基于覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)的AquaCrop模型優(yōu)化模擬

丁奠元，徐志鵬，陳飛宇，董文俊，仲志成，彭佳雯， 蔣世杰，穆 奎，嚴(yán)惠敏，王乃江，鄒宇鋒，馮 浩2,

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

裸地?zé)o覆蓋條件下，利用空氣積溫定量表征作物生育進(jìn)程，可以比較準(zhǔn)確地闡明空氣熱量與作物生育進(jìn)程之間的關(guān)系[1]。而地膜覆蓋通過阻礙近地層熱量交換，抑制了土壤表層潛熱散失，可有效提高土壤溫度[2]，增加的土壤溫度有效加快了作物的生育期發(fā)展[3]。這種情況下，僅用空氣積溫?zé)o法很好地解釋覆膜措施引起的作物生育進(jìn)程提前的現(xiàn)象。從作物積溫學(xué)說角度出發(fā)，覆膜措施增加的地溫對(duì)作物有效空氣積溫具有較好的補(bǔ)償作用[4]。這種覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)可以有效調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)進(jìn)程，較好地用于模擬作物生長(zhǎng)過程[5-7]。隨著地膜覆蓋的推廣和作物模型的發(fā)展，覆膜積溫補(bǔ)償作用越來越受到科研人員的重視，并將其應(yīng)用到模型研究當(dāng)中。Zhang等[7]利用覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)發(fā)展并校準(zhǔn)了SUCROS-Cotton模型。前人根據(jù)玉米發(fā)育階段有效積溫恒定原理，利用覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)改進(jìn)了CERES-Maize模型對(duì)覆膜玉米的空氣積溫計(jì)算方法[8]。Ding等[9]基于Logistic方程定量評(píng)估了覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)對(duì)冬小麥和夏玉米地上部生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的影響。因此，量化覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)對(duì)于定量描述覆膜條件下作物生長(zhǎng)發(fā)育過程、改進(jìn)覆膜作物模型具有較好的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

AquaCrop模型于2009年由世界糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization， FAO)提出，是較早考慮覆膜措施的作物模型之一，可以模擬覆膜條件下作物生長(zhǎng)對(duì)土壤水分的響應(yīng)。已有研究表明，AquaCrop模型能夠較好地模擬陜西關(guān)中旱作區(qū)覆膜與不覆膜條件下冬小麥的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)以及黃土高原地區(qū)覆膜與不覆膜條件下玉米的生長(zhǎng)過程[10-14]，并已在其他多個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)類型區(qū)、不同作物條件下進(jìn)行了適用性評(píng)價(jià)，均取得了較好的模擬效果[15-21]。由于AquaCrop模型未考慮土壤溫度對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，前人在應(yīng)用AquaCrop模型模擬覆膜作物生長(zhǎng)時(shí)，主要有2種方法考慮覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)。方法一是調(diào)節(jié)AquaCrop模型中與作物生育發(fā)展相關(guān)的積溫參數(shù)，直接在作物積溫參數(shù)中縮短作物相關(guān)生育時(shí)段的歷時(shí)，體現(xiàn)覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)加速作物生長(zhǎng)的效果[10,22-23]。方法二是引入覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)，將增加的土壤溫度補(bǔ)償?shù)娇諝夥e溫中，通過修正空氣平均溫度，換算到最高溫和最低溫當(dāng)中，進(jìn)而作為模型的氣象輸入數(shù)據(jù)而引入模型當(dāng)中[24]。目前為止，前人鮮有對(duì)這兩種方法的模擬效果進(jìn)行比較，其優(yōu)劣尚未可知。此外，現(xiàn)有考慮覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)的研究中，主要針對(duì)單作作物玉米和棉花，較少涉及冬小麥。覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)具有一定的區(qū)域分布特征，在黃土高原南部，其變化范圍還不清楚，考慮覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)AquaCrop模型在冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)中的適用性尚不明確。

