基于APSIM的黄土丘陵区旱地小麦气候适宜性评价*

聂志刚，任新庄，李 广，董莉霞，马维伟，唐 洁，刘小娥，罗永忠



基于APSIM的黄土丘陵区旱地小麦气候适宜性评价*

聂志刚1，任新庄2，李 广3**，董莉霞1，马维伟3，唐 洁1，刘小娥3，罗永忠3

（1.甘肃农业大学信息科学技术学院/甘肃农业大学资源与环境学院，兰州 730070；2.甘肃农业大学农学院，兰州 730070； 3.甘肃农业大学林学院，兰州 730070）

为提高旱地小麦气候适宜程度动态分析的能力，利用黄土丘陵典型区域定西1971-2005年逐日气象资料及大田资料，建立小麦日气候适宜度模型，计算各生长阶段（营养生长阶段、营养与生殖生长并进阶段、生殖生长阶段）及全生育期综合气候适宜度，确定气候适宜性综合评价标准。通过本土化APSIM（Agricultural Production System Simulator）平台，模拟小麦逐日生物量，采用动态逼近误差平方和方法，确定气候适宜性诊断分析标准。通过等级百分比比较的方法，检验诊断分析标准，并定量、动态分析2002-2005年旱地小麦各生长阶段及全生育期气候适宜程度。结果表明，基于APSIM的诊断分析标准评价结果与基于综合评价标准的结果相比，气候适宜性等级相同和级差为1的占86%～90%；2002-2005年旱地小麦各生长阶段及全生育期诊断分析结果均为较适宜，与研究区实际情况基本相符。该优化方法为旱地小麦气候适宜性分析的动态跟踪提供了一定技术支持。

APSIM；综合评价；动态诊断；小麦；模拟

地处新丝路经济带甘肃段的定西是典型的黄土丘陵沟壑区域，生态环境属干旱、半干旱过渡带，农作物生长对气候变化的敏感性较高[1]。小麦是该区域重要的粮食作物，其高效、优质、节约和环境友好性生产对经济带建设的推进具有战略性的作用。然而，近20a的气候变暖抑制了黄土丘陵区小麦的稳产与高效，因此，研究旱地小麦生长发育和产量形成对气候变化的适宜程度，对有效的田间管理具有十分重要的意义[2-4]。近年来，国内有关学者因地制宜建立作物气候适宜度模型，并对当地农作物气候适宜程度进行了评价。李秀芬等[5]结合WOFOST开展了东北地区玉米的气候适宜度评价，魏瑞江等[6]建立了河北省冬小麦气候适宜度动态模型并对其气候适宜程度进行了评价，侯英雨等[7]建立了东北地区春玉米气候适宜度模型并开展应用，任玉玉等[8]对农作物气候适宜度模型开展研究，并进行了河南省棉花的气候适宜程度评价工作，代立芹等[9]基于河北省夏玉米气候适宜度模型分析了气候适宜度的变化特征。从农业生态系统的物质转换角度来看，上述气候适宜度模型以温度、降水和光照等气候因素为自变量，以产量为应变量，描述了气候因素与产量之间的稳态性能，但是从能量流动原理考虑，模型对于作物生长发育和产量形成等动态过程的跟踪和估算水平有待进一步提高[5,10]。

随着智能计算和信息技术的快速发展，作物模拟模型作为一种系统分析方法，已成为农业生产定量分析的有效手段之一[4,11]。APSIM（Agricultural Production System Simulator）是由澳大利亚农业生产系统研究组（APSRU）1991年研制的农业生产系统模拟平台，国内外学者利用APSIM在地域的适用性、气候变化对作物的影响效应、水土保持评价以及水肥管理等领域取得了大量的研究成果[12-17]。本研究利用APSIM模型可逐日、定量、动态模拟作物生长过程的优势，开展旱地小麦生长过程对气候变化适宜程度的研究，探讨APSIM在旱地小麦气候适宜度评价中的应用效果，以期为旱地小麦气候适宜性分析的动态跟踪提供技术支持。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省定西市安定区李家堡乡甘肃农业大学旱农试验站，为半干旱雨养农业典型区域，一年一熟制，春小麦是该区域种植面积较大的作物。大田试验时间跨度2002-2005年，试验区域地处甘肃省中部偏南，海拔2000m，属中温带半干旱区；年平均气温6.4℃，年均≥0℃积温2933.5℃·d，年均≥10℃积温2239.1℃·d，年均太阳辐射592.9kJ×m-2，日照时数2476.6h，日照充足，温差较大；无霜期140d；研究区域地势平坦，无灌溉条件，多年平均降水量391.0mm，主要集中在7、8、9月，且多以暴雨形式出现，年蒸发量1531mm，干燥度2.53，80%保证率的降水量为365mm；试验地土壤为黄绵土，土壤容重1.17g×cm-3，pH8.36，土壤有机质12.01g×kg-1，全氮0.76g×kg-1，全磷1.77g×kg-1[13-15]。

