基于動態(tài)模擬的冬小麥水分脅迫敏感性研究

賀　鵬，王鵬新，解　毅，張樹譽，劉峻明

(1.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院, 北京 100083； 2.陜西省氣象局， 西安 710014)

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基于動態(tài)模擬的冬小麥水分脅迫敏感性研究

賀鵬1，王鵬新1，解毅1，張樹譽2，劉峻明1

(1.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院, 北京 100083； 2.陜西省氣象局， 西安 710014)

摘要：以關(guān)中平原為研究區(qū)域，在對農(nóng)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移決策支持系統(tǒng)(DSSAT)中的CERES-Wheat模型進行標定基礎(chǔ)上，模擬冬小麥整個生育期以日為步長的實際蒸散量和潛在蒸散量，采用Jensen模型研究冬小麥不同生育時期對水分脅迫的敏感性。結(jié)果表明，無論旱作樣點還是灌溉樣點，冬小麥在同一生育時期對水分脅迫的敏感性相同，且拔節(jié)期的敏感性最強，抽穗～灌漿期次之，返青期和乳熟期依次遞減。灌溉樣點在拔節(jié)期和抽穗～灌漿期的水分脅迫敏感系數(shù)分別為0.589與0.342，對水分脅迫的敏感性相差較大，而旱作樣點在兩生育時期的水分脅迫敏感系數(shù)分別為0.405與0.383，對水分脅迫的敏感性相差較小，由于灌溉樣點在拔節(jié)期發(fā)生水分脅迫現(xiàn)象可以通過及時灌溉以緩解缺水情況，因而會減弱其后抽穗～灌漿期的水分脅迫敏感性。根據(jù)水分脅迫敏感性，對不同生育時期缺水采取不同措施，較好地實現(xiàn)抗旱防旱資源的合理利用。

關(guān)鍵詞：冬小麥；CERES-Wheat模型；水分脅迫；敏感系數(shù)

干旱是全球影響最為廣泛的自然災(zāi)害之一，具有出現(xiàn)頻率高、持續(xù)時間長、波及范圍廣的特點。干旱的頻繁發(fā)生和長期持續(xù)會給社會經(jīng)濟，特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的損失，因此監(jiān)測和預(yù)防農(nóng)業(yè)干旱已成為當前干旱研究的重要課題之一。農(nóng)業(yè)干旱不僅與降水量有密切關(guān)系，而且與農(nóng)作物本身及其所處的生育階段密切相關(guān)[1-2]。在作物類型和品種相同時，水分脅迫對作物產(chǎn)量的影響取決于水分脅迫所發(fā)生的生育時期，因此評價干旱對作物產(chǎn)量的影響，僅考慮全生育期的總耗水量與產(chǎn)量形成的關(guān)系是不夠的，應(yīng)該以不同生育時期水分盈虧與產(chǎn)量關(guān)系為基礎(chǔ)進行分析。王仰仁等[3]提出了水分敏感指數(shù)累積函數(shù)的概念，并驗證用生長曲線擬合的水分敏感指數(shù)累積函數(shù)，能較好地描述不同生育時期水分與冬小麥產(chǎn)量的函數(shù)關(guān)系。藺海明等[4]對干旱區(qū)不同補灌條件下小麥產(chǎn)量和水分效應(yīng)以及生理特性進行了研究,得出小麥不同時期補灌產(chǎn)量順序為拔節(jié)+孕穗期>孕穗期>拔節(jié)期。房全孝等[5]利用根系水質(zhì)模型模擬分析禹城和欒城小麥-玉米兩熟制下作物產(chǎn)量、農(nóng)田蒸散和灌溉需水量多年的變化特征，表明欒城和禹城的冬小麥水分敏感期為孕穗期，并以作物水分脅迫指數(shù)為基礎(chǔ)制定該區(qū)域節(jié)水灌溉制度。Jensen模型在研究作物不同生育時期發(fā)生水分脅迫對產(chǎn)量的影響方面具有廣泛的應(yīng)用[6-7]，學者們利用邏輯斯蒂函數(shù)[8]、引入水肥生產(chǎn)函數(shù)[9]和遺傳算法[10]等方法對Jensen模型進行優(yōu)化，確定作物不同生育期對水分脅迫的敏感程度。綜合國內(nèi)外現(xiàn)有Jensen模型的研究成果，發(fā)現(xiàn)冬小麥從拔節(jié)期到灌漿期為冬小麥主要需水時期，也是冬小麥對水分脅迫敏感時期，在該階段發(fā)生水分脅迫對冬小麥產(chǎn)量有較大影響，而冬小麥在其它生育時期出現(xiàn)水分脅迫對產(chǎn)量的影響相對較小。

