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華北平原在限水和咸水灌溉及噴灌情景下作物水分生產力的模擬與深層地下水壓采量的估算 版權信息
- ISBN：9787030702678
- 條形碼：9787030702678 ; 978-7-03-070267-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
華北平原在限水和咸水灌溉及噴灌情景下作物水分生產力的模擬與深層地下水壓采量的估算 本書特色
適讀人群 ：水利和農業等學科相關領域的科技工作者和研究生及有關管理部門的人員本書可供水利和農業等學科相關領域的科技工作者和研究生及有關管理部門的人員參考。
華北平原在限水和咸水灌溉及噴灌情景下作物水分生產力的模擬與深層地下水壓采量的估算 內容簡介
本書是一部以分布式的方式運用土壤-水-大氣-植物與世界食物研究（SoilWaterAtmospherePlant-WOrldFOodSTudy，SWAP-WOFOST）模型對華北平原的河北省黑龍港地區在冬小麥-夏玉米一年兩熟制下開展農業水文模擬研究的學術專著。作者針對多年來該區域井灌超采深層地下水所面臨的水安全危機，就冬小麥生育期在限水灌溉和咸水灌溉及噴灌這三種情景下作物水分生產力的時空變化進行模擬，并分別估算各模擬情景中優化的灌溉模式對深層地下水的壓采量。這是一項結合國家水糧安全與可持續發展戰略、以當前實際應用需求中的科學問題為導向的模擬研究，書中的研究結果可為該區域目前開展的與“華北地區地下水超采綜合治理行動方案”相關的管理決策工作提供定量化的參考依據。
華北平原在限水和咸水灌溉及噴灌情景下作物水分生產力的模擬與深層地下水壓采量的估算 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 研究背景和意義 2
1.2 研究進展概述 6
1.2.1 研究區及其毗鄰地區冬小麥限水灌溉的田間試驗進展概述 6
1.2.2 研究區內冬小麥咸水灌溉的田間試驗進展概述 7
1.2.3 研究區及其毗鄰區域冬小麥噴灌的田間試驗進展概述 10
1.2.4 農業水文模型SWAP（或SWAP-WOFOST）在國內外的應用研究進展概述 11
1.3 研究目標和研究內容與技術路線 18
1.3.1 研究目標 18
1.3.2 研究內容與技術路線 19
第2章 材料與方法 25
2.1 研究區概況 26
2.1.1 行政區劃和所選擇的試驗站 26
2.1.2 氣候與氣象 27
2.1.3 土壤 27
2.1.4 地形地貌 31
2.1.5 土地利用 31
2.1.6 種植制度與種植結構 33
2.1.7 用水結構和噴灌概況 34
2.2 SWAP-WOFOST模型的簡介 38
2.2.1 土壤水分運動 38
2.2.2 土壤鹽分運移 38
2.2.3 降水截留和蒸散 39
2.2.4 作物生長 42
2.2.5 灌溉 44
2.2.6 下邊界條件 46
2.3 參數敏感性分析與率定及驗證 46
2.3.1 參數敏感性分析的方法 46
2.3.2 參數敏感性分析的步驟 47
2.3.3 站點尺度參數率定與驗證及區域尺度模型驗證的步驟 56
2.3.4 率定方法 58
2.3.5 模擬精度的評價指標 59
2.4 SWAP-WOFOST模型中分布式模擬單元的構建與模擬時段的選擇 59
2.4.1 氣象數據及其分區 60
2.4.2 土壤水力參數及其分區 60
2.4.3 土壤鹽分運移參數及其分區 61
2.4.4 土壤剖面初始鹽分及其分區 61
2.4.5 作物參數及其分區 61
2.4.6 作物的播種和收獲時間及其分區 62
2.4.7 灌溉制度及其分區 62
2.4.8 模擬剖面下邊界和土壤初始含水量及其分區 63
2.4.9 淺層地下水礦化度及其分區 64
2.4.10 耕地與非耕地的分區 65
2.4.11 水資源的分區 65
2.4.12 縣（市）域的分區 65
2.4.13 模擬時段的選擇 66
2.5 限水灌溉情景的設置和模擬分析及評估 69
2.5.1 冬小麥限水灌溉模擬情景的設置 69
2.5.2 冬小麥灌水時間的推薦原則 71
2.5.3 冬小麥灌溉模式的優化 72
2.5.4 農田節水量及深層地下水壓采量的估算思路 73
2.6 咸水灌溉情景的設置和模擬分析及評估 76
2.6.1 冬小麥咸水灌溉模擬情景的設置 76
2.6.2 適宜的咸水灌溉模式的求解 77
2.6.3 適宜的咸水灌溉模式與咸水資源匹配性的評估及深層地下水壓采量的估算 79
2.7 噴灌情景的設置和模擬分析及評估 80
2.7.1 冬小麥噴灌模擬情景的設置 80
