增溫對蘇南地區冬小麥產量影響的模擬

江曉東, 張 濤, 常 亮, 楊沈斌

(1.中國氣象局農業氣象保障與應用技術重點開放實驗室，鄭州 450003；2.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京 210044； 3.南京信息工程大學江蘇省農業氣象重點實驗室，南京 210044)

2013年，聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發布的第五次評估報告(AR5)顯示：全球氣候正在變暖，1880—2012年，全球平均氣溫上升了0.85 ℃[1]。受全球變暖影響，中國近100年來氣溫也明顯增加，增溫幅度約為0.5～0.8 ℃[2]。氣候變暖導致中國農業氣候資源分布發生變化，直接影響了小麥的生長發育[3-5]。王位泰等[6]研究表明，增溫可導致冬小麥發育期提前；鄧振鏞等[7]研究發現氣候變暖使中國西北地區冬小麥種植面向向西、向北擴展，播期延后；譚凱炎等[8]指出，增溫導致的花后高溫不利于麥穗的發育和籽粒灌漿，顯著降低小麥產量；周林等[9]研究表明，春季溫度上升對黃淮海地區小麥生產產生不利影響，而秋季和冬季溫度適度增加則對可以提高小麥產量；史印山等[10]研究發現，當平均氣溫變化變化幅度在-1.2～1.2 ℃，冬小麥氣候產量增加，溫度變化超過該范圍則引起冬小麥產量減少，以高溫影響最大。綜上可知，氣候變暖使冬小麥產量變化的不穩定性增加[11]。

作物模型是研究氣候變化對作物生長發育影響的重要工具。WOFOST模型是荷蘭瓦赫寧根大學和世界糧食研究中心共同開發的一種動態的、機理性作物生長模型。WOFOST模型以日為步長，定量模擬氣象因子、環境要素及田間管理措施對作物生長發育的影響。WOFOST 模型以氣象要素數據驅動，通過輸入的土壤特性、作物和管理措施等數據，動態模擬作物的潛在生長、養分和水分限制條件下的生長發育和產量。模型模擬內容主要包括作物的發育期、光合與呼吸作用、干物質積累與分配、產量等。模型輸入的氣象數據主要為日最高和最低氣溫、降水量、太陽輻射量、風速等；土壤數據主要為模擬地點土壤的田間持水量、導水率、飽和含水率、凋萎系數等；作物管理數據主要為播種期、灌溉日期、灌溉量、施肥日期、施肥量等；作物參數主要為作物不同發育階段的起始時間、干物質積累量、同化物轉化效率、CO2同化效率等。因WOFOST模型基于作物的生理生態過程，故可通過改變相關模型參數，實現對不同環境條件下作物生長發育及產量的模擬。該模型在中國小麥研究中已得到廣泛應用[12-13]。

冬小麥是蘇南地區的主要作物之一，該地區小麥生長季已出現了明顯的增溫現象，氣候變暖正在影響該地區的小麥生產[14]。2016年，《巴黎協定》締約方為減少氣候變化引起的影響和風險，同意以工業化前全球平均地表溫度為標準，在世紀末將升溫幅度控制在2.0 ℃內，并努力控制在1.5 ℃內[15]。以往氣候變化對長江中下游作物的影響多集中于水稻，利用WOFOST模型結合氣候變化情景模擬蘇南地區小麥產量并解釋產量變化機理的研究較少。為此，以WOFOST模型為基礎，以南京地區為代表，結合田間的觀測數據，對模型的相關參數進行標定校準，使之適用于模擬蘇南地區冬小麥的生長發育，在此基礎上，進一步模擬不同發育階段增溫對該地區冬小麥生長發育過程的影響，探明不同發育階段0～2 ℃增溫對蘇南地區小麥產量的影響，以期為該地區小麥生產應對氣候變暖提供建議。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

2012年11月—2014年5月在江蘇省農業氣象重點實驗室農試站(32°03′N，118°51′E)進行了田間試驗。試驗站地處屬亞熱帶季風氣候區，年均降雨量約1 100 m，年均氣溫為15.6 ℃。試驗田0～20 cm土壤為壤質黏土，黏粒含量為26.1%，pH為6.2，有機碳含量為19.4 g/kg，全氮含量為11.5 g/kg。

