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华北平原在限水和咸水灌溉及喷灌情景下作物水分生产力的模拟与深层地下水压采量的估算 版权信息
- ISBN：9787030702678
- 条形码：9787030702678 ; 978-7-03-070267-8
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
华北平原在限水和咸水灌溉及喷灌情景下作物水分生产力的模拟与深层地下水压采量的估算 本书特色
适读人群 ：水利和农业等学科相关领域的科技工作者和研究生及有关管理部门的人员本书可供水利和农业等学科相关领域的科技工作者和研究生及有关管理部门的人员参考。
华北平原在限水和咸水灌溉及喷灌情景下作物水分生产力的模拟与深层地下水压采量的估算 内容简介
本书是一部以分布式的方式运用土壤-水-大气-植物与世界食物研究（SoilWaterAtmospherePlant-WOrldFOodSTudy，SWAP-WOFOST）模型对华北平原的河北省黑龙港地区在冬小麦-夏玉米一年两熟制下开展农业水文模拟研究的学术专著。作者针对多年来该区域井灌超采深层地下水所面临的水安全危机，就冬小麦生育期在限水灌溉和咸水灌溉及喷灌这三种情景下作物水分生产力的时空变化进行模拟，并分别估算各模拟情景中优化的灌溉模式对深层地下水的压采量。这是一项结合国家水粮安全与可持续发展战略、以当前实际应用需求中的科学问题为导向的模拟研究，书中的研究结果可为该区域目前开展的与“华北地区地下水超采综合治理行动方案”相关的管理决策工作提供定量化的参考依据。
华北平原在限水和咸水灌溉及喷灌情景下作物水分生产力的模拟与深层地下水压采量的估算 目录
目录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 2
1.2 研究进展概述 6
1.2.1 研究区及其毗邻地区冬小麦限水灌溉的田间试验进展概述 6
1.2.2 研究区内冬小麦咸水灌溉的田间试验进展概述 7
1.2.3 研究区及其毗邻区域冬小麦喷灌的田间试验进展概述 10
1.2.4 农业水文模型SWAP（或SWAP-WOFOST）在国内外的应用研究进展概述 11
1.3 研究目标和研究内容与技术路线 18
1.3.1 研究目标 18
1.3.2 研究内容与技术路线 19
第2章 材料与方法 25
2.1 研究区概况 26
2.1.1 行政区划和所选择的试验站 26
2.1.2 气候与气象 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 种植制度与种植结构 33
2.1.7 用水结构和喷灌概况 34
2.2 SWAP-WOFOST模型的简介 38
2.2.1 土壤水分运动 38
2.2.2 土壤盐分运移 38
2.2.3 降水截留和蒸散 39
2.2.4 作物生长 42
2.2.5 灌溉 44
2.2.6 下边界条件 46
2.3 参数敏感性分析与率定及验证 46
2.3.1 参数敏感性分析的方法 46
2.3.2 参数敏感性分析的步骤 47
2.3.3 站点尺度参数率定与验证及区域尺度模型验证的步骤 56
2.3.4 率定方法 58
2.3.5 模拟精度的评价指标 59
2.4 SWAP-WOFOST模型中分布式模拟单元的构建与模拟时段的选择 59
2.4.1 气象数据及其分区 60
2.4.2 土壤水力参数及其分区 60
2.4.3 土壤盐分运移参数及其分区 61
2.4.4 土壤剖面初始盐分及其分区 61
2.4.5 作物参数及其分区 61
2.4.6 作物的播种和收获时间及其分区 62
2.4.7 灌溉制度及其分区 62
2.4.8 模拟剖面下边界和土壤初始含水量及其分区 63
2.4.9 浅层地下水矿化度及其分区 64
2.4.10 耕地与非耕地的分区 65
2.4.11 水资源的分区 65
2.4.12 县（市）域的分区 65
2.4.13 模拟时段的选择 66
2.5 限水灌溉情景的设置和模拟分析及评估 69
2.5.1 冬小麦限水灌溉模拟情景的设置 69
2.5.2 冬小麦灌水时间的推荐原则 71
2.5.3 冬小麦灌溉模式的优化 72
2.5.4 农田节水量及深层地下水压采量的估算思路 73
2.6 咸水灌溉情景的设置和模拟分析及评估 76
2.6.1 冬小麦咸水灌溉模拟情景的设置 76
2.6.2 适宜的咸水灌溉模式的求解 77
2.6.3 适宜的咸水灌溉模式与咸水资源匹配性的评估及深层地下水压采量的估算 79
