冬小麥“春澆一水”限水灌溉模式對淺層地下水采補平衡的影響——以河北省太行山山前平原為例

張雪靚，丁蓓蓓

?作物水肥高效利用?

冬小麥“春澆一水”限水灌溉模式對淺層地下水采補平衡的影響——以河北省太行山山前平原為例

張雪靚1,2，丁蓓蓓1

（1.中國農業大學 土地科學與技術學院，北京 100193；2.自然資源部土地工程技術創新中心，北京 100035）

【】在糧食生產與水資源支撐能力高度矛盾的河北省太行山山前平原，定量探討冬小麥生育期“春澆一水”限水灌溉模式可否實現淺層地下水采補平衡。應用改進的SWAT模型對灌溉量相異的8種情景進行模擬，并對不同灌溉方案的壓采與節水效應進行了定量評估，在此基礎上針對淺層地下水位止降回升這一約束條件，以冬小麥減產最小為目標，結合0-1規劃，在22個子流域對灌溉方案進行了優選。①冬小麥“春澆一水”方案能使得研究區的淺層地下水位下降速度平均減緩至0.34 m/a以內，但這將以冬小麥平均減產大約25%～40%為代價。②在空間分布上，位于研究區北部的大清河淀西平原具有相對較好的地下水涵養效果，而南部的子牙河平原內冬小麥產量相對更高。③優化后“春澆一水”模式的具體區劃為：在保定地區的大部分縣（市）域，主要推薦實施灌溉定額為50 mm的方案；在邢臺和邯鄲地區，主要推薦實施灌溉定額為40 mm方案；在石家莊地區的西南部，主要推薦實施灌溉定額為30 mm的方案。在研究區內大約70%的面積上可通過實施“春澆一水”方案實現淺層地下水采補平衡，本文可為這個淺層地下水嚴重超采的井灌區為壓采而實施冬小麥“春澆一水”限水灌溉模式提供定量化的科學支撐和差異化的推薦方案。

限水灌溉；淺層地下水；采補平衡；作物產量；SWAT模型；優化

0 引言

【研究意義】河北省是我國地下水超采最嚴重的省份[1]，自20世紀90年代起，位于太行山東側的山前平原淺層含水層儲水量持續減少、淺層地下水位快速下降，引發一系列生態環境問題[2-3]。2014年以來，國家高度重視華北地區地下水超采綜合治理工作[4]，根據相關政策文件及已有研究，在河北省太行山山前平原，通過推行作物生育期（特別是在相對高耗水的冬小麥的生育期）的限水灌溉方案來壓減農業灌溉開采量或將成為最主要的路徑之一[5-6]。這是因為與中東部深層地下水超采區的種植結構調整試點工作相比[7-8]，在保持冬小麥-夏玉米一年二熟種植制度不變的情況下壓減冬小麥的灌溉次數和灌溉量，可充分發揮淺層地下水的更新能力和可恢復性，同時又能維持一定的冬小麥生產能力，兼顧到“水?糧”的權衡[9-10]。只在冬小麥關鍵需水期—拔節期灌溉1次的壓采方案（又稱：冬小麥生育期“春澆一水”模式）是極具推廣潛力的節水灌溉措施之一，評估這種限水灌溉模式對淺層地下水動態和冬小麥產量的影響可為該井灌區的淺層地下水超采綜合治理提供科學支撐和參考依據。

