覆膜和灌水處理下土壤水分動(dòng)態(tài)與玉米生長模擬研究

趙 引 毛曉敏 薄麗媛

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

作物模型是能對作物的生長、發(fā)育、產(chǎn)量形成及其與環(huán)境間的動(dòng)態(tài)關(guān)系進(jìn)行定量描述和預(yù)測的計(jì)算機(jī)模擬模型[1]。我國石羊河流域水資源匱乏，多年平均降雨量低于200 mm，農(nóng)業(yè)用水占總用水量的92.57%[2]，這嚴(yán)重制約了該流域作物產(chǎn)量的增加，農(nóng)業(yè)高效用水成為石羊河流域水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵。近年來覆膜和節(jié)水灌溉技術(shù)在石羊河流域作物種植上得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外已有大量利用作物模型模擬土壤水分狀況以及作物生長狀況的研究，例如CERES模型[3]、SWAP模型[4]、WOFOST模型[5-6]、CropSyst模型[6]等。AquaCrop模型是由世界糧農(nóng)組織(Food and agriculture organization, FAO)研究提出的水分驅(qū)動(dòng)的作物模型。它可以模擬不同的灌溉制度[7-8]、灌溉方式[9]、不同作物類型(玉米[7]、小麥[10]、棉花[8]、水稻[11]、番茄[12]、馬鈴薯[13]和大蔥[14]等)以及覆蓋方式[15-16]等條件下的作物生長發(fā)育、水分動(dòng)態(tài)變化和產(chǎn)量等指標(biāo)，特別適合于受水分限制的干旱區(qū)農(nóng)業(yè)需求。覆膜對地溫的影響較大，可顯著提高地溫，明顯縮短生育期進(jìn)程[17]，但AquaCrop 模型缺乏地溫模塊，無法從機(jī)理上實(shí)現(xiàn)地膜覆蓋對作物生長發(fā)育階段以及節(jié)水增產(chǎn)過程的模擬，這在一定程度上限制了AquaCrop 模型的應(yīng)用。劉琦[16]和劉匣等[15]分別利用AquaCrop模型對覆膜春玉米和冬小麥的生長發(fā)育和水分動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了模擬研究，但模型在覆膜模塊只考慮了覆膜對降雨徑流和土壤蒸發(fā)的影響。而楊寧等[18]在此基礎(chǔ)上考慮覆膜后土壤溫度對氣溫的補(bǔ)償作用，研究了遼西半干旱區(qū)雨養(yǎng)條件下玉米水分利用過程，初步改進(jìn)了AquaCrop 模型，為模型的發(fā)展提供了新思路。AquaCrop 模型的研究多集中于參數(shù)調(diào)整和模型驗(yàn)證，楊寧等[18]對模型的改進(jìn)是我國在AquaCrop模型應(yīng)用上的首次突破，其研究還需繼續(xù)深入。另外，AquaCrop模型中未考慮覆膜對降雨入滲的影響，僅通過改變地表徑流曲線數(shù)(CN)來實(shí)現(xiàn)覆膜對降雨徑流的影響還不夠完善。因此本研究以石羊河流域制種玉米為研究對象，基于覆膜增溫對氣積溫的補(bǔ)償效應(yīng)以及覆膜和冠層截留對降雨入滲的影響改進(jìn)AquaCrop模型，調(diào)試模型相關(guān)參數(shù)，利用改進(jìn)的AquaCrop 模型對不同覆膜和灌水處理下制種玉米生長發(fā)育以及土壤水分動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行模擬研究，并對未來氣溫變化及覆膜比變化情況下的作物產(chǎn)量及水分利用效率進(jìn)行模擬預(yù)測。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究的實(shí)測數(shù)據(jù)取自2017年甘肅省武威市中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河流域農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水試驗(yàn)站進(jìn)行的制種玉米試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置覆膜與水分2個(gè)因素，覆膜分別為完全覆膜(M1)與不覆膜(M0)2個(gè)水平，水分設(shè)置5個(gè)水平W1、W2、W3、W4和W5，分別為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)灌溉定額的100%、85%、70%、55%和40%(當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)灌溉定額為作物騰發(fā)量(ETc)減去有效降雨量，ETc為參考作物騰發(fā)量(ET0)與作物系數(shù)(Kc)相乘計(jì)算得到，ET0利用Penman-Monteith[19]公式計(jì)算，Kc參照文獻(xiàn)[20])，共10個(gè)處理。試驗(yàn)分別對不同覆膜和灌水量條件下的土壤水分、溫度、作物生長發(fā)育階段、生理指標(biāo)和產(chǎn)量等進(jìn)行了監(jiān)測，試驗(yàn)的具體研究方法、獲取實(shí)測數(shù)據(jù)的方法以及作物耗水量(ET)和水分利用效率(WUE)的計(jì)算方法，參考文獻(xiàn)[21]的研究。本文僅選取具有代表性的M1W1、M1W3、M1W5、M0W1、M0W3和M0W5這6個(gè)處理對AquaCrop模型在石羊河流域制種玉米上的適用性進(jìn)行模擬分析。

