華北平原不同等級干旱對冬小麥產量的影響

孫 爽，楊曉光，張鎮濤，趙 錦，劉志娟

（1.中國氣象科學研究院，北京 100081；2.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

0 引 言

小麥是世界三大糧食作物之一，2019年全世界小麥種植面積約為 2.2億 hm2，占世界谷物總面積的30%[1]。中國小麥在世界上占有重要地位，2019年小麥播種面積和總產分別占世界的11%和17%[1]。華北平原是中國小麥主產區，2019年該區域小麥產量占全國小麥總產的59%和播種面積的51%[2]，區域小麥產量的高低直接決定著中國口糧安全，對國家糧食安全具有重要作用。

干旱是影響中國華北平原冬小麥產量穩定的最主要農業氣象災害[3]。氣候變化背景下華北平原降水波動性大，干旱發生的頻率和強度呈增加態勢[4-7]，直接影響冬小麥生長發育進程和產量形成[8]，造成冬小麥產量下降[9-11]。此外，干旱脅迫導致產量的下降程度不僅取決于干旱的嚴重程度，還取決于干旱發生的生育階段[12-17]，不同生育階段干旱對冬小麥產量構成要素的影響也不同[18]，其中小麥拔節后期到孕穗期受旱主要影響穗粒數，缺水造成小花退化不孕，穗粒數減少。灌漿期是小麥需水最大的時期，受旱主要影響千粒質量，缺水導致粒小而癟[10,17]，同時明顯影響小麥的灌漿速率[13-14]。前人在干旱對小麥產量影響評估方面主要采用農田水分控制試驗[19-23]、作物生長模型[24-28]和統計分析[29-31]3種方法，但方法各有局限性，需要多種方法相結合開展研究，才能減少干旱影響評估的不確定性。其中，農田水分控制試驗方法受限于時間、地點，其結果難以外推；作物生長模型方法需要基于水分控制試驗資料進行模型校正之后，才能用于干旱影響評估；統計分析方法主要通過構建作物干旱指標與作物產量之間的函數關系進而評估干旱對產量的影響，無法揭示干旱對作物影響過程和機理。農業干旱指標包括降水量指標、土壤含水率指標、綜合性指標等[32]。綜合性指標概念明確，考慮全面，具有較強的理論和實用價值，其中作物水分虧缺指數（Crop Water Deficit Index，CWDI）綜合考慮了氣象、作物和土壤三方面因素，計算簡便，且較為準確，所需氣象要素易于獲取，適用性強[33-34]。

前人在干旱指標構建、干旱對冬小麥影響等方面有很多研究積累，然而綜合干旱指標以及干旱對產量影響方面研究仍需進一步加強，特別是將干旱指標與作物模型以及遙感資料有機結合，明確干旱分布規律基礎上，評估干旱對單產和總產影響程度。本文以華北平原冬小麥為研究對象，基于農業干旱指標CWDI評估冬小麥不同生育階段干旱等級，結合APISM-Wheat模型進行干旱模擬的有效性評估，基于調參驗證后的模型解析不同等級干旱對冬小麥單產和總產的影響程度，以期為中國定量評估干旱對區域冬小麥產量影響、制定抗災減災應對措施及保障糧食安全提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

本文以華北平原冬小麥為研究對象，綜合考慮華北平原范圍、行政區以及作物種植體系相對一致性，研究區域包括北京市、天津市、河北省、山東省和河南省，沒有考慮江蘇省和安徽省北部地區，地理位置為 31°～43°N，110°～123°E。其中河北省北部地區年積溫小于4 200 ℃·d[35]，作物為一年一熟，故不在本文的研究范圍內（圖1）。研究區域氣象站點及農業氣象試驗站點分布均勻，能夠代表區域的氣候特點，如圖1所示。將研究區域分為3個亞區進行分析，分別為京津冀地區JJJ（北京市、天津市、河北省北部）、河南省HN和山東省SD。

1.2 資料來源

數據資料包括氣象資料、作物資料、土壤資料和田間管理資料。氣象數據來源于中國氣象局，涵蓋了研究區域內44個氣象站點1981—2017年37 a的逐日氣象數據，主要包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、日照時數、降水量、平均相對濕度、平均風速等。氣象站點分布見圖1。

