基于APSIM 模型的黃土旱塬區苜蓿
——小麥輪作系統深層土壤水分及水分利用效率研究

古麗娜扎爾·艾力，陶海寧，王自奎，沈禹穎

（蘭州大學草地農業科技學院，草地農業生態系統國家重點實驗室，草業科學國家級實驗教學示范中心，甘肅蘭州730020）

黃土旱塬區地處黃土高原中部和南部，屬于半濕潤和半干旱氣候類型區，降水較少且年際和年內分布不均［1?2］，是我國典型的旱作農業區。該區土質疏松，生態環境脆弱，高強度耕作、不完善的種植制度和粗放的農業管理等使得農業資源利用效率低、土壤退化嚴重［3］。紫花苜蓿（Medicago sativa）是世界上栽培歷史最悠久、種植面積最廣泛的深根系多年生豆科牧草，具有良好的生態適應性和較高的經濟價值。與糧食作物相比，紫花苜蓿覆蓋度大且覆蓋地表時間長，可有效減少土壤水分無效蒸發和地表徑流、固持土壤，具有良好的水土保持功能；此外，被譽為牧草之王的紫花苜蓿營養價值高、適口性好、產量較高，是黃土高原地區糧改飼和發展草食畜牧業的主栽飼草［4?5］。但由于紫花苜蓿屬于多年生深根系植物，耗水量高，隨著多年連續種植，深層土壤水分會出現強烈虧缺，土壤干燥化普遍發生。土壤水分含量的減少進一步使得苜蓿生長逐漸趨緩，產草量持續下降，最終出現嚴重的苜蓿草地退化現象，并制約后續植被或作物生長［6?8］。因此，如何有效利用苜蓿的生產及生態保護優勢，而有效防止和治理其引起的深層土壤水分過耗，是旱塬區苜蓿種植中需要解決的重要問題。

草田輪作是一種重要的糧食和飼草作物協調種植的生產模式，是可持續性農業生產系統中的一個重要組成部分，糧草并重、農牧結合是世界許多發達國家實行的農業生產模式［9］。研究發現通過與耗水量較小的糧食作物輪作，能夠緩解和恢復苜蓿草地的水分過耗狀況［10］，并隨著種植作物年限的延長，土壤水分恢復深度加深，土壤干燥化程度降低［11］。因此研究苜蓿不同輪作周期對苜蓿草地土壤水分的恢復效應具有重要的現實指導意義。苜蓿和冬小麥（Triticum aestivum）分別是黃土旱塬區最重要的飼草和糧食作物，苜蓿?小麥輪作系統是當地普遍采用的一種草田輪作模式，由于輪作周期較長，不同輪作周期對系統土壤水分環境和生產效率的試驗研究較少。作物生長模型已廣泛運用在農業生產系統研究中，在作物栽培優化管理、氣候變化對糧食生產影響效應的預測、區域糧食安全評估等方面發揮著日益重要的作用［12］。農業生產系統模擬模型（agricultural production systems simulator，APSIM）是澳大利亞聯邦科工組織研發的作物生長系統模擬模型，在世界各地得到了廣泛的應用，其在我國黃土旱塬區也已經被校準、驗證和應用［13?14］。

基于上述背景和研究進展，本研究的目的是在黃土旱塬區長期試驗數據的基礎上，首先驗證APSIM 模型模擬長周期苜蓿連作和苜蓿?小麥輪作系統深層土壤水分和苜蓿產量的可行性，然后在模型的基礎上評估不同輪作模式對農田深層土壤水分、生產力及水分利用效率的影響，以期為黃土旱塬區苜蓿高效持續生產和農業結構優化提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于黃土高原南部的黃土旱塬區，本研究選擇黃土旱塬區具有長期觀測數據的3 個研究站，分別為位于董志塬的甘肅省慶陽市西峰區研究站（蘭州大學慶陽試驗站，35°39′N，107°51′E，海拔1297 m）、慶陽市鎮原縣研究站（甘肅省農業科學院鎮原試驗站，35°30′N，107°29′E，海拔1279 m）及位于渭北旱塬的陜西省長武縣研究站（西北農林科技大學長武試驗站，35°12′N，107°41′E，海拔1220 m）。3 個研究站相互之間的直線距離在50 km 以內，氣象和土壤信息極為接近。不同研究區不同時期的多年平均降水量為540～579 mm，年均氣溫為9.1～10.0 ℃。土壤類型為黑壚土，0～10 m 土層土壤質地均為粉壤土，粉粒含量60%～70%，黏粒含量在20%～30%，砂粒含量小于10%。土壤田間持水量在28%～30%，凋萎系數在9%～13%。

