山西晉中盆地紫花苜蓿生產(chǎn)對(duì)水分和氣溫的響應(yīng)

朱 敏,牛帥帥,侯青青,楊 軒,徐洪雨

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,山西 太谷 030801)

我國(guó)晉中盆地地處山西中部,東為太行山脈,西為呂梁山脈,汾河自北向南穿其而過[1],土壤和氣候條件優(yōu)越,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)[2]。但在全球氣候變化大背景下,當(dāng)?shù)貧夂蛘诎l(fā)生較為顯著的變化,氣溫升高、降水減少,對(duì)種植業(yè)發(fā)展造成了不利影響[3];且晉中市的農(nóng)業(yè)用水方式粗放,水資源利用效率不高,導(dǎo)致實(shí)際灌溉面積不斷萎縮[4]。紫花苜蓿(Medicagosativa)是該地區(qū)發(fā)展草產(chǎn)業(yè)的重要優(yōu)質(zhì)牧草,因其高耗水的特點(diǎn)[5-7],其生產(chǎn)勢(shì)必會(huì)受到全球氣候變化和灌溉用水條件的限制,應(yīng)提前對(duì)其的產(chǎn)草量與灌溉結(jié)果進(jìn)行評(píng)估,以期應(yīng)對(duì)外部環(huán)境的變化。

采用作物動(dòng)態(tài)模型對(duì)作物響應(yīng)外部條件的研究不受地域、時(shí)間、氣候條件等方面的限制,能夠系統(tǒng)、全面和多元化地對(duì)作物生長(zhǎng)方面的因素進(jìn)行模擬、評(píng)價(jià)和分析,提供大量有效數(shù)據(jù)[8-9]。其中,APSIM(Agricultural Production System sIMulator)是由澳大利亞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)組研發(fā)的作物生產(chǎn)模擬系統(tǒng),在模擬氣候變化對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及水分平衡等方面有較好的效果,并在很多國(guó)家和地區(qū)得到了廣泛驗(yàn)證與應(yīng)用[10]。在紫花苜蓿模型方面,奧?，|等[11]完成了APSIM模型在寧夏種植區(qū)主要參數(shù)的本地化,結(jié)果表明APSIM苜蓿模型可以較為準(zhǔn)確地用于模擬苜蓿灌溉的情況,且在該地區(qū)具有良好的適應(yīng)性。古麗娜扎爾等[12]驗(yàn)證了APSIM模型模擬苜蓿長(zhǎng)期連作和苜?！←溳喿飨到y(tǒng)深層土壤水分和苜蓿產(chǎn)量的可行性,評(píng)估了不同輪作模式對(duì)農(nóng)田深層土壤水分、系統(tǒng)干物質(zhì)產(chǎn)量、氮素吸收和水分利用效率的影響。Shen等[13]評(píng)估了黃土高原地區(qū)小麥—苜蓿輪作系統(tǒng)中APSIM模型的土壤水氮模擬效果,并利用田間數(shù)據(jù)修改了APSIM模型土壤模塊的最大田間持水量(Drainage upper limit,DUL)與作物水分利用下限(Crop lower limit,CLL)參數(shù)。

