冬小麦“春浇一水”限水灌溉模式对浅层地下水采补平衡的影响——以河北省太行山山前平原为例

张雪靓，丁蓓蓓

▪作物水肥高效利用▪

冬小麦“春浇一水”限水灌溉模式对浅层地下水采补平衡的影响——以河北省太行山山前平原为例

张雪靓1,2，丁蓓蓓1

（1.中国农业大学 土地科学与技术学院，北京 100193；2.自然资源部土地工程技术创新中心，北京 100035）

【】在粮食生产与水资源支撑能力高度矛盾的河北省太行山山前平原，定量探讨冬小麦生育期“春浇一水”限水灌溉模式可否实现浅层地下水采补平衡。应用改进的SWAT模型对灌溉量相异的8种情景进行模拟，并对不同灌溉方案的压采与节水效应进行了定量评估，在此基础上针对浅层地下水位止降回升这一约束条件，以冬小麦减产最小为目标，结合0-1规划，在22个子流域对灌溉方案进行了优选。①冬小麦“春浇一水”方案能使得研究区的浅层地下水位下降速度平均减缓至0.34 m/a以内，但这将以冬小麦平均减产大约25%～40%为代价。②在空间分布上，位于研究区北部的大清河淀西平原具有相对较好的地下水涵养效果，而南部的子牙河平原内冬小麦产量相对更高。③优化后“春浇一水”模式的具体区划为：在保定地区的大部分县（市）域，主要推荐实施灌溉定额为50 mm的方案；在邢台和邯郸地区，主要推荐实施灌溉定额为40 mm方案；在石家庄地区的西南部，主要推荐实施灌溉定额为30 mm的方案。在研究区内大约70%的面积上可通过实施“春浇一水”方案实现浅层地下水采补平衡，本文可为这个浅层地下水严重超采的井灌区为压采而实施冬小麦“春浇一水”限水灌溉模式提供定量化的科学支撑和差异化的推荐方案。

限水灌溉；浅层地下水；采补平衡；作物产量；SWAT模型；优化

0 引言

【研究意义】河北省是我国地下水超采最严重的省份[1]，自20世纪90年代起，位于太行山东侧的山前平原浅层含水层储水量持续减少、浅层地下水位快速下降，引发一系列生态环境问题[2-3]。2014年以来，国家高度重视华北地区地下水超采综合治理工作[4]，根据相关政策文件及已有研究，在河北省太行山山前平原，通过推行作物生育期（特别是在相对高耗水的冬小麦的生育期）的限水灌溉方案来压减农业灌溉开采量或将成为最主要的路径之一[5-6]。这是因为与中东部深层地下水超采区的种植结构调整试点工作相比[7-8]，在保持冬小麦-夏玉米一年二熟种植制度不变的情况下压减冬小麦的灌溉次数和灌溉量，可充分发挥浅层地下水的更新能力和可恢复性，同时又能维持一定的冬小麦生产能力，兼顾到“水−粮”的权衡[9-10]。只在冬小麦关键需水期—拔节期灌溉1次的压采方案（又称：冬小麦生育期“春浇一水”模式）是极具推广潜力的节水灌溉措施之一，评估这种限水灌溉模式对浅层地下水动态和冬小麦产量的影响可为该井灌区的浅层地下水超采综合治理提供科学支撑和参考依据。

