基于DSSAT模型的河南省小麥生產潛力定量模擬與分析

李國強，陳丹丹，張建濤，馮 曉，任德超，鄭國清

(1.河南省農業科學院農業經濟與信息研究所，河南鄭州 450002； 2.商丘市農林科學院，河南商丘 476000)

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基于DSSAT模型的河南省小麥生產潛力定量模擬與分析

李國強1，陳丹丹1，張建濤1，馮 曉1，任德超2，鄭國清1

(1.河南省農業科學院農業經濟與信息研究所，河南鄭州 450002； 2.商丘市農林科學院，河南商丘 476000)

摘要：為定量評估氣候變化背景下河南省小麥生產潛力和增產空間的變化特征，應用DSSAT模型估算了河南省15個生態點連續50年(1963-2012年)的冬小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力，并分析了生產潛力的分布規律。結果表明，河南省小麥光溫生產潛力為8 350～9 996 kg·hm-2，總體呈現北高南低、東高西低的趨勢，而氣候生產潛力為2 590～7 943 kg·hm-2，總體呈現南高北低的趨勢。河南大部分麥區光溫生產潛力變化范圍為9 173～9 446 kg·hm-2，約占全省小麥總面積的43.5%。光溫生產潛力高于9 447 kg·hm-2的地區主要分布在豫北麥區(安陽、新鄉西北部)及豫中麥區(許昌、西華)，約占全省小麥總面積的33.6%。河南省大部分麥區氣候生產潛力變化范圍為4 375～7 050 kg·hm-2，約占全省小麥總面積的59.5%。河南省15個地點的水分滿足率為28%～91%，大部分地區水分滿足率不到60%；河南小麥灌溉增產潛力變化范圍為723～6 573 kg·hm-2，其中三門峽、鄭州、開封、商丘等地以北地區的灌溉增產潛力在4 623 kg·hm-2以上，約占全省小麥總面積的49.4%，而駐馬店以南及信陽地區的灌溉增產潛力低于2 673 kg·hm-2，約占全省小麥總面積的17.5%。

關鍵詞：小麥；DSSAT；生產潛力；時空分布

河南省是我國小麥主產區，常年播種面積在530萬hm2以上，約占全國小麥面積的1/6，總產量突破3 000萬t。河南也是我國小麥商品糧生產基地，每年輸出原糧和制成品150億kg[1]。因此，研究河南省小麥生產潛力、高產區域分布及增產潛力，對優化河南省小麥種植布局、促進河南小麥的可持續發展、提高河南省小麥生產水平、確保國家糧食安全、增加農民收入具有重要的戰略意義。長期以來，許多學者從全國或者局部區域尺度，對區域整體或者個別作物類型的生產潛力進行了分析。涉及到的分析方法主要有逐級遞減機制法、農業生態區劃法和作物模型法。其中，逐級遞減機制法模型又叫潛力衰減法、環境因子逐段訂正模型，即通過對光合生產潛力→光溫生產潛力→氣候生產潛力→土地生產潛力幾個階段的逐步訂正來計算。該模型簡單易行，適合大范圍區域，計算結果更接近于實際。馬新明等[2]、余強毅等[3]和韓偉鋒等[4]采用機制法研究了河南省小麥光合、光溫、氣候、土地等自然生產潛力。在逐級遞減的計算過程中，不同學者對各階段的修正不盡相同。農業生態區劃法(agro-ecological zoning，AEZ)模型是目前世界上應用范圍最廣的一個農業生產潛力評估模型，屬機制法范疇。AEZ是在傳統機制法的基礎上，通過逐級對影響作物產量形成的光、溫、水、土等因素進行修正[5]，估算作物生產潛力的方法。該方法由于對標準化作物生長模型進行了環境要素的修正和匹配，因此適合于進行區域、國家和全球尺度上的作物生產力評估[6]；該方法思路嚴謹，其結果能夠較好地反映地區作物生產潛力的多年平均狀況。王學強等[7]采用AEZ模型對河南省小麥的光溫生產潛力、氣候生產潛力進行了估算。作物模型法是應用作物生長模型估算作物的光溫和氣候生產潛力。作物模型以作物生理生態原理為基礎[8-9]，定量描述“作物-土壤-氣候”系統中光、溫、水存在狀況(包括極端狀態)對作物生長發育的影響[10]。利用多年逐日氣象資料，作物模型可覆蓋各種類型的氣候年型，取得不同氣候年型下的作物產量潛力。李 軍等[11]、居 煇等[12]和姜志偉等[13]利用DSSAT模型分別模擬了黃土高原地區、北方旱區和洛陽市小麥的光溫和氣候生產潛力。在機制法應用過程中，基于研究角度、公式參數取值的不同，光合生產潛力、作物光溫生產潛力、作物溫水生產潛力等作物生產潛力估算公式間的估值差異過大[14]。此外，公式概算法通常多考慮光、溫、水等環境因素，較少涉及作物生長發育機理，忽略了產量潛力形成的主體作物本身[11]。為此，本研究首先驗證DSSAT模型在河南省的適用性，然后模擬河南省15個生態點連續50年(1963-2012)的光溫和氣候生產潛力，分析不同地區冬小麥增產潛力及限制因素，以期為河南省合理利用自然資源、充分挖掘冬小麥生產能力、指導農業生產提供參考。

