侯永浩，王楠，丁蓓蓓，张雪靓

（中国农业大学土地科学与技术学院，北京 100193）

0 引言

【研究意义】我国水资源人均占有量少，时空分布不均，粮食生产对灌溉水的依赖程度高[1]。作为重要的淡水资源，地下水在农业系统中扮演着极为关键的角色；研究表明，全球约70%的地下水开采被用于农田灌溉[2]。然而，随着地下水开采量的不断增加，北方地区的地下水位持续下降，已成为威胁我国农业生态的突出问题[3]。强化区域节水灌溉始终是提高农业水资源效率、保障粮食安全的重要任务[4]。在我国地下水超采最严重的华北平原，充分灌溉具有不可持续性，实行冬小麦调亏（亏缺）灌溉，将有限的水量重点分配于作物水分敏感期，是建设节水农业的必经之路[1,3-4]。在“以水定灌”的条件下（在特定的灌溉定额限制条件下），应“少量多次”地兼顾更多的水分亏缺期，还是“多量少次”地将有限的水用于最为关键的作物水分敏感期，已成为限水灌溉方案制定中亟待明确的科学问题。

【研究进展】冬小麦-夏玉米轮作是华北平原最为典型且占比最大的农业种植模式。其中，冬小麦生育期内降水匮乏、必须依靠井灌以维持产量是造成华北平原地下水超采的根本原因[5]。20世纪90年代以来，该区域农民普遍在冬小麦生育期内灌溉4～6 次（传统的充分灌溉），灌溉定额约为300～400 mm[6-7]。自2010年起，为治理因地下水超采导致的生态环境问题，非充分灌溉、调亏灌溉、关键期灌溉、限水灌溉等降低冬小麦生育期内灌溉水总量的节水灌溉方案已成为研究者和管理者关注的重要议题[8-12]。在位于华北平原浅层地下水超采区内（太行山山前平原）的栾城生态实验站（以下简称“栾城站”），有学者针对冬小麦非充分灌溉（足墒播种条件，结合追肥只灌1 次拔节水）、冬小麦夏玉米2 季最小灌溉（保证作物出苗的水分条件，生育期内不灌水）、冬小麦生育期不同灌水频次等方案开展了一系列的定点试验研究[13-15]。河北省《冬小麦和夏玉米调亏灌溉技术规程》指出，对于太行山山前平原区的灌溉农田，冬小麦越冬前、返青—起身前、起身—拔节前、籽粒灌浆—成熟期合理地实施调亏灌溉，可在丰水年和平水年平均减少灌溉次数1～2 次，节约灌溉水600～1 500 m3/hm2。河北省《冬小麦节水高效灌溉制度》提出，太行山山前平原区应采取“前足、中控、后保”的灌溉原则，推荐的灌溉制度包括适用于不同降水水平的灌水1次（每次灌溉40 mm）、灌水2 次（每次灌溉30 mm）和灌水3 次（每次灌溉35 mm）等方案。无论是定位试验还是技术规程，核心问题均聚焦于如何将有限的水在冬小麦生育期内进行最优化分配，而不同分配方案下的总灌溉水量（灌溉定额）通常较为相近，主要差别往往在于单次灌溉量（灌水定额）与灌水频率（灌水次数）的差异。张喜英[16]在栾城站对冬小麦90 mm灌溉定额下的不同灌水次数开展了试验研究，结果表明：增加灌水频率、缩减单次灌水量可促进作物根系生长、提升作物产量。【切入点】然而，上述结果仅能代表特定点位在特定年份的田间试验结果，对于区域尺度上未考虑空间异质性的影响。此外，鲜有针对相同灌溉定额不同灌水频率方案下的浅层地下水动态的比较研究，而上述信息也正是地下水超采区政策制定者在合理制定限水灌溉方案、提高地下水井灌利用效率亟须的决策支撑。

