气候变化与灌溉管理对阿联酋旱地农业作物韧性的影响：基于APSIM模型的驱动评估

本刊推荐：为应对气候变化加剧粮食安全挑战，研究人员利用APSIM模型评估阿联酋旱地农业中三种主要作物（小麦、玉米、马铃薯）在综合气候变化预测和灌溉管理策略下的表现。结果表明，中高排放情景下升高的温度和水胁迫会显著降低作物产量，而基于模型的灌溉推荐可有效提升水分利用效率并支持作物适应性调度。研究强调了投资耐逆作物和气候智能实践的重要性，为干旱地区农业可持续发展提供科学依据。

　　

在全球气候变化加剧粮食安全挑战的背景下，干旱地区的农业生产面临着前所未有的压力。阿拉伯联合酋长国（UAE）作为典型的干旱至超干旱气候国家，其农业部门长期受到极端高温、温度多变性和稀缺而不规律降水的严重影响。该国粮食自给率长期低于10%，严重依赖进口，而快速的人口增长、经济发展以及饮食结构变化进一步加大了国内粮食安全的压力。为了应对这些挑战，阿联酋政府投入了大量资源和先进技术来评估国内种植系统的表现，并致力于通过气候智能型农业提升国家粮食安全的韧性。

在这一背景下，作物建模作为一种前沿工具，为分析作物管理、评估水土资源利用和可持续性提供了强有力的支持。然而，阿联酋现有的农业研究多基于传统的描述性和实验性方法，作物建模与相关生物物理模拟在决策支持框架中的整合仍较为有限。这一不足限制了对复杂的土壤-作物-气候连续体的综合分析能力，也制约了将未来气候预测和环境情景转化为可操作策略的能力。因此，本研究通过应用APSIM（Agricultural Production Systems sIMulator）模型，首次在阿联酋干旱、多变的条件下系统评估了三种主要一年生作物——小麦、玉米和马铃薯——在综合气候变化和灌溉管理情景下的生态生理响应和韧性-敏感性特征，填补了这一研究空白。

本研究旨在通过三个主要的建模工作实现核心目标：首先，评估APSIM模型在阿联酋特定条件下监测作物发育和产量的预测准确性；其次，运行APSIM模拟，分析历史和未来具有挑战性的环境与气候变化情景对三种作物发育、生产力和植株水分状况的影响；最后，将APSIM模型作为决策支持工具，制定灌溉实践并评估其在不同气候变化情景下的影响，重点分析三种作物在生长季内的韧性-敏感性表现。

研究采用了多种数据源和技术方法。在数据方面，收集了来自阿联酋22个站点的土壤理化性质、气象数据以及作物管理信息。气象数据包括历史基线期（1988-2014年）和未来预测期（2015-2100年）的日降雨量、最低和最高温度以及全球辐射数据，这些数据来自ERA5数据库和NASA气候模拟中心（NCCS）降尺度的NEX-GDDP-CMIP6数据，涵盖了七种全球气候模型和四种共享社会经济路径（SSP2.6、SSP4.5、SSP7.0和SSP8.5）。作物管理信息基于当地农民常规实践和通过系统推理计算得出的优化管理策略。

在方法上，研究采用了APSIM 7.10版本这一过程模型，该模型通过生物物理方程整合生物物理过程和管理模块，以每日分辨率模拟种植系统。模型的参数化、校准和验证过程遵循结构化三步法：参数化阶段确定了模型所需的土壤、气候和管理输入参数；校准阶段通过手动试错法调整了与作物物候、生物量积累和产量发育相关的APSIM模型作物-品种系数，以最小化模拟值与观测值之间的差异；验证阶段使用独立站点的数据评估了模型的准确性和稳健性，采用了均方根误差（RMSE）和标准化均方根误差（NRMSE）作为性能指标。

此外，研究还利用APSIM模型的“基于土壤水分亏缺灌溉”功能，自动化了灌溉调度，以在作物生长周期内精确维持土壤水分可用性，最小化水分胁迫，支持在不同气候条件下作物的最优表现。通过这一方法，研究生成了详细的日度和年度信息，包括模型推荐的灌溉剂量、作物物候发育和周期长度、产量以及作物水分吸收的演变。

3.1. APSIM模型校准与验证

APSIM模型在校准和验证过程中表现出高度的准确性，能够可靠地捕捉三种作物在阿联酋干旱条件下的特定系数和生长动态。校准结果显示，模型对三种作物的生产力预测具有高度准确性，NRMSE在10%至15%之间。同时，模拟的作物物候阶段和周期长度与专家定义的基准高度一致。验证过程进一步证实了模型在不同农业环境条件下的准确性和稳健性，NRMSE在6.5%至16%之间，表明APSIM模型适用于阿联酋特定环境的农业状况监测和决策支持。