2.7.2 農民凈收益變化的估算思路 82
2.7.3 在冬小麥生育期3種灌溉定額下灌溉方式的選擇 84
2.7.4 冬小麥噴灌模式的優化與評估及深層地下水壓采量的估算 86
第3章 參數敏感性分析與率定及驗證的結果 89
3.1 參數的敏感性 90
3.1.1 土壤水分運動與鹽分運移模塊的參數 90
3.1.2 作物（冬小麥）生長模塊的參數 92
3.1.3 作物（夏玉米）生長模塊的參數 93
3.2 試驗站點尺度的參數率定與驗證 96
3.2.1 土壤水力參數 96
3.2.2 土壤鹽分運移參數 96
3.2.3 冬小麥參數 96
3.2.4 夏玉米參數 98
3.3 區域尺度的模型驗證 105
3.3.1 作物產量 105
3.3.2 農田蒸散量 107
3.3.3 作物水分生產力 108
3.4 小結 109
第4章 限水灌溉情景的模擬分析與評估的結果 111
4.1 限水灌溉情景模擬結果的分析 112
4.1.1 作物產量 112
4.1.2 作物生育期農田蒸散量 118
4.1.3 作物水分生產力 120
4.1.4 水量平衡 125
4.2 灌水時間推薦結果的分析 129
4.2.1 灌水3次 129
4.2.2 灌水2次 131
4.2.3 灌水1次 132
4.3 基于模擬結果優化的灌溉模式 135
4.4 優化的灌溉模式下的農田節水量及深層地下水壓采量 144
4.5 小結 149
第5章 咸水灌溉情景的模擬分析與評估的結果 153
5.1 咸水灌溉情景模擬結果的分析 154
5.1.1 作物產量 154
5.1.2 作物生育期農田蒸散量 158
5.1.3 作物水分生產力 161
5.1.4 水量平衡 164
5.1.5 鹽分的平衡和分布及淋洗 166
5.2 適宜的咸水灌溉模式 181
5.3 適宜的咸水灌溉模式與咸水資源的匹配性及對深層地下水的壓采量 183
5.4 小結 185
第6章 噴灌情景的模擬分析與評估的結果 187
6.1 噴灌情景模擬結果的分析 188
6.1.1 作物產量 188
6.1.2 作物生育期農田蒸散量 193
6.1.3 作物水分生產力 197
6.1.4 水量平衡 199
6.1.5 農民凈收益的變化 203
6.2 選出的灌溉方式 207
6.3 優化的噴灌模式及其對深層地下水的壓采量 213
6.4 小結 218
第7章 結論與討論 221
7.1 主要結論 222
7.2 討論 227
7.2.1 研究工作的特色 227
7.2.2 研究工作的局限性 232
參考文獻 234
附錄 249
致謝 320
圖目錄
圖1.1 在研究區應用SWAP-WOFOST 模型開展參數的敏感性分析和率定及模型驗證的技術路線圖 20
圖1.2 在研究區應用SWAP-WOFOST 模型開展限水灌溉情景的模擬分析與評估的技術路線圖 21
圖1.3 在研究區應用SWAP-WOFOST 模型開展咸水灌溉情景的模擬分析與評估的技術路線圖 23
圖1.4 在研究區應用SWAP-WOFOST 模型開展噴灌情景的模擬分析與評估的技術路線圖 24
圖2.1 研究區的地理位置圖（a）及其所包含的53個縣（市）和6個試驗站在空間上的分布（b） 26
圖2.2 研究區中各氣象分區內冬小麥（a）和夏玉米（b）在生育期的降水量與降水超過概率 28
圖2.3 研究區及其毗鄰地區的國家基本氣象站在模擬時段內（1993～2012年）的降水量和參考作物蒸散量的月動態 28
圖2.4 研究區內0～10 cm（a）、10～20 cm（b）、20～30 cm（c）、30～70 cm（d）和大于70 cm（e）土層的質地三角圖 29
圖2.5 研究區內5層土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30cm、30～70 cm和大于70 cm）中12種質地的每種質地在各層的分布面積占研究區面積的比例 30
圖2.6 研究區內5層土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30cm、30～70 cm和大于70 cm）中各層的體積密度在不同范圍內的分布面積占研究區面積的比例 30
圖2.7 研究區內0～200 cm土壤的有效水容量的空間分布（a）和5層土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～70cm和大于70 cm）中各層的田間持水量與萎蔫系數在不同范圍內的分布面積占研究區面積的比例（b） 30
圖2.8 研究區內數字高程（a）和地貌類型（b）的空間分布 31
