基于半定量方法的華北冬小麥?zhǔn)┑績?yōu)化管理研究

摘 要：利用田間實測數(shù)據(jù)對ＡｑｕａＣｒｏｐ 模型進(jìn)行校驗，獲取了模型的關(guān)鍵參數(shù)，并量化不同施氮量水平與肥脅迫相關(guān)的壓力系數(shù)；以此為基礎(chǔ)，提出了半定量方法的參數(shù)化方案，實現(xiàn)了華北冬小麥?zhǔn)┑康膬?yōu)化管理。結(jié)果表明：①模型校驗過程中冠層覆蓋度的決定系數(shù)Ｒ２大于０．８７６、ＮＲＭＳＥ 小于１５．５５４％；土壤含水率模擬值與實測值的Ｒ２ 大于０．８４０、ＮＲＭＳＥ 小于９．９６０％；所有處理下產(chǎn)量模擬值與實測值的Ｒ２大于０．９６４。說明經(jīng)校驗的模型能較好地模擬不同施氮處理下作物生長及產(chǎn)量產(chǎn)出過程，可利用該模型進(jìn)行施氮量優(yōu)化管理研究。②利用半定量方法實現(xiàn)了氮肥的多情景模擬，根據(jù)模擬結(jié)果建立了施氮量與產(chǎn)量之間的關(guān)系，當(dāng)施氮量達(dá)到３５５．３０ ｋｇ／ ｈｍ２后，繼續(xù)增加施氮量，冬小麥的產(chǎn)量出現(xiàn)了降低的趨勢。

關(guān)鍵詞：冬小麥；施氮量；氮肥利用效率；ＡｑｕａＣｒｏｐ 模型；半定量方法

中圖分類號：Ｓ５１３； Ｓ５１２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０４．０１９

引用格式：牟彥文，彭致功，仵峰，等．基于半定量方法的華北冬小麥?zhǔn)┑績?yōu)化管理研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（４）：１０９－１１４，１２５．

華北平原是中國重要的糧食生產(chǎn)基地，其中冬小麥播種面積和產(chǎn)量均居中國首位，在國家糧食安全中具有重要作用［１］ 。氮肥是作物生長所需氮素的重要來源，對葉片光合能力和產(chǎn)量形成過程具有顯著的調(diào)控作用［２］ 。近年來，我國過量施用氮肥的現(xiàn)象越來越普遍，嚴(yán)重影響了氮肥利用效率，并導(dǎo)致作物出現(xiàn)不同程度的減產(chǎn)，同時也引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境安全問題［３－５］ 。因此，探究不同施氮量對作物生長的影響，確定適宜的施氮量，對提高氮肥利用效率和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

由于田間試驗耗時費力，且受外界因素的影響較大，因此尋求模擬精度高、適用范圍廣的作物模型成為當(dāng)下研究者們關(guān)注的重點［６－７］ 。目前，較為常見的作物模型有ＡＰＳＩＭ［８］ 、ＷＯＦＯＳＴ［９］ 、ＤＳＳＡＴ － ＣＥＲＥＳ［１０］等，然而這些模型的研究機(jī)理和輸入?yún)?shù)較復(fù)雜，造成了模型在實際應(yīng)用中受限。與其他模型相比，ＡｑｕａＣｒｏｐ 模型具有輸入?yún)?shù)少、界面直觀清晰、模擬精度高等優(yōu)點［１１］ 。國外的一些研究表明，ＡｑｕａＣｒｏｐ模型能夠較好地模擬大麥［１２］ 、小麥［１３］ 、玉米［１４］ 等作物產(chǎn)量對缺氮脅迫的響應(yīng)，但受當(dāng)前試驗處理的限制，難以尋求精度較高的施氮制度［１５］ 。國內(nèi)對該模型與田間施氮量相關(guān)的研究較少［１６］ ，對于指導(dǎo)作物田間施氮量管理研究的借鑒意義不大。

本文以華北地區(qū)冬小麥為研究對象，結(jié)合田間試驗的分析結(jié)果，利用ＡｑｕａＣｒｏｐ 模型的半定量方法進(jìn)行多情景模擬，以尋求華北平原保障冬小麥高產(chǎn)高效的優(yōu)化施氮制度，為提高氮素利用效率和實現(xiàn)模型的氮肥優(yōu)化管理提供理論依據(jù)。

