CERES-Wheat模型分析山西省中部地区冬小麦需水量

田玮玮 ，李刘军 ，何 真 ，连 晋 ，毛巧巧 ，芦艳珍 ，杨三维

（1.安泽县农业委员会，山西安泽042500；2.山西绛山种业公司，山西绛县043699；3.山西省农业科学院，山西太原030031）

CERES-Wheat模型分析山西省中部地区冬小麦需水量

田玮玮1，李刘军2，何 真3，连 晋3，毛巧巧1，芦艳珍3，杨三维3

（1.安泽县农业委员会，山西安泽042500；2.山西绛山种业公司，山西绛县043699；3.山西省农业科学院，山西太原030031）

以2010—2015年6个完整小麦生育期的田间试验数据为材料，采用情景分析方法，运用CERES-Wheat模型分析了晋中地区冬小麦需水量与产量的关系以及小麦蒸散量、土壤蒸发量与产量的关系，比较不同生育期需水量和产量的最佳预测模型。结果表明，该模型对冬小麦生长季的大田蒸散量预测较为准确；晋中地区小麦生长期灌溉水和土壤水的需要量为318 mm；在计算山西省中部地区多年平均蒸散量值和降雨量差值的基础上得出，该地区小麦返青期、拔节期和灌浆期小麦平均需水量分别为250，310，343 mm。

小麦；CERES-Wheat；需水量；晋中地区

作物生长模拟模型以实时、快速和非破坏性等优势成为当前精准农业技术之一，在作物含水量和土壤含水量的监测方面表现出良好的应用前景[6-7]。吴华兵等[8]提出了基于导数光谱的比值光谱指数建立小麦水氮监测模型，可显著地提高模型精确度和可靠性。YANG等[9]研究发现，CERES-Wheat模型能够较为有效地指导华北平原太行山地区小麦灌溉，可节约20%以上的灌溉水资源。房全孝等[10]利用RZWQMCERES模型对小麦—玉米间作地区开展模拟分析，提出了华北地区具有较高操作性的灌溉策略。上述研究表明，基于生长模型监测土壤灌溉的可行性和可靠性，但关于山西省中部地区冬小麦生长季水分管理和需水量的研究尚未见报道。

本研究以晋中地区2010—2015年6个完整的小麦生育期的田间试验数据为对象，通过情景分析的方法，运用CERES-Wheat模型分析晋中地区冬小麦需水量与产量的关系以及小麦蒸散量、土壤蒸发量与产量的关系，比较不同生育时期需水量和产量的最佳预测模型，旨在为该地区小麦生产以及合理灌溉提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

冬小麦需水量研究在山西省晋中市东阳试验基地进行。该地区位于山西省中部，地处黄土高原东部边缘，地理坐标为东经 111°23′～114°28′，北纬36°39′～38°06′。该地区属暖温带大陆性季风气候，季节变化明显，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷少雪。全年日照时数平均为2 530 h左右，辐射总量为545～581 kJ/cm2，年平均气温9.4℃。供试土壤类型为褐土性土，土壤呈中性、微碱性反应，矿物质、有机质积累较多，腐殖质层较厚，肥力较高。土壤耕层有机质含量11.75 g/kg，全氮含量0.59 g/kg，碱解氮含量25.77 mg/kg，速效磷含量13.46 mg/kg。

1.2 试验材料

供试材料为中麦175小麦。

1.3 研究方法

选择DSSAT系统中的CERES-Wheat模型对试验数据进行分析，相关参数校正后验证参考文献[9]进行。通过对历年小麦生育期的田间管理方式进行模型的设定，2010—2015年的气象资料通过GENCALC程序和试错法算法进行模拟。小区面积15 m2，设3个水平的灌水处理，P1.返青期、拔节期和灌浆期灌水量分别为70，80，90 mm；P2.返青期、拔节期和灌浆期灌水量分别为90，80，70 mm；P3.返青期、拔节期和灌浆期灌水量分别为70，90，80mm。其他管理同大田（降雨量和日照时数等气象数据来自山西省气象局）。

1.4 统计分析

通过偏差、均方根误差（RMSE）和标准均方根误差（NRMSE）评价蒸散量模拟值与实测值之间的关系。利用SPSS 18.0软件对水分生产率与蒸散量进行回归分析。

2 结果与分析

2.1 冬小麦蒸散量模拟值分析

采用冬小麦品种中麦175，于2013—2014年度使用CERES-Wheat模型参数校正，得到不同灌溉条件下蒸散量模拟值，并与实际测量值进行了对比。由图1可知，在不同生长发育时期模拟大田蒸散量与实际测量值基本分布在1∶1附近，表明预测值较为准确，与实际测量值基本相符。2013—2014年度冬小麦苗期、拔节期和灌浆期处理均方根误差和标准均方根误差分别为40.31，47.21，43.16和0.19，0.24，0.21，标准均方根误差值均小于0.3，表明CERES-Wheat模型可较为准确地对晋中地区冬小麦生长季的大田蒸散量进行预测。

