溫度升高下降水和施氮對(duì)旱地春小麥產(chǎn)量和生物量影響的模擬與分析

張 康， 聶志剛,2， 王 鈞， 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)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

氣候變化對(duì)小麥產(chǎn)量的影響已成為公認(rèn)的事實(shí)，特別是對(duì)依賴(lài)自然條件的甘肅旱作小麥影響尤為嚴(yán)重［1-4］。近年來(lái)，研究者在溫度、肥料和水分等對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響方面取得了很多研究成果，逯玉蘭等［5］利用APSIM模型研究溫度和降水量對(duì)定西地區(qū)春小麥產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)在降水和溫度中降水是影響產(chǎn)量的主要因素，所有生育期中灌漿-成熟期的氣候因子對(duì)產(chǎn)量的影響最大；曹峰等［6］利用AP?SIM 模型研究溫度升高，灌溉對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)在拔節(jié)期增加灌溉量可以減緩溫度升高引起的小麥減產(chǎn)；劉永環(huán)等［7］通過(guò)研究不同氮溫組合對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)氮肥運(yùn)籌對(duì)高溫脅迫條件下籽粒品質(zhì)的緩解作用較小，而適當(dāng)提高氮肥可以減緩灌漿期高溫脅迫對(duì)小麥產(chǎn)量的不利影響；張濤等［8］通過(guò)研究滴灌條件下水氮耦合對(duì)春小麥光合特性及產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)氮肥和水分對(duì)春小麥在一定范圍內(nèi)是相互促進(jìn)的，但水分和施氮過(guò)量時(shí)，水肥利用率降低。目前的研究主要針對(duì)2個(gè)因素變化，而對(duì)于水肥協(xié)同對(duì)溫度變化下作物產(chǎn)量調(diào)控的研究還相對(duì)較少。定西地區(qū)氣溫呈上升趨勢(shì)，而年降水量總體呈減少趨勢(shì),存在強(qiáng)烈波動(dòng)變化［9］。因此，本研究利用APSIM 模型模擬溫度升高下水氮協(xié)同對(duì)旱地春小麥產(chǎn)量和生物量的影響，選取對(duì)產(chǎn)量影響最大的灌漿期，研究在灌漿期不同溫度下降水和施氮對(duì)小麥產(chǎn)量的影響，探究不同溫度下的適宜降水量和施氮量，揭示溫度升高下水肥協(xié)同對(duì)旱地春小麥生產(chǎn)的影響機(jī)制，為應(yīng)對(duì)未來(lái)溫度變化下旱地春小麥生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土高原地區(qū)的甘肅省定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)安家溝村（104°37′E，35°35′N(xiāo)）。氣候類(lèi)型為中溫帶半干旱區(qū)，海拔2000 m，此區(qū)為典型的雨養(yǎng)地區(qū)，作物主要為春小麥，一年一熟，研究區(qū)地勢(shì)平坦，無(wú)灌溉條件，年蒸發(fā)量1531 mm，年均氣溫6.4 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2400 h 以上，年均降雨量385.0 mm，干燥度2.53［10］。土壤為黃綿土，耕層容重1.26 g·cm-3，pH 值8.36，土壤有機(jī)質(zhì)含量為12.01 g·kg-1，全氮含量為0.61 g·kg-1，全磷含量為1.77 g·kg-1。

于2014—2018 年在甘肅省定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)安家溝村進(jìn)行大田試驗(yàn)，試驗(yàn)小區(qū)面積為24 m2（6 m×4 m），保護(hù)行0.5 m。供試品種均為春小麥“定西35”，3 月下旬播種，播種量按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)量187.5 kg?hm-2，播深7 cm，行距0.25 m。耕作方式采用當(dāng)?shù)爻Ｓ玫拿飧绞剑瑢⒋盒←溤跓o(wú)灌溉和施氮（尿素，N含量約為46%）量為105 kg·hm-2的自然條件下進(jìn)行試驗(yàn)，重復(fù)3 次試驗(yàn)，得到平均產(chǎn)量和生物量。當(dāng)?shù)卣２シN時(shí)間在3月19日前后、收獲時(shí)間一般在7月15日以后，在收獲時(shí)取其中20株作為實(shí)際產(chǎn)量和生物量樣本，再以各個(gè)小區(qū)打碾產(chǎn)量和生物量計(jì)算公頃產(chǎn)量和生物量。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

