基于APSIM的黃土丘陵區旱地小麥氣候適宜性評價*

聶志剛，任新莊，李 廣，董莉霞，馬維偉，唐 潔，劉小娥，羅永忠

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基于APSIM的黃土丘陵區旱地小麥氣候適宜性評價*

聶志剛1，任新莊2，李 廣3**，董莉霞1，馬維偉3，唐 潔1，劉小娥3，羅永忠3

（1.甘肅農業大學信息科學技術學院/甘肅農業大學資源與環境學院，蘭州 730070；2.甘肅農業大學農學院，蘭州 730070； 3.甘肅農業大學林學院，蘭州 730070）

為提高旱地小麥氣候適宜程度動態分析的能力，利用黃土丘陵典型區域定西1971-2005年逐日氣象資料及大田資料，建立小麥日氣候適宜度模型，計算各生長階段（營養生長階段、營養與生殖生長并進階段、生殖生長階段）及全生育期綜合氣候適宜度，確定氣候適宜性綜合評價標準。通過本土化APSIM（Agricultural Production System Simulator）平臺，模擬小麥逐日生物量，采用動態逼近誤差平方和方法，確定氣候適宜性診斷分析標準。通過等級百分比比較的方法，檢驗診斷分析標準，并定量、動態分析2002-2005年旱地小麥各生長階段及全生育期氣候適宜程度。結果表明，基于APSIM的診斷分析標準評價結果與基于綜合評價標準的結果相比，氣候適宜性等級相同和級差為1的占86%～90%；2002-2005年旱地小麥各生長階段及全生育期診斷分析結果均為較適宜，與研究區實際情況基本相符。該優化方法為旱地小麥氣候適宜性分析的動態跟蹤提供了一定技術支持。

APSIM；綜合評價；動態診斷；小麥；模擬

地處新絲路經濟帶甘肅段的定西是典型的黃土丘陵溝壑區域，生態環境屬干旱、半干旱過渡帶，農作物生長對氣候變化的敏感性較高[1]。小麥是該區域重要的糧食作物，其高效、優質、節約和環境友好性生產對經濟帶建設的推進具有戰略性的作用。然而，近20a的氣候變暖抑制了黃土丘陵區小麥的穩產與高效，因此，研究旱地小麥生長發育和產量形成對氣候變化的適宜程度，對有效的田間管理具有十分重要的意義[2-4]。近年來，國內有關學者因地制宜建立作物氣候適宜度模型，并對當地農作物氣候適宜程度進行了評價。李秀芬等[5]結合WOFOST開展了東北地區玉米的氣候適宜度評價，魏瑞江等[6]建立了河北省冬小麥氣候適宜度動態模型并對其氣候適宜程度進行了評價，侯英雨等[7]建立了東北地區春玉米氣候適宜度模型并開展應用，任玉玉等[8]對農作物氣候適宜度模型開展研究，并進行了河南省棉花的氣候適宜程度評價工作，代立芹等[9]基于河北省夏玉米氣候適宜度模型分析了氣候適宜度的變化特征。從農業生態系統的物質轉換角度來看，上述氣候適宜度模型以溫度、降水和光照等氣候因素為自變量，以產量為應變量，描述了氣候因素與產量之間的穩態性能，但是從能量流動原理考慮，模型對于作物生長發育和產量形成等動態過程的跟蹤和估算水平有待進一步提高[5,10]。

隨著智能計算和信息技術的快速發展，作物模擬模型作為一種系統分析方法，已成為農業生產定量分析的有效手段之一[4,11]。APSIM（Agricultural Production System Simulator）是由澳大利亞農業生產系統研究組（APSRU）1991年研制的農業生產系統模擬平臺，國內外學者利用APSIM在地域的適用性、氣候變化對作物的影響效應、水土保持評價以及水肥管理等領域取得了大量的研究成果[12-17]。本研究利用APSIM模型可逐日、定量、動態模擬作物生長過程的優勢，開展旱地小麥生長過程對氣候變化適宜程度的研究，探討APSIM在旱地小麥氣候適宜度評價中的應用效果，以期為旱地小麥氣候適宜性分析的動態跟蹤提供技術支持。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于甘肅省定西市安定區李家堡鄉甘肅農業大學旱農試驗站，為半干旱雨養農業典型區域，一年一熟制，春小麥是該區域種植面積較大的作物。大田試驗時間跨度2002-2005年，試驗區域地處甘肅省中部偏南，海拔2000m，屬中溫帶半干旱區；年平均氣溫6.4℃，年均≥0℃積溫2933.5℃·d，年均≥10℃積溫2239.1℃·d，年均太陽輻射592.9kJ×m-2，日照時數2476.6h，日照充足，溫差較大；無霜期140d；研究區域地勢平坦，無灌溉條件，多年平均降水量391.0mm，主要集中在7、8、9月，且多以暴雨形式出現，年蒸發量1531mm，干燥度2.53，80%保證率的降水量為365mm；試驗地土壤為黃綿土，土壤容重1.17g×cm-3，pH8.36，土壤有機質12.01g×kg-1，全氮0.76g×kg-1，全磷1.77g×kg-1[13-15]。

