梁永輝 ，王振華 *，宋利兵 *，朱 艷 ，孟 玉 ，馬占利

（1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000）

0 引 言

【研究意義】玉米是中國主要糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物之一[1]，對(duì)新疆糧食組成具有不可替代的重要作用。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，水資源在我國的形勢(shì)日趨緊張，這對(duì)農(nóng)田灌溉水分利用效率提出了更高的要求，改善灌溉制度也成為加強(qiáng)灌溉管理的必然選擇[2]。新疆特殊地理位置和水資源分布特點(diǎn)形成了獨(dú)特的“灌溉農(nóng)業(yè)，荒漠綠洲”農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)格局，這也是新疆灌溉農(nóng)業(yè)必須走節(jié)水路線的決定性因素。因此，在水資源匱乏的新疆地區(qū)建立合理有效的灌溉制度，合理利用水資源極為重要[3]。

【研究進(jìn)展】作物模型可重現(xiàn)田間試驗(yàn)過程，可以有效避免傳統(tǒng)試驗(yàn)的各種弊端，隨著作物模型發(fā)展的日趨成熟，近年來針對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、水肥調(diào)控的作物模型在快速發(fā)展[4-5]。作物環(huán)境資源綜合系統(tǒng)CERES（Crop environment resource synthesis）是20世紀(jì)80年代由美國科學(xué)家建立的作物模型，是目前廣受科研人員歡迎的作物模型系統(tǒng)。CERES模型中最先開發(fā)的是CERES-Maize模型，它是國際上第一個(gè)以單一作物為對(duì)象的比較完整的作物模型[6]。目前，已有研究表明利用DSSAT-GLUE調(diào)參工具對(duì)CERES-Maize模型模擬結(jié)果的可靠程度較大[7]，CERES-Maize模型已經(jīng)被許多學(xué)者在世界上各個(gè)地區(qū)進(jìn)行了玉米最佳播種期、耗水特征、最佳種植管理方案、灌溉制度優(yōu)化等的模擬[8-12]，均取得了較好的成效，為不同地區(qū)的玉米種植提供了切實(shí)可行的理論依據(jù)。

【切入點(diǎn)】目前，新疆已全面推行膜下滴灌節(jié)水技術(shù)，但已有的膜下滴灌玉米的灌溉制度仍按照傳統(tǒng)試驗(yàn)擬定，傳統(tǒng)田間灌溉制度優(yōu)化耗時(shí)、耗力、耗財(cái)，且各種氣象年型下的灌溉制度難以考慮全面，試驗(yàn)易受各種因素干擾[13]，CERES-Maize模型可以綜合分析氣候變化下玉米灌溉制度的模擬優(yōu)化，且目前針對(duì)新疆膜下滴灌玉米灌溉制度優(yōu)化的模擬應(yīng)用實(shí)例較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究利用CERES-Maize模型模擬膜下滴灌玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量，評(píng)價(jià)模型在新疆膜下滴灌種植模式下的適用性。基于1979―2017年氣象數(shù)據(jù)，優(yōu)化不同年型下新疆滴灌玉米的灌溉制度，為新疆滴灌玉米的種植提供切實(shí)可行的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2020年5―10月在新疆兵團(tuán)現(xiàn)代節(jié)水灌溉重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)站開展，實(shí)驗(yàn)站位于石河子市西郊二連石河子大學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)（85°59?47?E，44°19?28?N，海拔412 m，平均坡度6%）。石河子市地處新疆北部，干旱少雨，屬典型的溫帶大陸性氣候，試驗(yàn)地?zé)o霜期170 d，大于10℃積溫為3463.5℃，大于15℃積溫為2960℃。多年平均降水量207 mm、蒸發(fā)量1660 mm、風(fēng)速1.5 m/s、日照時(shí)間2865h，生育期內(nèi)日均總輻射19.8 MJ/（m2·d）、日均相對(duì)濕度50%。圖1顯示了2020年玉米生育期的日最高氣溫、日最低氣溫和日均降水量。

