旱地小麥產(chǎn)量及其構成因素灌溉效應的模擬分析

聶志剛，任新莊，李 廣，雒翠萍，董莉霞，王 鈞，逯玉蘭

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學信息科學技術學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院，甘肅 蘭州 730070)

水分虧缺是限制小麥產(chǎn)量的最主要原因，在水資源嚴重不足的黃土丘陵區(qū)，如何經(jīng)濟合理地利用有限的水資源是小麥生產(chǎn)中重要的技術問題[1]。欲制定經(jīng)濟合理的農(nóng)田灌溉方案，對小麥在不同生育階段水分的需求以及灌水時期與灌水量對產(chǎn)量及其構成因素影響規(guī)律的揭示尤為重要。

近年來，隨著信息技術的快速發(fā)展，作物模型作為定量分析灌溉措施對農(nóng)作物生產(chǎn)影響效應的方法已經(jīng)得到廣泛的應用。滕曉偉等[2]利用AquaCrop模型針對陜西楊凌及周邊區(qū)域的冬小麥生產(chǎn)設置了固定時間和等量灌水的4種灌溉情景，并對產(chǎn)量和生物量進行模擬研究，表明在播種后第77天進行冬灌并且在播種后第172天的拔節(jié)期再進行灌水的兩種情景可獲得最大的生物量，在播種后第77天進行冬灌、播種后第172天拔節(jié)期和播種后第200天抽穗期再分別灌水，小麥產(chǎn)量最高。王文佳等[3]運用DSSAT模型對陜西楊凌不同降水年型冬小麥灌溉制度進行研究，表明枯水年、平水年和豐水年最優(yōu)灌溉定額分別為：125、75、50 mm左右。張文萍等[4]建立早稻產(chǎn)量、千粒質量、有效穗、穗粒數(shù)與出苗～分蘗、分蘗～孕穗以及孕穗～抽穗3個階段灌水量之間的統(tǒng)計回歸數(shù)學模型，揭示了孕穗～抽穗期的灌溉對早稻產(chǎn)量的影響最大，分蘗～孕穗期的灌溉次之，出苗～分蘗期影響最小，可在出苗～分蘗、分蘗～孕穗期適當虧缺灌溉的節(jié)水規(guī)律。眾多學者因地制宜，利用作物模型揭示灌溉處理對作物產(chǎn)量形成過程的影響規(guī)律，為當?shù)剞r(nóng)作物生產(chǎn)灌溉方案的制定提供了決策依據(jù)，然而針對小麥灌水時期與灌水量閾值區(qū)間準確量化的研究還不夠，因此不同灌溉方案對小麥產(chǎn)量形成過程的影響規(guī)律，仍有待進一步研究。定西是典型的黃土丘陵區(qū)，小麥是該區(qū)域重要的糧食作物，目前針對該區(qū)域小麥產(chǎn)量及其構成因素灌溉效應的研究鮮有報道。為揭示灌水時期與灌水量對小麥產(chǎn)量及其構成因素的影響規(guī)律，本文依據(jù)定西1971-2016年氣象數(shù)據(jù)，定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)安家溝村2016年大田試驗數(shù)據(jù)，利用APSIM(Agricultural Production Systems Simulator)模擬平臺，動態(tài)模擬各灌溉處理下的小麥產(chǎn)量形成過程，并對各灌溉響應進行模擬分析，為黃土丘陵區(qū)小麥生產(chǎn)中制定經(jīng)濟合理的農(nóng)田灌溉方案提供一定的決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大田試驗于2016年在甘肅省定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)安家溝村進行。該地區(qū)海拔1 980 m，氣候屬中溫帶半干旱區(qū)；年均氣溫為6.3℃，年均≥10℃積溫2 235.1℃，年均日照時數(shù)2 408.6 h，平均無霜期141 d；多年平均降雨量為385.00 mm，降水集中在7-9月份，且多暴雨事件發(fā)生，年均蒸發(fā)量1 549.0 mm。

