基于APSIM 模型的不同耕作措施旱地小麥葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)分析

聶志剛，李 廣

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730070;2. 甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730070)

由于葉片制造的光合產(chǎn)物對(duì)產(chǎn)量的形成至關(guān)重要，群體光合速率又與群體葉面積緊密相關(guān)，所以對(duì)作物葉面積變化的模擬是研究作物葉片生長(zhǎng)規(guī)律的有效方法。葉面積常用葉面積指數(shù)LAI (leaf area index)表示，LAI 定義為單位土地面積上植物的總?cè)~面積［1］。國(guó)內(nèi)外研究者用模型機(jī)理對(duì)作物葉面積指數(shù)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬研究。馮躍華等用ORYZA2000 模型對(duì)貴陽(yáng)地區(qū)水稻葉面積指數(shù)進(jìn)行模擬［2］，孫成明等進(jìn)行了基于FACE 試驗(yàn)的水稻葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)模擬研究［3］，熊偉等利用DSSAT 中的CERES-Wheat 模型分析了我國(guó)小麥區(qū)模型機(jī)理應(yīng)用的效果及誤差來(lái)源［4］，趙虎等進(jìn)行了基于WOFOST 模型同化時(shí)序HJCCD 數(shù)據(jù)反演葉面積指數(shù)方面的研究［5］，馬新明等在小麥生長(zhǎng)模型(WCSODS)在河南省的適應(yīng)性評(píng)價(jià)研究中也涉及到了葉面積指數(shù)的模擬［6］。然而，利用作物生長(zhǎng)模擬模型APSIM (agricultural production system simulator)定點(diǎn)定位模擬黃土丘陵溝壑區(qū)域旱地小麥葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程還鮮有報(bào)道。在田間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上調(diào)試APSIM 模型參數(shù)并連續(xù)測(cè)算小麥葉面積指數(shù)，利用APSIM 模型模擬不同耕作措施下小麥全生育期葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，并進(jìn)行小麥葉面積指數(shù)的影響分析，以期為深入研究旱地小麥葉片生長(zhǎng)規(guī)律提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)。田間試驗(yàn)于2002 年－2005 年進(jìn)行，地點(diǎn)位于甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鄉(xiāng)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱農(nóng)試驗(yàn)站。試驗(yàn)點(diǎn)地處甘肅省中部偏南，海拔2 000 m，氣候?qū)僦袦貛?，全年無(wú)霜期140 d。試驗(yàn)地土壤為黃綿土，見表1，平坦無(wú)起伏，無(wú)灌溉條件，多年平均降雨量391.0 mm，年蒸發(fā)量1 531 mm，干燥度2.53，80%保證率的降水量為365 mm，是我國(guó)半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)典型地區(qū)［7－10］。一年一熟制，春小麥?zhǔn)欠N植面積較大的作物。

表1 試驗(yàn)地點(diǎn)自然條件和土壤肥力Tab.1 Natural conditions and soil fertility in Dingxi city

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)。供試作物為定西35 號(hào)春小麥。試驗(yàn)中氮肥施用量為150 kg N·hm－2，供施氮肥為尿素(含純N 46 %)，磷肥施用量為105 kg·hm－2，為普通過(guò)磷酸鈣(含P2O514%)，肥料作為基肥在播種時(shí)施入，不用農(nóng)家肥［7－10］。按定西地區(qū)常用播量187.5 kg·hm－2，用甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2BMFS－5/10 型免耕播種機(jī)播種，播深均為7 cm，田間管理與當(dāng)?shù)卮筇锵嗤?。試?yàn)設(shè)計(jì)包括6 個(gè)處理，每處理4 次重復(fù)，行列距0.25 m，邊行列0.5 m 為保護(hù)，試驗(yàn)小區(qū)面積20 m × 4 m，共24 個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列［11］，各處理描述如表2。

1.1.3 取樣及測(cè)定方法。每年3 月份播種，7 月份收獲，小麥生育期總共134 d 左右，包括分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期、乳熟期和蠟熟期8 個(gè)階段。分別于各生長(zhǎng)階段在研究小區(qū)選取10 株典型植株用長(zhǎng)寬系數(shù)法［12］測(cè)算葉面積指數(shù)，每株每次重復(fù)3 次測(cè)量取平均值即為該株該次測(cè)量的葉面積，所獲10 株相關(guān)葉面積取平均值并計(jì)算，即為本次測(cè)量所獲測(cè)算值，每階段以天為單位分4 次時(shí)間點(diǎn)重復(fù)測(cè)算并取平均值，即為該階段的葉面積指數(shù)平均測(cè)算值。每處理共得到32 次測(cè)算值，8 組階段對(duì)應(yīng)測(cè)算平均值，6 處理重復(fù)。

