基于WOFOST模型的苏南地区春小麦种植适应性分析

江晓东 张涛 陈佳鑫 杨沈斌 李旭冉 吴可人 楚淏然

摘要：【目的】研究春小麥在苏南地区的种植适应性，为增加该地区周年粮食生产的稳定性提供理论依据。【方法】基于2016—2017年的田间分期播种试验和WOFOST作物生长模型（简称WOFOST模型），采用数值模拟方法，分析江苏南部代表地区南京地区1—4月不同播期春小麦的生长发育动态和产量表现。以1980—2010年气象数据驱动WOFOST模型，对春小麦产量进行动态模拟，分析最佳播期，并计算最佳播期的适宜播种量。【结果】在1—4月随着播期的推迟，春小麦的生育期长度缩短，其中出苗—开花期阶段最大缩短23 d，开花—成熟期最大缩短8 d，出苗—开花阶段缩短的时间大于开花—成熟阶段，导致春小麦叶片和茎秆的干物质积累量明显减少，产量降低。在冬小麦无法播种的条件下，南京地区春小麦的适宜播种时间为1月1—20日，在该时间段内播种，合理的播种量为180 kg/ha，最高产量为4124.80 kg/ha，生育期长度为146 d，对下季水稻种植和生长无影响。【结论】在苏南地区种植春小麦具有可行性，在冬前无法正常播种冬小麦的情况下，可将种植春小麦作为备选方案。

关键词： WOFOST模型;春小麦;播期;产量;苏南地区

中图分类号： S314                      文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2020）02-0335-07

Adaptability of spring wheat planting in the south of Jiangsu

based on WOFOST model

JIANG Xiao-dong1，ZHANG Tao1， CHEN Jia-xin2， YANG Shen-bin1， LI Xu-ran1，

WU Ke-ren1， CHU Hao-ran1

（1Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing  210044， China; Cangzhou Meteorological Bureau， Cangzhou， Heibei  061001）

Abstract：【Objective】The adaptability of spring wheat in southern Jiangsu was studied to provide reference for stabi-lity of crop production in this area. 【Method】Based on the field staging experimental data from 2016 to 2017， the growth and development and yield of spring wheat in Nanjing during January and April， a representative area of southern Jiangsu Province， were analyzed through numerical simulation. The WOFOST crop growth model（herein after referred to as WOFOST model） was employed in the simulation. It was also driven by meteorological data from 1980 to 2010 for the analysis of optimum sowing date and sowing rate. 【Result】The results showed that the growth period of spring wheat was shortened with the delay of sowing date from January to April， the maximum shortening time was 23 d from emergence to anthesis stage， and the maximum shortening time was 8 d from anthesis to maturity stage. The shortening of emergence-anthesis stage was greater than that of anthesis-maturity stage， which led to a reduction of dry matter accumulation in both leaves and stems as well as yield of spring wheat. If winter wheat could not be sown， the suitable sowing date of spring wheat in Nanjing was from January 1 to 20 and the reasonable seeding rate was 180 kg/ha， with the highest yield predic-ted to be 4124.80 kg/ha and growth period to be 146 d， which showed no evident impact on the rice planting of the next season. 【Conclusion】The results indicate that it is feasible to plant spring wheat in the south of Jiangsu， which can be adopted as an alternative in case winter wheat is not sown before winter.

Key words： WOFOST model; spring wheat; sowing date; yield; south of Jiangsu

Foundation item： General Program of National Natural Science Foundation of China（41875140）; Open Research Project of Key Laboratory of Agrometerological Ensuring and Applied Technique，China Meteorological Administration（AMF201602）