農(nóng)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移決策支持系統(tǒng)(DSSAT)支持下的CERES系列作物生長模型是當今世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的作物生長模型之一[11]。江敏等[12]收集我國大面積種植冬小麥區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)和作物品種資料數(shù)據(jù)并采用CERES-Wheat模型進行了全國范圍內(nèi)的驗證研究，結(jié)果表明，該模型在我國北方地區(qū)的模擬效果較好，但在比較濕潤的長江流域，模擬結(jié)果不符合生產(chǎn)實際。劉驍月等[13]在陜西關(guān)中平原實地標定CERES-Wheat模型的基礎(chǔ)上，較好地模擬了該地區(qū)冬小麥的產(chǎn)量、LAI、開花和成熟日期，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于生物量距平的干旱監(jiān)測模型。

本文將Jensen模型與CERES-Wheat模型相結(jié)合，應(yīng)用動態(tài)模擬的地表水分平衡數(shù)據(jù)研究關(guān)中平原不同生境下冬小麥不同生育時期水分脅迫對冬小麥生長和發(fā)育，尤其是對產(chǎn)量的影響，以期確定不同生育時期冬小麥對水分脅迫的敏感性，為區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測、農(nóng)田水分管理和可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

陜西省中部的關(guān)中平原位于渭河流域，地勢平坦，土壤肥沃，土地利用率高。但該地區(qū)地處亞洲夏季風區(qū)邊緣，年均溫度6℃～13℃，屬于生態(tài)環(huán)境脆弱地帶，年降水量在500～800 mm，并存在明顯的波動性，因而干旱是該區(qū)域內(nèi)普遍而重大的氣象災(zāi)害之一[14-15]。關(guān)中平原種植模式主要為冬小麥與夏玉米輪作模式。冬小麥播種時間一般為10月上、中旬，播種后5～6 d出苗，至次年3月上旬進入返青期，3月下旬及4月中上旬為拔節(jié)期，4月下旬進入抽穗期，乳熟期則一般為5月中、下旬[16]。本文在研究區(qū)域選取了11個研究樣點(圖1)，自西向東依次為：鳳翔縣城西、寶雞市陳倉區(qū)北、岐山縣蒲村鎮(zhèn)、眉縣常興鎮(zhèn)、扶風縣城北、乾縣石牛鄉(xiāng)、三原縣魯橋鎮(zhèn)、藍田縣史家寨鄉(xiāng)、蒲城縣城北、渭南市臨渭區(qū)藺店鎮(zhèn)和合陽縣王村鎮(zhèn)，其中眉縣常興鎮(zhèn)、扶風縣城北、三原縣魯橋鎮(zhèn)和渭南市臨渭區(qū)藺店鎮(zhèn)為灌溉樣點，其余為旱作樣點。

圖1研究區(qū)域及樣點分布

Fig.1Study area and the distribution of sampling sites

1.2CERES-Wheat模型的標定

CERES-Wheat模型的輸入數(shù)據(jù)主要包括氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、田間管理數(shù)據(jù)和作物品種遺傳特性參數(shù)。模型所需的氣象數(shù)據(jù)由逐日最高氣溫、最低氣溫、降水量和太陽輻射值組成，其中太陽輻射值通過日照時數(shù)計算生成[17]。土壤數(shù)據(jù)主要包括采樣深度、土壤分層含水量、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、pH值等。土壤數(shù)據(jù)通過采樣點進行相應(yīng)土壤理化試驗獲取，按模型規(guī)定的格式統(tǒng)一編排，作為模型的輸入。田間管理數(shù)據(jù)主要包括田間樣點的編號名稱、地理坐標、冬小麥品種、播種日期、施肥日期和施肥量、灌溉日期和灌溉量等，主要通過調(diào)查詢問獲取，并按模型規(guī)定的格式統(tǒng)一編排，作為模型的輸入。

