基于APSIM模型的不同氮肥方案小麥葉面積指數(shù)的模擬研究

逯玉蘭，李廣，閆麗娟，燕振剛，聶志剛，董莉霞

(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.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

在小麥生長模型中，小麥葉面積指數(shù)是描述小麥生長過程的一個(gè)重要指標(biāo)，該指標(biāo)對作物產(chǎn)量、小麥群體的蒸騰蒸發(fā)以及干物質(zhì)積累等有著十分重要的影響.小麥葉面積指數(shù)直接反映著小麥群體質(zhì)量[1-4].前人利用作物模擬技術(shù)對小麥葉面積指數(shù)進(jìn)行了模擬研究.王琳等[5]用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬平臺(tái)APSIM(agricultural production system simulator)模型檢驗(yàn)了華北平原小麥-玉米連作系統(tǒng)的適用性，驗(yàn)證結(jié)果表明APSIM模型能夠很好地模擬生物量及水分變化，對葉面積指數(shù)的模擬誤差較大.曹宏鑫等[6]建立了南京、濟(jì)南兩地區(qū)不同產(chǎn)量方案下小麥最適葉面積指數(shù)模擬模型，模擬值與實(shí)測值的相關(guān)性達(dá)極顯著水平.劉戰(zhàn)東等[7]利用線性方程和Logistic曲線修正方程，分段建立了以氣溫估算河南新鄉(xiāng)地區(qū)冬小麥葉面積指數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)公式，研究結(jié)果表明2003～2004年的冬小麥葉面積指數(shù)的模擬值與實(shí)測值吻合較好，相關(guān)系數(shù)為0.98，達(dá)極顯著水平.劉鐵梅等[8]重點(diǎn)關(guān)注了小麥綠葉分配指數(shù)以及地上部干質(zhì)量等因素，對小麥葉面積指數(shù)進(jìn)行了相關(guān)的模擬研究，結(jié)果表明小麥葉面積指數(shù)的誤差小于10%.曹中盛[9]在小麥葉面積指數(shù)估測的最佳高光譜參數(shù)研究中詳細(xì)分析了主要高光譜指數(shù)與小麥葉面積指數(shù)的定量關(guān)系，模型檢驗(yàn)結(jié)果表明R2均大于0.8.聶志剛等[10]利用APSIM模型對不同耕作措施下小麥葉面積指數(shù)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明APSIM模型能夠很好地模擬不同耕作措施下小麥葉面積指數(shù)，其他耕作措施的模擬效果優(yōu)于傳統(tǒng)耕作措施.馬新明等[11]采用WCSODS小麥模型對河南省的小麥葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了模擬，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.93.曹宏鑫等[12]根據(jù)小麥生態(tài)學(xué)原理，建立了小麥群體葉面積指數(shù)模型，檢驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)測值與模擬值之間達(dá)極顯著水平.APSIM模型用于模擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)各生物生理過程，特別是在氣候風(fēng)險(xiǎn)下反映旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)系統(tǒng)各組分生態(tài)和經(jīng)濟(jì)輸出的機(jī)理模型，目前已廣泛用于農(nóng)作系統(tǒng)管理、氣候變化影響評估等方面.然而，利用APSIM模型模擬黃土丘陵溝壑區(qū)域旱地春小麥在不同氮肥方案下葉面積指數(shù)的研究鮮有報(bào)道.鑒于此，本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，以定西市安定區(qū)2011～2017年期間同一品種(‘定西35號(hào)’)同一栽培條件下(旱地春小麥)的大田觀測數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的氣候和土壤數(shù)據(jù)為依據(jù)，在田間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上調(diào)試模型參數(shù)并測算葉面積指數(shù)，利用APSIM模型對不同氮肥方案下旱地春小麥LAI進(jìn)行模擬，以期為今后開展旱地春小麥葉面積指數(shù)的模擬研究提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 農(nóng)田試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)地基本情況 在甘肅省定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)安家溝村開展農(nóng)田試驗(yàn)，共獲取了連續(xù)7 a年(2011～2017年)的試驗(yàn)數(shù)據(jù).試驗(yàn)地質(zhì)地為黃綿土，地力中等，土壤密度1.17 g/cm3、酸堿值8.36、有機(jī)質(zhì)含量約為12.01 g/kg、全氮0.76 g/kg、速效鉀0.075 2 g/kg、全磷1.77 g/kg[13-19]，多年平均降水量391 mm，年蒸發(fā)量1 531 mm，年均太陽輻射 592.9 kJ/m2，日照時(shí)數(shù)2 476.6 h，年均≥0 ℃積溫2 934 ℃，年均≥10 ℃積溫2 239 ℃[13-19].