【研究進展】在位于河北省太行山山前平原內的欒城農業生態系統試驗站（以下簡稱欒城站），對冬小麥從雨養逐步增加灌水次數直到灌水5次的田間試驗結果表明：冬小麥生育期“春澆一水”模式的節水效果最為明顯，一次井灌與雨養條件相比具有最高的灌溉水利用效率[11-12]。但是，在區域尺度大規模地開展田間試驗幾乎是不可能的，定量回答這樣的限水灌溉方案對研究區不同地塊會帶來怎樣的節水壓采效應往往需要借助分布式水文模型的模擬分析方法，來彌補田間試驗結果受限于時空尺度的不足。前期工作[9-10]運用SWAT模型模擬評估了不同灌水次數情景下的淺層地下水壓采與農田節水的效應，結果表明，在灌溉量為75 mm的冬小麥生育期“春澆一水”方案下，河北省太行山山前平原的淺層地下水位下降速度可被減緩為現狀灌溉情形下的1/4左右，而冬小麥生育期雨養方案可將該區域淺層地下水位普遍下降趨勢轉變為回升態勢[9-10]。這啟示我們：若進一步調整冬小麥生育期“春澆一水”模式的灌溉量（灌溉定額），在該井灌區的大部分區域或許有望實現淺層地下水采補平衡。換言之，考慮氣象條件和下墊面的空間變化，在區域尺度內“因地施策”地實施灌溉定額不同的冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉方案，或將使得該井灌區的淺層地下水位不再繼續下降且與雨養條件相比又有更多的冬小麥產量。【切入點】盡管有研究者在田間尺度進行了關于不同灌溉定額的“春澆一水”相關試驗[11-14]，但目前卻鮮有對其在區域尺度上的定量探討，特別是針對這種限水灌溉模式下淺層地下水位和作物產量變化的空間差異及其壓采與節水效果等關鍵科學問題。【擬解決的關鍵問題】因此，本文在前期研究成果的基礎之上，以河北省太行山山前平原為研究區，進一步對冬小麥生育期“春澆一水”限水灌溉模式進行更為詳細的模擬情景設置，模擬不同灌溉量的“春澆一水”方案下的淺層地下水位動態與作物產量的時空變化，并定量探討“春澆一水”限水灌溉模式能否實現淺層地下水采補平衡的壓采目標。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

河北省太行山山前平原（36°07ˊN—39°35ˊN，114°17ˊE—116°14ˊE）位于海河流域中部（圖1），以太行山100 m地面等高線以東的沖洪積平原為主，地勢平坦，土層深厚，土質良好，非常適宜農業發展[15]。本研究區共涉及隸屬于保定、石家莊、邢臺和邯鄲4個地區的48個縣（市），總面積約22 753 km2，其中耕地面積占比約為80%[16]。研究區主要種植制度為冬小麥-夏玉米一年二熟制，據統計，這2種作物的播種面積占糧食總播種面積的90%以上[16]。該區域屬于溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候區，多年平均降水量為450～550 mm[17]，但年內分布不均，其中冬小麥生育期內降水量不足全年的20%，必須依靠灌溉來保障其產量[18]，據統計，該地區農田灌溉用水的90%以上均來自地下水供給[19]。研究區屬于第四系松散堆積平原，地下蘊藏著豐富的孔隙水，其中淺層地下水含水層水質良好，是區域主要的開采層[2]，淺層地下水年天然資源模數約15萬～25萬m3/（km2·a）[20]。然而，由于高強度的井灌抽取[19-20]，1990年以來研究區的淺層地下水年開采模數達到了20萬～50萬m3/（km2·a）[20]，造成了地下水資源的連續超采，淺層地下水埋深從1993年的平均10 m左右下降到2012年的平均30 m左右，在部分區域甚至超過了40 m[10,21]。

圖1 研究區的地理位置、所涉及的子流域及土地利用類型

1.2 SWAT模型的模擬情景設置

SWAT模型是由美國農業部農業發展中心開發的適用于較大流域尺度的分布式水文模型[22]。這是一個以水量平衡原理為基礎、以日尺度為運行步長的物理過程模型，能夠模擬氣候、水文、泥沙、土壤水和作物生長的農業管理措施及過程[22-23]。Zhang 等[9]及任理等[10]針對SWAT的原始版本不能直接模擬與輸出淺層地下水位這一問題，在地下水模塊中新增了淺層含水層給水度、孔隙度、底板埋深等參數（量）；并在水量平衡的計算過程中增加了山前側向補給量，便于更加準確地模擬研究區內淺層地下水儲量變化。以淺層地下水埋深為目標，用16口國家級監測井在1993—2010年的3 264個監測數據和20口區域調查井在2006—2012年的100個實測數據作為率定參比值，用128口區域調查井在2006—2012年的650個實測數據作為驗證值，對修改后的地下水模塊及土壤水模塊中的4個參數進行了率定，決定系數2和納什系數NSE均在0.9以上；在此基礎上又根據地下水資源評價資料、遙感數據和統計年鑒分別對淺層地下水儲量變化、農田蒸散量和作物產量的模擬結果進行了多模塊的驗證，構建了能夠合理模擬該井灌區農業水文循環的評價工具；率定與驗證的具體過程與結果詳見文獻[10,21]。