冬小麥的遺傳特性參數(shù)控制著小麥的生長發(fā)育進程，直接關(guān)系到植株形態(tài)的發(fā)育與作物產(chǎn)量的形成，因此模型在應(yīng)用前需對這些參數(shù)進行標定。結(jié)合本文的研究重點，將CERES-Wheat模型的標定分為5個步驟：檢驗?zāi)M的開花期和成熟期時間與實測的開花期和成熟期時間是否吻合；檢驗?zāi)M的冬小麥生育期總天數(shù)與實際情況是否吻合；檢驗?zāi)M的冬小麥LAI曲線與實際是否吻合，以及LAI最大值出現(xiàn)日期是否接近；采用相對誤差法檢驗?zāi)M的最終產(chǎn)量是否正確；采用相對誤差法檢驗?zāi)M的土壤分層含水量是否正確。

本文在計算模擬產(chǎn)量與實際產(chǎn)量的相對誤差時，以相對誤差在10%以內(nèi)為合理。由于產(chǎn)量數(shù)據(jù)涉及不同樣點和不同年份，利用平均相對誤差即相對誤差絕對值之和的平均值來檢驗不同樣點所有年份、不同年份所有樣點的產(chǎn)量模擬精度，并以平均相對誤差在10%以內(nèi)為合理。以田間試驗測量的土壤水分數(shù)據(jù)分層情況為主，并結(jié)合CERES-Wheat模型模擬土壤水分數(shù)據(jù)分層情況，制定本文的土壤水分數(shù)據(jù)分層結(jié)果：0～20、20～50、50～80、80～120 cm和120～200 cm。利用相對誤差和平均相對誤差檢驗不同樣點、不同年份和不同土壤層次的模擬結(jié)果是否正確，以相對誤差和平均相對誤差在10%以內(nèi)為合理。

1.3作物水分脅迫敏感系數(shù)的估算方法

(1) Jensen模型冬小麥產(chǎn)量與各生育時期水分脅迫的關(guān)系可通過其實際利用的土壤水分與理想的土壤水分條件的相對比值指數(shù)以連乘積的形式表達，即Jensen模型：

(1)

式中，Yact為冬小麥的實際產(chǎn)量(kg·hm-2)；Ypot為冬小麥不受供水限制的潛在產(chǎn)量(kg·hm-2)；n為冬小麥整個生長期中所包含的生育時期個數(shù)，將冬小麥主要生育時期劃分為返青期、拔節(jié)期、抽穗～灌漿期和乳熟期，即n=4；Wact為某一生育時期冬小麥實際利用的水分(mm)，一般是指該生育時期的實際蒸散量；Wpot為某一生育時期冬小麥不受土壤供水限制時利用的水分(mm)，可用該生育時期的潛在蒸散量代替；λi為第i個生育時期水分脅迫敏感系數(shù)，較大的λi表示該生育時期水分脅迫敏感性強，說明在該生育期缺水會對冬小麥生長有較大影響。

當n=4時,對式(1)進行數(shù)學展開和變換：

(2)

在各個地面調(diào)查樣點，分別應(yīng)用CERES-Wheat模型模擬的冬小麥主要生育時期的潛在蒸散量、實際蒸散量、實際產(chǎn)量和潛在產(chǎn)量，并帶入式(2)，構(gòu)成多元線性回歸方程組：

(3)

式中，k代表多元線性回歸方程組個數(shù)，即模擬的冬小麥生長年的個數(shù)。用最小二乘法對上述多元線性回歸方程進行最優(yōu)化求解，得到每個樣點的λ1、λ2、λ3和λ4，即冬小麥返青期、拔節(jié)期、抽穗～灌漿期和乳熟期對水分脅迫敏感系數(shù)。利用F檢驗判別該多元線性回歸方程的顯著性。

對λ1、λ2、λ3和λ4進行歸一化處理：

γi=λi/(λ1+λ2+λ3+λ4)i=1,2,3,4

(4)

