郭建茂，金淑媛，郭彩云，張展豪，李群山

（1.南京信息工程大學(xué)無錫研究院，江蘇無錫 214100；2.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，南京 210044；3.河南省煙草公司許昌市公司，河南許昌 461001；4.河南省許昌市氣象局，河南許昌 461000）

0 引言

煙草為茄科，屬葉用商業(yè)性一年生草本植物[1]?！盁煶恰痹S昌盛產(chǎn)煙葉，并以產(chǎn)量大品質(zhì)優(yōu)，外表金黃，口感油潤，氣香味濃[2]，易燃燒而享譽國內(nèi)外。煙葉的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)是整個煙草產(chǎn)業(yè)鏈最至關(guān)重要的基礎(chǔ)，對國家經(jīng)濟(jì)有不可或缺的意義[3]。煙草生長需要水、肥、土、氣、熱多種因素相互配合，資源供給在各生育階段都必不可少，否則會影響正常生命活動的進(jìn)行，進(jìn)而影響產(chǎn)量以及煙葉品質(zhì)。因此，根據(jù)煙草需水規(guī)律，找到煙草生長最適宜的水分條件，能夠有效維護(hù)煙草正常生長發(fā)育。但目前對于煙草灌溉的研究多是從節(jié)水灌溉、加氧灌溉[4,5]等優(yōu)化技術(shù)對煙草的影響層面開展，探討從技術(shù)方式節(jié)約用水的基礎(chǔ)上保證灌溉量。僅李祖良[6]從土壤水分對烤煙生產(chǎn)影響的角度根據(jù)土壤水分動態(tài)變化規(guī)律、煙株生理指標(biāo)以及形態(tài)特征指導(dǎo)灌溉。實際上許多灌溉指標(biāo)具有滯后性，當(dāng)煙株出現(xiàn)明顯變化時表明其已嚴(yán)重受旱，再灌溉僅能算是挽救措施。這些針對煙草的研究相比較煙草作物生長模擬模型，難以做到對煙草生長發(fā)育、產(chǎn)量形成過程與環(huán)境、管理等多種影響因子的相互關(guān)系的綜合描述。

近幾十年來，在計算機(jī)等高科技的飛速發(fā)展下，作物生長過程模擬模型開始建立并被廣泛應(yīng)用，在指導(dǎo)各地多種作物的生產(chǎn)上發(fā)揮積極作用，保障了國家糧食安全、經(jīng)濟(jì)安全。此類作物模型相較于其他廣泛使用的統(tǒng)計模型，擁有便捷、高效、省時省力等優(yōu)越性，被不斷應(yīng)用于作物灌溉模擬研究。劉占鋒[7]在田間試驗基礎(chǔ)上利用CERES模型分析了模型對灌溉的敏感性，反映了不同灌溉方案對作物的影響；王文佳[8]利用DSSAT 模型分析了不同降水年型下在不同生育期予以不同的灌溉量對產(chǎn)量等因素的影響，確定了灌溉關(guān)鍵期。滕曉偉等[9]分析了Aquacmp 模型在旱區(qū)的適用性，討論了不同灌溉時間與次數(shù)的作用，為干旱地區(qū)的作物灌溉提供了有效建議。朱津輝等[10]利用WOFOST 模擬不同灌溉方案，分析確定最優(yōu)的灌溉量、灌溉時間，從冬小麥生長特點出發(fā)，對實際生產(chǎn)有指導(dǎo)性意義。但國內(nèi)作物生長模型的應(yīng)用研究多見于小麥、玉米、水稻等糧食作物，而煙草作為我國重要的經(jīng)濟(jì)作物尚缺乏相應(yīng)的生長模擬模型的研究，且國內(nèi)利用作物模型的基本局限在科研方面，真正用于生產(chǎn)實踐的并不多。因而，本研究嘗試引進(jìn)WOFOST 模型模擬煙草生長，應(yīng)用參數(shù)率定后的本地化模型，探討最優(yōu)灌溉方案，以期為灌溉實踐提供指導(dǎo)。