本文應用上述改進了地下水模塊后的SWAT模型對研究區所涉及的22個子流域（圖1）在不同灌溉情景下的淺層地下水位（量）和作物產量變化及2 m土體的水均衡動態進行模擬分析。為便于與前期工作進行比較分析，本文的模擬時段同樣設置為1990—2012年，其中1990—1992年為模型預熱期，1993—2012年作為模擬分析時段。參閱在研究區開展的田間試驗工作[11-14, 24-27]和地方技術規程[28]中冬小麥生育期內單次灌溉量的數值和范圍，設計了“春澆一水”模式下8種模擬情景開展研究（表1）。其中，灌溉定額為75 mm的情景（亦即：情景六）模擬結果引自文獻[9-10]。將這些情景結果列于后文，是為了基于Zhang等[9]及任理等[10]模擬結果，探討在本文所設定的其他模擬情景下，淺層地下水位和作物產量等模擬變量的變化。下文中的“基本情景”是指冬小麥-夏玉米一年二熟制下的現狀灌溉制度（表1），在8種模擬情景下的夏玉米生育期的灌溉制度均與基本情景保持一致[9-10, 21, 29]。同時，也將相關評估結果統計到研究區所涉及的大清河淀西平原和子牙河平原這2個水資源三級區[9-10,21]，以期為流域尺度的水資源宏觀管理提供參考與決策的依據。

表1 模擬情景

1.3 淺層地下水壓采與農田節水效應的評估指標

在《國家農業節水綱要（2012—2020年）》[30]等政策文件中，“節水壓采”作為華北地區農業用水調控的總體目標，是在該區域衡量節水灌溉措施的重要標尺。另一方面，河北省太行山山前平原不僅是河北省冬小麥的主產區，而且是優質強筋小麥的優勢產區，因此在限水灌溉模式下冬小麥的減產情況也是管理部門關心的重要指標，特別是在當前全方位保障糧食安全的國家戰略背景下[31]。基于上述考慮，以基本情景及8種限水灌溉情景下SWAT模型輸出的模擬結果為數據基礎，分別從以下3個方面對不同灌溉定額的冬小麥“春澆一水”方案進行定量評估：

1）淺層地下水壓采效應

定義各限水灌溉情景與基本情景相比所減少的淺層地下水開采量（或超采量）占基本情景中淺層地下水開采量（或超采量）的比例為各限水灌溉情景下對淺層地下水井灌開采量（或超采量）的壓減率，以評估地下水井灌開采量和超采量的變化程度。

2）農田節水效應

與淺層地下水壓采效應的評估思路相似，定義“春澆一水”限水灌溉方案與基本情景相比減少的農田耗水量、與基本情景相比農田耗水量的減少程度這2個指標來評估其節水效應。其中，不同情景下的農田耗水量（mm）是根據SWAT模型輸出的逐年實際蒸散量（Actual Evapotranspiration,a）計算其在模擬分析時段內的平均值而獲得。

3）作物產量變化

與上述2方面的評估指標相仿，定義“春澆一水”限水灌溉方案與基本情景相比冬小麥的減產量、與基本情景相比冬小麥的減產率這2個指標來評估作物產量的變化。其中，不同情景下冬小麥的產量是根據SWAT模型輸出的冬小麥逐年單產（kg/hm2）計算其在模擬分析時段內的平均值而獲得。

