摘要 利用田间试验资料对SWAP模型进行验证。利用模型模拟不同灌水方案的水分运移，分析不同灌溉方案的作物产量和水分利用效率。结果表明：（1）SWAP模型可以模拟稻田的水分运移和相对产量，为稻田水分运移和水稻产量的研究提供了一种方便可行的方法;（2）按试验设计标准制定的控制灌溉C的实际产量和水分利用效率均最大，分别比常规灌溉增加8.45%、25.55%;（3）按试验设计标准设定的控制灌溉C是一种节水增产的灌溉模式。

关键词 稻田;水分利用效率;作物产量;控制灌溉

中图分类号 S511  文献标识码

A  文章编号 0517-6611（2015）03-092-03

基金项目 公益性行业（水利）科研专项（201301014）;国家自然科学基金重点项目（50839002-5）。

作者简介 郭思怡（1987- ），女，安徽阜阳人，助理工程师，硕士，从事水利规划设计工作。

收稿日期 20141209

水稻是我国最重要的粮食作物，其产量占全国谷物总产的40%以上，稻谷生产对保证我国粮食安全的影响较大^[1-2]。目前我国大部分地区水稻生产仍习惯采用深水淹灌这一传统的灌水方式，农业用水的利用效率不高。

节水灌溉是节水农业的重要组成部分。节水灌溉农业是在改进灌溉技术，完善灌溉管理制度及保持区域水资源平稳的基础上，提高灌溉水的有效利用率，投入最少或较少的灌溉水产出最多或较多的农产品，以获得单位灌溉水量的最高生产效率的一种灌溉技术。节水灌溉兼有節水与高产双重要求，又因为水分利用效率是单位水量对产量的贡献率，是衡量产量高低的重要指标之一，因此对于需水规律及水分利用效率的研究是合理选择节水灌溉方式、评价节水灌溉效果的重要依据^[3-5]。

大量研究认为，作物耗水量与产量呈显著的抛物线关系^[6-7]。Turner^[8]研究指出，充足的供水和适当控水交替对产量增加更为有效。山仑等^[4]研究认为，轻度水分亏缺显著抑制蒸腾强度，而光合速率下降不明显，复水后光合作用具有超补偿效应。彭世彰^[9-10]得出控制灌溉模式可以在不降低水稻产量的同时，提高作物水分利用效率，减轻对环境的负荷。

该研究通过分析控制灌溉对水分利用率的影响，应用SWAP模型对田间水分运移和作物产量进行模拟，提出合理的控制灌溉模式，对南方稻作区节约灌溉用水、维护稻田生态的良性循环具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于江苏省高邮市卸甲镇周庄村境内，属北亚热带季风气候区，年平均气温14.6 ℃，常年降雨量1 037 mm，多年平均蒸发量1 060 mm。无霜期242 d，最高气温38.5 ℃，最低气温-18.5 ℃，相对湿度75%左右。土壤耕层质地为黏壤土，浅层地下水位埋深0.5～1.2 m，0～40 cm田间土壤全氮含量0.73 g/kg，全磷含量0.88 g/kg，pH 7.4，土壤容重1.17 g/cm³。

1.2 试验设计 试验设节水灌溉和常规灌溉2个灌溉处理。灌溉调控试验区位于南关干渠三支渠所辖的41斗渠44斗渠。试验区为南北闸控制范围，总面积为17.28 hm²。选择

A2、A3和C8、C9为典型田块，面积为1.05 hm²。节水灌溉按照当地灌水周期进行灌水，水稻秧苗本田移栽后，田面保留5～25 mm薄水层返青，返青以后的各个生育阶段田面不建立灌溉水层，以根层土壤含水率为灌水下限控制指标，结合当地灌水周期，确定灌水时间和灌水定额。对照田块（CK）则为常规灌溉。常规灌溉采用当地浅湿灌溉处理，水稻不同生育期灌水时间间隔为：泡田栽插期4 d左右、分蘖期5 d左右、晒田以后6 d左右，每次灌水持续15～18 h，自流灌溉至田间存有4～8 cm水层。