1.2 AquaCrop模型

1.2.1AquaCrop模型原理

AquaCrop模型通過作物實(shí)際耗水量和干物質(zhì)積累(生物量)、作物產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系來反映土壤水分對作物生長及產(chǎn)量的影響。為了更準(zhǔn)確地評估水分對作物生長發(fā)育過程和產(chǎn)量形成的影響程度，模型將作物蒸散發(fā)分為棵間蒸發(fā)和作物蒸騰兩部分，用水分生產(chǎn)效率和累積作物蒸騰量計(jì)算地上生物量，最終產(chǎn)量用生物量和收獲指數(shù)的乘積來表示。模型中用冠層增長系數(shù)和冠層衰減系數(shù)量化了葉片生長和衰老過程。作物生物量和產(chǎn)量對土壤水分的響應(yīng)主要通過土壤水分對冠層生長和蒸騰的脅迫參數(shù)、對收獲指數(shù)的脅迫參數(shù)等來實(shí)現(xiàn)。

1.2.2模型相關(guān)指標(biāo)的獲取

5 cm土層地溫變化可以較為客觀地反映覆膜與不覆膜情況下土壤溫度的差異[22]。楊寧等[18]和肖明等[23]的研究表明，可以利用5 cm土層地溫量化覆膜增溫對氣溫的補(bǔ)償效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)AquaCrop模型在覆膜模塊的改進(jìn)。齊智娟[24]對不同深度土層地溫和氣溫進(jìn)行多元回歸分析，建立了地溫與氣溫和土層深度的關(guān)系。由于本研究未監(jiān)測5 cm土層地溫，擬采用該方法對不同處理下0、10、20 cm土層深度處的地溫和氣溫進(jìn)行回歸分析，建立相應(yīng)的回歸方程(表1)。表中Y為地溫，X1為土層深度，X2為氣溫，可以看出，地溫與氣溫和土層深度的相關(guān)性較好，R2不小于0.828。由此可以推算得到5 cm土層深度的地溫。

表1 不同處理下地溫與氣溫和土層深度的關(guān)系Tab.1 Relationships of soil temperature with air temperature and soil depth under different treatments

另外，試驗(yàn)監(jiān)測的指標(biāo)為葉面積指數(shù)，而模型中采用了冠層覆蓋率，因此需要進(jìn)行換算，具體公式為[25]

C=1.005(1-exp(-0.6LAI))1.2×100%

(1)

式中C——冠層覆蓋率，%

LAI——葉面積指數(shù)，cm2/cm2

1.2.3覆膜情況下的氣積溫補(bǔ)償

依據(jù)有效積溫效應(yīng)原理，作物完成某一生育期要求相同的有效積溫[26]為

Tcum=∑(T-Tb)

(2)

式中Tcum——有效積溫，℃

T——日均氣溫或地溫，℃

Tb——作物生育階段的基點(diǎn)溫度，℃

覆膜玉米比不覆膜玉米生育期提前，主要是因?yàn)楦材び衩椎牡胤e溫補(bǔ)償了相同時(shí)間內(nèi)玉米有效氣積溫的不足[18]，補(bǔ)償系數(shù)可表示為[23]

(3)

式中K——玉米增溫補(bǔ)償系數(shù)

