基于SWAP模型的稻田節(jié)水增產(chǎn)灌溉模式研究

摘要 利用田間試驗資料對SWAP模型進行驗證。利用模型模擬不同灌水方案的水分運移，分析不同灌溉方案的作物產(chǎn)量和水分利用效率。結(jié)果表明：（1）SWAP模型可以模擬稻田的水分運移和相對產(chǎn)量，為稻田水分運移和水稻產(chǎn)量的研究提供了一種方便可行的方法;（2）按試驗設(shè)計標(biāo)準制定的控制灌溉C的實際產(chǎn)量和水分利用效率均最大，分別比常規(guī)灌溉增加8.45%、25.55%;（3）按試驗設(shè)計標(biāo)準設(shè)定的控制灌溉C是一種節(jié)水增產(chǎn)的灌溉模式。

關(guān)鍵詞 稻田;水分利用效率;作物產(chǎn)量;控制灌溉

中圖分類號 S511 ?文獻標(biāo)識碼

A ?文章編號 0517-6611（2015）03-092-03

基金項目 公益性行業(yè)（水利）科研專項（201301014）;國家自然科學(xué)基金重點項目（50839002-5）。

作者簡介 郭思怡（1987- ），女，安徽阜陽人，助理工程師，碩士，從事水利規(guī)劃設(shè)計工作。

收稿日期 20141209

水稻是我國最重要的糧食作物，其產(chǎn)量占全國谷物總產(chǎn)的40%以上，稻谷生產(chǎn)對保證我國糧食安全的影響較大^[1-2]。目前我國大部分地區(qū)水稻生產(chǎn)仍習(xí)慣采用深水淹灌這一傳統(tǒng)的灌水方式，農(nóng)業(yè)用水的利用效率不高。

節(jié)水灌溉是節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要組成部分。節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)是在改進灌溉技術(shù)，完善灌溉管理制度及保持區(qū)域水資源平穩(wěn)的基礎(chǔ)上，提高灌溉水的有效利用率，投入最少或較少的灌溉水產(chǎn)出最多或較多的農(nóng)產(chǎn)品，以獲得單位灌溉水量的最高生產(chǎn)效率的一種灌溉技術(shù)。節(jié)水灌溉兼有節(jié)水與高產(chǎn)雙重要求，又因為水分利用效率是單位水量對產(chǎn)量的貢獻率，是衡量產(chǎn)量高低的重要指標(biāo)之一，因此對于需水規(guī)律及水分利用效率的研究是合理選擇節(jié)水灌溉方式、評價節(jié)水灌溉效果的重要依據(jù)^[3-5]。

大量研究認為，作物耗水量與產(chǎn)量呈顯著的拋物線關(guān)系^[6-7]。Turner^[8]研究指出，充足的供水和適當(dāng)控水交替對產(chǎn)量增加更為有效。山侖等^[4]研究認為，輕度水分虧缺顯著抑制蒸騰強度，而光合速率下降不明顯，復(fù)水后光合作用具有超補償效應(yīng)。彭世彰^[9-10]得出控制灌溉模式可以在不降低水稻產(chǎn)量的同時，提高作物水分利用效率，減輕對環(huán)境的負荷。

該研究通過分析控制灌溉對水分利用率的影響，應(yīng)用SWAP模型對田間水分運移和作物產(chǎn)量進行模擬，提出合理的控制灌溉模式，對南方稻作區(qū)節(jié)約灌溉用水、維護稻田生態(tài)的良性循環(huán)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于江蘇省高郵市卸甲鎮(zhèn)周莊村境內(nèi)，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫14.6 ℃，常年降雨量1 037 mm，多年平均蒸發(fā)量1 060 mm。無霜期242 d，最高氣溫38.5 ℃，最低氣溫-18.5 ℃，相對濕度75%左右。土壤耕層質(zhì)地為黏壤土，淺層地下水位埋深0.5～1.2 m，0～40 cm田間土壤全氮含量0.73 g/kg，全磷含量0.88 g/kg，pH 7.4，土壤容重1.17 g/cm³。

1.2 試驗設(shè)計 試驗設(shè)節(jié)水灌溉和常規(guī)灌溉2個灌溉處理。灌溉調(diào)控試驗區(qū)位于南關(guān)干渠三支渠所轄的41斗渠44斗渠。試驗區(qū)為南北閘控制范圍，總面積為17.28 hm²。選擇

A2、A3和C8、C9為典型田塊，面積為1.05 hm²。節(jié)水灌溉按照當(dāng)?shù)毓嗨芷谶M行灌水，水稻秧苗本田移栽后，田面保留5～25 mm薄水層返青，返青以后的各個生育階段田面不建立灌溉水層，以根層土壤含水率為灌水下限控制指標(biāo)，結(jié)合當(dāng)?shù)毓嗨芷?，確定灌水時間和灌水定額。對照田塊（CK）則為常規(guī)灌溉。常規(guī)灌溉采用當(dāng)?shù)販\濕灌溉處理，水稻不同生育期灌水時間間隔為：泡田栽插期4 d左右、分蘗期5 d左右、曬田以后6 d左右，每次灌水持續(xù)15～18 h，自流灌溉至田間存有4～8 cm水層。