圖1玉米生育期內(nèi)降水量及溫度Fig.1 Rainfall and temperature during maize growth period

1.2 CERES-Maize模型數(shù)據(jù)

1.2.1 土壤數(shù)據(jù)

CERES-Maize模型需要的土壤數(shù)據(jù)包括土壤機(jī)械組成，土壤理化性質(zhì)以及土壤初始含水率、養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)。在試驗(yàn)地采用20 cm分層取樣的方法，分別測(cè)土壤機(jī)械組成、土壤體積質(zhì)量、土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、田間持水率、飽和含水率、凋萎系數(shù)、有機(jī)質(zhì)量、土壤pH值等各種土壤理化性質(zhì)如表1所示。各指標(biāo)的分析方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[14]。

表1試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)Table1 Physical and chemical properties of soil in the experiment area

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)

模型模擬試驗(yàn)中選用Priestley and Taylor法計(jì)算作物蒸散量，該方法需要的氣象數(shù)據(jù)為日太陽總輻射、溫度、風(fēng)速、濕度、降水量等。最少的氣象數(shù)據(jù)輸入需要日太陽總輻射（MJ/（m2·d））、日最高溫度（℃）、日最低溫度（℃）、日降水量（mm）。氣象資料來源于石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站的自動(dòng)氣象站（TRM-ZS2型）。根據(jù)1979―2017年39個(gè)玉米生長(zhǎng)季建立氣象數(shù)據(jù)庫，將玉米生長(zhǎng)季的降水總量進(jìn)行整理，降雨保證率按式（1）計(jì)算：

式中：P為降水保證率；n為整個(gè)氣象數(shù)據(jù)庫的年份數(shù)，取39；m為降水總量從高到低的排序，1

利用Pearson-Ⅲ分布法劃分降雨年型，進(jìn)行典型年份的選取。分別選保證率25%和75%作為年型劃分界限，保證率在0～25%為豐水年、在25%～75%為平水年、在75%～100%為枯水年[15-16]。選取保證率在25%、50%、75%作為典型年型代表，分別對(duì)應(yīng)年份為，1983、1994、1982年，確定為1983年為典型豐水年，1994年為典型平水年，1982年為典型枯水年，其余各年降雨年型如圖2所示。

圖2 1979―2017年玉米生育期年降水分布Fig.2Annual rainfall distribution during maize growth period from 1979 to 2017

1.2.3田間管理

田間試驗(yàn)的玉米品種是‘新玉66’，于2020年5月4日進(jìn)行播種。試驗(yàn)區(qū)種植模式采用1膜2管4行的模式，膜寬1.45 m，灌水方式為膜下滴灌，滴灌帶選用的是新疆天業(yè)公司生產(chǎn)的單翼迷宮式滴灌帶，外徑16 mm，壁厚0.3 mm，滴頭間距為30 cm，毛管間距90 cm，窄行行距30 cm，寬行行距60 cm，行向?yàn)檎狈较?。播種方式為干種播種，株距20 cm，每平方米理論玉米植株數(shù)量為8株，播種深度4 cm。試驗(yàn)設(shè)置4種不同的灌水水平（W1：4 875 m3/hm2、W2：5 250 m3/hm2、W3：5 625 m3/hm2、W4：6 000 m3/hm2），全生育期灌水10次，灌溉制度結(jié)合肖俊夫等[17]和王風(fēng)姣[18]的試驗(yàn)以及當(dāng)?shù)剞r(nóng)民灌水經(jīng)驗(yàn)制定，灌溉制度如表2所示。

表2 灌溉制度Table 2 Irrigation schedule

1.2.4 模型模擬精度評(píng)價(jià)

