基于AquaCrop模型的小地區(qū)氣候變化對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

高博+尹曉榮+張濤

摘要：為了研究甘肅省高臺(tái)縣氣候變化對(duì)小麥（Triticum aestivum L.）產(chǎn)量的影響，對(duì)該地區(qū)50 a的氣象因素變化進(jìn)行了分析，并且利用AquaCrop作物模型模擬不同年份小麥的生產(chǎn)潛力。結(jié)果表明，年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低溫度均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)幅度為0.021 5、0.012 4、0.014 5 ℃/a，總降雨量也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)幅度為0.220 2 mm/a，而日照時(shí)間呈降低趨勢(shì)，降低幅度為1.328 8 h/a，并擬合得到了相應(yīng)的線性趨勢(shì)公式。該地區(qū)小麥生產(chǎn)潛力較低，平均模擬產(chǎn)量為5 807.5 kg/hm2，不同年份間小麥產(chǎn)量差異極顯著，并且從氣候變化因素分析了該地區(qū)小麥產(chǎn)量變化的原因。

關(guān)鍵詞：AquaCrop模型；小麥（Triticum aestivum L.）產(chǎn)量；日照時(shí)間；氣溫；降雨量

中圖分類號(hào)：P42；S512.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）15-2856-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.15.015

Abstract： In order to study the impact of climate change on wheat （Triticum aestivum L.） yield in Gaotai county in Gansu province，the article analyzed the changing of meteorological factors of 50 years，and the wheat potential productivity was simulated by using AquaCrop. The results indicated that the annual average temperature，annual mean maximum temperature，annual mean minimum temperature were all on the rise，and the growth rate were 0.021 5，0.021 5，0.012 4 ℃，respectively. Total rainfall was also on the rise，growth rate was 0.220 2 mm/a. Sunshine duration showed a trend of decrease，the reduction rate was 1.328 8 h/a，and corresponding linear trend fitting formula was got. Wheat production potential was low in the region，an average of simulated yield was 5 807.5 kg/hm2，and inter-annual change had a significant difference on wheat yield，the changing reasons of wheat production was analyzed from climate change factors in the region.

Key words： AquaCrop model； wheat （Triticum aestivum L.）yield； sunshine duration； temperature； rainfall

在全球氣候變化的背景下，中國(guó)各區(qū)域的氣溫、降雨等氣象因子的變化也存在明顯的地域差異[1]。近十幾年在長(zhǎng)江中下游地區(qū)、華南地區(qū)和西北地區(qū)降雨主要集中在夏季，而華北地區(qū)夏季降水卻呈減少趨勢(shì)[2]。雖然科學(xué)界對(duì)氣候變化的歷史演變和未來(lái)氣候的變化趨勢(shì)還存在著爭(zhēng)論，但氣候變化已經(jīng)深刻影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，這不僅關(guān)系到全球糧食生產(chǎn)和安全供應(yīng)，而且可能也會(huì)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和食物安全有一定的影響[3]。已有研究發(fā)現(xiàn)，氣候變化對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)有一定的小幅增產(chǎn)作用；而有研究通過(guò)氣象與作物模型結(jié)合分析，發(fā)現(xiàn)氣候變化下中國(guó)農(nóng)業(yè)的總體生產(chǎn)力呈降低趨勢(shì)，降低幅度在5%～30%[4]，這種不同研究結(jié)果嚴(yán)重制約著中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的決策選擇。

AquaCrop模型是FAO為解決現(xiàn)有作物模型存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、所需參數(shù)繁多、校準(zhǔn)工作量大等不足研發(fā)的一種水分驅(qū)動(dòng)作物模型[5]。作物模型在研究農(nóng)業(yè)災(zāi)害損失和評(píng)估中已被廣泛應(yīng)用，其中Todisco等[6]采用AquaCrop模型對(duì)水分虧缺條件下作物產(chǎn)量的變化進(jìn)行了分析，以便評(píng)估旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。本研究主要針對(duì)小地區(qū)氣候類型研究其在近50 a的變化趨勢(shì)，結(jié)合作物模型模擬評(píng)估不同年際該地區(qū)小麥（Triticum aestivum L.）產(chǎn)量，并結(jié)合氣候因素的變化探討分析了小麥的生產(chǎn)潛力和產(chǎn)量變化趨勢(shì)的原因，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害定量實(shí)時(shí)分析及采取相對(duì)應(yīng)的農(nóng)業(yè)管理措施有重要作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)選擇在甘肅省張掖市高臺(tái)縣，位于河西走廊中部，黑河中游下段，東鄰臨澤縣，西與酒泉市、金塔縣和肅南縣明花區(qū)相連，南與肅南縣大河區(qū)接壤，北依合黎山與內(nèi)蒙古阿拉善右旗相鄰。介于東經(jīng)98°57′27″-100°06′42″、北緯39°03′50″-39°59′52″，海拔在1 260～3 140 m。全縣面積約4 346.61 km2，其中耕地面積2.13萬(wàn)hm2，占全縣面積的4.8%。屬于冷溫帶大陸性干旱氣候，全年無(wú)霜期150 d左右，近30 a年平均降水量112.3 mm，蒸發(fā)量為1 638.2 mm，年均氣溫8.1 ℃，其中最高氣溫在7月，月平均氣溫為22.3 ℃，最低氣溫在1月，月平均氣溫為-8.9 ℃；川區(qū)和沿山區(qū)地形地貌差異較大，平均全年日照時(shí)間分別為3 105和2 683 h。該地屬典型旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，土壤類型主要為鹽土和風(fēng)沙土，表層土壤鹽漬化較為嚴(yán)重，有機(jī)質(zhì)含量0.13%～1.08%，全氮含量0.005%～0.060%，碳酸鈣含量2.7%～6.2%，pH 7.7～9.3。endprint

