华北平原不同等级干旱对冬小麦产量的影响

孙 爽，杨晓光，张镇涛，赵 锦，刘志娟

（1.中国气象科学研究院，北京 100081；2.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

0 引 言

小麦是世界三大粮食作物之一，2019年全世界小麦种植面积约为 2.2亿 hm2，占世界谷物总面积的30%[1]。中国小麦在世界上占有重要地位，2019年小麦播种面积和总产分别占世界的11%和17%[1]。华北平原是中国小麦主产区，2019年该区域小麦产量占全国小麦总产的59%和播种面积的51%[2]，区域小麦产量的高低直接决定着中国口粮安全，对国家粮食安全具有重要作用。

干旱是影响中国华北平原冬小麦产量稳定的最主要农业气象灾害[3]。气候变化背景下华北平原降水波动性大，干旱发生的频率和强度呈增加态势[4-7]，直接影响冬小麦生长发育进程和产量形成[8]，造成冬小麦产量下降[9-11]。此外，干旱胁迫导致产量的下降程度不仅取决于干旱的严重程度，还取决于干旱发生的生育阶段[12-17]，不同生育阶段干旱对冬小麦产量构成要素的影响也不同[18]，其中小麦拔节后期到孕穗期受旱主要影响穗粒数，缺水造成小花退化不孕，穗粒数减少。灌浆期是小麦需水最大的时期，受旱主要影响千粒质量，缺水导致粒小而瘪[10,17]，同时明显影响小麦的灌浆速率[13-14]。前人在干旱对小麦产量影响评估方面主要采用农田水分控制试验[19-23]、作物生长模型[24-28]和统计分析[29-31]3种方法，但方法各有局限性，需要多种方法相结合开展研究，才能减少干旱影响评估的不确定性。其中，农田水分控制试验方法受限于时间、地点，其结果难以外推；作物生长模型方法需要基于水分控制试验资料进行模型校正之后，才能用于干旱影响评估；统计分析方法主要通过构建作物干旱指标与作物产量之间的函数关系进而评估干旱对产量的影响，无法揭示干旱对作物影响过程和机理。农业干旱指标包括降水量指标、土壤含水率指标、综合性指标等[32]。综合性指标概念明确，考虑全面，具有较强的理论和实用价值，其中作物水分亏缺指数（Crop Water Deficit Index，CWDI）综合考虑了气象、作物和土壤三方面因素，计算简便，且较为准确，所需气象要素易于获取，适用性强[33-34]。

前人在干旱指标构建、干旱对冬小麦影响等方面有很多研究积累，然而综合干旱指标以及干旱对产量影响方面研究仍需进一步加强，特别是将干旱指标与作物模型以及遥感资料有机结合，明确干旱分布规律基础上，评估干旱对单产和总产影响程度。本文以华北平原冬小麦为研究对象，基于农业干旱指标CWDI评估冬小麦不同生育阶段干旱等级，结合APISM-Wheat模型进行干旱模拟的有效性评估，基于调参验证后的模型解析不同等级干旱对冬小麦单产和总产的影响程度，以期为中国定量评估干旱对区域冬小麦产量影响、制定抗灾减灾应对措施及保障粮食安全提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

本文以华北平原冬小麦为研究对象，综合考虑华北平原范围、行政区以及作物种植体系相对一致性，研究区域包括北京市、天津市、河北省、山东省和河南省，没有考虑江苏省和安徽省北部地区，地理位置为 31°～43°N，110°～123°E。其中河北省北部地区年积温小于4 200 ℃·d[35]，作物为一年一熟，故不在本文的研究范围内（图1）。研究区域气象站点及农业气象试验站点分布均匀，能够代表区域的气候特点，如图1所示。将研究区域分为3个亚区进行分析，分别为京津冀地区JJJ（北京市、天津市、河北省北部）、河南省HN和山东省SD。

1.2 资料来源

数据资料包括气象资料、作物资料、土壤资料和田间管理资料。气象数据来源于中国气象局，涵盖了研究区域内44个气象站点1981—2017年37 a的逐日气象数据，主要包括最高气温、最低气温、平均气温、日照时数、降水量、平均相对湿度、平均风速等。气象站点分布见图1。