本研究在模型驗證和輪作情景分析中使用的氣象數據均為從國家氣象數據共享網下載的1981?2018 年西峰的氣象資料，由于西峰距離3 個站點的距離均較近，所以氣象數據對模型模擬結果的誤差可忽略。如圖1 所示，西峰站的年降水量為333.8～828.2 mm，38 年平均降水量為543.1 mm。年均氣溫自1981 年以來以每年0.067 ℃的速度持續升高，最低年均溫出現在1984 年，為8.0 ℃，最高年均溫出現在2013 年，高達11.6 ℃，38 年平均溫度為10.0 ℃。

圖1 甘肅省慶陽市西峰區氣象站1981-2018 年降水量及年均氣溫的變化趨勢Fig.1 Annual precipitation and mean temperature from1981 to 2018 at Xifeng meteorological station

1.2 研究數據的獲取

本研究從3 個研究站開展的試驗中選擇6 個較為完整的苜蓿連作試驗及苜蓿?作物輪作長期試驗數據。慶陽試驗站的數據從試驗站數據庫中獲取，其他研究站的試驗數據通過Getdata Graph Digitizer 軟件（版本2.24）從已經發表文獻的圖表中獲取。本研究選取的6 個試驗的地點、試驗類型、試驗年限、獲取的主要數據、數據用途以及數據來源等信息列于表1 中。

表1 黃土旱塬區苜蓿連作及苜蓿-作物輪作試驗信息Table 1 Information about the continuous alfalfa and alfalfa-wheat rotation experiment

1.3 APSIM 模型參數校準及驗證

APSIM 模型所需要輸入的參數包括氣象參數、土壤參數、作物生長參數、管理參數等。氣象參數包括逐日太陽輻射量、最高氣溫、最低氣溫、降水量等，數據根據國家氣象數據共享網下載的西峰站氣象資料計算。土壤參數，包括土壤水分參數（各土層容重、體積含水量、田間持水量、萎蔫系數、作物有效水分下限、作物可利用水量）和土壤關鍵養分參數（有機質和初始含氮量）。APSIM 所采用的分層土壤水量平衡模塊是在PERFECT 模型的基礎上發展的，假定當某土層含水量小于田間持水量時，非飽和水分在相鄰土層中的運動用Richard 方程描述；當土壤含水量達到田間持水量后，飽和水分將移向下層。作物參數，包括作物主要各生育期有效積溫、光能利用效率、光周期系數、最大植株高度及最大潛在收獲指數等。模型的輸出數據包括作物生長過程、產量和土壤水分養分平衡等各種指標。

隴東地區常用的小麥品種為西峰24 號，苜蓿品種為隴東苜蓿，小麥和苜蓿的作物參數是沈禹穎［19］和Chen等［20］根據慶陽研究區的試驗數據校準的，后來被寫入APSIM?小麥模型的作物參數庫中。西峰24 冬小麥從播種到開始灌漿所需積溫為617.5 ℃·d?1，灌漿至成熟所需積溫為650 ℃·d?1，春化作用系數設置為2.0，光周期系數設置為2.0，最大株高設置為1500 mm。隴東紫花苜蓿出苗到幼苗期結束所需積溫為700 ℃·d?1，從幼苗期結束到初花期所需積溫為660 ℃·d?1，初花期到花期積溫260 ℃·d?1，最大株高為500 mm，最大潛在收獲指數為1.0。隴東紫花苜蓿輻射利用效率由默認值降低為生長期 0.6 g·MJ?1、開花初期 0.6 g·MJ?1、盛花期 0.5 g·MJ?1。

模型的可靠性使用實測值和模擬值回歸關系的決定系數（determination of coefficient，R2）、相對誤差（relative error，RE）、平均絕對誤差（mean absolute error，MAE）、均方根誤差（root mean square error，RMSE）以及歸一化均方根誤差（normalized root mean square error，NRMSE）等幾個參數量化，計算公式為：

