基于DSSAT-Canegro模型的广西来宾市甘蔗生长对气象干旱的响应

杨云川，张会娅，程禹灏，廖丽萍※，杨家祯，邓思敏，谢鑫昌

（1. 广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004；2. 广西岩溶区水安全与智慧调控工程研究中心，南宁 530004；3. 工程防灾与结构安全教育部重点实验室，南宁 530004；4. 广西防灾减灾与工程安全重点实验室，南宁 530004）

0 引 言

甘蔗是中国制糖的重要原料，不仅是人类主要的食物来源，也是最有潜力的高产生物能源作物。广西地处亚热带季风气候区，热量充足、雨水充沛，甘蔗种植面积和产糖量均占全国的60%以上，是中国最主要的甘蔗经济产区和糖业保障区。多年来，由于区域降水季节分配不均，蔗区多石山丘陵、岩溶发育且土壤保水能力弱，导致区域甘蔗旱灾频发。来宾市每年甘蔗种植面积14万hm，产量达1 000万t，稳居广西第二，但其也是气象干旱的高发区，历年甘蔗旱灾损失严重，加之区域灌溉工程条件不足，甘蔗种植仍以雨养为主，气象干旱造成的土壤水分亏缺一直是影响该区域甘蔗生长及其产量的一个主要因子。为此，亟待开展来宾市甘蔗生长及其产量累积对气象干旱的响应机制研究，为广西甘蔗旱灾风险调控、预警及智慧管理、制定有效的防灾减灾措施等提供重要科学支撑。

甘蔗是一种高耗水经济作物，目前关于甘蔗的干旱研究多集中在水分亏缺胁迫下甘蔗生理生化指标和形态特征的影响方面，而借助作物生长模型开展不同生育期的甘蔗生长对气象、土壤干旱的响应机制研究相对较少。作物生长模型从系统科学的角度，基于作物生理过程机制，将气候、土壤、作物品种、管理措施等对作物生长的影响作为一个整体系统进行模拟，对揭示甘蔗生长对气象干旱的响应机制具有显著优势。在众多广泛应用的作物模型中，DSSAT（Decision Support System for Agrotechnology Transfer）系统具有专门针对甘蔗的CANEGRO模块，对比其他作物模型，采用DSSAT-Canegro模型开展甘蔗的水分平衡模拟理论上具有更高的精度，该模型可在不同的气候、土壤和田间管理条件下，以日为步长，模拟整个或各个生育期的甘蔗产量、生物积累量及生长成熟过程。

国际上采用DSSAT-Canegro模型开展甘蔗生长过程的模拟及应用相对较多，如Marin等基于巴西2个甘蔗品种率定模型参数，并利用5个田间试验数据对预测结果进行了评估，很好地揭示了巴西南部的甘蔗生长发育过程；Inman-Bamber等提出甘蔗干物质的分配原则，基于南非和澳大利亚甘蔗试验数据，利用该模型提高了蔗糖含量的预测精度；Singels等评估了澳大利亚、南非和巴西等区域气候变化对甘蔗生长的影响，结果表明，在未来气候条件下，3个站点的甘蔗产量都可能增加；Murilo等采用该模型模拟了巴西中南部各灌溉方案下的甘蔗产量响应，结果证明甘蔗产量的增量随灌溉量不同而变化，但不超过雨养产量的20%，总体模拟精度良好；Jones等利用试验数据改进DSSAT-Canegro模型，预测了气候变化对南非甘蔗水分利用效率和产量的影响，与旧模型相比，在比当前气候高3℃的温度条件下，产量增幅从0.7%到7%不等，验证精度更高。上述研究表明，DSSAT-Canegro模型在国际上应用较广泛，但国内多采用DSSAT模型开展了小麦、玉米、水稻等主要农作物的生长模拟，极少应用于甘蔗。此外，近年很多区域干旱监测研究陆续精细化至逐日时间尺度、空间上天（卫星）-空（无人机）-地（地面监测）多源融合格点数据的异质性分析，干旱过程度量拓展到强度、历时、面积、集中点、迁移速率等多个维度；而涉及作物的干旱响应，还应注重不同生育期气象干旱的发生发展时空特征、揭示不同强度及历时对作物生长及产量等要素影响的定量差异。贾艳青等提出的逐日标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI），能精准定量化干旱强度和历时的逐日累积，正适合用于本文中甘蔗的逐日生长、生物量及产量累积响应精细表达。