圖2.9 研究區在1990年（a）、1995年（b）、2000年（c）、2005年（d）和2010年（e）的土地利用類型圖 32
圖2.10 研究區內在1995年（a）、2000年（b）、2005年（c）和2010年（d）主要農作物的播種面積占農作物總播種面積的比例 34
圖2.11 1995～2012年研究區內主要糧食作物的播種面積占糧食作物總播種面積的比例 34
圖2.12 1999年研究區內各縣（市）及其所屬地區中農業、生活和工業的用水量占總用水量的比例 35
圖2.13 1999年研究區內各縣（市）及其所屬地區的總用水量中來源于地表水和地下水的比例 36
圖2.14 京津以南河北平原深層地下水一般超采區和嚴重超采區的空間范圍 37
圖2.15 研究區內分布式模擬單元構建的框架圖 67
圖2.16 研究區內各縣（市）1999年農業用水量中地表水、淺層地下水和深層地下水所占比例的估算思路 74
圖2.17 估算的1999年研究區各縣（市）農業灌溉用水量中地表水、淺層地下水和深層地下水所占比例 75
圖2.18 在研究區內設置的咸水灌溉模擬情景 77
圖2.19 設置的研究區在冬小麥生育期內的固定的噴灌情景（a）和預設的噴灌情景（b） 82
圖3.1 在6個試驗站土壤水分運動-鹽分運移模塊參數的一階敏感性（a）和全局敏感性（b）的指數及其排序 91
圖3.2 在6個試驗站冬小麥參數的一階敏感性（a）和全局敏感性（b）的指數及其排序 93
圖3.3 在6個試驗站夏玉米參數的一階敏感性（a）和全局敏感性（b）的指數及其排序 95
圖3.4 6個試驗站在參數率定階段土壤含水量（a）、土壤鹽分濃度（b）、冬小麥的葉面積指數（c）、冬小麥的地上部生物量（d）、冬小麥產量（e）、夏玉米的葉面積指數（f）、夏玉米的地上部生物量（g）和夏玉米產量（h）的模擬值與實測值對比 99
圖3.5 6個試驗站在參數驗證階段土壤含水量（a）、土壤鹽分濃度（b）、冬小麥的葉面積指數（c）、冬小麥的地上部生物量（d）、冬小麥產量（e）、夏玉米的葉面積指數（f）、夏玉米的地上部生物量（g）和夏玉米產量（h）的模擬值與實測值對比 100
圖3.6 研究區內各縣（市）（a）冬小麥（b）和夏玉米（c）的多年平均產量之模擬計算值與年鑒統計值的對比 106
圖3.7 2002～2008年研究區內農田蒸散量的模擬計算值與遙感反演值的對比 108
圖3.8 1993～2012年研究區內在冬小麥和夏玉米的生育期農田蒸散量的動態 108
圖3.9 1993～2012年研究區內冬小麥和夏玉米的WP的動態 109
圖4.1 11種限水灌溉情景下冬小麥產量及其與現狀灌溉情形相比的減少幅度在縣（市）域尺度的空間分布（a）和在研究區尺度的年際變化（b） 116
圖4.2 11種限水灌溉情景下夏玉米產量及其與現狀灌溉情形相比的減少幅度在縣（市）域尺度的空間分布（a）和在研究區尺度的年際變化（b） 117
圖4.3 11種限水灌溉情景下冬小麥生育期農田蒸散量及其與現狀灌溉情形相比的減少幅度在縣（市）域尺度的空間分布（a）和在研究區尺度的年際變化（b） 119
圖4.4 11種限水灌溉情景下夏玉米生育期農田蒸散量及其與現狀灌溉情形相比的減少幅度在縣（市）域尺度的空間分布（a）和在研究區尺度的年際變化（b） 121
圖4.5 11種限水灌溉情景下冬小麥的WP及其與現狀灌溉情形相比的減少幅度在縣（市）域尺度的空間分布（a）和在研究區
第1章 緒論 1
1.1 研究背景和意義 2
1.2 研究進展概述 6
1.2.1 研究區及其毗鄰地區冬小麥限水灌溉的田間試驗進展概述 6
1.2.2 研究區內冬小麥咸水灌溉的田間試驗進展概述 7
1.2.3 研究區及其毗鄰區域冬小麥噴灌的田間試驗進展概述 10
1.2.4 農業水文模型SWAP（或SWAP-WOFOST）在國內外的應用研究進展概述 11
1.3 研究目標和研究內容與技術路線 18
1.3.1 研究目標 18
1.3.2 研究內容與技術路線 19
第2章 材料與方法 25
2.1 研究區概況 26
2.1.1 行政區劃和所選擇的試驗站 26
2.1.2 氣候與氣象 27
2.1.3 土壤 27
2.1.4 地形地貌 31
2.1.5 土地利用 31
2.1.6 種植制度與種植結構 33
2.1.7 用水結構和噴灌概況 34
2.2 SWAP-WOFOST模型的簡介 38
2.2.1 土壤水分運動 38
2.2.2 土壤鹽分運移 38
2.2.3 降水截留和蒸散 39
2.2.4 作物生長 42
2.2.5 灌溉 44
2.2.6 下邊界條件 46
2.3 參數敏感性分析與率定及驗證 46
2.3.1 參數敏感性分析的方法 46
2.3.2 參數敏感性分析的步驟 47