節(jié)水灌溉水稻各生育階段田間水層和根層土壤控制標(biāo)準上下限、常規(guī)灌溉水稻各生育階段田間灌水適宜水層控制標(biāo)準如表1、2所示。

2 SWAP模型計算及驗證

2.1 SWAP模型

土壤-水-大氣-植物整合模型（SoilWaterAtmospherePlant）簡稱SWAP。SWAP模型由完善的土壤水運移、溶質(zhì)遷移、熱量傳輸、土壤蒸發(fā)、植物蒸騰、作物生長等子模型組成，其主要用于田間尺度下土壤-植物-大氣環(huán)境中水分運動、溶質(zhì)運移、熱量傳輸及作物生長的模擬。

2.2 SWAP模型計算及驗證

根據(jù)當(dāng)?shù)厮靖祷顒訉由疃热∧M土柱為100 cm，由于水稻田田間大多數(shù)時候有水層，因此根系活動層深度的土壤含水率差別不大，根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)地實際情況，可以把試驗區(qū)0～100 cm土層劃分為1層。SWAP模型計算土壤水流要求將土層再細分為若干單元。整個土壤層面最大可劃分為60個單元，單元數(shù)越多，計算精度越高，但計算耗時也相應(yīng)增大。該研究將試驗區(qū)土層劃分為40個單元。為了能精確計算土壤上層的土壤水流，將接近土壤表面的單元格設(shè)為1 cm厚度，下層設(shè)為2 cm厚度。

計算模型所需參數(shù)為作物株高和作物根深，將作物生長階段（Ds）定義為作物生長日期的線性函數(shù)，起止范圍為0～2：作物移栽的前1 d定義為0，開花期為1，成熟期為2。其間的數(shù)據(jù)根據(jù)作物生長所處的時間在0～2之間線性插值得出，然后根據(jù)實際觀測資料和計算所得數(shù)據(jù)分別建立其與作物葉面積指數(shù)、作物株高和作物根深的關(guān)系。其中根長、密度分別假定沿土層垂向呈直線性下降。

表1 水稻控制灌溉生育階段根層土壤水分控制標(biāo)準

生育期灌水上限相對含

水量∥%土壤實際

含水量∥%

灌水下限相對含

水量∥%土壤實際

含水量∥%根層觀測

深度∥cm

返青期25 mm 5 mm

分蘗期前期100θs₁7070%θs₁0～20

中期100θs₁6565%θs₁0～20

后期100θs₁6060%θs₁0～20

拔節(jié)孕穗期前期100θs₂7070%θs₂0～30

后期100θs₂7575%θs₂0～30

抽穗開花期100θs₃8080%θs₃0～40

乳熟期100θs₄7070%θs₄0～40

黃熟期自然落干自然落干

注：返青期水層mm為田間水層深度。表中所列含水量均指體積含水量，為根層觀測深度內(nèi)土壤含水量平均值，θs₁，θs₂，θs₃，θs₄指各階段飽和含水量。其中，θs₁=100 mm，θs₂=141 mm，θs₃=176 mm，θs₄=176 mm。

表2 水稻常規(guī)灌溉各生育階段田間水層控制標(biāo)準cm

生育期灌水上限灌水下限

返青期4020

分蘗前期3010

分蘗后期3010

拔節(jié)孕穗期5020

抽穗開花期3010

乳熟期2010

黃熟期落干

根據(jù)2009年高郵灌區(qū)控制灌溉田塊A2、B4的實測資料對模型進行檢驗。首先，將氣象資料、作物參數(shù)、土壤參數(shù)按要求輸入模型，并分別將A2、B4田塊灌溉資料、地下水位等資料輸入模型進行模擬，根據(jù)模擬的各平衡分量分別計算出A2、B4田塊田間水層深度，按A2、B4田塊田間水層深度的模擬值與實際觀測值比較進行模型驗證。模擬值與實際觀測值的吻合度用模型效率系數(shù)R²和相關(guān)系數(shù)表示。R²越接近于1表明模型效率越高，相關(guān)系數(shù)越接近1表明模擬值與實測值相關(guān)性越高，模型越可靠。結(jié)果表明：A2、B4田塊田間水層深度模擬值與實測值的相關(guān)系數(shù)較高，分別為0.93，092，模型效率系數(shù)接近于1，分別為0.90，0.84。可見田間水層深度模擬值與實測值吻合較好，模型參數(shù)設(shè)置合理，模型可靠。田間水層模擬值與實測值對比圖如圖1～2。

