基于ORYZA 2000模型的鄂北地区水稻水分生产函数构建

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(1.湖北水利水电职业技术学院 水利工程系，武汉 430070； 2.湖北省水利水电科学研究院 水资源与农村水利研究所，武汉 430070; 3.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

基于ORYZA 2000模型的鄂北地区水稻水分生产函数构建

王丽红1，刘路广2，谭君位3，陈道英1，董苇2

(1.湖北水利水电职业技术学院 水利工程系，武汉 430070； 2.湖北省水利水电科学研究院 水资源与农村水利研究所，武汉 430070; 3.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

湖北省北部地区水资源短缺，有限降水难以满足水稻需水量，需要实施灌溉以补充水分。为此，根据长渠灌溉试验站水稻灌溉试验成果，基于ORYZA 2000模型构建了鄂北地区水稻生长模型。根据不同受旱阶段及受旱水平设置了多种受旱方案，利用构建的模型模拟分析了不同受旱方案水稻需水量和产量的变化规律。结果表明随受旱程度的增加,水稻需水量与产量呈现降低的变化趋势。在模拟成果分析基础上，根据最小二乘法原理，计算分析得到了Jensen模型中不同生育阶段敏感系数，构建了鄂北地区水稻水分生产函数，对指导当地水稻灌溉具有重要意义。

鄂北地区;水稻；受旱方案；ORYZA 2000模型；需水量；水分生产函数

水稻是我国主产粮食作物之一，水稻的稳产或增产对保障粮食安全具有重要意义。鄂北地区位于湖北省北部，属于水资源短缺地区，随着城镇化进程的加快，城镇供水挤占农业灌溉用水和生态环境用水现象日益严重[1]。而水稻又是高耗水作物，鄂北水资源不足，直接影响到水稻生产。因此，通过田间试验或数值模拟，确定水稻需水关键期，以使有限的水资源发挥更大作用尤为关键[2]。然而，仅通过田间试验确定水稻需水规律需要耗费大量的人力、物力和财力。本文采用试验数据与模型数值模拟相结合的方法，模拟分析水稻不同生育期受旱后的需水量与产量的变化关系。在此基础上，根据最小二乘法原理，利用Jensen模型构建鄂北地区水稻水分生产函数。

1 鄂北地区水稻生长模型构建

长渠灌溉试验站(具体位置见图1)是鄂北地区的代表试验站，也是湖北省重点试验站。本文以2010年和2011年在该站开展的水稻不同灌溉模式的田间试验数据资料为基础，应用ORYZA 2000模型进行不同受旱方案下的需水量和产量模拟，以确定适宜的灌溉制度和受旱应对策略。

图1 鄂北地区范围与试验站分布Fig.1 Location of irrigation stations in north Hubei Province

1.1 田间试验设计

试验采用坑测法，设计了浅灌模式、中蓄模式、湿润模式3种处理，重复3次。3种灌溉模式田面水层控制标准见表1。

1.2 ORYZA 2000模型率定与验证

ORYZA 2000模型在水稻生长模拟方面已在国内得到了广泛应用[3-4]，尤其是依托团林灌溉试验站多年试验数据进行了大量的参数率定和应用工作。为了更好地模拟鄂北地区水稻受旱需水量和产量关系，本文采用长渠灌溉试验站和团林灌溉试验站联合率定参数的方法，首先采用团林灌溉试验站资料对ORYZA 2000模型基本参数进行初步率定，然后采用长渠灌溉试验站水稻产量资料对模型生长速率等参数进一步率定和验证。步骤如下：

表1 长渠灌溉试验站中稻灌溉试验水层深度处理Table 1 Thresholds of water level for different middle-season rice irrigation modes at Changqu Irrigation Station mm

注：表中3个连续数据(如5-30-30)分别表示灌溉下限、灌溉上限和一次降雨后田间最大蓄水上限

(1) 采用团林灌溉试验站多年水稻灌溉试验资料，对ORYZA模型中的基本作物参数(干物质分配系数FLV,FST,FSO，死叶速率DRLV等)进行初步率定。

(2) 采用长渠灌溉试验站水稻物候实测资料对ORYZA模型中物候相关参数(阶段发展速率参数DVRJ，DVRI，DVRP，DVRR)进行率定。

(3) 采用2010年和2011年逐日气象资料和不同灌溉模式的产量资料，对模型参数进行精准率定和验证。

ORYZA模型率定和验证成果见表2。由表2可知，浅灌、中蓄2种灌溉模式水稻产量模拟值小于实测值，而湿润灌溉模式模拟值偏高。不同灌溉模式下，率定期产量模拟值保持不变，而验证期产量模拟值有较小的差异。主要因为3种灌溉模式水稻生育期内灌溉控制下限最小设定为0，未造成水稻产生水分胁迫现象，仅分蘖后期晒田时可能因为期间气象因素影响造成水稻生长不同程度的短期水分胁迫。率定期晒田期间由于降雨充沛，未造成水稻生长产生水分胁迫现象，不同灌溉模式下产量模拟值无变化；而验证期由于不同灌溉模式下晒田期初始水层的差异，且晒田期间降雨较少，使得水稻在生长模拟过程中受到不同程度的水分胁迫，因此不同灌溉模式下产量具有差异。总之，模型率定和验证期，产量模拟值与实测值吻合较好，表明该模型有较好的适用性，模型中的参数取值合理且模拟精度可靠。

