APSIM模型在河北山前平原農(nóng)業(yè)耗水研究中的應(yīng)用

趙彥茜， 安 塞， 齊永青， 朱 驥

(1.河北地質(zhì)大學(xué)，河北石家莊 050031； 2.河北科技大學(xué)，河北石家莊 050018；3.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室，河北石家莊 050021)

河北山前平原主要是指河北省境內(nèi)京津以南的河北山前平原，屬暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期，降水主要集中于夏季，適合多種作物生長。

冬小麥—夏玉米一年兩熟制是河北山前平原主要的種植制度[1]，但該地區(qū)大部分區(qū)域的降水量無法滿足一年兩熟制下作物對水分的要求，原因在于冬小麥生育期內(nèi)水分虧缺非常嚴重[2]。通常情況下，該地區(qū)多年平均降水量為400～550 mm，冬小麥生育期內(nèi)降水量為90～130 mm，夏玉米生育期內(nèi)降水量為300～360 mm，而冬小麥年平均耗水量為380～450 mm，夏玉米年平均耗水量則為270～330 mm[3-5]，冬小麥生育期水分虧缺為250～320 mm，須要進行多次灌溉來保證產(chǎn)量，而夏玉米只要適時播種，自然降水可滿足其對水分的要求，生育期內(nèi)基本不須要灌溉或者僅須要灌溉1次出苗水，只有在極少的尤其干旱的年份須要進行二次灌溉，以緩解“卡脖旱”的影響。河北山前平原作物高產(chǎn)主要是靠提取地下水灌溉來保證，而長期的灌溉已經(jīng)造成河北山前平原地下水資源的嚴重虧損，導(dǎo)致河北山前平原地下水位持續(xù)下降[6]。所以，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗水研究對于供水問題突出的河北山前平原來說十分重要，而應(yīng)用于這一研究的主要就是進行田間定位試驗和利用作物模型模擬這2種方法，本研究主要是在已有田間試驗資料的基礎(chǔ)上應(yīng)用APSIM模型對河北山前平原的農(nóng)業(yè)耗水狀況進行研究分析。

作物模型可以在已有研究資料基礎(chǔ)上對在多種模擬條件下的作物生長情況進行模擬，預(yù)測未知風(fēng)險，優(yōu)化農(nóng)業(yè)資源管理措施，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理經(jīng)營提供科學(xué)指導(dǎo)，APSIM模型就是作物模型中的典型代表。APSIM模型是一種可用于模擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中各主要組成部分的機制模型，它是由澳大利亞的聯(lián)邦科工組織以及昆士蘭州政府的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)組(agricultural production systems research unit，簡稱APSRU)所開發(fā)建立的優(yōu)秀作物模型[7-8]。APSIM模型建立最初的目的是在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)里進行長期資源管理試驗時，對在氣候變化、作物的遺傳特征、土壤環(huán)境以及管理措施等因子影響下的作物生產(chǎn)力提供一個更準確地預(yù)測[9]。在國外，APSIM模型關(guān)于水資源-產(chǎn)量綜合效應(yīng)和水分利用的研究較多，涉及面較廣[10-13]。Acua等利用APSIM模型對澳大利亞塔斯馬尼亞島上農(nóng)業(yè)用地的地表水平衡、水分利用效率和小麥產(chǎn)量進行模擬，分析了灌溉、施肥等因素對產(chǎn)量和水分利用效率的影響[10]。而在國內(nèi)，關(guān)于APSIM模型的應(yīng)用研究也漸趨增多[14-24]。Sun等利用APSIM模型在華北平原量化灌溉對于地下水和產(chǎn)量的影響[17]。van Oort等利用APSIM模型模擬了華北平原種植制度變化下地下水的變化情況[18]。

為研究河北山前平原的農(nóng)業(yè)耗水狀況，以中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站2009—2013年的冬小麥和夏玉米實測資料對APSIM模型進行率定和驗證，對河北山前平原水資源-產(chǎn)量綜合效應(yīng)進行研究分析。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站位于河北省石家莊市欒城區(qū)，地處37°53′N、114°41′E，海拔為50.1 m。該試驗站位于河北平原北部的太行山山前平原，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年降水量為400～550 mm，其中7—9月為雨季，降水量為300～360 mm，占年降水量60%以上，年均溫為10～13 ℃，無霜期為180～230 d，主要作物種植模式為冬小麥—夏玉米一年兩熟。

1.2 試驗方法

本次試驗研究模擬驗證時間段為2009—2013年，熟制是冬小麥—夏玉米一年兩熟制，冬小麥品種為科農(nóng)199，夏玉米品種為鄭單958。冬小麥播種日期為10月5—15日，夏玉米播種日期為6月9—17日，冬小麥生育期內(nèi)進行3～4次灌溉，夏玉米生育期內(nèi)進行0～2次灌溉。

