基于DSSAT模型的河南省冬小麦需水量分析

陈丹丹，李国强,3，张 杰，臧贺藏,3，胡 峰，郑国清,3*

(1.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所，河南 郑州 450002； 2.河南省智慧农业工程技术研究中心，河南 郑州 450002; 3.农作物种植监测与预警河南省工程实验室，河南 郑州450002)

基于DSSAT模型的河南省冬小麦需水量分析

陈丹丹1,2，李国强1,2,3，张 杰1,3，臧贺藏1,2,3，胡 峰1,3，郑国清1,2,3*

(1.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所，河南 郑州 450002； 2.河南省智慧农业工程技术研究中心，河南 郑州 450002; 3.农作物种植监测与预警河南省工程实验室，河南 郑州450002)

为定量评估河南省不同生态地点冬小麦需水量变化特征，应用DSSAT模型模拟了充分灌溉、雨养不灌溉条件下河南省15个地点连续10 a(2003—2012年)冬小麦产量、田间蒸散量、作物蒸腾量、土壤蒸发量等，分析了灌溉增产以及水分生产率的分布规律，并计算河南省不同地点平均需水量和缺水量。结果表明：充分灌溉条件下，河南省15个生态地点10 a间冬小麦平均产量介于7 847～9 565 kg/hm2，作物蒸腾量介于319～380 mm，土壤蒸发量介于96～166 mm，田间蒸散量介于445～539 mm，水分生产率介于1.67～1.98 kg/(hm2·m3)；雨养不灌溉条件下，15个生态地点10 a间冬小麦平均产量介于1 927～6 260 kg/hm2，作物蒸腾量介于66～244 mm，土壤蒸发量介于120～195 mm，田间蒸散量介于209～370 mm，水分生产率介于0.79～2.17 kg/(hm2·m3)。15个生态地点10 a间灌溉增产介于1 594～6 698 kg/hm2，总体呈中北部较高南部较低。15个生态地点10 a间需水量介于395～452 mm，河南省中东部及南部需水量相对较低；缺水量介于76～282 mm，整体呈北高南低。研究结果可为河南省冬小麦水分定量化管理措施的制定提供参考。

河南省； 冬小麦； DSSAT模型； 需水量； 时空分布

河南省是中国冬小麦的主产区和重要的商品粮基地[1]。水资源短缺、供需矛盾突出，成为制约河南农业发展的主要因素之一[2]。因此，高效利用当地有限的水资源，并结合作物需水量提高水分利用效率对优化河南省小麦种植布局，促进河南省小麦产业的可持续发展具有重要的战略意义。

