北方农牧交错带裸燕麦蒸散结构与灌溉制度优化研究

张红娟，李 赟，李雅丽，武占岭，沈彦俊，裴宏伟

（1.河北建筑工程学院，河北张家口075000；2.河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室，河北张家口075000；3.张家口市农业高效节水研究所，河北张家口075000；4.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，石家庄050021）

0 引 言

目前，世界上许多国家和地区正面临着淡水短缺和农业用水效率低下的双重困境[1]。我国北方农牧交错带大部分地区年均降雨量普遍低于400 mm，年内分配不均，且年际变化大[2]，水资源严重不足严重制约着农作物的生长发育及产量，因而在生育期增加灌溉已成为了当地农业生产的主要保障[3,4]。北方农牧交错带作为我国北方草地农业和耕地农业的契合发展带[5]，同时也是中东部地区重要的生态安全屏障和京津冀地区重要的水源涵养带[6]，具有不同于农区和牧区的独特经济形态。长期以来，由于该区域水资源过度开发，导致农牧结构失衡、经济社会发展不可持续的问题越来越突出[7]。其中，如何根据地区水资源特点制定合理的灌溉制度进而提高农业水资源利用效率，已经成为本地区当前生态保育工作和“三农”工作提质增效最为关键的问题。

作物模型已被证明是为农业用水提供科学灌溉制度的有力工具[8,9]，现已开发了一系列作物生长模拟模型，例如CERES-玉米模型[10]、WOFOST 模 型[11]、CropSyst 模 型[12]和TCSM模型[13]等，但这些模型具有复杂的操作性以及所需输入大量的参数，因此使用这些模型较为困难，而美国农业部于2000年开发的根区水质模型（Root Zone Water Quality Model2）所需较少且直观的参数[14]，国内外已开展了大量有关RZWQM2 模型优化灌溉制度的研究，例如周始威等[15]人运用RZWQM2模型探究了不同灌溉情景对石羊河流域春小麦产量、所需灌水量及灌溉水利用效率，得到了适宜的灌水上限和各生育期的计划湿润层深度；Fang[16]等人利用RZWQM2 模型在华北平原小麦-玉米轮作验证了各生育期的灌溉策略，并确定了小麦和玉米之间有效灌溉水的最佳分配；Zhang[17]等人模拟了不同灌溉处理下向日葵的生长发育及土壤水分变化，并得到向日葵的最优灌溉制度；Zhang[18]等人模拟了基于生育期的亏缺灌溉对玉米产量的影响，并得到在玉米整个生育期应均匀的应用亏缺灌溉策略。

综上所述，RZWQM2 模型在灌溉制度和情景模拟等方面取得了显著的成果，但对裸燕麦作物的灌溉制度研究较少。因此，本研究以北方农牧交错带中段地区主要种植的粮饲一体作物裸燕麦为研究对象，基于已得到校准后的裸燕麦参数[19]，分析了雨养条件下裸燕麦的蒸散结构变化，并模拟了该地区裸燕麦的不同灌溉制度下的作物生长情况和产量，从而计算水分利用效率和灌溉水生产效率，并分析作物生长、产量、水分利用效率和灌溉水生产效率对灌溉的响应，以此得到适宜于北方农牧交错带地区裸燕麦的最优灌溉制度，为该地区水资源有效利用和裸燕麦高效生产提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区与田间试验

本研究田间试验站点（41°09′N、114°42′E）位于北方农牧交错带（36°30′～46°42′ N、106°16′ W～124°51′ E）中部典型区——张北县境内。试验于2018年和2019年在张家口市农业高效节水研究所进行，根据中国气象数据利用统计的气象数据（1985年-至今），该研究区近10 a 平均降雨量为405.6 mm， 平均气温为 4.4 ℃ （http://data. sheshiyuanyi. com/WeatherData/），由图1 表明，2018年和2019年降雨量分别为488.7 mm 和420.5 mm，且两年降雨量主要集中在6-9月份，分别占总降雨量的73.85%和60.05%；试验区土壤质地以沙壤土为主，耕作层（0～40 cm）土壤pH在7.6～8.2之间。

图1 2018和2019年月降雨量及累计降雨量Fig.1 Monthly and cumulative precipitation in 2018 and 2019

裸燕麦试验时间为2018年6月15日-9月23日、2019年6月5日-9月11日，供试裸燕麦品种为当地普遍种植的“坝莜1号”。试验小区设置为雨养处理，小区面积为4 m2（2 m×2 m），小区外围设有1 m的保护行，试验小区底部安装有大型称重式蒸渗仪，该蒸渗仪由一个不锈钢铁箱组成（长×宽×高=2 m×2 m×2.3 m）。采用条播方式种植，行距为25 cm，深度为4 cm，种植密度450 万株/hm2，在播种前一次性施入复合肥90 kg/hm2（N-P2O5-K2O=18∶18∶18），试验小区的田间管理措施与当地保持一致。