2.3.3 站點尺度參數率定與驗證及區域尺度模型驗證的步驟 56
2.3.4 率定方法 58
2.3.5 模擬精度的評價指標 59
2.4 SWAP-WOFOST模型中分布式模擬單元的構建與模擬時段的選擇 59
2.4.1 氣象數據及其分區 60
2.4.2 土壤水力參數及其分區 60
2.4.3 土壤鹽分運移參數及其分區 61
2.4.4 土壤剖面初始鹽分及其分區 61
2.4.5 作物參數及其分區 61
2.4.6 作物的播種和收獲時間及其分區 62
2.4.7 灌溉制度及其分區 62
2.4.8 模擬剖面下邊界和土壤初始含水量及其分區 63
2.4.9 淺層地下水礦化度及其分區 64
2.4.10 耕地與非耕地的分區 65
2.4.11 水資源的分區 65
2.4.12 縣（市）域的分區 65
2.4.13 模擬時段的選擇 66
2.5 限水灌溉情景的設置和模擬分析及評估 69
2.5.1 冬小麥限水灌溉模擬情景的設置 69
2.5.2 冬小麥灌水時間的推薦原則 71
2.5.3 冬小麥灌溉模式的優化 72
2.5.4 農田節水量及深層地下水壓采量的估算思路 73
2.6 咸水灌溉情景的設置和模擬分析及評估 76
2.6.1 冬小麥咸水灌溉模擬情景的設置 76
2.6.2 適宜的咸水灌溉模式的求解 77
2.6.3 適宜的咸水灌溉模式與咸水資源匹配性的評估及深層地下水壓采量的估算 79
2.7 噴灌情景的設置和模擬分析及評估 80
2.7.1 冬小麥噴灌模擬情景的設置 80
2.7.2 農民凈收益變化的估算思路 82
2.7.3 在冬小麥生育期3種灌溉定額下灌溉方式的選擇 84
2.7.4 冬小麥噴灌模式的優化與評估及深層地下水壓采量的估算 86
第3章 參數敏感性分析與率定及驗證的結果 89
3.1 參數的敏感性 90
3.1.1 土壤水分運動與鹽分運移模塊的參數 90
3.1.2 作物（冬小麥）生長模塊的參數 92
3.1.3 作物（夏玉米）生長模塊的參數 93
3.2 試驗站點尺度的參數率定與驗證 96
3.2.1 土壤水力參數 96
3.2.2 土壤鹽分運移參數 96
3.2.3 冬小麥參數 96
3.2.4 夏玉米參數 98
3.3 區域尺度的模型驗證 105
3.3.1 作物產量 105
3.3.2 農田蒸散量 107
3.3.3 作物水分生產力 108
3.4 小結 109
第4章 限水灌溉情景的模擬分析與評估的結果 111
4.1 限水灌溉情景模擬結果的分析 112
4.1.1 作物產量 112
4.1.2 作物生育期農田蒸散量 118
4.1.3 作物水分生產力 120
4.1.4 水量平衡 125
4.2 灌水時間推薦結果的分析 129
4.2.1 灌水3次 129
4.2.2 灌水2次 131
4.2.3 灌水1次 132
4.3 基于模擬結果優化的灌溉模式 135
4.4 優化的灌溉模式下的農田節水量及深層地下水壓采量 144
4.5 小結 149
第5章 咸水灌溉情景的模擬分析與評估的結果 153
5.1 咸水灌溉情景模擬結果的分析 154
5.1.1 作物產量 154
5.1.2 作物生育期農田蒸散量 158
5.1.3 作物水分生產力 161
5.1.4 水量平衡 164
5.1.5 鹽分的平衡和分布及淋洗 166
5.2 適宜的咸水灌溉模式 181
5.3 適宜的咸水灌溉模式與咸水資源的匹配性及對深層地下水的壓采量 183
5.4 小結 185
第6章 噴灌情景的模擬分析與評估的結果 187
6.1 噴灌情景模擬結果的分析 188
6.1.1 作物產量 188
6.1.2 作物生育期農田蒸散量 193
6.1.3 作物水分生產力 197
6.1.4 水量平衡 199
6.1.5 農民凈收益的變化 203
6.2 選出的灌溉方式 207
6.3 優化的噴灌模式及其對深層地下水的壓采量 213
6.4 小結 218
第7章 結論與討論 221
7.1 主要結論 222
7.2 討論 227
7.2.1 研究工作的特色 227
7.2.2 研究工作的局限性 232
參考文獻 234
附錄 249
致謝 320
圖目錄
圖1.1 在研究區應用SWAP-WOFOST 模型開展參數的敏感性分析和率定及模型驗證的技術路線圖 20
圖1.2 在研究區應用SWAP-WOFOST 模型開展限水灌溉情景的模擬分析與評估的技術路線圖 21
圖1.3 在研究區應用SWAP-WOFOST 模型開展咸水灌溉情景的模擬分析與評估的技術路線圖 23
圖1.4 在研究區應用SWAP-WOFOST 模型開展噴灌情景的模擬分析與評估的技術路線圖 24
