石羊河流域制種玉米咸淡水輪灌模式的SWAP模型模擬

袁成福，馮紹元，季泉毅，霍再林

(1.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009；2.江西水利職業學院，江西 南昌 330013；3.中國農業大學中國農業水問題研究中心，北京 100083)

甘肅省石羊河流域地處西北干旱內陸區，該地區降雨稀少、氣候干燥、蒸發強烈，水資源短缺成為制約該地區農業生產的主要因素之一[1]。石羊河流域水資源總量為18.17億m3，地表水資源量為15.52億m3，地下水資源量為2.65億m3[2]。石羊河流域地下水資源存在著不同礦化度的咸水，其中上游地區地下水礦化度為0.5～1.0 g·L-1，中游地區為1.0～3.0 g·L-1，下游地區為3.0～9.0 g·L-1[3-4]。在有限的水資源情況下，為了滿足農業生產用水需要和充分利用地下水資源，可以將地表淡水資源和地下咸水資源相聯合。國內外有關學者對咸水灌溉技術及利用進行了大量研究，實踐證明咸水或微咸水灌溉可使部分農作物產量接近或達到淡水灌溉的產量[5-8]。咸水灌溉的原則是控制土壤中鹽分不能超過作物的耐鹽度。目前，國內外利用咸水進行農田灌溉，主要有直接利用咸水灌溉，咸水與淡水混合灌溉，咸水與淡水輪灌。不同的咸水灌溉方式，其效果不同。然而，由于野外田間試驗受各種因素的制約，很難全面開展各種咸水灌溉的試驗，也不易得到不同作物的咸水灌溉利用模式。在田間試驗的基礎上，應用數學模型來模擬和預測不同咸水灌溉方式下的土壤水鹽運移規律及對作物產量的影響，是一種可行的科學研究方法[9-11]。其中，國內外廣泛利用SWAP模型來模擬不同咸水灌溉方式下的土壤水鹽分布及作物產量，并預測長時期采用咸水灌溉對農田土壤環境的影響。楊樹青等[12]在內蒙古河套灌區利用SWAP模型與Visual ModFlow相結合，模擬了不同灌溉定額(淋洗和正常)的微咸水灌溉對土壤鹽分累積效應以及作物產量的影響，并預測了長時期微咸水灌溉后土壤根系層鹽分分布與平衡。王相平等[13]在蘇北地區利用SWAP模型模擬分析了水稻生育期土壤水鹽運移規律和水稻水分利用效率，并預測了長時期采用1.5 g·L-1的微咸水灌溉對土壤鹽分分布的影響。唐秀楠等[14]在內蒙古河套灌區利用SWAP模型模擬了枸杞不同咸淡水輪灌模式下的土壤鹽分運移規律及鹽分平衡，并預測了長時期咸淡水輪灌方式對土壤環境的影響。Kumar等[15]在印度新德里利用SWAP模型模擬了小麥不同咸水灌溉條件下根區土壤鹽分動態及小麥的相對產量，并預測了小麥長時期咸水灌溉下的相對產量。Jiang等[16]在石羊河流域利用SWAP模型對春玉米咸水非充分灌溉下土壤水鹽分布及春玉米產量進行了模擬，并預測了10年間不同土層的土壤水鹽分布和春玉米相對產量。石羊河流域由于具有獨特的地理氣候條件及豐富的光熱資源，是我國重要的玉米制種生產基地[17]。在石羊河流域有關咸水灌溉的利用方式主要是直接利用咸水灌溉，而關于咸水與淡水聯合灌溉的研究報道較少。因此，本研究在制種玉米咸水與淡水灌溉田間試驗的基礎上，利用SWAP模型模擬不同咸淡水輪灌下的土壤水鹽平衡，并預測較長時期采用咸淡水輪灌模式下的土壤含鹽量及制種玉米相對產量，為研究區合理利用地下咸水資源及農業生產實踐提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 田間試驗

