基于WOFOST模型的吉林省春玉米干旱復水模擬研究

李琪，胡秋麗，朱大威，吳東麗，胡正華，李瑩瑩

（1. 南京信息工程大學，江蘇省農業氣象重點實驗室，江蘇 南京 210044；2. 江蘇省農業科學院農業經濟與發展研究所，江蘇 南京 210014；3. 中國氣象局氣象探測中心，北京 100081）

我國北方的半干旱和半濕潤地區是玉米生產的重要基地，但該區域大多屬于雨養農業區，玉米生長的各個時期均會面臨不同等級的干旱脅迫，從而引起產量下降[1-2]。吉林省是我國重要的玉米種植省份[3]，中西部地區地勢平坦，適宜春玉米的種植，是吉林省春玉米的集中生產區域，素有“黃金玉米帶”之稱。但該區域降水少，干旱出現頻繁，特別是西部區域存在“十年九春旱”的說法[4]。如何在中西部干旱多發地區合理進行農業灌溉，避免玉米生長過程中因干旱缺水造成的不利影響，穩定提高產量，是吉林玉米生產中急需解決的問題之一。

在實際生產過程中，補充灌溉是常見的抵御干旱的措施。研究表明，干旱后的復水可以提高作物葉片的光合能力和抗氧化酶的活性[5-6]、改變作物的莖流速率、根水勢等生理生化指標[7-8]，提高作物對干旱脅迫的恢復力，因此，復水在緩解干旱的負面影響方面具有重要作用[9-10]。目前干旱復水方面的研究大多以實驗為主，主要研究作物對干旱復水的生理響應機制，而針對實際生產過程中什么時間復水、如何復水等大田管理方面的研究則相對缺乏。

WOFOST（World Food Studies）模型是荷蘭瓦赫寧根農業大學與世界糧食研究中心一起開發研制的作物模型，該模型有較廣泛的應用[11-13]，在氣候變化、災害模擬以及模型同化等領域取得了較好的研究效果[14-17]，但在灌溉復水方面的模擬工作相對缺乏[18-19]。鑒于此，本研究以吉林省春玉米為研究對象，基于WOFOST模型，模擬不同干旱條件下，不同的復水方案對玉米生長發育以及產量的影響，從而對當地春玉米的高效、合理灌溉，保障高產穩產提供科學依據。

1 研究區介紹

本研究從吉林省中部和西部分別選取榆樹和白城兩個區域進行干旱復水模擬研究。榆樹位于吉林省中北部，地處松遼平原腹地，地勢較平坦，屬溫帶大陸性季風氣候區，年均日照時數為2 675 h，年平均氣溫5.3 ℃，年均降水量536.4 mm。白城市位于吉林省西北部，嫩江平原西部，地勢由西北向東南依次為低山、丘陵、平原，西南略有抬升，屬溫帶大陸性季風氣候區，年均日照時數為2 915 h，年平均氣溫5.2 ℃，年均降水量399.9 mm。

2 研究方法和數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 模型調參方法 本研究選用吉林省春玉米生長代表站點榆樹2012—2014年的大田試驗資料對WOFOST模型進行調參。運用試錯法、實際觀測計算、經驗法等方法校正WOFOST模型參數（部分重要參數見表1）。選用初始變量擾動法對WOFOST模型中的參數進行敏感性分析，即潛在生長條件下，其他參數值與模擬環境保持不變，將待確定參數的值上下調整10%后，運行WOFOST模型進行模擬并觀察模擬結果。本文選取模型輸出的葉重、莖重、穗重、總重以及最大葉面積指數作為比較項，計算出這5項參數的絕對變化百分率的平均值。從表1可以看出，玉米的生長發育指標對模型的主要參數都有較明顯的響應。

表1 模型主要參數及敏感性分析結果Table 1 The main parameters of the model and the sensitivity analysis results

2.1.2 模型驗證方法 選擇平均絕對誤差（MAE）、平均相對誤差（MRE）和符合度指數（D）評價模擬值與實測值之間的差距和模擬效果，計算公式如下：

式中：Bi和Gi分別代表實測值和模擬值，為實測值的平均值，n為數據個數，MAE、MRE代表模擬值對實測值的符合程度，數值越小代表模擬效果越好；D為標準化度量指標，范圍在0-1之間，數值越大，代表模擬效果越好。