【研究进展】在位于河北省太行山山前平原内的栾城农业生态系统试验站（以下简称栾城站），对冬小麦从雨养逐步增加灌水次数直到灌水5次的田间试验结果表明：冬小麦生育期“春浇一水”模式的节水效果最为明显，一次井灌与雨养条件相比具有最高的灌溉水利用效率[11-12]。但是，在区域尺度大规模地开展田间试验几乎是不可能的，定量回答这样的限水灌溉方案对研究区不同地块会带来怎样的节水压采效应往往需要借助分布式水文模型的模拟分析方法，来弥补田间试验结果受限于时空尺度的不足。前期工作[9-10]运用SWAT模型模拟评估了不同灌水次数情景下的浅层地下水压采与农田节水的效应，结果表明，在灌溉量为75 mm的冬小麦生育期“春浇一水”方案下，河北省太行山山前平原的浅层地下水位下降速度可被减缓为现状灌溉情形下的1/4左右，而冬小麦生育期雨养方案可将该区域浅层地下水位普遍下降趋势转变为回升态势[9-10]。这启示我们：若进一步调整冬小麦生育期“春浇一水”模式的灌溉量（灌溉定额），在该井灌区的大部分区域或许有望实现浅层地下水采补平衡。换言之，考虑气象条件和下垫面的空间变化，在区域尺度内“因地施策”地实施灌溉定额不同的冬小麦生育期“春浇一水”的限水灌溉方案，或将使得该井灌区的浅层地下水位不再继续下降且与雨养条件相比又有更多的冬小麦产量。【切入点】尽管有研究者在田间尺度进行了关于不同灌溉定额的“春浇一水”相关试验[11-14]，但目前却鲜有对其在区域尺度上的定量探讨，特别是针对这种限水灌溉模式下浅层地下水位和作物产量变化的空间差异及其压采与节水效果等关键科学问题。【拟解决的关键问题】因此，本文在前期研究成果的基础之上，以河北省太行山山前平原为研究区，进一步对冬小麦生育期“春浇一水”限水灌溉模式进行更为详细的模拟情景设置，模拟不同灌溉量的“春浇一水”方案下的浅层地下水位动态与作物产量的时空变化，并定量探讨“春浇一水”限水灌溉模式能否实现浅层地下水采补平衡的压采目标。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河北省太行山山前平原（36°07ˊN—39°35ˊN，114°17ˊE—116°14ˊE）位于海河流域中部（图1），以太行山100 m地面等高线以东的冲洪积平原为主，地势平坦，土层深厚，土质良好，非常适宜农业发展[15]。本研究区共涉及隶属于保定、石家庄、邢台和邯郸4个地区的48个县（市），总面积约22 753 km2，其中耕地面积占比约为80%[16]。研究区主要种植制度为冬小麦-夏玉米一年二熟制，据统计，这2种作物的播种面积占粮食总播种面积的90%以上[16]。该区域属于温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区，多年平均降水量为450～550 mm[17]，但年内分布不均，其中冬小麦生育期内降水量不足全年的20%，必须依靠灌溉来保障其产量[18]，据统计，该地区农田灌溉用水的90%以上均来自地下水供给[19]。研究区属于第四系松散堆积平原，地下蕴藏着丰富的孔隙水，其中浅层地下水含水层水质良好，是区域主要的开采层[2]，浅层地下水年天然资源模数约15万～25万m3/（km2·a）[20]。然而，由于高强度的井灌抽取[19-20]，1990年以来研究区的浅层地下水年开采模数达到了20万～50万m3/（km2·a）[20]，造成了地下水资源的连续超采，浅层地下水埋深从1993年的平均10 m左右下降到2012年的平均30 m左右，在部分区域甚至超过了40 m[10,21]。

图1 研究区的地理位置、所涉及的子流域及土地利用类型

1.2 SWAT模型的模拟情景设置

SWAT模型是由美国农业部农业发展中心开发的适用于较大流域尺度的分布式水文模型[22]。这是一个以水量平衡原理为基础、以日尺度为运行步长的物理过程模型，能够模拟气候、水文、泥沙、土壤水和作物生长的农业管理措施及过程[22-23]。Zhang 等[9]及任理等[10]针对SWAT的原始版本不能直接模拟与输出浅层地下水位这一问题，在地下水模块中新增了浅层含水层给水度、孔隙度、底板埋深等参数（量）；并在水量平衡的计算过程中增加了山前侧向补给量，便于更加准确地模拟研究区内浅层地下水储量变化。以浅层地下水埋深为目标，用16口国家级监测井在1993—2010年的3 264个监测数据和20口区域调查井在2006—2012年的100个实测数据作为率定参比值，用128口区域调查井在2006—2012年的650个实测数据作为验证值，对修改后的地下水模块及土壤水模块中的4个参数进行了率定，决定系数2和纳什系数NSE均在0.9以上；在此基础上又根据地下水资源评价资料、遥感数据和统计年鉴分别对浅层地下水储量变化、农田蒸散量和作物产量的模拟结果进行了多模块的验证，构建了能够合理模拟该井灌区农业水文循环的评价工具；率定与验证的具体过程与结果详见文献[10,21]。

