張媛鈴,郭曉磊,王 娜,李 萍,宗毓錚,張東升,郝興宇
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,太谷 030801)
播前蓄水是有效調(diào)控水資源季節(jié)供需矛盾、改善土壤墑情、提高冬小麥產(chǎn)量的有效措施。特別是在土壤質(zhì)地黏重的區(qū)域,播前蓄水有利于出苗,并對(duì)冬小麥的分蘗、越冬,以及后期的干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成具有顯著促進(jìn)作用[1]。俗語(yǔ)“趕時(shí)不等墑,搶墑不等時(shí)”充分表明了播前土壤水分對(duì)小麥生產(chǎn)的重要性。在黃土高原東部不具備灌溉條件的旱作農(nóng)業(yè)區(qū),夏季溫度較高、雨熱同期,雨季降水量不能充分補(bǔ)充土壤蓄水量,冬小麥最適播種期受多種因素制約,冬前積溫、播前降水量、土壤初始含水量等因素都會(huì)影響小麥播種[2]。根據(jù)降水年型,播前土壤墑情選擇最適播期尤為重要。目前對(duì)于糧食作物的最佳播期已經(jīng)有了大量研究,并取得一定進(jìn)展,但是有關(guān)山西旱作區(qū)的最佳播期研究報(bào)道還較少[3?6]。隨著全球氣溫的升高,作物最佳播期也隨之發(fā)生改變,氣候變化背景下,對(duì)作物的播期變化也已有一定的研究[7?9]。傳統(tǒng)的大田試驗(yàn)不僅周期長(zhǎng),試驗(yàn)步驟復(fù)雜繁瑣,還需要耗費(fèi)大量的人力物力,且大田試驗(yàn)可能由于人為因素造成不可避免的誤差[10]。
作物模型憑借較強(qiáng)的機(jī)理性和簡(jiǎn)便性,廣泛用于模擬作物生產(chǎn)。隨著作物模型的發(fā)展,模型已用于作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)、優(yōu)化種植制度、優(yōu)化田間管理措施以及氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面[11]。黃秋婉等利用APSIM模型對(duì)東北三省的春玉米播期進(jìn)行了模擬研究,結(jié)果表明,20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)00年代玉米適宜播期較20世紀(jì)80年代有提前趨勢(shì),其中20世紀(jì)90年代提前趨勢(shì)更明顯[12]。馬千虎利用APSIM模型模擬發(fā)現(xiàn),適當(dāng)晚播有利于青藏高原地區(qū)燕麥干物質(zhì)的積累,并使得燕麥耗水量較高,但降水較少時(shí),早播燕麥耗水量反而高于晚播[13]。王莉歡運(yùn)用水稻生長(zhǎng)模型(Rice Grow模型、ORYZA2000模型、CERES-Rice模型)對(duì)1981?2011年歷史年份以及未來(lái)氣候條件下,單、雙季稻主產(chǎn)區(qū)最適播期進(jìn)行了模擬研究,結(jié)果表明歷史年份早稻最適播期由南至北逐漸推遲。未來(lái)氣候條件下,由于溫度及輻射量差異的原因,滇南河谷盆地單季稻亞區(qū),長(zhǎng)江中下游平原單、雙季稻亞區(qū)等各單雙季稻亞區(qū)最適播期均呈現(xiàn)由南至北,由西向東逐漸推遲的變化規(guī)律[14]。黃土高原東部旱作小麥區(qū),利用作物模型綜合考慮降水年型以及播期對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響的研究,目前仍少見(jiàn)報(bào)道。本研究收集山西省聞喜縣旱作小麥大田試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)小麥決策系統(tǒng)(Sirius Wheat Calculator)進(jìn)行品種參數(shù)校驗(yàn)和驗(yàn)證研究,實(shí)現(xiàn)決策系統(tǒng)的本土化,進(jìn)而分析山西歷史36a內(nèi)冬小麥最佳播期變化規(guī)律,以及不同降水年型下小麥產(chǎn)量隨播期變化情況,以期為該區(qū)域旱作冬小麥的播期選擇提供依據(jù)。