式中，γi為歸一化的敏感系數(shù)，用于分析不同生育時期水分脅迫對冬小麥生產(chǎn)的影響。

(2) 水分脅迫敏感系數(shù)的估算樣點實測土壤和田間管理數(shù)據(jù)僅包含2007—2014年的數(shù)據(jù)，對于建立Jensen模型，單樣本點數(shù)據(jù)量較小，模型模擬精度較低，檢驗誤差大，故將地面調(diào)查樣點分為旱作樣點和灌溉樣點。在CERES-Wheat模型中輸入氣象、土壤和田間管理數(shù)據(jù)計算旱作樣點和灌溉樣點的潛在蒸散量、實際蒸散量、實際產(chǎn)量和潛在產(chǎn)量，并將其代入Jensen模型，計算旱作樣點和灌溉樣點冬小麥4個生育時期對水分脅迫的敏感系數(shù)。

以各樣點2009—2010年實測的土壤和田間管理數(shù)據(jù)作為CERES-Wheat模型的輸入數(shù)據(jù)，應(yīng)用1975—2014年各樣點氣象數(shù)據(jù)作為模型輸入的氣象數(shù)據(jù)，模擬各樣點1975—2014年的潛在蒸散量、實際蒸散量、實際產(chǎn)量和潛在產(chǎn)量，并將其帶入Jensen模型，計算各樣點冬小麥4個生育時期對水分脅迫的敏感系數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1CERES-Wheat模型的標定

基于2007—2014年的地面調(diào)查數(shù)據(jù)，采用“試錯法”并根據(jù)樣點灌溉能力、地理位置等特點對CERES-Wheat模型中的遺傳特性參數(shù)進行調(diào)試，使模型模擬的生育時期、LAI、產(chǎn)量和土壤分層含水量與相應(yīng)實測數(shù)據(jù)吻合度達到最佳，實現(xiàn)CERES-Wheat模型的“本地化”。以關(guān)中平原兩個灌溉樣點(扶風縣城北和眉縣常興鎮(zhèn))和兩個旱作樣點(寶雞市陳倉區(qū)北和乾縣石牛鄉(xiāng))為例，利用CERES-Wheat模型模擬4個樣點2007—2014年的LAI、產(chǎn)量及土壤分層含水量。

2.1.1LAI的模擬結(jié)果與分析從模擬的總生育期天數(shù)和LAI結(jié)果(圖2)可知，寶雞市陳倉區(qū)北、扶風縣城北、眉縣常興鎮(zhèn)和乾縣石牛鄉(xiāng)冬小麥的整個生育天數(shù)分別在244～251、238～245、242～249 d和243～250 d之間。陳倉區(qū)北、扶風縣城北、眉縣常興鎮(zhèn)和乾縣石牛鄉(xiāng)冬小麥分別在播種后199～204、197～201、188～193 d和195～200 d LAI達到最大值。結(jié)合樣點實測冬小麥LAI數(shù)據(jù)、生育時期和收獲日期對模擬結(jié)果進行驗證，可以得出標定的CERES-Wheat模型能夠較準確地模擬冬小麥整個生育期的LAI變化狀況。

圖24個樣點應(yīng)用CERES-Wheat模型模擬的LAI模擬值及實測值

Fig.2The simulated LAI values by the CERES-Wheat model and the measured ones of the four sampling sites

2.1.2產(chǎn)量的模擬結(jié)果與分析從產(chǎn)量的模擬結(jié)果(表1)可知，所有樣點模擬產(chǎn)量和實測產(chǎn)量的平均相對誤差為8.79%，在誤差允許范圍內(nèi)，模擬效果較好。所選樣點中扶風縣城北模擬產(chǎn)量和實測產(chǎn)量的平均相對誤差最大，為10.35%，眉縣常興鎮(zhèn)模擬產(chǎn)量和實測產(chǎn)量的平均相對誤差最小，為6.17%，陳倉區(qū)北為8.91%，乾縣石牛鄉(xiāng)為8.63%，旱作樣點模擬產(chǎn)量與實測產(chǎn)量的相對誤差較接近，灌溉樣點的相對誤差變化較大。從不同年份模擬結(jié)果看，2007—2008、2008—2009、2009—2010、2010—2011、2011—2012、2012—2013年和2013—2014年冬小麥生長年模擬產(chǎn)量和實測產(chǎn)量的平均相對誤差分別為9.24%、11.79%、7.14%、8.64%、7.33%、8.97%和8.74%，除2008—2009年冬小麥生長年平均相對誤差大于10%，其余均在合理范圍內(nèi)。綜合上述模擬結(jié)果可知標定的CERES-Wheat模型模擬產(chǎn)量精度較高。