作物资料主要包括研究区域内20个农业气象试验站（京津冀地区5个，河南省8个，山东省7个）1981—2010年观测资料，包括冬小麦品种信息、生育时期（播种期、开花期、成熟期）、生物量、产量等数据，以及田间管理措施。研究区域冬小麦的实际种植面积和产量来自农业部种植业司、国家统计局等。

APSIM-Wheat模型调参验证输入的土壤数据来源于各农业气象观测站，进行产量模拟时输入模型内的土壤数据来源于中国科学院南京土壤研究所10 km×10 km的格点数据。

1.3 模型情景设置

本文选用APISM 7.6版本进行模拟。选取决定系数（R2）、均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）、归一化均方根误差（Normalized RMSE，NRMSE）和d指标（Willmott’s index of agreement，d-value）作为判断标准来评价模型模拟的准确性和可靠性。前期研究工作已经验证了该模型在中国冬小麦主产区的适用性，结果表明参数本土化后的模型能够较好地模拟中国各冬麦区冬小麦的生育进程和产量形成[36-37]，验证结果如表1所示。因此，本文基于验证后的APSIM模型模拟干旱对华北平原冬小麦产量的影响。研究中每10 a选择一个较有代表性的品种代表该区域当时条件下的品种潜力，模型内各品种参数设置参见 Sun 等[36-37]，具体如表1所示。

表1 APSIM-Wheat模型中冬小麦品种参数及模型验证结果Table 1 Parameters of winter wheat cultivars used in the APSIM-Wheat model and results of model validation

APSIM 7.6模型提供了自动灌溉模块，同时在管理模块中也提供了不同的灌溉情景，为研究冬小麦不同生育阶段干旱提供了可能。本研究在模拟干旱时选用了Irrigate on sw deficit灌溉模块，该模块主要基于土壤水分亏缺程度而进行自动灌溉。为分析模型模拟干旱对冬小麦产量影响的敏感性，研究中首先利用 APSIM-Wheat模型提供的灌溉模块，模拟并评估冬小麦4个生育阶段干旱对产量的影响，模拟情景设置如表2所示，其中在模拟某生育阶段干旱时该阶段设置为不灌溉，其他生育阶段设置为当发生土壤水分亏缺时自动灌溉到田间持水量。

表2 APSIM-Wheat模型中不同生育阶段干旱模拟情景设置Table 2 Simulation scenarios settings for drought during different growing stages in APSIM-Wheat model

1.4 农业干旱指标及干旱特征分析方法

1.4.1 作物水分亏缺指数

作物水分亏缺指数CWDI是作物需水量与实际供水量的差值与作物需水量的比值，是表征作物水分亏缺程度常用的指标之一，其计算公式如下[33-34]

式中CWDIi为第i旬的作物水分亏缺指数，%；ETCi为第i旬的作物需水量，mm；Pi为第i旬的降水量，mm。

作物水分亏缺指数综合考虑了前期水分亏缺的累积效应，在计算某旬作物水分亏缺时考虑了前 4旬水分盈亏对该旬的影响，计算公式如下：

式中CWDI为冬小麦生长季内按旬计算的累计水分亏缺指数；CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分别为第i旬及以第i旬为基础的前4旬水分亏缺指数。a、b、c、d、e为对应旬的累计权重系数，一般取值分别为0.3、0.25、0.2、0.15 和 0.1[33-34]。

其中作物需水量的计算采用联合国粮农组织（FAO）推荐的“参考作物蒸散量乘以作物系数法”计算[38]：

式中 ETc为充分供水条件下的作物需水量，mm/d；ET0为参考作物蒸散量，mm/d，采用 FAO（1998）推荐的Penman-Monteith公式计算[38]；Kc为作物系数，采用FAO推荐的冬小麦发育初期、中期和后期的 3个标准作物系数值：初期为 0.7（越冬期为 0.4），中期为 1.15，后期为0.4，并结合气象数据和田间实测资料订正冬小麦生育中期和后期作物系数[38-39]。

1.4.2 干旱等级划分标准

研究中采用张玉静等[40]在华北平原冬小麦干旱研究中基于作物水分亏缺指数的等级划分标准，该干旱等级划分标准能够较好地反映区域冬小麦的实际旱情，可以用于对华北平原冬小麦干旱等级划分，具体划分标准如表3所示。