山西地處黃土高原東部,試驗(yàn)地(聞喜縣)處于山西南部的丘陵溝壑區(qū)(35°20′N(xiāo),111°17′E),海拔630m,年平均降水量471.1mm,年平均氣溫12.5℃,年平均日照時(shí)數(shù)2242.0h,無(wú)霜期190d,大于10℃有效積溫4171℃·d[15]。試驗(yàn)田為旱地,無(wú)灌溉條件,年降水量約有60%集中在7?9月,且此時(shí)間段內(nèi)氣溫較高。
利用由新西蘭引進(jìn)的2005版Sirius Wheat Calculator(SWC)中文改進(jìn)版小麥決策系統(tǒng)(2019版),該決策系統(tǒng)通過(guò)截獲的光合有效輻射(PAR)和一定的分配規(guī)則計(jì)算生物量產(chǎn)量;葉面積指數(shù)(LAI)根據(jù)積溫計(jì)算得到;物候發(fā)育由主莖葉出現(xiàn)時(shí)間、最終葉片數(shù)以及春化光周期決定;水氮脅迫通過(guò)影響LAI發(fā)育和輻射利用效率(RUE)間接影響植物生長(zhǎng)[16?17]。該決策系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、界面簡(jiǎn)潔、易掌握,利用收集到的氣象、土壤、作物品種以及田間管理等數(shù)據(jù)對(duì)小麥品種參數(shù)進(jìn)行調(diào)試并校驗(yàn),可用于指導(dǎo)小麥生產(chǎn)[18]。
試驗(yàn)品種為“運(yùn)旱20410”,是優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋、抗旱豐產(chǎn)、適應(yīng)性廣泛、綜合農(nóng)藝性狀優(yōu)良的旱地小麥新品種。播種基本苗315株·m?2,行距為20cm,播前施氮量150kg·hm?2。利用收集到的2009?2014年(5a)的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)決策系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)和驗(yàn)證。
利用聞喜縣氣象站1980?2015年(36a)逐日降水量資料和國(guó)內(nèi)較常用的降水年型劃分標(biāo)準(zhǔn)[19]劃分出豐水年、平水年和枯水年,即
豐水年:Pi>M1+0.33σ
平水年:M1?0.33σ<Pi<M1+0.33σ
枯水年:Pi<M1?0.33σ
式中,Pi表示某年降水量(mm),M1表示年降水系列的平均值(mm),σ表示年降水系列的標(biāo)準(zhǔn)差。
基于當(dāng)?shù)夭シN習(xí)慣,每隔5d分別設(shè)置10個(gè)播期,即9月15、20、25、30日和10月5、10、15、20、25、30日,輸入小麥決策系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)量模擬,以最高產(chǎn)量作為選擇小麥最佳播期的依據(jù)。
1.3.1 氣象數(shù)據(jù)
決策系統(tǒng)所需逐日氣象數(shù)據(jù)包括平均氣溫(mean)、最高氣溫(maxt)、最低氣溫(mint)、總輻射量(radn)、2m高處風(fēng)速(wind)、日照時(shí)數(shù)(dayL)、大氣壓(vp)和降水量(precipitation)等,所有數(shù)據(jù)來(lái)源于試驗(yàn)站的自動(dòng)氣象站以及當(dāng)?shù)貧庀笳尽DP屠萌照諘r(shí)間、地理緯度計(jì)算逐日太陽(yáng)輻射[17]。
2009/2010?2013/2014年度冬小麥生育期降水量涵蓋了兩種降水年型,生育期內(nèi)降水量分布見(jiàn)圖1,最高/最低氣溫分布見(jiàn)圖2。由圖可見(jiàn),2009年播種小麥全生育期降水量為145.5mm,屬于枯水年;2010年播種小麥全生育期降水量為125.3mm,屬于枯水年;2011年播種小麥全生育期降水量為205.1mm,屬于豐水年。2012年播種小麥全生育期降水量為178.5mm,屬于枯水年;2013年播種小麥全生育期降水量為249.8mm,屬于豐水年。氣溫分布圖中顯示,這些年份冬小麥生育期內(nèi)氣溫變化基本一致,最低溫在?14.9~21.4℃,最高溫在?5.5~37.9℃范圍內(nèi),無(wú)極端氣溫事件發(fā)生。