1材料與方法

1.1研究站點及基礎數據

1.1.1氣象數據

本研究氣象數據來自中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.nmic.cn/home.do)提供的河南省1963-2012年連續50年間逐日氣象數據，包括逐日降雨量、日最高氣溫和日最低氣溫、日照時數、太陽輻射量等。模型運行所需的最小數據集包括SRAD(逐日太陽輻射量)、TMAX(逐日最高氣溫)、TMIN(逐日最低氣溫)以及RAIN(逐日降水量)。后三者可經過簡單處理直接使用，逐日太陽輻射量根據國際上公認的Angstron(埃斯屈朗)經驗公式計算：

式中，Q為太陽總輻射(MJ·m-2)；Q0為天文輻射，即晴天太陽輻射量(MJ·m-2)；a、b為經驗系數，與大氣質量狀況有關，河南省屬溫帶地區，根據FAO推薦，取a=0.25，b=0.50；n為逐日太陽日照時數(h)；N為逐日可照時數，即最大時長(h)。I0為太陽常數，I0=1.367W·m-2； ω為地球自轉速率，7.292×10-5弧度·s-1； ωs=ω t0為日出時角，其中t0為日出至正午或正午至日沒的時間； δ為太陽赤緯； φ為地理緯度；p為日地平均距離。

1.1.2土壤數據

CERES-Wheat模型所需輸入的土壤信息包括土壤類型和土壤剖面特征，即土壤名稱、顏色、農田坡度、礦化度，各層土壤質地(黏粒、粉粒、砂粒百分比)、土壤容重、田間持水量、凋萎系數、飽和含水量、有機碳含量、全氮含量、pH值等。部分物理特性參數(土壤容重、全氮含量、pH值)參考中國土壤數據庫網站中國土種數據庫(新)，其他參數取自1∶100萬中國土壤屬性數據庫及《中國土種志》[15]，其中有機碳通過有機質乘以0.58換算系數得到[16]。

1.1.3田間試驗數據

以豫麥34為研究對象，收集整理鄭州、商丘、駐馬店、中牟4個地點的6個田間試驗數據(表1)。

表1　田間試驗數據來源

1.2冬小麥品種參數調試與模型檢驗

利用DSSAT中的GLUE參數估計模塊，并結合“試錯法”，對豫麥34小麥遺傳參數進行率定，以試驗1的數據為依據進行參數調試。

以試驗2、試驗3、試驗4、試驗5和試驗6數據對模型參數進行驗證。首先通過模型模擬結果和實測值的圖形直觀比較，對模型進行定性的總體評價。其后采用均方根誤差(RMSE)和歸一化均方根差(normalized root mean square error，NRMSE)來度量模擬值與實測值的相對差異程度。

