基于DSSAT模型和水分滿足率的的農(nóng)業(yè)耕種潛力時(shí)空評(píng)估新方式研究

郭 峰

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

當(dāng)前，受到氣候變化影響，主要是光溫的影響，農(nóng)作物生產(chǎn)潛力受到不同程度的影響[1]。而農(nóng)作物的生產(chǎn)潛力和區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系十分密切，對(duì)于農(nóng)作物生產(chǎn)潛力的合理評(píng)估，有助于提高區(qū)域農(nóng)作物的產(chǎn)量[2]。當(dāng)前對(duì)區(qū)域農(nóng)作物生產(chǎn)潛力主要的評(píng)估方法為DSSAT模型，通過(guò)DSSAT模型模擬作物產(chǎn)量，結(jié)合作物產(chǎn)量定量計(jì)算其光溫、氣候以及灌溉生產(chǎn)潛力，從而綜合分析作物的生產(chǎn)潛力。DSSAT模型在我國(guó)不同區(qū)域得到應(yīng)用，研究成果均表明模型可較好地模擬區(qū)域作物產(chǎn)量，并對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)潛力進(jìn)行合理、定量的評(píng)估，是對(duì)區(qū)域農(nóng)作物生產(chǎn)潛力分析的重要且較為有效的方式[3- 10]。近些年來(lái)，一些學(xué)者研究結(jié)果表明[11- 14]農(nóng)作物生產(chǎn)潛力不僅受氣候變化影響，還和其水分滿足率有較為明顯的相關(guān)性，在分析作物生產(chǎn)潛力時(shí)，不但需要考慮氣候影響，而且應(yīng)結(jié)合其水分滿足率進(jìn)行綜合分析。為提高作物生產(chǎn)潛力評(píng)估精度，本文以遼寧主要糧食產(chǎn)區(qū)鞍山地區(qū)為研究實(shí)例，結(jié)合DSSAT模型并綜合考慮其水分滿足率，對(duì)區(qū)域主要農(nóng)作物玉米的生產(chǎn)潛力時(shí)空分布進(jìn)行模擬。研究成果對(duì)于更為精準(zhǔn)地評(píng)估區(qū)域農(nóng)作物生產(chǎn)潛力提供一種思路和方法。

1 研究方法

本文主要采用DSSAT模型對(duì)鞍山地區(qū)玉米產(chǎn)量進(jìn)行模擬，并結(jié)合模擬結(jié)果對(duì)其光溫、氣候以及灌溉生產(chǎn)潛力進(jìn)行分析，并綜合考慮其作物水分的滿足率。DSSAT模型是當(dāng)前應(yīng)用較為成熟的農(nóng)作物生產(chǎn)模擬方法，由于在國(guó)內(nèi)應(yīng)用已較為成熟，本文不再對(duì)其方法進(jìn)行描述，其具體模擬原理可詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15]。本文主要對(duì)其生產(chǎn)潛力的計(jì)算進(jìn)行介紹，DSSAT模型主要結(jié)合作物的光合作用來(lái)模擬生長(zhǎng)過(guò)程，計(jì)算作物吸收的光溫，計(jì)算方程為：

YT=YP×f(T)

(1)

式中，YT—光溫生產(chǎn)潛力，kg/hm2；YP—光合生產(chǎn)潛力，kg/hm2；f(T)—溫度修訂系數(shù)。

(2)

式中，T—作物的積溫，℃。

在光溫生產(chǎn)潛力分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合作物產(chǎn)量及形成過(guò)程，分析其氣候生產(chǎn)潛力，其計(jì)算方程為：

YW=YT×f(W)

(3)

式中，YW—?dú)夂蛏a(chǎn)潛力，kg/hm2；f(W)—水分滿足率，%；其他變量含義同前。氣候生產(chǎn)潛力和光溫生產(chǎn)潛力的插值即為灌溉生產(chǎn)潛力值。

2 模型參數(shù)設(shè)置

模型主要通過(guò)模擬農(nóng)作物的積溫，建立積溫和產(chǎn)量之間的關(guān)系，來(lái)對(duì)其產(chǎn)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，因此模型主要需要參數(shù)為溫度、生理特性參數(shù)，為對(duì)試驗(yàn)區(qū)玉米的生理特性參數(shù)進(jìn)行分析，進(jìn)行野外采樣后，到室內(nèi)進(jìn)行參數(shù)的分析，試驗(yàn)場(chǎng)景如圖1所示。并對(duì)試驗(yàn)區(qū)玉米的特征屬性進(jìn)行分析，主要分析采樣玉米品種株高、穗位、籽粒容重等參數(shù)，并綜合分析其產(chǎn)量及栽培的特點(diǎn)，試驗(yàn)區(qū)玉米的主要生理參數(shù)見(jiàn)表1，在生理特性參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)區(qū)域氣象站點(diǎn)觀測(cè)的溫度數(shù)據(jù)，建立DSSAT模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 研究成果

