AquaCrop模型在北疆滴灌春小麥生產中的校準及驗證

柴順喜+陳銳+李杰+楊平+樊華+崔靜+馬富裕

摘要：為精確模擬干旱區不同灌溉制度下的小麥耗水量，進一步提高水分利用效率，在北疆春小麥生產中引進FAO推薦的AquaCrop作物水分生產力模型，基于實測資料對模型進行校驗。結果表明，校準后的模型能夠準確模擬北疆滴灌春小麥蒸散量，以此為基礎得到的冠層覆蓋度、地上部干生物量及籽粒產量具有良好的模擬精度。因此，在干旱區應用AquaCrop模型模擬滴灌春小麥蒸散量指導精準灌溉是可行的。

關鍵詞：AquaCrop模型；春小麥；滴灌；土體貯水量；生物量；冠層覆蓋度；產量

中圖分類號： S512.1+20.7文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2017）08-0215-04

作物蒸散量是制定作物灌溉制度和灌溉需水量的基礎[1]，對作物生長發育和產量具有重要影響。然而由于該指標測定的復雜性，傳統的大田試驗難以在多尺度上對作物蒸散量進行定量化分析。作物模型可有效避免不確定性因素對作物產量潛力的影響，同時不受時間和地域等因素的限制[2]。AquaCrop模型是在FAO灌溉與排水33號文件——《FAO No. 33 “Yield Response to Water”》的水分生產函數基礎上發展而來，是以水分為驅動的通用作物生長模型，在作物灌溉管理、種植制度以及未來氣候情景模擬方面已取得了較好成果[3-8]。與CropSyst和WOFOST模型相比，AquaCrop模型具有需要參數少、參數容易獲取和驗證的優點[9]。小麥是新疆的第一大糧食作物，種植面積占糧食作物的65%以上。近2年滴灌技術在新疆小麥生產中的應用，獲得了一定的增產增收效果。如何將滴灌技術與灌溉智能化自動化配合，發展精準農業，對于推進我國農業現代化進程具有重要作用。為此，本研究結合干旱區小麥生產的實際情況，于2009—2011年在石河子進行滴灌春小麥水分控制試驗，對AquaCrop模型進行本地化校準并驗證，為準確估算北疆滴灌春小麥需水量，實現小麥灌溉策略定量化以及精準農業提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于2009—2011年3月底至7月中旬，在新疆石河子大學農學院試驗站（44°19′N，86°03′E，海拔450.8 m）進行。該區域位于歐亞大陸中心，準噶爾盆地南緣，屬于典型的溫帶大陸性氣候。年平均氣溫7.5～8.2 ℃，日照時數2 318～2 732 h，無霜期147～191 d，年降水量180～270 mm，年蒸發量1 000～1 500 mm。試驗區土壤為灌溉灰漠土，質地為沙壤土，耕層土壤全氮0.680 g/kg，速效磷0.051 g/kg，速效鉀0194 g/kg，堿解氮0.061 g/kg，土壤有機質5.120 g/kg。

1.2試驗處理

試驗材料為春小麥，品種為新春6號，采用地表滴灌方式進行灌溉，毛管配置方式為1管6行（1條毛管灌溉6行小麥），毛管間距為90 cm，小麥行距為15 cm。2009年的灌溉定額分別為150、300、450、600 mm，2011年的灌溉定額分別為300、450、600、750 mm，3次重復。2009年150 mm灌溉定額處理春小麥全生育期灌水9次，其他處理灌水11次，每7 d左右灌溉1次。2011年全生育期灌水8次，每10 d均勻灌溉1次。施肥同普通大田水平，其他均為常規大田管理。

1.3數據獲取與處理

1.3.1土體貯水量從出苗后開始，每日09：00—10：00用Watermark（Irrometer公司）張力計監測土壤墑情[10]。土壤水勢監測點位于垂直于滴灌帶的二維土壤剖面上，分別位于水平距滴灌帶15、30、45 cm，垂直距地表20、40、60 cm處。用烘干法建立土壤水分張力與土壤含水率之間的函數關系式為 y=-4.4883ln（x）+30.453，r2=0979 4。根據公式[11]（1）計算出各處理0.6 m土層平均的土體貯水量。其中，SWC為土體貯水量（mm），r為平均土體容重（g/cm3），h為土層深度（mm），wi為watermark測量位點的質量含水量，n為樣點個數。

SWC=11n×r×h×∑n1lwi。（1）

1.3.2生物量于出苗后12 d開始，每隔2周在各小區選取生長狀況良好、長勢一致的植株30株，先用LI-300C葉面積儀測定植株葉面積，然后將樣品植株在105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干48 h至恒質量后稱干質量，最后計算干物質積累量。

1.3.3冠層覆蓋度利用葉面積指數，根據公式[12]CC=1005[1-exp（-0.6LAI）]1.2計算相應的冠層覆蓋度。

1.3.4產量于成熟期，以小區為單位，隨機選取3個1 m2樣方進行實收測定產量，最后折算出單位面積籽粒產量，籽粒經曬干后稱質量。

1.4AquaCrop模型數據庫的建立

模型的輸入需要氣象數據、作物數據、土壤數據和田間管理數據。

氣象數據：來自新疆石河子市氣象局，包括春小麥生育期內逐日氣象數據，即最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數、相對濕度、2 m處風速。參考作物蒸散量計算獲得圖1。根據蒸騰量文件、溫度文件和降雨量文件建立模型氣象數據庫文件。