本文应用上述改进了地下水模块后的SWAT模型对研究区所涉及的22个子流域（图1）在不同灌溉情景下的浅层地下水位（量）和作物产量变化及2 m土体的水均衡动态进行模拟分析。为便于与前期工作进行比较分析，本文的模拟时段同样设置为1990—2012年，其中1990—1992年为模型预热期，1993—2012年作为模拟分析时段。参阅在研究区开展的田间试验工作[11-14, 24-27]和地方技术规程[28]中冬小麦生育期内单次灌溉量的数值和范围，设计了“春浇一水”模式下8种模拟情景开展研究（表1）。其中，灌溉定额为75 mm的情景（亦即：情景六）模拟结果引自文献[9-10]。将这些情景结果列于后文，是为了基于Zhang等[9]及任理等[10]模拟结果，探讨在本文所设定的其他模拟情景下，浅层地下水位和作物产量等模拟变量的变化。下文中的“基本情景”是指冬小麦-夏玉米一年二熟制下的现状灌溉制度（表1），在8种模拟情景下的夏玉米生育期的灌溉制度均与基本情景保持一致[9-10, 21, 29]。同时，也将相关评估结果统计到研究区所涉及的大清河淀西平原和子牙河平原这2个水资源三级区[9-10,21]，以期为流域尺度的水资源宏观管理提供参考与决策的依据。

表1 模拟情景

1.3 浅层地下水压采与农田节水效应的评估指标

在《国家农业节水纲要（2012—2020年）》[30]等政策文件中，“节水压采”作为华北地区农业用水调控的总体目标，是在该区域衡量节水灌溉措施的重要标尺。另一方面，河北省太行山山前平原不仅是河北省冬小麦的主产区，而且是优质强筋小麦的优势产区，因此在限水灌溉模式下冬小麦的减产情况也是管理部门关心的重要指标，特别是在当前全方位保障粮食安全的国家战略背景下[31]。基于上述考虑，以基本情景及8种限水灌溉情景下SWAT模型输出的模拟结果为数据基础，分别从以下3个方面对不同灌溉定额的冬小麦“春浇一水”方案进行定量评估：

1）浅层地下水压采效应

定义各限水灌溉情景与基本情景相比所减少的浅层地下水开采量（或超采量）占基本情景中浅层地下水开采量（或超采量）的比例为各限水灌溉情景下对浅层地下水井灌开采量（或超采量）的压减率，以评估地下水井灌开采量和超采量的变化程度。

2）农田节水效应

与浅层地下水压采效应的评估思路相似，定义“春浇一水”限水灌溉方案与基本情景相比减少的农田耗水量、与基本情景相比农田耗水量的减少程度这2个指标来评估其节水效应。其中，不同情景下的农田耗水量（mm）是根据SWAT模型输出的逐年实际蒸散量（Actual Evapotranspiration,a）计算其在模拟分析时段内的平均值而获得。

3）作物产量变化

与上述2方面的评估指标相仿，定义“春浇一水”限水灌溉方案与基本情景相比冬小麦的减产量、与基本情景相比冬小麦的减产率这2个指标来评估作物产量的变化。其中，不同情景下冬小麦的产量是根据SWAT模型输出的冬小麦逐年单产（kg/hm2）计算其在模拟分析时段内的平均值而获得。