圖1 2009/2010?2013/2014年度聞喜縣不同降水年型冬小麥生育期(10月?翌年6月)降水量分布Fig.1 Distribution of precipitation during winter wheat growth period (October to next June) in Wenxi county under different precipitation years from 2009/2010 to 2013/2014
圖2 2009/2010?2013/2014年度聞喜縣冬小麥生育期氣溫分布Fig.2 Distribution of air temperature during total growth period of winter wheat in Wenxi from 2009/2010 to 2013/2014
1.3.2 土壤特性數(shù)據(jù)
決策系統(tǒng)所需主要土壤數(shù)據(jù),包括環(huán)刀法田間實(shí)測(cè)得到的土壤含水量:土壤容重(BD)、土壤最大持水量(DUL)、土壤飽和含水量(SAT)、萎蔫系數(shù)(LL)等,以及分光光度計(jì)法測(cè)得的土壤養(yǎng)分含量,包括硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等,部分土壤參數(shù)如表1。
表1 土壤基本物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of the experiment soil
1.3.3 田間管理數(shù)據(jù)
決策系統(tǒng)所需作物數(shù)據(jù)如表2,主要包括作物播期、播量、各生育時(shí)期、產(chǎn)量及生物量,以及管理數(shù)據(jù),包括灌溉量和灌溉日期、施肥量和施肥日期、作物種植制度等。
表2 小麥生育期及產(chǎn)量等數(shù)據(jù)Table 2 Developmental periods and yield et.al of wheat
檢驗(yàn)決策系統(tǒng)模擬效果的指標(biāo)有很多,選擇目前國(guó)際上通用的方法和指標(biāo)[20]。通過(guò)折線圖利用決定系數(shù)(R2),可反映決策系統(tǒng)模擬值與實(shí)測(cè)值的一致性;均方根誤差RMSE、標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差N-RMSE,反映決策系統(tǒng)模擬值與實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差,其值越小,說(shuō)明模擬值與實(shí)測(cè)值之間偏差越小,模擬結(jié)果越好[21]。
式中,Pi為模擬值,Oi為實(shí)測(cè)值,Pavg為模擬值平均值,Oavg為實(shí)測(cè)值平均值。
采用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,模擬產(chǎn)量結(jié)果用統(tǒng)計(jì)箱式圖表征,利用Excel軟件進(jìn)行作圖。
結(jié)合決策系統(tǒng)所提供的默認(rèn)參數(shù),利用聞喜地區(qū)2009/2010?2010/2011年度(枯水年)“運(yùn)旱20410”小麥生育期、產(chǎn)量和生物量等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)決策系統(tǒng)的相關(guān)品種參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整后的主要參數(shù)如表3所示。
表3 “運(yùn)旱20410”小麥主要品種參數(shù)(2009/2010?2010/2011年度數(shù)據(jù))Table 3 The main parameters of wheat “Yunhan 20410”(2009/2010?2010/2011 data)
