北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶裸燕麥蒸散結(jié)構(gòu)與灌溉制度優(yōu)化研究

張紅娟，李 赟，李雅麗，武占嶺，沈彥俊，裴宏偉

（1.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000；2.河北省水質(zhì)工程與水資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北張家口075000；3.張家口市農(nóng)業(yè)高效節(jié)水研究所，河北張家口075000；4.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，石家莊050021）

0 引 言

目前，世界上許多國(guó)家和地區(qū)正面臨著淡水短缺和農(nóng)業(yè)用水效率低下的雙重困境[1]。我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶大部分地區(qū)年均降雨量普遍低于400 mm，年內(nèi)分配不均，且年際變化大[2]，水資源嚴(yán)重不足嚴(yán)重制約著農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量，因而在生育期增加灌溉已成為了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要保障[3,4]。北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶作為我國(guó)北方草地農(nóng)業(yè)和耕地農(nóng)業(yè)的契合發(fā)展帶[5]，同時(shí)也是中東部地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障和京津冀地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)帶[6]，具有不同于農(nóng)區(qū)和牧區(qū)的獨(dú)特經(jīng)濟(jì)形態(tài)。長(zhǎng)期以來(lái)，由于該區(qū)域水資源過(guò)度開發(fā)，導(dǎo)致農(nóng)牧結(jié)構(gòu)失衡、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不可持續(xù)的問(wèn)題越來(lái)越突出[7]。其中，如何根據(jù)地區(qū)水資源特點(diǎn)制定合理的灌溉制度進(jìn)而提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率，已經(jīng)成為本地區(qū)當(dāng)前生態(tài)保育工作和“三農(nóng)”工作提質(zhì)增效最為關(guān)鍵的問(wèn)題。

作物模型已被證明是為農(nóng)業(yè)用水提供科學(xué)灌溉制度的有力工具[8,9]，現(xiàn)已開發(fā)了一系列作物生長(zhǎng)模擬模型，例如CERES-玉米模型[10]、WOFOST 模 型[11]、CropSyst 模 型[12]和TCSM模型[13]等，但這些模型具有復(fù)雜的操作性以及所需輸入大量的參數(shù)，因此使用這些模型較為困難，而美國(guó)農(nóng)業(yè)部于2000年開發(fā)的根區(qū)水質(zhì)模型（Root Zone Water Quality Model2）所需較少且直觀的參數(shù)[14]，國(guó)內(nèi)外已開展了大量有關(guān)RZWQM2 模型優(yōu)化灌溉制度的研究，例如周始威等[15]人運(yùn)用RZWQM2模型探究了不同灌溉情景對(duì)石羊河流域春小麥產(chǎn)量、所需灌水量及灌溉水利用效率，得到了適宜的灌水上限和各生育期的計(jì)劃濕潤(rùn)層深度；Fang[16]等人利用RZWQM2 模型在華北平原小麥-玉米輪作驗(yàn)證了各生育期的灌溉策略，并確定了小麥和玉米之間有效灌溉水的最佳分配；Zhang[17]等人模擬了不同灌溉處理下向日葵的生長(zhǎng)發(fā)育及土壤水分變化，并得到向日葵的最優(yōu)灌溉制度；Zhang[18]等人模擬了基于生育期的虧缺灌溉對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，并得到在玉米整個(gè)生育期應(yīng)均勻的應(yīng)用虧缺灌溉策略。

綜上所述，RZWQM2 模型在灌溉制度和情景模擬等方面取得了顯著的成果，但對(duì)裸燕麥作物的灌溉制度研究較少。因此，本研究以北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶中段地區(qū)主要種植的糧飼一體作物裸燕麥為研究對(duì)象，基于已得到校準(zhǔn)后的裸燕麥參數(shù)[19]，分析了雨養(yǎng)條件下裸燕麥的蒸散結(jié)構(gòu)變化，并模擬了該地區(qū)裸燕麥的不同灌溉制度下的作物生長(zhǎng)情況和產(chǎn)量，從而計(jì)算水分利用效率和灌溉水生產(chǎn)效率，并分析作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量、水分利用效率和灌溉水生產(chǎn)效率對(duì)灌溉的響應(yīng)，以此得到適宜于北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)裸燕麥的最優(yōu)灌溉制度，為該地區(qū)水資源有效利用和裸燕麥高效生產(chǎn)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與田間試驗(yàn)

