，設(shè)計(jì)64(5×4×3+4)種情景，使用2017—2018年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，在冬小麥生育期內(nèi)灌3次水，時(shí)間分別為157(拔節(jié)期)、179(抽穗期)、196 d(灌漿期)。設(shè)置5種咸水含鹽量(EC分別為6、8、10、12、14 dS/m)和4種灌水量(I1：40 mm、I2：60 mm、I3：80 mm、I4：100 mm)。由于田間試驗(yàn)結(jié)果顯示在拔節(jié)期灌溉咸水對(duì)冬小麥生長(zhǎng)產(chǎn)生較大影響，籽粒產(chǎn)量較低，因此針對(duì)抽穗期和灌漿期設(shè)置3種咸淡輪灌方式(灌1次咸水：淡咸淡(A2)、淡淡咸(A3)；灌2次咸水：淡咸咸(A4))，以及生育期全淡水灌溉A0對(duì)照處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型率定與驗(yàn)證結(jié)果

采用2017—2018年冬小麥試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定，2018—2019年試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。試驗(yàn)共16組處理，3個(gè)主要灌水生育期(拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期)包括I1～I(xiàn)4 4種灌水量和A0～A3 4種輪灌方式。土壤水鹽的測(cè)定范圍為0～60 cm土層，分別在每次灌水前后和生育末期取樣測(cè)量。

2017—2018年冬小麥生育期根區(qū)土壤含水率率定結(jié)果如圖1所示，所有處理的土壤含水率模擬值和實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差Pe為0.5%～12.6%，決定系數(shù)R2為0.77～0.99，均方根誤差RMSE為1.06%～2.09%，一致性指數(shù)d為0.78～0.99。在相同灌水方式下，充分灌溉的模擬誤差小于非充分灌溉，4種咸淡輪灌模式中，A1處理下的模擬誤差最大。由圖1可以看出，灌水方式相同時(shí)，土壤含水率隨著灌水量的增加而明顯增大，且在灌水2 d后不同灌水量下的土壤含水率差距最大，之后隨時(shí)間增加而逐漸減小，直至下一次灌水。生育期結(jié)束時(shí)，A0方式4種灌水量下的土壤含水率基本相同，A1方式下I1處理的土壤含水率略低于其他三者，A2和A3方式規(guī)律相同，土壤含水率由大到小都依次為I4、I3、I2、I1。灌水量相同時(shí)，A0處理的土壤含水率最低，灌咸水后土壤含水率均有所增大，且使用咸水灌溉的時(shí)間越早，土壤含水率越高，A1、A2、A3較A0處理土壤含水率最大分別增加了6.18%～7.62%、2.42%～5.75%、1.85%～6.53%。生育期結(jié)束時(shí)I1、I2、I3灌水量下的土壤含水率由大到小依次為A1、A2、A3、A0，I4的最終土壤含水率由大到小依次為A1、A3、A2、A0。

圖1 2017—2018年0～60 cm根區(qū)土壤含水率率定結(jié)果Fig.1 Soil moisture content calibration results of 0～60 cm soil root zone in 2017—2018

不同咸淡輪灌方式下的冬小麥根區(qū)土壤鹽分率定結(jié)果如圖2所示。所有處理土壤含鹽量的相對(duì)誤差范圍在1.0%～17.4%，R2、RMSE、d的范圍分別為0.73～0.90、0.03～0.27 dS/m和0.82～0.93，4種灌水量下A1(咸淡淡)方式的模擬誤差均大于其他3種灌溉方式。生育期全淡水灌溉A1處理在每次灌水后土壤鹽分略升高后下降，且灌水量越多下降的幅度越大，I1、I2、I3處理在整個(gè)生育期的土壤含鹽量呈上升趨勢(shì)，但當(dāng)達(dá)到一定灌水量(如I4處理)，土壤含鹽量整體上呈下降趨勢(shì)。生育期結(jié)束時(shí)土壤含鹽量由小到大依次為I4、I3、I2、I1。對(duì)于咸淡輪灌，在相同灌溉方式下，灌水量越大，灌咸水后土壤含鹽量增量越大，但后期使用淡水灌溉后土壤含鹽量又出現(xiàn)下降，且下降幅度隨灌水量的增加而增大。生育期結(jié)束后I4處理的土壤含鹽量均為最低，其次為I3和I1，I2處理由于咸水灌溉量大而淡水量不足，導(dǎo)致最終土壤鹽分最高。灌水量相同時(shí)，咸水灌溉的時(shí)間越靠前，后期得到淡水灌溉的次數(shù)就越多，土壤鹽分下降幅度越大，生育期結(jié)束后土壤的EC越低。A1、A2和A3處理最終土壤含鹽量分別為1.82～2.53 dS/m、2.03～2.83 dS/m和2.33～3 dS/m。

