基于AquaCrop模型的南疆無膜滴灌棉花灌溉制度優(yōu)化

王興鵬 蔣富昌 王洪博 曹 輝 楊瑩攀 高 陽

(1.塔里木大學水利與建筑工程學院， 阿拉爾 843300； 2.塔里木大學現代農業(yè)工程重點實驗室， 阿拉爾 843300；3.中國農業(yè)科學院農田灌溉研究所， 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

新疆是我國重要的農業(yè)產區(qū)，其農業(yè)用水量占總用水量的比例為全國最高,2017年農業(yè)用水量達到513.7億m3, 占全疆用水量的93.2%，南疆農業(yè)用水占比則達到96%[1]。棉花是新疆地區(qū)的主要經濟作物之一。地域優(yōu)勢和顯著的植棉效益使棉花種植面積不斷擴大，從2002年的94萬hm2增加到2017年的225.4萬hm2，15年間棉花種植面積擴大了2.4倍。然而，有限的水資源已成為制約新疆農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素[2-3]。因此，制定合理的灌溉制度、實現對有限水資源的高效利用，對南疆乃至整個新疆地區(qū)的農業(yè)發(fā)展均具有重要意義[4]。隨著膜下滴灌技術的大面積推廣，新疆棉花覆膜率已達到100%[5]。在提高新疆地區(qū)作物產量和經濟效益的同時，膜下滴灌也造成了較為嚴重的環(huán)境污染。南疆棉田土壤殘膜量高達273.36 kg/hm2，土壤殘膜積累嚴重威脅著區(qū)域農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[6-7]。在新疆地區(qū)推廣無膜種植模式是解決殘膜污染問題的可行途徑。目前，無膜棉花種植的田間栽培及水肥管理措施等尚不夠完善[8]，因此，研究無膜棉花種植的灌溉制度對推廣無膜栽培模式及緩解殘膜污染均具有重要意義。

AquaCrop模型具有輸入參數少、適用范圍廣、界面簡單、直觀性強和精度高等優(yōu)點[9]，該模型通過不同管理措施和灌溉模式下的作物冠層覆蓋度和收獲指數來模擬作物產量[10]，最終通過計算作物的水分利用效率來評估作物產量對水分的響應，并揭示不同灌溉條件下的作物-水分響應機制[11]。自AquaCrop模型推廣應用以來，國內不同地區(qū)關于小麥[12-16]、玉米[17-18]、水稻[19]等大宗糧食作物已有較為成熟的研究，且覆膜種植棉花[20-21]的相關研究也較為完善。由于推廣時間較短，關于無膜滴灌棉花種植的AquaCrop模擬研究還相對較少。本文基于AquaCrop模型對南疆無膜滴灌種植的棉花灌溉制度進行研究，分析不同灌水定額及灌水周期情景對無膜滴灌棉花產量及水分生產效率的影響，進而確定最優(yōu)灌溉制度，為無膜種植棉花在南疆地區(qū)的大面積推廣提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年4月—2019年10月在新疆生產建設兵團第一師阿拉爾市水利局灌溉試驗站(40°32′36.90″N，81°17′56.52″E)進行。試驗區(qū)屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，晝夜溫差大，常年干旱少雨，光照時間長，地表蒸發(fā)強烈。多年平均氣溫10.7℃，降雨量48 mm，年蒸發(fā)量約2 100 mm，全年大于等于10℃的有效積溫約4 000℃，無霜期220 d左右，地下水埋深約為4 m，土壤物理性質見表1。

表1 土壤物理性質Tab.1 Soil physical properties

1.2 試驗設計

2018—2019年在試驗站的測坑區(qū)進行試驗，采用單因素完全隨機試驗進行設計。測坑的長、寬、深分別為3、2.2、3 m。鑒于目前南疆膜下滴灌棉花灌水定額為30 mm，本試驗設定膜下滴灌灌水定額的150%(45 mm)為無膜棉花灌水定額的參考值，2018年設置3個灌水定額，分別為I2(36 mm)、I3(45 mm)、I4(54 mm)，2019年增設2個水分處理，共計5個灌水定額：I1(27 mm)、I2(36 mm)、I3(45 mm)、I4(54 mm)、I5(63 mm)，每個處理設置3次重復。