圖1 2009年A2田塊田間水層深度的實測值與模擬值對比

圖2 2009年B4田塊田間水層深度的實測值與模擬值對比

3 模擬結(jié)果與分析

試驗設(shè)控制灌溉（記為C）和常規(guī)灌溉（記為TI）2個灌溉處理，通過調(diào)節(jié)控制灌溉標(biāo)準的灌水下限，根據(jù)灌溉制度的推求過程擬定出另外2種控制灌溉的灌水方式，具體為：將控制灌溉各個生育期的控制灌水下限上調(diào)10%，根據(jù)灌溉制度的推求方法擬定出一種灌溉方式（記為C1），再將各個生育期的灌水下限下調(diào)10%，根據(jù)相同的方法擬定出1種灌水方式（記為C2）。對4種灌水方案進行模擬，結(jié)果表明：

（1） 蒸發(fā)蒸騰量的變化規(guī)律。

常規(guī)灌溉TI返青期～黃熟期總的蒸發(fā)蒸騰量為516.96 mm，控制灌溉C為446.85 mm，控制灌溉C1為422.39 mm，控制灌溉C2為435.32 ?mm?？刂乒喔菴、C1、C2與常規(guī)灌溉相比，蒸發(fā)蒸騰量分別減少了15.69%、22.39%、18.75%。3種控灌處理中，蒸發(fā)蒸騰量最大的為C，最小的為C1，兩者相差5.79%。

（2） 植株蒸騰和棵間蒸發(fā)。

3種控制灌溉C、C1、C2與常規(guī)灌溉相比，實際蒸騰量（Tact）分別減少14.02%、23.00%、18.08%，實際蒸發(fā)量（Eact）均減少20.70%。3種控制灌溉，實際蒸騰量（Tact）最大的為C，實際蒸發(fā)量（Eact）相同。

（3）模擬土層底部水流通量。

整個生育期內(nèi)，4種灌溉方式TI、C、C1、C2滲漏量分別占總耗水量的31.82%、26.06%、37.31%、26.78%，此結(jié)果與茆智的研究結(jié)果“稻田水分消耗中，滲漏占總耗水量的25%～40%”一致。3種控制灌溉C、C1、C2與常規(guī)灌溉TI相比，滲漏量分別減少83.73、-10.21、82.04 mm，即控制灌溉C、C2與常規(guī)灌溉TI相比，滲漏量分別減少53.17%、51.54%，控制灌溉C1與常規(guī)灌溉TI相比，滲漏量增加4.23%?？芍喊丛囼炘O(shè)計標(biāo)準制定的灌溉制度C與常規(guī)灌溉相比，滲漏量減少幅度最大，提高了水分利用效率，節(jié)水效果明顯。

（4）產(chǎn)量與水分利用效率分析。

根據(jù)模擬結(jié)果，控制灌溉C、C1、C2與常規(guī)灌溉TI相比，實際產(chǎn)量分別增加8.45%、減少1.41%、增加4.23%，3種控制灌溉C、C1、C2實際產(chǎn)量最大的是C;3種控制灌溉C、C1、C2與常規(guī)灌溉相比，水分利用效率分別增加25.55%、21.17%、24.09%，3種控制灌溉C、C1、C2水分利用效率最大的為C。4種灌水方式中，按試驗設(shè)計控制標(biāo)準設(shè)定的控制灌溉C的實際產(chǎn)量和水分利用效率均最大，這說明控制灌溉C在不影響產(chǎn)量的前提下提高了水分利用效率，是一種較優(yōu)的灌水方式。

4 結(jié)論

該研究根據(jù)作物需水規(guī)律，通過調(diào)節(jié)控制灌溉的灌水下限制定3種控灌灌水方案，利用SWAP模型對常規(guī)灌溉和3種控制灌溉的田間水分運移和作物產(chǎn)量進行模擬，分析比較各種灌水方案的蒸發(fā)蒸騰量、模擬土層底部水流通量、相對產(chǎn)量和水分利用效率，從而尋找一種節(jié)水增產(chǎn)的灌溉模式，主要結(jié)論如下：

（1）驗證了SWAP模型在稻田的適用性，結(jié)果表明SWAP模型可以模擬稻田的水分運移和相對產(chǎn)量，為稻田水分運移和水稻產(chǎn)量的研究提供一種方便可行的方法。

（2）利用SWAP模型，分析比較不同灌溉方案的實際產(chǎn)量和水分利用效率，得出按試驗設(shè)計標(biāo)準制定的控制灌溉C的實際產(chǎn)量和水分利用效率均最大，分別比常規(guī)灌溉增加8.45%、25.55%。

（3）按試驗設(shè)計標(biāo)準設(shè)定的控制灌溉C明顯地提高了作物產(chǎn)量和水分利用效率，控制灌溉C是一種節(jié)水增產(chǎn)的灌溉模式。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2015年

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