試驗設置2個處理：T1(不增溫處理)、T2(白天和夜間均增溫2 ℃)。采用外源主動加熱的方式對T2處理麥田進行增溫。在試驗小區的試驗上方均勻放置4盞紅外加熱燈，用單片機控制加熱溫度，并動態調整紅外加熱燈的高度，使之與加熱區內小麥植株頂部保持50 cm左右，以避免小麥灼傷，小區中增溫面積為2.25 m2(1.5 m×1.5 m)，小區間隔距離為2 m，以避免不同加熱小區之間的干擾(圖1)。T1處理安裝相同的紅外加熱燈，保持斷電狀態，以確保T1與T2處理的差異僅由增溫引起。每個處理在冬小麥第三片葉伸出時開始試驗處理，至冬小麥收獲后結束，陰雨天不增溫。試驗結果表明，T2處理小區平均溫度較T1高2.21 ℃，符合試驗設計要求(圖2)。試驗種植的冬小麥為揚麥15，在每年的11月14日播種。冬小麥播種方式為條播，行距25 cm，播種密度為3.0×106苗/hm2，試驗小區面積為4 m2(2 m×2 m)，每年每處理種植重復3次，試驗田施用純N 168 kg/hm2、P2O5105 kg/hm2，K2O 135 kg/hm2，磷肥和鉀肥以基肥的形式在播前施用，氮肥分別在播前和小麥拔節時施用，兩次用量各為84 kg/hm2，其田間管理措施與當地高產田相同。

↓為溫度傳感器安裝在圖中箭頭所示位置

圖2 不同處理麥田溫度變化

1.2 觀測項目及方法

氣象數據：2012—2013年實驗所用氣象數據及土壤數據由試驗站提供。1980—2010年南京氣象數據由中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)提供。

按照《農業氣象觀測規范》[16]進行小麥發育期、干物質積累及產量測定。

1.3 冬小麥籽粒灌漿動態模擬

采用Logistic模型對冬小麥籽粒灌漿動態進行模擬[17]，分析籽粒的灌漿特性：

W=K(1+Be-At)-1

(1)

式(1)中：W為冬小麥不同時期籽粒干重，kg/hm2；K為最大理論籽粒干重，kg/hm2；t為冬小麥開花后天數，d；A和B均為系數。W達到99%,K的時間為籽粒干物質有效積累時間T99,單位為d，計算公式為

(2)

K除以T99的值為籽粒干物質平均積累速率Rave, 單位為kg/(hm2·d)，計算公式為

(3)

W達到K的5%～95%所經歷的天數為籽粒干物質活躍積累期D(單位為d)的計算公式如式(4)所示：

(4)

對式(1)中的t一階求導，可以求得籽粒干物質積累速率R，單位為kg/(hm2·d)，計算公式如式(5)所示：

R=KBAe-At(1+Be-At)-2

(5)

對式(5)求極值，可得到籽粒干物質最大積累速率Rmax，單位為kg/(hm2·d)，計算公式如式(6)所示：

(6)

Rmax所對應的t值，即為籽粒到達最大干物質積累速率的時間Tmax, 單位為d,計算公式如式(7)所示：

(7)

1.4 模型驗證

采用平均絕對百分比誤差(MAPE)和均方根誤差(RMSE)對模型模擬效果進行檢驗：

(8)

(9)

式中：n為樣本容量；Oi為實測值；Pi為模擬值。MAPE和RMSE越小，說明模型模擬效果越好。

1.5 數據處理

采用WOFOST Control Centre、MATLAB 2014及Microsoft Excel進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 WOFOST模型參數調整

利用2012—2013年的田間實驗觀測數據進行WOFOST模型參數的本地化調整。根據前人的研究結果[9,12-14,18-19]，表1所示為WOFOST模型中部分參數的取值范圍和單位。根據表1，將實測數據帶入WOFOST模型計算得到與發育階段(DVS)相關的比葉面積(SLATB)、葉的分配系數(FLTB)、貯藏器官的分配系數(FOTB)、莖的分配系數(FSTB)，如表2所示。將氣象數據輸入模型，結合文獻[16]的敏感性分析結果，對部分參數調高10%，對葉干物重(WLV)、莖干物重(WST)、總貯藏器官干物重(WSO)、總地上部分干物質重(TAGP)、最大葉面積指數(LAIM)的敏感性進行分析，結果如表3所示。表3中最大CO2同化速率(AMAXTB)、莖同化物轉化效率(CVS)、葉同化物轉化效率(CVL)、溫度升高10 ℃呼吸作用變化速率(Q10)等參數的敏感性較高，作為主要的調參對象。對于敏感性分析結果中不敏感的參數或表中未列舉的參數通過查閱文獻或使用WOFOST模型中提供的默認值。對于可以通過田間試驗所獲得數據進行計算的參數，在保證準確、可靠的前提下先輸入，再進行微調。對于取值范圍較窄的敏感性較高的參數或已被公認的參數，通過查閱文獻或者直接使用WOFOST模型中提供的默認值。對于有敏感性較高，但又難以計算和借鑒文獻資料的，利用試錯法進行適當的調整。