表3 华北平原冬小麦基于作物水分亏缺指数的农业干旱等级Table 3 The grade of agricultural drought based on Crop Water Deficit Index (CWDI) for winter wheat in North China Plain

1.4.3 干旱站次比

站次比是评价干旱发生范围的指标，用某区域内发生某等级干旱的台站数占总台站数的比例表示，计算公式如下：

式中Pj′为干旱站次比，%；M为研究区域总台站数；m为研究区域发生某等级干旱的台站数。

1.4.4 减产率

用减产率反映不同程度水分胁迫对冬小麦产量造成的损失程度，计算公式如下：

式中yp为减产率，%；Y为全生育期无水肥限制条件下的产量，即潜在产量（表2中对照情景下模拟得到），kg/hm2；y为肥料不加限制、某生育阶段为雨养条件下的产量，即水分亏缺条件下产量（表2中4个干旱模拟阶段情景下模拟得到），kg/hm2。

2 结果与分析

2.1 APSIM-Wheat模型对干旱模拟的有效性评估

综合考虑各亚区站点空间分布及数据的时间连续性，从3个亚区中各选择1个典型站点对APSIM-Wheat模型模拟干旱的有效性进行评估，京津冀地区选择乐亭站（39.43°N，118.88°E），河南省选择许昌站（34.02°N，113.85°E），山东省选择朝阳站（36.03°N，115.58°E）。基于调参验证后的 APSIM-Wheat模型分别模拟播种-越冬、返青-拔节、拔节-开花和开花-成熟4个生育阶段冬小麦干旱，模型模拟不同生育阶段干旱的灌溉情景设置见表2。基于此分析冬小麦干旱造成的减产率与作物水分亏缺指数的关系如图2所示。由图可以看出，除乐亭站返青-拔节阶段外，其他区域各站点冬小麦播种-越冬阶段和返青-拔节阶段干旱造成的减产率与作物水分亏缺指数无显著关系，表明该阶段干旱对冬小麦产量的影响较小，减产较低。拔节-开花阶段和开花-成熟阶段干旱造成的冬小麦减产率与作物水分亏缺指数呈显著正相关关系，表明APSIM-Wheat模型能有效反映华北平原冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段干旱对产量的影响，同时这2个生育阶段干旱对冬小麦产量影响较大，减产较高，明显高于冬小麦前期干旱的影响。

通过对 4个生育阶段（播种-越冬、返青-拔节、拔节-开花和开花-成熟）3个亚区所选站点干旱造成冬小麦的减产率与作物水分亏缺指数的关系分析可以看出，冬小麦生长发育前期（播种-越冬和返青-拔节阶段）干旱对产量影响较小，干旱造成的冬小麦减产率与作物水分亏缺指数无显著相关关系，而冬小麦生长发育中后期（拔节-开花和开花-成熟阶段）干旱对冬小麦产量影响较大，干旱造成的减产率与作物水分亏缺指数呈显著正相关关系。前人研究表明，作物在生殖生长阶段，特别是在生殖生长初期遇到灾害性或不利天气条件对产量影响较大，甚至绝收[41]。拔节-开花和开花-成熟阶段发生干旱会对产量造成严重影响。因此，本研究重点考虑冬小麦生长发育中后期干旱对产量的影响。

2.2 华北平原冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段干旱对单产影响评估

2.2.1 干旱对单产影响的空间分布

基于调参验证后的APSIM-Wheat模型模拟华北平原冬小麦生长发育中后期干旱对单产的影响，模拟情景设置如表2所示，利用式（5）得到冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段干旱造成的冬小麦减产率，其空间分布如图3所示。由图3可以看出，2个生育阶段干旱造成的减产率空间上均呈北高南低的分布特征。其中，冬小麦拔节-开花阶段干旱引起的减产率平均为19.1%，高值区主要集中在河北北部和北京市、天津市，减产率在0～40.4%之间；低值区主要集中在河南南部西峡-宝丰-商丘-驻马店-固始一带，减产率小于10.5%。从图3c中可以看出，京津冀地区冬小麦的减产率最大，减产率全区平均为31.3%；河南省冬小麦的减产率最小，减产率全区平均为10.2%；山东省冬小麦的减产率全区平均为15.7%。冬小麦开花-成熟阶段干旱引起的减产率平均为26.8%，高于拔节-开花阶段干旱引起的减产率；高值区主要集中在河北北部和北京市、天津市，减产率达到 40%以上，低值区主要集中在河南南部郑州-商丘-西华-固始-南阳-栾川一带，减产率小于20.4%。从图3d中可以看出，京津冀地区冬小麦的减产率最大，减产率全区平均为41.4%；河南省冬小麦的减产率最小，减产率全区平均为15.4%；山东省冬小麦的减产率全区平均为23.7%。

