隴中旱地春小麥產(chǎn)量對降水與溫度變化的響應(yīng)模擬

任新莊，閆麗娟，李 廣，聶志剛，王 鈞，羅永忠

(1.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)， 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 4.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC，2013)發(fā)布的第五次評估報告顯示：全球海陸表面平均溫度在1880—2012年之間總共升高了0.85℃，未來將繼續(xù)呈上升趨勢[1]。在氣溫持續(xù)升高的情況下，全球各干濕地區(qū)之間，同一地區(qū)干濕季節(jié)之間的降水差也將增大[2]。氣溫和降水是作物生長發(fā)育的主要影響因素，其影響程度在干旱半干旱地區(qū)更加明顯，所以，氣候變化將對該地區(qū)的糧食生產(chǎn)產(chǎn)生重要的影響。

小麥?zhǔn)鞘澜缟献钪匾募Z食作物之一，其生產(chǎn)對氣候變化非常敏感[3]。全球氣候變化的主要特點包括氣候變暖和降水格局變化，而溫度與水分等生存因子的變化必然會影響小麥的生長發(fā)育過程，從而對產(chǎn)量造成影響[4-5]。光合作用是小麥產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，而其光合效率的高低與氣溫有著密切的關(guān)系[6]，適宜的溫度是高光合效率的重要前提之一，而過高的溫度則會造成小麥早熟或早衰，縮短小麥的物候期持續(xù)時間[7]，會從光合面積、光合速率、以及光合持續(xù)時間等方面來影響小麥的產(chǎn)量形成。水分作為小麥最重要的生存因子之一，對小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響是決定性的，所以降水格局的變化對干旱半干旱且無灌溉條件地區(qū)的小麥生產(chǎn)的影響很大。大量研究表明，在黃土高原隴中地區(qū)降水量少且年內(nèi)分配極不均勻，與小麥生育時期相錯位，這對該地區(qū)的小麥生產(chǎn)造成了很不利的影響[8-9]。在溫度與水分對小麥產(chǎn)量形成的綜合影響方面，有研究表明，在水分條件較好時，溫度的升高能提高小麥葉片的光合效率，但在低水分條件下，溫度的變化對小麥葉片光合速率的影響并不明顯[10]，其互作效應(yīng)對小麥產(chǎn)量的研究目前還較少。

因此，本研究運用APSIM模型，針對未來可能出現(xiàn)的溫度與降水變化情況，對黃土高原定西市安定區(qū)的小麥產(chǎn)量進行模擬，并分析溫度與降水變化對小麥產(chǎn)量形成的互作效應(yīng)，為在未來氣候條件下該地區(qū)小麥的合理生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 APSIM模型簡介

APSIM(Agricultural Production System Simulator)是由隸屬澳大利亞聯(lián)邦科工組織和昆士蘭州政府的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)組(APSRU)開發(fā)研制的一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型[11]。該模型對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的模擬是以土壤過程為核心的，并且可以模擬作物輪作系統(tǒng)。APSIM主要由以下4個部分組成：用于模擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中生物和物理過程的生物物理模塊；用于定義農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施和控制模型過程的管理模塊；用于調(diào)用模擬過程中數(shù)據(jù)“進出”的輸入輸出模塊和用于驅(qū)動模擬過程和控制其它模塊的中心引擎。該模型可以根據(jù)用戶需要連接不同的子模塊到主引擎上，用戶也可以自行開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)子模塊，從而滿足不同的模擬需求。模型所需數(shù)據(jù)主要分為4個部分：氣候參數(shù)(包括逐日太陽輻射量、逐日最高氣溫、逐日最低氣溫、逐日降水量、當(dāng)?shù)鼐暥?、月平均氣溫和月均溫變化?，土壤屬性參數(shù)(包括土層深度、容重、萎蔫系數(shù)、最大持水量、飽和含水量、風(fēng)干系數(shù)、土壤N含量和土壤pH值等)，作物屬性參數(shù)(包括作物的遺傳特性參數(shù)和作物生長發(fā)育過程中的一些參數(shù))，農(nóng)田管理參數(shù)(包括播深、播期、播量、施肥種類、施肥時期、施肥量、灌水時期和灌水量等)。本研究采用的模型已經(jīng)經(jīng)過李廣等的校驗，模型相對均方根誤差(NRMSE)為4.85%，有效性參數(shù)(ME)為0.908，且已有很多研究者運用校正后的模型，研究了日最高與最低溫度、光照與CO2以及光照與溫度等對春小麥產(chǎn)量的影響機制[12-15]。