作物資料主要包括研究區域內20個農業氣象試驗站（京津冀地區5個，河南省8個，山東省7個）1981—2010年觀測資料，包括冬小麥品種信息、生育時期（播種期、開花期、成熟期）、生物量、產量等數據，以及田間管理措施。研究區域冬小麥的實際種植面積和產量來自農業部種植業司、國家統計局等。

APSIM-Wheat模型調參驗證輸入的土壤數據來源于各農業氣象觀測站，進行產量模擬時輸入模型內的土壤數據來源于中國科學院南京土壤研究所10 km×10 km的格點數據。

1.3 模型情景設置

本文選用APISM 7.6版本進行模擬。選取決定系數（R2）、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）、歸一化均方根誤差（Normalized RMSE，NRMSE）和d指標（Willmott’s index of agreement，d-value）作為判斷標準來評價模型模擬的準確性和可靠性。前期研究工作已經驗證了該模型在中國冬小麥主產區的適用性，結果表明參數本土化后的模型能夠較好地模擬中國各冬麥區冬小麥的生育進程和產量形成[36-37]，驗證結果如表1所示。因此，本文基于驗證后的APSIM模型模擬干旱對華北平原冬小麥產量的影響。研究中每10 a選擇一個較有代表性的品種代表該區域當時條件下的品種潛力，模型內各品種參數設置參見 Sun 等[36-37]，具體如表1所示。

表1 APSIM-Wheat模型中冬小麥品種參數及模型驗證結果Table 1 Parameters of winter wheat cultivars used in the APSIM-Wheat model and results of model validation

APSIM 7.6模型提供了自動灌溉模塊，同時在管理模塊中也提供了不同的灌溉情景，為研究冬小麥不同生育階段干旱提供了可能。本研究在模擬干旱時選用了Irrigate on sw deficit灌溉模塊，該模塊主要基于土壤水分虧缺程度而進行自動灌溉。為分析模型模擬干旱對冬小麥產量影響的敏感性，研究中首先利用 APSIM-Wheat模型提供的灌溉模塊，模擬并評估冬小麥4個生育階段干旱對產量的影響，模擬情景設置如表2所示，其中在模擬某生育階段干旱時該階段設置為不灌溉，其他生育階段設置為當發生土壤水分虧缺時自動灌溉到田間持水量。

表2 APSIM-Wheat模型中不同生育階段干旱模擬情景設置Table 2 Simulation scenarios settings for drought during different growing stages in APSIM-Wheat model

1.4 農業干旱指標及干旱特征分析方法

1.4.1 作物水分虧缺指數

作物水分虧缺指數CWDI是作物需水量與實際供水量的差值與作物需水量的比值，是表征作物水分虧缺程度常用的指標之一，其計算公式如下[33-34]

式中CWDIi為第i旬的作物水分虧缺指數，%；ETCi為第i旬的作物需水量，mm；Pi為第i旬的降水量，mm。

作物水分虧缺指數綜合考慮了前期水分虧缺的累積效應，在計算某旬作物水分虧缺時考慮了前 4旬水分盈虧對該旬的影響，計算公式如下：

式中CWDI為冬小麥生長季內按旬計算的累計水分虧缺指數；CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分別為第i旬及以第i旬為基礎的前4旬水分虧缺指數。a、b、c、d、e為對應旬的累計權重系數，一般取值分別為0.3、0.25、0.2、0.15 和 0.1[33-34]。

其中作物需水量的計算采用聯合國糧農組織（FAO）推薦的“參考作物蒸散量乘以作物系數法”計算[38]：

式中 ETc為充分供水條件下的作物需水量，mm/d；ET0為參考作物蒸散量，mm/d，采用 FAO（1998）推薦的Penman-Monteith公式計算[38]；Kc為作物系數，采用FAO推薦的冬小麥發育初期、中期和后期的 3個標準作物系數值：初期為 0.7（越冬期為 0.4），中期為 1.15，后期為0.4，并結合氣象數據和田間實測資料訂正冬小麥生育中期和后期作物系數[38-39]。

1.4.2 干旱等級劃分標準

研究中采用張玉靜等[40]在華北平原冬小麥干旱研究中基于作物水分虧缺指數的等級劃分標準，該干旱等級劃分標準能夠較好地反映區域冬小麥的實際旱情，可以用于對華北平原冬小麥干旱等級劃分，具體劃分標準如表3所示。

表3 華北平原冬小麥基于作物水分虧缺指數的農業干旱等級Table 3 The grade of agricultural drought based on Crop Water Deficit Index (CWDI) for winter wheat in North China Plain

