基于WOFOST模型的蘇南地區(qū)春小麥種植適應(yīng)性分析

江曉東 張濤 陳佳鑫 楊沈斌 李旭冉 吳可人 楚淏然

摘要：【目的】研究春小麥在蘇南地區(qū)的種植適應(yīng)性，為增加該地區(qū)周年糧食生產(chǎn)的穩(wěn)定性提供理論依據(jù)?！痉椒ā炕?016—2017年的田間分期播種試驗(yàn)和WOFOST作物生長模型（簡稱WOFOST模型），采用數(shù)值模擬方法，分析江蘇南部代表地區(qū)南京地區(qū)1—4月不同播期春小麥的生長發(fā)育動態(tài)和產(chǎn)量表現(xiàn)。以1980—2010年氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動WOFOST模型，對春小麥產(chǎn)量進(jìn)行動態(tài)模擬，分析最佳播期，并計(jì)算最佳播期的適宜播種量?！窘Y(jié)果】在1—4月隨著播期的推遲，春小麥的生育期長度縮短，其中出苗—開花期階段最大縮短23 d，開花—成熟期最大縮短8 d，出苗—開花階段縮短的時間大于開花—成熟階段，導(dǎo)致春小麥葉片和莖稈的干物質(zhì)積累量明顯減少，產(chǎn)量降低。在冬小麥無法播種的條件下，南京地區(qū)春小麥的適宜播種時間為1月1—20日，在該時間段內(nèi)播種，合理的播種量為180 kg/ha，最高產(chǎn)量為4124.80 kg/ha，生育期長度為146 d，對下季水稻種植和生長無影響?！窘Y(jié)論】在蘇南地區(qū)種植春小麥具有可行性，在冬前無法正常播種冬小麥的情況下，可將種植春小麥作為備選方案。

關(guān)鍵詞： WOFOST模型;春小麥;播期;產(chǎn)量;蘇南地區(qū)

中圖分類號： S314? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：2095-1191（2020）02-0335-07

Adaptability of spring wheat planting in the south of Jiangsu

based on WOFOST model

JIANG Xiao-dong1，ZHANG Tao1， CHEN Jia-xin2， YANG Shen-bin1， LI Xu-ran1，

WU Ke-ren1， CHU Hao-ran1

（1Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing? 210044， China; Cangzhou Meteorological Bureau， Cangzhou， Heibei? 061001）

Abstract：【Objective】The adaptability of spring wheat in southern Jiangsu was studied to provide reference for stabi-lity of crop production in this area. 【Method】Based on the field staging experimental data from 2016 to 2017， the growth and development and yield of spring wheat in Nanjing during January and April， a representative area of southern Jiangsu Province， were analyzed through numerical simulation. The WOFOST crop growth model（herein after referred to as WOFOST model） was employed in the simulation. It was also driven by meteorological data from 1980 to 2010 for the analysis of optimum sowing date and sowing rate. 【Result】The results showed that the growth period of spring wheat was shortened with the delay of sowing date from January to April， the maximum shortening time was 23 d from emergence to anthesis stage， and the maximum shortening time was 8 d from anthesis to maturity stage. The shortening of emergence-anthesis stage was greater than that of anthesis-maturity stage， which led to a reduction of dry matter accumulation in both leaves and stems as well as yield of spring wheat. If winter wheat could not be sown， the suitable sowing date of spring wheat in Nanjing was from January 1 to 20 and the reasonable seeding rate was 180 kg/ha， with the highest yield predic-ted to be 4124.80 kg/ha and growth period to be 146 d， which showed no evident impact on the rice planting of the next season. 【Conclusion】The results indicate that it is feasible to plant spring wheat in the south of Jiangsu， which can be adopted as an alternative in case winter wheat is not sown before winter.

Key words： WOFOST model; spring wheat; sowing date; yield; south of Jiangsu

Foundation item： General Program of National Natural Science Foundation of China（41875140）; Open Research Project of Key Laboratory of Agrometerological Ensuring and Applied Technique，China Meteorological Administration（AMF201602）

