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基于SWAP的旱稻灌溉模式及地下水埋深对灌溉的影
响研究1
李小梅，崔远来，谢先红
武汉大学水资源与水电工程科学国家重点试验室，武汉 （430072）
摘 要：针对旱稻品种HD297，于2003至2004年在河南柳园口灌区惠北灌溉试验站开展了
旱稻不同灌溉制度的试验，根据试验获取的不同灌溉制度下灌水水平、土壤水势、旱稻叶
面积指数、干物质量及产量等资料，对SWAP模型模拟旱稻灌溉制度及作物生长的适应性进
行了验证，对模型参数进行了率定和检验。结果表明SWAP适合旱稻不同灌溉制度条件下的
作物生长模拟。在此基础上应用SWAP分析了无水层灌溉、淹灌、雨养3种水分管理模式下
旱稻干物质总量和水分生产率，以及不同地下水埋深对相关指标的影响。结果表明，3种灌
溉模式以雨养模式水分生产率最高，其次为间歇灌溉，淹灌最低；地下水埋深对雨养模式
的干物质总量和水分生产率影响最大，对间歇灌溉相关指标影响较小，而对淹灌模式则基
本无影响。
关键词：旱稻；灌溉模式；SWAP模型；地下水埋深
1 引言
水资源短缺已成为全球性问题，而农业用水占总用水量的70%～80%，种植业用水占农
业用水的85%，其中水稻生产占65%以上，调整种植业结构，压缩耗水较多的水稻栽培面积，
推广节水灌溉是缓解水资源紧缺的有效途径之一[1]。旱稻即旱作稻，也称陆稻，通常是在旱
地或干湿地直播，旱管旱长，勿需水层，全靠自然降雨或在此基础上仅辅以少量灌溉的稻作。
旱稻具有耐旱耐瘠，抗逆性强，节水节能，减少污染，省工和水陆两栖等特点，成为全球5
大稻作类型之一[2,3]。以旱稻代替耗水较多的水稻是缓解水资源紧缺的有效措施。目前对旱
稻的研究多偏重于稻米品质和生物学特性方面，而对旱稻灌溉模式等田间用水管理方面的研
究较少[4]。因此，基于有限的田间试验，验证适宜的旱稻灌溉制度模拟模型，并在多年平均
条件下对不同的灌溉模式的效果以及地下水埋深对灌溉的影响进行模拟分析，对制定合理的
旱稻节水灌溉模式和旱稻的栽培管理及推广具有重要的现实意义。李亚龙等（2005）根据本
文的试验资料用基于水稻开发的ORYZA2000模型对旱稻生长模拟及氮肥管理进行了研究。
鉴于ORYZA2000模型是针对水稻开发的，而旱稻种植过程中田间不保留水层，即作物根系
层土壤基本处于非饱和状态，因此宜用非饱和土壤水分运动模型进行描述。本文探讨基于旱
作开发的SWAP模型模拟不同灌溉模式和地下水埋深条件下旱稻的干物质总量和水分生产
率。
2 材料和方法
旱稻灌溉制度试验
试验区概况
柳圆口灌区地处河南省开封市，位于东经114021′~ 114047′，北纬34035′~ 34053′之间。灌
1本课题得到教育部博士点基金（20050486002）、国家科技支撑计划子题（2006BAD11B08-3）部分内容的
资助。
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区控制面积40,724hm2，耕地面积30,900hm2。灌区属半湿润半干旱气候带。多年平均降雨量
620mm，降雨在年内分布不均，6～9月份占年降雨量的70%～80%，降雨在年际间也分布不
均。灌区主要种植作物有水稻、小麦、玉米、棉花、大豆等。上游以水稻和小麦轮种为主，
下游以小麦、玉米等旱作物为主。
试验基本情况
试验于 2003~2004 年在开封市惠北灌溉试验站进行。供试土壤为黄河冲击物发育的壤
土。供试旱稻品种为中国农业大学提供的 HD297，播种方式采取直播，2003 年旱稻 6 月 14
日播种，6 月 22 日出苗，10 月 10 日至 16 日收割；2004 年 6 月 20 日播种，6 月 28 日出苗，
10 月 10 日至 15 日收割。
试验处理
设两个处理，每处理 4 次重复，即：W1：间歇灌。播种后进行少量的灌溉，以便种子
萌发和出苗。出苗后，当 15cm 深处土壤的水势低于-30KPa 灌溉。灌水时采取大流量灌溉，
当整个田面都被水覆盖时停止灌水。W2：雨养。出苗后不再进行灌水，当作物显示出明显
的缺水症状（叶片卷曲）时才灌水。在以下 3 个时期如不降雨则灌水：DAE 50（出苗后 50
天，相当于幼穗分化期）、DAE 77（出苗后 77 天，相当于开花期）；DAE 106（出苗后 106
天，相当于乳熟期）。试验期间如果降雨，当田面水层深度超过 15 cm 时排至深度为 10cm。
观测项目与方法
（1）水分观测：灌水量用水泵抽水，水表计量；土壤水势用张力计安装在田面以下 15
cm 处每天观测；地下水埋深用田边地下水观测井每周观测 2 次。
（2）作物观测：植株采样：分别在 DAE15（4 叶期）、DAE30（6~7 叶期）、DAE50（幼
穗分化期）、DAE77（开花期）和 DAE106（乳熟期）进行植株采样，测量株高、根长、分