目前受基礎(chǔ)設(shè)施落后、技術(shù)推廣限制、投入產(chǎn)出比例考慮綜合影響，大多煙草種植區(qū)仍采用溝灌的方式。因此，發(fā)揮煙草生長模擬模型的從煙草生長需水要求的角度進(jìn)行研究，探討不同灌溉時間、灌溉次數(shù)以及灌溉量對煙草產(chǎn)量的提升效果，可以將有限的農(nóng)業(yè)水資源實行最優(yōu)分配，保證水分關(guān)鍵期的用水，提高灌溉灌溉效益及保證產(chǎn)量，亦可有效緩解作物生長和水資源匱乏的矛盾。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

許昌（東經(jīng)113.31°，北緯33.51°）位于河南省中部，地勢西北高，東南低。屬于北暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，光照資源豐富，雨量充沛，無霜期長。由于屬于大陸性季風(fēng)氣候，而多發(fā)旱、澇、風(fēng)、雹等氣象災(zāi)害。氣候總特征呈現(xiàn)：春季干旱，風(fēng)沙較多，夏季炎熱，降雨集中，秋季晴和，日照較長，冬季寒冷，雨雪較少。許昌市轄兩區(qū)：魏都、建安，兩市：禹州、長葛，兩縣：鄢陵、襄城，本文選擇許昌煙草主產(chǎn)區(qū)魏都區(qū)及襄城縣的2個代表點展開研究。

1.2 數(shù)據(jù)來源

作物模型的模擬需要氣象、作物生長發(fā)育、土壤數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)為許昌氣象站、襄城氣象站1992-2021 年逐日數(shù)據(jù)，包含平均溫度、最高溫度、最低溫度、降水量、日照時數(shù)、平均風(fēng)速和水汽壓，形成氣象文件驅(qū)動WOFOST 模擬煙草生長。數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心。

煙草作物生長發(fā)育資料來源于項目組提供的研究站點1983-2013 年的相關(guān)農(nóng)氣資料和田間觀測資料，以及于2021年在許昌和襄城開展田間試驗獲取的數(shù)據(jù)。試驗種植品種與當(dāng)?shù)匾恢?，試驗與當(dāng)?shù)靥镩g管理方式一致，設(shè)4個重復(fù)，觀測煙草生育期進(jìn)程并開展每10 d 一次的試驗：測定煙草生物量，包括地上部分綠葉、枯葉、莖稈，地下的根重，測定各器官鮮重并烘干測定干重；測定株高、密度、葉面積指數(shù)等。作物生長發(fā)育資料用于對WOFOST模型的率定。

土壤數(shù)據(jù)通過實測獲取，包括田間持水量、凋萎濕度、孔隙度和導(dǎo)水率以及土壤質(zhì)地與結(jié)構(gòu)等，為模擬作物水分運動重要參數(shù)。

1.3 參數(shù)評價方法

通過3種方式進(jìn)行模型模擬驗證：散點圖比較、對模擬值與實測值通過統(tǒng)計評價指標(biāo)進(jìn)行定量評價以及生長過程中生物量模擬值與實測值隨日序變化圖分析。評價指標(biāo)選擇決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）以及歸一化均方根誤差（NRMSE）。其中R2描述實測值與模擬值的一致性，越大表明效果與好。RMSE和NRMSE表現(xiàn)實測值與模擬值之間的絕對和相對誤差，值越小表明效果越好，NRMSE≤10%為極高精度，10%＜NRMSE≤20%為高精度，20%＜NRMSE≤30%為中精度，＞30%為低精度[11,5]。

衡量灌溉對最終產(chǎn)量的影響評價指標(biāo)有：水分脅迫產(chǎn)量差PYUWS（Poor yield under water stress）和灌溉貢獻(xiàn)率計算方法如下：