1.4 基于0-1規劃的區域尺度限水灌溉模式優化

在水利部聯合四部委印發的《華北地區地下水超采綜合治理行動方案》等一系列國家和地方管理部門的相關文件中[4,6,30]，實現采補平衡始終是地下水超采區綜合治理工作的重要目標。針對研究區淺層地下水壓采的現實需求，兼顧冬小麥產量對保障口糧安全的重要性，將SWAT模型的模擬結果與經典的0-1規劃方法相結合，針對每一個子流域，以淺層地下水能夠實現“采補平衡”為約束條件，以冬小麥減產率最小為目標函數，在8種特定灌溉定額的“春澆一水”限水灌溉方案中優選出能夠滿足上述約束條件下這一目標函數的方案，作為在該子流域所推薦的“春澆一水”限水灌溉方案。如此遍歷所有子流域，便可獲得具有因地施策特點的“春澆一水”的限水灌溉方案的空間分布，稱為優化的冬小麥生育期“春澆一水”限水灌溉模式。其中，參照前期研究工作[9-10]，假設：若淺層地下水位20 a累積下降幅度小于1 m（亦即：淺層地下水位年均下降速度小于0.05 m/a），或淺層地下水位的年均變化為正即滿足淺層地下水位不再繼續下降的條件，并以此作為判斷淺層地下水實現“采補平衡”的標準。在每一個子流域，所建立的0-1規劃模型為：

目標函數：

隨著有軌電車的發展，已經逐漸形成幾種現代有軌電車駕駛員培訓模式，通過分析培訓模式的特點，結合蘇州有軌電車駕駛員的狀況，從而選擇合適的駕駛員培訓模式。

約束條件：

式中：min為模擬分析時段內冬小麥的年均減產率取最小值（%）；y為模擬分析時段內第種限水灌溉情景下冬小麥的年均減產率（%）；h為模擬分析時段內第種限水灌溉情景下淺層地下水位的年均變化速度（m/a）；x代表是否選擇第種限水灌溉情景：x等于0代表不選擇第種限水灌溉情景，x等于1代表選擇第種限水灌溉情景；為限水灌溉情景的取值（=1, 2, …, 8）。

上述“模擬?評估?優化”的研究思路所構成的本文主要研究內容及其技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線圖

2 結果與分析

2.1 情景模擬結果分析

2.1.1 淺層地下水位變化

從研究區整體來看，在灌溉定額為40～90 mm的“春澆一水”限水灌溉模式下，淺層地下水位的平均下降速度可從基本情景下的大約1.10 m/a減緩為0.06～0.34 m/a；當灌溉定額降低至30 mm時，22個子流域內淺層地下水位的年均變化的平均值呈現出了輕微回升的態勢（圖3）。具體地，由于氣象條件和下墊面的空間異質性，淺層地下水位的變化在不同子流域及2個水資源三級區之間都呈現出差異。其中，對于大清河淀西平原（下文中統一簡化為dx）的子流域dx1和子牙河平原（下文中統一簡化為zy）的子流域zy1，在本文的這8種“春澆一水”的限水灌溉方案下，淺層地下水位均呈現出回升的趨勢。根據Zhang等[9]研究結果，這2個子流域在“春澆兩水”（即：分別在冬小麥的拔節期和抽穗期進行灌溉）的限水灌溉方案下淺層地下水位就已不再下降，因而為了獲得更高的冬小麥產量，可在這2個子流域實施“春澆兩水”的限水灌溉方案以遏制淺層地下水的超采情勢。對于研究區北部的大清河淀西平原所涉及的10個子流域，當“春澆一水”的限水模式下的灌溉定額為80 mm時，有1/2以上的子流域（dx1、dx2、dx3、dx4、dx5、dx7、dx9）內的淺層地下水位下降速度可減緩到0.25 m/a以內（亦即：20 a內淺層地下水位累積下降幅度小于5 m）；當灌溉定額減小到50 mm時，有5個子流域（dx1、dx3、dx4、dx5、dx7）的淺層地下水變化呈現出回升的態勢，即地下水持續超采的利用現狀將得到遏制。然而，對于研究區南部的子牙河平原所涉及的12個子流域，若要實現有1/2的子流域中淺層地下水位下降速度減緩到0.25 m/a以內，則需要實施灌溉定額為70 mm的“春澆一水”的限水灌溉方案，當這些子流域實施灌溉定額為30 mm的“春澆一水”的限水灌溉方案時，淺層地下水位將基本轉變為回升的態勢；對研究區南部的子牙河平原所涉及的另外1/2的子流域（zy2、zy4、zy7、zy10和zy11）來說，即使實施本文所設置的30 mm灌溉定額的限水灌溉情景，淺層地下水依然呈現出超采的情勢，其中zy2、zy4和zy7所涉及的區域內淺層地下水位下降速度仍高達0.25 m/a以上。綜合對比大清河淀西平原和子牙河平原這2個水資源三級區的模擬結果，各限水灌溉情景下大清河淀西平原淺層地下水的涵養情況較子牙河平原相對更好。