鑒于以上研究現(xiàn)狀和存在問題，本研究擬基于2013—2018年冬小麥-夏玉米輪作田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)AquaCrop模型中引入覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)進(jìn)行深入探討，主要研究目的是：(1)分析覆膜條件下冬小麥土壤溫度變化過程，探究冬小麥覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)的特征；(2)基于覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)原理，估算黃土高原南部冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)中覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)；(3)系統(tǒng)校驗(yàn)兩種覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)引入方法在AquaCrop模型冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)中的適用性，分析比較兩種引入方法在AquaCrop模型應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)。本研究的開展，有助于更好地提高AquaCrop模型對(duì)覆膜作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)和產(chǎn)量形成的模擬效果，有助于借助AquaCrop模型進(jìn)一步開展與覆膜相關(guān)的作物生理和區(qū)域應(yīng)用研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2013年10月—2018年6月在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室灌溉試驗(yàn)站(108°24′E，34°20′N，海拔521 m)進(jìn)行。該地區(qū)位于黃土高原南部的關(guān)中平原，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。該地區(qū)四季分明，降水主要發(fā)生在7—10月份，多年平均降水量在630 mm左右，無霜期大約為213 d。供試土壤為中壤土，土壤容重平均值為1.37 g·cm-3，0～1 m土層的平均田間持水率為23.0%(質(zhì)量含水率)，凋萎含水率為8.5%(質(zhì)量含水率)，平均pH值8.2；土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、速效磷和速效鉀含量分別為8.14 g·kg-1、0.95 g·kg-1、0.83 g·kg-1、20.42 g·kg-1、21 mg·kg-1和290 mg·kg-1。該站地下水埋深60 m以下，故不考慮地下水影響。試驗(yàn)田土壤基本理化性質(zhì)(2013年10月2日取樣測(cè)定)見表1。

表1 試驗(yàn)田土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置兩種處理措施：裸地平作(CK)和全膜平作(PM)(圖2)。每個(gè)處理重復(fù)3次，共6個(gè)小區(qū)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。試驗(yàn)分成2個(gè)階段，2013—2016年小區(qū)規(guī)格為5.0 m×2.0 m(長(zhǎng)×寬)、2017—2018年小區(qū)規(guī)格5.5 m×4.0 m(長(zhǎng)×寬)。小區(qū)周圍均有0.5 m寬的保護(hù)行。播種前進(jìn)行翻耕整地，其中2013—2016年冬小麥采用條播種植，播種深度5 cm，行距30 cm；2017—2018年冬小麥采用穴播種植，穴距10 cm，播種深度5 cm，行距20 cm。夏玉米均采用穴播種植，播種深度5 cm，行距60 cm，株距40 cm。所用地膜為普通聚乙烯塑料薄膜，膜厚0.008 mm，覆膜小區(qū)作物生育期內(nèi)持續(xù)覆膜，收獲后揭膜，下一季作物種植前重新覆膜。試驗(yàn)小區(qū)無灌溉，秸稈不還田。具體施肥和播種措施見表2。

表2 冬小麥-夏玉米輪作田間試驗(yàn)基本信息

1.3 試驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 土壤剖面水分 土壤120 cm深度剖面含水率用TRIME-TDR(TRIME-PICO-IPH TDR，IMKO公司，德國(guó))測(cè)定，TRIME管分布在小區(qū)中間位置，以0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100、100～120 cm分層測(cè)定。冬小麥大約每10 d測(cè)定一次，夏玉米大約每7 d測(cè)定一次。土壤貯水量(SWC，mm)計(jì)算公式如下：

SWC=10×ρi×ωi×hi

(1)

式中，ρi為第i層土壤容重(g·cm-3)；ωi為第i層土壤含水量(%)；hi為第i層土層厚度(cm)。

作物生育期農(nóng)田耗水量(ET，mm)和水分利用效率(WUE，kg·hm-2·mm-1)計(jì)算公式如下：

ET=(W1-W2)+P

(2)