田間試驗于2014年4—9月在甘肅省武威市的中國農業大學石羊河試驗站進行，所在經緯度為E102°52′, N37°52′，海拔為1 581 m。該試驗站位于甘肅省武威市的石羊河流域中上游區域。該研究區地處西北干旱內陸區，降雨稀少，蒸發強度大，多年平均降雨量為164.4 mm，多年平均蒸發量為2 000 mm，研究區地下水位埋深為48 m。咸水和淡水灌溉試驗在試驗站內測坑中進行，試驗站內共有9個測坑，每個測坑的面積為6.66 m2(3.33 m×2 m)，深度為3 m，每個測坑之間用混凝土分隔，可防止側滲。測坑內0～100 cm土層的土壤理化性質見表1。

根據石羊河流域上、中、下游典型區域的地下水礦化度情況試驗設置3個處理，分別為s0(灌溉水礦化度為0.71 g·L-1，淡水)、s3(灌溉水礦化度為3.0 g·L-1)和s6(灌溉水礦化度為6.0 g·L-1)，每個處理設3次重復，共9個試驗小區，采用隨機排列方式布置。試驗所用淡水為當地井水，咸水根據當地地下水化學組成，采用質量比為2∶2∶1的NaCl、MgSO4和CaSO4混合地下水配制而成。利用管道對試驗地進行灌溉，由供水干管引水到田間，再由支管分配到每個測坑，每個支管安裝水表，用來控制每次的灌溉水量。

試驗作物為當地制種玉米富農963號，于2014年4月19日播種，9月19日收獲，全生育期153 d。制種玉米按父本和母本1∶7的比例方式進行種植，制種密度為每個小區56株，制種玉米株距為25 cm，行距為35 cm。各處理制種玉米生育期內共灌溉5次，灌溉水量與當地實際情況保持一致，其中第5次灌溉是為了使制種玉米在成熟期籽粒飽滿而進行的灌溉，灌溉制度見表2。其他各種農藝措施均與當地實際情況保持一致。

試驗期間在制種玉米播種前、每次灌溉前后和收獲后通過土鉆田間分層取土的方法獲取土樣，每個小區每次取1個取樣點，每個取樣點均分為5層，取土深度分別為0～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm。采用烘干法測定土壤含水量；田間取完土樣后預留部分土樣帶回實驗室，將土樣風干，進行研磨和過1 mm篩后，采用SG-3型電導率儀(SG3-ELK742，Mettler-toledo international Inc.，Switzerland)測定土壤飽和浸提液的電導率EC1∶5(單位為mS·m-1)，并根據已有換算公式(S=0.0275EC1∶5+0.1366)將EC1∶5轉化為土壤含鹽量，其中土壤含鹽量S的單位為mg·cm-3[18]。

在制種玉米出苗后每隔7～10 d獲取制種玉米不同生育期的株高、葉面積指數、根長分布等資料。制種玉米收獲時玉米脫粒和曬干后稱重得到每個處理的產量，再折算單位為kg·hm-2的產量。土壤水分特征曲線參數采用高速離心機測定，利用van Genuchten-Mulaem 模型對土壤水分特征曲線的參數進行擬合。飽和導水率采用滲透儀(TST-55，China)，按常水頭法測定，為消除不同溫度對飽和導水率大小的影響，換算成10℃時的飽和導水率值。氣象數據從試驗站內的自動氣象站采集獲取，2014年制種玉米生育期內有效降雨量為141.2 mm。

表1 土壤理化性質

表2 各處理灌溉制度

1.2 SWAP模型

SWAP(Soil-water-atmosphere-plant)模型是由荷蘭Wageningen大學開發的一種用于模擬農田尺度下土壤水分、溶質和熱量在土壤-植物-大氣-作物系統(SPAC系統)中運移及作物生長過程的綜合模型。該模型的上邊界位于植物冠層上方，下邊界位于地下水系統(飽和層)的上部，分別考慮大氣環境因素和區域地下水動態變化的影響。在非飽和帶中，SWAP模型假定水流運動的主方向是垂直的，水流運動主要按垂直一維運動考慮，在垂直方向上，SWAP模型將土層分為不同的單元，在每個單元上，耦合求解水分及溶質運動方程和熱量傳輸方程。該模型在國內外干旱地區或半干旱地區模擬土壤水鹽運移及作物生長方面得到了較廣泛的應用。

