戎亞思，李國強，張 杰，張建濤，王 猛，鄭國清，馮 偉

（1.河南農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院/省部共建小麥玉米作物學國家重點實驗室，河南 鄭州 450046；2.河南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所/河南省智慧農(nóng)業(yè)工程技術研究中心，河南 鄭州 450002；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海智慧農(nóng)業(yè)技術重點實驗室，河南 鄭州 450002）

河南省是我國重要的糧食生產(chǎn)核心區(qū)，也是小麥商品糧主要生產(chǎn)基地。受季風氣候的影響，該區(qū)小麥生育期內(nèi)的降雨無法滿足小麥的生長發(fā)育需求，僅能滿足水分需求的25%～40%[1-2]。優(yōu)化冬小麥灌溉制度，提高作物水分利用效率，充分利用有限的灌溉水資源[3]，這對于確保我國糧食安全具有戰(zhàn)略意義。

作物模型以作物生理生態(tài)原理為基礎，定量描述“作物-土壤-氣候”系統(tǒng)中光、溫和水對作物生長發(fā)育的影響[4-5]。AquaCrop 模型是由聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織開發(fā)的作物-水生產(chǎn)力模型[6]，適用于水作為關鍵限制因子地區(qū)，并具有輸入?yún)?shù)少、適用范圍廣等特點。國內(nèi)學者在黃土高原[7]、華北平原[8-9]和河套地區(qū)[10]先后驗證了AquaCrop 模型的適應性，并嘗試利用該模型開展作物灌溉制度優(yōu)化方面的研究。滕曉偉等[11]、任嘵紅等[12]利用AquaCrop 模型研究了不同灌溉時長、方式和次數(shù)等對冬小麥產(chǎn)量和水分利用率的影響。此外，朱成立等[13]還研究了咸淡輪灌方案對冬小麥生物量和產(chǎn)量的影響。由于華北平原降水量年際變化大，降雨分布不均，顯著影響農(nóng)田水分動態(tài)過程及作物產(chǎn)量。邢會敏等[14]、彭致功等[15]進一步分析了不同降雨年型和土壤條件下不同灌溉制度對北京地區(qū)冬小麥籽粒產(chǎn)量的影響。由上可知，AquaCrop 模型在灌溉制度優(yōu)化方面已有較好的應用，但研究不同降雨年型和灌溉策略對冬小麥的影響還較少見，且針對河南省的研究未見報道。為此，首先，利用冬小麥田間試驗數(shù)據(jù)，校準AquaCrop模型參數(shù)，并評價該模型在河南省的適用性；然后，針對不同降雨年型，研究不同灌溉方案對冬小麥籽粒產(chǎn)量及水分利用效率的影響，以期為河南省冬小麥優(yōu)化灌溉制度提供決策依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在河南省周口市商水縣國營農(nóng)場（33°33′N，114°37′E，海拔49 m）。該區(qū)域地處暖溫帶南部，為季風半濕潤氣候，全年溫度適宜，四季分明。年平均氣溫14.5 ℃，年平均日照時數(shù)2 094.9 h，年均降雨量785.1 mm，年平均無霜期223 d。供試土壤為砂姜黑土，0～20 cm 土層的pH 值為7.3，有機質(zhì)含量25.0 g/kg，全氮含量1.69 g/kg，速效磷含量22.6 mg/kg，速效鉀含量139.6 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗1：于2016—2018 年，試驗采用隨機區(qū)組設計，設置2 個灌水頻次：W0（全生育期不灌溉）、W1（于拔節(jié)期灌水750 m3/hm2）。灌溉方式采用漫灌。每個處理重復3次，每個小區(qū)72 m2。氮肥（純氮）施用量為270 kg/hm2，其中50%為播種前基肥，50%為拔節(jié)期追肥。磷肥（P2O5）施用量為120 kg/hm2。鉀肥（K2O）施用量為90 kg/hm2。小麥品種為周麥27，播種密度為3.1×106株/hm2。分別于2016 年11 月4 日播種，2017 年6 月10 日收獲；于2017 年10 月29 日播種，2018 年6 月4 日收獲。病蟲草害防治等管理措施同常規(guī)高產(chǎn)田。