表1　CERES-Wheat模型模擬的冬小麥單產(chǎn)與實測單產(chǎn)的相對誤差/%

注：—表示在該冬小麥生長年未展開地面試驗或未進行測產(chǎn)。

Note: — indicates that the field experiments were not carried out or the yields were not measured in the sampling sites in the years of winter wheat growth.

2.1.3土壤含水量的模擬結(jié)果與分析由土壤分層含水量模擬結(jié)果(表2)可知，0～20、20～50、50～80、80～120 cm和120～200 cm土壤含水量模擬值與實測值的平均相對誤差分別為10.71%、10.10%、7.42%、5.14%和5.38%，平均相對誤差基本在誤差允許范圍內(nèi)。模擬的80～200 cm土壤含水量平均相對誤差明顯小于土壤表層土壤含水量平均相對誤差。由于土壤表層受蒸散、降水、灌溉和下滲等因素的影響較強，土壤表層含水量變化較大，故在模擬結(jié)果中表層土壤含水量相對誤差較大，隨著土壤層次的向下延伸，上述因素的影響作用減弱，土壤含水量趨于穩(wěn)定，土壤含水量模擬值與實測值的相對誤差減小。4個觀測樣點土壤含水量模擬值與實測值的平均相對誤差分別為7.40%、11.76%、6.58%和6.46%，除眉縣樣點模擬誤差較大外，其余觀測樣點土壤含水量模擬值與實測值的平均相對誤差均在誤差允許范圍內(nèi)。綜合上述結(jié)果可知CERES-Wheat模型對土壤剖面含水量的模擬結(jié)果和野外試驗實地測量結(jié)果在變化趨勢和具體數(shù)值上均相符。

2.2冬小麥不同生育時期的水分脅迫敏感性分析

在標定CERES-Wheat模型基礎(chǔ)上，利用Jensen模型分別計算旱作樣點和灌溉樣點冬小麥返青期、拔節(jié)期、抽穗～灌漿期和乳熟期水分脅迫敏感系數(shù)(表3)。結(jié)果為，旱作樣點與灌溉樣點構(gòu)建的多元線性回歸方程均通過F檢驗；無論是旱作樣點還是灌溉樣點，冬小麥在同一生育期對水分脅迫的敏感性相同且拔節(jié)期敏感性最大，抽穗～灌漿期次之，返青期和乳熟期依次遞減。灌溉樣點在拔節(jié)期和抽穗～灌漿期對水分脅迫的敏感性相差較大，而旱作樣點敏感性相差較小。由于灌溉樣點在拔節(jié)期發(fā)生水分脅迫可通過及時灌溉以緩解缺水情況，會減弱其后抽穗～灌漿期的水分脅迫敏感性，所以灌溉樣點抽穗～灌漿期水分脅迫敏感系數(shù)與拔節(jié)期相差較大。旱作樣點構(gòu)建的多元線性回歸方程的顯著性明顯高于灌溉樣點，其主要原因是灌溉樣點在出現(xiàn)水分脅迫時可及時進行灌溉，以緩解水分脅迫對冬小麥的作用，降低冬小麥在該生育期對水分脅迫的敏感性，進而導致在灌溉樣點Jensen模型的模擬精度低于旱作樣點。

以各樣點2009—2010年實測土壤、田間管理數(shù)據(jù)及1975—2014年各樣點氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用CERES-Wheat模型連續(xù)模擬功能并結(jié)合Jensen模型，計算各個樣點不同生育時期的水分脅迫敏感系數(shù)(表4)。各個樣點構(gòu)建的多元線性回歸方程均通過F檢驗且拔節(jié)期、抽穗～灌漿期、返青期和乳熟期水分脅迫敏感系數(shù)依次減弱。旱作樣點構(gòu)建的多元線性回歸方程的顯著性高于灌溉樣點。旱作樣點在拔節(jié)期和抽穗～灌漿期水分脅迫敏感系數(shù)差異較小，灌溉樣點在拔節(jié)期和抽穗～灌漿期水分脅迫敏感系數(shù)差異較大。這與整體研究旱作樣點和灌溉樣點在不同生育時期敏感系數(shù)的結(jié)果一致。