1.4 基于0-1规划的区域尺度限水灌溉模式优化

在水利部联合四部委印发的《华北地区地下水超采综合治理行动方案》等一系列国家和地方管理部门的相关文件中[4,6,30]，实现采补平衡始终是地下水超采区综合治理工作的重要目标。针对研究区浅层地下水压采的现实需求，兼顾冬小麦产量对保障口粮安全的重要性，将SWAT模型的模拟结果与经典的0-1规划方法相结合，针对每一个子流域，以浅层地下水能够实现“采补平衡”为约束条件，以冬小麦减产率最小为目标函数，在8种特定灌溉定额的“春浇一水”限水灌溉方案中优选出能够满足上述约束条件下这一目标函数的方案，作为在该子流域所推荐的“春浇一水”限水灌溉方案。如此遍历所有子流域，便可获得具有因地施策特点的“春浇一水”的限水灌溉方案的空间分布，称为优化的冬小麦生育期“春浇一水”限水灌溉模式。其中，参照前期研究工作[9-10]，假设：若浅层地下水位20 a累积下降幅度小于1 m（亦即：浅层地下水位年均下降速度小于0.05 m/a），或浅层地下水位的年均变化为正即满足浅层地下水位不再继续下降的条件，并以此作为判断浅层地下水实现“采补平衡”的标准。在每一个子流域，所建立的0-1规划模型为：

目标函数：

随着有轨电车的发展，已经逐渐形成几种现代有轨电车驾驶员培训模式，通过分析培训模式的特点，结合苏州有轨电车驾驶员的状况，从而选择合适的驾驶员培训模式。

约束条件：

式中：min为模拟分析时段内冬小麦的年均减产率取最小值（%）；y为模拟分析时段内第种限水灌溉情景下冬小麦的年均减产率（%）；h为模拟分析时段内第种限水灌溉情景下浅层地下水位的年均变化速度（m/a）；x代表是否选择第种限水灌溉情景：x等于0代表不选择第种限水灌溉情景，x等于1代表选择第种限水灌溉情景；为限水灌溉情景的取值（=1, 2, …, 8）。

上述“模拟−评估−优化”的研究思路所构成的本文主要研究内容及其技术路线如图2所示。

图2 技术路线图

2 结果与分析

2.1 情景模拟结果分析

2.1.1 浅层地下水位变化

从研究区整体来看，在灌溉定额为40～90 mm的“春浇一水”限水灌溉模式下，浅层地下水位的平均下降速度可从基本情景下的大约1.10 m/a减缓为0.06～0.34 m/a；当灌溉定额降低至30 mm时，22个子流域内浅层地下水位的年均变化的平均值呈现出了轻微回升的态势（图3）。具体地，由于气象条件和下垫面的空间异质性，浅层地下水位的变化在不同子流域及2个水资源三级区之间都呈现出差异。其中，对于大清河淀西平原（下文中统一简化为dx）的子流域dx1和子牙河平原（下文中统一简化为zy）的子流域zy1，在本文的这8种“春浇一水”的限水灌溉方案下，浅层地下水位均呈现出回升的趋势。根据Zhang等[9]研究结果，这2个子流域在“春浇两水”（即：分别在冬小麦的拔节期和抽穗期进行灌溉）的限水灌溉方案下浅层地下水位就已不再下降，因而为了获得更高的冬小麦产量，可在这2个子流域实施“春浇两水”的限水灌溉方案以遏制浅层地下水的超采情势。对于研究区北部的大清河淀西平原所涉及的10个子流域，当“春浇一水”的限水模式下的灌溉定额为80 mm时，有1/2以上的子流域（dx1、dx2、dx3、dx4、dx5、dx7、dx9）内的浅层地下水位下降速度可减缓到0.25 m/a以内（亦即：20 a内浅层地下水位累积下降幅度小于5 m）；当灌溉定额减小到50 mm时，有5个子流域（dx1、dx3、dx4、dx5、dx7）的浅层地下水变化呈现出回升的态势，即地下水持续超采的利用现状将得到遏制。然而，对于研究区南部的子牙河平原所涉及的12个子流域，若要实现有1/2的子流域中浅层地下水位下降速度减缓到0.25 m/a以内，则需要实施灌溉定额为70 mm的“春浇一水”的限水灌溉方案，当这些子流域实施灌溉定额为30 mm的“春浇一水”的限水灌溉方案时，浅层地下水位将基本转变为回升的态势；对研究区南部的子牙河平原所涉及的另外1/2的子流域（zy2、zy4、zy7、zy10和zy11）来说，即使实施本文所设置的30 mm灌溉定额的限水灌溉情景，浅层地下水依然呈现出超采的情势，其中zy2、zy4和zy7所涉及的区域内浅层地下水位下降速度仍高达0.25 m/a以上。综合对比大清河淀西平原和子牙河平原这2个水资源三级区的模拟结果，各限水灌溉情景下大清河淀西平原浅层地下水的涵养情况较子牙河平原相对更好。