综上所述，本文针对甘蔗对气象干旱响应机理不明问题，基于来宾市近40 a（1979—2018年）逐日SPEI气象干旱时空特征分析，本地化DSSAT-Canegro模型参数，设置反映甘蔗不同生育期实际可能发生的气象干旱情景，实现该区域甘蔗生长及产量累积对各气象干旱情景的响应模拟，明晰影响甘蔗生长的关键气象干旱强度、历时、发生时段及其变化规律，为实现田间甘蔗旱灾风险精准调控及预警奠定科学基础。

1 研究区域、数据与方法

1.1 研究区域

来宾市位于东经108°24′～110°28′，北纬23°16′～24°29′，有“桂中腹地”之称，属亚热带季风湿润气候区，地貌类型以山地丘陵为主（图1a）；全年气候温和、日照充足、无霜期长，年均日照时数1 300～1 700 h，气候条件非常符合甘蔗生长对热量和光照的需求，是广西三大甘蔗种植区域之一。全市雨量充沛，年降水量为1 200～1 900 mm，且主要集中在4—8月，约占全年的70%；由于降水季节分配不均，加之岩溶发育且土壤保水能力弱，导致区域气象、农业干旱灾害频发。来宾市甘蔗种植面积的年际变化不大，2018年种植面积为121.03×10hm，占全区的13.66%，且主要种植在岩溶发育的低海拔洼地、坡面区域，总体呈非均匀连片密集、散点广泛分布（图1b）；多年来，因灌溉条件不足，甘蔗种植仍以雨养为主，土壤水分亏缺一直是造成该区域甘蔗减产的一个主要因子。

图1 来宾市DEM和甘蔗种植分布（2018年） Fig.1 DEM and distribution of sugarcane planting in Laibin in 2018

1.2 数据来源

本研究中主要涉及气象、土壤、田间试验等3类数据集。其中，气象数据采用逐日尺度中国气象强迫数据集（China Meteorological forces Dataset，CMFD），由He等开发的0.1°空间分辨率网格化数据，融合了遥感产品、再分析数据集和原位站数据，包括连续40 a（1979—2018年）逐日降雨量、气温、气压、相对湿度、风速、长/短波太阳辐射等；该数据集具有连续的时间覆盖和一致性质量，是目前应用最广泛的气候气象数据集之一（http://data.tpdc.ac.cn/en/data/8028b944-daaa-4511-8769- 965612652c49/）。本研究中，通过与地面气象站点数据对比分析，发现日降雨、日气温与气象站数据相关性分别达到0.8和0.98以上，总体精度良好。

土壤数据主要来源于中国土壤数据库（http://vdb3.soil.csdb.cn/），并以寒区旱区科学数据中心《基于世界土壤数据库的中国土壤数据集》作为参考。DSSAT-Canegro模型需要输入的土壤信息包括土壤类型和土壤剖面特征，即土壤名称、颜色、农田坡度、矿化度，各层土壤质地（黏粒、粉粒、砂粒质量百分比）、土壤容重、田间持水量﹑凋萎系数、饱和含水率﹑有机碳含量、全氮含量、pH值等。

本研究利用李群芳等在来宾市兴宾区农科院试验地点（2011—2012年 ）的田间甘蔗种植全生育期监测试验数据进行DSSAT-Canegro模型参数率定；利用欧阳静等在来宾市迁江镇龙盘村甘蔗地（2015—2016年）的田间实测数据进行模拟结果验证。

