基于覆膜積溫補償效應(yīng)的AquaCrop模型優(yōu)化模擬

丁奠元，徐志鵬，陳飛宇，董文俊，仲志成，彭佳雯， 蔣世杰，穆 奎，嚴惠敏，王乃江，鄒宇鋒，馮 浩2,

(1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009；2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

裸地無覆蓋條件下，利用空氣積溫定量表征作物生育進程，可以比較準確地闡明空氣熱量與作物生育進程之間的關(guān)系[1]。而地膜覆蓋通過阻礙近地層熱量交換，抑制了土壤表層潛熱散失，可有效提高土壤溫度[2]，增加的土壤溫度有效加快了作物的生育期發(fā)展[3]。這種情況下，僅用空氣積溫無法很好地解釋覆膜措施引起的作物生育進程提前的現(xiàn)象。從作物積溫學說角度出發(fā)，覆膜措施增加的地溫對作物有效空氣積溫具有較好的補償作用[4]。這種覆膜積溫補償效應(yīng)可以有效調(diào)節(jié)作物生長進程，較好地用于模擬作物生長過程[5-7]。隨著地膜覆蓋的推廣和作物模型的發(fā)展，覆膜積溫補償作用越來越受到科研人員的重視，并將其應(yīng)用到模型研究當中。Zhang等[7]利用覆膜積溫補償效應(yīng)發(fā)展并校準了SUCROS-Cotton模型。前人根據(jù)玉米發(fā)育階段有效積溫恒定原理，利用覆膜積溫補償效應(yīng)改進了CERES-Maize模型對覆膜玉米的空氣積溫計算方法[8]。Ding等[9]基于Logistic方程定量評估了覆膜積溫補償效應(yīng)對冬小麥和夏玉米地上部生長動態(tài)指標的影響。因此，量化覆膜積溫補償效應(yīng)對于定量描述覆膜條件下作物生長發(fā)育過程、改進覆膜作物模型具有較好的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

AquaCrop模型于2009年由世界糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization， FAO)提出，是較早考慮覆膜措施的作物模型之一，可以模擬覆膜條件下作物生長對土壤水分的響應(yīng)。已有研究表明，AquaCrop模型能夠較好地模擬陜西關(guān)中旱作區(qū)覆膜與不覆膜條件下冬小麥的生長動態(tài)以及黃土高原地區(qū)覆膜與不覆膜條件下玉米的生長過程[10-14]，并已在其他多個農(nóng)業(yè)生態(tài)類型區(qū)、不同作物條件下進行了適用性評價，均取得了較好的模擬效果[15-21]。由于AquaCrop模型未考慮土壤溫度對作物生長的影響，前人在應(yīng)用AquaCrop模型模擬覆膜作物生長時，主要有2種方法考慮覆膜積溫補償效應(yīng)。方法一是調(diào)節(jié)AquaCrop模型中與作物生育發(fā)展相關(guān)的積溫參數(shù)，直接在作物積溫參數(shù)中縮短作物相關(guān)生育時段的歷時，體現(xiàn)覆膜積溫補償效應(yīng)加速作物生長的效果[10,22-23]。方法二是引入覆膜積溫補償系數(shù)，將增加的土壤溫度補償?shù)娇諝夥e溫中，通過修正空氣平均溫度，換算到最高溫和最低溫當中，進而作為模型的氣象輸入數(shù)據(jù)而引入模型當中[24]。目前為止，前人鮮有對這兩種方法的模擬效果進行比較，其優(yōu)劣尚未可知。此外，現(xiàn)有考慮覆膜積溫補償效應(yīng)的研究中，主要針對單作作物玉米和棉花，較少涉及冬小麥。覆膜積溫補償系數(shù)具有一定的區(qū)域分布特征，在黃土高原南部，其變化范圍還不清楚，考慮覆膜積溫補償效應(yīng)AquaCrop模型在冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)中的適用性尚不明確。