此外，对作物根系带2 m土体的储水量变化进行了定量分析，以评估在研究区内长期实施本文所设计的冬小麦生育期“春浇一水”的限水灌溉模式是否会引起表层土壤的干化。模拟结果显示，与已有的研究结果[9-10]一样，在本文所设计的限水灌溉情景中，尽管2 m土体储水量在年际间有起伏波动，但并未出现持续增加或减少的趋势，其多年平均变化量趋于0，这说明：若实施本文所设计的冬小麦生育期“春浇一水”的限水灌溉方案，将不会使该区域的井灌耕地表层出现“干化”的现象，这些限水灌溉模式在研究区平水偏枯的降水年型下具有20 a这样较长时期应用的可行性。

2.1.2作物产量

在冬小麦生育期“春浇一水”的限水灌溉模式下，研究区在模拟分析时段内的冬小麦产量、夏玉米产量及轮作周年产量详见表2。整体来看，在本文设计的几种“春浇一水”情景下，冬小麦年均单产约为3 310～4 248 kg/hm2；这种限水灌溉模式所带来的土壤水分状况变化几乎不会影响其后茬夏玉米的单产水平；由2种作物年均单产加和，轮作周年的作物产量约为9 818～10 811 kg/hm2。

图3 不同模拟情景下浅层地下水位年均变化速度的空间分布

为了研究冬小麦产量在不同子流域之间的空间分异情况，将本文的8种模拟情景划分为30～60 mm和70～90 mm这2个范围对冬小麦单产的模拟结果进行分析。结果显示，在灌溉定额为30～60 mm时（图4（a）和图4（b）），大清河淀西平原的10个子流域中，除dx1的冬小麦单产小于3 000 kg/hm2，其他9个子流域的冬小麦单产均分布在3 000～4 000 kg/hm2之间；而在子牙河平原，几乎所有子流域内的冬小麦单产均分布在大约3 500～4 500 kg/hm2之间，其中在zy2、zy4、zy11和zy12内的冬小麦单产相对较高。在灌溉定额为70～90 mm时（图4（c）和图4（d）），大清河淀西平原的10个子流域内，除dx1外冬小麦的单产都分布在4 000 kg/hm2左右，而子牙河平原的12个子流域内冬小麦的单产均在4 000 kg/hm2以上，特别是在90 mm灌溉定额的“春浇一水”的限水灌溉方案下，子流域zy4、zy11和zy12的冬小麦单产超过4 500 kg/hm2。综合对比大清河淀西平原和子牙河平原水资源三级区，子牙河平原的冬小麦单产普遍高于大清河淀西平原。结合浅层地下水位的变化，大清河淀西平原的浅层地下水涵养相对更好，而子牙河平原的冬小麦产量相对更高。这主要与2个区域内下垫面的非饱和带土壤质地的差异有关，大清河淀西平原的浅层地下水垂向补给量相对较多，而农田蒸散量相对较少。

