基于DSSAT 模型的晉南小麥節水灌溉應用

孫晶京，楊武德，馮美臣，肖璐潔

（1.山西農業大學農學院，山西太谷030801；2.山西農業大學文理學院，山西太谷030801）

小麥是山西省的第二大糧食作物，在農業生產、消費和流通中占有重要的地位。近年來，由于退耕還林、生產效益低下和其他項目的土地占用，造成全省小麥播種面積持續下降，總產減少，不能滿足山西小麥市場的需求，造成全省小麥消費缺口達3.0×109kg[1]。山西省60%的小麥是旱地小麥；70%的小麥生產主要集中在晉南麥區（占全省小麥產量的80%），該區域地勢比較平坦，海拔300～600 m，年平均氣溫10～14 ℃，年降水量500～650 mm，無霜期160～220 d。但60%的降水主要集中在7—9 月，由于降水分布的不均勻性，易形成季節性干旱，導致小麥生育關鍵期水分匱乏，嚴重影響小麥產量，進而威脅到糧食安全和社會穩定。

目前，針對山西小麥生產的特點，已有許多學者開展了山西小麥生理生態特性和品質[2-4]、抗旱品種的選育[5]、旱地栽培技術[6-7]等方面的研究，但這些傳統的研究方法不僅試驗周期長、成本高，而且由于氣候條件和土壤環境的時空變異性，使得取得的試驗成果往往不具備普適性，難以推廣應用。而作物生長模擬模型（作物模型）不僅能夠克服傳統農業研究中所存在的一些問題，而且還開辟了一種新的試驗途徑。

作物模型是一種機理性模型，是描述作物在整個生長季內的生理過程（作物生長發育、光合生產、干物質積累分配和產量形成）及其與環境（氣候、土壤）和栽培管理技術之間動態關系的計算機程序[8]。它主要用于農業試驗研究、農業生產風險評估、氣候變化對農業生產的影響評價等。目前，主要的作物模型有荷蘭瓦赫寧根大學開發的WOFOST 模型[9]、美國IBSNAT（International Benchmark Sites Network for Agrotechnology Transfer）提出的DSSAT 模型[8]、澳大利亞APSRU（Agricultural Production Systems Research Unit）開 發 的APSIM 模 型[10]和 我 國的高亮之等[11]提出的CCSODS（Crop Computer Simulation，Optimization，Decision Making System）模型等。

近幾年，已經有很多學者相繼引入并應用了這些作物模型，其中，DSSAT 模型應用較為廣泛。在模型調參和適用性評價方面[12-16]，研究主要集中在從不同地域不同作物不同管理措施方面驗證DSSAT模型在當地的適用性。其中，鄒龍等[14]和姚寧等[15]研究認為，DSSAT 模型在模擬旱區冬小麥生境過程時存在著一定的局限性。在水肥管理方面[17-19]，主要研究如何確定小麥的最佳施氮量和最優灌溉制度。其中，劉建剛等[17]應用DSSAT 模型分析了吳橋不同氮肥水平下冬小麥的生長過程，最后確定222 kg/hm2為最佳氮肥施用量。由于研究結果受地域和氣候的影響較大，一個地區的模型參數并不一定能很好地推廣到其他地區；另外，該研究區域是一個典型的丘陵溝壑地區，水資源極度匱乏，如何制定合理的灌溉制度就顯得尤為重要。

本研究主要利用2004—2005 年和2005—2006 年的小麥試驗數據來評價DSSAT-CERESWheat 模型在當地的適用性，旨在為當地農業生產提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

田間試驗在山西省農業科學院小麥研究所試驗基地進行。當地氣候為暖溫帶半干旱大陸性氣候，四季分明，雨熱同期，全年日照2 186 h，年均溫度12.6 ℃，年均降水量468 mm，無霜期平均195 d。供試土壤為褐土[20]。

