基于APSIM 模型的不同耕作措施旱地小麦叶面积指数动态分析

聂志刚，李 广

(1. 甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃兰州730070;2. 甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃兰州730070)

由于叶片制造的光合产物对产量的形成至关重要，群体光合速率又与群体叶面积紧密相关，所以对作物叶面积变化的模拟是研究作物叶片生长规律的有效方法。叶面积常用叶面积指数LAI (leaf area index)表示，LAI 定义为单位土地面积上植物的总叶面积［1］。国内外研究者用模型机理对作物叶面积指数进行了动态模拟研究。冯跃华等用ORYZA2000 模型对贵阳地区水稻叶面积指数进行模拟［2］，孙成明等进行了基于FACE 试验的水稻叶面积指数动态模拟研究［3］，熊伟等利用DSSAT 中的CERES-Wheat 模型分析了我国小麦区模型机理应用的效果及误差来源［4］，赵虎等进行了基于WOFOST 模型同化时序HJCCD 数据反演叶面积指数方面的研究［5］，马新明等在小麦生长模型(WCSODS)在河南省的适应性评价研究中也涉及到了叶面积指数的模拟［6］。然而，利用作物生长模拟模型APSIM (agricultural production system simulator)定点定位模拟黄土丘陵沟壑区域旱地小麦叶面积指数动态变化过程还鲜有报道。在田间试验的基础上调试APSIM 模型参数并连续测算小麦叶面积指数，利用APSIM 模型模拟不同耕作措施下小麦全生育期叶面积指数动态变化过程，并进行小麦叶面积指数的影响分析，以期为深入研究旱地小麦叶片生长规律提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与试验设计

1.1.1 试验地点。田间试验于2002 年－2005 年进行，地点位于甘肃省定西市安定区李家堡乡甘肃农业大学旱农试验站。试验点地处甘肃省中部偏南，海拔2 000 m，气候属中温带，全年无霜期140 d。试验地土壤为黄绵土，见表1，平坦无起伏，无灌溉条件，多年平均降雨量391.0 mm，年蒸发量1 531 mm，干燥度2.53，80%保证率的降水量为365 mm，是我国半干旱雨养农业典型地区［7－10］。一年一熟制，春小麦是种植面积较大的作物。

表1 试验地点自然条件和土壤肥力Tab.1 Natural conditions and soil fertility in Dingxi city

1.1.2 试验设计。供试作物为定西35 号春小麦。试验中氮肥施用量为150 kg N·hm－2，供施氮肥为尿素(含纯N 46 %)，磷肥施用量为105 kg·hm－2，为普通过磷酸钙(含P2O514%)，肥料作为基肥在播种时施入，不用农家肥［7－10］。按定西地区常用播量187.5 kg·hm－2，用甘肃农业大学研制的2BMFS－5/10 型免耕播种机播种，播深均为7 cm，田间管理与当地大田相同。试验设计包括6 个处理，每处理4 次重复，行列距0.25 m，边行列0.5 m 为保护，试验小区面积20 m × 4 m，共24 个小区，随机区组排列［11］，各处理描述如表2。

1.1.3 取样及测定方法。每年3 月份播种，7 月份收获，小麦生育期总共134 d 左右，包括分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期、乳熟期和蜡熟期8 个阶段。分别于各生长阶段在研究小区选取10 株典型植株用长宽系数法［12］测算叶面积指数，每株每次重复3 次测量取平均值即为该株该次测量的叶面积，所获10 株相关叶面积取平均值并计算，即为本次测量所获测算值，每阶段以天为单位分4 次时间点重复测算并取平均值，即为该阶段的叶面积指数平均测算值。每处理共得到32 次测算值，8 组阶段对应测算平均值，6 处理重复。

长宽系数法:叶面积=0.83 ×叶长×叶宽［12］，叶枕到叶尖的距离为叶长，叶片最宽处的距离为叶宽［11］，植株总叶面积与土地面积的比值为叶面积指数。

1.2 APSIM 模拟

澳大利亚农业生产系统研究组(APSRU)从1991 年开始研制农业生产系统模型APSIM (agricultural production system simulator)。国外利用APSIM 模型在作物轮作专家决策、气候变化对作物的影响效应以及水土保持评价等方面进行了大量的研究，国内对APSIM 模型的应用还只涉及到地域适用性和气候风险评估与水肥管理等方面［7－10，13－16］。李广等已经对APSIM 模型在黄土丘陵沟壑区的适用性、水肥管理以及产量影响等方面进行了系统的研究，研究结果表明APSIM 模型对旱地小麦全生育期生长模拟具有较高的精度［7－10］。

表2 不同耕作措施下小麦叶面积指数试验设计Tab.2 Test design of leaf area index on wheat under different tillage measures

1.2.1 模型参数。APSIM 模型以研究区精确的气候和土壤资料为基本知识库，气候库由甘肃省气象局提供的1970 年－2001 年研究区气象数据和2002 年－2005 年试验点测得的气象资料组成，土壤库以天气和管理措施引起的土壤特征变量的连续变化为库构建的核心［7－10］。作物属性模块是APSIM 模型模拟各种一年生和多年生作物的通用生长模拟框架，只是要在模拟机理的约束下，以作物品种遗传特性、作物生长发育进程、植株形态与产量形成等变量为参数，在研究区定位田间试验基础上，经过修改和订正，建立适宜的多源作物属性参数集合，才能连接到平台中进行模拟［7－10］。小麦叶面积指数模拟试验参数来源于李广等研究者在黄土丘陵沟壑区APSIM 模型适用性研究［9］中经过反复本土化修订的参数。