1.2 資料來源

研究區氣象站點設置在距試驗地西2km的定西縣李家堡試驗站，1971-2005年日均氣溫（℃）、日最高氣溫（℃）、日最低氣溫（℃）、日降水量（mm）和日照時數（h）等氣象數據來源于甘肅省氣象局歷史資料。

供試作物為定西35號春小麥，小麥生長過程中各項觀測資料來自甘肅省定西市安定區甘肅農業大學旱農試驗站2002-2005年田間實測數據。每年3月中旬播種，7月底收獲，小麥生育期共124d左右，依小麥產量形成過程，將其劃分為3個主要生長階段，即營養生長階段（3月19日-5月20日）、營養生長和生殖生長并進階段（分5月21日-6月20日），以及生殖生長階段（6月21日-7月21日）[18]。

1.3 評價方法與檢驗

1.3.1評價方法

首先，基于試驗站1971-2005年逐日氣象資料和大田資料，建立黃土丘陵區旱地小麥逐日氣候適宜度模型，計算各生長階段及全生育期綜合適宜度，確定氣候適宜性綜合評價標準。同時，通過本土化的APSIM模型，模擬小麥逐日生物量，采用動態逼近誤差平方和方法，確定氣候適宜性診斷分析標準。采用等級百分比比較的方法驗證基于綜合評價標準與診斷分析標準的小麥3個主要生長階段及全生育期的多年評價結果。

1.3.2 APSIM模型簡介

APSIM模擬平臺以研究區氣候和土壤資料為基本知識庫，以作物屬性模塊APSIM-Wheat為通用生長模擬框架[17]。模擬實驗中，APSIM平臺參數（表1和表2）[13]均源于李廣等在黃土丘陵溝壑區APSIM適用性研究中經過反復本土化修訂的參數，以d為單位，模擬1971-2005年小麥逐日生物量，模擬結果有較高精度[13]。

表1 用于APSIM模擬的研究區主要土壤屬性參數

Note: BD is bulk density, WC is wilting coefficient, DU is drainage upper limit, SM is saturated moisture, CA is coefficient of air-dry, CS is conductivity of soil water, LW is lower water limit of wheat.

表2 小麥模塊的初始參數值

1.3.3 旱地小麥綜合氣候適宜度模型

（1）根據李秀芬等[5, 19-21]的研究，結合研究區實際情況，建立旱地小麥日氣候適宜度模型分別為

（2）

（3）

（5）

（2）將某生長階段的逐日溫度、降水和光照適宜度求和并取算術平均值得到某生長階段溫度、降水和光照適宜度，進而建立旱地小麥綜合氣候適宜度模型，即

（7）

（8）

綜合氣候適宜度模型從氣候因素貢獻和生長時間權重兩方面衡量。采用5a滑動平均法，將春小麥產量進行趨勢產量和氣象產量分離，將春小麥各生長階段溫度、降水、光照適宜度設為自變量，氣象產量即為因變量，通過線性回歸計算，得到相關系數與通徑系數，計算三要素對氣象產量的貢獻率，并歸一化處理，得到貢獻效率系數如表3[24]；將各生長階段綜合氣候適宜度對氣象產量貢獻率進行歸一化處理，即得時間權重系數如表4[24]。

表3 旱地小麥各生長階段溫度、降水和光照適宜度貢獻效率系數

表4 旱地小麥全生育期氣候適宜度時間權重系數

2 結果與分析

2.1 旱地小麥氣候適宜性綜合評價標準

由綜合氣候適宜度模型式（7）和式（8），計算研究區近30a（1971-2005年）小麥各生長階段及全生育期多年平均綜合氣候適宜度，即黃土丘陵區旱地小麥3個主要生長階段及全生育期的氣候適宜性綜合評價指數。