1.2 試驗材料

供試小麥品種為臨汾138、臨優145 和臨優2018。

1.3 試驗設計

大田試驗時間為2004—2005 年和2005—2006年，采用裂區設計，主區為播期，分別為9 月25 日、10 月2 日、10 月9 日和10 月16 日；第1 副區為種植密度，分別為225 萬、300 萬、375 萬株/hm2，第2 副區為品種，分別為臨汾138、臨優145 和臨優2018。區組內隨機排列，區組重復3 次，小區面積為3 m2。肥料施用純氮225 kg/hm2，基追比為6∶4，于拔節期追肥；P2O5165 kg/hm2，K2O 180 kg/hm2，磷、鉀肥全部作為底肥一次性施入。全生育期澆水3 次。6 月11 日收獲。

1.4 模型輸入數據

DSSAT 模型運行所需的最小數據集包括氣象數據、土壤數據、作物遺傳參數數據和田間管理數據。本研究所用氣象數據均由中國氣象數據網（http：//data.cma.cn/）提供，包括逐日日照時數（h）、最高和最低氣溫（℃）、降雨量（mm）。模型運行所需的逐日太陽輻射量由日照時數通過Angstyon 經驗公式估算[21]得出。

其中，Rs為太陽總輻射（MJ/m2）；Rmax為天文輻射（MJ/m2）；as、bs為經驗系數，n 為逐日日照時數（h），N 為逐日可照時數（h）。

土壤數據來自山西土壤[22]，模型運行所需輸入的土壤數據主要包括土壤的機械組成、土壤水分參數，具體參數值列于表1。

運行模型的田間試驗數據包括小麥的物候期數據（開花期和成熟期的日期）、拔節期（3 月28 日）和抽穗期（4 月30 日）的葉面積指數、地上生物量和最終的產量（產量構成因素包括千粒質量、穗數、穗粒數）。在DSSAT 模型中，小麥的品種遺傳參數的含義和取值范圍如表2 所示。

表1 模型運行所需土壤參數

表2 小麥的品種遺傳及取值范圍

1.5 模型的校正及其評價指標

模型校正是應用模型的關鍵，模型校正的過程實質就是通過調整模型參數，使模型模擬值逼近實測值的過程。本研究采用模型自帶的GLUE 和試錯法二者結合的形式進行。采用2004—2005 年共36 個處理的數據作為校正集、2005—2006 年共36 個處理作為驗證集。

1.6 模型評價指標

本研究采用絕對誤差（AE）、D 指數（D-index）[23]、均方根誤差（RMSE）、相對均方根誤差（RRMSE）和殘差系數（CRM）[24]統計參量來衡量校正后模型的精確性。其中，RMSE、RRMSE 和CRM的值越接近0，模擬效果越好；D-index 和CD 的值越接近1，模擬效果越好。

其中，pi為模型模擬值，oi為實測值，oˉ為實測值的平均值，n 為樣本總數。

1.7 模型的節水管理應用

為了更好地將DSSAT 模型運用于節水灌溉實踐中，本試驗通過設置不同的灌溉情況（表3）來模擬土壤水分的動態變化，進而尋找最佳的灌溉時期，為農業節水灌溉提供參考。采用的方法是將所設置的灌溉情況代入模型，得到對應的土壤水分動態變化和小麥最終產量，通過分析土壤水分動態變化和產量的變化規律，找出最佳的灌溉時期。

表3 不同灌溉情況設置

2 結果與分析

2.1 品種參數的校正

表4 各品種的遺傳參數取值

模型校正的過程實質就是對模型中作物品種遺傳參數本地化的過程，校正時，首先利用GLUE運行模型6 000 次，然后適當地小范圍手動調節參數，使其模擬值和觀測值更接近。校正后得到各品種的參數如表4 所示。

2.2 小麥生育期的模擬

在模型校正過程中，小麥生育期的模擬值和實測值基本吻合。各品種隨著播期的推后，開花期和成熟期提前，生育期縮短。從表5 可以看出，模型模擬的開花期和成熟期與實測值的最大誤差均為3 d，而且播期在10 月2 日和10 月9 日的模擬最大誤差只有1 d，模擬效果較好。在模型驗證過程中，具有類似的結果。