圖2 2017—2018年0～60 cm根區(qū)土壤含鹽量率定結(jié)果Fig.2 Soil salinity calibration results of 0～60 cm soil root zone in 2017—2018

冬小麥生長(zhǎng)過(guò)程如圖3、4所示。圖3為模型對(duì)于冠層覆蓋度CC的模擬結(jié)果，出苗后冠層緩慢生長(zhǎng)發(fā)育，在播種約60 d后進(jìn)入越冬期，冠層生長(zhǎng)停滯，返青期后快速生長(zhǎng)，約在180 d達(dá)到最大冠層覆蓋度。AquaCrop模型在冠層覆蓋度率定時(shí)的相對(duì)誤差Pe為2.9%～52.1%，所有處理中較大的誤差主要是由于在灌咸水后和缺水狀態(tài)下模型高估了冬小麥生育期中后階段的冠層覆蓋度。所有處理冠層覆蓋度模擬值與實(shí)測(cè)值的R2、RMSE和d分別為0.71～0.89、4.20%～11.00%和0.76～0.93。16種處理冬小麥能達(dá)到的最大冠層覆蓋度均隨著所受水鹽脅迫的加劇而減小。在相同灌水方式下，充分灌溉I3與過(guò)量灌溉I4處理所能達(dá)到的最大冠層覆蓋度CCx相近，非充分灌溉I2處理的CCx小于以上兩者，I1處理的CCx最小，且灌水量越小，冠層覆蓋度下降程度越大。相同灌水量下，A1處理在拔節(jié)期使用咸水灌溉，冠層受到的影響最大，灌咸水后冬小麥的冠層覆蓋度明顯小于其他處理。4種灌水方式下的冠層覆蓋度由小到大依次為A1、A2、A3、A0處理，最大冠層覆蓋度分別達(dá)到84.5%～87.6%、86.4%～91.5%、86.9%～93.2%和86.9%～93.3%。

圖3 2017—2018年冬小麥冠層覆蓋度率定結(jié)果Fig.3 Calibration results of winter wheat canopy cover in 2017—2018

圖4為冬小麥生物量累積過(guò)程率定結(jié)果，生物量在播種后緩慢增長(zhǎng)，至越冬期一直維持在較低水平，返青期后出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。冬小麥生物量的模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致，所有處理相對(duì)誤差Pe為1.1%～40.8%，R2、RMSE和d分別為0.75～0.90、0.57～0.86 t/hm2、0.81～0.94。

圖4 2017—2018年冬小麥生物量率定結(jié)果Fig.4 Calibration results of winter wheat biomass in 2017—2018

蒸發(fā)蒸騰量(ET)反映作物耗水過(guò)程，根據(jù)式(4)，本試驗(yàn)冬小麥的ET由土壤含水量變化值和灌水量?jī)刹糠纸M成，2017—2018年冬小麥生育期的ET累積模擬值與實(shí)測(cè)值如圖5所示。冬小麥的蒸發(fā)蒸騰量在出苗至越冬期較小，返青后進(jìn)入需水關(guān)鍵期，ET增長(zhǎng)幅度顯著變大，由3次灌溉水量補(bǔ)給作物的水分消耗。所有處理累積ET的相對(duì)誤差為0.1%～48.3%，R2、RMSE和d分別為0.96～0.99、14.95～52.17 mm、0.83～0.99。當(dāng)灌水量不足時(shí)，模型對(duì)于ET的模擬誤差較大，且隨著所受水分脅迫的增加而增大；在充分灌溉條件下模擬精度較好。