試驗2：于2019—2020 年，試驗設計、施肥量及田間管理措施同試驗1。小麥品種為豐德存麥5號。于2019年10月20播種，2020年6月2日收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.2 葉面積指數(shù)（Leaf area index，LAI）測定

于冬小麥越冬期，每小區(qū)選取代表性植株10 株，采用長寬系數(shù)法測定葉面積，計算LAI[16]。

式中，ρ為種植密度，m為株數(shù)，L為葉片長度（從葉基到葉尖），W為葉片最大寬度，0.75 為修正系數(shù)。

于冬小麥返青期后，采用植物冠層分析儀LAI-2200（LI-COR Inc.，美國）測量LAI。

1.3.3 冠層覆蓋度（Canopy cover，CC）測定 CC

表示作物葉片的發(fā)育程度，即綠色群體占地面積的比例，范圍在0%～100%。由LAI 計算獲得，計算公式如下[17]：

式中，CC為冠層覆蓋度，LAI為冬小麥葉面積指數(shù)。

表面封閉修補是最簡單的裂縫修補方法，主要是對一些修補面積較小的靜止裂縫，一般情況下是在混凝土表面沿裂縫鑿出不同形狀的槽，首先在槽面上進行環(huán)氧樹脂漿液的涂刷，再通過水泥砂漿對其進行修補。一些裂縫在鑿槽的過程中，需要進行深槽的嵌補，首選沿裂縫鑿一條深槽，將粘接材料涂抹到深槽中，能夠增強裂縫處的耐久性，從而提高裂縫修補質(zhì)量，最為重要的是可恢復整體結(jié)構(gòu)。此種方法不但能夠?qū)σ恍┝芽p達到修補的目的，而且可有效避免其他原因?qū)е碌牧芽p再次發(fā)生。

1.3.4 生物量及產(chǎn)量測定 于冬小麥關鍵生育時期，每小區(qū)選取代表性植株15 株，按莖稈、葉片、穗軸+穎殼、籽粒分開。在105 ℃殺青30 min，并在80 ℃下烘干至恒定質(zhì)量，記錄生物量（t/hm2）。于成熟期，選擇小區(qū)內(nèi)長勢均勻的區(qū)域，測定1米雙行內(nèi)的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量。每小區(qū)收獲3 m2，脫粒測產(chǎn)，記錄籽粒產(chǎn)量（t/hm2）。

1.3.5 水分利用效率（Water use efficiency，WUE）和灌溉水利用效率（IWUE）測定 WUE是指單位水分消耗獲得的生物量或產(chǎn)量，計算公式為[18]：

式中，WUE為水分利用效率（kg/m3）；Y為籽粒產(chǎn)量（t/hm2）；ET為AquaCrop 模型模擬的作物耗水量（mm）。

IWUE計算公式為[19]：

式中，IWUE為灌溉水利用效率[kg/（hm2·mm）]；G為灌溉條件下產(chǎn)量（t/hm2）；G0為生育期內(nèi)未灌溉的產(chǎn)量（t/hm2）；I為全生育期灌溉量（mm）。

1.3.6 蒸騰量和耗水量計算 由AquaCrop 模型計算得出小麥蒸騰量和耗水量，采用Penman-Montieth公式計算小麥的蒸騰量，采用土壤水分平衡法計算小麥的耗水量[13]。

1.4 AquaCrop模型數(shù)據(jù)庫的建立

AquaCrop 模型包括氣象模塊、土壤模塊、作物模塊、田間管理模塊及模擬運行模塊。

1.4.1 氣象數(shù)據(jù) 氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)（http：//cdc.nmic.cn/home.do），包括日最低氣溫（℃）、最高氣溫（℃）、降雨量（mm）、日照時數(shù)（h）、相對濕度（%）等指標。