【拟解决的关键问题】鉴于此，本研究以华北平原典型的浅层地下水超采区——河北省太行山山前平原为例，应用改进地下水模块的分布式水文模型SWAT 模型对冬小麦生育期相同灌溉定额下不同灌水频率的限水灌溉方案进行模拟，分析不同方案下作物产量与浅层地下水动态的时空变化，并基于“水-粮”权衡，比较不同灌溉方案的优劣，为实现区域尺度“节水压采”的农田高效用水策略提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河北省太行山山前平原（东经114°17′—116°14′，北纬36°07′—39°35′）地处海河流域中部，涵盖保定、石家庄、邢台和邯郸4 个地级市，总面积约22753 km2，其中耕地面积占比超过80%[17]。该区域以太行山以东的冲积平原为主，地势平坦，土壤肥沃，适宜农业发展[18]。

研究区内冬小麦和夏玉米的播种面积约占粮食总播种面积的90%以上[17]。流经研究区的主要河流为海河水系的2 条重要支流——大清河与子牙河。基于全国水资源分区，研究区包括大清河淀西平原和子牙河平原这2 个水资源三级区，本研究基于SWAT 模型将其进一步细分为22 个子流域（图1）。研究区为温带半湿润、半干旱的大陆性季风气候，根据1970—2012年降水情况，区域多年平均降水量为450～550 mm，但冬小麦生育期（10月上旬—次年6月中旬）内的降水量占比却不足全年的20%[18-19]。该区域属于第四系松散堆积平原，由于浅层含水层水质良好，因此成为最主要的地下水资源开采层[20]，但连续的过量开采导致浅层地下水位以超过1m/a 的速度持续下降[21]。当前，由农田灌溉造成的浅层地下水大范围超采已经成为限制该区域农业可持续发展的瓶颈问题。

图1 研究区水系、子流域分布情况Fig.1 The river system and subbasins of the study area

1.2 SWAT 模型的模拟情景设置

SWAT 模型是一种流域尺度的分布式水文模型，可模拟气候、水文、泥沙、土壤水和作物生长等过程，在国内外已得到广泛应用[22]。Zhang 等[23]及任理等[11]就该模型无法直接模拟与输出浅层地下水埋深的缺陷，增加了浅层含水层给水度、底板埋深、侧向补给量等参数，以期更好地模拟研究区的地下水循环过程。综合水文地质勘察资料将第四纪含水岩系中的第Ⅰ含水层与第Ⅱ含水层概化为浅层含水层[24-25]。在此基础上，基于16 口国家监测井和148 口区域调查井（前者具有较长时间监测序列且监测频率相对密集，后者空间分布较为密集但监测频率相对稀疏）的浅层地下水埋深实测数据，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；并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验证，最终构建了能够准确模拟研究区冬小麦-夏玉米农田水文循环过程的SWAT 模型[11,23]，并成功应用于限水灌溉模式的定量模拟[26-28]。本文运用SWAT 模型对研究区内的22 个子流域就不同的灌溉情景进行模拟。为了更直观地与前期研究结果进行对比，设置1990—2012年为模拟时段，其中1990—1992年作为模型预热期，1993—2012年作为模拟分析期。本研究设定90 mm 灌溉定额下的单次灌水（下文统称“90 mm-一水”方案）、2 次灌水，每次45 mm（下文统称“45 mm-二水”方案）和3 次灌水，每次30 mm（下文统称“30 mm-三水”方案）方案作为模拟情景（表1）。上述模拟方案的设置主要考虑了以下原因：①前人相关研究表明，研究区在“完全休耕”条件下，通过入渗补给与侧向补给进入浅层含水层的总补给量（可近似为浅层地下水天然补给量）约为138 mm[19]；对于冬小麦-夏玉米轮作，夏玉米生育期（包括播前水）的平均井灌开采量约为42 mm[19]，由水量平衡原理计算得出冬小麦生育期的井灌开采量需控制在96 mm 以内，才可能实现浅层地下水采补平衡这一压采目标；②在“少量多次”情况下，在灌水3 次时，若灌溉量少于30 mm，即使实施小定额灌溉方案，也难以在畦灌条件下得到应用；③基于研究区内田间试验及地方灌溉技术规程中的相关信息[10,13-15]，最终制定本研究中的3 种灌溉方案。各模拟情景中的灌水时间是基于前期研究中的模拟试验结果[12,26]并参考冬小麦关键需水期相关研究确定[9]。“90 mm-一水”与“45mm-二水”方案涉及的灌水时间在22 个子流域内保持一致，而“30 mm-三水”方案在不同子流域之间略有差异（表1）。为评估不同灌溉方案的地下水压采效果及其对冬小麦产量的影响，将3 种情景的模拟结果与基本情景（农民历史灌溉制度）的相应结果进行比较。基本情景的设置沿用前期研究基础[6-7]，农民普遍在冬小麦生育期灌水4 次，在枯水期和特枯水期时增加1～2 次灌溉，模拟分析时段内平均灌溉量为356 mm[11,23]。

