基于AquaCrop模型的巴西半干旱区饲草生产管理策略与农事历优化研究

《Irrigation and Drainage》：Management Strategies and Agricultural Calendars for Forage Production in Semi-Arid Brazil Using AquaCrop

本文利用AquaCrop模型，系统模拟了巴西半干旱区14个地点下29种饲用仙人掌与高粱的不同生产系统（单作/间作、雨养/灌溉）。研究明确了以12月至次年1月为雨养系统最佳播种窗口，揭示灌溉可使饲用仙人掌生物量提升150%，其中OEM克隆水分利用效率达39 g m?2；间作系统较单作增产44%-89%。通过农事历优化与密度调控（增产140%）、覆盖等措施，为半干旱区饲草可持续生产提供了量化决策支持。

　　

引言：巴西半干旱区（SAB）饲草生产受限于高蒸发需求、降雨不均及管理低效，导致牧群食物供应失衡。该区域面积达982,566 km²，年均降雨400-800 mm，可分为北部、南部/东南部和东部三个气候亚区，各自降雨模式影响作物管理策略。为缩小产量差距，需采用适应性作物如具景天酸代谢（CAM）的饲用仙人掌（Nopalea spp. 和 Opuntia spp.）及C4代谢的高粱、粟，并通过间作、增密、灌溉等措施提升资源利用效率。AquaCrop模型作为FAO开发的工具，能模拟环境条件与管理策略对作物生长的耦合效应，为优化生产系统提供支持。

材料与方法：研究在SAB内14个地点展开，涵盖不同气候特征（温度21.9-27.5°C，ET₀变异显著）。基于Pinheiro等（2024）的模型参数化结果，模拟了29种生产单元，包括饲用仙人掌克隆（IPA、MIU、OEM）与高粱品种（467、P288、SF11）的单作及间作系统，设置不同种植密度、水分替代（0%-120% ETc）、覆盖（15 Mg ha^?1）及灌溉频率（7-28天）。模型输入数据包括气候（1961-2018年日值）、土壤（质地、田间持水量FC、萎蔫点WP）、灌溉及管理参数，通过校准关键参数（如冠层生长系数CGC、水分生产率WP*）实现高精度模拟（R² > 0.80）。农事历构建以每月15日为起始点，评估全年播种窗口的生产风险与生物量响应。

结果：

农业日历与系统表现：模拟显示，雨养条件下生产风险较高，最佳播种期集中于雨季初期（12月至次年1月），而灌溉系统显著延长适宜播种窗口并降低损失风险。间作系统（如OEM-SF11）在灌溉下生物量较单作提升64%-71%，其中OEM克隆表现最优，其灌溉产量为IPA和MIU的3.8倍和3.0倍。具体而言，Garanhuns因低温（21.9°C）允许3-6月播种饲用仙人掌（风险<20%），而Petrolina需严格限于12-1月雨养播种，灌溉下可扩展至2-7月。

农艺措施的影响：灌溉至80% ETc时，OEM克隆在12-6月播种均保持高产，水分利用效率达39 g m^?2。不同灌溉频率下，OEM（14天间隔）产量较IPA（7天间隔）和MIU（28天间隔）分别提高137%和75%。覆盖措施在无灌溉时产量略降，但结合灌溉后生物量增加237%（Garanhuns除外，仅增6%）。密度提升至200,000株 ha^?1使灌溉系统增产140%，且12-1月播种风险最低。

讨论：

系统协同与克隆适应性：间作系统通过资源互补提升整体生产力，但个体产量受种间竞争抑制。OEM克隆因较低的养分需求与较强抗旱性，在半干旱环境中显著优于IPA和MIU，其形态特性（大型 cladodes）利于高产，但MIU克隆的直立生长更适高密种植。

灌溉与水资源优化：灌溉扩展了播种灵活性，在高温少雨区（如Paulistana）增产效应最显著（单作332%，间作439%）。水分补充至80% ETc后产量趋于稳定，表明过量灌溉无益。OEM克隆的低水耗特性支持其在缺水区的优先推广。

覆盖与密度调控：覆盖通过减少蒸发和调节土温提升水分保持力，尤其在低需求区（如Garanhuns）可替代部分灌溉。高密种植提升土地利用率，但需注意养分耗竭风险，长期需配施肥料。

可持续性考量：农业强化（灌溉、增密、间作）虽提升产量，但需平衡水耗（灌溉增耗80%）、土壤健康（长期养分下降25%）及经济成本（灌溉系统初始投资占40%）。政策支持与技术推广需确保生态社会经济协同发展。

结论：AquaCrop模型有效量化了巴西半干旱区饲草生产系统的农事历与管理策略，证实灌溉间作（OEM-高粱）为核心优化路径，结合密度调控与覆盖可显著提升资源效率。未来需扩展模型至更多作物与逆境（病虫害），以增强地理普适性。