1.4.3 干旱站次比

站次比是評價干旱發生范圍的指標，用某區域內發生某等級干旱的臺站數占總臺站數的比例表示，計算公式如下：

式中Pj′為干旱站次比，%；M為研究區域總臺站數；m為研究區域發生某等級干旱的臺站數。

1.4.4 減產率

用減產率反映不同程度水分脅迫對冬小麥產量造成的損失程度，計算公式如下：

式中yp為減產率，%；Y為全生育期無水肥限制條件下的產量，即潛在產量（表2中對照情景下模擬得到），kg/hm2；y為肥料不加限制、某生育階段為雨養條件下的產量，即水分虧缺條件下產量（表2中4個干旱模擬階段情景下模擬得到），kg/hm2。

2 結果與分析

2.1 APSIM-Wheat模型對干旱模擬的有效性評估

綜合考慮各亞區站點空間分布及數據的時間連續性，從3個亞區中各選擇1個典型站點對APSIM-Wheat模型模擬干旱的有效性進行評估，京津冀地區選擇樂亭站（39.43°N，118.88°E），河南省選擇許昌站（34.02°N，113.85°E），山東省選擇朝陽站（36.03°N，115.58°E）?；谡{參驗證后的 APSIM-Wheat模型分別模擬播種-越冬、返青-拔節、拔節-開花和開花-成熟4個生育階段冬小麥干旱，模型模擬不同生育階段干旱的灌溉情景設置見表2?；诖朔治龆←湼珊翟斐傻臏p產率與作物水分虧缺指數的關系如圖2所示。由圖可以看出，除樂亭站返青-拔節階段外，其他區域各站點冬小麥播種-越冬階段和返青-拔節階段干旱造成的減產率與作物水分虧缺指數無顯著關系，表明該階段干旱對冬小麥產量的影響較小，減產較低。拔節-開花階段和開花-成熟階段干旱造成的冬小麥減產率與作物水分虧缺指數呈顯著正相關關系，表明APSIM-Wheat模型能有效反映華北平原冬小麥拔節-開花和開花-成熟階段干旱對產量的影響，同時這2個生育階段干旱對冬小麥產量影響較大，減產較高，明顯高于冬小麥前期干旱的影響。

通過對 4個生育階段（播種-越冬、返青-拔節、拔節-開花和開花-成熟）3個亞區所選站點干旱造成冬小麥的減產率與作物水分虧缺指數的關系分析可以看出，冬小麥生長發育前期（播種-越冬和返青-拔節階段）干旱對產量影響較小，干旱造成的冬小麥減產率與作物水分虧缺指數無顯著相關關系，而冬小麥生長發育中后期（拔節-開花和開花-成熟階段）干旱對冬小麥產量影響較大，干旱造成的減產率與作物水分虧缺指數呈顯著正相關關系。前人研究表明，作物在生殖生長階段，特別是在生殖生長初期遇到災害性或不利天氣條件對產量影響較大，甚至絕收[41]。拔節-開花和開花-成熟階段發生干旱會對產量造成嚴重影響。因此，本研究重點考慮冬小麥生長發育中后期干旱對產量的影響。

2.2 華北平原冬小麥拔節-開花和開花-成熟階段干旱對單產影響評估

2.2.1 干旱對單產影響的空間分布

基于調參驗證后的APSIM-Wheat模型模擬華北平原冬小麥生長發育中后期干旱對單產的影響，模擬情景設置如表2所示，利用式（5）得到冬小麥拔節-開花和開花-成熟階段干旱造成的冬小麥減產率，其空間分布如圖3所示。由圖3可以看出，2個生育階段干旱造成的減產率空間上均呈北高南低的分布特征。其中，冬小麥拔節-開花階段干旱引起的減產率平均為19.1%，高值區主要集中在河北北部和北京市、天津市，減產率在0～40.4%之間；低值區主要集中在河南南部西峽-寶豐-商丘-駐馬店-固始一帶，減產率小于10.5%。從圖3c中可以看出，京津冀地區冬小麥的減產率最大，減產率全區平均為31.3%；河南省冬小麥的減產率最小，減產率全區平均為10.2%；山東省冬小麥的減產率全區平均為15.7%。冬小麥開花-成熟階段干旱引起的減產率平均為26.8%，高于拔節-開花階段干旱引起的減產率；高值區主要集中在河北北部和北京市、天津市，減產率達到 40%以上，低值區主要集中在河南南部鄭州-商丘-西華-固始-南陽-欒川一帶，減產率小于20.4%。從圖3d中可以看出，京津冀地區冬小麥的減產率最大，減產率全區平均為41.4%；河南省冬小麥的減產率最小，減產率全區平均為15.4%；山東省冬小麥的減產率全區平均為23.7%。