1.2 数据收集

（1） 土壤含水量。土壤含水量通过智能测墒系统（Insentek Sensor：简称“智墒”）进行实时监测，每1 h 监测一次[20,21]。

（2）作物数据。在裸燕麦生育期内，每7～10 d 测定一次裸燕麦的株高、叶面积及生物量，同时在保护行随机选取20株，测定株高和叶片长度和宽度，并称其生物量质量。

（3）蒸散量。本研究中田间蒸散量是由大型称重式蒸渗仪通过每日初始和最终土体重量之间的差值来计算，土体重量的增大则是由降雨量和灌溉量的增加所引起的。由于试验场地是平整的，没有得到任何高灌溉量和降雨量，因而径流和排水被认为是可以忽略不计。

1.3 RZWQM2模型描述及参数优化

RZWQM2 模型是由美国农业部研究所研发的农业系统一维模型，模型主要模块有物理、化学、杀虫剂、养分、作物生长和作物管理[21-24]。模型中对土壤水分入渗过程采用Green-Ampt 入渗方程描述[25]，同时分别采用Poiseuille’s 方程和Richard’s方程模拟大孔隙流动和土壤水的再分布，蒸散则由Shuttleworth-Wallace 方程计算而得[26]。RZWQM2提供了多种选择用于模拟作物生长，包括通用作物生长模型、CROPGRO 模型、CERES 模型、快速种植作物模型、快速草皮和快速树木模型[27]。在本研究中，选用作物模块中CERES-barley 模型来模拟裸燕麦生长发育情况。同时模型中需要输入的数据包括：气象数据、初始土壤条件、土壤特性参数和田间管理数据，所需的土壤理化参数见表1。

表1 试验地不同土层主要物理参数Tab.1 Main physical parameters of different soil depth in the experimental site

利用历史气象数据（2010-2019年）进行了10年的初始化运行，并根据2018年和2019年雨养处理的作物管理、叶面积指数、地上生物量、籽粒产量及土壤水分等试验数据，通过“试错法”对RZWQM2模型中的一组参数（作物品种参数、土壤水力参数）进行了优化。作物品种参数为P1V、P1D、P5、G1、G2、G3、PHINT（见表2），土壤水力参数包括不同深度下的饱和导水率和田间持水量（见表1），此外还可优化土壤根系生长因子参数。

表2 裸燕麦作物遗传参数Tab.2 Genetic parameters of naked oat crops

1.4 RZWQM2中的ET模拟

在RZWQM2 模型中，通过Shuttleworth-Wallace （S-W）模型来计算实际蒸散（ET）,在该模型计算中，PET方程代表部分冠层覆盖的土壤被扩展到一个完整的范围内的土壤冠层残留条件，计算得到的PT和PE设置了实际蒸腾（T）和实际蒸发（E）的上限，并通过Richard’s 方程来模拟降雨或灌溉期间的水分渗透及土壤剖面内的水分运动。

在给定时间间隔内，PET是由PT与PE的和估算而得：PET=PT+PE。PT的计算公式为：

式中：Δ为饱和蒸气压对温度曲线的斜率；λ为水气化潜热；Rn为冠层顶部通过的太阳辐射通量；G为热传导进入冠层的热通量；Rnsub为通过冠层到达地面的太阳辐射通量；ρ Cp为空气体积热容；VPDo为水气压梯度；为冠层边界阻抗；为冠层气孔阻抗；γ为温度计常数。

PE由两部分组成：

式中：Cs与Cr为Es与Er的比值系数，其中Cs+Cr=1；PEs为裸地的潜在蒸发；PEr为秸秆覆盖的潜在蒸发。

PEs与PEr的计算公式为：

式中：Rns为被裸地截获的太阳辐射通量；Rnr为被秸秆覆盖截获的太阳辐射通量；Gs为裸地热通量；Gr为秸秆覆盖区域热通量；为裸露地表到平均冠层高度之间的空气动力学阻抗为土壤地表阻抗；为覆盖物地表到平均冠层高度的空气动力学阻抗；为覆盖物阻抗。

1.5 模拟情景设计

本研究中以雨养裸燕麦作物生长、土壤水分动态以及田间蒸散动态模拟结果为基础，结合已完成的试验研究结果[19,20]，从而进行灌溉制度设计与优化，可进一步完善试验结果，同时可提高节水潜力并优化灌溉制度。