3.2. 比较气候变化情景对作物物候发育、生产力和水分状况的影响

3.2.1. 对作物物候发育和周期长度的影响

研究结果显示，小麦物候对未来气候情景敏感，低至中排放路径（SSP2.6和SSP4.5）下生长周期趋于稳定，而高排放情景（SSP7.0和SSP8.5）会延长周期，增加热胁迫和水分胁迫暴露，可能降低生产力。玉米物候在中等排放情景下表现出下降后稳定的趋势，受益于温度保持在其34°C上限阈值以下，减少了热胁迫暴露。马铃薯物候对温度最为敏感，在中等至高排放情景下，生长周期预计会超过日历年，导致频繁的热胁迫、发育延迟以及可能的两年生生长转变，在极端变暖情况下可能发生完全作物失败。

3.2.2. 对作物生产（产量）的影响

小麦产量在SSP2.6下保持相对稳定，但在中高排放情景下呈现逐渐下降趋势，特别是在SSP8.5下到本世纪末损失最为显著。玉米产量在本世纪早期所有情景下均下降，在SSP2.6下后期趋于稳定，而在中高排放情景下则出现新的下降和更高的变异性。马铃薯产量在低排放路径下保持稳定，但在高排放情景下急剧下降，在严重的情景下预计会发生反复的作物失败。

3.2.3. 对作物水分吸收的影响

小麦水分吸收在未来SSP情景下大致跟随产量趋势，在高排放路径下仍相对 resilient，但水分利用效率（WUE）下降。玉米水分吸收在中等排放情景下与生物量趋势紧密耦合，但在高排放路径下生物量下降速度超过水分利用，反映出热胁迫和缩短的生长周期降低了水分利用效率和生产力。马铃薯水分吸收在所有时期保持相对稳定，但在高排放情景下产量下降速度超过水分吸收变化，表明光合效率下降和脆弱性增加。

3.3. 评估使用APSIM模型作为决策支持工具推荐最优灌溉剂量的效果

3.3.1. 对作物物候发育的影响

比较APSIM推荐灌溉与基线灌溉下的作物周期长度，发现小麦和玉米的周期长度在所有SSP情景和气候模型下差异最小，而马铃薯物候则表现出对优化灌溉的显著依赖。APSIM指导的精准灌溉成功延迟了马铃薯周期超过日历年的现象，并防止了在极端条件下的作物失败。

3.3.2. 对作物生产（产量）的影响

在APSIM推荐的灌溉下，小麦产量与基线实践相比有所下降，反映了精准水分管理与复杂的生理和环境约束之间的权衡。玉米产量在采用APSIM优化灌溉后变异性降低，减轻了对生产力的不利影响，但在高排放情景下并未逆转总体下降趋势。马铃薯产量在两种灌溉策略下相对稳定，但APSIM策略在防止作物失败方面表现出显著优势。

3.3.3. 对作物水分吸收的影响

APSIM灌溉策略下，小麦和马铃薯的水分吸收在中等排放情景下与基线相近，但在高排放路径下显著下降，与产量减少并行。玉米水分吸收在历史基线期略高，随着SSP情景加剧，差异变得更加明显，特别是在高排放路径下，APSIM驱动的灌溉显著增强了水分吸收，支持了产量的显著改善。

本研究通过全面评估APSIM模型在阿联酋干旱农业系统中的应用，揭示了气候变化对主要作物物候、生产力和水分利用的深远影响。研究发现，中高排放情景下升高的温度和水胁迫会显著降低小麦和玉米的产量，并可能导致马铃薯的作物失败。同时，基于APSIM模型的灌溉推荐被证明可以有效管理作物水分需求，提高水分利用效率，并在高排放情景下支持作物的适应性调度。

这些发现强调了在干旱地区农业中投资耐逆作物和气候智能实践的重要性。例如，选择耐热耐旱的C4作物（如玉米）和培育适应高温的品种，结合精准灌溉和土壤水分管理，可以显著增强农业系统的气候韧性。此外，研究还指出，当前作物模型在捕捉某些胁迫相互作用方面存在局限，未来的研究需要进一步整合水分-能量-食物（WEF） nexus视角，以更全面地评估资源动态和政策干预。

总之，本研究为阿联酋及类似干旱地区的农业可持续发展提供了科学依据和实践指南。通过结合先进的过程模型和本地化的数据，研究人员和政策制定者可以更好地理解作物对气候变化的响应，制定有效的适应策略，最终实现粮食安全和水资源可持续利用的双重目标。论文发表在《Agricultural Water Management》，为该领域的后续研究和实际应用提供了重要参考。