表1 模拟情景设置Table 1 Simulation scenario settings

1.3 灌溉方案的评估及优选指标

研究区是我国冬小麦主产区之一，也是优质高筋小麦的高产区[18]。在限水灌溉条件下的冬小麦减产程度是政策制定者需重点考虑的因素。同时，不同灌溉方案下浅层地下水位的变化亦是开展压采工作须关注的核心问题。在本研究区，冬小麦根区纵向2m 深度土层是一个在重力作用下自由排水的土壤剖面，本研究涉及的水文过程与作物生长机理之间的相互关系，均是在这个土壤剖面上发生的。灌溉于农田中的浅层地下水一部分转化为蒸散量进入大气层，另一部分贮存在冬小麦根区纵向2m 深度土体中，当该部分水量超过土壤田间持水率后则会产生深层渗漏，进而补给浅层地下水。因此，合理的井灌方案应是将灌溉水和降水更多地转化为对作物增产有益的作物蒸散量。分析不同情景下的冬小麦根区纵向2m 深度土体的渗漏量与农田实际蒸散量（ETa）的差异，可为定量描述农田水文循环、探寻作物产量及地下水变化的原因提供依据。

本研究将在3 种限水灌溉情景下模拟分析时段内的冬小麦单产（kg/hm2）、浅层地下水位变化速度（m/a）、作物根系土壤水分渗漏量（mm）和ETa（mm）。此外，为“因地制宜”地推行限水灌溉方案，采用作物地下水灌溉生产力这一指标，即CGWP（Crop Groundwater Productivity），对各子流域内的3 种模拟情景进行优选，进而形成冬小麦相同灌溉定额限制下不同灌水频率的区划设计。CGWP体现了“水-粮”权衡的思想，可反映地下水消耗量对冬小麦产量的贡献。本研究定义CGWP为旱作条件与雨养条件相比，浅层地下水位（m）每下降一个单位所带来的作物增产量（kg/hm2）。因此，CGWP值越高，说明灌溉水对冬小麦产量的贡献越大，或冬小麦的单位增产量所消耗的浅层地下水资源量就越少，也就说明该灌溉模式下地下水井灌利用效率越高。计算式为：

式中：CGWPi为第i种情景下（i=1,2,3）模拟分析时段内的作物地下水灌溉生产力（kg/m3）；YDLi为第i种情景下（i=1,2,3）模拟分析时段内冬小麦的年均产量（kg/hm2）；YLDr为模拟分析时段内冬小麦在雨养条件下的年均产量（kg/hm2）；SHGWHTi为第i种情景下（i=1,2,3）模拟分析时段内的浅层地下水平均埋深（m）；SHGWHTr为模拟分析时段内冬小麦在雨养条件下的浅层地下水平均埋深（m）。其中，冬小麦雨养条件下的模拟结果取自Zhang 等[26]、任理等[11]研究。

