基于DSSAT模型的京津冀地區主要農作物用水分析

郎婷婷，郝蒙蒙，吳風華，閻曉曦，付晶瑩

(1.華北理工大學 礦業工程學院，河北 唐山 063210；2.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；3.中國科學院大學 資源與環境學院，北京 100049)

水資源時空分布不均是中國水資源分布的突出特點，由于地理氣候等因素，中國北方存在干旱少雨、水資源短缺等現象[1]。據《2016年中國水資源公報》顯示[2]，京津冀地區水資源總量為262.3×108m3，僅占全國水資源總量的0.8%，并且京津冀地區農業用水量高達60%以上[3]。京津冀地區是我國重要的農業生產基地之一[4]，冬小麥和夏玉米是京津冀地區的主要糧食作物，也是京津冀農作物的主要輪作模式[5]，其灌溉用水和蒸散發量都相對較大，主要靠提取地下水或黃河灌溉來保證高產，長期的灌溉造成華北平原地下水位快速下降，形成了世界上最大的復合型地下水位降落漏斗區，并引起諸多的生態和環境問題。對京津冀地區冬小麥和夏玉米需水量進行精準的估算和預測，是京津冀地區冬小麥、夏玉米高產和水資源有效利用的保證，也為實現“精準農業”[6]、保障糧食安全和維護生態可持續發展提供理論基礎[7]。

為了探究農作物的生長規律，克服傳統田間試驗法受時間限制、研究區域及環境條件不具備普遍適用性等缺點[8]，現代作物模型得到研發及完善，美國的DSSAT模型是目前使用最為廣泛的模型之一[9-10]。陳丹丹等[11]使用DSSAT模型模擬了充分灌溉和雨養不灌溉條件下河南省冬小麥的生長情況，并定量評估了冬小麥需水量的變化特征，為河南省冬小麥水分定量化管理提供了參考；Araya等[12]基于DSSAT-CSM模塊評估了美國堪薩斯州西部地區的農作物產量與水分限制條件下的農作物水分生產率，結果表明，不充分的灌溉條件和輪作條件下玉米的產量比充分灌溉條件和連作條件下的要高。賀鵬等[13]對DSSAT中的CERES-Wheat模型進行標定，模擬了關中平原地區冬小麥在不同生育期對水分脅迫的敏感性，結果表明冬小麥在旱作區和灌溉區對水分脅迫的敏感性相同。為了探究京津冀區域內農作物需水時空分布規律，合理規劃并分配農業用水量，本研究基于DSSAT模型，結合GIS技術，構建了京津冀區域內冬小麥、夏玉米需水估算模型，對京津冀地區冬小麥和夏玉米進行需水量預測，為精準灌溉提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

京津冀位于我國華北平原中部，地理位置為東經113°27′—119°50′，北緯36°05′—42°40′，區域氣候屬于溫帶濕潤半干旱大陸性季風氣候，四季氣候分明，常年降水量在540 mm左右。京津冀地區水資源總量為262.3億立方米，僅占全國水資源總量的0.8%，有效灌溉面積約489.3萬千公頃，約占全國的7.3%。京津冀地區冬小麥-夏玉米為一年兩熟制作物[14]，在種植空間分布上被識別為一年兩季的作物種植模式[15]，使用MODIS遙感影像，根據NDVI(歸一化植被指數)，并結合物候信息，得到了京津冀地區冬小麥-夏玉米種植區，見圖1。

圖1 京津冀地區冬小麥—夏玉米種植區分布圖Fig.1 Distribution of winter wheat-summer maize planting area in Beijing-Tianjin-Hebei region

1.2 總體技術路線

在京津冀地區冬小麥和夏玉米農業需水量預測模型構建的過程中，基于GIS技術，完成DASSAT模型空間擴展模塊的數據收集整理，包括土地利用數據、土壤數據以及氣象數據，同時，對冬小麥和夏玉米的作物品種參數數據庫進行優化，實現基于空間的冬小麥和夏玉米農業需水量預測和分析，總體技術路線如圖2所示。

1.3 DSSAT模型

DSSAT模型產生于農業技術轉移國際基準網IBSNAT(Inter-national benchmark Sites Network for Agrotechnology Transfer)的項目，能夠對作物生長發育過程所需的環境及能源等數據進行整合與分析[16-19]，通過計算機技術建立相關的數學模型，來監測作物的生長過程，同時為農業研究提供技術支持與決策[20-21]。水分平衡模擬模塊是DSSAT模型中一個重要的組成模塊[22]，在農田生態系統的水分循環過程中，作物生長過程需水主要來自降水、地表水、土壤水和地下水[23]，農作物在DSSAT模型中的土壤水平衡表示如下[21]：

