基于APSIM模型的旱地春小麥生育期的播期和耕作效應分析

雒翠萍，聶志剛，王 鈞，董莉霞，逯玉蘭，李 廣

(1.甘肅農業大學信息科學技術學院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農業大學林學院，甘肅蘭州 730070)

小麥從播種到成熟的生長發育是產量形成的基礎，全生育期持續時間與最終產量密切相關[1]，因而小麥生育期是小麥生產實踐和科學研究關注的一個重要內容。隨著信息技術的快速發展，作物模型作為定量分析農作物生產調控的方法已得到廣泛應用。不同的生育時期作物生理和形態性狀表現出不同的特征，各生長階段持續天數的準確量化也是利用作物模型進行模擬研究的基礎。RiceGrow水稻生長模擬模型以生理發育時間作為定量分析水稻發育進程的通用尺度，描述了溫度、光周期及品種遺傳特性的共同作用對小麥生理發育時間的影響[2]。CERES-Wheat模型中作物生育階段模擬包括了春化作用和光周期的調節，以取最小值法計算光溫系數間的互作效應[3]。ORYZA2000水稻生育期模型采用生育階段作為衡量水稻發育進程的尺度，由每日發育速率累積形成，充分量化了溫度、光周期、移栽及品種遺傳特性對發育的影響及因素間的相互關系[4]。眾多學者因地制宜構建作物生育期模型，為當地農作物生產的預測調控提供了決策依據。APSIM(agricultural production systems simulator)模型以作物屬性模塊(APSIM-Wheat)為通用作物生長模擬框架[5]，依據研究區作物生長階段生理生態特性進行APSIM-Wheat模塊參數本土化率定，并以研究區土壤參數庫為基礎，氣象參數庫為驅動，實現作物生長發育過程的動態模擬。近些年來，APSIM模型在黃土丘陵區春小麥生長模擬適用性及氣候變化效應分析的研究中取得了一定成果[6-7]，但是在該區域利用模型開展旱地春小麥全生育期和各生長階段持續天數機理的研究報道較少。本研究依據甘肅省定西市安定區鳳翔鎮安家溝村2015-2016年大田試驗數據及研究區1971-2017年氣象資料，對APSIM中與旱地春小麥全生育期相關的參數進行本土化率定，開展不同播期和耕作措施對旱地春小麥全生育期的影響分析，以期為旱地春小麥各生長階段持續天數的預測及小麥生產應對氣候的變化提供一定的技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

2015-2016年在甘肅省定西市安定區鳳翔鎮安家溝村進行大田試驗。試驗區為黃土丘陵典型雨養農業區，海拔1 980 m，屬中溫帶半干旱氣候；光照充足，年均日照時數2 408.6 h；年均氣溫6.4 ℃，年均≥10 ℃積溫2 239.1 ℃；多年平均降雨量385.0 mm，降水量季節分配不均。

供試春小麥品種為甘春32號，播種量187.5 kg·hm-2，免耕播種機播種，播深7 cm，行距25 cm。試驗采用隨機區組設計，除試驗因素外其他田間管理同普通大田，基肥在播種時一次性施入，7月下旬收獲。試驗共設3個播期處理，分別是3月19日正常播期(NSW)、3月6日早播(ESW)、3月30日晚播(LSW)；設4種耕作措施，分別是傳統耕作(T)、傳統耕作+秸稈覆蓋(TS)、免耕(NT)和免耕+秸稈覆蓋(NTS)。小區面積 24 m2(6 m×4 m)，3次重復，邊行外設0.5 m寬保護帶。

1.2 數據來源

APSIM模型氣象參數庫(Dingxi.met)中逐日數據包括太陽輻射、最高氣溫、最低氣溫和降水量。數據來源于甘肅省氣象局的定西市安定區1971-2017年資料，太陽輻射利用日照時間轉換計算法計算[6]。