長(zhǎng)寬系數(shù)法:葉面積=0.83 ×葉長(zhǎng)×葉寬［12］，葉枕到葉尖的距離為葉長(zhǎng)，葉片最寬處的距離為葉寬［11］，植株總?cè)~面積與土地面積的比值為葉面積指數(shù)。

1.2 APSIM 模擬

澳大利亞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)研究組(APSRU)從1991 年開始研制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型APSIM (agricultural production system simulator)。國(guó)外利用APSIM 模型在作物輪作專家決策、氣候變化對(duì)作物的影響效應(yīng)以及水土保持評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了大量的研究，國(guó)內(nèi)對(duì)APSIM 模型的應(yīng)用還只涉及到地域適用性和氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與水肥管理等方面［7－10，13－16］。李廣等已經(jīng)對(duì)APSIM 模型在黃土丘陵溝壑區(qū)的適用性、水肥管理以及產(chǎn)量影響等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研究結(jié)果表明APSIM 模型對(duì)旱地小麥全生育期生長(zhǎng)模擬具有較高的精度［7－10］。

表2 不同耕作措施下小麥葉面積指數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Test design of leaf area index on wheat under different tillage measures

1.2.1 模型參數(shù)。APSIM 模型以研究區(qū)精確的氣候和土壤資料為基本知識(shí)庫(kù)，氣候庫(kù)由甘肅省氣象局提供的1970 年－2001 年研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)和2002 年－2005 年試驗(yàn)點(diǎn)測(cè)得的氣象資料組成，土壤庫(kù)以天氣和管理措施引起的土壤特征變量的連續(xù)變化為庫(kù)構(gòu)建的核心［7－10］。作物屬性模塊是APSIM 模型模擬各種一年生和多年生作物的通用生長(zhǎng)模擬框架，只是要在模擬機(jī)理的約束下，以作物品種遺傳特性、作物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程、植株形態(tài)與產(chǎn)量形成等變量為參數(shù)，在研究區(qū)定位田間試驗(yàn)基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)修改和訂正，建立適宜的多源作物屬性參數(shù)集合，才能連接到平臺(tái)中進(jìn)行模擬［7－10］。小麥葉面積指數(shù)模擬試驗(yàn)參數(shù)來(lái)源于李廣等研究者在黃土丘陵溝壑區(qū)APSIM 模型適用性研究［9］中經(jīng)過(guò)反復(fù)本土化修訂的參數(shù)。

1.2.2 不同耕作措施模擬試驗(yàn)。針對(duì)不同耕作措施對(duì)旱地小麥葉面積指數(shù)影響的預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)相同耕作環(huán)境不同耕作措施6 處理模擬試驗(yàn)。在小麥全生育期8 個(gè)階段，分別以天為單位，每階段選取與大田試驗(yàn)對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)4 次模擬值并取平均值，作為該階段的葉面積模擬平均值。每處理共得到32 次模擬值，8 組階段對(duì)應(yīng)模擬平均值，6 處理重復(fù)。

1.2.3 模型檢驗(yàn)方法。模型檢驗(yàn)方法主要采用國(guó)際上統(tǒng)一的均方根誤差(RMSE)、歸一化均方根誤差(NRMSE)、相關(guān)系數(shù)(R)、及模型的有效性指數(shù)(ME)對(duì)模擬值與觀測(cè)值的擬合度進(jìn)行分析。計(jì)算公式如下:

公式(1)、 (2)、 (3)中:RMSE——均方根誤差;NRMSE——?dú)w一化均方根誤差;YObs——實(shí)測(cè)值;YSim——模擬值;Ymean——實(shí)測(cè)值的平均值。RMSE 值越小，表明模擬值與實(shí)際觀測(cè)值的偏差越小，NRMSE 控制在10%以內(nèi)說(shuō)明模型的模擬有較高精度［7－10］。ME為模型的有效性指數(shù)，Zhang［17］認(rèn)為當(dāng)ME大于0.5 時(shí)，表明模型的模擬結(jié)果較好。