本研究田間試驗(yàn)站點(diǎn)（41°09′N、114°42′E）位于北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶（36°30′～46°42′ N、106°16′ W～124°51′ E）中部典型區(qū)——張北縣境內(nèi)。試驗(yàn)于2018年和2019年在張家口市農(nóng)業(yè)高效節(jié)水研究所進(jìn)行，根據(jù)中國(guó)氣象數(shù)據(jù)利用統(tǒng)計(jì)的氣象數(shù)據(jù)（1985年-至今），該研究區(qū)近10 a 平均降雨量為405.6 mm， 平均氣溫為 4.4 ℃ （http://data. sheshiyuanyi. com/WeatherData/），由圖1 表明，2018年和2019年降雨量分別為488.7 mm 和420.5 mm，且兩年降雨量主要集中在6-9月份，分別占總降雨量的73.85%和60.05%；試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地以沙壤土為主，耕作層（0～40 cm）土壤pH在7.6～8.2之間。

圖1 2018和2019年月降雨量及累計(jì)降雨量Fig.1 Monthly and cumulative precipitation in 2018 and 2019

裸燕麥試驗(yàn)時(shí)間為2018年6月15日-9月23日、2019年6月5日-9月11日，供試裸燕麥品種為當(dāng)?shù)仄毡榉N植的“壩莜1號(hào)”。試驗(yàn)小區(qū)設(shè)置為雨養(yǎng)處理，小區(qū)面積為4 m2（2 m×2 m），小區(qū)外圍設(shè)有1 m的保護(hù)行，試驗(yàn)小區(qū)底部安裝有大型稱重式蒸滲儀，該蒸滲儀由一個(gè)不銹鋼鐵箱組成（長(zhǎng)×寬×高=2 m×2 m×2.3 m）。采用條播方式種植，行距為25 cm，深度為4 cm，種植密度450 萬(wàn)株/hm2，在播種前一次性施入復(fù)合肥90 kg/hm2（N-P2O5-K2O=18∶18∶18），試驗(yàn)小區(qū)的田間管理措施與當(dāng)?shù)乇３忠恢隆?/p>

1.2 數(shù)據(jù)收集

（1） 土壤含水量。土壤含水量通過(guò)智能測(cè)墑系統(tǒng)（Insentek Sensor：簡(jiǎn)稱“智墑”）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，每1 h 監(jiān)測(cè)一次[20,21]。

（2）作物數(shù)據(jù)。在裸燕麥生育期內(nèi)，每7～10 d 測(cè)定一次裸燕麥的株高、葉面積及生物量，同時(shí)在保護(hù)行隨機(jī)選取20株，測(cè)定株高和葉片長(zhǎng)度和寬度，并稱其生物量質(zhì)量。

（3）蒸散量。本研究中田間蒸散量是由大型稱重式蒸滲儀通過(guò)每日初始和最終土體重量之間的差值來(lái)計(jì)算，土體重量的增大則是由降雨量和灌溉量的增加所引起的。由于試驗(yàn)場(chǎng)地是平整的，沒(méi)有得到任何高灌溉量和降雨量，因而徑流和排水被認(rèn)為是可以忽略不計(jì)。