目前，国内外对作物需水量的研究较多，就研究方法而言可以分为三类。第一类是通过田间试验方法筛选出最优的水分管理措施。张喜英等[3]通过田间试验研究了冬小麦不同生育时期水分亏缺及亏缺程度；郭步庆等[4]利用田间定位试验研究了华北地区通过种植模式调整实现农业节水的潜力。此种方法是将水分、田间管理以及气候条件等多种因素排列组合在一起，既耗时费力，又无法同时完成，且田间试验结果在拓展应用中风险较大，难以从区域尺度上升至空间尺度[5]。第二类是经验公式计算法，最常用的是通过计算参考作物蒸发蒸腾量来计算作物需水量，如Blaney-Criddle[6]法、Priestley-Taylor[7]法、Hargreaves[8]法、FAO56 Penman-Montieth法[9]等，其中FAO56 Penman-Montieth公式物理学基础严密、计算精度较高，是联合国粮农组织(FAO)推荐的标准计算方法[10]，但该方法需要的气象数据资料较多，在很多地方应用时往往存在数据不全的问题。第三类是作物模型模拟方法，作物模型以作物生理生态原理为基础[11-12]，定量描述“作物-土壤-气候”系统中光、温、水存在状况(包括极端状态)对作物生长发育的影响。DSSAT模型就是其中之一，其将水分胁迫作为作物生长的重要限制因子，并且在系统中采用了独立模块来模拟水分平衡过程，在计算土壤水分蒸散量时，DSSAT采用了2种不同的计算方法，一种是Penman-Montieth法，另一种是Priestley-Taylor法，Priestley-Taylor法比Penman-Montieth法简单，在模型输入中不需要空气湿度和风速数据，在大面积模拟中较为方便[13]。国内外学者利用该模型在农田水分管理领域取得了一定的研究成果。Timsina等[14]在印度利用该模型模拟分析了影响小麦水分和产量的因素，并提出增产措施和建议；Liu等[15]在加拿大利用该模型模拟比较了充分灌溉和控制灌溉条件下作物含水量、硝态氮含量及产量的变化；Salmeron等[16]在西班牙利用该模型模拟分析了喷灌均匀度和种植密度对玉米产量的影响。鲁向晖等[17]利用该模型模拟了小麦叶面积指数、水分利用效率及产量的变化，并验证模型的适应性，为河南省豫西地区小麦保护性耕作措施提供理论支持；王文佳[18]利用该模型在我国西北地区模拟分析了小麦水分利用效率、土壤蒸发量、作物蒸腾量与产量的关系，制定了不同水平年下的优化灌溉制度；He等[19]利用该模型模拟分析了我国西北地区小麦—玉米轮作制度下的不同灌溉措施并制定了优化灌溉措施；周丽丽等[5]利用DSSAT的子模型CERES-Wheat模型模拟了沧州地区冬小麦需水量。基于DSSAT模型在冬小麦农田水利方面的研究主要集中在陕西、甘肃、河北省以及豫西地带，而该模型在河南省整体范围内对冬小麦需水量的模拟分析鲜有报道。鉴于此，本研究以DSSAT模型为基础，利用情景分析方法，通过对田间蒸散量、作物蒸腾量、土壤蒸发量进行综合分析，定量化估算出河南省不同地区冬小麦需水量，旨在为冬小麦生长季的水分高效利用以及灌溉策略的定量化应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

河南省介于31°23′～36°22′N、110°21′～116°39′E，属暖温带-亚热带、湿润-半湿润季风气候。年平均气温在12～16 ℃，全年无霜期从北向南为180～240 d，年平均降雨量为632.1 mm，且50%集中在6—8月份，小麦生产季(10月上旬到次年6月中上旬)降水稀少。根据河南省地理位置及生态气候类型，在全省选择15个具有代表性的县(市)作为试验点(图1)。

图1 河南省15个试验点的分布情况

1.2 数据来源

1.2.1 气象数据 气象数据来自中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.nmic.cn/home.do)提供的河南省2003—2012年连续10 a的逐日气象数据，包括逐日降雨量、逐日最高气温、逐日最低气温、逐日日照时数和逐日太阳辐射量等。模型运行所需的最小数据集包括逐日太阳辐射量、逐日最高气温、逐日最低气温以及逐日降水量。后三者可经过简单处理直接使用，逐日太阳辐射量根据国际上公认的Angstron(埃斯屈朗)经验公式求得。

1.2.2 土壤数据 DSSAT模型所需各地点的土壤信息包括土壤类型和土壤剖面特征，即土壤名称、颜色、农田坡度、矿化度，各层土壤质地(黏粒、粉粒、砂粒百分比)、土壤容重、田间持水量、凋萎系数、饱和含水量、有机碳含量、全氮含量和pH值等。部分物理特性参数(土壤容重、全氮含量、pH值)参考中国土壤数据库网站中国土种数据库(新)，其他参数取自1∶100万中国土壤属性数据库及《中国土种志》[20]，其中，有机碳含量通过有机质含量乘以0.58换算得到[21]。

1.2.3 品种参数数据 选用河南省常种小麦品种豫麦34为研究对象，收集整理郑州、商丘、驻马店、中牟4个地点的6个田间试验数据，调试出一组豫麦34遗传参数值(表1)。由于验证过程已在麦类作物学报上发表[22]，在此不再赘述。