１ 研究區(qū)概況和試驗設(shè)計

１．１ 研究區(qū)概況

試驗地點位于中國水利水電科學(xué)研究院大興節(jié)水灌溉試驗研究基地（北緯３９°３７．２５′、東經(jīng)１１６°２５．５１′，海拔３０ ｍ），屬半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，豐富的光熱條件適宜冬小麥、玉米等作物生長。土壤類型為沙壤土，試驗期間研究區(qū)年均降水量約５４０ ｍｍ，多年平均氣溫１２．１ ℃，年均水面蒸發(fā)量在１ ８００ ｍｍ 以上，全年日照時數(shù)約為２ ６００ ｈ。

１．２ 試驗設(shè)計

２０１９—２０２０ 年冬小麥的播種和收獲日期分別為２０１９ 年１０ 月１１ 日和２０２０ 年６ 月１３ 日，供試品種為京生麥１ 號，生育期內(nèi)降水量為１５７ ｍｍ；２０２０—２０２１ 年冬小麥的播種和收獲日期分別為２０２０ 年１０ 月２３ 日和２０２１ 年６ 月１５ 日，供試品種為京冬１７ 號，生育期內(nèi)降水量為９２ ｍｍ。本試驗設(shè)計５ 種施氮處理，施氮總量分別為０ ｋｇ／ ｈｍ２ （Ｎ１ 處理）、１５０ ｋｇ／ ｈｍ２ （Ｎ２ 處理）、２２５ ｋｇ／ ｈｍ２（Ｎ３ 處理）、３００ ｋｇ／ ｈｍ２（Ｎ４ 處理）、４２０ ｋｇ／ ｈｍ２（Ｎ５ 處理）；在作物生育期施肥分２ 次完成，每次施肥量相同，其中播前施復(fù)合肥（含Ｎ 量１５％、Ｐ２Ｏ５量１５％、Ｋ２Ｏ量１５％）作為底肥施入，在拔節(jié)期施入尿素（含Ｎ 量５２％）。各處理灌溉制度保持一致，考慮播前、播種—越冬、返青—拔節(jié)、拔節(jié)—抽穗４ 個灌水階段，每次灌水定額均為６０ ｍｍ。各處理試驗區(qū)面積均為５６ ｍ２，行間距為２０ ｃｍ，為避免各試驗區(qū)間土壤水分側(cè)滲，設(shè)有寬１．０ ｍ的保護(hù)行，其他管理措施如播種、耕作及鋤草等與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣保持一致。

１．３ 數(shù)據(jù)獲取

氣象數(shù)據(jù)來自節(jié)水灌溉研究基地的氣象站，各氣象資料見圖１。采用ＴＲＩＭＥＲ－Ｔ３／ ＩＰＨ 型土壤水分測定儀測定０～１００ ｃｍ 深度土層的土壤含水率，每２０ ｃｍ深度測定１ 個數(shù)據(jù)，觀測間隔時間為５～７ ｄ，灌水前后和降雨后分別加測１ 次。冬小麥返青后，每１０ ｄ 測１次生物量，各處理小區(qū)選取具有代表性的３ 株，從莖部剪下、烘干后稱重，并根據(jù)種植密度和面積折算成單位面積地面上部生物量。在小麥成熟時，各試驗小區(qū)選取３ 個有代表性的１ ｍ２樣方進(jìn)行考種測產(chǎn)，經(jīng)自然風(fēng)干后，測定籽粒質(zhì)量（下文簡稱產(chǎn)量）。采用凱氏定氮儀測定各葉片以及植株含氮量［１７］ 。各處理小區(qū)選?。?株長勢均勻的植株，利用直尺測量各葉片的長和寬，利用折算系數(shù)法推算冬小麥葉面積指數(shù)。

