CERES-Wheat模型分析山西省中部地區(qū)冬小麥需水量

田瑋瑋 ，李劉軍 ，何 真 ，連 晉 ，毛巧巧 ，蘆艷珍 ，楊三維

（1.安澤縣農(nóng)業(yè)委員會(huì)，山西安澤042500；2.山西絳山種業(yè)公司，山西絳縣043699；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山西太原030031）

CERES-Wheat模型分析山西省中部地區(qū)冬小麥需水量

田瑋瑋1，李劉軍2，何 真3，連 晉3，毛巧巧1，蘆艷珍3，楊三維3

（1.安澤縣農(nóng)業(yè)委員會(huì)，山西安澤042500；2.山西絳山種業(yè)公司，山西絳縣043699；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山西太原030031）

以2010—2015年6個(gè)完整小麥生育期的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)為材料，采用情景分析方法，運(yùn)用CERES-Wheat模型分析了晉中地區(qū)冬小麥需水量與產(chǎn)量的關(guān)系以及小麥蒸散量、土壤蒸發(fā)量與產(chǎn)量的關(guān)系，比較不同生育期需水量和產(chǎn)量的最佳預(yù)測模型。結(jié)果表明，該模型對(duì)冬小麥生長季的大田蒸散量預(yù)測較為準(zhǔn)確；晉中地區(qū)小麥生長期灌溉水和土壤水的需要量為318 mm；在計(jì)算山西省中部地區(qū)多年平均蒸散量值和降雨量差值的基礎(chǔ)上得出，該地區(qū)小麥返青期、拔節(jié)期和灌漿期小麥平均需水量分別為250，310，343 mm。

小麥；CERES-Wheat；需水量；晉中地區(qū)

作物生長模擬模型以實(shí)時(shí)、快速和非破壞性等優(yōu)勢成為當(dāng)前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)之一，在作物含水量和土壤含水量的監(jiān)測方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[6-7]。吳華兵等[8]提出了基于導(dǎo)數(shù)光譜的比值光譜指數(shù)建立小麥水氮監(jiān)測模型，可顯著地提高模型精確度和可靠性。YANG等[9]研究發(fā)現(xiàn)，CERES-Wheat模型能夠較為有效地指導(dǎo)華北平原太行山地區(qū)小麥灌溉，可節(jié)約20%以上的灌溉水資源。房全孝等[10]利用RZWQMCERES模型對(duì)小麥—玉米間作地區(qū)開展模擬分析，提出了華北地區(qū)具有較高操作性的灌溉策略。上述研究表明，基于生長模型監(jiān)測土壤灌溉的可行性和可靠性，但關(guān)于山西省中部地區(qū)冬小麥生長季水分管理和需水量的研究尚未見報(bào)道。

本研究以晉中地區(qū)2010—2015年6個(gè)完整的小麥生育期的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)為對(duì)象，通過情景分析的方法，運(yùn)用CERES-Wheat模型分析晉中地區(qū)冬小麥需水量與產(chǎn)量的關(guān)系以及小麥蒸散量、土壤蒸發(fā)量與產(chǎn)量的關(guān)系，比較不同生育時(shí)期需水量和產(chǎn)量的最佳預(yù)測模型，旨在為該地區(qū)小麥生產(chǎn)以及合理灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

冬小麥需水量研究在山西省晉中市東陽試驗(yàn)基地進(jìn)行。該地區(qū)位于山西省中部，地處黃土高原東部邊緣，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 111°23′～114°28′，北緯36°39′～38°06′。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，季節(jié)變化明顯，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷少雪。全年日照時(shí)數(shù)平均為2 530 h左右，輻射總量為545～581 kJ/cm2，年平均氣溫9.4℃。供試土壤類型為褐土性土，土壤呈中性、微堿性反應(yīng)，礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)積累較多，腐殖質(zhì)層較厚，肥力較高。土壤耕層有機(jī)質(zhì)含量11.75 g/kg，全氮含量0.59 g/kg，堿解氮含量25.77 mg/kg，速效磷含量13.46 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試材料為中麥175小麥。

