利用APSIM模型評估播期和種植密度對關中玉米氣候生產力的影響

徐 芳，何建強, 朱曉華，徐喜娟，馮 浩，于 強

(1.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院，陜西楊凌 712100；3.國家知識產權局專利局專利審查協作四川中心，成都 610200；4.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室,西安 710016；5.西北有色勘測工程有限責任公司，西安 710038；6.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌 712100)

玉米是陜西省重要的糧食作物，而關中地區是該省的玉米主產區[1-2]。自1978年以來，該地區玉米單位面積產量呈現明顯的增長趨勢，平均每10 a產量增長率為608 kg/hm2[3]。氣候是一個地區農業生產力的決定因素之一，有研究表明，降雨量是該地區影響玉米生長的重要氣候因子[1,4]；因此，為保證該地區玉米穩產高產，研究玉米在灌溉和雨養情景下的氣候生產力以及探究不同管理措施對玉米生產力的影響具有重要意義。

隨著氣候變化及其不確定性成為農業生產研究的熱點，利用模型評估作物的氣候生產力可以同時涵蓋多年和多種類型的氣候情景，相對大田試驗有限年型的局限性，作物模型展現出較大的優勢[5-6]。Meng等[7]利用Hybrid-Maize模型，結合我國1990—2009年的觀測氣象數據，評估了我國玉米的平均生產潛力，結果表明全國玉米平均潛在產量和雨養潛在產量分別為16.5和13.9 t hm2，通過灌溉玉米最大可增產約15.5%。在關中地區，大多數研究還是基于田間試驗研究玉米生產潛力，作物模型的應用相對較少，氣候生產力的研究結果有限?；谔镩g試驗結果評估模型在關中地區的適應性，結合多年的觀測氣象數據研究玉米的氣候生產力具有較大研究價值。此外，大多數通過優化管理措施提高作物生產力的研究還集中在單因素變化，而研究同時調整多種措施的交互作用對提高作物生產力可能更具潛力[8]。播期通常由當地的氣候資源決定，適宜的播期有利于作物充分利用光、熱和降水等氣候資源，從而促進作物生長發育和產量形成[1,9]，同時，優化種植密度可以改善作物冠層結構和光熱資源分布，從而改變作物生長發育模式[10]。因此，本研究將首先基于田間試驗數據評價APSIM模型在關中地區的適應性，然后利用驗證后的APSIM模型，結合1971—2010年的觀測氣象數據，模擬該地區玉米的氣候生產力，以及同時調整播期和密度對玉米生產潛力的影響，從而為該地區玉米生產策略提供科學參考。

1 資料與方法

1.1 數據來源

玉米田間試驗分別在楊凌和長武進行，其中楊凌種植夏玉米品種“鄭單958”，實驗數據為2009—2012年；長武種植春玉米品種“先玉335”，實驗數據為2017—2018年。管理參數包含不同的品種、播期、種植密度、施肥方式以及灌溉管理，試驗觀測指標包含玉米出苗期、開花期、成熟期和籽粒產量，主要用于校正和驗證APSIM模型，具體的管理及試驗數據見表1。土壤持水特性通過土鉆取樣測定，深度為1 m，每20 cm取樣一次，均勻混合后采用烘干法測定，主要包含連續土層的容重、永久凋萎系數、田間持水量和飽和含水率(表2)。兩個站點1971—2010年的氣象數據來源于中國氣象局氣象科學數據共享服務網(https://data.cma.cn/)，主要包括日降水量(mm)、日照時數(h)、最高氣溫和最低氣溫(℃)，其中玉米生育期(播種期至成熟期)內多年平均氣溫分別為24.11 ℃和17.80 ℃，平均太陽輻射分別為18.12 MJ/m2和18.74 MJ/m2，平均降雨量分別為362 mm和469 mm。

表1 玉米田間試驗具體信息

表2 玉米試驗站點的土壤特性參數

1.2 模型模擬

1.2.1 APSIM模型簡介 APSIM(agricultural production systems simulator)模型是由澳大利亞的聯邦科工組織(CSIRO)以及昆士蘭州政府的農業生產系統組(APSRU)聯合開發的以日為步長的模擬農作物生產發育過程的機理模型[11]，是可以精確模擬氣候、土壤、農業管理措施以及品種特性對作物生產影響的有力工具[12]。該模型輸入主要包括氣象數據、土壤數據、品種參數以及管理參數。使用APSIM 7.7版本模擬關中地區1971—2010年在不同管理情景下的玉米生產潛力。

1.2.2 模型的適應性驗證 采用“試錯法”調試APSIM模型的玉米品種參數，主要包括不同品種玉米各生育期內所需積溫、灌漿速率等參數(表3)，使玉米開花期、成熟期以及籽粒產量模擬值與觀測值接近。分別利用2009—2010年楊凌夏玉米和2017年長武春玉米的試驗數據，校正APSIM模型，采用2011—2012年夏玉米和2018年春玉米的試驗數據驗證模型。