蘖数、叶面积指数、植株各部分生物量和养分含量。其中叶面积指数采用网格法测定。
（3）气象观测：气象数据由惠北试验站观测。
SWAP模型
SWAP模型是Soil-Water-Atmosphere-Plant的简称，该模型用于模拟田块尺度的非饱和带
水流及盐分运移、热量传递和作物生长与产量。SWAP模型的上边界为作物冠层顶部，下边
界可以是非饱和带或饱和带顶部，也可以位于饱和带之中或位于不透水层顶板。在上下边界
之间，水流运动主要按垂向运动考虑，将垂向土柱分为若干单元，求解水分、溶质和热量运
移方程。SWAP模型主要由土壤水运移、溶质迁移、热量传输、土壤蒸发、植物蒸腾、作物
生长等子模型组成[5]。SWAP模型对主要旱作物的模拟应用在国内外已有较多的成果[6~8]。
3 模型的率定及检验
率定方法
不考虑溶质的影响即溶质子模型不参与模拟，因此根据试验观测数据，只需要对SWAP
模型中的土壤水分参数进行率定[9]，率定的资料采用2003年试验田的观测值。根据观测的根
层深度资料拟定模拟的土层深度，进行单元划分，确定土壤的分层及每层的起止深度，输入
试验区的气象、作物、灌溉资料、土壤水分特征曲线、初始地下水埋深、下边界条件。采用
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变异系数，通过调整土壤水分参数实现模拟的干物质总量与实测的干物质总量的散点落在
1:1线加减变异系数范围之内，得到试验区土壤水分参数率定结果。变异系数CV计算式为：
CV σµ= (1)
其中σ为模拟值与观测值的标准差；µ为模拟值的均值。
资料输入
气象资料：根据惠北试验站1989～2004年观测的降水量、空气湿度、日辐射量、最高和
最低温度、风速等气象资料，采用Penman-Monteith公式计算参考作物腾发量ET0。
作物资料：根据惠北试验站观测的作物生育期、作物根密度、根长、株高、干物质划分
比例系数等。
灌溉资料：2003年期间对旱稻进行了6次灌溉，具体见表1。
表1 2003年实际灌溉制度
Practice irrigation system in 2003
灌水次数 1 2 3 4 5 6
灌水日期 6-17 7-9 7-25 7-31 8-6 8-13
灌水量/mm
率定结果
图1是调整参数后作物干物质总量模拟值与实测值的散点图。其中实线是1:1线，虚线
是1:1线加减变异系数，表示变异范围。可以看出基本上所有的散点都落在变异范围之内，
但有模拟值略高于观测值的现象。其原因是在时间采样过程中，只有在最后一次把黄叶计
算在内，且落在地面上的叶片、茎杆等没有收集起来，导致后期观测值普遍低于模拟值，
属于系统误差，但模拟结果总体上反映了作物的干物质变化。表2是根据实测结果经率定
后的土壤水分有关参数。
0
2000
4000
6000
8000
10000
0 5000 10000
干物质观测值(kg/ha)
干
物
质
模
拟
值
(k
g/
ha
)
干物质
1:1线
1:1±CV
图1 干物质模拟值与观测值散点图（2003年）
Measured and simulated dry matter (2003)
表2 率定后的土壤水分参数
Calibrated soil hydraulic function parameters
θres θsat Ksat α λ n
注：θres为分子持水量；θsat为饱和土壤含水量；α、λ、n为描述土壤水分特征曲线形状的统计参数。
- 4 -
模型的验证
采用2004年的干物质总量与叶面积指数来检验率定后的模型。图2是2004年干物质总量
模拟值与观测值散点图，图3为2004年叶面积指数模拟值与观测值散点图。可见，大部分散
点都落在变异范围之内，模拟结果总体上效果良好，说明SWAP模型可用于该地区不同灌溉
制度下旱稻的生长模拟。
0
2000
4000
6000
8000
10000
0 5000 10000
干物质观测值(kg/ha)
干
物
质
模
拟
值
(k
g/
ha
) 干物质
1:1线
1:1±CV
0
1
2
3
4
5
6
0 2 4 6
叶面积指数观测值
叶
面
积
指
数
模
拟
值
叶面积指数
1:1线
1:1±CV
图2 干物质模拟值与观测值散点图（2004年） 图3 叶面积指数模拟值与观测值散点图（2004年）
Measured and simulated dry matter (2004) Measured and simulated leaf aera index (2004)
4 不同条件下旱稻干物质总量及水分生产率模拟分析
模拟实验设计
设计辅以生存灌溉的雨养(RF)、四种无水层灌溉(FI)和淹灌(CF)共六种灌溉方式。雨养
(RF)：生育期内不进行灌溉，除非作物受到严重水分胁迫；四种无水层灌溉(FI)：当田面下
15cm处土壤水势达到灌溉临界指标时进行灌水，灌溉临界指标分别为：FI1＝-10kPa、FI2=-30