0 引言

【研究意义】小麦和水稻是江苏南部的主要农作物，稻麦轮作是主要耕作方式。近年来，为提高水稻的品质和产量，苏南地区晚（粳）稻推广种植面积不断扩大，水稻成熟期延迟至11月中旬，导致该地区冬小麦播种期推迟到11月中下旬甚至12月，冬小麦晚播现象普遍发生，稻麦生长争季节的茬口矛盾突出（葛胜等，2009;高德荣等，2014）。随着经济的发展和城市化进程的加快，大量农村劳动力进入城市，农业劳动力供给不足，加剧了水稻收获与小麦播种的茬口矛盾;此外，苏南地区小麦播种期间经常发生连阴雨天气，加剧了冬小麦晚播现象，如遇“雪压稻”等灾害性天气发生，则会出现冬季撂荒现象（徐德利等，2016）。相对于冬小麦品种，春小麦品种在0～12 ℃下经过5～15 d即可通过感温阶段，在8～12 h光照条件下经过16 d以上即可通过光照阶段而抽穗（杨文钰和屠乃美，2011），具有生长周期短、播种安排灵活、适应性强的特点。因此，研究春小麦在苏南地区的栽培適宜性，可增强该地区粮食生产的稳定性。【前人研究进展】春小麦或春性较强的冬小麦品种是小麦生产中常用的应急备选品种。马香花等（2003）研究表明，春小麦可作为特殊年份的备用品种在郑州地区春季种植。张耀兰等（2012）指出，在淮北迟播小麦的品种布局上，可考虑选用一些播期弹性大、半冬性、丰产性好的小麦品种。苏南地区地处亚热带季风气候区，冬春季节气温较高，最冷月平均气温高于0 ℃，完全满足春小麦的春化与种植要求，春小麦种植具有可行性。WOFOST作物生长模型（简称WOFOST模型）是由荷兰瓦赫宁根大学和世界粮食研究中心共同研发的动态解释型作物模型，该模型通过输入特定的土壤和气象条件，基于作物的生理生态过程，以天为步长，可对一年生作物的生长发育过程和产量进行模拟。在我国小麦的研究中，WOFOST模型得到广泛应用。邬定荣等（2003）、黄健熙等（2017）、张弘等（2019）通过WOFOST模型模拟了河南、华北及全国的冬小麦生长过程及产量，证实WOFOST模型可应用于不同面积小麦的生长发育和产量模拟;张铁楠等（2015a）利用WOFOST模型模拟东北春小麦的生长及产量。WOFOST模型也可用于小麦的灾害评估，张雪芬等（2006）利用WOFOST模型定量评估了商丘市冬小麦晚霜冻灾害，结果表明该评估方法更具生物学意义且结果更准确;张建平等（2013）基于WOFOST模型对华北地区干旱灾害进行评估，发现该模型对干旱评估具有较高的准确性。WOFOST模型能模拟小麦的水分平衡，张铁楠等（2015b）使用WOFOST模型对东北春小麦的水分平衡进行了模拟与验证，结果表明模型对水分平衡的模拟效果较好。【本研究切入点】春小麦在我国的种植区域主要分布在东北和西北等地区，在苏南地区基本没有种植（杨文钰和屠乃美，2011;俄有浩等，2013）。尽管苏南地区存在部分弱春性小麦品种，但小麦的适播期在11月左右，至今鲜见该地区春小麦种植适应性的研究报道。【拟解决的关键问题】苏南各地区地理经纬度差异小，气候相似，因此本研究以南京地区为代表，采用春小麦田间分期播种试验与WOFOST模型模拟相结合，利用田间试验获取相关作物数据对WOFOST模型进行参数本地化，进而利用参数本地化的WOFOST模型对不同播种时期的春小麦生长进行模拟，开展春小麦在苏南地区种植适应性研究，为增加苏南地区周年粮食生产的稳定性及保障粮食安全提供理论基础。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试春小麦品种为吉春24，由吉林省农业科学院提供。1980—2010年南京的历史气象数据来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）。2016—2017年田间试验期间的气象数据及土壤数据，由南京信息工程大学农业气象试验站提供。

1. 2 试验方法

试验于2016和2017年在南京信息工程大学农业气象试验站（东经118°42′17″，北纬32°12′24″）进行，试验地海拔约22 m，地处苏南地区，属亚热带季风气候，多年平均降水量约1100 mm，多年平均温度15.6 ℃。2016和2017年度小麦生长期间，总降水量分别为479和404 mm，日平均辐射分别为9.2和10.4 MJ/（m2·d），日平均气温为13.2和14.3 ℃，两年气象条件较相似。供试农田0～20 cm土壤质地为壤质黏土，黏粒含量26.1%，土壤pH 6.2，有机碳、全氮含量分别为19.4和11.5 g/kg。

试验设6个播期处理，分别为Q1（2016年3月29日）、Q2（2016年4月5日）、Q3（2016年4月12日）、Q4（2016年12月16日）、Q5（2017年1月13日）和Q6（2017年2月19日）。春小麦采用条播种植，行距25 cm，种植密度300株/m2，小区面积3 m×3 m，采用随机区组排列，3次重复。试验田肥料为45%复合肥（N∶P∶K=15∶15∶15），用量800 kg/ha，基肥∶追肥=1∶1，基肥在土壤耕作时施用，追肥在春小麦拔节时施用，田间管理同当地高产田。

1. 3 测定项目及方法

1. 3. 1 春小麦发育期观测 观测记录不同播期春小麦的出苗期、拔节期、抽穗期、开花期和成熟期。

1. 3. 2 春小麦干物质积累量和茎蘖动态测定 在每个试验小区选择长势均匀的1 m2样点做标记，在春小麦出苗期、拔节期、抽穗期、开花期和成熟期定点调查小麦茎蘖数，然后在小区其他地点随机连续取样（40个茎蘖），样品叶片和茎秆分开，75 ℃烘干至恒重，测定干物质积累量。

