基于APSIM模型研究不同降水年型下降水變化對旱地小麥產量的影響

馮仰強，聶志剛，王鈞，羅榮鑫

（甘肅農業大學信息科學技術學院，蘭州 730070）

甘肅省位于我國的西北地區，屬于典型的旱作雨養農業區，生態環境脆弱，作物生長發育對氣候變化極其敏感［1］。近幾十年來，甘肅省平均氣溫呈升高趨勢，年降水量呈減少趨勢，日照時數變化不顯著［2］。降水量減少導致小麥在生育期缺水，極大地限制了旱地小麥的生產潛力［3］。APSIM模型是根據氣候數據，動態模擬作物生長狀況，在氣候變化對作物生產調控上應用廣泛，近年在黃土高原地區取得了一定的研究成果［4-6］。為更準確地模擬氣候變化對小麥生長發育狀況和產量的影響，國內很多學者進行了一系列研究。雷娟娟等［4］利用APSIM模型模擬小麥在不同生育期降水量變化的產量，得出在不同生育期小麥需水量的閾值；茹曉雅等［5］利用APSIM模型模擬在不同降水年型下降水變化和施氮條件對旱地小麥產量的影響，得出最優小麥產量的降水和施氮量；李廣等［6］應用APSIM模型模擬旱作雨養農業區降水季節分配對旱地小麥產量的影響，得到在當年6—7月份降水對旱地小麥產量的影響最大。水分作為小麥最重要因素，對小麥的生長發育和產量形成具有決定性影響，因此降水變化對干旱、半干旱地區且無灌溉條件地區的小麥生產影響很大。大量研究表明，在黃土高原地區降水量少且年內分配不均，與小麥生育時期錯位，這對小麥生產造成了眾多不利影響［7-9］。前人研究多采用回歸統計分析法分析年降水量和溫度對旱地小麥產量的影響，而針對不同降水年型下降水變化對旱地小麥產量影響的研究較少。因此，本研究通過對甘肅省定西市1979—2018年的降水數據進行處理，確定不同降水年型，利用APSIM模型模擬不同降水年型下降水變化在-20%～20%范圍內對旱地小麥產量的影響，從而為甘肅黃土高原區小麥生產應對氣候變化提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 APSIM 模型簡介

APSIM模型是由隸屬于澳大利亞聯邦科工組織和昆士蘭州政府的農業生產系統組（APARU）開發研制［10］。主要由生物物理模塊、管理模塊、輸入輸出模塊和中心引擎四個模塊組成，并且由在此四個模塊中所需的氣候、土壤屬性、作物屬性和農田管理參數構成。本研究采用的模型已經過李廣等［11-15］的檢驗，模型的相對均方根誤差（NRMSE）為4.85%，有效性參數（ME）為0.908，且有很多學者［5，11，12］應用校準后的模型研究了逐日最高溫與最低溫、光照與CO2及降水量與氮肥等對春小麥產量的影響。

1.2 研究區概況

研究區位于甘肅省定西市安定區李家堡鎮，地處甘肅中部，是典型無灌溉條件的旱作農業區，海拔2 000 m，年均太陽輻射592.9 kJ/cm2，年均氣溫6.4℃，無霜期140 d，1979—2018年年平均降水量383.08 mm，年潛在蒸發量為降水量的4倍，春小麥的生育期一般集中在當年的3—7月。

1.3 降水年型的劃分

統計研究區日降水量得到小麥生育期的降水量總和，并求出1979—2018年降水數據的標準差（公式1），將試驗區40年的降水數據劃分為干旱年、平水年和豐水年3種年型，降水年型由公式2求出。

式中：R為干旱指數，Pg表示年降水量，Mp表示年均降水量。

具體降水年型劃分見表1。

表1 降水年型劃分Table 1 Annual precipitation classification

1.4 模擬試驗設計

在應用APSIM模型模擬時，作物品種、土壤屬性、田間管理措施均采用已校準的參數［5，6，9，11］。本研究利用甘肅省1979—2018年的氣象數據，降水數據以近40年的逐日降水為基準，比較不同降水年型下降水變化對旱地小麥產量的影響，將降水變化0%設置為小麥生產中自然條件生長（實驗對照組）。在降水變化±20%的變化范圍內，以5%為梯度設置9組實驗，其他數據均采用研究年份實際數據為準，分別模擬在3種不同降水年型下降水增減對旱地小麥產量的影響。

2 結果與分析

2.1 不同降水年型下旱地小麥產量變化

在確定3種降水年型后，研究不同降水年型對小麥產量的影響。結合1979-2018年當地的氣候數據，使用APSIM模型進行模擬39年間3種年型下小麥的平均產量（表2）。干旱年下小麥的平均產量為1 598.62 kg/hm2，平水年和豐水年分別為1 906.94、2 246.48 kg/hm2，豐水年小麥產量顯著高于平水年和干旱年，且分別為平水年和干旱年的1.18和1.41倍，說明降水對小麥產量的增長有明顯促進作用。

