基于APSIM模型的新疆春播中晚熟玉米最适播期研究

许红根，陈江鲁，张镇涛，明博，谢瑞芝，李少昆，王克如，刘朝巍*，侯鹏，张万旭1，，杨京京，张方亮

（1石河子大学农学院/绿洲生态农业重点实验室,新疆 石河子 832003;2新疆生产建设兵团第六师农业科学研究所,新疆五家渠831301；3中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；4中国农业科学院作物科学研究所/农业部作物生理生态重点实验室，北京100081)

不同播期影响玉米生育期内光照、温度、降水等气候因子的匹配关系[1]，玉米生长发育与产量形成受气候因子的调控[2，3]。明确合理播期，使玉米各生育阶段处于相对有利的气象条件下，充分发挥光、热、水等气候资源的综合作用，是玉米实现高产的必要条件[4-6]。由于利用大田播期试验研究玉米适宜播期已有大量研究[7-12]，但大田播期试验周期长、成本高且受当年气候条件影响[13]，而结合作物生长模型，利用多年气候资料，则可以作更细致的分析[5，14-17]，是将来数字农业的发展方向。APSIM模型是由澳大利亚APSRU机构 (Agricultural production system research unit)开发研制的作物机理模型[18]，已在多个国家和地区得到广泛应用[19]，目前已应用于我国东北、华北、西南及黄土高原[20-23]等地区。

新疆处于中国玉米高产潜力带，而玉米大面积生产的风险性也比较高[24-26]，本研究采用多年高产试验、播期试验数据，利用APSIM 模型，分析新疆春播中晚熟玉米区的适宜播期，以期为APSIM模型在该区域玉米生产中的应用及玉米高产高效生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验地点

试验于2015-2017年分别在新疆生产建设兵团第六师奇台总场二分场、奇台总场108团和五家渠共青团农场进行。其中：奇台总场二分场（43°50′41″N，89°46′01″E）、108 团（43°56′39″N，89°30′41′′E），海拔高度分别约为1021和750 m，无霜期130-156 d，年日照时数2840-3230 h。五家渠共青团农场（44°9′23′52″N，87°32′35′75″E），海拔约 470 m，无霜期 167-177 d，年降水量 126.1-144.0 mm，年均有效积温3112.9℃，年均日照时数2743-3226 h。

1.1.2 模型本地化

1.1.2.1 供试品种和参数

供试品种为当地大面积推广种植的中熟品种KWS9384，所需≥10℃积温约为1490℃·d。

1.1.2.2 模型调参和验证

APSIM模型调参所用数据包括作物数据（玉米品种、生育期、产量及其构成要素和田间管理措施等）、逐日气象数据和土壤数据，均为各试验实际测得（表1）。

APSIM模型的适应性评价指标同文献[21]中的指标。

表1 APSIM模型参数调整和验证资料Tab.1 Data for APSIM model calibration and validation

1.2 方法

1.2.1 最适播期模拟

运用APSIM模型模拟播期处理下的玉米产量，人为设置播期为4月10日-5月20日，步长为2 d。选择产量最高且产量变异小的时间段为最适播期。气象数据来自于中国气象科学数据共享服务网的奇台站点逐日气象数据，模拟时段为2005-2017年。土壤数据和田间管理措施与奇台2017年播期试验相同，种植密度为90000株/hm2。

1.2.2 播期试验验证

试验设5个播种时期，分别为：4月20日、4月27日、5月 5日、5月 13日、5月20日，分别记为SD1、SD2、SD3、SD4、SD5。种植密度为 90000株/hm2。采用40 cm+70 cm 宽窄行种植，人工点播，播种深度5 cm，出苗后三叶期定苗。试验采用大区设计，面积为100 m2，各处理每次测试时，选3个样点进行重复测试。2017年各月气象条件与历年（2004-2016年）同期气象条件无显著差异（表2），为正常年型。试验观测各播期生育进程，叶面积指数和干物质积累动态以及产量和产量构成因素等。管理方案同当地主推的膜下滴灌密植高产栽培模式。

表2 2004-2017年播期试验区气象条件Tab.2 Meteorological condition in 2004-2017

1.2.3 数据处理

数据的整理和图表绘制利用Excel 2010，采用SPSS 19.0进行方差分析、Duncan法（新复极差法）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 基于APSIM模型的玉米最适播种期

以2015-2017年大田试验数据进行APSIM模型调参，建立适于新疆春播中晚熟玉米区模拟分析的模型参数集，完成模型本地化，以2015-2017年另一组数据进行模拟结果验证（图1）。

图1 玉米生育期、产量模拟值与实测值的比较Fig.1 Comparison between simulated and measured value of maize growth duration and yield

图1为模拟与实测出苗至开花天数、出苗至成熟天数及产量的相关关系，决定系数 (R2)分别为0.91、0.95、0.94，D值 分 别 为 0.98、0.97、0.99，NRMSE分别为3.4%、1.6%、3.6%，模拟值与实测值基本落在1:1线附近，表明本地化的APSIM模型参数集对该区玉米生育期和产量的模拟较准确，适于模拟研究该区域的玉米生产。