1.3 研究方法

为精细反映研究区气象干旱时空特征及甘蔗全生育期生长的逐日响应机理，文中采用Wang等提出的日尺度SPEI指数进行研究区1979—2018年气象干旱特征分析。逐日SPEI具体计算中，首选基于日降雨与Penman-Monteith公式计算的日蒸散发得到差值序列，然后对该序列进行30 d累积逐日滑动形成水分亏缺累积逐日序列，最后通过Log-logistic分布拟合并标准化；计算过程采用Matlab编程实现，步骤详见文献[23-24]，其干旱强度等级划分为：无旱（SPEI≥-0.5）、轻旱（-1

文中基于来宾市119个0.1º格点1979—2018年逐日SPEI，对研究区气象干旱事件进行统计，采用Yevjevich所描述的滑动模型识别一次干旱事件的发生和结束时间，进而确定此次干旱事件的综合强度和持续时间。具体统计中，考虑广西来宾市季节性干旱（历时大于30 d）与短历时干旱（历时为5～30 d）并存的特点，将每个格点连续5 d及以上天数的日SPEI小于-0.5作为一次干旱事件，该时段内的第一天作为干旱发生时间、最后一天作为干旱结束时间，格点干旱历时即为一次干旱事件发生至结束天数（不包括结束日）；干旱强度为干旱事件时段内日SPEI小于-0.5的数值加和，值越小强度越大；干旱频次为给定时段内干旱事件发生的次数。最终统计的年干旱强度即为年内次干旱强度值的总和，年干旱持续时间为年内次干旱事件持续时间的总和，年干旱频次为年内干旱事件次数的总和。

DSSAT是一个机理性模型，通过多个独立模块组合运行来描述作物基本生理过程，如产量形成过程、呼吸作用等；本研究主要通过气候、作物管理、土壤3个模块组合来实现干旱情景模拟。

模型参数的敏感性分析及本地化是保证模拟结果可靠性及提高模拟精度的关键。DSSAT-Canegro模型中控制甘蔗的遗传参数有74个，包括物种参数23个、生态参数31个、品种参数20个，其中物种参数值是恒定的，生态参数值随品种变化不大，品种参数值在不同品种中是不同的，代表着唯一特定的品种，它与生物量的分配、冠层的发育以及物候期等关系密切，随甘蔗品种不同具有较显著差异。因此，文中基于模型数据库中的标准甘蔗品种NCo376，主要对来宾市的主要甘蔗品种新台糖16号进行模型品种参数值的敏感性分析及本地化率定。

文中采用单参数调整法的OTA（One factor at a time）法对DSSAT-Canegro模型的20个甘蔗品种参数进行敏感性分析，用敏感度来表示该参数的敏感性高低。计算公式如下：

式中RS为敏感度，0≤RS<0.05为不敏感；0.05≤RS<0.2，为一般敏感；0.2≤RS<1.0为敏感；RS≥1.0为非常敏感。()为原始输出值；(+∆)为调参后的输出值；为参数原始值，∆ 为参数改变量，增减量为参数的10%。

模型参数本地化率定中，分别以来宾市甘蔗的产量、茎高、叶面积指数和地上部物质干质量为目标函数，基于田间试验数据进行调试和验证；验证精度通过均一化均方根误差（Normalized Root Mean Square Error，NRMSE）和一致性指数来定量评价，计算过程可参考文献[38]。

2 来宾市气象干旱特征及其干旱情景确定

2.1 气象干旱统计特征

为明确来宾市气象干旱在甘蔗生育期时段内（3月10日—12月31日，共297 d）的基本特征，分析了该市1979—2018年119个格点逐日SPEI统计结果，如图2和图3所示。由图2a可知，来宾市多年平均SPEI气象干旱历时总体在110～220 d之间变化，占甘蔗全生育期的37%～74%。在高山区的金秀县及象州部分区域干旱历时最长，为180～220 d，在低山丘陵区的忻城县大部分地区及合山市干旱历时为150～180 d，干旱历时均超过了甘蔗生育期的50%；而在中部海拔总体较低的来宾县和武宣县大部分地区干旱历时为110～150 d（占37%～51%），该区域是来宾市甘蔗种植的连片密集分布区（图 1b）。图2b表明，来宾市多年平均SPEI气象干旱日累积强度总体在-70～-240范围变化。在高海拔的金秀县气象干旱强度最高，为-200～-240，在附近的象州县及武宣县局部气象干旱强度次之，为-150～-200，而在甘蔗密集种植的来宾县、合山市、忻城县、武宣及象州西部区域的气象干旱强度普遍在-100～-150，且呈均匀分布。图2c显示，来宾市多年平均SPEI气象干旱事件发生频次主要在1.5～3场/a，3～5场/a的干旱事件仅发生在分散的局部区域。上述统计表明，气象干旱发生在甘蔗全生育期时段内的历时、强度和频次空间分布在整个区域不均匀，而在中部的甘蔗密集种植区相对均匀；其统计历时、强度和频次数值说明来宾市气象干旱频发，能对甘蔗生长及产量累积造成显著影响。