式中：PTWLV（Potential total dry weight of leaves）為潛在生產(chǎn)水平總?cè)~干重；TWLVi（total dry weight of leaves）為第i個灌溉方案的水分限制生產(chǎn)水平總?cè)~干重；ICRi（Irrigation contribution rate）為第i個灌溉方案的灌溉貢獻(xiàn)率；TWLV0為灌溉量為0 mm時水分脅迫下的總?cè)~干重。

PYUWS越小，說明灌溉效果越好，PYUWS越大，說明灌溉方案越差。ICRi越大說明灌溉對產(chǎn)量的提升效果越好，對應(yīng)方案越優(yōu)。當(dāng)ICRi高于10%，且PYUWS小于PTWLV的10%時，視該灌溉方案為有效灌溉方案，反之，則效率和經(jīng)濟(jì)效益不明顯，可能造成水資源的浪費。以最少的灌溉量達(dá)到了較大的ICR且PYUWS小于PTWLV的10%，既高產(chǎn)又節(jié)水，為最優(yōu)灌溉方案。

為了多年份的灌溉貢獻(xiàn)率有可比性，便于獲取最優(yōu)灌溉方案，將灌溉貢獻(xiàn)率做歸一化處理：

式中：NICRi為第i個灌溉方案的歸一化灌溉貢獻(xiàn)率（Normalized Irrigation Contribution Rate）；ICRMAX為所有方案中灌溉貢獻(xiàn)率最大值。

1.4 WOFOST作物模型

WOFOST（World Food Studies）是作物生長模擬模型中最早應(yīng)用與指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的模型之一，已經(jīng)獲得了廣泛而有效的應(yīng)用[12,13]。WOFOST 是以土壤-植被-大氣系統(tǒng)間物質(zhì)、能量傳輸轉(zhuǎn)化為基點，考慮作物環(huán)境以及作物生長發(fā)育、產(chǎn)量形成過程中的光合、呼吸、蒸騰等一系列作用過程，并對其運用數(shù)學(xué)進(jìn)行描述，從而達(dá)到以動態(tài)的形式模擬作物生長發(fā)育的全過程，并揭示其與環(huán)境、品種、管理等多種影響因子的相互關(guān)系[14]。它綜合了氣候、土壤和田間管理等因素對作物生長過程的影響，避免了傳統(tǒng)作物統(tǒng)計模型的缺點，是一種面向作物生長全過程的動態(tài)模型[15]。WOFOST模型還可以根據(jù)實際研究需求選擇潛在生產(chǎn)、水分限制生產(chǎn)以及養(yǎng)分限制生產(chǎn)3種水平下作物生長過程模擬。

1.5 模型參數(shù)調(diào)整及驗證

利用2021 年襄城煙草試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，得到符合河南當(dāng)?shù)刂鳟a(chǎn)區(qū)煙草生長的作物、土壤參數(shù)優(yōu)化方案，并利用襄城2011-2013 年煙草生長生育期資料與2021 年魏都區(qū)煙草生育期和生物量對模型進(jìn)行驗證。分別從時間上和空間上兩方面對所調(diào)參數(shù)是否適應(yīng)河南許昌主產(chǎn)區(qū)的煙草生長過程進(jìn)行驗證，完成WOFOST 模型的參數(shù)率定，這些參數(shù)主要包括發(fā)育期積溫、各器官在不同發(fā)育階段的分配系數(shù)、比葉面積等參數(shù)[16]。參數(shù)校正后，模型模擬的襄城生物量與實測值散點圖[圖1（a）、圖1（c）、圖1（e）]可知，誤差均在可信區(qū)間內(nèi)，校正效果較好。驗證結(jié)果顯示：WOFOST 模型模擬襄城歷史生育期實測值與模擬值差異性較小，現(xiàn)蕾期和成熟期誤差均4 d 以內(nèi)；模擬生物量與實測值接近[圖1（b）、圖1（d）、圖1（f）]，經(jīng)過參數(shù)率定的WOFOST 模型通過了適應(yīng)性驗證，可投入下一步的研究與實際應(yīng)用。