3討論

冬小麥不同生育時期對水分脅迫的敏感性存在明顯差別，即不同生育時期發(fā)生水分脅迫對最終產(chǎn)量影響有顯著差異。在返青期前后冬小麥的葉、莖、根等器官增長較為緩慢且干物質(zhì)量積累不大，對于水分的需求量較小。由于作物的補償生長效應(yīng)[18]，在返青期前后發(fā)生水分脅迫，隨后生育期恢復正常灌溉，其水分虧缺對株高、最終的分蘗、葉面積及干物質(zhì)累積量的影響不大，所以返青期水分脅迫敏感性較小。敏感系數(shù)最大值出現(xiàn)在拔節(jié)期，說明該生育期是關(guān)中平原冬小麥對水分脅迫反應(yīng)最為敏感的時期。在拔節(jié)期冬小麥的葉、莖、根等器官同時并進，葉和莖的長度和體積成倍或幾十倍增長，而根系迅速延伸，對深層土壤水分吸收利用越加明顯，在該生育時期如果土壤水分供給不足都會造成根、莖、葉干物質(zhì)以及整株干物質(zhì)量積累速率的降低，影響小麥最終的長勢和產(chǎn)量。這與閆永鑾等[19]研究的拔節(jié)期是冬小麥需水關(guān)鍵期相吻合。拔節(jié)期之后的抽穗～灌漿期，冬小麥由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長，冬小麥通過光合作用產(chǎn)生的淀粉、蛋白質(zhì)和積累的有機物質(zhì)通過同化作用將它們儲存在籽粒里，在抽穗～灌漿期發(fā)生水分脅迫會影響光合作用的效率和速度，減少淀粉、蛋白質(zhì)和有機質(zhì)的合成，灌漿期水分脅迫會造成冬小麥粒重明顯降低，所以抽穗～灌漿期是影響小麥生長發(fā)育的又一關(guān)鍵時期，這與肖俊夫等[20]的研究較為接近。肖俊夫認為冬小麥各生育期對耗水量敏感性順序為抽穗、拔節(jié)、灌漿、苗期、返青和越冬，且拔節(jié)～抽穗期為冬小麥需水關(guān)鍵期。而本研究得出拔節(jié)期對于水分脅迫的敏感性大于抽穗～灌漿期且拔節(jié)、抽穗～灌漿期為冬小麥需水關(guān)鍵期，這是由于研究方法及研究區(qū)域的不同，以及冬小麥生育時期劃分的差異造成的。在關(guān)中平原，春旱發(fā)生的幾率較大，且在灌溉區(qū)域通常在拔節(jié)期進行春灌，因此可認為我們模擬研究結(jié)果更具區(qū)域特色。在抽穗～灌漿后，小麥進入乳熟期，營養(yǎng)物質(zhì)向籽粒運輸?shù)倪^程結(jié)束，植株逐漸枯萎，根系開始死亡，不再需要水分的補給，在乳熟期后期灌水，會從老莖基部長出新的分蘗，消耗養(yǎng)分，導致千粒重的降低，因此在乳熟期后期灌水對千粒重會產(chǎn)生明顯抑制作用，這與楊小利等[21]在甘肅西峰和天水研究的冬小麥在返青到拔節(jié)期對水分脅迫的敏感性大于乳熟到成熟期的結(jié)論一致，即冬小麥在乳熟期水分脅迫敏感系數(shù)最小。

表2　CERES-Wheat模型模擬土壤剖面分層含水量與實測含水量的相對誤差/%

表3　不同類型樣點在不同生育時期的水分脅迫敏感系數(shù)

注(Note)：Fa(4,n-5)=2.895，a=0.05，n=24; Fa(4,n-5)=2.612，a=0.05，n=44.

表4　不同生育時期的水分脅迫敏感系數(shù)

注Note：Fa(4,n-5)=2.65，a=0.05，n=39.