鑒于以上研究現(xiàn)狀和存在問題，本研究擬基于2013—2018年冬小麥-夏玉米輪作田間試驗數(shù)據(jù)，對AquaCrop模型中引入覆膜積溫補償效應(yīng)進行深入探討，主要研究目的是：(1)分析覆膜條件下冬小麥土壤溫度變化過程，探究冬小麥覆膜積溫補償效應(yīng)的特征；(2)基于覆膜積溫補償效應(yīng)原理，估算黃土高原南部冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)中覆膜積溫補償系數(shù)；(3)系統(tǒng)校驗兩種覆膜積溫補償效應(yīng)引入方法在AquaCrop模型冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)中的適用性，分析比較兩種引入方法在AquaCrop模型應(yīng)用的優(yōu)缺點。本研究的開展，有助于更好地提高AquaCrop模型對覆膜作物生長動態(tài)和產(chǎn)量形成的模擬效果，有助于借助AquaCrop模型進一步開展與覆膜相關(guān)的作物生理和區(qū)域應(yīng)用研究。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2013年10月—2018年6月在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點實驗室灌溉試驗站(108°24′E，34°20′N，海拔521 m)進行。該地區(qū)位于黃土高原南部的關(guān)中平原，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)。該地區(qū)四季分明，降水主要發(fā)生在7—10月份，多年平均降水量在630 mm左右，無霜期大約為213 d。供試土壤為中壤土，土壤容重平均值為1.37 g·cm-3，0～1 m土層的平均田間持水率為23.0%(質(zhì)量含水率)，凋萎含水率為8.5%(質(zhì)量含水率)，平均pH值8.2；土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀、速效磷和速效鉀含量分別為8.14 g·kg-1、0.95 g·kg-1、0.83 g·kg-1、20.42 g·kg-1、21 mg·kg-1和290 mg·kg-1。該站地下水埋深60 m以下，故不考慮地下水影響。試驗田土壤基本理化性質(zhì)(2013年10月2日取樣測定)見表1。

表1 試驗田土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置兩種處理措施：裸地平作(CK)和全膜平作(PM)(圖2)。每個處理重復(fù)3次，共6個小區(qū)，采用隨機區(qū)組設(shè)計。試驗分成2個階段，2013—2016年小區(qū)規(guī)格為5.0 m×2.0 m(長×寬)、2017—2018年小區(qū)規(guī)格5.5 m×4.0 m(長×寬)。小區(qū)周圍均有0.5 m寬的保護行。播種前進行翻耕整地，其中2013—2016年冬小麥采用條播種植，播種深度5 cm，行距30 cm；2017—2018年冬小麥采用穴播種植，穴距10 cm，播種深度5 cm，行距20 cm。夏玉米均采用穴播種植，播種深度5 cm，行距60 cm，株距40 cm。所用地膜為普通聚乙烯塑料薄膜，膜厚0.008 mm，覆膜小區(qū)作物生育期內(nèi)持續(xù)覆膜，收獲后揭膜，下一季作物種植前重新覆膜。試驗小區(qū)無灌溉，秸稈不還田。具體施肥和播種措施見表2。

表2 冬小麥-夏玉米輪作田間試驗基本信息

1.3 試驗測定指標

1.3.1 土壤剖面水分 土壤120 cm深度剖面含水率用TRIME-TDR(TRIME-PICO-IPH TDR，IMKO公司，德國)測定，TRIME管分布在小區(qū)中間位置，以0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100、100～120 cm分層測定。冬小麥大約每10 d測定一次，夏玉米大約每7 d測定一次。土壤貯水量(SWC，mm)計算公式如下：

SWC=10×ρi×ωi×hi

(1)

式中，ρi為第i層土壤容重(g·cm-3)；ωi為第i層土壤含水量(%)；hi為第i層土層厚度(cm)。

作物生育期農(nóng)田耗水量(ET，mm)和水分利用效率(WUE，kg·hm-2·mm-1)計算公式如下：

ET=(W1-W2)+P

(2)

(3)

式中，W1為播前土壤貯水量(mm)；W2為收獲時土壤貯水量(mm)；P為作物生育期≥5 mm有效降水量(mm)；Y為作物籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.3.2 土壤溫度 2013—2016年利用土壤水熱鹽三參數(shù)測量儀(EM50,Decagon儀器公司，美國)測定土壤溫度，其5個探頭測定深度分別為15、30、50、70、100 cm，各土層深度探頭布置在小區(qū)中部，利用15 cm土層溫度表征土壤表層溫度。2017—2018年利用人工監(jiān)測地溫計(曲管地溫計)，監(jiān)測土層溫度為5、10、15、20、25 cm，平均每3天記錄一次，利用5 cm深度土層溫度表征表層土壤溫度。