總體來說,國(guó)內(nèi)紫花苜蓿模型起步較晚,深入的紫花苜蓿生長(zhǎng)生理過程模擬和完善的生長(zhǎng)模擬模型研究還較少[14]。盡管APSIM紫花苜蓿模型已于西北黃土高原地區(qū)進(jìn)行了調(diào)參驗(yàn)證工作,但于晉中盆地地區(qū)還未充分驗(yàn)證與應(yīng)用。因此,本文以位于晉中盆地的太谷區(qū)為研究區(qū),擬基于6個(gè)種植利用范圍較廣的紫花苜蓿品種的田間觀測(cè)數(shù)據(jù)和同期氣象資料,對(duì)APSIM苜蓿模型進(jìn)行產(chǎn)量校準(zhǔn)和驗(yàn)證,評(píng)價(jià)其在晉中盆地地區(qū)模擬紫花苜蓿栽培的適用性;基于情景模擬探究紫花苜蓿在氣溫和降水梯度變化下的產(chǎn)草量及飼草產(chǎn)量的損失狀況,以期為全球氣候變化背景下晉中盆地地區(qū)紫花苜蓿的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供方法和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究點(diǎn)位于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院試驗(yàn)站,地處山西省晉中市太谷縣候城鄉(xiāng)(37°25′ N,112°23′ E),該地區(qū)屬晉中盆地,海拔高度約800 m,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,具體氣候表現(xiàn)是夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,春季時(shí)節(jié)較短并且多大風(fēng),天氣干燥,秋季也較短,但秋高氣爽。研究區(qū)雨熱同期,降水季節(jié)分配極不均勻,降水多集中在7—9月,多年平均降水量為458 mm;晝夜溫差較大,年平均氣溫為9.5℃～10.5℃;主要土壤類型為褐土,土壤pH值約為8.3。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大田試驗(yàn)于2021—2022年于國(guó)家草品種區(qū)域試驗(yàn)站(太谷)開展,試驗(yàn)地土壤分布均勻。試驗(yàn)地6個(gè)處理分別為不同品種,包括‘草原2號(hào)’(MedicagosativaL. ‘Caoyuan No. 2’)、‘肇東’(MedicagosativaL. ‘Zhaodong’)、‘新疆大葉’(MedicagosativaL. ‘Xinjiang Daye’)、‘WL168HQ’‘WL343HQ’及‘WL440HQ’,每個(gè)處理9個(gè)重復(fù),每個(gè)小區(qū)面積為3 m×3 m,共54個(gè)小區(qū),區(qū)組間距和小區(qū)間距均為1 m。各品種均于2021年6月中旬播種,播種深度為3 cm,為有效探索各品種生產(chǎn)性能及形態(tài)差異,基于前人研究將行距設(shè)置為50 cm[15],播種密度為21.33 萬株·hm-2。

試驗(yàn)期間觀察記錄各品種的關(guān)鍵生育期,在紫花苜?；ㄆ谶M(jìn)行隨機(jī)刈割取樣,各樣品取樣面積為0.25 m2,取樣時(shí)3次重復(fù),植物樣品置于105℃下殺青30 min,65℃烘干48 h至恒重,測(cè)定干物質(zhì)生物量;取樣同時(shí)采用烘干法分層測(cè)定0～200 cm(分為0～10 cm,10～30 cm,30～60 cm,60～90 cm,90～120 cm,120～150 cm及150～200 cm)內(nèi)土壤含水量。

1.3 APSIM模型

本研究基于APSIM 7.10進(jìn)行,主要核心模塊包括:氣象模塊、土壤模塊、作物模塊和管理模塊。田間試驗(yàn)期間的氣象數(shù)據(jù)取自小型自動(dòng)記錄氣象站,歷史氣象數(shù)據(jù)(1980—2020)取自中國(guó)氣象局科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site/index.html),包括逐日最高氣溫(℃)、逐日最低氣溫(℃)、逐日降水量(mm)、逐日日照時(shí)間(h)和逐日太陽輻射量(MJ·m-2)等,其中逐日太陽輻射量需根據(jù)日照時(shí)數(shù)由埃斯屈朗方程[16]計(jì)算。土壤數(shù)據(jù)包括分層土壤容重(Bulk density,BD)、飽和含水量(Saturated water content,SAT)、萎蔫系數(shù)(Wilting coefficient,LL15)、風(fēng)干系數(shù)(Air-drying coefficient,AD)、田間最大持水量(Drainage upper limit,DUL)和土壤pH值等,由田間測(cè)定計(jì)算所得(表1)。作物管理數(shù)據(jù)主要包括紫花苜蓿品種、播種密度、播種深度、播種時(shí)間、行距、灌溉和收獲等,均來自實(shí)測(cè)大田數(shù)據(jù)。