1.2 资料来源

研究区气象站点设置在距试验地西2km的定西县李家堡试验站，1971-2005年日均气温（℃）、日最高气温（℃）、日最低气温（℃）、日降水量（mm）和日照时数（h）等气象数据来源于甘肃省气象局历史资料。

供试作物为定西35号春小麦，小麦生长过程中各项观测资料来自甘肃省定西市安定区甘肃农业大学旱农试验站2002-2005年田间实测数据。每年3月中旬播种，7月底收获，小麦生育期共124d左右，依小麦产量形成过程，将其划分为3个主要生长阶段，即营养生长阶段（3月19日-5月20日）、营养生长和生殖生长并进阶段（分5月21日-6月20日），以及生殖生长阶段（6月21日-7月21日）[18]。

1.3 评价方法与检验

1.3.1评价方法

首先，基于试验站1971-2005年逐日气象资料和大田资料，建立黄土丘陵区旱地小麦逐日气候适宜度模型，计算各生长阶段及全生育期综合适宜度，确定气候适宜性综合评价标准。同时，通过本土化的APSIM模型，模拟小麦逐日生物量，采用动态逼近误差平方和方法，确定气候适宜性诊断分析标准。采用等级百分比比较的方法验证基于综合评价标准与诊断分析标准的小麦3个主要生长阶段及全生育期的多年评价结果。

1.3.2 APSIM模型简介

APSIM模拟平台以研究区气候和土壤资料为基本知识库，以作物属性模块APSIM-Wheat为通用生长模拟框架[17]。模拟实验中，APSIM平台参数（表1和表2）[13]均源于李广等在黄土丘陵沟壑区APSIM适用性研究中经过反复本土化修订的参数，以d为单位，模拟1971-2005年小麦逐日生物量，模拟结果有较高精度[13]。

表1 用于APSIM模拟的研究区主要土壤属性参数

Note: BD is bulk density, WC is wilting coefficient, DU is drainage upper limit, SM is saturated moisture, CA is coefficient of air-dry, CS is conductivity of soil water, LW is lower water limit of wheat.

表2 小麦模块的初始参数值

1.3.3 旱地小麦综合气候适宜度模型

（1）根据李秀芬等[5, 19-21]的研究，结合研究区实际情况，建立旱地小麦日气候适宜度模型分别为

（2）

（3）

（5）

（2）将某生长阶段的逐日温度、降水和光照适宜度求和并取算术平均值得到某生长阶段温度、降水和光照适宜度，进而建立旱地小麦综合气候适宜度模型，即

（7）

（8）

综合气候适宜度模型从气候因素贡献和生长时间权重两方面衡量。采用5a滑动平均法，将春小麦产量进行趋势产量和气象产量分离，将春小麦各生长阶段温度、降水、光照适宜度设为自变量，气象产量即为因变量，通过线性回归计算，得到相关系数与通径系数，计算三要素对气象产量的贡献率，并归一化处理，得到贡献效率系数如表3[24]；将各生长阶段综合气候适宜度对气象产量贡献率进行归一化处理，即得时间权重系数如表4[24]。

表3 旱地小麦各生长阶段温度、降水和光照适宜度贡献效率系数

表4 旱地小麦全生育期气候适宜度时间权重系数

2 结果与分析

2.1 旱地小麦气候适宜性综合评价标准

由综合气候适宜度模型式（7）和式（8），计算研究区近30a（1971-2005年）小麦各生长阶段及全生育期多年平均综合气候适宜度，即黄土丘陵区旱地小麦3个主要生长阶段及全生育期的气候适宜性综合评价指数。