表2 水稻产量实测值与模拟值Table 2 Measured and simulated yields ofmiddle-season rice

2 不同受旱方案数值模拟

2.1 受旱方案设置

(1) 采用宜城站逐日气象资料，为减少降雨对模拟试验的干扰，将水稻本田生育期所有降雨设置为0，水稻需水量全部由灌溉满足。

(2) 模型模拟水稻充分灌溉和不同生育阶段遭受不同程度受旱处理时的生长，受旱程度设5个水平，按耕作层饱和含水率的百分比设定为90%，80%，70%，60%，50%。

(3) 水稻生育期各阶段受旱处理设8个水平：分蘖受旱、拔节孕穗期受旱、抽穗开花期受旱、乳熟期受旱、分蘖期和拔节孕穗期连旱、拔节孕穗期和抽穗开花期连旱、抽穗开花期和乳熟期连旱、分蘖后期和拔节孕穗期和抽穗开花期连旱。单生育阶段按耕作层饱和含水率的百分比设定5个受旱程度：90%，80%，70%，60%，50%；多生育阶段连旱，受旱程度4个水平:90%，80%，70%，60%，共计36个处理。

(4) 水稻的播种日期统一设定为5月10日，移栽日期统一设定为6月9日。

不同的年份，水稻生育期内的降雨量及参考作物腾发量分布不一致，因此水稻生育期各阶段的敏感指数可能不一致，为此，本研究按水稻生育期内的累积降雨量进行排频，得到了频率分别为25%，50%，75%对应的丰水年、平水年、枯水年3个典型年，运用ORYZA 2000模型模拟了鄂北地区不同水平年不同受旱处理下的水稻生长过程。

2.2 数值模拟成果分析

2.2.1 不同受旱方案水稻需水量变化规律分析

根据模拟成果，将不同受旱方案不同生育期水稻需水量(ETC)成果进行汇总。由于不同水平年不同受旱方案不同生育期水稻需水量变化规律差异不大，限于篇幅，仅列出了平水年不同受旱方案不同生育水稻需水量，具体见图2。由图2可知，存在以下变化规律：

图2 平水年不同受旱方案不同生育期水稻需水量Fig.2 Water demand of paddy rice in different breeding periods under different drought schemes of normal flow year

(1) 受旱程度不同，不同生育期水稻需水量变化规律差异性不大，主要呈现随受旱程度的增加(90%～60%称为受旱程度增加)需水量降低幅度有所增加。

(2) 分蘖期受旱，无论是单生育期受旱，还是生育期连续受旱，分蘖期水稻需水量变化较大，表明这一生育期受旱对水稻需水量影响较大。

(3) 分蘖期单独受旱，分蘖期水稻需水量降低明显，但其他生育期水稻需水量有所反弹，需水量略大于正常条件的水稻需水量。

(4) 拔节孕穗期、抽穗期和乳熟期受旱程度为90%或80%时，水稻需水量降低幅度并不明显，但受旱程度达到70%或60%时，水稻需水量降低幅度较为明显。

2.2.2 不同受旱方案水稻产量变化规律分析

图3 平水年不同受旱方案水稻产量Fig.3 Yield of rice under different drought schemes of normal flow year

根据模拟成果，不同水平年不同受旱方案水稻产量变化规律差异不大，限于篇幅，仅列出了平水年不同受旱方案水稻产量，具体见图3。由图3可知，存在以下变化规律：

(1) 不同受旱方案与正常灌溉相比，产量均有一定程度的降低。

(2) 随受旱程度的增加，水稻产量降低幅度增加。

(3) 受旱程度为80%时，水稻产量降低不明显，当受旱程度达到70%及以下时(60%或50%)，水稻某个受旱方案或多个受旱方案水稻产量降低较为明显。

3 鄂北地区水稻水分生产函数的构建

利用第2节不同水平年不同受旱方案水稻产量与腾发量的模拟成果，采用Jensen模型构建鄂北地区水稻水分生产函数[5-6]，即

(1)

式中：λi为作物不同阶段缺水对产量的敏感指数；i为生育阶段划分序号；Ya为各处理条件下实际产量(kg/hm2)；Ym为正常灌溉下产量(kg/hm2)；ETa为各处理条件下实际蒸发蒸腾量(mm)；ETm为正常处理下的蒸发蒸腾量(mm)；n为模型的总阶段数，本试验中n=4。

将Jensen模型线性化，采用最小二乘法原理求解，分别得到鄂北地区水稻Jensen模型中不同生育阶段敏感指数见表3。

表3 Jensen模型不同生育阶段敏感指数Table 3 Sensitivity index of Jensen model indifferent breeding periods