(3)

式中，W1為播前土壤貯水量(mm)；W2為收獲時(shí)土壤貯水量(mm)；P為作物生育期≥5 mm有效降水量(mm)；Y為作物籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.3.2 土壤溫度 2013—2016年利用土壤水熱鹽三參數(shù)測(cè)量?jī)x(EM50,Decagon儀器公司，美國(guó))測(cè)定土壤溫度，其5個(gè)探頭測(cè)定深度分別為15、30、50、70、100 cm，各土層深度探頭布置在小區(qū)中部，利用15 cm土層溫度表征土壤表層溫度。2017—2018年利用人工監(jiān)測(cè)地溫計(jì)(曲管地溫計(jì))，監(jiān)測(cè)土層溫度為5、10、15、20、25 cm，平均每3天記錄一次，利用5 cm深度土層溫度表征表層土壤溫度。

1.3.3 作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量指標(biāo) 在冬小麥返青后，采用冠層分析儀(SunScan，Delta T儀器公司，英國(guó))測(cè)定各生育期葉面積指數(shù)(LAI)，每個(gè)小區(qū)測(cè)定3次，取平均值。夏玉米于三葉期標(biāo)記生長(zhǎng)均勻且具有代表性的植株定株，其中每個(gè)小區(qū)選取2株植株，于拔節(jié)期、抽雄期、開花期、灌漿期和收獲期準(zhǔn)確觀測(cè)并記錄植株株高和所有綠葉的葉片長(zhǎng)度和最大寬度，用于計(jì)算玉米冠層覆蓋度。

在關(guān)鍵生育期選取小麥5株(2017—2018年冬小麥3穴)、夏玉米3株，齊地切斷獲取完整地上部植株(夏玉米需將莖、葉和穗分開)，立即稱重并置于烘箱殺青30 min(105℃)，烘干(75℃)至恒重，記錄干物質(zhì)重量。

冬小麥成熟后，在每個(gè)小區(qū)取已標(biāo)記的1 m2樣方的植株，測(cè)定穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。夏玉米成熟后，每個(gè)小區(qū)選取中間10株，測(cè)定玉米行數(shù)、行粒數(shù)和百粒重。冬小麥和夏玉米進(jìn)行人工脫粒烘干后分別測(cè)定籽粒產(chǎn)量。

1.4 AquaCrop模型的主要機(jī)理介紹

1.4.1 模擬作物產(chǎn)量形成 AquaCrop模型利用蒸騰量與歸一化水分生產(chǎn)效率計(jì)算植株地上生物量，再通過收獲指數(shù)控制最終產(chǎn)量。優(yōu)化后的公式構(gòu)成了模型核心方程式(4)和(5)[25-26]：

B=WP*×∑Tr

(4)

Y=HI×B

(5)

式中，B為地上部生物量(kg·hm-2)；WP*為歸一化水分生產(chǎn)效率；Tr為實(shí)際蒸騰量(mm);Y為作物產(chǎn)量(kg·hm-2)；HI為作物收獲指數(shù)(%)。

1.4.2 模擬作物生長(zhǎng)發(fā)育 AquaCrop模型基于時(shí)間的函數(shù)模擬作物冠層發(fā)育和根系生長(zhǎng)過程。用戶可以選擇以天為步長(zhǎng)的日歷時(shí)間(calendar days)或以生長(zhǎng)度日(growing degree days,GDD；℃·d)為步長(zhǎng)的積溫時(shí)間來模擬作物的生長(zhǎng)過程。

GDD的計(jì)算方法是用平均氣溫(Ta)減去作物有效積溫的下限溫度值(Tbase):

(6)

(7)

1.5 覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)