1.4.2 土壤數(shù)據(jù) 土壤數(shù)據(jù)包括土層深度、田間持水量、永久萎焉點、飽和含水量和土壤質(zhì)地等參數(shù)（表1）。

表1 試驗地土壤參數(shù)Tab.1 Soil parameters of experimental field

1.4.3 作物參數(shù) 作物參數(shù)調(diào)試方法如下：第1步，作物參數(shù)分類。根據(jù)模型手冊，模型參數(shù)分為保守參數(shù)和非保守參數(shù)[20]。保守參數(shù)不隨地理位置、種植時間和管理措施變化，采用AquaCrop模型手冊推薦值。非保守參數(shù)結(jié)合模型手冊提供的取值范圍采用“試錯法”進行校準[13]。第2 步，冠層覆蓋度的校準。通過模型敏感性分析可以得出，影響冠層覆蓋度的作物參數(shù)有冠層生長系數(shù)、冠層衰減系數(shù)、出苗天數(shù)、水分脅迫系數(shù)等[21]。第3 步，地上部生物量的校準。影響地上部生物量的參數(shù)有最小生長度日、水分生產(chǎn)力等[21]。第4 步，籽粒產(chǎn)量校準。影響籽粒產(chǎn)量的作物參數(shù)有收獲指數(shù)等。采用試驗1數(shù)據(jù)校準模型參數(shù)，采用試驗2 數(shù)據(jù)驗證模型。校準后的模型作物參數(shù)見表2。

表2 AquaCrop模型作物參數(shù)Tab.2 Crop parameters in AquaCrop model

1.5 模型檢驗方法

采用均方根誤差（RMSE）、一致性指數(shù)（d）、決定系數(shù)（R2）和相對誤差（RE）評價模型校準和驗證精度。

式中，n為觀測值個數(shù)；Mi為實測值，Si為模擬值；Mˉ為實測值的平均值，Sˉ為模擬值的平均值。R2取值范圍在0～1，越接近1 表示模型模擬效果越好；RMSE取值越小，模型精度越高；d越接近1，表示模擬值與實測值一致性越好，模型模擬效果越可靠；RE為相對誤差，越小表示模擬效果越好。

1.6 情景模擬設置

設置不同降雨年型、灌溉時期和灌溉次數(shù)三因素模擬情景。根據(jù)冬小麥生育期降雨量分布，以干旱指數(shù)（DI）為分類標準[22]，將1988—2020 年劃分為干旱年、平水年、豐水年3種降雨年型。不同降雨年型的降雨量范圍如表3所示。

表3 河南省不同降雨年型及降雨量Tab.3 Different rainfall patterns and rainfall in Henan Province

式中，DI為干旱指數(shù)，Pi為生育期年降雨量（mm），M為1988—2020 年生育期年平均降雨量（mm），σ為標準差。DI＞0.35 為豐水年，-0.35≤DI≤0.35為平水年，DI＜-0.35為干旱年。

灌溉時期設置4 個水平：越冬期、拔節(jié)期、開花期和灌漿期。灌溉次數(shù)設置5 個水平：不灌溉、灌1水、灌2 水、灌3 水、灌4 水。每個時期灌溉量為75 mm，灌溉方式為漫灌。為保證正常出苗，土壤初始含水量設置為田間持水量的90%。根據(jù)當?shù)囟←湶シN和收獲日期，將播種日期設置為10 月20日，成熟日期設置為6 月2 日。具體灌溉方案如表4所示。

表4 灌溉制度情景方案Tab.4 Scenario of irrigation schedule

2 結(jié)果與分析

2.1 模型校準結(jié)果

由圖1可知，在2016—2017年和2017—2018年生長季，冬小麥冠層覆蓋度模擬值與實測值一致性較好。冬小麥冠層覆蓋度模擬值與實測值的R2分別為0.84、0.94，d分別為0.93、0.98，RMSE分別為9.4%、4.7%。冠層覆蓋度模擬值與實測值的變化趨勢基本一致，呈先增加后下降的趨勢。苗期至返青期植株生長緩慢，冠層覆蓋度較小。返青后，冬小麥生長加快，冠層覆蓋度逐漸增大，在抽穗期達到最大值。隨著冬小麥逐漸成熟，冠層覆蓋度逐漸降低。

