張會(huì)婭，楊云川，2，3，莫崇勛，2，3，楊家禎，鄧思敏，謝鑫昌

（1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧 530004；2.廣西巖溶區(qū)水安全與智慧調(diào)控工程研究中心，廣西南寧 530004；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530004）

0 引言

作物水分利用效率WUE，是指作物產(chǎn)量與水分耗水量之間的定量關(guān)系，它是評(píng)價(jià)作物高效用水的參數(shù)，是衡量農(nóng)業(yè)用水科學(xué)性與合理性的重要指標(biāo)［1］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在進(jìn)行農(nóng)業(yè)水資源利用效果系統(tǒng)評(píng)價(jià)和灌溉制度決策時(shí)，由于研究角度和關(guān)注點(diǎn)不一，由此形成各種含義的作物水分利用效率［2］，本文選取國(guó)內(nèi)外使用較多的農(nóng)田總供水利用效率WUEg［3］、田間水分利用效率WP［3］、真實(shí)灌溉水利用效率WUEti［4］、和灌溉水利用效率WUEi［2］進(jìn)行差異和適用性研究。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于作物水分利用效率研究對(duì)象較多集中于小麥、玉米、棉花等［5-7］，鮮有關(guān)于研究甘蔗水分利用效率的文獻(xiàn)。

廣西熱量充足、雨水充沛，是我國(guó)最主要的甘蔗經(jīng)濟(jì)產(chǎn)區(qū)和糖業(yè)保障區(qū)［8］。來賓市每年甘蔗種植面積和產(chǎn)量穩(wěn)居廣西第二，但由于區(qū)域降水季節(jié)分配不均，蔗區(qū)巖溶發(fā)育、土層保水能力弱，導(dǎo)致區(qū)域氣象、甘蔗干旱災(zāi)害頻發(fā)［9］。加之區(qū)域灌溉工程條件不足，甘蔗種植仍以雨養(yǎng)為主。為此，亟待開展來賓市甘蔗作物水分利用效率的研究，提高甘蔗產(chǎn)量，量化灌溉制度方案對(duì)水資源管理的影響，使水資源高效利用。因此，本文基于本地化DSSAT-Canegro 模型，模擬不同典型干旱年在不同灌溉制度方案下的甘蔗產(chǎn)量，根據(jù)模擬結(jié)果，分析不同作物水分利用效率指標(biāo)，并篩選出最優(yōu)灌溉制度，為廣西甘蔗制定有效的灌溉決策提供重要科學(xué)參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

來賓市位于東經(jīng)108°24′～110°28′，北緯23°16′～24°29′之間，有“桂中腹地”之稱，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，地貌類型以山地丘陵為主［如圖1（a）］；全年氣候溫和、日照充足、雨量充沛、無霜期長(zhǎng)，年均日照時(shí)數(shù)為1 300～1 700 h，年降水量為1 200～1 900 mm，非常符合甘蔗生長(zhǎng)對(duì)熱量和光照的需求［10］，是廣西三大甘蔗種植市區(qū)之一。來賓市甘蔗主要種植在巖溶發(fā)育的低海拔洼地、坡面區(qū)域，總體呈非均勻連片密集、散點(diǎn)廣泛分布［如圖1（b）］；多年來，因區(qū)域灌溉條件不足，甘蔗種植仍以雨養(yǎng)為主。

圖1 來賓市DEM和來賓市甘蔗種植分布Fig.1 DEM of Laibin and distribution of sugarcane cultivation in Laibin

1.2 數(shù)據(jù)來源

論文研究中用到研究區(qū)的氣象、土壤、田間試驗(yàn)等3類數(shù)據(jù)集。其中，氣象數(shù)據(jù)采用逐日尺度中國(guó)氣象強(qiáng)迫數(shù)據(jù)集（China Meteorological forces Dataset，CMFD），是我國(guó)學(xué)者開發(fā)的0.1°空分辨率網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，包括1979-2018 連續(xù)40 年逐日降雨量、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、太陽輻射量等；其通過遙感產(chǎn)品、再分析數(shù)據(jù)集和原位站數(shù)據(jù)融合而成的，具有連續(xù)的時(shí)間覆蓋和一致性質(zhì)量，是目前應(yīng)用最廣泛的氣候氣象數(shù)據(jù)集之一（http：∕∕data.tpdc.ac.cn∕en∕data∕8028b944-daaa-4511-8769-965612652c49∕）［11］。

