基于DSSAT模型和水分滿足率的的農業(yè)耕種潛力時空評估新方式研究

郭 峰

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

當前，受到氣候變化影響，主要是光溫的影響，農作物生產潛力受到不同程度的影響[1]。而農作物的生產潛力和區(qū)域農業(yè)經濟發(fā)展關系十分密切，對于農作物生產潛力的合理評估，有助于提高區(qū)域農作物的產量[2]。當前對區(qū)域農作物生產潛力主要的評估方法為DSSAT模型，通過DSSAT模型模擬作物產量，結合作物產量定量計算其光溫、氣候以及灌溉生產潛力，從而綜合分析作物的生產潛力。DSSAT模型在我國不同區(qū)域得到應用，研究成果均表明模型可較好地模擬區(qū)域作物產量，并對農作物生產潛力進行合理、定量的評估，是對區(qū)域農作物生產潛力分析的重要且較為有效的方式[3- 10]。近些年來，一些學者研究結果表明[11- 14]農作物生產潛力不僅受氣候變化影響，還和其水分滿足率有較為明顯的相關性，在分析作物生產潛力時，不但需要考慮氣候影響，而且應結合其水分滿足率進行綜合分析。為提高作物生產潛力評估精度，本文以遼寧主要糧食產區(qū)鞍山地區(qū)為研究實例，結合DSSAT模型并綜合考慮其水分滿足率，對區(qū)域主要農作物玉米的生產潛力時空分布進行模擬。研究成果對于更為精準地評估區(qū)域農作物生產潛力提供一種思路和方法。

1 研究方法

本文主要采用DSSAT模型對鞍山地區(qū)玉米產量進行模擬，并結合模擬結果對其光溫、氣候以及灌溉生產潛力進行分析，并綜合考慮其作物水分的滿足率。DSSAT模型是當前應用較為成熟的農作物生產模擬方法，由于在國內應用已較為成熟，本文不再對其方法進行描述，其具體模擬原理可詳見參考文獻[15]。本文主要對其生產潛力的計算進行介紹，DSSAT模型主要結合作物的光合作用來模擬生長過程，計算作物吸收的光溫，計算方程為：

YT=YP×f(T)

(1)

式中，YT—光溫生產潛力，kg/hm2；YP—光合生產潛力，kg/hm2；f(T)—溫度修訂系數(shù)。

(2)

式中，T—作物的積溫，℃。

在光溫生產潛力分析的基礎上，結合作物產量及形成過程，分析其氣候生產潛力，其計算方程為：

YW=YT×f(W)

(3)

式中，YW—氣候生產潛力，kg/hm2；f(W)—水分滿足率，%；其他變量含義同前。氣候生產潛力和光溫生產潛力的插值即為灌溉生產潛力值。

2 模型參數(shù)設置

模型主要通過模擬農作物的積溫，建立積溫和產量之間的關系，來對其產量進行動態(tài)模擬，因此模型主要需要參數(shù)為溫度、生理特性參數(shù)，為對試驗區(qū)玉米的生理特性參數(shù)進行分析，進行野外采樣后，到室內進行參數(shù)的分析，試驗場景如圖1所示。并對試驗區(qū)玉米的特征屬性進行分析，主要分析采樣玉米品種株高、穗位、籽粒容重等參數(shù)，并綜合分析其產量及栽培的特點，試驗區(qū)玉米的主要生理參數(shù)見表1，在生理特性參數(shù)分析的基礎上，結合試驗區(qū)域氣象站點觀測的溫度數(shù)據(jù)，建立DSSAT模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

3 研究成果

3.1 產量驗證結果

在模型參數(shù)設置的基礎上，應用DSSAT模型對試驗區(qū)6個采樣點的玉米產量進行模擬，并結合實際產量對模型進行驗證，驗證結果如圖2所示。

從產量驗證結果可看出，DSSAT模型在試驗區(qū)玉米產量具有較好的模擬精度，各采樣點模擬的相關系數(shù)均在0.5以上，其中采樣點5和采樣點6的相關系數(shù)達到0.6以上，這2個采樣點相關系數(shù)較高的原因在于2個采樣點玉米積溫計算精度效果較好，這和采樣點區(qū)域太陽輻射和光照強度是具有較為直接的相關性。從驗證精度可看出，DSSAT模型在鞍山地區(qū)玉米作物產量具有較好的模擬精度，可以用來分析各采樣點區(qū)域生產潛力的時空分布。

圖1 試驗區(qū)玉米生理參數(shù)的獲取

表1 試驗田玉米的主要生理參數(shù)

圖2 試驗區(qū)玉米采樣點產量驗證結果(單位：kg·hm-2)