圖1 襄城、許昌煙草WLV、WST、LAI模擬值與實測值散點圖Fig.1 Scatter plot of simulated and measured values of WLV,WST and LAI for tobacco in Xiangcheng and Xuchang

2 許昌近30年煙草生長期降水年型劃分

許昌在大多年份的降水分布符合煙草生長需水規(guī)律：前期煙草生長需水量較低，且依靠土壤水分和營養(yǎng)液噴灑，移栽進(jìn)入大田生長期后莖葉根營養(yǎng)生長以及生殖生長開始逐漸不滿足于土壤水分，表現(xiàn)出供水要求，在團(tuán)棵期后生殖旺長階段需水量大；一般春季干旱，夏季降水集中，為煙草的生長發(fā)育提供了一定的水量。分析許昌1992-2021年煙草移栽后生長期的降水量，是研究合理有效灌溉方案所必不可少的環(huán)節(jié)。由圖2可見，許昌煙草大田生長階段不同年份間降水差異較大，圍繞均值上下波動，枯水年份較多。

圖2 許昌1992-2021年煙草生長期降水距平百分率以及年型劃分Fig.2 Xuchang 1992-2021 growth period of the percentage and year division

不同降水年灌溉方案會有明顯差異，將煙草出苗后生長期內(nèi)近十年降水距平百分率的±20%作為年型劃分的指標(biāo)，將許昌1992-2021 年劃分為豐水年、平水年和枯水3 種年型。選取近十年中的豐水年、平水年和枯水年進(jìn)行研究（見表1），并對這十年的煙草生長進(jìn)行不同灌概時間以及灌溉量與產(chǎn)量之間關(guān)系的模擬。

表1 降水年型及其代表Tab.1 Precipitation year type and its representative

3 模擬結(jié)果與分析

降水不足會導(dǎo)致煙株根莖葉進(jìn)入缺水狀態(tài)，影響煙葉品質(zhì)和產(chǎn)量，因此在生育期內(nèi)進(jìn)行合理的灌溉確保煙草生長的水分供應(yīng)十分重要。為了清晰的了解不同灌概時間及灌溉量對煙葉產(chǎn)量的貢獻(xiàn)程度，從而能夠更好的指導(dǎo)節(jié)水灌概，本研究將模擬分為一次灌概模擬和兩次灌溉模擬。在模型模擬的過程中，采取將不同灌概量30、60、90、120 mm 添加到WOFOST模型氣象文件每日降水中的方法[10,16]。

3.1 單次灌溉模擬

移栽前煙草屬于育苗階段，有固定的育苗措施、規(guī)范及具體要求。營養(yǎng)液的定時補充就能滿足煙草需水，不需要考慮灌溉。因此，在單次灌溉的模型模擬中設(shè)定從移栽后的整個生長發(fā)育期僅進(jìn)行一次灌溉，從移栽（2011 年開始種植的新品種豫煙100 的普遍移栽期為127 d）一周后（確定成活）開始每間隔10 d 為一個灌溉方案進(jìn)行模擬，共11 種模擬的方案（如表2 所示）。灌溉模擬方案間隔設(shè)定為10 d 的原因，一方面是較為貼合煙草生長發(fā)育期，如普遍團(tuán)棵期156 d、普遍現(xiàn)蕾期183 d能夠與方案3、6的灌溉時間接近，便于了解不同生育期灌溉對煙草產(chǎn)量的影響；另一方面根據(jù)前人的灌溉研究，普遍采用10～12 d 間隔進(jìn)行灌溉模擬，灌溉間隔時間過短在生產(chǎn)上沒有必要，而間隔過長無法獲取最優(yōu)灌溉的精確時間段。

表2 單次灌溉方案Tab.2 Schemes of single irrigation

由于煙草的產(chǎn)量是由煙葉的葉干重決定的，因此將模型模擬的煙草生長過程中總?cè)~干重（TWLV）的模擬結(jié)果作為灌溉方案是否有效的決定性要素，并用直方圖表示。