1.3 模型參數(shù)

1.3.1 氣象參數(shù) 本研究所需的氣象參數(shù)包括最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、降水量、日照時數(shù)等，均來源于中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站田間Milos520自動氣象站。

1.3.2 土壤參數(shù) APSIM模型土壤參數(shù)主要包括各土層容重(BD)、飽和體積含水量(SAT)、萎蔫系數(shù)(LL15)、風(fēng)干系數(shù)(AirDry)等參數(shù)(表1)。

表1 土壤水分參數(shù)

1.3.3 作物參數(shù) 作物參數(shù)主要是根據(jù)田間觀測數(shù)據(jù)來確定，研究中的APSIM模型作物屬性模塊主要包括該研究區(qū)域冬小麥和夏玉米品種遺傳特性參數(shù)、作物生長發(fā)育進程、植株形態(tài)以及產(chǎn)量形成等相關(guān)參數(shù)(表2)。

表2 冬小麥和夏玉米作物參數(shù)

1.4 降水年型分類

為研究河北山前平原降水對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，根據(jù)欒城站試驗區(qū)的降水資料對該地區(qū)的降水年型進行分類，采用的標準為國內(nèi)常用的降水保證率分類標準[25-28]。降水保證率表示降水量某一界限值出現(xiàn)的可靠程度，根據(jù)降水保證率將降水年份劃分為不同的年型：25%保證率的降水年份為濕潤年，50%保證率的降水年份作為平水年，75%保證率的降水年份為干旱年。

1.5 模型檢驗方法

模型檢驗方法主要是以下2個國際上統(tǒng)一的指標：確定系數(shù)R2和均方根誤差(root mean square error，簡稱RMSE)。計算公式如下：

(1)

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 APSIM模型驗證

利用APSIM模型對試驗區(qū)0～1.8 m土壤含水量SWC、產(chǎn)量、蒸散量ET等進行模擬，模擬結(jié)果表明，SWC模擬結(jié)果的決定系數(shù)為0.79(圖1)，冬小麥和夏玉米產(chǎn)量模擬結(jié)果的均方根誤差和確定系數(shù)分別為502 kg/hm2和0.83(圖2)，作物蒸散量ET模擬結(jié)果的均方根誤差和決定系數(shù)分別為32.7 mm 和0.88(圖2)，每月蒸散量ET模擬結(jié)果的均方根誤差和確定系數(shù)分別為13.2 mm和0.925(圖3)。這些結(jié)果表明，APSIM模型適合應(yīng)用于研究分析河北山前平原水資源消耗和糧食生產(chǎn)的綜合效應(yīng)。

APSIM模型對0.0～1.8 m的土壤含水量的模擬結(jié)果較好。根據(jù)實測資料，可以觀察到土壤含水量在1年中的7、8月達到全年最大值，超過600 mm，之后隨著小麥生育期的到來，土壤含水量維持在450～550 mm這個略低的水平，APSIM模型的模擬結(jié)果可以將土壤含水量的這一動態(tài)變化趨勢很清楚地展現(xiàn)出來，對研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤水動態(tài)變化的關(guān)系有重要意義。

APSIM模型在一定程度上可以模擬出氣候風(fēng)險對作物生長的影響以及相應(yīng)的產(chǎn)量波動，相關(guān)性分析擬合精度達0.83。冬小麥和夏玉米生育期內(nèi)蒸散量ET的年際變化較為明顯，在APSIM模型的模擬結(jié)果中，這一動態(tài)變化模擬得也較為準確，擬合精度達到0.91。

通過2009—2013年的每月蒸散量ET實測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，冬小麥生育期內(nèi)月蒸散量ET的峰值是在5月，夏玉米生育期內(nèi)月ET的峰值是在8月，這分別對應(yīng)的是冬小麥和夏玉米的灌漿期，而月ET全年谷值則是在6月和冬季月，全年呈現(xiàn)出“兩峰一谷”的特點。APSIM模型的模擬結(jié)果非常明顯地把這一特點表現(xiàn)出來，確定系數(shù)達到0.89，模擬效果較好。

2.2 河北山前平原1986—2015年不同降水年型情況下冬小麥—夏玉米一年兩熟制的作物生產(chǎn)耗水分析

根據(jù)研究區(qū)域1986—2015年的降水資料，可以計算出年降水豐水年的分類界限為570 mm，枯水年分類界限為 400 mm，小麥季豐水年的分類界限為170 mm，枯水年分類界限為105 mm，玉米季豐水年的分類界限為400 mm，枯水年分類界限為250 mm。根據(jù)上述分類標準，可將1986—2015年這30年分成豐水年、平水年、枯水年等3個類型(圖4)。

