基于CROPWAT模型的宁南灌区春玉米非充分灌溉制度研究

金建新，桂林国，何进勤，尹志荣，李 逸

(1.宁夏农林科学院 农业资源与环境研究所，银川 750002；2.兰州资源环境 职业技术学院，兰州 730021)



基于CROPWAT模型的宁南灌区春玉米非充分灌溉制度研究

金建新1，桂林国1，何进勤1，尹志荣1，李 逸2

(1.宁夏农林科学院 农业资源与环境研究所，银川 750002；2.兰州资源环境 职业技术学院，兰州 730021)

为探索宁南灌区春玉米非充分灌溉制度，对CROPWAT模型在非充分灌溉条件下对其腾发量和产量模拟的适应性进行评价，利用不同梯度灌水定额大田试验实测的腾发量和产量与CROPWAT模型模拟结果相比较。结果表明，春玉米不同生育时期腾发量与该阶段灌水定额呈正比关系，灌溉定额为150 m3/hm2和630 m3/hm2处理在苗期实测日耗水量分别为1.33 mm/d、2.67 mm/d，CROPWAT模型的模拟值也表现类似的结果，该日耗水量模拟值分别为1.42 mm/d、2.89 mm/d。前者实测产量为4 409 kg/hm2，模拟值为3 937 kg/hm2，两者相差10.7%，说明CROPWAT模型对于模拟不同条件下的玉米产量具有一定的可靠性。因此，CROPWAT模型在宁南灌区春玉米非充分灌溉制度的制定过程中具有一定的指导作用。

CROPWAT模型；宁南灌区；春玉米；非充分灌溉制度

随着经济社会的发展，水资源短缺的问题日益凸显，而农业用水资源存在空间分布不均衡等问题[1]，导致传统的通过充分灌溉取得最高经济效益的农业发展模式逐渐被以高水分利用效率的节水灌溉农业所取代，所谓非充分灌溉就是在作物关键需水期供给作物充足或者存在适当的水分胁迫，而在非关键需水期采用限额灌溉，使作物在重度或者中度水分胁迫中进行缺水适应性锻炼，以追求单方水利用效率最高的灌溉制度和灌溉模式，这种模式的提出对高效利用农业水资源具有重要意义，也使农业水权转让成为可能[2]。目前，通过模型对作物生长和水资源配置已逐渐成为热点，在农业上研究和运用成熟模型主要有DSSAT、APSIM等，对CROPWAT模型运用到农业灌溉管理已有不少研究，孙世坤等[3]通过模拟西北内陆干旱地区非充分灌溉制度对春小麦和玉米腾发量和籽粒产量的影响，结果表明CROPWAT模型对其具有较好的模拟效果，但结果偏大，因此，在利用CROPWAT模型时需对作物系数和产量反应系数进行实测，以提高模拟精度。亢振军等[4]通过CROPWAT模型对玉米产量与水分的相互关系进行模拟试验，结果表明灌浆期水分对玉米产量的影响最大，并提出适宜该地区的合理补灌灌溉制度。沈成等[5]通过CROPWAT模型与大田试验相结合的方法对玉米套种小麦进行研究，得出合理的非充分灌溉制度。本试验主要从西北内陆独特的气候特征出发，利用CROPWAT模型对大田不同灌溉定额条件下的玉米产量、生长与水分的相互关系进行模拟，结合大田实测结果进行对比，得到宁南内陆区春玉米的非充分灌溉制度，为该地区发展高效节水灌溉奠定理论基础和实践经验。

1 材料与方法

CROPWAT模型是FAO于20世纪90年代基于气象参数、作物特征及土壤理化性质的作物生长和产量预测模型，其主要功能为预测作物日、旬、月的蒸腾蒸发量，指导灌溉管理人员按照理论计算得到的灌溉定额适时地进行灌溉，CROPWAT模型不仅能较准确地模拟充分灌溉中特定气象和土壤条件下作物的产量，在非充分灌溉中亏水程度对作物产量的影响的模拟也具有一定的适用性，但是需要根据当地具体条件对作物亏水敏感系数和作物系数进行准确的选定。目前，CROPWAT已经开发出8.0版本，其主要工作原理是基于Penman-Monteith模型、Stewart模型等多种模型的基础上，输入作物参数(主要包括播种日期、作物系数、根系吸水层范围和作物产量反应系数等)、当地气象参数(气温、大气相对湿度%、2 m处风速、当地日照时数、月降雨量)、土壤参数(土壤初始可供水量、土壤类型等)作物参数(作物系数Kc、生育时期、根深、耗水模数、产量反应系数)等参数，在模型中加以求解，得到作物日蒸发蒸腾量、理论产量以及灌溉制度等结果[6]。