表1 调试后豫麦34的遗传参数值

注：P1V：春化敏感系数；P1D：光周期敏感系数；P5：灌浆期特性系数；G1：籽粒数特性系数；G2：标准籽粒质量系数；G3：成熟期单株茎穗质量系数；PHINT：出叶间隔特性参数。

1.2.4 不同地点冬小麦播种日期及作物系数 不同地点播期数据及作物系数(表2)来源于河南省气候中心1981—2010年冬小麦播种期的平均值[23]。河南省冬小麦播期由北向南分别为10月上旬、中旬、下旬，作物系数是指不同发育期中需水量与蒸散量的比值，河南省冬小麦的作物系数介于0.84～0.92。

表2 河南省不同地点冬小麦播种日期及作物系数

1.3 研究方法

1.3.1 情景模拟 本研究应用DSSAT模型对充分灌溉和雨养不灌溉条件下河南省15个生态地点连续10 a(2003—2012年)冬小麦产量、田间蒸散量、作物蒸腾量、土壤蒸发量等指标进行模拟分析。具体过程为：把模拟年限中的气象数据、土壤数据、大田作物管理数据以及调试好的品种参数数据分别导入DSSAT模型的不同模块，在作物管理文件灌溉和水分管理模拟选项中分别设置为充分灌溉和雨养不灌溉并进行模拟分析。作物需水量即充分灌溉条件下大田蒸散量与作物系数的乘积。

1.3.2 统计分析 利用Excel 2010进行统计分析并作图，主要采用ArcGIS 10.0软件的反距离权重插值方法对各生态地点要素数据进行空间插值，生成空间栅栏数据，并对其进行分类，得出相应的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 河南省冬小麦产量模拟分析

利用DSSAT模型对2003—2012年连续10 a 河南省不同地点2种灌溉方式下冬小麦产量进行模拟(图2)发现，不同灌溉方式下冬小麦产量总体保持稳定。充分灌溉条件下，产量为7 652～10 263 kg/hm2，平均值为8 913 kg/hm2，标准偏差为712.6 kg/hm2，变异系数为0.08，最高值出现在2010年，总体呈现下降趋势但不明显；雨养不灌溉条件下，产量为2 526～5 699 kg/hm2，平均值为3 569 kg/hm2，标准偏差为929.8 kg/hm2，变异系数为0.26，最高值出现在2006年，总体呈现下降趋势但不明显。

图2 2003—2012年河南省冬小麦2种灌溉方式下的产量模拟情况

不同地点10 a间冬小麦产量变化情况如表3所示，充分灌溉条件下，不同生产地点产量最小值介于6 410～8 242 kg/hm2，最大值介于9 101～11 185 kg/hm2，平均值介于7 847～9 565 kg/hm2。平均值较高的5个地点表现为栾川(9 565 kg/hm2)>驻马店(9 478 kg/hm2)>新乡(9 440 kg/hm2)>西华(9 395 kg/hm2)>西峡(9 379 kg/hm2)；平均值较低的5个地点表现为安阳(8 686 kg/hm2)>卢氏(8 625 kg/hm2)>三门峡(8 477 kg/hm2)>信阳(7 854 kg/hm2)>固始(7 847 kg/hm2)。雨养不灌溉条件下,产量最小值介于1 453～3 964 kg/hm2，最大值介于2 339～9 418 kg/hm2，平均值介于1 927～6 260 kg/hm2；平均值较高的5个地点表现为信阳(6 260 kg/hm2)>栾川(5 692 kg/hm2)>固始(5 561 kg/hm2)>驻马店(4 712 kg/hm2)>新乡(4 544 kg/hm2)，平均值较低的5个地点表现为商丘(2 720 kg/hm2)>郑州(2 355 kg/hm2)>开封(2 220 kg/hm2)>三门峡(1 962 kg/hm2)>卢氏(1 927 kg/hm2)。