1.3 研究方法

選擇DSSAT系統(tǒng)中的CERES-Wheat模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，相關(guān)參數(shù)校正后驗(yàn)證參考文獻(xiàn)[9]進(jìn)行。通過對(duì)歷年小麥生育期的田間管理方式進(jìn)行模型的設(shè)定，2010—2015年的氣象資料通過GENCALC程序和試錯(cuò)法算法進(jìn)行模擬。小區(qū)面積15 m2，設(shè)3個(gè)水平的灌水處理，P1.返青期、拔節(jié)期和灌漿期灌水量分別為70，80，90 mm；P2.返青期、拔節(jié)期和灌漿期灌水量分別為90，80，70 mm；P3.返青期、拔節(jié)期和灌漿期灌水量分別為70，90，80mm。其他管理同大田（降雨量和日照時(shí)數(shù)等氣象數(shù)據(jù)來自山西省氣象局）。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

通過偏差、均方根誤差（RMSE）和標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差（NRMSE）評(píng)價(jià)蒸散量模擬值與實(shí)測值之間的關(guān)系。利用SPSS 18.0軟件對(duì)水分生產(chǎn)率與蒸散量進(jìn)行回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥蒸散量模擬值分析

采用冬小麥品種中麥175，于2013—2014年度使用CERES-Wheat模型參數(shù)校正，得到不同灌溉條件下蒸散量模擬值，并與實(shí)際測量值進(jìn)行了對(duì)比。由圖1可知，在不同生長發(fā)育時(shí)期模擬大田蒸散量與實(shí)際測量值基本分布在1∶1附近，表明預(yù)測值較為準(zhǔn)確，與實(shí)際測量值基本相符。2013—2014年度冬小麥苗期、拔節(jié)期和灌漿期處理均方根誤差和標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差分別為40.31，47.21，43.16和0.19，0.24，0.21，標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差值均小于0.3，表明CERES-Wheat模型可較為準(zhǔn)確地對(duì)晉中地區(qū)冬小麥生長季的大田蒸散量進(jìn)行預(yù)測。

2.2 2010—2015年度冬小麥在不同灌溉條件下產(chǎn)量的模擬分析

根據(jù)東陽地區(qū)2010—2015年度氣象數(shù)據(jù)，采用CERES-Wheat模型對(duì)不同灌溉條件小麥產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，小麥產(chǎn)量與灌溉量呈正相關(guān)，其中，2014年產(chǎn)量最高，達(dá)到7.62t/hm2。不同灌溉處理下2010—2015年度小麥產(chǎn)量平均值分別為 7.12，7.06，7.54，7.50，7.62，7.32 t，其中，不同灌溉條件下，P1處理的小麥產(chǎn)量最高，說明在灌漿期加大對(duì)小麥的灌溉量對(duì)產(chǎn)量增幅最大。

2.3 2010—2015年度小麥生長蒸散量和土壤蒸發(fā)量的模擬分析

由圖3，4可知，2010—2015年度小麥生長蒸散量和土壤蒸發(fā)量呈正相關(guān)，蒸散量隨灌溉量的增加而增加，年際間表現(xiàn)一致，其中，2011—2012年度P1處理的蒸散量最大，為442 mm。不同生育期中，以P1處理的土壤蒸發(fā)量較大，年際間表現(xiàn)一致。田間土壤蒸發(fā)量2013年最高，3個(gè)處理在年際間變化無明顯規(guī)律。

2.4 晉中地區(qū)小麥生長季經(jīng)濟(jì)蒸散量的估算

作物經(jīng)濟(jì)蒸散量又稱經(jīng)濟(jì)耗水量，是指作物水分生產(chǎn)率達(dá)到最大時(shí)的蒸散量值。相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，冬小麥產(chǎn)量隨著大田蒸散量的增加而增加，水分生產(chǎn)率在一定范圍內(nèi)隨著大田蒸散量的增加而增加；當(dāng)水分生產(chǎn)率達(dá)到一定水平后，隨著大田蒸散量的增加，水分生產(chǎn)率呈現(xiàn)下降趨勢[11-12]，本研究結(jié)果也大致符合這一規(guī)律。利用SPSS軟件對(duì)非線性回歸方程進(jìn)行擬合，建立經(jīng)濟(jì)蒸散量（ET）與水分生產(chǎn)率（WP）的模型：WP＝0.008 137ET2＋0.052ET－2.166（R2＝0.731，P＜0.01）。

