AquaCrop模型在北疆滴灌春小麥生產(chǎn)中的校準(zhǔn)及驗(yàn)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(qū)不同灌溉制度下的小麥耗水量，進(jìn)一步提高水分利用效率，在北疆春小麥生產(chǎn)中引進(jìn)FAO推薦的AquaCrop作物水分生產(chǎn)力模型，基于實(shí)測資料對模型進(jìn)行校驗(yàn)。結(jié)果表明，校準(zhǔn)后的模型能夠準(zhǔn)確模擬北疆滴灌春小麥蒸散量，以此為基礎(chǔ)得到的冠層覆蓋度、地上部干生物量及籽粒產(chǎn)量具有良好的模擬精度。因此，在干旱區(qū)應(yīng)用AquaCrop模型模擬滴灌春小麥蒸散量指導(dǎo)精準(zhǔn)灌溉是可行的。

關(guān)鍵詞：AquaCrop模型；春小麥；滴灌；土體貯水量；生物量；冠層覆蓋度；產(chǎn)量

中圖分類號： S512.1+20.7文獻(xiàn)標(biāo)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(chǔ)[1]，對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量具有重要影響。然而由于該指標(biāo)測定的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的大田試驗(yàn)難以在多尺度上對作物蒸散量進(jìn)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(chǎn)量潛力的影響，同時(shí)不受時(shí)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(chǎn)函數(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，是以水分為驅(qū)動(dòng)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(shù)少、參數(shù)容易獲取和驗(yàn)證的優(yōu)點(diǎn)[9]。小麥?zhǔn)切陆牡谝淮蠹Z食作物，種植面積占糧食作物的65%以上。近2年滴灌技術(shù)在新疆小麥生產(chǎn)中的應(yīng)用，獲得了一定的增產(chǎn)增收效果。如何將滴灌技術(shù)與灌溉智能化自動(dòng)化配合，發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，對于推進(jìn)我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程具有重要作用。為此，本研究結(jié)合干旱區(qū)小麥生產(chǎn)的實(shí)際情況，于2009—2011年在石河子進(jìn)行滴灌春小麥水分控制試驗(yàn)，對AquaCrop模型進(jìn)行本地化校準(zhǔn)并驗(yàn)證，為準(zhǔn)確估算北疆滴灌春小麥需水量，實(shí)現(xiàn)小麥灌溉策略定量化以及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2009—2011年3月底至7月中旬，在新疆石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站（44°19′N，86°03′E，海拔450.8 m）進(jìn)行。該區(qū)域位于歐亞大陸中心，準(zhǔn)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(shí)數(shù)2 318～2 732 h，無霜期147～191 d，年降水量180～270 mm，年蒸發(fā)量1 000～1 500 mm。試驗(yàn)區(qū)土壤為灌溉灰漠土，質(zhì)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(jī)質(zhì)5.120 g/kg。

1.2試驗(yàn)處理

試驗(yàn)材料為春小麥，品種為新春6號，采用地表滴灌方式進(jìn)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(fù)。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(guī)大田管理。

1.3數(shù)據(jù)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(jì)監(jiān)測土壤墑情[10]。土壤水勢監(jiān)測點(diǎn)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(shù)關(guān)系式為 y=-4.4883ln（x）+30.453，r2=0979 4。根據(jù)公式[11]（1）計(jì)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(diǎn)的質(zhì)量含水量，n為樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

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(qū)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(zhì)量后稱干質(zhì)量，最后計(jì)算干物質(zhì)積累量。

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

1.3.4產(chǎn)量于成熟期，以小區(qū)為單位，隨機(jī)選取3個(gè)1 m2樣方進(jìn)行實(shí)收測定產(chǎn)量，最后折算出單位面積籽粒產(chǎn)量，籽粒經(jīng)曬干后稱質(zhì)量。

1.4AquaCrop模型數(shù)據(jù)庫的建立

模型的輸入需要?dú)庀髷?shù)據(jù)、作物數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和田間管理數(shù)據(jù)。

氣象數(shù)據(jù)：來自新疆石河子市氣象局，包括春小麥生育期內(nèi)逐日氣象數(shù)據(jù)，即最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、相對濕度、2 m處風(fēng)速。參考作物蒸散量計(jì)算獲得圖1。根據(jù)蒸騰量文件、溫度文件和降雨量文件建立模型氣象數(shù)據(jù)庫文件。