2.7 喷灌情景的设置和模拟分析及评估 80
2.7.1 冬小麦喷灌模拟情景的设置 80
2.7.2 农民净收益变化的估算思路 82
2.7.3 在冬小麦生育期3种灌溉定额下灌溉方式的选择 84
2.7.4 冬小麦喷灌模式的优化与评估及深层地下水压采量的估算 86
第3章 参数敏感性分析与率定及验证的结果 89
3.1 参数的敏感性 90
3.1.1 土壤水分运动与盐分运移模块的参数 90
3.1.2 作物（冬小麦）生长模块的参数 92
3.1.3 作物（夏玉米）生长模块的参数 93
3.2 试验站点尺度的参数率定与验证 96
3.2.1 土壤水力参数 96
3.2.2 土壤盐分运移参数 96
3.2.3 冬小麦参数 96
3.2.4 夏玉米参数 98
3.3 区域尺度的模型验证 105
3.3.1 作物产量 105
3.3.2 农田蒸散量 107
3.3.3 作物水分生产力 108
3.4 小结 109
第4章 限水灌溉情景的模拟分析与评估的结果 111
4.1 限水灌溉情景模拟结果的分析 112
4.1.1 作物产量 112
4.1.2 作物生育期农田蒸散量 118
4.1.3 作物水分生产力 120
4.1.4 水量平衡 125
4.2 灌水时间推荐结果的分析 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 基于模拟结果优化的灌溉模式 135
4.4 优化的灌溉模式下的农田节水量及深层地下水压采量 144
4.5 小结 149
第5章 咸水灌溉情景的模拟分析与评估的结果 153
5.1 咸水灌溉情景模拟结果的分析 154
5.1.1 作物产量 154
5.1.2 作物生育期农田蒸散量 158
5.1.3 作物水分生产力 161
5.1.4 水量平衡 164
5.1.5 盐分的平衡和分布及淋洗 166
5.2 适宜的咸水灌溉模式 181
5.3 适宜的咸水灌溉模式与咸水资源的匹配性及对深层地下水的压采量 183
5.4 小结 185
第6章 喷灌情景的模拟分析与评估的结果 187
6.1 喷灌情景模拟结果的分析 188
6.1.1 作物产量 188
6.1.2 作物生育期农田蒸散量 193
6.1.3 作物水分生产力 197
6.1.4 水量平衡 199
6.1.5 农民净收益的变化 203
6.2 选出的灌溉方式 207
6.3 优化的喷灌模式及其对深层地下水的压采量 213
6.4 小结 218
第7章 结论与讨论 221
7.1 主要结论 222
7.2 讨论 227
7.2.1 研究工作的特色 227
7.2.2 研究工作的局限性 232
参考文献 234
附录 249
致谢 320
图目录
图1.1 在研究区应用SWAP-WOFOST 模型开展参数的敏感性分析和率定及模型验证的技术路线图 20
图1.2 在研究区应用SWAP-WOFOST 模型开展限水灌溉情景的模拟分析与评估的技术路线图 21
图1.3 在研究区应用SWAP-WOFOST 模型开展咸水灌溉情景的模拟分析与评估的技术路线图 23
图1.4 在研究区应用SWAP-WOFOST 模型开展喷灌情景的模拟分析与评估的技术路线图 24
图2.1 研究区的地理位置图（a）及其所包含的53个县（市）和6个试验站在空间上的分布（b） 26
图2.2 研究区中各气象分区内冬小麦（a）和夏玉米（b）在生育期的降水量与降水超过概率 28
图2.3 研究区及其毗邻地区的国家基本气象站在模拟时段内（1993～2012年）的降水量和参考作物蒸散量的月动态 28
图2.4 研究区内0～10 cm（a）、10～20 cm（b）、20～30 cm（c）、30～70 cm（d）和大于70 cm（e）土层的质地三角图 29
图2.5 研究区内5层土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30cm、30～70 cm和大于70 cm）中12种质地的每种质地在各层的分布面积占研究区面积的比例 30
图2.6 研究区内5层土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30cm、30～70 cm和大于70 cm）中各层的体积密度在不同范围内的分布面积占研究区面积的比例 30
图2.7 研究区内0～200 cm土壤的有效水容量的空间分布（a）和5层土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～70cm和大于70 cm）中各层的田间持水量与萎蔫系数在不同范围内的分布面积占研究区面积的比例（b） 30