2.1.3 干旱等級劃分標準 干旱及復水研究所采用的水分指標為土壤相對濕度，等級劃分見表2[20]。根據模型模擬得到的土壤相對濕度值，參照表2的標準，反推需要調整的降水數據。除降水數據外，其余輸入的氣象參數保持不變（即為2013年的實際數據），從而得到不同干旱條件及復水方式下的地上部分干物質重和產量值。這些值與基準值進行對比，就可以得到不同干旱及復水條件下的損失百分率。

表2 干旱等級劃分Table 2 Drought grade division

2.2 數據資料

WOFOST作物模型輸入參數包括氣象資料、作物資料和土壤資料三部分。榆樹和白城的氣象資料來源于國家氣象科學數據共享服務平臺（http://data.cma.cn/），作物和土壤資料來源于當地的農業氣象觀測站、《中國土種志》等。

3 結果與分析

3.1 模型調參結果的驗證

3.1.1 葉面積指數 選取榆樹、白城歷史典型干旱年份（模擬的拔節-抽雄和抽雄-乳熟階段至少出現中旱及以上旱情的年份，榆樹選取1997和2007年，白城選取1999和2002年）的春玉米葉面積指數實測和模擬值進行對比，結果顯示（圖1）：模擬值與實測值比較吻合，模擬值能夠反映出葉面積指數的動態變化規律。榆樹的模擬平均相對誤差依次是8.5%和12.0%；白城的模擬平均相對誤差分別為7.7%和5.7%，因此，在葉面積指數上，白城的模擬效果更好。整體來看，校正后的WOFOST模型模擬干旱年份葉面積指數時，其誤差相對較小，模擬效果較好。

3.1.2 地上部分干物質重 由圖2可知，榆樹和白城春玉米地上部分干物質重的實測值與模擬值動態變化趨勢較為一致，榆樹的平均相對誤差分別為20.0%和13.8%；白城的平均相對誤差分別為16.5%和9.9%，對于地上部分干物質重，白城的模擬效果優于榆樹。整體上看，干旱條件下模型對地上部分干物質重的模擬效果雖然不如葉面積指數，但仍在可接受的范圍之內。

圖1 典型干旱年份春玉米葉面積指數實測值與模擬值Fig. 1 The measured and simulated value of the spring maize leaf area in typical drought year

圖2 典型干旱年份地上部分干物質重實測值與模擬值Fig. 2 The measured and simulated value of shoot dry weight in a typical drought year

3.1.3 產量 利用校正后的模型模擬了榆樹、白城1994-2011年春玉米的產量（模擬的拔節-抽雄和抽雄-乳熟階段，榆樹共有11年發生不同程度的干旱，白城共有16年發生不同程度的干旱），與實測產量的對比驗證結果見表3。從表3可以看出，榆樹、白城產量驗證的MAE分別為0.77 t/hm2、0.79 t/hm2，MRE分別為7.14%、8.34%；兩個地區產量驗證的符合度指數分別達到了0.99和0.95，吻合度非常高。對產量而言，榆樹的模擬效果要好于白城。整體來看，經校正過的WOFOST模型對產量的模擬效果較好。

表3 春玉米產量實測值與模擬值驗證Table 3 The verification of measured and simulated value of spring maize yield

以上研究結果表明，校正過的WOFOST模型在干旱條件下對榆樹和白城兩個地區春玉米的葉面積指數、地上部分干物質重以及產量這3個參數的模擬效果雖然有差異，但整體來看模擬效果較為理想，可以為后續的干旱復水模擬試驗提供基礎。

3.2 干旱復水模擬方案

選擇榆樹和白城2013年的數據進行干旱復水試驗（基本無干旱發生年份），通過改變春玉米拔節到成熟時期的降水數據實現干旱和復水的模擬。首先以榆樹、白城2013年春玉米全生育期的基本氣象資料為驅動，對春玉米的地上部分干物質重和產量進行模擬。其模擬結果：榆樹春玉米地上部分干物質重為23 005 kg/hm2，產量為11 926 kg/hm2；白城春玉米地上部分干物質重為17 604 kg/hm2，產量為10 673 kg/hm2，該結果作為后續研究的基準值。