表4為華北平原冬小麥拔節-開花和開花-成熟2個生育階段干旱各減產區間內的站次比。由表4可以看出，在拔節-開花階段，減產率在0～10%內集中了全區29.3%的站點，減產率在＞10%～20%內集中了全區 26.8%的站點，減產率在＞20%～30%內集中了全區 19.5%的站點，減產率在＞30%～40%內集中了全區 24.4%的站點。在開花-成熟階段，減產率在不同區間均有分布，主要集中在＞10%～20%和＞40%～50%區間，站次比分別為 24.4%和22.0%。對比2個生育階段各減產率區間站次比可以看出，冬小麥拔節-開花階段區域內所有站點由于干旱造成的減產率均低于40%，76%的站點由于干旱造成的減產率低于30%，而開花-成熟階段73%的站點減產率低于40%，且減產率小于40%的4個減產區間內，拔節-開花階段的站點比例均高于開花-成熟階段。

表4 華北平原冬小麥拔節-開花和開花-成熟階段干旱造成產量減產率不同區間的站次比Table 4 Station ratio of different yield reduction rate intervals due to drought during the stages of jointing to flowering and flowering to maturity for winter wheat in North China Plain %

由此可見，冬小麥拔節-開花和開花-成熟階段干旱造成冬小麥產量減產率空間上均呈北高南低的分布特征，且冬小麥開花-成熟階段干旱引起的減產率（26.8%）高于拔節-開花階段干旱引起的減產率（19.1%）；區域間比較均表現為干旱對京津冀地區冬小麥單產影響最大，對河南省冬小麥單產影響最小。

2.2.2 不同等級干旱對單產的影響

利用表3中的干旱等級分級標準，統計分析研究區域及各亞區不同等級干旱在冬小麥拔節-開花和開花-成熟 2個生育階段對產量的影響程度，如圖4所示。由圖4可以看出，研究區域及各亞區冬小麥2個生育階段各等級干旱均表現為，隨著干旱等級增加，冬小麥減產率上升。在拔節-開花階段，研究區域內冬小麥輕旱、中旱和重旱等級下的減產率平均值分別為10.3%（2.1%～25.3%）、18.8%（5.4%～36.0%）和28.6%（10.6%～45.9%）（圖4a）；開花-成熟階段內，輕旱、中旱和重旱等級下的減產率平均值分別為16.5%（3.0%～47.8%）、32.8%（9.9%～54.2%）和44.9%（11.9%～63.5%）（圖4e）。開花-成熟階段各等級干旱對冬小麥產量的影響要明顯大于拔節-開花階段干旱的影響程度，且減產率數值分布更離散。

為了分析各亞區不同等級干旱造成冬小麥減產率的差異，研究中進一步統計了3個亞區各等級干旱減產率，如圖4所示。由圖可以看出，各等級干旱對冬小麥產量影響區域間比較表現為，京津冀地區產量損失較大，輕旱、中旱和重旱等級下的減產率平均值分別為 17.1%（4.1%～25.3%）、27.1%（12.6%～36.0%）和 36.3%（19.8%～45.0%）（圖4b），而在河南省和山東省損失較小，且河南省各等級干旱造成的減產率數值分布更集中，輕旱、中旱和重旱等級下的減產率平均值分別為 5.5%（2.1%～12.6%）、12.8%（6.0%～24.0%）和23.0%（10.6%～45.9%），山東省冬小麥輕旱、中旱和重旱等級下的減產率平均值分別為9.2%（6.5%～17.1%）、15.9%（5.4%～22.9%）和25.2%（13.0%～33.7%）。相同干旱等級下干旱對產量的影響均表現為京津冀地區最大，山東省次之，河南省影響最小。