土壤數(shù)據(jù)主要來源于中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（http：∕∕vdb3.soil.csdb.cn∕），并以寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心《基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集》作為參考。其中，DSSAT-Canegro模型需要輸入的土壤信息包括土壤類型和土壤剖面特征，即土壤名稱、顏色、土壤容重、田間持水量、凋萎系數(shù)、飽和含水量、pH值等。

文中采用來賓市的兩個(gè)田間甘蔗種植全生育期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行DSSAT-Canegro 模型參數(shù)率定和驗(yàn)證；該田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)被用于相關(guān)研究中論證，可信度較高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本信息見表1。

表1 田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源Tab.1 Source of field experiment data

1.3 研究方法

1.3.1 典型干旱年選取

本文根據(jù)氣象干旱等級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB∕T20481-2017）中規(guī)定的監(jiān)測(cè)干旱指標(biāo)，即標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI劃分干旱等級(jí)從而得到不同干旱年。SPEI指數(shù)綜合考慮了降水和氣溫的共同效應(yīng)，能客觀反映干旱的強(qiáng)度?；趶V西來賓市1979-2018年的氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算得到1979-2018 年的SPEI值，根據(jù)等級(jí)劃分，選取典型干旱年。SPEI計(jì)算采用Matlab 編程實(shí)現(xiàn)，具體計(jì)算步驟詳見文獻(xiàn)［14］，其干旱等級(jí)劃分和典型干旱年選取見表2。

表2 SPEI指數(shù)干旱等級(jí)劃分和典型干旱年選取Tab.2 SPEI index drought class classification and typical drought years selection

1.3.2 物水分利用效率指標(biāo)

作物水分利用效率通常被定義為作物產(chǎn)量與相對(duì)應(yīng)水分消耗量的比值，本文研究選取目前使用較多4 種作物水分利用效率評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，即農(nóng)田總供水利用效率WUEg［3］、田間水分利用效率WP［3］、真實(shí)灌溉水利用效率WUEti［4］、和灌溉水利用效率WUEi［2］。

（1）農(nóng)田總供水利用效率WUEg。

（2）田間水分利用效率WP。

（3）真實(shí)灌溉水利用效率WUEti。

（4）灌溉水利用效率WUEi。

式中：各作物水分利用效率，kg∕m3；Y為單位面積作物產(chǎn)量，kg∕hm2；P為降水量，m3∕hm2；I為灌溉水量，m3∕hm2；ET為田間蒸散發(fā)量，m3∕hm2；?Y為灌溉條件與無灌溉（雨養(yǎng)）條件下單位面積作物產(chǎn)量差值，kg∕hm2。

1.3.3 甘蔗品種參數(shù)敏感性分析及率定方法

模型參數(shù)的敏感性分析及本地化是保證模擬結(jié)果可靠性及提高模擬精度的關(guān)鍵。DSSAT-Canegro模型中控制甘蔗的品種參數(shù)有20 個(gè)。文中基于模型數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)甘蔗品種NCo376，對(duì)來賓的主要甘蔗品種新臺(tái)糖16 號(hào)進(jìn)行模型參數(shù)的敏感性分析及本地化率定。

采用全局敏感性分析方法Morris法對(duì)DSSAT-Canegro 模型中的20 個(gè)甘蔗品種參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，Morris 法是針對(duì)局部敏感性分析方法存在的不足而進(jìn)行的改進(jìn)，通過微分的方法來計(jì)算逐個(gè)參數(shù)的敏感性，所需計(jì)算量較?。?5］，具體計(jì)算方法可參考相關(guān)文獻(xiàn)［16］，每個(gè)參數(shù)的平均值μ越大，說明參數(shù)的敏感性越強(qiáng)，而標(biāo)準(zhǔn)差σ值其值越高，說明參數(shù)交互作用越強(qiáng)。全局敏感性分析借助敏感性和不確定性分析軟件SimLab（Version2.2）實(shí)現(xiàn)。

模型參數(shù)本地化率定中，分別以來賓甘蔗的產(chǎn)量、莖高、葉面積指數(shù)和地上部干重作為目標(biāo)函數(shù)，基于表1 的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)1 進(jìn)行調(diào)試，表1 的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)2 進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)參數(shù)本地化。驗(yàn)證精度通過均一化均方根誤差NRMSE和一致性指數(shù)D來定量評(píng)價(jià)，具體計(jì)算過程可參考文獻(xiàn)［17］。

