基于DSSAT模型的河南省小麦生产潜力定量模拟与分析

李国强，陈丹丹，张建涛，冯 晓，任德超，郑国清

(1.河南省农业科学院农业经济与信息研究所，河南郑州 450002； 2.商丘市农林科学院，河南商丘 476000)



基于DSSAT模型的河南省小麦生产潜力定量模拟与分析

李国强1，陈丹丹1，张建涛1，冯 晓1，任德超2，郑国清1

(1.河南省农业科学院农业经济与信息研究所，河南郑州 450002； 2.商丘市农林科学院，河南商丘 476000)

摘要：为定量评估气候变化背景下河南省小麦生产潜力和增产空间的变化特征，应用DSSAT模型估算了河南省15个生态点连续50年(1963-2012年)的冬小麦光温生产潜力和气候生产潜力，并分析了生产潜力的分布规律。结果表明，河南省小麦光温生产潜力为8 350～9 996 kg·hm-2，总体呈现北高南低、东高西低的趋势，而气候生产潜力为2 590～7 943 kg·hm-2，总体呈现南高北低的趋势。河南大部分麦区光温生产潜力变化范围为9 173～9 446 kg·hm-2，约占全省小麦总面积的43.5%。光温生产潜力高于9 447 kg·hm-2的地区主要分布在豫北麦区(安阳、新乡西北部)及豫中麦区(许昌、西华)，约占全省小麦总面积的33.6%。河南省大部分麦区气候生产潜力变化范围为4 375～7 050 kg·hm-2，约占全省小麦总面积的59.5%。河南省15个地点的水分满足率为28%～91%，大部分地区水分满足率不到60%；河南小麦灌溉增产潜力变化范围为723～6 573 kg·hm-2，其中三门峡、郑州、开封、商丘等地以北地区的灌溉增产潜力在4 623 kg·hm-2以上，约占全省小麦总面积的49.4%，而驻马店以南及信阳地区的灌溉增产潜力低于2 673 kg·hm-2，约占全省小麦总面积的17.5%。

关键词：小麦；DSSAT；生产潜力；时空分布

河南省是我国小麦主产区，常年播种面积在530万hm2以上，约占全国小麦面积的1/6，总产量突破3 000万t。河南也是我国小麦商品粮生产基地，每年输出原粮和制成品150亿kg[1]。因此，研究河南省小麦生产潜力、高产区域分布及增产潜力，对优化河南省小麦种植布局、促进河南小麦的可持续发展、提高河南省小麦生产水平、确保国家粮食安全、增加农民收入具有重要的战略意义。长期以来，许多学者从全国或者局部区域尺度，对区域整体或者个别作物类型的生产潜力进行了分析。涉及到的分析方法主要有逐级递减机制法、农业生态区划法和作物模型法。其中，逐级递减机制法模型又叫潜力衰减法、环境因子逐段订正模型，即通过对光合生产潜力→光温生产潜力→气候生产潜力→土地生产潜力几个阶段的逐步订正来计算。该模型简单易行，适合大范围区域，计算结果更接近于实际。马新明等[2]、余强毅等[3]和韩伟锋等[4]采用机制法研究了河南省小麦光合、光温、气候、土地等自然生产潜力。在逐级递减的计算过程中，不同学者对各阶段的修正不尽相同。农业生态区划法(agro-ecological zoning，AEZ)模型是目前世界上应用范围最广的一个农业生产潜力评估模型，属机制法范畴。AEZ是在传统机制法的基础上，通过逐级对影响作物产量形成的光、温、水、土等因素进行修正[5]，估算作物生产潜力的方法。该方法由于对标准化作物生长模型进行了环境要素的修正和匹配，因此适合于进行区域、国家和全球尺度上的作物生产力评估[6]；该方法思路严谨，其结果能够较好地反映地区作物生产潜力的多年平均状况。王学强等[7]采用AEZ模型对河南省小麦的光温生产潜力、气候生产潜力进行了估算。作物模型法是应用作物生长模型估算作物的光温和气候生产潜力。作物模型以作物生理生态原理为基础[8-9]，定量描述“作物-土壤-气候”系统中光、温、水存在状况(包括极端状态)对作物生长发育的影响[10]。利用多年逐日气象资料，作物模型可覆盖各种类型的气候年型，取得不同气候年型下的作物产量潜力。李 军等[11]、居 煇等[12]和姜志伟等[13]利用DSSAT模型分别模拟了黄土高原地区、北方旱区和洛阳市小麦的光温和气候生产潜力。在机制法应用过程中，基于研究角度、公式参数取值的不同，光合生产潜力、作物光温生产潜力、作物温水生产潜力等作物生产潜力估算公式间的估值差异过大[14]。此外，公式概算法通常多考虑光、温、水等环境因素，较少涉及作物生长发育机理，忽略了产量潜力形成的主体作物本身[11]。为此，本研究首先验证DSSAT模型在河南省的适用性，然后模拟河南省15个生态点连续50年(1963-2012)的光温和气候生产潜力，分析不同地区冬小麦增产潜力及限制因素，以期为河南省合理利用自然资源、充分挖掘冬小麦生产能力、指导农业生产提供参考。