此外，對作物根系帶2 m土體的儲水量變化進行了定量分析，以評估在研究區內長期實施本文所設計的冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉模式是否會引起表層土壤的干化。模擬結果顯示，與已有的研究結果[9-10]一樣，在本文所設計的限水灌溉情景中，盡管2 m土體儲水量在年際間有起伏波動，但并未出現持續增加或減少的趨勢，其多年平均變化量趨于0，這說明：若實施本文所設計的冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉方案，將不會使該區域的井灌耕地表層出現“干化”的現象，這些限水灌溉模式在研究區平水偏枯的降水年型下具有20 a這樣較長時期應用的可行性。

2.1.2作物產量

在冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉模式下，研究區在模擬分析時段內的冬小麥產量、夏玉米產量及輪作周年產量詳見表2。整體來看，在本文設計的幾種“春澆一水”情景下，冬小麥年均單產約為3 310～4 248 kg/hm2；這種限水灌溉模式所帶來的土壤水分狀況變化幾乎不會影響其后茬夏玉米的單產水平；由2種作物年均單產加和，輪作周年的作物產量約為9 818～10 811 kg/hm2。

圖3 不同模擬情景下淺層地下水位年均變化速度的空間分布

為了研究冬小麥產量在不同子流域之間的空間分異情況，將本文的8種模擬情景劃分為30～60 mm和70～90 mm這2個范圍對冬小麥單產的模擬結果進行分析。結果顯示，在灌溉定額為30～60 mm時（圖4（a）和圖4（b）），大清河淀西平原的10個子流域中，除dx1的冬小麥單產小于3 000 kg/hm2，其他9個子流域的冬小麥單產均分布在3 000～4 000 kg/hm2之間；而在子牙河平原，幾乎所有子流域內的冬小麥單產均分布在大約3 500～4 500 kg/hm2之間，其中在zy2、zy4、zy11和zy12內的冬小麥單產相對較高。在灌溉定額為70～90 mm時（圖4（c）和圖4（d）），大清河淀西平原的10個子流域內，除dx1外冬小麥的單產都分布在4 000 kg/hm2左右，而子牙河平原的12個子流域內冬小麥的單產均在4 000 kg/hm2以上，特別是在90 mm灌溉定額的“春澆一水”的限水灌溉方案下，子流域zy4、zy11和zy12的冬小麥單產超過4 500 kg/hm2。綜合對比大清河淀西平原和子牙河平原水資源三級區，子牙河平原的冬小麥單產普遍高于大清河淀西平原。結合淺層地下水位的變化，大清河淀西平原的淺層地下水涵養相對更好，而子牙河平原的冬小麥產量相對更高。這主要與2個區域內下墊面的非飽和帶土壤質地的差異有關，大清河淀西平原的淺層地下水垂向補給量相對較多，而農田蒸散量相對較少。