1.3不同生態點冬小麥生產潛力模擬

根據河南省地理位置及生態氣候類型的不同，在全省N31°23′至N36°22′之間選擇15個代表性的縣(市)作為試驗點。不同地點播期數據(表2)來源于河南省氣候中心1981-2010年冬小麥播種期的平均值[23]。應用DSSAT模型估算河南省15個地點的冬小麥光溫生產潛力和光溫水生產潛力，然后計算水分滿足率和灌溉增產潛力。水分滿足率表示雨養條件下降水滿足作物需水的程度，即氣候生產潛力CPP與光溫生產潛力LTPP的比值。灌溉增產潛力表示通過灌溉措施可獲得的增產潛力，即光溫生產潛力與氣候生產潛力的差值。

表2　河南省不同生態站點冬小麥播種日期

2結果與分析

2.1模型參數調試及模型驗證

調試后品種參數見表3。豫麥34驗證試驗的產量、每平方米粒數和千粒重的RMSE分別為595.8 kg·hm-2、2 162粒和2.8 g，NRMSE分別為7.5%、11.8%和6.3%，表明產量模擬結果和實測值的一致性較好，品種參數能夠較準確地反映作物品種的主要遺傳特征，可用于作物生產潛力模擬研究。

表3　小麥品種豫麥34調試后的遺傳參數值

P1V：春化敏感系數 Vernalization sensitivity coefficient；P1D：光周期敏感系數 Photoperiod sensitivity coefficient；P5：灌漿期特性系數 Thermal time from the onset of linear fill to maturity；G1：籽粒數特性系數Kernel number per unit canopy weight at anthesis；G2：標準籽粒重系數 Standard kernel weight under optimum conditions；G3：成熟期單株莖穗重系數Standard,non-stressed dry weight (total，including grain) of a single tiller at maturity；PHINT：出葉間隔特性參數Thermal time between the appearance of leaf tips

圖1　豫麥34驗證試驗產量模擬結果

2.2河南省冬小麥生產潛力時間變化特征

河南省的光溫生產潛力相對穩定(圖2)，為7 561～11 011 kg·hm-2，均值為9 285.5 kg·hm-2，標準偏差為759.8 kg·hm-2，變異系數為0.082。由5年滑動平均分析可知，在1969年、1983年和2002年有較明顯波谷，于1979年、1996年和2008年有較明顯的波峰。

圖中數據為15個站點光溫生產潛力的平均值

Data in figure were mean of light-temperature potential from 15 sites

圖2河南省冬小麥1963-2012年光溫生產潛力的變化

Fig.2Variation of light-temperature potential (LTPP) of

winter wheat in Henan province from 1963 to 2012

河南省的氣候生產潛力波動較大(圖3)，為3 262～7 832 kg·hm-2，均值為5 268.7 kg·hm-2，標準偏差為1 074.1 kg·hm-2，變異系數為0.204。從5年滑動平均曲線來看，在1975年和1983年有較明顯的波谷，而于1988年有較明顯的波峰。

2.3河南省冬小麥生產潛力分析及空間分布

2.3.1光溫生產潛力

由表4可知，15個地點在1963-2012年間光溫生產潛力最小值變化范圍為6 283～7 980 kg·hm-2，而最大值變化范圍為9 824～12 218 kg·hm-2，50年平均值為8 350～9 996 kg·hm-2。光溫生產潛力平均值較高的5個地點：許昌(9 996 kg·hm-2)>西華(9 790 kg·hm-2)>新鄉(9 748 kg·hm-2)>駐馬店(9 688 kg·hm-2)>安陽(9 639 kg·hm-2)；而平均值較低的5個地點：開封(8 989 kg·hm-2)>南陽(8 974 kg·hm-2)>信陽(8 737 kg·hm-2)>盧氏(8 433 kg·hm-2)>固始(8 350 kg·hm-2)。其標準差變化范圍為738～1 067.1 kg·hm-2，其中標準差較高的5個地點：安陽(1 067.1 kg·hm-2)>商丘(999.6 kg·hm-2)>新鄉(926.3 kg·hm-2)>西華(928.5 kg·hm-2)>許昌(915.3 kg·hm-2)；而標準差較低的5個地點為：南陽(853.0 kg·hm-2)>開封(847.6 kg·hm-2)>盧氏(845.0 kg·hm-2)>固始(834.6 kg·hm-2)>西峽(738 kg·hm-2)。