表4为华北平原冬小麦拔节-开花和开花-成熟2个生育阶段干旱各减产区间内的站次比。由表4可以看出，在拔节-开花阶段，减产率在0～10%内集中了全区29.3%的站点，减产率在＞10%～20%内集中了全区 26.8%的站点，减产率在＞20%～30%内集中了全区 19.5%的站点，减产率在＞30%～40%内集中了全区 24.4%的站点。在开花-成熟阶段，减产率在不同区间均有分布，主要集中在＞10%～20%和＞40%～50%区间，站次比分别为 24.4%和22.0%。对比2个生育阶段各减产率区间站次比可以看出，冬小麦拔节-开花阶段区域内所有站点由于干旱造成的减产率均低于40%，76%的站点由于干旱造成的减产率低于30%，而开花-成熟阶段73%的站点减产率低于40%，且减产率小于40%的4个减产区间内，拔节-开花阶段的站点比例均高于开花-成熟阶段。

表4 华北平原冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段干旱造成产量减产率不同区间的站次比Table 4 Station ratio of different yield reduction rate intervals due to drought during the stages of jointing to flowering and flowering to maturity for winter wheat in North China Plain %

由此可见，冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段干旱造成冬小麦产量减产率空间上均呈北高南低的分布特征，且冬小麦开花-成熟阶段干旱引起的减产率（26.8%）高于拔节-开花阶段干旱引起的减产率（19.1%）；区域间比较均表现为干旱对京津冀地区冬小麦单产影响最大，对河南省冬小麦单产影响最小。

2.2.2 不同等级干旱对单产的影响

利用表3中的干旱等级分级标准，统计分析研究区域及各亚区不同等级干旱在冬小麦拔节-开花和开花-成熟 2个生育阶段对产量的影响程度，如图4所示。由图4可以看出，研究区域及各亚区冬小麦2个生育阶段各等级干旱均表现为，随着干旱等级增加，冬小麦减产率上升。在拔节-开花阶段，研究区域内冬小麦轻旱、中旱和重旱等级下的减产率平均值分别为10.3%（2.1%～25.3%）、18.8%（5.4%～36.0%）和28.6%（10.6%～45.9%）（图4a）；开花-成熟阶段内，轻旱、中旱和重旱等级下的减产率平均值分别为16.5%（3.0%～47.8%）、32.8%（9.9%～54.2%）和44.9%（11.9%～63.5%）（图4e）。开花-成熟阶段各等级干旱对冬小麦产量的影响要明显大于拔节-开花阶段干旱的影响程度，且减产率数值分布更离散。

为了分析各亚区不同等级干旱造成冬小麦减产率的差异，研究中进一步统计了3个亚区各等级干旱减产率，如图4所示。由图可以看出，各等级干旱对冬小麦产量影响区域间比较表现为，京津冀地区产量损失较大，轻旱、中旱和重旱等级下的减产率平均值分别为 17.1%（4.1%～25.3%）、27.1%（12.6%～36.0%）和 36.3%（19.8%～45.0%）（图4b），而在河南省和山东省损失较小，且河南省各等级干旱造成的减产率数值分布更集中，轻旱、中旱和重旱等级下的减产率平均值分别为 5.5%（2.1%～12.6%）、12.8%（6.0%～24.0%）和23.0%（10.6%～45.9%），山东省冬小麦轻旱、中旱和重旱等级下的减产率平均值分别为9.2%（6.5%～17.1%）、15.9%（5.4%～22.9%）和25.2%（13.0%～33.7%）。相同干旱等级下干旱对产量的影响均表现为京津冀地区最大，山东省次之，河南省影响最小。