2 结果与分析

2.1 作物产量及减产率

在大清河淀西平原，除子流域dx1 外，其他子流域在90 mm 灌溉定额下的冬小麦产量均分布在4000～4700 kg/hm2（表2）。对比3 种情景，在该水资源三级区若要收获更高的冬小麦产量，该区内的10个子流域均表现为“45 mm-二水”方案最优；对于大部分子流域，“30 mm-三水”方案优于“90 mm-一水”方案。其中，子流域dx2（位于保定地区北部）在不同灌溉方案下的冬小麦产量的差异（最优情景与最劣情景的差值）最大，“45 mm-二水”方案下的产量相比“30 mm-三水”方案的产量高出近 400 kg/hm2。同时，dx2 也是唯一一个“90 mm-一水”方案在冬小麦产量方面的表现明显优于“30 mm-三水”方案的子流域。与基本情景相比，在“90 mm-一水”、“45 mm-二水”、“30 mm-三水”方案下，大清河淀西平原各子流域的冬小麦平均减产率分别为24%、21%和23%。

表2 2 个水资源三级区内各子流域在3 种模拟情景下的冬小麦年平均产量Table 2 The annual average yield of winter wheat in the subbasinsunder the three limited irrigation scenarios

在子牙河平原，“45 mm-二水”方案下的冬小麦产量依然在大部分情况下较优，但不如其在大清河淀西平原的优势明显（表2）。对于分布在子牙河中部的部分子流域，“90 mm-一水”方案下的产量已非常接近甚至反超“45 mm-二水”方案下的产量。与大清河淀西平原相比，子牙河平原12 个子流域的冬小麦产量在不同模拟情景下的空间异质性更大。例如，“90 mm-一水”方案在子牙河平原表现出较强的地域性，对于zy1、zy2、zy3 和zy4（多分布于石家庄地区）这4 个子流域，该情景下的冬小麦产量与其他2 种情景相比是最低的，而在zy6、zy9 和zy11（多分布于邯郸和邢台地区）这3 个子流域，该情景下的冬小麦产量与其他2 种情景相比却是最高的。与基本情景相比，“90 mm-一水”、“45 mm-二水”和“30 mm-三水”方案下的子牙河平原各子流域的冬小麦平均减产率分别为22%、20%和23%。

2.2 浅层地下水位变化

在“90 mm-一水”、“45 mm-二水”、“30 mm-三水”灌溉方案下，大清河淀西平原浅层地下水位的平均变化速度分别为-0.22、-0.28、-0.27 m/a，与基本情景下的-1.0 m/a 相比，下降速度存在显著减缓。其中，子流域dx1（位于保定地区北部）表现出了浅层地下水位“止降回升”的压采效果，平均回升速度约为0.17～0.27 m/a（表3）。对于研究区南部的子牙河平原，其浅层地下水超采形势相比大清河淀西平原更为严峻，“90 mm-一水”、“45 mm-二水”、“30 mm-三水”灌溉方案下的浅层地下水位平均变化速度分别为-0.44、-0.49、-0.47 m/a，与基本情景下的-1.2 m/a 相比，下降速度同样存在显著减缓；其中，子流域zy1（位于石家庄地区西部）表现出了浅层地下水接近“采补平衡”的压采效果，而子流域zy2（位于石家庄地区中东部）的浅层地下水位下降速度仍高达1.0 m/a 以上（表3）。整体来看，在绝大部分子流域，“90 mm-一水”方案与其他2 种方案相比具有更优秀的地下水压采效果，这种优势在大清河淀西平原内的除子流域dx2 以外的9 个子流域以及子牙河平原内的zy1、zy2、zy3 和zy12 子流域（这13 个子流域位于保定地区及石家庄地区中东部）尤为突出。