1.2 資料來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于高臺(tái)國(guó)家基本氣象站（99°50′E，39°22′N，海拔1 332.2 m），高臺(tái)國(guó)家基本氣象站建于1952年8月13日，座落于高臺(tái)縣府街延伸東段，系國(guó)家基本氣象觀測(cè)站，觀測(cè)的項(xiàng)目有云、能見(jiàn)度、天氣現(xiàn)象、氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)向風(fēng)速、0～320 cm地溫、降水量、日照、蒸發(fā)量、雪深、雪壓、凍土。

考慮各種人為因素引起的氣象資料非均一性問(wèn)題，有針對(duì)性地對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行均一性檢驗(yàn)和訂正[7]，本研究在分析過(guò)程中對(duì)明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)，尤其對(duì)各氣象因素的極大值進(jìn)行了合理性判斷。

1.3 AquaCrop模型參數(shù)輸入

模型在運(yùn)行時(shí)步長(zhǎng)有1 d、10 d、1個(gè)月3種，所需氣象參數(shù)主要為降雨量、最高和最低氣溫、參考作物蒸騰量、大氣CO2濃度，其中參考作物蒸騰量用ETo表示，可由FAO組織提供的ETo Calculator軟件通過(guò)提供的現(xiàn)有降雨量、最高和最低氣溫等參數(shù)計(jì)算求出，而大氣CO2濃度在模型中根據(jù)全球地理位置可供幾種選擇，一般定好地理位置的經(jīng)緯度模型會(huì)自動(dòng)推薦默認(rèn)值[8]。

作物參數(shù)首先確定種植作物類型和種植方式（C3還是C4，移栽還是直播），然后在模型中輸入具體作物物候期（種植密度、作物播種期、出苗期、拔節(jié)期、灌漿期、衰老和成熟時(shí)間），最后通過(guò)采用試錯(cuò)法確定冠層增長(zhǎng)系數(shù)（CGC）、冠層衰老系數(shù)（CDC）、參考作物收獲指標(biāo)等具體參數(shù)，結(jié)合文獻(xiàn)[9，10]整理得到旱區(qū)AquaCrop模型小麥參數(shù)，如表1所示。

管理參數(shù)模塊包括田間措施和大田灌溉兩部分。其中，灌溉部分包括灌溉方式（漫灌、滴灌、噴灌等）和灌水制度（灌水時(shí)間、次數(shù)以及灌水量）；田間管理措施包括施肥水平、農(nóng)田覆蓋度以及覆蓋材料、田間地表措施。本研究中試驗(yàn)期內(nèi)均無(wú)灌水措施，作物所需水分全靠降雨；土壤施肥水平均選擇為肥沃90%，田間用有機(jī)秸稈覆蓋10%，田間無(wú)起壟、地表徑流。

土壤參數(shù)模塊主要指土壤的理化特性，包括土層數(shù)、土層厚度、容重，土壤特性包括永久凋萎點(diǎn)、田間持水量、飽和導(dǎo)水率等，本研究的土壤初始參數(shù)如表2所示。

1.4 試驗(yàn)方法

氣象變化趨勢(shì)中研究的主要對(duì)象為降雨、氣溫、日照時(shí)間。其中，氣溫變化特征指標(biāo)為年平均氣溫、年最高氣溫、年最低氣溫，降雨量變化特征指標(biāo)為年總降雨量，日照時(shí)間變化特征指標(biāo)為年總?cè)照諘r(shí)間。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)結(jié)果采用Excle和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、顯著性檢驗(yàn)和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候因素變化趨勢(shì)

將1957-2006年高臺(tái)縣逐日氣溫、降雨量、日照時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到年平均氣溫、年最高氣溫、年最低氣溫、年總降雨量、年總?cè)照諘r(shí)間，以年際變化為橫坐標(biāo)，氣象特征指標(biāo)為縱坐標(biāo)，得到其變化趨勢(shì)，如圖1所示。