2 結(jié)果與分析

2.1 APSIM 模型檢驗(yàn)

圖1 和表3 表明，6 種耕作措施下小麥全生育期內(nèi)的葉面積指數(shù)模擬值和實(shí)測(cè)值，其分布均趨近1∶1線，表現(xiàn)了很好的一致性并都控制在－15%～+15%誤差線，相關(guān)系數(shù)(R)范圍在0.988～0.999，均呈顯著正相關(guān)。表3 說(shuō)明，基于APSIM 模型模擬的6 種耕作措施小麥葉面積指數(shù)，其模型有效性指數(shù)(ME)0.957～0.985，各處理均大于0.5，歸一化均方根誤差(NRMSE)為5.88%～9.95%，控制在10%以內(nèi)。APSIM 模型對(duì)小麥葉面積指數(shù)的模擬具有較高的精度。

圖1 小麥葉面積指數(shù)實(shí)測(cè)和模擬相關(guān)分析Fig.1 Correlation analysis of observed and simulated value of leaf area index in wheat

2.2 不同耕作措施旱地小麥葉面積指數(shù)分析

從模擬結(jié)果來(lái)看，小麥全生育期內(nèi)，傳統(tǒng)耕作+ 秸稈還田(TS)、免耕(NT)、免耕+ 秸稈覆蓋(NTS)、傳統(tǒng)耕作+地膜覆蓋(TP)和免耕+地膜覆蓋(NTP)的平均葉面積指數(shù)分別比傳統(tǒng)耕作(T)提高了17.9%、8.18%、33.1%、24.7%和52%。由于耕作措施的改進(jìn)，局部階段有明顯影響，NTP 下葉面積指數(shù)最大值出現(xiàn)在開花期，有別于其他耕作措施。整體上來(lái)看，葉面積指數(shù)不是隨生長(zhǎng)的加劇越來(lái)越大，由圖2 可知不同耕作措施下小麥全生育期葉面積指數(shù)隨小麥的生長(zhǎng)而呈單峰曲線變化［18－19］。分蘗期到拔節(jié)期增長(zhǎng)緩慢，孕穗期過(guò)后曲線斜率繼續(xù)增大，葉面積指數(shù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)顯著，葉面積指數(shù)曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)在抽穗期(T，TS，NT，NTS，TP，)和開花期(NTP)。此后，隨著小麥生殖生長(zhǎng)的加劇，下層葉片被遮蔭，從灌漿期到乳熟期葉面積指數(shù)明顯下降，在蠟熟期達(dá)到最小值。

3 結(jié)論與討論

在典型黃土丘陵溝壑區(qū)域定西2002 年－2005 年定位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)APSIM 模型參數(shù)進(jìn)行反復(fù)率定并對(duì)模型有效性進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)而分別模擬6 種耕作措施下小麥全生育期間葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，并進(jìn)行小麥葉面積指數(shù)影響分析，得到以下結(jié)論:

①田間試驗(yàn)結(jié)果表明:6 種耕作措施下，小麥全生育期內(nèi)，葉面積指數(shù)分布均趨近1∶1 線，表現(xiàn)了很好的一致性并都控制在－15%～+15%誤差線內(nèi)，相關(guān)系數(shù)(R)范圍在0.988～0.999，均呈顯著正相關(guān);歸一化均方根誤差(NRMSE)范圍在5.88%～9.95%，控制在10%以內(nèi);模型有效性指數(shù)(ME)范圍介于0.957～0.985，各處理均大于0.5。APSIM 模型在黃土丘陵溝壑區(qū)對(duì)不同耕作措施下小麥葉面積指數(shù)的模擬具有較高的精度。

表3 小麥生育期間葉面積指數(shù)模擬值與測(cè)算值統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)Tab.3 Analysis indices of simulated and observed value of leaf area index in wheat growth stage

圖2 不同耕作措施下小麥葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化Fig 2 Dynamic changes of wheat LAI under different measures

②小麥全生育期內(nèi)，傳統(tǒng)耕作+秸稈還田(TS)、免耕(NT)、免耕+秸稈覆蓋(NTS)、傳統(tǒng)耕作+地膜覆蓋(TP)和免耕+ 地膜覆蓋(NTP)的平均葉面積指數(shù)分別比傳統(tǒng)耕作(T)提高了17.9%、8.18%、33.1%、24.7%和52%。盡管耕作措施的改進(jìn)提高了葉面積指數(shù)，但是不論采用何種耕作措施，小麥生長(zhǎng)到一定程度，由于下層葉片被遮蔭，光合作用的效率降低，所以葉面積指數(shù)由增長(zhǎng)轉(zhuǎn)為下降態(tài)勢(shì)明顯。葉面積指數(shù)最大階段，出現(xiàn)在抽穗期(T，TS，NT，NTS，TP，)和開花期(NTP)。

