基于AquaCrop模型的滇西地區(qū)玉米最佳種植密度

關(guān)鍵詞： 玉米；種植密度；AquaCrop 模型；產(chǎn)量模擬

中圖分類號： S513.047 文獻標志碼： A 文章編號： 1004–390X （2024） 06?0169?08

玉米是中國種植面積最大的糧食作物[1]，在農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥加工業(yè)等多個行業(yè)具有重要作用[2]。種植結(jié)構(gòu)和田間管理是影響玉米產(chǎn)量的主要因素[3]。在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，種植密度對玉米產(chǎn)量的影響尤為顯著[4-5]，研究雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)玉米的最佳種植密度對保障糧食安全和提高資源利用效率具有重要意義。已有研究表明：玉米種植密度與單位面積產(chǎn)量呈拋物線關(guān)系[6]。YAN 等[7]研究發(fā)現(xiàn)：玉米密植能增大葉面積指數(shù)，截獲更多光能，增加干物質(zhì)積累，提高灌漿期的源庫比，提高生物量和產(chǎn)量。ZHENG 等[8]發(fā)現(xiàn)：玉米莖粗、凈光合速率和SPAD 值隨種植密度的增加而下降，這與KUAI 等[9]的研究結(jié)果一致。隨著密度的增加，玉米株間相互影響增大。在高密度條件下，葉片互相遮陰會影響冠層內(nèi)的光照條件，導致下部葉片提前衰老；弱光環(huán)境或葉片衰老會減少籽粒灌漿期間同化物質(zhì)的積累，對授粉和光合作用產(chǎn)生不利影響，降低玉米的灌漿速率，導致產(chǎn)量下降[10]。

作物模型是模擬不同環(huán)境條件下作物產(chǎn)量的重要工具[11]，尤其是在突破大田試驗的局限后，研究作物對大尺度氣候（如溫度、降水、大氣CO₂ 濃度、輻射等） 變化的響應(yīng)方面發(fā)揮了重要作用[12]。基于作物生理與環(huán)境因子相互作用的模型，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供了新的方法和手段，是該領(lǐng)域國際研究的熱點[13]。目前，全球已開發(fā)出超過100 種作物模型，并在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[14]。在中國，應(yīng)用較為廣泛的模型包括DSSAT[15]、WOFOST[16]、APSIM[17]和AquaCrop[18]等。針對玉米，現(xiàn)有研究主要集中在提升干旱和半干旱地區(qū)的產(chǎn)量，而對雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的研究較為有限。本研究基于AquaCrop 模型，以滇西雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的玉米為研究對象，分析了不同降雨年型下玉米的最佳種植密度。研究結(jié)果可為改善玉米種植結(jié)構(gòu)、保障糧食安全、提高資源利用效率以及促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持和理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

玉米是云南省種植面積最大的糧食作物[19]，根據(jù)氣候、土壤、地形地貌及玉米的生長特性，云南的玉米種植區(qū)被劃分為4 大區(qū)域：滇東北溫涼區(qū)、滇西北冷涼區(qū)、滇中溫暖區(qū)和滇南暖熱區(qū)。本研究區(qū)域為保山市隆陽區(qū)，位于24°03′N，99°10′E，平均海拔1653.5 m，屬于滇西北冷涼玉米種植區(qū)。該地區(qū)地勢多為山間盆地或丘陵山區(qū)，土壤以山地紅壤和紫色土為主[20]。年降水量約963.8 mm，年均氣溫16.8 ℃，年均日照時間2432.3 h。2020年保山市玉米種植面積約為1.08×105 hm²，占全市糧食種植面積的41%[21]，是滇西主要的玉米種植區(qū)。該地區(qū)玉米平均種植密度為3500～4000 株/667 m²，密度偏低，導致玉米產(chǎn)量受限。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用的氣象數(shù)據(jù)為保山國家基本氣象觀測站1980—2021年的氣溫、氣壓、降水量、風速和日照時間。作物需水量由Penman-Monteith公式[22]計算得到。土壤質(zhì)地、土層剖面、田間持水量、土壤容重和凋萎含水率為保山市隆陽區(qū)氣象局人工觀測數(shù)據(jù)。保山農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心提供的多年大田密度試驗數(shù)據(jù)來源于云南省保山市隆陽區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心沙壩基地。大田管理條件設(shè)定為：采用覆膜種植，玉米生長期間未受到雜草和病蟲害影響，土壤肥力充足。

