覆膜和灌水处理下土壤水分动态与玉米生长模拟研究

赵 引 毛晓敏 薄丽媛

(中国农业大学水利与土木工程学院， 北京 100083)

0 引言

作物模型是能对作物的生长、发育、产量形成及其与环境间的动态关系进行定量描述和预测的计算机模拟模型[1]。我国石羊河流域水资源匮乏，多年平均降雨量低于200 mm，农业用水占总用水量的92.57%[2]，这严重制约了该流域作物产量的增加，农业高效用水成为石羊河流域水资源可持续利用的关键。近年来覆膜和节水灌溉技术在石羊河流域作物种植上得到了广泛的应用。国内外已有大量利用作物模型模拟土壤水分状况以及作物生长状况的研究，例如CERES模型[3]、SWAP模型[4]、WOFOST模型[5-6]、CropSyst模型[6]等。AquaCrop模型是由世界粮农组织(Food and agriculture organization, FAO)研究提出的水分驱动的作物模型。它可以模拟不同的灌溉制度[7-8]、灌溉方式[9]、不同作物类型(玉米[7]、小麦[10]、棉花[8]、水稻[11]、番茄[12]、马铃薯[13]和大葱[14]等)以及覆盖方式[15-16]等条件下的作物生长发育、水分动态变化和产量等指标，特别适合于受水分限制的干旱区农业需求。覆膜对地温的影响较大，可显著提高地温，明显缩短生育期进程[17]，但AquaCrop 模型缺乏地温模块，无法从机理上实现地膜覆盖对作物生长发育阶段以及节水增产过程的模拟，这在一定程度上限制了AquaCrop 模型的应用。刘琦[16]和刘匣等[15]分别利用AquaCrop模型对覆膜春玉米和冬小麦的生长发育和水分动态变化进行了模拟研究，但模型在覆膜模块只考虑了覆膜对降雨径流和土壤蒸发的影响。而杨宁等[18]在此基础上考虑覆膜后土壤温度对气温的补偿作用，研究了辽西半干旱区雨养条件下玉米水分利用过程，初步改进了AquaCrop 模型，为模型的发展提供了新思路。AquaCrop 模型的研究多集中于参数调整和模型验证，杨宁等[18]对模型的改进是我国在AquaCrop模型应用上的首次突破，其研究还需继续深入。另外，AquaCrop模型中未考虑覆膜对降雨入渗的影响，仅通过改变地表径流曲线数(CN)来实现覆膜对降雨径流的影响还不够完善。因此本研究以石羊河流域制种玉米为研究对象，基于覆膜增温对气积温的补偿效应以及覆膜和冠层截留对降雨入渗的影响改进AquaCrop模型，调试模型相关参数，利用改进的AquaCrop 模型对不同覆膜和灌水处理下制种玉米生长发育以及土壤水分动态变化进行模拟研究，并对未来气温变化及覆膜比变化情况下的作物产量及水分利用效率进行模拟预测。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本研究的实测数据取自2017年甘肃省武威市中国农业大学石羊河流域农业与生态节水试验站进行的制种玉米试验。试验设置覆膜与水分2个因素，覆膜分别为完全覆膜(M1)与不覆膜(M0)2个水平，水分设置5个水平W1、W2、W3、W4和W5，分别为当地传统灌溉定额的100%、85%、70%、55%和40%(当地传统灌溉定额为作物腾发量(ETc)减去有效降雨量，ETc为参考作物腾发量(ET0)与作物系数(Kc)相乘计算得到，ET0利用Penman-Monteith[19]公式计算，Kc参照文献[20])，共10个处理。试验分别对不同覆膜和灌水量条件下的土壤水分、温度、作物生长发育阶段、生理指标和产量等进行了监测，试验的具体研究方法、获取实测数据的方法以及作物耗水量(ET)和水分利用效率(WUE)的计算方法，参考文献[21]的研究。本文仅选取具有代表性的M1W1、M1W3、M1W5、M0W1、M0W3和M0W5这6个处理对AquaCrop模型在石羊河流域制种玉米上的适用性进行模拟分析。