图2.8 研究区内数字高程（a）和地貌类型（b）的空间分布 31
图2.9 研究区在1990年（a）、1995年（b）、2000年（c）、2005年（d）和2010年（e）的土地利用类型图 32
图2.10 研究区内在1995年（a）、2000年（b）、2005年（c）和2010年（d）主要农作物的播种面积占农作物总播种面积的比例 34
图2.11 1995～2012年研究区内主要粮食作物的播种面积占粮食作物总播种面积的比例 34
图2.12 1999年研究区内各县（市）及其所属地区中农业、生活和工业的用水量占总用水量的比例 35
图2.13 1999年研究区内各县（市）及其所属地区的总用水量中来源于地表水和地下水的比例 36
图2.14 京津以南河北平原深层地下水一般超采区和严重超采区的空间范围 37
图2.15 研究区内分布式模拟单元构建的框架图 67
图2.16 研究区内各县（市）1999年农业用水量中地表水、浅层地下水和深层地下水所占比例的估算思路 74
图2.17 估算的1999年研究区各县（市）农业灌溉用水量中地表水、浅层地下水和深层地下水所占比例 75
图2.18 在研究区内设置的咸水灌溉模拟情景 77
图2.19 设置的研究区在冬小麦生育期内的固定的喷灌情景（a）和预设的喷灌情景（b） 82
图3.1 在6个试验站土壤水分运动-盐分运移模块参数的一阶敏感性（a）和全局敏感性（b）的指数及其排序 91
图3.2 在6个试验站冬小麦参数的一阶敏感性（a）和全局敏感性（b）的指数及其排序 93
图3.3 在6个试验站夏玉米参数的一阶敏感性（a）和全局敏感性（b）的指数及其排序 95
图3.4 6个试验站在参数率定阶段土壤含水量（a）、土壤盐分浓度（b）、冬小麦的叶面积指数（c）、冬小麦的地上部生物量（d）、冬小麦产量（e）、夏玉米的叶面积指数（f）、夏玉米的地上部生物量（g）和夏玉米产量（h）的模拟值与实测值对比 99
图3.5 6个试验站在参数验证阶段土壤含水量（a）、土壤盐分浓度（b）、冬小麦的叶面积指数（c）、冬小麦的地上部生物量（d）、冬小麦产量（e）、夏玉米的叶面积指数（f）、夏玉米的地上部生物量（g）和夏玉米产量（h）的模拟值与实测值对比 100
图3.6 研究区内各县（市）（a）冬小麦（b）和夏玉米（c）的多年平均产量之模拟计算值与年鉴统计值的对比 106
图3.7 2002～2008年研究区内农田蒸散量的模拟计算值与遥感反演值的对比 108
图3.8 1993～2012年研究区内在冬小麦和夏玉米的生育期农田蒸散量的动态 108
图3.9 1993～2012年研究区内冬小麦和夏玉米的WP的动态 109
图4.1 11种限水灌溉情景下冬小麦产量及其与现状灌溉情形相比的减少幅度在县（市）域尺度的空间分布（a）和在研究区尺度的年际变化（b） 116
图4.2 11种限水灌溉情景下夏玉米产量及其与现状灌溉情形相比的减少幅度在县（市）域尺度的空间分布（a）和在研究区尺度的年际变化（b） 117
图4.3 11种限水灌溉情景下冬小麦生育期农田蒸散量及其与现状灌溉情形相比的减少幅度在县（市）域尺度的空间分布（a）和在研究区尺度的年际变化（b） 119
图4.4 11种限水灌溉情景下夏玉米生育期农田蒸散量及其与现状灌溉情形相比的减少幅度在县（市）域尺度的空间分布（a）和在研究区尺度的年际变化（b） 121
图4.5 11种限水灌溉情景下冬小麦的WP及其与现状灌溉情形相比的减少幅度在县（市）域尺度的空间分布（a）和在研究区
第1章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 2
1.2 研究进展概述 6
1.2.1 研究区及其毗邻地区冬小麦限水灌溉的田间试验进展概述 6
1.2.2 研究区内冬小麦咸水灌溉的田间试验进展概述 7
1.2.3 研究区及其毗邻区域冬小麦喷灌的田间试验进展概述 10
1.2.4 农业水文模型SWAP（或SWAP-WOFOST）在国内外的应用研究进展概述 11
1.3 研究目标和研究内容与技术路线 18
1.3.1 研究目标 18
1.3.2 研究内容与技术路线 19
第2章 材料与方法 25
2.1 研究区概况 26
2.1.1 行政区划和所选择的试验站 26
2.1.2 气候与气象 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 种植制度与种植结构 33
2.1.7 用水结构和喷灌概况 34
2.2 SWAP-WOFOST模型的简介 38
2.2.1 土壤水分运动 38