Tcum-a-M1——覆膜玉米有效氣積溫，℃

Tcum-a-M0——不覆膜玉米有效氣積溫，℃

Tcum-s-M1——覆膜玉米5 cm土層有效地積溫，℃

Tcum-s-M0-M1——與覆膜同期不覆膜玉米5 cm土層有效地積溫，℃

覆膜地溫增加對氣溫的補(bǔ)償值[26]為

(4)

Ta-M1=Ta-M0+ΔT

(5)

式中 ΔT——覆膜地溫增加對氣溫的補(bǔ)償值，℃

Ts-M1——覆膜玉米5 cm土層日均地溫，℃

Ts-M0——不覆膜玉米5 cm土層日均地溫，℃

Ta-M1——覆膜玉米日均氣溫，℃

Ta-M0——不覆膜玉米日均氣溫，℃

由此計(jì)算出播種-出苗和出苗-抽穗期的補(bǔ)償系數(shù)，如表2所示。因此，Ta-M1可作為地膜覆蓋氣溫的參數(shù)輸入到AquaCrop模型。

表2 覆膜玉米氣積溫補(bǔ)償系數(shù)Tab.2 Compensation coefficient for accumulated air temperature of mulched maize

1.2.4覆膜情況下的降雨入滲

由于試驗(yàn)中采用了膜下滴灌的方式，覆膜對灌溉入滲影響較小。然而覆膜對降雨入滲有明顯影響，這在AquaCrop模型中未給予充分考慮，僅通過改變CN來實(shí)現(xiàn)覆膜對降雨徑流的影響還不夠完善。趙引等[21]通過對農(nóng)田水量平衡的監(jiān)測和分析發(fā)現(xiàn)，由于冠層截留等因素的影響，不覆膜條件下降雨入滲百分比也低于100%。因此，本文利用趙引等[21]得出的覆膜和不覆膜條件下典型單次降雨的降雨入滲百分比，計(jì)算得到各次降雨入滲量作為氣象數(shù)據(jù)中的降雨輸入值。

1.2.5AquaCrop模型主要修正參數(shù)

選取具有代表性的M1W1、M1W3、M1W5、M0W1、M0W3、M0W5處理對改進(jìn)的AquaCrop模型在模擬石羊河流域制種玉米的土壤水分動(dòng)態(tài)以及作物生長及產(chǎn)量的適用性進(jìn)行分析。考慮到充分灌溉和嚴(yán)重虧水灌溉以及覆膜與不覆膜處理情況，隨機(jī)選取了M1W1、M1W5和M0W5處理對改進(jìn)的AquaCrop模型進(jìn)行率定，以M0W1、M0W3和M1W3處理驗(yàn)證模型。模型輸入數(shù)據(jù)包括：氣象數(shù)據(jù)、作物參數(shù)數(shù)據(jù)、田間管理數(shù)據(jù)、土壤參數(shù)、模型運(yùn)行初始條件和用于模擬效果評價(jià)的田間試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)。在參數(shù)調(diào)整過程中，依據(jù)參數(shù)默認(rèn)值和實(shí)際情況校正模型中的參數(shù)，部分參數(shù)值如表3和表4所示。

表3 AquaCrop模型作物參數(shù)Tab.3 Main crop parameters in AquaCrop model

表4 AquaCrop模型部分管理與土壤參數(shù)Tab.4 Main management and soil parameters in AquaCrop model

1.3 AquaCrop模型的驗(yàn)證與評價(jià)方法

通過比較覆膜與灌水處理下制種玉米生長發(fā)育階段、冠層覆蓋率、生物量和土壤貯水量、產(chǎn)量和WUE等參數(shù)的模擬值和實(shí)測值，來評價(jià)模型模擬的效果。驗(yàn)證指標(biāo)為相對誤差(RE)、均方根誤差(RMSE)、標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差(NRMSE)和決定系數(shù)(R2)。

(6)

(7)

(8)

(9)

式中M——觀測值S——模擬值

n——觀測值的個(gè)數(shù)