1.3.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)廣西來賓蔗區(qū)實(shí)際情況，其灌溉量穩(wěn)定在200～400 mm，為保障甘蔗的產(chǎn)量，本文設(shè)定最大灌溉定額為400 mm，灌水定額為80 mm?；诟收?個(gè)生育期：苗期（3.10-5.10）、分蘗期（5.11-6.11）、莖伸長(zhǎng)期（6.12-11.12）和成熟期（11.13-12.31）分別進(jìn)行灌水，由于莖伸長(zhǎng)期時(shí)間較長(zhǎng)，分為莖伸長(zhǎng)期前期和莖伸長(zhǎng)期后期，共5 個(gè)灌水日期。設(shè)置6 種灌溉模式，即不灌溉水、灌一水、灌二水、灌三水、灌四水、灌五水，得到32 種灌溉制度情景（表3）。其中，a 為苗期，b 為分蘗期，c 為莖伸長(zhǎng)期前期，d為莖伸長(zhǎng)期后期，e為成熟期。

表3 灌溉制度情景組合設(shè)置Tab.3 Irrigation system scenario combination setup

2 結(jié)果與分析

2.1 DSSAT 模型甘蔗品種參數(shù)敏感性分析、本地化及模擬驗(yàn)證

根據(jù)1.3.3節(jié)所述的參數(shù)敏感度方法，本節(jié)主要針對(duì)來賓市新臺(tái)糖16 號(hào)甘蔗進(jìn)行DSSAT-Canegro 模型的品種參數(shù)敏感性分析，經(jīng)過模擬結(jié)果與田間時(shí)間數(shù)據(jù)（表1 田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)1）對(duì)比發(fā)現(xiàn)：20 個(gè)甘蔗品種參數(shù)中，有12 個(gè)品種參數(shù)對(duì)甘蔗的產(chǎn)量、莖高等目標(biāo)函數(shù)有不同程度的影響，其定量敏感度如圖2。由圖2 可知，其中對(duì)甘蔗的產(chǎn)量影響較大的參數(shù)有Parcemax、Lfmax、Chupibase；對(duì)甘蔗的莖高影響較大的參數(shù)有Ttplntem；對(duì)甘蔗的地上部物質(zhì)干重影響較大的參數(shù)有Parcemax、Lfmax；對(duì)甘蔗的葉面積指數(shù)影響較大的參數(shù)有Mxlfarea、Ttplntem、Lfmax。以表1 中田間數(shù)據(jù)1 為依據(jù)，綜合敏感參數(shù)影響和多次調(diào)試試驗(yàn)，直至模擬值最大程度接近實(shí)測(cè)值，最終獲得來賓市甘蔗品種的DSSAT-Canegro 模型本地化參數(shù)取值，結(jié)果詳見表4。

圖2 DSSAT模型甘蔗品種參數(shù)敏感度Fig.2 Sensitivity of sugarcane variety parameters in DSSAT model

表4 模型品種參數(shù)描述及本地化率定結(jié)果Tab.4 Parameter description and debugging results of model varieties

基于上述DSSAT-Canegro 模型的本地化參數(shù)，對(duì)來賓市甘蔗葉面積指數(shù)、產(chǎn)量、地上部干重、莖高進(jìn)行模擬，結(jié)合表1中的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)2，對(duì)模擬值和實(shí)測(cè)值擬合驗(yàn)證，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3。

由圖3 可知，DSSAT-Canegro 模型模擬的來賓市甘蔗葉面積指數(shù)、產(chǎn)量、地上部干重、莖高與田間試驗(yàn)觀測(cè)擬合的一致性指數(shù)D分別達(dá)到0.971、0.996、0.994和0.959，其對(duì)應(yīng)的擬合均方根誤差NRMSE分別為18.21%、9.78%、9.11%和20.3%；由此表明，文中所采用的DSSAT-Canegro 模型及其本地化參數(shù)對(duì)來賓市甘蔗生長(zhǎng)模擬精度較高。

圖3 DSSAT模型模擬值與觀測(cè)值的回歸關(guān)系Fig.3 Comparison of simulated and observed values of DSSAT model