圖4f～圖4h分別為京津冀地區、河南省和山東省3個亞區冬小麥開花-成熟階段各等級干旱對冬小麥產量的影響程度，可以看出，各亞區干旱對冬小麥產量的影響均較大，且隨著干旱等級的增加減產程度也在增大，升高幅度較大。各等級干旱對冬小麥產量的影響區域間比較表現為京津冀地區產量損失最大，輕旱、中旱和重旱等級下的減產率平均值分別為24.9%（6.5%～47.8%）、43.6%（20.9%～54.2%）和 54.5%（41.3%～63.1%）（圖4f），重旱減產率達到54.5%，輕旱的減產率也在10%以上；山東省次之，輕旱、中旱和重旱等級下的減產率平均值分別為 15.5%（4.4%～31.4%）、31.1%（11.3%～42.9%）和 40.5%（11.9%～63.5%）；河南省冬小麥產量損失最小，輕旱、中旱和重旱等級下的減產率平均值分別為7.6%（3.0%～15.9%）、23.8%（9.9%～45.0%）和39.0（23.7%～56.1%）。相同干旱等級在不同區域間比較結果均表現為京津冀地區最大，山東省次之，河南省影響最小。

總體而言，研究區域內冬小麥拔節-開花和開花-成熟階段隨著干旱等級的加重減產率增大；相同干旱等級在不同區域間比較表現為京津冀地區影響最大，河南省影響最小。

2.3 華北平原冬小麥拔節-開花和開花-成熟階段干旱對總產影響評估

2.3.1 干旱對總產影響的空間分布

基于中國華北平原冬小麥拔節-開花和開花-成熟階段干旱對冬小麥單產的影響，結合各區冬小麥 1981—2010年實際種植面積平均值，得到干旱對冬小麥總產的影響，評估區域冬小麥生長發育中后期各等級干旱對總產的影響。

圖5為冬小麥拔節-開花和開花-成熟階段干旱造成冬小麥總產影響的空間分布，可以看出，2個生育階段干旱對華北平原冬小麥減產量的影響呈現由西南向東北逐漸增加的趨勢。華北地區各站點冬小麥因干旱引起的減產量平均為3.7萬t；其中京津冀地區和山東省各站點冬小麥的減產量較大，減產量全區站點平均值均為4.4萬t；河南省各站點冬小麥減產量最低，全區站點平均為2.6萬t。拔節-開花階段干旱對總產影響較大的區域主要集中在河北保定一帶和山東省濰坊、惠民縣、莘縣一帶，減產量達到8.0萬t以上；影響較小的區域主要集中在河南南部欒川-寶豐-駐馬店一帶，減產量小于2.0萬t。

冬小麥開花-成熟階段因干旱引起的減產量平均為5.9 萬t，高于拔節-開花階段干旱引起的減產量；其中山東省各站點冬小麥的減產量較大，全區站點平均為7.0萬t；京津冀地區次之，全區站點平均為6.0萬t；河南各站點冬小麥的減產量最低，全區站點平均為4.9萬t。開花至成熟階段干旱對總產影響較大的區域主要集中在河北保定-黃驊一帶、北京和山東省莘縣-惠民縣-濰坊-莒縣一帶，減產量達到8.0萬t以上；影響較小的區域主要集中在河北省遵化-青龍一帶和河南省寶豐-欒川一帶，減產量小于4.0萬t。

表5為華北平原冬小麥拔節-開花和開花-成熟2個生育階段干旱造成減產量不同區間站次比。由表5可以看出，在拔節-開花階段，減產量在0～5萬t內集中了全區72.5%的站點，減產量在5萬～10萬t內集中了全區25.0%的站點，減產量在10萬～15萬t內集中了全區2.5%的站點。在開花-成熟階段，減產量在0～5萬t內集中了全區45.0%的站點，減產量在5萬～10萬t內集中了全區40.0%的站點，減產量在 10萬～15萬 t內集中了全區12.5%的站點，減產量在15萬～20萬t內集中了全區2.5%的站點。對比 2個生育階段各減產量區間站次比可以看出，冬小麥拔節-開花階段減產量區間0～5萬t內的站點比例要比開花-成熟階段絕對值高27.5百分點，而在其他區間內的站點比例均低于開花-成熟階段。冬小麥拔節-開花階段97.5%的站點由于干旱造成的減產量低于10萬t，而開花-成熟階段85%的站點減產量低于10萬t。

表5 華北平原冬小麥拔節-開花和開花-成熟階段干旱造成減產量不同區間站次比Table 5 The station ratio in different production reduction intervals due to drought during the stages of jointing to flowering and flowering to maturity for winter wheat in North China Plain %