作物數據：根據試驗區春小麥實際生長生育期輸入AquaCrop模型生成作物參數數據庫文件。用2011年試驗點春小麥無水分脅迫試驗數據對模型進行參數本地化校正與調試，用2009年試驗點春小麥觀測數據進行模型的驗證，最終確立的作物參數見表1。

、將AquaCrop模型模擬的滴灌春小麥冠層覆蓋度、地上部干生物量、0.6 m土體貯水量、產量與實測值進行比較，用決定系數（R2）和均方根誤差（RMSE）作為評定模擬結果精度的指標，其中RMSE根據公式（2）計算，它的值越接近0，表明模擬值與實際觀測值的一致性越好，即模型的模擬結果越標準、可靠。

式中：RMSE為均方根誤差；Pi為模擬值；Oi為實測值；n為樣本個數。

1.6水分利用效率

作物水分利用效率為每消耗單位水量所生產的作物產量。本研究中采用公式（3）、（4）計算滴灌春小麥的籽粒產量和生物量的水分利用效率[13]。

式中：WUEGrain、WUEBiomass分別為籽粒產量和生物量的水分利用效率（kg/m3）；GY、B分別觀測的籽粒產量與地上部生物量（t/hm2）；Tr為AquaCrop模型模擬的作物蒸騰量（mm），100為單位換算。

2結果與分析

2.1土體貯水量模擬

由圖2可知AquaCrop模型模擬2009年4種灌溉定額 0.6 m 土體貯水量結果，模擬值與觀測值之間的決定系數與根均方差分別為0.40、14.34。播種70 d前的土體貯水量與實際情況基本吻合，播種70 d后模型明顯低估了150 mm處理的土體貯水量，而在其他處理則明顯高估，且模擬偏差有隨灌溉定額增加而增大的趨勢。此外，灌溉前后0.6 m土體貯水量的模擬值與觀測值之間存在一定差異，這可能與灌水前后Watermark讀數與土壤實際含水量之間存在滯后效應有關[14]。剔除相應灌溉發生當日及其前后2 d數據后可以發現，模擬精度大大提升（圖3）。

2.2冠層覆蓋度模擬

由圖4可知AquaCrop模型模擬2009年4種灌溉定額冠層覆蓋度結果，模擬值與觀測值之間的決定系數與根均方差分別為0.88、6.84。

2.3地上部生物量模擬

由圖5可知AquaCrop模型模擬2009年4種灌溉定額地上部干生物量結果，模擬值與觀測值之間的決定系數與根均方差分別為0.94、0.92。

2.4最終生物量與產量模擬

根據表2可知AquaCrop模型模擬2009、2011年4種灌溉定額最終生物量與產量結果，模擬值與觀測值之間的決定

、3討論

作物蒸散量是AquaCrop模型計算作物產量的關鍵，可分為作物蒸騰（Tr）和土壤蒸發（E）。本研究表明不同灌溉定額與Tr之間存在顯著二次函數關系（y=-0.000x2+0.733x+1576，R2=0.927），滴灌小麥的產量隨著灌水量上升不斷增加，但當灌水量上升到了一定程度，產量反而降低。當灌溉定額為450 mm時，滴灌春小麥水分利用效率最高。結合2009年和2011年小麥生長季（4—7月）的降水量數據（分別為119.4、83.2 mm），可以推算出小麥總蒸散量為569～533 mm，與廖江等研究得到的最佳灌溉定額6 000 m3/hm2[15]大體一致。因此，經過本研究校準后的AquaCrop模型模擬北疆滴灌春小麥蒸散量和實際測量值之間具有較高的一致性。此外，當灌溉定額為450 mm時，滴灌春小麥產量水分利用效率和地上部生物量的水分利用效率分別在2009年和2011年達到最大值，這可能與2年的降水量分布不均有關。2009年小麥開花期與籽粒形成期的降水量分別較2011年高出328、12 mm，2011年小麥分蘗期的降水量較2009年高出 9.6 mm，而小麥拔節至抽穗和抽穗至成熟階段的耗水量占總耗水量的70%左右，此時充足的水分供應是保證小麥產量的關鍵。

盡管校準后的AquaCrop模型模擬得出了作物實際蒸散量、作物生物量、產量以及土體貯水量，但是由于該模型僅考慮一維的土壤水分運動，模擬精度有待提高。如何結合Hydrus 2D/3D多維包氣帶水分運動模擬軟件[16-17]，以更精確地獲取土壤水分數據，是進一步提高AquaCrop模型模擬精度的新途徑。

4結論

本研究引進FAO推薦的AquaCrop通用作物生長模型，通過2年不同灌溉定額滴灌春小麥的試驗數據對AquaCrop模型進行本地化校準及驗證，模型在土體貯水量、冠層覆蓋度、地上部干生物量產量的模擬上均獲得了良好的精度，結果表明AquaCrop模型可以在北疆滴灌春小麥的生產上進行很好的應用。

參考文獻：

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