1.3 RZWQM2模型描述及參數(shù)優(yōu)化

RZWQM2 模型是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部研究所研發(fā)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)一維模型，模型主要模塊有物理、化學(xué)、殺蟲劑、養(yǎng)分、作物生長(zhǎng)和作物管理[21-24]。模型中對(duì)土壤水分入滲過(guò)程采用Green-Ampt 入滲方程描述[25]，同時(shí)分別采用Poiseuille’s 方程和Richard’s方程模擬大孔隙流動(dòng)和土壤水的再分布，蒸散則由Shuttleworth-Wallace 方程計(jì)算而得[26]。RZWQM2提供了多種選擇用于模擬作物生長(zhǎng)，包括通用作物生長(zhǎng)模型、CROPGRO 模型、CERES 模型、快速種植作物模型、快速草皮和快速樹木模型[27]。在本研究中，選用作物模塊中CERES-barley 模型來(lái)模擬裸燕麥生長(zhǎng)發(fā)育情況。同時(shí)模型中需要輸入的數(shù)據(jù)包括：氣象數(shù)據(jù)、初始土壤條件、土壤特性參數(shù)和田間管理數(shù)據(jù)，所需的土壤理化參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地不同土層主要物理參數(shù)Tab.1 Main physical parameters of different soil depth in the experimental site

利用歷史氣象數(shù)據(jù)（2010-2019年）進(jìn)行了10年的初始化運(yùn)行，并根據(jù)2018年和2019年雨養(yǎng)處理的作物管理、葉面積指數(shù)、地上生物量、籽粒產(chǎn)量及土壤水分等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)“試錯(cuò)法”對(duì)RZWQM2模型中的一組參數(shù)（作物品種參數(shù)、土壤水力參數(shù)）進(jìn)行了優(yōu)化。作物品種參數(shù)為P1V、P1D、P5、G1、G2、G3、PHINT（見(jiàn)表2），土壤水力參數(shù)包括不同深度下的飽和導(dǎo)水率和田間持水量（見(jiàn)表1），此外還可優(yōu)化土壤根系生長(zhǎng)因子參數(shù)。

表2 裸燕麥作物遺傳參數(shù)Tab.2 Genetic parameters of naked oat crops

1.4 RZWQM2中的ET模擬

在RZWQM2 模型中，通過(guò)Shuttleworth-Wallace （S-W）模型來(lái)計(jì)算實(shí)際蒸散（ET）,在該模型計(jì)算中，PET方程代表部分冠層覆蓋的土壤被擴(kuò)展到一個(gè)完整的范圍內(nèi)的土壤冠層殘留條件，計(jì)算得到的PT和PE設(shè)置了實(shí)際蒸騰（T）和實(shí)際蒸發(fā)（E）的上限，并通過(guò)Richard’s 方程來(lái)模擬降雨或灌溉期間的水分滲透及土壤剖面內(nèi)的水分運(yùn)動(dòng)。

在給定時(shí)間間隔內(nèi)，PET是由PT與PE的和估算而得：PET=PT+PE。PT的計(jì)算公式為：

式中：Δ為飽和蒸氣壓對(duì)溫度曲線的斜率；λ為水氣化潛熱；Rn為冠層頂部通過(guò)的太陽(yáng)輻射通量；G為熱傳導(dǎo)進(jìn)入冠層的熱通量；Rnsub為通過(guò)冠層到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射通量；ρ Cp為空氣體積熱容；VPDo為水氣壓梯度；為冠層邊界阻抗；為冠層氣孔阻抗；γ為溫度計(jì)常數(shù)。

PE由兩部分組成：

式中：Cs與Cr為Es與Er的比值系數(shù)，其中Cs+Cr=1；PEs為裸地的潛在蒸發(fā)；PEr為秸稈覆蓋的潛在蒸發(fā)。

PEs與PEr的計(jì)算公式為：

式中：Rns為被裸地截獲的太陽(yáng)輻射通量；Rnr為被秸稈覆蓋截獲的太陽(yáng)輻射通量；Gs為裸地?zé)嵬?；Gr為秸稈覆蓋區(qū)域熱通量；為裸露地表到平均冠層高度之間的空氣動(dòng)力學(xué)阻抗為土壤地表阻抗；為覆蓋物地表到平均冠層高度的空氣動(dòng)力學(xué)阻抗；為覆蓋物阻抗。