圖中數據為15個站點氣候生產潛力的均值

Data in figure were mean of climate potential productivity (CPP) from 15 sites

圖3河南省冬小麥1963-2012年氣候生產潛力變化

Fig.3Variation of climatic potential productivity(CPP) of

winter wheat in Henan province from 1963 to 2012

河南省光溫生產潛力總體呈現北高南低、東高西低的趨勢(圖4)。高于9 447 kg·hm-2的地區主要分布在安陽、新鄉西北部以及許昌、西華一帶，其面積約占全省小麥總面積的33.6%；低于9 172 kg·hm-2的地區主要分布在河南省南部和西部，其面積約占全省小麥總面積的22.9%。河南省光溫生產潛力主要位于9 173～9 446 kg·hm-2，該范圍的地區面積占全省小麥總面積的43.5%。

表4　河南省15個地點冬小麥光溫生產潛力(LTPP)與氣候生產潛力(CPP)的模擬結果統計

圖4　河南省冬小麥光溫生產潛力分布

圖5　河南省冬小麥氣候生產潛力分布

圖6　河南省冬小麥灌溉增產潛力分布圖

2.3.2氣候生產潛力

15個地點在1963-2012年間氣候生產潛力最小值變化范圍為1 149～5 171 kg·hm-2，而最大值變化范圍為6 261～11 160 kg·hm-2，50年平均值為2 590～7 943 kg·hm-2。氣候生產潛力平均值較高的5個地點：信陽(7 943 kg·hm-2)>固始(7 627 kg·hm-2)>駐馬店(7 492 kg·hm-2)>西峽(6 773 kg·hm-2)>西華(6 565 kg·hm-2)；而平均值較低的5個地點：新鄉(4 155 kg·hm-2)>三門峽(3 873 kg·hm-2)>安陽(3 445 kg·hm-2)>開封(3 326 kg·hm-2)>商丘(2 910 kg·hm-2)。標準差的變化范圍為213～1 806 kg·hm-2，其中標準差較高的5個地點：駐馬店(1 806 kg·hm-2)>許昌(1 758 kg·hm-2)>西峽(1 755 kg·hm-2)>西華(1 607 kg·hm-2)>商丘(1 541 kg·hm-2)；而標準差較低的5個地點為盧氏(1 212 kg·hm-2)>新鄉(1 146 kg·hm-2)>信陽(1 144 kg·hm-2)>三門峽(1 000 kg·hm-2)>固始(213 kg·hm-2)。

由圖5可知，河南省氣候生產潛力的空間分布南北差異較明顯，總體呈現南高北低的分布規律。高于7 051 kg·hm-2的主要分布在信陽、固始、駐馬店一帶，其面積約占全省小麥總面積的12.1%；低于4 374 kg·hm-2的主要分布在安陽及其東北部，約占全省小麥總面積的28.4%；4 375～5 266 kg·hm-2的地區面積占全省小麥總面積的17.9%；5 267～6 158 kg·hm-2的地區面積占全省小麥總面積的25.8%，6 159～7 050 kg·hm-2的地區面積占全省小麥總面積的15.8%。

2.4河南省冬小麥灌溉增產潛力分析

由表5可知，15個地點的水分滿足率在28%～91%之間，其中低于50%的有6個地點，分別為安陽、新鄉、鄭州、開封、商丘和三門峽；而水分滿足率高于90%的有2個地點，為信陽和固始。由圖6可見，灌溉增產潛力較低的地區位于為河南省南部地區，約占全省小麥總面積的17.5%，由于該地區常年雨量充沛，基本能滿足小麥的生長對水分的需求；三門峽、鄭州、開封、商丘等地以北地區的灌溉增產潛力在4 623 kg·hm-2以上，其面積約占全省小麥總面積的49.4%。在盧氏、欒川、許昌和西華等地的灌溉增產潛力在2 674～3 648 kg·hm-2，其面積占全省小麥總面積的11.8%，而南陽盆地、駐馬店大部分地市的灌溉增產潛力在3 649～4 622 kg·hm-2，其面積占全省小麥總面積的21.3%。