近十年來，用實測氣象文件驅(qū)動模型模擬的豐水年潛在生產(chǎn)總?cè)~干重PTWLV為4 069.5 kg∕hm2，水分限制生產(chǎn)下TWLV為3 886.5 kg∕hm2，水分脅迫產(chǎn)量差（PYUWS）僅183 kg∕hm2，其灌溉貢獻(xiàn)率最大值僅4.71%；平水年P(guān)TWLV為3 832.3 kg∕hm2，水分限制生產(chǎn)TWLV為3 579.3 kg∕hm2，PYUWS為253 kg∕hm2，其灌溉貢獻(xiàn)率最大值為7.07%；平水年與豐水年均不算獲得有效灌溉。煙草在許昌當(dāng)?shù)貙嶋H生長過程中，豐水年與平水年的降水可以基本滿足生長需求，灌溉對產(chǎn)量提升貢獻(xiàn)率較低，且過多的灌溉量會降低水的利用效率，導(dǎo)致土壤孔隙度下降，影響根部呼吸造成煙株受損，有可能造成煙葉受濕害影響降低產(chǎn)量，因此豐水年和平水年可不考慮灌溉，僅對枯水年不同灌溉方案對產(chǎn)量的提升效果進(jìn)行分析。

由枯水年歸一化灌溉貢獻(xiàn)率柱狀圖（圖3）可知，NICRi隨灌溉時間以及灌溉量的變動較大。同一灌溉時間內(nèi)普遍呈現(xiàn)出灌溉量越大，NICRi越高、TWLV越大的趨勢，即枯水年十分需要灌溉來維持煙草的正常生長。同一灌溉量的NICRi峰值出現(xiàn)在不同的灌溉時間。在195 d 進(jìn)行120 mm 灌溉最優(yōu)，在165～225 d 灌溉60 mm 以上可以普遍達(dá)到有效灌溉。對應(yīng)煙草生育期以及模擬的生長發(fā)育曲線可知，這一階段為團(tuán)棵至采收（采收期為現(xiàn)蕾之后進(jìn)入成熟期）中期，是生物量快速增長的階段，需水量大。團(tuán)棵后降水能滿足煙草旺長部分水分需求，灌溉可作為輔助促進(jìn)煙葉生長；而現(xiàn)蕾后更加需要灌溉提高土壤含水量，以避免團(tuán)棵至現(xiàn)蕾期煙草生長發(fā)育蒸散作用導(dǎo)致的土壤缺水，為采收期煙草繼續(xù)生長發(fā)育奠定基礎(chǔ)，從而雙重保障煙葉產(chǎn)量質(zhì)量。單次灌溉PYUWS平均值為925.79 kg∕hm2，水分脅迫產(chǎn)量差較大，水分脅迫作用明顯，開展兩次灌溉十分必要。

圖3 許昌市煙草近十年枯水年單次灌溉模擬的NICRi變化Fig.3 NICRi Change in a single irrigation simulation for tobacco in Xuchang during the recent decade of water scarcity

3.2 兩次灌溉模擬

分析單次灌溉的結(jié)果可知，在165～225 d 進(jìn)行單次灌溉，均可以有效提升煙葉產(chǎn)量，因此繼續(xù)深入研究將該時間段內(nèi)兩次灌溉對煙葉產(chǎn)量影響。為了便于比較分析、考慮土壤對灌溉水的吸收以及煙草水分需求，確定模擬的灌溉方案灌溉起始時間間隔10 d，完成的兩次灌溉至少間隔20 d，灌溉量分4個等級：30、60、90、120 mm，兩次灌溉量保持相同，對近十年內(nèi)5個枯水年進(jìn)行兩次灌溉模擬，分析其對產(chǎn)量造成的影響。方案如表3所示。