1.3.3 作物生長和產(chǎn)量指標 在冬小麥返青后，采用冠層分析儀(SunScan，Delta T儀器公司，英國)測定各生育期葉面積指數(shù)(LAI)，每個小區(qū)測定3次，取平均值。夏玉米于三葉期標記生長均勻且具有代表性的植株定株，其中每個小區(qū)選取2株植株，于拔節(jié)期、抽雄期、開花期、灌漿期和收獲期準確觀測并記錄植株株高和所有綠葉的葉片長度和最大寬度，用于計算玉米冠層覆蓋度。

在關(guān)鍵生育期選取小麥5株(2017—2018年冬小麥3穴)、夏玉米3株，齊地切斷獲取完整地上部植株(夏玉米需將莖、葉和穗分開)，立即稱重并置于烘箱殺青30 min(105℃)，烘干(75℃)至恒重，記錄干物質(zhì)重量。

冬小麥成熟后，在每個小區(qū)取已標記的1 m2樣方的植株，測定穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。夏玉米成熟后，每個小區(qū)選取中間10株，測定玉米行數(shù)、行粒數(shù)和百粒重。冬小麥和夏玉米進行人工脫粒烘干后分別測定籽粒產(chǎn)量。

1.4 AquaCrop模型的主要機理介紹

1.4.1 模擬作物產(chǎn)量形成 AquaCrop模型利用蒸騰量與歸一化水分生產(chǎn)效率計算植株地上生物量，再通過收獲指數(shù)控制最終產(chǎn)量。優(yōu)化后的公式構(gòu)成了模型核心方程式(4)和(5)[25-26]：

B=WP*×∑Tr

(4)

Y=HI×B

(5)

式中，B為地上部生物量(kg·hm-2)；WP*為歸一化水分生產(chǎn)效率；Tr為實際蒸騰量(mm);Y為作物產(chǎn)量(kg·hm-2)；HI為作物收獲指數(shù)(%)。

1.4.2 模擬作物生長發(fā)育 AquaCrop模型基于時間的函數(shù)模擬作物冠層發(fā)育和根系生長過程。用戶可以選擇以天為步長的日歷時間(calendar days)或以生長度日(growing degree days,GDD；℃·d)為步長的積溫時間來模擬作物的生長過程。

GDD的計算方法是用平均氣溫(Ta)減去作物有效積溫的下限溫度值(Tbase):

(6)

(7)

1.5 覆膜積溫補償效應(yīng)

1.5.1 覆膜積溫補償系數(shù) AquaCrop模型中以GDD為步長的積溫時間切合覆膜措施增加土壤積溫補償作物空氣積溫的作用過程；此外，AquaCrop模型也考慮了地膜覆蓋對土壤蒸發(fā)的抑制作用。因此，前人在研究覆膜積溫補償效應(yīng)時多以AquaCrop模型為主。

為了定量計算覆膜后土壤溫度增加對空氣積溫的補償作用，前人定義了覆膜積溫補償系數(shù)，表示覆膜處理土壤有效積溫每升高1 ℃·d所能補償?shù)目諝庥行Хe溫的數(shù)量[3,6]，其中，以生育期為步長的覆膜積溫補償系數(shù)計算公式如下：

(8)

1.5.2 氣象數(shù)據(jù)修正 由覆膜積溫補償系數(shù)引入覆膜積溫補償效應(yīng)(方法二)時，AquaCrop模型中覆膜處理的最高溫與最低溫數(shù)據(jù)是由當天平均氣溫加上積溫補償值，再經(jīng)過推導(dǎo)換算得到，參考楊寧等[24]具體計算方法如下：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

由圖4可知，冬小麥季覆膜增溫作用主要發(fā)生在小麥返青之前，因此本研究中冬小麥生育時期主要為播種～出苗(i=1)和出苗～越冬時期(i=2)；夏玉米參考楊寧等[24]等文獻，生育時期主要為播種～出苗(i=1)和出苗～抽雄時期(i=2)?；诠?8)～(13)可求得修正后的覆膜處理下日最高氣溫和日最低氣溫，與其他氣象資料一起作為氣象數(shù)據(jù)輸入AquaCrop模型，這樣就在AquaCrop模型中定量引用了覆膜積溫補償效應(yīng)。