图2 1979—2018年来宾市甘蔗全生育期干旱历时、干旱强度、干旱频次空间分布 Fig.2 Spatial distribution of drought duration, drought intensity and drought frequency during the whole growth period of sugarcane in Laibin in 1979-2018

由图3可知，来宾市的甘蔗分蘖期为5月11日—6月11日（共32 d，见表1），时间相对较短，且恰为雨季、气温温和，一般不发生气象干旱；其他生育期则均有气象干旱发生。苗期为3月10日—5月10日（共62 d）以轻旱为主，干旱历时主要有10～30 d（如2014年、2018年）、30～60 d（如1978年）、60～100 d（如1991年、2015年）3种情景，日累积强度主要在-10～-50范围；茎伸长期（6月12日—11月12日，共154 d）和成熟期（11月13日—12月31日，共49 d）是气象干旱频繁发生的主要时段，并且多以历时30～60 d、日累积强度-10～-100范围的轻旱为主，而发生中旱、重旱、特旱的频次相对较低，但在近40 a的时段仍偶有发生，如茎伸长期1989年发生干旱历时大于100 d、日累积强度达-100～-150（中旱），这与陈燕丽等的研究结果相似。在甘蔗的全生育期时段，发生的气象干旱则均遍历了多种历时（10～220 d）和累积强度（-10～-300）情景，这表明来宾市的气象干旱事件多存在历时跨越甘蔗不同生育期且强度叠加的现象。

图3 1979—2018年来宾市甘蔗各生育期干旱历时和干旱强度统计 Fig.3 Drought duration and drought intensity statistics of sugarcane at different growth stages in Laibin in 1979-2018

2.2 干旱模拟情景确定

根据甘蔗生育期划分（见表1），并结合2.1节的分析结果，设置了来宾市气象干旱在甘蔗各生育期的实际可能发生情景。考虑到来宾市月尺度以内的短历时气象干旱对甘蔗生长的影响，首先设置5 d为起始干旱历时和变化步长，依次增加至30 d；此后则以10 d为变化步长，增加至60 d，旨在反映气象干旱历时差异对甘蔗生长和产量累积的影响。表1反映了来宾市1979—2018年实际可能发生的气象干旱情景，如苗期只设置轻旱和中旱模拟情景，分蘖期基本不发生干旱而不设置干旱模拟情景，考虑甘蔗工艺成熟期设置最大干旱历时为40 d。各气象干旱模拟情景中，基准气象数据采用来宾市119个格点气象要素的平均值。

表1 甘蔗生育期划分和干旱模拟情景确定 Table 1 Division of sugarcane growth period and drought simulation scenario setup

3 模型参数本地化及历史气象干旱的甘蔗响应模拟

3.1 参数敏感性分析、本地化及模拟验证

针对来宾市新台糖16号甘蔗进行DSSAT-Canegro模型的品种参数敏感性分析，经过对比模拟结果与田间实测数据发现：20个甘蔗品种参数中（表2），有14个品种参数对甘蔗的产量、茎高、叶面积指数和地上部物质干质量等目标函数有不同程度的影响，其定量敏感度如图 4。由图4可知，对甘蔗蔗茎产量影响较大的参数有3个，分别为：CHUPIBASE（RS=1.35）、MaxPARCE（RS=1.3）和STKPFMAX（RS=1.15）；对甘蔗茎高影响较大的参数有1个为TT_POPGROWTH（RS=0.8）；对甘蔗叶面积指数影响较大的参数有2个，分别为：LFMAX（RS=1.2）和MAXPARCE（RS=0.6）；对甘蔗地上部物质干质量影响较大的参数有2个，分别为：MaxPARCE（RS=1.5）、APFMX（RS=1.05）。考虑敏感参数影响和多次调试试验，最终获得来宾市甘蔗品种的DSSAT-Canegro模型本地化参数取值结果（表2）。

