作物水文模型AquaCrop---用于評估作物對水的需求、灌溉計劃和管理策略

AquaCrop是由世界糧食及農業組織（FAO）開發的一個先進模型，旨在研究和優化農作物的水分生產效率。這個模型在全球范圍內被廣泛應用于農業水管理，特別是在制定農作物灌溉計劃和應對水資源限制方面顯示出其強大的實用性。AquaCrop 不僅包含一個全面的數據庫，還提供了用戶友好的接口，使得它在實際應用中極為便捷。

模型的核心優勢在于其獨特的水分管理能力，能夠精確模擬作物生長過程中水分的需求與消耗，幫助農業工作者制定更為科學和高效的灌溉策略。通過對作物的水分需求和供應的精確計算，AquaCrop 能夠幫助提高水資源的使用效率，優化作物產量和質量。

一、基于AquaCrop模型的玉米需水和降水匹配度變化特征研究

雨熱同期為我國大部分地區農業生產提供了充足的水熱資源,但從需水機理的角度評估作物生長和降水過程匹配度的變化特征還有待深入。基于AquaCrop模型模擬了關中地區1978-2017年夏玉米生育期內需水量、灌溉需水量、有效降水量和產量的變化特征,并在充分考慮玉米不同生育階段對水分需求程度差異的基礎上,分析了作物需水與降水匹配度的變化特征。結果表明:關中地區玉米生育期內累積降雨量變化幅度相對較小,但降水過程明顯后移,且更多的以暴雨的形式發生;玉米生育期內需水量和灌溉需水量均呈現明顯的增加趨勢,增加幅度分別為4.10 mm/10a和13.38 mm/10a,而有效降水量則以-10.28 mm/10a的速率減小;玉米生育期內需水與降水的平均匹配度為58%,且整體以-2.7%/10a的速率下降。上述結果表明關中地區降水模式越來越難以滿足夏玉米的水分需求,延遲播種可作為提高作物需水與降水匹配度的應對措施之一

作者：高爽丁一民朱磊萬愉快柴明堂丁朋朋鄒業斌

二、AquaCrop模型在西北胡麻生物量及產量模擬中的應用和驗證

為了預測水分和養分對胡麻籽粒產量、生物量與水分生產率的影響,使用FAO研發的水分驅動作物模型AquaCrop對胡麻在不同灌溉與氮磷水平下的生長情況進行模擬和驗證。試驗分別于2011年、2012年在甘肅省榆中縣良種場進行,試驗設置4個灌溉水平,3個氮水平,3個磷水平。模型性能的評價采用模型效率(E)、決定系數(R2)、均方根誤差(RMSE)和平均絕對誤差(MAE)等統計指標。分析結果表明:AquaCrop模型校正的籽粒產量和生物量在不同灌溉與氮磷水平處理下的預測誤差統計值為:0.97<E<0.99,0.11<RMSE<0.33,0.11 t·hm 2<MAE<0.42 t·hm 2,與2012年的試驗觀察數據(0.96<E<0.99,0.11<RMSE<0.42,0.11 t·hm 2<MAE<0.39 t·hm 2)基本一致;同時,群體覆蓋(CC)與生物量的模擬結果與測定值也非常擬合。AquaCrop模型在充分灌溉處理下預測胡麻產量,比非充分灌溉處理下具更高的準確性。因而,水分驅動模型AquaCrop在西北胡麻區不同的灌溉與田間管理措施下有較高的模擬精確性,具有廣闊的應用前景和價值。

作者：李玥牛俊義郭麗琢高珍妮孫小花

三、基于AquaCrop模型評估氣候變化下棉花生產的可持續性

運用2017-2018年南疆綠洲區膜下滴灌棉花土壤水分、冠層覆蓋度、生物量、蒸散量(ET)及產量(Y)數據,校準和驗證AquaCrop模型中作物參數,將數據輸入AquaCrop模型氣象、作物、灌溉、田間管理模塊模擬了6種灌溉水平(18、24、30、36、45和54mm)和5個播期(3月23日、4月3日、4月13日、4月23日和5月3日)共30種情景下南疆綠洲區膜下滴灌棉花的生物量和產量,并分析1988-2017年連續30a棉花產量的穩定性和可持續性。結果表明,AquaCrop模型能夠較好地模擬不同灌溉和播期下棉花冠層蓋度、地上生物量和土壤水分,歸一化均方根誤差(NRMSE)均小于20%,協同指數(d)和相關系數(R~2)均接近1。AquaCrop模型低估了棉花蒸散量和產量,相對誤差(RE)分別為-4.5%~1.2%和-8.6%~-6.8%,但證明了AquaCrop模型可以進行情景模擬。模型預測表明,棉花生產穩定性和可持續性受播期影響較小,而隨灌水定額的增大而提高。播期相同時,棉花生物量和產量隨灌溉定額的增大而增加,在495mm的灌溉定額下獲得了較高的灌溉用水效率,并確保棉花產量無顯著下降。同時,在495mm灌溉定額下適當推遲播期至4月13日,可以節約用水36.78mm,如運用早熟棉種于4月23日播種,可以節約用水65.34mm。因此,對于水資源富裕地區可考慮早播獲得高產,而水資源匱乏地區在品種與栽培模式配套下,晚播是一種適應現在和未來氣候變化下水資源短缺的經濟、有效的策略。