1.5.1 覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù) AquaCrop模型中以GDD為步長(zhǎng)的積溫時(shí)間切合覆膜措施增加土壤積溫補(bǔ)償作物空氣積溫的作用過程；此外，AquaCrop模型也考慮了地膜覆蓋對(duì)土壤蒸發(fā)的抑制作用。因此，前人在研究覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)時(shí)多以AquaCrop模型為主。

為了定量計(jì)算覆膜后土壤溫度增加對(duì)空氣積溫的補(bǔ)償作用，前人定義了覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)，表示覆膜處理土壤有效積溫每升高1 ℃·d所能補(bǔ)償?shù)目諝庥行Хe溫的數(shù)量[3,6]，其中，以生育期為步長(zhǎng)的覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算公式如下：

(8)

1.5.2 氣象數(shù)據(jù)修正 由覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)引入覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)(方法二)時(shí)，AquaCrop模型中覆膜處理的最高溫與最低溫?cái)?shù)據(jù)是由當(dāng)天平均氣溫加上積溫補(bǔ)償值，再經(jīng)過推導(dǎo)換算得到，參考楊寧等[24]具體計(jì)算方法如下：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

由圖4可知，冬小麥季覆膜增溫作用主要發(fā)生在小麥返青之前，因此本研究中冬小麥生育時(shí)期主要為播種～出苗(i=1)和出苗～越冬時(shí)期(i=2)；夏玉米參考楊寧等[24]等文獻(xiàn)，生育時(shí)期主要為播種～出苗(i=1)和出苗～抽雄時(shí)期(i=2)?；诠?8)～(13)可求得修正后的覆膜處理下日最高氣溫和日最低氣溫，與其他氣象資料一起作為氣象數(shù)據(jù)輸入AquaCrop模型，這樣就在AquaCrop模型中定量引用了覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)。

覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)方法一是調(diào)節(jié)AquaCrop模型與作物生育發(fā)展歷時(shí)相關(guān)的積溫參數(shù)，直接體現(xiàn)覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)加速作物生長(zhǎng)的效果。本研究方法一中AquaCrop模型相關(guān)積溫參數(shù)與董文俊等[22]基本一致。

1.6 冠層覆蓋度

單株葉面積(A，m2)、LAI和冠層覆蓋度(CC)計(jì)算公式如下：

(14)

LAI=0.0001×ρ×A

(15)

CCwheat=1-exp(-0.65LAI)

(16)

CCmaize=1.005[1-exp(-0.6LAI)]1.2

(17)

式中，Lk為第k個(gè)葉片到葉尖端的長(zhǎng)度(m)；Wk為第k個(gè)葉片最寬處的寬度(m)；0.75為葉面積系數(shù)；公式(16)和(17)分別為冬小麥、夏玉米CC計(jì)算公式[31-32]。

1.7 有效土壤積溫

2013—2016年，使用EM50實(shí)測(cè)的15 cm深度每日土壤溫度計(jì)算有效土壤積溫。2017—2018年，以冬小麥和夏玉米日均氣溫為自變量，以日均土壤溫度為應(yīng)變量進(jìn)行線性相關(guān)分析，建立線性回歸方程，利用每日日均氣溫?cái)?shù)據(jù)和線性回歸方程對(duì)觀測(cè)的土壤溫度進(jìn)行插值，估算PM處理與CK處理冬小麥和夏玉米5 cm深度每日土壤溫度。

1.8 數(shù)據(jù)處理

本研究利用2013—2016年田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，利用2017—2018年田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證；利用Microsoft Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，用SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，采用LSD(Least Significant Difference)法進(jìn)行顯著性分析(P<0.05)，用SigmaPlot 12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層土壤溫度動(dòng)態(tài)變化

