文章目录
前言
此系列博文的目的是系统学习AquaCrop作物模型的基本原理。
1. 概述
1.1 目的
- 介绍AquaCrop作物模型的基本框架
2. 版本
2.1 山东青岛，2021年10月11日，Version1
3. 微信公众号GISRSGeography
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一、AquaCrop模型基本原理
AquaCrop作物模型是一款水分驱动模型，AquaCrop作物模型将作物腾发量分为土壤蒸发（E）和作物蒸腾（Tr）两部分，从而将非生产用水（土壤蒸发）和生产用水（作物蒸腾）区分开来。
1. 基本原理
- AquaCrop作物模型由联合国粮农组织（FAO）水土司在2009年推出的作物-水分生产力模型。
Y = B × H I B = W P × ∑ T r (1) Y=B \times HI \\ B=WP \times \sum Tr \tag{1}Y=B×HIB=WP×∑Tr(1)
式中，Y YY为最终产量（k g / m 2 kg/m^2kg/m2），B BB为生物量（k g / m 2 kg/m^2kg/m2），H I HIHI为收获指数，T r TrTr为作物蒸腾量（m m mmmm），WP为水分生产效率（k g / m 2 / m m kg/m^{2}/mmkg/m2/mm）。 - AquaCrop作物模型的机理图如下所示：
2. 模块组成
为增强AquaCrop作物模型的功能，模型开发者将AquaCrop设计为一个“土壤-作物-大气”的连续系统，整个模型由以下四大基本模块组成：
- 土壤水分平衡模块
- 作物生长模拟模块
- 大气组分模块
- 田间管理模块
二、AquaCrop模型模拟过程
AquaCrop作物模型的具体模拟过程包括：(1) 作物冠层发育模拟; (2)作物蒸腾(Tr)模拟; (3)作物地上生物量模拟; (4) 作物产量模拟。
1. 冠层发育模拟
与其他作物模型不同，AquaCrop作物模型并不对作物的叶面积指数（LAI）进行模拟，而是模拟作物冠层盖度（CC）的发育过程。
- 冠层盖度在0（出苗前）和最大冠层盖度（CCX）之间变动，最大值可以接近100%。
- 非限制条件下的作物冠层发育，使用三个参数建模，冠层发育的具体模拟方程可以参考Bradford and Hsiao, 1982; Hsiao, 1982的文章。
- 初始冠层盖度（CCo）
- 最大冠层盖度（CCx）
- 冠层生长系数（CGC）
- 在冠层衰老开始时，用冠层衰减系数（CDC）模拟冠层盖度的下降。
2. 作物蒸腾模拟
当给定冠层盖度和每天的气象数据时，作物蒸腾（Tr）可以通过潜在蒸散发（ET0）计算得到（公式2）。ET0建议通过FAO56号文件指定的PenmaneMonteith 方程计算，并将其作为模型的输入变量。
T r = K s × ( K c T r , x × C C ∗ ) × E T 0 (2) Tr = Ks \times (Kc_{Tr,x} \times CC^*) \times{ET_0} \tag{2}Tr=Ks×(KcTr,x×CC∗)×ET0(2)
其中Ks是应力系数（Kssto或Ksaer），CC*是调整后的冠层覆盖度，K c T r , x Kc_{Tr,x}KcTr,x 是作物系数，ET0潜在蒸散发。
- 作物蒸腾系数KcTr与冠层盖度成正比，但是会依据行间平流和冠层拦截辐射的昼夜趋势进行额外调整（Villalobos and Fereres, 1990; Steduto et al., 2009）。
- 对于不同作物，比例因子KcTr,x的最大值在1.0和1.2之间变化。
3. 作物地上生物量模拟
AquaCrop作物模型通过WP(the normalized biomass water productivity，水分生产效率)，从每日的作物蒸腾（Tr）和对应的潜在蒸散发计算得到逐日累积的生物量
- 除了块根和块茎作物，AquaCrop模型模拟的是地上生物量。
- 如果养分不受限制（Steduto and Albrizio, 2005），除极端严重的情况外，水分胁迫对 WP* 的影响可以忽略不计，因此对生物量的影响完全可以通过对Tr的影响来解释。
- 经验测试表明低温对 WP有降低作用。如果 GDD （生长度日）低于其阈值，则生物量低温胁迫系数 (Ksb)将小于 1，生物量下降。
- WP的标准化受两个因素影响：(1) 以ET0为代表的大气潜在蒸散发需求；(2) 参考年2000年的CO2浓度。水分生产效率（WP）被定义为产生的生物量（因CO2的增加而增加）与消耗的水的比率，因此CO2浓度和ET0对水分生产力有重大影响。
4. 作物产量模拟
作物产量通过生物量（B）和收获系数（HI）计算得到。
Y = f H I × H I 0 × B (3) Y=f_{HI} \times HI_0 \times B \tag{3}Y=fHI×HI0×B(3)
- 实际H I HIHI是通过在模拟过程中使用胁迫效应的调整因子 (f H I f_{HI}fHI) 调整参考收获指数 (H I 0 HI_0HI0) 来获得的。
- H I 0 HI_0HI0是无胁迫条件下的收获系数，和作物品种有关。
- f H I f_{HI}fHI取决于作物生长季中水分胁迫或温度胁迫的时间和程度。
- 水分胁迫通常会降低H I HIHI，但也可以通过抑制与谷物或水果竞争同化物的营养生长来增加H I HIHI。因此f H I f_{HI}fHI可以在最大值（最高为1.6）和0之间变化。
三、小结
本文首先介绍了AquaCrop作物模型的基本原理和组成模块，然后介绍了AquaCrop作物模型模拟作物生长的四个主要步骤。
四、参考资料
[1] Vanuytrecht, Eline; Raes, Dirk; et al. (2014): AquaCrop: FAO’s crop water productivity and yield response model. In Environmental Modelling & Software 62, pp. 351–360.
[2] 孙仕军,张琳琳,陈志君,孙娟.AquaCrop作物模型应用研究进展[J].中国农业科学,2017,50(17):3286-3299.