表2 作物產量模擬結果

注 Irr.是指這種模擬情景下冬小麥生育期內的灌溉量。

2.2 淺層地下水壓采與農田節水的效應

為方便流域管理機構參考使用，以研究區所涉的2個水資源三級區為評估單元，將本文的8種限水灌溉模擬情景對淺層地下水壓采與農田節水的效應及其對作物產量的影響進行統計，結果如表3所示。與基本情景相比，灌溉定額為70～90 mm的冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉方案，可將基本情景下的淺層地下水井灌開采量壓減70%左右（大約31.5億m3），削減大約75%的淺層地下水井灌超采量（大約13億m3），減少大約17%～18%的農田耗水量，并將冬小麥的年均減產率控制在大約30%以內。若實施灌溉定額為50～60 mm的冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉方案，可將基本情景下的淺層地下水井灌開采量壓減75%左右（大約33.7億m3），削減大約85%的淺層地下水井灌超采量（大約15億m3），減少20%左右的農田耗水量，并將冬小麥年均減產率控制在30%～35%之間。若實施灌溉定額為30～40 mm的冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉方案，可將基本情景下的淺層地下水井灌開采量壓減80%左右（大約36億m3），削減90%（大約16億m3）以上的淺層地下水井灌超采量，減少22%～24%的農田耗水量，但冬小麥的減產率將接近40%。

圖4 大清河淀西平原和子牙河平原子流域內的冬小麥年均產量的模擬結果

表3 冬小麥生育期“春澆一水”的8種限水灌溉模式對淺層地下水壓采與農田節水的效應及冬小麥減產情況

注 dx表示大清河淀西平原；zy表示子牙河平原。

2.3 區域尺度冬小麥生育期“春澆一水”限水灌溉模式的優化

由文中2.1和2.2節的情景分析與評估結果可知，當在22個子流域實施同一種限水灌溉方案時，無法在所有井灌耕地上均實現淺層地下水的采補平衡。因此，利用分布式水文模型的特點、結合0-1規劃方法在研究區范圍內開展冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉模式的優化，針對每一個子流域求解出能夠實現淺層地下水位不再繼續下降且冬小麥減產幅度最小的限水灌溉方案，其空間分布如圖5（a）所示。在這種優化的冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉模式下，與基本情景相比，在淺層地下水采補平衡約束下平均的冬小麥最小減產幅度約為36%（除無可行解的區域外），其空間差異如圖5（b）所示。考慮到我國的政策制定與管理（如水資源管理的“三條紅線”）的最小行政單元為縣（市）域，將上述結果的空間分布與研究區所涉及的48個縣（市）域的邊界疊加，獲得便于將本文的相關模擬結果為縣（市）有關管理部門在實際應用中參考的圖件。

圖5 以淺層地下水采補平衡為約束、冬小麥減產最小為目標所優化的限水灌溉模式及對應的冬小麥減產率的空間分布

根據優化計算結果，在研究區中部偏東的無極、深澤、晉州、辛集、寧晉東北部、趙縣東北部、新樂南部、正定北部和永年北部等區域，決策變量無可行解，可見在灌溉定額最小（30 mm）的冬小麥生育期“春澆一水”的限水灌溉方案下，這些區域所涉及的優化計算單元（子流域）仍無法滿足0-1規劃模型中的淺層地下水采補平衡的約束條件。據統計，在大清河淀西平原和子牙河平原內，無可行解的區域分別約占這2個水資源三級區面積的大約20%和35%。可見為實現淺層地下水采補平衡的壓采目標，這些區域需實施壓采力度更大的管理措施（如：冬小麥雨養方案，季節性休耕方案等）。在研究區其余大約70%面積上的有可行解的區域，優化的限水灌溉模式的空間分布（圖5（a））表現為：灌溉定額為30 mm的“春澆一水”的限水灌溉方案的推薦區域主要涉及石家莊西南部地區的元氏與欒城和保定定州的北部及邢臺地區的南和與沙河，其面積約占研究區的14%；灌溉定額為40 mm的“春澆一水”的限水灌溉方案的推薦區域主要分布在邢臺和邯鄲地區的大部分縣（市）域，其面積約占研究區的21%；灌溉定額為50 mm的“春澆一水”的限水灌溉方案的推薦區域主要涉及保定地區的大部分縣（市）域，其面積約占研究區的24%；灌溉定額為60 mm的“春澆一水”的限水灌溉方案的推薦區域主要分布在保定地區南部和石家莊北部的少部分縣（市）域，其面積僅占研究區的5%左右；灌溉定額為90 mm的“春澆一水”的限水灌溉方案的推薦區域主要涉及保定地區北部的淶水、易縣以及石家莊地區中部的藁城、正定等縣（市）域，其面積約占研究區的7%。