3.2 光溫生產潛力分析結果

應用DSSAT模型，結合光溫生產潛力計算方程，對試驗區(qū)各玉米采樣點的光溫生產潛力進行分析，分析結果見表2，如圖3所示。

表2 光溫生產潛力特征統(tǒng)計結果

從表2中可看出，不同水分滿足率下光溫生產潛力最大值和最小值均有所不同，總體標準差和均值差異程度較小，可見水分滿足率對試驗區(qū)玉米生產潛力的影響程度也較高。從各采樣點計算的逐年光溫生產潛力可以看出，各采樣點光溫生產潛力逐年有遞減的變化趨勢，5a滑動平均值為35.5kg/hm2。光溫是玉米作物積溫的重要表征因子，且和作物的產量有關，鞍山地區(qū)從2000年以后太陽輻射和日照時數(shù)有所下降，也影響了區(qū)域玉米的積溫，使得其光溫生產潛力存在遞減的變化。

3.3 氣候生產潛力分析結果

在光溫生產潛力計算的基礎上，結合氣候生產潛力計算方程對區(qū)域各采樣點的玉米氣候生產潛力變化趨勢進行分析，分析結果見表3，如圖4所示。

表3 氣候生產潛力特征統(tǒng)計結果

圖3 試驗區(qū)玉米光溫生產潛力年變化過程

從氣候生產潛力統(tǒng)計結果可看出，不同水分滿足率條件下各采樣點氣候生產潛力的平均值和標準差變化幅度較小，可見水分滿足率對區(qū)域玉米氣候生產潛力影響程度較小。從各采樣點氣候生產潛力的年變化趨勢可看出，相比于光溫生產潛力，各采樣點玉米氣候生產潛力遞減趨勢更為明顯，這主要是因為氣候變化影響下，鞍山地區(qū)玉米產量有所減少，氣候變化影響的兩個因素分別為溫度和降水，溫度有所增高，但太陽輻射和日照時數(shù)有所減少，使得其光溫生產潛力遞減，而降水量偏少，直接影響鞍山地區(qū)氣候生產潛力，從各采樣點變化過程可看出，2000年以后，各采樣點氣候生產潛力變化率高于2000年以前，且這種趨勢有逐步增加的變化特征。

3.4 灌溉生產潛力分析結果

在氣候和光溫生產潛力分析的基礎上，計算2種生產潛力的差值即為試驗區(qū)玉米的灌溉生產潛力，分析結果見表4，如圖5所示。

表4 灌溉生產潛力特征統(tǒng)計結果

從表4中可以看出，不同水分滿足率灌溉生產潛力的平均值標準差變化度較大，可見水分滿足率對灌溉生產潛力的影響要高于光溫和氣候生產潛力，水分滿足率和玉米的灌溉生產潛力相關度較高。從試驗區(qū)各采樣點玉米的灌溉生產潛力變化過程可看出，灌溉生產潛力的變化趨勢不同，有的采樣點灌溉生產潛力逐年遞增，而有的采樣點灌溉生產潛力逐年遞減，這主要是因為不同采樣點灌溉能力有所不同，灌溉能力較高的區(qū)域，灌溉潛力相對較小，而灌溉能力較低的區(qū)域，灌溉生產潛力較大，因此變化趨勢有所不同。

圖4 試驗區(qū)玉米氣候生產潛力年變化過程

圖5 試驗區(qū)玉米灌溉生產潛力年變化過程

圖6 試驗區(qū)玉米生產潛力空間模擬結果

3.5 試驗區(qū)生產潛力空間模擬結果

結合區(qū)域各氣象站點數(shù)據(jù)，對溫度、太陽輻射、日照時數(shù)、降水量進行空間插值，并結合區(qū)域水分滿足度插值分析，對鞍山地區(qū)水分滿足率、玉米生產潛力的空間進行動態(tài)模擬，模擬結果如圖6所示。

從圖6中可看出，在空間上，受作物水分滿足率和氣候綜合影響，灌溉和氣候生產潛力從西向東逐步遞減，而光溫生產潛力從北向南逐步遞增。在光溫生產潛力較高的區(qū)域，應增加玉米的種植面積，而在光溫生產潛力較小的區(qū)域，應逐步較少玉米的種植面積。而對于氣候生產潛力較高的區(qū)域，可以綜合考慮加大其種植的面積，而對于氣候生產潛力較小的區(qū)域，可以改種植其他經濟類作物。對于灌溉生產潛力較大的區(qū)域，可以適當轉變灌溉方式，提高灌溉用水效率，而對于灌溉生產潛力較小的區(qū)域如鞍山的東部地區(qū)，可進行節(jié)水灌溉方式的優(yōu)化。

4 主要結論

(1)在鞍山北部，建議加大玉米的種植面積，提高光溫生產潛力、在南部地區(qū)可適當減少玉米種植面積，調整種植結構。

(2)在鞍山東部，應優(yōu)化灌溉方式，加大節(jié)水措施，提高玉米灌溉生產潛力，在西部區(qū)域，應改變原有灌溉方式，提高灌溉效率。

(3)本文評估方法可為區(qū)域作物生產潛力，灌溉方式和農作物種植結構調整方式提供有效的評估方式。

(4)DSSAT模型參數(shù)庫部分采用默認值，存在不足，在以后的研究中還應結合更多調查數(shù)據(jù)，對其參數(shù)庫進行本地化設置。