2.2 2010—2015年度冬小麦在不同灌溉条件下产量的模拟分析

根据东阳地区2010—2015年度气象数据，采用CERES-Wheat模型对不同灌溉条件小麦产量进行预测，结果如图2所示。由图2可知，小麦产量与灌溉量呈正相关，其中，2014年产量最高，达到7.62t/hm2。不同灌溉处理下2010—2015年度小麦产量平均值分别为 7.12，7.06，7.54，7.50，7.62，7.32 t，其中，不同灌溉条件下，P1处理的小麦产量最高，说明在灌浆期加大对小麦的灌溉量对产量增幅最大。

2.3 2010—2015年度小麦生长蒸散量和土壤蒸发量的模拟分析

由图3，4可知，2010—2015年度小麦生长蒸散量和土壤蒸发量呈正相关，蒸散量随灌溉量的增加而增加，年际间表现一致，其中，2011—2012年度P1处理的蒸散量最大，为442 mm。不同生育期中，以P1处理的土壤蒸发量较大，年际间表现一致。田间土壤蒸发量2013年最高，3个处理在年际间变化无明显规律。

2.4 晋中地区小麦生长季经济蒸散量的估算

作物经济蒸散量又称经济耗水量，是指作物水分生产率达到最大时的蒸散量值。相关文献研究表明，冬小麦产量随着大田蒸散量的增加而增加，水分生产率在一定范围内随着大田蒸散量的增加而增加；当水分生产率达到一定水平后，随着大田蒸散量的增加，水分生产率呈现下降趋势[11-12]，本研究结果也大致符合这一规律。利用SPSS软件对非线性回归方程进行拟合，建立经济蒸散量（ET）与水分生产率（WP）的模型：WP＝0.008 137ET2＋0.052ET－2.166（R2＝0.731，P＜0.01）。

2.5 晋中地区冬小麦生长灌溉水和土壤水需要量分析

晋中地区年平均降水量480 mm左右，小麦生育期内平均降水约为180 mm。利用建立的水分生产率非线性回归模型计算出水分生产率为最大值时的经济蒸散量，再减去生育期平均降雨量的降水补偿，可计算出小麦生长期灌溉水和土壤水的需要量为318 mm。对小麦返青期、拔节期和灌浆期进行单独的模型计算，根据多年平均蒸散量值与多年平均降雨量之间的差值得到小麦返青期、拔节期和灌浆期灌溉水量分别为250，310，343 mm。

3 讨论

本研究采用CERES-Wheat模型分析不同灌溉条件下蒸散量模拟值，并与实际测量值进行了对比。通过2013—2014年度不同生育期模拟大田蒸散量与实际测量值基本分布在1∶1附近，表明预测值较为准确。此外，该年度小麦不同生长时期各处理的NRMSE值均小于0.3，初步说明，CERES-Wheat模型可较为准确地对晋中冬小麦生长季的经济蒸散量值进行预测。但本研究仅采用2013—2014年度的气候条件进行模拟，尚具有一定的局限性。此外，在小麦整个生育期内病虫害、倒伏、品种特性等因素都容易导致预测模型发生计算偏差，从而影响预测结果的准确性。因此，通过多年多点的气象数据，并结合优良品种重要农艺性状和节水特性的特点对CERES-Wheat模型各参数进行校正是下一步研究的重点。

小麦蒸散量可分解为作物蒸腾和土壤蒸发，在田间生产与研究中往往将小麦蒸散量作为整体进行研究，将植物蒸腾和土壤蒸发作为独立因子进行研究的报道很少。作物模型根据不同算法可以对植物蒸腾和土壤蒸发进行较为准确的估算，这对于水分和栽培管理措施的选择至关重要。本研究利用CERES-Wheat模型对2010—2015年度小麦生长蒸散量和土壤蒸发量分析后发现，其呈正相关趋势，蒸散量随灌溉量的增加而增加。李梦哲等[13]在海河平原进行的冬小麦研究中发现，微膜覆盖可以控制土壤蒸发耗水，通过减少麦田蒸散量降低大田需水量，获得了与本研究相似的结果。周丽丽等[14]采用CERES-Wheat模型对河北沧州地区冬小麦蒸散量、植物蒸腾和土壤蒸发量等参数和指标进行综合研究，根据年际间降雨量的差异，估算出经济蒸散量以及不同水分管理下该地区冬小麦需水量。然而，沧州地区属于黑龙港流域，水文生态条件极为复杂，在实际生产过程中常因地膜覆盖、秸秆还田等措施降低麦田蒸散量，这些因素限制了模型预测的精确度，影响了研究结果的推广和应用。本研究对晋中地区麦田需水量进行研究，该地区属暖温带大陆性季风气候，季节变化明显，生态条件较为规律，使得CERES-Wheat模型在该地区冬小麦生产中具有较高的预测能力和准确度，对农业生产具有重要的指导价值。

［1］韩德宏.山西省地表水资源污染现状与防治对策 [J].水资源与水工程学报，2008（3）：116-119.

［2］毋晓琴.山西省水资源现状及可持续发展初探 [J].山西水利，2006（6）：51-53.

［3］李新波，孙宏勇，张喜英，等.太行山山前平原区蒸散量和作物灌溉需水量的分析[J].农业工程学报，2007，23（2）：26-30.

