基于AquaCrop模型的内蒙古黄灌区饲用燕麦周年双季生长过程与耗水特性研究

为解决内蒙古黄灌区水资源紧缺与农田灌溉效率低下问题，研究人员开展浅埋滴灌模式下双季饲用燕麦生长与耗水过程模拟研究。通过构建气象-土壤-作物-灌溉数据库，利用AquaCrop模型验证得出土壤含水量、冠层覆盖度与产量模拟精度高（R2=0.85-0.94），明确全生育期总耗水量214.7-315.4mm，第二茬水分利用效率（WP）较第一茬高0.1-0.4kg/m3，为优化区域农业水资源管理提供科学依据。

　　

在内蒙古黄灌区，水资源紧缺与农田灌溉效率低下的矛盾日益突出。随着饲用燕麦种植模式从一年一季转变为一年两季，其生长过程和耗水规律变得不明确，加之区域水资源供需矛盾加剧，严重威胁农业可持续发展。传统实验方法成本高、周期长且受地域限制，而现有水文模型往往简化作物参数，难以动态反映冠层覆盖和根系深度等关键生长指标。为此，研究团队引入联合国粮农组织开发的AquaCrop模型，这一以水分为驱动的作物生长模拟工具，能够精准模拟作物生产力对水分供应的响应，为优化灌溉制度和提高水分利用效率提供新途径。

本研究主要采用田间试验与数值模拟相结合的技术方法。在内蒙古土默特左旗示范区开展2022-2023年田间试验，构建包含气象、土壤、作物和灌溉因子的数据库。通过五点采样法监测土壤含水量、冠层覆盖度和产量指标，采用试错法校准模型参数。关键模型输入包括土壤物理特性（0-120cm分层数据）、作物参数（最大冠层覆盖度CC_x、根系深度Z_max等）和灌溉日程，利用Penman-Monteith方程计算参考作物蒸散量（ET_o），并通过标准化水分生产率（WP*）和收获指数（HI）等核心参数实现生长-耗水过程耦合模拟。

模型校准与验证

利用2022年实测数据校准模型，土壤含水量模拟的均方根误差（RMSE）≤4，模型性能指数（EF）0.7-0.9，决定系数R²≥0.85。冠层覆盖度（CC_w）和产量模拟RMSE≤9，EF达0.85-0.95。2023年验证结果显示，土壤含水量RMSE为2.47-3.17，冠层覆盖度RMSE为9.03-9.54，产量RMSE为0.28-0.30吨/公顷，证实模型对双季燕麦生长动态具有高度可靠性。品种参数差异显著：第一季贝勒2号燕麦生育期90-100天，最大根系深度110cm；第二季美达燕麦生育期75-85天，冠层生长系数（CGC）较贝勒2号高0.5%/天。

土壤水分动态过程

2022年第一季生长期间降雨集中（占年降水量78.3%），第40天日降雨达76.9mm时，10cm土层含水量峰值38.5%，120cm土层为23.9%。第二季降雨仅19.7mm，表层水分波动小，深层水分稳定消耗。2023年灌溉主导水分动态，第二季土壤含水量变幅大于第一季，首次灌溉后10cm土层含水量增幅87.82%，100cm土层仅17.56%。两年数据表明：降雨主导年（2022）土壤水分波动剧烈，而灌溉主导年（2023）水分分布更均匀。

冠层覆盖与产量特征

冠层覆盖指数随生育期呈单峰曲线变化。2022年第一季因土壤水分不足（45-71天），冠层增长减缓，灌溉后恢复快速生长，最大冠层覆盖度达85%；第二季最大覆盖度79%。2023年两季冠层覆盖度相近（81-82%），且冠层快速增长期对应水分急剧消耗。产量分析表明：2022年第一季产量（5132kg·hm^-2）高于第二季（4320kg·hm^-2），主要因降雨分布差异；2023年第二季产量（4964kg·hm^-2）反超第一季（4835kg·hm^-2）。两季平均日产量增长率为50.89-60.54kg·hm^-2/天。

水分平衡与生产率

全生育期耗水量214.7-315.4mm，占总输入水量（降雨+灌溉）的93.39-95.69%。排水损失仅1.2-10.6mm（占比0.36-5.40%）。蒸发/蒸腾分配分析显示：2022年第一季蒸发占比27.14%（72.86%为蒸腾），第二季蒸发占比25.30%；2023年蒸发占比降至18.58-23.54%。水分生产率（WP）第二季普遍高于第一季：2022年WP分别为1.61和2.01kg·m^-3，2023年为1.53和1.63kg·m^-3，表明第二季水分利用效率更优。

研究结论强调AquaCrop模型能精准模拟浅埋滴灌下双季燕麦的生长-耗水耦合过程，揭示拔节期是水分消耗最快、管理最关键的阶段。双季种植模式中第二季水分利用效率更高，但产量稳定性受气候分配影响显著。讨论指出该成果为黄灌区优化灌溉制度（如调整滴灌带间距、埋深和灌溉定额）提供理论依据，未来需结合区域尺度变量对比，推动农业水资源高效配置政策的落地实施。论文发表于《Scientific Reports》2025年第15卷，标志着干旱半干旱区双季种植水文模拟研究的重要进展。