圖1 不同年度冬小麥冠層覆蓋度校準結(jié)果Fig.1 Calibration results of winter wheat canopy cover in different years

由圖2可知，在2016—2017年和2017—2018年生長季，生物量模擬值與實測值一致性較好。生物量模擬值與實測值的R2分別為0.95、0.94，d分別為0.98、0.93，RMSE分別為2.2、2.1 t/hm2。生物量模擬值與實測值變化趨勢基本一致，呈先增加后趨于平緩的趨勢。自出苗至返青期，植株生長緩慢，生物量積累較少。返青后，植株快速生長，生物量積累加快，至成熟期，生物量達到最大值。

圖2 不同年度冬小麥生物量校準結(jié)果Fig.2 Calibration results of winter wheat biomass in different years

由表5可知，在2016—2017年和2017—2018年生長季，冬小麥水分利用效率模擬值與實測值的RE為-5.43%～5.97%，籽粒產(chǎn)量模擬值與實測值RE為-1.02%～9.63%。校準后的AquaCrop 模型具有較好的預測效果，可利用校準后的模型進行冬小麥水分生產(chǎn)研究。

表5 不同年度冬小麥水分利用效率、產(chǎn)量校準結(jié)果Tab.5 Calibration results of water use efficiency and yield of winter wheat in different years

2.2 模型驗證結(jié)果

2.2.1 冠層覆蓋度和生物量的驗證 AquaCrop 模型參數(shù)校準后，采用2019—2020年數(shù)據(jù)進一步驗證模型精度。由圖3 和圖4 可見，冬小麥冠層覆蓋度模 擬 值 和 實 測 值R2為0.91，d為0.97，RMSE為7.31%。冬小麥生物量的模擬值與實測值R2為0.98，d為0.99，RMSE為1.13 t/hm2。

圖3 冬小麥冠層覆蓋度驗證結(jié)果Fig.3 Verification results of winter wheat canopy cover

2.2.2 籽粒產(chǎn)量及水分利用效率的驗證 由表6可知，不同水分處理下，水分利用效率模擬值與實測值的RE為7.80%～8.84%，而籽粒產(chǎn)量模擬值與實測值的RE為6.52%～9.05%。

表6 冬小麥水分利用效率及籽粒產(chǎn)量驗證結(jié)果Tab.6 Verification results of water use efficiency and yield of winter wheat

2.3 不同灌溉制度下冬小麥模擬結(jié)果

2.3.1 冬小麥耗水量模擬結(jié)果 如表7 所示，在干旱年，相同灌水次數(shù)處理內(nèi)，蒸騰量及耗水量處理間差異基本達到顯著水平。除平水年灌1水處理間蒸騰量差異達到顯著水平之外，在平水年和豐水年，蒸騰量及耗水量處理間差異均不顯著。在灌1水處理中，在干旱年和豐水年的拔節(jié)期灌水，蒸騰量和耗水量最高，而在平水年的拔節(jié)期灌水，蒸騰量最高，在開花期灌水，耗水量最高。在灌2水處理中，在干旱年和平水年的拔節(jié)期和開花期灌水，小麥蒸騰量和耗水量最高，而在豐水年的拔節(jié)期和開花期灌水，蒸騰量最高，在越冬期和拔節(jié)期灌水，耗水量最高。在灌3 水處理中，在干旱年和平水年的拔節(jié)期、開花期和灌漿期灌水，蒸騰量最高，而在越冬期、拔節(jié)期和開花期灌水，耗水量最高。在豐水年的越冬期、拔節(jié)期和開花期或在拔節(jié)期、開花期和灌漿期灌水，蒸騰量最高，而在越冬期、拔節(jié)期和開花期灌水，耗水量最高。

表7 不同灌溉制度下冬小麥蒸騰量及耗水量的模擬結(jié)果Tab.7 Simulated transpiration and water consumption of winter wheat under different irrigation schedules