土壤水流采用Richards方程：

(1)

式中,θ為體積含水率(cm3·cm-3)；K為土壤飽和導水率(cm·d-1)；h為土壤水頭(cm)；Z為垂向坐標(cm)，向上為正；t為時間(d)；C為容水度(cm-1)；S為作物根系吸水項(cm3·cm-3·d-1)。

溶質運移采用對流彌散方程：

(2)

式中,J為總溶質通量濃度(g·cm-2·d-1)；q為在邊界處的垂向水流通量(cm·d-1)；Ddif為溶質擴散系數(cm2·d-1)；Ddis為溶質彌散系數(cm2·d-1)；?c/?z為溶質濃度梯度；c為溶質濃度(g·cm-3)。

SWAP模型模擬的作物生長過程是采用WOFOST作物生長模型，其中包括詳細作物模型和簡單作物模型，本研究采用簡單作物模型。簡單作物模型是靜態模型，只描述作物最終產量與水分的關系。簡單作物模型計算作物的實際產量與潛在產量的比值為相對產量，運用各生育階段相對產量連乘的數學模型表示整個生育階段的相對產量。其計算公式如下：

(3)

式中,Ya,k為各生育階段作物實際產量，Yp,k為各生育階段作物最大產量，Ta,k、Tp,k為各生育階段實際蒸騰量和最大蒸騰量，Ky,k為各生育階段產量反應系數，k為作物不同生育階段。

(4)

式中,Ya為整個生育階段累積作物實際產量，Yp為整個生育期作物累積最大產量，n為作物不同生育期階段的數量。

水鹽聯合脅迫作用下，SWAP模型描述的作物根系吸水過程是根據作物潛在根系吸水速率，引入水分脅迫修正系數和鹽分脅迫修正系數相乘進行計算。計算公式如下：

(5)

Sa(z)=arwarsSp(z)

(6)

式中,Sp(z)是指作物潛在根系吸水速率(d-1)；Tp是指潛在騰發速率(cm·d-1)；Droot是指作物根系深度(cm);Sa(z)是指作物的實際根系吸水速率(d-1)；arw是指水分脅迫修正系數；ars是指鹽分脅迫修正系數。

SWAP模型需要輸入氣象數據、灌溉資料、作物生長資料、土壤理化參數和水力特性參數、初始和邊界條件、初始壓力水頭和溶質濃度等資料。輸入氣象數據包括每天的太陽輻射量、最高溫度、最低溫度、平均風速、平均濕度和降雨量，氣象數據由自動氣象站獲取；灌溉資料、作物生長資料、土壤理化參數和水力特性參數均采用田間試驗實測數據；土壤剖面的初始上邊界為氣象因素決定的降雨、蒸發、植物蒸騰和灌溉，由于地下水位埋深較大，土壤剖面下邊界條件為自由排水邊界；初始壓力水頭由初始土壤含水量通過水分特征曲線換算得到；初始溶質濃度由土壤初始含鹽量換算得到。具體有關SWAP模型的詳細介紹參見SWAP模型手冊[19]。

模型模擬值與實測值吻合度采用均方誤差(RMSE)、平均相對誤差(MRE)2個指標進行評價。

(7)

(8)

式中,N為觀測值的個數，Pi表示第i個模擬值，Oi表示第i個觀測值，其中RMSE和MRE值越小，模型模擬效果越好。

2 SWAP模型率定與驗證

2.1 土壤水分模塊的率定與驗證

利用研究區實測土壤水鹽數據、土壤水力特性參數、制種玉米生長資料、灌溉資料以及氣象數據等對SWAP模型進行率定和驗證。其中以s3處理為模型的率定處理，s6處理為模型的驗證處理。圖1為模型率定和驗證時不同土層土壤含水量的模擬值與實測值的比較。從圖1可以看出，土壤含水量的模擬值與實測值吻合較好，模擬值較好地反映了實測值的變化趨勢。表3為土壤含水量率定與驗證時模擬值與實測值的判別指標。由表3可知土壤含水量率定與驗證過程中土壤含水量RMSE值在0.05 cm3·cm-3以下，MRE值在15%以下，在允許的誤差精度范圍25%之內。率定后得到的土壤水力特性參數見表4。

