不同灌溉制度下水稻产量的模拟研究

唐 皓

(辽宁省农村水利建设管理局，辽宁 沈阳 110003)

水稻是我国的主要粮食作物，其产量的高低将直接影响全国的粮食安全保障[1]；党的十九大报告明确提出要“确保国家粮食安全，把中国人的饭碗牢牢端在自己手中”，因此水稻稳产增产成为十分重要而急迫的研究课题。在我国耕地面积持续减少的背景下，靠不断扩大水稻种植面积来提高产量的方法已无较大潜力，只能通过优选高产品种、推广优质栽培技术、实施合理灌溉制度等方式来提高单位面积的产量，以提高我国的水稻总产量[2]。灌溉制度对作物产量具有明显的影响[3]，一般情况下，充分灌溉可保证作物产量的最大化[4]，但由于水资源也是限制我国社会、经济发展的重要制约因素[5]，因此有必要充分了解不同灌溉制度下的水稻产量变化规律，并以此为依据来平衡“节约水资源”和“提高粮食产量”双重发展目标。

目前，不同灌溉制度下水稻产量的研究主要集中于田间试验法，该方法结果准确可靠，但需要耗费大量的人力与物力，且研究周期较长，地域限制非常严格，因此实用性相对较差；模拟法主要采用计算机进行结果预测，可以节省大量的人力与物力，周期性短，具有较为广泛的适用性，因此正逐渐成为该领域研究的重要方式。在各作物生长模型中，世界粮农组织开发的AquaCrop模型具有参数少、易操作、精度高等优势，在美国、加拿大、意大利、西班牙、澳大利亚等国的玉米、大麦、小麦、棉花、土豆、甜菜等作物产量的预测中得到了普遍的验证与应用[6]，而在我国水稻产量的预测中却应用得很少。因此，本文通过对比实测和模拟的水稻产量来评价AquaCrop模型在水稻产量模拟中的适用性，并应用率定且验证过的模型来对16组不同灌溉制度情景下的水稻产量进行模拟，从而为水稻产量模拟技术的应用和水稻的灌溉管理提供科学支撑。

1 作物生长模型

1.1 AquaCrop模型概述

AquaCrop模型是由国际粮农组织于2009年开发成功并向全球免费推广的一款作物生长模型。该模型为一个土壤-作物-大气的连续系统，包含土壤水分平衡、作物生长模拟、和大气组分三大基本模块，此外还提供了灌溉和施肥等管理措施模块。AquaCrop模型具有参数少、易操作、精度高等优势，但在我国水稻产量的预测中尚处于起步阶段，因此有必要对其适用性进行评价，并为其应用提供经验。

1.2 AquaCrop模型基本方程

AquaCrop模型的核心方程为[6]：

Y=fHI×HI0×B

(1)

式中，Y—最终作物产量，kg/m2；fHI—调整系数；HI0—作物成熟时的收获指数；B—为生物量，kg/m2，其具体表达式为：

(2)

式中，Ksp—温度胁迫系数，该值介于0～1之间，0值表示温度太低不能满足作物生长，1值表示作物生长所需热量能够完全得到满足；WP—作物水分生产力，指单位面积单位蒸腾量的地上干物质，WP*—标准化的作物水分生产力；ET0i—第i天的参考蒸散量，采用FAO Penman-Monteith公式计算得到；Tri—第i天的作物蒸腾量，其公式为：

Tr=Ks(KcbxCC*)ET0

(3)

式中，Ks—土壤水分修正系数，介于0～1之间，0值表示作物受到严重的水分胁迫，1值表示无水分胁迫影响；Kcbx—比例因子；CC*—调整的作物冠层覆盖率，表示冠层生长状况，在作物的生长过程中，t时刻的作物冠层覆盖率CC为：

(4)

在作物的衰老过程中，公式为：

(5)

式中，CC0—初始时刻的冠层覆盖率；t—时间，CGC—冠层覆盖率日增长量，CCx为最大植被冠层覆盖率，CDCt为达到最大冠层覆盖后的日衰减量。

2 模型验证方法与结果

2.1 试验材料与方法

为评价AquaCrop模型在水稻产量中的适用性，对吴珠明的水稻灌溉试验[6](以下简称为“验证试验”)进行模拟，并将模拟结果与实测结果进行比较。该试验于2016年在淠史杭灌溉试验站进行，试验水稻品种为冈优渝九，试验田土壤条件参数见表1。

表1 土壤条件基本参数

试验共设计了浅湿间歇I、浅湿间歇II、群习灌、和不灌水4种不同的灌溉制度；其中浅湿间歇指在水稻生长期内设置一定的灌溉间歇天数，群习灌情景指按照设计保持水层，不灌水情景指除移栽时以外不灌水。试验中各生育期的气象条件与灌溉制度的设计水层与间歇天数总结于表2中，其它试验细节可参见文献[7]。

表2 各生育期气象条件与灌溉制度参数

2.2 模型验证与结果

选用浅湿间歇I情景实测数据，根据水稻产量指标对AquaCrop模型的参数进行率定，后利用浅湿间歇II、群习灌、和不灌水3种灌溉制度情景对AquaCrop模型进行验证。率定的作物收获指数为39%，作物系数为1.32，土壤水分消耗系数上限为0.73，土壤水分消耗系数下限为0.24，冠层增长率为0.031，冠层衰老率为0.180，其它参数选用默认值。采用标准的误差分析指标(平均相对误差MBE、决定系数R2、Nash效率系数EF、均方根差RMES、平均绝对误差MAE、平均相对误差MBE，具体公式可参见文献[8])评价模型的适用性，结果如图1所示。各散点表示水稻产量的模拟值与实测值之比，各散点均比较接近等值线(1∶1线)，表明模拟结果较精确；趋势线系数为1.137，大于1，说明当水稻产量较低时AquaCrop模型倾向于低估实际产量，而当产量较高时则模型倾向于高估；MBE小于0，说明该模型总体是低估了水稻产量；R2和EF均较接近于1，同时RMES、MAE、MBE的数值均较小，说明模拟值与观测值之间具有较高的吻合度，满足精度要求，可以应用于实际的案例当中。

