AquaCrop模型在北疆滴灌春小麦生产中的校准及验证

柴顺喜+陈锐+李杰+杨平+樊华+崔静+马富裕

摘要：为精确模拟干旱区不同灌溉制度下的小麦耗水量，进一步提高水分利用效率，在北疆春小麦生产中引进FAO推荐的AquaCrop作物水分生产力模型，基于实测资料对模型进行校验。结果表明，校准后的模型能够准确模拟北疆滴灌春小麦蒸散量，以此为基础得到的冠层覆盖度、地上部干生物量及籽粒产量具有良好的模拟精度。因此，在干旱区应用AquaCrop模型模拟滴灌春小麦蒸散量指导精准灌溉是可行的。

关键词：AquaCrop模型；春小麦；滴灌；土体贮水量；生物量；冠层覆盖度；产量

中图分类号： S512.1+20.7文献标志码：A文章編号：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础[1]，对作物生长发育和产量具有重要影响。然而由于该指标测定的复杂性，传统的大田试验难以在多尺度上对作物蒸散量进行定量化分析。作物模型可有效避免不确定性因素对作物产量潜力的影响，同时不受时间和地域等因素的限制[2]。AquaCrop模型是在FAO灌溉与排水33号文件——《FAO No. 33 “Yield Response to Water”》的水分生产函数基础上发展而来，是以水分为驱动的通用作物生长模型，在作物灌溉管理、种植制度以及未来气候情景模拟方面已取得了较好成果[3-8]。与CropSyst和WOFOST模型相比，AquaCrop模型具有需要参数少、参数容易获取和验证的优点[9]。小麦是新疆的第一大粮食作物，种植面积占粮食作物的65%以上。近2年滴灌技术在新疆小麦生产中的应用，获得了一定的增产增收效果。如何将滴灌技术与灌溉智能化自动化配合，发展精准农业，对于推进我国农业现代化进程具有重要作用。为此，本研究结合干旱区小麦生产的实际情况，于2009—2011年在石河子进行滴灌春小麦水分控制试验，对AquaCrop模型进行本地化校准并验证，为准确估算北疆滴灌春小麦需水量，实现小麦灌溉策略定量化以及精准农业提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2009—2011年3月底至7月中旬，在新疆石河子大学农学院试验站（44°19′N，86°03′E，海拔450.8 m）进行。该区域位于欧亚大陆中心，准噶尔盆地南缘，属于典型的温带大陆性气候。年平均气温7.5～8.2 ℃，日照时数2 318～2 732 h，无霜期147～191 d，年降水量180～270 mm，年蒸发量1 000～1 500 mm。试验区土壤为灌溉灰漠土，质地为沙壤土，耕层土壤全氮0.680 g/kg，速效磷0.051 g/kg，速效钾0194 g/kg，碱解氮0.061 g/kg，土壤有机质5.120 g/kg。

1.2试验处理

试验材料为春小麦，品种为新春6号，采用地表滴灌方式进行灌溉，毛管配置方式为1管6行（1条毛管灌溉6行小麦），毛管间距为90 cm，小麦行距为15 cm。2009年的灌溉定额分别为150、300、450、600 mm，2011年的灌溉定额分别为300、450、600、750 mm，3次重复。2009年150 mm灌溉定额处理春小麦全生育期灌水9次，其他处理灌水11次，每7 d左右灌溉1次。2011年全生育期灌水8次，每10 d均匀灌溉1次。施肥同普通大田水平，其他均为常规大田管理。

1.3数据获取与处理

1.3.1土体贮水量从出苗后开始，每日09：00—10：00用Watermark（Irrometer公司）张力计监测土壤墒情[10]。土壤水势监测点位于垂直于滴灌带的二维土壤剖面上，分别位于水平距滴灌带15、30、45 cm，垂直距地表20、40、60 cm处。用烘干法建立土壤水分张力与土壤含水率之间的函数关系式为 y=-4.4883ln（x）+30.453，r2=0979 4。根据公式[11]（1）计算出各处理0.6 m土层平均的土体贮水量。其中，SWC为土体贮水量（mm），r为平均土体容重（g/cm3），h为土层深度（mm），wi为watermark测量位点的质量含水量，n为样点个数。

SWC=11n×r×h×∑n1lwi。（1）

1.3.2生物量于出苗后12 d开始，每隔2周在各小区选取生长状况良好、长势一致的植株30株，先用LI-300C叶面积仪测定植株叶面积，然后将样品植株在105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干48 h至恒质量后称干质量，最后计算干物质积累量。

1.3.3冠层覆盖度利用叶面积指数，根据公式[12]CC=1005[1-exp（-0.6LAI）]1.2计算相应的冠层覆盖度。

1.3.4产量于成熟期，以小区为单位，随机选取3个1 m2样方进行实收测定产量，最后折算出单位面积籽粒产量，籽粒经晒干后称质量。

1.4AquaCrop模型数据库的建立

模型的输入需要气象数据、作物数据、土壤数据和田间管理数据。

气象数据：来自新疆石河子市气象局，包括春小麦生育期内逐日气象数据，即最高气温、最低气温、降水量、日照时数、相对湿度、2 m处风速。参考作物蒸散量计算获得图1。根据蒸腾量文件、温度文件和降雨量文件建立模型气象数据库文件。

作物数据：根据试验区春小麦实际生长生育期输入AquaCrop模型生成作物参数数据库文件。用2011年试验点春小麦无水分胁迫试验数据对模型进行参数本地化校正与调试，用2009年试验点春小麦观测数据进行模型的验证，最终确立的作物参数见表1。

