基于APSIM模型的旱地春小麥生育期的播期和耕作效應(yīng)分析

雒翠萍，聶志剛，王 鈞，董莉霞，逯玉蘭，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.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

小麥從播種到成熟的生長發(fā)育是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，全生育期持續(xù)時間與最終產(chǎn)量密切相關(guān)[1]，因而小麥生育期是小麥生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究關(guān)注的一個重要內(nèi)容。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，作物模型作為定量分析農(nóng)作物生產(chǎn)調(diào)控的方法已得到廣泛應(yīng)用。不同的生育時期作物生理和形態(tài)性狀表現(xiàn)出不同的特征，各生長階段持續(xù)天數(shù)的準確量化也是利用作物模型進行模擬研究的基礎(chǔ)。RiceGrow水稻生長模擬模型以生理發(fā)育時間作為定量分析水稻發(fā)育進程的通用尺度，描述了溫度、光周期及品種遺傳特性的共同作用對小麥生理發(fā)育時間的影響[2]。CERES-Wheat模型中作物生育階段模擬包括了春化作用和光周期的調(diào)節(jié)，以取最小值法計算光溫系數(shù)間的互作效應(yīng)[3]。ORYZA2000水稻生育期模型采用生育階段作為衡量水稻發(fā)育進程的尺度，由每日發(fā)育速率累積形成，充分量化了溫度、光周期、移栽及品種遺傳特性對發(fā)育的影響及因素間的相互關(guān)系[4]。眾多學(xué)者因地制宜構(gòu)建作物生育期模型，為當?shù)剞r(nóng)作物生產(chǎn)的預(yù)測調(diào)控提供了決策依據(jù)。APSIM(agricultural production systems simulator)模型以作物屬性模塊(APSIM-Wheat)為通用作物生長模擬框架[5]，依據(jù)研究區(qū)作物生長階段生理生態(tài)特性進行APSIM-Wheat模塊參數(shù)本土化率定，并以研究區(qū)土壤參數(shù)庫為基礎(chǔ)，氣象參數(shù)庫為驅(qū)動，實現(xiàn)作物生長發(fā)育過程的動態(tài)模擬。近些年來，APSIM模型在黃土丘陵區(qū)春小麥生長模擬適用性及氣候變化效應(yīng)分析的研究中取得了一定成果[6-7]，但是在該區(qū)域利用模型開展旱地春小麥全生育期和各生長階段持續(xù)天數(shù)機理的研究報道較少。本研究依據(jù)甘肅省定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)安家溝村2015-2016年大田試驗數(shù)據(jù)及研究區(qū)1971-2017年氣象資料，對APSIM中與旱地春小麥全生育期相關(guān)的參數(shù)進行本土化率定，開展不同播期和耕作措施對旱地春小麥全生育期的影響分析，以期為旱地春小麥各生長階段持續(xù)天數(shù)的預(yù)測及小麥生產(chǎn)應(yīng)對氣候的變化提供一定的技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

2015-2016年在甘肅省定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)安家溝村進行大田試驗。試驗區(qū)為黃土丘陵典型雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，海拔1 980 m，屬中溫帶半干旱氣候；光照充足，年均日照時數(shù)2 408.6 h；年均氣溫6.4 ℃，年均≥10 ℃積溫2 239.1 ℃；多年平均降雨量385.0 mm，降水量季節(jié)分配不均。

供試春小麥品種為甘春32號，播種量187.5 kg·hm-2，免耕播種機播種，播深7 cm，行距25 cm。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，除試驗因素外其他田間管理同普通大田，基肥在播種時一次性施入，7月下旬收獲。試驗共設(shè)3個播期處理，分別是3月19日正常播期(NSW)、3月6日早播(ESW)、3月30日晚播(LSW)；設(shè)4種耕作措施，分別是傳統(tǒng)耕作(T)、傳統(tǒng)耕作+秸稈覆蓋(TS)、免耕(NT)和免耕+秸稈覆蓋(NTS)。小區(qū)面積 24 m2(6 m×4 m)，3次重復(fù)，邊行外設(shè)0.5 m寬保護帶。

1.2 數(shù)據(jù)來源

APSIM模型氣象參數(shù)庫(Dingxi.met)中逐日數(shù)據(jù)包括太陽輻射、最高氣溫、最低氣溫和降水量。數(shù)據(jù)來源于甘肅省氣象局的定西市安定區(qū)1971-2017年資料，太陽輻射利用日照時間轉(zhuǎn)換計算法計算[6]。