表3 兩次灌溉方案Tab.3 Schemes of twice irrigation

由枯水年兩次灌溉歸一化灌溉貢獻(xiàn)率柱狀圖（圖4）可知，NICRi隨灌溉時間的變動較大，同一灌溉時間受灌溉量的影響也較大。同一灌溉時間普遍呈現(xiàn)出灌溉量越大，NICRi越高、TWLV越大的趨勢。不同灌溉量的NICRi峰值出現(xiàn)時間較為一致，均在7、8方案。結(jié)合模擬結(jié)果，在165～225 d進(jìn)行兩次灌溉均可以普遍達(dá)到有效灌溉，第8 個灌溉方案（即在175 d∕215 d 分別灌溉一次）進(jìn)行120 mm 灌溉最優(yōu)，3、7、8、11方案較優(yōu)，僅灌溉90 mm 2 次就可以超過其他方案灌溉120 mm 2次的NICRi。

圖4 許昌市煙草近十年枯水年兩次灌溉模擬的NICRi變化Fig.4 NICRichange in twice irrigation simulations of tobacco in Xuchang during the past decade due to water scarcity

為了便于比較，選定每年最優(yōu)的3個灌溉方案（表4），其中灌溉時間為2 次，例如165 d∕205 d 表示第一次灌溉時間為165 d 第二次灌溉時間205 d，TWLV為在相應(yīng)灌溉時間灌溉120 mm 的模擬值。分析可知，每個枯水年對TWLV提升效果最好的前3 個灌溉方案均為在165～185 d（現(xiàn)蕾期前20 d）進(jìn)行第一次灌溉，在195～225 d（采收中期之前，即現(xiàn)蕾-成熟的中期之前）之間進(jìn)行第二次灌溉。其中，在165～175 d 及205～215 d 分別灌溉普遍促進(jìn)煙草生長，葉重提升，從而增加產(chǎn)量。因此，綜合TWLV以及NICRi各方案的變化，在現(xiàn)蕾前10～20 d 內(nèi)灌溉一次，在現(xiàn)蕾后20～30 d 灌溉一次，兩次灌溉間隔30～40 d，灌溉的效果好。

表4 兩次灌溉效果最優(yōu)的3個方案及模擬結(jié)果Tab.4 Three schemes and their results of optimal effect of twice irrigation

3.3 最優(yōu)灌溉方案確定

3.3.1 不同灌溉次數(shù)對比

單次灌溉可使TWLV普遍達(dá)到3 000 kg∕hm2，部分達(dá)到4 000 kg∕hm2，TWLV提升400～1 300 kg∕hm2，能有效增加煙葉產(chǎn)量，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益。2014 年為極度干旱年，生育期降水量僅125.5 mm，降水距平百分率為-180.66%，當(dāng)年水分脅迫嚴(yán)重其TWLV模擬值僅1 564 kg∕hm2，而灌溉條件下模擬TWLV最大值增加超過一倍，灌溉貢獻(xiàn)率也較一般枯水年多50 多個百分點，實屬特殊。

兩次灌溉可以使TWLV普遍達(dá)到3 600 kg∕hm2，部分接近潛在生產(chǎn)產(chǎn)量，TWLV提升600～2 300 kg∕hm2。2014 年兩次灌溉TWLV最大值增加了1.5 倍左右，灌溉貢獻(xiàn)率也較常規(guī)枯水年將近翻倍，效益顯著，彰顯出優(yōu)秀的灌溉方案（包括灌溉時間與灌溉量配置）的正效應(yīng)以及灌溉研究的必要性。

枯水年兩次灌溉較單次灌溉TWLV提升約100～250 kg∕hm2，在特殊干旱年份2014年兩次灌溉能提升729 kg∕hm2。單次灌溉其灌溉貢獻(xiàn)率為14%～102%，兩次灌溉17%～147%，貢獻(xiàn)率提升3～45 個百分點，兩次灌溉明顯較單次灌溉更優(yōu)。兩次灌溉后，可使PYUWS縮小至161 kg∕hm2以下，有的年份已逼近潛在生產(chǎn)水平，且考慮到豐水年與枯水年的平均降水差距（去除特殊干旱、洪澇年份）為231.8 mm，因此無需進(jìn)行3次灌溉的模擬（見表5）。