表3 河南省15个地点冬小麦不同灌溉方式下产量模拟结果

2.2 河南省冬小麦灌溉增产模拟分析

灌溉增产指的是充分灌溉处理与雨养不灌溉处理之间的产量差值。如表3所示，15个生态地点连续10 a灌溉增产平均值介于1 594～6 698 kg/hm2。平均值较高的5个地点表现为卢氏(6 698 kg/hm2)>开封(6 541 kg/hm2)>三门峡(6 515 kg/hm2)>许昌(6 404 kg/hm2)>商丘(6 397 kg/hm2)，平均值较低的5个地点表现为新乡(4 896 kg/hm2)>驻马店(4 766 kg/hm2)>栾川(3 873 kg/hm2)>固始(2 286 kg/hm2)>信阳(1 594 kg/hm2)。河南省冬小麦灌溉增产分布情况如图3所示。由图3可以看出，河南省冬小麦灌溉增产总体呈现中北部较高南部较低，灌溉增产潜力较大区域主要集中在三门峡、卢氏、西峡、南阳、郑州、开封、许昌、西华和商丘一带，灌溉增产潜力较小区域主要集中在信阳、固始一带；灌溉增产值大于5 847 kg/hm2地区面积占全省小麦总面积的38.6%，灌溉增产值介于4 997～5 846 kg/hm2的区域面积占全省小麦总面积的40.5%，灌溉增产值小于3 295 kg/hm2的区域面积占全省小麦总面积的8%。

图3 河南省冬小麦灌溉增产模拟分布情况

2.3 河南省冬小麦生长季田间蒸散量、作物蒸腾量及土壤蒸发量模拟分析

由图4可见，2003—2012年，充分灌溉条件下，河南省冬小麦田间蒸散量、作物蒸腾量及土壤蒸发量总体稳定。田间蒸散量介于456～508 mm，平均值为478.9mm，标准偏差为18.7 mm，变异系数为0.039；作物蒸腾量介于318.5～397.6 mm，平均值为355.8 mm，标准偏差为24.5 mm，变异系数为0.069；土壤蒸发量介于106～136 mm，平均值为123.1 mm，标准偏差为10.8 mm，变异系数为0.087。田间蒸散量和作物蒸腾量最大值均出现在2010年，而土壤蒸发量各年间相对比较平稳。

图4 2003—2012年充分灌溉条件下河南省冬小麦田间蒸散量、作物蒸腾量及土壤蒸发量模拟变化情况

由图5可见，2003—2012年，雨养不灌溉条件下，河南省冬小麦田间蒸散量、作物蒸腾量及土壤蒸发量波动比较明显，这与不同年份降雨量不同有关，田间蒸散量介于206.8～306.5 mm，平均值为263.9 mm，标准偏差为25.7 mm，变异系数为0.098；作物蒸腾量介于72.9～158.7 mm，平均值为113.8 mm，标准偏差为25.8 mm，变异系数为0.227；土壤蒸发量介于104～163.8 mm，平均值为150.2 mm，标准偏差为18.4 mm，变异系数为0.122。

