旱地小麥產量及其構成因素灌溉效應的模擬分析

聶志剛，任新莊，李 廣，雒翠萍，董莉霞，王 鈞，逯玉蘭

(1.甘肅農業大學信息科學技術學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070)

水分虧缺是限制小麥產量的最主要原因，在水資源嚴重不足的黃土丘陵區，如何經濟合理地利用有限的水資源是小麥生產中重要的技術問題[1]。欲制定經濟合理的農田灌溉方案，對小麥在不同生育階段水分的需求以及灌水時期與灌水量對產量及其構成因素影響規律的揭示尤為重要。

近年來，隨著信息技術的快速發展，作物模型作為定量分析灌溉措施對農作物生產影響效應的方法已經得到廣泛的應用。滕曉偉等[2]利用AquaCrop模型針對陜西楊凌及周邊區域的冬小麥生產設置了固定時間和等量灌水的4種灌溉情景，并對產量和生物量進行模擬研究，表明在播種后第77天進行冬灌并且在播種后第172天的拔節期再進行灌水的兩種情景可獲得最大的生物量，在播種后第77天進行冬灌、播種后第172天拔節期和播種后第200天抽穗期再分別灌水，小麥產量最高。王文佳等[3]運用DSSAT模型對陜西楊凌不同降水年型冬小麥灌溉制度進行研究，表明枯水年、平水年和豐水年最優灌溉定額分別為：125、75、50 mm左右。張文萍等[4]建立早稻產量、千粒質量、有效穗、穗粒數與出苗～分蘗、分蘗～孕穗以及孕穗～抽穗3個階段灌水量之間的統計回歸數學模型，揭示了孕穗～抽穗期的灌溉對早稻產量的影響最大，分蘗～孕穗期的灌溉次之，出苗～分蘗期影響最小，可在出苗～分蘗、分蘗～孕穗期適當虧缺灌溉的節水規律。眾多學者因地制宜，利用作物模型揭示灌溉處理對作物產量形成過程的影響規律，為當地農作物生產灌溉方案的制定提供了決策依據，然而針對小麥灌水時期與灌水量閾值區間準確量化的研究還不夠，因此不同灌溉方案對小麥產量形成過程的影響規律，仍有待進一步研究。定西是典型的黃土丘陵區，小麥是該區域重要的糧食作物，目前針對該區域小麥產量及其構成因素灌溉效應的研究鮮有報道。為揭示灌水時期與灌水量對小麥產量及其構成因素的影響規律，本文依據定西1971-2016年氣象數據，定西市安定區鳳翔鎮安家溝村2016年大田試驗數據，利用APSIM(Agricultural Production Systems Simulator)模擬平臺，動態模擬各灌溉處理下的小麥產量形成過程，并對各灌溉響應進行模擬分析，為黃土丘陵區小麥生產中制定經濟合理的農田灌溉方案提供一定的決策依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

大田試驗于2016年在甘肅省定西市安定區鳳翔鎮安家溝村進行。該地區海拔1 980 m，氣候屬中溫帶半干旱區；年均氣溫為6.3℃，年均≥10℃積溫2 235.1℃，年均日照時數2 408.6 h，平均無霜期141 d；多年平均降雨量為385.00 mm，降水集中在7-9月份，且多暴雨事件發生，年均蒸發量1 549.0 mm。

1.2 試驗設計

大田試驗總灌水量設5個水平，分別是0、50、100、150、200 mm，所有水平分別在分蘗～拔節階段的5月8日、拔節～孕穗階段的5月27日以及開花～灌漿階段的6月23日進行漫灌。試驗小區面積6 m×4 m，保護行0.5 m，完全隨機區組設置，共計15個小區。供試作物為“甘春32號”春小麥，播種量187.5 kg·hm-2，免耕播種機播種，播深均為7 cm，行列距0.25 m[5]。各處理施肥量同當地，且作為基肥播種時一次性施入，其他田間管理亦同當地。以當地適宜播期每年3月19日正常播種，7月22日收獲。全生育期可劃分為播種、出苗、分蘗、拔節、孕穗、開花、灌漿、成熟等生育時期。

1.3 APSIM平臺簡介

APSIM是由澳大利亞農業生產系統研究組(Agricultural Production Systems Research Unit，APSRU)，自1991年開始研制的農業生產系統模擬平臺。國內外對APSIM的地域適用性、氣候變化對作物的影響效應、水土保持評價以及水肥管理等方面取得了大量的研究成果[5-11]，該平臺以作物屬性模塊(APSIM-Wheat)為通用作物生長模擬框架[7]，在研究區氣象參數庫支持及土壤參數庫驅動下，可實現作物生長發育過程的動態模擬。