圖1 土壤含水量模擬值與實測值的比較Fig.1 Comparison of the simulated and measured soil water content in calibration and validation

表3 土壤含水量模擬值與實測值的RMSE和MRE

2.2 土壤鹽分模塊的率定與驗證

圖2為模型率定和驗證時不同時期土壤含鹽量的模擬值與實測值的比較。從圖2可以看出，不同時期的土壤含鹽量的模擬值與實測值吻合較好，模擬值基本上反映了實測值的變化趨勢。表5為土壤含鹽量率定與驗證時模擬值與實測值的判別指標。由表5可知土壤含鹽量率定與驗證過程中土壤含鹽量RMSE值均在4.2 mg·cm-3以下，MRE值均在25%以下，在允許的誤差精度范圍25%之內。率定后得到的分子擴散系數和彌散度見表4。

表4 率定與驗證后的土壤水力特性與溶質運移參數

2.3 作物生長模塊的率定與驗證

SWAP模型模擬得出的產量結果為相對產量，本研究假定2014年試驗s0處理得到的制種玉米產量(6 303.36 kg·hm-2)為最大實際產量，根據模擬的相對產量與最大實際產量之間的換算可得到各處理的模擬產量。以s0處理為模型的率定處理，s3、s6處理為模型的驗證處理，制種玉米產量的率定與檢驗結果如圖3所示，制種玉米的產量模擬值與產量實測值基本一致。制種玉米產量的率定與檢驗過程中，RMSE值均在380 kg·hm-2以內，MRE值均在10%以下，符合誤差精度要求。制種玉米產量率定后得到的最小冠層阻力為60 s·m-1，產生鹽分脅迫時土壤含鹽量的臨界值為1.7 dS·m-1，鹽分脅迫引起的根系吸水系數的變化比率為4.0%。

上述對SWAP模型的率定與驗證結果表明，率定參數后的SWAP模型能夠較好地模擬土壤水鹽運動規律，可以用于研究區咸水與淡水灌溉的模擬與預測。

圖2 土壤含鹽量模擬值與實測值的比較Fig.2 Comparison of the simulated and measured soil salinity in calibration and validation

表5 土壤含鹽量模擬值與實測值的RMSE和MRE

圖3 制種玉米產量實測值與模擬值比較Fig.3 Comparison of the simulated and measured values for seed maize yield