表2 作物产量模拟结果

注 Irr.是指这种模拟情景下冬小麦生育期内的灌溉量。

2.2 浅层地下水压采与农田节水的效应

为方便流域管理机构参考使用，以研究区所涉的2个水资源三级区为评估单元，将本文的8种限水灌溉模拟情景对浅层地下水压采与农田节水的效应及其对作物产量的影响进行统计，结果如表3所示。与基本情景相比，灌溉定额为70～90 mm的冬小麦生育期“春浇一水”的限水灌溉方案，可将基本情景下的浅层地下水井灌开采量压减70%左右（大约31.5亿m3），削减大约75%的浅层地下水井灌超采量（大约13亿m3），减少大约17%～18%的农田耗水量，并将冬小麦的年均减产率控制在大约30%以内。若实施灌溉定额为50～60 mm的冬小麦生育期“春浇一水”的限水灌溉方案，可将基本情景下的浅层地下水井灌开采量压减75%左右（大约33.7亿m3），削减大约85%的浅层地下水井灌超采量（大约15亿m3），减少20%左右的农田耗水量，并将冬小麦年均减产率控制在30%～35%之间。若实施灌溉定额为30～40 mm的冬小麦生育期“春浇一水”的限水灌溉方案，可将基本情景下的浅层地下水井灌开采量压减80%左右（大约36亿m3），削减90%（大约16亿m3）以上的浅层地下水井灌超采量，减少22%～24%的农田耗水量，但冬小麦的减产率将接近40%。

图4 大清河淀西平原和子牙河平原子流域内的冬小麦年均产量的模拟结果

表3 冬小麦生育期“春浇一水”的8种限水灌溉模式对浅层地下水压采与农田节水的效应及冬小麦减产情况

注 dx表示大清河淀西平原；zy表示子牙河平原。

2.3 区域尺度冬小麦生育期“春浇一水”限水灌溉模式的优化

由文中2.1和2.2节的情景分析与评估结果可知，当在22个子流域实施同一种限水灌溉方案时，无法在所有井灌耕地上均实现浅层地下水的采补平衡。因此，利用分布式水文模型的特点、结合0-1规划方法在研究区范围内开展冬小麦生育期“春浇一水”的限水灌溉模式的优化，针对每一个子流域求解出能够实现浅层地下水位不再继续下降且冬小麦减产幅度最小的限水灌溉方案，其空间分布如图5（a）所示。在这种优化的冬小麦生育期“春浇一水”的限水灌溉模式下，与基本情景相比，在浅层地下水采补平衡约束下平均的冬小麦最小减产幅度约为36%（除无可行解的区域外），其空间差异如图5（b）所示。考虑到我国的政策制定与管理（如水资源管理的“三条红线”）的最小行政单元为县（市）域，将上述结果的空间分布与研究区所涉及的48个县（市）域的边界叠加，获得便于将本文的相关模拟结果为县（市）有关管理部门在实际应用中参考的图件。

图5 以浅层地下水采补平衡为约束、冬小麦减产最小为目标所优化的限水灌溉模式及对应的冬小麦减产率的空间分布

根据优化计算结果，在研究区中部偏东的无极、深泽、晋州、辛集、宁晋东北部、赵县东北部、新乐南部、正定北部和永年北部等区域，决策变量无可行解，可见在灌溉定额最小（30 mm）的冬小麦生育期“春浇一水”的限水灌溉方案下，这些区域所涉及的优化计算单元（子流域）仍无法满足0-1规划模型中的浅层地下水采补平衡的约束条件。据统计，在大清河淀西平原和子牙河平原内，无可行解的区域分别约占这2个水资源三级区面积的大约20%和35%。可见为实现浅层地下水采补平衡的压采目标，这些区域需实施压采力度更大的管理措施（如：冬小麦雨养方案，季节性休耕方案等）。在研究区其余大约70%面积上的有可行解的区域，优化的限水灌溉模式的空间分布（图5（a））表现为：灌溉定额为30 mm的“春浇一水”的限水灌溉方案的推荐区域主要涉及石家庄西南部地区的元氏与栾城和保定定州的北部及邢台地区的南和与沙河，其面积约占研究区的14%；灌溉定额为40 mm的“春浇一水”的限水灌溉方案的推荐区域主要分布在邢台和邯郸地区的大部分县（市）域，其面积约占研究区的21%；灌溉定额为50 mm的“春浇一水”的限水灌溉方案的推荐区域主要涉及保定地区的大部分县（市）域，其面积约占研究区的24%；灌溉定额为60 mm的“春浇一水”的限水灌溉方案的推荐区域主要分布在保定地区南部和石家庄北部的少部分县（市）域，其面积仅占研究区的5%左右；灌溉定额为90 mm的“春浇一水”的限水灌溉方案的推荐区域主要涉及保定地区北部的涞水、易县以及石家庄地区中部的藁城、正定等县（市）域，其面积约占研究区的7%。