表1 主要土壤參數(shù)Table 1 Main soil parameters

1.4 模型調(diào)參和驗(yàn)證

本研究基于田間觀測(cè)數(shù)據(jù),采用“試錯(cuò)法”校正APSIM-lucerne中6個(gè)紫花苜蓿品種的生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行驗(yàn)證,調(diào)試的作物參數(shù)包括各生育階段的積溫、輻射利用效率、冷害最高氣溫及秋眠級(jí)(表2),后進(jìn)行田間生產(chǎn)模擬,管理措施與田間試驗(yàn)一致。

表2 各紫花苜蓿的品種參數(shù)Table 2 Cultivar parameters of alfalfa

以模擬、實(shí)測(cè)的紫花苜蓿產(chǎn)草量計(jì)算統(tǒng)計(jì)指標(biāo)來評(píng)價(jià)模型模擬結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性,包括決定系數(shù)(Correlation coefficient,R2)、均方根誤差(Root mean square error,RMSE)、歸一化均方根誤差(Normalized root mean square error,NRMSE)和一致性指數(shù)(Index of agreement,D)[17]。各指標(biāo)計(jì)算方法如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

1.5 基于APSIM模型的情景模擬

1.5.1氣候情景 為分析氣溫和降水對(duì)紫花苜蓿生產(chǎn)可能造成的影響,本研究將在APSIM模型本土化驗(yàn)證效果良好的前提下進(jìn)行長(zhǎng)期氣候情景模擬,以篩選研究區(qū)產(chǎn)量高、適應(yīng)性好的紫花苜蓿品種。

情景模擬以1980—2020年的歷史氣候數(shù)據(jù)為原始情景,參考IPCC氣候變化報(bào)告[18],針對(duì)關(guān)鍵氣候因素(氣溫、降水)指定變化范圍以設(shè)置氣候波動(dòng)情景,即降水變化按10%為步長(zhǎng)設(shè)立5個(gè)降水梯度,氣溫變化按1℃為步長(zhǎng),利用APSIM模型的氣候情景模塊設(shè)立3個(gè)氣溫梯度,建立新的氣候情景進(jìn)行紫花苜蓿的生產(chǎn)模擬。各降水梯度分別為降水量降低20%(P1)、降低10%(P2)、不變(P3)、升高10%(P4)與升高20%(P5);各溫度梯度分別為不變(T1)、升高1℃(T2)、升高2℃(T3),具體情景設(shè)置如表3。通過APSIM模型對(duì)氣象模塊中逐日氣溫和逐日降水的值進(jìn)行梯度變化修改形成氣溫和降水處理,并進(jìn)行相關(guān)情景模擬,3個(gè)氣溫梯度×5個(gè)降水梯度=15個(gè)氣候變化情景。各情景模擬中于播前施氮肥320 kg·hm-2,并在次年3月20日施氮肥150 kg·hm-2,以模擬無氮限制條件。

表3 降水與氣溫變化的氣候情景設(shè)置Table 3 Setting of climate scenario on precipitation and temperature changes

1.5.2水分處理 研究區(qū)歷史情景(1980—2020)的年均降水量為414.7 mm,降水量范圍在187.0～613.8 mm之間。根據(jù)當(dāng)?shù)亟邓c灌溉條件考慮,設(shè)置4個(gè)水分處理進(jìn)行紫花苜蓿生產(chǎn)的情景模擬,以進(jìn)一步探究在研究區(qū)不同水分供給條件下,紫花苜蓿的生產(chǎn)狀況,具體如下:

(1)NL,無限制灌溉。當(dāng)土壤含水量低于田間持水量DUL的80%時(shí),自動(dòng)灌溉使土壤含水量達(dá)到DUL水平。目的為預(yù)測(cè)紫花苜蓿可達(dá)到的最大產(chǎn)量,即潛在水分產(chǎn)量。

(2)RF,完全雨養(yǎng)。生產(chǎn)過程中不施以灌溉,完全雨養(yǎng)生產(chǎn)。

(3)NI,一般灌溉。參照田間試驗(yàn)灌溉與實(shí)際生產(chǎn)灌溉量。

(4)HI,50%灌溉。一般灌溉處理的50%灌溉量。

1.5.3計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析 由各情景模擬結(jié)果中提取紫花苜蓿的逐年產(chǎn)草量數(shù)據(jù)。主要關(guān)注氣候因素對(duì)作物產(chǎn)量影響,并計(jì)算RF,NI,HI處理各生長(zhǎng)季相對(duì)于NL處理的產(chǎn)草量損失率(Yield lose rate,YLR)由公式(5)計(jì)算:

(5)

式(5)中,YLR為生長(zhǎng)季的飼草產(chǎn)量損失率,Y為當(dāng)前生長(zhǎng)季飼草產(chǎn)量(RF,NI或HI處理),YNL為同情景同生長(zhǎng)季NL處理所取得的飼草產(chǎn)量。

采用Microsoft Excel及Origin2021對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、處理、制圖。使用SPSS24.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)不同情景、不同處理間的模擬輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行方差顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫花苜蓿產(chǎn)草量的驗(yàn)證

對(duì)各品種紫花苜蓿產(chǎn)草量的實(shí)測(cè)值與模擬值比較,R2在0.82～0.98之間,RMSE為440～633 kg·hm-2,NRMSE為10.57%～14.98%,D指數(shù)為0.90～0.96(表4)。由圖1所示,各數(shù)據(jù)點(diǎn)基本落在1∶1等線附近,且模擬值與實(shí)測(cè)值間有顯著的線性關(guān)系(P<0.05)。以上結(jié)果表明APSIM模型對(duì)山西晉中盆地地區(qū)紫花苜蓿的產(chǎn)草量模擬效果較好,適用于長(zhǎng)期情景模擬評(píng)估。

圖1 紫花苜蓿干草產(chǎn)量模擬值與實(shí)測(cè)值的線性擬合Fig.1 Linear fitting of the simulated to measured values of hay yield of alfalfa varieties注:a為‘草原2號(hào)’;b為‘肇東’;c為‘新疆大葉’;d為‘WL168’;e為‘WL343’;f為‘WL440’。下同Note:Panel a is ‘Caoyuan No.2’;Panel b ‘ Zhaodong’;Panel c is ‘Xinjiang Daye’;Panel d is ‘WL168’;Panel e is ‘WL343’;Panel f ‘WL440’. The same as below

表4 紫花苜蓿各茬干草產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬值之間的驗(yàn)證指標(biāo)Table 4 Validation indexes between measured and simulated alfalfa hay yields for each mowing

2.2 基于APSIM的情景模擬

2.2.1各水分處理與氣候情景下紫花苜蓿的干草產(chǎn)量 總體方差分析表明,水分處理和降水梯度對(duì)紫花苜蓿產(chǎn)草量的效應(yīng)極顯著(P<0.01),但不同氣溫梯度間紫花苜蓿產(chǎn)草量的差異不顯著。對(duì)比水分處理可知,NL下各品種取得的平均產(chǎn)草量顯著高于其他處理(P<0.05;圖2～圖5),6個(gè)品種的平均產(chǎn)量達(dá)23 314～39 248 kg·hm-2;NI與HI次之,平均產(chǎn)量為7 885～13 090 kg·hm-2和5 316～10 354 kg·hm-2;RF下平均產(chǎn)量?jī)H為3 427～8 617 kg·hm-2,顯著低于其他處理(P<0.05;圖2～圖5)。