0 引言

【研究意義】小麥和水稻是江蘇南部的主要農(nóng)作物，稻麥輪作是主要耕作方式。近年來，為提高水稻的品質(zhì)和產(chǎn)量，蘇南地區(qū)晚（粳）稻推廣種植面積不斷擴(kuò)大，水稻成熟期延遲至11月中旬，導(dǎo)致該地區(qū)冬小麥播種期推遲到11月中下旬甚至12月，冬小麥晚播現(xiàn)象普遍發(fā)生，稻麥生長爭季節(jié)的茬口矛盾突出（葛勝等，2009;高德榮等，2014）。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，大量農(nóng)村勞動力進(jìn)入城市，農(nóng)業(yè)勞動力供給不足，加劇了水稻收獲與小麥播種的茬口矛盾;此外，蘇南地區(qū)小麥播種期間經(jīng)常發(fā)生連陰雨天氣，加劇了冬小麥晚播現(xiàn)象，如遇“雪壓稻”等災(zāi)害性天氣發(fā)生，則會出現(xiàn)冬季撂荒現(xiàn)象（徐德利等，2016）。相對于冬小麥品種，春小麥品種在0～12 ℃下經(jīng)過5～15 d即可通過感溫階段，在8～12 h光照條件下經(jīng)過16 d以上即可通過光照階段而抽穗（楊文鈺和屠乃美，2011），具有生長周期短、播種安排靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此，研究春小麥在蘇南地區(qū)的栽培適宜性，可增強(qiáng)該地區(qū)糧食生產(chǎn)的穩(wěn)定性?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】春小麥或春性較強(qiáng)的冬小麥品種是小麥生產(chǎn)中常用的應(yīng)急備選品種。馬香花等（2003）研究表明，春小麥可作為特殊年份的備用品種在鄭州地區(qū)春季種植。張耀蘭等（2012）指出，在淮北遲播小麥的品種布局上，可考慮選用一些播期彈性大、半冬性、豐產(chǎn)性好的小麥品種。蘇南地區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬春季節(jié)氣溫較高，最冷月平均氣溫高于0 ℃，完全滿足春小麥的春化與種植要求，春小麥種植具有可行性。WOFOST作物生長模型（簡稱WOFOST模型）是由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)和世界糧食研究中心共同研發(fā)的動態(tài)解釋型作物模型，該模型通過輸入特定的土壤和氣象條件，基于作物的生理生態(tài)過程，以天為步長，可對一年生作物的生長發(fā)育過程和產(chǎn)量進(jìn)行模擬。在我國小麥的研究中，WOFOST模型得到廣泛應(yīng)用。鄔定榮等（2003）、黃健熙等（2017）、張弘等（2019）通過WOFOST模型模擬了河南、華北及全國的冬小麥生長過程及產(chǎn)量，證實(shí)WOFOST模型可應(yīng)用于不同面積小麥的生長發(fā)育和產(chǎn)量模擬;張鐵楠等（2015a）利用WOFOST模型模擬東北春小麥的生長及產(chǎn)量。WOFOST模型也可用于小麥的災(zāi)害評估，張雪芬等（2006）利用WOFOST模型定量評估了商丘市冬小麥晚霜凍災(zāi)害，結(jié)果表明該評估方法更具生物學(xué)意義且結(jié)果更準(zhǔn)確;張建平等（2013）基于WOFOST模型對華北地區(qū)干旱災(zāi)害進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)該模型對干旱評估具有較高的準(zhǔn)確性。WOFOST模型能模擬小麥的水分平衡，張鐵楠等（2015b）使用WOFOST模型對東北春小麥的水分平衡進(jìn)行了模擬與驗(yàn)證，結(jié)果表明模型對水分平衡的模擬效果較好。【本研究切入點(diǎn)】春小麥在我國的種植區(qū)域主要分布在東北和西北等地區(qū)，在蘇南地區(qū)基本沒有種植（楊文鈺和屠乃美，2011;俄有浩等，2013）。盡管蘇南地區(qū)存在部分弱春性小麥品種，但小麥的適播期在11月左右，至今鮮見該地區(qū)春小麥種植適應(yīng)性的研究報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】蘇南各地區(qū)地理經(jīng)緯度差異小，氣候相似，因此本研究以南京地區(qū)為代表，采用春小麥田間分期播種試驗(yàn)與WOFOST模型模擬相結(jié)合，利用田間試驗(yàn)獲取相關(guān)作物數(shù)據(jù)對WOFOST模型進(jìn)行參數(shù)本地化，進(jìn)而利用參數(shù)本地化的WOFOST模型對不同播種時期的春小麥生長進(jìn)行模擬，開展春小麥在蘇南地區(qū)種植適應(yīng)性研究，為增加蘇南地區(qū)周年糧食生產(chǎn)的穩(wěn)定性及保障糧食安全提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料

供試春小麥品種為吉春24，由吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。1980—2010年南京的歷史氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）。2016—2017年田間試驗(yàn)期間的氣象數(shù)據(jù)及土壤數(shù)據(jù)，由南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站提供。