表2 模型品种参数描述及本地化率定结果 Table 2 The description and debugging results of model cultivar parameter

图4 DSSAT模型甘蔗品种参数敏感度 Fig.4 Sensitivity of sugarcane cultivar parameters of DSSAT (Decision Support System for Agrotechnology Transfer) model

基于上述DSSAT-Canegro模型的本地化参数，结合田间试验数据，对来宾市历史典型干旱年进行了甘蔗叶面积指数（LAI）、蔗茎产量（SFM）、地上部物质干质量（ADB）、茎高（SH）响应模拟及拟合验证，统计结果如图5。由图5可知，DSSAT-Canegro模型模拟的来宾市甘蔗LAI、SFM、ADB、SH与田间试验观测拟合的一致性指数分别达到0.971、0.996、0.994和0.959，其对应的拟合均一化均方根误差NRMSE分别为18.21%、9.78%、9.11%和20.1%。由此表明，文中所采用的DSSAT-Canegro模型及其本地化参数可用于来宾市气象干旱情景的甘蔗响应机制模拟，并能得到较高的模拟精度。

图5 DSSAT模型模拟值与观测值的回归关系 Fig.5 Regressive relationship of simulated and observed values of DSSAT model

3.2 来宾市历史典型气象干旱的甘蔗响应模拟

根据来宾市1979—2018年格点日SPEI结果，采用平均强度（即干旱强度与干旱历时之比）选择历时气象干旱的典型轻旱年（2018年）、中旱年（2009年）、重旱年（1998年）和特旱年（1992年），模拟要素包括甘蔗的产量、茎高、叶面积指数和冠层蒸散发，旨在揭示甘蔗对历时气象干旱的定量响应关系，结果如图6所示。

由图6a可知，来宾市蔗茎产量的累积过程线及最终产量值对不同强度气象干旱的响应差异显著。一方面，蔗茎产量的累积过程虽然均开始于茎伸长初期，并在该生育期基本完成蔗茎产量的全部累积；该生育期分别发生轻旱（2018年）、中旱（2009年）、重旱（1998年）及特旱（1992年），均会导致蔗茎产量累积显著减缓甚至趋于停止，气象干旱强度越大且停止累积时间越早，最终的蔗茎累积产量值越小，如各年份的最终蔗茎产量分别为115.21、102.57、92.73、65.49 t/hm。另一方面，在茎伸长期前半时段（前中期），来宾市很少发生中旱以上强度气象干旱，故对蔗茎产量累积的影响较小，但后半时段（中后期），常发生中旱及以上强度气象干旱，对蔗茎产量累积的影响显著。而成熟的蔗茎产量累积已基本停止，受各强度气象干旱的影响微弱。

图6 历史典型气象干旱的甘蔗生长响应模拟 Fig.6 Simulation of sugarcane growth response to historical typical meteorological drought

图6b表明，来宾市甘蔗茎高生长遍及所有生育期，且在前3个生育期时段增长极为显著；但由于茎伸长期的中后期及成熟期时段受中旱及以上强度气象干旱影响，甘蔗茎高生长显著减缓，如1992年特旱影响下，其甘蔗茎高在该时段基本停止生长；4个典型干旱年（2018年、2009年、1998年、1992年）的茎高最终分别为2.35、1.83、1.74、1.48 m。