1.5 模擬情景設(shè)計(jì)

本研究中以雨養(yǎng)裸燕麥作物生長(zhǎng)、土壤水分動(dòng)態(tài)以及田間蒸散動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合已完成的試驗(yàn)研究結(jié)果[19,20]，從而進(jìn)行灌溉制度設(shè)計(jì)與優(yōu)化，可進(jìn)一步完善試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)可提高節(jié)水潛力并優(yōu)化灌溉制度。

為探究不同灌溉制度對(duì)裸燕麥產(chǎn)量與水分利用效率、灌溉水生產(chǎn)效率的影響，本文根據(jù)2018年和2019年田間試驗(yàn)基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)?shù)毓喔戎贫?，設(shè)定了4種不同灌溉模擬情景見(jiàn)表3，T1 為幼苗期灌溉定額30 mm；T2 為幼苗期和拔節(jié)期分別灌溉30 mm；T3為幼苗期、拔節(jié)期和孕穗期各灌溉30 mm；T4為幼苗期、拔節(jié)期、孕穗期和開花期均灌溉30 mm。各情景模擬均在無(wú)養(yǎng)分脅迫條件下進(jìn)行，并根據(jù)作物產(chǎn)量（kg/hm2）、水分利用效率（kg/m3）和灌溉水生產(chǎn)效率3 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)選灌溉制度。

表3 2018年和2019年裸燕麥灌溉處理Tab.3 Irrigation treatment of naked oats in 2018 and 2019

水分利用效率WUE的計(jì)算公式為：

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3；Y為產(chǎn)量，kg/hm2；ET為裸燕麥田間蒸散量，mm；WUE越高則表明裸燕麥對(duì)水分的利用率越大。

灌溉水生產(chǎn)效率IPE的計(jì)算公式為：

式中：IPE為灌溉水生產(chǎn)效率，kg/m3；YI為灌溉處理的產(chǎn)量，kg/hm2；YD為雨養(yǎng)處理的產(chǎn)量，kg/hm2；I為裸燕麥生育期內(nèi)灌溉量，mm。IPE越高則表明裸燕麥對(duì)灌溉水的利用程度越大。

2 結(jié)果與分析

2.1 雨養(yǎng)條件下裸燕麥蒸散結(jié)構(gòu)變化特征

裸燕麥蒸散組分的分離研究是通過(guò)RZWQM2 模型和大型稱重式蒸滲儀聯(lián)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，其中蒸散量（ET）是由大型稱重式蒸滲儀測(cè)定。在裸燕麥完整生育期內(nèi)田間蒸散量呈現(xiàn)“增加-平穩(wěn)-減少”的消長(zhǎng)規(guī)律（圖2），在不同生育期的組成結(jié)構(gòu)中，拔節(jié)期、孕穗期和開花期的日均蒸散量可達(dá)5 mm/d，而幼苗期和成熟期日均蒸散量較小，且不足1 mm/d。

本研究主要分析了雨養(yǎng)裸燕麥2018年生育期內(nèi)6-9月份的蒸騰結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。結(jié)果表明，在8月和9月雨養(yǎng)裸燕麥蒸散活動(dòng)主要以作物蒸騰為主，日尺度蒸騰量與蒸散量比值（T/ET）均超過(guò)了0.50，位于0.79～0.98 之間，9月T/ET平均值則超過(guò)0.85；在完整生育期內(nèi)，雨養(yǎng)裸燕麥在生長(zhǎng)旺盛（7、8月份） 的拔節(jié)期（35.50%）、孕穗期（23.54%） 和開花期（28.26%）蒸騰占主導(dǎo)，且與總蒸散量比值超過(guò)0.80。就裸燕麥完整生育期內(nèi)的蒸散結(jié)構(gòu)特征而言，幼苗期（6月份）蒸散量最?。?0.40 mm），僅占整個(gè)生育期總蒸散量的3%;而在8月份表現(xiàn)最大，最大為164.10 mm，占總蒸散量的42.69%，且基本為土壤蒸發(fā)，而隨著地上生物量的逐漸積累，蒸散結(jié)構(gòu)中蒸騰的比重開始快速上升，直到孕穗開花期之后，蒸騰在蒸散總量的比例趨于穩(wěn)定，在0.8～1.0之間浮動(dòng)。