图4f～图4h分别为京津冀地区、河南省和山东省3个亚区冬小麦开花-成熟阶段各等级干旱对冬小麦产量的影响程度，可以看出，各亚区干旱对冬小麦产量的影响均较大，且随着干旱等级的增加减产程度也在增大，升高幅度较大。各等级干旱对冬小麦产量的影响区域间比较表现为京津冀地区产量损失最大，轻旱、中旱和重旱等级下的减产率平均值分别为24.9%（6.5%～47.8%）、43.6%（20.9%～54.2%）和 54.5%（41.3%～63.1%）（图4f），重旱减产率达到54.5%，轻旱的减产率也在10%以上；山东省次之，轻旱、中旱和重旱等级下的减产率平均值分别为 15.5%（4.4%～31.4%）、31.1%（11.3%～42.9%）和 40.5%（11.9%～63.5%）；河南省冬小麦产量损失最小，轻旱、中旱和重旱等级下的减产率平均值分别为7.6%（3.0%～15.9%）、23.8%（9.9%～45.0%）和39.0（23.7%～56.1%）。相同干旱等级在不同区域间比较结果均表现为京津冀地区最大，山东省次之，河南省影响最小。

总体而言，研究区域内冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段随着干旱等级的加重减产率增大；相同干旱等级在不同区域间比较表现为京津冀地区影响最大，河南省影响最小。

2.3 华北平原冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段干旱对总产影响评估

2.3.1 干旱对总产影响的空间分布

基于中国华北平原冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段干旱对冬小麦单产的影响，结合各区冬小麦 1981—2010年实际种植面积平均值，得到干旱对冬小麦总产的影响，评估区域冬小麦生长发育中后期各等级干旱对总产的影响。

图5为冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段干旱造成冬小麦总产影响的空间分布，可以看出，2个生育阶段干旱对华北平原冬小麦减产量的影响呈现由西南向东北逐渐增加的趋势。华北地区各站点冬小麦因干旱引起的减产量平均为3.7万t；其中京津冀地区和山东省各站点冬小麦的减产量较大，减产量全区站点平均值均为4.4万t；河南省各站点冬小麦减产量最低，全区站点平均为2.6万t。拔节-开花阶段干旱对总产影响较大的区域主要集中在河北保定一带和山东省潍坊、惠民县、莘县一带，减产量达到8.0万t以上；影响较小的区域主要集中在河南南部栾川-宝丰-驻马店一带，减产量小于2.0万t。

冬小麦开花-成熟阶段因干旱引起的减产量平均为5.9 万t，高于拔节-开花阶段干旱引起的减产量；其中山东省各站点冬小麦的减产量较大，全区站点平均为7.0万t；京津冀地区次之，全区站点平均为6.0万t；河南各站点冬小麦的减产量最低，全区站点平均为4.9万t。开花至成熟阶段干旱对总产影响较大的区域主要集中在河北保定-黄骅一带、北京和山东省莘县-惠民县-潍坊-莒县一带，减产量达到8.0万t以上；影响较小的区域主要集中在河北省遵化-青龙一带和河南省宝丰-栾川一带，减产量小于4.0万t。

表5为华北平原冬小麦拔节-开花和开花-成熟2个生育阶段干旱造成减产量不同区间站次比。由表5可以看出，在拔节-开花阶段，减产量在0～5万t内集中了全区72.5%的站点，减产量在5万～10万t内集中了全区25.0%的站点，减产量在10万～15万t内集中了全区2.5%的站点。在开花-成熟阶段，减产量在0～5万t内集中了全区45.0%的站点，减产量在5万～10万t内集中了全区40.0%的站点，减产量在 10万～15万 t内集中了全区12.5%的站点，减产量在15万～20万t内集中了全区2.5%的站点。对比 2个生育阶段各减产量区间站次比可以看出，冬小麦拔节-开花阶段减产量区间0～5万t内的站点比例要比开花-成熟阶段绝对值高27.5百分点，而在其他区间内的站点比例均低于开花-成熟阶段。冬小麦拔节-开花阶段97.5%的站点由于干旱造成的减产量低于10万t，而开花-成熟阶段85%的站点减产量低于10万t。

