利用AquaCrop模型模拟摩洛哥Tadla平原冬小麦(Triticum aestivum L.)对咸水灌溉的响应：对灌溉管理的启示

《Plants》：Simulation of Winter Wheat (Triticum aestivum L.) Response to Saline Irrigation Using AquaCrop in the Tadla Plain, Morocco: Implications for Irrigation Management

　　

摘要：咸水灌溉( saline irrigation )在半干旱地区日益普遍，以应对淡水资源短缺，但其强烈影响作物生长、水分利用及土壤盐分状况。本研究旨在校准( calibrate )与验证( validate )AquaCrop模型，以模拟摩洛哥Tadla平原咸水灌溉条件下冬小麦品种Achtar的关键生长参数，包括冠层覆盖度( canopy cover, CC )、实际蒸散量( actual evapotranspiration, ETa )、土壤含水量( soil water content, SWC )、生物量( biomass, B )和籽粒产量( grain yield, GY )。研究人员首先利用2023年生长季观测数据进行模型校准，随后利用2022年生长季数据进行独立验证。总体而言，AquaCrop在校准期和验证期均有效再现了作物生长过程。校准阶段冠层覆盖度模拟准确，平均RMSE低于1%；生物量与籽粒产量亦得到较好重现，RMSE分别为0.25 t ha?1（B）和0.10 t ha?1（GY），证实校准参数的稳健性。模型对ETa和SWC的模拟表现良好，捕捉到作物水分利用及土壤湿度的季节动态。验证阶段ETa模拟满意（RMSE≈0.80 mm day?1），SWC与观测值吻合良好（NRMSE为7.9～10.5%）。籽粒产量和生物量预测可靠（NRMSE＜4%）。结果表明，AquaCrop是模拟咸水灌溉下冬小麦及评估盐胁迫( salt-affected conditions )下作物响应的可靠工具，可综合评价作物表现、水分利用及土壤盐分动态，为半干旱条件下改进灌溉管理与提高水分利用效率( water-use efficiency )提供支撑。

论文解读：利用AquaCrop模型模拟摩洛哥Tadla平原冬小麦对咸水灌溉的响应及灌溉管理启示

研究背景与意义

在干旱与半干旱地区，农业面临淡水资源匮乏与土壤盐渍化加剧的双重挑战。为维持生产，利用微咸地下水、排水水或再生水等替代水源进行咸水灌溉( saline irrigation )成为可行方案，但长期咸水灌溉易导致根区盐分累积，抑制作物生长并降低产量。冬小麦( Triticum aestivum L. )为全球重要口粮作物，具中等耐盐性，其产量对生育关键期盐胁迫敏感。目前虽已有FAO开发的AquaCrop模型被广泛应用于水分限制及盐胁迫条件下的作物模拟，但针对摩洛哥Tadla平原典型半干旱环境，结合多变量田间观测（冠层覆盖度CC、实际蒸散ETa、土壤含水量SWC、生物量B、籽粒产量GY）开展系统性校准与独立验证的研究仍较欠缺。明确冬小麦在当地咸水灌溉下的响应阈值及适宜灌溉策略，对区域农业可持续发展具有重要意义。该研究发表于《Plants》。

主要技术方法概述

研究人员于摩洛哥Tadla平原Beni Amir灌区设大田试验，采用随机完全区组设计( Randomized Complete Block Design, RCBD )，供试品种为当地推广冬小麦Achtar。设置5个灌溉水电导率( electrical conductivity of irrigation water, EC_iw)梯度：1.5（对照，当地地下水）、3、5、7、9 dS m^?1（后四者通过向地下水加NaCl配制），各处理重复4次。播前及关键生育期采集0–30、30–60、60–90 cm土层土壤样品测定质地、容重、田间持水量( Field Capacity, FC )、永久萎蔫点( Permanent Wilting Point, PWP )等；气象数据取自邻近CRAT站并按FAO Penman–Monteith方程计算参考蒸散( reference evapotranspiration, ET₀)。作物观测指标含CC（目测估测/数字图像法）、SWC（烘干法）、ETa（土壤水平衡推求）、B及GY（实测测产）。使用AquaCrop版本7.1，以2023年数据集校准品种参数（初始冠层覆盖度CC₀、最大冠层覆盖度CC_x、冠层生长系数Canopy Growth Coefficient, CGC、冠层衰减系数Canopy Decline Coefficient, CDC、归一化水分生产力WP*、参考收获指数HI₀、最大有效根深Z_r及盐胁迫阈值），以2022年数据集不作参数调整进行独立验证。模型性能采用决定系数( coefficient of determination, R²)、均方根误差( Root Mean Square Error, RMSE )、归一化均方根误差( Normalized RMSE, NRMSE )、一致性指数( index of agreement, d )及百分误差( percent error, Pe )评价。经校验后用验证后模型开展多年代气候情景（干/正常/湿年）与不同灌溉频次（Sc1–Sc5）×灌溉水盐度（1.5–12 dS m^?1）的情景模拟。