模型的模擬精度采用相對(duì)誤差絕對(duì)值A(chǔ)RE（Absolute relative error）、歸一化均方根誤差NRMSE（Normalized root mean square error）和一致性指數(shù)d來評(píng)價(jià)，ARE的值越小表示模型模擬的精度越高，即模型模擬的效果越好，對(duì)于實(shí)際的分析指導(dǎo)更為準(zhǔn)確。表3顯示了NRMSE和d的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[19-20]。

表3 NRMSE和d評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 NRMSE and d evaluation criteria

1.2.5 模型模擬調(diào)參

CERES-Maize模型自帶調(diào)參估計(jì)工具最大似然不確定估計(jì)（GLUE，Generalized likelihood uncertainty estimation）可對(duì)作物的遺傳參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)率定，該工具是利用模擬值與實(shí)測(cè)值間的似然值結(jié)合貝葉斯公式，得到遺傳參數(shù)的后驗(yàn)分布，經(jīng)多次運(yùn)行（一般運(yùn)行20 000次以上）取最優(yōu)值（表4）。

1.2.6 玉米灌溉制度優(yōu)化

利用產(chǎn)量和水分利用效率（WUE）2個(gè)指標(biāo)對(duì)玉米灌溉制度進(jìn)行優(yōu)化，水分利用效率計(jì)算式為：

式中：Y為作物產(chǎn)量（kg/hm2）；ET為水分蒸發(fā)蒸騰量（mm），由模型輸出信息全生育期模擬總結(jié)模塊（Summary.OUT）得到。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型參數(shù)率定

2.1.1 模型調(diào)參驗(yàn)證

利用2020年田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇W2、W3處理下玉米株高、葉面積指數(shù)、干物質(zhì)量以及產(chǎn)量進(jìn)行參數(shù)率定，W1、W4處理相應(yīng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。參數(shù)率定結(jié)果如表5所示。

表5 玉米遺傳參數(shù)選擇Table 5 Selection of maize genetic parameters

對(duì)不同處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，結(jié)果見表6，模型對(duì)產(chǎn)量和最大干物質(zhì)量的模擬NRMSE在10%～20%之間，對(duì)應(yīng)一致性指數(shù)都大于0.8，模擬很好；對(duì)籽粒質(zhì)量的模擬NRMSE遠(yuǎn)小于10%，且一致性指數(shù)非常接近1，模擬非常好。從單個(gè)灌溉定額的處理考慮，在W1處理下的產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的ARE為26.84%，模擬一般；在其他處理下產(chǎn)量結(jié)果都小于10%，模擬非常好。籽粒質(zhì)量在每個(gè)處理下的ARE值都在0～10%范圍內(nèi)，模擬非常好。不同處理下最大干物質(zhì)量模擬ARE值在7.46%～21.80%的范圍中，模型對(duì)最大干物質(zhì)量的模擬良好。綜上，模型對(duì)各個(gè)觀測(cè)值的模擬效果良好，說明GLUE率定的遺傳參數(shù)能代表‘新玉66’的遺傳特性。

表6 不同灌溉定額處理下CERES-Maize模型的模擬和校準(zhǔn)驗(yàn)證結(jié)果Table 6 Simulation and calibration verification results of CERES-maize model under different irrigation quota treatments

2.1.2 玉米生長(zhǎng)指標(biāo)模擬與驗(yàn)證

利用2020年田間試驗(yàn)的玉米生長(zhǎng)指標(biāo)實(shí)測(cè)值與CERES-Maize模型模擬運(yùn)行的模擬值進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)其遺傳參數(shù)可靠性（圖3—圖4）。對(duì)模型模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析的結(jié)果顯示，不同處理之間的玉米葉面積指數(shù)的NRMSE在10%～20%的范圍內(nèi)，一致性指數(shù)都接近最大值1，模型模擬與驗(yàn)證結(jié)果整體上非常好。干物質(zhì)量對(duì)應(yīng)一致性指數(shù)在0.86～0.92的范圍內(nèi)，且NRMSE都在20%左右的范圍，故干物質(zhì)量模擬良好。模型模擬的株高在拔節(jié)期一周后高度不再變化，保持在1.6 m，而試驗(yàn)觀測(cè)的株高能達(dá)到2.5 m左右，存在嚴(yán)重低估現(xiàn)象。經(jīng)過分析模型代碼運(yùn)算過程發(fā)現(xiàn)，模型內(nèi)置參數(shù)設(shè)定玉米最大株高是1.6 m，而且株高是葉面積指數(shù)的函數(shù)，是通過葉面積指數(shù)計(jì)算得到的輸出量，不參與其他任何過程的計(jì)算，后期株高模擬低估不影響其他任何過程的模擬。