覆膜積溫補償效應(yīng)方法一是調(diào)節(jié)AquaCrop模型與作物生育發(fā)展歷時相關(guān)的積溫參數(shù)，直接體現(xiàn)覆膜積溫補償效應(yīng)加速作物生長的效果。本研究方法一中AquaCrop模型相關(guān)積溫參數(shù)與董文俊等[22]基本一致。

1.6 冠層覆蓋度

單株葉面積(A，m2)、LAI和冠層覆蓋度(CC)計算公式如下：

(14)

LAI=0.0001×ρ×A

(15)

CCwheat=1-exp(-0.65LAI)

(16)

CCmaize=1.005[1-exp(-0.6LAI)]1.2

(17)

式中，Lk為第k個葉片到葉尖端的長度(m)；Wk為第k個葉片最寬處的寬度(m)；0.75為葉面積系數(shù)；公式(16)和(17)分別為冬小麥、夏玉米CC計算公式[31-32]。

1.7 有效土壤積溫

2013—2016年，使用EM50實測的15 cm深度每日土壤溫度計算有效土壤積溫。2017—2018年，以冬小麥和夏玉米日均氣溫為自變量，以日均土壤溫度為應(yīng)變量進行線性相關(guān)分析，建立線性回歸方程，利用每日日均氣溫數(shù)據(jù)和線性回歸方程對觀測的土壤溫度進行插值，估算PM處理與CK處理冬小麥和夏玉米5 cm深度每日土壤溫度。

1.8 數(shù)據(jù)處理

本研究利用2013—2016年田間試驗數(shù)據(jù)進行校準，利用2017—2018年田間試驗數(shù)據(jù)進行驗證；利用Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，用SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，采用LSD(Least Significant Difference)法進行顯著性分析(P<0.05)，用SigmaPlot 12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層土壤溫度動態(tài)變化

在冬小麥生長季，覆膜措施在2014年1月22日、2015年2月15日、2016年3月8日和2017年2月15日之前具有較好的增加土壤溫度的作用；隨后直到3月中旬(大約拔節(jié)期)之前，前三季冬小麥PM處理和CK處理的土壤溫度差別不大，第4季冬小麥由于測量頻率較低，沒有本過渡階段。3月中旬之后，所有生長季PM處理土壤溫度均低于CK處理(圖3)。覆膜措施有效增加了玉米季土壤溫度，玉米拔節(jié)期之前增溫效果更加顯著(圖3)。

2.2 覆膜積溫補償系數(shù)及平均日氣溫變化量

冬小麥播種～出苗階段覆膜積溫補償系數(shù)分布在0.87～1.39之間，平均值為1.08(表3)；出苗～越冬期階段，覆膜積溫補償系數(shù)分布在0.51～0.63之間，平均值為0.54。通過覆膜積溫補償系數(shù)換算，冬小麥播種～出苗階段地積溫對氣積溫的補償值(日均值)分布在0.57～1.90℃之間，平均值為1.33℃；冬小麥出苗～越冬期階段地積溫對氣積溫的補償值(日均值)分布在0.17～0.32℃之間，平均值為0.26℃。

表3 冬小麥不同生長階段的覆膜積溫補償系數(shù)

夏玉米播種～出苗階段覆膜積溫補償系數(shù)分布在0.71～0.90之間，平均值為0.81(表4)；出苗～抽雄期覆膜積溫補償系數(shù)分布在0.54～0.69之間，平均值為0.63。由覆膜積溫補償系數(shù)換算，夏玉米播種～出苗階段地積溫對氣積溫的補償值(日均值)分布在1.12℃～2.44℃之間，平均值為1.74℃；夏玉米出苗～抽雄期階段地積溫對氣積溫的補償值(日均值)分布在0.57℃～1.86℃之間，平均值為1.00℃。

表4 夏玉米不同生長階段的覆膜積溫補償系數(shù)

冬小麥和夏玉米播種～出苗階段的覆膜積溫補償系數(shù)均大于出苗～越冬期/抽雄期階段的覆膜積溫補償系數(shù)。這表明覆膜條件下，作物出苗前地積溫對空氣積溫的補償作用更加明顯；隨著作物的生長，冠層對太陽輻射的阻擋作用日趨增強，增溫補償作用逐漸減弱。

