基于AquaCrop模型的小地區氣候變化對小麥產量的影響

高博+尹曉榮+張濤

摘要：為了研究甘肅省高臺縣氣候變化對小麥（Triticum aestivum L.）產量的影響，對該地區50 a的氣象因素變化進行了分析，并且利用AquaCrop作物模型模擬不同年份小麥的生產潛力。結果表明，年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低溫度均呈增長趨勢，增長幅度為0.021 5、0.012 4、0.014 5 ℃/a，總降雨量也呈增長趨勢，增長幅度為0.220 2 mm/a，而日照時間呈降低趨勢，降低幅度為1.328 8 h/a，并擬合得到了相應的線性趨勢公式。該地區小麥生產潛力較低，平均模擬產量為5 807.5 kg/hm2，不同年份間小麥產量差異極顯著，并且從氣候變化因素分析了該地區小麥產量變化的原因。

關鍵詞：AquaCrop模型；小麥（Triticum aestivum L.）產量；日照時間；氣溫；降雨量

中圖分類號：P42；S512.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）15-2856-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.15.015

Abstract： In order to study the impact of climate change on wheat （Triticum aestivum L.） yield in Gaotai county in Gansu province，the article analyzed the changing of meteorological factors of 50 years，and the wheat potential productivity was simulated by using AquaCrop. The results indicated that the annual average temperature，annual mean maximum temperature，annual mean minimum temperature were all on the rise，and the growth rate were 0.021 5，0.021 5，0.012 4 ℃，respectively. Total rainfall was also on the rise，growth rate was 0.220 2 mm/a. Sunshine duration showed a trend of decrease，the reduction rate was 1.328 8 h/a，and corresponding linear trend fitting formula was got. Wheat production potential was low in the region，an average of simulated yield was 5 807.5 kg/hm2，and inter-annual change had a significant difference on wheat yield，the changing reasons of wheat production was analyzed from climate change factors in the region.

Key words： AquaCrop model； wheat （Triticum aestivum L.）yield； sunshine duration； temperature； rainfall

在全球氣候變化的背景下，中國各區域的氣溫、降雨等氣象因子的變化也存在明顯的地域差異[1]。近十幾年在長江中下游地區、華南地區和西北地區降雨主要集中在夏季，而華北地區夏季降水卻呈減少趨勢[2]。雖然科學界對氣候變化的歷史演變和未來氣候的變化趨勢還存在著爭論，但氣候變化已經深刻影響了農業生產活動，這不僅關系到全球糧食生產和安全供應，而且可能也會對農產品品質和食物安全有一定的影響[3]。已有研究發現，氣候變化對中國農業有一定的小幅增產作用；而有研究通過氣象與作物模型結合分析，發現氣候變化下中國農業的總體生產力呈降低趨勢，降低幅度在5%～30%[4]，這種不同研究結果嚴重制約著中國應對氣候變化的決策選擇。

AquaCrop模型是FAO為解決現有作物模型存在結構復雜、所需參數繁多、校準工作量大等不足研發的一種水分驅動作物模型[5]。作物模型在研究農業災害損失和評估中已被廣泛應用，其中Todisco等[6]采用AquaCrop模型對水分虧缺條件下作物產量的變化進行了分析，以便評估旱災風險對農業生產的影響。本研究主要針對小地區氣候類型研究其在近50 a的變化趨勢，結合作物模型模擬評估不同年際該地區小麥（Triticum aestivum L.）產量，并結合氣候因素的變化探討分析了小麥的生產潛力和產量變化趨勢的原因，為實現農業氣象災害定量實時分析及采取相對應的農業管理措施有重要作用。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區選擇在甘肅省張掖市高臺縣，位于河西走廊中部，黑河中游下段，東鄰臨澤縣，西與酒泉市、金塔縣和肅南縣明花區相連，南與肅南縣大河區接壤，北依合黎山與內蒙古阿拉善右旗相鄰。介于東經98°57′27″-100°06′42″、北緯39°03′50″-39°59′52″，海拔在1 260～3 140 m。全縣面積約4 346.61 km2，其中耕地面積2.13萬hm2，占全縣面積的4.8%。屬于冷溫帶大陸性干旱氣候，全年無霜期150 d左右，近30 a年平均降水量112.3 mm，蒸發量為1 638.2 mm，年均氣溫8.1 ℃，其中最高氣溫在7月，月平均氣溫為22.3 ℃，最低氣溫在1月，月平均氣溫為-8.9 ℃；川區和沿山區地形地貌差異較大，平均全年日照時間分別為3 105和2 683 h。該地屬典型旱作農業區，土壤類型主要為鹽土和風沙土，表層土壤鹽漬化較為嚴重，有機質含量0.13%～1.08%，全氮含量0.005%～0.060%，碳酸鈣含量2.7%～6.2%，pH 7.7～9.3。endprint