利用2014—2018年大田實(shí)測(cè)產(chǎn)量和生物量（僅指地上干生物量）數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和驗(yàn)證模型。模擬研究所需的1971—2018 年氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于試驗(yàn)點(diǎn)甘肅省氣象局定西市安定區(qū)歷年氣象資料，主要包括每日最高氣溫（℃）、每日最低氣溫（℃）、日降水量（mm）和日照時(shí)數(shù)（h）。作物品種和作物生理數(shù)據(jù)均來(lái)源于早期李廣等［10］研究中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（表1）。田間管理參數(shù)均根據(jù)試驗(yàn)地實(shí)際管理措施設(shè)置。將APSIM 模擬出的數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行初步整理匯總。利用DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行二次多項(xiàng)式分析，利用Matlab 2018求產(chǎn)量最大時(shí)降水和施氮的最優(yōu)解。

表1 作物品種參數(shù)Tab.1 Parameters of crop varieties

1.3 APSIM模型簡(jiǎn)介

APSIM 是一種綜合模型［11-12］，用于模擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的生物物理過(guò)程。主要由4 部分組成:生物物理模塊、管理模塊、輸入輸出模塊、中心引擎。該模型根據(jù)需要連接不同的子模塊到主引擎上，為滿(mǎn)足用戶(hù)模擬需求，也可自行開(kāi)發(fā)子模塊。來(lái)源于早期李廣等［10］研究中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，模型模擬時(shí)所需數(shù)據(jù)主要分為4 部分:作物參數(shù)、土壤參數(shù)、農(nóng)間管理參數(shù)，氣候參數(shù)。

1.4 模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證方法

通過(guò)實(shí)測(cè)值與模擬值之間的均方根誤差（RMSE）、歸一化均方根誤差（NRMSE）和模型有效性指數(shù)（ME）來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，RMSE 和NRMSE 值越小，實(shí)測(cè)值與模擬值誤差越小，擬合度越好［13］。模型有效性指數(shù)（ME）用以檢驗(yàn)?zāi)M精度，其值越接近1，模型擬合程度和穩(wěn)定性越好。

式中：Yi為田間實(shí)驗(yàn)測(cè)量的實(shí)測(cè)值；Yj為APSIM模型的模擬值；Yˉ為田間實(shí)驗(yàn)測(cè)量的平均值。

1.5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用1971—2018年的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，在基本模擬試驗(yàn)環(huán)境基礎(chǔ)上，降水波動(dòng)范圍在自然降水±20%內(nèi)，在APSIM 模型模擬中日降水量以梯度10%為比例間隔變化，溫度波動(dòng)范圍在實(shí)際溫度2 ℃內(nèi)，日最高溫度和日最低溫度均以梯度0.5 ℃變化。4個(gè)施肥梯度大田試驗(yàn)以免耕覆蓋為基礎(chǔ)。設(shè)置4種不同施肥水平：（1）不施肥；（2）低量氮肥，施尿素含氮量為當(dāng)?shù)厥┓实?/4，即55 kg?hm-2；（3）中量氮肥，施尿素含氮量為當(dāng)?shù)厥┓实?/2，即110 kg?hm-2；（4）高量氮肥，施尿素含氮量為當(dāng)?shù)厥┓式?jīng)驗(yàn)量，即220 kg?hm-2。采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)置，分別在5個(gè)溫度梯度變化下進(jìn)行不同降水和施氮梯度的5×4的耦合實(shí)驗(yàn)，每處理3次重復(fù)，得到5×4×5×3×48組數(shù)據(jù)，平均值法得到每種情形下小麥的產(chǎn)量和生物量。在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得到小麥在灌漿期的籽粒干物質(zhì)和逐日產(chǎn)量，用于不同溫度和水肥協(xié)同耦合條件下旱地春小麥產(chǎn)量形成的動(dòng)態(tài)變化模擬（表2）。對(duì)照組實(shí)驗(yàn)的日溫度變化為0 ℃，日降水量變化0%，施氮量為105 kg?hm-2。實(shí)驗(yàn)時(shí)將氮肥作為底肥一次性施入。