图1 水稻产量实测与模拟值比较图

3 应用案列

3.1 模拟灌溉制度情景设计

采用经过率定与验证的AquaCrop模型对不同灌溉制度下的水稻产量进行模拟，在验证试验的基础上共设计16种不同的灌溉制度情景。将水稻的生育期归纳为返青与分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期、和乳熟期共4个时期，黄熟期由于不需灌水，故不作考虑。各灌溉制度在不同生育期内的灌溉定额见表3，其中G0表示雨养灌溉制度，对应于验证试验中的“不灌水”情景；G1、G2、和G3系列分别表示灌1水、灌2水、和灌3水类灌溉制度；G4表示在4个生育期均进行灌溉，对应于验证试验中的“群习灌”情景。

表3灌溉制度情景方案与灌溉定额

单位：mm

3.2 模拟结果与讨论

不同灌溉制度下水稻产量的模拟结果如图2所示。根据图2可知，在各种灌溉制度下，雨养灌溉模式(G0A)的水稻产量最低，仅为4995kg/hm2，主要因为自然降水的时间分布与水稻需水过程的耦合性一般都比较差，不进行灌溉则无法保证水稻的需水量，从而限制了水稻的正常生长。在灌1水类灌溉制度中，G1C的产量最大，而G1A最小，说明若仅进行1次灌溉，在抽穗开花期进行灌溉产量最大，而在返青与分蘖期灌溉则产量最差，由于返青与分蘖期的设计灌水定额量也同时较大，因此无论从节约水资源角度或提升作物产量角度来分析，都不适宜将灌水期确定于返青与分蘖期；在灌2水类灌溉制度中，G2D情景下的水稻产量最大，而G2C最小，因此若仅进行2次灌溉，则建议将灌水期确定为拔节孕穗期、和抽穗开花期；在灌3水类灌溉制度中，G3A情景下的水稻产量最大，而G3C最小，因此若进行3次灌溉，则建议将灌水期确定为返青与分蘖期、拔节孕穗期、和抽穗开花期。不灌溉、灌1水、灌2水、灌3水、和灌4水(群习灌)的平均水稻产量分别为4995、5965、7621、9319、9890kg/hm2，即水稻产量随灌水次数的增加而增加。

图2 不同灌溉制度下水稻产量的模拟结果

随着水资源短缺问题的日趋严重，单位面积作物产量往往不再是灌溉制度设计的唯一标准，还要考虑水资源的生产效率，并根据“节约水资源”与“提高作物产量”两个目标之间的相对重要性来确定最佳的灌溉方案。例如，G4A的产量为9890kg/hm2，而G3A的产量为9762kg/hm2，两者产量仅相差128kg/hm2，但G3A灌溉制度少一次灌水期，因此在水资源短缺情况下，亏缺灌溉可以提供更高的生产效率，当决策者认为节省的水资源价值超过损失的潜在水稻产量时，则依据实际情况应该选择G3A灌溉制度；同理，在其它情况下，也可以参考本文方法选择最适宜的灌溉制度。

4 结语

采用AquaCrop作物生长模型研究了不同灌溉制度下的水稻产量，主要得到以下重要结论：

(1)AquaCrop模型在水稻产量的模拟中具有较高的适用性，具有一定的推广价值。

(2)在不同灌溉制度中，水稻产量随灌水次数的增加而增加，但产量的增加幅度可能较小，即亏缺灌溉制度可以有更高的生产效率，因此当节省的水资源价值超过损失的潜在水稻产量时，亏缺灌溉制度可具有更大的优势。

(3)若仅进行1次灌溉，在抽穗开花期进行灌溉产量最大；若仅进行2次灌溉，则建议将灌水期确定为拔节孕穗期、和抽穗开花期；若进行3次灌溉，则建议将灌水期确定为返青与分蘖期、拔节孕穗期、和抽穗开花期。

[1] 齐英. 基于不同灌水条件的水田渗透及水稻耗水蒸腾试验研究. 水利技术监督, 2017, 25(04): 57- 59.

[2] 孙凤英. 基于多时间尺度的二九零灌区水稻生育期降水量分析及预测. 水利规划与设计, 2011(05): 21- 22.

[3] 曹广月. 以引黄入冀补淀工程为水源的农作物灌溉制度设计——以衡水冀州市引黄灌溉工程为例. 水利规划与设计, 2017(03): 31- 35.

[4] 付强, 王立坤, 门宝辉. 推求水稻非充分灌溉下优化灌溉制度的新方法. 水利学报, 2003(01): 123- 128.

[5] 陈国民. 节水灌溉制度设计中混沌算法的应用. 水利规划与设计, 2016(06): 60- 62.

[6] 朱秀芳, 李宜展, 潘耀忠, 等. AquaCrop作物模型研究和应用进展. 中国农学通报, 2014, 30(08): 270- 278.

[7] 吴珠明. 不同灌溉制度对水稻需水量及产量的影响. 现代农业科技, 2017(09): 12- 14.

[8] 彭致功, 张宝忠, 刘钰, 等. 华北典型区冬小麦区域耗水模拟与灌溉制度优化[J]. 农业机械学报, 2017(09).