1. 2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2016和2017年在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站（東經(jīng)118°42′17″，北緯32°12′24″）進(jìn)行，試驗(yàn)地海拔約22 m，地處蘇南地區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降水量約1100 mm，多年平均溫度15.6 ℃。2016和2017年度小麥生長期間，總降水量分別為479和404 mm，日平均輻射分別為9.2和10.4 MJ/（m2·d），日平均氣溫為13.2和14.3 ℃，兩年氣象條件較相似。供試農(nóng)田0～20 cm土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，黏粒含量26.1%，土壤pH 6.2，有機(jī)碳、全氮含量分別為19.4和11.5 g/kg。

試驗(yàn)設(shè)6個播期處理，分別為Q1（2016年3月29日）、Q2（2016年4月5日）、Q3（2016年4月12日）、Q4（2016年12月16日）、Q5（2017年1月13日）和Q6（2017年2月19日）。春小麥采用條播種植，行距25 cm，種植密度300株/m2，小區(qū)面積3 m×3 m，采用隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)。試驗(yàn)田肥料為45%復(fù)合肥（N∶P∶K=15∶15∶15），用量800 kg/ha，基肥∶追肥=1∶1，基肥在土壤耕作時施用，追肥在春小麥拔節(jié)時施用，田間管理同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田。

1. 3 測定項(xiàng)目及方法

1. 3. 1 春小麥發(fā)育期觀測 觀測記錄不同播期春小麥的出苗期、拔節(jié)期、抽穗期、開花期和成熟期。

1. 3. 2 春小麥干物質(zhì)積累量和莖蘗動態(tài)測定 在每個試驗(yàn)小區(qū)選擇長勢均勻的1 m2樣點(diǎn)做標(biāo)記，在春小麥出苗期、拔節(jié)期、抽穗期、開花期和成熟期定點(diǎn)調(diào)查小麥莖蘗數(shù)，然后在小區(qū)其他地點(diǎn)隨機(jī)連續(xù)取樣（40個莖蘗），樣品葉片和莖稈分開，75 ℃烘干至恒重，測定干物質(zhì)積累量。

1. 3. 3 春小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測定 成熟期每小區(qū)選擇長勢均勻的2 m2地塊，先清點(diǎn)有效穗數(shù)，然后進(jìn)行人工收割測產(chǎn)、晾曬和脫粒，折算成籽粒水含率為13%時的產(chǎn)量;取40個單莖進(jìn)行考種，計(jì)數(shù)穗粒數(shù)和千粒重。

1. 4 WOFOST模型參數(shù)調(diào)整及驗(yàn)證

為評估模型模擬值與試驗(yàn)實(shí)測值間的擬合程度和模擬效果，采用RMSE（均方根誤差）和EF（模擬性能指數(shù)）2個指標(biāo)進(jìn)行評價。計(jì)算方法如下：

RMSE=[1ni=1nPi-Oi2] （1）

EF=[i=1nOi-O2-i=1nPi-Oi2i=1nOi-O2] （2）

式中，n為樣本容量，O為實(shí)測值的平均值，Oi、Pi分別為實(shí)測值和模擬值。RMSE越接近0、EF越靠近1，說明模擬效果越好。

在前人對WOFOST模型參數(shù)研究（張建平等，2012;張鐵楠等，2015a;黃健熙等，2017）的基礎(chǔ)上，利用2016年度Q1、Q2和Q3播期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)育階段（DVS）及各時期的比葉面積（SLATB）、葉的分配系數(shù)（FLTB）、貯藏器官的分配系數(shù)（FOTB）和莖的分配系數(shù)（FSTB）。在近似確定部分作物參數(shù)后對WOFOST模型參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。本研究的敏感性分析主要采用初始變量擾動法，即將某一參數(shù)上調(diào)10%進(jìn)行模擬，將其模擬結(jié)果與不上調(diào)參數(shù)的值進(jìn)行比較和分析，計(jì)算其變化百分率，之后選取敏感性較大的參數(shù)進(jìn)行本地化調(diào)參，結(jié)果見表1，最終模擬過程對AMAXTB、SPAN、Q10、TSUM和TDWI等9個參數(shù)的敏感性較強(qiáng)，SPAN甚至超過100.00%。因此，需根據(jù)資料對敏感性較強(qiáng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。主要的參數(shù)調(diào)整見表2，然后利用2017年度Q4、Q5和Q6播期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行WOFOST模型驗(yàn)證，使模型可模擬南京地區(qū)的春小麥生長發(fā)育。

1. 5 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，采用DPS7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析，采用最小顯著性法（LSD）對不同處理間的數(shù)據(jù)進(jìn)行5%水平上的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2. 1 WOFOST模型驗(yàn)證