2.2 灌溉制度情景的產(chǎn)量響應(yīng)模擬

2.1 節(jié)已證實(shí)DSSAT-Canegro 模型及其本地化參數(shù)開展來賓市甘蔗生長(zhǎng)過程模擬能得到良好的精度，本節(jié)即模擬不同典型干旱年在32 種灌溉制度情景下的甘蔗產(chǎn)量。圖4 顯示了不同典型干旱年的平均產(chǎn)量在不同灌溉定額水平下的響應(yīng)，由圖4 可以明顯看出隨著灌溉定額的增加，不同典型干旱年的模擬產(chǎn)量的均值有不同程度的增加，不同灌溉定額下甘蔗平均產(chǎn)量水平差異在重旱年和特旱年更加明顯。以不灌水情景下的模擬產(chǎn)量為對(duì)照，對(duì)不同典型干旱年在各灌溉定額水平產(chǎn)量均值進(jìn)行增產(chǎn)率計(jì)算，特旱年的灌溉增產(chǎn)曲線上升幅度最大，說明灌溉對(duì)特旱年產(chǎn)量增產(chǎn)的貢獻(xiàn)最大。在灌溉定額為400 mm時(shí)，4個(gè)典型干旱年產(chǎn)量均值最高，增產(chǎn)率為：特旱年（39.92%）>重旱年（24.56%）>中旱年（18.51）輕旱年>（13.38%）。

圖4 灌溉定額平均模擬產(chǎn)量結(jié)果Fig.4 Average simulated yield results for irrigation quotas

2.3 不同作物水分利用效率相關(guān)性分析及指標(biāo)選取

基于甘蔗產(chǎn)量的模擬結(jié)果，對(duì)不同典型干旱年的4 個(gè)作物水分利用效率評(píng)價(jià)指標(biāo)展開計(jì)算，不同典型干旱年的4 個(gè)指標(biāo)平均值差異如圖5 所示，WP、WUEti與WUEg數(shù)值比較接近，WUEi從表達(dá)式來看僅考慮灌溉水量，所以導(dǎo)致WUEi數(shù)值較大。從圖5 來看，不同典型干旱年的4 個(gè)指標(biāo)規(guī)律性并不完全一致，比如重旱年WUEg

圖5 不同典型干旱年各指標(biāo)平均值比較Fig.5 Comparison of average values of indicators in different typical drought years

見表5對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析，得出不同典型干旱年4 個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)。如表5 所示，首先可以看出不同典型干旱年的WUEg與其他3 個(gè)指標(biāo)相關(guān)性較高，尤其是WP和WUEti，都通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)水平。輕旱年WUEg與WUEti、WP、WUEi的相關(guān)系數(shù)分別為0.849、0.746、0.583；中旱年WUEg與WUEti、WP、WUEi的相關(guān)系數(shù)分別為0.902、0.803、0.392；重旱年WUEg與WUEti、WP、WUEi的相關(guān)系數(shù)分別為0.883、0.714、0.589；特旱年WUEg與WUEti、WP、WUEi的相關(guān)系數(shù)分別為0.896、0.887、0.564。WUEg包含了降水量和灌溉水量，以二者之和作為水量的投入，充分體現(xiàn)了甘蔗水分消耗源于降水和灌溉補(bǔ)充，比較全面反映了甘蔗模擬產(chǎn)量與降水量和灌溉水量的真實(shí)關(guān)系。其次，WUEti與WP的相關(guān)性也比較強(qiáng)，WUEti是在灌溉條件下增加的產(chǎn)量（對(duì)比無灌溉條件下）與相對(duì)應(yīng)灌溉量之間的比值，直接體現(xiàn)蔗區(qū)投入的灌溉量對(duì)甘蔗產(chǎn)量增加的貢獻(xiàn)，能綜合反映出蔗區(qū)的灌溉水平。但是WUEti與WUEi沒有較為顯著的相關(guān)性，原因是WUEi的計(jì)算中水量消耗只考慮灌溉量，簡(jiǎn)單來說WUEi體現(xiàn)的是灌溉所帶來的總體產(chǎn)量，在來賓市這樣降水量比較豐富的地區(qū)，不考慮自然降水，WUEi計(jì)算數(shù)值偏大［18］，所以不推薦使用。另外，WP是產(chǎn)量與田間蒸散發(fā)量（ET）的比值，能較全面體現(xiàn)出甘蔗對(duì)水分吸收利用的效率，但在實(shí)際生活當(dāng)中，田間蒸散發(fā)量的數(shù)據(jù)并不好獲取，有些要素的測(cè)定比較復(fù)雜，限制了它在大尺度及長(zhǎng)時(shí)段的應(yīng)用［19］，并且沈榮開等學(xué)者認(rèn)為該指標(biāo)是灌溉制度、自然氣象條件等各種因素綜合作用的效果，不是單一供水條件所能決定的［2］。綜合以上分析，本文推薦來賓市甘蔗水分利用效率的指標(biāo)是WUEg與WUEti。