供試棉花品種為特早熟品種“中棉619”。棉花采用寬窄行種植，寬行間距66 cm，窄行間距10 cm。滴灌帶鋪設方式為2帶6行，人工穴播，播種密度195 000株/hm2(圖1)。2018年播種和收獲日期分別為4月22日和10月27日，2019年為4月25日和10月25日。田間管理措施如施肥、打藥等均與當地農田管理方式保持一致。

1.3 觀測項目和方法

1.3.1葉面積指數

每個試驗小區(qū)選取長勢均勻且具代表性的3株棉花進行標記，每隔15 d用鋼尺(精度1 mm)對所有綠葉進行測量，葉面積指數計算公式[22]為

(1)

式中LAI——葉面積指數

ρ——棉花植株密度，株/hm2

m——標記測定株數

n——每株棉花葉片數，片/株

Lij——最大葉片長度，m

Bij——最大葉片寬度，m

其中0.75為修正系數。

1.3.2冠層覆蓋度

冠層覆蓋度(CC)是AquaCrop模型模擬作物生長過程的重要指標，計算公式[23]為

CC=1.005(1-e-0.6LAI)1.2

(2)

1.3.3生物量及產量

棉花進入幼苗期以后，每隔15 d對地面上部生物量進行取樣，每試驗小區(qū)取3株長勢具有代表性植株，剪下地下根部于105℃殺青30 min，然后75℃干燥至質量恒定，稱量計算生物量；在棉花吐絮期末，在每個試驗小區(qū)內隨機抽取具有代表性的3個等面積樣方，記錄株數、總鈴數、吐絮數，同時稱取百鈴質量，計算棉花總產量，計算公式[24]為

Y=0.01npwρ

(3)

式中Y——棉花總產量，kg/hm2

np——單株棉鈴數，個/株

w——單鈴質量，g

1.3.4作物耗水量

作物耗水量(ET)采用水量平衡法計算，計算公式[25]為

ET=ΔS+P+I+G-R0-DP

(4)

式中 ΔS——100 cm土層內土壤含水量時段末與時段初之間的變化量，mm

P——棉花生育期內有效降雨量，mm

I——灌溉水補給量，mm

G——地下水補給量，mm

R0——地表徑流，mm

DP——深層滲漏量，mm

1.3.5水分利用效率

水分利用效率(WUE)是指消耗單位水分產出的生物量或產量，產量水分利用效率計算公式[26]為

(5)

式中Y1——籽棉產量，kg/hm2

1.4 AquaCrop模型數據庫建立與模型評價

AquaCrop模型輸入參數主要包括氣象數據、作物生長參數、田間管理及土壤基本參數等。

1.4.1氣象數據

田間氣象數據均源于試驗站內的HOBO型自動氣象站，主要包含降雨量、氣溫、太陽輻射、風速、相對濕度等，并根據FAO推薦的Penmen-Monteith公式計算參考作物騰發(fā)量(ET0)。2018年和2019年棉花生育期內的降雨量、最高氣溫、最低氣溫及ET0見圖2。

1.4.2土壤參數

AquaCrop模型的土壤參數主要由凋萎含水率、飽和含水率、田間持水率、土層數及容重等組成。棉花播種前，在田間隨機選擇5個試點進行土壤取樣，每隔20 cm作為一個分層，測得土壤容重及顆粒含量等參數見表1，將土壤參數導入模型建立土壤數據文件(SOL)。

1.4.3作物參數

作物參數文件主要由作物生長、作物蒸散、作物生產及水分、鹽分、溫度脅迫等組成。作物生長參數中的初始及最大冠層覆蓋率、開花、衰老、成熟期等參數都可由田間實際觀測所得；作物生產中的水分生產指數、作物收獲指數、水分脅迫響應系數、鹽分脅迫響應系數、溫度脅迫響應系數可基于模型提供的基準參數進行取值范圍的確定，同時運用“試錯法”進行修正。本試驗選用2018年各處理的田間試驗實測數據對模型參數進行調試，選用2019年田間實測數據驗證模型。AquaCrop模型的主要作物參數見表2。