表5 不同播期小麥品種物候期的比較 d

2.3 小麥產量的模擬

從表6 可以看出，模型具有較好的模擬效果。各品種校正集和驗證集的RRMSE 均小于10%；CD值除了臨優2018 表現欠佳外，另外2 個品種基本上接近于1；CRM值都非常靠近0，可以看出，這幾個指標的驗證結果具有很好的一致性，說明模型模擬效果較好。表明DSSAT 模型在當地的適應性很好，能為當地的生產服務提供參考。

表6 幾種評價模型精度指標的比較

2.4 土壤水分動態的模擬

模型運行結果顯示，同一播期不同品種冬小麥土壤水分狀態曲線基本一致。以2004—2005 年種植的臨汾138（播期為9 月25 日，播種密度為300 萬株/hm2）為例，小麥生育期各土層的土壤含水量如圖1 所示。模擬后第6 天出苗，第18 天開始分蘗，第67 天進入越冬期，第117 天進入拔節期，第232 天進入抽穗期，第237 天灌漿開始。由圖1 可知，3 個峰值分別代表模擬開始后第67、188、230 d進行灌溉后土壤的含水量，可以看出，灌溉對0～60 cm 土層的土壤含水量變化影響較大，但對60 cm以下土層的土壤含水量變化影響很小，說明當年每次灌溉量（70 mm）只能影響到0～60 cm 土層；另外，0～40 cm 土層的土壤含水量波動較大，一方面是因為小麥根系吸水主要集中在該土層，另一方面可能是受自然環境的影響較大。由圖1 還可知，小麥生育關鍵需水期，土壤含水量曲線下降速度快，生育期間的灌溉和降水使土壤含水量有所改善。

不同播期同一品種冬小麥土壤水分狀態曲線基本相似，但仍存在一定差異。以2004—2005 年種植的臨汾138 為例，其土壤水分動態變化曲線如圖2 所示。由圖2 可知，越冬前和拔節前0～40 cm 土層土壤含水量隨播期的不同而不同，隨著播期的推后，土壤儲水量呈遞增的趨勢，其他階段播期對該層土壤水分影響沒有差異；拔節到灌漿期，不同播期對40～60 cm 土層的土壤水分影響有明顯差異，播期越靠后耗水量越少，灌漿到成熟期間，不同播期雖然對該土層含水量有一定的影響，但差異不明顯；從拔節到成熟期，不同播期對60～80 cm 土層的土壤水分影響比較明顯，尤其是在拔節到灌漿期。總體來說，在拔節期前，播期的不同會導致0～40 cm 土層土壤水分的差異；在拔節期后，播期的不同會導致40～80 cm 土層土壤水分差異，這會對播期的選擇提供一定的指導作用。另外，隨著播期的推后，小麥耗水量減小，產量呈降低趨勢。拔節之前小麥的耗水量不大，主要以消耗0～40 cm 土層的土壤水分為主，拔節期到灌漿期是小麥耗水量最大時期，各土層的含水量急劇下降，而該時期氣溫較高，也使得土壤蒸散發加劇，導致土壤儲水量急劇下降。拔節期前后是播期對不同土層土壤水分變化影響的一個轉折點。

由于年際間降水的不同，不同年份同一播期的土壤水分狀態曲線也有差異。以臨汾138（播期為9 月25 日，播種密度為300 萬株/hm2）為例，其對比的土壤水分狀態曲線如圖3 所示。從圖3 可以看出，小麥在進入越冬期前，2005—2006 年0～40 cm土層的土壤含水量明顯高于2004—2005 年，這對小麥的生長有利，可增加分蘗數，進而增加產量；從越冬期到拔節期前，2005—2006 年0～20 cm 土層的土壤含水量明顯比2004—2005 年小，導致20～80 cm 土層的土壤含水量下降速度比2004—2005年要快，但產量并沒有降低，反而增加，表明這段時間0～20 cm 土層水分的虧缺對小麥產量有利，促使小麥根系向下生長。從拔節期到成熟期，2005—2006 年40～80 cm 土層的土壤含水量的變化率非常小，說明小麥已經不能從該層吸收更多的土壤水分供作物生長，只能依靠消耗80 cm 以下土層的土壤水分來達到產量的增加。