表5 單次、兩次灌溉模擬結(jié)果對比 kg/hm2 Tab.5 Simulation results of single and twice irrigation

3.3.2 不同灌溉量對比

單次灌溉模擬中，灌溉量由30 mm變?yōu)?0 mm平均可增加131.79 kg∕hm2的葉干重，高效提升了TWLV，隨灌溉量的繼續(xù)提升，TWLV的增加率降了一半。兩次灌溉模擬中，30 mm 與60 mm 灌溉方案間的共60 mm 灌溉量的提升平均可增加298.48 kg∕hm2的葉干重，較其他灌溉量的提升對TWLV更有效，后隨灌溉量的提升，TWLV的增加率降了一半以下。在灌溉總量相同時，單次和兩次灌溉總量60 mmTWLV差值150.02 kg∕hm2，總量120 mm 差值351.49 kg∕hm2。因此，在綜合考慮灌溉對產(chǎn)量提升效果及節(jié)約用水基礎(chǔ)上，灌溉兩次每次60 mm 的方案最優(yōu)（見表6）。

表6 單次、兩次灌溉模擬TWLV增加值對比 kg/hm2Tab.6 Increment of TWLV between single irrigation and twice irrigation

3.3.3 確定最優(yōu)灌溉

在兩次灌溉，灌溉量為60 mm 最優(yōu)的基礎(chǔ)上，分析對比單次總灌溉量120 mm 與兩次各灌溉60 mm 的效果。對于兩次灌溉，灌溉量60 mmTWLV已超過單次灌溉最高TWLV（最高時灌溉量為120 mm）的出現(xiàn)頻次見表7（灌溉日序中上行為第一次灌溉時間，下行為第二次），說明兩次分別在合適的時間灌溉60 mm 較一次性灌溉120 mm 有明顯優(yōu)勢，且兩次灌溉60 mm比兩次灌溉120 mm，產(chǎn)量損失不大（僅在200 kg∕hm2以下，除枯水嚴(yán)重的2014年），因此，兩次灌溉每次60 mm 可以在對水資源高效利用的基礎(chǔ)上，顯著提升煙草產(chǎn)量。

表7 60 mm的兩次灌溉優(yōu)選方案Tab.7 60 mm twice irrigation optimization schemes

因此，若不考慮節(jié)約用水以及水的利用效率、灌溉量增加對產(chǎn)量的提升效果，則在165～175 d 灌溉一次、195～215 d灌溉一次，兩次間隔30～40 d，每次灌溉量120 mm，煙葉產(chǎn)量提升最多，方案最優(yōu)；若考慮到當(dāng)前水資源的緊迫以及灌溉對產(chǎn)量的提升效率，則在相同的灌溉時間僅灌溉60 mm最優(yōu)。

根據(jù)許昌當(dāng)?shù)責(zé)熮r(nóng)生產(chǎn)多年的調(diào)查資料，在豐水年、平水年可以不進(jìn)行灌溉，豐水年一些時段甚至還需排澇，而在枯水年灌溉是保證煙葉產(chǎn)量的首選措施，鑒于枯水年水資源供需矛盾突出，一般采取2 次灌溉每次灌溉量約為60 mm。當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的實踐印證了利用煙草生長模擬模型的灌溉研究的可行性。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

（1）本研究首先對WOFOST 模型進(jìn)行參數(shù)校正及驗證，參數(shù)率定的模型對煙草生長模擬與許昌地區(qū)實測結(jié)果相符，則WOFOST 模型對于中國煙草（許昌為例）可用。利用該模型探究不同降水年型下許昌煙草灌溉方案及其生長模擬結(jié)果，通過分析對比獲取最優(yōu)灌溉方案（灌溉時間和量的配置）。