RE越小表示模擬精度越高；RMSE越小表明模擬精度越高；NRMSE值越接近0，表示模擬精度越高，當(dāng)NRMSE小于10%，模擬效果很好；當(dāng)NRMSE處于10%～20%之間，表明模擬效果好；當(dāng)NRMSE 處于20%～30%之間，表明模擬效果合理；當(dāng)NRMSE大于30%，表明模擬效果差[27]。R2越接近于1，表明模型的解釋程度越高。

2 結(jié)果與討論

2.1 制種玉米生長發(fā)育階段的模擬

表5和表6分別為制種玉米生長發(fā)育階段的實(shí)測值和模擬值。本研究在覆膜條件改進(jìn)的AquaCrop模型模擬得到的制種玉米生長發(fā)育階段如表6所示，實(shí)際記錄的制種玉米生長發(fā)育階段如表5所示。AquaCrop模型中對生長發(fā)育階段的劃分與實(shí)際監(jiān)測無法一一對應(yīng)，但經(jīng)分析可知，改進(jìn)后的模型模擬值與實(shí)測值是相符的。其中改進(jìn)的AquaCrop模型中9月8日制種玉米成熟，這與實(shí)際完全一致。而模擬得到的出苗期為5月5日，比實(shí)際出苗期推遲2 d，模擬的達(dá)到最大冠層覆蓋率的時(shí)間為7月15日，實(shí)際雖未記錄該時(shí)期，但7月16日開始進(jìn)入抽穗期，基本已達(dá)到冠層最大覆蓋率，因此模擬的達(dá)到冠層覆蓋率的時(shí)間與實(shí)際相符。改進(jìn)的AquaCrop模型模擬得到的冠層開始衰老的時(shí)間為8月6日，而實(shí)際記錄8月1日進(jìn)入灌漿期，灌漿期制種玉米葉片開始干枯脫落，冠層覆蓋率減小，冠層衰老，這與模擬值也是相符的。由此可見，改進(jìn)的AquaCrop模型能夠很好地模擬覆膜制種玉米生長發(fā)育階段。

表5 覆膜制種玉米生長發(fā)育階段實(shí)測值Tab.5 Measured values of seed-maize growth stages under film mulching conditions

表6 覆膜制種玉米生長發(fā)育階段模擬值Tab.6 Simulated values of seed-maize growth stages under film mulching conditions

另外，表6也列出了AquaCrop模型在未改進(jìn)的情況下模擬得到的覆膜制種玉米生長發(fā)育階段。覆膜后地溫增加，作物生育期提前，而原AquaCrop模型本身未考慮覆膜地溫的影響，模擬得到的生長發(fā)育階段與實(shí)際相比偏差較大。其中模擬得到的制種玉米成熟期較實(shí)際推遲了10 d，苗期推遲了8 d。達(dá)到最大冠層覆蓋率的時(shí)間較實(shí)際進(jìn)入抽穗期晚7 d，冠層衰老的時(shí)間較實(shí)際進(jìn)入灌漿期的時(shí)間晚13 d?？梢姡Ｐ湍M的制種玉米生長發(fā)育階段比實(shí)際推遲7～13 d，模擬效果較差。

2.2 冠層覆蓋率的率定與驗(yàn)證

圖1 覆膜與不覆膜處理下制種玉米冠層覆蓋率的模擬結(jié)果Fig.1 Simulation results of seed-maize canopy cover under film mulching and non-mulching conditions

圖1為制種玉米冠層覆蓋率模擬值與實(shí)測值的比較結(jié)果。從圖中可以看出，覆膜玉米與不覆膜玉米在生育期內(nèi)冠層覆蓋率模擬值與實(shí)測值的變化趨勢基本一致。苗期和拔節(jié)期冠層覆蓋率迅速上升，抽穗期葉片全部展開，達(dá)最大冠層覆蓋率，進(jìn)入灌漿期葉片脫落，冠層覆蓋率逐漸下降。整體來說，各處理決定系數(shù)R2均不小于0.95，RMSE為3.9%～10.1%，NRMSE為4.9%～15.3%。還可以看出，覆膜玉米模擬效果較不覆膜玉米優(yōu)，覆膜條件下高灌水較低灌水?dāng)M合效果優(yōu)，而不覆膜則相反。這與以往的研究結(jié)果類似，劉匣等[15]在小麥上的研究結(jié)果表明，覆膜條件下，R2達(dá)0.86以上，NRMSE在2.9%～3.4%范圍內(nèi)，不覆膜R2大于0.88，NRMSE為3.7%～11.9%。THEODOREC等[25]和GREAVES等[7]研究了不同灌水條件下AquaCrop模型的模擬效果，R2均在0.90以上，RMSE分別在4.76%～13.59%和6.41%～14.96%之間。但楊寧等[18]的研究結(jié)果為R2大于0.90，RMSE為13%～39%，AMIRI[11]在不同水肥處理下的模擬結(jié)果表明，R2為0.66～0.98，NRMSE在9%～45%之間，模擬效果相對較差。本研究各處理模擬結(jié)果均在合理的誤差范圍內(nèi)，AquaCrop模型能很好地模擬制種玉米冠層覆蓋率。