1.2 AquaCrop模型

1.2.1AquaCrop模型原理

AquaCrop模型通过作物实际耗水量和干物质积累(生物量)、作物产量的相关关系来反映土壤水分对作物生长及产量的影响。为了更准确地评估水分对作物生长发育过程和产量形成的影响程度，模型将作物蒸散发分为棵间蒸发和作物蒸腾两部分，用水分生产效率和累积作物蒸腾量计算地上生物量，最终产量用生物量和收获指数的乘积来表示。模型中用冠层增长系数和冠层衰减系数量化了叶片生长和衰老过程。作物生物量和产量对土壤水分的响应主要通过土壤水分对冠层生长和蒸腾的胁迫参数、对收获指数的胁迫参数等来实现。

1.2.2模型相关指标的获取

5 cm土层地温变化可以较为客观地反映覆膜与不覆膜情况下土壤温度的差异[22]。杨宁等[18]和肖明等[23]的研究表明，可以利用5 cm土层地温量化覆膜增温对气温的补偿效应，实现AquaCrop模型在覆膜模块的改进。齐智娟[24]对不同深度土层地温和气温进行多元回归分析，建立了地温与气温和土层深度的关系。由于本研究未监测5 cm土层地温，拟采用该方法对不同处理下0、10、20 cm土层深度处的地温和气温进行回归分析，建立相应的回归方程(表1)。表中Y为地温，X1为土层深度，X2为气温，可以看出，地温与气温和土层深度的相关性较好，R2不小于0.828。由此可以推算得到5 cm土层深度的地温。

表1 不同处理下地温与气温和土层深度的关系Tab.1 Relationships of soil temperature with air temperature and soil depth under different treatments

另外，试验监测的指标为叶面积指数，而模型中采用了冠层覆盖率，因此需要进行换算，具体公式为[25]

C=1.005(1-exp(-0.6LAI))1.2×100%

(1)

式中C——冠层覆盖率，%

LAI——叶面积指数，cm2/cm2

1.2.3覆膜情况下的气积温补偿

依据有效积温效应原理，作物完成某一生育期要求相同的有效积温[26]为

Tcum=∑(T-Tb)

(2)

式中Tcum——有效积温，℃

T——日均气温或地温，℃

Tb——作物生育阶段的基点温度，℃

覆膜玉米比不覆膜玉米生育期提前，主要是因为覆膜玉米的地积温补偿了相同时间内玉米有效气积温的不足[18]，补偿系数可表示为[23]

(3)

式中K——玉米增温补偿系数

Tcum-a-M1——覆膜玉米有效气积温，℃

Tcum-a-M0——不覆膜玉米有效气积温，℃

Tcum-s-M1——覆膜玉米5 cm土层有效地积温，℃

Tcum-s-M0-M1——与覆膜同期不覆膜玉米5 cm土层有效地积温，℃

覆膜地温增加对气温的补偿值[26]为

(4)

Ta-M1=Ta-M0+ΔT

(5)

式中 ΔT——覆膜地温增加对气温的补偿值，℃

Ts-M1——覆膜玉米5 cm土层日均地温，℃

Ts-M0——不覆膜玉米5 cm土层日均地温，℃

Ta-M1——覆膜玉米日均气温，℃

Ta-M0——不覆膜玉米日均气温，℃

由此计算出播种-出苗和出苗-抽穗期的补偿系数，如表2所示。因此，Ta-M1可作为地膜覆盖气温的参数输入到AquaCrop模型。

表2 覆膜玉米气积温补偿系数Tab.2 Compensation coefficient for accumulated air temperature of mulched maize