1.2 試驗區(qū)概況

本研究區(qū)位于甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)，屬于隴中黃土高原，為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，一年一熟，春小麥與豌豆輪作是該區(qū)的主要輪作方式。海拔為2 000 m，年均太陽輻射592.9 kJ·cm-2，年均氣溫6.4℃，年均≥0℃積溫2 933.5℃，年均≥10℃積溫2 239.1℃，無霜期140 d,多年平均降雨量391.0 mm，且降水量集中在7—9月份，占全年降水量的60%以上，年蒸發(fā)量1 531 mm。

1.3 模擬試驗設(shè)計

本研究使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為1971—2012年的定西市安定區(qū)逐日溫度及降水?dāng)?shù)據(jù)。由圖1可知1971—2012年安定區(qū)的年降水量呈減少趨勢，降水量傾向率為-5.5 mm·10a-1，平均氣溫呈升高趨勢，氣溫傾向率為0.5 ℃·10a-1；根據(jù)IPCC的第五次評估報告，到本世紀(jì)末，在極端情況下，西北地區(qū)降水變化可達10%～20%，氣溫變化可達1.5℃～2.0℃。故本研究設(shè)計了降水與溫度雙因素耦合的模擬試驗(表1)，其中降水以這42年的逐日降水為基準(zhǔn)，在±20%的變化范圍內(nèi)，以5%為間隔設(shè)置9個梯度；溫度以這42年的逐日溫度為基準(zhǔn)，在±2℃的變化范圍內(nèi)，以0.5℃為間隔設(shè)置9個梯度。由于溫度和降水的量級與量綱不同，故對變量采用“極差化”進行無量綱化編碼處理[15]。

圖1 1971—2012年安定區(qū)年降水量與年平均溫度的變化Fig.1 The changes of annual precipitation and annual mean temperature in Anding District from 1971—2012

降水變化比例Change of precipitation/%編碼Code年均降水量Average annual precipitation/mm溫度變化量Change of temperature編碼Code年均溫度Average temperature/℃-200.000308.0-2.00.0009.8-150.125327.3-1.50.1259.3-100.250346.5-1.00.2508.8-50.375365.8-0.50.3758.300.500385.00.00.5007.8+50.625404.3+0.50.6257.3+100.750423.5+1.00.7506.8+150.875442.8+1.50.8756.3+201.000462.0+2.01.0005.8

1.4 數(shù)據(jù)處理

將APSIM模擬各處理輸出的小麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)用Excel整理并做趨勢圖，用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行方差、回歸和通徑分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 春小麥產(chǎn)量對降水和溫度變化的響應(yīng)

在土壤屬性、作物品種、管理方式等因素假定不變的情況下，運用APSIM模型對溫度和降水二因素九水平交叉組合下的春小麥產(chǎn)量進行模擬。模擬結(jié)果表明(表2)，春小麥產(chǎn)量與降水和溫度的變化有一定的關(guān)系，即當(dāng)降水不變而溫度增加時，春小麥產(chǎn)量逐漸下降；當(dāng)溫度不變而降水增加時，春小麥產(chǎn)量逐漸增加。

運用SPSS軟件對春小麥產(chǎn)量進行方差分析，結(jié)果顯示(表3)，降水和溫度的F值分別為2 905.222和200.088，不同降水和溫度水平對春小麥產(chǎn)量的影響都極顯著。通過在5%和1%顯著性水平檢驗，進一步發(fā)現(xiàn)降水對春小麥產(chǎn)量的影響比溫度更加顯著。

2.2 春小麥產(chǎn)量和降水與溫度變化的回歸分析

以春小麥產(chǎn)量為因變量，降水變化和溫度變化為自變量。用SPSS軟件對其進行二次多項式逐步回歸分析，得出回歸方程：

(1)

式中，Y為春小麥產(chǎn)量(kg·hm-2)；X1為降水變化的編碼值；X2為溫度變化的編碼值?；貧w方程的相關(guān)系數(shù)為0.999，F(xiàn)>F0.01，表明回歸方程達到極顯著水平。該方程能夠反映春小麥產(chǎn)量變化與降水和溫度變化之間的關(guān)系。

表2 春小麥產(chǎn)量模擬值隨降水和溫度變化量的動態(tài)變化/(kg·hm-2)

注：表中春小麥產(chǎn)量為1971—2012年各年產(chǎn)量的平均值。

Note: The yield of spring wheat in the table is the average value of 1971—2012 years.