1.1 试验设计

本试验为大田水分单因素试验，玉米品种为中熟性‘富农565号’，灌水方式为膜下滴灌，滴头选择流量为0.32 L/s的内镶贴片式滴头，其间距为30 cm，每个小区用水表严格控制供水量。试验共设计9个灌水梯度，灌溉定额9个处理分别为：处理1为150 m3/hm2、处理2为210 m3/hm2、处理3为270 m3/hm2、处理4为330 m3/hm2、处理5为390 m3/hm2、处理6为450 m3/hm2、处理7为510 m3/hm2、处理8为570 m3/hm2、处理9为630 m3/hm2，整个生育时期共灌水13次，灌水周期为8 d，每个处理设置3个重复，每个小区面积为25 m2，玉米种植采用1膜2管3行布置，行距30 cm、株距30 cm，在第1～3次灌水时在首部加肥料罐随水每小区施二胺1 kg，以促进玉米根系的生长，在4～9次灌溉时每小区追施2 kg。试验区土壤物理参数见表1。

表1 试验区土壤物理参数

1.2 试验区概况

试验于2013年4月至10月在宁南灌区进行，其位于六盘山西麓，东经105°43′33″，北纬35°57′57″，属于黄土高原干旱丘陵区，属于典型的温带大陆性气候，四季分明。年平均气温12.3 ℃，试验年降雨量568.4 mm，年潜在蒸发量1 488 mm，干旱指数2.6左右，日照时数2 286 h，大于10 ℃的有效积温为2 400 ℃，无霜期198 d，平均海拔2 400 m，地下水位10～20 m，平均矿化度1 g/L，最大冻土深115 cm，试验区土质为沙质粘壤土，降雨年内分布不均衡，90%的降雨主要集中在7-9月，属于典型的内陆干旱季风气候(图1)。

2 结果与分析

2.1 土壤水分变化及春玉米腾发量

土壤水分主要受到试验区有效降雨量、地下水上升补给及灌溉水量的影响，试验区地处西北内陆干旱区，降雨量稀少，地下水位较深，因此，土壤水分的摄入量主要来源为灌溉，其消耗主要为玉米腾发量和颗间蒸发2部分，土壤水分是玉米生长主要水分来源，其在玉米关键生育时期是否充足，在很大程度上决定玉米的生长和产量，对土壤水分的人为控制和调节，将是实现高效节水灌溉和提高作物产量的关键所在，本试验通过TRIME-FM3土壤剖面水分速测仪测定各小区不同深度土壤含水率，不同日期土壤水分变化情况如图2所示。

由图2可以看出灌溉为影响土壤水分变化的主要因素，灌水后各处理土壤水分均增大，但是不同灌溉定额处理下各小区土壤水分变幅并不相同，主要表现土壤最大含水率和灌溉定额呈正比关系，灌溉定额为150 m3/hm2的处理在灌水后土壤质量含水率最大值为8%，在玉米日耗水量最大的灌浆期[7]土壤含水率降低至3%～4%，此值为凋萎系数以下，长期土壤水分过低会严重影响玉米生长[8]，灌溉定额为630 m3/hm2的处理灌溉后土壤含水率最大达到23%，最小为8%～9%，可见灌溉对土壤水分影响较大。土壤水分变化最为剧烈的时期为7月20日至8月14日，该阶段为玉米灌浆期，消耗水分较多，各处理土壤水分最小值均出现在该时期。

图1 玉米生育时期气象参数变化

图2 玉米生育时期内土壤平均水分变化

玉米耗水量根据水量平衡法，利用实测的土壤水分变化值来求解，水量平衡法基本原理为在某时段内消耗的土壤水分量与增加的土壤水分量的差值就是土壤储水量的变化值，该方法理论依据明确，计算简单，仅需土壤水分和当地水文条件即可，计算误差较小，表达式如下所示。