圖5 2017—2018年累積蒸發(fā)蒸騰量率定結(jié)果Fig.5 Calibration results of accumulative evapotranspiration in 2017—2018

圖6為冬小麥最終生物量與籽粒產(chǎn)量的模型率定與驗(yàn)證結(jié)果，相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)如表4所示。最終生物量率定時(shí)的相對(duì)誤差為1.21%～8.93%，所有處理最終生物量模擬值與實(shí)測(cè)值的R2、RMSE、d分別為0.93、0.40 t/hm2、0.98；驗(yàn)證時(shí)相對(duì)誤差為2.13%～6.95%，所有處理的R2、RMSE、d分別為0.88、0.51 t/hm2、0.97，A1灌溉方式下最終生物量的模擬誤差最大。籽粒產(chǎn)量率定時(shí)的相對(duì)誤差為1.99%～10.18%，所有處理模擬值與實(shí)測(cè)值間的R2、RMSE、d分別為0.95、0.28 t/hm2、0.97；驗(yàn)證時(shí)相對(duì)誤差為1.07%～9.09%，所有處理產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬值的R2、RMSE、d分別為0.93、0.33 t/hm2、0.95，與最終生物量相同，相對(duì)誤差最大也出現(xiàn)在A1咸淡輪灌方式。可見(jiàn)AquaCrop模型整體上可以較好地模擬咸淡輪灌下冬小麥最終生物量和籽粒產(chǎn)量。在相同灌水方式下，冬小麥產(chǎn)量隨灌水量的增加而增大，但當(dāng)達(dá)到充分灌溉后，產(chǎn)量并不再繼續(xù)增加，甚至可能因過(guò)量灌溉而減產(chǎn)。當(dāng)灌水量相同時(shí)，全淡水灌溉方式下產(chǎn)量最高，A2和A3方式下冬小麥因受到鹽分脅迫產(chǎn)量有所下降，A1在拔節(jié)期使用咸水灌溉對(duì)產(chǎn)量的影響最大。

表4 最終生物量、籽粒產(chǎn)量校驗(yàn)誤差Tab.4 Error results of final biomass and grain yield calibration and verification

圖6 最終生物量、籽粒產(chǎn)量率定和驗(yàn)證結(jié)果Fig.6 Calibration and verification results of final biomass and grain yield

2.2 情景模擬結(jié)果

利用校準(zhǔn)后的AquaCrop模型對(duì)設(shè)計(jì)的64種咸淡輪灌情景進(jìn)行模擬，圖7為冬小麥籽粒產(chǎn)量對(duì)灌水量和咸水含鹽量的響應(yīng)規(guī)律。可以看出，在淡咸淡、淡淡咸、淡咸咸3種輪灌方式下，籽粒產(chǎn)量均隨灌水量的增加而增加，達(dá)到充分灌溉后趨于穩(wěn)定；對(duì)于咸水含鹽量，產(chǎn)量與其兩者之間呈明顯的負(fù)相關(guān)。因此，將灌水量和咸水含鹽量相結(jié)合，對(duì)籽粒產(chǎn)量進(jìn)行二元回歸分析，得到淡咸淡(A2)、淡淡咸(A3)、淡咸咸(A4)3種輪灌方式下產(chǎn)量與灌水量和咸水含鹽量?jī)蓚€(gè)因素的回歸方程為

圖7 不同灌溉制度下籽粒產(chǎn)量模擬結(jié)果Fig.7 Grain yield simulation results under different irrigation schedules

Y1=4.657+0.027x-0.031y

(5)

Y2=4.558+0.028x-0.026y

(6)

Y3=4.665+0.027x-0.050y

(7)