在冬小麥生長(zhǎng)季，覆膜措施在2014年1月22日、2015年2月15日、2016年3月8日和2017年2月15日之前具有較好的增加土壤溫度的作用；隨后直到3月中旬(大約拔節(jié)期)之前，前三季冬小麥PM處理和CK處理的土壤溫度差別不大，第4季冬小麥由于測(cè)量頻率較低，沒有本過渡階段。3月中旬之后，所有生長(zhǎng)季PM處理土壤溫度均低于CK處理(圖3)。覆膜措施有效增加了玉米季土壤溫度，玉米拔節(jié)期之前增溫效果更加顯著(圖3)。

2.2 覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)及平均日氣溫變化量

冬小麥播種～出苗階段覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)分布在0.87～1.39之間，平均值為1.08(表3)；出苗～越冬期階段，覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)分布在0.51～0.63之間，平均值為0.54。通過覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)換算，冬小麥播種～出苗階段地積溫對(duì)氣積溫的補(bǔ)償值(日均值)分布在0.57～1.90℃之間，平均值為1.33℃；冬小麥出苗～越冬期階段地積溫對(duì)氣積溫的補(bǔ)償值(日均值)分布在0.17～0.32℃之間，平均值為0.26℃。

表3 冬小麥不同生長(zhǎng)階段的覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)

夏玉米播種～出苗階段覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)分布在0.71～0.90之間，平均值為0.81(表4)；出苗～抽雄期覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)分布在0.54～0.69之間，平均值為0.63。由覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)換算，夏玉米播種～出苗階段地積溫對(duì)氣積溫的補(bǔ)償值(日均值)分布在1.12℃～2.44℃之間，平均值為1.74℃；夏玉米出苗～抽雄期階段地積溫對(duì)氣積溫的補(bǔ)償值(日均值)分布在0.57℃～1.86℃之間，平均值為1.00℃。

表4 夏玉米不同生長(zhǎng)階段的覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)

冬小麥和夏玉米播種～出苗階段的覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)均大于出苗～越冬期/抽雄期階段的覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)。這表明覆膜條件下，作物出苗前地積溫對(duì)空氣積溫的補(bǔ)償作用更加明顯；隨著作物的生長(zhǎng)，冠層對(duì)太陽輻射的阻擋作用日趨增強(qiáng)，增溫補(bǔ)償作用逐漸減弱。

2.3 AquaCrop模型的適用性

方法一和方法二的模擬結(jié)果，冠層覆蓋度的模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致(圖4)，其中，冠層覆蓋度模擬值和實(shí)測(cè)值之間的R2分別分布在0.25～0.97、0.55～0.99之間，RMSE分別分布在1.1%～15.3%、2.7%～13.3%之間，NRMSE分別分布在1.6%～22.6%、3.8%～17.0%之間，其中分別有50.8%、74.1%的冠層覆蓋度模擬值在實(shí)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)波動(dòng)。

兩種方法中地上部生物量也表現(xiàn)出了較好的模擬結(jié)果(圖5)。方法一和方法二地上部生物量模擬值和實(shí)測(cè)值之間的R2分別分布在0.89～0.98、0.94～0.99之間，RMSE分別分布在0.626～2.184 t·hm-2、0.868～2.399 t·hm-2之間，NRMSE分別分布在10.8%～29.5%、10.1%～31.3%之間，其中分別有63.6%、83.3%的地上部生物量模擬值在實(shí)測(cè)值及標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)波動(dòng)。

方法一和方法二1.2 m土層土壤貯水量模擬值和實(shí)測(cè)值之間的R2分別分布在0.10～0.94、0.16～0.87之間，RMSE分別分布在14.3～28.9、15.8～31.7 mm之間，NRMSE分別分布在4.5%～9.6%、4.9%～11.2%之間。作物參數(shù)與CK處理和PM處理一致的土壤貯水量模擬值分別有67.0%、84.2%在實(shí)測(cè)值及標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)波動(dòng)(圖6)。

