基于APSIM 模型探討耕作措施對(duì)春小麥產(chǎn)量的影響①

馬楚奇 李 廣 王 鈞 茹曉雅

（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）

黃土結(jié)構(gòu)疏松、多孔性、富垂直節(jié)理，易被流水侵蝕。保護(hù)耕作措施被認(rèn)為能有效解決水土流失問(wèn)題，進(jìn)而維持穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境，減少黃土高原地區(qū)的生態(tài)損失與經(jīng)濟(jì)損失[1]。前人對(duì)保護(hù)性耕作措施在土壤與作物方面做了大量研究，如研究不同耕作措施對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤水分動(dòng)態(tài)變化、土壤微生物及酶活性、土壤溫室氣體排放、土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，以及團(tuán)聚體中有機(jī)碳全氮全磷、土壤容重、孔隙度、土壤飽和導(dǎo)水率、土壤水熱條件及養(yǎng)分狀況等方面的影響[2-3]。有關(guān)降水與不同耕作措施對(duì)土壤水分與春小麥產(chǎn)量之間的交互機(jī)理研究較少。受限于地理位置、地域條件、試驗(yàn)條件等方面的不足與作物生長(zhǎng)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，前人研究結(jié)果缺少大量數(shù)據(jù)樣本支持[4]。作物模擬和仿真技術(shù)彌補(bǔ)了這一缺陷，并成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究的重要課題與時(shí)代趨勢(shì)。目前主要的土壤貯水保墑?lì)A(yù)測(cè)模型有多元回歸模型、土壤水動(dòng)力模型以及作物模型等。APSIM（Agricultural Production System Simulator）模型被認(rèn)為在模擬作物動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)變化過(guò)程中模擬效果較好，國(guó)內(nèi)學(xué)者已對(duì)其進(jìn)行本土化的驗(yàn)證與調(diào)試[5]。為探究降水與不同耕作措施對(duì)土壤水分、土壤水分利用效率和春小麥產(chǎn)量之間的交互機(jī)理，本研究于2017 ～2018 年在典型黃土丘陵溝壑區(qū)的定西試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。運(yùn)用大田試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)APSIM 模型本土化，模擬1971 ～2018 年降水與四種耕作措施（T，TS，NT，NTS）下土壤水分的動(dòng)態(tài)變化與小麥產(chǎn)量，分析不同降水與耕作措施下土壤水分的差異及小麥產(chǎn)量之間的內(nèi)在規(guī)律，以提高黃土丘陵溝壑區(qū)農(nóng)作物水分利用效率（WUE）與作物產(chǎn)量，為耕地的可持續(xù)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鄉(xiāng)（34°26′～35°35′E，103°52′～105°13′N(xiāo)，海拔2 000 m）為典型黃土丘陵溝壑區(qū)。黃綿土，典型雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，年際降雨量變異系數(shù)為18.02%。1971 ～2018 年年均降水量約375.44 mm。年均氣溫6.4 ℃，無(wú)霜期平均140 d。試驗(yàn)采用定西地區(qū)常用4種耕作措施，分別為傳統(tǒng)耕作（T）、免耕（NT）、傳統(tǒng)耕作+小麥秸稈覆蓋（TS）和免耕+小麥秸稈覆蓋（NTS）。播種日期為3 月15 日，肥料在播種前一次性施入土壤，不用農(nóng)家肥，氮肥均為尿素（105 kg/hm2，含純N 46%），磷肥均為普通過(guò)磷酸鈣（105 kg/hm2，含P2O512%）。供試作物為‘定西42 號(hào)’，播量187.5 kg/hm2，播種深度30 mm，秸稈覆蓋量為4 000 kg/hm2，行距0.25 m，除鋤草外無(wú)其他作業(yè)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

APSIM 模型中的作物品種數(shù)據(jù)與生理數(shù)據(jù)源于李廣等早期研究模擬校正數(shù)據(jù)。1971 ～2018 年氣象資料由定西水保所氣象觀測(cè)站自動(dòng)測(cè)定。土壤水分與產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于2017～2018年大田實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。運(yùn)用Microsoft Excel 2016 軟件對(duì)數(shù)據(jù)初步整理和處理，通過(guò)Origin 9.0 軟件對(duì)模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸方程分析并作圖，使用SPSS 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)分析、方差分析挖掘數(shù)據(jù)間內(nèi)在規(guī)律。根據(jù)全年降雨量的不同將1971 ～2018 年48年劃分為干旱年、平水年和豐水年3 種年型。降水年型劃分中DI為干旱指數(shù)，PAn為年降雨量（mm），M1為1971 ～2018 年年平均降雨量（mm），σ為標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式為：DI=（PAn-M1）/σ。運(yùn)用變異系數(shù)（Coeffcient of variationCV）對(duì)土壤體積含水量與產(chǎn)量的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，該系數(shù)可衡量同一品種作物不同年份間的變異程度，σ 為標(biāo)準(zhǔn)差；Smean為平均土壤體積含水量，計(jì)算公式為：CV= σ /Smean。運(yùn)用可持續(xù)性采用可持續(xù)指標(biāo)（Sustainable indexSI）對(duì)土壤體積含水量、產(chǎn)量進(jìn)行分析，Smax為所有年份中土壤含水量的最大值，計(jì)算公式為：SI= （Smean-σ） /Smax。