1. 3. 3 春小麦产量及其构成因素测定 成熟期每小区选择长势均匀的2 m2地块，先清点有效穗数，然后进行人工收割测产、晾晒和脱粒，折算成籽粒水含率为13%时的产量;取40个单茎进行考种，计数穗粒数和千粒重。

1. 4 WOFOST模型参数调整及验证

为评估模型模拟值与试验实测值间的拟合程度和模拟效果，采用RMSE（均方根误差）和EF（模拟性能指数）2个指标进行评价。计算方法如下：

RMSE=[1ni=1nPi-Oi2] （1）

EF=[i=1nOi-O2-i=1nPi-Oi2i=1nOi-O2] （2）

式中，n为样本容量，O为实测值的平均值，Oi、Pi分别为实测值和模拟值。RMSE越接近0、EF越靠近1，说明模拟效果越好。

在前人对WOFOST模型参数研究（张建平等，2012;张铁楠等，2015a;黄健熙等，2017）的基础上，利用2016年度Q1、Q2和Q3播期的试验数据计算发育阶段（DVS）及各时期的比叶面积（SLATB）、叶的分配系数（FLTB）、贮藏器官的分配系数（FOTB）和茎的分配系数（FSTB）。在近似确定部分作物参数后对WOFOST模型参数进行敏感性分析。本研究的敏感性分析主要采用初始变量扰动法，即将某一参数上调10%进行模拟，将其模拟结果与不上调参数的值进行比较和分析，计算其变化百分率，之后选取敏感性较大的参数进行本地化调参，结果见表1，最终模拟过程对AMAXTB、SPAN、Q10、TSUM和TDWI等9个参数的敏感性较强，SPAN甚至超过100.00%。因此，需根据资料对敏感性较强的参数进行调整。主要的参数调整见表2，然后利用2017年度Q4、Q5和Q6播期的试验数据进行WOFOST模型验证，使模型可模拟南京地区的春小麦生长发育。

1. 5 统计分析

采用Excel 2016进行数据处理和图表绘制，采用DPS7.05进行数据方差分析，采用最小显著性法（LSD）对不同处理间的数据进行5%水平上的统计检验。

2 结果与分析

2. 1 WOFOST模型验证

作物参数调整和模型检验是模型应用的前提条件。图1为参数调整后的WOFOST模型对2017年度Q4、Q5和Q6播期春小麦生育期、地上总干物质的模拟值与实测值对比图。从图1可看出，WOFOST模型对春小麦生育期誤差最大值为3 d，最小值为1 d，RMSE和EF分别为1.89 d和0.99，对生育期的模拟效果较好（图1-A）;WOFOST模型对春小麦地上总干物质模拟中（图1-B），RMSE为1639 kg/ha，EF为0.95，3个播期的误差相对较小，可见，参数调整后的WOFOST模型对春小麦生长发育动态的模拟效果较好，各项模拟结果的误差较小，即WOFOST模型参数本地化成功，可用于苏南地区春小麦生长发育和产量的模拟。

2. 2 不同播期对春小麦生长发育的影响

利用2016年的气象资料输入WOFOST模型，模拟该年条件下不同播期春小麦的生育期、茎干重、叶干重及产量。模拟结果表明（图2-A），春小麦播种—成熟持续时间随播期的延迟而缩短，最长的第1播期（播种日序为1 d）为146 d，最短的第12播期（播种日序为111 d）只有78 d，比第1播期缩短68 d;春小麦出苗—开花期阶段持续时间在42～65 d内变动，随播期推迟而缩短，最长的第1播期比最短的第12播期长23 d;相对于出苗—开花期，开花—成熟期持续时间相对稳定，在24～32 d间变动，第1播期比第12播期长8 d。可见，随播期的推迟，春小麦出苗—开花阶段缩短的时间大于开花—成熟阶段，春小麦生育期长度的缩短主要是由于出苗—开花期阶段的持续天数缩短所造成。

发育期的变化影响了春小麦的干物质积累与分配。图2-B显示，春小麦的叶片干物质积累量在987～1849 kg/ha，茎秆干物质积累量在1568～3878 kg/ha，穗干物质积累量在2503～3878 kg/ha，皆随播期的延迟而减小;叶片干物质积累量最大值（第1播期）比最小值（第12播期）高87.36%，茎秆干物质积累量最大值（第1播期）比最小值（第12播期）高147.32%，产量（穗干重）最大值（第1播期）是最小值（第12播期）的1.91倍，出苗—开花阶段是小麦营养器官生长发育的主要阶段，播期越早该阶段持续的时间越长，越有利于叶片生长、提高叶面积指数、增加茎秆干物质的储存量，有利于产量的提高，同时，开花—成熟阶段持续时间播期早的春小麦高于播期晚的春小麦，该阶段的延长有利于小麦籽粒的干物质积累，提高产量。