1.2 試驗設計

大田試驗總灌水量設5個水平，分別是0、50、100、150、200 mm，所有水平分別在分蘗～拔節(jié)階段的5月8日、拔節(jié)～孕穗階段的5月27日以及開花～灌漿階段的6月23日進行漫灌。試驗小區(qū)面積6 m×4 m，保護行0.5 m，完全隨機區(qū)組設置，共計15個小區(qū)。供試作物為“甘春32號”春小麥，播種量187.5 kg·hm-2，免耕播種機播種，播深均為7 cm，行列距0.25 m[5]。各處理施肥量同當?shù)?，且作為基肥播種時一次性施入，其他田間管理亦同當?shù)亍Ｒ援數(shù)剡m宜播期每年3月19日正常播種，7月22日收獲。全生育期可劃分為播種、出苗、分蘗、拔節(jié)、孕穗、開花、灌漿、成熟等生育時期。

1.3 APSIM平臺簡介

APSIM是由澳大利亞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)研究組(Agricultural Production Systems Research Unit，APSRU)，自1991年開始研制的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬平臺。國內(nèi)外對APSIM的地域適用性、氣候變化對作物的影響效應、水土保持評價以及水肥管理等方面取得了大量的研究成果[5-11]，該平臺以作物屬性模塊(APSIM-Wheat)為通用作物生長模擬框架[7]，在研究區(qū)氣象參數(shù)庫支持及土壤參數(shù)庫驅動下，可實現(xiàn)作物生長發(fā)育過程的動態(tài)模擬。

1.4 產(chǎn)量、氣象及土壤數(shù)據(jù)

研究區(qū)多年(1971-2015年)產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于定西市安定區(qū)歷年統(tǒng)計年鑒，2016年產(chǎn)量為安家溝村實測數(shù)據(jù)。

甘肅省氣象局提供定西市安定區(qū)多年(1971-2016年)歷史氣象資料。APSIM所需逐日氣象數(shù)據(jù)：逐日太陽輻射量(MJ·m-2)、逐日最高氣溫(℃)、逐日最低氣溫(℃)和逐日降水量(mm)，逐日太陽輻射值利用李廣等[5]在黃土丘陵區(qū)APSIM適用性研究中所使用的日照時間轉換計算法獲取?；谔镩g試驗，根據(jù)李廣等[5]在黃土丘陵區(qū)APSIM適用性研究中經(jīng)過率定的土壤屬性數(shù)據(jù)，得到研究區(qū)土壤主要屬性參數(shù)(表1)。

1.5 參數(shù)校準

利用2016年田間實際測算數(shù)據(jù)，以及李廣等[5]在黃土丘陵區(qū)APSIM適用性中的研究，經(jīng)過反復修改和訂正，可得研究區(qū)本土化作物基本屬性參數(shù)庫(表2)?；贏PSIM V7.7平臺，設計APSIM-Wheat控制文件Wheat.xml，鏈接研究區(qū)1971-2016年氣象數(shù)據(jù)參數(shù)庫和土壤數(shù)據(jù)參數(shù)庫，實現(xiàn)旱地小麥生長發(fā)育的動態(tài)模擬。

表1 APSIM中研究區(qū)土壤主要屬性參數(shù)

注： BD為容重，WC為萎蔫系數(shù)，DUL為最大持水量，SM為飽和水分含量，CA為風干系數(shù)，SWC為土壤導水率，LLW為小麥有效水分下限。

Note： BD is bulk density, WC is wilting coefficient, DUL is drainage upper limit, SM is saturated moisture, CA is coefficient of air-dry, SWC is conductivity of soil water, and LLW is lower water limit of wheat.

表2APSIM中供試小麥主要屬性初始參數(shù)

Table2InitialpropertyofthetrialwheatusedinAPSIM

參數(shù) Parameter值 Value主莖葉數(shù) Leaf number of main stem/(piece·stem-1)7分蘗質量 Weight of tiller/(g·tiller-1)1.22單株質量 Weight of single plant/g4株高 Stem length/cm100穗下節(jié)長 Lower internode length/cm33每克莖籽粒數(shù) Grain number per gram stem/(grain·g-1)25

1.6 檢驗方法

模型檢驗方法主要采用均方根誤差(RMSE)以及決定系數(shù)(R2)對模擬值與觀測值的擬合度進行分析。計算公式如下：

(1)