ΔS=RF+I-E-T-R-D

其中，ΔS表示土壤含水量的變化，RF表示降水量，I表示灌溉量，E表示作物蒸騰量，T表示土壤蒸發量，R表示地表徑流量，D表示深層滲漏或排水量，單位均為mm·d-1。

DSSAT模型是基于單點的作物生長模擬模型，空間模塊發展滯后，限制了對空間范圍內農作物生長過程模擬的研究。通過將GIS技術和DSSAT模型相結合，可以實現農作物空間分析，充分發揮GIS技術的空間數據管理能力和DSSAT模型的作物生長過程模擬優勢[24-26]，為農業預測提供數據支持。圖3為本研究中DSSAT模型和GIS技術耦合的流程圖：首先，對單個土地單元試驗田進行本地化模擬；其次，利用Arcgis 10.1的空間分析功能，對DSSAT模型所需的土壤剖面數據和氣象數據進行處理，再將數據批量讀入土壤和氣象模塊，從而獲得覆蓋種植區所有農作物種植點的土壤和氣象文件；再次，利用DSSAT模型進行冬小麥和夏玉米的生長過程模擬，得到冬小麥和夏玉米的蒸騰量，再計算作物系數與蒸騰量的乘積得到農作物需水量，最后，將農作物需水量讀入Arcgis 10.1中，制作農作物需水空間分布圖，從而進一步分析京津冀地區農作物的用水情況。

圖2 模型構建技術流程圖Fig.2 Model building technique flow chart

圖3 耦合GIS技術與DSSAT模型技術流程圖Fig.3 Technique flow chart of coupling GIS and DSSAT model

1.4 農業需水模型數據

1.4.1 氣象數據 DSSAT模型輸入需要日值氣象數據，每個站點氣象數據的時間需要覆蓋作物的整個生長季，一般從作物播種前1周開始到作物收割后1周結束，站點的氣象數據來自國家氣象科學數據共享服務平臺(http://data.cma.cn/)提供的2016—2017年的日值氣象數據。其中，日值太陽輻射、最高溫度、最低溫度和降水數據為站點數據通過ANUSPLIN Vrsn 4.3軟件模擬插值獲得1KM空間分辨率的氣象數據。

1.4.2 土壤剖面數據 模型采用的土壤剖面數據來源于寒區旱區科學數據中心提供的GSDE(Global Soil Data Set for Earth System Modeling)數據庫，該數據以HWSD(Harmonized World Soil Database)土壤數據庫為基礎發展而來，提供了包含土壤質地、有機碳、氮含量、PH值等在內的11項土壤概況數據和34項土壤屬性數據。

1.4.3 作物品種參數數據 氣象和土壤剖面表征了京津冀地區農作物農業需水模擬的環境狀況，而除此以外，還需要選擇正確的農作物品種以實現準確的農業需水模擬，通過文獻調研手段獲取了京津冀地區經“本地化”處理后的冬小麥和夏玉米品種參數，表1是冬小麥和夏玉米兩種主要農作物敏感性較高的作物品種參數列表。

2 結果與分析

2.1 冬小麥需水時空分析

2.1.1 冬小麥需水量空間分布 使用DSSAT模型，并結合GIS技術，對冬小麥生長期農業需水量進行預測。京津冀地區冬小麥一般在10月上中旬播種，次年6月收獲，由于冬小麥6月份已進入成熟期不再進行灌溉，故未對6月份冬小麥的需水情況做預測。冬小麥整個生長季需水量的空間分布預測如圖4所示。

表1 作物品種參數列表

根據圖4可知，在冬小麥的整個生長期，京津冀地區冬小麥的農業需水量在323.72～419.58 mm之間，空間分布差異較大，其中冬小麥種植區的東南部及北部需水量較大；冬小麥生長期內的降水量在172.31～305.76 mm之間，降水量在冬小麥種植區以東南-西北方向呈逐漸減少的趨勢；對比冬小麥生長期內需水量與降水量發現，京津冀地區所有冬小麥種植區內均需提供灌溉用水來保證冬小麥的正常生長發育過程，灌溉需水量在55.95～212.55 mm之間，中部偏北地區的灌溉需水量相對較大。

2.1.2 冬小麥月尺度灌溉需水空間分布 對冬小麥生長期間各月灌溉需水量預測如下圖5所示。由于冬小麥在12月份進入越冬期，氣溫較低，基本不實施灌溉，因此未對12月份至2月份的冬小麥灌溉需水量分布情況做統計。

注：正值表示降水總量可以滿足農業需水量要求，負值表示降水總量無法滿足農業需水量要求，下同。Note: The positive value indicates that the total precipitation can meet the agricultural water requirements, while the negative value indicates that the total precipitation can not meet the agricultural water requirements, the same below.圖4 冬小麥生長期需水量、降水量及灌溉需水量空間分布圖(2016-10—2017-05)Fig.4 The spatial distribution of water requirement, precipitation and irrigation water requirement of winter wheat (2016-10-2017-05)