表1 WOFOST模型部分參數取值范圍

表2 WOFOST模型部分與DVS相關的參數

表3 WOFOST部分參數的敏感性分析結果

注：表3只列舉出部分敏感性較高的參數分析結果。

2.2 WOFSOT模型檢驗

利用2013—2014年的觀測數據對參數本地化的WOFOST模型進行檢驗，地上部干物重模擬結果和實測結果如圖2所示，生育期和產量的模擬結果如表4所示。經計算，模型對地上部分干物質重的模擬結果的MAPE為0.24，RMSE為937 kg/hm2(圖3)，生育期的模擬與實測結果誤差都小于1 d，實際產量為模擬產量的91.67%，說明模型模擬精度較高，因此可以認為WOFOST模型的參數本地化成功。

表4 生育期日期和產量模擬值與實測比較

圖3 地上部分干物質重模擬值與實測值比較

2.3 不同增溫情景下的冬小麥的發育期

利用參數本地化后的WOFOST模型，對1980—2010年不同增溫情景下冬小麥的發育期進行了模擬，模擬結果表明(表5)，增溫使冬小麥的發育期普遍提前，且隨著增溫的幅度變大和增溫時間的延長，發育期提前幅度增大，以出苗-成熟期增溫對冬小麥生育期縮短最為明顯。與CK相比，出苗-成熟期增溫1 ℃，開花期平均提前了6 d，成熟期提前11 d；出苗-成熟期增溫2 ℃，開花期平均提前了13 d，成熟期提前14 d。在開花后增溫，開花-成熟期持續時間縮短，增溫1 ℃時，開花-成熟期持續天數比CK縮短2 d，增溫2 ℃縮短4 d。

表5 1980—2010年不同增溫情景下冬小麥的發育期

2.4 不同增溫情景下的冬小麥的產量

表6所示為利用WOFOST模型模擬的1980—2010年不同增溫情景下冬小麥的產量。由表6可知，在增溫1 ℃情景下，出苗-開花期和出苗-成熟期增溫處理，小麥產量分別比CK增加19.55%、12.48%；在增溫2 ℃情景下，出苗-開花期和出苗-成熟期增溫處理，小麥產量分別比CK增加38.00%、32.18%。結果表明，在增溫1 ℃、增溫2 ℃情景下，在出苗-開花期和出苗-成熟期增溫均可以提高小麥產量， 2 ℃增溫情景較1 ℃增溫情景更有利于小麥產量增產。同時，出苗-開花期增溫對小麥產量的提高影響大于出苗-成熟期增溫，兩個增溫情景下平均，出苗-開花期增溫冬小麥產量比出苗-成熟期增溫高5.27%。在開花-成熟期增溫會導致冬小麥減產，減產幅度隨著溫度的上升而增加，增溫1 ℃，小麥產量比CK降低4.90%，增溫2 ℃，小麥產量比CK降低10.86%。

表6 1980—2010年不同增溫情景下冬小麥的產量

2.5 不同增溫情景下的冬小麥群體籽粒灌漿動態

利用WOFSOT對不同增溫處理下冬小麥籽粒干物質積累進行了模擬(圖4)。在籽粒形成期，籽粒干物質積累緩慢增加，不同增溫處理籽粒干物質積累開始出現差異；在灌漿期，籽粒干物質積累量增加迅速，處理間差異明顯，在增溫1 ℃和增溫2 ℃情景下，不同處理冬小麥籽粒干物質積累量依次為出苗-成熟期增溫>出苗-開花期增溫>開花-成熟期增溫>CK；在灌漿末期，各處理籽粒干物質積累速率減慢，出苗-成熟和開花-成熟兩個增溫處理籽粒灌漿結束早，影響籽粒干物質的積累，各處理最終籽粒干物質積累量依次為出苗-開花期增溫>出苗-成熟期增溫> CK >開花-成熟期增溫。由圖5可知，不同增溫情景下，開花-成熟期增溫籽粒干物質積累速率最大值出現均早于其他處理，而且籽粒灌漿時間短，出苗-開花期和出苗-成熟期增溫處理籽粒灌漿速率均大于開花-成熟期增溫和CK兩個處理，而且籽粒灌漿持續期長。