2.2.2 土壤盐分运移 38
2.2.3 降水截留和蒸散 39
2.2.4 作物生长 42
2.2.5 灌溉 44
2.2.6 下边界条件 46
2.3 参数敏感性分析与率定及验证 46
2.3.1 参数敏感性分析的方法 46
2.3.2 参数敏感性分析的步骤 47
2.3.3 站点尺度参数率定与验证及区域尺度模型验证的步骤 56
2.3.4 率定方法 58
2.3.5 模拟精度的评价指标 59
2.4 SWAP-WOFOST模型中分布式模拟单元的构建与模拟时段的选择 59
2.4.1 气象数据及其分区 60
2.4.2 土壤水力参数及其分区 60
2.4.3 土壤盐分运移参数及其分区 61
2.4.4 土壤剖面初始盐分及其分区 61
2.4.5 作物参数及其分区 61
2.4.6 作物的播种和收获时间及其分区 62
2.4.7 灌溉制度及其分区 62
2.4.8 模拟剖面下边界和土壤初始含水量及其分区 63
2.4.9 浅层地下水矿化度及其分区 64
2.4.10 耕地与非耕地的分区 65
2.4.11 水资源的分区 65
2.4.12 县（市）域的分区 65
2.4.13 模拟时段的选择 66
2.5 限水灌溉情景的设置和模拟分析及评估 69
2.5.1 冬小麦限水灌溉模拟情景的设置 69
2.5.2 冬小麦灌水时间的推荐原则 71
2.5.3 冬小麦灌溉模式的优化 72
2.5.4 农田节水量及深层地下水压采量的估算思路 73
2.6 咸水灌溉情景的设置和模拟分析及评估 76
2.6.1 冬小麦咸水灌溉模拟情景的设置 76
2.6.2 适宜的咸水灌溉模式的求解 77
2.6.3 适宜的咸水灌溉模式与咸水资源匹配性的评估及深层地下水压采量的估算 79
2.7 喷灌情景的设置和模拟分析及评估 80
2.7.1 冬小麦喷灌模拟情景的设置 80
2.7.2 农民净收益变化的估算思路 82
2.7.3 在冬小麦生育期3种灌溉定额下灌溉方式的选择 84
2.7.4 冬小麦喷灌模式的优化与评估及深层地下水压采量的估算 86
第3章 参数敏感性分析与率定及验证的结果 89
3.1 参数的敏感性 90
3.1.1 土壤水分运动与盐分运移模块的参数 90
3.1.2 作物（冬小麦）生长模块的参数 92
3.1.3 作物（夏玉米）生长模块的参数 93
3.2 试验站点尺度的参数率定与验证 96
3.2.1 土壤水力参数 96
3.2.2 土壤盐分运移参数 96
3.2.3 冬小麦参数 96
3.2.4 夏玉米参数 98
3.3 区域尺度的模型验证 105
3.3.1 作物产量 105
3.3.2 农田蒸散量 107
3.3.3 作物水分生产力 108
3.4 小结 109
第4章 限水灌溉情景的模拟分析与评估的结果 111
4.1 限水灌溉情景模拟结果的分析 112
4.1.1 作物产量 112
4.1.2 作物生育期农田蒸散量 118
4.1.3 作物水分生产力 120
4.1.4 水量平衡 125
4.2 灌水时间推荐结果的分析 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 基于模拟结果优化的灌溉模式 135
4.4 优化的灌溉模式下的农田节水量及深层地下水压采量 144
4.5 小结 149
第5章 咸水灌溉情景的模拟分析与评估的结果 153
5.1 咸水灌溉情景模拟结果的分析 154
5.1.1 作物产量 154
5.1.2 作物生育期农田蒸散量 158
5.1.3 作物水分生产力 161
5.1.4 水量平衡 164
5.1.5 盐分的平衡和分布及淋洗 166
5.2 适宜的咸水灌溉模式 181
5.3 适宜的咸水灌溉模式与咸水资源的匹配性及对深层地下水的压采量 183
5.4 小结 185
第6章 喷灌情景的模拟分析与评估的结果 187
6.1 喷灌情景模拟结果的分析 188
6.1.1 作物产量 188
6.1.2 作物生育期农田蒸散量 193
6.1.3 作物水分生产力 197
6.1.4 水量平衡 199
6.1.5 农民净收益的变化 203
6.2 选出的灌溉方式 207
6.3 优化的喷灌模式及其对深层地下水的压采量 213
6.4 小结 218
第7章 结论与讨论 221
7.1 主要结论 222
7.2 讨论 227
7.2.1 研究工作的特色 227
7.2.2 研究工作的局限性 232
参考文献 234
附录 249
致谢 320
图目录
图1.1 在研究区应用SWAP-WOFOST 模型开展参数的敏感性分析和率定及模型验证的技术路线图 20