根据国内外对农业气候适宜性划分标准的研究[25-26]，参照农业部门有关粮食作物产量的丰歉指标，即当年产量与前5a产量均值的距平百分率大于10%，为丰年，小于-10%为歉年[5]，以综合评价指数为基准，初步设定旱地小麦综合评价分级值，并将适宜程度划分为4级评价标准。3表示非常适宜，高于综合评价指数的120%；2表示较适宜，高于综合评价指数但低于非常适宜标准；1表示基本适宜，低于综合评价指数但高于综合评价指数的80%；0表示不适宜，低于综合评价指数的80%。根据上述数字化分级标准，建立黄土丘陵区旱地小麦气候适宜性综合评价标准（表5）。依据综合评价标准计算综合气候适宜度，进而得到研究区第j年小麦各生长阶段及全生育期的气候适宜性综合评价指标，用表示，取值分别为3（非常适宜）、2（较适宜）、1（基本适宜）以及0（不适宜），取值为1、2、3和4，分别表示营养生长阶段、营养和生殖并进阶段、生殖生长阶段以及全生育期。

表5 黄土丘陵区旱地小麦气候适宜性综合评价标准

2.2 旱地小麦气候适宜性诊断分析标准

黄土丘陵区旱地小麦气候适宜性诊断分析标准确定办法为：

（1）基于APSIM模型，模拟研究区1971-2005年小麦逐日地上生物量。

（2）以多年逐日模拟生物量为基础，按滑动平均方法，计算第j年逐日生物量与前5a同日平均值的距平百分率，将逐日距平百分率按阶段求平均值，得到第j年各生长阶段及全生育期的距平百分率，记为。

（5）利用综合气候适宜度模型式（7）和式（8），基于旱地小麦气候适宜性综合评价标准（表5），计算近30a来研究区小麦各生长阶段及全生育期气候适宜性综合评价指标（）；根据，已知多年、和的表达式，基于穷举算法，利用VB.NET语言，目标函数（）最小时的X即为最适诊断分级值，计算得到X值为0.09。

由此得到黄土丘陵区旱地小麦气候适宜性诊断分析标准，即当第j年各生长阶段及全生育期的距平百分率＞0.18时气候适宜性诊断分析指标为3（非常适宜），0.09＜≤0.18时为2（较适宜），-0.09≤≤0.09 时为1（基本适宜），＜-0.09时为0（不适宜）。

（10）

式中，j表示年份，i取值为1、2、3和4，分别表示营养生长阶段、营养和生殖并进阶段、生殖生长阶段及全生育期。

诊断分析标准的建立，由小麦生长过程逐日生物量切入，以生物量与前5a平均值的距平百分率为气候适宜性诊断分析指标确定依据，其本质是在分析小麦生长过程中生物量对气候变化的适宜程度，而生物量是小麦生长发育和产量形成动态过程的重要衡量指标之一，所以诊断分析方法的估算，已不再是单纯考虑气候因素与产量的关系，而是关注到作物生长发育和产量形成的动态过程。其中，诊断分析指数（）的计算，采用逐日距平百分率阶段性平均值的算法，主要是考虑到将综合评价标准和诊断分析标准放在相同时间区间内，使目标函数（）的建立和诊断分级值X的计算有依据、可实现，况且实际大田耕作中也是有针对性地改善小麦各生长阶段的适宜程度，所以，此算法尽管对第j年小麦生长过程的逐日动态跟踪不利，但仍然具有一定实际意义，今后可在动态跟踪方面进一步优化。

2.3 旱地小麦气候适宜性诊断标准检验

基于综合评价标准和诊断分析标准，计算研究区近30a（1971-2005年）的逐年各生长阶段及全生育期的综合评价指标（）和诊断分析指标（）。比较近30a来小麦各生长阶段及全生育期气候适宜性评价结果，如表6所示，利用APSIM进行的小麦气候适宜性动态诊断，各生长阶段及全生育期与评价结果等级相同的占51%～74%，等级相同和级差为1的占86%～90%。表明检验结果整体拟合度较好，但个别评价点等级相差大于2，结果差异明显，这主要是由于多年逐日生物量是基于本土化APSIM平台的模拟实验获得，增加了误差来源。但总体来看，基于APSIM的诊断方法可用于小麦生长对气候变化适宜程度的分析。

表6 多年综合评价法()与诊断分析法()评价结果的比较（用百分比表示，%）

Table 6 Comparison of evaluation results between andfrom 1971 to 2005 (percent,%)