根據(jù)觀測(cè)到的小麥播種?出苗、出苗?開(kāi)花和開(kāi)花?成熟的間隔天數(shù),與決策系統(tǒng)模擬的這3個(gè)生育期的間隔天數(shù)進(jìn)行校驗(yàn),小麥生育期校見(jiàn)圖3。由圖可見(jiàn),小麥生育期間隔天數(shù)的RMSE值為2d。對(duì)于產(chǎn)量和生物量的校驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4,其中生物量RMSE值為92.62kg·hm?2,N-RMSE為0.81%;產(chǎn)量RMSE值為5.28kg·hm?2,N-RMSE為0.16%。模擬結(jié)果表明,校驗(yàn)好的小麥決策系統(tǒng)對(duì)小麥生育期、產(chǎn)量以及生物量的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果均具有較好的一致性,能夠較好地模擬聞喜地區(qū)冬小麥的生產(chǎn)。
表4 參數(shù)調(diào)試結(jié)果中的生物量和產(chǎn)量校驗(yàn)(2009/2010?2010/2011年度)Table 4 Results of adjusting parameters for biomass and yield(2009/2010?2010/2011 data)
圖3 參數(shù)調(diào)試結(jié)果中的生育期(間隔天數(shù))校驗(yàn)(2009/2010?2010/2011年度)Fig.3 Results of adjusting parameters of the growth period(interval days) (2009/2010?2010/2011 data)
利用2011?2014年(2011/2012年度和2013/2014年度為豐水年,2012/2013年度為枯水年)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)決策系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證以及適應(yīng)性評(píng)價(jià)。根據(jù)觀測(cè)到的小麥播種?出苗、出苗?開(kāi)花和開(kāi)花?成熟的間隔天數(shù),與決策系統(tǒng)模擬的這3個(gè)生育期的間隔天數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖可見(jiàn),驗(yàn)證年份中,小麥生育期間隔天數(shù)的RMSE值為2.1d,表明校驗(yàn)好的小麥決策系統(tǒng)可以較好地模擬聞喜地區(qū)小麥的生育期。對(duì)于“運(yùn)旱20410”小麥產(chǎn)量和生物量的驗(yàn)證,結(jié)果見(jiàn)圖5,其中小麥模擬生物量與實(shí)測(cè)生物量的擬合方程的決定系數(shù)R2為0.9996,RMSE為1788.87kg·hm?2,N-RMSE為20.91%;模擬產(chǎn)量與實(shí)測(cè)產(chǎn)量的擬合方程的決定系數(shù)R2為0.9934,RMSE為142.04kg·hm?2,N-RMSE為4.56%,表示決策系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)量和生物量的模擬值與實(shí)測(cè)值均有很好的一致性,模擬效果很好。
圖4 決策系統(tǒng)對(duì)小麥生育期(間隔天數(shù))模擬結(jié)果的驗(yàn)證(2011/2012?2013/2014)Fig.4 Verification results of wheat growth period (interval days) simulated by decision system (2011/2012?2013/2014)
圖5 決策系統(tǒng)對(duì)小麥生物量和產(chǎn)量模擬結(jié)果的驗(yàn)證(2011/2012?2013/2014年度)Fig.5 Verification results of wheat yield and biomass simulated by wheat decision system (2011/2012?2013/2014 data)
2.3.1 最佳播期變化