节水灌溉水稻各生育阶段田间水层和根层土壤控制标准上下限、常规灌溉水稻各生育阶段田间灌水适宜水层控制标准如表1、2所示。

2 SWAP模型计算及验证

2.1 SWAP模型

土壤-水-大气-植物整合模型（SoilWaterAtmospherePlant）简称SWAP。SWAP模型由完善的土壤水运移、溶质迁移、热量传输、土壤蒸发、植物蒸腾、作物生长等子模型组成，其主要用于田间尺度下土壤-植物-大气环境中水分运动、溶质运移、热量传输及作物生长的模拟。

2.2 SWAP模型计算及验证

根据当地水稻根系活动层深度取模拟土柱为100 cm，由于水稻田田间大多数时候有水层，因此根系活动层深度的土壤含水率差别不大，根据当地土壤质地实际情况，可以把试验区0～100 cm土层划分为1层。SWAP模型计算土壤水流要求将土层再细分为若干单元。整个土壤层面最大可划分为60个单元，单元数越多，计算精度越高，但计算耗时也相应增大。该研究将试验区土层划分为40个单元。为了能精确计算土壤上层的土壤水流，将接近土壤表面的单元格设为1 cm厚度，下层设为2 cm厚度。

计算模型所需参数为作物株高和作物根深，将作物生长阶段（Ds）定义为作物生长日期的线性函数，起止范围为0～2：作物移栽的前1 d定义为0，开花期为1，成熟期为2。其间的数据根据作物生长所处的时间在0～2之间线性插值得出，然后根据实际观测资料和计算所得数据分别建立其与作物叶面积指数、作物株高和作物根深的关系。其中根长、密度分别假定沿土层垂向呈直线性下降。

表1 水稻控制灌溉生育阶段根层土壤水分控制标准

生育期灌水上限相对含

水量∥%土壤实际

含水量∥%

灌水下限相对含

水量∥%土壤实际

含水量∥%根层观测

深度∥cm

返青期25 mm 5 mm

分蘖期前期100θs₁7070%θs₁0～20

中期100θs₁6565%θs₁0～20

后期100θs₁6060%θs₁0～20

拔节孕穗期前期100θs₂7070%θs₂0～30

后期100θs₂7575%θs₂0～30

抽穗开花期100θs₃8080%θs₃0～40

乳熟期100θs₄7070%θs₄0～40

黄熟期自然落干自然落干

注：返青期水层mm为田间水层深度。表中所列含水量均指体积含水量，为根层观测深度内土壤含水量平均值，θs₁，θs₂，θs₃，θs₄指各阶段饱和含水量。其中，θs₁=100 mm，θs₂=141 mm，θs₃=176 mm，θs₄=176 mm。

表2 水稻常规灌溉各生育阶段田间水层控制标准cm

生育期灌水上限灌水下限

返青期4020

分蘖前期3010

分蘖后期3010

拔节孕穗期5020

抽穗开花期3010

乳熟期2010

黄熟期落干

根据2009年高邮灌区控制灌溉田块A2、B4的实测资料对模型进行检验。首先，将气象资料、作物参数、土壤参数按要求输入模型，并分别将A2、B4田块灌溉资料、地下水位等資料输入模型进行模拟，根据模拟的各平衡分量分别计算出A2、B4田块田间水层深度，按A2、B4田块田间水层深度的模拟值与实际观测值比较进行模型验证。模拟值与实际观测值的吻合度用模型效率系数R²和相关系数表示。R²越接近于1表明模型效率越高，相关系数越接近1表明模拟值与实测值相关性越高，模型越可靠。结果表明：A2、B4田块田间水层深度模拟值与实测值的相关系数较高，分别为0.93，092，模型效率系数接近于1，分别为0.90，0.84。可见田间水层深度模拟值与实测值吻合较好，模型参数设置合理，模型可靠。田间水层模拟值与实测值对比图如图1～2。