表6 多年综合评价法()与诊断分析法()评价结果的比较（用百分比表示，%）

生长阶段Growth stage等级相同Grade same相差1级±1 Grade相差2级±2 Grade相差大于2级>±2 Grade 营养生长阶段Nutrition513577 并进阶段Nutrition and reproduction632692 生殖生长阶段Reproduction7416100 全生育期Whole growth stage721486

2.4 旱地小麦气候适宜性诊断结果分析

利用APSIM平台模拟2002-2005年小麦逐日生物量，进行旱地小麦气候适宜性动态诊断分析。 结果显示，2002-2005年小麦3个主要生长阶段及全生育期内，气候适宜性动态诊断结果均为较适宜（表7）。

表7 2002-2005年诊断分析法（）评价结果（适宜性等级）

Table 7 The evaluation results of from 2002 to 2005（suitability grade）

表7 2002-2005年诊断分析法（）评价结果（适宜性等级）

生长阶段Growth stage2002200320042005 营养生长阶段Nutrition2222 并进阶段Nutrition and reproduction2222 生殖生长阶段Reproduction2222 全生育期Whole growth stage2222

根据农业气象部门监测公报（表8），2002-2005年定西地区小麦全生育期内，光照和温度与历年情况变化不大，光照充分，温度波动较小，基本处于较适宜水平以上，能够确保小麦正常生长需要。降水是影响小麦正常生长的主要因素[14]，2002、2004和2005年降水量分别为328.6、326.9和428.6mm，且集中在7-9月，为研究区典型降水量及分布状况，降水适宜性基本保持在较适宜水平，满足小麦生长发育；2003年降水量达到564.5mm，显著高于其它年份，50%的降水分布在小麦收获后(8-10月)，降水量为非典型性，但是降水季节分布具有典型的研究区气候特征。根据2002-2005年田间试验监测结果，营养生长阶段平均气温（9.4、9.6、10.2、10.2℃）均在最适宜温度以下，但未低于下限温度，有效降水次数和降水总量均较少，营养生长阶段内由于小麦植株较小，加之气温不高，所以较少的有效降水并不会对小麦生长造成大的影响，气候条件仍较适宜小麦生长；并进生长阶段平均气温（16.8、17.1、15.5、17.1℃）略低于最适温度，有效降水次数和降水总量较少，但相比营养生长阶段有所增加，气候条件较适宜小麦生长；生殖生长阶段平均气温（20.4、18.2、19.1、19.2℃）接近最适温度，有效降水次数和降水总量相比前两个阶段有较大幅度增加，基本能满足小麦在该阶段的水分消耗，气候条件较适宜小麦生长。2003年降水较多，但是该年小麦产量仅1645.4kg×hm−2，并非1971-2005年的最高值[14]，这主要是由于降水季节分布不合理，因此，该年小麦生长对气候因素的适宜程度未达到非常适宜水平，为较适宜。

表8 2002-2005年定西地区气象数据

综上所述，2002-2005年基于APSIM的旱地小麦气候适宜性诊断分析结果与农业气象部门监测公报结果基本相符，说明基于APSIM的诊断分析标准可用于黄土丘陵地区旱地小麦的气候适宜性评价。

3 结论与讨论

（1）利用APSIM平台模拟近30a（1971-2005年）小麦逐日生物量，采用动态逼近误差平方和的方法，确定基于模拟量的旱地小麦气候适宜性诊断分析标准，与基于实测气象数据的旱地小麦综合评价标准进行比较检验。结果表明，评价结果等级相同的占51%～74%，等级相同和级差为1的占86%～90%，说明基于APSIM的诊断分析方法可用于小麦生长对气候变化适宜程度的分析，这与李秀芬等[5]基于WOFOST模型建立东北地区玉米气候适宜性诊断分析方法的研究成果一致。尽管检验结果整体拟合度较好，但级差≥2的仍占10%～14%，这主要是由于田间数据的积累和获取难度较大，降低了APSIM模型的本土化程度，而诊断分析标准的建立又依赖模拟数据，从而增加了误差来源；加之由于APSIM模型未考虑极端气候条件的模拟，并且诊断分析标准建立时，被跟踪量仅有生物量，反映小麦生长动态过程存在局限性。今后将在气象、田间数据积累的基础上，进一步提高APSIM的模拟精度，并通过多因素跟踪优化诊断分析标准，提高该方法的适用性。