２ 結(jié)果與分析

２．１ 施氮量對冬小麥產(chǎn)量和氮素吸收與利用效率的影響

由表３ 可知，在試驗中Ｎ４ 處理的產(chǎn)量達(dá)到最大值，２０１９—２０２０ 年度、２０２０—２０２１ 年度分別為６ １５２． ３３、５ ３９０．１０ ｋｇ／ ｈｍ２，所以在０ ～３００ ｋｇ／ ｈｍ２ 的施氮量范圍內(nèi)，增施氮肥能夠顯著提高冬小麥的產(chǎn)量。但是施氮量超過３００ ｋｇ／ ｈｍ２后，對增產(chǎn)反而起反作用，與Ｎ４ 處理相比，２０１９—２０２０ 年度、２０２０—２０２１ 年度在Ｎ５ 處理下的產(chǎn)量分別降低了２．２８％、６．９２％。氮素積累總量都隨施氮量的增加而增加，分３ 個層次達(dá)到顯著水平，但Ｎ４ 和Ｎ５ 處理之間差異不顯著。各處理的氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率隨施氮量的增加呈遞減趨勢，不施氮或者施氮量低的處理與較高施氮量處理之間差異顯著（顯著性水平ｐ＜０．０５）。Ｎ３、Ｎ４ 和Ｎ５ 處理的氮素生產(chǎn)效率差異不顯著，與處理Ｎ１ 的差異顯著（ｐ＜０．０５）。各處理氮素農(nóng)藝效率隨施氮量的增加呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢，其中Ｎ４ 處理最高、Ｎ２ 處理最低。４ 種施氮處理的氮肥偏生產(chǎn)力都隨施氮量的增加呈現(xiàn)遞減趨勢， 各處理間差異顯著（ｐ＜０．０５）。

２．２ 模型校驗及應(yīng)用

２．２．１ 冬小麥冠層覆蓋度與土壤含水率的校驗

模型率定情況（見圖２ 和表４）中所有處理冠層覆蓋度模擬值與實測值的Ｒ２、ＮＲＭＳＥ、ＥＮＳ、ｄ 分別為０．９１８、９．９３５％、０．８０６、０．９４０，各處理評價指標(biāo)的變化范圍為０．９４３ ＜Ｒ２ ＜ ０．９７０、６．７８３％ ＜ＮＲＭＳＥ ＜ １１．３８９％、０．７１２＜ＥＮＳ ＜０．８７９、０．９００＜ｄ＜０．９６０；所有處理土壤含水率模擬值與實測值的Ｒ２、ＮＲＭＳＥ、ＥＮＳ、ｄ 分別為０．７８８、１４．７９１％、０．５４６、０．８５９，各處理評價指標(biāo)的變化范圍為０．８４３＜Ｒ２ ＜０．９６５、７．４６８％＜ＮＲＭＳＥ＜９．１９１％、０．６７３＜ＥＮＳ ＜０．８７９、０．９３０＜ｄ＜０．９６９。模型率定情況表明模型模擬冠層覆蓋度和土壤含水率的誤差較小。模型驗證情況（見圖３ 和表４）中所有處理冠層覆蓋度模擬值與實測值的Ｒ２、ＮＲＭＳＥ、ＥＮＳ、ｄ 分別為０．８７４、８．１４５％、０．７１２、０．９４４，且各評價指標(biāo)的范圍分別為０． ８７６ ＜ Ｒ２ ＜０．９５２、９． ６８３％ ＜ ＮＲＭＳＥ ＜ １５． ５５４％、０． ４３５ ＜ ＥＮＳ ＜０．６４５、０．８３９＜ｄ＜０．８７９；所有處理土壤含水率模擬值與實測值的Ｒ２、ＮＲＭＳＥ、ＥＮＳ、ｄ 分別０．８４８、８．７５４％、０．６２５、０．９３１，各處理評價指標(biāo)的變化范圍為０．８４０＜ Ｒ２ ＜０．９４２、７． ９０１％ ＜ＮＲＭＳＥ ＜ ９． ９６０％、０． ５４２ ＜ＥＮＳ ＜０．８１７、０．９１７＜ｄ＜０．９５８?？梢?，校驗后的模型能較好地模擬生育期內(nèi)冠層覆蓋度與土壤含水率的動態(tài)變化過程。

２．２．２ 冬小麥最終生物量與產(chǎn)量的校驗

模型率定期冬小麥最終生物量和產(chǎn)量的校驗結(jié)果見圖４，所有處理下最終生物量的Ｒ２、ＮＲＭＳＥ、ＥＮＳ、ｄ 分別為０．９９０、４．０９７％、０．９０１、０．９７９，產(chǎn)量的Ｒ２、ＮＲＭＳＥ、ＥＮＳ、ｄ 分別為０． ９７４、４． ９５６％、０． ９２７、０．９７８；模型驗證期冬小麥最終生物量和產(chǎn)量的校驗結(jié)果見圖５，所有處理下最終生物量的Ｒ２、ＮＲＭＳＥ、ＥＮＳ、ｄ 分別為０．９６４、４．６６０％、０．８７７、０．９７５，產(chǎn)量的Ｒ２、ＮＲＭＳＥ、ＥＮＳ、ｄ 分別為０． ９６８、７． ７７３％、０． ７９４、０．９４８。模型校驗結(jié)果表明ＡｑｕａＣｒｏｐ 模型能夠較好地模擬冬小麥最終生物量與產(chǎn)量。各處理的相對誤差見表５，最終生物量相對誤差的最小值和最大值分別為０．８０２％、９．１６７％，所有處理平均相對誤差為４．２２７％；產(chǎn)量相對誤差的最小值與最大值分別為０．８５０％、１１． ９２３％， 所有處理平均相對誤差為５．９７２％。驗證期相對誤差偏大，主要原因是模型校驗過程中的肥脅迫參數(shù)直接由各處理施氮量確定，沒有兼顧土壤背景值差異，造成了模擬誤差的偏差，但模擬誤差總體在可接受范圍內(nèi)。