3討 論

對作物生產潛力進行分析和評價是確定作物區域優勢的基礎，需要明確的評價指標體系、正確的模型方法和適度的宏觀性[24]。利用不同估算方法計算出的光溫和氣候生產潛力有較大差異。利用農業生態區劃法[7]估算的河南省冬小麥光溫和氣候生產潛力分別為14 135.1～15 519.4 kg·hm-2和7 655.8～14 792.5 kg·hm-2，而利用逐級遞減的機制法模型估算的河南省冬小麥光溫和氣候生產潛力分別為11 501～15 774 kg·hm-2和8 262～15 349 kg·hm-2。利用作物生長模型WOFOST估算[25]的華北地區冬小麥光溫和氣候生產潛力分別為6 160～13 730 kg·hm-2和1 890～6 680 kg·hm-2。利用DSSAT模型[11]估算的黃土高原光溫和氣候生產潛力分別為7 970～8 647 kg·hm-2和2 219～7 545 kg·hm-2。姜志偉等[13]利用DSSAT估算的洛陽冬小麥光溫和氣候生產潛力分別為7 571～10 965 kg·hm-2和3 957～7 450 kg·hm-2。本研究估算范圍與李 軍等[11]和姜志偉等[13]的研究結果基本一致。在本研究中，利用作物生長模型CERES-Wheat估算的河南省冬小麥光溫和氣候生產潛力分別為8 350～9 996 kg·hm-2和2 590～7 940 kg·hm-2。可知，作物生長模型CERES-Wheat估算的光溫生產潛力和氣候生產潛力比農業生態區劃法和機制法估算的數值低，與WOFOST模型估算值接近。其原因是由于機制法未考慮作物本身的生長發育機理，只是一種光、熱、水資源的生產承載力[11]。

田燕等[26]研究發現，河南省小麥光溫生產潛力和氣候生產潛力的空間分布具有明顯的南北緯度地帶漸變性規律，總體來說，北部光溫生產潛力高于南部，新鄉、濮陽、鄭州、商丘、許昌等市的小麥光溫生產潛力較高，淮南地區較低，而氣候生產潛力值南部高于北部，淮南地區最高。馬新明等[27]研究表明，河南省冬小麥光溫生產潛力在東北部、中部以及南部較大，西部山區潛力值最小，而氣候生產潛力是南部較高，東部、中部的部分縣市以及西部較低；本研究中，河南省光溫生產潛力總體呈現北高南低、東高西低的趨勢，而氣候生產潛力總體呈現南高北低的趨勢，與田燕等[26]和馬新明等[27]的研究結果基本一致。南部光溫生產潛力偏低的原因是由于此地帶陰雨天氣偏多，光照以及溫度都不能充分滿足小麥生長需求，西部地區生產潛力值偏低的原因是由于該地區多山地，海拔較高，積溫條件不能滿足所致。

在本研究中，光溫生產潛力高于9 447 kg·hm-2地區的主要分布在豫北麥區(安陽、新鄉西北部)以及豫中麥區(許昌、西華一帶)，約占全省小麥種植面積的33.6%，其中許昌、西華、新鄉、駐馬店和安陽位于河南前5位。低于9 172 kg·hm-2的地區主要分布在河南省南部(信陽和固始)和西部(盧氏)，約占全省小麥種植面積的22.9%，其中開封、南陽、信陽、盧氏和固始位于河南后5位。河南大部分麥區光溫生產潛力位于9 173～9 446 kg·hm-2范圍，其面積約占全省小麥種植面積的43.5%；氣候生產潛力高于7 051 kg·hm-2的地區主要分布在信陽、固始、駐馬店一帶，約占總面積的12.1%，其中信陽、固始、駐馬店、西峽和西華位于河南前5位。低于4 374 kg·hm-2的地區主要分布在豫北麥區(安陽及其東北部)，約占全省小麥種植面積的28.4%，其中新鄉、三門峽、安陽、開封、商丘位于河南后5位。河南省大部分麥區氣候生產潛力位于4 375～7 050 kg·hm-2范圍，其面積約占全省小麥種植面積的59.5%。