1材料与方法

1.1研究站点及基础数据

1.1.1气象数据

本研究气象数据来自中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.nmic.cn/home.do)提供的河南省1963-2012年连续50年间逐日气象数据，包括逐日降雨量、日最高气温和日最低气温、日照时数、太阳辐射量等。模型运行所需的最小数据集包括SRAD(逐日太阳辐射量)、TMAX(逐日最高气温)、TMIN(逐日最低气温)以及RAIN(逐日降水量)。后三者可经过简单处理直接使用，逐日太阳辐射量根据国际上公认的Angstron(埃斯屈朗)经验公式计算：

式中，Q为太阳总辐射(MJ·m-2)；Q0为天文辐射，即晴天太阳辐射量(MJ·m-2)；a、b为经验系数，与大气质量状况有关，河南省属温带地区，根据FAO推荐，取a=0.25，b=0.50；n为逐日太阳日照时数(h)；N为逐日可照时数，即最大时长(h)。I0为太阳常数，I0=1.367W·m-2； ω为地球自转速率，7.292×10-5弧度·s-1； ωs=ω t0为日出时角，其中t0为日出至正午或正午至日没的时间； δ为太阳赤纬； φ为地理纬度；p为日地平均距离。

1.1.2土壤数据

CERES-Wheat模型所需输入的土壤信息包括土壤类型和土壤剖面特征，即土壤名称、颜色、农田坡度、矿化度，各层土壤质地(黏粒、粉粒、砂粒百分比)、土壤容重、田间持水量、凋萎系数、饱和含水量、有机碳含量、全氮含量、pH值等。部分物理特性参数(土壤容重、全氮含量、pH值)参考中国土壤数据库网站中国土种数据库(新)，其他参数取自1∶100万中国土壤属性数据库及《中国土种志》[15]，其中有机碳通过有机质乘以0.58换算系数得到[16]。

1.1.3田间试验数据

以豫麦34为研究对象，收集整理郑州、商丘、驻马店、中牟4个地点的6个田间试验数据(表1)。

表1　田间试验数据来源

1.2冬小麦品种参数调试与模型检验

利用DSSAT中的GLUE参数估计模块，并结合“试错法”，对豫麦34小麦遗传参数进行率定，以试验1的数据为依据进行参数调试。

以试验2、试验3、试验4、试验5和试验6数据对模型参数进行验证。首先通过模型模拟结果和实测值的图形直观比较，对模型进行定性的总体评价。其后采用均方根误差(RMSE)和归一化均方根差(normalized root mean square error，NRMSE)来度量模拟值与实测值的相对差异程度。