根據國內外對農業氣候適宜性劃分標準的研究[25-26]，參照農業部門有關糧食作物產量的豐歉指標，即當年產量與前5a產量均值的距平百分率大于10%，為豐年，小于-10%為歉年[5]，以綜合評價指數為基準，初步設定旱地小麥綜合評價分級值，并將適宜程度劃分為4級評價標準。3表示非常適宜，高于綜合評價指數的120%；2表示較適宜，高于綜合評價指數但低于非常適宜標準；1表示基本適宜，低于綜合評價指數但高于綜合評價指數的80%；0表示不適宜，低于綜合評價指數的80%。根據上述數字化分級標準，建立黃土丘陵區旱地小麥氣候適宜性綜合評價標準（表5）。依據綜合評價標準計算綜合氣候適宜度，進而得到研究區第j年小麥各生長階段及全生育期的氣候適宜性綜合評價指標，用表示，取值分別為3（非常適宜）、2（較適宜）、1（基本適宜）以及0（不適宜），取值為1、2、3和4，分別表示營養生長階段、營養和生殖并進階段、生殖生長階段以及全生育期。

表5 黃土丘陵區旱地小麥氣候適宜性綜合評價標準

2.2 旱地小麥氣候適宜性診斷分析標準

黃土丘陵區旱地小麥氣候適宜性診斷分析標準確定辦法為：

（1）基于APSIM模型，模擬研究區1971-2005年小麥逐日地上生物量。

（2）以多年逐日模擬生物量為基礎，按滑動平均方法，計算第j年逐日生物量與前5a同日平均值的距平百分率，將逐日距平百分率按階段求平均值，得到第j年各生長階段及全生育期的距平百分率，記為。

（5）利用綜合氣候適宜度模型式（7）和式（8），基于旱地小麥氣候適宜性綜合評價標準（表5），計算近30a來研究區小麥各生長階段及全生育期氣候適宜性綜合評價指標（）；根據，已知多年、和的表達式，基于窮舉算法，利用VB.NET語言，目標函數（）最小時的X即為最適診斷分級值，計算得到X值為0.09。

由此得到黃土丘陵區旱地小麥氣候適宜性診斷分析標準，即當第j年各生長階段及全生育期的距平百分率＞0.18時氣候適宜性診斷分析指標為3（非常適宜），0.09＜≤0.18時為2（較適宜），-0.09≤≤0.09 時為1（基本適宜），＜-0.09時為0（不適宜）。

（10）

式中，j表示年份，i取值為1、2、3和4，分別表示營養生長階段、營養和生殖并進階段、生殖生長階段及全生育期。

診斷分析標準的建立，由小麥生長過程逐日生物量切入，以生物量與前5a平均值的距平百分率為氣候適宜性診斷分析指標確定依據，其本質是在分析小麥生長過程中生物量對氣候變化的適宜程度，而生物量是小麥生長發育和產量形成動態過程的重要衡量指標之一，所以診斷分析方法的估算，已不再是單純考慮氣候因素與產量的關系，而是關注到作物生長發育和產量形成的動態過程。其中，診斷分析指數（）的計算，采用逐日距平百分率階段性平均值的算法，主要是考慮到將綜合評價標準和診斷分析標準放在相同時間區間內，使目標函數（）的建立和診斷分級值X的計算有依據、可實現，況且實際大田耕作中也是有針對性地改善小麥各生長階段的適宜程度，所以，此算法盡管對第j年小麥生長過程的逐日動態跟蹤不利，但仍然具有一定實際意義，今后可在動態跟蹤方面進一步優化。

2.3 旱地小麥氣候適宜性診斷標準檢驗

基于綜合評價標準和診斷分析標準，計算研究區近30a（1971-2005年）的逐年各生長階段及全生育期的綜合評價指標（）和診斷分析指標（）。比較近30a來小麥各生長階段及全生育期氣候適宜性評價結果，如表6所示，利用APSIM進行的小麥氣候適宜性動態診斷，各生長階段及全生育期與評價結果等級相同的占51%～74%，等級相同和級差為1的占86%～90%。表明檢驗結果整體擬合度較好，但個別評價點等級相差大于2，結果差異明顯，這主要是由于多年逐日生物量是基于本土化APSIM平臺的模擬實驗獲得，增加了誤差來源。但總體來看，基于APSIM的診斷方法可用于小麥生長對氣候變化適宜程度的分析。