式中Y1、Y2、Y3——淡咸淡、淡淡咸、淡咸咸方式下的籽粒產(chǎn)量，t/hm2

x——單次灌水量，mm

y——咸水含鹽量，dS/m

根據(jù)回歸方程(5)～(7)計(jì)算，使用全淡水灌溉時(shí)，為獲得95%、90%、85%、80%最大產(chǎn)量所需單次灌水量不能小于77、64、51、38 mm。引入咸水灌溉后，隨著咸水含鹽量的增加必須要增大灌水量，才能保持籽粒產(chǎn)量不下降，且所需灌水量與咸水含鹽量呈線性相關(guān)。咸水含鹽量為2～14 dS/m時(shí)，A2、A3、A4方式下獲得95%最大產(chǎn)量時(shí)所需單次灌水量分別為79.3～93.1 mm、79.6～90.8 mm、80.4～102.6 mm；獲得90%最大產(chǎn)量的單次灌水量為66.1～79.9 mm、67.0～78.1 mm、67.3～89.5 mm；85%最大產(chǎn)量所需單次灌水量為53.0～66.8 mm、54.3～65.5 mm、54.1～76.4 mm；80%最大產(chǎn)量所需單次灌水量為39.9～53.7 mm、41.6～52.8 mm、41～63.2 mm。

3 討論

3.1 AquaCrop模型適用性

本研究利用冬小麥2017—2018年和2018—2019年兩年試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行AquaCrop模型的率定及驗(yàn)證，來(lái)探究AquaCrop模型在咸淡輪灌制度下模擬土壤水鹽和冬小麥生長(zhǎng)生產(chǎn)的適用性。上文中校準(zhǔn)后的作物參數(shù)均在AquaCrop模型參考手冊(cè)提供范圍內(nèi)。柴順喜等[23]對(duì)北疆滴灌春小麥的AquaCrop模型進(jìn)行參數(shù)本地化校準(zhǔn)，得到影響冠層生長(zhǎng)的土壤水分損耗閾值上下限為0.10和0.45，這與本試驗(yàn)校準(zhǔn)后的水分脅迫參數(shù)一致。KUMAR等[17]得到小麥在咸水灌溉條件下鹽脅迫開(kāi)始和作物停止生長(zhǎng)時(shí)的土壤含鹽量分別為5、18 dS/m，HASSANLI等[19]研究小麥咸水灌溉時(shí)相應(yīng)鹽分脅迫參數(shù)分別為2、10 dS/m，與本試驗(yàn)校準(zhǔn)后的鹽分參數(shù)接近，不同之處可能由于作物受到的水分脅迫不同而對(duì)土壤鹽分產(chǎn)生不同程度的影響。

根據(jù)本文模擬結(jié)果，在土壤水鹽方面，模型模擬值與實(shí)測(cè)值有較好的一致性，能夠較準(zhǔn)確地模擬出灌水前后土壤含水率和含鹽量的變化趨勢(shì)，且誤差在可接受范圍之內(nèi)，這與國(guó)內(nèi)外的研究成果基本吻合。GOOSHEH等[24]使用AquaCrop模型對(duì)多年小麥有效根區(qū)的水鹽狀況進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果下的水鹽平衡條件與試驗(yàn)一致。彭致功等[25]評(píng)價(jià)了AquaCrop模型在華北典型區(qū)的適用性，結(jié)果表明在小麥返青期后模型校驗(yàn)時(shí)的土壤含水率模擬值與觀測(cè)值之間的RMSE、平均絕對(duì)誤差(MAE)分別小于2.35%、1.94%，R2均大于0.7，模擬值能反映土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。譚帥[20]在研究微咸水膜下滴灌時(shí)的AquaCrop土壤鹽分模擬中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌水量相對(duì)較小(低于80%充分灌溉)時(shí)土壤鹽分的模擬準(zhǔn)確度較高，過(guò)量灌溉時(shí)模型會(huì)低估土壤鹽分含量，與本研究模型率定時(shí)土壤鹽分的變化規(guī)律相似，這可能是由于模型僅用簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算溶質(zhì)運(yùn)移，未充分考慮影響土壤鹽分變化的多種外界條件[19]。牛君仿等[26]在咸水安全利用方面的研究結(jié)果顯示，咸淡輪灌模式利用的關(guān)鍵在于保持作物根層水鹽平衡，作物收獲后一次大的漫灌可有效減少土壤中鹽分的累積。本文模擬根區(qū)鹽分變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，在大灌溉定額下土壤出現(xiàn)明顯洗鹽現(xiàn)象，而且冬小麥?zhǔn)斋@后經(jīng)歷夏季大雨量淋洗，可有效降低土壤含鹽量，因此長(zhǎng)期應(yīng)用咸淡輪灌模式對(duì)土壤水鹽的變化影響較小，是咸水安全可靠利用的一種有效方式。