由图6c发现，来宾市甘蔗在苗期、分蘖期及茎伸长期的前期时段内，多伴随较为丰沛降水或偶尔有轻旱（如2018年），其叶面积指数均能保持显著的增大现象，这反映了甘蔗分蘖生长的基本生理特征；但在甘蔗茎伸长期的中后期及成熟期时段，其叶面积指数对降水供给的显著下降（如2009年、1992年）、中等及以上强度气象干旱（如2009年、1998年、1992年）极为敏感，分别表现出明显减缓或基本停止、显著减小的现象，并在成熟期基本稳定在1～3 m/m。此外，伴随着2018年的茎伸长期中后期时段的轻度气象干湿变化，甘蔗叶面积指数仍表现出对微小降水的增减波动响应及总体显著增大现象，在成熟期的增减则相对不显著，这说明轻度气象干旱不会对甘蔗叶面积指数造成显著的影响。4个典型干旱年（2018年、2009年、1998年、1992年）的甘蔗叶面积指数在成熟期末分别为5.96、2.60、1.80、1.74 m/m。

图6d显示，在甘蔗苗期至茎伸长期的中期时段内，各干旱年甘蔗日冠层蒸散发虽有锯齿波动，但总体趋势均表现出较显著增大的现象，最大值达到6 mm/d（如2009年和1998年），表明该时段内日冠层蒸散发的增大主要由甘蔗生长的生理因素决定，气象干旱的影响次之。在甘蔗茎伸长期的中期至成熟期末时段内，各干旱年甘蔗日冠层蒸散发总体均呈逐步减小的变化趋势，这种减小趋于在中旱（2009年）、重旱（1998年）、特旱（1992年）年份比轻旱（2018年）更为显著，说明来宾市中旱及以上强度气象干旱对甘蔗日冠层蒸散发具有较显著的抑制作用。此外，气象干旱的持续历时越长，也即水分亏缺的累积越大，各强度气象干旱均能对甘蔗日冠层蒸散发产生的抑制作用也越强，如2018年苗期至分蘖期的长历时轻旱、2009年苗期轻旱造成日冠层蒸散发局部时段减小，2009年、1998年、1992年茎伸长期的中后期至成熟期的持续干旱导致日冠层蒸散发快速减小至最低值。总之，干旱和生理因素对甘蔗的日冠层蒸散发的总体变化趋势具有显著影响，而频繁的增减波动则受光照、气温、CO浓度等多要素共同作用而改变甘蔗叶片气孔开闭、光合及呼吸作用效率。

综合上述结果，苗期和成熟期发生气象干旱对来宾市甘蔗生长的影响相对较小，分蘖期极少发生气象干旱（偶有轻旱），茎伸长期是发生气象干旱且影响甘蔗生长的主要时段，且干旱持续时间越长、干旱强度越大，对甘蔗生长的抑制越强，此结论与前人相关研究结果一致。此外，甘蔗的叶面积指数对各强度气象干湿事件的响应最为敏感且及时，通过甘蔗叶面积指数变化并结合土壤水分动态来揭示甘蔗长势过程对气象干旱的链式传递响应机理、实现旱灾风险精准调控及预警是一个有效途径。

4 来宾市蔗茎产量对各气象干旱情景的响应模拟

4.1 不同生育期同气象干旱情景的蔗茎产量响应模拟

为进一步明晰某一强度及历时的气象干旱在不同生育期发生对来宾市甘蔗生长的影响，根据表1的设置情景，开展了蔗茎产量的响应机制情景模拟（图7），对照组统一采用多年平均气象条件的模拟结果。

图7 蔗茎产量对不同生育期发生同等级气象干旱的响应模拟 Fig.7 Simulation of stalk fresh mass response to the same meteorological drought at different growth stages

图7a模拟了轻旱情景分别发生在苗期、茎伸长期、成熟期的蔗茎产量响应。由图可知，苗期发生轻旱的持续历时从5～30 d时，对甘蔗具有一定的刺激生长作用而导致蔗茎产量增加，最高达到113.61 t/ hm（对照组为110.34 t/ hm）；而轻旱历时30～60 d则表现出抑制作用而导致产量减少至107.53 t/ hm。类似地，轻旱历时5～40 d发生在成熟期存在同样的刺激产量累积效应，产量最高为115.1 t/hm。在干旱最敏感的茎伸长期，轻旱对蔗茎产量累积无显著刺激作用，且当历时在20～60 d时，表现出抑制作用，最终产量减小至102.48 t/ hm。