1.4 產量、氣象及土壤數據

研究區多年(1971-2015年)產量數據來源于定西市安定區歷年統計年鑒，2016年產量為安家溝村實測數據。

甘肅省氣象局提供定西市安定區多年(1971-2016年)歷史氣象資料。APSIM所需逐日氣象數據：逐日太陽輻射量(MJ·m-2)、逐日最高氣溫(℃)、逐日最低氣溫(℃)和逐日降水量(mm)，逐日太陽輻射值利用李廣等[5]在黃土丘陵區APSIM適用性研究中所使用的日照時間轉換計算法獲取?；谔镩g試驗，根據李廣等[5]在黃土丘陵區APSIM適用性研究中經過率定的土壤屬性數據，得到研究區土壤主要屬性參數(表1)。

1.5 參數校準

利用2016年田間實際測算數據，以及李廣等[5]在黃土丘陵區APSIM適用性中的研究，經過反復修改和訂正，可得研究區本土化作物基本屬性參數庫(表2)。基于APSIM V7.7平臺，設計APSIM-Wheat控制文件Wheat.xml，鏈接研究區1971-2016年氣象數據參數庫和土壤數據參數庫，實現旱地小麥生長發育的動態模擬。

表1 APSIM中研究區土壤主要屬性參數

注： BD為容重，WC為萎蔫系數，DUL為最大持水量，SM為飽和水分含量，CA為風干系數，SWC為土壤導水率，LLW為小麥有效水分下限。

Note： BD is bulk density, WC is wilting coefficient, DUL is drainage upper limit, SM is saturated moisture, CA is coefficient of air-dry, SWC is conductivity of soil water, and LLW is lower water limit of wheat.

表2APSIM中供試小麥主要屬性初始參數

Table2InitialpropertyofthetrialwheatusedinAPSIM

參數 Parameter值 Value主莖葉數 Leaf number of main stem/(piece·stem-1)7分蘗質量 Weight of tiller/(g·tiller-1)1.22單株質量 Weight of single plant/g4株高 Stem length/cm100穗下節長 Lower internode length/cm33每克莖籽粒數 Grain number per gram stem/(grain·g-1)25

1.6 檢驗方法

模型檢驗方法主要采用均方根誤差(RMSE)以及決定系數(R2)對模擬值與觀測值的擬合度進行分析。計算公式如下：

(1)

式中，RMSE為均方根誤差，YObs為實測值；YSim為模擬值。RMSE的值越小，表明模擬值與實測值之間誤差越小。

2 結果與分析

2.1 APSIM檢驗

依據定西市安定區鳳翔鎮安家溝村2016年5個灌水量、3個灌水時期的田間試驗實測數據，對APSIM平臺進行檢驗。小麥產量、籽粒數和千粒重模擬值與實測值之間的關系如圖1所示。由圖可知，小麥產量模擬值與實測值絕大多數分布于1∶1實線的左右，誤差控制在-15%～+15%的范圍內，決定系數R2為0.957，均方根誤差RMSE為131.94 kg·hm-2，APSIM對小麥產量模擬精度較高；小麥籽粒數模擬值與實測值大多數分布在-15%～+15%的范圍內，決定系數R2為0.874，均方根誤差RMSE為332.85 grain·m-2，誤差主要是由于APSIM中與小麥籽粒數模擬相關參數，即每克莖籽粒數的估算準確度所造成[12]，整體來看，APSIM仍可用于小麥籽粒數的模擬；小麥千粒重模擬值與實測值全部分布在-15%～+15%的范圍內，決定系數R2為0.883，均方根誤差RMSE為2.28 g，APSIM對小麥千粒重模擬精度較高。

圖1 小麥產量、籽粒數和千粒重模擬與實測值關系Fig.1 The relationship of simulated and observed value of yield,grain number and thousand-grain weight of wheat

2.2 小麥各生育期需水量模擬分析

利用研究區多年(1971-2016年)產量數據及歷史氣象資料，對研究區小麥產量與各生育階段降水量進行回歸分析。研究區1971-2016年小麥各生育階段平均降水量特征如表3所示。小麥全生育期內平均降水量為181.26 mm。小麥各生育階段平均降水量以灌漿～成熟階段為最多，可達67.14 mm，占年均降水量的17.44%，且變異系數最低，這表明灌漿～成熟階段的降水最為穩定，這與定西地區地形復雜多山脈屏障，且降水時期分布有關，該地區降水多分布在7-9月份，而春小麥灌漿期正好在此段時間內[13]。開花～灌漿階段平均降水量占年均總降水量的比例最小，這與開花～灌漿歷時較短有關。