圖2 NL水分處理下溫度和降水情景下各品種模擬年際產(chǎn)草量Fig.2 Simulated hay yield of each cultivar under the scenarios of temperature and precipitation changes with non-limited (NL) additional water supply注:T1-3代表氣溫不變、1℃,2℃;P1-5代表降水量-20%,-10%、不變、+10%,+20%。下同Note:T1-3 represents historical temperature,warming 1℃,warming 2℃ to the mean historical;P1-5 represents precipitation of -20%,-10%,historical,+10%,+20% to the mean historical,respectively. The same as below

圖4 NI水分處理下溫度和降水情景下各品種模擬年際產(chǎn)草量Fig.4 Simulated hay yield of each cultivar under the scenarios of temperature and precipitation changes with normal irrigation (NI)

圖5 HI水分處理下溫度和降水情景下各品種模擬年際產(chǎn)草量Fig.5 Simulated hay yield of each cultivar under the scenarios of temperature and precipitation changes with half of normal irrigation (HI)

總體來說,NL下進(jìn)口品種的產(chǎn)草量較國(guó)產(chǎn)品種更高,各氣候情景間不顯著(圖2)。NL下‘草原2號(hào)’在各氣候情景間平均產(chǎn)量的波動(dòng)較小,為23 314～23 643 kg·hm-2;‘肇東’的產(chǎn)量隨著氣溫的升高而波動(dòng)范圍變大,T3達(dá)到32 654～33 593 kg·hm-2?！陆笕~’‘WL168HQ’和‘WL343HQ’產(chǎn)草量的波動(dòng)范圍隨氣溫的上升而逐漸縮小,平均產(chǎn)量分別為35 657～36 489 kg·hm-2,38 550～39 248 kg·hm-2和36 015～36 985 kg·hm-2;‘WL440HQ’產(chǎn)草量隨著氣溫的上升而波動(dòng)范圍變小,T1情景達(dá)到34 593～35 042 kg·hm-2。

RF下‘草原2號(hào)’與‘WL168HQ’產(chǎn)草量最低(3 427～7 155 kg·hm-2)和最高(3 997～8 617 kg·hm-2,圖3)。在NI和HI下,‘草原2號(hào)’的產(chǎn)草量分別為7 885～11 112 kg·hm-2和5 316～9 012 kg·hm-2,‘WL168HQ’產(chǎn)草量最高,為8 792～13 090 kg·hm-2和6 013～10 354 kg·hm-2。RF,NI和HI下,降水與氣溫梯度對(duì)產(chǎn)草量的效應(yīng)分別為極顯著(P<0.01)與不顯著。

2.2.2情景模擬中各紫花苜蓿品種的YLR 紫花苜蓿的YLR值隨降水梯度的變化而變化,降水量增加,YLR隨之減小(P<0.01),且YLR值于各溫度梯度間的差異顯著(P<0.01),但該差異隨梯度趨緩。NI,HI與RF處理間存在顯著差異(P<0.01),其中RF下的YLR最高,達(dá)0.76～0.88;HI與NI的YLR分別為0.70～0.83和0.63～0.75(表5)。

表5 氣溫和降水梯度下HI,NI,RF中各品種的YLRTable 5 YLR of each cultivar in HI,NI and RF under temperature and precipitation gradient

‘肇東’‘新疆大葉’‘WL168HQ’‘WL343HQ’‘WL440HQ’品種之間YLR的變化較小,HI,NI和RF下分別為0.70～0.85,0.62～0.78和0.75～0.90。而‘草原2號(hào)’的YLR值顯著低于其他(P<0.01),HI,NI和RF下僅為0.61～0.77,0.52～0.66和0.69～0.85。