覆膜作物生育期的模擬結(jié)果表明(表5)，方法一和方法二均可以較好地調(diào)節(jié)作物生育期的模擬結(jié)果，其中，在2014年夏玉米、2014—2015年冬小麥季、2015年夏玉米和2017—2018年冬小麥季，方法二模擬生育期與實(shí)際生育期一致，其它生長(zhǎng)季與實(shí)際生育期的時(shí)間相差不大。方法一和方法二產(chǎn)量模擬結(jié)果的相對(duì)誤差范圍分別為-15.4%～15.1%和-13.0%～7.4%(表6)，耗水量模擬結(jié)果的相對(duì)誤差范圍分別為-21.0%～15.9%和-10.2%～23.6%(表7)。整體上，與方法一模擬結(jié)果相比，方法二的產(chǎn)量模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差更小。

表5 AquaCrop模型對(duì)覆膜作物生育期的模擬結(jié)果

表6 AquaCrop模型對(duì)覆膜作物產(chǎn)量的模擬結(jié)果

表7 AquaCrop模型對(duì)覆膜作物耗水量的模擬結(jié)果

3 討 論

3.1 覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)

前人對(duì)于覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)的研究多集中于玉米和棉花等春(夏)播秋收作物[6,9,24]，越冬作物冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育階段的特征決定了其覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)的特殊性。冬小麥生育發(fā)展主要經(jīng)歷2個(gè)氣溫變化過程。第一階段為播種至越冬期，氣溫呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)；此時(shí)相較CK處理，PM處理主要表現(xiàn)出增加地溫的作用。第二階段為返青期至成熟期，此進(jìn)程中氣溫呈現(xiàn)逐步升高的趨勢(shì)；相較CK處理，PM處理增加土壤溫度的作用逐漸消失，直至出現(xiàn)降低土壤溫度的作用。PM處理與CK處理之間土壤溫度的大小關(guān)系與冬小麥植株發(fā)育和土壤含水量等因素密切相關(guān)。播種至越冬期階段，一方面，當(dāng)冬小麥處于苗期，植株冠層較小，無法有效遮蓋地面，太陽輻射可以直接到達(dá)地面；此進(jìn)程中PM處理有效減小了土壤表面水分蒸發(fā)，從而減少了潛熱的散失[3]，使得土壤溫度相比CK處理表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。另一方面，PM處理抑制土壤蒸發(fā)使得土壤含水量增加[33]，土壤的比熱隨之增大；PM處理土壤溫度整體上降低緩慢，與CK處理相比，表現(xiàn)出增溫作用。返青期至成熟期，隨著冬小麥植株的快速生長(zhǎng)，冠層逐漸增大，直至封行，太陽輻射無法直達(dá)地面，PM處理對(duì)土壤潛熱的保持作用減弱；另外，PM處理土壤含水量高，土壤比熱較大，土壤升溫速度緩慢。雙重因素疊加使得PM處理表現(xiàn)出降低土壤溫度的作用。對(duì)于夏玉米而言，由于其生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫處于上升階段，且已經(jīng)處于較高的溫度水平，封行之前PM處理抑制土壤蒸發(fā)，減少了潛熱的散失；同時(shí)PM處理土壤含水量較高，土壤的比熱隨之增大，自然日內(nèi)土壤溫度變化相對(duì)平緩。兩方面因素的疊加使得覆膜措施持續(xù)增加土壤溫度。

冬小麥生育期內(nèi)覆膜增加土壤溫度的作用有一定的時(shí)限性。這種時(shí)限性使得覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)有著相應(yīng)的作用時(shí)間閾值，本研究中該作用時(shí)間閾值大致在越冬后期。Zou等[34]研究表明，覆膜平作處理的夏玉米地上部生物量累積過程較土壤溫度表現(xiàn)出一定的滯后性，這表明夏玉米的覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)也具有一定的作用時(shí)間閾值。該時(shí)間閾值決定了覆膜平作處理對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響的時(shí)間，準(zhǔn)確確定該時(shí)間閾值對(duì)于進(jìn)一步定量模擬覆膜條件下作物生長(zhǎng)發(fā)育亦具有重要意義。

