利用APSIM模型評(píng)估播期和種植密度對(duì)關(guān)中玉米氣候生產(chǎn)力的影響

徐 芳，何建強(qiáng), 朱曉華，徐喜娟，馮 浩，于 強(qiáng)

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西楊凌 712100；3.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心，成都 610200；4.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710016；5.西北有色勘測(cè)工程有限責(zé)任公司，西安 710038；6.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100)

玉米是陜西省重要的糧食作物，而關(guān)中地區(qū)是該省的玉米主產(chǎn)區(qū)[1-2]。自1978年以來，該地區(qū)玉米單位面積產(chǎn)量呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，平均每10 a產(chǎn)量增長(zhǎng)率為608 kg/hm2[3]。氣候是一個(gè)地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的決定因素之一，有研究表明，降雨量是該地區(qū)影響玉米生長(zhǎng)的重要?dú)夂蛞蜃覽1,4]；因此，為保證該地區(qū)玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，研究玉米在灌溉和雨養(yǎng)情景下的氣候生產(chǎn)力以及探究不同管理措施對(duì)玉米生產(chǎn)力的影響具有重要意義。

隨著氣候變化及其不確定性成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究的熱點(diǎn)，利用模型評(píng)估作物的氣候生產(chǎn)力可以同時(shí)涵蓋多年和多種類型的氣候情景，相對(duì)大田試驗(yàn)有限年型的局限性，作物模型展現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)[5-6]。Meng等[7]利用Hybrid-Maize模型，結(jié)合我國(guó)1990—2009年的觀測(cè)氣象數(shù)據(jù)，評(píng)估了我國(guó)玉米的平均生產(chǎn)潛力，結(jié)果表明全國(guó)玉米平均潛在產(chǎn)量和雨養(yǎng)潛在產(chǎn)量分別為16.5和13.9 t hm2，通過灌溉玉米最大可增產(chǎn)約15.5%。在關(guān)中地區(qū)，大多數(shù)研究還是基于田間試驗(yàn)研究玉米生產(chǎn)潛力，作物模型的應(yīng)用相對(duì)較少，氣候生產(chǎn)力的研究結(jié)果有限。基于田間試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估模型在關(guān)中地區(qū)的適應(yīng)性，結(jié)合多年的觀測(cè)氣象數(shù)據(jù)研究玉米的氣候生產(chǎn)力具有較大研究?jī)r(jià)值。此外，大多數(shù)通過優(yōu)化管理措施提高作物生產(chǎn)力的研究還集中在單因素變化，而研究同時(shí)調(diào)整多種措施的交互作用對(duì)提高作物生產(chǎn)力可能更具潛力[8]。播期通常由當(dāng)?shù)氐臍夂蛸Y源決定，適宜的播期有利于作物充分利用光、熱和降水等氣候資源，從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成[1,9]，同時(shí)，優(yōu)化種植密度可以改善作物冠層結(jié)構(gòu)和光熱資源分布，從而改變作物生長(zhǎng)發(fā)育模式[10]。因此，本研究將首先基于田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)APSIM模型在關(guān)中地區(qū)的適應(yīng)性，然后利用驗(yàn)證后的APSIM模型，結(jié)合1971—2010年的觀測(cè)氣象數(shù)據(jù)，模擬該地區(qū)玉米的氣候生產(chǎn)力，以及同時(shí)調(diào)整播期和密度對(duì)玉米生產(chǎn)潛力的影響，從而為該地區(qū)玉米生產(chǎn)策略提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

玉米田間試驗(yàn)分別在楊凌和長(zhǎng)武進(jìn)行，其中楊凌種植夏玉米品種“鄭單958”，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為2009—2012年；長(zhǎng)武種植春玉米品種“先玉335”，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為2017—2018年。管理參數(shù)包含不同的品種、播期、種植密度、施肥方式以及灌溉管理，試驗(yàn)觀測(cè)指標(biāo)包含玉米出苗期、開花期、成熟期和籽粒產(chǎn)量，主要用于校正和驗(yàn)證APSIM模型，具體的管理及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。土壤持水特性通過土鉆取樣測(cè)定，深度為1 m，每20 cm取樣一次，均勻混合后采用烘干法測(cè)定，主要包含連續(xù)土層的容重、永久凋萎系數(shù)、田間持水量和飽和含水率(表2)。兩個(gè)站點(diǎn)1971—2010年的氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象局氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(https://data.cma.cn/)，主要包括日降水量(mm)、日照時(shí)數(shù)(h)、最高氣溫和最低氣溫(℃)，其中玉米生育期(播種期至成熟期)內(nèi)多年平均氣溫分別為24.11 ℃和17.80 ℃，平均太陽輻射分別為18.12 MJ/m2和18.74 MJ/m2，平均降雨量分別為362 mm和469 mm。