圖2 覆膜與不覆膜處理下制種玉米干物質(zhì)累積量的模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of seed-maize dry matter accumulation under film mulching and non-mulching conditions

2.3 干物質(zhì)累積量的率定與驗(yàn)證

圖3 覆膜與不覆膜處理下制種玉米1 m土層貯水量的模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of soil water storage in 0～1 m depth under film mulching and non-mulching conditions

圖2為制種玉米干物質(zhì)累積量的模擬情況?？傮w來說，覆膜玉米干物質(zhì)累積量較不覆膜玉米高，且灌水量越多，干物質(zhì)累積量越多。干物質(zhì)累積量模擬值大于實(shí)測值，這是因?yàn)槟Ｐ蜔o法考慮重茬、病蟲害等因素的影響，難以將實(shí)際情況中各種不確定條件計(jì)算在內(nèi)。AquaCrop模型較高地估計(jì)了制種玉米干物質(zhì)累積量，這與許多研究者的結(jié)論一致[15,25]。干物質(zhì)累積量模擬結(jié)果的決定系數(shù)R2均不小于0.96，覆膜條件下，W1、W3和W5灌水處理的RMSE分別為1.37、1.46、1.66 t/hm2，NRMSE分別為9.9%、12.3%和16.7%。而不覆膜條件下，W1、W3和W5灌水處理的RMSE分別為1.64、2.51、0.64 t/hm2，NRMSE分別為22.7%、35.6%和10.5%?？梢?，覆膜條件下，高水分處理較低水分處理模擬效果優(yōu)，這與MALIK等[28]和GREAVES等[7]的研究結(jié)果一致。在灌水量較充分的W1和W3處理下，覆膜較不覆膜擬合效果優(yōu)，而在嚴(yán)重虧水的W5處理下，覆膜較不覆膜模擬效果較差。而劉匣等[15]的研究結(jié)果表明，覆膜與不覆膜對干物質(zhì)累積量的模擬效果基本沒有差異，這是因?yàn)樵谀M覆膜與不覆膜時(shí)根據(jù)記錄的物候期設(shè)定了兩套參數(shù)值，主觀性較強(qiáng)。而本研究對不覆膜的模擬忽略了不同水分處理引起的土壤溫度的變化，高水分處理土壤溫度較低水分處理溫度低，而模型中3個(gè)水分處理采用了相同的溫度，導(dǎo)致M0W1和M0W3模擬效果相對較差。

2.4 1 m土層貯水量的率定與驗(yàn)證

圖3為制種玉米1 m土層貯水量的模擬情況。1 m土層貯水量模擬值與實(shí)測值的變化趨勢基本吻合，在灌溉或者降雨之后，貯水量增加，隨后緩慢減少。各處理R2在0.60～0.92之間，RMSE在9.5～17.1 mm之間，NRMSE處于4.4%～ 8.9%之間，說明AquaCrop在模擬制種玉米1 m土層貯水量上擬合度較高。劉匣等[15]的研究結(jié)果為R2為0.77～0.94，NRMSE在2.8%～5.5%之間，表明AquaCrop模型在覆膜與不覆膜情況下的模擬效果均較好，ANDARZIAN等[29]認(rèn)為充分灌溉與非充分灌溉條件下模型均能準(zhǔn)確地模擬土壤貯水量，結(jié)果為R2大于0.86，NRMSE為4%左右，這與本研究結(jié)果相似。

