基于AquaCrop模型与熵权法的新疆冬小麦灌溉制度多目标优化研究

本文推荐了一项针对新疆干旱地区冬小麦灌溉制度优化的创新研究。作者通过校准验证AquaCrop模型，结合熵权法构建多目标优化体系，系统分析了丰水年、平水年与枯水年不同灌溉情景下作物产量与水分利用效率（WUE）的响应机制，为干旱区农业水资源高效利用与粮食安全提供了重要理论支撑和技术路径。

　　

引言

制定科学的灌溉制度是实现农业水资源可持续管理、缓解水资源短缺和保障区域粮食安全的基础。新疆作为中国重要的农业生产区，年均降水量仅270毫米，而农业用水占总用水量的93.2%，水资源短缺严重制约着该地区农业的可持续发展。传统的灌溉制度确定方法存在耗时耗力、推广难度大或计算精度不足的问题。作物生长模型如AquaCrop，通过模拟土壤-水分-作物系统的互动关系，为灌溉优化提供了有效工具。AquaCrop作为一款以水分生产力为核心的模型，具有参数需求少、界面友好、适用于水分管理与产量关系分析的特点，已被广泛应用于水稻、小麦和玉米等作物的灌溉策略制定。

材料与方法

研究基于2022–2024年在新疆昌吉回族自治州华兴农场开展的冬小麦田间试验数据。试验区为典型内陆荒漠气候，年均温6.6°C，年降水量280毫米。试验采集了气象、土壤、作物冠层覆盖度（CC）、地上生物量、土壤储水量（SWS）及产量等数据。气象数据通过自动气象站监测，土壤参数通过环刀法和烘干法测定，作物数据包括叶面积指数（LAI）、生物量和产量构成因素。水分利用效率（WUE）定义为每单位耗水量所获得的产量，通过土壤水分平衡法计算蒸散量（ET）。AquaCrop模型使用2022–2023年数据校准，2023–2024年数据验证，并通过均方根误差（RMSE）、一致性指数（d）和决定系数（R²）评估模型性能。

为探究不同降雨年份灌溉制度对冬小麦产量和WUE的影响，研究设计了48种灌溉情景，包括土壤水分消耗阈值（以可获取水分RAW的百分比表示，从50%至120%）和灌溉定额（30–80毫米）的组合。典型水文年基于1990–2020年降雨数据的Pearson-III分布确定：丰水年（1997–1998，177毫米）、平水年（1999–2000，134.8毫米）和枯水年（2005–2006，98.5毫米）。通过耦合AquaCrop模型与熵权法，构建多目标优化函数，综合评价灌溉量、产量和WUE，得出各情景的综合评分（F_k），以此推荐最优灌溉制度。

结果

模型校准与验证结果显示，AquaCrop对冠层覆盖、地上生物量、土壤储水量和产量的模拟具有较高准确性。校准后的冠层生长系数（CGC）和衰退系数（CDC）分别为3.2% d^?1和10.2% d^?1，归一化水分生产力（WP*）和参考收获指数（HI₀）为17 g m^?2和42%。验证期模拟值与观测值吻合良好，冠层覆盖的RMSE为10.3–14.4%，生物量RMSE为4.7–8.5 t ha^?1，土壤储水量RMSE为12.6–30.9毫米，产量R²为0.703。

灌溉制度优化结果表明，不同水文年下冬小麦产量对灌溉量的响应呈现两阶段特征：快速增加阶段和稳定阶段。枯水年雨养产量仅1.275 t ha^?1，补灌540毫米后产量增至9.677 t ha^?1，每100毫米灌溉增产1.556 t；平水年雨养产量3.746 t ha^?1，补灌480毫米后达8.589 t ha^?1，增产1.009 t；丰水年雨养产量4.324 t ha^?1，补灌450毫米后产量9.214 t ha^?1，增产1.087 t。为实现最高产量，丰水年、平水年和枯水年分别需要15、16和18次灌溉（每次30毫米），RAW阈值为50%；而最高WUE则仅需3、4和5次灌溉（每次80毫米），RAW阈值分别为90%、90%和80%。

通过熵权法多目标优化，推荐的最优灌溉制度为：丰水年3次灌溉（RAW 90%，每次80毫米），总灌量240毫米，产量8.819 t ha^?1，WUE 1.99 kg m^?3；平水年4次灌溉（RAW 90%，每次80毫米），总灌量320毫米，产量8.236 t ha^?1，WUE 1.71 kg m^?3；枯水年4次灌溉（RAW 110%，每次80毫米），总灌量320毫米，产量9.125 t ha^?1，WUE 1.89 kg m^?3。该方案在保证接近最高产量的同时，显著减少了灌溉次数和总用水量。

讨论

本研究证实AquaCrop模型在模拟新疆冬小麦生长与土壤水分动态方面具有可靠性，与国内外相关研究结果一致。灌溉制度优化不仅取决于年总降雨量，还与降雨在作物生育期内的分布密切相关。多目标优化框架通过平衡用水量、产量和WUE，为不同利益相关者提供了差异化决策支持：小农户可采用3–4次大定额灌溉以节省管理和劳动力成本；大规模农场则可采用16–17次小定额灌溉以实现产量最大化。该研究为干旱区农业水资源高效利用提供了理论依据和技术路径，但未来需进一步考虑养分胁迫、盐分压力及区域尺度扩展等挑战。

结论

AquaCrop模型能准确模拟新疆冬小麦生长与土壤水分动态；不同水文年下冬小麦产量对灌溉的响应差异显著，枯水年增产潜力最大；通过耦合熵权法实现的多目标优化灌溉制度，可在丰水年、平水年和枯水年分别推荐3、4和4次灌溉（每次80毫米），在节水的同时保障高产与高WUE，为新疆及类似干旱区冬小麦灌溉管理提供了科学依据。