基于APSIM模型研究不同降水年型下降水变化对旱地小麦产量的影响

冯仰强，聂志刚，王钧，罗荣鑫

（甘肃农业大学信息科学技术学院，兰州 730070）

甘肃省位于我国的西北地区，属于典型的旱作雨养农业区，生态环境脆弱，作物生长发育对气候变化极其敏感［1］。近几十年来，甘肃省平均气温呈升高趋势，年降水量呈减少趋势，日照时数变化不显著［2］。降水量减少导致小麦在生育期缺水，极大地限制了旱地小麦的生产潜力［3］。APSIM模型是根据气候数据，动态模拟作物生长状况，在气候变化对作物生产调控上应用广泛，近年在黄土高原地区取得了一定的研究成果［4-6］。为更准确地模拟气候变化对小麦生长发育状况和产量的影响，国内很多学者进行了一系列研究。雷娟娟等［4］利用APSIM模型模拟小麦在不同生育期降水量变化的产量，得出在不同生育期小麦需水量的阈值；茹晓雅等［5］利用APSIM模型模拟在不同降水年型下降水变化和施氮条件对旱地小麦产量的影响，得出最优小麦产量的降水和施氮量；李广等［6］应用APSIM模型模拟旱作雨养农业区降水季节分配对旱地小麦产量的影响，得到在当年6—7月份降水对旱地小麦产量的影响最大。水分作为小麦最重要因素，对小麦的生长发育和产量形成具有决定性影响，因此降水变化对干旱、半干旱地区且无灌溉条件地区的小麦生产影响很大。大量研究表明，在黄土高原地区降水量少且年内分配不均，与小麦生育时期错位，这对小麦生产造成了众多不利影响［7-9］。前人研究多采用回归统计分析法分析年降水量和温度对旱地小麦产量的影响，而针对不同降水年型下降水变化对旱地小麦产量影响的研究较少。因此，本研究通过对甘肃省定西市1979—2018年的降水数据进行处理，确定不同降水年型，利用APSIM模型模拟不同降水年型下降水变化在-20%～20%范围内对旱地小麦产量的影响，从而为甘肃黄土高原区小麦生产应对气候变化提供理论支持。

1 材料和方法

1.1 APSIM 模型简介

APSIM模型是由隶属于澳大利亚联邦科工组织和昆士兰州政府的农业生产系统组（APARU）开发研制［10］。主要由生物物理模块、管理模块、输入输出模块和中心引擎四个模块组成，并且由在此四个模块中所需的气候、土壤属性、作物属性和农田管理参数构成。本研究采用的模型已经过李广等［11-15］的检验，模型的相对均方根误差（NRMSE）为4.85%，有效性参数（ME）为0.908，且有很多学者［5，11，12］应用校准后的模型研究了逐日最高温与最低温、光照与CO2及降水量与氮肥等对春小麦产量的影响。

1.2 研究区概况

研究区位于甘肃省定西市安定区李家堡镇，地处甘肃中部，是典型无灌溉条件的旱作农业区，海拔2 000 m，年均太阳辐射592.9 kJ/cm2，年均气温6.4℃，无霜期140 d，1979—2018年年平均降水量383.08 mm，年潜在蒸发量为降水量的4倍，春小麦的生育期一般集中在当年的3—7月。

1.3 降水年型的划分

统计研究区日降水量得到小麦生育期的降水量总和，并求出1979—2018年降水数据的标准差（公式1），将试验区40年的降水数据划分为干旱年、平水年和丰水年3种年型，降水年型由公式2求出。

式中：R为干旱指数，Pg表示年降水量，Mp表示年均降水量。

具体降水年型划分见表1。

表1 降水年型划分Table 1 Annual precipitation classification

1.4 模拟试验设计

在应用APSIM模型模拟时，作物品种、土壤属性、田间管理措施均采用已校准的参数［5，6，9，11］。本研究利用甘肃省1979—2018年的气象数据，降水数据以近40年的逐日降水为基准，比较不同降水年型下降水变化对旱地小麦产量的影响，将降水变化0%设置为小麦生产中自然条件生长（实验对照组）。在降水变化±20%的变化范围内，以5%为梯度设置9组实验，其他数据均采用研究年份实际数据为准，分别模拟在3种不同降水年型下降水增减对旱地小麦产量的影响。

2 结果与分析

2.1 不同降水年型下旱地小麦产量变化

在确定3种降水年型后，研究不同降水年型对小麦产量的影响。结合1979-2018年当地的气候数据，使用APSIM模型进行模拟39年间3种年型下小麦的平均产量（表2）。干旱年下小麦的平均产量为1 598.62 kg/hm2，平水年和丰水年分别为1 906.94、2 246.48 kg/hm2，丰水年小麦产量显著高于平水年和干旱年，且分别为平水年和干旱年的1.18和1.41倍，说明降水对小麦产量的增长有明显促进作用。