图1.2 在研究区应用SWAP-WOFOST 模型开展限水灌溉情景的模拟分析与评估的技术路线图 21
图1.3 在研究区应用SWAP-WOFOST 模型开展咸水灌溉情景的模拟分析与评估的技术路线图 23
图1.4 在研究区应用SWAP-WOFOST 模型开展喷灌情景的模拟分析与评估的技术路线图 24
图2.1 研究区的地理位置图（a）及其所包含的53个县（市）和6个试验站在空间上的分布（b） 26
图2.2 研究区中各气象分区内冬小麦（a）和夏玉米（b）在生育期的降水量与降水超过概率 28
图2.3 研究区及其毗邻地区的国家基本气象站在模拟时段内（1993～2012年）的降水量和参考作物蒸散量的月动态 28
图2.4 研究区内0～10 cm（a）、10～20 cm（b）、20～30 cm（c）、30～70 cm（d）和大于70 cm（e）土层的质地三角图 29
图2.5 研究区内5层土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30cm、30～70 cm和大于70 cm）中12种质地的每种质地在各层的分布面积占研究区面积的比例 30
图2.6 研究区内5层土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30cm、30～70 cm和大于70 cm）中各层的体积密度在不同范围内的分布面积占研究区面积的比例 30
图2.7 研究区内0～200 cm土壤的有效水容量的空间分布（a）和5层土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～70cm和大于70 cm）中各层的田间持水量与萎蔫系数在不同范围内的分布面积占研究区面积的比例（b） 30
图2.8 研究区内数字高程（a）和地貌类型（b）的空间分布 31
图2.9 研究区在1990年（a）、1995年（b）、2000年（c）、2005年（d）和2010年（e）的土地利用类型图 32
图2.10 研究区内在1995年（a）、2000年（b）、2005年（c）和2010年（d）主要农作物的播种面积占农作物总播种面积的比例 34
图2.11 1995～2012年研究区内主要粮食作物的播种面积占粮食作物总播种面积的比例 34
图2.12 1999年研究区内各县（市）及其所属地区中农业、生活和工业的用水量占总用水量的比例 35
图2.13 1999年研究区内各县（市）及其所属地区的总用水量中来源于地表水和地下水的比例 36
图2.14 京津以南河北平原深层地下水一般超采区和严重超采区的空间范围 37
图2.15 研究区内分布式模拟单元构建的框架图 67
图2.16 研究区内各县（市）1999年农业用水量中地表水、浅层地下水和深层地下水所占比例的估算思路 74
图2.17 估算的1999年研究区各县（市）农业灌溉用水量中地表水、浅层地下水和深层地下水所占比例 75
图2.18 在研究区内设置的咸水灌溉模拟情景 77
图2.19 设置的研究区在冬小麦生育期内的固定的喷灌情景（a）和预设的喷灌情景（b） 82
图3.1 在6个试验站土壤水分运动-盐分运移模块参数的一阶敏感性（a）和全局敏感性（b）的指数及其排序 91
图3.2 在6个试验站冬小麦参数的一阶敏感性（a）和全局敏感性（b）的指数及其排序 93
图3.3 在6个试验站夏玉米参数的一阶敏感性（a）和全局敏感性（b）的指数及其排序 95
图3.4 6个试验站在参数率定阶段土壤含水量（a）、土壤盐分浓度（b）、冬小麦的叶面积指数（c）、冬小麦的地上部生物量（d）、冬小麦产量（e）、夏玉米的叶面积指数（f）、夏玉米的地上部生物量（g）和夏玉米产量（h）的模拟值与实测值对比 99
图3.5 6个试验站在参数验证阶段土壤含水量（a）、土壤盐分浓度（b）、冬小麦的叶面积指数（c）、冬小麦的地上部生物量（d）、冬小麦产量（e）、夏玉米的叶面积指数（f）、夏玉米的地上部生物量（g）和夏玉米产量（h）的模拟值与实测值对比 100
图3.6 研究区内各县（市）（a）冬小麦（b）和夏玉米（c）的多年平均产量之模拟计算值与年鉴统计值的对比 106
图3.7 2002～2008年研究区内农田蒸散量的模拟计算值与遥感反演值的对比 108
图3.8 1993～2012年研究区内在冬小麦和夏玉米的生育期农田蒸散量的动态 108
图3.9 1993～2012年研究区内冬小麦和夏玉米的WP的动态 109
图4.1 11种限水灌溉情景下冬小麦产量及其与现状灌溉情形相比的减少幅度在县（市）域尺度的空间分布（a）和在研究区尺度的年际变化（b） 116