表1 玉米田間試驗(yàn)具體信息

表2 玉米試驗(yàn)站點(diǎn)的土壤特性參數(shù)

1.2 模型模擬

1.2.1 APSIM模型簡(jiǎn)介 APSIM(agricultural production systems simulator)模型是由澳大利亞的聯(lián)邦科工組織(CSIRO)以及昆士蘭州政府的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)組(APSRU)聯(lián)合開發(fā)的以日為步長(zhǎng)的模擬農(nóng)作物生產(chǎn)發(fā)育過程的機(jī)理模型[11]，是可以精確模擬氣候、土壤、農(nóng)業(yè)管理措施以及品種特性對(duì)作物生產(chǎn)影響的有力工具[12]。該模型輸入主要包括氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、品種參數(shù)以及管理參數(shù)。使用APSIM 7.7版本模擬關(guān)中地區(qū)1971—2010年在不同管理情景下的玉米生產(chǎn)潛力。

1.2.2 模型的適應(yīng)性驗(yàn)證 采用“試錯(cuò)法”調(diào)試APSIM模型的玉米品種參數(shù)，主要包括不同品種玉米各生育期內(nèi)所需積溫、灌漿速率等參數(shù)(表3)，使玉米開花期、成熟期以及籽粒產(chǎn)量模擬值與觀測(cè)值接近。分別利用2009—2010年楊凌夏玉米和2017年長(zhǎng)武春玉米的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，校正APSIM模型，采用2011—2012年夏玉米和2018年春玉米的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型。

表3 玉米品種參數(shù)信息

1.2.3 模擬情景 潛在產(chǎn)量(Yp)是指某一特定作物品種在沒有水分和養(yǎng)分脅迫情況下，僅受氣象條件影響所能獲得的最大產(chǎn)量；雨養(yǎng)潛在產(chǎn)量(Yw)通常指雨養(yǎng)情況下所能獲得的潛在產(chǎn)量[13-14]。Yp和Yw主要受溫度、輻射和土壤特性的影響，且Yw還受降雨的影響[15]。作物耗水量又稱實(shí)際蒸騰蒸發(fā)量(ET)，是指實(shí)際條件下作物獲得一定產(chǎn)量時(shí)實(shí)際所消耗的水量，而作物每消耗單位水量獲得的產(chǎn)量稱為水分利用效率((water use efficiency, WUE)[16]。

本研究利用驗(yàn)證后的APSIM模型模擬不同管理情景下夏玉米和春玉米潛在和雨養(yǎng)情景下的潛在產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率。為避免模型模擬中出苗失敗的情形，設(shè)置土壤剖面初始含水量為作物可用水量的75%，其中作物可用水量定義為凋萎含水率與田間持水量之間的差值。土壤剖面初始NO3和NH4含量分別設(shè)置為55 mg/m3和8 mg/m3。

充分灌溉情景下的模擬產(chǎn)量為潛在產(chǎn)量，當(dāng)土壤含水率比作物可用水量低20 mm時(shí)即進(jìn)行自動(dòng)灌溉，直到土壤含水量等于作物可用水量，以消除玉米生長(zhǎng)過程中的水分脅迫。雨養(yǎng)情景下，設(shè)置玉米全生育期內(nèi)灌溉量為0，其他設(shè)置與充分灌溉情景相同，此時(shí)的模擬產(chǎn)量為雨養(yǎng)潛在產(chǎn)量。模擬設(shè)置4個(gè)不同種植密度，分別為4、6、8、10株/m2，其中6株/m2是本地的常規(guī)種植密度，夏玉米和春玉米的種植密度設(shè)置相同。此外，設(shè)置5個(gè)不同播期，以一周為間隔，其中夏玉米播期分別設(shè)置5月25日(S1)、6月1日(S2)、6月8日(S3)、6月15日(S4)和6月22日(S5)；春玉米播期分別設(shè)置4月5日(S1′)、4月12日(S2′)、4月19日(S3′)、4月26日(S4′)和5月3日(S5′)。其中6月8日(S3)和4月19日(S3′)分別是楊凌夏玉米和長(zhǎng)武春玉米的常規(guī)播期。所有密度和播期共組成20種不同的交互情景。經(jīng)過驗(yàn)證，當(dāng)施氮量大于250 kg/hm2時(shí)，APSIM模型模擬玉米產(chǎn)量變化不大。因此，所有模擬情景下均設(shè)置施氮量為250 kg/hm2以消除養(yǎng)分脅迫。