为探究不同灌溉制度对裸燕麦产量与水分利用效率、灌溉水生产效率的影响，本文根据2018年和2019年田间试验基础，结合当地灌溉制度，设定了4种不同灌溉模拟情景见表3，T1 为幼苗期灌溉定额30 mm；T2 为幼苗期和拔节期分别灌溉30 mm；T3为幼苗期、拔节期和孕穗期各灌溉30 mm；T4为幼苗期、拔节期、孕穗期和开花期均灌溉30 mm。各情景模拟均在无养分胁迫条件下进行，并根据作物产量（kg/hm2）、水分利用效率（kg/m3）和灌溉水生产效率3 个指标进行优选灌溉制度。

表3 2018年和2019年裸燕麦灌溉处理Tab.3 Irrigation treatment of naked oats in 2018 and 2019

水分利用效率WUE的计算公式为：

式中：WUE为水分利用效率，kg/m3；Y为产量，kg/hm2；ET为裸燕麦田间蒸散量，mm；WUE越高则表明裸燕麦对水分的利用率越大。

灌溉水生产效率IPE的计算公式为：

式中：IPE为灌溉水生产效率，kg/m3；YI为灌溉处理的产量，kg/hm2；YD为雨养处理的产量，kg/hm2；I为裸燕麦生育期内灌溉量，mm。IPE越高则表明裸燕麦对灌溉水的利用程度越大。

2 结果与分析

2.1 雨养条件下裸燕麦蒸散结构变化特征

裸燕麦蒸散组分的分离研究是通过RZWQM2 模型和大型称重式蒸渗仪联合应用实现，其中蒸散量（ET）是由大型称重式蒸渗仪测定。在裸燕麦完整生育期内田间蒸散量呈现“增加-平稳-减少”的消长规律（图2），在不同生育期的组成结构中，拔节期、孕穗期和开花期的日均蒸散量可达5 mm/d，而幼苗期和成熟期日均蒸散量较小，且不足1 mm/d。

本研究主要分析了雨养裸燕麦2018年生育期内6-9月份的蒸腾结构（见图2）。结果表明，在8月和9月雨养裸燕麦蒸散活动主要以作物蒸腾为主，日尺度蒸腾量与蒸散量比值（T/ET）均超过了0.50，位于0.79～0.98 之间，9月T/ET平均值则超过0.85；在完整生育期内，雨养裸燕麦在生长旺盛（7、8月份） 的拔节期（35.50%）、孕穗期（23.54%） 和开花期（28.26%）蒸腾占主导，且与总蒸散量比值超过0.80。就裸燕麦完整生育期内的蒸散结构特征而言，幼苗期（6月份）蒸散量最小（10.40 mm），仅占整个生育期总蒸散量的3%;而在8月份表现最大，最大为164.10 mm，占总蒸散量的42.69%，且基本为土壤蒸发，而随着地上生物量的逐渐积累，蒸散结构中蒸腾的比重开始快速上升，直到孕穗开花期之后，蒸腾在蒸散总量的比例趋于稳定，在0.8～1.0之间浮动。

图2日尺度与月尺度平均蒸散量与T/ET（蒸腾量/蒸散量）变化Fig.2 Variation of daily and monthly mean evapotranspiration and T/ET

2.2 不同灌溉条件下裸燕麦生长情况对灌溉的响应模拟分析

对2018年和2019年不同灌溉处理（T1～T4）模拟下，通过对比雨养裸燕麦叶面积指数增加（LAI），在裸燕麦生育期内，LAI随着灌溉量的增加各灌溉处理均呈现增加的趋势（见图3）。T1 处理较雨养条件（T0）相比，2018年和2019年LAI平均分别增加了5.20%和4.85%，且LAI模拟值最大为5.62 和5.26；T2处理较T0相比，两年平均LAI增加均大于10%，分别为15.14%和12.07%；而T3 和T4 处理与T2 处理LAI结果一致，可能原因是由于在孕穗期和开花期阶段降雨充足且田间持水量基本达到饱和，降雨量可以提供作物所需要的水分，因此LAI增加不再发生变化。

在裸燕麦完整生育期内，2018年和2019年不同灌溉处理下生物量增加随着灌溉量的增加也均呈现增加的态势（见图4）。T1处理较T0相比，2018年和2019年生物量平均分别增加了8.56%和4.28%；T2 处理较T0 相比，两年平均生物量增加均大于20%，分别为27.72%和20.83%；T3 处理两年平均生物量增加也均大于20%，分别为27.52%和21.47%；T4 处理结果同T2处理一致。