式中，RMSE為均方根誤差，YObs為實測值；YSim為模擬值。RMSE的值越小，表明模擬值與實測值之間誤差越小。

2 結果與分析

2.1 APSIM檢驗

依據(jù)定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)安家溝村2016年5個灌水量、3個灌水時期的田間試驗實測數(shù)據(jù)，對APSIM平臺進行檢驗。小麥產(chǎn)量、籽粒數(shù)和千粒重模擬值與實測值之間的關系如圖1所示。由圖可知，小麥產(chǎn)量模擬值與實測值絕大多數(shù)分布于1∶1實線的左右，誤差控制在-15%～+15%的范圍內(nèi)，決定系數(shù)R2為0.957，均方根誤差RMSE為131.94 kg·hm-2，APSIM對小麥產(chǎn)量模擬精度較高；小麥籽粒數(shù)模擬值與實測值大多數(shù)分布在-15%～+15%的范圍內(nèi)，決定系數(shù)R2為0.874，均方根誤差RMSE為332.85 grain·m-2，誤差主要是由于APSIM中與小麥籽粒數(shù)模擬相關參數(shù)，即每克莖籽粒數(shù)的估算準確度所造成[12]，整體來看，APSIM仍可用于小麥籽粒數(shù)的模擬；小麥千粒重模擬值與實測值全部分布在-15%～+15%的范圍內(nèi)，決定系數(shù)R2為0.883，均方根誤差RMSE為2.28 g，APSIM對小麥千粒重模擬精度較高。

圖1 小麥產(chǎn)量、籽粒數(shù)和千粒重模擬與實測值關系Fig.1 The relationship of simulated and observed value of yield,grain number and thousand-grain weight of wheat

2.2 小麥各生育期需水量模擬分析

利用研究區(qū)多年(1971-2016年)產(chǎn)量數(shù)據(jù)及歷史氣象資料，對研究區(qū)小麥產(chǎn)量與各生育階段降水量進行回歸分析。研究區(qū)1971-2016年小麥各生育階段平均降水量特征如表3所示。小麥全生育期內(nèi)平均降水量為181.26 mm。小麥各生育階段平均降水量以灌漿～成熟階段為最多，可達67.14 mm，占年均降水量的17.44%，且變異系數(shù)最低，這表明灌漿～成熟階段的降水最為穩(wěn)定，這與定西地區(qū)地形復雜多山脈屏障，且降水時期分布有關，該地區(qū)降水多分布在7-9月份，而春小麥灌漿期正好在此段時間內(nèi)[13]。開花～灌漿階段平均降水量占年均總降水量的比例最小，這與開花～灌漿歷時較短有關。

利用DPS軟件對無量綱化處理之后的變量進行回歸分析，得出各生育階段降水量對產(chǎn)量的多元回歸方程為：Y=-0.08+0.28X1+0.19X2+0.69X3+1.19X4-1.98X5+0.45X6+0.63X7-0.6X8-0.21X12-0.19X22-0.68X32-0.79X42+1.12X52-0.23X62-1.81X72+0.71X82+0.51X1X2-0.58X1X3-0.02X1X4+1.09X1X5+1.17X1X6-2.16X1X7+0.4X1X8+1.06X2X3+1.54X2X4-2.34X2X5+2.27X2X7-0.9X2X8+0.85X3X4+1.72X3X5-0.21X3X6+0.05X4X5-0.88X4X6-0.6X4X7-2.13X4X8-0.55X5X6+0.28X5X7+3.75X5X8+1.52X6X7-0.8X6X8。其中，Y是小麥產(chǎn)量，X1至X8分別為播種～出苗、出苗～分蘗、分蘗～拔節(jié)、拔節(jié)～孕穗、孕穗～開花、開花～灌漿、灌漿～成熟和休閑階段的降水量?；貧w方程相關系數(shù)為0.9999，且α<0.01，回歸方程能夠反映各生育階段降水量與產(chǎn)量之間的關系。

為進一步分析小麥各生育階段降水量對產(chǎn)量的影響，對上述回歸方程分別求導進行降維處理，得到單因素降維方程(表4)，小麥休閑階段降水量(X8)影響不顯著，被回歸方程忽略。

表3 1971-2016年小麥各生育階段降水量特征

表4 單因素降維方程

在各因素試驗水平值范圍內(nèi)，當dYi/dXi=0時，可得各生育階段的需水量閾值，分別為播種～出苗21.13mm、出苗～分蘗26.60mm、分蘗～拔節(jié)33.27mm、拔節(jié)～孕穗77.17mm、孕穗～開花69.31mm、開花～灌漿36.19mm、灌漿～成熟51.58mm。春小麥全生育期內(nèi)需水量為315.25mm。