ETa=P+I+G-D-R+△W

式中：ETa为玉米的耗水量(mm)；P为时段的有效降雨量(mm)；I为灌溉水量(mm)；G为上升毛管水对计划湿润层的有效补给量(mm)；D为深层渗漏损失量(mm)；R为灌溉、降雨量形成的田面径流形成的农田尾水(mm)；△W为玉米根系吸水层土壤含水率的变化值(mm)。

2.2 春玉米腾发量的模拟

春玉米于4月初种植，9月底收获，生育时期约为110 d，其消耗水分最大的时期为7月20日至8月14日(拔节期)和8月15日至9月14日(灌浆期)，此阶段玉米耗水最大，需要大量的水分供应满足其生殖生长和营养生长。

CROPWAT模型对作物腾发量的模拟主要依据作物系数法和Penman-Monteith模型计算得到的参考作物需水量ET0值来计算。目前作物系数有分段单值平均法、双作物系数法[9]，或者参考CROPWAT模型的作物属性数据库，本试验参照孙景生[10]、丁林等[11]的研究结果，计算式如下所示：

ETc=Kc×ET0

其中：ETc为作物蒸腾蒸发量(mm)；Kc为作物系数，与作物有关的分阶段变量；ET0为参考作物需水量(mm)。其中参照作物需水量ET0利用FAO推荐的penman-menteith公式计算:

式中：ET0为参考作物腾发量(mm/d)，是标准条件牧草的理论值； G为土壤热通量[MJ/(m2·d)]；Thr为时段平均气温( ℃)；es为饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa);△为饱和水汽压与温度曲线的斜率(kPa/ ℃)；γ为干湿表常数(kPa/ ℃) ；Rn为作物表面的净辐射量[MJ/(m2·d)]；u2为距离田面2m处的平均风速(m/s)。根据宁南地区气象资料，CROPWAT模型模拟得到的该地区参考作物腾发量ET0变化情况如图3所示。

计算玉米在整个生育时期的腾发量ETa，另外根据CROPWAT模型利用作物特征以及输入的光照、降雨、气温等气象资料，通过彭曼法[12]对玉米生育时期内月平均蒸发蒸腾量进行模拟和分析，得到结果如表2所示。

图3 试验年内参考作物腾发量ET0变化

由表2可以看出玉米腾发量ETa随生育时期的增大表现出先增大后减小的变化规律，在前期玉米叶片较小，腾发量主要表现为颗间土壤蒸发，灌溉定额为150 m3/hm2的处理在苗期实测腾发量为1.33 mm/d，而在拔节期和抽穗期增大为2.73 mm/d和2.37 mm/d，增幅分别为105.3%、78.2%，可见玉米在苗期至拔节期腾发量增长率最大，因为该时期处于玉米营养生长旺盛期，灌溉定额为630 m3/hm2的处理也有类似的结论，该增幅分别为68.2%、47.6%。在同一生育时期阶段不同处理下腾发量与灌水定额呈正比关系，表现为灌水量越大其蒸腾蒸发消耗量也越大，拔节期灌溉定额为630 m3/hm2的处理腾发量ETa较灌溉定额较小的处理分别大2.9%、8.8%、19.8%、32.9%、27.5%、53.3%、51.6%、64.5%。

计算得到的玉米不同处理的蒸发蒸腾量如表2所示，可以看出模拟得到的结果比实测值整体偏大，在苗期灌溉定额为150 m3/hm2的处理实测得到的蒸发蒸腾量为1.33 mm/d，但是模拟得到的该结果为1.42 mm/d，偏大6.8%，灌溉定额为630 m3/hm2的处理在苗期该值实测值为2.67 mm/d，模拟值为3.02 mm/d，偏大13.2%，说明灌水定额越大，模拟误差越大，这可能是由于所选择的作物系数和缺水敏感指数偏大的结果，两者不同生育时期蒸发蒸腾量实测和模拟结果趋势线如图4所示。