從灌水處理的均值來看，在干旱年和平水年，蒸騰量和耗水量處理間差異均達到顯著水平，而豐水年處理間差異不顯著。在不同降雨年型，隨灌溉次數(shù)增加，冬小麥蒸騰量和耗水量均逐漸增加。在干旱年，與不灌水處理相比，灌1 水、灌2 水、灌3水和灌4 水處理的蒸騰量分別增加17.84%、32.28%、41.98% 和46.39%；在平水年，蒸騰量分別增加7.96%、12.65%、14.76%和15.20%；在豐水年，蒸騰量分別增加3.02%、4.83%、5.76%和6.10%。在干旱年，與不灌水處理相比，灌1 水、灌2 水、灌3 水和灌4 水處理的耗水量分別增加14.45%、26.21%、34.29% 和38.38%；在平水年，耗水量分別增加6.93%、11.22%、13.44%和14.28%；在豐水年，耗水量分別增加2.76%、4.58%、5.68%和6.36%?？梢?，隨灌溉次數(shù)的增加，干旱年的蒸騰量和耗水量增加幅度最高，平水年次之，豐水年最低。

2.3.2 冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率及灌溉水利用效率模擬結(jié)果 如表8 所示，在灌1 水處理中，在干旱年和平水年的開花期灌水，籽粒產(chǎn)量、水分利用效率和灌溉水利用效率最高，而在豐水年的拔節(jié)期灌水，籽粒產(chǎn)量和灌溉水利用效率最高，在灌漿期灌水，水分利用效率最高。在灌2水處理中，在干旱年和平水年的拔節(jié)期和開花期灌水，籽粒產(chǎn)量、灌溉水利用效率最高，而在豐水年的拔節(jié)期和灌漿期灌水，籽粒產(chǎn)量和灌溉水利用效率最高。在干旱年、平水年和豐水年的開花期和灌漿期灌水，水分利用效率最高。在灌3 水處理中，在干旱年和平水年的拔節(jié)期、開花期和灌漿期灌水，籽粒產(chǎn)量和灌溉水利用效率最高，而在豐水年的越冬期、拔節(jié)期和灌漿期灌水，籽粒產(chǎn)量和灌溉水利用效率最高。在干旱年、平水年和豐水年的拔節(jié)期、開花期和灌漿期灌水，水分利用效率最高。

表8 不同灌溉制度下冬小麥籽粒產(chǎn)量、水分利用效率及灌溉水利用效率的模擬結(jié)果Tab.8 Simulated grain yield，water use efficiency and irrigation water use efficiency of winter wheat under different irrigation schedules

從灌水處理的均值來看，3 個年型水分利用效率處理間差異均不顯著，在干旱年和平水年，籽粒產(chǎn)量和灌溉水利用效率在各處理間差異顯著，在豐水年籽粒產(chǎn)量和灌溉水利用效率差異不顯著。在不同降雨年型下，隨著灌溉次數(shù)的增加，籽粒產(chǎn)量有不同程度的增加，而水分利用效率和灌溉水利用效率的變化各不相同。在干旱年，與不灌水處理相比，灌1 水、灌2 水、灌3 水和灌4 水處理的籽粒產(chǎn)量分別增產(chǎn)18.49%、32.04%、40.15%和42.94%；在平水年，籽粒產(chǎn)量分別增產(chǎn)7.43%、11.47%、13.06%和13.23%；在豐水年，籽粒產(chǎn)量分別增產(chǎn)2.28%、3.49%、4.00%和4.13%。在干旱年，與不灌水處理相比，灌1 水、灌2 水、灌3 水和灌4 水處理的水分利用效率分別增加3.44%、4.60%、4.40%、3.29%；在平水年，與不灌水處理相比，灌1 水、灌2 水處理的水分利用效率分別增加0.40%、0.27%，灌3 水、灌4 水處理的水分利用效率分別降低0.22%、0.93%；在豐水年，與不灌水處理相比，灌1 水、灌2 水、灌3 水和灌4 水處理的水分利用效率分別降低0.46%、1.01%、1.56%、2.10%。在干旱年，與灌1 水相比，灌2水、灌3水和灌4水處理的灌溉水利用效率分別降低13.35%、27.60%和41.91%；在平水年，灌溉水利用效率分別降低22.76%、41.34%和55.50%；在豐水年，灌溉水利用效率分別降低23.57%、41.43%和54.64%。

