基于WOFOST模型的東北地區春小麥水分平衡模擬與驗證

張鐵楠, 許為政, 魏 湜, 顧萬榮, 賀 丹, 蘆玉雙, 錢 誠, 陳 琦, 李 晶

(1.東北農業大學 農學院, 哈爾濱150030; 2.大慶市農業委員會, 黑龍江 大慶 163000;3.黑龍江省農業技術推廣站, 哈爾濱150030; 4.黑龍江省農業科學院綏化分院, 黑龍江 綏化 152000)

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基于WOFOST模型的東北地區春小麥水分平衡模擬與驗證

張鐵楠1,2, 許為政3, 魏 湜1, 顧萬榮1, 賀 丹1, 蘆玉雙3, 錢 誠4, 陳 琦4, 李 晶1

(1.東北農業大學 農學院, 哈爾濱150030; 2.大慶市農業委員會, 黑龍江 大慶 163000;3.黑龍江省農業技術推廣站, 哈爾濱150030; 4.黑龍江省農業科學院綏化分院, 黑龍江 綏化 152000)

對WOFOST模型進行了本地化參數校正，并對輸入模型的參數進行了敏感性分析，選取出對結果影響較大的幾個參數進行調整，建立相應的模型運行數據庫，對東北春麥區具有代表性的哈爾濱、綏化、嫩江、呼瑪和牙克石地區2012年、2013年春小麥生育期內土壤水分含量情況進行了模擬及精度分析，最終評價WOFOST模型在東北地區春小麥生長過程中水分平衡模擬的適應性及準確性。結果表明：WOFOST模型對2012年、2013年各地春小麥生育期內土壤水分含量變化模擬值與實測值的絕對平均誤差為2.43%～8.75%，均方根誤差RMSE為6.75%～13.75%，模擬性能指數EF為-0.844～0.245，殘差聚集指數CRM為-0.272～0.084，一致性系數IoA為0.457～0.789，在可信區間內。從整體看，該模型對土壤水分含量的模擬具備一定的參考價值；同時利用校正后的模型對2012年、2013年各地春小麥作物蒸騰、土壤蒸發與作物需水量進行了模擬，實現了利用較少參數達到作物蒸騰與土壤蒸發分離的目的。

WOFOST模型; 東北地區; 春小麥; 參數調試; 土壤含水量; 模擬驗證

東北地區是中國緯度位置最北的區域，包括黑龍江、吉林、遼寧和內蒙古東部。該地區雨熱同季，屬溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風氣候，地勢平坦、土壤肥沃，以典型黑土、黑鈣土著稱，是中國重要的糧食生產地區。2012年東北三省(黑龍江、吉林和遼寧)糧食總產量達到11 175萬t，占全國糧食產量的18.95%[1]。該區為傳統雨養農業，氣候變化是影響春麥生產及產量的重要因子。長期以來，該區農業生產仍處于開放式經營模式，導致生產潛力尚未發揮其應有水平，缺少數字模擬技術對生產預測預警的應用研究。

WOFOST模型是在世界糧農組織FAQ的資助下，由荷蘭的瓦赫寧根大學de Wit教授在作物模型理論基礎上不斷完善開發而成的，是模擬特定的土壤和氣候條件下一年生作物生長的動態解釋性模型[2]。WOFOST模型的首次在3個非洲國家被應用[3]。秘魯的安第斯山脈地區應用該模型對灌溉和水分的保持進行了評價[4]，歐洲把它用于主要大田作物的潛在產量評估[5-6]。布基納法索的AGRISK工程中用其進行產量風險研究。在MARS工程[7-8]中，歐洲聯合研究中心把WOFOST作為產量預測的模型。開發應用后的30年間，我國多地區應用WOFOST模型進行模擬驗證試驗[9-10]，寒地作物生長模擬涉及水稻、小麥、玉米、大豆、甜菜、馬鈴薯等[11-13]。王光火，謝文霞[14]等人根據中國浙江具體情況對WOFOST 模型的部分參數進行了修改，對該地區的部分一年生作物進行了產量評估。于強等[15]運用WOFOST模型進行了小麥的水分處理試驗，用來評價該模型在華北平原的適用性。杜春英等[16]運用WOFOST模型對黑龍江省水稻產量動態預報進行研究，實現了WOFOST 模型在水稻產量動態預報業務中的應用。

本研究對WOFOST模型進行了本地化參數校正，并對輸入模型的參數進行了敏感性分析，選取出對結果影響較大的幾個參數進行調整，建立相應的模型運行數據庫，對東北春麥區具有代表性的哈爾濱、綏化、嫩江、呼瑪和牙克石地區2012年，2013年春小麥生育期內土壤水分含量情況進行了模擬及精度分析，最終評價WOFOST模型在東北地區春小麥生長過程中水分平衡模擬的適應性及準確性，以其能為政府決策部門進行農業生產宏觀調控提供理論依據，進而保障東北地區糧食生產的安全與穩定。