表5 不同典型干旱年各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficients of various indicators for different typical drought years

2.4 不同典型年最優(yōu)灌溉制度方案篩選

分別以作物水分利用效率和模擬產(chǎn)量最高為目標(biāo)，評(píng)價(jià)選取不同典型干旱年中32種灌溉制度的最優(yōu)方案，其中作物水分利用效率選取的是與其他3個(gè)指標(biāo)相關(guān)性都較為顯著的農(nóng)田總供水利用效率WUEg，具體結(jié)果見表6。

表6 以作物水分利用效率和模擬產(chǎn)量最高為目標(biāo)的最優(yōu)灌溉制度篩選結(jié)果Tab.6 Screening results of optimal irrigation system aiming at the highest crop water use efficiency and simulated yield

以作物水分利用效率最高為目標(biāo)進(jìn)行篩選灌溉制度，輕旱年和中旱年灌溉1 次，重旱年和特旱年灌2 次。不難發(fā)現(xiàn)，以作物水分利用效率最高為目標(biāo)，4 個(gè)不同典型干旱年的灌水時(shí)期均在莖伸長(zhǎng)期，甘蔗的莖伸長(zhǎng)期是甘蔗整個(gè)生育階段需水量最多的時(shí)期，也是甘蔗生長(zhǎng)最快，產(chǎn)量積累的關(guān)鍵時(shí)期，此時(shí)甘蔗必須從外界環(huán)境吸收大量水分［20］。而甘蔗的莖伸長(zhǎng)期后期更易發(fā)生秋旱，這也解釋了為什么輕旱年和中旱年在莖伸長(zhǎng)期后期灌溉水分利用效率最高。

以模擬產(chǎn)量最高為目標(biāo)進(jìn)行篩選灌溉制度，輕旱年灌溉3次，中旱年灌溉2 次，重旱年和特旱年灌4 次。以產(chǎn)量最高為目標(biāo)，4 個(gè)典型干旱年并不是干旱程度越強(qiáng)，灌溉定額越高，比如中旱年的灌溉定額是160 mm，而輕旱年的灌溉定額是240 mm，說明干旱典型年的灌溉不僅要考慮全年的干旱程度，還應(yīng)考慮甘蔗不同生育期的干旱程度，因?yàn)楦收嶙罱K產(chǎn)量對(duì)不同生育期干旱及灌溉的響應(yīng)是不同的。

3 結(jié)論

（1）利用參數(shù)本地化的DSSAT-Canegro 模型，模擬了不同典型干旱年甘蔗平均產(chǎn)量對(duì)不同灌溉定額水平的響應(yīng)，其中特旱年平均產(chǎn)量隨著灌溉定額的增大，增幅最為明顯。

（2）根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)4種作物水分利用效率指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和相關(guān)性分析，本文推薦使用農(nóng)田總供水利用效率WUEg與真實(shí)灌溉水利用效率WUEti，這兩個(gè)指標(biāo)相關(guān)性較強(qiáng)，且概念正確，均是評(píng)價(jià)作物水分利用效率最客觀指標(biāo)之一。

（3）模擬的甘蔗產(chǎn)量為區(qū)域格點(diǎn)平均結(jié)果，尚難以反映氣象、下墊面要素和人文因子的空間異質(zhì)性對(duì)甘蔗產(chǎn)量累積的空間格局影響，在今后工作中需進(jìn)一步由單點(diǎn)模擬轉(zhuǎn)向考慮空間分異的面域模擬，并拓展考慮甘蔗產(chǎn)量對(duì)單一生育期干旱及灌溉的響應(yīng)。