3 制種玉米咸淡水輪灌模式的SWAP模型模擬

3.1 制種玉米咸淡水輪灌模式下的土壤水鹽平衡分析

模擬研究采用咸淡水輪灌方式，設置不同的咸淡水輪灌灌溉方案，其中咸淡水輪灌模式是以淡水灌溉制度而擬定。根據當地灌溉經驗和前人的研究結果，制種玉米生育期內一般灌溉5次或者4次，灌溉5次主要是為了使制種玉米收獲時籽粒飽滿，獲得更高的產量和經濟收入，在制種玉米成熟期增加了1次灌溉[20]。本次模擬不考慮第5次灌溉，按照制種玉米生育期內需水量進行灌溉，即生育期內共灌溉4次，灌溉定額為465 mm，其中苗期(6月10日)灌溉120 mm、拔節期(7月1日)灌溉120 mm、抽穗期(7月25日)灌溉120 mm、灌漿期(8月15日)灌溉105 mm；制種玉米第1次灌溉時期為制種玉米苗期～拔節期階段，該階段制種玉米抗鹽能力較差，為了使制種玉米在生育前期順利生長，第1次灌溉各咸淡水輪灌溉方案均擬定為淡水灌溉，咸淡水輪灌溉只是在第2、第3和第4次這3次灌水期間進行。因此，根據這3次灌水的咸淡水輪灌方式以及考慮3.0、6.0 g·L-1兩種灌溉水礦化度，設置的咸淡水輪灌方案見表6，共有12種。由于石羊河流域地處干旱荒漠地帶，降雨稀少，枯水年份、平水年份和豐水年份降雨量年際之間差別不大，在模擬過程中，氣象數據是采用平均年法(P=50%)，根據1960-2014年的降雨資料進行降雨頻率分析，得出P=50%的典型年份，對應的年份是2011年，制種玉米生育期降雨量為118.8 mm；初始土壤含水量與土壤含鹽量、制種玉米生長資料與2014年田間試驗實測數據一致；模擬的土層深度為0～100 cm。根據上述條件，利用率定好的SWAP模型分別對12種咸淡水輪灌灌溉方案進行模擬，表6為模擬不同咸淡水輪灌方案的土壤水鹽平衡計算結果。以土體鹽分增加量最少和制種玉米產量最高為原則，進行較優咸淡水輪灌模式的篩選。從表6可知，3.0 g·L-1的微咸水條件下，2淡1咸輪灌方案中，淡淡咸模式下的土體鹽分增加量最少，產量最高；2咸1淡輪灌方案中，淡咸咸模式下的土體鹽分增加量較少，產量最高。6.0 g·L-1的咸水條件下，2淡1咸輪灌方案中，淡淡咸模式下的土體鹽分增加量最少，產量最高；2咸1淡方案下各輪灌模式的土體鹽分增加量均較大，不考慮。因此，3.0 g·L-1微咸水條件下，采用淡淡咸和淡咸咸兩種咸淡水輪灌模式為較優輪灌模式，6.0 g·L-1咸水條件下，采用淡淡咸的咸淡水輪灌模式為較優輪灌模式。

表6 模擬不同咸淡水輪灌方案的土壤水鹽平衡計算結果

注：土壤水分變化量“-”表示土壤水分被消耗,水分底部通量為負表示土壤水分向下滲漏,鹽分底部通量為負表示土壤鹽分向下運動,土體鹽分增加量為負表示土壤鹽分被淋洗。

Notes: The “-” of soil water change indicates that soil water content was consumed. The negative sign of bottom soil water flux indicates that soil water was leaking downward. The bottom soil salt flux was negative, which means that soil salinity moved downward. The negative increase of soil salinity means that soil salinity was leached.

3.2 較長時期土壤鹽分及制種玉米產量的預測

通過SWAP模型對不同咸淡水輪灌方案進行模擬，已經篩選出了研究區制種玉米較優咸淡水輪灌模式，即3.0 g·L-1微咸水灌溉條件下，采用淡淡咸和淡咸咸兩種咸淡水輪灌模式，6.0 g·L-1咸水灌溉條件下，采用淡淡咸的咸淡水輪灌模式。但這3種較優咸淡水輪灌模式是否可以在研究區進行長時期利用，需要利用SWAP模型對長時期利用咸淡水輪灌模式下的土壤鹽分及制種玉米產量進行預測。模擬預測時灌溉制度和氣象資料不變，以每一年末的土壤水分和鹽分模擬結果作為下一年度的初始條件，將上述3種咸淡水輪灌模式連續計算10年。圖4為不同咸淡水輪灌模式模擬10年間制種玉米生育期結束后的土壤含鹽量變化規律。從圖4可以看出，隨著運行年份的增加，3種輪灌模式下的土壤含鹽量均有不同程度的增加，模擬早期土壤含鹽量增幅較大，模擬后期土壤含鹽量增幅較小。以3.0 g·L-1微咸水條件下的淡咸咸輪灌模式為例，第2年較第1年增加了3.535 mg·cm-3，第3年比第2年增加了1.739 mg·cm-3，第4年比第3年增加了0.921 mg·cm-3，第5年比第4年增加了0.436 mg·cm-3，第6年比第5年增加了0.226 mg·cm-3，從第7年后土壤含鹽量比前一年增加量在0.1 mg·cm-3以內，說明隨著咸淡水輪灌的長時期進行，土壤含鹽量增幅呈現逐漸減小的趨勢，土壤含鹽量能夠達到平穩，不會造成土壤鹽漬化。圖5為不同咸淡水輪灌模式模擬10年間制種玉米的產量。由圖5可以看出，隨著運行年份的增加，制種玉米的產量有一定程度的下降，但減產程度較小，以3.0 g·L-1微咸水條件下的淡咸咸輪灌模式為例，第1年制種玉米的產量為4 664.5 kg·hm-2，第2年制種玉米的產量為4 412.4 kg·hm-2，第3年、第4年制種玉米的產量均為4 349.3 kg·hm-2，第5年后制種玉米的產量均為4 286.3 kg·hm-2，制種玉米產量在模擬期第5年達到平穩，說明隨著咸淡水輪灌的長時期進行，制種玉米的相對產量能夠保持平穩，不會造成制種玉米大量減產。