圖2.1 研究區的地理位置圖（a）及其所包含的53個縣（市）和6個試驗站在空間上的分布（b） 26
圖2.2 研究區中各氣象分區內冬小麥（a）和夏玉米（b）在生育期的降水量與降水超過概率 28
圖2.3 研究區及其毗鄰地區的國家基本氣象站在模擬時段內（1993～2012年）的降水量和參考作物蒸散量的月動態 28
圖2.4 研究區內0～10 cm（a）、10～20 cm（b）、20～30 cm（c）、30～70 cm（d）和大于70 cm（e）土層的質地三角圖 29
圖2.5 研究區內5層土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30cm、30～70 cm和大于70 cm）中12種質地的每種質地在各層的分布面積占研究區面積的比例 30
圖2.6 研究區內5層土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30cm、30～70 cm和大于70 cm）中各層的體積密度在不同范圍內的分布面積占研究區面積的比例 30
圖2.7 研究區內0～200 cm土壤的有效水容量的空間分布（a）和5層土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～70cm和大于70 cm）中各層的田間持水量與萎蔫系數在不同范圍內的分布面積占研究區面積的比例（b） 30
圖2.8 研究區內數字高程（a）和地貌類型（b）的空間分布 31
圖2.9 研究區在1990年（a）、1995年（b）、2000年（c）、2005年（d）和2010年（e）的土地利用類型圖 32
圖2.10 研究區內在1995年（a）、2000年（b）、2005年（c）和2010年（d）主要農作物的播種面積占農作物總播種面積的比例 34
圖2.11 1995～2012年研究區內主要糧食作物的播種面積占糧食作物總播種面積的比例 34
圖2.12 1999年研究區內各縣（市）及其所屬地區中農業、生活和工業的用水量占總用水量的比例 35
圖2.13 1999年研究區內各縣（市）及其所屬地區的總用水量中來源于地表水和地下水的比例 36
圖2.14 京津以南河北平原深層地下水一般超采區和嚴重超采區的空間范圍 37
圖2.15 研究區內分布式模擬單元構建的框架圖 67
圖2.16 研究區內各縣（市）1999年農業用水量中地表水、淺層地下水和深層地下水所占比例的估算思路 74
圖2.17 估算的1999年研究區各縣（市）農業灌溉用水量中地表水、淺層地下水和深層地下水所占比例 75
圖2.18 在研究區內設置的咸水灌溉模擬情景 77
圖2.19 設置的研究區在冬小麥生育期內的固定的噴灌情景（a）和預設的噴灌情景（b） 82
圖3.1 在6個試驗站土壤水分運動-鹽分運移模塊參數的一階敏感性（a）和全局敏感性（b）的指數及其排序 91
圖3.2 在6個試驗站冬小麥參數的一階敏感性（a）和全局敏感性（b）的指數及其排序 93
圖3.3 在6個試驗站夏玉米參數的一階敏感性（a）和全局敏感性（b）的指數及其排序 95
圖3.4 6個試驗站在參數率定階段土壤含水量（a）、土壤鹽分濃度（b）、冬小麥的葉面積指數（c）、冬小麥的地上部生物量（d）、冬小麥產量（e）、夏玉米的葉面積指數（f）、夏玉米的地上部生物量（g）和夏玉米產量（h）的模擬值與實測值對比 99
圖3.5 6個試驗站在參數驗證階段土壤含水量（a）、土壤鹽分濃度（b）、冬小麥的葉面積指數（c）、冬小麥的地上部生物量（d）、冬小麥產量（e）、夏玉米的葉面積指數（f）、夏玉米的地上部生物量（g）和夏玉米產量（h）的模擬值與實測值對比 100
圖3.6 研究區內各縣（市）（a）冬小麥（b）和夏玉米（c）的多年平均產量之模擬計算值與年鑒統計值的對比 106
圖3.7 2002～2008年研究區內農田蒸散量的模擬計算值與遙感反演值的對比 108
圖3.8 1993～2012年研究區內在冬小麥和夏玉米的生育期農田蒸散量的動態 108
圖3.9 1993～2012年研究區內冬小麥和夏玉米的WP的動態 109
圖4.1 11種限水灌溉情景下冬小麥產量及其與現狀灌溉情形相比的減少幅度在縣（市）域尺度的空間分布（a）和在研究區尺度的年際變化（b） 116
圖4.2 11種限水灌溉情景下夏玉米產量及其與現狀灌溉情形相比的減少幅度在縣（市）域尺度的空間分布（a）和在研究區尺度的年際變化（b） 117
圖4.3 11種限水灌溉情景下冬小麥生育期農田蒸散量及其與現狀灌溉情形相比的減少幅度在縣（市）域尺度的空間分布（a）和在研究區尺度的年際變化（b） 119
圖4.4 11種限水灌溉情景下夏玉米生育期農田蒸散量及其與現狀灌溉情形相比的減少幅度在縣（市）域尺度的空間分布（a）和在研究區尺度的年際變化（b） 121