利用DPS軟件對無量綱化處理之后的變量進行回歸分析，得出各生育階段降水量對產量的多元回歸方程為：Y=-0.08+0.28X1+0.19X2+0.69X3+1.19X4-1.98X5+0.45X6+0.63X7-0.6X8-0.21X12-0.19X22-0.68X32-0.79X42+1.12X52-0.23X62-1.81X72+0.71X82+0.51X1X2-0.58X1X3-0.02X1X4+1.09X1X5+1.17X1X6-2.16X1X7+0.4X1X8+1.06X2X3+1.54X2X4-2.34X2X5+2.27X2X7-0.9X2X8+0.85X3X4+1.72X3X5-0.21X3X6+0.05X4X5-0.88X4X6-0.6X4X7-2.13X4X8-0.55X5X6+0.28X5X7+3.75X5X8+1.52X6X7-0.8X6X8。其中，Y是小麥產量，X1至X8分別為播種～出苗、出苗～分蘗、分蘗～拔節、拔節～孕穗、孕穗～開花、開花～灌漿、灌漿～成熟和休閑階段的降水量。回歸方程相關系數為0.9999，且α<0.01，回歸方程能夠反映各生育階段降水量與產量之間的關系。

為進一步分析小麥各生育階段降水量對產量的影響，對上述回歸方程分別求導進行降維處理，得到單因素降維方程(表4)，小麥休閑階段降水量(X8)影響不顯著，被回歸方程忽略。

表3 1971-2016年小麥各生育階段降水量特征

表4 單因素降維方程

在各因素試驗水平值范圍內，當dYi/dXi=0時，可得各生育階段的需水量閾值，分別為播種～出苗21.13mm、出苗～分蘗26.60mm、分蘗～拔節33.27mm、拔節～孕穗77.17mm、孕穗～開花69.31mm、開花～灌漿36.19mm、灌漿～成熟51.58mm。春小麥全生育期內需水量為315.25mm。

2.3 不同灌溉處理對產量及其構成因素影響的模擬分析

依據小麥各生育階段需水量模擬分析結果，各生育階段需水量范圍為77.17～21.13mm，模擬試驗以大于需水量最大生育階段(拔節～孕穗)閾值為參考，確定灌水量上限為100mm，以小于需水量最小生育階段(播種～出苗)閾值為參考，確定灌水量下限為0mm。設計春小麥全生育期5個灌水量與7個灌水時期的兩個因素模擬試驗，其中，灌水時期包括：播種～出苗階段的3月19日(SW)、出苗～分蘗階段的4月9日(SS)、分蘗～拔節階段的5月10日(TS)、拔節～孕穗階段的5月28日(JS)、孕穗～開花階段的6月8日(BS)、開花～灌漿階段的6月24日(FS)和灌漿～成熟階段的6月29(GS)，灌水量分別為20、40、60、80mm和100mm，另外設一個自然處理為對照(CK)。在APSIMV7.7平臺圖形化設置灌水量，模擬1971-2016年產量、籽粒數和千粒重，模擬值取年均值為分析依據。不同灌溉處理對小麥產量、籽粒數和千粒重的模擬結果如圖2所示。

圖2 灌溉處理對小麥產量、籽粒數和千粒重的影響Fig.2 The effect of irrigation on yield, grain number,and thousand-grain weight of wheat

由圖2可知，各灌溉處理均提高了小麥產量。同等灌水量下，分蘗～拔節階段(TS)灌溉處理對產量的提高最為明顯，其次為拔節～孕穗階段(JS)，再次為播種～出苗階段(SW)，影響最小的是灌漿～成熟階段(GS)。分蘗～拔節階段(TS)，灌水量為100mm的產量比自然處理對照(CK)高110.02%。隨著灌水量的增多，產量的增速呈先增加后減弱的趨勢，分蘗～拔節階段(TS)灌溉處理下，灌水量介于0～20、20～40、40～60、60～80、80～100mm，各區間的產量增速分別為14.83、15.50、15.23、12.12kg·mm-1和10.10kg·mm-1。當孕穗～開花階段(BS)灌水量達60mm以上時，對產量的增加無明顯的差別，在開花～灌漿階段(FS)灌水量達40mm以上時，對產量的增加也已經沒有差別。由此可知，在開花～灌漿階段(FS)和孕穗～開花階段(BS)的灌水量不宜超過40mm和60mm。總體來看，當灌水量達60mm以上，各灌水時期對產量的增速均減弱，灌水時期遲于開花期時減弱效果更加明顯，因此，為得到較好的灌溉效果，最佳灌水時期應在播種至拔節，從效益方面考慮，灌水量不宜超過60mm。