表2 不同降水年型下旱地小麥產量Table 2 Dryland wheat yield under different precipitation years

2.2 不同降水年型下降水變化對旱地小麥產量的影響

在土壤、作物屬性和田間管理參數等要素不變的情形下，改變APSIM模型中輸入模塊降水比例參數，分別以5%為梯度，模擬旱地小麥在不同降水年型下的平均產量。模型模擬結果表明，旱地小麥產量隨干旱年、平水年和豐水年3種年型逐步增加；在3種不同降水年型下，旱地小麥產量隨降水比例增加呈上升趨勢。降水變化比例每增加5%，干旱年旱地小麥產量最高增產幅度18.7%，最低增產幅度14.5%，平均增產幅度17.9%；平水年旱地小麥產量最高增產幅度19.6%，最低增產幅度14.3%，平均增產幅度17.7%；豐水年旱地小麥產量最高增產幅度15.5%，最低增產幅度12.1%，平均增產幅度14.4%（表3）。

表3 降水變化下不同降水年型的旱地小麥產量_Table 3 Effects of precipitation change on wheat yield in dryland under different precipitation types kg·hm2

2.3 不同降水年型下降水變化對旱地小麥產量變化的回歸分析

以旱地小麥產量為因變量，降水變化比例為自變量，應用DPS軟件進行二次多項式回歸分析，建立回歸方程如下：

干旱年、平水年和豐水年回歸方程的相關系數分別為0.999 2、0.999 8和0.997 5，F＞F0.01，表明方程（3）、（4）、（5）均達到顯著性差異，能夠反映不同降水年型下降水變化對旱地小麥產量的影響。由方程可知，3種降水年型下降水變化與旱地小麥產量均呈開口向上的二次曲線。在試驗設計范圍內，不同降水年型下降水變化對旱地小麥產量的影響均為正效應且未出現閾值。在干旱年，降水變化為-42.81%時，旱地小麥產量有極小值，為166.14 kg/hm2；在平水年，降水變化為-31.09%時，旱地小麥產量有極小值，為957.07 kg/hm2；在豐水年，降水變化為-41.03%時，旱地小麥產量有極小值，為558.17 kg/hm2。

3 討論

根據IPCC的氣候預測報告，西北地區的降水變化范圍為10%～20%［16］。本研究在現有氣象數據的基礎上，模擬研究未來可能出現的降水變化對甘肅旱地小麥產量的影響，結果表明，在3種不同年型下，旱地小麥產量隨干旱年、平水年和豐水年依次增加，其中，豐水年型下旱地小麥產量分別為平水年和干旱年的1.18和1.41倍。在3種降水年型下，降水變化比例與旱地小麥產量呈正效應，這與許多學者的研究相一致［17-19］。降水作為研究區水分的唯一來源，降水變化比例的增加必定會改善土壤的水分條件。杜瑞英等［20］認為，當田間持水量低于旱地小麥的最適水分條件時，降水增加不僅提高旱地小麥的水分利用效率，而且增加小麥的光合速率，實現旱地小麥增產。董志強等［21］發現，土壤水分的增加會降低旱地小麥葉片的溫度，增加小麥的物質運輸速率，提高小麥的增產效果。本研究結果顯示，不同降水年型下降水變化與旱地小麥產量呈二次拋物線關系，且在試驗設計范圍內隨降水增加遞增，降水變化比例增加，小麥產量增長幅度表現為干旱年＞平水年＞豐水年。高艷梅等［22］認為，在不同降水年型下，干旱年更利于增加土壤蓄水量，且隨土壤蓄水量的增加，水分利用效率增加，增加旱地小麥產量。裴雪霞等［23］研究表明，降水是旱地小麥穩產高產的關鍵，播期對小麥籽粒產量及水分利用效率有顯著影響，在3種不同降水年型下小麥適播期分別是：豐水年在10月4日左右，平水年和枯水年在9月28日左右，此時旱地小麥水分利用率較高且產量最高。孫敏等［24］發現，隨著降水增加，3種年型的土壤蓄水量增加效果表現為枯水年＞平水年＞豐水年，并提出旱地小麥在枯水年和平水年，以休閑期土層深翻產量最高；在豐水年以休閑期深松旱地小麥產量最高。

本研究采用的APSIM模型能較好模擬和表達氣候因子對旱地小麥生長發育的關系，并已經達到大量學者驗證。本研究在溫度、作物屬性、田間土壤數據和管理措施不變的前提下，模擬不同降水年型下降水比例變化對旱地小麥產量的影響，且降水變化比例以年降水量為衡量指標，未考慮小麥生育期水分需求敏感期等情況對旱地小麥產量的影響，對田間持水量、小麥生育期水分需求敏感期等因素需進一步探討。

4 結論

降水變化對旱地小麥產量的影響極顯著，豐水年小麥平均產量為2 246.48 kg/hm2，平水年和干旱年分別為1 906.94、1 598.62 kg/hm2，豐水年小麥產量顯著高于平水年和干旱年，且分別為平水年和干旱年的1.18和1.41倍。降水變化對旱地小麥產量的影響均為正效應，降水變化比例每增加5%，干旱年旱地小麥平均增產17.9%，平水年旱地小麥產量平均增產17.7%，豐水年旱地小麥產量平均增產14.4%。