由图7b可知，在苗期，中旱历时增至25 d时，蔗茎产量开始减小，至60 d时达到最小值97.82 t/ hm（对照组为110.34 t/ hm）；在茎伸长期，中旱历时从10 d开始，蔗茎产量逐步减小，至60 d时达到92.15 t/ hm；总体上，中旱在苗期和茎伸长期对甘蔗产量的累积只有抑制作用，并伴随历时增加而加强，且茎伸长期更为敏感。而在成熟期，中旱历时从5 d增加至40 d时，蔗茎产量累积从110.38 t/ hm逐渐增加到了114.8 t/ hm，也即表现出促进产量累积的作用。

图7c和7d结果显示，重旱和特旱分别发生在茎伸长期时，均表现出对蔗茎产量累积的显著抑制作用，并伴随干旱历时增加至60 d时其蔗茎产量分别逐步减小到89.6和78.29 t/ hm。在成熟期发生重旱时（图7c），呈现对蔗茎产量累积的促进作用，最终产量达到最高的114.72 t/ hm；而在成熟期发生特旱时，则没有显著促进蔗茎产量增加的现象。

4.2 同生育期不同气象干旱情景的蔗茎产量响应模拟

蔗茎产量对同生育期发生各种历时及强度气象干旱情景的响应机制模拟，并统计蔗茎产量变化结果如图 8。文中采用产量变化率来表达不同气象干旱情景影响的产量差异。由图8a可知，苗期发生轻旱的历时在5～30 d内甘蔗表现为增产效应，对应增产变化率最高为2.96%，而当轻旱历时为30～60 d时甘蔗表现为减产效应，对应减产变化率最小为2.17%；当苗期发生中旱历时大于10 d情景时，则呈现显著的减产效应，中旱历时为60 d时减产变化率达到最小为11.35%。其中，30 d是苗期轻旱增产转减产效应的干旱历时阈值，同时还是苗期中旱有缓慢减产转为快速减产的转折点历时阈值；而苗期10 d中旱历时还反映了来宾市月尺度内的短历时干旱对蔗茎产量产生的抑制影响。图8b表明，茎伸长期发生轻、中、重及特旱时，来宾市甘蔗均表现出显著的减产效应，且伴随干旱历时的延长，其减产变化率不断增强；其中，减产率趋势大小次序为：特旱（29.05%）>重旱（18.80%）>中旱（16.48%）>轻旱（7.12%）。相反地，图8c显示，成熟期发生轻、中及重旱时，甘蔗随干旱历时增加均表现出较显著的增产效应，且变化趋势和量值均较接近，最大增产变率为4.30%；而当成熟期发生特旱时，则没有显著的增产或减产效应。

图8 蔗茎产量变化率对同一生育期发生不同气象干旱的响应模拟 Fig.8 Simulation of stalk fresh mass in response to different meteorological droughts at the same growth stage

与上述结果类似，Zu等研究发现，中国南方甘蔗平均实际产量因水分亏缺而导致潜在产量减产15%；Devi等研究发现，干旱使得印度甘蔗平均实际产量最大减产31.7%。该研究则进一步揭示了甘蔗不同生育期产量累积过程对各强度、历时气象干旱响应的定量映射关系，吴卫熊等根据广西甘蔗各生育期对土壤湿润层平均含水率的下限差异设置正常灌溉、轻旱、中旱和重旱等情景分析，亦得出水分亏缺对甘蔗产量影响最大的是苗期和茎伸长期。综上可知，该研究结果具有可靠性，可为揭示区域甘蔗旱灾的链式传递机理、动态风险调控及分阶段预警提供重要科学支撑。

4.3 气象干湿交替情景的蔗茎产量响应模拟

根据杨星星等分析的广西旱涝演变及该区域特征可知，来宾市具有气象干旱、雨湿事件并存且频繁交替转换的普遍现象。鉴于此，本研究对逐格点日SPEI序列进行典型气象干湿事件（2007年）的提取并按时间顺序组合，形成来宾市甘蔗生育期不同气象干湿交替情景，蔗茎产量响应模拟结果如图9所示。

