基于AquaCrop模型的...水和降水匹配度变化特征研究_高爽.pdf

节水灌溉Water Saving Irrigation基于AquaCrop模型的玉米需水和降水匹配度变化特征研究高爽1，2，丁一民1，2，朱磊1，2，万愉快1，2，柴明堂1，2，丁朋朋1，2，邹业斌1，2（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏回族自治区黄河水联网数字治水重点实验室，银川 750021）摘 要：雨热同期为我国大部分地区农业生产提供了充足的水热资源，但从需水机理的角度评估作物生长和降水过程匹配度的变化特征还有待深入。基于AquaCrop模型模拟了关中地区1978-2017年夏玉米生育期内需水量、灌溉需水量、有效降水量和产量的变化特征，并在充分考虑玉米不同生育阶段对水分需求程度差异的基础上，分析了作物需水与降水匹配度的变化特征。结果表明：关中地区玉米生育期内累积降雨量变化幅度相对较小，但降水过程明显后移，且更多的以暴雨的形式发生；玉米生育期内需水量和灌溉需水量均呈现明显的增加趋势，增加幅度分别为4.10 mm/10a和13.38 mm/10a，而有效降水量则以-10.28 mm/10a的速率减小；玉米生育期内需水与降水的平均匹配度为58%，且整体以-2.7%/10a的速率下降。上述结果表明关中地区降水模式越来越难以满足夏玉米的水分需求，延迟播种可作为提高作物需水与降水匹配度的应对措施之一。关键词：关中地区；玉米；作物模型；降水模式；需水量；匹配度；有效降水量中图分类号：S513 文献标识码：A DOI：10.12396/jsgg.2023022高 爽，丁一民，朱 磊，等.基于AquaCrop模型的玉米需水和降水匹配度变化特征研究 J.节水灌溉，2023（6）：51-59.DOI：10.12396/jsgg.2023022.GAO S，DING Y M，ZHU L，et al.Research on the matching degree of maize water demand and precipitation based on AquaCrop modelJ.Water Saving Irrigation，2023（6）：51-59.DOI：10.12396/jsgg.2023022.Research on the Matching Degree of Maize Water Demand and Precipitation Based on AquaCrop ModelGAO Shuang1，2，DING Yi-min1，2，ZHU Lei1，2，WAN Yu-kuai1，2，CHAI Ming-tang1，2，DING Peng-peng1，2，ZOU Ye-bin1，2（1.School of Civil and Hydraulic Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China；2.Key Laboratory of the Internet of Water and Digital Water Governance of the Yellow River，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）Abstract：Rain and heat synchronization provides sufficient water and heat resources for agricultural production in most areas of China,but it is still to be further studied to evaluate the change characteristics of crop growth and precipitation process matching degree from the perspective of water demand mechanism.Based on AquaCrop model,this study simulated the changes of crop water demand,irrigation water requirement,effective precipitation and yield of summer maize during 1978-2017 in Guanzhong Area,and analyzed the changes of crop water demand and precipitation matching degree on the basis of fully considering the difference in water demand at different growth stages of maize.The results showed that the changes of cumulative precipitation during maize growth period in Guanzhong Area was relatively small,but the precipitation process shifted significantly backward,and most of them occurred in the form of heavy rainfall;During the growth period of maize,both water requirement and irrigation water requirement showed significant increase trends,which increased by 4.1 mm/10a and 13.38 文章编号：1007-4929（2023）06-0051-09收稿日期：2023-02-02基金项目：宁夏自然科学基金项目（2021AAC03091）；国家自然科学基金项目（52209059）。