表2 溫度、降水和施氮的模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Simulation experiment design of temperature,precipitation and nitrogen application

2 結(jié)果與分析

2.1 模型檢驗(yàn)

利用2014—2018年定西市大田實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值，在降水為0%、溫度為0 ℃和施氮為105 kg?hm-2條件下模擬值對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證（圖1）。結(jié)果表明：RMSE為112.78 和306.55，NRMSE 為7.47%和7.66%，ME為0.91 和0.85，小麥在灌漿期的籽粒干物質(zhì)的RMSE為17.51，NRMSE 為1.73%，ME為0.98，表明模型可以較好地模擬春小麥的產(chǎn)量和生物量。

圖1 小麥產(chǎn)量、生物量和灌漿期籽粒干物質(zhì)的模擬值與實(shí)測(cè)值線性擬合Fig.1 Linear fitting of simulated and measured values for wheat yield,biomass and grain dry matter at grain filling stage

2.2 溫度變化下水氮協(xié)同對(duì)小麥產(chǎn)量回歸分析

在DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，以旱地春小麥的產(chǎn)量（Y產(chǎn)量）和生物量（Y生物量）為因變量，以溫度（X1）、降水量（X2）和施氮量（X3）為自變量,用DPS軟件對(duì)5×5×4個(gè)樣本進(jìn)行二次多項(xiàng)式逐步回歸分析，得出產(chǎn)量和生物量與溫度，降水量和施氮量的二次回歸方程（表3）。

對(duì)上述產(chǎn)量和生物量的三元二次回歸方程分析可知，產(chǎn)量和生物量方程中的相關(guān)系數(shù)分別為0.926和0.929，各方程的相關(guān)系數(shù)均大于0.90，表明方程可以較好地反映產(chǎn)量和生物量與溫度、降水和施氮量之間的關(guān)系。

2.2.1 主效應(yīng)分析 綜上所述，表3 方程中降水量的一次項(xiàng)系數(shù)分別為3628.31 和7626.84，表明降水量增加對(duì)產(chǎn)量和生物量有一定的正效應(yīng)，施氮量的一次項(xiàng)系數(shù)分別為1796.58 和5605.56，表明施氮量增加對(duì)產(chǎn)量和生物量有一定的正效應(yīng)，溫度的一次項(xiàng)系數(shù)分別為-452.84和-1668.56，表明溫度升高對(duì)產(chǎn)量和生物量有一定的負(fù)效應(yīng)。所以當(dāng)降水和施氮量增加時(shí)，產(chǎn)量和生物量會(huì)增加，當(dāng)溫度增加時(shí)，產(chǎn)量和生物量減少。由于方程是在無(wú)量綱化編碼條件下得到的，所以其系數(shù)的絕對(duì)值可以反映變量對(duì)產(chǎn)量和生物量的影響，可以看到在以產(chǎn)量和生物量為因變量的方程中，溫度、降水量和施氮量3個(gè)因素對(duì)產(chǎn)量影響順序均表現(xiàn)為:降水量＞施氮量＞溫度。2.2.2 單因素分析 在進(jìn)行單因素分析時(shí)，將表3中3個(gè)因素中的其他2個(gè)因素固定為0，便得到各個(gè)因素對(duì)產(chǎn)量和生物量影響的子方程（表4），在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，將各因素的值代入各個(gè)因素方程中，可得到各因素產(chǎn)量和生物量的效應(yīng)關(guān)系。