表5 华北平原冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段干旱造成减产量不同区间站次比Table 5 The station ratio in different production reduction intervals due to drought during the stages of jointing to flowering and flowering to maturity for winter wheat in North China Plain %

由此可见，冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段干旱对减产量的影响呈现由西南向东北逐渐增加的趋势，且冬小麦开花-成熟阶段干旱引起的减产量（5.9万t）高于拔节-开花阶段干旱引起的减产量（3.7万t）；区域间比较均表现为干旱对山东省冬小麦总产影响最大，对河南省冬小麦总产影响最小。

2.3.2 不同等级干旱对总产的影响

基于研究区域及各亚区不同等级干旱在冬小麦拔节-开花和开花-成熟 2个生育阶段对单产的影响程度，结合冬小麦实际种植面积，得到不同等级干旱对总产的影响，如图6所示。由图6可以看出，在拔节-开花阶段，研究区域内冬小麦轻旱、中旱和重旱等级下的减产量平均值分别为1.6万t （0.1万～6.5万t）、3.4万t（0.1万～8.3万t）和5.6万t（0.1万～14.2万t）（图6a）；开花-成熟阶段内，轻旱、中旱和重旱等级下的减产量平均值分别为2.9万t（0.1万～12.4万t）、6.5万t（0.2万～17.7万t）和9.1万t（0.4万～23.7万t）（图6e）。

研究中进一步统计了3个亚区各等级干旱下的减产量，如图6所示。从图6b～图6d可以看出，京津冀地区轻旱、中旱和重旱等级下的减产量平均为2.1万t（0.1万～5.4万t）、3.7万t（0.1万～8.3万t）和5.0万t（0.1万～10.0万t）；河南省轻旱、中旱和重旱等级下的减产量平均为 1.0万 t（0.3 万～2.4万t）、3.0万t（1.1万～5.8万t）和5.7万t（2.0万～10.1万 t）；山东省轻旱、中旱和重旱等级下的减产量平均为1.7万t（0.1万～6.5万t）、3.5万t（0.1万～8.1万t）和6.1万t（0.1万～14.2万t）。其中，轻旱和中旱对冬小麦总产的影响区域间表现为京津冀地区最大，山东省次之，河南省影响最小，而重旱对冬小麦总产的影响区域间表现为山东省最大，河南省次之，京津冀地区影响最小。

由图6f～图6h可以看出，京津冀地区轻旱、中旱和重旱等级下的减产量平均为3.6万t（0.1万～7.4万t）、6.1 万 t（0.2 万～13.7 万 t）和 7.4 万 t（0.4 万～14.1 万 t）；河南省轻旱、中旱和重旱等级下的减产量平均为 1.4万 t（0.5 万～4.4万t）、5.9万t（2.7万～12.8万t）和9.7万t（3.6万～16.6万t）；山东省轻旱、中旱和重旱等级下的减产量平均为4.0万t（0.1万～12.4万t）、7.9万t（0.6 万～17.7万t）和10.8万t（0.7万～23.7万t）。其中，轻旱和中旱对冬小麦总产的影响区域间表现为山东省最大，京津冀地区次之，河南省影响最小，而重旱对冬小麦总产的影响区域间表现为山东省最大，河南省次之，京津冀地区影响最小。

总体而言，冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段重旱对冬小麦总产的影响区域间表现为山东省最大，河南省次之，京津冀地区影响最小；拔节-开花阶段轻旱和中旱对冬小麦总产的影响区域间表现为京津冀地区最大，山东省次之，河南省影响最小，而开花-成熟阶段轻旱和中旱对冬小麦总产的影响区域间表现为山东省最大，京津冀地区次之，河南省影响最小。

3 讨 论

本文以中国华北平原冬小麦为研究对象，基于 1981—2017年研究区域内的气象观测资料和农业气象观测站的生育时期资料，以作物水分亏缺指数作为农业干旱指标，结合调参验证后的APSIM-Wheat模型，解析了冬小麦生长发育中后期和不同等级干旱对冬小麦单产的影响程度，结合1981—2010年冬小麦实际播种面积平均值，进一步评估了干旱对冬小麦总产的影响程度，为中国定量评估干旱对区域冬小麦产量影响程度、制定抗灾减灾应对措施提供科学依据。但由于实际生产的复杂性以及数据资料的局限性，本研究在实际应用中还存在以下不足：