1.3不同生态点冬小麦生产潜力模拟

根据河南省地理位置及生态气候类型的不同，在全省N31°23′至N36°22′之间选择15个代表性的县(市)作为试验点。不同地点播期数据(表2)来源于河南省气候中心1981-2010年冬小麦播种期的平均值[23]。应用DSSAT模型估算河南省15个地点的冬小麦光温生产潜力和光温水生产潜力，然后计算水分满足率和灌溉增产潜力。水分满足率表示雨养条件下降水满足作物需水的程度，即气候生产潜力CPP与光温生产潜力LTPP的比值。灌溉增产潜力表示通过灌溉措施可获得的增产潜力，即光温生产潜力与气候生产潜力的差值。

表2　河南省不同生态站点冬小麦播种日期

2结果与分析

2.1模型参数调试及模型验证

调试后品种参数见表3。豫麦34验证试验的产量、每平方米粒数和千粒重的RMSE分别为595.8 kg·hm-2、2 162粒和2.8 g，NRMSE分别为7.5%、11.8%和6.3%，表明产量模拟结果和实测值的一致性较好，品种参数能够较准确地反映作物品种的主要遗传特征，可用于作物生产潜力模拟研究。

表3　小麦品种豫麦34调试后的遗传参数值

P1V：春化敏感系数 Vernalization sensitivity coefficient；P1D：光周期敏感系数 Photoperiod sensitivity coefficient；P5：灌浆期特性系数 Thermal time from the onset of linear fill to maturity；G1：籽粒数特性系数Kernel number per unit canopy weight at anthesis；G2：标准籽粒重系数 Standard kernel weight under optimum conditions；G3：成熟期单株茎穗重系数Standard,non-stressed dry weight (total，including grain) of a single tiller at maturity；PHINT：出叶间隔特性参数Thermal time between the appearance of leaf tips

图1　豫麦34验证试验产量模拟结果

2.2河南省冬小麦生产潜力时间变化特征

河南省的光温生产潜力相对稳定(图2)，为7 561～11 011 kg·hm-2，均值为9 285.5 kg·hm-2，标准偏差为759.8 kg·hm-2，变异系数为0.082。由5年滑动平均分析可知，在1969年、1983年和2002年有较明显波谷，于1979年、1996年和2008年有较明显的波峰。

图中数据为15个站点光温生产潜力的平均值

Data in figure were mean of light-temperature potential from 15 sites

图2河南省冬小麦1963-2012年光温生产潜力的变化

Fig.2Variation of light-temperature potential (LTPP) of

winter wheat in Henan province from 1963 to 2012

河南省的气候生产潜力波动较大(图3)，为3 262～7 832 kg·hm-2，均值为5 268.7 kg·hm-2，标准偏差为1 074.1 kg·hm-2，变异系数为0.204。从5年滑动平均曲线来看，在1975年和1983年有较明显的波谷，而于1988年有较明显的波峰。

2.3河南省冬小麦生产潜力分析及空间分布

2.3.1光温生产潜力

由表4可知，15个地点在1963-2012年间光温生产潜力最小值变化范围为6 283～7 980 kg·hm-2，而最大值变化范围为9 824～12 218 kg·hm-2，50年平均值为8 350～9 996 kg·hm-2。光温生产潜力平均值较高的5个地点：许昌(9 996 kg·hm-2)>西华(9 790 kg·hm-2)>新乡(9 748 kg·hm-2)>驻马店(9 688 kg·hm-2)>安阳(9 639 kg·hm-2)；而平均值较低的5个地点：开封(8 989 kg·hm-2)>南阳(8 974 kg·hm-2)>信阳(8 737 kg·hm-2)>卢氏(8 433 kg·hm-2)>固始(8 350 kg·hm-2)。其标准差变化范围为738～1 067.1 kg·hm-2，其中标准差较高的5个地点：安阳(1 067.1 kg·hm-2)>商丘(999.6 kg·hm-2)>新乡(926.3 kg·hm-2)>西华(928.5 kg·hm-2)>许昌(915.3 kg·hm-2)；而标准差较低的5个地点为：南阳(853.0 kg·hm-2)>开封(847.6 kg·hm-2)>卢氏(845.0 kg·hm-2)>固始(834.6 kg·hm-2)>西峡(738 kg·hm-2)。