表3 大清河淀西平原和子牙河平原内的各子流域在3 种模拟情景下的浅层地下水位年平均变化速度Table 3 The variation rates of shallow groundwater table in the subbasins of the Dianxi Plain of the Daqing River basin and the Plain of the Ziya River basin under the three limited irrigation scenarios

2.3 冬小麦根区纵向2 m 土层深度内的土壤水分渗漏量

表4为2 个水资源三级区内各子流域及三级区之间在3 种灌溉情景下的冬小麦根区纵向2 m 土层深度内的土壤水分渗漏量（以下简称渗漏量）。在大清河淀西平原，各子流域在3 种模拟情景下的年平均渗漏量分布在50～64 mm 之间。其中，“90 mm-一水”方案下的渗漏量平均值最大，相比“45 mm-二水”方案平均高出8.8 mm，相比“30mm-三水”方案平均高出6.8 mm。在子牙河平原，各子流域在3 种模拟情景下的渗漏量介于49～60 mm 之间。其中，“90 mm-一水”方案下的渗漏量平均值分别比“45 mm-二水”和“30mm-三水”高出7.2 mm 和5.6 mm。

表4 大清河淀西平原和子牙河平原内的各子流域在3 种模拟情景下的作物根系带2 m 土体的年平均水分渗漏量Table 4 The percolation from the soil profile (2 m) in the subbasinsof the Dianxi Plain of the Daqing River basin and the Plain of the Ziya River basin under the three limited irrigation scenarios

2.4 农田耗水量

研究区各子流域在3 种灌溉情景下的年平均ETa介于530～576 mm 之间，其与基本情景相比的降低程度及其空间分布如图2所示。各子流域在“45 mm-二水”和“30mm-三水”情景下年平均ETa的减幅约为13%～18%，在“90 mm-一水”情景下年平均ETa的减幅约为15%～19%。在大清河淀西平原，“90 mm-一水”情景下的年平均ETa比“45 mm-二水”和“30mm-三水”情景分别平均降低10.3 mm 和8.8 mm；在子牙河平原，“90 mm-一水”情景下的年平均ETa比“45 mm-二水”和“30mm-三水”情景分别平均降低7.4 mm和5.8 mm。虽然“45 mm-二水”和“30mm-三水”方案下的年平均ETa差异不超过2mm，但“45 mm-二水”方案不仅具有更高的蒸散量，而且对作物增产有效的蒸腾量占比也略高于“30mm-三水”方案。

图2 与基本情景相比，3 种模拟情景下农田实际蒸散量减少程度的空间分布及各组分的占比情况Fig.2 Spatial distribution of reduction in actual evapotranspiration (ETa) under different simulation scenarios compared with the current situation and the proportions constituting in the ETa under the three limited irrigation scenarios

2.5 区域尺度冬小麦灌溉方案优选

基于能够同时兼顾地下水涵养与作物生产的CGWP指标，针对每一个子流域，挑选出地下水消耗对作物增产贡献最大的灌溉方案，作为在该子流域所推荐的灌溉方案，进而获得优选灌溉方案的区划设计方案。22 个子流域在3 种灌溉情景下的CGWP结果及优选后的灌溉方案区划如表5和表6所示。在大清河淀西平原，有6 个子流域（dx3、dx4、dx5、dx6、dx8 和dx10）在“90 mm-一水”情景下的CGWP最高，有4 个子流域（dx1、dx2、dx7 和dx9）在“45 mm-二水”情景下的CGWP最高，表明基于这2 种灌溉方案在相应的子流域中进行井灌，冬小麦的增产所消耗的浅层地下水资源相对最少。大清河淀西平原内所有子流域在“30mm-三水”情景下的CGWP最低，表明从提高作物对地下水灌溉的利用效率角度来讲，这种灌溉方案的优势最不明显。dx7、dx8 和dx9（位于石家庄地区北部和保定地区南部）在各模拟情景下的CGWP相比其他子流域更高，可见在这些地区井灌对冬小麦增产的贡献相对较大。