圖3 W2處理和W3處理下玉米葉面積指數(shù)、干物質(zhì)量、株高的模擬Fig.3 Simulation of leaf area index, dry matter weight and plant height of maize under W2 and W3 treatments

圖4 W1處理和W4處理下玉米葉面積指數(shù)、干物質(zhì)量、株高的模擬Fig.4 Simulation of leaf area index, dry matter weight and plant height of maize under W1 and W4 treatments

在驗(yàn)證階段，從整體數(shù)據(jù)分析，葉面積指數(shù)在W1和W4處理下的NRMSE分別為15.99%和17.99%，都在10%～20%的范圍內(nèi)，模擬結(jié)果良好。干物質(zhì)量在拔節(jié)期和灌漿期模擬較差使得整體模擬一般。在所有處理下，模型模擬結(jié)果都有拔節(jié)期低估膜下滴灌玉米的干物質(zhì)積累量，抽雄期高估膜下滴灌玉米的干物質(zhì)積累量的表現(xiàn)，但在灌漿期和成熟期的ARE都基本在10%以內(nèi)，模擬結(jié)果非常好。

在整個(gè)模擬和驗(yàn)證階段，從單個(gè)玉米生育期考慮，在拔節(jié)期W1處理和W2處理下玉米葉面積指數(shù)ARE在10%以內(nèi)，模擬結(jié)果非常好；在抽雄期和灌漿期W3處理和W4處理下玉米葉面積指數(shù)ARE在10%左右，模擬結(jié)果非常好；在其他不同生育期的不同灌溉定額處理下，玉米葉面積指數(shù)ARE都保持在10%～20%范圍內(nèi)，模擬結(jié)果很好。

2.2 玉米灌溉制度優(yōu)化

首先在率定好的CERES-Maize模型中通過模型自動(dòng)灌溉模塊，設(shè)置自動(dòng)在作物需水的時(shí)候進(jìn)行灌溉，得到的最優(yōu)有效灌溉量為432.30 mm。根據(jù)得到的最優(yōu)有效灌溉量并針對(duì)玉米拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期3個(gè)需水關(guān)鍵期設(shè)置不同灌溉方案，如表7所示。對(duì)比分析設(shè)計(jì)的14種灌溉方案，綜合考慮產(chǎn)量和水分利用效率，尋找最優(yōu)灌溉制度（圖5）。

圖5 不同灌水方案下玉米產(chǎn)量和WUE的變化Fig.5 Changes of maize yield and WUE under different irrigation schemes

表7 玉米灌溉方案設(shè)計(jì)Table 7 Design of maize irrigation scheme

綜合分析14種不同灌溉方案的產(chǎn)量和水分利用效率，得到枯水年在方案10達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)產(chǎn)量為12 961 kg/hm2，水分利用效率為32.30 kg/（hm2·mm），灌溉定額為480 mm；平水年也在方案10達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)產(chǎn)量為11 569 kg/hm2，水分利用效率為28.65 kg/（hm2·mm），灌溉定額為480 mm；豐水年在方案4達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)產(chǎn)量為12 467 kg/hm2，水分利用效率為26.58 kg/（hm2·mm），灌溉定額為420 mm。優(yōu)化后灌溉制度對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量分別在枯水年、平水年、豐水年占模型模擬最高產(chǎn)量13 162、11 857、12 526 kg/hm2的99.53%、97.51%、98.45%。玉米需水關(guān)鍵期有拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期，對(duì)比不同年型下方案1、方案2、方案3、方案5，得到玉米生育期對(duì)水分敏感程度抽雄期最大，其次是拔節(jié)期，最后是灌漿期，因此玉米品種‘新玉 66’的需水關(guān)鍵期需水量大小為：抽雄期>拔節(jié)期>灌漿期。