表2 各处理玉米不同生育时期内腾发量ETa实测值和模拟值

图4 灌溉定额为150 m3/hm2和630 m3/hm2处理不同生育时期ETa实测和模拟趋势线

由图4可以看出，2个处理蒸腾蒸发量均为单峰曲线，并且变化趋势比较一致，均在拔节期至灌浆期为峰值，灌溉定额为630 m3/hm2的处理日蒸腾蒸发量最大值可以达到4.6 mm/d，出现在拔节期之后，该时期玉米由营养生长逐渐过渡到生殖生长期，叶片最大，耗水强度大，后期随着气温的降低、有效叶片数减少及玉米生理活动减弱，日蒸腾蒸发量逐渐降低，并且灌水定额较小的处理降低速率更快，灌溉定额为630 m3/hm2和150 m3/hm2的处理从抽穗期至灌浆期日蒸腾蒸发量降低分别为49.5%、24.5%，说明过度的水分供给会导致玉米贪青晚熟，不利于其籽粒产量的积累，其日蒸腾蒸发量的变化分别满足如下式所示的抛物线关系。

y=-0.65x2+3.27x+0.46R2=0.97

y=-0.665x2+3.239x-1.15R2=0.97

2.3 春玉米产量的模拟

产量是对玉米品种和生长环境综合反映的指标，CROPWAT模型对作物产量的模拟是建立在Stewart模型的基础上，以计算得到的ET0值为依据，结合作物产量反映系数进行计算和模拟的，Stewart模型表达式如下。

式中：ym为玉米潜在最大产量(kg/hm2)，ETm为与之对应的蒸腾蒸发量(mm)；y为非充分灌溉条件下的玉米实际产量(kg/hm2)，ET为与之对应的蒸腾蒸发量(mm)；ky为作物产量反应系数。

作物产量反应系数是一个反映缺水对产量影响程度的系数，生育时期不同作物对水分的反应不同，因此该系数是一个阶段变量，根据CROPWAT玉米特性数据库，其4个阶段作物产量反应系数分别为0.44、0.63、0.59、0.42，CROPWAT模型根据Stewart表达式和特定的气象灌溉参数模拟的玉米产量、实测的产量和水分利用效率WUE如图5所示。

图5 玉米WUE和产量实测与模拟值

由图5可以看出，玉米不同处理条件下的实测值和模拟值比较接近，相对误差基本处于10%以内，灌溉定额为150 m3/hm2的处理实测产量为4 409 kg/hm2，模拟值为3 937 kg/hm2，两者相差10.7%，表明CROPWAT模型对于模拟不同条件下的玉米产量具有一定的可靠性。从图5可以看出模拟玉米产量值比实测值偏大，灌溉定额为150 m3/hm2至630 m3/hm2处理模拟值比实测值分别大10.7%、10.2%、9.6%、8.2%、8.7%、8.1%、5.4%、4.8%、3.9%，这可能是由于CROPWAT模型不能对缺水下玉米生理生长的情况做出准确的判断和计算，作物产量反应系数ky取值偏大的原因，缺水程度越大，其误差越大。因此，可以根据当地试验得到的作物产量反应系数ky值代替模型作物属性数据库的相关数据即可得到比较准确的结论，对当地生产种植和灌溉管理作物科学合理的模拟。图5中水分利用效率为实测值，其整体趋势为先减小后增大再减小的双峰曲线，因为产量是受水分及其他环境因子协同作用的结果，虽然灌溉定额为150 m3/hm2的处理WUE最大，为2.18 kg/m3，但是其产量偏低，仅为灌溉定额为630 m3/hm2的处理产量最大值的51.2%，经济效益偏低，水分利用效率另一个峰值出现在灌溉定额为510 m3/hm2的处理，其产量为灌溉定额最大处理的92.3%，相对减产幅度不大，因此，灌溉定额为510 m3/hm2可以作为田间灌溉制度制定的参考。