表5 大清河淀西平原和子牙河平原各子流域在不同灌溉情景下的作物地下水灌溉生产力Table 5 Crop groundwater irrigation productivity under different irrigation scenarios in the 10 subbains of the Dianxi Plain of the Daqing River basin and the 12 subbasins of the Plain of the Ziya River basin

表6 优选灌溉方案区划Table 6 The spatial distribution of the recommended irrigation schemes

在子牙河平原，优选结果为“90 mm-一水”方案的子流域依然是最多的，约占58%；其次是“45 mm-二水”方案，约占33%；与大清河淀西平原不同的是，该水资源三级区内出现了一个优选结果为“30mm-三水”方案的子流域（zy4），其位于石家庄地区东部。整体来看，子牙河平原各子流域的CGWP平均值低于大清河淀西平原。其中，子流域zy2 和zy6（位于石家庄地区东北部和邢台地区西北部）的CGWP最低，表明在这些地区井灌对冬小麦增产的贡献相对较小。

3 讨论

水分胁迫是指作物水分散失超过其根系水分吸收，使植株组织膨压降低、代谢失调的现象[29]。水分胁迫对冬小麦生理与生态的影响是多方面的，在水分胁迫下冬小麦的地上部分生长将受到抑制；同时，水分胁迫抑制根系生长，降低了根系的吸水面积和吸水能力，影响其对水分和养分的吸收和运输，从而导致冬小麦产量下降[29-32]。SWAT 模型可通过比较作物的实际蒸散发和潜在蒸散发来模拟水分胁迫[22]，通过读取冬小麦生育期内存在水分胁迫的天数分析其对收获产量的影响机制，结果显示：在大清河淀西平原，“90 mm-一水”、“45 mm-二水”、“30 mm-三水”情景下的冬小麦生育期内的水分胁迫天数分别为71、62、72 d；子牙河平原的相应结果分别为68、61、69 d。因此，“45 mm-二水”灌溉方案下的水分胁迫天数最少，“90 mm-一水”和“30 mm-三水”灌溉方案下的水分胁迫天数相近，这可能是导致“45 mm-二水”方案下的冬小麦产量整体占优的主要原因。不同灌溉方案对冬小麦产量的影响与水分在作物根系带土体中的分配情况有关，进而导致不同水平的水分胁迫。尽管“90 mm-一水”方案是灌溉在冬小麦最关键的需水期（拔节期），但是由于灌水定额偏大，使得灌溉后的土壤水分超过了田间持水率，从而形成了渗漏补给。与灌水次数为2 次和3 次的灌溉方案相比，单次大定额灌溉方案下，灌水发生前土壤水分相对不足、灌水发生时产生无效渗漏、灌水后土壤水分持续消耗未能得到继续补充所造成的水分胁迫是导致冬小麦产量相对不高的主要原因。而“30 mm-三水”方案与“45 mm-二水”方案相比，尽管作物根系带2m 土体的渗漏量较为相近，但“30 mm-三水”方案的蒸散量略低于“45 mm-二水”方案，且作物蒸腾量在蒸散量中的占比也明显低于“45 mm-二水”方案，从而造成了相对更大的减产幅度。

按研究区长序列（1970—2012年）冬小麦生育期内降水量的统计数据[19]进行划分，在冬小麦生育期不同降水水平下，3 种限水灌溉情景的冬小麦产量如表7所示。在特枯水期，“90 mm-一水”的方案冬小麦产量最高；而在丰水期、平水期和枯水期，“90 mm-一水”和“30 mm-三水”方案下的冬小麦产量无明显规律，但均低于“45 mm-二水”方案，这与前文中按20 a 平均进行统计计算的结果一致。