1.2.2 不同耕作措施模拟试验。针对不同耕作措施对旱地小麦叶面积指数影响的预测，设计相同耕作环境不同耕作措施6 处理模拟试验。在小麦全生育期8 个阶段，分别以天为单位，每阶段选取与大田试验对应时间点4 次模拟值并取平均值，作为该阶段的叶面积模拟平均值。每处理共得到32 次模拟值，8 组阶段对应模拟平均值，6 处理重复。

1.2.3 模型检验方法。模型检验方法主要采用国际上统一的均方根误差(RMSE)、归一化均方根误差(NRMSE)、相关系数(R)、及模型的有效性指数(ME)对模拟值与观测值的拟合度进行分析。计算公式如下:

公式(1)、 (2)、 (3)中:RMSE——均方根误差;NRMSE——归一化均方根误差;YObs——实测值;YSim——模拟值;Ymean——实测值的平均值。RMSE 值越小，表明模拟值与实际观测值的偏差越小，NRMSE 控制在10%以内说明模型的模拟有较高精度［7－10］。ME为模型的有效性指数，Zhang［17］认为当ME大于0.5 时，表明模型的模拟结果较好。

2 结果与分析

2.1 APSIM 模型检验

图1 和表3 表明，6 种耕作措施下小麦全生育期内的叶面积指数模拟值和实测值，其分布均趋近1∶1线，表现了很好的一致性并都控制在－15%～+15%误差线，相关系数(R)范围在0.988～0.999，均呈显著正相关。表3 说明，基于APSIM 模型模拟的6 种耕作措施小麦叶面积指数，其模型有效性指数(ME)0.957～0.985，各处理均大于0.5，归一化均方根误差(NRMSE)为5.88%～9.95%，控制在10%以内。APSIM 模型对小麦叶面积指数的模拟具有较高的精度。

图1 小麦叶面积指数实测和模拟相关分析Fig.1 Correlation analysis of observed and simulated value of leaf area index in wheat

2.2 不同耕作措施旱地小麦叶面积指数分析

从模拟结果来看，小麦全生育期内，传统耕作+ 秸秆还田(TS)、免耕(NT)、免耕+ 秸秆覆盖(NTS)、传统耕作+地膜覆盖(TP)和免耕+地膜覆盖(NTP)的平均叶面积指数分别比传统耕作(T)提高了17.9%、8.18%、33.1%、24.7%和52%。由于耕作措施的改进，局部阶段有明显影响，NTP 下叶面积指数最大值出现在开花期，有别于其他耕作措施。整体上来看，叶面积指数不是随生长的加剧越来越大，由图2 可知不同耕作措施下小麦全生育期叶面积指数随小麦的生长而呈单峰曲线变化［18－19］。分蘖期到拔节期增长缓慢，孕穗期过后曲线斜率继续增大，叶面积指数增长态势显著，叶面积指数曲线拐点出现在抽穗期(T，TS，NT，NTS，TP，)和开花期(NTP)。此后，随着小麦生殖生长的加剧，下层叶片被遮荫，从灌浆期到乳熟期叶面积指数明显下降，在蜡熟期达到最小值。

3 结论与讨论

在典型黄土丘陵沟壑区域定西2002 年－2005 年定位试验的基础上，对APSIM 模型参数进行反复率定并对模型有效性进行检验，进而分别模拟6 种耕作措施下小麦全生育期间叶面积指数动态变化过程，并进行小麦叶面积指数影响分析，得到以下结论:

①田间试验结果表明:6 种耕作措施下，小麦全生育期内，叶面积指数分布均趋近1∶1 线，表现了很好的一致性并都控制在－15%～+15%误差线内，相关系数(R)范围在0.988～0.999，均呈显著正相关;归一化均方根误差(NRMSE)范围在5.88%～9.95%，控制在10%以内;模型有效性指数(ME)范围介于0.957～0.985，各处理均大于0.5。APSIM 模型在黄土丘陵沟壑区对不同耕作措施下小麦叶面积指数的模拟具有较高的精度。

表3 小麦生育期间叶面积指数模拟值与测算值统计分析指标Tab.3 Analysis indices of simulated and observed value of leaf area index in wheat growth stage

图2 不同耕作措施下小麦叶面积指数动态变化Fig 2 Dynamic changes of wheat LAI under different measures

②小麦全生育期内，传统耕作+秸秆还田(TS)、免耕(NT)、免耕+秸秆覆盖(NTS)、传统耕作+地膜覆盖(TP)和免耕+ 地膜覆盖(NTP)的平均叶面积指数分别比传统耕作(T)提高了17.9%、8.18%、33.1%、24.7%和52%。尽管耕作措施的改进提高了叶面积指数，但是不论采用何种耕作措施，小麦生长到一定程度，由于下层叶片被遮荫，光合作用的效率降低，所以叶面积指数由增长转为下降态势明显。叶面积指数最大阶段，出现在抽穗期(T，TS，NT，NTS，TP，)和开花期(NTP)。

由于当地田间试验数据的缺乏和对气候因素变化观测不足，导致模型的预测还存在误差。尽管APSIM模型参数在田间试验的基础上进行了反复的本土化修改，能够考虑到作物吸收水分和养分的影响，但是对于病虫害、极端气候等影响因素的考虑还比较欠缺，从而造成模拟值较测算值高且有起伏。今后，要在田间试验数据积累和气候资料精确测定的基础上进一步提高APSIM 模型精确性，并且通过逐步实践应用对模拟约束条件滚动优化以发展模型的有效预测性。

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