1.2.4覆膜情况下的降雨入渗

由于试验中采用了膜下滴灌的方式，覆膜对灌溉入渗影响较小。然而覆膜对降雨入渗有明显影响，这在AquaCrop模型中未给予充分考虑，仅通过改变CN来实现覆膜对降雨径流的影响还不够完善。赵引等[21]通过对农田水量平衡的监测和分析发现，由于冠层截留等因素的影响，不覆膜条件下降雨入渗百分比也低于100%。因此，本文利用赵引等[21]得出的覆膜和不覆膜条件下典型单次降雨的降雨入渗百分比，计算得到各次降雨入渗量作为气象数据中的降雨输入值。

1.2.5AquaCrop模型主要修正参数

选取具有代表性的M1W1、M1W3、M1W5、M0W1、M0W3、M0W5处理对改进的AquaCrop模型在模拟石羊河流域制种玉米的土壤水分动态以及作物生长及产量的适用性进行分析。考虑到充分灌溉和严重亏水灌溉以及覆膜与不覆膜处理情况，随机选取了M1W1、M1W5和M0W5处理对改进的AquaCrop模型进行率定，以M0W1、M0W3和M1W3处理验证模型。模型输入数据包括：气象数据、作物参数数据、田间管理数据、土壤参数、模型运行初始条件和用于模拟效果评价的田间试验监测数据。在参数调整过程中，依据参数默认值和实际情况校正模型中的参数，部分参数值如表3和表4所示。

表3 AquaCrop模型作物参数Tab.3 Main crop parameters in AquaCrop model

表4 AquaCrop模型部分管理与土壤参数Tab.4 Main management and soil parameters in AquaCrop model

1.3 AquaCrop模型的验证与评价方法

通过比较覆膜与灌水处理下制种玉米生长发育阶段、冠层覆盖率、生物量和土壤贮水量、产量和WUE等参数的模拟值和实测值，来评价模型模拟的效果。验证指标为相对误差(RE)、均方根误差(RMSE)、标准均方根误差(NRMSE)和决定系数(R2)。

(6)

(7)

(8)

(9)

式中M——观测值S——模拟值

n——观测值的个数

RE越小表示模拟精度越高；RMSE越小表明模拟精度越高；NRMSE值越接近0，表示模拟精度越高，当NRMSE小于10%，模拟效果很好；当NRMSE处于10%～20%之间，表明模拟效果好；当NRMSE 处于20%～30%之间，表明模拟效果合理；当NRMSE大于30%，表明模拟效果差[27]。R2越接近于1，表明模型的解释程度越高。

2 结果与讨论

2.1 制种玉米生长发育阶段的模拟

表5和表6分别为制种玉米生长发育阶段的实测值和模拟值。本研究在覆膜条件改进的AquaCrop模型模拟得到的制种玉米生长发育阶段如表6所示，实际记录的制种玉米生长发育阶段如表5所示。AquaCrop模型中对生长发育阶段的划分与实际监测无法一一对应，但经分析可知，改进后的模型模拟值与实测值是相符的。其中改进的AquaCrop模型中9月8日制种玉米成熟，这与实际完全一致。而模拟得到的出苗期为5月5日，比实际出苗期推迟2 d，模拟的达到最大冠层覆盖率的时间为7月15日，实际虽未记录该时期，但7月16日开始进入抽穗期，基本已达到冠层最大覆盖率，因此模拟的达到冠层覆盖率的时间与实际相符。改进的AquaCrop模型模拟得到的冠层开始衰老的时间为8月6日，而实际记录8月1日进入灌浆期，灌浆期制种玉米叶片开始干枯脱落，冠层覆盖率减小，冠层衰老，这与模拟值也是相符的。由此可见，改进的AquaCrop模型能够很好地模拟覆膜制种玉米生长发育阶段。

表5 覆膜制种玉米生长发育阶段实测值Tab.5 Measured values of seed-maize growth stages under film mulching conditions

表6 覆膜制种玉米生长发育阶段模拟值Tab.6 Simulated values of seed-maize growth stages under film mulching conditions