1.3 試驗方法

1.3.1 AquaCrop模型

作物模型在評估和模擬不同農(nóng)藝措施對作物生長和產(chǎn)量的影響方面具有較高的準確性[23-25]。其中，AquaCrop 模型因其輸入?yún)?shù)較少、模擬精度高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用[26]。AquaCrop 模型主要通過調(diào)控土壤水分來模擬作物的地上生物量和產(chǎn)量，作物產(chǎn)量與水分響應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式1所示[27]：

2 結(jié)果與分析

2.1 模型校正與驗證

2.1.1 模型參數(shù)敏感性分析

AquaCrop 模型參數(shù)敏感性分析發(fā)現(xiàn)：作物系數(shù)和收獲指數(shù)對模型中的玉米產(chǎn)量最為敏感（表1），6 種不同種植密度對玉米生長過程和產(chǎn)量形成具有顯著影響。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，得到了每種種植密度對應(yīng)的模型參數(shù)（表2）。

2.1.2 模型參數(shù)校正

使用不同種植密度下的實測玉米產(chǎn)量對AquaCrop 模型進行參數(shù)校正。校正優(yōu)化后模型的均方根誤差（RMSE） 為0.054，標準化均方根誤差（NRMSE） 為0.447，效率因子（EF） 為0.999，偏差系數(shù)（d） 為0.997，決定系數(shù)（R²） 為0.998。模擬值與實測值的相對誤差見表3，整體平均相對誤差為0.409%，模型擬合效果優(yōu)異。

2.1.3 模型驗證

為驗證模型優(yōu)化效果，使用不同種植密度下玉米的實測產(chǎn)量對校準后的模型進行驗證。模擬結(jié)果的均方根誤差（RMSE） 為0.068，標準化均方根誤差（NRMSE） 為0.562，效率因子（EF） 為0.999，偏差系數(shù)（d） 為0.996，決定系數(shù)（R²） 為0.996。模擬值與實測值的相對誤差見表4，整體平均相對誤差為0.521%，模型擬合效果優(yōu)。

在進行AquaCrop模型驗證的基礎(chǔ)上，采用不同種植密度的玉米產(chǎn)量進行模型適用性分析。結(jié)果表明：模擬的玉米產(chǎn)量與實測值接近，擬合直線的斜率為0.9934，決定系數(shù)（R²） 為0.999 5；數(shù)據(jù)點集中在1∶1 線附近（圖1），表明 AquaCrop作物模型模擬的產(chǎn)量與實際產(chǎn)量的擬合程度較高，適用于不同種植情景下的玉米生產(chǎn)。

2.2 降雨年型

使用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線擬合降雨量及劃分典型年。選取經(jīng)驗頻率（P） 為25% 對應(yīng)豐水年，降雨量為938.15 mm；P值為50% 對應(yīng)平水年，降雨量為823.14 mm；P 值為75% 對應(yīng)枯水年，降雨量為728.47 mm。典型年劃分結(jié)果如下：豐水年為1984年，降雨量 937.2 mm；平水年為2021年，降雨量 813.2mm；枯水年為 1987年，降雨量 731.6 mm （表5）。

2.3 不同水文年下最佳玉米種植密度

利用校準后的AquaCrop 模型，對不同降水年型下的6 種種植密度玉米產(chǎn)量進行模擬，結(jié)果如圖2所示。

豐水典型年（1984 年），玉米產(chǎn)量與種植密度呈拋物線關(guān)系， 擬合方程為： y=?0.684x²+10.782x?28.503，R²=0.941。根據(jù)擬合方程計算，最佳產(chǎn)量為14.000 t/hm²，最佳種植密度為7.885×10⁴ 株/hm²。模型擬合的豐水年最佳產(chǎn)量較當?shù)仄骄a(chǎn)量（約10 t/hm²） 增加39.46%。