以拔節-抽雄階段的輕旱模擬為例，干旱復水步驟如下：通過改變天氣文件中拔節-抽雄階段的降水量，使得模擬結果得到的土壤相對濕度值在該階段保持在60%～70%（表2），即持續輕旱等級，然后在該生育階段結束的第1天（FS1）、第4天（FS2）、第7天（FS3）分別進行一次性復水，以及第1-3天（FS4）、第1-5天（FS5）進行連續性復水，使土壤相對濕度達到75%（FS1、FS2、FS3處理直接調整當天的降水使土壤相對濕度達到75%，FS4、FS5則按照每天等量、依次增加的方式在最后一天達到75%），使玉米解除干旱。按上述方式全部調整好后（除干旱及復水期降水外，其余參數值均與基準年一致），驅動模型得到地上部分干物質重和產量，并與基準值相比，得到輕旱處理下不同復水方式的損失。中旱、重旱的處理方式與輕旱情況類似。抽雄-乳熟階段的處理方式同拔節-抽雄階段，但要注意該階段干旱處理結束后進行復水時，玉米已經進入乳熟-成熟階段，因此復水后土壤相對濕度達到65%（表2）才能解除干旱。

3.3 模擬結果分析

3.3.1 拔節-抽雄階段模擬結果 從圖3拔節-抽雄階段的模擬結果可以看出，在相同的復水方案下，隨著干旱程度的加劇，榆樹和白城兩地的玉米地上部分干物質重和產量的損失都隨之增加。在相同的干旱復水方案下，地上部分干物質重的損失率要大于產量的損失率。在相同的條件下，白城地區玉米的地上部分干物質重和產量損失率要高于榆樹地區的，且白城地區各種復水方案在減輕干旱影響的效果上明顯不如榆樹地區。從復水方式上看，在其他條件相同的情況下，連續性復水方案（FS4和FS5）的損失率整體上要小于一次性復水方案（FS1、FS2和FS3）的損失率。對榆樹而言，FS4方案（即干旱結束后1-3 d連續復水）的效果十分明顯，并且榆樹地區的FS4和FS5方案可以明顯減少拔節-抽雄階段干旱帶來的產量和地上干物質重的損失。對白城而言則是FS1方案（即干旱結束后第1 d進行一次性復水）的效果最好，但與FS4方案沒有明顯的差異；另外連續性復水方案與一次性復水方案的整體差異要小于榆樹的。

圖3 拔節-抽雄階段方案模擬結果Fig. 3 The simulation results of different schemes in the jointing- tasseling stage

圖4 抽雄-乳熟階段不同方案模擬結果Fig. 4 The simulation results of different schemes in the tasseling-milky maturity stage

3.3.2 抽雄-乳熟階段模擬結果 圖4為抽雄-乳熟階段的模擬結果。從圖4可以看出，在相同的復水方案下，隨著干旱程度的加劇，榆樹和白城兩地的春玉米地上部分干物質重和產量的損失都隨之增加，這與拔節-抽雄階段的規律相同。在相同的干旱復水方案下，抽雄-乳熟階段的地上部分干物質重的損失率要小于產量的損失率，這與拔節-抽雄階段的結果正好相反，這可能與不同生育階段玉米的干物質積累方式不同有關。在相同的條件下，白城地區玉米的地上部分干物質重和產量損失率要高于榆樹地區的，且白城地區各種復水方案在減輕干旱影響的效果上不如榆樹地區，但兩個地區之間的差異不如拔節-抽雄期的差異明顯，這說明復水效果是受生育階段影響的。從復水方式上看，連續性復水方案（FS4和FS5）的損失率整體上要小于一次性復水方案（FS1、FS2和FS3）的損失率，但兩個地區之間的差異不如拔節-抽雄期的差異明顯。對于抽雄-乳熟階段的干旱，榆樹和白城地區的最佳復水方案都是FS1。