APSIM模型土壤參數庫(Dingxi.soils)借鑒李廣等[6]在黃土丘陵區APSIM適用性研究中長期積累的研究區土壤屬性數據，結合大田測定數據組建。APSIM-Wheat模塊控制文件(Wheat.xml)中待測參數包括春小麥種子萌發階段(播種-出苗)、幼苗階段(出苗-拔節)、器官建成階段(拔節-開花)以及籽粒形成階段(開花-成熟)植株莖和葉片氮素含量。采用半微量凱氏定氮法[8]，在春小麥各生長階段3次采樣測定的植株莖和葉片氮素平均含量分別為1.08%和1.15%(出苗-拔節)、2.77%和3.47%(拔節-開花)、1.23%和1.95%(開花-成熟)。

APSIM-Wheat模塊控制文件(Wheat.xml)中待估計參數借鑒李廣等[6]前期積累的作物屬性數據，并基于田間試驗，通過窮舉試錯法反復手動修改和校準得到本土化作物基本屬性參數(表1)。其中，春小麥種子萌發階段、幼苗階段、器官建成階段及籽粒形成階段有效積溫利用基本溫度、日均溫度計算，將一天劃分8個溫度段估算日均溫度。APSIM模型以各生長階段累積積溫為依據，通過達到累積積溫來預測春小麥某一生長階段持續天數。在模型組件“padock”的耕作措施工具包“Manage folder”下菜單“Crop Management”設置與大田試驗相對應的4種耕作措施，在表層覆蓋工具包“Surface Organic Matter”設置與大田試驗相對應的秸稈覆蓋量(2 250 kg·hm-2)。

表1 APSIM平臺中供試小麥基本屬性參數

1.3 模型構建

APSIM模型中對作物生長階段持續天數的模擬是基于作物完成某一生長階段積溫恒定原理，假設在理想條件下，春小麥生長階段的累積積溫達到潛在最大值，采用光周期效應、春化作用以及水分、氮素脅迫的限制來修正累積積溫。APSIM模型中對旱地春小麥全生育期描述的表達式[9]如下：

TT=∑[△TT×min(fD,fV) ×min(fW,pheno,fN,pheno)]

(1)

式中，TT為某生育階段的累積積溫。考慮到的小麥品種遺傳特性主要包括春化作用(fV)和光周期效應(fD)，環境因素主要包括水分虧缺(fW,pheno)和氮素脅迫(fN,pheno)。

(2)

Tc=(Tcmax+Tcmin)/2

(3)

(4)

(5)

式中，△TT為日積溫；Tc、Tcmax和Tcmin為日積溫算子平均值、最大值和最小值，日積溫算子與溫度的關系借鑒Ritchie等[10]在CERES-Wheat模型中關于日積溫的計算經驗，其中Tmax和Tmin為日最高溫和日最低溫，來源于氣象參數庫(Dingxi.met)。

推薦理由:作者曾獲以色列布倫納獎、以色列總理獎、美國猶太圖書獎等獎項，這部小說被他視為自己創作成熟的標志。中文譯本首次出版。小說講述了1930年代巴勒斯坦的一個小村莊里，朱迪斯與她的三個愛慕者之間發生的故事。作者從宗教故事和神話傳說中汲取靈感，并融入猶太鄉村的風土人情，用魔幻現實主義的高超技法，將這個《雅歌》般的傳奇娓娓道來。

fD=1-0.02×Rp×(20-Lp)2

(6)

式中，fD為光周期敏感度因子，描述了幼苗階段光周期效應對生長階段持續天數的影響，其他生育階段無影響，即取值為1；Rp為光周期敏感度；Lp為日照時長(h)，取值于氣象數據庫Dingxi.met。

fv=1-(0.00545Rv+0.0003)(50-V)

(7)

V=∑(△V-△Vd)

(8)

△V=min{1.4-0.0778Tc,0.5+13.44×[Tc/(Tmax-Tmin+3)2]}

Tmax<30 ℃ andTmin<15 ℃

(9)

△Vd=min[0.5×(Tmax-30),V]