2.5 晉中地區(qū)冬小麥生長灌溉水和土壤水需要量分析

晉中地區(qū)年平均降水量480 mm左右，小麥生育期內(nèi)平均降水約為180 mm。利用建立的水分生產(chǎn)率非線性回歸模型計(jì)算出水分生產(chǎn)率為最大值時(shí)的經(jīng)濟(jì)蒸散量，再減去生育期平均降雨量的降水補(bǔ)償，可計(jì)算出小麥生長期灌溉水和土壤水的需要量為318 mm。對(duì)小麥返青期、拔節(jié)期和灌漿期進(jìn)行單獨(dú)的模型計(jì)算，根據(jù)多年平均蒸散量值與多年平均降雨量之間的差值得到小麥返青期、拔節(jié)期和灌漿期灌溉水量分別為250，310，343 mm。

3 討論

本研究采用CERES-Wheat模型分析不同灌溉條件下蒸散量模擬值，并與實(shí)際測量值進(jìn)行了對(duì)比。通過2013—2014年度不同生育期模擬大田蒸散量與實(shí)際測量值基本分布在1∶1附近，表明預(yù)測值較為準(zhǔn)確。此外，該年度小麥不同生長時(shí)期各處理的NRMSE值均小于0.3，初步說明，CERES-Wheat模型可較為準(zhǔn)確地對(duì)晉中冬小麥生長季的經(jīng)濟(jì)蒸散量值進(jìn)行預(yù)測。但本研究僅采用2013—2014年度的氣候條件進(jìn)行模擬，尚具有一定的局限性。此外，在小麥整個(gè)生育期內(nèi)病蟲害、倒伏、品種特性等因素都容易導(dǎo)致預(yù)測模型發(fā)生計(jì)算偏差，從而影響預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，通過多年多點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，并結(jié)合優(yōu)良品種重要農(nóng)藝性狀和節(jié)水特性的特點(diǎn)對(duì)CERES-Wheat模型各參數(shù)進(jìn)行校正是下一步研究的重點(diǎn)。

小麥蒸散量可分解為作物蒸騰和土壤蒸發(fā)，在田間生產(chǎn)與研究中往往將小麥蒸散量作為整體進(jìn)行研究，將植物蒸騰和土壤蒸發(fā)作為獨(dú)立因子進(jìn)行研究的報(bào)道很少。作物模型根據(jù)不同算法可以對(duì)植物蒸騰和土壤蒸發(fā)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的估算，這對(duì)于水分和栽培管理措施的選擇至關(guān)重要。本研究利用CERES-Wheat模型對(duì)2010—2015年度小麥生長蒸散量和土壤蒸發(fā)量分析后發(fā)現(xiàn)，其呈正相關(guān)趨勢，蒸散量隨灌溉量的增加而增加。李夢(mèng)哲等[13]在海河平原進(jìn)行的冬小麥研究中發(fā)現(xiàn)，微膜覆蓋可以控制土壤蒸發(fā)耗水，通過減少麥田蒸散量降低大田需水量，獲得了與本研究相似的結(jié)果。周麗麗等[14]采用CERES-Wheat模型對(duì)河北滄州地區(qū)冬小麥蒸散量、植物蒸騰和土壤蒸發(fā)量等參數(shù)和指標(biāo)進(jìn)行綜合研究，根據(jù)年際間降雨量的差異，估算出經(jīng)濟(jì)蒸散量以及不同水分管理下該地區(qū)冬小麥需水量。然而，滄州地區(qū)屬于黑龍港流域，水文生態(tài)條件極為復(fù)雜，在實(shí)際生產(chǎn)過程中常因地膜覆蓋、秸稈還田等措施降低麥田蒸散量，這些因素限制了模型預(yù)測的精確度，影響了研究結(jié)果的推廣和應(yīng)用。本研究對(duì)晉中地區(qū)麥田需水量進(jìn)行研究，該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，季節(jié)變化明顯，生態(tài)條件較為規(guī)律，使得CERES-Wheat模型在該地區(qū)冬小麥生產(chǎn)中具有較高的預(yù)測能力和準(zhǔn)確度，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