表3 玉米品種參數信息

1.2.3 模擬情景 潛在產量(Yp)是指某一特定作物品種在沒有水分和養分脅迫情況下，僅受氣象條件影響所能獲得的最大產量；雨養潛在產量(Yw)通常指雨養情況下所能獲得的潛在產量[13-14]。Yp和Yw主要受溫度、輻射和土壤特性的影響，且Yw還受降雨的影響[15]。作物耗水量又稱實際蒸騰蒸發量(ET)，是指實際條件下作物獲得一定產量時實際所消耗的水量，而作物每消耗單位水量獲得的產量稱為水分利用效率((water use efficiency, WUE)[16]。

本研究利用驗證后的APSIM模型模擬不同管理情景下夏玉米和春玉米潛在和雨養情景下的潛在產量、耗水量和水分利用效率。為避免模型模擬中出苗失敗的情形，設置土壤剖面初始含水量為作物可用水量的75%，其中作物可用水量定義為凋萎含水率與田間持水量之間的差值。土壤剖面初始NO3和NH4含量分別設置為55 mg/m3和8 mg/m3。

充分灌溉情景下的模擬產量為潛在產量，當土壤含水率比作物可用水量低20 mm時即進行自動灌溉，直到土壤含水量等于作物可用水量，以消除玉米生長過程中的水分脅迫。雨養情景下，設置玉米全生育期內灌溉量為0，其他設置與充分灌溉情景相同，此時的模擬產量為雨養潛在產量。模擬設置4個不同種植密度，分別為4、6、8、10株/m2，其中6株/m2是本地的常規種植密度，夏玉米和春玉米的種植密度設置相同。此外，設置5個不同播期，以一周為間隔，其中夏玉米播期分別設置5月25日(S1)、6月1日(S2)、6月8日(S3)、6月15日(S4)和6月22日(S5)；春玉米播期分別設置4月5日(S1′)、4月12日(S2′)、4月19日(S3′)、4月26日(S4′)和5月3日(S5′)。其中6月8日(S3)和4月19日(S3′)分別是楊凌夏玉米和長武春玉米的常規播期。所有密度和播期共組成20種不同的交互情景。經過驗證，當施氮量大于250 kg/hm2時，APSIM模型模擬玉米產量變化不大。因此，所有模擬情景下均設置施氮量為250 kg/hm2以消除養分脅迫。

1.2.4 模型評價統計指標 為了評估APSIM模型在關中地區的適應性，在模型校正和驗證過程中，計算模擬值和觀測值的均方根誤差(RMSE)[17]、標準化均方根誤差(NRMSE)[18]和決定系數(R2)[19]來評價模型的適應性。RMSE和NRMSE分別反映模擬值與觀測值之間的絕對誤差和相對誤差，值越小，說明模擬效果越好；R2反應模擬值與觀測值之間的一致性，值越接近于1，說明模擬效果越好。

1.3 數據分析

采用多元線性回歸模型方法分析雨養情況下的潛在產量與生育期內的平均溫度、降雨量和太陽輻射之間的相關性，以探究該地區玉米產量的主要氣候影響因子。

2 結果與分析

2.1 APSIM模型的適應性

校正后APSIM模型的模擬結果顯示，夏玉米和春玉米生育期內所需的積溫分別為800和1 050 ℃·d，夏玉米相對春玉米灌漿速率更快(表3)。玉米開花期和成熟期模擬值和實測值的R2為0.98，RMSE為4 d(圖1a)；籽粒產量模擬值和觀測值也具有較好的一致性，R2為0.76，NRMSE為12%(圖1b)。結果表明APSIM模型在關中地區具有較好的適應性，能夠準確模擬玉米的生長發育和產量形成過程。

圖1 關中春玉米和夏玉米播期—花期、播期—成熟期(a)和籽粒產量(b)的模型驗證結果

2.2 常規播期和種植密度管理下玉米的灌溉生產潛力

利用校正后的APSIM模型模擬1971—2010年春玉米和夏玉米的生長過程，結果表明夏玉米多年平均Yp和Yw分別為8 756 和4 236 kg/hm2(圖2a)，變異系數分別為13.4%和68.2% ；春玉米多年平均Yp和Yw分別為13 138 和6 163 kg/hm2(圖2b)，變異系數分別為9.9%和55.8% 。通過灌溉，夏玉米和春玉米最高可增產約52%和53%。夏玉米和春玉米Yw的年際變異明顯大于Yp，且降水較多年份的玉米產量顯著高于較少年份，尤其是雨養情況。玉米Yw與各氣象因子的多元線性回歸結果顯示(表4)，夏玉米和春玉米的Yw與生育期內降雨都呈現顯著的正相關關系，而與溫度、輻射沒有明顯的相關性。這表明降雨是該地區影響玉米生長發育的主要氣象因子，降雨每增加1 mm，夏玉米和春玉米分別約增產14.7和18.0 kg/hm2。