表6 多年綜合評價法()與診斷分析法()評價結果的比較（用百分比表示，%）

Table 6 Comparison of evaluation results between andfrom 1971 to 2005 (percent,%)

表6 多年綜合評價法()與診斷分析法()評價結果的比較（用百分比表示，%）

生長階段Growth stage等級相同Grade same相差1級±1 Grade相差2級±2 Grade相差大于2級>±2 Grade 營養生長階段Nutrition513577 并進階段Nutrition and reproduction632692 生殖生長階段Reproduction7416100 全生育期Whole growth stage721486

2.4 旱地小麥氣候適宜性診斷結果分析

利用APSIM平臺模擬2002-2005年小麥逐日生物量，進行旱地小麥氣候適宜性動態診斷分析。 結果顯示，2002-2005年小麥3個主要生長階段及全生育期內，氣候適宜性動態診斷結果均為較適宜（表7）。

表7 2002-2005年診斷分析法（）評價結果（適宜性等級）

Table 7 The evaluation results of from 2002 to 2005（suitability grade）

表7 2002-2005年診斷分析法（）評價結果（適宜性等級）

生長階段Growth stage2002200320042005 營養生長階段Nutrition2222 并進階段Nutrition and reproduction2222 生殖生長階段Reproduction2222 全生育期Whole growth stage2222

根據農業氣象部門監測公報（表8），2002-2005年定西地區小麥全生育期內，光照和溫度與歷年情況變化不大，光照充分，溫度波動較小，基本處于較適宜水平以上，能夠確保小麥正常生長需要。降水是影響小麥正常生長的主要因素[14]，2002、2004和2005年降水量分別為328.6、326.9和428.6mm，且集中在7-9月，為研究區典型降水量及分布狀況，降水適宜性基本保持在較適宜水平，滿足小麥生長發育；2003年降水量達到564.5mm，顯著高于其它年份，50%的降水分布在小麥收獲后(8-10月)，降水量為非典型性，但是降水季節分布具有典型的研究區氣候特征。根據2002-2005年田間試驗監測結果，營養生長階段平均氣溫（9.4、9.6、10.2、10.2℃）均在最適宜溫度以下，但未低于下限溫度，有效降水次數和降水總量均較少，營養生長階段內由于小麥植株較小，加之氣溫不高，所以較少的有效降水并不會對小麥生長造成大的影響，氣候條件仍較適宜小麥生長；并進生長階段平均氣溫（16.8、17.1、15.5、17.1℃）略低于最適溫度，有效降水次數和降水總量較少，但相比營養生長階段有所增加，氣候條件較適宜小麥生長；生殖生長階段平均氣溫（20.4、18.2、19.1、19.2℃）接近最適溫度，有效降水次數和降水總量相比前兩個階段有較大幅度增加，基本能滿足小麥在該階段的水分消耗，氣候條件較適宜小麥生長。2003年降水較多，但是該年小麥產量僅1645.4kg×hm?2，并非1971-2005年的最高值[14]，這主要是由于降水季節分布不合理，因此，該年小麥生長對氣候因素的適宜程度未達到非常適宜水平，為較適宜。

表8 2002-2005年定西地區氣象數據

綜上所述，2002-2005年基于APSIM的旱地小麥氣候適宜性診斷分析結果與農業氣象部門監測公報結果基本相符，說明基于APSIM的診斷分析標準可用于黃土丘陵地區旱地小麥的氣候適宜性評價。

3 結論與討論

（1）利用APSIM平臺模擬近30a（1971-2005年）小麥逐日生物量，采用動態逼近誤差平方和的方法，確定基于模擬量的旱地小麥氣候適宜性診斷分析標準，與基于實測氣象數據的旱地小麥綜合評價標準進行比較檢驗。結果表明，評價結果等級相同的占51%～74%，等級相同和級差為1的占86%～90%，說明基于APSIM的診斷分析方法可用于小麥生長對氣候變化適宜程度的分析，這與李秀芬等[5]基于WOFOST模型建立東北地區玉米氣候適宜性診斷分析方法的研究成果一致。盡管檢驗結果整體擬合度較好，但級差≥2的仍占10%～14%，這主要是由于田間數據的積累和獲取難度較大，降低了APSIM模型的本土化程度，而診斷分析標準的建立又依賴模擬數據，從而增加了誤差來源；加之由于APSIM模型未考慮極端氣候條件的模擬，并且診斷分析標準建立時，被跟蹤量僅有生物量，反映小麥生長動態過程存在局限性。今后將在氣象、田間數據積累的基礎上，進一步提高APSIM的模擬精度，并通過多因素跟蹤優化診斷分析標準，提高該方法的適用性。