APSIM模型土壤參數(shù)庫(Dingxi.soils)借鑒李廣等[6]在黃土丘陵區(qū)APSIM適用性研究中長期積累的研究區(qū)土壤屬性數(shù)據(jù)，結(jié)合大田測定數(shù)據(jù)組建。APSIM-Wheat模塊控制文件(Wheat.xml)中待測參數(shù)包括春小麥種子萌發(fā)階段(播種-出苗)、幼苗階段(出苗-拔節(jié))、器官建成階段(拔節(jié)-開花)以及籽粒形成階段(開花-成熟)植株莖和葉片氮素含量。采用半微量凱氏定氮法[8]，在春小麥各生長階段3次采樣測定的植株莖和葉片氮素平均含量分別為1.08%和1.15%(出苗-拔節(jié))、2.77%和3.47%(拔節(jié)-開花)、1.23%和1.95%(開花-成熟)。

APSIM-Wheat模塊控制文件(Wheat.xml)中待估計參數(shù)借鑒李廣等[6]前期積累的作物屬性數(shù)據(jù)，并基于田間試驗，通過窮舉試錯法反復(fù)手動修改和校準得到本土化作物基本屬性參數(shù)(表1)。其中，春小麥種子萌發(fā)階段、幼苗階段、器官建成階段及籽粒形成階段有效積溫利用基本溫度、日均溫度計算，將一天劃分8個溫度段估算日均溫度。APSIM模型以各生長階段累積積溫為依據(jù)，通過達到累積積溫來預(yù)測春小麥某一生長階段持續(xù)天數(shù)。在模型組件“padock”的耕作措施工具包“Manage folder”下菜單“Crop Management”設(shè)置與大田試驗相對應(yīng)的4種耕作措施，在表層覆蓋工具包“Surface Organic Matter”設(shè)置與大田試驗相對應(yīng)的秸稈覆蓋量(2 250 kg·hm-2)。

表1 APSIM平臺中供試小麥基本屬性參數(shù)

1.3 模型構(gòu)建

APSIM模型中對作物生長階段持續(xù)天數(shù)的模擬是基于作物完成某一生長階段積溫恒定原理，假設(shè)在理想條件下，春小麥生長階段的累積積溫達到潛在最大值，采用光周期效應(yīng)、春化作用以及水分、氮素脅迫的限制來修正累積積溫。APSIM模型中對旱地春小麥全生育期描述的表達式[9]如下：

TT=∑[△TT×min(fD,fV) ×min(fW,pheno,fN,pheno)]

(1)

式中，TT為某生育階段的累積積溫?？紤]到的小麥品種遺傳特性主要包括春化作用(fV)和光周期效應(yīng)(fD)，環(huán)境因素主要包括水分虧缺(fW,pheno)和氮素脅迫(fN,pheno)。

(2)

Tc=(Tcmax+Tcmin)/2

(3)

(4)

(5)

式中，△TT為日積溫；Tc、Tcmax和Tcmin為日積溫算子平均值、最大值和最小值，日積溫算子與溫度的關(guān)系借鑒Ritchie等[10]在CERES-Wheat模型中關(guān)于日積溫的計算經(jīng)驗，其中Tmax和Tmin為日最高溫和日最低溫，來源于氣象參數(shù)庫(Dingxi.met)。

推薦理由:作者曾獲以色列布倫納獎、以色列總理獎、美國猶太圖書獎等獎項，這部小說被他視為自己創(chuàng)作成熟的標志。中文譯本首次出版。小說講述了1930年代巴勒斯坦的一個小村莊里，朱迪斯與她的三個愛慕者之間發(fā)生的故事。作者從宗教故事和神話傳說中汲取靈感，并融入猶太鄉(xiāng)村的風土人情，用魔幻現(xiàn)實主義的高超技法，將這個《雅歌》般的傳奇娓娓道來。

fD=1-0.02×Rp×(20-Lp)2

(6)

式中，fD為光周期敏感度因子，描述了幼苗階段光周期效應(yīng)對生長階段持續(xù)天數(shù)的影響，其他生育階段無影響，即取值為1；Rp為光周期敏感度；Lp為日照時長(h)，取值于氣象數(shù)據(jù)庫Dingxi.met。

fv=1-(0.00545Rv+0.0003)(50-V)

(7)

V=∑(△V-△Vd)

(8)

△V=min{1.4-0.0778Tc,0.5+13.44×[Tc/(Tmax-Tmin+3)2]}

Tmax<30 ℃ andTmin<15 ℃

(9)

△Vd=min[0.5×(Tmax-30),V]

(10)