以冬小麥減產率最小為目標所優化的結果顯示：只有灌溉定額為90 mm的“春澆一水”的限水方案所涉及的區域（保定地區北部和石家莊中西部的部分縣域）才可以實現將冬小麥的減產率控制在30%以內（圖5（b）），這些縣（市）域在某種意義上將是冬小麥生育期“春澆一水”限水灌溉模式的適宜推廣區，因為在這種限水灌溉模式下這些區域既可以實現淺層地下水的采補平衡、也可將冬小麥的減產率控制在不影響區域糧食供銷平衡的范圍內[15]。保定南部、石家莊西南部、邢臺西北部因為需實施灌溉定額為30～40 mm的“春澆一水”的限水灌溉模式，所以冬小麥的減產率相對較高，可達到40%以上。對于邢臺地區的大部分縣（市）域和整個邯鄲地區，若要實現淺層地下水采補平衡，冬小麥的減產率在30%～40%之間。

3 討論

1）在位于研究區內的欒城站，相關研究者也對只在冬小麥拔節期灌溉1次的“春澆一水”方案進行了田間試驗[11-14]，涉及的灌溉定額大都在60～90 mm，冬小麥的平均產量約在4 500～7 500 kg/hm2。本文對欒城站所在的水文響應單元內的模擬結果顯示：與這些田間試驗大致相近的灌溉定額下，冬小麥的平均產量約為3 500～4 500 kg/hm2。造成這種差異的主要原因如下：①模擬時在該水文響應單元所概化的土壤質地與試驗站的站點尺度上的不盡相同；②模型輸入的氣象條件也與站點的實際情況有所差異；③在該水文響應單元模擬所用的冬小麥參數是根據欒城站1997—2005年的田間試驗數據率定的[33-34]，是對本研究模擬時段內冬小麥品種的概化而未考慮品種的變化；④田間在采用節水灌溉時常配套一些農藝補償措施（如：改變播種密度、灌水后的及時劃鋤與松土保墑、深耕與精細整地等），以減少灌溉方案對冬小麥產量的影響，但本研究的模擬中難以反映這些農藝措施的補償效應。本研究給出的“春澆一水”限水灌溉模式下的冬小麥產量在某種意義上是偏于保守的估計。

2）在前期工作中，基于相同的思路也對考慮不同灌水次數的限水灌溉模式進行了優化，表明：若要實現研究區淺層地下水采補平衡，大部分區域在冬小麥生育期的降水水平為平水時都需要實施雨養方案，此時，研究區在模擬時段內平均的冬小麥最小減產率約為42%[9-10]。本研究以實現淺層地下水采補平衡為約束，對研究區內冬小麥“春澆一水”的方案進行了優化，這種優化模式在大約70%的區域上能夠實現淺層地下水位止降回升，而這些區域在模擬時段內平均的冬小麥最小減產率為36%。在此，不妨假設：在本研究所優化的“春澆一水”模式能夠達到地下水采補平衡的區域以外的那部分區域，實施冬小麥生育期“雨養”方案，這樣就可以使得研究區的淺層地下水都達到采補平衡。若按照前期模擬所獲得的“雨養”方案下冬小麥平均減產率約54%進行估算[9-10]，通過面積加權平均便得到整個研究區內冬小麥的平均減產率約為42%。這一減產率與前期研究中所優化的限水灌溉模式[9-10]雖然相近，但本研究優化的“春澆一水”模式不涉及降水水平的劃分，因而在實施中無需基于預測冬小麥生育期的降水水平而確定灌水時間和灌水次數。當然，本研究優化的“春澆一水”模式下的灌水定額大多在30～50 mm，這往往需要諸如小畦灌溉或“小白龍”灌溉等方式。

4 結論

1）運用改進的SWAT模型與經典的0-1規劃方法，面向“節水壓采”的地下水超采區水資源管理目標，本研究在統籌考慮淺層地下水涵養與冬小麥生產下的“模擬?評估?優化”的研究思路可為類似地區提供參考。