研究结果

3.1. Calibration of AquaCrop Model（AquaCrop模型校准）

研究人员通过2023年田间观测数据调整品种参数后，模型对各变量模拟效果如下：

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  3.1.1. Simulation of Canopy Cover（冠层覆盖度模拟）：模拟与观测CC动态高度吻合，R²=0.99，RMSE=0.75–0.89%，NRMSE=1.94–2.88%，高盐下有轻微低估。表明校准的CGC与CDC能较好反映盐胁迫下冠层扩张与衰老过程。
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  3.1.2. Simulation of Soil Water Content（土壤含水量模拟）：SWC季节动态被合理再现，R²=0.85–0.91，NRMSE=8.0–10.0%，高盐下略高估，因盐胁迫降低根系吸水致残留土壤水增多。
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  3.1.3. Simulation of Grain Yield and Biomass（籽粒产量与生物量模拟）：GY与B随EC_iw升高而降，模型准确捕捉该趋势——GY的R²=0.98、RMSE=0.10 t ha^?1，B的R²=0.85、RMSE=0.25 t ha^?1，NRMSE均＜3%。
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  3.1.4. Simulation of Evapotranspiration（蒸散量模拟）：ETa随盐度升高下降（I0至I4降幅29.3%），模型捕捉总体趋势但精度中等（R²=0.47–0.65），因AquaCrop用经验胁迫系数简化日尺度蒸腾调节。

3.1.5. Validation of AquaCrop Model Results（AquaCrop模型验证）

使用2022年独立数据集不经参数调整验证：

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  Canopy Cover Validation Results（冠层覆盖度验证结果）：R²=0.96–0.98，d=0.97–0.99，NRMSE=3.10–4.10%，模型具良好时空外推能力。
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  Soil Water Content Validation Results（土壤含水量验证结果）：R²=0.82–0.90，NRMSE=7.88–10.50%，与校准期表现相当。
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  Validation of Grain Yield and Biomass（籽粒产量与生物量验证）：GY的NRMSE＜4%、R²＞0.90；B的NRMSE＜3%、R²＞0.80，验证集下降幅度与观测一致。
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  Evapotranspiration Validation Results（蒸散量验证结果）：R²=0.51–0.68，呈系统性略偏低估算，属模型概念简化所致且未明显传递至季尺度产量误差（GY的NRMSE＜4%）。

3.2. Irrigation Salinity Management Scenarios（灌溉—盐分管理情景分析）

基于验证模型在多年代气候下进行Sc1–Sc5×I0–I6情景模拟。结果显示：GY与B随灌溉水盐度升高持续下降，约＞7 dS m^?1（EC_iw）后降幅显著加大；同一盐度下湿年GY高于干年，但高盐时气候缓解效应减弱；土壤表观电导率( electrical conductivity of the saturated extract, EC_e)随盐度及灌水频次升高而增加，高频足量灌水虽短期维持产量却加速根区积盐。

3.3. Correlation of Grain Yield, Total Biomass, and Soil Salinity with Saline Irrigation Treatments Based on Irrigation Scenarios（产量、生物量及土壤盐度与咸水灌溉处理的相关性）

热图分析表明GY与B在EC_iw≤约7 dS m^?1内降幅较缓（尤其低—中灌溉强度Sc1–Sc3），超此阈值急剧降低；EC_e随灌水强度与盐度同步升，高灌高频次( Sc4–Sc5 )致更强调控盐风险。

3.4. Impact of Saline Irrigation on Soil Profile Moisture and Salinity（咸水灌溉对土壤剖面水分与盐分分布的影响）

0–30 cm土层SWC随EC_iw增大由约46–48%（1.5 dS m^?1）降至33–35%（9 dS m^?1），深层( 60–90 cm )变幅小；EC_e表聚明显——表层由1–2 dS m^?1（I0）增至9–10 dS m^?1（I4），90 cm处为2–6 dS m^?1，符合半干旱区上行蒸发强于淋洗的特征。

讨论与结论总结

讨论指出AquaCrop经校准可准确模拟盐胁迫下半干旱区冬小麦CC、SWC、B及GY，其中ETa模拟精度中等但不影响季累积蒸腾驱动的产量估算。多情景分析揭示作物耐盐阈值约EC_iw=7 dS m^?1，低于此值可通过渗透调节维持生长，超出则受渗透+离子毒害致产量锐减；灌溉强度增加虽可短期补偿水分亏缺但促根区积盐，需权衡。研究强调将灌溉水电导率控制在约7 dS m^?1以内并避免过度灌溉，有助兼顾生产力与土壤健康。

结论( Conclusions )：AquaCrop模型经2023年校准与2022年独立验证，能可靠模拟Tadla平原咸水灌溉下冬小麦冠层发育、SWC、ETa、生物量、籽粒产量及土壤盐分动态。冬小麦Achtar品种对灌溉水盐度呈明显阈值响应，临界值约7 dS m^?1，超出后产量急剧下降。适度灌溉可在限盐同时保产，过高灌水频次加剧根区盐累积而无增产效益。验证后模型适用于该区多年际情景分析及咸水灌溉制度优化，为半干旱区咸水灌溉管理与提高水分利用效率提供了定量依据与实用指导。未来需长期田间验证并将经济与环境指标纳入决策分析。