3.1 產(chǎn)量驗(yàn)證結(jié)果

在模型參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，應(yīng)用DSSAT模型對(duì)試驗(yàn)區(qū)6個(gè)采樣點(diǎn)的玉米產(chǎn)量進(jìn)行模擬，并結(jié)合實(shí)際產(chǎn)量對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示。

從產(chǎn)量驗(yàn)證結(jié)果可看出，DSSAT模型在試驗(yàn)區(qū)玉米產(chǎn)量具有較好的模擬精度，各采樣點(diǎn)模擬的相關(guān)系數(shù)均在0.5以上，其中采樣點(diǎn)5和采樣點(diǎn)6的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.6以上，這2個(gè)采樣點(diǎn)相關(guān)系數(shù)較高的原因在于2個(gè)采樣點(diǎn)玉米積溫計(jì)算精度效果較好，這和采樣點(diǎn)區(qū)域太陽(yáng)輻射和光照強(qiáng)度是具有較為直接的相關(guān)性。從驗(yàn)證精度可看出，DSSAT模型在鞍山地區(qū)玉米作物產(chǎn)量具有較好的模擬精度，可以用來(lái)分析各采樣點(diǎn)區(qū)域生產(chǎn)潛力的時(shí)空分布。

圖1 試驗(yàn)區(qū)玉米生理參數(shù)的獲取

表1 試驗(yàn)田玉米的主要生理參數(shù)

圖2 試驗(yàn)區(qū)玉米采樣點(diǎn)產(chǎn)量驗(yàn)證結(jié)果(單位：kg·hm-2)

3.2 光溫生產(chǎn)潛力分析結(jié)果

應(yīng)用DSSAT模型，結(jié)合光溫生產(chǎn)潛力計(jì)算方程，對(duì)試驗(yàn)區(qū)各玉米采樣點(diǎn)的光溫生產(chǎn)潛力進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2，如圖3所示。

表2 光溫生產(chǎn)潛力特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表2中可看出，不同水分滿足率下光溫生產(chǎn)潛力最大值和最小值均有所不同，總體標(biāo)準(zhǔn)差和均值差異程度較小，可見(jiàn)水分滿足率對(duì)試驗(yàn)區(qū)玉米生產(chǎn)潛力的影響程度也較高。從各采樣點(diǎn)計(jì)算的逐年光溫生產(chǎn)潛力可以看出，各采樣點(diǎn)光溫生產(chǎn)潛力逐年有遞減的變化趨勢(shì)，5a滑動(dòng)平均值為35.5kg/hm2。光溫是玉米作物積溫的重要表征因子，且和作物的產(chǎn)量有關(guān)，鞍山地區(qū)從2000年以后太陽(yáng)輻射和日照時(shí)數(shù)有所下降，也影響了區(qū)域玉米的積溫，使得其光溫生產(chǎn)潛力存在遞減的變化。

3.3 氣候生產(chǎn)潛力分析結(jié)果

在光溫生產(chǎn)潛力計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合氣候生產(chǎn)潛力計(jì)算方程對(duì)區(qū)域各采樣點(diǎn)的玉米氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3，如圖4所示。

表3 氣候生產(chǎn)潛力特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3 試驗(yàn)區(qū)玉米光溫生產(chǎn)潛力年變化過(guò)程

從氣候生產(chǎn)潛力統(tǒng)計(jì)結(jié)果可看出，不同水分滿足率條件下各采樣點(diǎn)氣候生產(chǎn)潛力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差變化幅度較小，可見(jiàn)水分滿足率對(duì)區(qū)域玉米氣候生產(chǎn)潛力影響程度較小。從各采樣點(diǎn)氣候生產(chǎn)潛力的年變化趨勢(shì)可看出，相比于光溫生產(chǎn)潛力，各采樣點(diǎn)玉米氣候生產(chǎn)潛力遞減趨勢(shì)更為明顯，這主要是因?yàn)闅夂蜃兓绊懴拢吧降貐^(qū)玉米產(chǎn)量有所減少，氣候變化影響的兩個(gè)因素分別為溫度和降水，溫度有所增高，但太陽(yáng)輻射和日照時(shí)數(shù)有所減少，使得其光溫生產(chǎn)潛力遞減，而降水量偏少，直接影響鞍山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力，從各采樣點(diǎn)變化過(guò)程可看出，2000年以后，各采樣點(diǎn)氣候生產(chǎn)潛力變化率高于2000年以前，且這種趨勢(shì)有逐步增加的變化特征。

