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(wú)錫研究院，江蘇無(wú)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]。“煙城”許昌盛產(chǎn)煙葉，并以產(chǎn)量大品質(zhì)優(yōu)，外表金黃，口感油潤(rùn)，氣香味濃[2]，易燃燒而享譽(yù)國(guó)內(nèi)外。煙葉的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)是整個(gè)煙草產(chǎn)業(yè)鏈最至關(guān)重要的基礎(chǔ)，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)有不可或缺的意義[3]。煙草生長(zhǎng)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(huì)影響正常生命活動(dòng)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(zhǎng)最適宜的水分條件，能夠有效維護(hù)煙草正常生長(zhǎng)發(fā)育。但目前對(duì)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(duì)煙草的影響層面開(kāi)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(duì)烤煙生產(chǎn)影響的角度根據(jù)土壤水分動(dòng)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(shí)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(shí)表明其已嚴(yán)重受旱，再灌溉僅能算是挽救措施。這些針對(duì)煙草的研究相比較煙草作物生長(zhǎng)模擬模型，難以做到對(duì)煙草生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成過(guò)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(lái)，在計(jì)算機(jī)等高科技的飛速發(fā)展下，作物生長(zhǎng)過(guò)程模擬模型開(kāi)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(guó)家糧食安全、經(jīng)濟(jì)安全。此類(lèi)作物模型相較于其他廣泛使用的統(tǒng)計(jì)模型，擁有便捷、高效、省時(shí)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(yàn)基礎(chǔ)上利用CERES模型分析了模型對(duì)灌溉的敏感性，反映了不同灌溉方案對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)間，從冬小麥生長(zhǎng)特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有指導(dǎo)性意義。但國(guó)內(nèi)作物生長(zhǎng)模型的應(yīng)用研究多見(jiàn)于小麥、玉米、水稻等糧食作物，而煙草作為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物尚缺乏相應(yīng)的生長(zhǎng)模擬模型的研究，且國(guó)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(shí)踐的并不多。因而，本研究嘗試引進(jìn)WOFOST 模型模擬煙草生長(zhǎng)，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(shí)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(zhǎng)模擬模型的從煙草生長(zhǎng)需水要求的角度進(jìn)行研究，探討不同灌溉時(shí)間、灌溉次數(shù)以及灌溉量對(duì)煙草產(chǎn)量的提升效果，可以將有限的農(nóng)業(yè)水資源實(shí)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(zhǎng)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(shì)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(wú)霜期長(zhǎng)。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(zhǎng)，冬季寒冷，雨雪較少。許昌市轄兩區(qū)：魏都、建安，兩市：禹州、長(zhǎng)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(gè)代表點(diǎn)展開(kāi)研究。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

作物模型的模擬需要?dú)庀?、作物生長(zhǎng)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(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和水汽壓，形成氣象文件驅(qū)動(dòng)WOFOST 模擬煙草生長(zhǎng)。數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心。

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

土壤數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)測(cè)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(yùn)動(dòng)重要參數(shù)。

1.3 參數(shù)評(píng)價(jià)方法

通過(guò)3種方式進(jìn)行模型模擬驗(yàn)證：散點(diǎn)圖比較、對(duì)模擬值與實(shí)測(cè)值通過(guò)統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)以及生長(zhǎng)過(guò)程中生物量模擬值與實(shí)測(cè)值隨日序變化圖分析。評(píng)價(jià)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(shí)測(cè)值與模擬值的一致性，越大表明效果與好。RMSE和NRMSE表現(xiàn)實(shí)測(cè)值與模擬值之間的絕對(duì)和相對(duì)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(duì)最終產(chǎn)量的影響評(píng)價(jià)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(jì)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(gè)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(gè)灌溉方案的灌溉貢獻(xiàn)率；TWLV0為灌溉量為0 mm時(shí)水分脅迫下的總?cè)~干重。