圖5 冬小麥生長期灌溉需水量月尺度空間分布圖(2016-10—2017-05)Fig.5 The monthly spatial distribution of irrigation water requirement of winter wheat (2016-10-2017-05)

10月為冬小麥播種和出苗的主要時期，基于冬小麥的生長特性，需要在播種時給予1次灌溉。11月屬于冬小麥的分蘗期，需水量較少，無需灌溉。3月是冬小麥的返青期和起身期，從這一階段開始冬小麥的需水量開始逐漸增加，灌溉需水量為10.74～28.57 mm，種植區的中南部所需的灌溉水較多。4月是冬小麥的拔節期和挑旗期，所有種植區仍需進行灌溉，灌溉需水量為27.55～49.47 mm。5月是冬小麥的灌漿期，這一時期冬小麥農業需水量較大，且該時期是影響冬小麥產量的重要階段，因此需要給予良好的灌溉條件，以保證冬小麥的產量，灌溉需水量在47.07～77.18 mm之間，灌溉需水量較多的地區集中在冬小麥種植區的中南部地區。

2.1.3 冬小麥地上生物量和需水規律分析 基于DSSAT作物生長模型，對雨養條件和灌溉條件下冬小麥生長過程中的地上生物量變化和需水量變化進行了模擬，分析冬小麥的需水規律，變化曲線見圖6。

根據圖中冬小麥地上生物量變化曲線可知，在冬小麥前200 d的生長過程中，雨養和灌溉條件下的曲線變化一致，但在播種200 d之后，灌溉條件下的冬小麥生長曲線逐漸高于雨養條件下的冬小麥生長曲線。由此可知，冬小麥播種的前200 d內，灌溉和雨養條件對冬小麥的地上生物量的作用相同，在200 d之后，對水分的需求大幅增加，兩種條件下的地上生物量表現出差異性；從第240天開始，冬小麥逐漸成熟，地上生物量不再發生顯著變化。

根據圖中冬小麥農業耗水量變化曲線可知：在冬小麥播種的第160天前后，冬小麥的耗水量顯著增加，地上生物量也逐漸增加，需要提供充足的灌溉條件；在冬小麥播種開始計算的前180 d內，雨養和灌溉條件下冬小麥耗水量基本一致，在180 d之后，冬小麥耗水量才出現差異，即在灌溉條件下，冬小麥的耗水量比雨養條件下高，產生的原因可能是灌溉使得冬小麥生長更加健壯，從而產生更高的蒸散發量，最終導致耗水量的增加；在第240天前后，冬小麥趨于成熟，且地上生物量不發生變化，可減少灌溉。

2.2 夏玉米需水時空分析

2.2.1 夏玉米需水空間分布 結合GIS技術和DSSAT模型對京津冀地區夏玉米整個生長期的需水量預測如圖7所示。

京津冀地區夏玉米一般在6月中下旬播種，9月底收獲。根據圖7可知：在夏玉米的整個生長期，京津冀地區夏玉米的農業需水量在333.47～438.51 mm之間，空間分布差異較大，其中需水量較大的地區主要集中在種植區的東南部及北部，西部地區夏玉米農業需水量相對較少；夏玉米生長期內的降水量在271.52～453.42 mm之間，其中西南部地區降水較少，東北部地區降水相對充沛；對比京津冀地區夏玉米生長期內需水量與降水量發現，種植區的部分地區需提供灌溉用水來保證玉米的正常發育過程，京津冀地區夏玉米灌溉需水量為0～141.22 mm，其中南部地區對灌溉用水的需求量最大。

2.2.2 夏玉米月尺度灌溉需水空間分布 京津冀地區夏玉米的生長周期主要為6—9月，對京津冀地區夏玉米生長期間各月農業需水量預測如下圖所示。

圖6 雨養條件和灌溉條件下的冬小麥生物量和耗水量變化曲線圖Fig.6 Curves of biomass and water consumption of winter wheat in rainfed and irrigated conditions

根據圖8可知，6月是京津冀地區夏玉米的播種季節，所需灌溉用水范圍廣但灌溉量較少，最大灌溉量為27.6 mm，灌溉需水量較大的地區主要集中在種植區的中部；7—8月是夏玉米的主要生長季節，需要提供的灌溉用水也相對較高，7月需要提供灌溉水的地區主要分布在種植區的南部，灌溉需水量高達106.61 mm，8月需要提供灌溉水的地區主要分布在種植區的北部和西部，灌溉需水量可達59.3 mm。9月是夏玉米的灌漿期和收獲期，夏玉米灌溉需水量減少，僅在西南部地區需要提供43.58 mm左右的灌溉水。