作物數(shù)據(jù)：根據(jù)試驗(yàn)區(qū)春小麥實(shí)際生長生育期輸入AquaCrop模型生成作物參數(shù)數(shù)據(jù)庫文件。用2011年試驗(yàn)點(diǎn)春小麥無水分脅迫試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行參數(shù)本地化校正與調(diào)試，用2009年試驗(yàn)點(diǎn)春小麥觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的驗(yàn)證，最終確立的作物參數(shù)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(chǎn)量與實(shí)測值進(jìn)行比較，用決定系數(shù)（R2）和均方根誤差（RMSE）作為評定模擬結(jié)果精度的指標(biāo)，其中RMSE根據(jù)公式（2）計(jì)算，它的值越接近0，表明模擬值與實(shí)際觀測值的一致性越好，即模型的模擬結(jié)果越標(biāo)準(zhǔn)、可靠。

式中：RMSE為均方根誤差；Pi為模擬值；Oi為實(shí)測值；n為樣本個(gè)數(shù)。

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(chǎn)的作物產(chǎn)量。本研究中采用公式（3）、（4）計(jì)算滴灌春小麥的籽粒產(chǎn)量和生物量的水分利用效率[13]。

式中：WUEGrain、WUEBiomass分別為籽粒產(chǎn)量和生物量的水分利用效率（kg/m3）；GY、B分別觀測的籽粒產(chǎn)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(jié)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(jié)果，模擬值與觀測值之間的決定系數(shù)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(shí)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(shù)與土壤實(shí)際含水量之間存在滯后效應(yīng)有關(guān)[14]。剔除相應(yīng)灌溉發(fā)生當(dāng)日及其前后2 d數(shù)據(jù)后可以發(fā)現(xiàn)，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(jié)果，模擬值與觀測值之間的決定系數(shù)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(jié)果，模擬值與觀測值之間的決定系數(shù)與根均方差分別為0.94、0.92。

2.4最終生物量與產(chǎn)量模擬

根據(jù)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(chǎn)量結(jié)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(jì)算作物產(chǎn)量的關(guān)鍵，可分為作物蒸騰（Tr）和土壤蒸發(fā)（E）。本研究表明不同灌溉定額與Tr之間存在顯著二次函數(shù)關(guān)系（y=-0.000x2+0.733x+1576，R2=0.927），滴灌小麥的產(chǎn)量隨著灌水量上升不斷增加，但當(dāng)灌水量上升到了一定程度，產(chǎn)量反而降低。當(dāng)灌溉定額為450 mm時(shí)，滴灌春小麥水分利用效率最高。結(jié)合2009年和2011年小麥生長季（4—7月）的降水量數(shù)據(jù)（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(jīng)過本研究校準(zhǔn)后的AquaCrop模型模擬北疆滴灌春小麥蒸散量和實(shí)際測量值之間具有較高的一致性。此外，當(dāng)灌溉定額為450 mm時(shí)，滴灌春小麥產(chǎn)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(dá)到最大值，這可能與2年的降水量分布不均有關(guān)。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(jié)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(shí)充足的水分供應(yīng)是保證小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵。

盡管校準(zhǔn)后的AquaCrop模型模擬得出了作物實(shí)際蒸散量、作物生物量、產(chǎn)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(yùn)動(dòng)，模擬精度有待提高。如何結(jié)合Hydrus 2D/3D多維包氣帶水分運(yùn)動(dòng)模擬軟件[16-17]，以更精確地獲取土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，是進(jìn)一步提高AquaCrop模型模擬精度的新途徑。

4結(jié)論

本研究引進(jìn)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(yàn)數(shù)據(jù)對AquaCrop模型進(jìn)行本地化校準(zhǔn)及驗(yàn)證，模型在土體貯水量、冠層覆蓋度、地上部干生物量產(chǎn)量的模擬上均獲得了良好的精度，結(jié)果表明AquaCrop模型可以在北疆滴灌春小麥的生產(chǎn)上進(jìn)行很好的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]周麗麗，梁效貴，高震，等. 基于CERES-Wheat模型的滄州地區(qū)冬小麥需水量分析[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2015，23（10）：1320-1328.

[2]李忠武，蔡強(qiáng)國，唐政洪，等. 作物生產(chǎn)力模型及其應(yīng)用研究[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，13（9）：1174-1178.

[3]王連喜，吳建生，李琪，等. AquaCrop作物模型應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 地球科學(xué)進(jìn)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，F(xiàn)eng 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.