表2 AquaCrop模型作物參數Tab.2 Crop parameters of AquaCrop model

1.4.4模型評價

為驗證AquaCrop模型模擬結果與實測結果的擬合度，采用均方根誤差(RMSE)、擬合度指數(d)、標準均方根誤差(NRMSE)和決定系數(R2)進行評價。

1.5 不同灌溉情景模擬

為探尋不同灌溉制度(以田間試驗為依據，因為I1灌水量下產量過低，I5灌水定額偏大，與節(jié)約水資源目的不符，因此在模擬情景中不做分析)對無膜種植棉花產量與水分利用效率的影響，本文以1960—2019年共計60年的氣象數據為基礎，并依據2018—2019年田間試驗及當地灌溉制度，制定2種不同灌溉模擬情景(表3)：①灌溉定額分別為360、450、540 mm，設置不同灌水周期5、7、10 d，根據灌溉定額調整每次的灌水定額，共計9個模擬方案。②固定單次灌水定額分別為36、45、54 mm，設置不同灌水周期5、7、10 d，共9個模擬方案。對不同灌溉情景下產量、生物量、水分利用效率及耗水量進行分析。

表3 模擬情景方案Tab.3 Simulation scenarios

2 結果與分析

2.1 AquaCrop模型校正與驗證

采用2018年試驗中各處理的冠層覆蓋度、產量和地上部生物量對AquaCrop模型進行校正(表4)，在I2灌溉水平下生物量擬合度最高，RMSE、d、NRMSE和R2分別為457 kg/hm2、0.99、5.78%和0.93；I4處理的冠層覆蓋度擬合度最好，RMSE、d、NRMSE和R2分別為4.12%、0.99、7.13%和0.60；產量則在I3灌溉水平下擬合度最好，RMSE、d和NRMSE分別為

表4 AquaCrop模型校正評價指標Tab.4 Calibration of AquaCrop model

134 kg/hm2、0.43和2.23%，R2為0.71。總體結果表明，AquaCrop模型的模擬值與田間實測結果擬合度較高，可以用所驗證的模型參數來模擬無膜滴灌棉花的生長發(fā)育過程。

AquaCrop模型經過參數校正后，利用2019年不同處理的冠層覆蓋度和地上部生物量數據對模型進行驗證(圖3～5)。由圖3可知，播種后50 d內的冠層覆蓋度維持在較低水平，隨后棉花冠層覆蓋度進入快速增長階段，與地上部生物量的增長趨勢基本一致；冠層覆蓋度在播種后約90 d時達到最大值后并保持穩(wěn)定，比生物量早40 d達到最大值。I1和I2處理的實測冠層覆蓋度比模擬值偏低，而I3、I4和I5的模擬結果則與之相反。

由圖4可知，生物量模擬值與實測值增減趨勢基本一致，棉花地上部生物量自播種后開始緩慢積累，約60 d后進入快速生長期，植株地上部生物量生長速率增加，在播種后約130 d，地上部生物量積累達到最大值并趨于穩(wěn)定。地上部生物量在一定范圍內與灌水定額呈正相關。

由圖5可知，2019年冠層覆蓋度RMSE、d、NRMSE和R2分別為6.03%、0.12、13.08%和0.97，產量及生物量的RMSE、d、NRMSE、R2分別為751 kg/hm2、0.84、14.02%、0.87和810 kg/hm2、0.93、6.41%、0.80，其中R2均不小于0.80，表明實測值與模擬值比較接近，模擬效果可信度較高。

表5為 2019年不同處理地面冠層覆蓋度、生物量和產量的模擬結果。2019年地上部生物量模擬值與實測值在I2灌溉水平下的擬合度最好，R2為0.99，而I1的擬合度最差，R2為0.88；冠層覆蓋度在I3灌溉條件下的擬合度最好，R2為0.98，而在I1的擬合度最差，R2為0.91；各處理的產量實測值與模擬值的R2為0.87。地上部生物量、冠層覆蓋度和產量總體擬合度較好，表明AquaCrop模型能較好地模擬無膜滴灌棉花在南疆地區(qū)的生長特性。