图1 2009年A2田块田间水层深度的实测值与模拟值对比

图2 2009年B4田块田间水层深度的实测值与模拟值对比

3 模拟结果与分析

试验设控制灌溉（记为C）和常规灌溉（记为TI）2个灌溉处理，通过调节控制灌溉标准的灌水下限，根据灌溉制度的推求过程拟定出另外2种控制灌溉的灌水方式，具体为：将控制灌溉各个生育期的控制灌水下限上调10%，根据灌溉制度的推求方法拟定出一种灌溉方式（记为C1），再将各个生育期的灌水下限下调10%，根据相同的方法拟定出1种灌水方式（记为C2）。对4种灌水方案进行模拟，结果表明：

（1） 蒸发蒸腾量的变化规律。

常规灌溉TI返青期～黄熟期总的蒸发蒸腾量为516.96 mm，控制灌溉C为446.85 mm，控制灌溉C1为422.39 mm，控制灌溉C2为435.32  mm。控制灌溉C、C1、C2与常规灌溉相比，蒸发蒸腾量分别减少了15.69%、22.39%、18.75%。3种控灌处理中，蒸发蒸腾量最大的为C，最小的为C1，两者相差5.79%。

（2） 植株蒸腾和棵间蒸发。

3种控制灌溉C、C1、C2与常规灌溉相比，实际蒸腾量（Tact）分别减少14.02%、23.00%、18.08%，实际蒸发量（Eact）均减少20.70%。3种控制灌溉，实际蒸腾量（Tact）最大的为C，实际蒸发量（Eact）相同。

（3）模拟土层底部水流通量。

整个生育期内，4种灌溉方式TI、C、C1、C2渗漏量分别占总耗水量的31.82%、26.06%、37.31%、26.78%，此结果与茆智的研究结果“稻田水分消耗中，渗漏占总耗水量的25%～40%”一致。3种控制灌溉C、C1、C2与常规灌溉TI相比，渗漏量分别减少83.73、-10.21、82.04 mm，即控制灌溉C、C2与常规灌溉TI相比，渗漏量分别减少53.17%、51.54%，控制灌溉C1与常规灌溉TI相比，渗漏量增加4.23%。可知：按试验设计标准制定的灌溉制度C与常规灌溉相比，渗漏量减少幅度最大，提高了水分利用效率，节水效果明显。

（4）产量与水分利用效率分析。

根据模拟结果，控制灌溉C、C1、C2与常规灌溉TI相比，实际产量分别增加8.45%、减少1.41%、增加4.23%，3种控制灌溉C、C1、C2实际产量最大的是C;3种控制灌溉C、C1、C2与常规灌溉相比，水分利用效率分别增加25.55%、21.17%、24.09%，3种控制灌溉C、C1、C2水分利用效率最大的为C。4种灌水方式中，按试验设计控制标准设定的控制灌溉C的实际产量和水分利用效率均最大，这说明控制灌溉C在不影响产量的前提下提高了水分利用效率，是一种较优的灌水方式。

4 结论

该研究根据作物需水规律，通过调节控制灌溉的灌水下限制定3种控灌灌水方案，利用SWAP模型对常规灌溉和3种控制灌溉的田间水分运移和作物产量进行模拟，分析比较各种灌水方案的蒸发蒸腾量、模拟土层底部水流通量、相对产量和水分利用效率，从而寻找一种节水增产的灌溉模式，主要结论如下：

（1）验证了SWAP模型在稻田的适用性，结果表明SWAP模型可以模拟稻田的水分运移和相对产量，为稻田水分运移和水稻产量的研究提供一种方便可行的方法。

（2）利用SWAP模型，分析比较不同灌溉方案的实际产量和水分利用效率，得出按试验设计标准制定的控制灌溉C的实际产量和水分利用效率均最大，分别比常规灌溉增加8.45%、25.55%。

（3）按试验设计标准设定的控制灌溉C明显地提高了作物产量和水分利用效率，控制灌溉C是一种节水增产的灌溉模式。

安徽农业科学                         2015年

参考文献

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