作物參數(shù)調(diào)整和模型檢驗(yàn)是模型應(yīng)用的前提條件。圖1為參數(shù)調(diào)整后的WOFOST模型對2017年度Q4、Q5和Q6播期春小麥生育期、地上總干物質(zhì)的模擬值與實(shí)測值對比圖。從圖1可看出，WOFOST模型對春小麥生育期誤差最大值為3 d，最小值為1 d，RMSE和EF分別為1.89 d和0.99，對生育期的模擬效果較好（圖1-A）;WOFOST模型對春小麥地上總干物質(zhì)模擬中（圖1-B），RMSE為1639 kg/ha，EF為0.95，3個播期的誤差相對較小，可見，參數(shù)調(diào)整后的WOFOST模型對春小麥生長發(fā)育動態(tài)的模擬效果較好，各項(xiàng)模擬結(jié)果的誤差較小，即WOFOST模型參數(shù)本地化成功，可用于蘇南地區(qū)春小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量的模擬。

2. 2 不同播期對春小麥生長發(fā)育的影響

利用2016年的氣象資料輸入WOFOST模型，模擬該年條件下不同播期春小麥的生育期、莖干重、葉干重及產(chǎn)量。模擬結(jié)果表明（圖2-A），春小麥播種—成熟持續(xù)時間隨播期的延遲而縮短，最長的第1播期（播種日序?yàn)? d）為146 d，最短的第12播期（播種日序?yàn)?11 d）只有78 d，比第1播期縮短68 d;春小麥出苗—開花期階段持續(xù)時間在42～65 d內(nèi)變動，隨播期推遲而縮短，最長的第1播期比最短的第12播期長23 d;相對于出苗—開花期，開花—成熟期持續(xù)時間相對穩(wěn)定，在24～32 d間變動，第1播期比第12播期長8 d。可見，隨播期的推遲，春小麥出苗—開花階段縮短的時間大于開花—成熟階段，春小麥生育期長度的縮短主要是由于出苗—開花期階段的持續(xù)天數(shù)縮短所造成。

發(fā)育期的變化影響了春小麥的干物質(zhì)積累與分配。圖2-B顯示，春小麥的葉片干物質(zhì)積累量在987～1849 kg/ha，莖稈干物質(zhì)積累量在1568～3878 kg/ha，穗干物質(zhì)積累量在2503～3878 kg/ha，皆隨播期的延遲而減小;葉片干物質(zhì)積累量最大值（第1播期）比最小值（第12播期）高87.36%，莖稈干物質(zhì)積累量最大值（第1播期）比最小值（第12播期）高147.32%，產(chǎn)量（穗干重）最大值（第1播期）是最小值（第12播期）的1.91倍，出苗—開花階段是小麥營養(yǎng)器官生長發(fā)育的主要階段，播期越早該階段持續(xù)的時間越長，越有利于葉片生長、提高葉面積指數(shù)、增加莖稈干物質(zhì)的儲存量，有利于產(chǎn)量的提高，同時，開花—成熟階段持續(xù)時間播期早的春小麥高于播期晚的春小麥，該階段的延長有利于小麥籽粒的干物質(zhì)積累，提高產(chǎn)量。

2. 3 不同播期對春小麥產(chǎn)量的影響

利用參數(shù)本地化后的WOFOST模型進(jìn)行不同播期春小麥產(chǎn)量模擬。根據(jù)蘇南地區(qū)如12月中旬小麥無法播種將導(dǎo)致無法種植冬小麥的實(shí)際情況，將模型模擬春小麥的播種時間確定為：從每年1月1日開始每隔10 d設(shè)為一個播期，共設(shè)12個播期。圖3為利用1980—2010年歷史氣象資料輸入后WOFOST模型模擬的春小麥產(chǎn)量。從圖3可看出，盡管不同年份氣象因素的變化對春小麥產(chǎn)量有較明顯的影響，但不同播期小麥的產(chǎn)量變化趨勢一致，春小麥的產(chǎn)量隨播期的延遲而下降，最高產(chǎn)量為模擬的第1播期，為4124.80 kg/ha，最低產(chǎn)量為模擬的第12播期，為2379.07 kg/ha，第12播期產(chǎn)量僅為第1播期的57.68%，減產(chǎn)顯著（P<0.05）。從圖3還可看出，在第1～3播期，春小麥產(chǎn)量相對穩(wěn)定，分別為4124.80、4106.66和3999.22 kg/ha，從第4播期（播種日序?yàn)?1 d）開始，春小麥產(chǎn)量明顯下降，第4播期產(chǎn)量為3845.40 kg/ha，比第1播期減產(chǎn)6.77%。因此，可認(rèn)為每年的1月1～20日為春小麥的最適播期。