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)選用尿素(N≈46%)作為氮肥品種，‘定西35號(hào)’作為試驗(yàn)品種，‘定西35號(hào)’系甘肅省農(nóng)作物品種審定委員會(huì)于1995年審定通過的小麥品種，該品種是典型的黃土丘陵溝壑地區(qū)旱地春小麥品種.試驗(yàn)針對氮肥施肥量設(shè)計(jì)了3種方案，即低氮量施肥方案N1(100 kg/hm2)、中氮量施肥方案N2(175 kg/hm2)和高氮量施肥方案N3(250 kg/hm2).施肥過程分兩步進(jìn)行，先在播種前施入基肥，占總施肥量的70%，同時(shí)在該階段將磷肥、鉀肥等作為基肥一次性足量施入，具體施入P2O5150 kg/hm2，KCl 105 kg/hm2；而后，在小麥拔節(jié)期施入追肥，占總施肥量的30%.設(shè)計(jì)3個(gè)處理，每處理5次重復(fù)，行距0.25 m，四周設(shè)0.5 m的保護(hù)行，試驗(yàn)小區(qū)長20 m，寬4 m，面積80 m2，共15個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列[20].栽培管理同大田.

1.1.3 指標(biāo)測定 在試驗(yàn)小區(qū)選取長勢相近的20株小麥掛牌標(biāo)記(其中10株的測量數(shù)據(jù)用于檢驗(yàn)整個(gè)生育期的模擬效果，另外10株的測量數(shù)據(jù)用于檢驗(yàn)拔節(jié)期和開花期的模擬效果)，針對每一株小麥，測量范圍從主莖第一葉片到旗葉.針對每個(gè)葉片，自葉片露尖開始連續(xù)測量葉長(葉尖到葉枕的距離)，每間隔1 d測量一次，直至葉片定長.同時(shí)，針對同一個(gè)葉片，每隔1 cm測量一次葉寬(最寬處的值).

對葉面積數(shù)據(jù)的測量工作貫穿整個(gè)小麥生育期(分蘗、拔節(jié)、孕穗、抽穗、開花、灌漿、乳熟和蠟熟期共8個(gè)生育期).葉面積的計(jì)算采用長寬系數(shù)法，每株每次測量重復(fù)5次，取平均值即為該株本次測量的葉面積，所測10株葉面積取平均值為該次處理所獲葉面積的測算值.每個(gè)生育時(shí)期重復(fù)3次測量，取平均值作為該生育時(shí)期葉面積的平均值.小麥的8個(gè)生育時(shí)期共24個(gè)測算值，8個(gè)平均值.

長寬系數(shù)法：

植株葉面積=0.83×葉長×葉寬[20]

1.2 模型及參數(shù)

APSIM模型是由澳大利亞聯(lián)邦科工組織和昆士蘭州政府的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)組(APARU)聯(lián)合開發(fā)研制的，用于模擬旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中各主要組分的機(jī)理模型[21-22].APSIM模型的框架主要由4部分組成:(1)生物物理模塊，用于模擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的生物和物理過程；(2)管理模塊，輸入水、肥、耕作等管理措施；(3)數(shù)據(jù)輸入輸出模塊，用于模擬過程中數(shù)據(jù)的輸入、輸出；(4)中心引擎，用于控制模塊間信息

的傳遞.除此之外，APSIM模型還包括APSFRONT、APSIM-explore、APSGRAPH、APSIM-Qutlook、APSRUDO、APSTOOL等輔助用戶界面，用于模型構(gòu)建、測試、顯示模擬結(jié)果等.