图4.2 11种限水灌溉情景下夏玉米产量及其与现状灌溉情形相比的减少幅度在县（市）域尺度的空间分布（a）和在研究区尺度的年际变化（b） 117
图4.3 11种限水灌溉情景下冬小麦生育期农田蒸散量及其与现状灌溉情形相比的减少幅度在县（市）域尺度的空间分布（a）和在研究区尺度的年际变化（b） 119
图4.4 11种限水灌溉情景下夏玉米生育期农田蒸散量及其与现状灌溉情形相比的减少幅度在县（市）域尺度的空间分布（a）和在研究区尺度的年际变化（b） 121
图4.5 11种限水灌溉情景下冬小麦的WP及其与现状灌溉情形相比的减少幅度在县（市）域尺度的空间分布（a）和在研究区
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华北平原在限水和咸水灌溉及喷灌情景下作物水分生产力的模拟与深层地下水压采量的估算 节选
第1章 绪论 1.1 研究背景和意义 华北平原是我国主要的粮食产区之一（刘昌明和魏忠义，1989；胡毓骐和李英能，1995；Liu et al.，2001；Zhang et al.，2013；Jeong et al.，2014），冬小麦-夏玉米一年两熟制是该区域*主要的种植模式（刘昌明和魏忠义，1989；中华人民共和国国家统计局，1990～2017；胡毓骐和李英能，1995；Liu et al.，2001；刘巽浩和陈阜，2005；Zhang et al.，2013；全国农业技术推广服务中心，2015），多年（1990～2012年）平均的小麦和玉米总产分别约占我国的53%和31%①（中华人民共和国国家统计局，1990～2017）。此外，为了保障国家粮食安全，华北平原还被确定为《全国新增1000亿斤粮食生产能力规划（2009～2020年）》的增产核心区（中华人民共和国中央人民政府，2009）。华北平原的河北省黑龙港地区1995～2012年平均的小麦和玉米的总产分别占河北省这两种作物总产的46%和47%（引自：河北省人民政府办公厅和河北省统计局，1995～2017）。然而，水资源紧缺是制约该区域粮食生产的*重要因素（刘昌明和魏忠义，1989；靳孟贵和方连育，2006；方生和陈秀玲，2008；Liu J. et al.，2011）。由于作为主要粮食作物的冬小麦在其生育期内的降水量与需水量高度不匹配，多年平均缺水300 mm以上（中国主要农作物需水量等值线图协作组，1993；Zhang et al.，2004），所以冬小麦主要依靠灌溉来满足其生长发育对水分的需求（Liu et al.，2001；Qiu，2010；Zhang et al.，2004）。地下水虽然作为灌溉农业的重要水源，在保障全球粮食生产中起着重要的作用（Giordano，2009；Siebert et al.，2010；Wada et al.，2012；D.ll et al.，2012）。然而，由于过量开采地下水用于农业灌溉，我国的华北平原已经成为全球范围内地下水位下降情势极其严重的区域之一（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）。 与浅层地下水相比，深层地下水具有补给量少和更新缓慢的特点（Alley et al.，2002；张人权，2003；张蔚榛，2003；郑连生，2009；Shi et al.，2011；Russo and Lall，2017）。尽管如此，随着人口和灌溉面积的不断增加，在中国（Foster et al.，2004）、美国（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）等国家都存在着不同程度地开采深层地下水用于灌溉的情形。位于华北平原中东部的河北省黑龙港地区是我国严重缺水的地区之一（参阅：中华人民共和国国家统计局，1990～2017；河北省人民政府办公厅和河北省统计局，1995～2017），由于地表水资源匮乏且浅层广泛分布的又是微咸水或咸水（陈望和，1999；张宗祜和李烈荣，2005；张兆吉等，2009；张兆吉和费宇红，2009），所以几十年来农田的井灌也不得不在一定程度上依赖于开采深层地下水（Foster et al.，2004；Shi et al.，2011；Huang et al.，2015），这不仅使得黑龙港地区这个华北平原重要的粮食产区的农业可持续发展受到了严重挑战，而且使得该区域所出现的大面积深层地下水位下降、深层地下水降落漏斗发展、地面沉降、水质恶化等一系列严重的地下水安全与环境地质问题愈加突出（陈望和，1999；张宗祜和李烈荣，2005；张兆吉等，2009；Zheng et al.，2010；Shi et al.