地表排水深度对孟加拉沿海地区向日葵产量与盐分动态的长期效应：基于APSIM模型的评估

《Field Crops Research》：Long–term effects of surface drainage depth on sunflower yield and salinity dynamics in Coastal Bangladesh: An APSIM assessment

　　

专业摘要翻译： 背景：恒河三角洲沿海盐碱地区在季风季节后常存在土壤水分过剩问题，导致旱季（Rabi）作物播种延迟。随后不合时宜的强降雨进一步加剧渍水危害，降低作物生产力。尽管地表排水可缓解渍水问题，但向日葵的最优地表排水深度尚不明确。 目的：本研究旨在确定向日葵种植的最优地表排水深度，并评估不同季节性降雨条件下长期（LT，1975–2024年）产量变异性。 方法：研究人员于2022至2024年在孟加拉库尔纳（Khulna）达科佩（Dacope）开展田间试验，设置三种地表排水深度处理（无排水、15 cm和30 cm，即明渠深度）。利用作物、土壤水分和土壤盐分数据对APSIM作物模拟模型进行本地化校准。模型性能通过R2、均方根误差（RMSE）、归一化RMSE及学生t检验进行评估。随后，基于50年降雨记录，研究人员将三种旱季降雨范围——低（0–100 mm）、中（100–300 mm）和高（300–637 mm）——的情景分析结果与长期产量进行比较。 结果：模型校准与参数调整解决了此前APSIM-向日葵模块存在的缺陷，并提高了目标变量的模拟精度。校准与验证阶段均获得较高的R2值（0.79–0.98），观测值与模拟值之间的RMSE在物候期（7.4与6.4天）、产量（106与153 kg/ha）、生物量（543与549 kg/ha）、土壤水分（0.026与0.036 cm3/cm3）及氯离子含量（CL）（46与119 mg/kg）等方面均处于可接受范围。长期产量预测表明，30 cm排水深度在所有季节性降雨类别中均为最优，其产量比15 cm或无排水处理高1.1–1.8倍。长期产量与季节性降雨量及溶质势呈显著（p < 0.001）正相关，与CL呈显著（p < 0.001）负相关。所有结果均在试验误差范围内，证实了模型的可靠性。 结论：APSIM模型在模拟沿海土壤不同地表排水深度下的逐日物候、产量、生物量、土壤水分、盐分及长期产量方面表现出较强性能，30 cm被证实为最优排水深度。 意义：通过进一步改进并增加地表排水模块，APSIM可作为研究人员和政策制定者管理旱季作物长期风险、通过种植制度集约化提高恒河三角洲盐碱沿海地区及类似环境中小农户农业收入的重要决策支持工具。

论文解读文章：

一、研究背景与问题

恒河-布拉马普特拉三角洲覆盖孟加拉国沿海地区及印度西孟加拉邦，该区域农业生产受到渍水、浅层地下水位和土壤盐分的多重制约，严重限制了旱季（Rabi）作物的种植与根系生长。季风季节降雨、潮汐淹没、排水不畅及浅层地下水位共同导致根区长期处于饱和状态，降低氧气可用性和氧化还原电位，抑制根系生长，进而降低作物产量。孟加拉国西南沿海地区超过120万公顷土地受盐分影响（>4 dS/m），旱季期间30–50%的农田因此闲置。向日葵（Helianthus annuus）已成为该地区替代传统休耕的耐逆作物，最佳播种期为11月中旬至12月中旬，耐盐杂交品种（如Hysun-33）在8–12 dS/m盐分水平下仍能保持稳定产量。然而，季风后土壤水分过剩导致播种延迟，作物生长季内不合时宜的强降雨进一步加剧渍水危害。即使仅1–2 cm积水持续超过24小时，也会大幅降低产量。现有研究多聚焦于渍水持续时间、不同排水方式比较或早播条件下排水效果，但针对特定地表排水深度如何改变土壤水分与盐分动态、进而影响产量结果的研究仍十分有限。因此，亟需量化不同排水深度在沿海三角洲多变降雨条件下对作物产量的长期影响。