1.2.1 氣象模塊參數(shù)設(shè)置 APSIM模型的基礎(chǔ)是氣候模塊，因此建立精確、合理的氣候模塊是整個(gè)模型應(yīng)用的關(guān)鍵[19].模型運(yùn)行所需的最基本的一組逐日氣象要素變量包括：逐日最高氣溫(℃)、逐日最低氣溫(℃)、逐日降水量(mm)和逐日太陽輻射量(MJ/m2).本研究中應(yīng)用的1971～2017年的氣候資料是由定西水保所氣象觀測站自動(dòng)測定的.組建氣候模塊其他參數(shù)都較容易獲取，但逐日太陽輻射量難以得到，需將觀測日照時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為太陽輻射值，具體計(jì)算公式如下[23]：

δ=0.409×sin(2π/365×J-1.39)

(1)

Ws=arcos(-tanδ×tanφ)

(2)

dr=1+0.033×cos(2π/365×J)

(3)

Ra=37.6×dr×(Wssinφ×sinδ+cosφ×cosδ×sinws)

(4)

N=24/π×ws

(5)

Rns=0.77×(0.25+0.5×n/N)×Ra

(6)

式中，δ代表太陽赤緯(Rad)，J代表日序,φ代表當(dāng)?shù)鼐暥?ws代表日落的角度(Rad)，dr代表日地相對距離，Ra代表晴空太陽輻射(MJ/(m2·d))，N代表最大天文日照時(shí)數(shù)(h),n代表逐日日照時(shí)數(shù)(h),Rns代表日凈短波輻射(MJ/(m2·d)).

1.2.2 土壤模塊參數(shù)設(shè)置 根據(jù)在試驗(yàn)地測定的土壤屬性參數(shù)，并參考李廣等[16]的研究數(shù)據(jù)建立了土壤模塊 (表1).

表1 土壤參數(shù)

1.2.3 作物屬性模塊參數(shù)設(shè)置 APSIM模型采用的是通用作物生長模型來模擬各種一年生和多年生作物的生長，不同作物的模型參數(shù)值不同.作物屬性模塊主要包括小麥的生長發(fā)育進(jìn)程、品種遺傳參數(shù)、產(chǎn)量形成和植株形態(tài)等參數(shù)[16](表2).

表2 作物屬性模塊參數(shù)

1.2.4 管理模塊參數(shù)設(shè)置 管理模塊的參數(shù)是根據(jù)田間試驗(yàn)設(shè)置的，包括播種參數(shù)、耕作措施等，本研究中的具體管理措施：播種日期3月15日，播種深度30 mm，播種量187.5 kg/hm2，播種行間距250 mm.

1.3 模型檢驗(yàn)方法

模型檢驗(yàn)時(shí)，對模型的模擬值和實(shí)測值進(jìn)行擬合度分析，主要采用通用的三大指標(biāo)進(jìn)行分析，即均方根誤差(RMSE)、決定系數(shù)(R2)和模型的有效性指數(shù)(Me).

如果RMSE值越小，則說明模擬值與實(shí)測值有著較好的一致性，二者之間的偏差越小，模擬結(jié)果越準(zhǔn)確，模型越可靠.因此，RMSE在預(yù)測層面反映著模型的準(zhǔn)確性和可靠性，其計(jì)算公式如式(7)：

(7)

式中，OBSi為實(shí)測的LAI；SIMi為模擬的LAI；n為樣本容量；i為樣本序號(hào).

R2越接近于1，自變量引起的變化占總變化的百分比就越高，說明自變量對因變量的解釋程度越高[24].其計(jì)算公式如式(8)：

(8)

關(guān)于模型的有效性指數(shù)Me，Zhang[25]認(rèn)為當(dāng)Me大于0.5時(shí)模型的模擬結(jié)果較好.其計(jì)算公式如式(9)：

(9)

式中，MEAN為實(shí)測值的平均值.

2 結(jié)果與分析

2.1 基于APSIM模型的葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)模擬

小麥全生育期內(nèi)，低氮(N1)和中氮(N2)方案下LAI最大值出現(xiàn)在抽穗期，高氮(N3)方案下LAI最大值出現(xiàn)在孕穗期，有別于其他兩種氮肥方案.總體來看，3種氮肥方案下小麥葉面積指數(shù)均呈現(xiàn)單峰曲線變化.在整個(gè)生育期中，LAI的變化在抽穗期(低氮和中氮)和孕穗期(高氮)出現(xiàn)拐點(diǎn)，以此可將其分為兩個(gè)階段.第一階段，從出苗期開始，LAI數(shù)據(jù)逐漸增大，到抽穗期或孕穗期達(dá)到最大值.第二階段，從抽穗期或孕穗期往后，LAI隨著生育進(jìn)程的遞進(jìn)逐漸減小，至乳熟期時(shí)減小為0(圖1).