1.4 輪作情景設置

根據黃土旱塬區農業生產實踐，苜蓿在輪作系統中的輪作周期一般在2～20 年，大于20 年的苜蓿草地產量低，實踐中較少使用。所以苜蓿的輪作周期以2 年為梯度，共設計了9 個周期處理。小麥也設計了相應的9 個處理，共81 個輪作情景（表2），以研究輪作系統的產量和水分利用效率隨苜蓿的輪作周期及小麥輪作周期的變化趨勢。研究使用1981?2018 年的氣象數據，所以38 年中18 年苜蓿輪作18 年小麥的模式輪作次數最少，為1.06次，而2 年苜蓿輪作2 年小麥的模式輪作次數最多，為9.5 次。在情景模擬結果分析中，將38 年苜蓿或者小麥的產量、耗水量等進行平均，按年均值計算系統的產量、耗水量及水分利用效率等指標。

表2 苜蓿-小麥輪作系統輪作周期情景設置Table 2 Scenarios of rotation phases in the alfalfa and wheat rotation systems

2 結果與分析

2.1 產量的驗證

利用慶陽研究區2001?2010 年輪作試驗中冬小麥和苜蓿的產量，驗證了APSIM 模型模擬冬小麥和短期連作苜蓿產量的有效性。冬小麥和紫花苜蓿產量模擬值與實測值之間線性回歸關系的決定系數R2分別為0.93 和0.77。歸一化均方根誤差（NRMSE）主要反映模型對高值的模擬效果，2 種作物產量對應的NRMSE 分別為11.4%和22.4%。所以，APSIM 模型可以有效地模擬研究區西峰24 冬小麥和隴東紫花苜蓿的產量。

利用鎮遠不同年份苜蓿的產量和長武長期連作苜蓿的產量驗證APSIM 模型模擬長期種植條件下苜蓿產量的可靠性。如圖2 所示，模型在鎮原地區的模擬效果很好，準確地反映了苜蓿的產量隨種植年限的變化趨勢，3～8 年生苜蓿的年產量為 8～10 t·hm?2，而 10 年齡以后的苜蓿產量在 6 t·hm?2以下。長武連作試驗中，APSIM 模型在第1、2 和9 年模擬誤差較大，其他年份表現均較好。1～8 年生苜蓿的產量較高，9 年之后產量急劇下降。綜合兩個地方的模擬結果，模擬值和實測值回歸線的決定系數為0.65，RMSE 和MAE 分別為0.23 和0.17 t·hm?2，NRMSE 為29.2%。

圖2 黃土旱塬區長期連作苜蓿干物質產量實測值與模擬值的比較Fig.2 Comparison of measured and simulated alfalfa biomass production on the dryland of Loess Plateau

2.2 深層土壤水分的驗證

通過對鎮原和長武地區連作苜蓿地0～1000 mm 土壤水分的實測值和APSIM 模型模擬值的比較發現（圖3），鎮原 3～26 年生苜蓿地土壤剖面 0～500 mm 土壤水分在取樣期均低于 0.2 cm3·cm?3。3～4 年生苜蓿 500～1000 mm 土層土壤水分大于 0.2 cm3·cm?3，6～8 年生苜蓿土壤水分大致分布在 0.15～0.20 cm3·cm?3，而 12、18 和26 年生苜蓿1～1000 mm 整個土層的土壤水分基本穩定在0.15 cm3·cm?3左右，為苜蓿可利用水分的最低值。長武連作苜蓿地的土壤水分表現出了相同的趨勢，隨苜蓿年齡的增大深層土壤水分不斷降低，6 年以后200～1000 mm 土層的土壤水分基本穩定在0.15 cm3·cm?3左右。兩個地區模擬值和實測值吻合程度很好，APSIM 模型準確模擬出了不同年齡苜蓿地不同土層的土壤水分。圖4 顯示了各土層實測值與模擬值的散點圖，可以看出所有散點均勻分布在1∶1 線兩側，說明模型總體模擬效果較好。統計結果表明，模擬值與實測值回歸線的決定系數為0.730，模 擬 值 的 RMSE、MAE 及 NRMSE 分 別 為 0.021 t·hm?2、0.017 t·hm?2和 11.7%，模 擬 精 度 較 高 。 所 以APSIM 模型的作物模塊及土壤水分運動模塊均可精確地模擬長期連作苜蓿地深層土壤水分動態。