另外，表6也列出了AquaCrop模型在未改进的情况下模拟得到的覆膜制种玉米生长发育阶段。覆膜后地温增加，作物生育期提前，而原AquaCrop模型本身未考虑覆膜地温的影响，模拟得到的生长发育阶段与实际相比偏差较大。其中模拟得到的制种玉米成熟期较实际推迟了10 d，苗期推迟了8 d。达到最大冠层覆盖率的时间较实际进入抽穗期晚7 d，冠层衰老的时间较实际进入灌浆期的时间晚13 d。可见，原模型模拟的制种玉米生长发育阶段比实际推迟7～13 d，模拟效果较差。

2.2 冠层覆盖率的率定与验证

图1 覆膜与不覆膜处理下制种玉米冠层覆盖率的模拟结果Fig.1 Simulation results of seed-maize canopy cover under film mulching and non-mulching conditions

图1为制种玉米冠层覆盖率模拟值与实测值的比较结果。从图中可以看出，覆膜玉米与不覆膜玉米在生育期内冠层覆盖率模拟值与实测值的变化趋势基本一致。苗期和拔节期冠层覆盖率迅速上升，抽穗期叶片全部展开，达最大冠层覆盖率，进入灌浆期叶片脱落，冠层覆盖率逐渐下降。整体来说，各处理决定系数R2均不小于0.95，RMSE为3.9%～10.1%，NRMSE为4.9%～15.3%。还可以看出，覆膜玉米模拟效果较不覆膜玉米优，覆膜条件下高灌水较低灌水拟合效果优，而不覆膜则相反。这与以往的研究结果类似，刘匣等[15]在小麦上的研究结果表明，覆膜条件下，R2达0.86以上，NRMSE在2.9%～3.4%范围内，不覆膜R2大于0.88，NRMSE为3.7%～11.9%。THEODOREC等[25]和GREAVES等[7]研究了不同灌水条件下AquaCrop模型的模拟效果，R2均在0.90以上，RMSE分别在4.76%～13.59%和6.41%～14.96%之间。但杨宁等[18]的研究结果为R2大于0.90，RMSE为13%～39%，AMIRI[11]在不同水肥处理下的模拟结果表明，R2为0.66～0.98，NRMSE在9%～45%之间，模拟效果相对较差。本研究各处理模拟结果均在合理的误差范围内，AquaCrop模型能很好地模拟制种玉米冠层覆盖率。

图2 覆膜与不覆膜处理下制种玉米干物质累积量的模拟结果Fig.2 Simulation results of seed-maize dry matter accumulation under film mulching and non-mulching conditions

2.3 干物质累积量的率定与验证

图3 覆膜与不覆膜处理下制种玉米1 m土层贮水量的模拟结果Fig.3 Simulation results of soil water storage in 0～1 m depth under film mulching and non-mulching conditions

图2为制种玉米干物质累积量的模拟情况。总体来说，覆膜玉米干物质累积量较不覆膜玉米高，且灌水量越多，干物质累积量越多。干物质累积量模拟值大于实测值，这是因为模型无法考虑重茬、病虫害等因素的影响，难以将实际情况中各种不确定条件计算在内。AquaCrop模型较高地估计了制种玉米干物质累积量，这与许多研究者的结论一致[15,25]。干物质累积量模拟结果的决定系数R2均不小于0.96，覆膜条件下，W1、W3和W5灌水处理的RMSE分别为1.37、1.46、1.66 t/hm2，NRMSE分别为9.9%、12.3%和16.7%。而不覆膜条件下，W1、W3和W5灌水处理的RMSE分别为1.64、2.51、0.64 t/hm2，NRMSE分别为22.7%、35.6%和10.5%。可见，覆膜条件下，高水分处理较低水分处理模拟效果优，这与MALIK等[28]和GREAVES等[7]的研究结果一致。在灌水量较充分的W1和W3处理下，覆膜较不覆膜拟合效果优，而在严重亏水的W5处理下，覆膜较不覆膜模拟效果较差。而刘匣等[15]的研究结果表明，覆膜与不覆膜对干物质累积量的模拟效果基本没有差异，这是因为在模拟覆膜与不覆膜时根据记录的物候期设定了两套参数值，主观性较强。而本研究对不覆膜的模拟忽略了不同水分处理引起的土壤温度的变化，高水分处理土壤温度较低水分处理温度低，而模型中3个水分处理采用了相同的温度，导致M0W1和M0W3模拟效果相对较差。