由于當(dāng)?shù)靥镩g試驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏和對(duì)氣候因素變化觀測(cè)不足，導(dǎo)致模型的預(yù)測(cè)還存在誤差。盡管APSIM模型參數(shù)在田間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了反復(fù)的本土化修改，能夠考慮到作物吸收水分和養(yǎng)分的影響，但是對(duì)于病蟲害、極端氣候等影響因素的考慮還比較欠缺，從而造成模擬值較測(cè)算值高且有起伏。今后，要在田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累和氣候資料精確測(cè)定的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高APSIM 模型精確性，并且通過(guò)逐步實(shí)踐應(yīng)用對(duì)模擬約束條件滾動(dòng)優(yōu)化以發(fā)展模型的有效預(yù)測(cè)性。

［1］李 明，張長(zhǎng)利，房俊龍. 基于圖像處理技術(shù)的小麥葉面積指數(shù)的提?。跩］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26 (1):205－209.

［2］馮躍華，黃敬峰，陳長(zhǎng)青，等. 基于ORYZA2000 模型模擬貴陽(yáng)地區(qū)一季中稻的適應(yīng)性初探［J］. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2012，28 (9):26－32.

［3］孫成明，莊恒揚(yáng)，楊連新，等. FACE 水稻葉面積指數(shù)的模擬研究［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26 (3):1003－1007.

［4］熊 偉. CERES－Wheat 模型在我國(guó)小麥區(qū)的應(yīng)用效果及誤差來(lái)源［J］. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2009，20 (1):88－94.

［5］趙 虎，裴志遠(yuǎn)，馬尚杰，等. WOFOST 模型同化時(shí)序HJCCD 數(shù)據(jù)反演葉面積指數(shù)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28 (11):158－163.

［6］馬新明，張娟娟，劉合兵，等. 小麥生長(zhǎng)模型(WCSODS)在河南省的適應(yīng)性評(píng)價(jià)研究［J］. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，39 (9):1789－1795.

［7］李 廣，黃高寶. 基于APSIM 模型的降水量分配對(duì)旱地小麥和豌豆產(chǎn)量影響的研究［J］. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，18 (2):342－347.

［8］李 廣，黃高寶，王 琦，等. 基于APSIM 模型的旱地小麥和豌豆水肥協(xié)同效應(yīng)分析［J］. 草業(yè)學(xué)報(bào)，2011，20 (5):151－159.

［9］李 廣，黃高寶，Bellotti W，等. APSIM 模型在黃土丘陵溝壑區(qū)不同耕作措施中的適用性［J］. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29 (5):2655－2663.

［10］李 廣，李 玥，黃高寶，等. 基于APSIM 模型旱地春小麥產(chǎn)量對(duì)溫度和CO2 濃度升高的響應(yīng)［J］. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012，20 (8):1088－1095.

［11］練宏斌. 不同耕作措施對(duì)旱地春小麥光合生理生態(tài)特性的影響［D］. 蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

［12］黃占斌，山 侖. 水分利用效率及其生理生態(tài)機(jī)理研究進(jìn)展［J］. 生態(tài)農(nóng)業(yè)研究，1998，6 (4):19－23.

［13］Asseng S，Keating B A，F(xiàn)illery I R P，et al. Performance of the APSIM－wheat model in western Australia［J］. Field Crops Research，1998，57 (2):163－179.

［14］Asseng S，Van Keulen H，Stol W，et al. Performance and application of the APSIM N－wheat model in the Netherlands［J］. European Journal of Agronomy，2000，12 (1):37－54.

［15］王 琳，鄭有飛，于 強(qiáng)，等. APSIM 模型對(duì)華北平原小麥—玉米連作系統(tǒng)的適用性［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18 (11):2480－2486.

［16］王 琳，鄭有飛，于 強(qiáng)，等. 農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)模型(APSIM)在土地和水肥資源管理中的應(yīng)用［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2007 (3):27－32.

［17］Zhang X C. Calibration，efinement，and application of the WEPP model for simulation climatic impact on wheat production［J］. Transactions of the ASAE，2004，47 (4):1075－1085.

［18］張學(xué)藝，張 磊，黃 峰，等. 寧夏灌區(qū)春小麥葉面積指數(shù)的動(dòng)態(tài)模擬［J］. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2011，29 (1):193－196，205.

［19］高聚林，劉克禮，劉瑞香，等. 不同栽培條件對(duì)春小麥葉面積指數(shù)的影響［J］. 麥類作物學(xué)報(bào)，2003，23 (3):85－89.