表4 雨養產量與玉米生育期內氣象因子的多元線性回歸分析結果

多年玉米蒸發蒸騰量的模擬結果顯示，充分灌溉條件下玉米耗水量明顯大于雨養條件下(圖2c,圖2d)。夏玉米多年平均潛在ET和雨養潛在ET分別為454和318 mm，春玉米分別為492和415 mm。為保證玉米正常生長發育，夏玉米和春玉米需要的灌溉水量分別為136和77 mm。結果表明關中地區的雨養玉米受到水分脅迫嚴重，根據年際氣候條件制定相應的灌溉制度具有重要意義。

在充分灌溉情景下玉米水分利用效率明顯大于雨養情景(圖2e,圖2f)。夏玉米多年平均潛在WUE和雨養潛在WUE分別為19.7和12.3 kg/(hm2·mm)，春玉米分別為27.3和14.3 kg/(hm2·mm)。通過充分灌溉，夏玉米和春玉米的水分利用效率可分別提高7.4和13.0 kg/(hm2·mm)。在沒有水分脅迫情形下玉米水分利用效率更高?？梢?，充分灌溉下作物根系能夠充分吸水促進玉米代謝和生長；而干旱情形下由于根系吸水限制，玉米生長受到脅迫，從而產量形成也受到限制。

圖2 模型模擬1971—2010年常規播期和密度情景下關中夏玉米(a、c、e)和春玉米(b、d、f)分別在充分灌溉和雨養情景下的籽粒產量、蒸發蒸騰量和水分利用效率

2.3 播期和種植密度交互作用對玉米生產的影響

相對常規播期和密度組合情景下玉米產量模擬結果，夏玉米和春玉米Yp和Yw均隨著播期的延遲和種植密度的提高而增加(圖3a～圖3d)。當播期推遲2周和密度為10株/m2時，夏玉米Yp和Yw分別最多增加20.0%和24.2%，春玉米分別最多增加21.7%和22.8%。

玉米耗水量隨種植密度提高而增大，這主要是因為群體密度增大后，植株根系對土壤水分的競爭也相應增加；而對播期調整表現出差異性。隨著播期延遲，夏玉米潛在ET呈現減小趨勢(圖3 e～圖3h)。隨著播期延遲同時降低種植密度，夏玉米潛在ET最多減少10.2%；隨著播期提前同時提高種植密度，潛在ET最多增加7.1%。隨著播期延遲，春玉米在低種植密度時，潛在ET呈增大趨勢；而在高種植密度下，潛在ET呈下降趨勢。隨著播期提前同時降低種植密度，春玉米潛在ET最多減少7.9%；隨著播期提前同時提高種植密度，潛在ET最多增大14.2%。在雨養情況下，由于降雨量的限制，夏玉米和春玉米耗水量在不同播期和不同種植密度下的差異不大。

隨著播期推遲和種植密度增大，水分利用效率呈現增大的趨勢(圖3i～圖3l)，當播期推遲2周和種植密度為10株/m2時達到最大，夏玉米潛在WUE和雨養潛在WUE分別增大約22.7%和20.8%，春玉米增大約14.4%和20.0%?？梢?，水分利用效率對播期和種植密度的響應與產量表現出一致性，通過調整播期和種植密度可以同時提高夏玉米和春玉米水分利用效率。

圖3 模型模擬1971—2010年不同播期和密度組合情形下關中夏玉米在充分灌溉(a,e,i)和雨養情景(b,f,j)、春玉米在充分灌溉(c,g,k)和雨養情景(d,h,l)下相對常規播期和密度情景的產量、蒸發蒸騰量和水分利用效率的變化

3 結論

利用關中地區的玉米試驗數據驗證了APSIM模型在該地區具有較好的適應性。利用該模型模擬關中地區玉米生長發育結果顯示，該地區夏玉米和春玉米在充分灌溉條件下的潛在產量分別為8 756和13 138 kg/hm2，雨養潛在產量分別為4 236和6 163 kg/hm2，通過灌溉可分別增產約52%和53%，而降雨量是影響該地區玉米生長的主要氣候影響因子。通過適當推遲播期和提高種植密度可以有效提高關中地區的玉米生產潛力，夏玉米潛在產量和雨養潛在產量最大可分別提高約20.0%和24.2%，春玉米最大可分別提高約21.7%和22.8%；玉米的水分利用效率也得到提高，夏玉米潛在水分利用效率和雨養潛在水分利用效率分別增大約22.7%和20.8%，春玉米分別增大約14.4%和20.0%。

總體而言，通過優化關中地區玉米播種日期和種植密度可以有效提高該地區玉米的氣候生產潛力，而關中地區玉米生育期內降雨總量及分布時段不能充分滿足玉米生產需求，干旱仍然是制約地區玉米生產的最重要因素。