圖4 不同增溫情景籽粒干物質積累動態

圖5 不同增溫情景籽粒干物質積累速率

由表7可知，各增溫處理籽粒干物質最大積累速率(Rmax)和籽粒干物質積累平均速率(Rave)均大于CK，增溫1 ℃，出苗-開花期增溫的Rave比CK高15.65%，出苗-成熟期增溫比CK高12.18%，開花-成熟期增溫比CK高5.48%；增溫2 ℃，出苗-開花期增溫的Rave比CK高22.00%，出苗-成熟期增溫比CK高40.67%，開花-成熟期增溫比CK高6.72%。相同增溫階段，增溫2 ℃的Rave高于增溫1 ℃。分析籽粒干物質積累活躍期(D)，相對于CK，開花-成熟期增溫縮短了D，增溫1 ℃縮短1.87 d，增溫2 ℃縮短2.69 d，而出苗-開花期和出苗-成熟期增溫延長了D，增溫1 ℃，出苗-開花期和出苗-成熟期增溫的D分別比CK長0.62、0.32 d，增溫2 ℃情景下，出苗-開花期增溫的D比CK長2.83 d，出苗-成熟期增溫縮短0.97 d。由此可見，出苗-開花期和出苗-成熟期增溫明顯提高了籽粒的干物質積累速率和持續天數，提高了籽粒質量，以出苗-開花期增溫2 ℃的效果最明顯，而開花-成熟期增溫則明顯縮短了籽粒的灌漿時間，不利于籽粒干物質積累，導致減產。

表7 不同增溫條件下籽粒干物質積累特征參數

注：Tmax為達到籽粒干物質積累最大速率的時間；T99籽粒干物質積累的有效增長時間；D籽粒干物質積累活躍期。

3 討論

大量研究表明溫度增加會導致冬小麥生育期持續時間縮短[6,8,20-21]。研究結果也表明，增溫可以導致冬小麥生育期縮短，這與前人研究結果相同。關于氣候變暖對冬小麥產量的影響，中外學者有著不同的研究結果。房世波等[22]、Hatfield等[23]、張凱等[24]認為增溫會造成小麥產量降低，而Tack等[25]、田云錄等[26]研究結果表明，適當范圍內的增溫可以提高冬小麥產量，居輝等[5]和千懷遂等[27]指出不同氣候區域種植的冬小麥的產量對增溫的響應存在差異。

造成上述研究結果差異的主要原因除溫度條件外，水分和農業氣象災害等也是制約小麥產量的主要因素。周林等[9]研究結果表明，在土壤水分適宜的情況下，適度增溫有利于冬小麥生長、提高產量。田云錄等[26]指出，當溫度變化在2 ℃以內水分等的變化影響較小，而長江下游屬于亞熱帶季風域，年降水量在1 000～1 500 mm，小麥生產基本無干旱發生，因此，研究中未考慮干旱脅迫。研究結果表明，出苗-開花或者出苗-成熟期在1～2 ℃增溫，可以提高冬小麥的產量。出苗期開始的增溫，有助于冬小麥播種后早發壯苗，可減少凍害、增加分蘗數量[27-28]，提高籽粒干物質積累速率，延長籽粒干物質活躍積累期，增加產量。同時，冬小麥開花期的提前，降低了花后遭遇花后高溫的幾率，這也是產量提高的原因。研究結果表明開花-成熟期增溫，縮短了籽粒干物質積累活躍期，同時過高的溫度，不利于穎花和籽粒的發育以及籽粒的灌漿，降低冬小麥產量[8]。

4 結論

研究結果表明，增溫提前了冬小麥的開花期，提高了冬小麥籽粒干物質積累的平均速率，延長了籽粒干物質積累活躍期，增加了冬小麥產量，以出苗-開花期增溫2 ℃產量提高最大。開花-成熟期增溫縮短開花-成熟期的持續天數，縮短籽粒干物質積累活躍期，降低產量，以增溫2 ℃減產幅度最大。