1.3 模型參數(shù)設(shè)置與校準(zhǔn)檢驗(yàn)方法

根據(jù)2017 ～2018 年大田實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置APSIM 小麥參數(shù)，收獲期以模型模擬為準(zhǔn)。在模擬各個(gè)處理過(guò)程中，除耕作措施因素發(fā)生改變，其他田間管理措施參數(shù)、作物參數(shù)與土壤參數(shù)均不變?；谑Ｓ嗾`差的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)方法，研究實(shí)測(cè)值和模擬值之間內(nèi)在聯(lián)系；采用歸一化均方根誤差（NRMSE）和模型有效性指標(biāo)（ME）對(duì)模型的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型的校準(zhǔn)與驗(yàn)證

研究表明模擬與實(shí)測(cè)的土壤含水量呈顯著正相關(guān)，R2為0.959 ～0.973，歸一化均方根誤差NRMSE為5.563%～9.892%，模型有效參數(shù)ME為0.991 ～0.999。模擬結(jié)果表明，APSIM 模型模擬土壤水分有較高的準(zhǔn)確性。

2.2 不同年型處理下耕作措施與日平均降雨量、日平均土壤含水量規(guī)律分析

研究表明，日平均土壤含水量的分布趨勢(shì)隨年降雨量的不同呈顯著差異。依據(jù)土壤含水量的變化特點(diǎn)可以分為穩(wěn)定期（1 ～120 d）、變化期（121 ～270 d）、 回 落 期（271 ～365 d）。穩(wěn)定期土壤體積含水量變化不大，波動(dòng)范圍在4.14%～15.42%；變化期土壤體積含水量變化最大，波動(dòng)范圍在41.79%～99.34%；回落期土壤體積含水量變化程度為18.48%～24.10%。在穩(wěn)定期下，干旱年、平水年與豐水年的土壤體積含水量波動(dòng)狀況為14.72%、5.11%和4.27%。在變化期下，干旱年、平水年和豐水年的土壤體積含水量波動(dòng)狀況為98.99%、42.11%和56.12%。在回落期下，干旱年、平水年與豐水年的土壤體積含水量波動(dòng)狀況為23.89%、19.01%和18.59%。耕作措施對(duì)土壤體積含水量的影響為NTS＞TS＞NT、T。在干旱年，耕作措施對(duì)土壤體積含水量的影響為NTS＞TS＞NT、T。在平水年，耕作措施對(duì)土壤體積含水量的影響為NTS、TS＞T、NT。在豐水年，耕作措施對(duì)土壤體積含水量的影響為NTS＞TS＞T＞NT。因此在黃土丘陵溝壑區(qū)最佳的耕作措施為NTS。降雨主要集中在6 ～8 月；在干旱年降雨主要集中在7 ～8 月；平水年降雨主要集中在5 ～8 月；而豐水年降雨主要集中在4 ～8 月，以強(qiáng)降雨為主。

2.3 不同耕作措施對(duì)土壤含水率、水分利用率與產(chǎn)量的影響

NTS 有保持土壤水分的作用。研究結(jié)果表明，NTS 處理下的土壤含水率均大于TS、T、NT 其值 分 別 為15.24%、14.82%、14.73%、14.63%；4 種耕作措施下土壤含水率的CV 值為NTS、T＜TS＜NT 分 別 為0.14、0.14、0.15、0.16，CV 值越小土壤含水率越穩(wěn)定；4 種耕作措施下土壤含水率的SI 值為NT＞NTS、T＞TS 分別為0.76、0.73、0.73、0.72，指數(shù)越高土壤含水率的穩(wěn)定性和持續(xù)性越好。雖然NTS 的SI 指數(shù)略低于NT，但CV系數(shù)較其他處理更穩(wěn)定，并且其保水作用顯著高于其他處理。NTS 有增產(chǎn)效果，并且穩(wěn)定性與持續(xù)性好。NTS 處理下的產(chǎn)量均大于TS、T、NT，分別為1 025.473、1 006.93、967.003，965.313 kg/hm2；4 種耕作措施下產(chǎn)量的CV 值為NTS、TS＜NT＜T 分別為0.55、0.55、0.57、0.58；4 種耕作措施下土壤含水率的SI 值為NTS、NT＜ T＜TS 分別為0.22、0.22、0.23、0.24；結(jié)果表明，NTS 處理下的產(chǎn)量均高于其他處理，并且其CV 值和SI 值均優(yōu)于其他處理。NTS 處理下，水分利用率高。四種耕作措施下產(chǎn)量的WUE 值為NTS ＞T＞TS＞NT 分別為6.12、6.00、5.78、5.76；結(jié)果表明，NTS 處理下的WUE 均大于TS、T、NT。