、将AquaCrop模型模拟的滴灌春小麦冠层覆盖度、地上部干生物量、0.6 m土体贮水量、产量与实测值进行比较，用决定系数（R2）和均方根误差（RMSE）作为评定模拟结果精度的指标，其中RMSE根据公式（2）计算，它的值越接近0，表明模拟值与实际观测值的一致性越好，即模型的模拟结果越标准、可靠。

式中：RMSE为均方根误差；Pi为模拟值；Oi为实测值；n为样本个数。

1.6水分利用效率

作物水分利用效率为每消耗单位水量所生产的作物产量。本研究中采用公式（3）、（4）计算滴灌春小麦的籽粒产量和生物量的水分利用效率[13]。

式中：WUEGrain、WUEBiomass分别为籽粒产量和生物量的水分利用效率（kg/m3）；GY、B分别观测的籽粒产量与地上部生物量（t/hm2）；Tr为AquaCrop模型模拟的作物蒸腾量（mm），100为单位换算。

2结果与分析

2.1土体贮水量模擬

由图2可知AquaCrop模型模拟2009年4种灌溉定额 0.6 m 土体贮水量结果，模拟值与观测值之间的决定系数与根均方差分别为0.40、14.34。播种70 d前的土体贮水量与实际情况基本吻合，播种70 d后模型明显低估了150 mm处理的土体贮水量，而在其他处理则明显高估，且模拟偏差有随灌溉定额增加而增大的趋势。此外，灌溉前后0.6 m土体贮水量的模拟值与观测值之间存在一定差异，这可能与灌水前后Watermark读数与土壤实际含水量之间存在滞后效应有关[14]。剔除相应灌溉发生当日及其前后2 d数据后可以发现，模拟精度大大提升（图3）。

2.2冠层覆盖度模拟

由图4可知AquaCrop模型模拟2009年4种灌溉定额冠层覆盖度结果，模拟值与观测值之间的决定系数与根均方差分别为0.88、6.84。

2.3地上部生物量模拟

由图5可知AquaCrop模型模拟2009年4种灌溉定额地上部干生物量结果，模拟值与观测值之间的决定系数与根均方差分别为0.94、0.92。

2.4最终生物量与产量模拟

根据表2可知AquaCrop模型模拟2009、2011年4种灌溉定额最终生物量与产量结果，模拟值与观测值之间的决定

、3讨论

作物蒸散量是AquaCrop模型计算作物产量的关键，可分为作物蒸腾（Tr）和土壤蒸发（E）。本研究表明不同灌溉定额与Tr之间存在显著二次函数关系（y=-0.000x2+0.733x+1576，R2=0.927），滴灌小麦的产量随着灌水量上升不断增加，但当灌水量上升到了一定程度，产量反而降低。当灌溉定额为450 mm时，滴灌春小麦水分利用效率最高。结合2009年和2011年小麦生长季（4—7月）的降水量数据（分别为119.4、83.2 mm），可以推算出小麦总蒸散量为569～533 mm，与廖江等研究得到的最佳灌溉定额6 000 m3/hm2[15]大体一致。因此，经过本研究校准后的AquaCrop模型模拟北疆滴灌春小麦蒸散量和实际测量值之间具有较高的一致性。此外，当灌溉定额为450 mm时，滴灌春小麦产量水分利用效率和地上部生物量的水分利用效率分别在2009年和2011年达到最大值，这可能与2年的降水量分布不均有关。2009年小麦开花期与籽粒形成期的降水量分别较2011年高出328、12 mm，2011年小麦分蘖期的降水量较2009年高出 9.6 mm，而小麦拔节至抽穗和抽穗至成熟阶段的耗水量占总耗水量的70%左右，此时充足的水分供应是保证小麦产量的关键。

尽管校准后的AquaCrop模型模拟得出了作物实际蒸散量、作物生物量、产量以及土体贮水量，但是由于该模型仅考虑一维的土壤水分运动，模拟精度有待提高。如何结合Hydrus 2D/3D多维包气带水分运动模拟软件[16-17]，以更精确地获取土壤水分数据，是进一步提高AquaCrop模型模拟精度的新途径。

4结论

本研究引进FAO推荐的AquaCrop通用作物生长模型，通过2年不同灌溉定额滴灌春小麦的试验数据对AquaCrop模型进行本地化校准及验证，模型在土体贮水量、冠层覆盖度、地上部干生物量产量的模拟上均获得了良好的精度，结果表明AquaCrop模型可以在北疆滴灌春小麦的生产上进行很好的应用。

参考文献：

[1]周丽丽，梁效贵，高震，等. 基于CERES-Wheat模型的沧州地区冬小麦需水量分析[J]. 中国生态农业学报，2015，23（10）：1320-1328.

[2]李忠武，蔡强国，唐政洪，等. 作物生产力模型及其应用研究[J]. 应用生态学报，2002，13（9）：1174-1178.

[3]王连喜，吴建生，李琪，等. AquaCrop作物模型应用研究进展[J]. 地球科学进展，2015，30（10）：1100-1106.

[4]Farahani H J，Izzi G，Oweis T Y. Parameterization and evaluation of the AquaCrop model for full and deficit irrigated cotton[J]. Agronomy Journal，2009，101（3）：469-476.

[5]Andarzian B，Bannayan M，Steduto P，et al. Validation and testing of the aquacrop model under full and deficit irrigated wheat production in Iran[J]. Agricultural Water Management，2011，100（1）：1-8.

[6]Jin X，Feng H，Zhu X，et al. Assessment of the AquaCrop model for use in simulation of irrigated winter wheat canopy cover，biomass，and grain yield in the North China Plain[J]. PLoS One，2014，9（1）：e86938.