圖3 黃土旱塬區連作苜蓿地0~1000 cm 土壤水分的實測值和APSIM 模型模擬值的比較Fig.3 Measured and simulated soil water content in the 0-1000 cm soil layer in alfalfa field on the dryland of Loess Plateau

圖4 黃土旱塬區連作苜蓿地0~1000 cm 土壤水分的實測值和APSIM 模型模擬值的比較Fig. 4 Measured and simulated soil water content in the 0-1000 cm soil layer in alfalfa field on the dryland of Loess Plateau

由鎮原地區8 年苜蓿輪作3 年作物、12 年苜蓿輪作15 年作物、13 年苜蓿輪作4 年作物及11 年苜蓿輪作10 年作物之后土壤水分的分布狀況可知（圖5a～d），輪作3 年之后，0～400 cm 的土壤水分恢復到0.25 cm3·cm?3左右，400～700 cm 的水分也恢復0.2 cm3·cm?3左右。輪作15 年以后的處理，整個0～700 cm 剖面的水分恢復到0.25～0.30 cm3·cm?3。13 年苜蓿輪作4 年作物以及11 年苜蓿輪作10 年作物以后，深層土壤水分依然都沒有得到恢復，在0.15 cm3·cm?3左右。由圖5e～h 可知，輪作1 年小麥之后，50～300 cm 的水分沒有得到恢復，但是休閑1 年以后200 cm 以上的水分基本都恢復到了0.2 cm3·cm?3以上。輪作和休閑2 年以后，200 cm 以上的水分恢復到0.25～0.30 cm3·cm?3，休閑地深層的水分也得到了恢復，但是輪作小麥地250～300 cm 的水分依然沒有恢復。兩個地區不同土層模擬值和實測值吻合程度都很好，表明模型準確模擬出了不同年限輪作或休閑以后苜蓿地的土壤水分。

圖5 黃土旱塬區苜蓿-作物輪作地0~1000 cm 土壤水分的實測值和APSIM 模型模擬值的比較Fig. 5 Measured and simulated soil water content in the 0-1000 cm soil layer in alfalfa and grain crops rotation field on the dryland of Loess Plateau

圖6 顯示了苜蓿地輪作作物及休閑以后各土層實測值與模擬值的散點圖，從圖中可以看出所有散點依然均勻分布在1∶1 線兩側，說明APSIM 模擬長期輪作系統土壤水分的模擬效果較好。統計結果表明，模擬值與實測值回歸線的決定系數為 0.834，模擬值的 RMSE、MAE 及 NRMSE 分別為 0.024 t·hm?2、0.018 t·hm?2和 11.8%，模擬精度較高。

圖6 黃土旱塬區苜蓿-小麥輪作地0~1000 mm 土壤水分的實測值和APSIM 模型模擬值的比較Fig. 6 Measured and simulated soil water content in the 0-1000 mm soil layer in alfalfa and grain crops rotation on the dryland of Loess Plateau

2.3 輪作周期情景分析

圖7 顯示了81 個苜蓿?小麥輪作周期下輪作38 年后0～1000 cm 剖面土壤水分的分布。苜蓿輪作2 年的9 個處理土壤剖面的水分都在0.25～0.30 cm3·cm?3。苜蓿輪作周期為4 年的處理出現了土壤水分小于0.20 cm3·cm?3的 區 域以 及 水 分極 度 缺 乏（0.10～0.15 cm3·cm?3，圖中藍色區域）的區域，輪作小麥為 2、4、6 年時在400～500 cm 的土層出現了極低值，隨著小麥輪作年限的增加，極低區域消失。隨著苜蓿輪作年限的增加，水分極度缺乏的區域不斷擴大，當苜蓿輪作年限大于12 年時，所有與不同小麥輪作周期的9 個處理（L12W2～18）都出現了大范圍水分缺乏。需要指出的是，所有處理0～200 cm 土層的水分都大于0.20 cm3·cm?3，深層的極度干燥化可能不會影響淺根系作物的種植與生長。