2. 4 春小麥合理播種量分析

利用參數(shù)本地化后的WOFOST模型模擬在合理播期范圍內(nèi)（播種日序分別為1、11和21 d）春小麥產(chǎn)量與播種量間的關(guān)系（圖4）。從圖4可看出，春小麥產(chǎn)量隨播種量的增加而增加，增加速率先快后慢。產(chǎn)量與播種量的關(guān)系可用分段函數(shù)來擬合，即前半部分用對數(shù)擬合，后半部分用增幅較小的線性擬合。以第1播期（播種日序?yàn)? d）為例，以相關(guān)系數(shù)最大為依據(jù)，可計(jì)算出分段函數(shù)的分界點(diǎn)為播種量210 kg/ha處，分段函數(shù)見方程（3），通過計(jì)算，可得出最佳的播種量為177 kg/ha。將第2和第3播期的產(chǎn)量與播種量采用相同的方法進(jìn)行對數(shù)擬合，可得到第2、第3播期的播種量分別為182和184 kg/ha。由此得出在合理播期內(nèi)，最佳播種量為180 kg/ha左右。

Y=[1229lnx-1514.4，? x<2100.83x+4703， x≥210]? ? ? ? （3）

3 討論

播期改變了小麥不同發(fā)育階段的長度，進(jìn)而對小麥的產(chǎn)量產(chǎn)生影響。營養(yǎng)生長和生殖生長的協(xié)調(diào)發(fā)展是小麥高產(chǎn)的保證，張凱等（2012）指出春小麥早播，春小麥播種—抽穗期日數(shù)增加，葉面積指數(shù)增大，產(chǎn)量提高;史曉芳等（2017）研究表明，小麥適期播種出苗早，營養(yǎng)生長期長，分蘗數(shù)和葉面積指數(shù)增大。本研究結(jié)果與以上結(jié)論一致，春小麥適期播種，明顯延長出苗—開花期持續(xù)時間，促進(jìn)了春小麥葉片、莖稈、根系和分蘗的分化和生長，春小麥莖蘗干物質(zhì)積累高、葉面積指數(shù)大、群體質(zhì)量好，保證了春小麥高產(chǎn)。該階段持續(xù)時間的延長還有利于春小麥穗的分化，有利于提高春小麥的穗粒數(shù)，與韓金玲等（2011）研究認(rèn)為正常播期延長了小麥穗分化始期—雌雄蕊分化期的持續(xù)時間，穗分化時間增加，增加了麥穗的小穗數(shù)的結(jié)論一致。同時，適期播種春小麥開花—成熟期持續(xù)時間亦有延長，增加了春小麥灌漿持續(xù)時間，也促進(jìn)了產(chǎn)量的提高，與安霞等（2018）的研究結(jié)論一致。本研究結(jié)果還表明，在適宜的播期內(nèi)（播種日序1～21 d），隨播期的推后，春小麥最適播種量由177 kg/ha增至184 kg/ha，產(chǎn)量由4124.80 kg/ha降至3999.22 kg/ha，基本保持穩(wěn)定，說明適當(dāng)增加播量可提高小麥群體數(shù)量，增大葉面積指數(shù)和光合生產(chǎn)量，從而彌補(bǔ)播期推遲對小麥產(chǎn)量的影響（屈會娟等，2009;張耀蘭等，2012;史曉芳等，2017;安霞等，2018）。

綜合本研究結(jié)果可知，在蘇南地區(qū)無法播種冬小麥的情況下，春小麥可作為備播作物進(jìn)行種植，春小麥的最佳播期為1月1日，全生育期長度為146 d，在5月下旬收獲，不會影響后季水稻生產(chǎn)。在最適播期范圍內(nèi)（1月上旬—中旬），春小麥播種量為117～180 kg/ha，產(chǎn)量為3999.22～4124.80 kg/ha，可有效保障該地區(qū)周年糧食生產(chǎn)的穩(wěn)定性。本研究只選用了1個春小麥品種，對蘇南地區(qū)遲播春小麥的播期和播種量進(jìn)行相應(yīng)研究，關(guān)于春小麥在該地區(qū)的品種篩選、品質(zhì)表現(xiàn)及適用栽培技術(shù)等均有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

春小麥適宜在蘇南地區(qū)播種，年后春小麥的最佳播種時間為1月上旬～中旬，合理的播種量為180 kg/ha，最高產(chǎn)量為4124.80 kg/ha，生育期長度為146 d，對下季水稻正常栽插無影響。因此，蘇南地區(qū)在冬前無法正常播種冬小麥的情況下，可將種植春小麥作為備選方案。

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