平水典型年（2021 年），玉米產(chǎn)量與種植密度呈拋物線關(guān)系， 擬合方程為： y=?0.707x²+11.082x?30.094，R²=0.953。根據(jù)擬合方程計算，最佳產(chǎn)量為13.363 t/hm²，最佳種植密度為7.843×10⁴ 株/hm²。模型擬合的平水年最佳產(chǎn)量較當?shù)仄骄a(chǎn)量增加41.75%。

枯水典型年（1987 年），玉米產(chǎn)量與種植密度呈拋物線關(guān)系， 擬合方程為： y=?0.677x²+10.523x?28.257，R²=0.973。根據(jù)擬合方程計算，最佳產(chǎn)量為12.646 t/hm²，最佳種植密度為7.774×10⁴ 株/hm²。模型擬合的枯水年最佳產(chǎn)量較當?shù)仄骄a(chǎn)量增加38.14%。

模擬結(jié)果顯示：不同降水年型下，高產(chǎn)玉米對應(yīng)的最佳種植密度應(yīng)控制在7.5×10⁴～8.0×10⁴ 株/hm²，其中7.8×10⁴ 株/hm² 最優(yōu)。

3 討論

3.1 AquaCrop模型應(yīng)用

AquaCrop 模型在玉米最佳水肥管理、產(chǎn)量模擬、地上生物量、收獲指數(shù)、土壤總含水量等方面的研究表明該模型具有廣泛的適用性和較高的精度[30-31]。本研究基于6種玉米種植密度的試驗數(shù)據(jù)，進行了AquaCrop 模型的參數(shù)優(yōu)化和模擬精度分析，結(jié)果表明該模型在研究區(qū)具有良好的適用性，與國內(nèi)外的相關(guān)研究結(jié)果[32]一致。通過對6種種植密度在3種降雨年型下的產(chǎn)量特征分析，本研究成功建立了適用于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的AquaCrop模型，拓展了該模型的應(yīng)用范圍，并為類似區(qū)域的玉米生產(chǎn)管理和優(yōu)化提供了技術(shù)支持。

3.2 不同降雨年型與玉米種植密度

研究表明：玉米產(chǎn)量除受到光照、溫度、水分、肥料等因素的影響外，種植密度也是重要的影響因素[33]。隨著玉米種植密度的增加，玉米的葉面積指數(shù)也隨之增大。然而，過高的密度會導致葉片相互遮陰，不利于玉米產(chǎn)量增加。冠層遮陰會延長玉米的開花和抽絲時間，影響授粉和光合作用，降低籽粒的灌漿速率和籽粒質(zhì)量，導致產(chǎn)量下降。YOUNGERMAN 等[34]研究發(fā)現(xiàn)：玉米種植密度增加會對單株生長造成負面影響，適當降低種植密度有助于提高玉米產(chǎn)量和品質(zhì)。

玉米需水量較大，本研究區(qū)位于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，平水年玉米生育期內(nèi)的降雨能夠滿足玉米對水分的需求，因此，種植密度對玉米產(chǎn)量的影響尤為突出。低種植密度雖然可以提高單株玉米產(chǎn)量，但卻抑制了玉米群體產(chǎn)量的提升，并降低了資源的有效利用率。本研究建議的最佳玉米種植密度為 7.8×10⁴株/hm²，較已有研究[35-36]偏高，推測改良品種的推廣是主要原因。

4 結(jié)論

本研究基于多年玉米種植密度試驗和氣象觀測資料，分析了AquaCrop模型的適應(yīng)性，通過校準模型的模擬，得出滇西地區(qū)玉米最佳種植密度為7.5×10⁴～8.0×10⁴株/hm² （最優(yōu)為7.8×10⁴株/hm²），預(yù)計可增產(chǎn)38.14%～41.75%。綜上所述，校準后的AquaCrop 模型能為研究區(qū)玉米種植規(guī)劃和增產(chǎn)提供依據(jù)。

責任編輯：何承剛