表5 AquaCrop模型驗證結果Tab.5 AquaCrop model verification results

2.2 不同灌溉情景模擬結果

模型校準后，在模型基本參數不變的情況下，導入1960—2019年氣象數據模擬不同灌溉情景下的產量及生物量，并取多年平均值。固定灌溉定額下不同灌水頻率的9種方案進行模擬得出(表6)：當灌溉定額為360 mm時，棉花產量隨著灌水頻率的降低而增加；當灌溉定額為450、540 mm時，產量隨灌水頻率的降低呈現降低趨勢，且差異性顯著。當灌水周期為5 d，灌溉定額為540、360 mm時，棉花產量分別達到最大(5 315 kg/hm2)和最小(4 074 kg/hm2)；水分利用效率在灌水頻率為10 d，灌溉定額為360、540 mm時分別達到最大(1.16 kg/m3)和最小(0.94 kg/m3)；且較高的灌溉定額和灌水周期可顯著提高棉花耗水量。

固定灌水定額不同灌水周期的9種方案進行模擬得出(表7)：灌水定額為36 mm時，棉花產量、生物量與灌水周期呈正相關，灌水定額為45、54 mm時，棉花產量及生物量隨灌水周期的增加呈先增加后降低的趨勢，且當灌水定額為45、54 mm，灌水周期為5、7 d時棉花產量、生物量均顯著優(yōu)于灌水周期為10 d時；水分利用效率隨灌水周期的增加而降低，耗水量則與之相反,且在灌水定額為36 mm、灌水周期為10 d時達到最大(1.16 kg/m3)。當灌水定額為36 mm、灌水周期為5 d時產量達到最大值(5 398 kg/hm2)，灌水定額為45 mm、灌水周期為7 d時生物量達到最大值(13 028 kg/hm2)，灌水定額為36 mm、灌水周期為10 d時產量和生物量達到最小值，分別為4 182、10 361 kg/hm2。

表6 固定灌溉定額下不同灌水頻率(模擬情景1)模擬結果Tab.6 Different irrigation frequency under fixed irrigation quota (Simulation scenario 1)

由圖6可知，當總灌水量低于4 500 m3/hm2，灌水周期為5 d時棉花產量較高；總灌水量介于4 500～7 200 m3/hm2，灌水周期為7 d時棉花產量較高；當總灌水量超過7 200 m3/hm2，無膜滴灌棉花產量在灌水周期為5 d和7 d時均隨總灌水量的增加而降低，且灌水周期7 d時較5 d時無膜滴灌棉花產量下降速率明顯。綜合以上兩種灌溉模擬情景，不考慮田間工作量及水資源時，以灌水周期為5 d、總灌水量為7 200 m3/hm2(P10)時方案最優(yōu)；當以提高經濟效益和節(jié)約水資源為目的，灌水周期為5 d、總灌水量為5 400 m3/hm2(P7)時方案最優(yōu)。

表7 固定灌水定額下不同灌水周期 (模擬情景2)模擬結果Tab.7 Different irrigation frequency under fixed irrigation quota(Simulation scenario 2)

3 討論

3.1 AquaCrop模型的適用性

田間試驗得出的結論雖然精確可靠，但受地域和氣象等因素的影響比較大，在大面積推廣應用實踐中有較大局限性[8]。本文利用AquaCrop模型研究新疆地區(qū)棉花生長和產量，通過2年田間實測數據對模型參數進行校正和驗證，模擬得出棉花冠層覆蓋度、產量及地上部生物量與實測值擬合度較高，冠層覆蓋度RMSE、d、NRMSE和R2分別為6.03%、0.12、13.08%和0.97；產量的RMSE、d和NRMSE分別為751 kg/hm2、0.84和14.02%；生物量的RMSE、d和NRMSE分別為810 kg/hm2、0.93和6.41%，且R2不小于0.80。TAN等[20]利用AquaCrop模型模擬覆膜滴灌條件下棉花產量的R2為0.69，RMSE為438 kg/hm2，d為0.82，生物量R2為0.88，RMSE為2 915 kg/hm2，d為0.90。DIMITRIOS等[27]模擬不同氣候條件下棉花產量的RMSE為0.17 t/hm2，d為0.94，生物量RMSE為0.49 t/hm2，d為0.93。上述研究結果與本研究的結果較為接近，表明AquaCrop模型能較為準確地模擬不同田間管理條件下棉花產量及生物量。