式中，fV為春化作用敏感度因子，描述了幼苗階段春化作用對生長階段持續(xù)天數(shù)的影響，其他生長階段無影響，即取值為1；RV為春化作用敏感度；V為總春化，通過累加幼苗階段日春化與再春化的差值來量化總春化；△V為日春化，△Vd為再春化，當日最高溫大于30 ℃并且總春化小于10，再春化作用發(fā)生。

fW,pheno=ESWactua/ESWpoten

(11)

式中，fW,pheno為水分虧缺系數(shù)，描述了種子萌發(fā)階段，土壤有效水分對持續(xù)天數(shù)的影響，其他生長階段無影響，即取值為1；ESWactua和ESWpoten分別為根部實際可獲取的土壤水分和根部潛在可獲取的土壤水分，由APSIM內(nèi)部水分平衡子模型計算。

(12)

式中：fN,pheno為氮素脅迫系數(shù)，描述了氮素脅迫對生長階段持續(xù)天數(shù)的影響，對種子萌發(fā)階段無影響，即取值為1，其他生長階段可根據(jù)進入植株莖和葉片的氮素含量(%)計算；CN為實際進入莖和葉片的氮素積累含量(%)。根據(jù)生長階段的不同，由APSIM模型內(nèi)部氮素平衡子模型確定CNcrit和CNmin，CNcrit為臨界氮含量(%)，CNmin為莖和葉片自由生長結(jié)構(gòu)性氮素需求[9]下限(%)。

1.4 模型檢驗方法

采用相關(guān)系數(shù)(R)和均方根誤差(RMSE)、歸一化均方根誤差(NRMSE)對模型模擬效果進行檢驗。RMSE的值越小，表明模擬值與實測值之間誤差越小，NRMSE控制在10%以內(nèi)，表明模型的模擬有較高精度[6]。計算公式如下：

(13)

(14)

式中，YObs為實測值，YSim為模擬值，YMean為實測平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型檢驗

基于作物完成某一生育階段積溫恒定的原理，對1971-2017年不同播期和耕作措施下春小麥全生育期及各生長階段持續(xù)天數(shù)進行模擬試驗。相關(guān)分析表明，2015-2016年實測值(表2)與1971-2017年平均模擬值(表3)呈線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)(R)大于0.9，誤差控制在±15%以內(nèi)；均方根誤差(RMSE)為0.7～3.0 d，歸一化均方根誤差(NRMSE)為2.34%～6.93%，控制在10%以內(nèi)(圖1和圖2)。這說明APSIM模型對旱地春小麥全生育期及各生長階段持續(xù)天數(shù)的模擬有較高精度。

圖1 旱地春小麥各生長階段持續(xù)天數(shù)模擬值與實測值關(guān)系

圖2 旱地春小麥全生育期模擬值與實測值關(guān)系

表2 2015-2016年旱地春小麥生長階段持續(xù)天數(shù)實測平均值

2.2 播期和耕作措施對旱地春小麥全生育期的影響

從模擬值(表3)可以看出，播期對旱地春小麥生長發(fā)育持續(xù)天數(shù)影響顯著。不同耕作措施下，早播(3月6日)的全生育持續(xù)天數(shù)最長，為136.5～138.2 d；晚播(3月30日)的全生育期持續(xù)天數(shù)最短，為116.2～120.5 d；早播與晚播之間相差16.0～22.0 d。從種子萌發(fā)階段到器官建成階段(播種-開花)，早播平均需要110.6～111.1 d，晚播平均需要92.8～95.0 d，早播與晚播之間差距15.6～18.3 d。耕作措施對春小麥生長階段持續(xù)天數(shù)影響都不顯著。

表3 1971-2017年旱地春小麥生長階段持續(xù)天數(shù)模擬平均值

3 討 論

APSIM模型基于作物完成某一生育階段積溫恒定原理，充分考慮小麥品種對春化、光周期等的遺傳作用。本研究立足田間試驗，依據(jù)旱地春小麥生長發(fā)育機理理論，對APSIM-Wheat中與旱地春小麥全生育期相關(guān)的待估計參數(shù)(播種-出苗積溫、出苗-拔節(jié)積溫、拔節(jié)-開花積溫、開花-成熟積溫、光周期敏感度、春化作用敏感度)，反復(fù)進行窮舉試錯手動校準，獲得了適宜于黃土丘陵區(qū)域的旱地春小麥全生育期本土化參數(shù)集合，有效地提高了該模型對黃土丘陵區(qū)旱地春小麥各生長階段持續(xù)天數(shù)的模擬精度，模擬結(jié)果的均方根誤差(RMSE)達到0.7～3.0 d，歸一化均方根誤差(NRMSE)為2.34%～6.93%。模型構(gòu)建中關(guān)注到了溫度、水分和氮素等環(huán)境因素，但是對于土壤磷對黃土丘陵區(qū)旱地春小麥生長發(fā)育的限制，將在進一步田間試驗的基礎(chǔ)上，對模型進行 改進。

