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
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