另外，與2004—2005 年不同，2005—2006 年是隨著播期的推后，小麥產量增加，可能主要是因為拔節期后80 cm 以下土層的土壤含水量無法補充也無法滿足后續小麥生長的需求。

2.5 節水灌溉應用

土壤水分的動態變化受多方面因素的影響，是一個極其復雜的過程。本試驗只討論降水、灌溉和作物用水的影響。土壤水分動態變化分析以2004—2005 年和2005—2006 年臨汾138 播期為9 月25 日的處理為例，小麥產量以不同灌溉情況下所有處理的均值來描述。從圖4 可以看出，雨養條件下，2004—2005 年土壤水分除了在0～20 cm有顯著波動外，其他土層的土壤水分含量持續下降而且其水分變化率比較平緩，可見，土壤水分不能滿足小麥在各個時期的生長，產量最低，反映出當年降水量的不足，只能緩解0～20 cm 土層的土壤水分。2005—2006 年在小麥播種期有2 次強降水，最高達80 mm，土壤墑情較2004—2005 年好，而且在進入越冬期前，0～40 cm 土層的土壤含水量有一個快速下降區，極有可能與小麥分蘗數的增加有關，有利于小麥增產。如果只考慮一次灌水，最佳灌水應該在拔節時期，在拔節前后土壤水分迅速下降，是小麥關鍵需水期，相比雨養情況產量大幅上升。越冬水雖然能持續到拔節期，但已經不足以維持拔節到灌漿的作物用水，至于灌漿水，由于前期小麥缺水嚴重，阻礙了小麥的生長發育，對產量的貢獻不大。如果考慮小麥生育期2 次灌水，結果表明，2004—2005 年越冬水＋拔節水最好，其次是拔節水＋灌漿水，最后是越冬水＋灌漿水；2005—2006 年拔節水＋灌漿水最好，其次是越冬水+拔節水，最后是越冬+灌漿水。主要是因為2005—2006 年小麥播種期土壤墑情好，越冬期到拔節期0～20 cm土層水分的虧缺致使小麥根系向下生長，有利于利用深層土壤水分。灌漿期到成熟期是小麥的一大需水期，但是其對應的土壤水分變化率卻很低，影響粒質量，進而影響產量；拔節到灌漿期也是小麥的重要需水期，其對應的土壤水分變化率也小，影響粒數，進而影響產量（圖5）。如果考慮3 次灌水，2004—2005 年小麥產量繼續增加，但2005—2006 年小麥產量并沒有增加，表現出播期晚的產量繼續增加，播期早的產量開始下降。主要是因為在拔節和灌漿期的灌溉足以滿足2004—2005 年小麥生長的需要，而不能滿足2005—2006 年。而且播期越早，2005—2006 年60 cm 土層以下的土壤含水量越早被消耗，影響小麥產量的增長。總之，合理有效灌溉既能節約水資源又能達到作物增產。從圖5 可以看出，灌1 次拔節水與無灌溉相比，2 a 產量可增加3 500 kg/hm2左右，灌2 次水（越冬水＋拔節水或者拔節水＋灌漿水）比灌1 次水（拔節水）增產2 000 kg/hm2左右，灌3 次水產量增產不明顯。

3 結論

不同的小麥品種具有不同的品種特征參數，品種參數選取的合適與否是模型應用的關鍵。本研究應用模型自帶的GLUE 方法和試錯法來確定3 個品種的遺傳參數，校正后的模型能夠很好地模擬小麥物候期和產量，說明DSSAT 模型在該地區具有較好的適應性。另外，通過不同灌溉情況模擬，得出如果只考慮1 次灌溉，應澆拔節水；如果考慮2 次灌溉且播種時墑情好，澆拔節水和灌漿水，墑情不好灌越冬水和拔節水。節水灌溉研究是一項復雜的工程，本研究只是進行了定性的分析，未來還有很多工作要做，比如降水量如何統計，灌溉量如何定量來保證節水最大化等。總之，DSSAT 模型是機理性模型，它能動態地模擬作物的生長過程，在該地區能夠很好地模擬小麥的生長，可以為當地農業生產和節水灌溉提供一定參考。