由圖2可知，花前灌溉處理都明顯的提高了單位面積籽粒數量，而開花～灌漿階段(FS)和灌漿～成熟階段(GS)灌溉處理對籽粒數量基本無影響，這主要是開花后穗分化已經完成造成的。在同等灌水量下，分蘗～拔節階段(TS)灌溉處理對籽粒數的影響最大，其中分蘗～拔節階段(TS)灌水量為100mm的處理籽粒數比對照高112.06%，花前各生育階段灌溉處理對籽粒數的影響程度大致為TS>SS>SW>JS>BS，其中拔節～孕穗階段(JS)灌水量為20mm和40mm時，對籽粒數的增加效果優于出苗～分蘗階段和播種～出苗階段。總體來看，開花前各生育階段灌溉處理都明顯的提高了單位面積籽粒數量，其中以分蘗～拔節階段(TS)灌溉處理最明顯，拔節～孕穗階段(JS)灌水量超過80mm、孕穗～開花階段(BS)灌水量超過20mm、開花后各灌溉處理，均對籽粒數的增長無明顯影響。

由圖2可知，播種～出苗階段(SW)和出苗～分蘗階段(SS)灌溉處理對小麥的粒重增加無明顯影響，甚至分蘗～拔節階段(TS)灌溉處理還會降低籽粒的粒重，這可能是由于小麥生長前期灌溉效應提高了單位面積籽粒數量，盡管籽粒數增加，但是干物質積累有限，導致空癟籽粒增多，干物質浪費，使得粒重下降。開花～灌漿階段(FS)灌溉處理對粒重增加的影響最大，其中，在開花～灌漿階段(FS)和灌漿～成熟階段(GS)灌水量40mm以上，粒重比對照可分別增加13.48%、11.06%，灌水量只有20mm時，增加量也可達到8.51%、7.33%。在孕穗～開花階段(BS)灌水量60mm至100mm對粒重增加的影響略高于灌漿～成熟階段(GS)灌水量40mm至100mm處理，當灌水量少于40mm時，粒重增加的效果則不及灌漿期灌漿～成熟階段(GS)同等灌水量的處理。在拔節～孕穗階段(JS)灌水量80mm和100mm對粒重增加有正效應，60mm以下則是負效應，灌水量100mm對籽粒增加的效果類似于開花～灌漿階段(FS)和灌漿～成熟階段(GS)灌水量20mm。因此，提高粒重最佳方案為開花～灌漿階段(FS)灌水量40mm，其次為孕穗～開花階段(BS)灌水量60mm以及灌漿～成熟階段(GS)灌水量40mm。

3 結論與討論

利用定西市安定區鳳翔鎮安家溝村2016年田間試驗數據對APSIM平臺的適應性進行檢驗，結果表明，模型對不同灌水時期與灌水量處理下的小麥產量、籽粒數和千粒重的決定系數R2均大于0.85，均方根誤差RMSE分別為131.94kg·hm-2、332.85grain·m-2和2.28g·grains-1。APSIM平臺對黃土丘陵區小麥產量及構成因素的模擬精確較高。

本研究基于1971-2016年的安定區氣象數據及產量數據，對研究區旱地小麥各生育階段的需水量進行了模擬分析。研究區多年平均降水量為385.00mm，春小麥全生育期內年均降水量僅占全年年均降水量的二分之一不到，為181.26mm，分析結果顯示，春小麥全生育期內需水量為315.25mm，相比之下，缺口達133.99mm。本文模擬分析結果與楊琪等[14]采用Mann-Kendall趨勢分析檢驗法得出的甘肅河東地區近50年來的春小麥需水量平均值在262.16～382.08mm之間的結果一致。各生育階段的需水量，分別為播種～出苗21.13mm、出苗～分蘗26.60mm、分蘗～拔節33.27mm、拔節～孕穗77.17mm、孕穗～開花69.31mm、開花～灌漿36.19mm、灌漿～成熟51.58mm。雷娟娟等[15]對定西地區小麥全生育期內需水量分析中指出拔節～孕穗需水量80.6mm，抽穗～開花需水量 67.1mm，開花～灌漿58.67mm，灌漿期～成熟需水量30.4mm，本文研究結果與之基本一致。

不同灌水時期與灌水量對旱地小麥產量及其構成因素進行模擬分析，結果表明：為提高產量，最佳灌水時期應在播種至拔節，灌水量不宜超過60mm。開花前各生育階段灌溉處理都明顯提高了單位面積籽粒數量，其中以分蘗～拔節階段(TS)灌溉處理最明顯，拔節～孕穗階段(JS)灌水量不宜超過80mm、孕穗～開花階段(BS)灌水量不宜超過20mm。開花～灌漿階段(FS)灌水量40mm對粒重增加的促進作用最明顯。