基于时空建模的旱地冬小麦产量与水分生产率提升策略：变降雨条件下补充灌溉的作用

本研究针对气候变化导致的水资源短缺问题，通过AquaCrop模型模拟伊朗西南部旱地与灌溉区小麦产量，引入改进降雨形态指数（MRSI）分析降雨时空分布对作物生长的影响，发现补充灌溉（SI）可显著提升灌溉水生产率（SIWP）至0.6–2.4 kg·m-3，为半干旱区小麦生产的水分管理提供重要理论依据和实践指导。

　　

气候变化导致的水资源短缺正对全球旱地农业的可持续生产构成严峻挑战，尤其在半干旱地区，降雨的时空分布不均使得作物生产高度依赖自然降水的有效性。伊朗作为典型半干旱国家，其西南部胡齐斯坦省是重要的小麦产区，但该地区年均降雨量仅250毫米，而蒸发量高达4000毫米，且降雨模式极不稳定。这种气候条件使旱地小麦生产面临巨大风险，同时灌溉农业也因水资源日益紧张而承受压力。如何通过科学的水分管理策略提高小麦产量和水分利用效率，成为当地农业可持续发展的关键问题。

研究人员在《Agricultural Water Management》发表了题为"Spatiotemporal modeling for enhancing winter wheat yield and water productivity in dryland farming with supplemental irrigation under variable rainfall conditions"的研究论文，通过建立综合的时空模型，系统分析了变降雨条件下补充灌溉对冬小麦产量和水分生产率的影响。该研究不仅引入了创新的降雨分布评价指标，还通过长期气象数据模拟了不同水分管理情景下的作物响应，为半干旱地区小麦生产的水分优化管理提供了重要科学依据。

研究团队主要采用了水分驱动型AquaCrop模型进行长期模拟，基于伊朗胡齐斯坦省14个区域2000-2017年的气象数据，设置了旱作、补充灌溉和充分灌溉三种情景。技术方法包括：改进降雨形态指数（MRSI）的构建与验证、概率分布函数（PDF）拟合月降雨数据、逆模型估算光截获系数（k）、以及基于Penman-Monteith方程的参考蒸散量（ET₀）计算。研究还利用了当地土壤特性数据和作物参数，通过敏感性分析对模型进行了校准。

研究区域与数据基础

胡齐斯坦省位于伊朗西南部，面积62,818平方公里，属干旱气候，年均降雨250毫米，年均蒸发量4000毫米。研究区包括8个旱地地区和6个灌溉地区，土壤质地从中等到细粒不等。气候数据包括日降雨量、最高最低温度、相对湿度、日照时数和风速等，通过Penman-Monteith方程计算参考蒸散量（ET₀）。

AquaCrop模型构建与参数化

研究采用FAO开发的AquaCrop模型，该模型是水分驱动型模型，能够模拟每日作物生长情况。模型核心基于土壤水分平衡，将作物蒸散（ET_c）分离为作物蒸腾（T）和土壤蒸发（E），从而更精确地模拟水分生产率（WP）。模型通过每日蒸腾量（T）和参考蒸散量（ET₀）计算生物量，再通过收获指数（HI）计算籽粒产量（GY）。

改进降雨形态指数（MRSI）的开发

研究引入了改进降雨形态指数（MRSI），该指数综合了降雨分布形状（A_d）、不均匀指数（U_R）和均匀线斜率（E_R）三个关键特征。MRSI与小麦产量呈显著相关（r=0.41），特别是在中等降雨量（300-500毫米）地区表现明显。这表明MRSI能有效捕捉降雨分布对作物生长的影响。

补充灌溉策略的效果评估

研究表明，在开花前施加50毫米的补充灌溉（SI）能显著提高灌溉水生产率（SIWP），达到0.6-2.4 kg·m^-3。这种灌溉策略在季节性降雨量为100-400毫米且分布不均的地区尤为有效。在降雨充足的地区（如伊泽），补充灌溉的效果不明显，说明灌溉策略需要根据地区降雨特性进行调整。

水分生产率分析

通过线性回归分析，研究得出基于蒸腾（T）的水分生产率（TWP）为1.86 kg·m^-3，基于蒸散（ET）的水分生产率（ETWP）为1.64 kg·m^-3。两者接近表明蒸发损失没有显著影响作物的潜在蒸腾能力，作物能够高效利用土壤水分。

光截获系数（k）的逆模型估算

通过逆建模方法，研究估算了光截获系数（k），其值在0.43-0.68之间变化。较高的k值（如阿瓦士0.68）表明冠层结构更有效拦截光线，减少土壤蒸发，从而提高水分利用效率。这强调了选择适合当地环境的小麦基因型的重要性。

月降雨数据与日降雨数据的模拟比较

研究发现，使用月降雨数据会导致产量估计不准确，因为模型将月降雨量均匀分配到每一天，忽略了降雨的实际分布情况。在降雨集中在生长季早期的年份，月数据模拟的产量可能高于日数据模拟的结果，反之亦然。这表明在降雨分布高度变异地区，必须使用日降雨数据进行精确模拟。

研究结论强调，降雨分布对旱地小麦产量和水分生产率具有重要影响，特别是在中等降雨量地区。补充灌溉在降雨不足或分布不均的地区能显著提高产量和水分利用效率。在灌溉地区，赤字灌溉策略（200-250毫米）能够维持产量同时提高水分生产率，相比传统灌溉方法更高效。

该研究的重要意义在于为半干旱地区小麦生产提供了科学的水分管理策略。通过综合时空建模和创新指标开发，研究不仅提高了对降雨分布影响作物生长的理解，还为农民和 policymakers 提供了实用的灌溉指导。未来研究应关注不同小麦基因型对水分胁迫的响应，以及通过农业实践（如保护性农业和覆盖）进一步减少土壤蒸发，提高水分利用效率。