图中数据为15个站点气候生产潜力的均值

Data in figure were mean of climate potential productivity (CPP) from 15 sites

图3河南省冬小麦1963-2012年气候生产潜力变化

Fig.3Variation of climatic potential productivity(CPP) of

winter wheat in Henan province from 1963 to 2012

河南省光温生产潜力总体呈现北高南低、东高西低的趋势(图4)。高于9 447 kg·hm-2的地区主要分布在安阳、新乡西北部以及许昌、西华一带，其面积约占全省小麦总面积的33.6%；低于9 172 kg·hm-2的地区主要分布在河南省南部和西部，其面积约占全省小麦总面积的22.9%。河南省光温生产潜力主要位于9 173～9 446 kg·hm-2，该范围的地区面积占全省小麦总面积的43.5%。

表4　河南省15个地点冬小麦光温生产潜力(LTPP)与气候生产潜力(CPP)的模拟结果统计

图4　河南省冬小麦光温生产潜力分布

图5　河南省冬小麦气候生产潜力分布

图6　河南省冬小麦灌溉增产潜力分布图

2.3.2气候生产潜力

15个地点在1963-2012年间气候生产潜力最小值变化范围为1 149～5 171 kg·hm-2，而最大值变化范围为6 261～11 160 kg·hm-2，50年平均值为2 590～7 943 kg·hm-2。气候生产潜力平均值较高的5个地点：信阳(7 943 kg·hm-2)>固始(7 627 kg·hm-2)>驻马店(7 492 kg·hm-2)>西峡(6 773 kg·hm-2)>西华(6 565 kg·hm-2)；而平均值较低的5个地点：新乡(4 155 kg·hm-2)>三门峡(3 873 kg·hm-2)>安阳(3 445 kg·hm-2)>开封(3 326 kg·hm-2)>商丘(2 910 kg·hm-2)。标准差的变化范围为213～1 806 kg·hm-2，其中标准差较高的5个地点：驻马店(1 806 kg·hm-2)>许昌(1 758 kg·hm-2)>西峡(1 755 kg·hm-2)>西华(1 607 kg·hm-2)>商丘(1 541 kg·hm-2)；而标准差较低的5个地点为卢氏(1 212 kg·hm-2)>新乡(1 146 kg·hm-2)>信阳(1 144 kg·hm-2)>三门峡(1 000 kg·hm-2)>固始(213 kg·hm-2)。

由图5可知，河南省气候生产潜力的空间分布南北差异较明显，总体呈现南高北低的分布规律。高于7 051 kg·hm-2的主要分布在信阳、固始、驻马店一带，其面积约占全省小麦总面积的12.1%；低于4 374 kg·hm-2的主要分布在安阳及其东北部，约占全省小麦总面积的28.4%；4 375～5 266 kg·hm-2的地区面积占全省小麦总面积的17.9%；5 267～6 158 kg·hm-2的地区面积占全省小麦总面积的25.8%，6 159～7 050 kg·hm-2的地区面积占全省小麦总面积的15.8%。

2.4河南省冬小麦灌溉增产潜力分析

由表5可知，15个地点的水分满足率在28%～91%之间，其中低于50%的有6个地点，分别为安阳、新乡、郑州、开封、商丘和三门峡；而水分满足率高于90%的有2个地点，为信阳和固始。由图6可见，灌溉增产潜力较低的地区位于为河南省南部地区，约占全省小麦总面积的17.5%，由于该地区常年雨量充沛，基本能满足小麦的生长对水分的需求；三门峡、郑州、开封、商丘等地以北地区的灌溉增产潜力在4 623 kg·hm-2以上，其面积约占全省小麦总面积的49.4%。在卢氏、栾川、许昌和西华等地的灌溉增产潜力在2 674～3 648 kg·hm-2，其面积占全省小麦总面积的11.8%，而南阳盆地、驻马店大部分地市的灌溉增产潜力在3 649～4 622 kg·hm-2，其面积占全省小麦总面积的21.3%。