圖4.5 11種限水灌溉情景下冬小麥的WP及其與現狀灌溉情形相比的減少幅度在縣（市）域尺度的空間分布（a）和在研究區
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華北平原在限水和咸水灌溉及噴灌情景下作物水分生產力的模擬與深層地下水壓采量的估算 節選
第1章 緒論 1.1 研究背景和意義 華北平原是我國主要的糧食產區之一（劉昌明和魏忠義，1989；胡毓騏和李英能，1995；Liu et al.，2001；Zhang et al.，2013；Jeong et al.，2014），冬小麥-夏玉米一年兩熟制是該區域*主要的種植模式（劉昌明和魏忠義，1989；中華人民共和國國家統計局，1990～2017；胡毓騏和李英能，1995；Liu et al.，2001；劉巽浩和陳阜，2005；Zhang et al.，2013；全國農業技術推廣服務中心，2015），多年（1990～2012年）平均的小麥和玉米總產分別約占我國的53%和31%①（中華人民共和國國家統計局，1990～2017）。此外，為了保障國家糧食安全，華北平原還被確定為《全國新增1000億斤糧食生產能力規劃（2009～2020年）》的增產核心區（中華人民共和國中央人民政府，2009）。華北平原的河北省黑龍港地區1995～2012年平均的小麥和玉米的總產分別占河北省這兩種作物總產的46%和47%（引自：河北省人民政府辦公廳和河北省統計局，1995～2017）。然而，水資源緊缺是制約該區域糧食生產的*重要因素（劉昌明和魏忠義，1989；靳孟貴和方連育，2006；方生和陳秀玲，2008；Liu J. et al.，2011）。由于作為主要糧食作物的冬小麥在其生育期內的降水量與需水量高度不匹配，多年平均缺水300 mm以上（中國主要農作物需水量等值線圖協作組，1993；Zhang et al.，2004），所以冬小麥主要依靠灌溉來滿足其生長發育對水分的需求（Liu et al.，2001；Qiu，2010；Zhang et al.，2004）。地下水雖然作為灌溉農業的重要水源，在保障全球糧食生產中起著重要的作用（Giordano，2009；Siebert et al.，2010；Wada et al.，2012；D.ll et al.，2012）。然而，由于過量開采地下水用于農業灌溉，我國的華北平原已經成為全球范圍內地下水位下降情勢極其嚴重的區域之一（Alley et al.，2002；Giordano，2009；Zheng et al.，2010；Liu J. et al.，2011；Cao et al.，2013；Dalin et al.，2017；Rodell et al.，2018）。 與淺層地下水相比，深層地下水具有補給量少和更新緩慢的特點（Alley et al.，2002；張人權，2003；張蔚榛，2003；鄭連生，2009；Shi et al.，2011；Russo and Lall，2017）。盡管如此，隨著人口和灌溉面積的不斷增加，在中國（Foster et al.，2004）、美國（Scanlon et al.，2012；Kang and Jackson，2016；Russo and Lall，2017）、印度（Reshmidevi and Kumar，2014）、伊朗（Mahmoudi et al.，2017）和突尼斯（Alaya et al.，2014）等國家都存在著不同程度地開采深層地下水用于灌溉的情形。位于華北平原中東部的河北省黑龍港地區是我國嚴重缺水的地區之一（參閱：中華人民共和國國家統計局，1990～2017；河北省人民政府辦公廳和河北省統計局，1995～2017），由于地表水資源匱乏且淺層廣泛分布的又是微咸水或咸水（陳望和，1999；張宗祜和李烈榮，2005；張兆吉等，2009；張兆吉和費宇紅，2009），所以幾十年來農田的井灌也不得不在一定程度上依賴于開采深層地下水（Foster et al.，2004；Shi et al.，2011；Huang et al.，2015），這不僅使得黑龍港地區這個華北平原重要的糧食產區的農業可持續發展受到了嚴重挑戰，而且使得該區域所出現的大面積深層地下水位下降、深層地下水降落漏斗發展、地面沉降、水質惡化等一系列嚴重的地下水安全與環境地質問題愈加突出（陳望和，1999；張宗祜和李烈榮，2005；張兆吉等，2009；Zheng et al.，2010；Shi et al.，2011）。 灌溉消耗全球約90%的淡水（Scanlon et al.，2007；Siebert et al.