kPa、FI3=-50 kPa、FI4=-70 kPa；淹灌(CF)：当地表的负压为零时进行灌水。
设计 6 种地下水埋深，即初始地下水埋深分别为 30cm、100cm、200cm、300cm、400cm、
500cm。
年份：河南惠北试验站 1989～2004 年共 16 年气象资料。合计 578 个处理。
不同灌溉模式对旱稻水量平衡、干物质总量及水分生产率的影响
图 4(a)表明，各灌溉模式的降雨量相同。灌水量相差较大，其中 CF 的灌水量最大，为
375mm；RF 没有灌水；无水层灌溉灌水量随灌溉临界指标的增加而增加。蒸腾量除雨养模
式相对其他 5 个模式平均值减少 8％外，其他模式之间没有明显差异。FI1 与 CF 的蒸发量
基本相同，而 FI2、FI3、FI4 与 RF 的蒸发量基本相同，两组数据相比后一组的蒸发量减少
32％。各模式的渗漏量随灌水量的增加而增加，其中 CF 的渗漏量最大，为-159mm(负值表
示向下渗漏，正值表示利用地下水)，接近灌水量的 50％；FI1 为-155mm，与 CF 的接近；
RF 的渗漏量为 12mm，表明全生育期旱稻通过毛细管上升利用地下水 12mm；FI2、FI3 和
FI4 的渗漏量都较小，而 FI1 的渗漏量与 CF 基本相同，其原因是 FI1 的灌溉临界指标设为
-10kPa，该状态接近为土壤一直处于饱和状态，所以 FI1 的各水量平衡指标与 CF 基本相同。
各灌溉模式的水量平衡指标之间的差异说明 FI1 与 CF 的较大灌水只是增加了蒸发和渗漏。
图 4(b)表明，四种无水层灌溉的干物质总量最高，其次是 CF，RF 的干物质总量最低，
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其中无水层灌溉和 CF 相差不大，RF 比无水层灌溉减少 ％，比 CF 减少 ％。RF 干
物质总量较低与其蒸腾量较低是一致的。
图 4(c)表明，水分生产率(水分投入包括有效降雨及灌溉，下同)随灌水量的增加而逐渐
减少，雨养模式水分生产率最大，达到 ％。无水层灌溉条件下水
分生产率随着灌溉临界指标的增加而减少，其中 FI4 的水分生产率与雨养模式基本相同，而
FI1 由于灌水量较大，其水分生产率只与淹灌模式基本相同。
(a)
-300
-100
100
300
500
FI1 FI2 FI3 FI4 RF CF
水
量
平
衡
指
标
(m
m)
降雨量 灌水量 蒸腾量 蒸发量 渗漏量
(b)
0
2000
4000
6000
8000
FI2 FI4 FI3 FI1 CF RF
干
物
质
总
量
(k
g/
ha
)
(c)
RF FI4 FI3 FI2 FI1 CF
水
分
生
产
率
(k
g/
m3 )
图4 不同灌溉模式下旱稻水量平衡、干物质总量及水分生产率
Water balance、dry matter and water productivity under different irrigation system
不同灌溉模式对渗漏的影响
表3为多年平均条件下不同灌溉模式的渗漏量，可见，FI2、FI3、FI4在生育期利用地下
水量都比较小，渗漏量也不大；FI1及CF则没有利用地下水，相应的渗漏量较大；RF利用地
下水，渗漏量为-41mm。全生育期总体考虑，RF是利用地下水，其他模式都不同程
度补给地下水。所以，RF必须考虑地下水的利用，而FI2、FI3及FI4由于地下水利用量都小，
基本上可以不考虑地下水的利用。
表3 不同灌溉模式的渗漏量
Percolation under different irrigation system
灌溉模式 FI2 FI3 FI4 FI1 CF RF
利用地下水量(mm) 6 0 0
渗漏量(mm) -41 -155 -159 -41
总渗漏量(mm) -35 -16 -15 -155 -159
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不同地下水埋深对各灌溉模式的干物质总量及水分生产率的影响
1989～2004年共16年的模拟结果表明，多年平均条件下，不同地下水埋深的淹灌干物质
总量和水分生产率基本上没有变化。干物质总量的平均值为7182 kg/ha，其最小值比最大值
减少1％；水分生产率的平均值为 kg/m3，其最小值比最大值减少％，表明地下水埋
深对淹灌模式基本上没有影响。
地下水埋深对无水层灌溉的干物质总量和水分生产率的影响较小，虽然当地下水埋深较
深时，干物质总量、水分生产率略有降低，但不明显。干物质总量的平均值为7443kg/ha，
其最小值比最大值减少4％；水分生产率的平均值为
％。
地下水埋深较浅(0～200cm)时，雨养模式旱稻干物质总量、水分生产率变化不大。随着
地下水埋深增加，干物质总量和水分生产率均有明显降低，地下水埋深为500cm时干物质总