1.2.4 模型評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)指標(biāo) 為了評(píng)估APSIM模型在關(guān)中地區(qū)的適應(yīng)性，在模型校正和驗(yàn)證過程中，計(jì)算模擬值和觀測(cè)值的均方根誤差(RMSE)[17]、標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差(NRMSE)[18]和決定系數(shù)(R2)[19]來評(píng)價(jià)模型的適應(yīng)性。RMSE和NRMSE分別反映模擬值與觀測(cè)值之間的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，值越小，說明模擬效果越好；R2反應(yīng)模擬值與觀測(cè)值之間的一致性，值越接近于1，說明模擬效果越好。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用多元線性回歸模型方法分析雨養(yǎng)情況下的潛在產(chǎn)量與生育期內(nèi)的平均溫度、降雨量和太陽輻射之間的相關(guān)性，以探究該地區(qū)玉米產(chǎn)量的主要?dú)夂蛴绊懸蜃印?/p>

2 結(jié)果與分析

2.1 APSIM模型的適應(yīng)性

校正后APSIM模型的模擬結(jié)果顯示，夏玉米和春玉米生育期內(nèi)所需的積溫分別為800和1 050 ℃·d，夏玉米相對(duì)春玉米灌漿速率更快(表3)。玉米開花期和成熟期模擬值和實(shí)測(cè)值的R2為0.98，RMSE為4 d(圖1a)；籽粒產(chǎn)量模擬值和觀測(cè)值也具有較好的一致性，R2為0.76，NRMSE為12%(圖1b)。結(jié)果表明APSIM模型在關(guān)中地區(qū)具有較好的適應(yīng)性，能夠準(zhǔn)確模擬玉米的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成過程。

圖1 關(guān)中春玉米和夏玉米播期—花期、播期—成熟期(a)和籽粒產(chǎn)量(b)的模型驗(yàn)證結(jié)果

2.2 常規(guī)播期和種植密度管理下玉米的灌溉生產(chǎn)潛力

利用校正后的APSIM模型模擬1971—2010年春玉米和夏玉米的生長(zhǎng)過程，結(jié)果表明夏玉米多年平均Yp和Yw分別為8 756 和4 236 kg/hm2(圖2a)，變異系數(shù)分別為13.4%和68.2% ；春玉米多年平均Yp和Yw分別為13 138 和6 163 kg/hm2(圖2b)，變異系數(shù)分別為9.9%和55.8% 。通過灌溉，夏玉米和春玉米最高可增產(chǎn)約52%和53%。夏玉米和春玉米Yw的年際變異明顯大于Yp，且降水較多年份的玉米產(chǎn)量顯著高于較少年份，尤其是雨養(yǎng)情況。玉米Yw與各氣象因子的多元線性回歸結(jié)果顯示(表4)，夏玉米和春玉米的Yw與生育期內(nèi)降雨都呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與溫度、輻射沒有明顯的相關(guān)性。這表明降雨是該地區(qū)影響玉米生長(zhǎng)發(fā)育的主要?dú)庀笠蜃?，降雨每增? mm，夏玉米和春玉米分別約增產(chǎn)14.7和18.0 kg/hm2。

表4 雨養(yǎng)產(chǎn)量與玉米生育期內(nèi)氣象因子的多元線性回歸分析結(jié)果

多年玉米蒸發(fā)蒸騰量的模擬結(jié)果顯示，充分灌溉條件下玉米耗水量明顯大于雨養(yǎng)條件下(圖2c,圖2d)。夏玉米多年平均潛在ET和雨養(yǎng)潛在ET分別為454和318 mm，春玉米分別為492和415 mm。為保證玉米正常生長(zhǎng)發(fā)育，夏玉米和春玉米需要的灌溉水量分別為136和77 mm。結(jié)果表明關(guān)中地區(qū)的雨養(yǎng)玉米受到水分脅迫嚴(yán)重，根據(jù)年際氣候條件制定相應(yīng)的灌溉制度具有重要意義。

在充分灌溉情景下玉米水分利用效率明顯大于雨養(yǎng)情景(圖2e,圖2f)。夏玉米多年平均潛在WUE和雨養(yǎng)潛在WUE分別為19.7和12.3 kg/(hm2·mm)，春玉米分別為27.3和14.3 kg/(hm2·mm)。通過充分灌溉，夏玉米和春玉米的水分利用效率可分別提高7.4和13.0 kg/(hm2·mm)。在沒有水分脅迫情形下玉米水分利用效率更高?？梢?，充分灌溉下作物根系能夠充分吸水促進(jìn)玉米代謝和生長(zhǎng)；而干旱情形下由于根系吸水限制，玉米生長(zhǎng)受到脅迫，從而產(chǎn)量形成也受到限制。