以冬小麦减产率最小为目标所优化的结果显示：只有灌溉定额为90 mm的“春浇一水”的限水方案所涉及的区域（保定地区北部和石家庄中西部的部分县域）才可以实现将冬小麦的减产率控制在30%以内（图5（b）），这些县（市）域在某种意义上将是冬小麦生育期“春浇一水”限水灌溉模式的适宜推广区，因为在这种限水灌溉模式下这些区域既可以实现浅层地下水的采补平衡、也可将冬小麦的减产率控制在不影响区域粮食供销平衡的范围内[15]。保定南部、石家庄西南部、邢台西北部因为需实施灌溉定额为30～40 mm的“春浇一水”的限水灌溉模式，所以冬小麦的减产率相对较高，可达到40%以上。对于邢台地区的大部分县（市）域和整个邯郸地区，若要实现浅层地下水采补平衡，冬小麦的减产率在30%～40%之间。

3 讨论

1）在位于研究区内的栾城站，相关研究者也对只在冬小麦拔节期灌溉1次的“春浇一水”方案进行了田间试验[11-14]，涉及的灌溉定额大都在60～90 mm，冬小麦的平均产量约在4 500～7 500 kg/hm2。本文对栾城站所在的水文响应单元内的模拟结果显示：与这些田间试验大致相近的灌溉定额下，冬小麦的平均产量约为3 500～4 500 kg/hm2。造成这种差异的主要原因如下：①模拟时在该水文响应单元所概化的土壤质地与试验站的站点尺度上的不尽相同；②模型输入的气象条件也与站点的实际情况有所差异；③在该水文响应单元模拟所用的冬小麦参数是根据栾城站1997—2005年的田间试验数据率定的[33-34]，是对本研究模拟时段内冬小麦品种的概化而未考虑品种的变化；④田间在采用节水灌溉时常配套一些农艺补偿措施（如：改变播种密度、灌水后的及时划锄与松土保墒、深耕与精细整地等），以减少灌溉方案对冬小麦产量的影响，但本研究的模拟中难以反映这些农艺措施的补偿效应。本研究给出的“春浇一水”限水灌溉模式下的冬小麦产量在某种意义上是偏于保守的估计。

2）在前期工作中，基于相同的思路也对考虑不同灌水次数的限水灌溉模式进行了优化，表明：若要实现研究区浅层地下水采补平衡，大部分区域在冬小麦生育期的降水水平为平水时都需要实施雨养方案，此时，研究区在模拟时段内平均的冬小麦最小减产率约为42%[9-10]。本研究以实现浅层地下水采补平衡为约束，对研究区内冬小麦“春浇一水”的方案进行了优化，这种优化模式在大约70%的区域上能够实现浅层地下水位止降回升，而这些区域在模拟时段内平均的冬小麦最小减产率为36%。在此，不妨假设：在本研究所优化的“春浇一水”模式能够达到地下水采补平衡的区域以外的那部分区域，实施冬小麦生育期“雨养”方案，这样就可以使得研究区的浅层地下水都达到采补平衡。若按照前期模拟所获得的“雨养”方案下冬小麦平均减产率约54%进行估算[9-10]，通过面积加权平均便得到整个研究区内冬小麦的平均减产率约为42%。这一减产率与前期研究中所优化的限水灌溉模式[9-10]虽然相近，但本研究优化的“春浇一水”模式不涉及降水水平的划分，因而在实施中无需基于预测冬小麦生育期的降水水平而确定灌水时间和灌水次数。当然，本研究优化的“春浇一水”模式下的灌水定额大多在30～50 mm，这往往需要诸如小畦灌溉或“小白龙”灌溉等方式。

4 结论

1）运用改进的SWAT模型与经典的0-1规划方法，面向“节水压采”的地下水超采区水资源管理目标，本研究在统筹考虑浅层地下水涵养与冬小麦生产下的“模拟−评估−优化”的研究思路可为类似地区提供参考。