2.2 模擬效果分析

采用APSIM模型對2013～2018年期間氮肥因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，模型在不同氮肥方案下的RMSE、R2和Me值見表3.

2.2.1 整個(gè)生育期的模擬效果分析 綜合采用RMSE、R2和Me3個(gè)統(tǒng)計(jì)量對模型進(jìn)行效果評價(jià)：

1) 低氮(N1) 方案：模型在小麥全生育期內(nèi)，均方根誤差(RMSE)值都沒有大幅波動(dòng)，RMSE值介于[0.102,0.223]，反映出APSIM模型的模擬值與實(shí)測值具有好的一致性，模擬效果佳；模型的決定系數(shù)(R2)比較接近1，介于[0.852,0.926]，反映出模型計(jì)算數(shù)據(jù)對實(shí)際數(shù)據(jù)的解釋程度高；從有效性指數(shù)(Me)來看，APSIM模型的Me值介于[0.507,0.891]，通過仔細(xì)分析可以看出Me值在小麥發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期(抽穗期-乳熟期)更加穩(wěn)定且呈逐漸上升趨勢，反映出APSIM模型對LAI的擬合有效.

2) 中氮(N2)方案：在中氮(N2)方案下，模型的RMSE值介于[0.100,0.212]，抽穗期以后RMSE值更加穩(wěn)定，反映出APSIM模型與實(shí)際數(shù)據(jù)的擬合程度高；R2值介于[0.842,0.975]，均在0.84以上，模型解釋程度高；APSIM模型的Me值介于[0.768,0.911]，各階段的Me值都超過了0.75，表現(xiàn)出很好的模擬效果.

圖1 基于APSIM模型的不同氮肥方案下LAI的動(dòng)態(tài)變化Figure 1 Dynamic changes of LAI under different nitrogen fertilizer schemes based on APSIM model

表3 不同氮肥處理方案下葉面積指數(shù)實(shí)測值與模擬值統(tǒng)計(jì)分析表

3)高氮(N3)方案：在該氮肥方案下，RMSE值介于[0.204,0.366]；R2值介于[0.808,0.910]；Me值介于[0.565,0.815].與前兩種氮肥方案相比，模擬效果較差.

2.2.2 每個(gè)生育階段的模擬效果分析 1)分蘗期：3種氮肥方案下的RMSE值分別為0.117、0.212和0.204，N1方案下的值最小；R2值分別為0.852、0.842和0.879，N3方案下的值最大；Me值分別為0.801、0.838、0.565，N2方案下的值最大.2)拔節(jié)期：RMSE值為N1(0.102)N1(0.896)>N2(0.885)；Me值N2(0.911)>N1(0.891)>N3(0.678).3)孕穗期：N1方案下的RMSE值最小，為0.112，N3方案下的RMSE值最大，為0.210；R2值N2方案下最大，為0.929，N3方案下最小，為0.899；Me值N2方案下最大，為0.846，N3方案下最小，為0.779.4)抽穗期：RMSE值為N2(0.100)N1(0.891)>N3(0.859)；Me值N2(0.768)>N3(0.615)>N1(0.507).5)開花期：3種氮肥方案下的RMSE值分別為0.157、0.103、0.345，N2方案下的值最??；R2值分別為0.893、0.975、0.808，N2方案下的值最大；Me值分別為0.731、0.846、0.678，N2方案下的值最大.6)灌漿期：N1方案下的RMSE值最小，為0.107；R2值N2方案下最大，為0.928；Me值N2方案下最大，為0.889.7)乳熟期：RMSE值為N2(0.116)N1(0.882)>N3(0.867)；Me值N2(0.877)>N1(0.828)>N3(0.814).8)蠟熟期：在該階段，3種氮肥方案下的RMSE值分別為0.217、0.109、0.366，N2方案下的值最??；R2值分別為0.920、0.932、0.908，N2方案下的值最大；Me值分別為0.610、0.888、0.815，N2方案下的值最大.

2.3 模型檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用另?0株的測量數(shù)據(jù)在拔節(jié)期和開花期進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果見表4.