PYUWS越小，說(shuō)明灌溉效果越好，PYUWS越大，說(shuō)明灌溉方案越差。ICRi越大說(shuō)明灌溉對(duì)產(chǎn)量的提升效果越好，對(duì)應(yīng)方案越優(yōu)。當(dāng)ICRi高于10%，且PYUWS小于PTWLV的10%時(shí)，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(fèi)。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(gè)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(zhǎng)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(diǎn)，考慮作物環(huán)境以及作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成過(guò)程中的光合、呼吸、蒸騰等一系列作用過(guò)程，并對(duì)其運(yùn)用數(shù)學(xué)進(jìn)行描述，從而達(dá)到以動(dòng)態(tài)的形式模擬作物生長(zhǎng)發(fā)育的全過(guò)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(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程的影響，避免了傳統(tǒng)作物統(tǒng)計(jì)模型的缺點(diǎn)，是一種面向作物生長(zhǎng)全過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型[15]。WOFOST模型還可以根據(jù)實(shí)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(zhǎng)過(guò)程模擬。

1.5 模型參數(shù)調(diào)整及驗(yàn)證

利用2021 年襄城煙草試驗(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)生育期資料與2021 年魏都區(qū)煙草生育期和生物量對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。分別從時(shí)間上和空間上兩方面對(duì)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(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)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(shí)測(cè)值散點(diǎn)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(yàn)證結(jié)果顯示：WOFOST 模型模擬襄城歷史生育期實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)值接近[圖1（b）、圖1（d）、圖1（f）]，經(jīng)過(guò)參數(shù)率定的WOFOST 模型通過(guò)了適應(yīng)性驗(yàn)證，可投入下一步的研究與實(shí)際應(yīng)用。

圖1 襄城、許昌煙草WLV、WST、LAI模擬值與實(shí)測(cè)值散點(diǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)需水規(guī)律：前期煙草生長(zhǎng)需水量較低，且依靠土壤水分和營(yíng)養(yǎng)液噴灑，移栽進(jìn)入大田生長(zhǎng)期后莖葉根營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)以及生殖生長(zhǎng)開(kāi)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(zhǎng)階段需水量大；一般春季干旱，夏季降水集中，為煙草的生長(zhǎng)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(zhǎng)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(jiàn)，許昌煙草大田生長(zhǎng)階段不同年份間降水差異較大，圍繞均值上下波動(dòng)，枯水年份較多。

圖2 許昌1992-2021年煙草生長(zhǎng)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(huì)有明顯差異，將煙草出苗后生長(zhǎng)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(jiàn)表1），并對(duì)這十年的煙草生長(zhǎng)進(jìn)行不同灌概時(shí)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(huì)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(zhǎng)的水分供應(yīng)十分重要。為了清晰的了解不同灌概時(shí)間及灌溉量對(duì)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(guò)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(yíng)養(yǎng)液的定時(shí)補(bǔ)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(gè)生長(zhǎng)發(fā)育期僅進(jìn)行一次灌溉，從移栽（2011 年開(kāi)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(kāi)始每間隔10 d 為一個(gè)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(zhǎng)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(shí)間接近，便于了解不同生育期灌溉對(duì)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(shí)間過(guò)短在生產(chǎn)上沒(méi)有必要，而間隔過(guò)長(zhǎng)無(wú)法獲取最優(yōu)灌溉的精確時(shí)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(zhǎng)過(guò)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(lái)，用實(shí)測(cè)氣象文件驅(qū)動(dòng)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?shí)際生長(zhǎng)過(guò)程中，豐水年與平水年的降水可以基本滿足生長(zhǎng)需求，灌溉對(duì)產(chǎn)量提升貢獻(xiàn)率較低，且過(guò)多的灌溉量會(huì)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(duì)枯水年不同灌溉方案對(duì)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(shí)間以及灌溉量的變動(dòng)較大。同一灌溉時(shí)間內(nèi)普遍呈現(xiàn)出灌溉量越大，NICRi越高、TWLV越大的趨勢(shì)，即枯水年十分需要灌溉來(lái)維持煙草的正常生長(zhǎng)。同一灌溉量的NICRi峰值出現(xiàn)在不同的灌溉時(shí)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(duì)應(yīng)煙草生育期以及模擬的生長(zhǎng)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(zhǎng)的階段，需水量大。團(tuán)棵后降水能滿足煙草旺長(zhǎng)部分水分需求，灌溉可作為輔助促進(jìn)煙葉生長(zhǎng)；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(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)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(shí)間段內(nèi)兩次灌溉對(duì)煙葉產(chǎn)量影響。為了便于比較分析、考慮土壤對(duì)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(shí)間間隔10 d，完成的兩次灌溉至少間隔20 d，灌溉量分4個(gè)等級(jí)：30、60、90、120 mm，兩次灌溉量保持相同，對(duì)近十年內(nèi)5個(gè)枯水年進(jìn)行兩次灌溉模擬，分析其對(duì)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(shí)間的變動(dòng)較大，同一灌溉時(shí)間受灌溉量的影響也較大。同一灌溉時(shí)間普遍呈現(xiàn)出灌溉量越大，NICRi越高、TWLV越大的趨勢(shì)。不同灌溉量的NICRi峰值出現(xiàn)時(shí)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(gè)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(guò)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(gè)灌溉方案（表4），其中灌溉時(shí)間為2 次，例如165 d∕205 d 表示第一次灌溉時(shí)間為165 d 第二次灌溉時(shí)間205 d，TWLV為在相應(yīng)灌溉時(shí)間灌溉120 mm 的模擬值。分析可知，每個(gè)枯水年對(duì)TWLV提升效果最好的前3 個(gè)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(zhǎng)，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(gè)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(duì)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?jī)H125.5 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(guò)一倍，灌溉貢獻(xiàn)率也較一般枯水年多50 多個(gè)百分點(diǎn)，實(shí)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(shí)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(gè)百分點(diǎn)，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(wú)需進(jìn)行3次灌溉的模擬（見(jiàn)表5）。