（2）利用APSIM平台模拟2002-2005年小麦逐日生物量，进行旱地小麦气候适宜性动态诊断分析的结果表明，小麦全生育期内，光照和温度与历年情况较一致，光照充分，温度波动较小，基本处于较适宜水平以上，能够确保小麦正常生长需要，降水是影响小麦正常生长的主要气候因素，这与李广等[14]关于降水量分配对旱地小麦产量影响的研究结论一致。

（3）针对旱地小麦生长对气候变化的适宜程度，通过基于实测气象数据进行的综合评价，同时采用本土化APSIM模拟数据进行的诊断分析的研究发现，前者从温度、降水、光照适宜度出发，以产量为落脚点，通过滑动平均与线性回归确定气候三要素及生长时间对产量的权重系数，计算综合气候适宜度，进而确定综合评价标准，该方法强调三因素与产量的直接联系，描述了气候因素与产量的稳态性能。后者通过逐日生物量的距平处理，采用动态逼近误差平方和的方法，确定旱地小麦气候适宜性诊断分析标准，该方法侧重描述小麦生长过程中生物量随气候三要素的变化情况，其实质是生物量对气候变化的适宜性分析，其中，诊断分析指数的计算，能够反映被跟踪量与前5a的动态比较结果，逐日距平百分率阶段性平均值的算法，将综合评价标准和诊断分析标准放在相同时间区间内进行比较，尽管不能实现小麦生长过程的逐日动态跟踪，但实际大田管理目标也是阶段性改善小麦生长的适宜程度，所以诊断分析方法仍然具有一定实际意义，今后将在动态跟踪方面进一步优化。

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APSIM-based Evaluation of Climate Suitability on Wheat in Dryland in the Hill-gullied Region of the Loess Plateau

NIE Zhi-gang1, REN Xin-zhuang2, LI Guang3, DONG Li-xia1,MA Wei-wei3, TANG Jie1,LIU Xiao-e3, LUO Yong-zhong3

（1.College of Information Science and Technology/College of Resources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China;2.College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou, 730070;3.College of Forestry, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070）

In order to improve the dynamic analysis ability about climate suitability level of drylang wheat, based on daily meteorolosical data of Dingxi experimental station, field experimental data from 1971 to 2005, the daily climate suitability degree model of dryland wheat was established in the hilly-gullied region of the Loess Plateau. By using the model, the comprehensive climate suitabilityindices were calculated and the comprehensive evaluation standards were confirmed during each growth stage(nutrition growth stage, nutrition and reproduction growth stage, reproduction growth stage) and whole stage of wheat. The wheat daily biomass was simulated by applying suitable APSIM. The diagnosis analysis standards of climate suitability were determined by methods of dynamic approximation error sum of squares and were verified by comparing the evaluation results based on APSIM and those based on the daily climate suitability degree model with grade percentage method. During the main growth stage of wheat from 2002 to 2005, the climate suitability level of dryland wheat was analyzed and evaluated by using diagnosis analysis standards. The results showed that the evaluation results based on APSIM and those based on the daily climate suitability degree model were in substantial agreement grade identical and differ by one grade accounted for 86%-90%.The diagnosis analysis results of each growth stage and whole stage of dryland wheat were more suitable from 2002 to 2005, and that was basically consistent with actual circumstances of experimental region. The APSIM-based optimization method could improve the tracing analysis ability about climate suitability level of wheat and could provide technical assistance for wheat production adapting to climatic change.

APSIM; Comprehensive evaluation; Dynamic diagnosis; Wheat; Simulation

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.06.005

2016-09-28

甘肃省高等学校科研项目（2014A-058；2016A-067）；国家自然科学基金（31660348；31560378；31560343；41561022）；甘肃省自然科学基金（1506RJZA015）；甘肃省青年科技基金计划项目（1506RJYA005）

聂志刚（1980-），博士生，副教授，主要从事作物生长模拟模型研究。E-mail：niezg@gsau.edu.cn

聂志刚,任新庄,李广,等.基于APSIM的黄土丘陵区旱地小麦气候适宜性评价[J].中国农业气象,2017,38(6):369-377

**通讯作者。E-mail：lig@gsau.edu.cn