表3 因變量的回歸方程Tab.3 regression equation of dependent variable

表4 單因素效應(yīng)方程Tab.4 Equation of single factor effect

從各因素的方程和效應(yīng)圖可知，溫度、降水量和施氮量3個(gè)因素對(duì)產(chǎn)量和生物量影響效應(yīng)均為拋物線形式，溫度在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，溫度增加會(huì)對(duì)春小麥產(chǎn)量和生物量產(chǎn)生呈開(kāi)口向上拋物線負(fù)效應(yīng)變化（圖2）。當(dāng)降水量和施氮量不變時(shí)，溫度按試驗(yàn)設(shè)計(jì)梯度每升高0.5 ℃，春小麥產(chǎn)量和生物量最大降幅分別為5.17%和7.45%，最小降幅分別為4.11%和0.76%，平均降幅分別為4.67%和4.28%。

圖2 小麥產(chǎn)量和生物量在溫度變化下的效應(yīng)Fig.2 Effects of temperature on wheat yield and biomass

降水量在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，降水量增加會(huì)對(duì)春小麥產(chǎn)量和生物量產(chǎn)生呈開(kāi)口向上拋物線正效應(yīng)變化（圖3），當(dāng)溫度和施氮量不變時(shí)，降水量按試驗(yàn)設(shè)計(jì)梯度每升高10%，春小麥產(chǎn)量和生物量最大增幅分別為47.46%和47.77%，最小增幅分別為26.45%和26.88%，平均增幅分別為35.53%和35.94%。

圖3 小麥產(chǎn)量和生物量在降水變化下的效應(yīng)Fig.3 Effects of wheat yield and biomass on precipitation change

施氮量在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)施氮量增加時(shí)，春小麥產(chǎn)量和生物量產(chǎn)生呈開(kāi)口向下拋物線變化（圖4），當(dāng)dY3/dX3=0 和dY6/dX3=0 時(shí)，求得施氮量在產(chǎn)量和生物量的閾值為122.11 kg·hm-2和129.06 kg·hm-2，超過(guò)閾值，產(chǎn)量和生物量會(huì)減少，產(chǎn)量和生物量的最優(yōu)值為2574.86 kg·hm-2和5777.39 kg·hm-2，施氮量按試驗(yàn)設(shè)計(jì)梯度每增加55 kg·hm-2，春小麥產(chǎn)量和生物量最大增幅分別為16.76%和24.53%，最小增幅分別為6.01%和9.03%，平均增幅分別為11.38%和16.42%。

圖4 小麥產(chǎn)量和生物量在施氮量變化下的效應(yīng)Fig.4 Effect diagram of wheat yield and biomass under the change of nitrogen application

2.2.3 互作效應(yīng)分析 表2中溫度和降水在產(chǎn)量和生物量的回歸方程中交互項(xiàng)系數(shù)分別為-1733.76和-4143.39，交互項(xiàng)系數(shù)均為負(fù)值，說(shuō)明在產(chǎn)量和生物量的形成中溫度和降水相互之間為制約關(guān)系，當(dāng)施氮量不變時(shí)，降水量增加對(duì)產(chǎn)量和生物量正效應(yīng)大于溫度升高對(duì)產(chǎn)量和生物量產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)，所以當(dāng)溫度和降水量增加時(shí)，小麥產(chǎn)量和生物量整體上增加。

溫度和施氮在產(chǎn)量和生物量的回歸方程中交互項(xiàng)系數(shù)分別為-345.71 和-535.81，交互項(xiàng)系數(shù)均為負(fù)值，說(shuō)明在產(chǎn)量和生物量的形成中溫度和施氮相互之間為制約關(guān)系，當(dāng)降水量不變時(shí)，施氮量增加對(duì)產(chǎn)量和生物量正效應(yīng)大于溫度升高對(duì)產(chǎn)量和生物量產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)，當(dāng)溫度和施氮量增加時(shí)，小麥產(chǎn)量和生物量整體上增加。