2.3 AquaCrop模型的適用性

方法一和方法二的模擬結(jié)果，冠層覆蓋度的模擬值與實測值變化趨勢基本一致(圖4)，其中，冠層覆蓋度模擬值和實測值之間的R2分別分布在0.25～0.97、0.55～0.99之間，RMSE分別分布在1.1%～15.3%、2.7%～13.3%之間，NRMSE分別分布在1.6%～22.6%、3.8%～17.0%之間，其中分別有50.8%、74.1%的冠層覆蓋度模擬值在實測值的標準差范圍內(nèi)波動。

兩種方法中地上部生物量也表現(xiàn)出了較好的模擬結(jié)果(圖5)。方法一和方法二地上部生物量模擬值和實測值之間的R2分別分布在0.89～0.98、0.94～0.99之間，RMSE分別分布在0.626～2.184 t·hm-2、0.868～2.399 t·hm-2之間，NRMSE分別分布在10.8%～29.5%、10.1%～31.3%之間，其中分別有63.6%、83.3%的地上部生物量模擬值在實測值及標準差范圍內(nèi)波動。

方法一和方法二1.2 m土層土壤貯水量模擬值和實測值之間的R2分別分布在0.10～0.94、0.16～0.87之間，RMSE分別分布在14.3～28.9、15.8～31.7 mm之間，NRMSE分別分布在4.5%～9.6%、4.9%～11.2%之間。作物參數(shù)與CK處理和PM處理一致的土壤貯水量模擬值分別有67.0%、84.2%在實測值及標準差范圍內(nèi)波動(圖6)。

覆膜作物生育期的模擬結(jié)果表明(表5)，方法一和方法二均可以較好地調(diào)節(jié)作物生育期的模擬結(jié)果，其中，在2014年夏玉米、2014—2015年冬小麥季、2015年夏玉米和2017—2018年冬小麥季，方法二模擬生育期與實際生育期一致，其它生長季與實際生育期的時間相差不大。方法一和方法二產(chǎn)量模擬結(jié)果的相對誤差范圍分別為-15.4%～15.1%和-13.0%～7.4%(表6)，耗水量模擬結(jié)果的相對誤差范圍分別為-21.0%～15.9%和-10.2%～23.6%(表7)。整體上，與方法一模擬結(jié)果相比，方法二的產(chǎn)量模擬值與實測值的相對誤差更小。

表5 AquaCrop模型對覆膜作物生育期的模擬結(jié)果

表6 AquaCrop模型對覆膜作物產(chǎn)量的模擬結(jié)果

表7 AquaCrop模型對覆膜作物耗水量的模擬結(jié)果

3 討 論

3.1 覆膜積溫補償效應(yīng)

前人對于覆膜積溫補償效應(yīng)的研究多集中于玉米和棉花等春(夏)播秋收作物[6,9,24]，越冬作物冬小麥生長發(fā)育階段的特征決定了其覆膜積溫補償效應(yīng)的特殊性。冬小麥生育發(fā)展主要經(jīng)歷2個氣溫變化過程。第一階段為播種至越冬期，氣溫呈現(xiàn)逐步降低的趨勢；此時相較CK處理，PM處理主要表現(xiàn)出增加地溫的作用。第二階段為返青期至成熟期，此進程中氣溫呈現(xiàn)逐步升高的趨勢；相較CK處理，PM處理增加土壤溫度的作用逐漸消失，直至出現(xiàn)降低土壤溫度的作用。PM處理與CK處理之間土壤溫度的大小關(guān)系與冬小麥植株發(fā)育和土壤含水量等因素密切相關(guān)。播種至越冬期階段，一方面，當冬小麥處于苗期，植株冠層較小，無法有效遮蓋地面，太陽輻射可以直接到達地面；此進程中PM處理有效減小了土壤表面水分蒸發(fā)，從而減少了潛熱的散失[3]，使得土壤溫度相比CK處理表現(xiàn)出增加的趨勢。另一方面，PM處理抑制土壤蒸發(fā)使得土壤含水量增加[33]，土壤的比熱隨之增大；PM處理土壤溫度整體上降低緩慢，與CK處理相比，表現(xiàn)出增溫作用。返青期至成熟期，隨著冬小麥植株的快速生長，冠層逐漸增大，直至封行，太陽輻射無法直達地面，PM處理對土壤潛熱的保持作用減弱；另外，PM處理土壤含水量高，土壤比熱較大，土壤升溫速度緩慢。雙重因素疊加使得PM處理表現(xiàn)出降低土壤溫度的作用。對于夏玉米而言，由于其生長季內(nèi)氣溫處于上升階段，且已經(jīng)處于較高的溫度水平，封行之前PM處理抑制土壤蒸發(fā)，減少了潛熱的散失；同時PM處理土壤含水量較高，土壤的比熱隨之增大，自然日內(nèi)土壤溫度變化相對平緩。兩方面因素的疊加使得覆膜措施持續(xù)增加土壤溫度。

