基于APSIM模型的小麦保护性农业系统土壤水热动态与作物生长模拟研究

《Scientific Reports》：Modelling crop growth and soil hydrothermal regimes under conservation agriculture using APSIM-wheat

本研究针对保护性农业中残茬覆盖对土壤水热调节机制的关键问题，通过田间试验与APSIM模型模拟相结合的方法，系统分析了零耕结合残茬保留(ZT+R)与传统耕作结合残茬翻压(CT+R)对小麦生长、土壤水分和温度的影响。结果表明：APSIM模型能准确模拟两种耕作方式下的作物物候、叶面积指数、生物量和产量（R2>0.66，nRMSE<0.33）；ZT+R处理显著提高土壤含水量、增加蒸腾和排水，降低土壤温度波动，为优化水资源管理和提升小麦生产可持续性提供了重要理论依据。

　　

随着集约化耕作方式导致土壤有机碳(SOC)减少和土壤物理性质退化，保护性农业(Conservation Agriculture, CA)作为一种资源节约型技术已成为可持续农业生产的重要选择。保护性农业通过保持作物残茬覆盖地表，旨在增强土壤水分保持能力和调节土壤温度，从而改善土壤健康、提高水分利用效率。然而，残茬覆盖如何影响土壤水热动态及其与作物生长的相互作用尚缺乏系统研究，特别是在印度主要小麦产区——印度河-恒河平原(Indo-Gangetic Plains, IGP)，这一问题显得尤为突出。

为了解决这一问题，Brijesh Yadav等研究人员在《Scientific Reports》上发表了一项综合田间试验与模型模拟的研究。该研究基于长期保护性农业试验，利用农业生产系统模拟器(Agricultural Production Systems Simulator, APSIM)模型，定量分析了零耕结合残茬保留(Zero Tillage with Residue Retention, ZT+R)和传统耕作结合残茬翻压(Conventional Tillage with Residue Incorporation, CT+R)对小麦生长、土壤水分和温度的影响。

研究人员采用的主要技术方法包括：基于APSIM 7.10平台的作物生长模拟系统，整合气象(MET)、作物(小麦)、土壤水分(SOILWAT)和冠层模块；使用2018-19年度田间观测数据（包括作物物候、叶面积指数(LAI)、生物量、土壤水分和温度）进行模型校准；利用2019-20年度独立数据集进行验证；通过统计指标（R²、RMSE、nRMSE、D-index和MBE）评估模型性能；并采用重力法测定土壤水分含量和铂电阻温度计监测土壤温度。

模型校准结果显示，APSIM能够准确模拟两种耕作方式下的小麦物候发育。在ZT+R处理中，模拟的出苗期与观测值一致（均为9 DAS），开花期和生理成熟期分别比观测值提前4天和7天；而在CT+R处理中，模拟的出苗和开花期比观测值延迟1天，成熟期提前5天。

地上生物量、根生物量和叶面积指数的模拟与观测值高度一致。在ZT+R处理中，地上生物量和根生物量的R²分别达到0.93和0.94，nRMSE分别为0.19和0.18；LAI的R²为0.89，nRMSE为0.33。CT+R处理也表现出类似的良好拟合效果。

谷物产量模拟显示，ZT+R处理的模拟产量比观测值低估5.61%，CT+R处理低估9.35%，表明模型对保护性农业的增产效应有一定的保守估计。

土壤水分动态模拟表明，ZT+R处理显著提高了土壤含水量。模拟的土壤水分含量(SWC)在灌溉或降雨后迅速增加，随后逐渐减少。ZT+R处理的土壤水分保持能力明显优于CT+R，这主要归因于残茬覆盖减少了地表蒸发。统计指标显示，0-15 cm土层的R²为0.76，随着土层加深，相关性逐渐降低（45-60 cm土层R²=0.66）。

土壤温度模拟显示，CT+R处理的土壤温度普遍高于ZT+R处理。在0-60 cm土层范围内，ZT+R的土壤温度范围为9.41-23.4°C，而CT+R为9.7-24.6°C。昼夜温度波动在表层土壤（0-15 cm）中更为明显，随着土层加深逐渐减弱。残茬覆盖在ZT+R处理中起到了隔热层的作用，减少了土壤温度波动。

模型验证结果进一步证实了APSIM在模拟保护性农业系统方面的可靠性。在ZT+R处理中，地上生物量和根生物量的R²分别达到0.95和0.96，nRMSE分别为0.14和0.15；LAI的R²为0.94，nRMSE为0.12。CT+R处理也表现出类似的良好预测性能。

水分平衡分析表明，ZT+R处理具有更高的蒸腾量（15.58 cm对11.42 cm）和排水量（23.31 cm对18.97 cm），而CT+R处理的土壤蒸发量更高（14.68 cm对6.37 cm）。这清楚地展示了残茬覆盖在减少水分蒸发损失、提高水分利用效率方面的优势。

研究结论表明，APSIM模型能够有效模拟保护性农业措施对小麦生长和土壤水热状况的影响。ZT+R处理通过残茬覆盖显著改善了土壤水分保持能力，降低了土壤温度波动，提高了水分利用效率，最终导致小麦产量和生物量的增加。这一研究不仅证明了APSIM模型在模拟复杂农业系统方面的能力，而且为印度河-恒河平原地区推广保护性农业提供了科学依据。研究结果强调，保护性农业实践特别是零耕结合残茬保留，是提高农业系统可持续性的有效策略，有助于应对气候变化背景下的水资源短缺和土壤退化挑战。

该研究的重要意义在于首次系统量化了保护性农业措施对印度小麦系统土壤水热动态的影响，为农业决策者提供了可靠的模型工具来评估不同管理措施的效果，为制定可持续的农业水资源管理策略提供了科学基础。