降水和施氮在產(chǎn)量和生物量的回歸方程中交互項(xiàng)系數(shù)分別為487.02 和598.04，交互項(xiàng)系數(shù)均為正值，說(shuō)明在產(chǎn)量和生物量的形成中降水和施氮相互之間為促進(jìn)關(guān)系，當(dāng)溫度不變時(shí)，降水量和施氮量增加時(shí)，小麥產(chǎn)量和生物量整體上增加。

2.2.4 溫度與水氮組合的關(guān)系 不同溫度下小麥潛在最優(yōu)產(chǎn)量及其對(duì)應(yīng)的最佳降水量和施氮量不同。將表1中的產(chǎn)量方程中的溫度（X1）分別取0 ℃、0.25 ℃、0.5 ℃、0.75 ℃，1 ℃，得到在各個(gè)溫度下小麥產(chǎn)量的方程，再利用Matlab 求各個(gè)方程取得最優(yōu)值時(shí)的降水量和施氮量。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，0 ℃小麥產(chǎn)量達(dá)到最優(yōu)值時(shí)，降水量需增加20%，應(yīng)施氮156.2 kg?hm-2；0.5 ℃小麥產(chǎn)量達(dá)到最優(yōu)值時(shí)，降水量需增加20%，應(yīng)施氮149.6 kg?hm-2；1 ℃小麥產(chǎn)量達(dá)到最優(yōu)值時(shí)，降水量需增加20%，應(yīng)施氮131.56 kg?hm-2；1.5 ℃小麥產(chǎn)量達(dá)到最優(yōu)值時(shí)，降水量需增加20%，應(yīng)施氮110.0 kg?hm-2；2 ℃小麥產(chǎn)量達(dá)到最優(yōu)值時(shí)，降水量需增加20%，應(yīng)施氮107.8 kg?hm-2。

2.3 小麥灌漿期的溫度與水氮耦合

在日最高溫度和日最低溫度為0 ℃、日降水為0%、施氮量105 kg?hm-2，利用模型模擬數(shù)據(jù)得出1971—2018年小麥的平均籽粒干物質(zhì)為1114.2 kg?hm-2，圖5顯示了不同溫度、降水量和施氮量下的灌漿期小麥籽粒干物質(zhì)，在0 ℃時(shí)，當(dāng)降水量和施氮量增加，小麥的籽粒干物質(zhì)增加，干物質(zhì)最大達(dá)到常規(guī)降水下的2.7 倍，說(shuō)明降水和施氮對(duì)小麥生長(zhǎng)有較大的促進(jìn)作用。為進(jìn)一步研究溫度升高驅(qū)動(dòng)因素下，降水、施氮對(duì)春小麥的影響，對(duì)灌漿期溫度升高旱地春小麥的籽粒干物質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，不同溫度下，不同的降水量所需的最佳施氮量不同。當(dāng)溫度為0 ℃、0.5 ℃、1 ℃時(shí)，降水量為20%所對(duì)應(yīng)的最佳施氮量為220 kg?hm-2時(shí)，小麥干物質(zhì)達(dá)到最大值；溫度為1.5 ℃、2 ℃時(shí)，降水量為20%，所對(duì)應(yīng)的施氮量為110 kg?hm-2時(shí)，小麥籽粒干物質(zhì)達(dá)到最大。當(dāng)施氮量和降水量不變時(shí)，溫度增加，小麥的干物質(zhì)減少，以0 ℃為基準(zhǔn)，每增加0.5 ℃，小麥的籽粒干物質(zhì)最小降幅為6.20%，最大降幅為18.30%，平均降幅為11.85%。

圖5 在不同降水量、施氮量和溫度變化下小麥干物質(zhì)變化Fig.5 Dry matter change of wheat under different precipitation,nitrogen application rate and temperature

