基于AquaGIS模型的盈科灌區制種玉米農業用水效率分析

韓聰穎， 張寶忠， 劉 鈺

(1.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室， 北京 100038；2.國家節水灌溉北京工程技術研究中心， 北京 100048)

1 研究背景

我國農業用水效率僅為40%左右[1]，灌溉水利用系數僅為0.53，遠低于歐洲發達國家。不合理灌溉是造成農業低效用水的主要原因之一。提高田間農藝管理措施，包括制定合理的灌溉制度是提升灌區灌溉水利用效率的重要途徑。為此，一些學者[2-4]嘗試對作物灌溉制度進行了優化，極大地提高了水分生產率。由于作物模型可重復性比較強，已經成為農業研究的重要工具。利用作物模型進行灌溉制度優化已經被廣泛應用到農業生產中[5-7]。但是這些優化僅限于田間尺度，作物生長環境比較單一。隨著作物生長環境，尤其是土壤質地的空間變異性，作物最佳灌溉制度也會產生一定的空間差異。利用作物模型，結合作物生長環境的空間變異性對灌溉制度進行空間優化具有很大的現實意義。

鑒于此，學者們對如何將田間點模型進行區域應用展開了初步探索。Hansen等[8]提出了通過增加模型輸入數據取樣點密度，例如通過增加土壤質地采樣點數目，減小模型區域模擬的誤差，但是此方法僅限于在小尺度范圍進行研究。Saarikko[9]將芬蘭地區劃分為10 km×10 km的柵格，在每個柵格內利用CERES-Wet-Wheat模型結合有限輸入數據，對小麥產量在不同氣候條件下進行估測。以上模型區域應用方法減小了傳統模型以點帶面帶來的誤差，但是受輸入數據尤其是土壤數據空間連續性的限制，區域模擬誤差仍然很大。并且受空間環境變異性、輸入數據復雜性等影響，一些作物模型如ASPIM等[10]、CROPSYST等[11]、DSSAT等[12]、WOFOST等[13]的區域應用受到很大限制。

為此，世界糧農組織(FAO)研發了AquaCrop模型[14-15]，并且為促進AquaCrop模型在區域尺度的應用，FAO又開發了AquaData 和 AquaGIS模型[16]，為初步實現輸入數據和輸出數據的空間差異性劃分提供平臺。該模型輸入參數比較少，輸入數據直觀且易獲取，因此得到了快速而廣泛的發展[17]。AquaCrop模型和遙感數據的耦合為模型區域應用提供了新的研究思路[18]。中國科學院南京土壤研究所等相關單位完成了全國土壤數據庫建設，該數據基本覆蓋了全國各種類型土壤及其主要屬性特征，這一成果在很大程度上解決了該模型進行區域應用時土壤質地數據空間連續性的難題。目前，利用該分布式模型進行區域應用的研究尚少，Lorite等[16]利用該模型對西班牙南部安達盧西亞地區過去30年和未來30年氣候變化對小麥產量的影響進行了模擬，極大地提高了區域模擬效率。

目前，利用分布式模型對區域作物進行灌溉制度空間優化研究尚少。為此，本文以盈科灌區為研究區域，利用分布式AquaGIS模型和帶精英策略的遺傳算法NSGA-II對該灌區的制種玉米灌溉制度進行優化，并進一步分析該灌區農業用水效率，為提高盈科灌區農業用水效率提供理論指導。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

盈科灌區位于張掖市甘州區，地理位置38°50′～38°58′N, 100°17′～100°34′E。灌區年平均氣溫6.5～8.5℃，多年平均降雨量133 mm，參考作物年蒸散發量1 200 mm左右。灌區內地下水埋深比較大，從西南部的40 m減小為東北部的5 m。盈科灌區占地面積192 km2，其中灌溉面積占比68%。灌區主要種植作物有制種玉米、大田玉米、小麥、蔬菜及其他作物，其中，制種玉米是當地最主要的農作物，種植面積占總種植面積的50%左右。該區域制種玉米采用覆膜種植，平均在4月22日左右播種，9月23日左右收獲，全生育期150 d左右，據甘州區水務局統計，灌區制種玉米生育期平均灌溉5次，灌溉制度如表1所示，本文以播種后天數表示灌水時間。本研究于2012年4月-2013年9月在盈科灌區一分支渠石橋五斗二農渠進行了田間試驗，為模型率定和驗證提供基礎數據。

