基于 AquaCrop 模型的黄土高原作物产量- 水分关系模拟研究

Abstract

小麦与玉米是黄土高原两大主要的粮食作物。黄土高原以旱作为主，作物用 水主要靠大气降水，但黄土高原地区年均降水量少，作物生长经常处于一种缺水 环境中。为了提高作物水分利用效率，增加粮食产量，需要制定和施行科学的农 田管理措施。科学管理制度的提出，一方面需要以大量的田间试验为基础，这些 试验往往比较费时，费力，而且试验成本较高。另一方面，与田间试验相结合， 作物模型通过模拟田间作物生长，可以再现田间试验的过程，其成本低，重复性 高，且节省时间。现有的大多数模型需要输入较多的参数，比较复杂，作物类型 与地理区域有一定限制，这在一定程度上增加了模型的校验难度，也限制了模型 的使用范围。世界粮农组织（FAO）发布的以水分为驱动力的 AquaCrop 模型需 要输入的参数少，模型精度高，使用简单，适用范围广，是一种较理想的作物模 型。本论文主要就黄土高原地区冬小麦与春玉米对 AquaCrop 模型进行了校验研 究，进而就作物产量与水分关系进行模拟分析，以期能为区域作物的田间管理提 供科学依据，并使 AquaCrop 模型的适用性得到延伸。主要研究结果如下： (1). AquaCrop 模型可以较好地模拟黄土高原南部冬小麦产量、生物量、冠层 覆盖度及土壤含水量，其中冬小麦产量与冠层覆盖度的及模拟效果更好。均方根 误差（RMSE）及符合指数（d）分析表明，地上部生物量、冠层覆盖度、产量 及 1.8 米深土层的土壤含水量 RMSE 取值范围分别为 0.16-0.38 t/ha、1.87-4.15%、 0.50-1.44 t/ha、5.70-22.56 mm，d 取值范围地上部生物量、冠层覆盖度、土壤含 水量及产量依次为 0.22-0.89, 0.25-0.43, 0.36-0.62 和 0.95-0.98。(2). 在 AquaCrop 模型运行过程中，以 MATLAB 软件为平台，开发了冬小 麦冠层覆盖度计算程序，其结果与 Samplepoint 冠层分析结果的决定系数达到了 0.98。 (3). 以 Hsiao 的研究为基础，利用在黄土高原沟壑区的长武与丘陵沟壑区安 塞的春玉米田间试验结果，对 AquaCrop 模型进行了校正及验证分析。结果表明， AquaCrop 模型对玉米冠层生长、土壤含水量的模拟，在生长衰老之前的结果较 好，之后模拟精度较差；模型对产量的模拟结果令人满意，WP*(标准化水分生 产率)取值 33；对于农田蒸散的模拟，时段较短时结果较差，整个生育期内农田 蒸散模拟结果总体好于短时段内的。对模型模拟结果进行均方根误差（RMSE） 及符合指数（d）分析，RMSE 值取值范围依次为 1.87-82.84mm、12.09-71.23mm、 0.12-1.03t/ha、1.22-8.3%。d 值取值范围依次为 0.69-0.99、0.68-0.84、0.59-0.97、 0.70-0.8。 (4). AquaCrop 模型可以较好地模拟冬小麦及春玉米的产量、冠层覆盖度以及 土壤含水量的变化，但对农田蒸散的模拟，除较短时段内模型模拟结果较差外， 对整个生育期农田蒸散的模拟，结果接近实测值。总体而言，AquaCrop 模型可 以较好模拟作物的生长，这也表明，模型调参比较准确，尤其是对水分生产率与 水分亏缺指数的确定，通过调参模型较好地表达了作物生长与水分消耗之间的关 系。 关键词：AquaCrop 模型；校正；验证；冬小麦；春玉米；黄土高原；影像分析</p