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Analysis of Water Demand for Winter Wheat Production in Middle of Shanxi Province Using CERES-Wheat Model

TIAN Weiwei1，LI Liujun2，HE Zhen3，LIANJin3，MAO Qiaoqiao1，LU Yanzhen3，YANG Sanwei3
（1.Agricultural Committee of Anze，Anze 042500，China；2.Shanxi Jiangshan Seeds Company，Jiangxian 043699，China；3.Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

Crop growth simulation model provides a new method for water resources analysis of farmland and optimization of management measures for water use efficiency improvement in crop production.The characteristics of annual variation of simulated yield,evapotranspiration,plant transpiration,soil evaporation,and water productivity of winter wheat in Jinzhong area in the North China Plain during 2010-2015 were analyzed using a calibrated CERES-Wheat model.The results showed that the amount of field evapotranspiration model of winter wheat growing season prediction was accurate.The average rainfall was deducted from the average EP,the average water demand for the green stage,jointing stage,grain filling stage were 250,310,343 mm,respectively.

wheat;CERES-Wheat;water demand;Jinzhongarea

S512.1＋1

A

1002-2481（2017）10-1651-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.10.19

小麥?zhǔn)巧轿魇≈饕募Z食作物，其總產(chǎn)量和消費(fèi)量皆居首位，在保障山西省糧食安全、促進(jìn)社會(huì)發(fā)展與維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定方面具有重要的作用。我國是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國家，山西屬于極度缺水區(qū)，450萬hm2的耕地中水地只占30%，而且呈逐年減少趨勢，因此，節(jié)水研究刻不容緩[1-2]。目前，山西省小麥水澆地常采用漫灌的方式，造成了水資源極大的浪費(fèi)。明確山西省不同麥區(qū)各生育期的需水量已成為當(dāng)前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的主要目標(biāo)之一。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取小麥不同生長時(shí)期的需水量可以做到合理灌溉，對(duì)于提高水分利用率及作物產(chǎn)量、品質(zhì)的形成，對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)田灌溉策略具有重要的意義。目前，已有關(guān)于小麥需水量的研究，李新波等[3]在大田試驗(yàn)條件下優(yōu)化了冬小麥灌溉制度，使太行山前平原農(nóng)業(yè)灌溉更為合理；張喜英等[4]在大田模式下研究了太行山山前平原區(qū)蒸散量和灌溉需水量對(duì)當(dāng)?shù)囟←満拖挠衩坠喔戎笜?biāo)的影響；郭步慶等[5]通過系統(tǒng)比較3種不同種植模式單季和周年作物水分利用效率以及水量平衡方程，對(duì)在華北地區(qū)通過調(diào)整種植模式實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水的潛力進(jìn)行了研究。這些方法多是采用田間試驗(yàn)對(duì)灌溉量和作物不同生理指標(biāo)進(jìn)行研究，需要耗費(fèi)大量的財(cái)力、物力和人力。此外，由于地域和土壤質(zhì)地的評(píng)價(jià)指標(biāo)不一，有些研究只反映一個(gè)生育期或一個(gè)地域，而不同生育期和不同地域的生態(tài)環(huán)境下對(duì)需水量要求不同，造成不同地域小麥需水量難以精確評(píng)價(jià)。因此，尋找簡便、準(zhǔn)確的試驗(yàn)方法對(duì)不同地區(qū)主栽作物生育期內(nèi)的需水量進(jìn)行估計(jì)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2017-04-05

山西省農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目（20150311001-5；201603D221001-3）

田瑋瑋（1982-），男，山西臨汾人，農(nóng)藝師，主要從事作物栽培與推廣工作。楊三維為通信作者。