分析表4數(shù)據(jù)可以看出：APSIM模型在3種氮肥方案下拔節(jié)期和開花期的RMSE值總體都比較小，其中中氮(N2)方案下RMSE值最小，其次是低氮(N1)方案，高氮(N3)方案下RMSE值最大；3種氮肥方案下拔節(jié)期和開花期的R2值都大于0.85，中氮(N2)方案下R2值最大，高氮(N3)方案下R2值最?。?種氮肥方案下兩個(gè)階段的Me值都超過了0.5，不同氮肥方案下Me值的排序?yàn)镹2>N1>N3.這和模擬效果分析結(jié)果一致.

表4 拔節(jié)期和開花期LAI實(shí)測值與模擬值的統(tǒng)計(jì)分析

3 討論

李廷亮等[26]的研究結(jié)果顯示，隨施氮量的增加，小麥葉片葉綠素含量增加.相關(guān)研究表明增加施氮量使小麥葉面積指數(shù)增加，進(jìn)而提高小麥產(chǎn)量[27-28].卞賽男等[29]的研究表明隨著施氮量的繼續(xù)提高，植物的葉面積指數(shù)會(huì)顯著下降，過量的施氮不利于生物量的積累.適宜的施氮量避免生育后期葉片早衰，從而維持了生長中后期葉片的高光合能力，為氮肥利用率與產(chǎn)量協(xié)同提高奠定了基礎(chǔ)[30].這與本研究結(jié)果一致.用APSIM模型模擬的3種氮肥方案下小麥葉面積指數(shù)較好地體現(xiàn)了小麥的真實(shí)生長過程.當(dāng)前黃土丘陵溝壑區(qū)旱地春小麥的生產(chǎn)要求對各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)評估，應(yīng)用APSIM模型可為研究區(qū)小麥產(chǎn)業(yè)的精確化管理提供依據(jù).統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，模型模擬值和實(shí)測值之間呈現(xiàn)出較好的一致性和相關(guān)性.但是，模型指標(biāo)RMSE、R2以及Me在小麥整個(gè)生育期的不同階段并非理想地表現(xiàn)出穩(wěn)定性，而是呈現(xiàn)出輕微的波動(dòng)性，這說明影響實(shí)際問題的更細(xì)粒度的因素(如忽略作物的病蟲害影響、耕作措施的長期效應(yīng)以及疏于整理運(yùn)用多年氣象、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等)可能被排除在了模型之外，也有可能是模型對數(shù)據(jù)產(chǎn)生了“過擬合”，亟待更加深入的研究去揭示規(guī)律[31].另外，由于試驗(yàn)條件的限制，模型檢驗(yàn)僅采用了研究區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并未采用其他黃土丘陵溝壑旱區(qū)的數(shù)據(jù)，在后續(xù)研究中也亟待能夠使用其他數(shù)據(jù)來進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并以此作為改進(jìn)模型的依據(jù)，以期增強(qiáng)模型的普適性.本研究僅研究了不同氮肥方案(不同施用量，基追比都為7∶3)對葉面積指數(shù)的影響，還需要進(jìn)一步研究氮肥、耕作措施、基追比變化互作對小麥葉面積指數(shù)的影響來研究其對產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響，以此來逐步完善對模型的研究工作.

4 結(jié)論

本研究以2011～2017年甘肅省定西市安定區(qū)試驗(yàn)田的觀測數(shù)據(jù)為依據(jù).通過設(shè)計(jì)3種不同的氮肥實(shí)施方案，利用APSIM模型模擬了3種氮肥方案下小麥葉面積指數(shù)，以RMSE、R2和Me為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)分析了APSIM模型在模擬旱地春小麥LAI時(shí)的一致性、解釋程度以及有效性，得出以下主要結(jié)論：

1) 3種氮肥方案下小麥葉面積指數(shù)均呈現(xiàn)單峰曲線變化.在整個(gè)生育期中，LAI的變化在抽穗期(低氮和中氮)和孕穗期(高氮)出現(xiàn)拐點(diǎn).

2) APSIM模型模擬旱地春小麥葉面積指數(shù)時(shí)，在全生育期，中氮(N2)方案下的RMSE值最小，R2值最大，Me值最大，在此氮肥方案下表現(xiàn)出更好的一致性，更高的解釋程度和更好的有效性；其次是低氮(N1)方案；高氮(N3)方案下的模擬效果較差.

3) 在8個(gè)生育階段，總體也表現(xiàn)出中氮(N2)方案下的模擬效果優(yōu)于低氮(N1)方案，低氮(N1)方案的模擬效果優(yōu)于高氮(N3).