表3 春小麥產(chǎn)量模擬值與降水和溫度的方差分析

由于在回歸過程中使用了無量綱化的編碼，式中的偏回歸系數(shù)已標(biāo)準(zhǔn)化，故其絕對值可以直接反映變量對產(chǎn)量的影響程度。降水(X1)的偏回歸系數(shù)為2 693.88，為正效應(yīng)；溫度(X2)的偏回歸系數(shù)為-287.25，為負效應(yīng)。降水與溫度對春小麥產(chǎn)量的影響為互逆過程，并且降水的正效應(yīng)遠遠大于溫度的負效應(yīng)。

為了進一步明確各因素對春小麥產(chǎn)量的影響，對回歸方程進行降維處理，即將兩個因素中的任意一個因素固定為零水平，便得到各自因素對產(chǎn)量影響的子方程：

Y降水=1452.24+2693.88X1

(2)

(3)

在本試驗設(shè)計的各因素水平值范圍內(nèi)，將編碼值代入方程(2)和方程(3)可得出各因素的產(chǎn)量效應(yīng)關(guān)系圖(圖2)，從方程及其對應(yīng)的關(guān)系圖可知，降水變化比例對春小麥產(chǎn)量呈遞增的線性關(guān)系；溫度變化值對春小麥產(chǎn)量呈開口向下的二次曲線關(guān)系，在試驗設(shè)計范圍內(nèi)，呈遞減趨勢。

2.3 降水與溫度對春小麥產(chǎn)量的互作效應(yīng)分析

運用SPSS軟件進行通徑分析，以春小麥產(chǎn)量(Y)為因變量，降水(X1)和溫度(X2)為自變量。通徑分析結(jié)果表明(圖3)，X1→Y的直接通徑系數(shù)為1.031，X1→X1×X2→Y的間接通徑系數(shù)為-0.066，說明溫度條件不變的情況下，增加降水會使得春小麥產(chǎn)量提高。根據(jù)模擬結(jié)果，溫度不變，降水每增加5%，春小麥產(chǎn)量最大增幅為21.38%，最小增幅為6.93%，平均增幅為14.31%。

X2→Y的直接通徑系數(shù)為-0.110，說明降水條件不變的情況下，溫度升高會造成春小麥減產(chǎn)，X2×X2→Y的直接通徑系數(shù)為-0.080，X2→X1×X2→Y的間接通徑系數(shù)為-0.066，這進一步說明了春小麥產(chǎn)量對溫度升高呈減產(chǎn)效應(yīng)。根據(jù)模擬結(jié)果，降水不變，溫度每升高0.5℃，春小麥產(chǎn)量最大降幅為4.92%，最小降幅為1.94%，平均降幅為3.24%。

X1×X2→Y的直接通徑系數(shù)為-0.102，這說明降水與溫度對春小麥產(chǎn)量的交互作用為負，即降水與溫度按試驗設(shè)計梯度同時增加時，兩者對春小麥產(chǎn)量的影響互相制約，X1×X2→X1→Y的間接通徑系數(shù)為0.663，X1×X2→X2→Y的間接通徑系數(shù)為-0.071，表明由于降水對產(chǎn)量的正效應(yīng)遠遠大于溫度對產(chǎn)量的負效應(yīng)，所以在兩者按試驗設(shè)計梯度同時增加時，最終表現(xiàn)為春小麥增產(chǎn)。根據(jù)模擬結(jié)果，降水增加5%，溫度升高0.5℃，春小麥最大增產(chǎn)17.00%，最小增產(chǎn)3.51%，平均增產(chǎn)10.29%。

圖2 降水與溫度單因素效應(yīng)

圖3降水與溫度對春小麥產(chǎn)量的通徑分析

Fig.3 Path analysis of spring wheat yield to rain and temperature

3 結(jié) 論

1) 當(dāng)溫度不變時，降水的增加對春小麥產(chǎn)量的影響為正效應(yīng)。產(chǎn)量隨降水的增加在試驗設(shè)計范圍內(nèi)呈線性正相關(guān)。溫度不變，降水每增加5%，春小麥產(chǎn)量最大增幅為21.38%，最小增幅為6.93%，平均增幅為14.31%。