由表3可知，不同年型Jensen模型的参数不一致，分蘖期、乳熟期的敏感系数都较小，对水分的敏感程度不高。丰水年和枯水年，拔节孕穗期敏感指数最高，抽穗开花期相对较低；而平水年，抽穗开花期敏感指数最高，拔节孕穗期的敏感指数相对较低。根据水稻生长特点，一般在拔节孕穗期或抽穗开花期对缺水较敏感，而分蘖期及乳熟期对缺水不敏感，以上敏感指数在整个生育期的变化特点符合一般规律，不同典型年的变化是由于受典型年气象条件而导致的。由于不同典型年Jensen模型中敏感指标的大小及其在年内的变化规律存在差异，为便于实际应用，将典型年的Jensen模型各阶段敏感指数求均值，可以得到鄂北地区Jensen模型为

(2)

水分生产函数是非充分灌溉条件下灌溉用水管理的重要依据，但是由于开展水分生产函数试验需要大量的人力物力，一般需要3 a的试验数据；另外，由于水分生产函数模型参数受典型年干旱程度影响，即使有3 a试验数据，也不能保证这3 a代表平均情况。因此，采用试验的方法往往较难获得合适的模型参数，这也是目前不同学者得到的作物水分生产函数模型参数存在较大差异的原因。本研究采用模型模拟典型年不同受旱处理蒸发蒸腾量及产量数据，分析其变化规律，在此基础上求解水分生产函数模型参数，其多年平均值代表了不同的年型，有利于科学制定鄂北地区水稻灌溉制度，对指导水稻节水灌溉及非充分灌溉具有重要的理论意义。

4 结 语

(1) 根据长渠灌溉试验站和团林试验站资料，对ORYZA 2000模型进行了率定和验证，验证表明该模型可以较好地模拟鄂北地区水稻田间生长。

(2) 基于受旱水平与受旱阶段不同，拟定了36种受旱方案，采用构建ORYZA 2000模型对不同受旱方案下水稻腾发量和产量进行了模拟，分析了不同受旱方案的水稻需水量和水稻产量的变化规律。

(3) 基于ORYZA 2000对不同受旱方案的模拟成果，采用Jensen模型构建了鄂北地区水稻水分生产函数。

(4) 该成果为构建水稻水分生产函数提供了新方法，对指导鄂北地区水稻节水灌溉与非充分灌溉具有重要的理论意义。

[1] 刘路广, 吴 瑕, 王丽红, 等. 鄂北地区不同灌溉模式水稻需水及生长特性研究[J]. 灌溉排水学报, 2016, 35(3): 32-36.

[2] 彭世彰, 俞双恩, 张汉松. 水稻节水灌溉技术[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 1998.

[3] 李亚龙, 崔远来, 李远华, 等. 基于ORYZA 2000模型的旱稻生长模拟及氮肥管理研究[J]. 农业工程学报, 2005, 21 (12): 141-146.

[4] 莫志鸿, 冯利平, 邹海平, 等. 水稻模型ORYZA 2000在湖南双季稻区的验证与适应性评价[J]. 生态学报, 2011, 31(16):4628-4637.

[5] 丛振涛, 周智伟, 雷志栋. Jensen模型水分敏感指数的新定义及其解法[J]. 水科学进展, 2002, 13(6): 730-735.

[6] 肖俊夫, 刘战东, 段爱旺, 等. 中国主要农作物分生育期Jensen模型研究[J]. 节水灌溉, 2008, (7):1-3.

(编辑：陈 敏)

Water Production Function of Paddy Rice in NorthHubei Province Based on ORYZA 2000 Model

WANG Li-hong1，LIU Lu-guang2，TAN Jun-wei3，CHEN Dao-ying1，DONG Wei2
(1.Department of Water Conservancy Engineering, Hubei Water Resources Technical College, Wuhan 430070, China；2.Department of Water Resources and Rural Water Conservancy, Hubei Water Resources Research Institute, Wuhan 430070, China; 3.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Irrigation is required in the north of Hubei Province as scarce water resource and limited precipitation could not meet the water demand of rice growth. In view of this, we built a paddy rice growth model for northern Hubei Province based on ORYZA 2000 model according to the results of irrigation test at Changqu irrigation station. By using the proposed model, we simulated the variation rules of water demand and yield of paddy rice in different drought conditions (different growth periods and drought levels). Results revealed that the water demand and yield of paddy rice decreased with the aggravation of drought. On this basis, we obtained the sensitivity coefficients at different stages, and established the water production function of paddy rice in association with the Jensen model and the least squares theory. The results could guide the irrigation of paddy rice in northern Hubei Province.

north Hubei Province; paddy rice; drought schemes; ORYZA 2000 model; water demand; water production function

2016-05-22；

：2016-07-10

湖北省水利厅重点科研项目(HBSLKY201404)

王丽红(1984-)，女，山东德州人，讲师，硕士，主要从事灌溉排水理论与技术研究,(电话)18995536064(电子信箱)wlh1984@163.com。

谭君位(1988-)，男，湖北恩施人，博士研究生，主要从事水资源高效利用研究，(电话)15827075903(电子信箱)tanjunwei@whu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20160543

2017,34(9):74-78

S274

：A

：1001-5485(2017)09-0074-05