基于SWAP模型的春玉米咸水非充分灌溉模拟

袁成福，冯绍元，霍再林，王庆明

(1. 扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009； 2. 江西水利职业学院，江西 南昌 330013； 3. 中国农业大学中国农业水问题研究中心，北京 100083； 4. 中国水利水电科学研究院水资源所，北京 100038)

西北地区气候干旱、生态环境脆弱，是中国水资源短缺最严重的地区之一.西北干旱区面积约为2.5×106km2，平均年降水量为230 mm，平均年蒸发量为平均降水量的8～10倍；西北干旱区水资源总量为1.979×1011m3，仅占全国的5.84%，可利用的水资源量约为1.364×1011m3，人均和地均水资源占有量约为全国平均水平的68%和27%[1].西北干旱地区第一用水大户是农业灌溉，农业用水量占总用水量的90%以上，远高于全国的70%[2].西北干旱地区农业生产主要开采地下水进行灌溉，由于长时期过度开采地下水，地下水矿化度逐年升高.为了使西北干旱地区农业生产能够稳步发展，咸水灌溉和非充分灌溉逐渐成为西北干旱地区的重要灌溉模式，也是缓解淡水资源紧缺、维持农业可持续发展的有效途径.国内外研究者开展了大量关于咸水非充分灌溉下土壤水分及盐分运移规律及其对作物生长生理影响的研究[3-4].其中国内外广泛采用SWAP模型来研究干旱区或半干旱区农田水盐运移规律、作物生长、农田节水减污、农田排水及地下水控制等[5-6].黄翠华等[7]应用SWAP模型模拟了民勤咸水灌溉条件下的土壤物理性质和黄河蜜瓜的产量；冯绍元等[8]应用SWAP模型对石羊河流域春小麦咸水非充分灌溉进行了优化，并提出了适宜该地区的春小麦灌溉方案.

目前在西北干旱区尽管已经有对不同作物咸水灌溉管理的研究，但有关春玉米咸水非充分灌溉管理的研究较少.因此，在甘肃省石羊河流域开展咸水非充分灌溉田间试验基础上，文中应用SWAP模型模拟不同灌溉模式下的土壤水盐平衡、春玉米相对产量和相对水分利用效率，并模拟较长时期土壤水盐动态变化规律，所得研究结果拟用于指导研究区农业生产实践.

1 材料与方法

文中田间试验于2011年4—9月在中国农业大学石羊河试验站进行(102°52′E，37°52′N，海拔1 581 m)，研究区降雨量稀少，蒸发强烈，空气干燥.研究区地下水位深度达40～50 m，多年平均降雨量为164.4 mm，多年平均蒸发量为2 000 mm.该地区作物种植主要以春玉米、制种玉米为主，是中国重要的玉米生产基地.咸水非充分灌溉试验在石羊河试验站内的测坑进行，试验站拥有测坑12个，每个测坑面积为6.66 m2，深度为3 m，测坑为有底测坑.测坑内0～100 cm土层土壤理化性质见表1，表中h为土层深度，φs,φf,φn分别为砂粒、粉粒和黏粒的质量分数，wy为有机质质量比，r为土壤容重，Φ为田间持水率.

表1 土壤理化性质

试验灌溉定额设置2种水平：S(灌溉定额为1ETc)、D(灌溉定额为2ETc/3)，ETc为作物需水量，已有研究结果表明ETc累计值为510 mm[9]；灌溉水矿化度设置3种水平：F(地下水矿化度为0.71 g/L，可近似认为是淡水)、3(灌溉水矿化度为3.00 g/L)、6(灌溉水矿化度为6.00 g/L).试验采用随机方式布置，共设6个处理，分别为SF，S3，S6，DF，D3，D6，每个处理重复2次，共设置12个小区，每个测坑为1个小区.

春玉米灌溉制度如表2所示,表中c为咸水矿化度，q为灌水定额，Q为灌溉定额.咸水是根据当地地下水化学组成，采用质量比为2∶2∶1的NaCl、MgSO4和CaSO4混合地下水，并用大水桶配制而成.利用管道对试验地进行灌溉.2011年供试作物是当地春玉米(品种为“金穗1号”)，于4月22日播种，9月12日收获，全生育期144 d.通过土钻获取田间土样，分别为[0,10],(10,20], (20,40], (40,60], (60,80],(80,100] cm，取土时间是每次灌溉前后和春玉米播种前及收获后.采用烘干法测定土壤含水率；采用电导率仪SG-3型电导率仪(SG3-ELK742)测定土壤饱和浸提液的电导率EC1∶5，并根据已有换算公式(S=0.027 5EC1∶5+0.136 6)将EC1∶5转化为土壤含盐量S[10].春玉米出苗后利用钢卷尺测定春玉米的株高和叶面积.土壤水分特征曲线参数采用高速离心机测定，利用VG模型进行拟合，饱和导水率采用渗透仪进行测定.春玉米收获时进行测产，春玉米生育期内的气象数据由试验站的气象站得到，2011年春玉米生育期内的降雨量为110 mm.