量和水分生产率分别比200cm时减少％和％。由表3的分析标明，其原因是地下水埋
深超过一定深度时，雨养模式下旱稻将不能利用地下水，干物质总量和水分生产率都将会下
降，因此，雨养模式应在地下水埋深较浅的地区推广。
5 结论
(1) 针对惠北试验站的旱稻试验资料，利用SWAP模型模拟的干物质总量、叶面积指数
与观测值吻合得比较好，说明SWAP模型可用于该地区旱稻的灌溉制度模拟及水管理评价。
(2) 多年平均条件下地下水埋深对无水层灌溉模式下旱稻干物质总量和水分生产率没
有明显的影响。虽然当地下水埋深较深时，干物质总量、水分生产率略有降低，但不明显。
(3) 淹灌模式下地下水埋深对干物质总量和水分生产率几乎没有影响。淹灌的灌水量只
是增加了深层渗漏。
(4) 地下水埋深较浅(0～200cm)时，雨养模式旱稻干物质总量、水分生产率变化不大，
随着地下水埋深增加，干物质总量和水分生产率均有明显降低。
(5) 各灌溉模式在生育期内均不同程度地产生了深层渗漏，无水层灌溉利用地下水量很
小，基本可不考虑；淹灌及FI1没有利用地下水，而雨养利用地下水量较大，必须考虑地下
水的利用。
参考文献
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Study on Water Regimes of Aerobic Rice and Effect of
Groundwater Depth on Water Saving Irrigation on the basis
of SWAP
Li Xiaomei，Cui Yuanlai，Xie Xianhong
Wuhan University State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering
Science，Wuhan （430072)
Abstract
Aimed at aerobic rice varieties HD297, the different irrigation system tests have been launched from
2003 to 2004 in Huibei irrigation station in Henan Liuyuankou Irrigation District. With the date of
irrigation experiment such as irrigation level、soil water potential、leaf area index and yield of dry
matter, the adaptability of simulation of aerobic rice irrigation system and crop growth based on the
SWAP were validated and the parameters in the model were calibrated. The results show that SWAP
model is suitable for aerobic rice growth simulation under different irrigation system. On this basis, dry
matter、water productivity, and effect of ground water were analyzed under continuous flooding,
alternative drying and wetting, and rainfed conditions by using SWAP model. The result showed that
among the three water regimes, water productivity under rainfed condition was the highest, and then
alternative drying and wetting, that of continuous flooding was the lowest. Ground water depth affected
the dry matter and water productivity of rainfed planting most. It had less effect on alternative drying
and wetting, and no effect on continuous flooding.
Keywords：aerobic rice；irrigation system；SWAP model；ground water depth
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