1　試驗設計與方法

1.1試驗區自然概況

試驗選擇東北春麥區5個具有代表性的監測地點(表1)，獲取2010—2013年春小麥生育期間田間自然狀態下作物數據及氣象數據。

表1　試驗監測點概況

1.2試驗材料與設計

試驗品種采用龍麥26，采用戊唑醇種衣劑拌種，基本保苗數600萬株/hm2，播深3～5 cm，播后鎮壓；應用除草劑封閉除草；施肥同普通大田水平，其他均為常規大田管理。

1.3數據觀測與方法

作物資料：2012年，2013年作物資料來自東北農業大學小麥栽培研究室及黑龍江其他各站點多年研究記錄數據。

氣象資料：2012年，2013年春小麥生育期內逐日氣象數據由中國農科院聯合清華大學、北京農業信息技術研究中心等機構聯合開發的“農業環境無線遠程實時監控系統”采集記錄。系統配有HAYASHI DENKO公司的Pt100空氣溫度傳感器和土壤溫度傳感器，Automata公司的AQUA-TEL-TDR空氣濕度傳感器和土壤濕度傳感器，還配有太陽輻射測定裝置及風向風速測定裝置，每10 min自動測定試驗地氣候狀況和土壤溫度、濕度變化情況及空氣溫度、濕度變化及太陽輻射情況等上傳至服務器。數據缺失部分由中國氣象科學數據共享服務網上的數據進行補充。試驗站的經度、緯度、海拔高度數據通過GPS測量。

土壤資料：本研究所用土壤參數除部分實測外，其余主要取自《中國土種志》[17]和《黑龍江土壤》[18]；土壤含水量采用“農業環境無線遠程實時監控系統”土壤濕度傳感器進行測定，每10 min測一次，計算每天土壤濕度平均值。

1.4WOFOST數據庫的建立與參數調試

氣象數據庫的建立：常規觀測數據包括2012年，2013年東北地區各檢測站點設備自動采集，人工整理的逐日最高溫度、最低溫度、日照時數、降水、平均風速和水汽壓等要素數據,建立模型可識別的氣象數據庫。

表2　各試驗地土壤理化性質

作物數據庫的建立：WOFOST模型作物模塊共計18個參數，其中7個默認參數：TSUMEN，TSUM1，TSUM2，TDWI，SLATB，SPAN，AMAXTB，11個需調參CLV，CVS，CVO 、CVR，RGRLAI(最大葉面積增長量)、KDIFTB(散射光消光系數)、EFFTB(單葉光利用效率)、RML，RMO，RMR，RMS，將參數輸入模型，建立作物數據庫。

土壤數據庫的建立：11個參數，8個需調參：SMTAB(土壤含水量)、SMW(凋萎系數)、SMFCF(田間持水量)、SMO(土壤飽和含水量)、CONTAB(土壤導水率)、KO(飽和土壤導水率)、RDI(初始扎根深度)、RDM(最大扎根深度)，3個默認參數：CRAIRC(土壤通氣臨界空氣含量)、SOPE(根層最大入滲速率)、KSUB(根層以下土壤最大入滲速率)，參數輸入模型，建立土壤數據庫。

準確的參數是模擬結果準確和穩定的前提，需根據歷史資料，需要根據實際情況對作物參數進行調整。

1.5檢驗模型有效性的方法和指標

為評價各項模擬值與實測值之間的差距和模擬效果，選擇以下參數進行評價:線性回歸方程R2，平均相對誤差(AE)、相對平均誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)、模擬性能指數(EF)、殘差聚集系數(CRM)、一致性系數(IoA)。計算公式如下:[19-21]

R2越接近1，說明模擬值與實測值的相關性越好。AE，MAE越小，說明模型的模擬性越好。RMSE取值范圍≥0，越靠近0說明模擬效果越好。EF取值范圍≤1，取值越接近1表明模擬效果越好。CRM可為正值或負值，正值表示相對實測值偏高，負值表示相對實測值偏低。IoA越大，表示誤差越小，模型的預測性越好。

2　結果與分析

運用調試后的WOFOST模型對哈爾濱、綏化、嫩江、呼瑪、牙克石等地2012年，2013年的春小麥生育期內土壤水分含量變化進行模擬，結合當時實測的試驗數據，對比分析模型對水分平衡模擬結果的有效性，同時對小麥生育期內作物需水量、作物蒸騰量、土壤蒸發量進行模擬，最終評價WOFOST模型對東北地區春小麥水分平衡模擬的適用性。