2.5 制種玉米產(chǎn)量和水分利用效率的率定與驗(yàn)證

從表7可看出，相同覆膜條件下，制種玉米產(chǎn)量和ET的模擬值和實(shí)測值均隨灌水量的增加而增加，其中不覆膜條件下，實(shí)際M0W1和M0W3產(chǎn)量較M0W5低，這是因?yàn)樵囼?yàn)收獲時(shí)當(dāng)?shù)刂品N玉米的生育期(參照覆膜情況)已結(jié)束，但M0W1和M0W3由于未覆膜而生育期延長，并未達(dá)到完全成熟(M0W5達(dá)到成熟與其虧水導(dǎo)致生育期提前有關(guān))，因此未成熟測產(chǎn)可能導(dǎo)致產(chǎn)量偏低，且模擬值和實(shí)測值均表現(xiàn)為M0W3處理的產(chǎn)量高于M0W1處理。制種玉米實(shí)際的水分利用效率(WUE)隨灌水量的增加而降低，而各灌水處理下WUE的模擬值差別不大，且覆膜玉米WUE顯著高于不覆膜(P<0.05)。

注:表中同一列數(shù)字后的不同字母表示在0.05水平下差異顯著。

整體上來看，各處理下制種玉米ET的模擬效果較優(yōu)，RE為-7.1%～13.9%。除M0W1和M0W3處理外，制種玉米產(chǎn)量模擬效果較優(yōu)，RE為-13.3%～4.5%。WUE則表現(xiàn)為除M0W1處理外，其他處理模擬效果較好，RE為-23.9%～18.1%。DARKO等[12]的研究表明，高水處理產(chǎn)量相對誤差較低水處理小，這與本研究在覆膜情況下的結(jié)果一致。而GREAVES等[7]認(rèn)為，在不同水分處理下產(chǎn)量的相對誤差均較小，在10%以內(nèi)。AquaCrop模型可以模擬制種玉米產(chǎn)量、ET和WUE，但由于測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量、數(shù)據(jù)處理方法、灌溉條件、作物生長環(huán)境和耕作條件等的不同，實(shí)測值與模擬值的大小關(guān)系不能得到一致的結(jié)論[15]。

3 情景預(yù)測與分析

未來氣候變化為西北地區(qū)的糧食生產(chǎn)既帶來了機(jī)遇，也帶來了挑戰(zhàn)。未來全球氣候變暖已成為不爭的事實(shí)，對灌溉農(nóng)業(yè)十分不利[30]。本文以M1W1和M0W1的模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，利用率定后的AquaCrop模型預(yù)測大氣溫度和地膜覆蓋率的變化對作物生長、產(chǎn)量和WUE的影響。

