甘肃中、东部地区春小麦产量潜力研究

董莉霞，李 广，2*

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

小麦是中国第二大粮食作物，其产量占粮食总产量的22.5%左右，消费量占粮食总消费量的25%左右，在农业生产及国民经济中占重要的地位［1，2］。小麦是甘肃省主要粮食作物之一。统计数据显示，甘肃省小麦种植面积超过66万公顷，但小麦的生产并不均衡，其产量受气候的影响较大。笔者根据甘肃省的中部和东部市、县的气象数据，运用APSIM模型模拟春小麦产量，运用Arcgis软件绘制甘肃中部和东部春小麦产量潜力时空分布图，并对小麦的模拟产量和实测产量进行对比研究，以分析甘肃省中部及东部小麦产量潜力特征。

1 材料与方法

1.1 APSIM模型简介

APSIM模型是澳大利亚农业生产系统研究组自1991年开始研制的一种农业生产系统模型。该模型在产量和经济评估功能上虽与其他模型相似，但优于作物轮作系统模型，可以模拟轮作系统不同耕作措施、作物生育进程、产量与各生育阶段温度、降水量、土壤水分的动态关系以及各种气候背景组合条件下的产量，可以实现不同年型下的动态决策和气候应变管理，还可以对新品种的应变管理提供参考［3］。APSIM模型适用于旱作农业中的模拟研究，系统的核心突出的是土壤而非植被。利用APSIM模型研究春小麦的成果较多，研究结果均表明其模拟春小麦产量具有较高的适用性和准确性。

APSIM模型主要由4部分组成：生物物理模块、管理模块、各种模块调用指令／数据进出的模块和中心引擎模块。模型运行所需的最基本（最少）逐日气象要素变量包括：逐日太阳辐射量（MJ／m2）、逐日最高气温（℃）、逐日最低气温（℃）和逐日降水量（mm）等参数项。土壤属性模块包含的参数有土层深度（mm）、容重（g／cm3）、萎蔫系数（%）、最大持水量（%）、饱和含水量（%）、风干系数（%）等。

1.2 研究区概况

甘肃中部年降水量约 400 mm，年均气温7.3℃，旱情严重，干旱和严寒同驻，山地比例也较大，小麦播种收割地机械化程度低，约1／3的小麦可以利用黄河水、洮河水、井水灌溉。旱地小麦产量的特点是产量低而且不稳定，麦田的主要灾害是干旱、干热风和蚜虫危害。甘肃东部麦区属于黄土高原的一部分，年降水量多为500～550 mm，年均气温8.5℃，≥10℃活动积温2600～3300℃，土层非常深厚、蓄水保墒性能较好，而且地势平坦，小麦播种收割地机械化水平较高。小麦返青至抽穗需水最多的3～5月降雨比较少，越冬死苗较多。陇东晚春的冻霜危害几率大；条锈病在流行年份可使春小麦减产20%～30%，红矮病、黄矮病、暴雨、冰雹也时有发生。

本研究收集整理甘肃省中部和东部的气象数据，包括太阳辐射量（MJ／m2）、最高气温（℃）、最低气温（℃）和降水量（mm）等，并补充了土壤属性和作物属性。作物属性模块主要包括研究区小麦品种的特性参数、生长发育进程、产量及产量形成等参数。

1.3 研究方法

本研究将搜集整理出的研究区2000～2010年气象数据导入到模型中，模拟出研究区2000～2010年春小麦产量，运用Arcgis软件和Excel，分析比较甘肃中部和东部地区春小麦产量差，明确春小麦产量潜力及各级产量差的时空分布特征。

2 结果与分析

2.1 小麦产量潜力时空分布特征

甘肃省春小麦生产潜力主要受光照、温度、水分等因素的耦合影响，不同地区制约小麦生产潜力的因素不同。由图1可以看出，2000～2010年，甘肃中部地区和东部地区的春小麦生产水平不同，实际产量与模拟产量单产比为0.001～0.4的只有东乡县，实际产量与模拟产量单产比在0.401～0.8的有正宁县、环县、华亭县、庄浪县等10余个县。而康乐、临洮等陇中地区和泾川、灵台、合水、秦安等陇东地区春小麦实测值和模拟值误差较小，在15%范围之内，表明春小麦产量差较小，实际产量接近于生产潜力，春小麦产量可提升的空间小。康乐县实际春小麦产量为3922.27 kg／hm2，模拟产量为3881.38 kg／hm2，模拟值与实测值非常接近，表明春小麦生产力接近于极限。定西、渭源、通渭、华亭、环县等地区小麦实测值和模拟值之间差值较大，表明小麦有较高的生产潜力。通过改善土壤条件，改变耕作措施，将传统的耕作变为免耕覆盖、免耕等方式；利用有效的气候资源，适当调整播期和播种密度，可使春小麦产量提高，从而接近潜力值。甘肃省春小麦生产潜力受水资源影响很大，陇中的一些地区，水是制约小麦生产潜力的主要因素。为最大限度降低水分对春小麦生产潜力造成的负面影响，干旱地区应加强农业水利建设和发展灌溉农业［4～6］。