2.3 不同灌溉處理對產(chǎn)量及其構成因素影響的模擬分析

依據(jù)小麥各生育階段需水量模擬分析結果，各生育階段需水量范圍為77.17～21.13mm，模擬試驗以大于需水量最大生育階段(拔節(jié)～孕穗)閾值為參考，確定灌水量上限為100mm，以小于需水量最小生育階段(播種～出苗)閾值為參考，確定灌水量下限為0mm。設計春小麥全生育期5個灌水量與7個灌水時期的兩個因素模擬試驗，其中，灌水時期包括：播種～出苗階段的3月19日(SW)、出苗～分蘗階段的4月9日(SS)、分蘗～拔節(jié)階段的5月10日(TS)、拔節(jié)～孕穗階段的5月28日(JS)、孕穗～開花階段的6月8日(BS)、開花～灌漿階段的6月24日(FS)和灌漿～成熟階段的6月29(GS)，灌水量分別為20、40、60、80mm和100mm，另外設一個自然處理為對照(CK)。在APSIMV7.7平臺圖形化設置灌水量，模擬1971-2016年產(chǎn)量、籽粒數(shù)和千粒重，模擬值取年均值為分析依據(jù)。不同灌溉處理對小麥產(chǎn)量、籽粒數(shù)和千粒重的模擬結果如圖2所示。

圖2 灌溉處理對小麥產(chǎn)量、籽粒數(shù)和千粒重的影響Fig.2 The effect of irrigation on yield, grain number,and thousand-grain weight of wheat

由圖2可知，各灌溉處理均提高了小麥產(chǎn)量。同等灌水量下，分蘗～拔節(jié)階段(TS)灌溉處理對產(chǎn)量的提高最為明顯，其次為拔節(jié)～孕穗階段(JS)，再次為播種～出苗階段(SW)，影響最小的是灌漿～成熟階段(GS)。分蘗～拔節(jié)階段(TS)，灌水量為100mm的產(chǎn)量比自然處理對照(CK)高110.02%。隨著灌水量的增多，產(chǎn)量的增速呈先增加后減弱的趨勢，分蘗～拔節(jié)階段(TS)灌溉處理下，灌水量介于0～20、20～40、40～60、60～80、80～100mm，各區(qū)間的產(chǎn)量增速分別為14.83、15.50、15.23、12.12kg·mm-1和10.10kg·mm-1。當孕穗～開花階段(BS)灌水量達60mm以上時，對產(chǎn)量的增加無明顯的差別，在開花～灌漿階段(FS)灌水量達40mm以上時，對產(chǎn)量的增加也已經(jīng)沒有差別。由此可知，在開花～灌漿階段(FS)和孕穗～開花階段(BS)的灌水量不宜超過40mm和60mm?？傮w來看，當灌水量達60mm以上，各灌水時期對產(chǎn)量的增速均減弱，灌水時期遲于開花期時減弱效果更加明顯，因此，為得到較好的灌溉效果，最佳灌水時期應在播種至拔節(jié)，從效益方面考慮，灌水量不宜超過60mm。

由圖2可知，花前灌溉處理都明顯的提高了單位面積籽粒數(shù)量，而開花～灌漿階段(FS)和灌漿～成熟階段(GS)灌溉處理對籽粒數(shù)量基本無影響，這主要是開花后穗分化已經(jīng)完成造成的。在同等灌水量下，分蘗～拔節(jié)階段(TS)灌溉處理對籽粒數(shù)的影響最大，其中分蘗～拔節(jié)階段(TS)灌水量為100mm的處理籽粒數(shù)比對照高112.06%，花前各生育階段灌溉處理對籽粒數(shù)的影響程度大致為TS>SS>SW>JS>BS，其中拔節(jié)～孕穗階段(JS)灌水量為20mm和40mm時，對籽粒數(shù)的增加效果優(yōu)于出苗～分蘗階段和播種～出苗階段?？傮w來看，開花前各生育階段灌溉處理都明顯的提高了單位面積籽粒數(shù)量，其中以分蘗～拔節(jié)階段(TS)灌溉處理最明顯，拔節(jié)～孕穗階段(JS)灌水量超過80mm、孕穗～開花階段(BS)灌水量超過20mm、開花后各灌溉處理，均對籽粒數(shù)的增長無明顯影響。