二、研究内容与结论

研究人员在孟加拉国库尔纳达科佩的农田开展2022–2024年旱季田间试验，设置三种地表排水深度处理（无排水、15 cm和30 cm），每个处理三次重复。试验采用Hysun 33向日葵品种，分别于2022年12月9日和2023年12月21日播种，2023年4月2日和2024年4月4日收获。各小区通过60 cm深垂直聚乙烯屏障隔离以减少侧向渗漏，内部排水沟连接外部出口渠道将多余水分排入田间排水沟。为模拟沿海环境典型的间歇性渍水事件，研究人员在营养生长期施加三次24小时5 cm积水处理。利用作物物候、产量、生物量、土壤水分和氯离子含量数据对APSIM模型进行校准与验证。研究结论表明，30 cm排水深度在所有季节性降雨类别中均为最优，长期产量比15 cm或无排水处理高1.1–1.8倍。长期产量与季节性降雨量和溶质势呈显著正相关，与氯离子含量呈显著负相关，证实了模型在模拟排水-盐分-作物系统交互作用方面的可靠性。

三、主要技术方法

本研究采用APSIM Classic 7.10版本作物模拟系统，整合SWIM3（Soil Water Infiltration and Movement，土壤水分入渗与运移）模块模拟土壤水分运动和溶质运移，SURFACEOM模块模拟地表残留物分解，SOLUTE模块模拟氯离子平衡与运移，FERTILIZER模块模拟施肥管理，IRRIGATION和POND模块模拟灌溉与地表积水。气象数据（1948–2024年，77年）来自孟加拉气象局当地观测站，包含最高/最低温度、降雨量和太阳辐射。土壤参数通过田间采样（五层：0–15、15–30、30–50、50–80、80–120 cm）和Soil Water Characteristics模型（USDA，版本6.02.74）估算。模型校准使用2022–23年第一地点田间数据，验证使用2023–24年数据。校准过程中调整了DUL处导水率（0.19–0.32 mm/d）、DUL处基质势（?48至?60 cm）和弥散度（40–70 (cm²/h)/(cm/h)）等参数。

四、研究结果

模型校准与验证：通过调整作物生理参数、光能利用效率、根冠比和叶片分配系数等，解决了APSIM-向日葵模块在沿海盐碱条件下对生长模式模拟不准确的问题。校准与验证阶段物候期、产量、生物量、土壤水分和氯离子含量的R²值介于0.79–0.98之间，RMSE值分别达到7.4与6.4天（物候）、106与153 kg/ha（产量）、543与549 kg/ha（生物量）、0.026与0.036 cm³/cm³（土壤水分）和46与119 mg/kg（氯离子含量），均处于可接受范围，证明模型性能可靠。

长期产量预测：基于50年历史气象数据的情景分析显示，30 cm排水深度在所有季节性降雨类别（低0–100 mm、中100–300 mm、高300–637 mm）中均产生最高产量，比15 cm或无排水处理高1.1–1.8倍。长期产量与季节性降雨量和溶质势呈显著正相关（p < 0.001），与氯离子含量呈显著负相关（p < 0.001），表明排水深度通过影响根区盐分淋洗和水分状况来调节产量表现。

五、讨论与结论

讨论部分指出，APSIM-SWIM模块能够同时模拟土壤水分和溶质通量，克服了传统SOILWAT模块无法合理表征溶质运移的局限。模型校准和参数调整有效改善了APSIM-向日葵模块在沿海盐碱条件下的模拟精度。研究结果证实30 cm为最优排水深度，该深度能有效缓解渍水、降低根区盐分并提高向日葵产量。研究意义在于，通过进一步增加地表排水模块，APSIM可作为研究人员和政策制定者管理旱季作物长期风险、提高恒河三角洲盐碱沿海地区种植集约化和农户收入的决策支持工具。研究结论为：APSIM模型在模拟沿海土壤不同地表排水深度下的逐日物候、产量、生物量、土壤水分、盐分及长期产量方面表现出较强性能，30 cm被证实为最优排水深度。