3讨 论

对作物生产潜力进行分析和评价是确定作物区域优势的基础，需要明确的评价指标体系、正确的模型方法和适度的宏观性[24]。利用不同估算方法计算出的光温和气候生产潜力有较大差异。利用农业生态区划法[7]估算的河南省冬小麦光温和气候生产潜力分别为14 135.1～15 519.4 kg·hm-2和7 655.8～14 792.5 kg·hm-2，而利用逐级递减的机制法模型估算的河南省冬小麦光温和气候生产潜力分别为11 501～15 774 kg·hm-2和8 262～15 349 kg·hm-2。利用作物生长模型WOFOST估算[25]的华北地区冬小麦光温和气候生产潜力分别为6 160～13 730 kg·hm-2和1 890～6 680 kg·hm-2。利用DSSAT模型[11]估算的黄土高原光温和气候生产潜力分别为7 970～8 647 kg·hm-2和2 219～7 545 kg·hm-2。姜志伟等[13]利用DSSAT估算的洛阳冬小麦光温和气候生产潜力分别为7 571～10 965 kg·hm-2和3 957～7 450 kg·hm-2。本研究估算范围与李 军等[11]和姜志伟等[13]的研究结果基本一致。在本研究中，利用作物生长模型CERES-Wheat估算的河南省冬小麦光温和气候生产潜力分别为8 350～9 996 kg·hm-2和2 590～7 940 kg·hm-2。可知，作物生长模型CERES-Wheat估算的光温生产潜力和气候生产潜力比农业生态区划法和机制法估算的数值低，与WOFOST模型估算值接近。其原因是由于机制法未考虑作物本身的生长发育机理，只是一种光、热、水资源的生产承载力[11]。

田燕等[26]研究发现，河南省小麦光温生产潜力和气候生产潜力的空间分布具有明显的南北纬度地带渐变性规律，总体来说，北部光温生产潜力高于南部，新乡、濮阳、郑州、商丘、许昌等市的小麦光温生产潜力较高，淮南地区较低，而气候生产潜力值南部高于北部，淮南地区最高。马新明等[27]研究表明，河南省冬小麦光温生产潜力在东北部、中部以及南部较大，西部山区潜力值最小，而气候生产潜力是南部较高，东部、中部的部分县市以及西部较低；本研究中，河南省光温生产潜力总体呈现北高南低、东高西低的趋势，而气候生产潜力总体呈现南高北低的趋势，与田燕等[26]和马新明等[27]的研究结果基本一致。南部光温生产潜力偏低的原因是由于此地带阴雨天气偏多，光照以及温度都不能充分满足小麦生长需求，西部地区生产潜力值偏低的原因是由于该地区多山地，海拔较高，积温条件不能满足所致。

在本研究中，光温生产潜力高于9 447 kg·hm-2地区的主要分布在豫北麦区(安阳、新乡西北部)以及豫中麦区(许昌、西华一带)，约占全省小麦种植面积的33.6%，其中许昌、西华、新乡、驻马店和安阳位于河南前5位。低于9 172 kg·hm-2的地区主要分布在河南省南部(信阳和固始)和西部(卢氏)，约占全省小麦种植面积的22.9%，其中开封、南阳、信阳、卢氏和固始位于河南后5位。河南大部分麦区光温生产潜力位于9 173～9 446 kg·hm-2范围，其面积约占全省小麦种植面积的43.5%；气候生产潜力高于7 051 kg·hm-2的地区主要分布在信阳、固始、驻马店一带，约占总面积的12.1%，其中信阳、固始、驻马店、西峡和西华位于河南前5位。低于4 374 kg·hm-2的地区主要分布在豫北麦区(安阳及其东北部)，约占全省小麦种植面积的28.4%，其中新乡、三门峡、安阳、开封、商丘位于河南后5位。河南省大部分麦区气候生产潜力位于4 375～7 050 kg·hm-2范围，其面积约占全省小麦种植面积的59.5%。