3 討論

3.1 田間產(chǎn)草量的模擬驗(yàn)證

本研究據(jù)結(jié)果顯示,校準(zhǔn)后的APSIM-lucerne模擬研究區(qū)紫花苜蓿干草產(chǎn)量的模擬與實(shí)測(cè)產(chǎn)草量的NRMSE均低于15%。奧?，|等[19]、古麗娜扎爾等[12]的研究顯示,APSIM模型模擬半干旱、半濕潤(rùn)地區(qū)的紫花苜蓿產(chǎn)草量的精準(zhǔn)度較高,能適應(yīng)各地區(qū)的環(huán)境與生產(chǎn)條件,NRMSE均小于30%。相比于寧夏黃土高原和西南地區(qū)的分析結(jié)果,本研究的結(jié)果表明APSIM模型在晉中盆地地區(qū)也具有較好的適應(yīng)性[20]。

本研究結(jié)果也顯示,APSIM模型模擬‘肇東’和‘WL440HQ’的產(chǎn)草量,其精度相較其他品種略低。原因在于該模型的參數(shù)眾多,而本研究田間實(shí)測(cè)觀測(cè)資料周期較短,對(duì)品種參數(shù)的調(diào)整和確定存在一定影響。其次,作物生長(zhǎng)模型的假設(shè)條件與紫花苜蓿的實(shí)際生長(zhǎng)環(huán)境狀況存在一定差別,如對(duì)作物病蟲害以對(duì)極端天氣的影響考慮不足,模型模擬值為不考慮突發(fā)災(zāi)害的理想值,因此導(dǎo)致模擬值與實(shí)測(cè)值存在一定差別[21]。后續(xù)研究將從田間試驗(yàn)時(shí)間、降低觀測(cè)資料的不確定性等入手,提高模型精確性。

3.2 情景模擬下各處理的產(chǎn)草量變化

本研究結(jié)果表明,在不同氣溫和降水梯度的情景模擬中,降水梯度升高時(shí)紫花苜蓿產(chǎn)草量也隨之增加[22]。Bowman等[23]的研究表明,紫花苜蓿具有一定的抗旱能力,低于300 mm的年降水量才會(huì)導(dǎo)致旱地生產(chǎn)潛力的降低,而一定范圍內(nèi)降水量的增加可提高其產(chǎn)量。結(jié)果顯示,降水對(duì)紫花苜蓿產(chǎn)草量的影響要遠(yuǎn)大于氣溫,降水提高時(shí)傾向于顯著提高作物產(chǎn)量[22]。同時(shí)隨著溫度升高,紫花苜蓿的生育期縮短、花期提前,每茬可收獲的營(yíng)養(yǎng)體減少,導(dǎo)致產(chǎn)量降低[24];但對(duì)于多年生的越冬作物來說,溫度升高會(huì)降低其在越冬或遭受倒春寒時(shí)發(fā)生凍害、冷害的幾率,成活率提高,使最終產(chǎn)量提高。所以盡管花期可能提前,但由于遭受凍害或冷害的幾率變小,溫度對(duì)產(chǎn)量的正負(fù)效應(yīng)在一定程度上互相抵消,使得一定范圍內(nèi)的平均氣溫變化對(duì)紫花苜蓿產(chǎn)草量沒有顯著效應(yīng)。