作者：王洪博李國輝徐雪雯黃維雄趙澤藝高陽王興鵬

四、不同灌溉方式和灌水定額對夏玉米生長的影響及AquaCrop模型的適應性研究

【目的】探明不同灌溉方式和灌水定額對夏玉米生長的影響及AquaCrop模型的適應性。【方法】設置4個試驗處理:常規滴灌10 mm(N1)、常規滴灌20 mm(N2)、膜下滴灌10 mm(M1)和膜下滴灌20 mm(M2),研究不同灌溉方式和灌水定額對夏玉米生長的影響,并基于2 a的試驗數據對AquaCrop模型進行率定、驗證,利用率定、驗證后的模型預測平水年不同灌溉方案下的夏玉米產量,以產量最大為目標篩選最優的灌溉方案。【結果】N2處理下的0~40 cm土層土壤含水率(SWC)均高于N1處理和M2處理;各處理的生物量平均值和產量表現為:M2處理>M1處理>N2處理>N1處理。各處理SWC模擬值與實測值的R2、EF和RMSE分別為0.645~0.907、0.461~0.779和0.021~0.034,冠層覆蓋度模擬值與實測值的R2、EF和RMSE分別為0.942~0.992、0.964~0.990和0.463~0.781,生物量模擬值與實測值的R2、EF和RMSE分別為0.959~0.984、0.969~0.986和0.507~0.614 t/hm2,產量模擬值與實測值的RMSE為0.180~0.890 t/hm2,水分利用效率模擬值與實測值的RMSE為0.001~0.003 t/(hm2·mm)。【結論】常規滴灌下高水相比低水處理可提高0~40 cm土層SWC,灌水20 mm條件下,常規滴灌處理在0~40 cm土層的SWC高于膜下滴灌處理;覆膜與提高灌水量均能提高夏玉米的生物量和產量,AquaCrop模型能較好地模擬天津市夏玉米的生長過程;夏玉米最優灌溉方案為苗期灌溉20 mm、抽穗期和灌漿期各灌溉10 mm。

作者：常梅周青云尹林萍

五、基于AquaCrop模型的水稻多目標灌溉制度優化研究

【目的】優化現有水稻灌溉制度,節約灌溉用水量,減少稻田氮磷流失量以降低面源污染風險。【方法】構建了基于AquaCrop模型和NSGA-Ⅱ算法的水稻灌溉制度模擬優化模型,利用水稻田間試驗數據,開展以產量最大、氮磷流失量最小、灌水次數最少的3種目標組合(產量-氮磷流失量(Y-TNP)、產量-灌水次數(Y-N)、產量-氮磷流失量-灌水次數(Y-TNP-N))下的灌溉制度優化模型研究,提出適應不同生育期降水年型的穩產-控污-提效灌溉制度。【結果】(1)與常規灌溉相比,Y-TNP灌溉制度優化水稻產量下降2.14%,氮磷流失量減少23.09%;Y-N灌溉制度優化水稻產量下降1.76%,灌水次數減少53%;Y-TNP-N灌溉制度優化水稻產量下降2.64%,氮磷流失量減少22.83%,灌水次數減少2次。(2)不同典型年以Y-TNP-N為目標優化的穩產-控污-提效灌溉制度水稻產量介于7.74~7.78 t/hm2,同時大幅度減少灌水量進而降低氮磷流失量。【結論】AquaCrop模型可模擬試驗區水稻的生長發育過程,本文構建的模擬-優化耦合模型可用于優化不同生育期降水年型下穩產-控污-提效的灌溉制度。

作者：馬超吳天傲章偉忠李江繳錫云

AquaCrop模型農業水資源管理及代碼解析培訓班：課程內容簡要

專題一??模型原理與數據要求

1. AquaCrop模型的應用范圍

2. 模型基本原理與計算框架

3.模型輸入數據要求

4.模型應用實例簡介