（2）利用APSIM平臺模擬2002-2005年小麥逐日生物量，進行旱地小麥氣候適宜性動態診斷分析的結果表明，小麥全生育期內，光照和溫度與歷年情況較一致，光照充分，溫度波動較小，基本處于較適宜水平以上，能夠確保小麥正常生長需要，降水是影響小麥正常生長的主要氣候因素，這與李廣等[14]關于降水量分配對旱地小麥產量影響的研究結論一致。

（3）針對旱地小麥生長對氣候變化的適宜程度，通過基于實測氣象數據進行的綜合評價，同時采用本土化APSIM模擬數據進行的診斷分析的研究發現，前者從溫度、降水、光照適宜度出發，以產量為落腳點，通過滑動平均與線性回歸確定氣候三要素及生長時間對產量的權重系數，計算綜合氣候適宜度，進而確定綜合評價標準，該方法強調三因素與產量的直接聯系，描述了氣候因素與產量的穩態性能。后者通過逐日生物量的距平處理，采用動態逼近誤差平方和的方法，確定旱地小麥氣候適宜性診斷分析標準，該方法側重描述小麥生長過程中生物量隨氣候三要素的變化情況，其實質是生物量對氣候變化的適宜性分析，其中，診斷分析指數的計算，能夠反映被跟蹤量與前5a的動態比較結果，逐日距平百分率階段性平均值的算法，將綜合評價標準和診斷分析標準放在相同時間區間內進行比較，盡管不能實現小麥生長過程的逐日動態跟蹤，但實際大田管理目標也是階段性改善小麥生長的適宜程度，所以診斷分析方法仍然具有一定實際意義，今后將在動態跟蹤方面進一步優化。

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APSIM-based Evaluation of Climate Suitability on Wheat in Dryland in the Hill-gullied Region of the Loess Plateau

NIE Zhi-gang1, REN Xin-zhuang2, LI Guang3, DONG Li-xia1,MA Wei-wei3, TANG Jie1,LIU Xiao-e3, LUO Yong-zhong3

（1.College of Information Science and Technology/College of Resources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China;2.College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou, 730070;3.College of Forestry, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070）

In order to improve the dynamic analysis ability about climate suitability level of drylang wheat, based on daily meteorolosical data of Dingxi experimental station, field experimental data from 1971 to 2005, the daily climate suitability degree model of dryland wheat was established in the hilly-gullied region of the Loess Plateau. By using the model, the comprehensive climate suitabilityindices were calculated and the comprehensive evaluation standards were confirmed during each growth stage(nutrition growth stage, nutrition and reproduction growth stage, reproduction growth stage) and whole stage of wheat. The wheat daily biomass was simulated by applying suitable APSIM. The diagnosis analysis standards of climate suitability were determined by methods of dynamic approximation error sum of squares and were verified by comparing the evaluation results based on APSIM and those based on the daily climate suitability degree model with grade percentage method. During the main growth stage of wheat from 2002 to 2005, the climate suitability level of dryland wheat was analyzed and evaluated by using diagnosis analysis standards. The results showed that the evaluation results based on APSIM and those based on the daily climate suitability degree model were in substantial agreement grade identical and differ by one grade accounted for 86%-90%.The diagnosis analysis results of each growth stage and whole stage of dryland wheat were more suitable from 2002 to 2005, and that was basically consistent with actual circumstances of experimental region. The APSIM-based optimization method could improve the tracing analysis ability about climate suitability level of wheat and could provide technical assistance for wheat production adapting to climatic change.

APSIM; Comprehensive evaluation; Dynamic diagnosis; Wheat; Simulation

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.06.005

2016-09-28

甘肅省高等學校科研項目（2014A-058；2016A-067）；國家自然科學基金（31660348；31560378；31560343；41561022）；甘肅省自然科學基金（1506RJZA015）；甘肅省青年科技基金計劃項目（1506RJYA005）

聶志剛（1980-），博士生，副教授，主要從事作物生長模擬模型研究。E-mail：niezg@gsau.edu.cn

聶志剛,任新莊,李廣,等.基于APSIM的黃土丘陵區旱地小麥氣候適宜性評價[J].中國農業氣象,2017,38(6):369-377

**通訊作者。E-mail：lig@gsau.edu.cn