3 结论与讨论

宁南灌区水资源供需矛盾突出，玉米作为一种高耗水性作物，已无法保证其充分灌溉所需要的供水量，因此，寻求一种水分生产效率较高的灌溉制度对发展宁南节水生态型灌区至关重要，本试验利用模型数值模拟和大田非充分灌溉试验相结合的研究方法，对CROPWAT模型在宁南春玉米非充分灌溉条件下产量和水分消耗模拟的适应性进行评价，旨在提出宁南春玉米水资源高效利用的非充分灌溉制度。CROPWAT模型以penman-menteith公式为方法计算作物腾发量，进而根据作物系数和作物缺水敏感系数等实测参数对作物产量、蒸腾蒸发量进行模拟，结果显示，利用CROPWAT模型数据库的作物系数和作物缺水敏感系数计算得到的腾发量值和实测值比较接近，说明模型在模拟非充分灌溉条件下作物腾发量和产量具有一定的准确度，孙世坤等[3]的研究结果类似，王文佳等[7]在关中地区基于CROPWAT模型对冬小麦进行指导灌水，取得了良好的经济效益，说明CROPWAT模型在指导对作物灌溉中具有重要的指导意义。但作物腾发量模拟值较实测值大，产量较模拟值大，这可能是由于在作物腾发量的模拟中模型数据库中的物系数和作物缺水敏感系数选取偏大，而在产量模拟中CROPWAT模型不能对缺水对玉米生理生长的影响做出准确的判断和计算所致，因此，在利用模型模拟作物生长和产量，在制定非充分灌溉制度过程中所要对其参数做进一步的率定，进而达到优化灌溉制度的目的。总之，春玉米耗水特性为一驼峰曲线，在拔节期至灌浆期其耗水量达到最大，CROPWAT模型中产量反应系数ky亦为最大，说明模型在模拟产量对水分的响应上具有一定的可靠性。因此，借用CROPWAT模型来指导宁南灌区春玉米灌溉制度具有一定的可行性，其得到的非充分灌溉制度可以作为当地灌溉管理的参考和依据。

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(责任编辑：成 敏 Responsible editor:CHENG Min)

Research on Insufficient Irrigation Institution Based on CROPWAT Model by Spring Maize in Southern Ningxia

JIN Jianxin1, GUI Linguo1, HE Jinqin1, YIN Zhirong1and LI Yi2

(1. Institute of Agricultural Resources and Environment, Ningxia Academy of Agriculture and Forestry, Yinchuan 750002, China;2. Lanzhou Vocational College of Resources and Environment, Lanzhou 730021, China)

Study on non-sufficient irrigation system of spring maize in southern Ningxia irrigation area, the evapotranspiration and yield simulation of CROPWAT model to evaluate adaptability for non-sufficient of spring maize in southern Ningxia irrigation area,usingET0and yield under different gradient irrigation quota in field test compared to CROPWAT model simulation results. The results showed that different growth stages of spring maize evapotranspiration proportional to the stage irrigation quota, irrigation quota treatment 150 m3/hm2and 630 m3/hm2water consumption were measured 1.33 mm/d and 2.67 mm/d in seedling, simulation result of CROPWAT model also showed similar results, water consumption analog value were 1.42 mm/d, 2.89 mm/d at the corresponding date. The former found yield was 4 409 kg/hm2, the simulation result was 3 937 kg/hm2, difference of 10.7%, which incicated that CROPWAT model had a certain reliability for simulating maize production under different conditions. Therefore, CROPWAT model has a guiding role in determination of non-sufficient irrigation system for spring maize in southern Ningxia irrigation area.

CROPWAT model; Southern Ningxia irrigation area; Spring maize; Insufficient irrigation system

JIN Jianxin,male,assistant researcher.Research area:agriculture of arid regions and water saving irrigation.E-mail：jinnxnk009@163.com

GUI Linguo, male,researcher.Research area:fast soil fertility and water saving agriculture.

2015-07-03

2015-11-05

“十二五”国家科技支撑计划课题(2014BAD14B006)；宁夏回族自治区自然科学基金(NZ15127)。

金建新，男，研究实习员，从事旱区农业和节水灌溉研究。E-mail：jinnxnk009@163.com

桂林国，男，研究员，主要从事土壤快速培肥和农业节水研究工作。

日期：2016-10-20

S513.071

A

1004-1389(2016)10-1465-07

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20161020.1653.014.html

Received 2015-07-03 Returned 2015-11-05

Foundation item Sci-tech Project of the “12thfive-year-plan” of China(No. 2014BAD14B006)；Ningxia Natural Science Foundation of China(No. NZ15127)。