1）利用APSIM-Wheat模型模拟的潜在产量时，仍存在不足。首先在播期的确定上，由于很难获取各气象站点从1981—2017年37 a的冬小麦播期资料，模拟中采用的是区域内农业气象观测站的平均值，没有考虑播种期的变化。而实际生产中冬小麦推迟播种，大概每 10 a推迟1.5 d[42]。其次，为了反映近 37年品种更替对冬小麦产量的影响，在模型模拟过程中每10 a更换一次品种来表示品种更替对过去37 a冬小麦产量提升的贡献，与实际生产中品种的更替周期仍有差异。以上潜在产量模拟中的不足将在接下来的工作中进一步完善，使得结果更准确。

2）本研究将干旱等级与其减产程度结合，明确不同等级干旱对冬小麦产量的影响，为区域合理制定灌溉措施提供理论依据。由于研究侧重点不同，本文仅考虑自然降水对作物的水分供应，而没有考虑各地区灌溉的影响。而灌溉是华北平原冬小麦水分的主要来源，实际生产中灌溉对旱情的缓解作用，使干旱的发生频率以及对产量影响与模型分析的结果存在差距。此外，本文也没有考虑降水及灌溉后作物对土壤水分利用的有效性。

3）由于干旱形成和影响的复杂性，难以利用模型完全反演实际生产中干旱的发生情景。本文在利用APSIM-Wheat模型模拟各生育阶段干旱对冬小麦产量的影响时，所模拟的阶段为雨养不灌溉，其他生育阶段是自动灌溉，没有考虑到作物生长发育各阶段之间的影响。此外，研究中仅考虑冬小麦单一生育阶段发生干旱对产量的影响，没有考虑各生育阶段发生连续干旱的情况，将在以后的研究中加以考虑。

华北平原冬小麦干旱对单产影响的区域差异性较大，主要与不同地区降水量与小麦各生育时期的需水量配合度有关。此外，不同地区发生干旱对小麦产量三要素的影响存在差异性，也是造成华北平原冬小麦干旱对单产影响区域差异性较大的原因之一。

4）由于研究区域内干旱灾情资料的局限性，在评估冬小麦 2个生长发育阶段干旱对总产的影响时，采用的是研究时段内冬小麦的实际播种面积，并结合 GIS中的空间分析工具将播种面积提取到气象站点上，并假定研究区域内气象站点均匀分布，因此每个站点仅代表一定范围内的区域特征，区域间数值的差异性不仅体现了干旱对单产影响的差异，也体现了区域间小麦种植面积的差异。在今后的研究中将进一步收集数据并结合遥感资料，基于冬小麦实际播种面积和各生育阶段的气候特征，定量干旱受灾面积，进而评估干旱对冬小麦总产的影响。

4 结 论

本文以作物水分亏缺指数为农业干旱指标，基于调参验证后的农业生产系统模型（Agricultural Production Systems Simulater，APSIM），评估了冬小麦生长发育中后期各生育阶段不同等级干旱对冬小麦单产和总产的影响。主要结论如下：

1）冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段干旱造成冬小麦减产率空间上均呈北高南低的分布特征，区域间比较均表现为干旱对京津冀地区冬小麦单产影响最大，对河南省冬小麦单产影响最小。拔节-开花阶段区域内所有站点由于干旱造成的减产率均低于 40%，而开花-成熟阶段 73%的站点减产率低于40%。随着干旱等级的加重减产率增大，开花-成熟阶段轻旱、中旱和重旱的减产率分别为 16.5%（3.0%～47.8%）、32.8%（9.9%～54.2%）和44.9%（11.9%～63.5%），拔节-开花阶段轻旱、中旱和重旱的减产率分别为10.3%（2.1%～25.3%）、18.8%（5.4%～36.0%）和28.6%（10.6%～45.9%）。相同干旱等级在不同区域间比较表现为京津冀地区影响最大，河南省影响最小。

2）冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段干旱造成冬小麦减产量空间上均呈现由西南向东北逐渐增加的趋势，区域间比较均表现为干旱对山东省冬小麦总产影响最大，对河南省冬小麦总产影响最小。相同干旱等级在不同区域间比较结果各不相同。