，2010），世界上的許多地區用于灌溉的優質水的供應正在持續減少（D.ll and Siebert，2002；Strzepek and Boehlert，2010；Rodell et al.，2018），將“邊緣水”（例如，微咸水和咸水等）用于灌溉有望在一定程度上緩解糧食生產對水資源需求的壓力（Letey et al.，2011；Skaggs et al.，2014；Assouline et al.，2015）。事實上，在印度、埃及、美國、中國、以色列、意大利、摩洛哥、突尼斯等國家已經有較長的咸水灌溉歷史（Minhas，1996；Ashour et al.，1997；Mehta et al.，2000；Fang and Chen，2007；Kan and Rapaport-Rom，2012； Leogrande et al.，2016；El Oumlouki et al.，2018；Louati et al.，2018），而且在未來利用咸水補充有限的淡水資源用于灌溉將越來越普遍（Kan and Rapaport-Rom，2012； Chowdhury et al.，2018）。我國華北平原的黑龍港地區就是一個淡水資源特別是深層地下水資源情勢堪憂但淺層廣泛分布的微咸水和咸水資源（Fang and Chen，2007；張兆吉等，2009；Zhou Z. M. et al.，2012；Huang et al.，2015）尚有一定的開發利用潛力（陳望和，1999；張宗祜和李烈榮，2005；張兆吉等，2009）的區域。 面對嚴峻的地下水安全危機，為了緩解深層地下水超采情勢的繼續惡化，在過去的幾年里，我國針對華北平原的井灌超采區陸續出臺了一系列關于限制深層地下水開采的政策文件（河北省人民政府，2014；中華人民共和國中央人民政府，2015，2017；中華人民共和國水利部，2017；中華人民共和國水利部等，2019）。然而，限采井灌所用深層地下水就勢必會影響黑龍港地區的糧食生產特別是冬小麥的生產。鑒于黑龍港地區在我國華北平原特別是河北省冬小麥生產中的重要地位和該區域深層地下水早已被超采的嚴重態勢，聚焦這類“水糧權衡”問題開展農業水文模擬研究，不僅對我國的華北平原而且對世界上那些存在或未來有可能發生類似的深層地下水安全危機的糧食生產地區都具有一定的參考意義。此外，我們注意到，為了應對令人堪憂的深層地下水超采情勢且在一定程度上保障糧食生產，我國政府的相關管理部門已經提出在該區域重點推廣利用微咸水進行灌溉（中華人民共和國水利部，2017；中華人民共和國水利部等，2019）。然而，長時段的咸水灌溉可能造成的作物減產和土壤積鹽會影響在區域尺度上實施咸水灌溉的可持續性，咸水資源的空間異質性也會影響在區域尺度上實施咸水灌溉的適用性。此外，氣象、土壤、作物和灌溉等因素的差異也必然要求實施咸水灌溉應遵循因地因時的原則。總之，在區域尺度上開展咸水灌溉方案的模擬與評估不僅具有重要的現實意義而且也具有一定的挑戰性。 有關文獻（中國灌溉排水發展中心，2006；Abd El-Wahed and Ali，2013；Biswas，2015；Li，2018；Wang et al.，2020）表明：噴灌作為一種現代化的灌溉方式，具有可節約灌溉用水和勞動力、提高土地利用效率和作物產量以及有利于實現農業機械化等優點。目前噴灌技術已在美國、俄羅斯、沙特阿拉伯、印度、葡萄牙、西班牙、日本和中國（中國灌溉排水發展中心，2014；Biswas，2015；Galioto et al.，2020）等國家得到了一定程度的應用。噴灌的作物已涉及蔬菜、果樹、花卉、苜蓿、小麥、玉米、棉花等（Cetin and Bilgel，2002；中國灌溉排水發展中心，2014；Biswas，2015；Lecina et al.，2016；Wang et al.，2019；Yan et al.，2020）。我們已注意到，我國政府的有關管理部門為了應對黑龍港地區令人堪憂的地下水超采情勢，已經提出了在該區域限制深層地下水的開采，并建議大力發展噴灌等節水灌溉措施（中華人民共和國生態環境部，2018；中華人民共和國水利部等，2019）。然而，在華北平原的黑龍港地區實施農田節水灌溉時，什么樣的水土條件下適合選用噴灌這種灌溉方式？若選用噴灌，如何因地制宜地根據氣象、土壤、作物、水資源和田間管理水平等因素選擇噴灌模式（Abd El-Wahed and Ali，2013；Yan et al.，2020；Galioto et al.，2020）?這些問題的定量化研究對于是否選擇和推廣噴灌這種灌溉技術是至關重要的。同樣，我們也注意到，或許是由于噴灌設備需要較高的初始投資費用和運行與維護的費用（Zou et al.