圖7 黃土旱塬區不同苜蓿-小麥輪作周期下輪作38 年后0~1000 cm 剖面土壤水分的分布Fig. 7 Soil water content distribution in the 0-1000 cm soil layer in alfalfa-wheat rotation field with different rotation patterns on the dryland of Loess Plateau

圖8 顯示了不同苜蓿?小麥輪作周期下輪作38年平均干物質產量，氮素吸收和水分利用效率。干物質產量隨著苜蓿輪作周期的增加而增加，苜蓿輪作12 年以后，干物質產量隨著苜蓿輪作周期的增加不斷減小，同一苜蓿輪作周期內，隨著小麥輪作周期的增加總干物質先增加后減小。最高干物質產量出現在12 年苜蓿輪作14年小麥的處理，為11333.0 kg·hm?2，其次為12 年苜蓿輪作16 年小麥及8 年苜蓿輪作16 年小麥的處理，產量分別達到了11297.0 和11227.0 kg·hm?2。而輪作系統氮素的吸收量隨著苜蓿輪作周期的增加而增加，在同一苜蓿輪作周期內，隨著小麥輪作周期的增加而減小，18 年苜蓿輪作2 年小麥的處理，氮素吸收量達到了最大值，為277.9 kg·hm?2。輪作系統的水分利用效率在苜蓿輪作周期為 2、4、6、8 年的處理下變化較為相似，除了小麥輪作周期為2 和4 年的處理的水分利用效率均在20 kg·hm?2·mm?1以上。苜蓿的輪作周期達到 10 年以后，系統的水分利用效率隨著苜蓿輪作周期的增加不斷降低。水分利用效率最高的處理為8 年苜蓿輪作16 年小麥的處理，達到 21.5 kg·hm?2·mm?1。

圖8 黃土旱塬區不同苜蓿-小麥輪作周期處理38 年平均干物質產量、氮素吸收量及水分利用效率Fig. 8 Biomass yield，nitrogen uptake and soil water content in alfalfa-wheat rotation field with different rotation patterns on the dryland of Loess Plateau

3 討論

農業系統對氣候變化和耕作管理的響應是當代農業科學的重要研究主題之一，農業研究亟須結合大數據及先進技術方法解決一些田間試驗較難解決的問題，為生產管理和政府決策提供依據。作為集農學、生態學、數學等基本理論與計算機技術的作物模型，可提供大量長時間尺度、多因素處理的情景數據，是農業綜合研究預測有效工具［21］。相比其他的作物模型，APSIM 能定量、動態地描述作物生長、發育和產量形成的過程及其對環境變化和耕作管理的響應，具有良好的靈活性和可操作性［13］。APSIM 模型已經在黃土高原地區被用于模擬小麥、玉米、紫花苜蓿等主要作物的生產。本研究利用慶陽、鎮原和長武等3 個試驗點的數據驗證其模擬長期苜蓿連作、苜蓿?作物輪作系統產量和深層土壤水分的可靠性。結果表明模擬作物產量的NRMSE 均小于30%，模擬土壤水分的NRMSE 均小于15%，模擬效果較好。以往研究也表明APSIM 模型模擬產量NRMSE 低于30%則表明模擬結果較好，模型在研究地區具有適應性［14］。王琳［22］應用APSIM 模型模擬華北平原冬小麥和夏玉米連作系統的產量，模擬結果的NRMSE 值為24.6%，戴彤等［23］在重慶小麥產區分析了APSIM 模型在該地區的適應性，其模擬產量與實測值間NRMSE 值也低于30%。APSIM 在模擬田間水分在不同土層之間的水分運移動態、作物水分利用和田間水分損失等方面具有較強的功能［20］。本研究也表明，APSIM 模型模擬長期連作及輪作系統深層的土壤水分的精度較好，為輪作周期的情景分析奠定了堅實的基礎。土壤水分驗證過程中，模型有低估長武試驗站的土壤水分的趨勢，可能是因為長武靠近黃土高原南部，土壤黏粒含量和凋萎系數較高，而模型輸入的凋萎系數以慶陽研究站的測定數據為準，土壤參數更加貼近慶陽站和鎮原站的真值。同時，我們必須注意APSIM是一個理論模型，需要大量的輸入參數，包括作物參數、土壤參數和管理參數等。由于作物參數需要根據大田試驗校準，本研究采用隴東旱塬區廣泛使用的西峰24 號和隴東苜蓿的作物參數，可能會影響鎮原和長武地區采用其他品種作物試驗的產量和水分數據的驗證結果。同時，采用西峰的歷史氣象資料可能也會對其他兩個試驗點的模擬結果造成誤差。以后的模擬研究中，應該更加詳盡的輸入參數。