3 結(jié)論與討論

作物模型是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準管理的有效途徑。在作物模型使用之前，需要進行模型適用性評價[23-24]。本研究利用3 a 不同水分處理試驗數(shù)據(jù)，校準和驗證了AquaCrop模型。校準結(jié)果表明，冬小麥冠層覆蓋度模擬值與實測值的RMSE介于4.7%～9.4%，R2介于0.84～0.94。生物量模擬值與實測值的RMSE介于2.1～2.2 t/hm2，R2介于0.94～0.95。籽粒產(chǎn)量模擬值與實測值的RE為-1.02%～9.63%。水分利用效率模擬值與實測值的RE為-5.43%～5.97%。這表明校準和驗證后的AquaCrop 模型可以較好地模擬冬小麥冠層覆蓋度、生物量、籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。

作物耗水規(guī)律是制定大田作物灌溉制度的重要依據(jù)[25]。本試驗結(jié)果表明，在干旱年、平水年和豐水年，隨灌水次數(shù)增加，小麥蒸騰量和耗水量逐漸增加，但干旱年蒸騰量和耗水量增加幅度最高，平水年次之，豐水年最低。在3 個降雨年型小麥籽粒產(chǎn)量均逐漸增加，且干旱年增產(chǎn)幅度最高，平水年次之，豐水年最低。相反，隨灌水次數(shù)增加，灌溉水利用效率逐漸降低，且豐水年降低幅度高于平水年和干旱年。在不同降雨年型冬小麥蒸騰量和耗水量變化規(guī)律有較明顯差異，這與楊思等[26]和彭致功等[15]研究結(jié)果一致。曹彩云等[27]和王家瑞等[28]研究發(fā)現(xiàn)，隨灌溉量的增加，水分利用效率呈先增加后降低趨勢，而灌溉水利用效率呈下降趨勢。在本研究中，3 個降雨年型的水分利用效率隨灌水次數(shù)變化規(guī)律不相同。在豐水年，隨灌水次數(shù)增加，水分利用效率呈降低趨勢，即不灌水處理水分利用效率最高，為2.376 kg/m3。在干旱年和平水年，隨灌水次數(shù)增加，水分利用效率呈先增加后降低趨勢，干旱年在灌2 水處理水分利用效率最高，為2.069 kg/m3；平水年在灌1水處理水分利用效率最高，為2.273 kg/m3。

灌溉制度的優(yōu)化是以產(chǎn)量及水分利用效率的有效統(tǒng)一為目標[29]。在相同灌溉條件下，選擇適宜的灌溉時期對提高小麥產(chǎn)量至關重要。本試驗結(jié)果表明，在干旱年，隨灌水次數(shù)增加，水分利用效率先增加后降低，籽粒產(chǎn)量逐漸增加，但水分利用效率處理間差異不顯著，而籽粒產(chǎn)量處理間差異顯著。由此得出，干旱年的最優(yōu)灌溉方案為在拔節(jié)期、開花期和灌漿期各灌1水，備選方案為在拔節(jié)期和開花期各灌1水。在平水年，隨灌水次數(shù)增加，水分利用效率先增加后降低，籽粒產(chǎn)量逐漸增加，但水分利用效率處理間差異不顯著，而籽粒產(chǎn)量處理間差異顯著。由此得出，平水年的最優(yōu)灌溉方案為在拔節(jié)期和開花期各灌1 水，備選方案為在開花期灌1水。在豐水年，隨灌水次數(shù)增加，水分利用效率逐漸降低，籽粒產(chǎn)量逐漸增加，但處理差異均未達到顯著水平。由此得出，豐水年的最優(yōu)方案為在拔節(jié)期灌1 水，備選方案為在拔節(jié)和灌漿期各灌1 水。可見，在不同降雨年型，灌水次數(shù)相同時，最佳灌溉時期不一致，這與不同降雨年型冬小麥各生育時期降雨量分布不均勻有關。