，2013；Biswas，2015；Communal et al.，2016； Fang et al.，2018）以及噴灌技術的適用性和考慮規模經濟（Wang et al.，2020）等原因，目前在華北平原黑龍港地區的應用尚不普遍。 華北平原的降水、溫度、蒸發等氣象條件的時空分布不均（胡毓騏和李英能，1995；任憲韶等，2007；Wang et al.，2008），土壤類型①、土地利用類型②以及與氣候條件、土壤條件和管理水平相適應的作物品種與栽培技術（劉巽浩和牟正國，1993；王璞，2004）等也存在空間變異。因此，考慮氣象、土壤、土地利用、作物、灌溉等要素空間異質性而分布式地應用農業水文模型（Droogers et al.，2000；Singh，2005）就成為定量評估區域尺度農業水文循環過程與農業水管理策略的重要甚至唯一的科學分析手段。華北平原的黑龍港地區多年來已經積累了大量的氣象、土地利用、土壤、作物栽培和農田灌溉等方面的觀測數據以及豐富的水文地質勘查資料與地下水資源評價結果，若能將這些與土壤-植物-大氣連續體（Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC）及地下水有關的信息進行充分地數據挖掘與融合，將為華北平原的黑龍港地區在區域尺度上開展精細的農業水文模擬研究提供模型構建和參數率定及模型驗證的科學支撐。 基于我們多年來針對華北平原所積累的多源多尺度的相關資料與數據，本研究選擇起源于荷蘭的土壤-水-大氣-植物（Soil-Water-Atmosphere-Plant，SWAP）模型開展農業水文模擬。SWAP模型是基于水文、化學、生物學過程的確定性農業水文模型（Singh et al.，2006c），它可以詳細地模擬一維土體的水分運動、溶質運移和熱量傳輸過程及作物生長（Kroes et al.，2009），尤其是其內嵌的詳細作物模塊是基于世界食物研究（WOrld FOod STudy，WOFOST）模型，可以細致地模擬光合作用和作物生長發育，并將土壤的水分或鹽分狀況反饋到作物生長過程中（Boogaard et al.，1998； Singh et al.，2006c；Kroes et al.，2009）。值得注意的是，SWAP或 SWAP-WOFOST模型通過與地理信息系統（Geographic Information System，GIS）相結合并以分布式的方式進行模擬，已經成為定量研究區域尺度農業水文循環與水資源管理問題的重要科學工具（Droogers et al.，2000；Singh et al.，2006a，2006b；Noory et al.，2011；Xue and Ren，2017a）。我們知道，模型模擬與評估結果的可靠性在相當程度上依賴于模型
華北平原在限水和咸水灌溉及噴灌情景下作物水分生產力的模擬與深層地下水壓采量的估算 作者簡介
任理，1959年6月生于北京，工學博士，中國農業大學資源與環境學院土壤和水科學系教授，博士生導師。曾受聘：中國科學院地理科學與資源研究所客座研究員（2002—2005年）；中國科學院計算數學與科學工程計算研究所科學與工程計算國家重點實驗室客座研究員（2002—2004年）；中國科學院陸地水循環及地表過程重點實驗室水文水資源研究方向客座研究員（2004—2007年）。曾受邀擔任：中國土壤學會土壤物理專業委員會副主任；國家自然科學基金委員會地球科學部與中國地質調查局水文地質環境地質部“中國地下水科學戰略研究小組”成員。現受邀擔任：中國水利學會水資源專業委員會委員；中國地質學會環境地質專業委員會委員；中國地質學會水文地質專業委員會委員；中國自然資源學會水資源專業委員會委員。目前受聘兼任：南方科技大學環境科學與工程學院訪問教授；中國科學院農業水資源重點實驗室客座研究員。多年擔任《水利學報》和《水文地質工程地質》編委。研究領域：土壤物理學、農業水文學。近年來的主要研究方向：農業水土資源環境可持續利用的模擬與評估。為本科生和研究生講授的課程有：地下水流數值模擬、土壤水動力學、土壤物理、土壤溶質運移。具體指導并獲得學位的碩士生29名、博士生17名。此外，獨立指導已于2006年出站的印度博士后1名。曾獲：中國農業大學本科教學很好獎勵（1998年）；中國農業大學很好碩士論文指導教師（2002年）；中國農業大學很好博士論文指導教師（2004年和2006年）。所指導的博士學位論文曾入選“全國很好博士學位論文提名論文”（2008年）。在國內外學術期刊上發表論文近100篇，出版學術專著1部。
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