圖2 模型模擬1971—2010年常規(guī)播期和密度情景下關(guān)中夏玉米(a、c、e)和春玉米(b、d、f)分別在充分灌溉和雨養(yǎng)情景下的籽粒產(chǎn)量、蒸發(fā)蒸騰量和水分利用效率

2.3 播期和種植密度交互作用對(duì)玉米生產(chǎn)的影響

相對(duì)常規(guī)播期和密度組合情景下玉米產(chǎn)量模擬結(jié)果，夏玉米和春玉米Yp和Yw均隨著播期的延遲和種植密度的提高而增加(圖3a～圖3d)。當(dāng)播期推遲2周和密度為10株/m2時(shí)，夏玉米Yp和Yw分別最多增加20.0%和24.2%，春玉米分別最多增加21.7%和22.8%。

玉米耗水量隨種植密度提高而增大，這主要是因?yàn)槿后w密度增大后，植株根系對(duì)土壤水分的競(jìng)爭(zhēng)也相應(yīng)增加；而對(duì)播期調(diào)整表現(xiàn)出差異性。隨著播期延遲，夏玉米潛在ET呈現(xiàn)減小趨勢(shì)(圖3 e～圖3h)。隨著播期延遲同時(shí)降低種植密度，夏玉米潛在ET最多減少10.2%；隨著播期提前同時(shí)提高種植密度，潛在ET最多增加7.1%。隨著播期延遲，春玉米在低種植密度時(shí)，潛在ET呈增大趨勢(shì)；而在高種植密度下，潛在ET呈下降趨勢(shì)。隨著播期提前同時(shí)降低種植密度，春玉米潛在ET最多減少7.9%；隨著播期提前同時(shí)提高種植密度，潛在ET最多增大14.2%。在雨養(yǎng)情況下，由于降雨量的限制，夏玉米和春玉米耗水量在不同播期和不同種植密度下的差異不大。

隨著播期推遲和種植密度增大，水分利用效率呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)(圖3i～圖3l)，當(dāng)播期推遲2周和種植密度為10株/m2時(shí)達(dá)到最大，夏玉米潛在WUE和雨養(yǎng)潛在WUE分別增大約22.7%和20.8%，春玉米增大約14.4%和20.0%?？梢姡掷眯蕦?duì)播期和種植密度的響應(yīng)與產(chǎn)量表現(xiàn)出一致性，通過調(diào)整播期和種植密度可以同時(shí)提高夏玉米和春玉米水分利用效率。

圖3 模型模擬1971—2010年不同播期和密度組合情形下關(guān)中夏玉米在充分灌溉(a,e,i)和雨養(yǎng)情景(b,f,j)、春玉米在充分灌溉(c,g,k)和雨養(yǎng)情景(d,h,l)下相對(duì)常規(guī)播期和密度情景的產(chǎn)量、蒸發(fā)蒸騰量和水分利用效率的變化

3 結(jié)論

利用關(guān)中地區(qū)的玉米試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了APSIM模型在該地區(qū)具有較好的適應(yīng)性。利用該模型模擬關(guān)中地區(qū)玉米生長(zhǎng)發(fā)育結(jié)果顯示，該地區(qū)夏玉米和春玉米在充分灌溉條件下的潛在產(chǎn)量分別為8 756和13 138 kg/hm2，雨養(yǎng)潛在產(chǎn)量分別為4 236和6 163 kg/hm2，通過灌溉可分別增產(chǎn)約52%和53%，而降雨量是影響該地區(qū)玉米生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛴绊懸蜃?。通過適當(dāng)推遲播期和提高種植密度可以有效提高關(guān)中地區(qū)的玉米生產(chǎn)潛力，夏玉米潛在產(chǎn)量和雨養(yǎng)潛在產(chǎn)量最大可分別提高約20.0%和24.2%，春玉米最大可分別提高約21.7%和22.8%；玉米的水分利用效率也得到提高，夏玉米潛在水分利用效率和雨養(yǎng)潛在水分利用效率分別增大約22.7%和20.8%，春玉米分別增大約14.4%和20.0%。

總體而言，通過優(yōu)化關(guān)中地區(qū)玉米播種日期和種植密度可以有效提高該地區(qū)玉米的氣候生產(chǎn)潛力，而關(guān)中地區(qū)玉米生育期內(nèi)降雨總量及分布時(shí)段不能充分滿足玉米生產(chǎn)需求，干旱仍然是制約地區(qū)玉米生產(chǎn)的最重要因素。