表2 不同降水年型下旱地小麦产量Table 2 Dryland wheat yield under different precipitation years

2.2 不同降水年型下降水变化对旱地小麦产量的影响

在土壤、作物属性和田间管理参数等要素不变的情形下，改变APSIM模型中输入模块降水比例参数，分别以5%为梯度，模拟旱地小麦在不同降水年型下的平均产量。模型模拟结果表明，旱地小麦产量随干旱年、平水年和丰水年3种年型逐步增加；在3种不同降水年型下，旱地小麦产量随降水比例增加呈上升趋势。降水变化比例每增加5%，干旱年旱地小麦产量最高增产幅度18.7%，最低增产幅度14.5%，平均增产幅度17.9%；平水年旱地小麦产量最高增产幅度19.6%，最低增产幅度14.3%，平均增产幅度17.7%；丰水年旱地小麦产量最高增产幅度15.5%，最低增产幅度12.1%，平均增产幅度14.4%（表3）。

表3 降水变化下不同降水年型的旱地小麦产量_Table 3 Effects of precipitation change on wheat yield in dryland under different precipitation types kg·hm2

2.3 不同降水年型下降水变化对旱地小麦产量变化的回归分析

以旱地小麦产量为因变量，降水变化比例为自变量，应用DPS软件进行二次多项式回归分析，建立回归方程如下：

干旱年、平水年和丰水年回归方程的相关系数分别为0.999 2、0.999 8和0.997 5，F＞F0.01，表明方程（3）、（4）、（5）均达到显著性差异，能够反映不同降水年型下降水变化对旱地小麦产量的影响。由方程可知，3种降水年型下降水变化与旱地小麦产量均呈开口向上的二次曲线。在试验设计范围内，不同降水年型下降水变化对旱地小麦产量的影响均为正效应且未出现阈值。在干旱年，降水变化为-42.81%时，旱地小麦产量有极小值，为166.14 kg/hm2；在平水年，降水变化为-31.09%时，旱地小麦产量有极小值，为957.07 kg/hm2；在丰水年，降水变化为-41.03%时，旱地小麦产量有极小值，为558.17 kg/hm2。

3 讨论

根据IPCC的气候预测报告，西北地区的降水变化范围为10%～20%［16］。本研究在现有气象数据的基础上，模拟研究未来可能出现的降水变化对甘肃旱地小麦产量的影响，结果表明，在3种不同年型下，旱地小麦产量随干旱年、平水年和丰水年依次增加，其中，丰水年型下旱地小麦产量分别为平水年和干旱年的1.18和1.41倍。在3种降水年型下，降水变化比例与旱地小麦产量呈正效应，这与许多学者的研究相一致［17-19］。降水作为研究区水分的唯一来源，降水变化比例的增加必定会改善土壤的水分条件。杜瑞英等［20］认为，当田间持水量低于旱地小麦的最适水分条件时，降水增加不仅提高旱地小麦的水分利用效率，而且增加小麦的光合速率，实现旱地小麦增产。董志强等［21］发现，土壤水分的增加会降低旱地小麦叶片的温度，增加小麦的物质运输速率，提高小麦的增产效果。本研究结果显示，不同降水年型下降水变化与旱地小麦产量呈二次抛物线关系，且在试验设计范围内随降水增加递增，降水变化比例增加，小麦产量增长幅度表现为干旱年＞平水年＞丰水年。高艳梅等［22］认为，在不同降水年型下，干旱年更利于增加土壤蓄水量，且随土壤蓄水量的增加，水分利用效率增加，增加旱地小麦产量。裴雪霞等［23］研究表明，降水是旱地小麦稳产高产的关键，播期对小麦籽粒产量及水分利用效率有显著影响，在3种不同降水年型下小麦适播期分别是：丰水年在10月4日左右，平水年和枯水年在9月28日左右，此时旱地小麦水分利用率较高且产量最高。孙敏等［24］发现，随着降水增加，3种年型的土壤蓄水量增加效果表现为枯水年＞平水年＞丰水年，并提出旱地小麦在枯水年和平水年，以休闲期土层深翻产量最高；在丰水年以休闲期深松旱地小麦产量最高。

本研究采用的APSIM模型能较好模拟和表达气候因子对旱地小麦生长发育的关系，并已经达到大量学者验证。本研究在温度、作物属性、田间土壤数据和管理措施不变的前提下，模拟不同降水年型下降水比例变化对旱地小麦产量的影响，且降水变化比例以年降水量为衡量指标，未考虑小麦生育期水分需求敏感期等情况对旱地小麦产量的影响，对田间持水量、小麦生育期水分需求敏感期等因素需进一步探讨。

4 结论

降水变化对旱地小麦产量的影响极显著，丰水年小麦平均产量为2 246.48 kg/hm2，平水年和干旱年分别为1 906.94、1 598.62 kg/hm2，丰水年小麦产量显著高于平水年和干旱年，且分别为平水年和干旱年的1.18和1.41倍。降水变化对旱地小麦产量的影响均为正效应，降水变化比例每增加5%，干旱年旱地小麦平均增产17.9%，平水年旱地小麦产量平均增产17.7%，丰水年旱地小麦产量平均增产14.4%。