图5 2003—2012年雨养不灌溉条件下河南省冬小田间蒸散量、作物蒸腾量及土壤蒸发量模拟变化情况

水分生产率是产量与田间蒸散量的比值。由表4可知，10 a间15个地点不同灌溉方式下作物蒸腾量、土壤蒸发量及田间蒸散量不同，充分灌溉条件下，作物蒸腾量介于319～380 mm，土壤蒸发量介于96～166 mm，田间蒸散量介于445～539 mm，田间蒸散量平均值较高的5个地点表现为栾川(539 mm)>卢氏(515 mm)>新乡(490 mm)>商丘(485 mm)>西峡(481 mm)，较低的5个地点表现为郑州(468 mm)>开封(464 mm)>许昌(463 mm)>固始(461 mm)>信阳(445 mm)；水分生产率介于1.67～1.98 kg/(hm2·m3)，水分生产率平均值较高的5个地点表现为许昌[1.98 kg/(hm2·m3)]=驻马店[1.98 kg/(hm2·m3)]>西华[1.96 kg/(hm2·m3)]>南阳[1.95 kg/(hm2·m3)]=西峡[1.95 kg/(hm2·m3)]，较低的5个地点表现为三门峡[1.80 kg/(hm2·m3)]>栾川[1.77 kg/(hm2·m3)]>信阳[1.76 kg/(hm2·m3)]>固始[1.70 kg/(hm2·m3)]>卢氏[1.67 kg/(hm2·m3)]。雨养不灌溉条件下，作物蒸腾量介于66～244 mm，土壤蒸发量介于120～195 mm，田间蒸散量介于209～370 mm，田间蒸散量平均值较高的5个地点表现为信阳(370 mm)>固始(346 mm)>驻马店(300 mm)>栾川(289 mm)>西峡(276 mm)，较低的5个地点表现为许昌(244 mm)>郑州(224 mm)>三门峡(223 mm)>开封(210 mm)>新乡(209 mm)；水分生产率介于0.79～2.17 kg/(hm2·m3)，水分生产率平均值较高的5个地点表现为新乡[2.17 kg/(hm2·m3)]>栾川[1.97 kg/(hm2·m3)]>信阳[1.69 kg/(hm2·m3)]>固始[1.61 kg/(hm2·m3)]>驻马店[1.57 kg/(hm2·m3)]，较低的5个地点表现为南阳[1.09 kg/(hm2·m3)]=商丘[1.09 kg/(hm2·m3)]>开封[1.06 kg/(hm2·m3)]>郑州[1.05 kg/(hm2·m3)]>三门峡[0.88 kg/(hm2·m3)]>卢氏[0.79 kg/(hm2·m3)]。

表4 河南省15个地点冬小麦作物蒸腾量、土壤蒸发量及田间蒸散量模拟结果

2.4 河南省冬小麦需水量及缺水量分析

通过充分灌溉条件下田间蒸散量与作物系数的乘积得出冬小麦的需水量，不同地点10 a间冬小麦需水量分布情况如图6所示。15个地点中，冬小麦需水量最小值为开封的395 mm，最大值是栾川的452 mm，均值为419 mm。河南省冬小麦需水量主要集中在415～423 mm，该部分区域占河南省冬小麦总面积的47.2%，主要集中于驻马店、西华以及河南省中西部地区；冬小麦需水量较高(424 mm以上)的区域占河南省冬小麦总面积的18.4%，主要集中于河南省北部的安阳、新乡和西部的卢氏、栾川一带；冬小麦需水量相对较低(414 mm以下)的区域占河南省冬小麦总面积的34.4%，主要集中在河南省中东部的郑州、开封、许昌、商丘以及南部的信阳、南阳等地区。

图6 河南省冬小麦需水量模拟分布情况

充分灌溉条件下田间蒸散量与雨养不灌溉条件下田间蒸散量的差值即为该地区冬小麦缺水量也就是灌溉需水量。利用反距离权重法空间插值得出河南省冬小麦缺水量分布图(图7)。由图7可知，15个生态地点中，冬小麦灌溉缺水量最小值是76 mm，出现在信阳地区；最大值出现在新乡，为282 mm。冬小麦缺水量总体表现为从北向南逐渐递减，这与南方降雨量较北方多有关。河南省冬小麦缺水量主要集中在214～247 mm，该部分区域占河南省冬小麦总面积的55.1%，主要集中于商丘、西华、许昌及南阳以北的大部分地区；缺水量较大(248 mm以上)的区域占河南省冬小麦总面积的12.8%，主要集中在新乡、开封、卢氏和栾川一带；缺水量较低(低于213 mm)的区域占河南省冬小麦总面积的32.1%，主要集中在南阳、驻马店以南区域。

图7 河南省冬小麦缺水量模拟分布情况

3 结论与讨论

本研究结果表明，充分灌溉条件下，河南省15个生态地点10 a间冬小麦平均产量介于7 847～9 565 kg/hm2，较低值主要集中在信阳、固始一带，可能与当地阴雨天较多、光照辐射量不足有关；雨养不灌溉条件下，产量介于2 526～5 699 kg/hm2，产量较高地区主要集中在信阳、栾川、固始一带，这与当地降雨量较多有关。灌溉增产介于1 594～6 698 kg/hm2，可见，水分对河南省小麦增产起着至关重要的作用。