甘肃省中部康乐县、广河县产量差最小，为－999.0～0，模拟值小于实测值，表明当地春小麦产量潜力已经完全发挥；甘肃省东部的泾川县、灵台县、宁县产量差也在这一范围之内。甘肃中部的漳县、武山县、甘谷县、天水市、静宁县和东部的平凉市、镇原县、庆阳市、西峰市、合水县、环县和华池县产量差在0～1000，模拟值大于实测值。应进一步改善土壤环境，提高春小麦产量。定西县、陇西县、通渭县、庄浪县、华亭县和张家川回族自治区地区干旱少雨，气候条件较差，气候变化大，春小麦抵制极端气候风险能力差，产量差在1000～2000，误差较大，模拟值显著高于实测值，表明这些地区春小麦产量可提升空间尺度大。而东乡县春小麦产量差最大，高于其它地区，应结合当地的气候条件和土壤条件，提高春小麦产量［7～9］。

图1 甘肃省小麦实际产量与模拟产量的单产比Fig.1 Ratio of actual and simulated yield of wheat in Gansu province

2.2 小麦产量潜力分析

春小麦生产潜力具有显著的地区差异。本研究利用APSIM模型模拟的研究区春小麦产量值和实测值，分析研究区春小麦产量的上升空间，并与实际产量相比较，得出模拟产量与实际产量之间的关系（表 1）。

表1 春小麦产量模拟值和实测值比较Table 1 Com parison of simulated and measured spring wheat values

本研究模拟了甘肃省中部和东部市、县的春小麦产量，选择其中的定西市、东乡县和康乐县为例，利用Excel软件将模拟值和实测值进行误差分析。这3个地区具有典型的黄土高原土壤和气候特点，分析这3个市、县的数据具有一定的代表性。

在研究模型作物的文章中，均选择－15% ～15%作为数据变化范围，来验证数据的合理性。图2数据点表示春小麦产量的模拟值和实测值，虚线表示－15%～15%范围的误差线。

图2 定西市小麦模拟值与实测值比较Fig.2 Comparison between simulated and measured values of wheat in Dingxi city

由图2可知，2000～2010年，定西市春小麦的模拟值均高于实测值，表明定西市春小麦产量有较大的上升空间。春小麦产量实测值和模拟值之间差值较大，有较高的生产潜力。

图3 康乐县小麦产量模拟值与实测值比较Fig.3 Comparison of simulated and measured values of wheat in Kangle county

由图3可知，康乐县小麦产量实测值和模拟差误差较小，在15%误差范围之内，表明春小麦产量差较小，小麦实际值接近于小麦生产潜力，小麦产量可提升的空间小。康乐县实际小麦产量平均值为3922.28 kg／hm2，模拟产量平均值为3881.38 kg／hm2，模拟值与实测值非常接近，小麦生产力接近于极限。

图4 东乡县小麦产量模拟值与实测值比较Fig.4 Com parison of simulated and measured wheat values in Dongxiang county

由图4可知，东乡县春小麦产量差最大，高于其它地区。该地区干旱少雨，气候资源较差，气候变化大。春小麦抵制极端气候风险能力差，该地区春小麦产量可提升空间大。

3 结论与讨论

本研究结果表明，甘肃中部地区和东部地区的春小麦生产潜力都处于不同水平，广河、康乐、临洮小麦产量实测值和模拟差误差较小，在15%误差范围之内，泾川、灵台、合水、秦安的春小麦产量实测值和模拟差误差较小，也在15%误差范围之内，表明这些地区春小麦产量差较小，春小麦产量实际值接近于小麦生产潜力，春小麦产量可提升的空间小。

甘肃中、东部的春小麦产量分布不均匀，主要受到当地的气候、土壤和小麦品种等的影响。本研究以几个市、县的模拟产量为例分析了春小麦产量潜力及时空分布特征，还需要进一步分析各地产量变化的情况。本研究只模拟了研究区春小麦模拟产量，未考虑极端气候变化、病虫灾害对春小麦产量的影响。而且本研究只分析了甘肃中部和东部的春小麦产量潜力，以及产量是否有上升空间，并未分析各个气象因子对研究区春小麦产量的影响。今后应开展极端气候、病虫害以及气象因子对研究区春小麦产量的影响，为研究区的春小麦管理提供理论依据。