3 討 論

目前利用CERES-Maize模型在新疆地區(qū)的研究還處于探索階段。胡建強(qiáng)等[21]在新疆地區(qū)以灌溉定額為變量，得出在多砂礫土壤環(huán)境下，拔節(jié)期后灌水52.5 mm，生育期總灌水472.5 mm的灌溉制度更適合推廣發(fā)展；沈東萍[22]在新疆地區(qū)前人研究的最優(yōu)灌溉量的基礎(chǔ)上設(shè)置不同灌水間隔，得到在灌水間隔為6 d，灌溉量為540 mm時(shí)達(dá)到最優(yōu)；王風(fēng)姣等[23]通過設(shè)置不同梯度新疆滴灌玉米灌水量，得到在灌水量為562.5 mm時(shí)，玉米綜合效益最高。本文通過模擬研究的不同氣候變化下灌溉定額與前人研究結(jié)果相比相似或者略小，考慮是由于前人優(yōu)化的灌溉制度是通過大田試驗(yàn)研究得到，設(shè)置的不同生育期灌水量梯度較少，得到的最優(yōu)灌溉量不夠精確導(dǎo)致。

CERES-Maize模型率定的遺傳參數(shù)是決定玉米模擬精度的決定性數(shù)據(jù)[24]。本研究通過調(diào)參驗(yàn)證得到最優(yōu)遺傳參數(shù)后，發(fā)現(xiàn)玉米產(chǎn)量在W1處理下的模擬結(jié)果較差，這是因?yàn)閃1處理為灌溉定額最少的處理，在玉米生長(zhǎng)期間由于水分供應(yīng)不充足，玉米受到了水分脅迫的影響，導(dǎo)致模型模擬精度較差，這和Ben等[25]研究相符。不同灌溉定額處理下籽粒質(zhì)量和最大干物質(zhì)量模擬的NRMSE范圍在0～20%，一致性指數(shù)d接近最大值1，模擬結(jié)果非常好；對(duì)玉米生長(zhǎng)階段的葉面積指數(shù)、干物質(zhì)量、株高3個(gè)指標(biāo)模擬與驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在苗期模擬較差，葉面積指數(shù)和干物質(zhì)量在其他各個(gè)時(shí)期的NRMSE分別在10%～20%和20%～30%范圍，d都大于0.8，模擬結(jié)果很好，這和宋利兵等[26]的研究一致。綜上，CERES-Maize模型可以準(zhǔn)確模擬新疆滴灌玉米的葉面積、干物質(zhì)量、產(chǎn)量，在新疆具有較好的適用性。

玉米灌溉制度的優(yōu)化是要使水分在玉米生長(zhǎng)過程中發(fā)揮最大的價(jià)值，在用水最少的條件下有更為可觀的產(chǎn)量收益[27]。玉米需水關(guān)鍵期為拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期，在這些時(shí)期灌水量的多少對(duì)玉米產(chǎn)量和水分利用效率變化較為明顯，在需水關(guān)鍵期隨著灌水量和灌水次數(shù)的增多，玉米產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)，但到達(dá)一個(gè)臨界值后趨于平緩。拔節(jié)期玉米新陳代謝高，充足的水分供應(yīng)可以更好地滿足玉米營(yíng)養(yǎng)體的生長(zhǎng)以及幼穗的進(jìn)一步分化[28]，抽雄期是玉米需水強(qiáng)度最高的時(shí)期，灌漿期是玉米籽粒生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期[29]，在這3個(gè)時(shí)期都需要充足的水源補(bǔ)給。研究發(fā)現(xiàn)，缺水對(duì)玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響抽雄期最大，其次是拔節(jié)期，灌漿期最小，說明對(duì)于玉米品種‘新玉66’需水關(guān)鍵期需水量大小為：抽雄期>拔節(jié)期>灌漿期。