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

3.3.2 不同灌溉量對(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)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(jiàn)表6）。

表6 單次、兩次灌溉模擬TWLV增加值對(duì)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(duì)比單次總灌溉量120 mm 與兩次各灌溉60 mm 的效果。對(duì)于兩次灌溉，灌溉量60 mmTWLV已超過(guò)單次灌溉最高TWLV（最高時(shí)灌溉量為120 mm）的出現(xiàn)頻次見(jiàn)表7（灌溉日序中上行為第一次灌溉時(shí)間，下行為第二次），說(shuō)明兩次分別在合適的時(shí)間灌溉60 mm 較一次性灌溉120 mm 有明顯優(yōu)勢(shì)，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(duì)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(duì)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(duì)產(chǎn)量的提升效率，則在相同的灌溉時(shí)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(shí)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(shí)踐印證了利用煙草生長(zhǎng)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(duì)WOFOST 模型進(jìn)行參數(shù)校正及驗(yàn)證，參數(shù)率定的模型對(duì)煙草生長(zhǎng)模擬與許昌地區(qū)實(shí)測(cè)結(jié)果相符，則WOFOST 模型對(duì)于中國(guó)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(zhǎng)模擬結(jié)果，通過(guò)分析對(duì)比獲取最優(yōu)灌溉方案（灌溉時(shí)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(zhǎng)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(shí)間、次數(shù)的不同產(chǎn)量截然不同。

（3）結(jié)合煙草種植特點(diǎn)，討論在移栽后進(jìn)行灌溉對(duì)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(duì)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(shí)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(lái)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(shí)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(duì)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(zhǎng)的實(shí)際狀況。大多糧食作物都無(wú)法完全通過(guò)降水滿足生長(zhǎng)需求，因此需要對(duì)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(duì)應(yīng)灌溉需求，從需求出發(fā)進(jìn)行模擬。

由于煙草生長(zhǎng)移栽后生育期為團(tuán)棵、現(xiàn)蕾、成熟，僅對(duì)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(shí)間較長(zhǎng)，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(shí)間范圍內(nèi)，貼合煙草生育期對(duì)時(shí)間點(diǎn)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(shí)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(shí)際生產(chǎn)、滿足煙草生長(zhǎng)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(duì)WOFOST 模型進(jìn)行了參數(shù)校正并經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，對(duì)其運(yùn)用于灌溉方案的研究展開(kāi)分析和討論，但還存在著一些問(wèn)題：由于田間試驗(yàn)時(shí)對(duì)煙草生長(zhǎng)狀況的觀測(cè)項(xiàng)目有限、取樣時(shí)人為誤差等因素，對(duì)模型參數(shù)的調(diào)整存在不確定性和局限性。同時(shí)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。考慮到煙草收獲器官為葉，本研究?jī)?yōu)先考慮對(duì)生育期、葉干重的模擬效果。由于資料的有限性和多個(gè)站點(diǎn)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(gè)站點(diǎn)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(duì)性。后續(xù)可通過(guò)與其他作物模型的模擬效果進(jìn)行對(duì)比，確定最適合的模型，同時(shí)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(lái)煙草模型研究和應(yīng)用的方向。