(10)

式中，fV為春化作用敏感度因子，描述了幼苗階段春化作用對生長階段持續天數的影響，其他生長階段無影響，即取值為1；RV為春化作用敏感度；V為總春化，通過累加幼苗階段日春化與再春化的差值來量化總春化；△V為日春化，△Vd為再春化，當日最高溫大于30 ℃并且總春化小于10，再春化作用發生。

fW,pheno=ESWactua/ESWpoten

(11)

式中，fW,pheno為水分虧缺系數，描述了種子萌發階段，土壤有效水分對持續天數的影響，其他生長階段無影響，即取值為1；ESWactua和ESWpoten分別為根部實際可獲取的土壤水分和根部潛在可獲取的土壤水分，由APSIM內部水分平衡子模型計算。

(12)

式中：fN,pheno為氮素脅迫系數，描述了氮素脅迫對生長階段持續天數的影響，對種子萌發階段無影響，即取值為1，其他生長階段可根據進入植株莖和葉片的氮素含量(%)計算；CN為實際進入莖和葉片的氮素積累含量(%)。根據生長階段的不同，由APSIM模型內部氮素平衡子模型確定CNcrit和CNmin，CNcrit為臨界氮含量(%)，CNmin為莖和葉片自由生長結構性氮素需求[9]下限(%)。

1.4 模型檢驗方法

采用相關系數(R)和均方根誤差(RMSE)、歸一化均方根誤差(NRMSE)對模型模擬效果進行檢驗。RMSE的值越小，表明模擬值與實測值之間誤差越小，NRMSE控制在10%以內，表明模型的模擬有較高精度[6]。計算公式如下：

(13)

(14)

式中，YObs為實測值，YSim為模擬值，YMean為實測平均值。

2 結果與分析

2.1 模型檢驗

基于作物完成某一生育階段積溫恒定的原理，對1971-2017年不同播期和耕作措施下春小麥全生育期及各生長階段持續天數進行模擬試驗。相關分析表明，2015-2016年實測值(表2)與1971-2017年平均模擬值(表3)呈線性正相關，相關系數(R)大于0.9，誤差控制在±15%以內；均方根誤差(RMSE)為0.7～3.0 d，歸一化均方根誤差(NRMSE)為2.34%～6.93%，控制在10%以內(圖1和圖2)。這說明APSIM模型對旱地春小麥全生育期及各生長階段持續天數的模擬有較高精度。

圖1 旱地春小麥各生長階段持續天數模擬值與實測值關系

圖2 旱地春小麥全生育期模擬值與實測值關系

表2 2015-2016年旱地春小麥生長階段持續天數實測平均值

2.2 播期和耕作措施對旱地春小麥全生育期的影響

從模擬值(表3)可以看出，播期對旱地春小麥生長發育持續天數影響顯著。不同耕作措施下，早播(3月6日)的全生育持續天數最長，為136.5～138.2 d；晚播(3月30日)的全生育期持續天數最短，為116.2～120.5 d；早播與晚播之間相差16.0～22.0 d。從種子萌發階段到器官建成階段(播種-開花)，早播平均需要110.6～111.1 d，晚播平均需要92.8～95.0 d，早播與晚播之間差距15.6～18.3 d。耕作措施對春小麥生長階段持續天數影響都不顯著。

表3 1971-2017年旱地春小麥生長階段持續天數模擬平均值

3 討 論

APSIM模型基于作物完成某一生育階段積溫恒定原理，充分考慮小麥品種對春化、光周期等的遺傳作用。本研究立足田間試驗，依據旱地春小麥生長發育機理理論，對APSIM-Wheat中與旱地春小麥全生育期相關的待估計參數(播種-出苗積溫、出苗-拔節積溫、拔節-開花積溫、開花-成熟積溫、光周期敏感度、春化作用敏感度)，反復進行窮舉試錯手動校準，獲得了適宜于黃土丘陵區域的旱地春小麥全生育期本土化參數集合，有效地提高了該模型對黃土丘陵區旱地春小麥各生長階段持續天數的模擬精度，模擬結果的均方根誤差(RMSE)達到0.7～3.0 d，歸一化均方根誤差(NRMSE)為2.34%～6.93%。模型構建中關注到了溫度、水分和氮素等環境因素，但是對于土壤磷對黃土丘陵區旱地春小麥生長發育的限制，將在進一步田間試驗的基礎上，對模型進行 改進。