2.4 1 m土层贮水量的率定与验证

图3为制种玉米1 m土层贮水量的模拟情况。1 m土层贮水量模拟值与实测值的变化趋势基本吻合，在灌溉或者降雨之后，贮水量增加，随后缓慢减少。各处理R2在0.60～0.92之间，RMSE在9.5～17.1 mm之间，NRMSE处于4.4%～ 8.9%之间，说明AquaCrop在模拟制种玉米1 m土层贮水量上拟合度较高。刘匣等[15]的研究结果为R2为0.77～0.94，NRMSE在2.8%～5.5%之间，表明AquaCrop模型在覆膜与不覆膜情况下的模拟效果均较好，ANDARZIAN等[29]认为充分灌溉与非充分灌溉条件下模型均能准确地模拟土壤贮水量，结果为R2大于0.86，NRMSE为4%左右，这与本研究结果相似。

2.5 制种玉米产量和水分利用效率的率定与验证

从表7可看出，相同覆膜条件下，制种玉米产量和ET的模拟值和实测值均随灌水量的增加而增加，其中不覆膜条件下，实际M0W1和M0W3产量较M0W5低，这是因为试验收获时当地制种玉米的生育期(参照覆膜情况)已结束，但M0W1和M0W3由于未覆膜而生育期延长，并未达到完全成熟(M0W5达到成熟与其亏水导致生育期提前有关)，因此未成熟测产可能导致产量偏低，且模拟值和实测值均表现为M0W3处理的产量高于M0W1处理。制种玉米实际的水分利用效率(WUE)随灌水量的增加而降低，而各灌水处理下WUE的模拟值差别不大，且覆膜玉米WUE显著高于不覆膜(P<0.05)。

注:表中同一列数字后的不同字母表示在0.05水平下差异显著。

整体上来看，各处理下制种玉米ET的模拟效果较优，RE为-7.1%～13.9%。除M0W1和M0W3处理外，制种玉米产量模拟效果较优，RE为-13.3%～4.5%。WUE则表现为除M0W1处理外，其他处理模拟效果较好，RE为-23.9%～18.1%。DARKO等[12]的研究表明，高水处理产量相对误差较低水处理小，这与本研究在覆膜情况下的结果一致。而GREAVES等[7]认为，在不同水分处理下产量的相对误差均较小，在10%以内。AquaCrop模型可以模拟制种玉米产量、ET和WUE，但由于测量数据的质量、数据处理方法、灌溉条件、作物生长环境和耕作条件等的不同，实测值与模拟值的大小关系不能得到一致的结论[15]。

3 情景预测与分析

未来气候变化为西北地区的粮食生产既带来了机遇，也带来了挑战。未来全球气候变暖已成为不争的事实，对灌溉农业十分不利[30]。本文以M1W1和M0W1的模拟结果为基础，利用率定后的AquaCrop模型预测大气温度和地膜覆盖率的变化对作物生长、产量和WUE的影响。