3 討論

本研究選取2014—2018年的產(chǎn)量、生物量和灌漿期小麥籽粒干物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，5 a的值均在誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明APSIM模型可以較好地模擬“定西35”在溫度，降水量和施氮量變化下的產(chǎn)量和生物量。通過(guò)回歸方程，單因素分析和互作效應(yīng)分析對(duì)各因素變化下旱地小麥產(chǎn)量和生物量影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在本研究設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，施氮量對(duì)小麥的正效應(yīng)大于溫度對(duì)小麥產(chǎn)量和生物量的負(fù)效應(yīng)，這是在溫度升高的條件下，小麥的淀粉合成明顯受到抑制，產(chǎn)量下降［14-16］，氮素可使成熟期單位面積內(nèi)穗數(shù)增加，合理的氮濃度可以增加小麥的產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量［17］，千粒重和籽粒產(chǎn)量呈單峰曲線變化［18］。施氮量在產(chǎn)量和生物量的閾值為122.11 kg?hm-2和129.06 kg?hm-2，超過(guò)閾值產(chǎn)量和生物量會(huì)減少，產(chǎn)量和生物量的最優(yōu)值為2574.86 kg?hm-2和5777.39 kg?hm-2，這與尹嘉德等［19］在基于APSIM模型的旱地春小麥產(chǎn)量對(duì)施氮量和施氮深度的響應(yīng)模擬中利用APSIM模擬的研究結(jié)果基本一致；溫度和施氮量增加的情況下，小麥產(chǎn)量和生物量增加；朱榮等［20］采用盆栽試驗(yàn)研究表明，適量的氮肥可以減緩溫度升高對(duì)春小麥光和器官結(jié)構(gòu)的影響，提高葉片的葉綠素含量和能量的高效分配。趙晶晶［21］采用裂區(qū)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究表明，高溫條件下，適量氮肥能夠增加產(chǎn)量，這與本研究結(jié)果一致。對(duì)于溫度和降水之間負(fù)交互效應(yīng)，降水對(duì)小麥正效應(yīng)大于溫度對(duì)小麥產(chǎn)量和生物量的負(fù)效應(yīng)，降水量增加，有利于旱地麥田休閑期土壤貯水和產(chǎn)量提高［22-25］，溫度和降水量增加的情況下，小麥產(chǎn)量和生物量增加。張紅衛(wèi)等［26］采用實(shí)地實(shí)驗(yàn)研究表明，充足的土壤水分對(duì)小麥的蒸騰有促進(jìn)作用，可以促進(jìn)物質(zhì)的傳輸，并且可以使小麥葉片溫度降低；任新莊等［27］在隴中旱地春小麥產(chǎn)量對(duì)降水與溫度變化中利用AP?SIM模型研究表明，降水和溫度之間是負(fù)作用效應(yīng)，由于降水對(duì)產(chǎn)量的正效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度對(duì)小麥產(chǎn)量和生物量的負(fù)效應(yīng)，所以春小麥呈現(xiàn)增產(chǎn)；對(duì)于施氮和降水之間正交互效應(yīng)，降水對(duì)小麥產(chǎn)量和生物量的正效應(yīng)大于施氮對(duì)小麥產(chǎn)量和生物量的正效應(yīng)，降水和施氮量增加的情況下，小麥產(chǎn)量和生物量增加。有學(xué)者［28-29］通過(guò)采用大田試驗(yàn)方法，研究灌溉和施肥對(duì)半干旱地區(qū)春小麥產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)豐水和高肥是半干旱地區(qū)春小麥產(chǎn)量最高時(shí)的組合。茹曉雅等［30］在對(duì)不同降水年型下水氮調(diào)控對(duì)小麥產(chǎn)量中利用APSIM模型研究表明，水和施氮量?jī)烧咧g既相互協(xié)同又相互制約,水分不足時(shí)會(huì)限制氮肥的發(fā)揮，水分過(guò)多會(huì)降低氮肥淋洗。且氮對(duì)小麥的效應(yīng)大于溫度［7］，降水對(duì)小麥的效應(yīng)大于溫度和施氮量［27,31］，這與本研究的結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明，溫度、降水和施氮3個(gè)因素對(duì)春小麥產(chǎn)量和生物量的影響均顯著,但3 種因素對(duì)產(chǎn)量和生物量的影響程度卻有所不同,具體表現(xiàn)為:降水量＞施氮量＞溫度。