由此可見，冬小麥拔節-開花和開花-成熟階段干旱對減產量的影響呈現由西南向東北逐漸增加的趨勢，且冬小麥開花-成熟階段干旱引起的減產量（5.9萬t）高于拔節-開花階段干旱引起的減產量（3.7萬t）；區域間比較均表現為干旱對山東省冬小麥總產影響最大，對河南省冬小麥總產影響最小。

2.3.2 不同等級干旱對總產的影響

基于研究區域及各亞區不同等級干旱在冬小麥拔節-開花和開花-成熟 2個生育階段對單產的影響程度，結合冬小麥實際種植面積，得到不同等級干旱對總產的影響，如圖6所示。由圖6可以看出，在拔節-開花階段，研究區域內冬小麥輕旱、中旱和重旱等級下的減產量平均值分別為1.6萬t （0.1萬～6.5萬t）、3.4萬t（0.1萬～8.3萬t）和5.6萬t（0.1萬～14.2萬t）（圖6a）；開花-成熟階段內，輕旱、中旱和重旱等級下的減產量平均值分別為2.9萬t（0.1萬～12.4萬t）、6.5萬t（0.2萬～17.7萬t）和9.1萬t（0.4萬～23.7萬t）（圖6e）。

研究中進一步統計了3個亞區各等級干旱下的減產量，如圖6所示。從圖6b～圖6d可以看出，京津冀地區輕旱、中旱和重旱等級下的減產量平均為2.1萬t（0.1萬～5.4萬t）、3.7萬t（0.1萬～8.3萬t）和5.0萬t（0.1萬～10.0萬t）；河南省輕旱、中旱和重旱等級下的減產量平均為 1.0萬 t（0.3 萬～2.4萬t）、3.0萬t（1.1萬～5.8萬t）和5.7萬t（2.0萬～10.1萬 t）；山東省輕旱、中旱和重旱等級下的減產量平均為1.7萬t（0.1萬～6.5萬t）、3.5萬t（0.1萬～8.1萬t）和6.1萬t（0.1萬～14.2萬t）。其中，輕旱和中旱對冬小麥總產的影響區域間表現為京津冀地區最大，山東省次之，河南省影響最小，而重旱對冬小麥總產的影響區域間表現為山東省最大，河南省次之，京津冀地區影響最小。

由圖6f～圖6h可以看出，京津冀地區輕旱、中旱和重旱等級下的減產量平均為3.6萬t（0.1萬～7.4萬t）、6.1 萬 t（0.2 萬～13.7 萬 t）和 7.4 萬 t（0.4 萬～14.1 萬 t）；河南省輕旱、中旱和重旱等級下的減產量平均為 1.4萬 t（0.5 萬～4.4萬t）、5.9萬t（2.7萬～12.8萬t）和9.7萬t（3.6萬～16.6萬t）；山東省輕旱、中旱和重旱等級下的減產量平均為4.0萬t（0.1萬～12.4萬t）、7.9萬t（0.6 萬～17.7萬t）和10.8萬t（0.7萬～23.7萬t）。其中，輕旱和中旱對冬小麥總產的影響區域間表現為山東省最大，京津冀地區次之，河南省影響最小，而重旱對冬小麥總產的影響區域間表現為山東省最大，河南省次之，京津冀地區影響最小。

總體而言，冬小麥拔節-開花和開花-成熟階段重旱對冬小麥總產的影響區域間表現為山東省最大，河南省次之，京津冀地區影響最??；拔節-開花階段輕旱和中旱對冬小麥總產的影響區域間表現為京津冀地區最大，山東省次之，河南省影響最小，而開花-成熟階段輕旱和中旱對冬小麥總產的影響區域間表現為山東省最大，京津冀地區次之，河南省影響最小。

3 討 論

本文以中國華北平原冬小麥為研究對象，基于 1981—2017年研究區域內的氣象觀測資料和農業氣象觀測站的生育時期資料，以作物水分虧缺指數作為農業干旱指標，結合調參驗證后的APSIM-Wheat模型，解析了冬小麥生長發育中后期和不同等級干旱對冬小麥單產的影響程度，結合1981—2010年冬小麥實際播種面積平均值，進一步評估了干旱對冬小麥總產的影響程度，為中國定量評估干旱對區域冬小麥產量影響程度、制定抗災減災應對措施提供科學依據。但由于實際生產的復雜性以及數據資料的局限性，本研究在實際應用中還存在以下不足：