3.4 灌溉生產(chǎn)潛力分析結(jié)果

在氣候和光溫生產(chǎn)潛力分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算2種生產(chǎn)潛力的差值即為試驗(yàn)區(qū)玉米的灌溉生產(chǎn)潛力，分析結(jié)果見(jiàn)表4，如圖5所示。

表4 灌溉生產(chǎn)潛力特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表4中可以看出，不同水分滿足率灌溉生產(chǎn)潛力的平均值標(biāo)準(zhǔn)差變化度較大，可見(jiàn)水分滿足率對(duì)灌溉生產(chǎn)潛力的影響要高于光溫和氣候生產(chǎn)潛力，水分滿足率和玉米的灌溉生產(chǎn)潛力相關(guān)度較高。從試驗(yàn)區(qū)各采樣點(diǎn)玉米的灌溉生產(chǎn)潛力變化過(guò)程可看出，灌溉生產(chǎn)潛力的變化趨勢(shì)不同，有的采樣點(diǎn)灌溉生產(chǎn)潛力逐年遞增，而有的采樣點(diǎn)灌溉生產(chǎn)潛力逐年遞減，這主要是因?yàn)椴煌蓸狱c(diǎn)灌溉能力有所不同，灌溉能力較高的區(qū)域，灌溉潛力相對(duì)較小，而灌溉能力較低的區(qū)域，灌溉生產(chǎn)潛力較大，因此變化趨勢(shì)有所不同。

圖4 試驗(yàn)區(qū)玉米氣候生產(chǎn)潛力年變化過(guò)程

圖5 試驗(yàn)區(qū)玉米灌溉生產(chǎn)潛力年變化過(guò)程

圖6 試驗(yàn)區(qū)玉米生產(chǎn)潛力空間模擬結(jié)果

3.5 試驗(yàn)區(qū)生產(chǎn)潛力空間模擬結(jié)果

結(jié)合區(qū)域各氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)溫度、太陽(yáng)輻射、日照時(shí)數(shù)、降水量進(jìn)行空間插值，并結(jié)合區(qū)域水分滿足度插值分析，對(duì)鞍山地區(qū)水分滿足率、玉米生產(chǎn)潛力的空間進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可看出，在空間上，受作物水分滿足率和氣候綜合影響，灌溉和氣候生產(chǎn)潛力從西向東逐步遞減，而光溫生產(chǎn)潛力從北向南逐步遞增。在光溫生產(chǎn)潛力較高的區(qū)域，應(yīng)增加玉米的種植面積，而在光溫生產(chǎn)潛力較小的區(qū)域，應(yīng)逐步較少玉米的種植面積。而對(duì)于氣候生產(chǎn)潛力較高的區(qū)域，可以綜合考慮加大其種植的面積，而對(duì)于氣候生產(chǎn)潛力較小的區(qū)域，可以改種植其他經(jīng)濟(jì)類作物。對(duì)于灌溉生產(chǎn)潛力較大的區(qū)域，可以適當(dāng)轉(zhuǎn)變灌溉方式，提高灌溉用水效率，而對(duì)于灌溉生產(chǎn)潛力較小的區(qū)域如鞍山的東部地區(qū)，可進(jìn)行節(jié)水灌溉方式的優(yōu)化。

4 主要結(jié)論

(1)在鞍山北部，建議加大玉米的種植面積，提高光溫生產(chǎn)潛力、在南部地區(qū)可適當(dāng)減少玉米種植面積，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)。

(2)在鞍山東部，應(yīng)優(yōu)化灌溉方式，加大節(jié)水措施，提高玉米灌溉生產(chǎn)潛力，在西部區(qū)域，應(yīng)改變?cè)泄喔确绞剑岣吖喔刃省?/p>

(3)本文評(píng)估方法可為區(qū)域作物生產(chǎn)潛力，灌溉方式和農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方式提供有效的評(píng)估方式。

(4)DSSAT模型參數(shù)庫(kù)部分采用默認(rèn)值，存在不足，在以后的研究中還應(yīng)結(jié)合更多調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)其參數(shù)庫(kù)進(jìn)行本地化設(shè)置。