冬小麥生育期內(nèi)覆膜增加土壤溫度的作用有一定的時限性。這種時限性使得覆膜積溫補償效應(yīng)有著相應(yīng)的作用時間閾值，本研究中該作用時間閾值大致在越冬后期。Zou等[34]研究表明，覆膜平作處理的夏玉米地上部生物量累積過程較土壤溫度表現(xiàn)出一定的滯后性，這表明夏玉米的覆膜積溫補償效應(yīng)也具有一定的作用時間閾值。該時間閾值決定了覆膜平作處理對作物生長發(fā)育影響的時間，準確確定該時間閾值對于進一步定量模擬覆膜條件下作物生長發(fā)育亦具有重要意義。

3.2 覆膜積溫補償系數(shù)

作物品種、氣象、土壤、播期以及覆膜方式等不同因素均會影響覆膜對地溫的增加作用，進而影響覆膜積溫補償效應(yīng)的效果。前人的研究中，覆膜積溫補償系數(shù)的估算主要集中在棉花和玉米生育過程中。棉花出苗到現(xiàn)蕾期積溫補償系數(shù)CC為0.51，現(xiàn)蕾期到開花期CC為0.22[4]；肖明等[6]研究結(jié)果表明，棉花出苗至三葉期CC為0.371，三葉期的CC值為1.345，蕾期CC值為0.207，出苗至現(xiàn)蕾期整體的CC值為0.843。付春曉等[8]研究結(jié)果顯示，覆膜玉米播種至苗期CC約為0.45，出苗至抽雄期CC大約為0.20；楊寧等[24]研究結(jié)果表明，覆膜玉米播種至出苗的CC為1.356左右，出苗至抽雄前CC為0.635左右。本研究夏玉米播種～苗期的CC為0.81，出苗～抽雄期CC大約為0.63；冬小麥播種～出苗CC為1.08，出苗～越冬期CC為0.54。以上研究均表明，作物生育前期CC值大于生育后期CC值。

玉米季覆膜處理的前期和中期地溫增加較為明顯，可達2.5 ℃左右，后期溫度增幅減小[35]。王罕博等[36]研究結(jié)果表明,地膜覆蓋顯著提高了土壤溫度(P<0.05)，相比于裸地處理，全生育期平均增加了4.9%，為玉米出苗和前期生長提供了有利條件。本研究基于覆膜積溫補償效應(yīng)，相比CK處理，PM處理夏玉米播種～出苗、出苗～抽雄期溫度分別增加1.74℃和1.00℃，增幅達到6.4%～9.8%；PM處理冬小麥播種～出苗、出苗～越冬期溫度分別增加1.33℃和0.26℃，增幅達到3.1%～3.9%。楊寧等[12]研究表明，玉米播種～出苗溫度增加1.41℃，出苗～抽雄增加0.89℃。以上研究表明，在作物生長前期，由于作物冠層發(fā)育較小，太陽輻射直接到達地面，覆膜增溫加速作物生長的效果較好，覆膜積溫補償效應(yīng)更明顯。

3.3 AquaCrop模型的優(yōu)化改進

AquaCrop模型以土壤水分為主要驅(qū)動因子，尚缺少地溫模塊。該模型在模擬覆膜作物生長過程中，如果不通過計算覆膜增溫補償系數(shù)而引入覆膜積溫補償效應(yīng)，常常導(dǎo)致同一作物品種設(shè)定為2套作物品種參數(shù)，主要區(qū)別在于積溫參數(shù)變小，覆膜作物相關(guān)生育時期縮短[10,23]。這種調(diào)參過程單從AquaCrop模型的模擬角度考慮，是以結(jié)果為導(dǎo)向，直接在模型中引入了覆膜積溫補償效應(yīng)的加速作物生長效果(方法一)。在方法一的參數(shù)結(jié)果中，同一作物品種存在2套參數(shù)，這與常規(guī)認識存在分歧，無法從作物生長發(fā)育機理上實現(xiàn)對覆膜條件下冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)生長發(fā)育的模擬。