隨著播期的變化，作物所處生長階段的局部氣候條件發生改變[11]，使得作物群體對光、溫、水、氣等氣候資源的利用率產生差異[12]。本研究中，在1971-2017年旱地春小麥的種子萌發階段，日平均溫度為5.1 ℃，年均降水量為22.4 mm，年均太陽輻射量6.8 MJ·m-2，低溫寡照，春小麥根系發育緩慢，早播春小麥種子萌發階段延長；隨著溫度逐漸升高，春小麥根系生長活躍，晚播春小麥種子萌發階段縮短；在種子萌發階段，早播較晚播春小麥生長持續天數平均延長13.6～15.9 d。在幼苗階段，日長夜短，日平均溫度為12.2 ℃，年均降水量為72.5 mm，年均太陽輻射量 7.7 MJ·m-2，太陽輻射量逐漸增加，葉片光合作用延長，有利于生物量的積累，使得生長速度加快[13]，在幼苗階段，晚播春小麥生長持續天數較早播平均縮短2.5～4.1 d。由此可見，溫度、光照與旱地春小麥生育持續天數呈負相關。在籽粒形成階段，各播期春小麥生長發育持續天數均較短，早播與晚播之間相差0.2～2.5 d，該階段日平均溫度為18.8 ℃，年均降水量為41.6 mm，年均太陽輻射量7.5 MJ·m-2，研究區降水較少，溫度高，濕度低，植株正常水分代謝受限，灌漿過程縮短，生長進程加速[1]，早播和正常播小麥提早進入成熟，晚播小麥成熟期持續天數縮短，說明降水增加有利于旱地春小麥生長發育持續天數延長。隨著播期的推遲，春小麥從種子萌發階段到器官建成階段持續天數明顯減少，播期對籽粒形成階段持續天數影響不大，這與楊文雄[1]、張凱[14]的研究結果相一致。不同耕作措施下，低溫寡照會延長旱地春小麥生育持續天數，降水則具有正效應，且隨著播期的推遲，生育持續天數明顯減少，這與楊月[13]、李玥[15]的研究結果一致。在4種耕作措施、3個播期下春小麥各生長階段持續天數與光、溫、水的關系如圖3所示。開展播期對作物生長發育持續天數的影響研究將為研究區作物應對氣候變化適宜對策的選擇提供一定理論 依據。

圖3 4種耕作措施、3個播期下旱地春小麥各生長階段持續天數與光、溫、水的關系

黃土丘陵區域常采取的主要保護性耕作措施可分為秸稈覆蓋方式(TS和NTS)和不覆蓋方式(T和NT)，秸稈覆蓋方式(TS和NTS)對土壤理化性能的改良效果明顯，可有效提高土壤的保肥和供肥能力[16]，但光溫氣水等氣候因素對于作物生長階段持續天數的作用效果不明顯。因此，不同播期下，耕作措施對生長發育持續天數影響都不顯著。

4 結 論

基于作物完成某一生育階段積溫恒定原理，APSIM模型對旱地春小麥全生育期模擬效果較好，模擬值與實測值呈線性正相關，相關系數大于0.9，均方根誤差為0.7～3.0 d，歸一化均方根誤差為2.34%～6.93%。從模擬結果看，隨著播期的推遲，春小麥從種子萌發階段到器官建成階段(播種-開花)持續天數明顯減少，播期對籽粒形成階段(開花-成熟)持續天數影響不大。不同播期下，耕作措施對生長階段持續天數影響都不 顯著。