草田輪作具有提高農業系統穩定性和土壤肥力的效應。與冬小麥連作相比，豆禾輪作系統可提高土壤表層的有機質、全氮和碳氮比［24］。特別是將苜蓿引入糧食作物種植系統，實行草田輪作，具有挖掘土壤水庫、充分利用有限水資源的優勢，同時由于苜蓿的經濟價值較好，可大幅提高農民的經濟收入。劉沛松等［25］在黃土高原地區的研究也表明合理的籽粒作物與紫花苜蓿輪作相比連作有提升土壤有機質和土壤氮的優勢。水分是黃土旱塬區限制作物生產的主要環境因子。將苜蓿引入糧食作物種植系統，實行草田輪作，具有挖掘土壤水庫、充分利用有限水資源的優勢，同時由于苜蓿的經濟價值較好，可大幅提高農民的經濟收入。例如毛桂蓮等［26］評價了苜蓿連作、紫花苜蓿?玉米輪作和紫花苜蓿?高粱（Sorghum bicolor）輪作的水分利用效率和產量，結果表明輪作系統的水分利用效率比連作平均增加0.98 倍。苜蓿輪作周期過長其效應類似于苜蓿長期連作，所以輪作系統中苜蓿的生長年限不能過長，苜蓿的產量會隨著年齡逐漸下降，并且苜蓿長期加入會大幅降低土壤貯水，降低作物系統應對干旱的能力。本研究通過模擬黃土旱塬區長期輪作系統產量和水分動態表明，當苜蓿加入年限大于10 年以后，系統的水分利用效率逐漸降低。苜蓿的蛋白質含量較高，所以苜蓿輪作周期較長的系統吸氮量較高，其經濟價值也較高。但是高經濟收益是建立在消耗大量土壤貯水的基礎上的，土壤深層干燥化可能對旱塬區生態環境和流域水循環具有潛在的危害，農業生產中應當盡量避免和消除［27?28］。綜合土壤剖面水分、產量和水分利用效率，本研究建議苜蓿的輪作周期為4～6 年，小麥輪作年限大于4 年但不要超過10 年。輪作模式的選擇需要考慮系統產量和經濟收益，也要兼顧資源利用的可持續性，以后的研究應針對不同區域社會經濟狀況、自然資源條件等提出高效持續的苜蓿?糧食作物輪作管理模式。

4 結論

1）APSIM 模擬黃土旱塬區苜蓿長期連續種植產量的精度較高，長武和鎮原所有苜蓿產量數據模擬值和實測值的R2為 0.65，RMSE、MAE 分別為 0.23 t·hm?2和 0.17 t·hm?2，NRMSE 為 29.2%，MRE 為 7.9%。

2）APSIM 模擬長武、鎮原和慶陽3 個研究區苜蓿長期連作農田0～1000 cm 的土壤含水量的R2為0.73，RMSE、MAE 及 NRMSE 分別為 0.021 t·hm?2、0.017 t·hm?2和 11.7%；模擬 3 個研究區苜蓿后茬輪作不同年限糧食作物農田 0～1000 cm 的土壤含水量R2為 0.83，RMSE、MAE 及 NRMSE 分別為 0.024 t·hm?2、0.018 t·hm?2和11.8%。

3）隨著苜蓿在系統中輪作年限的增加，0～1000 cm 土壤剖面干燥化區不斷擴大，當苜蓿輪作年限大于12 年時，所有輪作周期的處理都出現了大范圍土壤干燥化。

4）12 年苜蓿輪作 14 年小麥（L12W14）、L12W16 和 L8W16 等 3 個處理的總產量最大，系統中苜蓿輪作周期大于8 年以后系統水分利用效率隨著苜蓿輪作年限的增加不斷能降低。綜合考慮土壤水分環境和水分利用效率，建議研究區苜蓿?小麥輪作系統中苜蓿輪作年限為4～6 年，小麥輪作年限大于4 年。