河南省冬小麦作物需水量介于395～452 mm，最低值集中在栾川、卢氏一带，这与姬兴杰等[23]、宋妮等[24]通过FAO推荐的Penman-Montieth公式计算出的河南省冬小麦需水量336～469 mm和345～492 mm，最低值出现在卢氏的结果基本一致；而模型模拟出来的缺水量为76～282 mm，较之计算出来的176.5～392.5 mm偏低，可能与计算方法不同有关。本研究缺水量的计算方法是充分灌溉条件下田间蒸散量减去雨养不灌溉条件下田间蒸散量，由于DSSAT模型是以作物生理生态原理为基础，定量描述“作物-土壤-气候”系统中光、温、水对作物生长发育的影响，其在计算蒸散量的过程中充分考虑了有效降雨量及土壤含水量即底墒水的情况[18]；而前人缺水量的计算方法是将冬小麦生育期内作物总需水量减去生育期内有效降雨总量，并未考虑底墒水，这应该是其值偏大的主要原因。

本研究只针对豫麦34这一个小麦品种进行了需水量计算，而实际生产中多作物并存的情况、种植结构等对需水量都有一定的影响，这将是下一步的研究重点。

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Analysis on Water Demand of Winter Wheat in Henan Province Based on DSSAT Model

CHEN Dandan1,2,LI Guoqiang1,2,3,ZHANG Jie1,3,ZANG Hecang1,2,3,HU Feng1,3,ZHENG Guoqing1,2,3*

(1.Agricultural Economy & Information Research Institute，Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China; 2.Research Center for Smart Agriculture Engineering and Technology of Henan Province,Zhengzhou 450002,China; 3.Engineering Laboratory for Crop Monitoring and Early Warning of Henan Province,Zhengzhou 450002,China)

In order to quantitatively evaluate the change of winter wheat water requirement in different regions of Henan province,DSSAT model was applied to simulate the winter wheat yield,evapotranspiration (ET),transpiration (EP) and soil evaporation(ES) under full irrigation(FI) and no irrigation(NI) conditions in 15 ecological points for 10 consecutive years (2003 to 2012) in Henan province.The distribution of irrigation production and the water productivity were analyzed,and the average water demand and water shortage in different ecological points were calculated.The results showed that the average yield of winter wheat was 7 847—9 565 kg/ha,ET value was 445—539 mm,EP value was 319—380 mm,ES value was 96—166 mm and water productivity was 1.67—1.98 kg/(ha·m3)under FI condition.The average yield of winter wheat was 1 927—6 260 kg/ha,ET value was 209—370 mm,EP was 66—244 mm,ES was 120—195 mm,and water productivity was 0.79—2.17 kg/(ha·m3)under NI condition.The increased yield by irrigation was 1 594—6 698 kg/ha in 15 ecological points,which was overall higher in north and middle region of Henan province,while lower in the south region.The average value of water demand was 395—452 mm in 15 ecological points,the water demand were relatively lower in middleeast and south region of Henan provine.The average value of water shortage was 76—282 mm,the water shortage for winter wheat was overall more in the north region of Henan province，while fewer in the south region.The above research results could provide reference for the development of quantitative management measures of winter wheat in Henan province.

Henan province; winter wheat; DSSAT model; water demand; spatial-temporal distribution

2016-09-20

河南省科技攻关项目(152102110134)；河南省重大科技专项(121100110900)；河南省重点科技攻关计划项目(162102210378)；河南省超级产粮大省奖励资金扶持粮油良种培育项目(推广类)(ycm201513126)

陈丹丹(1987-)，女，河南尉氏人，助理研究员，硕士，主要从事作物模型模拟研究。E-mail：1095279667@qq.com李国强为共同第一作者。

*通讯作者：郑国清(1964-)，男，河南淅川人，研究员，博士，主要从事精准农业与作物系统模拟研究。 E-mail：zgqzx@hnagri.org.cn

S512.1；S126

A

1004-3268(2017)02-0153-08