表1 盈科灌區制種玉米現狀灌溉制度

2.2 數據獲取方法

(1)田間試驗采集數據主要包括葉面積指數、地上干物質量、土壤含水率，數據采集方法詳見參考文獻[19]；

(2)土壤數據來源于南京土壤研究所，根據土壤質地柵格數據顯示，盈科灌區不同深度層土壤屬性空間差異比較大，該區0～30 cm和30～100 cm兩個深度層土壤主要為黏壤土、壤土和粉砂壤土(土壤屬性如表2所示)，土壤水力學參數利用Rosetta軟件基于土壤粒徑組成進行估算；

(3)氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn/)，本文采用張掖站氣象資料，包括日最低氣溫、日最高氣溫、平均濕度、平均風速、日照時數、日降雨量；

(4)灌溉管理資料來源于盈科灌區水管局，資料顯示該灌區平均灌溉4次，全生育期入田水量604 mm。

表2 盈科灌區0～100 cm深度土壤屬性

2.3 AquaGIS介紹

AquaGIS模型是AquaCrop模型基于作物生長環境的空間差異性進行的集成，該軟件將作物生長環境劃分成獨立的勻質模擬單元，對區域內不同的模擬單元進行獨立模擬。AquaGIS模型核心組成是batch文件，該文件集成了模型運行需要的數據結構，主要包括作物、氣象、土壤、灌溉、播種日期、初始條件、田間管理等。軟件使用步驟簡單介紹如下：

(1)利用ArcGIS將目標區域的空間屬性文件，包括土壤類型、種植結構、灌溉分布、氣象等進行疊加，將目標區域劃分成獨立的模擬單元，使模擬單元擁有獨立的模擬環境；

(2)按照batch文件的結構，對每個模擬單元進行模擬環境分配；

(3)利用率定好的AquaCrop模型按照模擬單元的模擬環境生成對應的.cro文件，即作物文件，這里主要是指肥脅迫參數；

(4)按照氣象文件和土壤文件要求，整理模型模擬需要的weather文件和soil文件；

其他操作主要包括：根據實際情況整理模型需要的初始含水率、地下水文件(由于盈科灌區地下水埋深較大，所以本研究予以忽略)，播種日期(本研究采用統一播種日期)，田間管理文件。

輸入數據準備完成即可運行軟件，對作物生長狀況及需耗水規律進行空間模擬。該軟件自帶的空間分析功能可以對模擬結果進行空間展示。

3 結果分析與討論

3.1 AquaCrop模型率定和驗證

分別利用2012和2013年田間試驗數據對AquaCrop模型進行率定和驗證，以確定適合盈科灌區制種玉米的模型參數，并選擇均方根誤差RMSE、標準均方根誤差NRMSE、一致性指數d對率定結果進行評價，模型率定結果如表3所示。結果顯示，冠層覆蓋度率定和驗證過程的RMSE分別為7.5%和7.9%，NRMSE分別為10.2%和11.9%，d分別為0.97和0.98；土壤水儲量的RMSE分別為18.8和40.1 mm，NRMSE分別為6.2%和13.4%，d分別為0.93和0.75。其中，模型進行驗證時，土壤肥脅迫系數仍然采用的2012年率定值，這與2013年實際情況有所出入，因此導致地上干物質量模擬誤差稍微偏大，其中NRMSE分別為21.5%和51%稍有偏高，但是d分別達到了0.97和0.86，模擬結果可以接受。