水分滿足率為生育期耗水量與需水量之比，用于定量評價作物水分滿足狀況。河南省15個地點的水分滿足率變化范圍為28%～91%，其中水分滿足率高于90%的僅有信陽和固始，河南大部分地點水分滿足率不到60%。從灌溉增產潛力來看，增產潛力較大的地區位于安陽、商丘及其東北部地區以及鄭州及其西部等地，灌溉增產潛力在4 623 kg·hm-2以上，其面積約占全省小麥種植面積的49.4%，而增產潛力較低的地區位于為河南南部地區，灌溉增產潛力低于2 673 kg·hm-2，其面積約占全省小麥種植面積的17.5%。馬志紅等[28]研究發現，河南省冬小麥灌溉需水量等值線基本上呈緯向分布，自南向北逐漸增大。本研究的灌溉增產潛力分布趨勢與馬志紅等的研究結果基本一致。綜上所述，生育期水分虧缺是影響河南大部分地點冬小麥生產發展的主要障礙，建立今后以消除或減緩水分限制作用為主攻方向，通過調整種植結構和應用高效節水農業技術，提高水資源利用效率。

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Quantitative Simulation and Analysis of Winter Wheat Production Potential in Henan Province

LI Guoqiang1,CHEN Dandan1,ZHANG Jiantao1,FENG Xiao1,REN Dechao2,ZHENG Guoqing1

(1.Agricultural Economy & Information Research Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou,Henan 450002,China; 2.Shangqiu Research Institute of Agricultural Science,Shangqiu,Henan 476000,China)

Abstract:Henan province is a major production area of winter wheat. To quantitatively evaluate the variation characteristics of wheat production potential and yield-increasing potential in Henan province under climate change,DSSAT model was employed to estimate light-temperature potential productivity (LTPP) and climatic potential productivity (CPP) of wheat based on meteorological data and wheat growth data at 15 sites of Henen province during 1963-2012. The distribution of LTPP and CPP then was analyzed. The result showed that LTPP of wheat was between 8 350 and 9 996 kg·hm-2,the distribution of which was lower in the southern and western regions but higher in the northern and eastern regions. CPP of wheat was between 2 590 and 7 943 kg·hm-2,the distribution of which was lower in the northern regions but higher in the southern regions. LTPP in most regions were 9 173 kg·hm-2to 9 446 kg·hm-2,taking up nearly 43.5% of the Henan wheat-growing areas. Regions with higher than 9 447 kg·hm-2of LTPP were mostly in the north of Henan (e.g. the northwest of Anyang and Xinxiang),and in the center of Henan (e.g. Xuchang and Xihua),which account for 33.6% of Henan wheat-growing areas. CPP in most regions were 4 375 kg·hm-2to 7 050 kg·hm-2,accounting for nearly 59.5% of the Henan wheat-growing areas. Moisture requirement rate of 15 sites were 28% to 91%,which of most regions in Henan were lower than 60%. The yield increasing potential by irrigation (YIPI) were 723 kg·hm-2to 6 573 kg·hm-2. YIPI in the north of Sanmenxia,Zhengzhou,Kaifeng and Shangqiu were higher than 4 623 kg·hm-2,taking up 49.4% of Henan wheat-growing areas. YIPI in Xinyang and the north of Zhumadian were lower than 2 673 kg·hm-2,taking up 17.5% of Henan wheat-growing areas.

Key words:Wheat; DSSAT model; Potential productivity; Spatial-temporal distribution

中圖分類號：S512.1；S314

文獻標識碼：A

文章編號：1009-1041(2016)04-0507-09

通訊作者：鄭國清(E-mail:zgqzx@hnagri.org.cn)

基金項目：河南省農科院優秀青年基金項目(2013YQ23)；河南省財政預算項目(豫財貿[2012]39號)；河南省重大科技專項(121100110900)

收稿日期：2015-10-23修回日期：2015-11-29

網絡出版時間：2016-04-01

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160401.1534.034.html

第一作者E-mail：gqli@hnagri.org.cn(李國強和陳丹丹為共同第一作者)