海河流域平原区冬小麦－夏玉米种植制度下区域尺度作物水分生产函数及节水灌溉制度的模拟研究

It is significant to extend the concept of the crop water production function at the field scale to the regional scale using the geographic information system (GIS) and the crop module of the distributed hydrological model, which is also an important research direction in the decision-making and management for water-saving irrigation with crop water production function. There is an obvious contradiction between water resources and food demand in the Haihe plain. In this study, a distributed hydrological model was constructed using Soil and Water Assessment Tool (SWAT) combined with remote sensing (RS) technology. Based on the detailed model calibration and validation, the crop yield and actual evapotranspiration (ETa) were obtained on the hydrological response unit (HRU) scale, and it was available to get the water sensitive index of the crop water production function using GIS at the subbasin and hydrological region scales, respectively. We further simulated the crop yield and irrigation amount on the regional scale and discussed the optimal irrigation scheduling suitable for the future climate change. The topic of this study is important in the application of basic research for the development of the current water-saving agriculture. The study idea combined the advantages of the simple practicality of the empirical crop water production function model and the physically based of the crop module in the hydrological model. It is essential and critical to quantitatively explore the irrigation scheduling.

如何将作物水分生产函数在点尺度上的试验研究思路通过嵌入了作物生长模拟的分布式水文模型在地理信息系统平台上延拓至区域尺度，是将作物水分生产函数应用于节水灌溉的宏观决策与管理中的重要研究方向。本研究以水资源情势与粮食生产需求矛盾突出的海河平原为研究区域，以分布式水文模型－土壤水评价工具为研究手段，结合遥感技术，在模型参数详细率定和验证的基础上，获得水文响应单元的作物产量和实际蒸散量，并借助地理信息系统获得子流域尺度和水资源三级区尺度的作物水分生产函数的敏感指数，在此基础上开展节水灌溉条件下区域尺度粮食产量和灌溉量的模拟研究，并探讨优化的节水灌溉制度在未来气候变化下的适应性。本申请的选题是当前节水农业发展中的重要的应用基础研究问题，研究思路巧妙地融合了作物水分生产函数经验性模型的简洁实用性和具有模拟作物生长过程的水文模型的机理性，该研究对定量化地构建区域尺度节水灌溉制度具有重要的理论和实际意义。

本研究应用SWAT模型构建了海河流域分布式水文模型，模拟中考虑了位于山区的水库对径流的调节作用，同时详细地输入了海河平原冬小麦-夏玉米轮作体系中的农业管理措施以合理的模拟ETa。其中，应用SCE-UA方法并结合海河平原6个田间试验站数据，以LAI、地上部生物量和产量为目标变量，率定得到了与作物品种相关的参数。采用SUFI-2方法分别以径流和ETa为目标变量对海河山区的6个水资源三级区和平原的8个水资源三级区进行了参数的率定，确定了模型参数范围及其模拟结果的不确定性。模型经率定和验证后，首先进行了海河流域1961-2005年天然地表水资源量和蒸散发的模拟与时空分析。然后对海河平原冬小麦-夏玉米轮作体系进行了1961-2005年历史情景下的产量与作物水分生产力的模拟，并进行了历史灌溉制度无氮磷胁迫（情景1）和充分灌溉无氮磷胁迫（情景2）两种情景的模拟，其中，情景2中的模拟产量可认为是作物的最高潜在产量。基于已有的研究以及情景1的模拟结果，通过反复调整历史灌溉制度，最终得到了海河平原不同灌溉分区在没有氮磷胁迫条件下的优化灌溉制度（情景3），并进一步地将情景3中的净灌溉量、作物产量以及CWP与其它情景下的模拟结果进行比较分析和评价。再次，以实际蒸散发量和产量模拟值为基础，采用最小二乘法拟合得到冬小麦和夏玉米两种水分生产函数模型，通过比较海河平原县级、省市级以及全区三种尺度下不同生育期的水分敏感系数，判断海河平原冬小麦和夏玉米在长时间系列不同空间尺度下对水分的敏感程度。该研究对定量化地构建区域尺度节水灌溉制度具有重要的理论和实际意义。此外，本项目还评估了海河流域井灌区浅层地下水的时空变化和可持续性及有关尺度问题理论方法应用方面的探讨。