在模擬冬小麥的生長(zhǎng)生產(chǎn)方面，本研究整體上高估了冬小麥的冠層覆蓋度，可能是因?yàn)槟Ｐ推乜紤]了在水鹽脅迫下土壤含水量的增加對(duì)小麥生長(zhǎng)的促進(jìn)作用，而忽略了土壤鹽分對(duì)小麥拔節(jié)期后生長(zhǎng)的影響。AquaCrop模型中作物蒸發(fā)蒸騰量(ET)采用基于冠層覆蓋度(CC)的經(jīng)驗(yàn)方法，在模擬時(shí)誤差主要存在于非充分灌溉的處理，這可能是因?yàn)樵诠嗨坎蛔闱闆r下模型高估了冬小麥的CC，導(dǎo)致ET比實(shí)測(cè)值偏高[27]。對(duì)于地上干物質(zhì)量及產(chǎn)量，兩者的模擬值與實(shí)測(cè)值間的誤差表現(xiàn)一致，均在虧缺灌溉下誤差較大，且灌水量越小，模擬值與實(shí)測(cè)值間的差距越大，充分灌溉處理時(shí)模擬效果較好。這與HENG等[28]的研究結(jié)果相似，AquaCrop 模型能夠較為精確地模擬沒(méi)有水分脅迫或輕微脅迫條件下的產(chǎn)量，但在嚴(yán)重水分脅迫條件下模擬精度變差。

以上結(jié)果表明AquaCrop模型在模擬咸淡輪灌下土壤水鹽和冬小麥生長(zhǎng)生產(chǎn)方面具有良好的適用性，能夠較準(zhǔn)確地模擬土壤含水率的變化和預(yù)估冬小麥的生長(zhǎng)生產(chǎn)，但對(duì)于不同生育期受到水鹽脅迫在冠層覆蓋度方面的影響還需改進(jìn)。

3.2 適宜咸淡輪灌方案確定

冬小麥在不同生育期受到水分與鹽分脅迫，對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生不同程度的影響。楊林林等[29]研究得到在返青拔節(jié)期灌水的效果優(yōu)于灌漿期，翟亞明等[30]發(fā)現(xiàn)在抽穗期前灌溉微咸水受礦化度的影響較為明顯。研究皆表明拔節(jié)期是對(duì)水鹽脅迫最敏感的時(shí)期，本試驗(yàn)結(jié)果也證明了在拔節(jié)期灌溉咸水對(duì)冬小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量有較大影響，同時(shí)非充分灌溉更會(huì)加大減產(chǎn)幅度[31]。進(jìn)入生育中后期，植株發(fā)育成熟，生長(zhǎng)變緩，耐鹽耐旱性有所增強(qiáng)，抽穗期決定著穗粒數(shù)、成穗率等，灌漿期是籽粒形成重要階段[32-33]。因此，應(yīng)盡量減少在返青拔節(jié)期使用咸水灌溉，本研究在情景模擬時(shí)設(shè)置淡咸淡、淡淡咸、淡咸咸3種咸淡輪灌方式，結(jié)合不同灌水量，推求3種輪灌方案目標(biāo)產(chǎn)量下適宜的咸水灌溉量。