3.2 覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)

作物品種、氣象、土壤、播期以及覆膜方式等不同因素均會(huì)影響覆膜對(duì)地溫的增加作用，進(jìn)而影響覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)的效果。前人的研究中，覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)的估算主要集中在棉花和玉米生育過程中。棉花出苗到現(xiàn)蕾期積溫補(bǔ)償系數(shù)CC為0.51，現(xiàn)蕾期到開花期CC為0.22[4]；肖明等[6]研究結(jié)果表明，棉花出苗至三葉期CC為0.371，三葉期的CC值為1.345，蕾期CC值為0.207，出苗至現(xiàn)蕾期整體的CC值為0.843。付春曉等[8]研究結(jié)果顯示，覆膜玉米播種至苗期CC約為0.45，出苗至抽雄期CC大約為0.20；楊寧等[24]研究結(jié)果表明，覆膜玉米播種至出苗的CC為1.356左右，出苗至抽雄前CC為0.635左右。本研究夏玉米播種～苗期的CC為0.81，出苗～抽雄期CC大約為0.63；冬小麥播種～出苗CC為1.08，出苗～越冬期CC為0.54。以上研究均表明，作物生育前期CC值大于生育后期CC值。

玉米季覆膜處理的前期和中期地溫增加較為明顯，可達(dá)2.5 ℃左右，后期溫度增幅減小[35]。王罕博等[36]研究結(jié)果表明,地膜覆蓋顯著提高了土壤溫度(P<0.05)，相比于裸地處理，全生育期平均增加了4.9%，為玉米出苗和前期生長(zhǎng)提供了有利條件。本研究基于覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)，相比CK處理，PM處理夏玉米播種～出苗、出苗～抽雄期溫度分別增加1.74℃和1.00℃，增幅達(dá)到6.4%～9.8%；PM處理冬小麥播種～出苗、出苗～越冬期溫度分別增加1.33℃和0.26℃，增幅達(dá)到3.1%～3.9%。楊寧等[12]研究表明，玉米播種～出苗溫度增加1.41℃，出苗～抽雄增加0.89℃。以上研究表明，在作物生長(zhǎng)前期，由于作物冠層發(fā)育較小，太陽輻射直接到達(dá)地面，覆膜增溫加速作物生長(zhǎng)的效果較好，覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)更明顯。

3.3 AquaCrop模型的優(yōu)化改進(jìn)

AquaCrop模型以土壤水分為主要驅(qū)動(dòng)因子，尚缺少地溫模塊。該模型在模擬覆膜作物生長(zhǎng)過程中，如果不通過計(jì)算覆膜增溫補(bǔ)償系數(shù)而引入覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)，常常導(dǎo)致同一作物品種設(shè)定為2套作物品種參數(shù)，主要區(qū)別在于積溫參數(shù)變小，覆膜作物相關(guān)生育時(shí)期縮短[10,23]。這種調(diào)參過程單從AquaCrop模型的模擬角度考慮，是以結(jié)果為導(dǎo)向，直接在模型中引入了覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)的加速作物生長(zhǎng)效果(方法一)。在方法一的參數(shù)結(jié)果中，同一作物品種存在2套參數(shù)，這與常規(guī)認(rèn)識(shí)存在分歧，無法從作物生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)理上實(shí)現(xiàn)對(duì)覆膜條件下冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)生長(zhǎng)發(fā)育的模擬。