2.1土壤含水量模擬結果及精度分析

運用WOFOST模型對2012年、2013年哈爾濱、綏化、嫩江、呼瑪、牙克石等地的春小麥生育期內土壤水分含量進行模擬，與小麥苗情檢測系統的土壤濕度的實測值進行對比分析，如圖1所示。

從圖1中對土壤水分含量的模擬值與實測值的對比可以看出，WOFOST模型基本能反映出小麥生育期內土壤含水量整體變化趨勢，模擬值與實測值之間的誤差在允許范圍之內，土壤濕度的模擬值整體低于實測值。

圖1　2012-2013年各地春麥生育期內土壤體積含水量實測值與模擬值

表3　WOFOST模型對土壤水分含水量模擬結果精度分析

從表3中可以看出，WOFOST模型對2012年，2013年各地春小麥生育期內土壤水分含量變化模擬值與實測值的絕對平均誤差在2.43%～8.75%，RMSE在6.75%～13.75%，EF在-0.844～0.245，CRM在-0.272～0.084，IoA在0.457～0.789，在可信區間內。從整體看，該模型對土壤水分含量的模擬具備一定的參考價值。

2.2生育期內作物需水量、作物蒸騰量、土壤蒸發量的模擬

運用WOFOST模型對各地春小麥生育期內作物需水量、作物蒸騰量、土壤蒸發量進行模擬，作物蒸散及區分作物蒸騰與土壤蒸發量的準確模擬，是預測生物量的關鍵。在生物量模擬達到一定準確度的前提下，作物蒸騰與土壤蒸發的模擬結果具有一定的可信度。2012年和2013年黑龍江各監測站點的生育期內土壤蒸發、作物蒸騰、作物需水量模擬結果如圖2所示。

從 圖2 中可以看出在作物生長發育前期，土壤中的水分消耗主要以土壤水分蒸發為主，原因是由于生長發育前期植株剛出苗，對地面的覆蓋度較小，土壤直接接受太陽直照及風力侵蝕，土壤水分蒸發較快，哈爾濱、綏化、嫩江、呼瑪、牙克石各站點日平均土壤蒸發量分別為為1.8，1.81，1.99，1.96，2.62 mm/d，出苗后，隨著植株逐漸長大，對地面的覆蓋率逐漸增大，減少太陽直接照射和阻擋風力，植株對地面起到冠層覆蓋作用，使土壤水分蒸發強度逐漸下降，出苗到成熟期日平均土壤蒸發量分別為0.98，0.73，0.94，0.88，0.69 mm/d。

作物蒸騰量在整個生育期的變化曲線均呈脈沖狀，主要是不同天氣和氣象條件影響的結果。每次降雨后的晴天，日蒸騰量和蒸騰速率有明顯的上升趨勢，而后依次減少。從出苗到成熟的生長季節中，小麥的蒸騰量隨時間的推移發生明顯的變化。一般趨勢是苗期較低,拔節后逐漸上升，明顯高于苗期，抽穗到灌漿期蒸騰量繼續上升，達到高峰階段，日平均蒸騰量為4.32 mm/d，灌漿以后逐漸下降。經過模擬所得，各個站點生育期內日平均作物蒸騰量分別為2.75，3.24，3.2，3.08，2.72 mm/d。

因降雨、溫度等因素的綜合影響，作物需水量曲線在生育期內波動幅度較為頻繁，生育期內作物日平均需水量的模擬結果分別為3.74，3.98，4.16，3.96，3.41 mm/d。

從總體來看，在春小麥整個生育期內，隨著春小麥冠層覆蓋度的日益增大，土壤蒸發量下降幅度增大，在此后一段時間內，土壤蒸發量變化波動較小，但遇到強降雨之后的土壤蒸發量依然變化強烈，生育末期由于植株葉片衰老，地面覆蓋度減小，土壤水分蒸發較為活躍。受葉片衰老與溫度的影響，作物需水量、作物蒸騰和土壤蒸發三者在成熟期末整體均呈下降趨勢。通過模型的模擬，哈爾濱、綏化、嫩江、呼瑪、牙克石各站點生育期內每日的土壤蒸發量變化區間為0.85～2.95，0.15～3.9，0.15～3.8，0.1～4.1，0.15～3.15 mm/d；每日的作物蒸騰量變化區間為0.25～5.7，0.5～6.05，0.15～6.95，0.25～5.9，0.15～6.15 mm/d；每日的作物需水量變化區間為0.95～6.85，1.15～6.85，0.95～7.1，1.1～6.7，0.55～6.4 mm/d。