，2011）。 灌溉消耗全球约90%的淡水（Scanlon et al.，2007；Siebert et al.，2010），世界上的许多地区用于灌溉的优质水的供应正在持续减少（D.ll and Siebert，2002；Strzepek and Boehlert，2010；Rodell et al.，2018），将“边缘水”（例如，微咸水和咸水等）用于灌溉有望在一定程度上缓解粮食生产对水资源需求的压力（Letey et al.，2011；Skaggs et al.，2014；Assouline et al.，2015）。事实上，在印度、埃及、美国、中国、以色列、意大利、摩洛哥、突尼斯等国家已经有较长的咸水灌溉历史（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），而且在未来利用咸水补充有限的淡水资源用于灌溉将越来越普遍（Kan and Rapaport-Rom，2012； Chowdhury et al.，2018）。我国华北平原的黑龙港地区就是一个淡水资源特别是深层地下水资源情势堪忧但浅层广泛分布的微咸水和咸水资源（Fang and Chen，2007；张兆吉等，2009；Zhou Z. M. et al.，2012；Huang et al.，2015）尚有一定的开发利用潜力（陈望和，1999；张宗祜和李烈荣，2005；张兆吉等，2009）的区域。 面对严峻的地下水安全危机，为了缓解深层地下水超采情势的继续恶化，在过去的几年里，我国针对华北平原的井灌超采区陆续出台了一系列关于限制深层地下水开采的政策文件（河北省人民政府，2014；中华人民共和国中央人民政府，2015，2017；中华人民共和国水利部，2017；中华人民共和国水利部等，2019）。然而，限采井灌所用深层地下水就势必会影响黑龙港地区的粮食生产特别是冬小麦的生产。鉴于黑龙港地区在我国华北平原特别是河北省冬小麦生产中的重要地位和该区域深层地下水早已被超采的严重态势，聚焦这类“水粮权衡”问题开展农业水文模拟研究，不仅对我国的华北平原而且对世界上那些存在或未来有可能发生类似的深层地下水安全危机的粮食生产地区都具有一定的参考意义。此外，我们注意到，为了应对令人堪忧的深层地下水超采情势且在一定程度上保障粮食生产，我国政府的相关管理部门已经提出在该区域重点推广利用微咸水进行灌溉（中华人民共和国水利部，2017；中华人民共和国水利部等，2019）。然而，长时段的咸水灌溉可能造成的作物减产和土壤积盐会影响在区域尺度上实施咸水灌溉的可持续性，咸水资源的空间异质性也会影响在区域尺度上实施咸水灌溉的适用性。此外，气象、土壤、作物和灌溉等因素的差异也必然要求实施咸水灌溉应遵循因地因时的原则。总之，在区域尺度上开展咸水灌溉方案的模拟与评估不仅具有重要的现实意义而且也具有一定的挑战性。 有关文献（中国灌溉排水发展中心，2006；Abd El-Wahed and Ali，2013；Biswas，2015；Li，2018；Wang et al.，2020）表明：喷灌作为一种现代化的灌溉方式，具有可节约灌溉用水和劳动力、提高土地利用效率和作物产量以及有利于实现农业机械化等优点。目前喷灌技术已在美国、俄罗斯、沙特阿拉伯、印度、葡萄牙、西班牙、日本和中国（中国灌溉排水发展中心，2014；Biswas，2015；Galioto et al.，2020）等国家得到了一定程度的应用。喷灌的作物已涉及蔬菜、果树、花卉、苜蓿、小麦、玉米、棉花等（Cetin and Bilgel，2002；中国灌溉排水发展中心，2014；Biswas，2015；Lecina et al.，2016；Wang et al.，2019；Yan et al.，2020）。我们已注意到，我国政府的有关管理部门为了应对黑龙港地区令人堪忧的地下水超采情势，已经提出了在该区域限制深层地下水的开采，并建议大力发展喷灌等节水灌溉措施（中华人民共和国生态环境部，2018；中华人民共和国水利部等，2019）。然而，在华北平原的黑龙港地区实施农田节水灌溉时，什么样的水土条件下适合选用喷灌这种灌溉方式？若选用喷灌，如何因地制宜地根据气象、土壤、作物、水资源和田间管理水平等因素选择喷灌模式（Abd El-Wahed and Ali，2013；Yan et al.，2020；Galioto et al.，2020）?这些问题的定量化研究对于是否选择和推广喷灌这种灌溉技术是至关重要的。同样，我们也注意到，或许是由于喷灌设备需要较高的初始投资费用和运行与维护的费用（Zou et al.