基于AquaCrop模型的摩洛哥半干旱区豌豆灌溉优化研究：实现水分高效利用与产量提升

《Agricultural Water Management》：Simulation of the pea crop development using AquaCrop model in Chichaoua region, Morocco: Application for irrigation management

本研究针对摩洛哥Chichaoua半干旱地区豌豆作物灌溉管理难题，通过校准和验证AquaCrop模型，精准模拟了冠层覆盖度(CC)、实际蒸散量(ETa)、土壤含水量(SWC)及产量等关键参数。研究发现，以根区水分耗竭阈值(Dr)40%作为灌溉触发点，可在保证产量(843 kg ha?1)的同时节约灌溉用水40 mm，为区域农业水资源高效利用提供了科学依据。

　　

在全球干旱半干旱地区，水资源短缺已成为制约农业生产和粮食安全的关键因素。摩洛哥作为北非典型半干旱国家，其农业消耗了全国87%的淡水资源，但灌溉效率低下问题突出。特别是在哈乌兹平原这样的重要农业区，年蒸发量高达1600毫米，远超250毫米的年降水量，使得豌豆等夏季作物的灌溉管理面临严峻挑战。传统灌溉方式依赖经验判断，往往导致水分利用效率低下，既浪费了宝贵的水资源，又限制了作物产量潜力的发挥。

为解决这一难题，摩洛哥卡迪阿亚德大学的研究团队在《Agricultural Water Management》上发表了最新研究成果。他们利用FAO开发的AquaCrop作物模型，在Chichaoua地区开展了为期两年的田间试验（2018和2022生长季），旨在建立适用于当地条件的豌豆生长模拟模型，并基于模型优化灌溉策略，实现水分高效利用与产量提升的平衡。

研究团队采用了多项先进的技术方法支撑研究工作。他们利用涡度相关系统（Eddy Covariance）连续监测作物实际蒸散量，通过三维超声风速仪和krypton湿度仪以20赫兹频率采集数据，并采用ECpack软件进行数据校正和能量平衡闭合分析。土壤水分动态通过时域反射计（TDR）在不同深度（5-50厘米）进行监测，每30分钟记录一次数据。冠层覆盖度（Canopy Cover, CC）的测量结合了半球摄影技术和Sentinel-2卫星影像的归一化植被指数（NDVI），通过MATLAB算法计算间隙分数和冠层覆盖度。气象数据来自标准气象站，用于计算参考蒸散量（ETo）。AquaCrop模型（版本7.0）的校准采用试错法，重点优化水分生产力（WP）、收获指数（HI）和最大作物蒸腾系数（Kc_Tr,x）等关键参数。

模型校准与验证结果

通过对2022生长季数据的校准，研究获得了豌豆作物的关键参数：水分生产力（WP）为14.6 g/m2，收获指数（HI）为39%，最大蒸腾系数（Kc_Tr,x）为0.95。冠层覆盖度的模拟表现出色，相关系数（R）达到0.99，均方根误差（RMSE）仅为3.7%。生物量和谷物产量的模拟RMSE分别为100 kg ha^?1和74 kg ha^?1。实际蒸散量（ETa）和土壤含水量（SWC）的模拟RMSE分别为0.57 mm/day和20 mm/m，表明模型能够准确捕捉作物水分动态。

在验证阶段（2018生长季），模型对冠层覆盖度的模拟保持良好（R=0.96，RMSE=6.8%），ETa和SWC的模拟RMSE分别为0.80 mm/day和59.74 mm/m，虽然精度较校准阶段有所下降，但仍处于可接受范围，证明了模型的泛化能力。

参数敏感性分析

通过单因素敏感性分析，研究人员评估了关键参数在不同灌溉水平下的稳定性。结果表明，收获指数（HI）和归一化水分生产力（WP*）在所有灌溉情景下均保持最高的敏感性（>19%），而最大根系深度（Z_x）的敏感性最低（<0.2%）。参数排序在不同水分胁迫条件下保持高度一致（Spearman ρ=0.93-1.0），证明校准参数具有普适性，能够代表作物的固有生理特性而非特定条件下的经验拟合。

灌溉管理情景应用

基于校准后的模型，研究人员模拟了10个不同的根区水分耗竭阈值（Dr，从10%到100% TAW）对豌豆生长的影响。结果显示，当以40% TAW作为灌溉触发点时，能够在保证较高产量（843 kg ha^?1）的同时，将灌溉水量从农民常规实践的124 mm减少至84 mm，节约用水40 mm。这一策略使水分利用效率（WP）达到0.67 kg/m3，收获指数（HI）达到39.3%，实现了水分利用效率和作物生产力的最佳平衡。

与农民实际灌溉实践相比，模型优化的灌溉方案不仅节约了32%的灌溉用水，还将生物量从1321 kg ha^?1提高至2147 kg ha^?1，谷物产量从409 kg ha^?1提升至843 kg ha^?1。这一改进主要源于灌溉时机的优化，避免了作物关键生育期的水分胁迫，同时防止了过度灌溉造成的水分浪费。

研究结论表明，AquaCrop模型能够有效模拟半干旱地区豌豆作物的生长动态和水分利用过程。通过模型优化的灌溉策略，特别是以40% TAW作为灌溉阈值，可以显著提高水分利用效率，在维持作物生产力的同时减少灌溉用水量。这一研究成果为摩洛哥乃至类似半干旱地区的农业水资源管理提供了科学依据和技术支持，对实现农业可持续发展具有重要意义。

需要注意的是，模型模拟是在假设无病虫害、养分充足的最佳管理条件下进行的，实际应用中需结合田间观测和农民经验进行调整。此外，研究还指出，模型对蒸散量的模拟存在一定偏差，这可能与涡度通量观测面积和模型模拟尺度不匹配有关。未来的研究可以进一步考虑年际气候变异性和经济因素对灌溉决策的影响，增强模型在实际生产中的适用性。