3　結論與討論

3.1結 論

本研究采用模型模擬和田間試驗相結合的方法，利用整理好的各地氣象數據、土壤數據和生育期內各種作物觀測資料，對WOFOST模型進行參數校準，利用本地化調參后的WOFOST模型對黑龍江哈爾濱、綏化、嫩江、呼瑪和內蒙古牙克石地區五個地點春小麥生育期內土壤含水量變化過程進行模擬，研究結果表明，模擬結果與實測結果較為接近，各參數指標誤差均在可信區間，說明WOFOST模型可用于區域范圍內土壤含水量變化的研究，對農業水分利用和預測方面具有一定的參考價值；同時通過對各地春小麥作物蒸騰、土壤蒸發與作物需水量進行了模擬，實現了利用較少參數達到作物蒸騰與土壤蒸發分離的目的。

圖2　2012年、2013年各地春麥生育期內土壤蒸發、作物蒸騰、作物需水量模擬

3.2討 論

WOFOST模型中，與作物生長發育相關的參數有數十個，加之模型參數之間的相關性，對全部的參數一一進行校正，其工作量巨大，且是不現實的[22]。因此，需要針對其中較為重要的一部分參數進行調整。首先需要根據研究目的，對各主要參數進行敏感性分析，選取出對結果影響較大的幾個參數，經檢驗WOFOST模型最終的模擬結果以及過程最大值對AMAXTB2，CVO，CVS，KDIFTB，Q10，SPAN，TSUM1和TSUM2這幾個參數的敏感性都較強，均超過了1%，最高的SPAN甚至達到了223.35%，因此需要根據資料，對這些參數進行調整。杜春英等[19]運用WOFOST模型在黑龍江對水稻產量預報進行研究，結果表明水稻單產的擬合準確率最大值為100%，最小值為84%，平均值為94.3%，產量預測的精度與本研究運用WOFOST模擬春小麥產量的精度基本一致，模擬結果較為可靠，但還有提升的空間，需要對此模型進行進一步的參數調整及驗證工作，增強模型在本地模擬的穩定性及準確性。

總體來說，經過校正的WOFOST模型在東北地區春小麥的生產中水分平衡的模擬具有較強的準確性及適應性，可以用于指導東北地區春小麥的生產，具有一定的參考價值。

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Simulation and Verification of Spring Wheat Water Balance in Northeast Region Based on WOFOST Model

ZHANG Tienan1,2, XU Weizheng3, WEI Shi1, GU Wanrong1, HE Dan1,LU Yushuang3, QIAN Cheng4, CHEN Qi4, LI Jing1

(1.College of Agriculture, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China;2.CommissionofAgricultureofDaqingCity,Daqing，Heilongjiang163000,China; 3.HeilongjiangProvinceStationforPopularizingAgriculturalTechniques,Harbin150030,China; 4.BranchofSuihuaAcademyofAgriculturalSciencesofHeilongjiangProvince,Suihua，Heilongjiang152000,China)

This research has carried on the localization parameter calibration in WOFOST model, and carried the sensitivity analysis of the input relevant parameters. Then several parameters were picked out which had significant influence on result and made different adjustment scheme. A corresponding model was setted up to run database to simulate spring wheat growth and soil moisture content conditions in Harbin, Suihua, Nenjiang, Huma and Yakeshi area in 2012, 2013. Then the measured values were compared with the simulation values. Finally, the WOFOST model′s adaptability and accuracy of spring wheat in the process of water balance growth in northeast area was evaluated. The results showed that for 2012 and 2013, absolute error of between the soil moisture content simulated by WOFOST model and the measured values ranged from 2.43% to 8.75% on average, RMSE was between 6.75% to 13.75%, EF was between -0.844 to 0.245, CRM was between -0.272 to 0.084, IoA was between 0.457 to 0.789 that was in the confidence interval. On the whole, the model simulation of soil water content had a certain reference value. The calibrated model was used to simulate the spring wheat soil evaporation and crop transpiration and crop water requirement in 2012, 2013. It can be achieved the purpose of using the fewer parameters for soil evaporation and crop transpiration separation.

WOFOST model; northeast area; spring wheat; parameter adjustment; soil moisture content; simulation and verification

2014-08-21

2014-10-10

公益性行業(農業)科研專項(200903010);黑龍江省博士后基金資助項目(LBH-Z10253);東北農業大學博士科研資助項目(2010RCB20)

張鐵楠(1989—),男,黑龍江省大慶市人，碩士,從事作物高產栽培研究。E-mail:15846000034@163.com

李晶(1977—),女,黑龍江省哈爾濱市人，博士,副教授,從事作物高產栽培研究。E-mail:jingli1027@163.com

S512.1+2

A

1005-3409(2015)04-0045-07