作者简介：高爽（1997-），女，硕士，研究方向为农业气候变化响应评估。E-mail:。通讯作者：丁一民（1992-），男，博士，研究方向为农业水资源高效利用。E-mail:。51基于AquaCrop模型的玉米需水和降水匹配度变化特征研究 高爽 丁一民 朱磊 等mm/10a,respectively.While the effective rainfall decreased at a rate of-10.28 mm/10a;the average matching degree of water demand and precipitation during maize growth period was 58%,and the overall rate decreased at-2.7%/10a;The above results show that the change of precipitation pattern in Guanzhong Area is becoming more and more difficult to meet the water demand process of summer maize,and delaying sowing can be used as one of the countermeasures to improve the matching between crop water demand and precipitation.Key words：Guanzhong area；corn；crop model；precipitation model；crop water requirement；matching degree；effective precipitation0引 言以全球变暖和极端气候事件频发为主要特征的气候变化，已经显著地改变了原有的气候环境1。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告指出，气候系统整体变化规模是几个世纪甚至几千年来前所未有的，在现状排放条件下，21世纪全球升温将超过1.5 2。尽管农业生产水平在过去数十年里快速进步，但主要粮食生产过程仍然高度受制于作物生长的气候环境3。水分是维持作物生长的关键因素，而降水是满足作物需水过程的重要水分来源。气候变化一方面改变了原有的降水模式，在影响年累积降雨量的同时，也显著改变了降水年内分布特征以及暴雨发生的频率4。另一方面，CO2浓度和温度的升高改变了农田蒸腾蒸发速率，影响了作物需水过程5。在上述因素的共同作用下，作物生育期内的降水过程和需水过程的匹配度将不可避免地发生变化。因此，评估降水与需水匹配程度的变化特征，对于农业稳定生产和促进灌溉水资源合理配置具有重要意义。降水与作物需水的匹配度表征了作物生育期内降水能够在多大程度上满足作物的需水过程6。近年来，相关研究得到了众多学者的关注，并取得了丰富的成果。张秋平等7分析北京地区旱稻的不同降水保证率下的降雨与需水耦合度，研究发现均无法满足旱稻生长发育对水分的需求；张凤怡等8基于SIMETAW模型发现辽宁省春玉米的需水与降水耦合度大于大豆；陆静等9研究发现陕北黄土丘陵区玉米、谷子和马铃薯的需水与降水的耦合度在6月份最低，在7-9月份谷子的需水与降水的耦合度显著高于玉米和马铃薯。上述研究中主要研究方法为利用彭曼公式结合作物系数计算特定作物需水量，同时利用美国农业部推荐的有效降水公式计算有效降水量，随后以有效降水量与需水量的比值作为作物需水与降水的匹配度或耦合度指标。然而，上述研究大多忽略了作物不同生育阶段对水分需求程度的差异。虽然部分研究考虑到了这一点，但也仅是划分不同生育期，分别计算降水与需水的匹配度，并赋予不同的权重以计算全生育期的匹配度，未能充分考虑作物生理需水特性7。此外，由于土壤的空间异质性和降水特征的差异，采用经验公式的方法计算有效降水，难以准确反映不同区域农田对降水的利用效率。AquaCrop模型是国际粮农组织（FAO）开发的水生产力驱动模型，模型精度较高且参数较少，能够在微观层面上模拟作物生长耗水过程对不同水分条件的响应机制，因而受到了国内外学者的广泛关注10,11。目前大量研究已经基于田间观测试验12,13，广泛验证了AquaCrop模型在模拟水分胁迫条件下作物冠层覆盖度、籽粒产量、土壤水平衡过程等方面的模拟精度。因此，本研究以关中地区玉米为例，利用AquaCrop模型分别模拟雨养和充分灌溉条件下的玉米产量，以雨养和充分灌溉条件下产量比值作为降水与需水匹配度指标，评估过去40年气候变化条件下，玉米生育期内降水与作物需水匹配度变化特征。该指标充分考虑了作物生理过程对水分敏感性的变化特征，以及研究区土壤特性对农田水平衡过程的影响，能够更加有效的模拟玉米生育期内降水与作物需水的匹配度。1材料与方法1.1研究区概况关中地区位于陕西中部，地理位置在1061811038E、33353552N之间，西起宝鸡，东至潼关，约占全省总面积的 15%，包含宝鸡、咸阳、西安、铜川、渭南 5个市级行政区，是陕西省粮食主产区14（图1）。关中地区属于亚热带季风气候，降水量年际变化较大，且主要集中在7-9月，平均气温为1214。本文选取了关中地区7个具有较为完整玉米物候数据的农业站点，用于确定关中地区的玉米生育期参数，并且根据关中地区的地理位置、降雨分布和玉米的种植分布，选择了10个具有代表性的气象站点，进而分析了关中地区夏玉米生育期内需水与降水的匹配程度。1.2AquaCrop模型基本原理AquaCrop模型是由联合国粮农组织（FAO）开发的主要关注作物产量和水分关系的作物生长模型，相比其他作物模型，该模型输入参数较少，适用性强，在作物参数、稳健性和准确性三者之间进行了有效的平衡15。目前该模型已在世界范围内进行了广泛的应用，大量的研究已经表明该模型能够准确模