圖2日尺度與月尺度平均蒸散量與T/ET（蒸騰量/蒸散量）變化Fig.2 Variation of daily and monthly mean evapotranspiration and T/ET

2.2 不同灌溉條件下裸燕麥生長(zhǎng)情況對(duì)灌溉的響應(yīng)模擬分析

對(duì)2018年和2019年不同灌溉處理（T1～T4）模擬下，通過(guò)對(duì)比雨養(yǎng)裸燕麥葉面積指數(shù)增加（LAI），在裸燕麥生育期內(nèi)，LAI隨著灌溉量的增加各灌溉處理均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)（見(jiàn)圖3）。T1 處理較雨養(yǎng)條件（T0）相比，2018年和2019年LAI平均分別增加了5.20%和4.85%，且LAI模擬值最大為5.62 和5.26；T2處理較T0相比，兩年平均LAI增加均大于10%，分別為15.14%和12.07%；而T3 和T4 處理與T2 處理LAI結(jié)果一致，可能原因是由于在孕穗期和開花期階段降雨充足且田間持水量基本達(dá)到飽和，降雨量可以提供作物所需要的水分，因此LAI增加不再發(fā)生變化。

在裸燕麥完整生育期內(nèi)，2018年和2019年不同灌溉處理下生物量增加隨著灌溉量的增加也均呈現(xiàn)增加的態(tài)勢(shì)（見(jiàn)圖4）。T1處理較T0相比，2018年和2019年生物量平均分別增加了8.56%和4.28%；T2 處理較T0 相比，兩年平均生物量增加均大于20%，分別為27.72%和20.83%；T3 處理兩年平均生物量增加也均大于20%，分別為27.52%和21.47%；T4 處理結(jié)果同T2處理一致。

圖4 不同灌溉處理下裸燕麥生物量模擬變化Fig.4 Simulation changes of biomass of Naked oat under different irrigation treatments

2.3 不同灌溉條件下裸燕麥產(chǎn)量對(duì)灌溉的響應(yīng)分析

本研究通過(guò)校準(zhǔn)后的RZWQM2 模型，模擬了2018年和2019年4種灌溉條件下的裸燕麥產(chǎn)量?？傮w來(lái)看，裸燕麥產(chǎn)量隨著灌溉量的增加而增高，在T2、T3和T4灌溉處理下對(duì)裸燕麥產(chǎn)量的提升不再發(fā)生變化（見(jiàn)圖5）。其中，T1 處理當(dāng)灌溉量為30 mm 時(shí)，裸燕麥產(chǎn)量提升與雨養(yǎng)條件相比增幅較小，產(chǎn)量分別增加了54.99 kg/hm2和95.66 kg/hm2，增產(chǎn)率分別為1.84%和2.84%；T2 處理當(dāng)灌溉量為60 mm 時(shí)，產(chǎn)量增加幅度較大，產(chǎn)量分別達(dá)到了3 213.7 kg/hm2和3 686.29 kg/hm2，相比雨養(yǎng)條件下裸燕麥產(chǎn)量增加了223.85 kg/hm2和319.87 kg/hm2，增產(chǎn)率分別為7.49%和9.50%；而T3 和T4 處理模擬結(jié)果與T2處理模擬結(jié)果一致。

圖5 不同灌溉處理下裸燕麥產(chǎn)量模擬變化Fig.5 Simulation changes of yield of Naked oat under different irrigation treatments