由图9可知，各情景的最终蔗茎产量大小次序为：对照组产量（110.34 t/hm）>一次干转湿（110 t/hm）>全湿（109.4 t/ hm）>一次湿转干（103.89 t/ hm）>短历时干湿多次交替（102.5 t/ hm）>全干（86.01 t/ hm）。该结果表明：图9c的一次干转湿，在苗期、分蘖期及茎伸长期的前期时段干旱促进产量累积，而茎伸长期的中后期湿润事件保证了供水，最终导致其蔗茎产量略高于图9a的全湿情景；图9e的短历时干湿多次交替可能会产生超过甘蔗承受范围或响应滞后的叠加减产效应，导致其对蔗茎产量累积的抑制作用略强于图 9d一次湿转干情景（茎伸长期的中后期持续干旱），图9d中前期湿润亦存在减轻后期因旱产量损失的效果；图9b中全干情景蔗茎产量最低，充分反映了干旱对蔗茎产量累积的持续抑制作用。

图9 蔗茎产量对气象干湿及其交替转换情景的响应模拟 Fig.9 Simulation of stalk fresh mass response under meteorological drought-wet and alternate conversion scenarios

5 结 论

本文基于来宾市近40 a逐日标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI）的气象干旱特征和本地化的DSSAT-Canegro作物模型，开展了各种强度及历时气象干旱情景下的甘蔗生长及产量累积响应机制模拟研究，得出以下主要结论：

1）来宾市甘蔗全生育期发生气象干旱的历时、强度和频次空间分布存在较显著差异，在甘蔗密集区干旱历时占全时段的37%～51%、累积强度为-100～-150、频次为1.5～3场/a；甘蔗的苗期多发生轻旱，分蘖期极少发生干旱，而茎伸长期、成熟期则是各强度气象干旱的频发时段；月内短历时干旱和月以上的季节性干旱并存，且季节性干旱多存在跨越甘蔗不同生育期及其强度叠加现象。

2）DSSAT-Canegro模型中有14个品种参数对来宾市甘蔗生长有不同程度的影响，而对叶面积指数、产量、地上部物质干质量和茎高的影响分别有2个、3个、2个、1个品种参数的敏感度超过0.5，属重点调试参数。这4个生长指标模型模拟与田间试验观测结果的拟合一致性指数分别为0.971、0.996、0.994和0.959，表明参数本地化的DSSAT-Canegro模型在文中的模拟结果具有可靠性。

3）历史气象干旱强度越大、持续历时越长，对来宾市甘蔗的产量、茎高、叶面积指数、冠层蒸散发等的抑制作用越强；茎伸长期发生干旱对甘蔗生长的抑制最显著，叶面积指数对各强度气象干旱的响应最敏感。

4）来宾市甘蔗在苗期发生短历时轻旱、成熟期发生轻旱、中旱及重旱等均对蔗茎产量累积有一定促进作用，但总体增量不超过5%；存在干旱历时30 d阈值，可区分苗期轻旱的增产效应转为减产效应、苗期中旱减产效应由弱转强。茎伸长期发生各强度干旱均对蔗茎产量累积有显著抑制作用，可分别导致减产7.12%（轻旱）、16.48%（中旱）、18.80%（重旱）、29.05%（特旱）。

综上，伴随着当前气象-农业干旱过程的多维精细化表达及其旱灾链式传递机理、旱灾动态风险调控等研究的不断深入，可通过关联来宾市蔗区的气象干湿、土壤水分动态、甘蔗叶面积指数变化来综合揭示水分胁迫条件下的甘蔗生长动态响应链式传递机理（尤其是茎伸长期），实现旱灾动态风险模拟、调控及预警。此外，针对作物模型单点模拟输出的缺陷，亟待补充厘清下垫面地形地貌、土壤质地及水文、人文因子等对区域甘蔗生长及旱灾的影响定量贡献及其空间分异特征。