表7 冬小麦生育期不同降水水平下3 种模拟情景的冬小麦平均产量Table 7 Average yield of winter wheat in three simulated scenarios under different precipitation exceedance probabilities (PEPs) of winter wheat growing season

在位于研究区内的栾城站，张喜英等[16]在田间尺度上进行了与本研究设计的3 种灌溉方案相似的大田测坑试验；结果表明，在田块尺度上，90 mm 灌溉定额下的3 种灌溉方案的冬小麦产量约为7500～9000 kg/hm2，而本文在区域尺度上的模拟产量约为 4000～5000 kg/hm2，造成这种差异的原因详见张雪靓等[27]研究结果。张喜英等[16]试验结果表明，在90 mm 灌溉定额下，随着灌溉频率的增加，冬小麦产量也会增加，按冬小麦产量进行排序的结果为：“30 mm-三水”方案＞“45 mm-二水”方案＞“90 mm-一水”方案，而本文对栾城站所在水文单元的模拟结果为“45 mm-二水”方案＞“90 mm-一水”方案＞“30 mm-三水”方案。造成上述较大差异的原因可能有以下几点：①水文响应单元面积远大于田间试验小区面积，模拟时所概化的区域尺度土壤质地以及输入的气象数据都与站点尺度大不相同，这都会影响水分和养分在作物根系带土体的分布状况，从而导致产量差异；②田间试验的3 次灌水时期分别为拔节期、抽穗期与灌浆期，而在该水文响应单元内基于权衡考虑地下水涵养与作物生产而设置的灌溉时期为越冬期、拔节期和抽穗期，这也可能导致结果出现显著差异；③田间试验条件下采用小定额灌溉时常配套一些农艺补偿措施，如密播、深松耕、使用地膜覆盖或秸秆覆盖等，而SWAT模型却难以量化上述措施的贡献，这同时也是SWAT模型在未来亟须完善的问题。

现阶段研究区内大田作物的灌溉方式通常为畦灌，本研究设计有限供水（冬小麦生育期灌溉定额90 mm）下的3 种灌溉频率的灌水方案，除灌溉1 次方案的灌水定额为90 mm 以外，灌溉2 次（灌水定额45 mm）和3 次方案（灌水定额30 mm）可能都需要小畦灌溉、喷灌或滴灌等技术来实现小定额灌溉。然而，这些节水灌溉技术的成本投入较高[33]；另一方面，灌水频率的增加也会带来劳动力成本投入的增加[34]。因此，小定额灌溉方案还需配合简便易行且经济可行的节水灌溉系统，从这个角度来看，本文所推荐的灌溉方案区划中少有“30 mm-三水”的优选结果也具备一定的现实可操作性。

4 结论

限水灌溉模式（冬小麦生育期灌溉定额90 mm）下，在河北省太行山山前平原分别于冬小麦拔节期、抽穗期进行灌溉的“45 mm-二水”方案下的冬小麦产量相对最高。与之相比，“90 mm-一水”方案（仅在拔节期进行灌溉）会产生较大的土壤水深层渗漏，“30 mm-三水”方案则会增大土面蒸发、降低作物蒸腾量在蒸散发中的比例，从而带来相对更高的减产风险。

90 mm 灌溉定额的冬小麦限水灌溉方案会造成研究区内大清河淀西平原和子牙河平原这2 个水资源三级区冬小麦平均减产21%～24%和20%～23%；在保定地区北部和石家庄地区西部的部分区域，可使得浅层地下水实现“止降回升”，在其他区域，尽管地下水仍表现为超采形势，但水位下降速度相比现状条件下平均减缓60%～75%。

为最大化提高地下水的井灌利用效率，在冬小麦90 mm 灌溉定额限制下，约54%的区域推荐实施“90 mm-一水”方案、只有石家庄东部的辛集市和晋州市（约占研究区面积的6%）推荐实施“30 mm-三水”方案、其他区域推荐实施“45 mm-二水”方案。