4結(jié)論

通過利用2007—2014年的地面調(diào)查數(shù)據(jù)對DSSAT支持下的CERES-Wheat模型進行了標定，實現(xiàn)了模型的“本地化”，并在此基礎(chǔ)上利用Jensen模型計算了關(guān)中平原冬小麥不同生育時期的水分脅迫敏感系數(shù)。主要結(jié)論：無論是在旱作樣點還是在旱作樣點，冬小麥在拔節(jié)期、抽穗～灌漿期、返青期和乳熟期對水分脅迫的敏感性依次減弱，且旱作樣點拔節(jié)期和抽穗～灌漿期的水分脅迫敏感系數(shù)相差較小而灌溉樣點相差較大，這主要是由于關(guān)中平原春旱發(fā)生的幾率較大，灌溉區(qū)域通常在拔節(jié)期進行春灌，會減弱其后抽穗～灌漿期冬小麥對水分脅迫敏感性。拔節(jié)期和抽穗～灌漿期水分脅迫敏感系數(shù)在水分脅迫敏感系數(shù)歸一化處理后所占比重較大，是需水關(guān)鍵時期，而在返青期和乳熟期所占比重小，發(fā)生水分脅迫時對產(chǎn)量影響較小。

在關(guān)中平原實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可利用冬小麥在不同生育時期對水分脅迫敏感的程度，進行分時期的有效抗旱和田間管理。例如在水分脅迫下對產(chǎn)量影響較大的生育時期(如拔節(jié)期)出現(xiàn)干旱，需及時并有針對性地進行抗旱和防旱工作，而在對水分脅迫不太敏感的生育時期(如乳熟期)出現(xiàn)干旱，要結(jié)合實際的農(nóng)業(yè)干旱程度，權(quán)衡相應(yīng)投入和產(chǎn)出后進行抗旱，做到抗旱防旱資源的有效利用和統(tǒng)籌規(guī)劃。

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Analysis on the sensitivity to water stress of winter wheat based

on a dynamicsimulation model

HE Peng1, WANG Peng-xin1, XIE Yi1, ZHANG Shu-yu2, LIU Jun-ming1

(1.CollegeofInformationandElectricalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China;

2.ShaanxiMeteorologicalBureau,Xi’an,Shaanxi710014,China)

Abstract：Using the calibrated CERES-Wheat model under the DSSAT shell, daily actual evapotranspiration and potential evapotranspiration during the growth stages of winter wheat were simulated in the Guangzhong plain of Shaanxi Province, China. Sensitivity coefficients of water stress of winter wheat at different growth stages were calculated by the Jensen model. The results indicated that the sensitivity coefficients of water stress on winter wheat were the same at the same growth stage in both irrigated and rainfed areas. The sensitivity coefficients of winter wheat were the largest at the jointing stage, and were gradually decreased at the heading-filling stage, turning green stage and dough stage. The sensitivity coefficients at the jointing stage and heading-filling stage were 0.589 and 0.342 in the irrigated areas, respectively, indicating that the water stress at these two stages had different impacts on wheat yield. Nevertheless, those were 0.405 and 0.383 in the rainfed areas, suggesting that the water stress at these two stages had similar impacts on wheat yield. Because the irrigated areas were often irrigated at the jointing stage in order to relieve the lack of water, the sensitivity of water stress on winter wheat was weakened, and the difference in the sensitivity coefficients of winter wheat between the jointing stage and the heading-filling stage was small. Based on the sensitivity coefficients of water stress, specific measurements should be taken on winter wheat according to the water-deficit conditions at each growth stage to ensure rational use of drought-related resources.

Keywords:winter wheat; CERES-Wheat model; water stress; sensitivity coefficient

中圖分類號：S512.1

文獻標志碼：A

通信作者：王鵬新(1965—)，男，陜西禮泉人，教授，博士生導師，主要從事定量遙感及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究。

作者簡介：賀鵬(1989—)，男，山西太原人，碩士研究生，研究方向為土壤及冬小麥水分信息的動態(tài)模擬。

基金項目：國家自然科學基金項目(41371390)和國家科技支撐計劃項目(2012BAD20B0103)資助

收稿日期：2015-01-22

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.33

文章編號：1000-7601(2016)01-0213-07