2. 3 不同播期对春小麦产量的影响

利用参数本地化后的WOFOST模型进行不同播期春小麦产量模拟。根据苏南地区如12月中旬小麦无法播种将导致无法种植冬小麦的实际情况，将模型模拟春小麦的播种时间确定为：从每年1月1日开始每隔10 d设为一个播期，共设12个播期。图3为利用1980—2010年历史气象资料输入后WOFOST模型模拟的春小麦产量。从图3可看出，尽管不同年份气象因素的变化对春小麦产量有较明显的影响，但不同播期小麦的产量变化趋势一致，春小麦的产量随播期的延迟而下降，最高产量为模拟的第1播期，为4124.80 kg/ha，最低产量为模拟的第12播期，为2379.07 kg/ha，第12播期产量仅为第1播期的57.68%，减产显著（P<0.05）。从图3还可看出，在第1～3播期，春小麦产量相对稳定，分别为4124.80、4106.66和3999.22 kg/ha，从第4播期（播种日序为31 d）开始，春小麦产量明显下降，第4播期产量为3845.40 kg/ha，比第1播期减产6.77%。因此，可认为每年的1月1～20日为春小麦的最适播期。

2. 4 春小麦合理播种量分析

利用参数本地化后的WOFOST模型模拟在合理播期范围内（播种日序分别为1、11和21 d）春小麦产量与播种量间的关系（图4）。从图4可看出，春小麦产量随播种量的增加而增加，增加速率先快后慢。产量与播种量的关系可用分段函数来拟合，即前半部分用对数拟合，后半部分用增幅较小的线性拟合。以第1播期（播种日序为1 d）为例，以相关系数最大为依据，可计算出分段函数的分界点为播种量210 kg/ha处，分段函数见方程（3），通过计算，可得出最佳的播种量为177 kg/ha。将第2和第3播期的产量与播种量采用相同的方法進行对数拟合，可得到第2、第3播期的播种量分别为182和184 kg/ha。由此得出在合理播期内，最佳播种量为180 kg/ha左右。

Y=[1229lnx-1514.4，  x<2100.83x+4703， x≥210]        （3）

3 讨论

播期改变了小麦不同发育阶段的长度，进而对小麦的产量产生影响。营养生长和生殖生长的协调发展是小麦高产的保证，张凯等（2012）指出春小麦早播，春小麦播种—抽穗期日数增加，叶面积指数增大，产量提高;史晓芳等（2017）研究表明，小麦适期播种出苗早，营养生长期长，分蘖数和叶面积指数增大。本研究结果与以上结论一致，春小麦适期播种，明显延长出苗—开花期持续时间，促进了春小麦叶片、茎秆、根系和分蘖的分化和生长，春小麦茎蘖干物质积累高、叶面积指数大、群体质量好，保证了春小麦高产。该阶段持续时间的延长还有利于春小麦穗的分化，有利于提高春小麦的穗粒数，与韩金玲等（2011）研究认为正常播期延长了小麦穗分化始期—雌雄蕊分化期的持续时间，穗分化时间增加，增加了麦穗的小穗数的结论一致。同时，适期播种春小麦开花—成熟期持续时间亦有延长，增加了春小麦灌浆持续时间，也促进了产量的提高，与安霞等（2018）的研究结论一致。本研究结果还表明，在适宜的播期内（播种日序1～21 d），随播期的推后，春小麦最适播种量由177 kg/ha增至184 kg/ha，产量由4124.80 kg/ha降至3999.22 kg/ha，基本保持稳定，说明适当增加播量可提高小麦群体数量，增大叶面积指数和光合生产量，从而弥补播期推迟对小麦产量的影响（屈会娟等，2009;张耀兰等，2012;史晓芳等，2017;安霞等，2018）。

综合本研究结果可知，在苏南地区无法播种冬小麦的情况下，春小麦可作为备播作物进行种植，春小麦的最佳播期为1月1日，全生育期长度为146 d，在5月下旬收获，不会影响后季水稻生产。在最适播期范围内（1月上旬—中旬），春小麦播种量为117～180 kg/ha，产量为3999.22～4124.80 kg/ha，可有效保障该地区周年粮食生产的稳定性。本研究只选用了1个春小麦品种，对苏南地区迟播春小麦的播期和播种量进行相应研究，关于春小麦在该地区的品种筛选、品质表现及适用栽培技术等均有待进一步研究。

4 结论

春小麦适宜在苏南地区播种，年后春小麦的最佳播种时间为1月上旬～中旬，合理的播种量为180 kg/ha，最高产量为4124.80 kg/ha，生育期长度为146 d，对下季水稻正常栽插无影响。因此，苏南地区在冬前无法正常播种冬小麦的情况下，可将种植春小麦作为备选方案。

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