，2013；Biswas，2015；Communal et al.，2016； Fang et al.，2018）以及喷灌技术的适用性和考虑规模经济（Wang et al.，2020）等原因，目前在华北平原黑龙港地区的应用尚不普遍。 华北平原的降水、温度、蒸发等气象条件的时空分布不均（胡毓骐和李英能，1995；任宪韶等，2007；Wang et al.，2008），土壤类型①、土地利用类型②以及与气候条件、土壤条件和管理水平相适应的作物品种与栽培技术（刘巽浩和牟正国，1993；王璞，2004）等也存在空间变异。因此，考虑气象、土壤、土地利用、作物、灌溉等要素空间异质性而分布式地应用农业水文模型（Droogers et al.，2000；Singh，2005）就成为定量评估区域尺度农业水文循环过程与农业水管理策略的重要甚至唯一的科学分析手段。华北平原的黑龙港地区多年来已经积累了大量的气象、土地利用、土壤、作物栽培和农田灌溉等方面的观测数据以及丰富的水文地质勘查资料与地下水资源评价结果，若能将这些与土壤-植物-大气连续体（Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC）及地下水有关的信息进行充分地数据挖掘与融合，将为华北平原的黑龙港地区在区域尺度上开展精细的农业水文模拟研究提供模型构建和参数率定及模型验证的科学支撑。 基于我们多年来针对华北平原所积累的多源多尺度的相关资料与数据，本研究选择起源于荷兰的土壤-水-大气-植物（Soil-Water-Atmosphere-Plant，SWAP）模型开展农业水文模拟。SWAP模型是基于水文、化学、生物学过程的确定性农业水文模型（Singh et al.，2006c），它可以详细地模拟一维土体的水分运动、溶质运移和热量传输过程及作物生长（Kroes et al.，2009），尤其是其内嵌的详细作物模块是基于世界食物研究（WOrld FOod STudy，WOFOST）模型，可以细致地模拟光合作用和作物生长发育，并将土壤的水分或盐分状况反馈到作物生长过程中（Boogaard et al.，1998； Singh et al.，2006c；Kroes et al.，2009）。值得注意的是，SWAP或 SWAP-WOFOST模型通过与地理信息系统（Geographic Information System，GIS）相结合并以分布式的方式进行模拟，已经成为定量研究区域尺度农业水文循环与水资源管理问题的重要科学工具（Droogers et al.，2000；Singh et al.，2006a，2006b；Noory et al.，2011；Xue and Ren，2017a）。我们知道，模型模拟与评估结果的可靠性在相当程度上依赖于模型
华北平原在限水和咸水灌溉及喷灌情景下作物水分生产力的模拟与深层地下水压采量的估算 作者简介
任理，1959年6月生于北京，工学博士，中国农业大学资源与环境学院土壤和水科学系教授，博士生导师。曾受聘：中国科学院地理科学与资源研究所客座研究员（2002—2005年）；中国科学院计算数学与科学工程计算研究所科学与工程计算国家重点实验室客座研究员（2002—2004年）；中国科学院陆地水循环及地表过程重点实验室水文水资源研究方向客座研究员（2004—2007年）。曾受邀担任：中国土壤学会土壤物理专业委员会副主任；国家自然科学基金委员会地球科学部与中国地质调查局水文地质环境地质部“中国地下水科学战略研究小组”成员。现受邀担任：中国水利学会水资源专业委员会委员；中国地质学会环境地质专业委员会委员；中国地质学会水文地质专业委员会委员；中国自然资源学会水资源专业委员会委员。目前受聘兼任：南方科技大学环境科学与工程学院访问教授；中国科学院农业水资源重点实验室客座研究员。多年担任《水利学报》和《水文地质工程地质》编委。研究领域：土壤物理学、农业水文学。近年来的主要研究方向：农业水土资源环境可持续利用的模拟与评估。为本科生和研究生讲授的课程有：地下水流数值模拟、土壤水动力学、土壤物理、土壤溶质运移。具体指导并获得学位的硕士生29名、博士生17名。此外，独立指导已于2006年出站的印度博士后1名。曾获：中国农业大学本科教学很好奖励（1998年）；中国农业大学很好硕士论文指导教师（2002年）；中国农业大学很好博士论文指导教师（2004年和2006年）。所指导的博士学位论文曾入选“全国很好博士学位论文提名论文”（2008年）。在国内外学术期刊上发表论文近100篇，出版学术专著1部。
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