隨著播期的變化，作物所處生長階段的局部氣候條件發(fā)生改變[11]，使得作物群體對光、溫、水、氣等氣候資源的利用率產(chǎn)生差異[12]。本研究中，在1971-2017年旱地春小麥的種子萌發(fā)階段，日平均溫度為5.1 ℃，年均降水量為22.4 mm，年均太陽輻射量6.8 MJ·m-2，低溫寡照，春小麥根系發(fā)育緩慢，早播春小麥種子萌發(fā)階段延長；隨著溫度逐漸升高，春小麥根系生長活躍，晚播春小麥種子萌發(fā)階段縮短；在種子萌發(fā)階段，早播較晚播春小麥生長持續(xù)天數(shù)平均延長13.6～15.9 d。在幼苗階段，日長夜短，日平均溫度為12.2 ℃，年均降水量為72.5 mm，年均太陽輻射量 7.7 MJ·m-2，太陽輻射量逐漸增加，葉片光合作用延長，有利于生物量的積累，使得生長速度加快[13]，在幼苗階段，晚播春小麥生長持續(xù)天數(shù)較早播平均縮短2.5～4.1 d。由此可見，溫度、光照與旱地春小麥生育持續(xù)天數(shù)呈負相關(guān)。在籽粒形成階段，各播期春小麥生長發(fā)育持續(xù)天數(shù)均較短，早播與晚播之間相差0.2～2.5 d，該階段日平均溫度為18.8 ℃，年均降水量為41.6 mm，年均太陽輻射量7.5 MJ·m-2，研究區(qū)降水較少，溫度高，濕度低，植株正常水分代謝受限，灌漿過程縮短，生長進程加速[1]，早播和正常播小麥提早進入成熟，晚播小麥成熟期持續(xù)天數(shù)縮短，說明降水增加有利于旱地春小麥生長發(fā)育持續(xù)天數(shù)延長。隨著播期的推遲，春小麥從種子萌發(fā)階段到器官建成階段持續(xù)天數(shù)明顯減少，播期對籽粒形成階段持續(xù)天數(shù)影響不大，這與楊文雄[1]、張凱[14]的研究結(jié)果相一致。不同耕作措施下，低溫寡照會延長旱地春小麥生育持續(xù)天數(shù)，降水則具有正效應(yīng)，且隨著播期的推遲，生育持續(xù)天數(shù)明顯減少，這與楊月[13]、李玥[15]的研究結(jié)果一致。在4種耕作措施、3個播期下春小麥各生長階段持續(xù)天數(shù)與光、溫、水的關(guān)系如圖3所示。開展播期對作物生長發(fā)育持續(xù)天數(shù)的影響研究將為研究區(qū)作物應(yīng)對氣候變化適宜對策的選擇提供一定理論 依據(jù)。

圖3 4種耕作措施、3個播期下旱地春小麥各生長階段持續(xù)天數(shù)與光、溫、水的關(guān)系

黃土丘陵區(qū)域常采取的主要保護性耕作措施可分為秸稈覆蓋方式(TS和NTS)和不覆蓋方式(T和NT)，秸稈覆蓋方式(TS和NTS)對土壤理化性能的改良效果明顯，可有效提高土壤的保肥和供肥能力[16]，但光溫氣水等氣候因素對于作物生長階段持續(xù)天數(shù)的作用效果不明顯。因此，不同播期下，耕作措施對生長發(fā)育持續(xù)天數(shù)影響都不顯著。

4 結(jié) 論

基于作物完成某一生育階段積溫恒定原理，APSIM模型對旱地春小麥全生育期模擬效果較好，模擬值與實測值呈線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.9，均方根誤差為0.7～3.0 d，歸一化均方根誤差為2.34%～6.93%。從模擬結(jié)果看，隨著播期的推遲，春小麥從種子萌發(fā)階段到器官建成階段(播種-開花)持續(xù)天數(shù)明顯減少，播期對籽粒形成階段(開花-成熟)持續(xù)天數(shù)影響不大。不同播期下，耕作措施對生長階段持續(xù)天數(shù)影響都不 顯著。