1.2 資料來源

氣象數據來源于高臺國家基本氣象站（99°50′E，39°22′N，海拔1 332.2 m），高臺國家基本氣象站建于1952年8月13日，座落于高臺縣府街延伸東段，系國家基本氣象觀測站，觀測的項目有云、能見度、天氣現象、氣壓、氣溫、濕度、風向風速、0～320 cm地溫、降水量、日照、蒸發量、雪深、雪壓、凍土。

考慮各種人為因素引起的氣象資料非均一性問題，有針對性地對觀測資料進行均一性檢驗和訂正[7]，本研究在分析過程中對明顯錯誤的數據進行了檢驗，尤其對各氣象因素的極大值進行了合理性判斷。

1.3 AquaCrop模型參數輸入

模型在運行時步長有1 d、10 d、1個月3種，所需氣象參數主要為降雨量、最高和最低氣溫、參考作物蒸騰量、大氣CO2濃度，其中參考作物蒸騰量用ETo表示，可由FAO組織提供的ETo Calculator軟件通過提供的現有降雨量、最高和最低氣溫等參數計算求出，而大氣CO2濃度在模型中根據全球地理位置可供幾種選擇，一般定好地理位置的經緯度模型會自動推薦默認值[8]。

作物參數首先確定種植作物類型和種植方式（C3還是C4，移栽還是直播），然后在模型中輸入具體作物物候期（種植密度、作物播種期、出苗期、拔節期、灌漿期、衰老和成熟時間），最后通過采用試錯法確定冠層增長系數（CGC）、冠層衰老系數（CDC）、參考作物收獲指標等具體參數，結合文獻[9，10]整理得到旱區AquaCrop模型小麥參數，如表1所示。

管理參數模塊包括田間措施和大田灌溉兩部分。其中，灌溉部分包括灌溉方式（漫灌、滴灌、噴灌等）和灌水制度（灌水時間、次數以及灌水量）；田間管理措施包括施肥水平、農田覆蓋度以及覆蓋材料、田間地表措施。本研究中試驗期內均無灌水措施，作物所需水分全靠降雨；土壤施肥水平均選擇為肥沃90%，田間用有機秸稈覆蓋10%，田間無起壟、地表徑流。

土壤參數模塊主要指土壤的理化特性，包括土層數、土層厚度、容重，土壤特性包括永久凋萎點、田間持水量、飽和導水率等，本研究的土壤初始參數如表2所示。

1.4 試驗方法

氣象變化趨勢中研究的主要對象為降雨、氣溫、日照時間。其中，氣溫變化特征指標為年平均氣溫、年最高氣溫、年最低氣溫，降雨量變化特征指標為年總降雨量，日照時間變化特征指標為年總日照時間。

1.5 數據統計與分析

試驗結果采用Excle和SPSS軟件進行數據整理、顯著性檢驗和回歸分析。

2 結果與分析

2.1 氣候因素變化趨勢

將1957-2006年高臺縣逐日氣溫、降雨量、日照時間進行統計得到年平均氣溫、年最高氣溫、年最低氣溫、年總降雨量、年總日照時間，以年際變化為橫坐標，氣象特征指標為縱坐標，得到其變化趨勢，如圖1所示。