該地區(qū)在1957-2006年氣溫變化趨勢(shì)如圖1a所示，年平均氣溫范圍為6.28～9.06 ℃、年最高氣溫范圍為14.03～17.27 ℃、年最低氣溫范圍為-0.16～3.29 ℃；通過(guò)添加氣溫特征與年際變化之間的趨勢(shì)線可直觀地看出，不同年際的氣溫在趨勢(shì)線的上下附近，所有氣溫特征均有所增加，其中年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的增加幅度分別為0.021 5、0.012 4、0.014 5 ℃/a，氣溫雖然隨著年際變化有所增加，但是整體增加幅度非常小。

該地區(qū)降雨量變化趨勢(shì)如圖1b所示，不同年際降雨量差異較大，降雨主要集中在5-7月，年總降雨量在54.9～209.9 mm，50 a平均降雨量為105.61 mm，降雨量嚴(yán)重低于250 mm，屬于典型的旱區(qū)氣候類型。通過(guò)變化趨勢(shì)線得到降雨量隨著年際變化有所增加，其中增加幅度為0.220 2 mm/a，整體增加幅度較小。

日照時(shí)間是指太陽(yáng)每天在垂直于其光線的平面上的輻射強(qiáng)度超過(guò)或等于120 W/m2的時(shí)間長(zhǎng)度，與白晝長(zhǎng)度、云量和地形等條件有關(guān)[11]，由于屬于高海拔區(qū)，在1957-2006年年日照時(shí)間差異較大，為 2 791.1～3 338.3 h，平均年日照時(shí)間為3 116.4 h，日照時(shí)間變化趨勢(shì)不同于氣溫和降雨，隨著年際變化日照時(shí)間逐漸有所降低，降低幅度為1.328 8 h/a。

2.2 AquaCrop模型評(píng)估近30 a小麥產(chǎn)量變化趨勢(shì)

利用該地土壤類型、逐日氣象資料和旱區(qū)AquaCrop模型小麥參數(shù)進(jìn)行模擬得到該地不同年份的小麥產(chǎn)量，結(jié)果如表3所示。對(duì)不同年份的模擬產(chǎn)量做方差分析，結(jié)果如表4所示。

由表3可知，高臺(tái)縣在1957-2006年小麥模擬產(chǎn)量為4 084.2～8 354.5 kg/hm2，最高和最低模擬產(chǎn)量分別出現(xiàn)在1979和1968年，而且通過(guò)分析降雨量這兩年分別為豐雨年和貧雨年，50 a平均模擬產(chǎn)量為5 807.5 kg/hm2，說(shuō)明在該地區(qū)氣候類型下小麥總體生產(chǎn)潛力較低。而且通過(guò)方差分析得到不同年際小麥模擬產(chǎn)量差異極顯著，說(shuō)明不同年份氣候?qū)π←湲a(chǎn)量的形成有重要影響。

為了研究小麥產(chǎn)量的變化趨勢(shì)，用年份作為橫坐標(biāo)，模擬產(chǎn)量為縱坐標(biāo)，做小麥產(chǎn)量隨年際變化的帶平滑的散點(diǎn)圖，并得到其線性變化趨勢(shì)線和擬合公式，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，不同年份的模擬產(chǎn)量趨勢(shì)線的擬合公式為y=10.168x-14 340，整體上模擬產(chǎn)量隨年際變化呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。在模擬時(shí)土壤和管理措施不變，因此增產(chǎn)的原因主要是由氣象因素所致，在氣候變化趨勢(shì)中得到年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在生長(zhǎng)周期不變的情況下，氣溫的升高有助于提高作物的有效積溫和光合作用，使作物積累更多的光合產(chǎn)物[12]；其次由于生育期總耗水量與產(chǎn)量之間存在著密切的關(guān)系，通過(guò)降雨量變化趨勢(shì)中發(fā)現(xiàn)年總降雨量也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在水分生產(chǎn)力不變的情況下，降雨量增多，即生育期內(nèi)作物可利用的水分增多，提高了作物在生物量和產(chǎn)量積累過(guò)程中所需水分的供給[13]；最后因?yàn)槿照諘r(shí)間有所降低，夜間時(shí)長(zhǎng)增多，而且該地區(qū)夜間溫度較低，降低了作物的有氧呼吸消耗。endprint

3 結(jié)論

本研究通過(guò)分析甘肅省張掖市高臺(tái)縣近50 a氣象資料變化趨勢(shì)得到，隨著年際變化，年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低溫度均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)幅度為0.021 5、0.012 4、0.014 5 ℃/a，年總降雨量也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)幅度為0.220 2 mm/a，而日照時(shí)間呈降低趨勢(shì)，降低幅度為1.328 8 h/a。利用AquaCrop模型評(píng)估該地區(qū)小麥生產(chǎn)潛力，得到1957-2006年小麥產(chǎn)量在4 084.2～8 354.5 kg/hm2，不同年份小麥產(chǎn)量差異極顯著，平均模擬產(chǎn)量為 5 807.5 kg/hm2，隨著年際變化產(chǎn)量有所增加，增加幅度為10.168 kg/（hm2·a），但整體上受該地區(qū)氣候影響，產(chǎn)量整體較低。以上研究成果可為極其干旱缺水的綠洲生態(tài)環(huán)境改善和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

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