基于AquaGIS模型的盈科灌区制种玉米农业用水效率分析

韩聪颖， 张宝忠， 刘 钰

(1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室， 北京 100038；2.国家节水灌溉北京工程技术研究中心， 北京 100048)

1 研究背景

我国农业用水效率仅为40%左右[1]，灌溉水利用系数仅为0.53，远低于欧洲发达国家。不合理灌溉是造成农业低效用水的主要原因之一。提高田间农艺管理措施，包括制定合理的灌溉制度是提升灌区灌溉水利用效率的重要途径。为此，一些学者[2-4]尝试对作物灌溉制度进行了优化，极大地提高了水分生产率。由于作物模型可重复性比较强，已经成为农业研究的重要工具。利用作物模型进行灌溉制度优化已经被广泛应用到农业生产中[5-7]。但是这些优化仅限于田间尺度，作物生长环境比较单一。随着作物生长环境，尤其是土壤质地的空间变异性，作物最佳灌溉制度也会产生一定的空间差异。利用作物模型，结合作物生长环境的空间变异性对灌溉制度进行空间优化具有很大的现实意义。

鉴于此，学者们对如何将田间点模型进行区域应用展开了初步探索。Hansen等[8]提出了通过增加模型输入数据取样点密度，例如通过增加土壤质地采样点数目，减小模型区域模拟的误差，但是此方法仅限于在小尺度范围进行研究。Saarikko[9]将芬兰地区划分为10 km×10 km的栅格，在每个栅格内利用CERES-Wet-Wheat模型结合有限输入数据，对小麦产量在不同气候条件下进行估测。以上模型区域应用方法减小了传统模型以点带面带来的误差，但是受输入数据尤其是土壤数据空间连续性的限制，区域模拟误差仍然很大。并且受空间环境变异性、输入数据复杂性等影响，一些作物模型如ASPIM等[10]、CROPSYST等[11]、DSSAT等[12]、WOFOST等[13]的区域应用受到很大限制。

为此，世界粮农组织(FAO)研发了AquaCrop模型[14-15]，并且为促进AquaCrop模型在区域尺度的应用，FAO又开发了AquaData 和 AquaGIS模型[16]，为初步实现输入数据和输出数据的空间差异性划分提供平台。该模型输入参数比较少，输入数据直观且易获取，因此得到了快速而广泛的发展[17]。AquaCrop模型和遥感数据的耦合为模型区域应用提供了新的研究思路[18]。中国科学院南京土壤研究所等相关单位完成了全国土壤数据库建设，该数据基本覆盖了全国各种类型土壤及其主要属性特征，这一成果在很大程度上解决了该模型进行区域应用时土壤质地数据空间连续性的难题。目前，利用该分布式模型进行区域应用的研究尚少，Lorite等[16]利用该模型对西班牙南部安达卢西亚地区过去30年和未来30年气候变化对小麦产量的影响进行了模拟，极大地提高了区域模拟效率。

目前，利用分布式模型对区域作物进行灌溉制度空间优化研究尚少。为此，本文以盈科灌区为研究区域，利用分布式AquaGIS模型和带精英策略的遗传算法NSGA-II对该灌区的制种玉米灌溉制度进行优化，并进一步分析该灌区农业用水效率，为提高盈科灌区农业用水效率提供理论指导。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

盈科灌区位于张掖市甘州区，地理位置38°50′～38°58′N, 100°17′～100°34′E。灌区年平均气温6.5～8.5℃，多年平均降雨量133 mm，参考作物年蒸散发量1 200 mm左右。灌区内地下水埋深比较大，从西南部的40 m减小为东北部的5 m。盈科灌区占地面积192 km2，其中灌溉面积占比68%。灌区主要种植作物有制种玉米、大田玉米、小麦、蔬菜及其他作物，其中，制种玉米是当地最主要的农作物，种植面积占总种植面积的50%左右。该区域制种玉米采用覆膜种植，平均在4月22日左右播种，9月23日左右收获，全生育期150 d左右，据甘州区水务局统计，灌区制种玉米生育期平均灌溉5次，灌溉制度如表1所示，本文以播种后天数表示灌水时间。本研究于2012年4月-2013年9月在盈科灌区一分支渠石桥五斗二农渠进行了田间试验，为模型率定和验证提供基础数据。

表1 盈科灌区制种玉米现状灌溉制度

2.2 数据获取方法

(1)田间试验采集数据主要包括叶面积指数、地上干物质量、土壤含水率，数据采集方法详见参考文献[19]；

(2)土壤数据来源于南京土壤研究所，根据土壤质地栅格数据显示，盈科灌区不同深度层土壤属性空间差异比较大，该区0～30 cm和30～100 cm两个深度层土壤主要为黏壤土、壤土和粉砂壤土(土壤属性如表2所示)，土壤水力学参数利用Rosetta软件基于土壤粒径组成进行估算；

(3)气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn/)，本文采用张掖站气象资料，包括日最低气温、日最高气温、平均湿度、平均风速、日照时数、日降雨量；

(4)灌溉管理资料来源于盈科灌区水管局，资料显示该灌区平均灌溉4次，全生育期入田水量604 mm。

表2 盈科灌区0～100 cm深度土壤属性

2.3 AquaGIS介绍

AquaGIS模型是AquaCrop模型基于作物生长环境的空间差异性进行的集成，该软件将作物生长环境划分成独立的匀质模拟单元，对区域内不同的模拟单元进行独立模拟。AquaGIS模型核心组成是batch文件，该文件集成了模型运行需要的数据结构，主要包括作物、气象、土壤、灌溉、播种日期、初始条件、田间管理等。软件使用步骤简单介绍如下：