本研究中利用覆膜積溫補償系數(shù)，通過改進外源的氣候數(shù)據(jù)，在應(yīng)用AquaCrop模型時間接引入了覆膜積溫補償效應(yīng)(方法二)，與方法一相比，在模擬冠層覆蓋度、地上部生物量、產(chǎn)量和土壤貯水量模擬方面表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢。通過計算覆膜積溫補償系數(shù)而引入覆膜積溫補償效應(yīng)(方法二)，從積溫理論角度，這種調(diào)參過程是以補償效應(yīng)的機理為導(dǎo)向的，可以將覆膜增加的土壤溫度補償?shù)娇諝庥行Хe溫中，從而間接在模型中引入覆膜積溫補償效應(yīng)。雖然這種方法簡單方便，但是沒有考慮空氣溫度的改變對模型中作物其他生長參數(shù)的影響，如何界定該效應(yīng)對參考作物蒸發(fā)蒸騰量的影響也無定論。此外，應(yīng)用方法二在AquaCrop模型中引入覆膜積溫補償效應(yīng)時，只能基于實測土壤溫度與空氣溫度之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。在長期氣候變化條件下，由于這種轉(zhuǎn)化關(guān)系較難在時間尺度上推廣應(yīng)用，故而相關(guān)研究中方法二的應(yīng)用較為困難。

3.4 研究展望

為了進一步模擬覆膜之后土壤溫度的變化，前人也將土壤溫度對覆膜措施的響應(yīng)機制與已有模型進行了耦合，并進行了應(yīng)用研究。根據(jù)熱量在空氣-地膜-土壤不同介質(zhì)中的傳遞規(guī)律，增加并完善了DNDC模型中的覆膜模塊，改進了DNDC模型對覆膜玉米土壤溫度和水分的模擬效果[37]。利用DNDC模型模擬研究了不同覆蓋措施對麥玉輪作系統(tǒng)產(chǎn)量和溫室氣體排放的影響[38]。近年來，水稻覆膜旱作生產(chǎn)體系得到較好的發(fā)展，前人也利用熱量在不同介質(zhì)中的傳遞規(guī)律解決了覆膜增溫效應(yīng)在CERES-Rice和WHCNS模型中模擬的問題[39-41]。最新RZ-SHAW模型考慮并修正了覆膜措施對土壤溫度的影響，基于覆膜條件下太陽輻射吸收和反射規(guī)律、水汽轉(zhuǎn)化和能量傳輸過程，優(yōu)化了相關(guān)參數(shù)指標，能夠模擬覆膜條件下大氣-植物-地膜-土壤系統(tǒng)中的水熱傳輸和轉(zhuǎn)化，可以較好地模擬不同地膜覆蓋度下5 cm深度土壤的溫度在玉米出苗過程發(fā)展變化趨勢[42]。因此，在充分研究覆膜積溫補償效應(yīng)的基礎(chǔ)上，量化覆膜措施增溫作用對作物生長發(fā)育的影響，建立相應(yīng)的覆膜積溫補償效應(yīng)模塊，與已有作物模型耦合，是將來解決覆膜積溫補償效應(yīng)模擬問題的關(guān)鍵。

4 結(jié) 論

本文分析了冬小麥覆膜積溫補償效應(yīng)的特征，估算了黃土高原南部冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)覆膜積溫補償效應(yīng)系數(shù)，并基于兩種方法在AquaCrop模型中引入覆膜積溫補償效應(yīng)，對AquaCrop模型的模擬效果進行對比，進行適用性評價分析，得出主要結(jié)論如下：

(1)只有在播種至越冬期，冬小麥覆膜處理表現(xiàn)出增加地溫的趨勢，該覆膜增溫作用的時限性表明冬小麥覆膜積溫補償效應(yīng)在越冬后期出現(xiàn)作用時間閾值。由于冬小麥和夏玉米在播種～出苗階段的積溫補償系數(shù)均大于出苗～越冬期(出苗～抽雄期)，因此在作物生長前期，覆膜增溫加速作物生長的效果較好，覆膜積溫補償效應(yīng)也更明顯。

(2)對比在AquaCrop模型引入覆膜積溫補償效應(yīng)的兩種方法，方法二在冠層覆蓋度、地上部生物量、作物產(chǎn)量和土壤貯水量模擬方面表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢，且能更好地解釋覆膜措施對冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)作物發(fā)育進程的影響。