結(jié)果表明，綜合考慮產(chǎn)量和水分利用效率，枯水年和平水年最優(yōu)灌溉制度為方案10（苗期1水、拔節(jié)期1水、抽雄期3水、灌漿期2水、成熟期1水），豐水年最優(yōu)灌溉制度為方案4（苗期1水、拔節(jié)期1水、抽雄期2水、灌漿期2水、成熟期1水）。典型枯水年和典型平水年灌溉制度相同，原因是因?yàn)?994年玉米生育期內(nèi)日太陽輻射量的平均值比1982年高55.13%，比1983年高53.45%，如圖6所示。日太陽輻射量增加，提高作物生存環(huán)境的溫度，增加作物光合、呼吸、蒸騰代謝過程，加大作物對(duì)水分的需求。進(jìn)一步說明了選擇典型年份對(duì)灌溉制度的模擬優(yōu)化有年型差異，不具有普適性。

圖6 典型年（1994，1982，1983年）玉米生育期日太陽輻射量Fig.6 Typical years (1994, 1982, 1983) daily solar radiation during maize growth period

當(dāng)前新疆玉米生育期灌溉量為600 mm，平均產(chǎn)量為1 200～1 500 kg/hm2[30]。水分利用效率是保障新疆玉米節(jié)水高產(chǎn)的必要指標(biāo)，本研究在不同氣象年型保證玉米產(chǎn)量的前提下，提高新疆玉米水分利用效率，為新疆玉米的節(jié)水灌溉提供一定理論指導(dǎo)。但本文僅考慮了灌溉量的影響，后續(xù)研究可綜合考慮灌水量結(jié)合各種生物措施、化學(xué)措施、肥料等因素對(duì)土地改良下玉米灌溉制度的優(yōu)化進(jìn)行探討。

利用CERES-Maize模型對(duì)膜下滴灌玉米進(jìn)行模擬的結(jié)果顯示，模型對(duì)玉米的各個(gè)指標(biāo)都有較好的擬合。模型對(duì)玉米的株高指標(biāo)最大只能模擬到1.6 m，但實(shí)際株高可達(dá)2.3～2.8 m，需要調(diào)整模型內(nèi)部參數(shù)使模型對(duì)株高的模擬精度進(jìn)一步加強(qiáng)。

4 結(jié) 論

1）模型調(diào)參驗(yàn)證階段，玉米各個(gè)指標(biāo)的模擬值和實(shí)測(cè)值都有高度的吻合，CERES-Maize模型可以準(zhǔn)確模擬新疆滴灌玉米的生長(zhǎng)。

2）玉米灌溉制度優(yōu)化結(jié)果如下：枯水年和平水年灌水次數(shù)8次，灌水時(shí)期為苗期灌1水、拔節(jié)期灌1水、抽雄期灌3水、灌漿期灌2水、成熟期灌1水，灌溉定額480 mm；豐水年灌水次數(shù)7次，灌水時(shí)期為苗期灌1水、拔節(jié)期灌1水、抽雄期灌2水、灌漿期灌2水、成熟期灌1水，灌溉定額420 mm。

3）不同典型年型灌溉制度的優(yōu)化結(jié)果會(huì)受到特殊年份氣候的影響，利用典型年進(jìn)行灌溉制度優(yōu)化，可以為實(shí)際生產(chǎn)生活提供參考，但不具有普遍適用性；玉米品種‘新玉66’的需水關(guān)鍵期為拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期，需水量大小為：抽雄期>拔節(jié)期>灌漿期。