2）冬小麦生育期“春浇一水”（只在冬小麦的拔节期灌溉1次）方案下，河北省太行山山前平原浅层地下水位的平均下降速度将减缓至0.34 m/a以内，浅层地下水年均井灌开采量和超采量可分别削减大约70%～80%和75%～90%，农田耗水量平均减少17%～24%，但冬小麦平均减产25%～40%。

3）在各子流域进行优化后的“春浇一水”限水灌溉模式可使得研究区内大约70%的面积实现浅层地下水采补平衡，优化后的区划为：在保定地区、邢台和邯郸地区、石家庄地区西南部，分别主要推荐实施灌溉定额为50、40 mm和30 mm的方案，在这些区域内冬小麦最小减产率的平均值约为36%。对于研究区中部偏东的部分区域，冬小麦生育期的“春浇一水”方案无法实现遏制浅层地下水位的继续下降，需实施压采力度更大的措施以实现浅层地下水资源的可持续利用。

致谢：感谢中国农业大学资源与环境学院任理教授对本研究相关的科学问题所给予的指教以及对论文手稿提出的修改意见。感谢中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心张喜英研究员在作者到栾城农业生态系统试验站调研期间就冬小麦限水灌溉田间试验方面所给予的指教。

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The Effects of Limiting Irrigation Frequency of Winter Wheat to One Time on Shallow Groundwater Balance and Wheat Yield:A Simulation Study on a Piedmont Plain of Taihang Mountain in Hebei Province

ZHANG Xueliang1, 2, DING Beibei1

(1. College of Land Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. Land Engineering Technology Innovation Center, Ministry of Natural Resources, Beijing 100035, China)

【】Groundwater-irrigated winter wheat in the piedmont plain of Mountain Taihang in Hebei province faces a conflict between dwindled water resources and increased demand of the wheat for water. Reducing irrigation frequency of the winter wheat to just one time during its growth season is a strategy to balance groundwater conservation and wheat yield. The aim of this paper is to investigate its practicability and feasibility.【】We designed eight scenarios with different irrigation amounts, and simulated crop growth and groundwater variations associated with each scenario using a modified SWAT model. Based on the simulated results, a 0-1 linear programming was conducted for 22 subbasins to minimize wheat yield loss under the constraint condition of stopping the decline of shallow groundwater table.【】①Under the limited irrigation scheme for winter wheat with once time at the jointing stage, the declining rate of shallow groundwater table in the study area would be restrained to less than 0.34 m/a on average. However, it would reduce average wheat yield by 25%～40% in comparison with the current situation. ② Spatially, the Daqing River Dianxi Plain in the northern part of the study area had a more satisfactory groundwater conservation effects; whereas, in the Ziya River Plain, which is located at the southern part, a higher averaged wheat yield performed. ③For most areas around Baoding, the optimized irrigation amount was 50 mm, while for areas around Xingtai and Handan, the optimized irrigation amount was 40 mm. In the southwest of Shijiazhuang, the optimized irrigation amount was 30 mm.【】The optimized results showed that reducing irrigation frequency of winter wheat to just once at the jointing stage can achieve shallow groundwater equilibrium in approximately 70% of the study area. These results could provide quantitative reference for implementing a workable limited-irrigation scheme in this groundwater-irrigated region where the shallow groundwater has been severely overexploited for more than four decades.

limited irrigation scheme; shallow groundwater; groundwater equilibrium; crop yield; SWAT model; irrigation optimization

张雪靓, 丁蓓蓓. 冬小麦“春浇一水”限水灌溉模式对浅层地下水采补平衡的影响——以河北省太行山山前平原为例[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(9): 1-10.

ZHANG Xueliang, DING Beibei.The Effects of Limiting Irrigation Frequency of Winter Wheat to One Time on Shallow Groundwater Balance and Wheat Yield: A Simulation Study on a Piedmont Plain of Taihang Mountain in Hebei Province[J].Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(9): 1-10.

S274.1；S275.5

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021259

1672 – 3317（2021）09 - 0001 - 10

2021-07-04

国家自然科学基金项目（41807183）

张雪靓（1991-），女。讲师，硕士生导师，主要从事水土资源可持续利用的研究。E-mail:zhangxueliang@cau.edu.cn

责任编辑：韩 洋