2) 當(dāng)降水不變時，溫度的升高對春小麥產(chǎn)量的影響為負效應(yīng)。產(chǎn)量隨溫度的升高呈二次拋物線遞減變化。降水不變，溫度每升高0.5℃，春小麥產(chǎn)量最大降幅為4.92%，最小降幅為1.94%，平均降幅為3.24%。

3) 降水對產(chǎn)量的正效應(yīng)遠遠大于溫度對產(chǎn)量的負效應(yīng)，所以兩者在按試驗設(shè)計梯度同時增加時，最終表現(xiàn)為春小麥增產(chǎn)。但由于溫度與降水之間存在負的交互效應(yīng)，即溫度的升高減弱了降水增加帶來的增產(chǎn)效果，所以當(dāng)降水增加5%，溫度升高0.5℃時，春小麥最大增產(chǎn)17.00%，最小增產(chǎn)3.51%，平均增產(chǎn)10.29%。

4 討 論

根據(jù)IPCC第五次報告的預(yù)測，未來全球氣溫將呈現(xiàn)上升趨勢，并且降水格局在時間和空間上差異將進一步增加[1-2]。故本文對將可能出現(xiàn)的溫度與降水變化下的黃土高原隴中地區(qū)的春小麥產(chǎn)量變化進行了模擬研究。結(jié)果表明，在本試驗設(shè)計的范圍內(nèi)，溫度的升高會造成春小麥減產(chǎn)，降水增加則具有良好的增產(chǎn)效果，溫度與降水之間存在負的互作效應(yīng)。有許多研究認為，溫度升高會造成春小麥早熟，縮短灌漿時間，從而導(dǎo)致產(chǎn)量下降[16-18]，這與本研究結(jié)果一致；且由于研究區(qū)降水量偏少，高溫會增加農(nóng)田土壤水分的蒸發(fā)，從而加劇旱情[19]；溫度是光合作用的重要影響因素之一，適宜的溫度是保持高光合效率的必要條件，較高的溫度常會引起植物的“光合午休”現(xiàn)象，從而對生物量的生產(chǎn)起到消極作用[20]；本研究顯示，春小麥產(chǎn)量與溫度是呈二次曲線關(guān)系，且在試驗設(shè)計范圍內(nèi)隨著溫度的升高呈遞減趨勢，所以一定范圍內(nèi)的降溫會增加小麥產(chǎn)量。降水是該研究區(qū)土壤水分的唯一來源，降水增加必然改善土壤水分條件，杜瑞英等研究認為，當(dāng)土壤水分含量低于小麥最適水分條件時，土壤水分的增加不但會同步提高光合速率和水分利用效率，而且會增加光合面積，從而增加小麥產(chǎn)量[5,21]；良好的土壤水分對小麥的蒸騰作用也有積極的意義，不但能促進物質(zhì)的運輸，還能適當(dāng)降低葉片溫度[22]，這對增加小麥產(chǎn)量也具有積極作用。對于溫度與降水的互作效應(yīng)，張凱等[23]研究認為，在增加降水的情況下，增溫對春小麥產(chǎn)量仍有不利影響；柯世省等通過對夏臘梅的研究，趙琴等對枸杞的研究，都認為溫度增加會降低由于降水增加引起的光合速率上升的速度[24-25]；其原因可能是因為溫度升高增加了土壤水分的無效蒸發(fā)，導(dǎo)致降水對小麥的增產(chǎn)作用有所減弱。

本研究采用的APSIM模型能夠較好地模擬和表達作物生長過程與氣候因子變化之間的關(guān)系，其適用性已經(jīng)被廣泛地驗證，很多研究者已經(jīng)運用此模型對氣候變化與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理措施與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各方面進行了研究。本研究只模擬了不同降水與溫度變化對春小麥生產(chǎn)的影響，所以假定光照、大氣、管理措施和春小麥品種參數(shù)等都是不變的。另外，此模型對病蟲害以及極端氣候條件的模擬還不成熟，這可能會對研究結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。因此對氣候變化中各因子的變化情況對春小麥生產(chǎn)造成的綜合影響進行研究，將會更加有效地對未來黃土高原地區(qū)的春小麥生產(chǎn)提供理論支持。

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