3 討論

研究結(jié)果表明APSIM 模型可以有效模擬小麥的產(chǎn)量與土壤含水率。土壤含水量能極顯著地影響春小麥的生長(zhǎng)發(fā)育。黃土丘陵溝壑區(qū)在穩(wěn)定期降雨少，土壤水無(wú)穩(wěn)定補(bǔ)充來(lái)源；溫度低，使土壤中的水分不易散發(fā)；作物生長(zhǎng)緩慢或是停止生長(zhǎng)，對(duì)土壤水分需求不大，因此在穩(wěn)定期土壤體積含水量波動(dòng)不大。在變化期，溫度升高，地表水分蒸發(fā)；作物進(jìn)行蒸騰作用，需從土壤中吸收大量的水分，而此時(shí)降水相對(duì)較少，土壤水分補(bǔ)償量小于土壤水分消耗量，因此出現(xiàn)土壤水分減少現(xiàn)象。隨著降雨量的增加以及作物成熟對(duì)水分需求量減少，土壤水分補(bǔ)償量大于土壤水分消耗量，進(jìn)而土壤水分增加。干旱年降水主要集中在210 ～270 d，此時(shí)春小麥生長(zhǎng)變緩，對(duì)土壤水分需求下降，補(bǔ)償量大于消耗量，因此在250 d 前后達(dá)到土壤水分最高值。豐水年降水主要集中在150 ～210 d，溫度高、作物需水量大，使土壤水分并未出現(xiàn)明顯上升；而在210 ～270 d，降水量減少，因而在此期間干旱年的土壤含水量大于豐水年土壤含水量。在271 ～365 d 的回落期，由于降水量減少，導(dǎo)致土壤體積含水量下降。高鵬程[6]等研究表明，土壤水分不僅受降雨的影響，溫度升高也會(huì)導(dǎo)致土壤最大有效含水量降低。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，NTS 為保持土壤體積含水量最佳耕作措施。在平水年和干旱年，四種耕作措施對(duì)土壤體積含水量的影響程度分別為NTS ＞ TS、NT ＞ T，表明秸稈覆蓋可提高土壤含水量，且NT處理較T 處理保水效果更好；NTS 有增產(chǎn)效果，并且穩(wěn)定性與持續(xù)性好。NTS 處理下，土壤水分利用率比其他處理高。殷文等[7]研究結(jié)果表明，少耕秸稈還田可降低春小麥田耗水量，具有抑制土壤蒸發(fā)，減小棵間蒸發(fā)占總耗水量（E/ET）的比重，提高水分利用有效性的作用。

本文僅對(duì)降雨和不同耕作措施對(duì)小麥地的土壤體積含水量的影響進(jìn)行分析，并未對(duì)作物蒸騰作用與溫度對(duì)土壤含水量的影響等方面進(jìn)行研究和驗(yàn)證。其次，本文僅使用APSIM 模型模擬降水和不同耕作處理對(duì)土壤含水量的影響，在模型模擬過(guò)程中忽略田間雜草管理、病蟲(chóng)害、土壤養(yǎng)分等情況及其差異性對(duì)土壤含水量的影響；溫度、作物品種變化和作物生育期需水量等因素對(duì)土壤含水量的影響需要后續(xù)進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

本文通過(guò)模擬1971 ～2018 年降雨量和不同耕作措施對(duì)甘肅定西春小麥種植區(qū)小麥地土壤含水量的變化趨勢(shì)和產(chǎn)量影響，利用年累計(jì)降雨量與不同耕作措施下年均土壤體積含水量的變化趨勢(shì)，分析得出以下結(jié)論。

（1）APSIM 模型在研究區(qū)具有較好的模型擬合度與適應(yīng)性。模擬與實(shí)測(cè)的土壤含水量呈顯著正相關(guān)，R2介于0.959 ～0.973，歸一化均方根誤差NRMSE 介于5.563%～9.892%，模型有效參數(shù)ME 介于0.991 ～0.999。

（2）土壤含水量主要受降雨量的影響，同時(shí)也受溫度與作物的影響。土壤含水量的變化趨勢(shì)大體與年降雨量一致，且年際累計(jì)降雨量差別大。

（3）不同年型在相同時(shí)期變化趨勢(shì)一致。變化期土壤體積含水量變化趨勢(shì)為先減少后增加，波動(dòng)范圍為41.79%～99.34%；回落期土壤體積含水量變化趨勢(shì)為逐漸減少，變化程度為18.48%～24.10%；穩(wěn)定期土壤體積含水量相對(duì)保持穩(wěn)定，波動(dòng)范圍為4.14%～15.42%。

（4）無(wú)論是從長(zhǎng)期年際變化，還是從日均土壤含水量的角度，結(jié)果都顯示，NTS 處理下的土壤含水量高于其他處理。

（5）NTS 有保持土壤水分的作用，具有增產(chǎn)效果，并且穩(wěn)定性與持續(xù)性好。NTS 處理下，土壤水分利用率高。