利用聞喜地區(qū)近36a(1980?2015年)氣象資料,從9月15日起設(shè)定不同播種日期進(jìn)行產(chǎn)量模擬,將小麥獲得最高產(chǎn)量的播種日期定義為最佳播期,統(tǒng)計(jì)最佳播期落在9月15日?10月30日某個(gè)日期的概率,結(jié)果見(jiàn)表5。由表中可見(jiàn),由于當(dāng)?shù)貧鉁刂鹉暝龈撸芯科趦?nèi)聞喜地區(qū)小麥最佳播期呈明顯后移趨勢(shì)。從階段分布看,1980?1984年小麥最佳播種窗口在9月20?30日,最佳播期主要集中在9月25日前后;1985?1995年最佳播種窗口在9月20日?10月10日,較1980?1984年推遲,最佳播期主要集中于9月30日前后,呈現(xiàn)明顯后移;1996?2015年最佳播種窗口在9月25日?10月15日,較1980?1984年推遲且呈現(xiàn)后移趨勢(shì),最佳播期主要集中于10月5日前后,較1980?1984年、1985?1995年均呈明顯后移。
表5 決策系統(tǒng)模擬的各階段最佳播期落在不同日期的概率(%)Table 5 Probability of the best sowing time in different sowing time of each stage simulated by wheat decision system (%)
2.3.2 豐水年最佳播期
統(tǒng)計(jì)豐水年(13a)不同播種期對(duì)應(yīng)模擬產(chǎn)量,結(jié)果見(jiàn)圖6。結(jié)果顯示,在豐水年,從9月15日播種開(kāi)始,直至播期延后至9月30日,小麥的平均產(chǎn)量上升至最高值(4293.1kg·hm?2),模擬產(chǎn)量的中值出現(xiàn)最高水平(4109.7kg·hm?2),隨著播期的延后,模擬的平均產(chǎn)量呈下降趨勢(shì),當(dāng)播期從9月30日延至10月30日時(shí),小麥平均產(chǎn)量從4293.1kg·hm?2降至2001.4kg·hm?2,減少了53%??梢?jiàn),豐水年當(dāng)?shù)匦←湹淖罴巡テ谠?月30日前后。
圖6 豐水年(13a)不同播期小麥產(chǎn)量的模擬值Fig.6 Simulated value of wheat yield at different sowing dates in wet year (13 years)
2.3.3 枯水年最佳播期
統(tǒng)計(jì)枯水年(11a)不同播種期對(duì)應(yīng)模擬產(chǎn)量,結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖可見(jiàn),從9月15日播種開(kāi)始,播期延后至10月5日時(shí),模擬產(chǎn)量的中值出現(xiàn)最高水平(3704.6kg·hm?2),小麥的平均產(chǎn)量呈上升趨勢(shì),達(dá)到了最大值(3334.5kg·hm?2),隨著播期的延后,模擬的平均產(chǎn)量呈大幅下降趨勢(shì),當(dāng)播期從10月5日延至10月30日時(shí),小麥平均產(chǎn)量從3334.5kg·hm?2降至1977kg·hm?2,減少了40%??梢?jiàn),枯水年當(dāng)?shù)匦←湹淖罴巡テ谠?0月5日前后。
圖7 枯水年(11a)不同播期小麥產(chǎn)量的模擬值Fig.7 Simulated value of wheat yield at different sowing dates in dry year (11 years)
2.3.4 平水年最佳播期
統(tǒng)計(jì)平水年(12a)不同播種期對(duì)應(yīng)模擬產(chǎn)量,結(jié)果見(jiàn)圖8。圖中顯示,從9月15日播種開(kāi)始,播期延后至9月30日時(shí),模擬產(chǎn)量的中值出現(xiàn)最高水平(3783.4kg·hm-2),小麥平均產(chǎn)量呈上升趨勢(shì),達(dá)到最大值(4055.2kg·hm-2),隨著播期的延后,模擬的平均產(chǎn)量呈大幅下降趨勢(shì),當(dāng)播期從9月30日延至10月30日時(shí),小麥平均產(chǎn)量從4055.2kg·hm-2降至1993.5kg·hm-2,減少50%??梢?jiàn),平水年當(dāng)?shù)匦←湹淖罴巡テ谠?月30日前后。
圖8 平水年(12a)不同播期小麥產(chǎn)量的模擬值Fig.8 Simulated value of wheat yield at different sowing dates in normal rainfall year (12 years)
(1)歷史年份(1980?2015年)最佳播期的模擬中,1980?1984年小麥最佳播期主要集中在9月25日前后;1985?1995年最佳播期主要集中于9月30日前后;1996?2015年最佳播期主要集中于10月5日前后,呈現(xiàn)明顯后移。