根據(jù)HANSEOK等[34]對(duì)各類作物響應(yīng)灌溉水含鹽量的關(guān)系研究，小麥?zhǔn)斋@90%最大產(chǎn)量時(shí)對(duì)應(yīng)的灌溉水含鹽量為4.9 dS/m，本研究在充分灌溉條件下獲得90%最大產(chǎn)量時(shí)A2、A3和A4方式的咸水含鹽量閾值分別為14.1、16.0、8.8 dS/m，可見(jiàn)咸淡輪灌相較咸水直接灌溉可利用含鹽量更高的咸水，是一種高效、可靠的咸水灌溉方式[35]。情景模擬結(jié)果顯示，咸水含鹽量與收獲相同籽粒產(chǎn)量所需的灌水量呈線性相關(guān)，在不減產(chǎn)情況下，灌溉水含鹽量越高所需的灌溉水量越大。在咸水含鹽量較低時(shí)，淡咸淡、淡淡咸、淡咸咸3種輪灌方式收獲相同籽粒產(chǎn)量所需的灌水量差異不顯著；當(dāng)咸水含鹽量增加至14 dS/m，3種輪灌方式下所需的灌水量差異顯著增大，淡咸咸灌溉方式下要獲得95%最大產(chǎn)量所需單次灌水量達(dá)102.66 mm，淡咸淡與淡淡咸方式所需灌水量分別為93.1、90.8 mm。當(dāng)灌一次咸水時(shí)，在灌漿期灌咸水較抽穗期對(duì)產(chǎn)量的影響較?。皇褂脙纱蜗趟喔葧r(shí)，則需增大灌水量，以達(dá)到對(duì)土壤鹽分的淋洗效果，這與陳素英等[36]的研究結(jié)果基本一致。

綜上，本研究驗(yàn)證了AquaCrop模型在咸淡輪灌制度下的適應(yīng)性，可以運(yùn)用此模型來(lái)探尋干旱半干旱地區(qū)咸水安全高效利用的方式。通過(guò)情景模擬確定了不同咸淡輪灌方式及咸水含鹽量下適宜的灌水量，可以在干旱半干旱地區(qū)水資源匱乏情況下確保一定的產(chǎn)量，對(duì)冬小麥咸淡輪灌方案的優(yōu)化具有重要指導(dǎo)價(jià)值。但本研究在避雨條件下進(jìn)行，對(duì)于不同降雨條件下使用AquaCrop模型進(jìn)行冬小麥咸淡輪灌制度的優(yōu)化仍需研究；且本試驗(yàn)只有兩年田間數(shù)據(jù)，還需進(jìn)行多年試驗(yàn)以探索咸淡輪灌制度對(duì)土壤水鹽及冬小麥的長(zhǎng)期影響。

4 結(jié)論

(1)AquaCrop模型可以較準(zhǔn)確地模擬咸淡輪灌制度下土壤水鹽變化和冬小麥生長(zhǎng)生產(chǎn)過(guò)程，但其在水鹽脅迫嚴(yán)重情況下對(duì)于生育后期冠層覆蓋度的模擬精度有待提高。

(2)在返青拔節(jié)期灌溉咸水對(duì)冬小麥生長(zhǎng)生產(chǎn)的影響最大，咸水灌溉時(shí)間宜選擇生育中后期。情景模擬結(jié)果顯示，隨著咸水含鹽量的增加，必須增大灌水量才可維持籽粒產(chǎn)量。

(3)籽粒產(chǎn)量歸一化后，得到優(yōu)化的咸淡輪灌方案：咸水含鹽量為2～14 dS/m，收獲95%最大產(chǎn)量時(shí)淡咸淡、淡淡咸、淡咸咸輪灌方式下單次灌水量分別為79.3～93.1 mm、79.6～90.8 mm、80.4～102.6 mm；收獲90%最大產(chǎn)量時(shí)3種咸淡輪灌方式下單次灌水量分別為66.1～79.9 mm、67.0～78.1 mm和67.3～89.5 mm。