3.1 温度变化情景下的影响

政府间气候变化委员会(IPCC)提出的SPES排放情景中的A2情景显示，在我国西北地区2011—2040年增温幅度达1.6℃，2041—2070年将达3.3℃[30]。根据表1所示的回归方程计算出温度变化情况下覆膜与不覆膜5 cm土层地温，根据式(4)计算地膜增温对气温的补偿值，进而得到AquaCrop模型的气温输入参数。温度升高，光合作用减弱，呼吸作用增强，呼吸消耗明显增多，干物质积累量明显下降。在生育后期高温使玉米植株过早衰亡，提前结束生育进程而进入成熟期，使灌浆时间缩短，也会使干物质累积量和产量下降[31]。如图4所示，覆膜条件下，当温度为当前实际温度时，制种玉米产量为7.52 t/hm2，温度增加1.6℃和3.3℃时，产量分别为6.55 t/hm2和5.96 t/hm2。而在不覆膜条件下，当温度为当前实际温度时，制种玉米产量为6.67 t/hm2，温度增加1.6℃和3.3℃时，产量分别为5.74 t/hm2和4.99 t/hm2。可见，覆膜条件下增温1.6℃和3.3℃分别比在实际温度下减产0.97、1.56 t/hm2，减产率为12.8%和20.7%。不覆膜条件下增温1.6℃和3.3℃分别比在实际温度下减产0.93、1.68 t/hm2，减产率分别为13.9%和25.1%，干物质累积量也有类似的结论，说明覆膜与不覆膜制种玉米的产量和干物质累积量均随着未来气温的升高而减少，这与许多研究的结论类似[32-35]，尚宗波[32]认为，未来气温变化使玉米减产率在5%～30%波动，温度增加4.5℃时，玉米产量降低29.9%。本研究结果表明，WUE也随着温度的升高而降低，覆膜条件下，增温1.6℃和3.3℃的WUE分别比实际温度降低3.0%和2.1%，而不覆膜条件下，则分别降低3.8%和7.6%。未来气温升高对作物产量及提高水分利用效率产生不利的影响。

图4 温度变化情景下制种玉米干物质累积量、产量和WUE的模拟值Fig.4 Simulated values of dry matter accumulation, yield and WUE for scenarios with temperature change

3.2 覆膜比变化情景下的影响

不同覆膜比情景下，地膜增温对气温的补偿值和降雨入渗百分比按覆膜比对其呈线性影响近似计算。为了给当地生产实践提供依据，分别以M1W1和M0W1的模拟结果为基础，模拟覆膜比为50%和20%情况下作物产量及水分利用效率的变化。

图5中M1、M0分别表示以M1W1、M0W1为基础得到不同覆膜比情况下的作物产量和水分利用效率。在覆膜和不覆膜条件下，干物质累积量和产量均随着覆膜比的减小而增加，WUE随着覆膜比的减小而减小。覆膜条件下覆膜比为50%和20%分别比实际覆膜(覆膜比70%)增产0.8%和2.7%，WUE分别降低1.7%和3.2%。不覆膜条件下，覆膜比为50%和20%分别比实际覆膜(覆膜比0)减产1.9%和0.9%，WUE分别提高4.7%和1.8%。因此，覆膜比例为50%时，可在保证产量的同时，提高水分利用效率，达到增产节水的效果。

图5 覆膜比变化情景下制种玉米干物质累积量、产量和WUE的模拟值Fig.5 Simulated values of seed-maize dry matter accumulation, yield and WUE for scenarios with different mulching ratios

4 结论

(1)改进的AquaCrop模型可以模拟石羊河流域制种玉米生长发育阶段、冠层覆盖率、干物质累积量、1 m土层贮水量、产量和WUE，利用AquaCrop模型可为当地作物地膜覆盖的生产力做初步的预测和评估。

(2)未来气温升高对作物产量及提高水分利用效率产生不利的影响。覆膜条件下，增温1.6℃和3.3℃分别比在实际温度下减产12.8%和20.7%，WUE降低3.0%和2.1%。不覆膜条件下减产率分别为13.9%和25.1%，WUE分别降低3.8%和7.6%。覆膜比变化情景下的模拟预测结果表明，覆膜比为50%时，可在保证产量的同时，提高水分利用效率，达到增产节水的效果。