(2)平水年和豐水年9月30日前后播種小麥更容易獲得較高產(chǎn)量,枯水年10月5日前后播種小麥更容易高產(chǎn)。
利用聞喜旱作區(qū)2009?2014年的田間數(shù)據(jù)對(duì)小麥決策系統(tǒng)進(jìn)行了校驗(yàn)與驗(yàn)證研究,結(jié)果表明,驗(yàn)證年份生物量實(shí)測(cè)值與模擬結(jié)果的N-RMSE為20.91%,模擬結(jié)果不理想,主要由于2012年小麥模擬生物量(7000kg·hm?2)遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)生物量(4028kg·hm?2),但校正年份模擬生物量與實(shí)際生物量的擬合方程的決定系數(shù)R2大于0.99;產(chǎn)量、生育期的模擬結(jié)果均非常理想,因此小麥決策系統(tǒng)的模擬效果總體較好。研究表明,冬小麥產(chǎn)量與播前底墑具有顯著的相關(guān)性,播前底墑低可能導(dǎo)致小麥種子發(fā)芽出苗困難,進(jìn)而影響小麥早期生長(zhǎng)以及物質(zhì)分配,干旱脅迫促進(jìn)植株養(yǎng)分向葉、鞘轉(zhuǎn)移,減少對(duì)莖、穗的養(yǎng)分供給[22?23]。2010、2011、2012、2013年6?10月降水量分別為312.3、464.7、262.1和374.9mm,2012年6?10月降水量少,雪新麗[24]計(jì)算2012年6?10月干旱Z指數(shù)為?1.19,屬中度干旱。此外,2012年播種小麥生育期內(nèi)無(wú)極端高溫影響,但生育期內(nèi)降水量為178.5mm,屬于枯水年。因此,土壤初始水分匱缺以及生育期內(nèi)干旱脅迫可能是造成決策系統(tǒng)模擬結(jié)果不準(zhǔn)確的主要原因,今后有待對(duì)決策系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。
前人采用大田試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析等方法開(kāi)展了大量冬小麥適宜播期的研究[25?26]。本研究利用小麥決策系統(tǒng),考慮在不同降水年型下,小麥最佳播期的選擇,小麥決策系統(tǒng)可以利用田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)、驗(yàn)證后,進(jìn)行播期試驗(yàn)和其他管理措施試驗(yàn)的模擬,可一定程度上減少田間試驗(yàn)的工作量,是目前農(nóng)業(yè)研究的重要手段之一[27]。近 36a(1980?2015年)聞喜地區(qū)氣溫呈逐漸增高趨勢(shì),冬小麥的歷史最佳播期明顯呈現(xiàn)后移趨勢(shì),這與其他研究結(jié)果基本一致[28]。大量研究表明,未來(lái)氣候變暖條件下,年降水量會(huì)減少,造成不同程度的干旱,甚至極端干旱天氣發(fā)生概率增加,因此,在旱作農(nóng)業(yè)區(qū),根據(jù)降水年型和播前土壤墑情選擇最佳播期,可充分利用生育期內(nèi)的天然降水達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)目的。在氣候變暖背景下,作物播期應(yīng)適當(dāng)推遲,可避免小麥冬前旺長(zhǎng)[29]。本研究可為未來(lái)氣候背景下不同降水年型旱作小麥的播期選擇提供指導(dǎo),氣候變暖在影響作物產(chǎn)量的同時(shí),多熟農(nóng)作物的種植帶也會(huì)隨之?dāng)U大,聞喜所在的晉南地區(qū)為氣候敏感帶,有灌溉條件的農(nóng)田多為一年兩熟種植制度(冬小麥?夏玉米輪作),因此,仍需進(jìn)一步研究在輪作制度條件下最適前茬作物(早熟、中熟、晚熟玉米)、最優(yōu)冬小麥品種以及最佳播期的選擇,減少土壤休閑期水分蒸發(fā),提高玉米?小麥系統(tǒng)的產(chǎn)量[30]。本研究未考慮小麥播量和品種更替問(wèn)題,二者均可能影響冬小麥最佳播期[31?33]。由于時(shí)間和研究條件的限制,僅對(duì)聞喜地區(qū)單一品種的冬小麥最佳播期進(jìn)行分析,不同地區(qū)不同小麥品種及播量下的冬小麥最適播期有待深入研究。