2）冬小麥生育期“春澆一水”（只在冬小麥的拔節期灌溉1次）方案下，河北省太行山山前平原淺層地下水位的平均下降速度將減緩至0.34 m/a以內，淺層地下水年均井灌開采量和超采量可分別削減大約70%～80%和75%～90%，農田耗水量平均減少17%～24%，但冬小麥平均減產25%～40%。

3）在各子流域進行優化后的“春澆一水”限水灌溉模式可使得研究區內大約70%的面積實現淺層地下水采補平衡，優化后的區劃為：在保定地區、邢臺和邯鄲地區、石家莊地區西南部，分別主要推薦實施灌溉定額為50、40 mm和30 mm的方案，在這些區域內冬小麥最小減產率的平均值約為36%。對于研究區中部偏東的部分區域，冬小麥生育期的“春澆一水”方案無法實現遏制淺層地下水位的繼續下降，需實施壓采力度更大的措施以實現淺層地下水資源的可持續利用。

致謝：感謝中國農業大學資源與環境學院任理教授對本研究相關的科學問題所給予的指教以及對論文手稿提出的修改意見。感謝中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心張喜英研究員在作者到欒城農業生態系統試驗站調研期間就冬小麥限水灌溉田間試驗方面所給予的指教。

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The Effects of Limiting Irrigation Frequency of Winter Wheat to One Time on Shallow Groundwater Balance and Wheat Yield:A Simulation Study on a Piedmont Plain of Taihang Mountain in Hebei Province

ZHANG Xueliang1, 2, DING Beibei1

(1. College of Land Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. Land Engineering Technology Innovation Center, Ministry of Natural Resources, Beijing 100035, China)

【】Groundwater-irrigated winter wheat in the piedmont plain of Mountain Taihang in Hebei province faces a conflict between dwindled water resources and increased demand of the wheat for water. Reducing irrigation frequency of the winter wheat to just one time during its growth season is a strategy to balance groundwater conservation and wheat yield. The aim of this paper is to investigate its practicability and feasibility.【】We designed eight scenarios with different irrigation amounts, and simulated crop growth and groundwater variations associated with each scenario using a modified SWAT model. Based on the simulated results, a 0-1 linear programming was conducted for 22 subbasins to minimize wheat yield loss under the constraint condition of stopping the decline of shallow groundwater table.【】①Under the limited irrigation scheme for winter wheat with once time at the jointing stage, the declining rate of shallow groundwater table in the study area would be restrained to less than 0.34 m/a on average. However, it would reduce average wheat yield by 25%～40% in comparison with the current situation. ② Spatially, the Daqing River Dianxi Plain in the northern part of the study area had a more satisfactory groundwater conservation effects; whereas, in the Ziya River Plain, which is located at the southern part, a higher averaged wheat yield performed. ③For most areas around Baoding, the optimized irrigation amount was 50 mm, while for areas around Xingtai and Handan, the optimized irrigation amount was 40 mm. In the southwest of Shijiazhuang, the optimized irrigation amount was 30 mm.【】The optimized results showed that reducing irrigation frequency of winter wheat to just once at the jointing stage can achieve shallow groundwater equilibrium in approximately 70% of the study area. These results could provide quantitative reference for implementing a workable limited-irrigation scheme in this groundwater-irrigated region where the shallow groundwater has been severely overexploited for more than four decades.

limited irrigation scheme; shallow groundwater; groundwater equilibrium; crop yield; SWAT model; irrigation optimization

張雪靚, 丁蓓蓓. 冬小麥“春澆一水”限水灌溉模式對淺層地下水采補平衡的影響——以河北省太行山山前平原為例[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(9): 1-10.

ZHANG Xueliang, DING Beibei.The Effects of Limiting Irrigation Frequency of Winter Wheat to One Time on Shallow Groundwater Balance and Wheat Yield: A Simulation Study on a Piedmont Plain of Taihang Mountain in Hebei Province[J].Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(9): 1-10.

S274.1；S275.5

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021259

1672 – 3317（2021）09 - 0001 - 10

2021-07-04

國家自然科學基金項目（41807183）

張雪靚（1991-），女。講師，碩士生導師，主要從事水土資源可持續利用的研究。E-mail:zhangxueliang@cau.edu.cn

責任編輯：韓 洋