由圖2可知，播種～出苗階段(SW)和出苗～分蘗階段(SS)灌溉處理對小麥的粒重增加無明顯影響，甚至分蘗～拔節(jié)階段(TS)灌溉處理還會降低籽粒的粒重，這可能是由于小麥生長前期灌溉效應提高了單位面積籽粒數(shù)量，盡管籽粒數(shù)增加，但是干物質積累有限，導致空癟籽粒增多，干物質浪費，使得粒重下降。開花～灌漿階段(FS)灌溉處理對粒重增加的影響最大，其中，在開花～灌漿階段(FS)和灌漿～成熟階段(GS)灌水量40mm以上，粒重比對照可分別增加13.48%、11.06%，灌水量只有20mm時，增加量也可達到8.51%、7.33%。在孕穗～開花階段(BS)灌水量60mm至100mm對粒重增加的影響略高于灌漿～成熟階段(GS)灌水量40mm至100mm處理，當灌水量少于40mm時，粒重增加的效果則不及灌漿期灌漿～成熟階段(GS)同等灌水量的處理。在拔節(jié)～孕穗階段(JS)灌水量80mm和100mm對粒重增加有正效應，60mm以下則是負效應，灌水量100mm對籽粒增加的效果類似于開花～灌漿階段(FS)和灌漿～成熟階段(GS)灌水量20mm。因此，提高粒重最佳方案為開花～灌漿階段(FS)灌水量40mm，其次為孕穗～開花階段(BS)灌水量60mm以及灌漿～成熟階段(GS)灌水量40mm。

3 結論與討論

利用定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)安家溝村2016年田間試驗數(shù)據(jù)對APSIM平臺的適應性進行檢驗，結果表明，模型對不同灌水時期與灌水量處理下的小麥產(chǎn)量、籽粒數(shù)和千粒重的決定系數(shù)R2均大于0.85，均方根誤差RMSE分別為131.94kg·hm-2、332.85grain·m-2和2.28g·grains-1。APSIM平臺對黃土丘陵區(qū)小麥產(chǎn)量及構成因素的模擬精確較高。

本研究基于1971-2016年的安定區(qū)氣象數(shù)據(jù)及產(chǎn)量數(shù)據(jù)，對研究區(qū)旱地小麥各生育階段的需水量進行了模擬分析。研究區(qū)多年平均降水量為385.00mm，春小麥全生育期內(nèi)年均降水量僅占全年年均降水量的二分之一不到，為181.26mm，分析結果顯示，春小麥全生育期內(nèi)需水量為315.25mm，相比之下，缺口達133.99mm。本文模擬分析結果與楊琪等[14]采用Mann-Kendall趨勢分析檢驗法得出的甘肅河東地區(qū)近50年來的春小麥需水量平均值在262.16～382.08mm之間的結果一致。各生育階段的需水量，分別為播種～出苗21.13mm、出苗～分蘗26.60mm、分蘗～拔節(jié)33.27mm、拔節(jié)～孕穗77.17mm、孕穗～開花69.31mm、開花～灌漿36.19mm、灌漿～成熟51.58mm。雷娟娟等[15]對定西地區(qū)小麥全生育期內(nèi)需水量分析中指出拔節(jié)～孕穗需水量80.6mm，抽穗～開花需水量 67.1mm，開花～灌漿58.67mm，灌漿期～成熟需水量30.4mm，本文研究結果與之基本一致。

不同灌水時期與灌水量對旱地小麥產(chǎn)量及其構成因素進行模擬分析，結果表明：為提高產(chǎn)量，最佳灌水時期應在播種至拔節(jié)，灌水量不宜超過60mm。開花前各生育階段灌溉處理都明顯提高了單位面積籽粒數(shù)量，其中以分蘗～拔節(jié)階段(TS)灌溉處理最明顯，拔節(jié)～孕穗階段(JS)灌水量不宜超過80mm、孕穗～開花階段(BS)灌水量不宜超過20mm。開花～灌漿階段(FS)灌水量40mm對粒重增加的促進作用最明顯。