4 討論

4.1 干旱對春玉米生長發育的影響

從研究結果來看，不論是拔節-抽雄階段，還是抽雄-乳熟階段，隨著干旱等級的增加以及復水時間的推遲，春玉米地上部分干物質重和產量較無旱時的損失都越嚴重，這說明干旱的強度和持續時間都是影響作物產量的重要因素，這與實驗類研究結論一致[21-24]，這也表明WOFOST模型的模擬結果符合實際情況。

實驗類研究表明，干旱的影響與玉米的生長階段也是密切相關的[25]，本研究通過模型模擬也表明，在相同的干旱復水模擬方案下，春玉米抽雄-乳熟階段的干旱脅迫對產量的影響要高于拔節-抽雄階段，而對地上部分干物質重的影響則低于拔節-抽雄階段。拔節-抽雄期既是春玉米的營養生長階段，也是生殖生長階段，水分脅迫會直接影響葉片生長速率，導致葉片的光合速率下降，同化物代謝受阻[26]。但此時還未進入灌漿期，因此拔節-抽雄階段的水分脅迫對地上部分干物質重的影響更直接。而抽雄-乳熟階段正是籽粒形成的關鍵期，此階段的水分條件對籽粒庫容大小、敗育數量和飽滿程度均有所影響，干旱脅迫將會影響生殖生長速率，不利于籽粒形成和同化物積累，從而對產量造成嚴重影響[27-28]。該結果進一步表明WOFOST模型的模型結果可以較好地反映作物生長的機理。

4.2 最佳復水方案的選取

在春玉米干旱發生的過程中，合理的復水方案對有效抵御干旱造成的影響具有重要作用。本研究的結果表明，對于春玉米拔節-抽雄階段的干旱，降水條件相對較好的榆樹地區采取及時、逐步復水的方式（FS4方案），可以有效降低干旱的負效應，穩定春玉米的產量；降水條件相對較差的白城則優先進行一次性及時復水（FS1方案）效果最佳。而在抽雄-乳熟期，榆樹和白城都優先選擇一次性及時復水方案的效果最好。該結論表明在不同的干旱條件下（不同地區、不同生育階段），春玉米灌溉復水的最佳方案并不能一刀切，可以借助WOFOST模型對不同的玉米補充灌溉的方案進行篩選，從而對農業防旱工作起到有針對性的指導作用。

另外值得注意的是，隨著干旱程度的加重，春玉米受災的情況也在加重，尤其是在降水條件相對較差的白城地區，不管是連續復水方案還是一次性復水方案，都只是在一定程度上緩解干旱的影響，而無法改變受災的事實。因此本研究所提出的最佳復水方案，只是相對而言的，是受災后的一種補救措施。

4.3 研究展望

本研究在干旱年份下對已修訂的WOFOST模型進行了驗證，整體效果雖然較好，但個別年份仍有較大的誤差，因此在模型的參數調整上還需要作進一步的分析工作。本研究同時也表明WOFOST模型在農業干旱和補充灌溉等領域也有一定的應用前景，但需要注意的是，本研究僅研究了兩個生育期以及5種復水方案，而在實際的農業生產過程中，作物面臨的干旱情況是多變的和復雜的，其復水條件和方案也會因情況不同而變。如何能對干旱條件以及復水方案進行合理的設定，給當地的農業抗旱及灌溉措施的制訂提供更合理、更有針對性的依據，是今后模型研究需要注意的方面。

5 結論

本文利用已修訂的WOFOST模型，以吉林省榆樹和白城兩地的春玉米為研究對象，模擬了拔節-抽雄和抽雄-乳熟階段，不同干旱條件下不同復水方案對春玉米生長發育以及產量的影響。研究表明，已修訂的WOFOST在干旱條件下具有較好的模擬效果。不同的模擬方案結果表明，不管是在拔節-抽雄階段，還是在抽雄-乳熟階段，隨著干旱程度的加劇，榆樹和白城兩地的玉米地上部分干物質重和產量的損失都隨之增加；相同的復水方案下，榆樹地區的地上部分干物質重和產量損失要小于白城地區；抽雄-乳熟階段的干旱對春玉米的產量影響更大。從復水方案上來看，干旱過程中的及時、足量復水對春玉米抵御干旱、減少產量損失具有重要的作用。