根據(jù)調(diào)整驗證后的模型參數(shù)，本研究運用APSIM模型對河北山前平原1986—2015年的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗水進行模擬(圖5)。小麥生長階段為每年10月15日至次年6月14日，生長階段內(nèi)灌溉4次，每次灌溉量為80 mm；玉米生長階段為每年6月15日至10月5日，生長階段內(nèi)灌溉2次，每次灌溉量為60 mm。通過模擬研究降水對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，并從全年、小麥生育期、玉米生育期等3個角度分析河北山前平原近30年的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗水規(guī)律。

根據(jù)模擬結(jié)果，可計算得出豐水年平均年產(chǎn)量為 13 622 kg/hm2，平水年平均年產(chǎn)量為13 698.8 kg/hm2，枯水年平均年產(chǎn)量為12 814 kg/hm2，30年總平均年產(chǎn)量為 13 444.9 kg/hm2。根據(jù)上述驗證所用實測數(shù)據(jù)，這個模擬結(jié)果是較為符合實際的。模擬結(jié)果表明，平水年和豐水年年產(chǎn)量水平均比較高，枯水年產(chǎn)量水平最低，且豐水年年產(chǎn)量水平略低于平水年，這主要是因為豐水年部分年份降水分配較差或者夏季暴雨集中對作物生產(chǎn)產(chǎn)生了不利影響， 例如根據(jù)驗證所用實測數(shù)據(jù)，2009年年降水量為609.5 mm，但年產(chǎn)量僅為 11 163.9 kg/hm2，這主要是因為夏季“9.20暴雨”使得玉米產(chǎn)量大幅減產(chǎn)。而且雖然降水量大小對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有一定程度的影響，但由于灌溉量大，所以產(chǎn)量水平差異不大。

為了解河北山前平原水分虧缺嚴重的詳細情況，首先必須要根據(jù)該地區(qū)種植制度來進行具體分析。圖6模擬結(jié)果表明，小麥年平均產(chǎn)量為6 613.8 kg/hm2，玉米年平均產(chǎn)量為 6 831.1 kg/hm2，玉米年平均產(chǎn)量高于小麥年平均產(chǎn)量，但小麥年平均蒸散量為402.7 mm，多于玉米年平均蒸散量 321.0 mm。小麥生育期內(nèi)平均水分入滲量為39.5 mm，玉米生育期內(nèi)平均水分入滲量為132.7 mm，這主要是由于河北山前平原玉米生育期平均降水量為354.7 mm，小麥生育期平均降水量為136.4 mm，河北山前平原降水主要集中在玉米生育期。水分虧損量(水分虧損量=蒸散量-降水量)是衡量作物耗水的重要指標，小麥生育期內(nèi)平均水分虧損量遠大于玉米生育期內(nèi)平均水分虧損量(表3)。

由表3可知，玉米生育期內(nèi)土壤水分大致處于盈余狀態(tài)，年平均虧損量為-33.7 mm，只有在枯水年有少量虧損。而無論枯水年還是豐水年，小麥生育期內(nèi)水分虧損量都比較大，年平均虧損量為266.3 mm，生育期內(nèi)降水根本無法滿足作物生長需求。小麥耗水量極大，生育期內(nèi)必須要大量灌溉才能滿足其生長需求，這不利于該地區(qū)水資源的可持續(xù)利用。因此，調(diào)整冬小麥—夏玉米一年兩熟制這一耗水嚴重的種植制度對于河北山前平原地區(qū)就顯得十分重要。

表3 小麥玉米不同年型水分虧損量

3 結(jié)論

APSIM模型可以較好地模擬河北山前平原冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量、蒸散量ET以及土壤水儲量的動態(tài)變化，適用于研究分析河北山前平原水資源消耗和產(chǎn)量水平的綜合效應(yīng)。本研究利用APSIM模型模擬不同年型下的小麥和玉米生產(chǎn)耗水狀況，模擬結(jié)果表明，在河北山前平原地區(qū)，冬小麥生育期內(nèi)的降水量遠遠低于冬小麥的耗水量，冬小麥—夏玉米一年兩熟制這一耗水嚴重的種植制度不利于河北山前平原水資源的持續(xù)利用，河北山前平原地區(qū)種植制度的調(diào)整勢在必行。

此外，APSIM模型無法考慮病蟲害的影響，同時由于一些人為因素和自然災(zāi)害的緣故，實測數(shù)據(jù)資料出現(xiàn)了偏差，這些均在一定程度上降低了APSIM模型的模擬精度。但從總體上看，這對APSIM模型的整體模擬效果影響不大，APSIM模型在河北山前平原產(chǎn)量水平、水資源消耗的模擬研究上仍然有較好的適應(yīng)性。