山西晉中盆地地區(qū)的紫花苜蓿產(chǎn)量于各水分處理下具有一定差異。對(duì)于無限制灌溉的NL來說,不同降水量和溫度梯度對(duì)其產(chǎn)草量的影響不顯著。由于NL處理有充足的水分供應(yīng),紫花苜蓿可達(dá)到潛在水分產(chǎn)量,所以產(chǎn)量不會(huì)受到降水梯度的顯著影響。而對(duì)于具有水分限制的其它處理,在相同氣溫梯度下,降水量增加利于土壤貯水和紫花苜蓿產(chǎn)量的提高,產(chǎn)生極顯著的產(chǎn)量效益(P<0.01),無灌溉條件處理下的苜蓿產(chǎn)量明顯低于灌溉條件下的產(chǎn)量(P<0.01),與Guitjens[25]的研究結(jié)果一致。但另有研究表明[26],當(dāng)降水量超過一定閾值會(huì)造成土壤含水量過多和土壤供氧不足,作物根系有氧呼吸受阻,無氧呼吸增強(qiáng),植物生長(zhǎng)受到抑制導(dǎo)致產(chǎn)量下降。APSIM7.10的現(xiàn)有機(jī)制中未能很好的體現(xiàn)出紫花苜蓿根系受澇的響應(yīng)[27],因此在實(shí)際生產(chǎn)中,降水過多的年份需適當(dāng)控制灌溉量,同時(shí)也從另一角度說明水分條件仍是限制該地區(qū)紫花苜蓿產(chǎn)草量的主要因素,正常灌溉與降水條件未能完全發(fā)揮這些品種的產(chǎn)草量潛力。進(jìn)一步探究該地區(qū)紫花苜蓿生產(chǎn)的水分利用特征,可明確在防止?jié)澈Φ那疤嵯?發(fā)揮潛在生產(chǎn)力和保持高水分生產(chǎn)力的額外灌溉。

3.3 紫花苜蓿生產(chǎn)的品種差異

飼草產(chǎn)量不僅是衡量苜蓿生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo),也是評(píng)價(jià)苜蓿生長(zhǎng)適應(yīng)性的重要依據(jù),可直接反映品種的生產(chǎn)性能及適應(yīng)性差異[28]。本研究中,6個(gè)紫花苜蓿品種在晉中盆地地區(qū)的產(chǎn)草量存在顯著差異,也說明牧草的生態(tài)適應(yīng)性具有品種區(qū)別[29]?！甒L168HQ’的產(chǎn)草量最高,其次為‘WL343HQ’和‘WL440HQ’,可見美國(guó)“WL”系列品種的紫花苜蓿的產(chǎn)草量?jī)?yōu)于其他品種,在研究區(qū)具有更強(qiáng)的生產(chǎn)潛力、適應(yīng)力以及較好的生產(chǎn)持續(xù)性。這可能與苜蓿品種的秋眠型相關(guān):“WL”系列品種的秋眠級(jí)為2～4,而‘草原2號(hào)’和‘肇東’的秋眠級(jí)為1。較低秋眠級(jí)的品種遭受凍害/冷害的幾率也較低,雖可規(guī)避冷害風(fēng)險(xiǎn),但其在夏秋的輻射利用效率較低,故產(chǎn)草量較低[30]。高婷等[31]的研究認(rèn)為,不同秋眠級(jí)的苜蓿品種在同一生態(tài)區(qū)的干草產(chǎn)量存在明顯差異。由于各品種紫花苜蓿的積溫和輻射利用效率參數(shù)設(shè)定均有不同[32],秋眠級(jí)越低的品種所需的積溫參數(shù)、發(fā)芽需要的氣溫更高[33],如‘草原2號(hào)’的出苗期所需積溫明顯高于其他品種。而不同品種的輻射利用效率則直接影響了產(chǎn)草量的形成[34],較高的輻射利用效率代表著高光合速率與高干物質(zhì)積累速率[35]?？梢?紫花苜蓿生產(chǎn)需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂?、土壤等環(huán)境條件選擇適宜地區(qū)條件的秋眠型品種[29],以達(dá)到高產(chǎn)量、高持續(xù)力的需求。