（2）本研究根據(jù)1992-2021 年許昌降水?dāng)?shù)據(jù)劃分3 種降水年型，并探討了不同年型煙草生長灌溉需求，得出豐水年和平水年潛在與水分脅迫下TWLV差距不大，不需要灌溉，僅枯水年灌溉能夠有效提升煙葉產(chǎn)量，且隨著灌溉量、時間、次數(shù)的不同產(chǎn)量截然不同。

（3）結(jié)合煙草種植特點，討論在移栽后進(jìn)行灌溉對產(chǎn)量的提升效果。生育期內(nèi)僅一次灌溉，則在普遍現(xiàn)蕾期后10 d最有效果，提升灌溉量一定程度上可以提升產(chǎn)量增加值，灌溉120 mm 最佳。若不考慮節(jié)水以及水利用效率僅看灌溉量增加對產(chǎn)量的提升效果，則在現(xiàn)蕾前10～20 d、現(xiàn)蕾后20～30 d各灌溉一次，兩次間隔30～40 d，灌溉量120 mm，煙葉產(chǎn)量提升最多。

（4）灌溉總量相同時兩次灌溉效果普遍優(yōu)于單次灌溉，兩次灌溉總量達(dá)到120 mm 后，灌溉量的提升帶來的增產(chǎn)率變?nèi)?，再綜合考慮當(dāng)前水資源的供需矛盾，于上述2段灌溉時間各灌溉60 mm，為最優(yōu)灌溉方案。

4.2 討 論

參考前人[10,17,18]對灌溉研究，考慮到煙草移栽期前為室內(nèi)育苗，將灌溉模擬方案定為移栽成活后，符合煙草生長的實際狀況。大多糧食作物都無法完全通過降水滿足生長需求，因此需要對3種年型均進(jìn)行灌溉模擬，而本研究在模擬之前首先確認(rèn)該年型及其對應(yīng)灌溉需求，從需求出發(fā)進(jìn)行模擬。

由于煙草生長移栽后生育期為團(tuán)棵、現(xiàn)蕾、成熟，僅對生育期組合考慮兩次灌溉，所考慮的情況較少，灌溉方案之間、兩次灌溉之間的間隔時間較長，可能難以準(zhǔn)確獲取到精確的最優(yōu)灌溉組合。因此，在單次灌溉有效的時間范圍內(nèi)，貼合煙草生育期對時間點做不同灌溉方案首次灌溉間隔10 d，兩次灌溉間至少間隔20 d 的模擬，盡量全面覆蓋更多時間組合。本研究的最優(yōu)灌溉方案確定，不僅僅以產(chǎn)量提升值為指標(biāo)，還兼顧水分灌溉效率，最終得到符合實際生產(chǎn)、滿足煙草生長需求、煙農(nóng)產(chǎn)量提升需求以及順應(yīng)節(jié)約水資源政策的最優(yōu)灌溉方案。

研究對WOFOST 模型進(jìn)行了參數(shù)校正并經(jīng)過檢驗，對其運用于灌溉方案的研究展開分析和討論，但還存在著一些問題：由于田間試驗時對煙草生長狀況的觀測項目有限、取樣時人為誤差等因素，對模型參數(shù)的調(diào)整存在不確定性和局限性。同時將生育期、葉干重、莖干重、葉面積指數(shù)模擬準(zhǔn)確存在難度，三者的模擬難以達(dá)到平衡?？紤]到煙草收獲器官為葉，本研究優(yōu)先考慮對生育期、葉干重的模擬效果。由于資料的有限性和多個站點多年份模擬的困難性，在空間上不夠延伸，今后的研究可采取更大尺度的作物模型，綜合考慮許昌煙草種植區(qū)多個站點的氣象數(shù)據(jù)，使降水年型更精確，灌溉方案研究更有針對性。后續(xù)可通過與其他作物模型的模擬效果進(jìn)行對比，確定最適合的模型，同時結(jié)合遙感，進(jìn)行更大空間尺度的產(chǎn)量模擬和研究，這也是未來煙草模型研究和應(yīng)用的方向。