圖4 模擬10年內土壤鹽分動態變化Fig.4 Simulation of soil salinity dynamic for 10 years

圖5 模擬10年內制種玉米產量Fig.5 Simulation of seed maize yield for 10 years

4 討論與結論

4.1 討 論

王衛光等[21]提出了適合內蒙古河套灌區條件的咸淡水輪灌方式作為指導灌溉方案，灌溉次數為3次，即分別在春小麥分蘗期、拔節期和灌漿期進行灌溉。米迎賓等[22]研究表明在河南東北部地區利用3.0 g·L-1的微咸水作為小麥和玉米的灌溉用水，最好采用咸淡水交替的方式，綜合土壤積鹽狀況和對作物產量的影響，淡淡咸組合灌溉順序為最優輪灌方案。楊樹青等[12]研究表明在內蒙古河套地區利用3.84 g·L-1的微咸水灌溉，春小麥生育期采用淡咸咸的咸淡水輪灌方案，作物根層土壤積鹽量較其他咸淡水輪灌方案更少，對研究區的土壤環境和春小麥產量的影響較小。唐秀楠等[14]在內蒙古河套地區利用3.84 g·L-1的微咸水作為枸杞的灌溉用水，采用2淡1咸輪灌方案中，淡淡咸模式在枸杞盛果期鹽分較低，對枸杞的產量影響較小；2咸1淡輪灌方案中，淡咸咸模式對枸杞的產量影響較小，并且利用SWAP模型預測了淡咸咸輪灌方式5 年后，土壤鹽分增幅不大，能夠達到鹽分的進出平衡，且5年后鹽分依然適宜枸杞的生長，不會對枸杞產量造成影響。本研究得到的3種較優的咸淡水輪灌模式，在預測10 年后，土壤含鹽量增加較少，能夠達到平穩，不會造成土壤鹽漬化，制種玉米的減產幅度較小，這與前人研究結果基本一致。

4.2 結 論

(1)SWAP模型參數率定與驗證結果表明：土壤含水量、土壤含鹽量和制種玉米產量的模擬值與實測值吻合度較好，率定參數后的SWAP模型能夠較好的模擬土壤水鹽運動規律和制種玉米產量，可以用于研究區咸水與淡水灌溉的模擬與預測。

(2)不同咸淡水輪灌模式下的土壤水鹽平衡分析表明：3.0 g·L-1微咸水條件下，采用淡淡咸和淡咸咸兩種咸淡水輪灌方案為較優輪灌模式，即1水120 mm(淡水)、2水120 mm(淡水)、3水120 mm(淡水)、4水105 mm(3.0 g·L-1微咸水)和1水120 mm(淡水)、2水120 mm(淡水)、3水120 mm(3.0 g·L-1微咸水)、4水105 mm(3.0 g·L-1微咸水)；6.0 g·L-1咸水條件下，采用淡淡咸的咸淡水輪灌方案為較優輪灌模式，即1水120 mm(淡水)、2水120 mm(淡水)、3水120 mm(淡水)、4水105 mm(6.0 g·L-1咸水)。

(3)較長時期土壤鹽分動態變化及制種玉米產量預測結果表明：3種較優的咸淡水輪灌模式在模擬期內隨著時間的增加土壤含鹽量增加量較少，能夠達到平穩，不會造成土壤鹽漬化；制種玉米的減產幅度較小，產量能夠保持平穩，不會造成制種玉米大量減產。本研究所得到的3種較優的咸淡水輪灌模式有待在生產實踐中進行進一步驗證和補充完善。