［4］张喜英，裴冬，胡春胜.太行山山前平原冬小麦和夏玉米灌溉指标研究[J].农业工程学报，2002，18（6）：36-41.

［5］郭步庆，陶洪斌，王璞，等.华北平原不同粮作模式下作物水分利用[J].中国农业大学学报，2013，18（1）：53-60.

［6］周丽丽，冯汉宇，阎忠敏，等.玉米叶片氮含量的高光谱估算及其品种差异[J].农业工程学报，2010，26（8）：195-199.

［7］姚霞，朱艳，田永超.小麦叶层氮含量估测的最佳高光谱参数研究[J].中国农业科学，2009，42（8）：2716-2725.

［8］吴华兵，朱艳，田永超，等.棉花冠层高光谱参数与叶片氮含量的定量关系[J].植物生态学报，2007（5）：903-909.

［9］YANG Y H，WATANBE M，ZHANG X Y，et al.Optimizing irrigation management for wheat to reduce groundwater depletion in the piedmont region of the Taihang mountains in the North China Plains[J].Agricultural Water Management，2006，82（1/2）：25-44.

［10］房全孝，王健林，于舜章.华北平原小麦—玉米两熟制节水潜力与灌溉对策[J].农业工程学报，2011，27（7）：37-44.

［11］刘战东，牛豪震，贾云茂，等.不同地下水埋深下冬小麦和春玉米非充分灌溉制度研究[J].节水灌溉，2010（6）：36-41.

［12］秦欣，刘克，周丽丽，等.华北地区冬小麦夏玉米轮作节水体系周年水分利用特征 [J].中国农业科学，2012，45（19）：4014-4024.

［13］李梦哲，张维宏.不同水分管理下全田土下微膜覆盖的冬小麦耗水特性[J].中国农业科学，2013，46（23）：4893-4904.

［14］周丽丽，梁效贵.基于CERES-Wheat模型的沧州地区冬小麦需水量分析[J].中国生态农业学报，2015，23（10）：1320-1326.

Analysis of Water Demand for Winter Wheat Production in Middle of Shanxi Province Using CERES-Wheat Model

TIAN Weiwei1，LI Liujun2，HE Zhen3，LIANJin3，MAO Qiaoqiao1，LU Yanzhen3，YANG Sanwei3
（1.Agricultural Committee of Anze，Anze 042500，China；2.Shanxi Jiangshan Seeds Company，Jiangxian 043699，China；3.Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

Crop growth simulation model provides a new method for water resources analysis of farmland and optimization of management measures for water use efficiency improvement in crop production.The characteristics of annual variation of simulated yield,evapotranspiration,plant transpiration,soil evaporation,and water productivity of winter wheat in Jinzhong area in the North China Plain during 2010-2015 were analyzed using a calibrated CERES-Wheat model.The results showed that the amount of field evapotranspiration model of winter wheat growing season prediction was accurate.The average rainfall was deducted from the average EP,the average water demand for the green stage,jointing stage,grain filling stage were 250,310,343 mm,respectively.

wheat;CERES-Wheat;water demand;Jinzhongarea

S512.1＋1

A

1002-2481（2017）10-1651-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.10.19

小麦是山西省主要的粮食作物，其总产量和消费量皆居首位，在保障山西省粮食安全、促进社会发展与维护社会稳定方面具有重要的作用。我国是一个干旱缺水严重的国家，山西属于极度缺水区，450万hm2的耕地中水地只占30%，而且呈逐年减少趋势，因此，节水研究刻不容缓[1-2]。目前，山西省小麦水浇地常采用漫灌的方式，造成了水资源极大的浪费。明确山西省不同麦区各生育期的需水量已成为当前精准农业的主要目标之一。实时、准确地获取小麦不同生长时期的需水量可以做到合理灌溉，对于提高水分利用率及作物产量、品质的形成，对于指导农田灌溉策略具有重要的意义。目前，已有关于小麦需水量的研究，李新波等[3]在大田试验条件下优化了冬小麦灌溉制度，使太行山前平原农业灌溉更为合理；张喜英等[4]在大田模式下研究了太行山山前平原区蒸散量和灌溉需水量对当地冬小麦和夏玉米灌溉指标的影响；郭步庆等[5]通过系统比较3种不同种植模式单季和周年作物水分利用效率以及水量平衡方程，对在华北地区通过调整种植模式实现农业节水的潜力进行了研究。这些方法多是采用田间试验对灌溉量和作物不同生理指标进行研究，需要耗费大量的财力、物力和人力。此外，由于地域和土壤质地的评价指标不一，有些研究只反映一个生育期或一个地域，而不同生育期和不同地域的生态环境下对需水量要求不同，造成不同地域小麦需水量难以精确评价。因此，寻找简便、准确的试验方法对不同地区主栽作物生育期内的需水量进行估计具有重要的理论和现实意义。

2017-04-05

山西省农业科技攻关项目（20150311001-5；201603D221001-3）

田玮玮（1982-），男，山西临汾人，农艺师，主要从事作物栽培与推广工作。杨三维为通信作者。