(1)利用ArcGIS将目标区域的空间属性文件，包括土壤类型、种植结构、灌溉分布、气象等进行叠加，将目标区域划分成独立的模拟单元，使模拟单元拥有独立的模拟环境；

(2)按照batch文件的结构，对每个模拟单元进行模拟环境分配；

(3)利用率定好的AquaCrop模型按照模拟单元的模拟环境生成对应的.cro文件，即作物文件，这里主要是指肥胁迫参数；

(4)按照气象文件和土壤文件要求，整理模型模拟需要的weather文件和soil文件；

其他操作主要包括：根据实际情况整理模型需要的初始含水率、地下水文件(由于盈科灌区地下水埋深较大，所以本研究予以忽略)，播种日期(本研究采用统一播种日期)，田间管理文件。

输入数据准备完成即可运行软件，对作物生长状况及需耗水规律进行空间模拟。该软件自带的空间分析功能可以对模拟结果进行空间展示。

3 结果分析与讨论

3.1 AquaCrop模型率定和验证

分别利用2012和2013年田间试验数据对AquaCrop模型进行率定和验证，以确定适合盈科灌区制种玉米的模型参数，并选择均方根误差RMSE、标准均方根误差NRMSE、一致性指数d对率定结果进行评价，模型率定结果如表3所示。结果显示，冠层覆盖度率定和验证过程的RMSE分别为7.5%和7.9%，NRMSE分别为10.2%和11.9%，d分别为0.97和0.98；土壤水储量的RMSE分别为18.8和40.1 mm，NRMSE分别为6.2%和13.4%，d分别为0.93和0.75。其中，模型进行验证时，土壤肥胁迫系数仍然采用的2012年率定值，这与2013年实际情况有所出入，因此导致地上干物质量模拟误差稍微偏大，其中NRMSE分别为21.5%和51%稍有偏高，但是d分别达到了0.97和0.86，模拟结果可以接受。

表3 AquaCrop模型率定和验证评价指标

注：冠层覆盖度的单位为%； 地上干物质量的单位为t/hm2； 土壤储水量的单位为mm。

3.2 盈科灌区现状年农业用水效率

利用AquaGIS模型对盈科灌区2015年制种玉米产量和水分生产率进行空间模拟。该灌区2015年制种玉米平均产量为13.31 t/hm2，水分生产率WPET为2.01 kg/m3，灌溉水生产率WPI仅为2.21 kg/m3。模拟结果显示，灌区2015年制种玉米生育期渗漏量144 mm，造成了极大的水资源损失。为提高灌区农业用水效率，根据黑河中游绿洲实际配水情况，分别假定灌区配水3、4、5和6次，并对每种假定分别进行灌溉制度优化，结果如表4所示。

表4 盈科灌区现状年及优化灌溉制度的农业用水效率

分析可知，灌溉制度优化以后制种玉米产量略有降低，但是减少量均在5%以内。灌溉制度优化以后灌溉定额明显减少，蒸散发量减少36～53 mm，实现了本质意义上的节水，水分生产率WPET增加量在5%左右，灌溉水生产率WPI增量达到25%-48%，极大地提高了农业用水效率。综合优化结果，灌区现状年平均灌溉4次灌溉制度最优，灌溉水效率WPI可达到3.27 kg/m3。

3.3 盈科灌区不同水文年农业用水效率

对张掖水文站(1980-2014)年降雨资料进行降雨频率分析(如图1所示)，分别得到该站点丰水年(保证率25%)、平水年(保证率50%)和枯水年(保证率75%)的年均降雨量。对应站点不同水文年及对应气象要素如表5所示。对盈科灌区不同水文年制种玉米灌溉制度进行优化，并进一步对比分析该灌区不同水文年的农业用水效率，结果如表6所示。

对表5、表6进行分析可知，盈科灌区丰水年和枯水年水分生产率WPET基本一致，平均为2.26～2.29 kg/m3，平水年比较低，为2.09～ 2.17 kg/m3。气象数据显示，平水年平均风速达到2.8 m/s，高于丰水年(1.8 m/s)和枯水年(1.8 m/s)，且该水平年平均相对湿度低于丰水年和枯水年，因此平水年ET整体偏高。综合对比灌区制种玉米WPET、WPI、产量可知，丰水年灌区最佳灌水次数为3次，平水年最佳灌水次数为4次，枯水年最佳灌水次数为5次。

水文气象要素丰水年(P=25%)平水年(P=50%)枯水年(P=75%)典型年份200820131980年降雨量/mm154125100年日照时数/h305231733174年平均气温/℃8.38.87.3平均风速/( m·s-1)1.82.81.8年平均相对湿度/%51.243.951.2

表6 盈科灌区不同水文年优化灌溉制度的农业用水效率

4 结 论

(1)基于分布式作物模型的灌溉制度优化能够充分考虑作物生长环境因素的空间变异性，尤其是土壤质地的空间变化对灌溉制度的影响，能够更加合理地制定出适合目标区域的灌溉制度，最大限度地提高区域农业用水效率。

(2)灌溉制度不合理是盈科灌区农业用水效率偏低的重要因素，通过优化灌溉制度，灌区农业用水效率有很大的提升空间。本文提出了适合盈科灌区实际配水情况的一组优化灌溉制度，通过灌溉制度优化，灌区制种玉米蒸散发量减少36～53 mm，水分生产率WPET增加5%左右，灌溉水生产率WPI增加25%～48%，极大地提高了灌区农业用水效率。

(3)本文对张掖水文站降雨资料进行分析，分别制定了盈科灌区不同水平年的灌溉制度，并提出了不同水文年最佳灌溉制度，分别为丰水年灌区最佳灌水3次、平水年最佳灌水4次、枯水年最佳灌溉5次，为盈科灌区科学合理的灌溉管理提供理论指导。