表2 春玉米灌溉制度

2 SWAP模型率定与验证

2.1 土壤水分模块的率定与验证

土壤水力特性参数率定结果见表3，表中θr为残余含水率；θs为饱和含水率；Ks为饱和导水率；α,n,λ为曲线现状系数.以处理D3为例，利用(10,20],(20,40],(60,80] cm土层含水率的实测值对SWAP模型进行率定，利用处理D6相应土层的含水率实测值对SWAP模型进行验证，结果见图1,2，图中θ为土壤体积含水率，j为播种后天数.由图可知，含水率模拟值和实测值吻合较好，模拟值较好地反映了实测值的变化趋势.土壤水分率定和验证过程中，RMSE在0.05 cm3/cm3以下，MRE均低于25%，R2在0.66以上，判定指标在合理的误差范围之内，模拟结果可行.

表3 土壤水力特性参数的率定值

Tab.3 Calibrated soil hydraulic parameters

h/cmθr/(cm3·cm-3)θs/(cm3·cm-3)Ks/(cm·d-1)αnλ[0,20]0.0120.35105.500.1261.3170.5(20,40]0.0120.3645.200.3531.2650.5(40,100]0.0140.4024.960.1511.3180.5

图1 模型率定时不同土层土壤水分的模拟值与实测值(以处理D3为例)

图2 模型验证时不同土层土壤水分的模拟值与实测值(以处理D6为例)

2.2 土壤盐分模块的率定与验证

图3为模型率定时春玉米不同时期土壤含盐量S模拟值与实测值的比较.图4为模型验证时相应时期土壤含盐量模拟值与实测值的比较.由图3,4可以看出，不同时期的土壤含盐量的模拟值基本上反映了实测值的变化趋势.春玉米不同时期RMSE均低于4.0 mg/cm3，MRE均低于25%，R2在0.72以上，判定指标均在合理的误差范围之内.溶质运移模块率定得到的分子扩散系数为0.5 cm2/d，弥散度为8.5 cm，说明模拟结果可行.

图3 模型率定时不同时间土壤含盐量的模拟值与实测值(以处理D3为例)

图4 模型验证时不同时间土壤含盐量的模拟值与实测值(以处理D6为例)

2.3 作物生长模块的率定与验证

图5为模型率定与验证时春玉米产量y实测值与模拟值的比较，其中以充分灌溉处理产量作率定过程，以非充分灌溉处理产量作为验证过程.

图5 模型率定与验证时春玉米产量的实测值与模拟值

Fig.5 Simulated and measured spring maize yield values in calibration and validation

由图5可以看出，产量模拟值与产量实测值基本一致，且模拟产量的变化规律与实测产量的变化规律基本相同，即淡水灌溉处理产量高于咸水灌溉处理，灌溉水量越大，产量越高.模型率定与验证时春玉米产量的均方误差RMSE在900 kg/hm2以内，相对误差MRE均低于10%，在合理的误差范围之内，说明模拟结果可行.

3 春玉米咸水非充分灌溉制度优化

根据试验结果和当地的灌溉经验，春玉米生育期一般灌4次水.灌溉日期从出苗后约30 d开始，每25 d灌溉1次，分别拟定4次灌溉时间为6月1日、6月25日、7月20日和8月4日，分别处于春玉米的拔节-孕穗期、孕穗-抽雄期、抽雄-灌浆期和灌浆-成熟期.灌溉水平分别拟定为充分灌溉处理的40%,60%,80%和100%，即灌溉水平分别为204, 306, 408, 510 mm，根据每个生育阶段按照气象数据计算得到的灌溉水量占生育期内总需水量的比例分配，确定不同灌溉水平下各生育期的灌水定额.灌溉水矿化度c设为0.71, 3.00, 6.00 g/L.按照上述灌溉水平和灌溉水矿化度进行组合，组合方案共有12种，如表4所示.利用率定和验证后的SWAP模型分别对这12种灌溉方案的土壤水分平衡、盐分平衡、相对产量yr和相对水分利用效率WUEr进行模拟，模拟结果如表5所示，表中i为灌溉水分量，p为降雨量，li为叶面截留量，cw为土壤水分变化量，bf为底部通量，ET为腾发量，fi为灌溉带入量，ls为土体增加量.