2.2.3 夏玉米地上生物量和需水規律分析 基于DSSAT作物生長模型，對雨養條件和灌溉條件下夏玉米生長過程中的生物量變化和需水量變化進行了模擬，分析了夏玉米的需水規律，變化曲線見圖9。

圖7 夏玉米生長期需水量、降水量及灌溉需水量空間分布圖(2017-06—2017-09)Fig.7 The spatial distribution of water requirement, precipitation and irrigation water requirement of summer maize(2017-06-2017-09)

圖8 夏玉米生長期灌溉需水量月尺度空間分布圖(2017-06—2017-09)Fig.8 The monthly spatial distribution of irrigation water requirement of summer maize (2017-06-2017-09)

圖9 雨養條件和灌溉條件下的夏玉米生物量和耗水量變化曲線圖Fig.9 Curves of biomass and water consumption of summer maize in rainfed and irrigated conditions

根據圖中夏玉米地上生物量變化曲線可知，夏玉米開始生長的前40 d內，雨養條件和灌溉條件下夏玉米地上生物量基本一致，40 d之后，雨養條件下夏玉米地上生物量變化曲線開始逐漸低于灌溉條件下的夏玉米地上生物量變化曲線，由此可知，夏玉米從播種的40 d后，水分不足會影響夏玉米地上生物量的累積。

根據圖中夏玉米農業耗水量變化曲線可知，在夏玉米播種開始計算的前30 d內，雨養和灌溉條件下夏玉米耗水量基本一致，在30 d之后，灌溉條件下夏玉米耗水量大于雨養條件下的耗水量，產生的原因可能是灌溉使得玉米生長得更加高大、茂盛，從而產生更高的蒸散發量，最終導致耗水量的增加。

3 討 論

本研究基于DSSAT模型中的土壤水平衡模塊模擬了農作物總需水量，通過搜集降水量資料來計算灌溉需水量，在空間分布上展現了京津冀主要農作物種植區農業用水資源供需平衡狀態，為京津冀地區的整體資源調配和水資源可持續利用提供了參考。在前人的研究中，胡瑋等[29]通過使用彭曼公式法得出了京津冀地區冬小麥全生育期的需水量在291～381 mm之間，曹永強等[30]也使用彭曼公式法得出了河北省夏玉米在全生育期的需水量為264.67～375.01mm的結論，而本研究的結論為冬小麥需水量在323.72～419.58 mm之間、夏玉米需水量在333.47～438.51 mm之間。本研究使用的DSSAT作物生長模型是以光、溫、水等作為環境條件，在經驗公式的基礎上加入了田間土壤情況(土壤滲透)和田間管理技術(灌溉、施肥)等信息，模擬結果較彭曼公式法偏高。作物灌溉需水量是由作物需水量和降水量的差值獲得，未將地表徑流量和地表滲透量等水分流失考慮進去，使得作物灌溉需水量低于田間實際灌溉水平，因此結果為田間灌溉的最低水平。

本研究僅收集了單個試驗田的作物品種參數數據，模型參數存在局限性，為了對大范圍研究區的農作物需水情況進行更精準地研究與分析，下一步應收集和積累更多地區的田間試驗數據，使品種參數在研究區范圍更具有針對性和適用性。

4 結 論

1) 在冬小麥的整個生長期，京津冀地區冬小麥的農業需水量在323.72～419.58 mm之間，所需的灌溉需水量在55.95～212.55 mm之間，所有種植區均需提供自然降水以外的灌溉水，中部偏北地區的灌溉需水量相對較大，中南部和東北部地區的灌溉需水量較少。在冬小麥播種的第160天前后，冬小麥的耗水量顯著增加，地上生物量也逐漸增加，需要提供充足的灌溉條件，而在第240天前后，冬小麥趨于成熟，且地上生物量不發生變化，可減少灌溉。

2)在夏玉米的整個生長期，京津冀地區夏玉米的農業需水量在333.47～438.51 mm之間，夏玉米種植所需的灌溉需水量在0～141.22 mm之間，中南部地區對灌溉用水的需求量最大。在夏玉米播種后，耗水量一直增加，且在第30天前后，地上生物量顯著增加，需要提供充足的灌溉條件，水分不足將影響夏玉米的生長發育。

3) 對冬小麥和夏玉米地上生物量和需水規律分析的結果顯示：在能保證冬小麥和夏玉米的生物量條件下，冬小麥播種的前160 d內和夏玉米播種的前30 d內，只需對其進行適度灌溉，在明顯需水時期再提供充足的灌溉條件，避免過度灌溉造成水資源的浪費。