表3 AquaCrop模型率定和驗證評價指標

注：冠層覆蓋度的單位為%； 地上干物質量的單位為t/hm2； 土壤儲水量的單位為mm。

3.2 盈科灌區現狀年農業用水效率

利用AquaGIS模型對盈科灌區2015年制種玉米產量和水分生產率進行空間模擬。該灌區2015年制種玉米平均產量為13.31 t/hm2，水分生產率WPET為2.01 kg/m3，灌溉水生產率WPI僅為2.21 kg/m3。模擬結果顯示，灌區2015年制種玉米生育期滲漏量144 mm，造成了極大的水資源損失。為提高灌區農業用水效率，根據黑河中游綠洲實際配水情況，分別假定灌區配水3、4、5和6次，并對每種假定分別進行灌溉制度優化，結果如表4所示。

表4 盈科灌區現狀年及優化灌溉制度的農業用水效率

分析可知，灌溉制度優化以后制種玉米產量略有降低，但是減少量均在5%以內。灌溉制度優化以后灌溉定額明顯減少，蒸散發量減少36～53 mm，實現了本質意義上的節水，水分生產率WPET增加量在5%左右，灌溉水生產率WPI增量達到25%-48%，極大地提高了農業用水效率。綜合優化結果，灌區現狀年平均灌溉4次灌溉制度最優，灌溉水效率WPI可達到3.27 kg/m3。

3.3 盈科灌區不同水文年農業用水效率

對張掖水文站(1980-2014)年降雨資料進行降雨頻率分析(如圖1所示)，分別得到該站點豐水年(保證率25%)、平水年(保證率50%)和枯水年(保證率75%)的年均降雨量。對應站點不同水文年及對應氣象要素如表5所示。對盈科灌區不同水文年制種玉米灌溉制度進行優化，并進一步對比分析該灌區不同水文年的農業用水效率，結果如表6所示。

對表5、表6進行分析可知，盈科灌區豐水年和枯水年水分生產率WPET基本一致，平均為2.26～2.29 kg/m3，平水年比較低，為2.09～ 2.17 kg/m3。氣象數據顯示，平水年平均風速達到2.8 m/s，高于豐水年(1.8 m/s)和枯水年(1.8 m/s)，且該水平年平均相對濕度低于豐水年和枯水年，因此平水年ET整體偏高。綜合對比灌區制種玉米WPET、WPI、產量可知，豐水年灌區最佳灌水次數為3次，平水年最佳灌水次數為4次，枯水年最佳灌水次數為5次。

水文氣象要素豐水年(P=25%)平水年(P=50%)枯水年(P=75%)典型年份200820131980年降雨量/mm154125100年日照時數/h305231733174年平均氣溫/℃8.38.87.3平均風速/( m·s-1)1.82.81.8年平均相對濕度/%51.243.951.2

表6 盈科灌區不同水文年優化灌溉制度的農業用水效率

4 結 論

(1)基于分布式作物模型的灌溉制度優化能夠充分考慮作物生長環境因素的空間變異性，尤其是土壤質地的空間變化對灌溉制度的影響，能夠更加合理地制定出適合目標區域的灌溉制度，最大限度地提高區域農業用水效率。

(2)灌溉制度不合理是盈科灌區農業用水效率偏低的重要因素，通過優化灌溉制度，灌區農業用水效率有很大的提升空間。本文提出了適合盈科灌區實際配水情況的一組優化灌溉制度，通過灌溉制度優化，灌區制種玉米蒸散發量減少36～53 mm，水分生產率WPET增加5%左右，灌溉水生產率WPI增加25%～48%，極大地提高了灌區農業用水效率。

(3)本文對張掖水文站降雨資料進行分析，分別制定了盈科灌區不同水平年的灌溉制度，并提出了不同水文年最佳灌溉制度，分別為豐水年灌區最佳灌水3次、平水年最佳灌水4次、枯水年最佳灌溉5次，為盈科灌區科學合理的灌溉管理提供理論指導。