本研究中利用覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)，通過改進(jìn)外源的氣候數(shù)據(jù)，在應(yīng)用AquaCrop模型時(shí)間接引入了覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)(方法二)，與方法一相比，在模擬冠層覆蓋度、地上部生物量、產(chǎn)量和土壤貯水量模擬方面表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)。通過計(jì)算覆膜積溫補(bǔ)償系數(shù)而引入覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)(方法二)，從積溫理論角度，這種調(diào)參過程是以補(bǔ)償效應(yīng)的機(jī)理為導(dǎo)向的，可以將覆膜增加的土壤溫度補(bǔ)償?shù)娇諝庥行Хe溫中，從而間接在模型中引入覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)。雖然這種方法簡(jiǎn)單方便，但是沒有考慮空氣溫度的改變對(duì)模型中作物其他生長(zhǎng)參數(shù)的影響，如何界定該效應(yīng)對(duì)參考作物蒸發(fā)蒸騰量的影響也無定論。此外，應(yīng)用方法二在AquaCrop模型中引入覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)時(shí)，只能基于實(shí)測(cè)土壤溫度與空氣溫度之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。在長(zhǎng)期氣候變化條件下，由于這種轉(zhuǎn)化關(guān)系較難在時(shí)間尺度上推廣應(yīng)用，故而相關(guān)研究中方法二的應(yīng)用較為困難。

3.4 研究展望

為了進(jìn)一步模擬覆膜之后土壤溫度的變化，前人也將土壤溫度對(duì)覆膜措施的響應(yīng)機(jī)制與已有模型進(jìn)行了耦合，并進(jìn)行了應(yīng)用研究。根據(jù)熱量在空氣-地膜-土壤不同介質(zhì)中的傳遞規(guī)律，增加并完善了DNDC模型中的覆膜模塊，改進(jìn)了DNDC模型對(duì)覆膜玉米土壤溫度和水分的模擬效果[37]。利用DNDC模型模擬研究了不同覆蓋措施對(duì)麥玉輪作系統(tǒng)產(chǎn)量和溫室氣體排放的影響[38]。近年來，水稻覆膜旱作生產(chǎn)體系得到較好的發(fā)展，前人也利用熱量在不同介質(zhì)中的傳遞規(guī)律解決了覆膜增溫效應(yīng)在CERES-Rice和WHCNS模型中模擬的問題[39-41]。最新RZ-SHAW模型考慮并修正了覆膜措施對(duì)土壤溫度的影響，基于覆膜條件下太陽輻射吸收和反射規(guī)律、水汽轉(zhuǎn)化和能量傳輸過程，優(yōu)化了相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，能夠模擬覆膜條件下大氣-植物-地膜-土壤系統(tǒng)中的水熱傳輸和轉(zhuǎn)化，可以較好地模擬不同地膜覆蓋度下5 cm深度土壤的溫度在玉米出苗過程發(fā)展變化趨勢(shì)[42]。因此，在充分研究覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)的基礎(chǔ)上，量化覆膜措施增溫作用對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，建立相應(yīng)的覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)模塊，與已有作物模型耦合，是將來解決覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)模擬問題的關(guān)鍵。

4 結(jié) 論

本文分析了冬小麥覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)的特征，估算了黃土高原南部冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)系數(shù)，并基于兩種方法在AquaCrop模型中引入覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)，對(duì)AquaCrop模型的模擬效果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)分析，得出主要結(jié)論如下：

(1)只有在播種至越冬期，冬小麥覆膜處理表現(xiàn)出增加地溫的趨勢(shì)，該覆膜增溫作用的時(shí)限性表明冬小麥覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)在越冬后期出現(xiàn)作用時(shí)間閾值。由于冬小麥和夏玉米在播種～出苗階段的積溫補(bǔ)償系數(shù)均大于出苗～越冬期(出苗～抽雄期)，因此在作物生長(zhǎng)前期，覆膜增溫加速作物生長(zhǎng)的效果較好，覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)也更明顯。

(2)對(duì)比在AquaCrop模型引入覆膜積溫補(bǔ)償效應(yīng)的兩種方法，方法二在冠層覆蓋度、地上部生物量、作物產(chǎn)量和土壤貯水量模擬方面表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)，且能更好地解釋覆膜措施對(duì)冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)作物發(fā)育進(jìn)程的影響。