該地區在1957-2006年氣溫變化趨勢如圖1a所示，年平均氣溫范圍為6.28～9.06 ℃、年最高氣溫范圍為14.03～17.27 ℃、年最低氣溫范圍為-0.16～3.29 ℃；通過添加氣溫特征與年際變化之間的趨勢線可直觀地看出，不同年際的氣溫在趨勢線的上下附近，所有氣溫特征均有所增加，其中年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的增加幅度分別為0.021 5、0.012 4、0.014 5 ℃/a，氣溫雖然隨著年際變化有所增加，但是整體增加幅度非常小。

該地區降雨量變化趨勢如圖1b所示，不同年際降雨量差異較大，降雨主要集中在5-7月，年總降雨量在54.9～209.9 mm，50 a平均降雨量為105.61 mm，降雨量嚴重低于250 mm，屬于典型的旱區氣候類型。通過變化趨勢線得到降雨量隨著年際變化有所增加，其中增加幅度為0.220 2 mm/a，整體增加幅度較小。

日照時間是指太陽每天在垂直于其光線的平面上的輻射強度超過或等于120 W/m2的時間長度，與白晝長度、云量和地形等條件有關[11]，由于屬于高海拔區，在1957-2006年年日照時間差異較大，為 2 791.1～3 338.3 h，平均年日照時間為3 116.4 h，日照時間變化趨勢不同于氣溫和降雨，隨著年際變化日照時間逐漸有所降低，降低幅度為1.328 8 h/a。

2.2 AquaCrop模型評估近30 a小麥產量變化趨勢

利用該地土壤類型、逐日氣象資料和旱區AquaCrop模型小麥參數進行模擬得到該地不同年份的小麥產量，結果如表3所示。對不同年份的模擬產量做方差分析，結果如表4所示。

由表3可知，高臺縣在1957-2006年小麥模擬產量為4 084.2～8 354.5 kg/hm2，最高和最低模擬產量分別出現在1979和1968年，而且通過分析降雨量這兩年分別為豐雨年和貧雨年，50 a平均模擬產量為5 807.5 kg/hm2，說明在該地區氣候類型下小麥總體生產潛力較低。而且通過方差分析得到不同年際小麥模擬產量差異極顯著，說明不同年份氣候對小麥產量的形成有重要影響。

為了研究小麥產量的變化趨勢，用年份作為橫坐標，模擬產量為縱坐標，做小麥產量隨年際變化的帶平滑的散點圖，并得到其線性變化趨勢線和擬合公式，結果如圖2所示。由圖2可知，不同年份的模擬產量趨勢線的擬合公式為y=10.168x-14 340，整體上模擬產量隨年際變化呈增長趨勢。在模擬時土壤和管理措施不變，因此增產的原因主要是由氣象因素所致，在氣候變化趨勢中得到年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫均呈增長趨勢，在生長周期不變的情況下，氣溫的升高有助于提高作物的有效積溫和光合作用，使作物積累更多的光合產物[12]；其次由于生育期總耗水量與產量之間存在著密切的關系，通過降雨量變化趨勢中發現年總降雨量也呈增長趨勢，在水分生產力不變的情況下，降雨量增多，即生育期內作物可利用的水分增多，提高了作物在生物量和產量積累過程中所需水分的供給[13]；最后因為日照時間有所降低，夜間時長增多，而且該地區夜間溫度較低，降低了作物的有氧呼吸消耗。endprint

3 結論

本研究通過分析甘肅省張掖市高臺縣近50 a氣象資料變化趨勢得到，隨著年際變化，年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低溫度均呈增長趨勢，增長幅度為0.021 5、0.012 4、0.014 5 ℃/a，年總降雨量也呈增長趨勢，增長幅度為0.220 2 mm/a，而日照時間呈降低趨勢，降低幅度為1.328 8 h/a。利用AquaCrop模型評估該地區小麥生產潛力，得到1957-2006年小麥產量在4 084.2～8 354.5 kg/hm2，不同年份小麥產量差異極顯著，平均模擬產量為 5 807.5 kg/hm2，隨著年際變化產量有所增加，增加幅度為10.168 kg/（hm2·a），但整體上受該地區氣候影響，產量整體較低。以上研究成果可為極其干旱缺水的綠洲生態環境改善和農業生產發展奠定科學基礎。

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