由表5可知，0.71 g/L和3.00 g/L咸水灌溉条件下，随着灌溉定额的增加，土壤水分消耗量、0～100 cm土层底部的水分与盐分通量、腾发量、春玉米相对产量和相对水分利用效率呈现逐渐增大的趋势，土体盐分累积量呈现逐渐减小的趋势.以相对水分利用效率最高，灌溉水量、底部水分通量与土体盐分增加量较少为标准进行灌溉制度的优选，可知0.71 g/L的淡水灌溉条件下灌溉方案3为较适宜的灌水方式，灌溉定额为408 mm，底部通量为-50.6 mm，相对产量为71%，相对水分利用效率为0.131，土体盐分累积量为-25.13 mg/cm2；3.00 g/L的咸水灌溉条件下灌溉方案7为较适宜的灌水方式，灌溉定额为408 mm，底部通量为-73.4 mm，相对产量为64 %，相对水分利用效率为0.148，土体盐分累积量为46.91 mg/cm2.上述2种灌溉方案能够达到节约灌溉用水、提高作物产量和减少土体盐分累积量的目的.6.00 g/L咸水灌溉条件下，各灌溉方案春玉米的相对产量较低，相对产量仅在40%～60%，土体盐分累积量达80～95 mg/cm2，土体盐分积盐量较大，灌溉水矿化度为6.00 g/L的咸水不宜用于灌溉.

表4 拟定春玉米各种灌溉方案组合

表5 模拟春玉米不同灌溉方案的水分和盐分平衡计算结果

4 较长时期水盐动态变化规律模拟

以优选的灌溉方案3，7为例，进行较长时期土壤水盐动态变化规律的模拟.假设每年11月20日进行冬灌，冬灌采用0.71 g/L的地下水，冬灌定额为120 mm，将上述2种方案连续计算5 a.图6为土壤含水率模拟结果.这2种方案不同年份相同土层土壤含水率变化规律相似，相同年份随着土层深度的增加，土壤含水率逐渐增大.方案7中40～60 cm和60～80 cm 土层含水率略高于方案3相应土层的含水率，这主要是咸水灌溉存在盐分胁迫，盐分胁迫会抑制作物根系吸水.图7为土壤含盐量模拟结果.这2种方案不同年份相同土层土壤含盐量变化规律相似，1 a中土壤含盐量最大值出现在春玉米收获后，土壤含盐量最小值出现在冬灌后，冬灌后土壤含水率增大，可以使土壤含盐量在下一年的播种前和春玉米生长前期保持在较低的水平，有利于春玉米出苗和早期的生长.方案3各土层土壤含盐量随着灌溉时间的延长，土壤含盐量在前1～3 a呈现减小的趋势， 3 a后土壤含盐量保持平稳；方案7各土层土壤含盐量随着灌溉时间的延长，土壤含盐量保持平稳.方案3土壤盐分主要累积在40～80 cm土层，而方案7土壤盐分主要累积在10～40 cm土层.此外，长时期利用咸水灌溉后需要进行冬灌，冬灌具有储水保墒和淋洗盐分的重要作用，能够使土壤盐分保持相对稳定.

图6 模拟较长时期土壤水分动态变化

Fig.6 Long-term simulation of soil water content dynamic changes

图7 模拟较长时期土壤含盐量动态变化

Fig.7 Long-term simulation of soil salt content dynamic changes

5 结 论

1) 对SWAP模型水分模块、溶质运移模块和作物生长模块进行了率定和验证，土壤水分、盐分和春玉米产量的模拟值与实测值吻合度较好.根据试验结果并结合研究区实际情况，拟定了不同的灌溉方案，模拟了不同灌溉方案下的土壤水盐平衡和春玉米相对产量和相对水分利用效率，得到了不同灌溉水矿化度下的最优灌溉制度：0.71 g/L淡水和3.00 g/L微咸水灌溉条件下春玉米最优灌溉定额均为408 mm，生育期内各灌水4次.

2) 较长时期土壤水盐动态变化模拟结果表明：在最优灌溉定额下，0.71 g/L和3.00 g/L的水随着灌溉时间的增长，土壤含水率保持平稳，且随着土层深度的增加，土壤含水率逐渐增大；在冬灌条件下，随着灌溉时间的增长，土壤含盐量保持平稳，0.71 g/L的淡水灌溉土壤盐分主要累积在40～80 cm土层，3.00 g/L的微咸水灌溉土壤盐分主要累积在10～40 cm土层.采用矿化度为0.71 g/L和3.00 g/L的灌溉水持续灌溉5 a，在配合每年冬灌措施下，0～100 cm土层土壤盐分不会产生大量累积，不会引起土壤次生盐渍化.