‘WL168HQ’品種在RF下的YLR值最高,其次為‘WL343HQ’和‘WL440HQ’,這表明“WL”系列品種具有高生產(chǎn)潛力(NL處理)的同時(shí)也由于水分供給有限而有較高的產(chǎn)量損失率,但實(shí)際產(chǎn)量仍較國(guó)產(chǎn)品種更高。在研究區(qū)的生產(chǎn)條件下,灌溉和降水條件未能充分發(fā)揮“WL”系列品種的生產(chǎn)潛力;而在無灌溉情形下,各品種的損失率可達(dá)80%以上,可見如何有效、及時(shí)地補(bǔ)充利用灌溉,彌補(bǔ)階段性降雨不足,仍是晉中盆地紫花苜蓿生產(chǎn)的重要實(shí)際問題[36-37]。另外,一定程度的氣溫升高雖然縮短了紫花苜蓿的生育期,物候提前,但過高的氣溫會(huì)抑制光合作用,不利于干物質(zhì)積累[38],支持了本研究中氣溫梯度的升高導(dǎo)致各品種YLR增加的結(jié)果,符合模型機(jī)制?？傮w來說,“WL”系列品種不論是地區(qū)適應(yīng)性(秋眠型)還是實(shí)際產(chǎn)量,都在一定程度優(yōu)于其余3個(gè)品種。后續(xù)研究需進(jìn)一步通過田間試驗(yàn)矯正模型并優(yōu)化機(jī)制,以便進(jìn)行更加全面、長(zhǎng)期的品種評(píng)價(jià),為該地區(qū)因地制宜的品種選擇、精準(zhǔn)水肥管理及收獲加工提供參考[39]。

3.4 不確定性

本研究所使用的APSIM模型機(jī)制較為復(fù)雜,且在人工取樣、判斷等環(huán)節(jié)上不可避免的產(chǎn)生實(shí)測(cè)生育期、產(chǎn)量誤差等,均在一定程度上會(huì)影響作物和土壤參數(shù)的調(diào)試與驗(yàn)證,產(chǎn)生校準(zhǔn)與驗(yàn)證偏差,以上因素對(duì)情景模擬的評(píng)估結(jié)果可能會(huì)造成一定的不確定性[10]。另外,本研究的氣候變化情景設(shè)置基于氣候要素的整體變化,并參考了前人研究[22]及IPCC氣候變化報(bào)告,以保證科學(xué)性與合理性:至21世紀(jì)末,當(dāng)?shù)貥O端氣溫變化2℃,極端降水變化為20%～30%[18]。且雖然農(nóng)業(yè)氣象要素觀測(cè)精度有限,數(shù)據(jù)的平均變化也可能由于年際差異變化大而導(dǎo)致誤差[40],但本研究基于較為長(zhǎng)期的資料,可在一定程度降低評(píng)估結(jié)果的不確定性。

總體來說,雖然模型框架、校準(zhǔn)驗(yàn)證和情景設(shè)置方面對(duì)本研究結(jié)果造成了一定的不確定性,但模型對(duì)各紫花苜蓿品種的生產(chǎn)模擬具有較高的模擬精度,情景分析結(jié)果仍對(duì)未來紫花苜蓿的生產(chǎn)力水平和水分利用效率評(píng)估具有重要的參考意義。

4 結(jié)論

本研究基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型,分析了山西晉中盆地地區(qū)6個(gè)紫花苜蓿品種于不同氣候情景和4個(gè)水分處理下的產(chǎn)量與產(chǎn)量損失率的變化及其對(duì)各因素的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果顯示:農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型紫花苜蓿模型在研究區(qū)有較好的適應(yīng)性,模擬精度高;情景模擬中,水分處理和降水梯度對(duì)產(chǎn)草量的影響顯著(P<0.01),而氣溫梯度的效應(yīng)不顯著;無限制灌溉處理的產(chǎn)量顯著高于其他處理(P<0.05),且高低排列為無限制灌溉>一般灌溉>50%灌溉>完全雨養(yǎng);降水與溫度梯度與產(chǎn)量損失率有顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.05),且完全雨養(yǎng)下產(chǎn)量損失率值最高。“WL”系列品種的產(chǎn)草量在各處理下都優(yōu)于選用的其他品種,生產(chǎn)性能相對(duì)更好,適宜在該地區(qū)推廣種植。