2.2 基于APSIM模型的播期和产量模拟

利用本地化的APSIM模型，模拟2005-2017年气象条件下不同播种日期的玉米产量，结果如图2所示。模拟结果表明，随播期的变化，玉米产量呈现先升高后降低的二次曲线关系（R2=0.85），两者回归方程达到极显著水平（P<0.01）。产量回归方程的极值产生于4月30日播种的模拟结果，在4月28日-5月12日播种玉米产量高且变异小，在该时间段播种有利于高产与稳产。早于或晚于上述范围的播种日期，产量变异逐渐增加，表明生产风险逐步提高。

图2 玉米产量随播期的变化Fig.2 Effect of sowing date on maize yield

2.3 播期试验

由表3可见，2017年气候条件下，SD1-SD3能达到生理成熟，生育期分别为 129、126、129 d，播期处理间玉米生育期差异不显著。SD4、SD5由于早霜胁迫，未达到正常生理成熟。随播期延后，SD1-SD5处理出苗持续时间逐步缩短，SD1-SD3生殖生长阶段逐渐延长。不同播期处理间，出苗期的持续时间差别最明显，与SD1相比SD2-SD5出苗所需时间缩短1-9 d。

由图3可知，玉米产量随播期的延迟呈现先升高后降低的变化趋势，SD1-SD5的产量分别为15567.9、15607.8、15784.2、13375.5、11868.7 kg/hm2，SD3处理产量最高，为15784.2 kg/hm2，SD1-SD3产量无显著差异。SD4、SD5处理产量较SD3处理均显著下降，减产15.3%和24.8%。过度推迟播期玉米遭遇霜冻，灌浆过程中断，产量显著降低。

表3 不同播期处理下玉米生育时期Tab.3 Growthing duration of maize under different sowing date

图3 播期对玉米产量的影响Fig.3 Effect of sowing date on maize yield

3 讨论

确定适宜播期的基本原则是：产量高、稳产性好、灾害少、茬口适宜[13，27]，研究方法有分期播种试验法、积温指标法、最佳季节法、作物生长模型法等[5-6，8，14，28-29]，也可结合多种方法确定最适播期。米娜等[30]将作物模型与最佳季节法相结合确定锦州地区玉米最佳播期，谈美秀等[1]结合统计方法和APSIM模型解析河南省夏玉米适宜播期，也有研究结合作物模型与大田播期试验确定最适播期[31-32]。采用作物生长模型确定最适播期，其机理性较强，可以综合考虑产量水平以及光照、温度、降水等限制条件，试验结果具有外推性[1，32]。采用大田播期试验确定最适播期，试验周期长、成本高[13]，但播期试验直观，能够反映试验区域田间实际生产情况。本研究基于APSIM模型分析的最佳播种期为4月30日，该播种期玉米产量最高且稳产。结合本地区播期试验进行验证分析，2017年4月20日-5月5日播种处理，播期处理间产量差异不显著，与模型分析结果相似。利用多年试验数据进行APSIM模型参数的本地化，验证结果显示其在玉米生育期和产量结果模拟方面效果良好。因此，本研究认为APSIM模型经过参数本地化调整后，适于研究新疆春播中晚熟表明玉米的生产问题。

本研究试验区域是典型的灌溉农业区[33]，光照资源充足，但积温略显不足、无霜期短、气温变化大，玉米苗期有遭遇晚霜、生育后期遭遇早霜的危险。春季低温冷害影响出苗与秋季初霜冻影响籽粒灌浆是该区域主要的生产问题[34-35]。本研究显示，早播能够达到更高的产量目标，但年际间变异大。若个别春寒严重的年份还会造成出苗困难，产量反而降低。而过晚播种会增加后期早霜风险，造成生理成熟前植株非正常死亡，缩短籽粒灌浆周期，严重影响产量形成，平均产量下降。因此，分析新疆春播中晚熟玉米种植区的最适播期，对于提高和稳定玉米产量具有重要意义。

APSIM模型模拟该区常年气候条件下玉米出苗持续时间与当地实际出苗周期（表1、表3）存在较大偏差，APSIM模型对该区域玉米出苗持续时间模拟值偏短。出苗后生育阶段的模拟分析结果与实际田间表现较为一致。模型模拟出最适播期为4月28日-5月12日，对应的出苗日期为5月3日-17日。而大田播期试验显示，玉米获取最高产量的播期处理对应的出苗期为5月5日-14日，两者结果更为接近。可结合实际生产表现，以出苗期为准推测最佳播期范围。本研究结果认为，该区域最适播期为4月20日-5月5日，常年平均产量达到最高，且年际间产量变异较小，利于实现高产与稳产。

4 结论

适期播种有利于玉米高效利用生育期内的光热资源，协调玉米群体生长发育规避不利气候因素胁迫，实现作物高产和稳产。本研究结合大田分期播种试验与APSIM模型模拟研究提出，4月20日-5月5日为新疆春播中晚熟玉米区的最适播期。本研究为新疆开展大田试验与作物模型模拟的综合研究，分析明确不同生产区域最适播期，探索了可行的技术方法。