图4 不同灌溉处理下裸燕麦生物量模拟变化Fig.4 Simulation changes of biomass of Naked oat under different irrigation treatments

2.3 不同灌溉条件下裸燕麦产量对灌溉的响应分析

本研究通过校准后的RZWQM2 模型，模拟了2018年和2019年4种灌溉条件下的裸燕麦产量。总体来看，裸燕麦产量随着灌溉量的增加而增高，在T2、T3和T4灌溉处理下对裸燕麦产量的提升不再发生变化（见图5）。其中，T1 处理当灌溉量为30 mm 时，裸燕麦产量提升与雨养条件相比增幅较小，产量分别增加了54.99 kg/hm2和95.66 kg/hm2，增产率分别为1.84%和2.84%；T2 处理当灌溉量为60 mm 时，产量增加幅度较大，产量分别达到了3 213.7 kg/hm2和3 686.29 kg/hm2，相比雨养条件下裸燕麦产量增加了223.85 kg/hm2和319.87 kg/hm2，增产率分别为7.49%和9.50%；而T3 和T4 处理模拟结果与T2处理模拟结果一致。

图5 不同灌溉处理下裸燕麦产量模拟变化Fig.5 Simulation changes of yield of Naked oat under different irrigation treatments

2.4 不同灌溉条件下裸燕麦水分利用效率和灌溉水生产效率特征

在对2018年和2019年裸燕麦不同灌溉处理下的水分利用效率和灌溉水生产效率进行分析表明（见图6和表4），在裸燕麦生育期内不同阶段增加灌溉量会得到相应的增产效益。裸燕麦在T2 和T4 处理（与雨养条件T0 处理对比）水分利用效率最高，分别为0.91 kg/m3和1.34 kg/m3，相比T0 处理分别增加了2.25%和7.2%；其次是T1 处理，水分利用效率分别为0.86 kg/m3和1.27 kg/m3，与T0 相 比，2018年 反 而降低了3.37%，2019年仅提高了1.16%；而T3处理水分利用效率均降低，分别降低了2.25%和4.00%。

图6 不同灌溉处理下裸燕麦水分利用效率变化Fig.6 Changes of water use efficiency of Naked oat under different irrigation treatments

在T1～T4 四种不同灌溉处理下，灌溉水生产效率在2018年和2019年的变化均较大（见表4），在2018 和2019年，T2处理的灌溉水生产效率最高，分别为0.37 kg/m3和0.53 kg/m3，其次是T3 处理，T4 处理最低，最低分别为0.19 kg/m3和0.27 kg/m3，相比T2 处理降低了48.65%和49.05%。因此综合考虑水分利用效率和灌溉水生产效率结果表明，2018年和2019年的最优灌溉方案为T2灌溉处理。

表4 不同灌溉条件下裸燕麦水分利用效率和灌溉增产效率结果Tab.4 Results of water use efficiency and yield irrigation efficiency of Naked oat under different irrigation treatments

3 结 论

本研究利用参数校准后的RZWQM2 模型，通过分析雨养裸燕麦作物蒸腾与田间蒸散变化，对2018年和2019年裸燕麦各生育期不同灌溉制度进行了模拟，并计算分析了各生育期灌溉量对裸燕麦生长、田间水分、产量、水分利用效率以及灌溉水生产效率的影响，优化灌溉制度，得到以下结论：

（1）裸燕麦生育期内，雨养裸燕麦在生长旺盛7、8月份）的拔节期、孕穗期和开花期（蒸腾占主导，位于0.80～0.98 之间，月蒸散结构在6月份蒸散量最小（10.40 mm），仅占整个生育期总蒸散量的3%，在8月份表现最大，最大为164.10 mm，占总蒸散量的42.69%。

（2）通过对比雨养裸燕麦（T0）叶面积指数（LAI）、生物量与产量的变化，T2 处理叶面积指数、生物量和产量整体高于T1、T3 和T4 处理，且叶面积指数增加平均高于T0 处理的15.14%和12.07%，生物量增加平均高于27.72%和20.83%，产量也相比T0处理分别增产7.49%和9.50%。

（3）2018年和2019年T2 和T4 灌溉处理的水分利用效率高于T1 和T3 处理，分别达到了0.91 kg/m3和1.34 kg/m3，T2 处理的灌溉水生产效率高于T1、T3 和T4 处理的33.3%～50.0%，分别达到了0.37 kg/m3和0.53 kg/m3，因此综合考虑结果表明，2018年和2019年的最优灌溉方案为T2灌溉处理。