水分满足率为生育期耗水量与需水量之比，用于定量评价作物水分满足状况。河南省15个地点的水分满足率变化范围为28%～91%，其中水分满足率高于90%的仅有信阳和固始，河南大部分地点水分满足率不到60%。从灌溉增产潜力来看，增产潜力较大的地区位于安阳、商丘及其东北部地区以及郑州及其西部等地，灌溉增产潜力在4 623 kg·hm-2以上，其面积约占全省小麦种植面积的49.4%，而增产潜力较低的地区位于为河南南部地区，灌溉增产潜力低于2 673 kg·hm-2，其面积约占全省小麦种植面积的17.5%。马志红等[28]研究发现，河南省冬小麦灌溉需水量等值线基本上呈纬向分布，自南向北逐渐增大。本研究的灌溉增产潜力分布趋势与马志红等的研究结果基本一致。综上所述，生育期水分亏缺是影响河南大部分地点冬小麦生产发展的主要障碍，建立今后以消除或减缓水分限制作用为主攻方向，通过调整种植结构和应用高效节水农业技术，提高水资源利用效率。

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Quantitative Simulation and Analysis of Winter Wheat Production Potential in Henan Province

LI Guoqiang1,CHEN Dandan1,ZHANG Jiantao1,FENG Xiao1,REN Dechao2,ZHENG Guoqing1

(1.Agricultural Economy & Information Research Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou,Henan 450002,China; 2.Shangqiu Research Institute of Agricultural Science,Shangqiu,Henan 476000,China)

Abstract:Henan province is a major production area of winter wheat. To quantitatively evaluate the variation characteristics of wheat production potential and yield-increasing potential in Henan province under climate change,DSSAT model was employed to estimate light-temperature potential productivity (LTPP) and climatic potential productivity (CPP) of wheat based on meteorological data and wheat growth data at 15 sites of Henen province during 1963-2012. The distribution of LTPP and CPP then was analyzed. The result showed that LTPP of wheat was between 8 350 and 9 996 kg·hm-2,the distribution of which was lower in the southern and western regions but higher in the northern and eastern regions. CPP of wheat was between 2 590 and 7 943 kg·hm-2,the distribution of which was lower in the northern regions but higher in the southern regions. LTPP in most regions were 9 173 kg·hm-2to 9 446 kg·hm-2,taking up nearly 43.5% of the Henan wheat-growing areas. Regions with higher than 9 447 kg·hm-2of LTPP were mostly in the north of Henan (e.g. the northwest of Anyang and Xinxiang),and in the center of Henan (e.g. Xuchang and Xihua),which account for 33.6% of Henan wheat-growing areas. CPP in most regions were 4 375 kg·hm-2to 7 050 kg·hm-2,accounting for nearly 59.5% of the Henan wheat-growing areas. Moisture requirement rate of 15 sites were 28% to 91%,which of most regions in Henan were lower than 60%. The yield increasing potential by irrigation (YIPI) were 723 kg·hm-2to 6 573 kg·hm-2. YIPI in the north of Sanmenxia,Zhengzhou,Kaifeng and Shangqiu were higher than 4 623 kg·hm-2,taking up 49.4% of Henan wheat-growing areas. YIPI in Xinyang and the north of Zhumadian were lower than 2 673 kg·hm-2,taking up 17.5% of Henan wheat-growing areas.

Key words:Wheat; DSSAT model; Potential productivity; Spatial-temporal distribution

中图分类号：S512.1；S314

文献标识码：A

文章编号：1009-1041(2016)04-0507-09

通讯作者：郑国清(E-mail:zgqzx@hnagri.org.cn)

基金项目：河南省农科院优秀青年基金项目(2013YQ23)；河南省财政预算项目(豫财贸[2012]39号)；河南省重大科技专项(121100110900)

收稿日期：2015-10-23修回日期：2015-11-29

网络出版时间：2016-04-01

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160401.1534.034.html

第一作者E-mail：gqli@hnagri.org.cn(李国强和陈丹丹为共同第一作者)