本研究還表明，灌漿期降水和施氮量不變的條件下，溫度升高小麥的籽粒干物質(zhì)減少，溫度每升高0.5 ℃，小麥的籽粒干物質(zhì)最小降幅為6.20%，最大降幅為18.30%，平均降幅為11.85%；李廣等［32］在基于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)中研究表明，溫度每升高1 ℃，春小麥產(chǎn)量最大降幅為14.92%，平均降幅為6.1%；張凱等［33］在溫度升高和降水減少對(duì)半干旱區(qū)春小麥生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的協(xié)同影響中研究表明，灌漿后期-乳熟期間，當(dāng)溫度增加1 ℃或2 ℃，產(chǎn)量將會(huì)減少30%左右。0 ℃、0.5 ℃、1 ℃小麥籽粒干物質(zhì)達(dá)到最大時(shí)，降水需增加20%，施氮均為220 kg?hm-2；溫度為1.5 ℃、2 ℃小麥籽粒干物質(zhì)達(dá)到最大時(shí)，降水均需增加20%，施氮均為110 kg?hm-2。高雪慧等［31］基于APSIM 模型模擬隴中旱地春小麥產(chǎn)量對(duì)播期、施氮和降水量變化的響應(yīng)中研究表明，產(chǎn)量達(dá)到最大時(shí)，干旱年降水量應(yīng)增加20%，施氮量為105 kg?hm-2；平水年降水量應(yīng)增加10%，施氮量為105 kg?hm-2；這與本研究結(jié)果基本一致，但是在籽粒干物質(zhì)隨溫度變化的幅度上還有一定的差異，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是定西地區(qū)的特殊性和試驗(yàn)設(shè)計(jì)的不同。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，0 ℃、0.5 ℃、1 ℃、1.5 ℃、2 ℃產(chǎn)量達(dá)到最優(yōu)時(shí)，降水量均應(yīng)增加20%，應(yīng)施氮156.2 kg?hm-2、149.6 kg?hm-2、131.56 kg?hm-2、110.0 kg?hm-2、107.8 kg?hm-2。這與前人的研究結(jié)果［34-35］基本一致，溫度升高下，降低施肥的分量和保持適當(dāng)?shù)慕邓梢詼p緩小麥產(chǎn)量的下降，得到較高的小麥產(chǎn)量。

本研究利用APSIM 模型可以增加試驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)和多因素協(xié)同處理的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行多年的情景研究，分析了溫度升高下，降水和施氮三因素與旱地春小麥產(chǎn)量和生物量之間的關(guān)系，灌漿期不同溫度下降水和施氮對(duì)籽粒干物質(zhì)的影響，得到不同溫度下最佳降水量和最佳施氮量，為春小麥應(yīng)對(duì)未來(lái)氣候變化提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論

利用2014—2018 年的實(shí)測(cè)值和模擬值驗(yàn)證了APSIM 模型在試驗(yàn)地區(qū)具有較好地適應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)模型能夠較好地模擬溫度、施氮和降水對(duì)春小麥產(chǎn)量和生物量的影響。具體影響順序?yàn)?降水＞施氮＞溫度。研究發(fā)現(xiàn)在未來(lái)天氣變化下，施氮量為122.11 kg?hm-2和129.06 kg?hm-2，產(chǎn)量和生物量的最優(yōu)值為2574.86 kg?hm-2和5777.39 kg?hm-2，溫度與水氮耦合的最優(yōu)方案，各個(gè)溫度下產(chǎn)量達(dá)到最優(yōu)時(shí)，降水量均應(yīng)增加20%，應(yīng)施氮156.2 kg?hm-2、149.6 kg?hm-2、131.56 kg?hm-2、110.0 kg?hm-2、107.8 kg?hm-2。合理的水氮協(xié)同能夠減緩溫度升高對(duì)產(chǎn)量的負(fù)效應(yīng)，可以為水肥協(xié)同應(yīng)對(duì)未來(lái)溫度升高下旱地春小麥生產(chǎn)提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。