2.4 不同灌溉條件下裸燕麥水分利用效率和灌溉水生產(chǎn)效率特征

在對(duì)2018年和2019年裸燕麥不同灌溉處理下的水分利用效率和灌溉水生產(chǎn)效率進(jìn)行分析表明（見(jiàn)圖6和表4），在裸燕麥生育期內(nèi)不同階段增加灌溉量會(huì)得到相應(yīng)的增產(chǎn)效益。裸燕麥在T2 和T4 處理（與雨養(yǎng)條件T0 處理對(duì)比）水分利用效率最高，分別為0.91 kg/m3和1.34 kg/m3，相比T0 處理分別增加了2.25%和7.2%；其次是T1 處理，水分利用效率分別為0.86 kg/m3和1.27 kg/m3，與T0 相 比，2018年 反 而降低了3.37%，2019年僅提高了1.16%；而T3處理水分利用效率均降低，分別降低了2.25%和4.00%。

圖6 不同灌溉處理下裸燕麥水分利用效率變化Fig.6 Changes of water use efficiency of Naked oat under different irrigation treatments

在T1～T4 四種不同灌溉處理下，灌溉水生產(chǎn)效率在2018年和2019年的變化均較大（見(jiàn)表4），在2018 和2019年，T2處理的灌溉水生產(chǎn)效率最高，分別為0.37 kg/m3和0.53 kg/m3，其次是T3 處理，T4 處理最低，最低分別為0.19 kg/m3和0.27 kg/m3，相比T2 處理降低了48.65%和49.05%。因此綜合考慮水分利用效率和灌溉水生產(chǎn)效率結(jié)果表明，2018年和2019年的最優(yōu)灌溉方案為T2灌溉處理。

表4 不同灌溉條件下裸燕麥水分利用效率和灌溉增產(chǎn)效率結(jié)果Tab.4 Results of water use efficiency and yield irrigation efficiency of Naked oat under different irrigation treatments

3 結(jié) 論

本研究利用參數(shù)校準(zhǔn)后的RZWQM2 模型，通過(guò)分析雨養(yǎng)裸燕麥作物蒸騰與田間蒸散變化，對(duì)2018年和2019年裸燕麥各生育期不同灌溉制度進(jìn)行了模擬，并計(jì)算分析了各生育期灌溉量對(duì)裸燕麥生長(zhǎng)、田間水分、產(chǎn)量、水分利用效率以及灌溉水生產(chǎn)效率的影響，優(yōu)化灌溉制度，得到以下結(jié)論：

（1）裸燕麥生育期內(nèi)，雨養(yǎng)裸燕麥在生長(zhǎng)旺盛7、8月份）的拔節(jié)期、孕穗期和開花期（蒸騰占主導(dǎo)，位于0.80～0.98 之間，月蒸散結(jié)構(gòu)在6月份蒸散量最?。?0.40 mm），僅占整個(gè)生育期總蒸散量的3%，在8月份表現(xiàn)最大，最大為164.10 mm，占總蒸散量的42.69%。

（2）通過(guò)對(duì)比雨養(yǎng)裸燕麥（T0）葉面積指數(shù)（LAI）、生物量與產(chǎn)量的變化，T2 處理葉面積指數(shù)、生物量和產(chǎn)量整體高于T1、T3 和T4 處理，且葉面積指數(shù)增加平均高于T0 處理的15.14%和12.07%，生物量增加平均高于27.72%和20.83%，產(chǎn)量也相比T0處理分別增產(chǎn)7.49%和9.50%。

（3）2018年和2019年T2 和T4 灌溉處理的水分利用效率高于T1 和T3 處理，分別達(dá)到了0.91 kg/m3和1.34 kg/m3，T2 處理的灌溉水生產(chǎn)效率高于T1、T3 和T4 處理的33.3%～50.0%，分別達(dá)到了0.37 kg/m3和0.53 kg/m3，因此綜合考慮結(jié)果表明，2018年和2019年的最優(yōu)灌溉方案為T2灌溉處理。