1）利用APSIM-Wheat模型模擬的潛在產量時，仍存在不足。首先在播期的確定上，由于很難獲取各氣象站點從1981—2017年37 a的冬小麥播期資料，模擬中采用的是區域內農業氣象觀測站的平均值，沒有考慮播種期的變化。而實際生產中冬小麥推遲播種，大概每 10 a推遲1.5 d[42]。其次，為了反映近 37年品種更替對冬小麥產量的影響，在模型模擬過程中每10 a更換一次品種來表示品種更替對過去37 a冬小麥產量提升的貢獻，與實際生產中品種的更替周期仍有差異。以上潛在產量模擬中的不足將在接下來的工作中進一步完善，使得結果更準確。

2）本研究將干旱等級與其減產程度結合，明確不同等級干旱對冬小麥產量的影響，為區域合理制定灌溉措施提供理論依據。由于研究側重點不同，本文僅考慮自然降水對作物的水分供應，而沒有考慮各地區灌溉的影響。而灌溉是華北平原冬小麥水分的主要來源，實際生產中灌溉對旱情的緩解作用，使干旱的發生頻率以及對產量影響與模型分析的結果存在差距。此外，本文也沒有考慮降水及灌溉后作物對土壤水分利用的有效性。

3）由于干旱形成和影響的復雜性，難以利用模型完全反演實際生產中干旱的發生情景。本文在利用APSIM-Wheat模型模擬各生育階段干旱對冬小麥產量的影響時，所模擬的階段為雨養不灌溉，其他生育階段是自動灌溉，沒有考慮到作物生長發育各階段之間的影響。此外，研究中僅考慮冬小麥單一生育階段發生干旱對產量的影響，沒有考慮各生育階段發生連續干旱的情況，將在以后的研究中加以考慮。

華北平原冬小麥干旱對單產影響的區域差異性較大，主要與不同地區降水量與小麥各生育時期的需水量配合度有關。此外，不同地區發生干旱對小麥產量三要素的影響存在差異性，也是造成華北平原冬小麥干旱對單產影響區域差異性較大的原因之一。

4）由于研究區域內干旱災情資料的局限性，在評估冬小麥 2個生長發育階段干旱對總產的影響時，采用的是研究時段內冬小麥的實際播種面積，并結合 GIS中的空間分析工具將播種面積提取到氣象站點上，并假定研究區域內氣象站點均勻分布，因此每個站點僅代表一定范圍內的區域特征，區域間數值的差異性不僅體現了干旱對單產影響的差異，也體現了區域間小麥種植面積的差異。在今后的研究中將進一步收集數據并結合遙感資料，基于冬小麥實際播種面積和各生育階段的氣候特征，定量干旱受災面積，進而評估干旱對冬小麥總產的影響。

4 結 論

本文以作物水分虧缺指數為農業干旱指標，基于調參驗證后的農業生產系統模型（Agricultural Production Systems Simulater，APSIM），評估了冬小麥生長發育中后期各生育階段不同等級干旱對冬小麥單產和總產的影響。主要結論如下：

1）冬小麥拔節-開花和開花-成熟階段干旱造成冬小麥減產率空間上均呈北高南低的分布特征，區域間比較均表現為干旱對京津冀地區冬小麥單產影響最大，對河南省冬小麥單產影響最小。拔節-開花階段區域內所有站點由于干旱造成的減產率均低于 40%，而開花-成熟階段 73%的站點減產率低于40%。隨著干旱等級的加重減產率增大，開花-成熟階段輕旱、中旱和重旱的減產率分別為 16.5%（3.0%～47.8%）、32.8%（9.9%～54.2%）和44.9%（11.9%～63.5%），拔節-開花階段輕旱、中旱和重旱的減產率分別為10.3%（2.1%～25.3%）、18.8%（5.4%～36.0%）和28.6%（10.6%～45.9%）。相同干旱等級在不同區域間比較表現為京津冀地區影響最大，河南省影響最小。

2）冬小麥拔節-開花和開花-成熟階段干旱造成冬小麥減產量空間上均呈現由西南向東北逐漸增加的趨勢，區域間比較均表現為干旱對山東省冬小麥總產影響最大，對河南省冬小麥總產影響最小。相同干旱等級在不同區域間比較結果各不相同。