3.1 溫度變化情景下的影響

政府間氣候變化委員會(IPCC)提出的SPES排放情景中的A2情景顯示，在我國西北地區(qū)2011—2040年增溫幅度達(dá)1.6℃，2041—2070年將達(dá)3.3℃[30]。根據(jù)表1所示的回歸方程計(jì)算出溫度變化情況下覆膜與不覆膜5 cm土層地溫，根據(jù)式(4)計(jì)算地膜增溫對氣溫的補(bǔ)償值，進(jìn)而得到AquaCrop模型的氣溫輸入?yún)?shù)。溫度升高，光合作用減弱，呼吸作用增強(qiáng)，呼吸消耗明顯增多，干物質(zhì)積累量明顯下降。在生育后期高溫使玉米植株過早衰亡，提前結(jié)束生育進(jìn)程而進(jìn)入成熟期，使灌漿時(shí)間縮短，也會使干物質(zhì)累積量和產(chǎn)量下降[31]。如圖4所示，覆膜條件下，當(dāng)溫度為當(dāng)前實(shí)際溫度時(shí)，制種玉米產(chǎn)量為7.52 t/hm2，溫度增加1.6℃和3.3℃時(shí)，產(chǎn)量分別為6.55 t/hm2和5.96 t/hm2。而在不覆膜條件下，當(dāng)溫度為當(dāng)前實(shí)際溫度時(shí)，制種玉米產(chǎn)量為6.67 t/hm2，溫度增加1.6℃和3.3℃時(shí)，產(chǎn)量分別為5.74 t/hm2和4.99 t/hm2?？梢?，覆膜條件下增溫1.6℃和3.3℃分別比在實(shí)際溫度下減產(chǎn)0.97、1.56 t/hm2，減產(chǎn)率為12.8%和20.7%。不覆膜條件下增溫1.6℃和3.3℃分別比在實(shí)際溫度下減產(chǎn)0.93、1.68 t/hm2，減產(chǎn)率分別為13.9%和25.1%，干物質(zhì)累積量也有類似的結(jié)論，說明覆膜與不覆膜制種玉米的產(chǎn)量和干物質(zhì)累積量均隨著未來氣溫的升高而減少，這與許多研究的結(jié)論類似[32-35]，尚宗波[32]認(rèn)為，未來氣溫變化使玉米減產(chǎn)率在5%～30%波動(dòng)，溫度增加4.5℃時(shí)，玉米產(chǎn)量降低29.9%。本研究結(jié)果表明，WUE也隨著溫度的升高而降低，覆膜條件下，增溫1.6℃和3.3℃的WUE分別比實(shí)際溫度降低3.0%和2.1%，而不覆膜條件下，則分別降低3.8%和7.6%。未來氣溫升高對作物產(chǎn)量及提高水分利用效率產(chǎn)生不利的影響。

圖4 溫度變化情景下制種玉米干物質(zhì)累積量、產(chǎn)量和WUE的模擬值Fig.4 Simulated values of dry matter accumulation, yield and WUE for scenarios with temperature change

3.2 覆膜比變化情景下的影響

不同覆膜比情景下，地膜增溫對氣溫的補(bǔ)償值和降雨入滲百分比按覆膜比對其呈線性影響近似計(jì)算。為了給當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐提供依據(jù)，分別以M1W1和M0W1的模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，模擬覆膜比為50%和20%情況下作物產(chǎn)量及水分利用效率的變化。

圖5中M1、M0分別表示以M1W1、M0W1為基礎(chǔ)得到不同覆膜比情況下的作物產(chǎn)量和水分利用效率。在覆膜和不覆膜條件下，干物質(zhì)累積量和產(chǎn)量均隨著覆膜比的減小而增加，WUE隨著覆膜比的減小而減小。覆膜條件下覆膜比為50%和20%分別比實(shí)際覆膜(覆膜比70%)增產(chǎn)0.8%和2.7%，WUE分別降低1.7%和3.2%。不覆膜條件下，覆膜比為50%和20%分別比實(shí)際覆膜(覆膜比0)減產(chǎn)1.9%和0.9%，WUE分別提高4.7%和1.8%。因此，覆膜比例為50%時(shí)，可在保證產(chǎn)量的同時(shí)，提高水分利用效率，達(dá)到增產(chǎn)節(jié)水的效果。

圖5 覆膜比變化情景下制種玉米干物質(zhì)累積量、產(chǎn)量和WUE的模擬值Fig.5 Simulated values of seed-maize dry matter accumulation, yield and WUE for scenarios with different mulching ratios

4 結(jié)論

(1)改進(jìn)的AquaCrop模型可以模擬石羊河流域制種玉米生長發(fā)育階段、冠層覆蓋率、干物質(zhì)累積量、1 m土層貯水量、產(chǎn)量和WUE，利用AquaCrop模型可為當(dāng)?shù)刈魑锏啬じ采w的生產(chǎn)力做初步的預(yù)測和評估。

(2)未來氣溫升高對作物產(chǎn)量及提高水分利用效率產(chǎn)生不利的影響。覆膜條件下，增溫1.6℃和3.3℃分別比在實(shí)際溫度下減產(chǎn)12.8%和20.7%，WUE降低3.0%和2.1%。不覆膜條件下減產(chǎn)率分別為13.9%和25.1%，WUE分別降低3.8%和7.6%。覆膜比變化情景下的模擬預(yù)測結(jié)果表明，覆膜比為50%時(shí)，可在保證產(chǎn)量的同時(shí)，提高水分利用效率，達(dá)到增產(chǎn)節(jié)水的效果。