２．２．３ 不同肥脅迫水平情景模擬

依據(jù)模型校驗后各處理壓力系數(shù)與施氮量的關(guān)系，并結(jié)合華北地區(qū)施氮量實際情況，設(shè)置了１５ 種施肥情景方案，施氮量范圍為０～４２０ ｋｇ／ ｈｍ２，梯度為３０ ｋｇ／ｈｍ２，對應(yīng)的序號依次為Ｆ１、Ｆ２、…、Ｆ１５。在保證各處理不受水分脅迫下，１５ 種情景方案下模擬獲得的小麥產(chǎn)量與施氮量呈拋物線關(guān)系（見圖６），冬小麥產(chǎn)量隨施氮量的增加而增大，但當(dāng)施氮量超過某一范圍時，冬小麥產(chǎn)量的增長趨勢減緩甚至出現(xiàn)了降低，Ｆ１３、Ｆ１４、Ｆ１５ 處理相較于Ｆ１２ 處理分別下降了０． ６７１％、４．４７６％、７．５９３％。根據(jù)ｙ ＝－０．０２１ ５ｘ２ ＋１５．２７８ｘ＋３ ３７６．４（Ｒ２ ＝０．９８０ ２）計算得出，當(dāng)施氮量為３５５．３０ ｋｇ／ ｈｍ２時，冬小麥的產(chǎn)量達(dá)最大值，為６ ０９０．５５ ｋｇ／ ｈｍ２。

２．３ 討 論

作物模型已成為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)施氮管理的有效途徑［１８－１９］ 。目前已有學(xué)者將ＡｑｕａＣｒｏｐ 模型與其他模型進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)該模型沒有考慮作物的生理及養(yǎng)分循環(huán)與平衡，而是通過半定量方法來描述作物受到的肥脅迫程度，模擬誤差仍在可接受的范圍內(nèi)［２０］ 。本研究采用田間試驗與模型相結(jié)合的方法，通過ＡｑｕａＣｒｏｐ模型進(jìn)行了不同施氮水平的多情景模擬，基于模擬產(chǎn)量與施氮量的相關(guān)曲線得到華北平原冬小麥適宜施氮量，對于指導(dǎo)區(qū)域施氮管理提供了理論依據(jù)。結(jié)果表明，冬小麥的產(chǎn)量隨施氮量的增加表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢，當(dāng)施氮量達(dá)到３５５．３０ ｋｇ／ ｈｍ２時，冬小麥的產(chǎn)量達(dá)到了最大值，其氮肥吸收與利用效率均在合理的范圍內(nèi)，與李瑞奇等［３］ 、郭曾輝等［２１］ 、張定一等［２２］ 的研究結(jié)果基本一致。

３ 結(jié) 論

（１）ＡｑｕａＣｒｏｐ 模型能夠較好地模擬華北冬小麥生育期內(nèi)冠層覆蓋度、土壤含水率、地上部生物量與產(chǎn)量，且模型校驗評價指標(biāo)均在合理的范圍內(nèi)，表明可以利用模型的半定量方法進(jìn)行施氮量管理研究。

（２）基于施氮量與肥脅迫參數(shù)之間的關(guān)系，來量化任一施氮量水平與肥脅迫相關(guān)的參數(shù)值，破解了采用半定量方法進(jìn)行施氮量優(yōu)化管理時模型參數(shù)值的確定難題。

（３）基于模型的半定量方法進(jìn)行了多情景模擬，建立了施氮量與產(chǎn)量之間的二次拋物線函數(shù)關(guān)系，得到施氮量在０～３５５．３０ ｋｇ／ ｈｍ２ 時冬小麥的產(chǎn)量隨施氮量的增加而增大，超過這一區(qū)間，冬小麥的產(chǎn)量出現(xiàn)了下降的趨勢，此結(jié)果與田間試驗結(jié)果一致，過量施用氮肥會造成氮肥利用效率降低。

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