3.2 不同灌溉情景制度優(yōu)化

南疆地區(qū)屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，常年干旱少雨，地表蒸發(fā)強烈，因此無膜滴灌棉花受灌溉制度的影響非常明顯[28]。通過AquaCrop模型優(yōu)化灌溉制度主要與灌水周期和灌水定額等有關。本文通過固定灌溉定額改變灌水周期的9種方案模擬得出：棉花產量隨灌溉定額及灌水周期的增加總體呈現上升趨勢，灌溉定額為540 mm、灌水周期為5 d(P7)產量最高，這與王洪博等[29]發(fā)現的無膜滴灌棉花產量隨灌水定額的增加而顯著提高，石巖等[30]提出的膜下滴灌棉花產量隨灌水定額的增加而增加的研究結果相一致，表明棉花在達到最大灌溉定額之前，適宜增加灌溉定額有助于棉花增產。通過固定灌水定額改變灌水周期的9種方案模擬得出：灌水定額為36 mm、灌水周期5 d(P10)時，60年平均產量優(yōu)于其他處理，這與楊九剛等[31]高頻灌溉時小灌水定額棉花產量較高的結論一致。模擬情景1中灌溉定額360 mm、灌水周期5 d(P1)產量及生物量低于灌水周期10 d(P3)，造成P1產量低于P3產量的原因可能是由于總灌溉定額較低，灌水周期過大導致單次灌水定額較小，灌水濕潤深度達不到棉花深層主根區(qū)，造成水分脅迫進而導致棉花減產。

模擬情景1中，無膜滴灌棉花生育期耗水量隨灌溉定額及灌水周期的增加總體呈上升趨勢，這與王小兵[32]的研究基本一致。模擬情景2中，隨灌水定額和灌水周期的改變，棉花生育期耗水量隨灌溉定額的增加呈先增加后降低趨勢，造成此現象的原因可能是由于灌水量過大抑制棉花植株呼吸進而影響作物蒸騰，導致耗水量有輕微下降趨勢。

3.3 南疆地區(qū)無膜滴灌棉花適宜灌溉制度推薦

目前南疆地區(qū)膜下滴灌棉花的適宜灌溉定額為400 mm[33-35]左右,平均產量為6 057 kg/hm2[36]，顯著高于無膜滴灌棉花產量。模擬情景1中灌溉定額為540 mm時，模擬得出60年無膜滴灌棉花平均產量均優(yōu)于灌溉定額為360 mm和450 mm處理，且在灌水周期為5 d時(P7)產量達到最高(5 315 kg/hm2)，水分利用效率為0.98 kg/m3。模擬情景2中灌水定額為36 mm，灌水周期為5 d時(P10)產量最高為5 398 kg/hm2，但方案P11產量較P10無顯著性差異，水分利用效率則提高30.67%，用水量節(jié)約33.33%。因此，當固定灌水定額時，灌水周期為7 d(P11)整體上優(yōu)于其他模擬方案。針對南疆地區(qū)水資源緊缺的實際情況，綜合考慮無膜滴灌棉花經濟效益和水分生產率之間的關系，種植無膜棉花建議采用灌溉定額為540 mm、灌水周期為5 d(P7)。方案P7較膜下滴灌棉花灌溉定額提高35%，產量降低13.96%，表明種植無膜棉花的經濟效益較覆膜種植仍有一定差距，但無膜種植棉花的推廣是為了解決殘膜污染問題，不能僅以經濟效益來衡量。

4 結論

(1)AquaCrop模型能較好地模擬新疆地區(qū)無膜滴灌種植棉花的產量、生物量及冠層覆蓋度的動態(tài)變化過程。

(2)在無膜滴灌棉花種植條件下，適當增加灌溉定額有助于提高產量，但最大灌水量不宜超過7 200 m3/hm2，否則可能造成水分脅迫，進而影響棉花產量；當灌溉定額相同時，為提高棉花籽棉產量可適當提高灌水周期，且當灌水周期為5 d時最佳，可根據不同田間管理措施稍加調整。

(3)根據南疆地區(qū)水資源緊缺的現狀，建議無膜滴灌棉花種植采用灌溉定額為540 mm、灌水周期為5 d(P7)的灌溉制度，在保證無膜滴灌棉花種植水分生產率的同時使經濟效益最大化。