基于AquaCrop模型的小地区气候变化对小麦产量的影响

高博+尹晓荣+张涛

摘要：为了研究甘肃省高台县气候变化对小麦（Triticum aestivum L.）产量的影响，对该地区50 a的气象因素变化进行了分析，并且利用AquaCrop作物模型模拟不同年份小麦的生产潜力。结果表明，年平均气温、年平均最高气温、年平均最低温度均呈增长趋势，增长幅度为0.021 5、0.012 4、0.014 5 ℃/a，总降雨量也呈增长趋势，增长幅度为0.220 2 mm/a，而日照时间呈降低趋势，降低幅度为1.328 8 h/a，并拟合得到了相应的线性趋势公式。该地区小麦生产潜力较低，平均模擬产量为5 807.5 kg/hm2，不同年份间小麦产量差异极显著，并且从气候变化因素分析了该地区小麦产量变化的原因。

关键词：AquaCrop模型；小麦（Triticum aestivum L.）产量；日照时间；气温；降雨量

中图分类号：P42；S512.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）15-2856-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.15.015

Abstract： In order to study the impact of climate change on wheat （Triticum aestivum L.） yield in Gaotai county in Gansu province，the article analyzed the changing of meteorological factors of 50 years，and the wheat potential productivity was simulated by using AquaCrop. The results indicated that the annual average temperature，annual mean maximum temperature，annual mean minimum temperature were all on the rise，and the growth rate were 0.021 5，0.021 5，0.012 4 ℃，respectively. Total rainfall was also on the rise，growth rate was 0.220 2 mm/a. Sunshine duration showed a trend of decrease，the reduction rate was 1.328 8 h/a，and corresponding linear trend fitting formula was got. Wheat production potential was low in the region，an average of simulated yield was 5 807.5 kg/hm2，and inter-annual change had a significant difference on wheat yield，the changing reasons of wheat production was analyzed from climate change factors in the region.

Key words： AquaCrop model； wheat （Triticum aestivum L.）yield； sunshine duration； temperature； rainfall

在全球气候变化的背景下，中国各区域的气温、降雨等气象因子的变化也存在明显的地域差异[1]。近十几年在长江中下游地区、华南地区和西北地区降雨主要集中在夏季，而华北地区夏季降水却呈减少趋势[2]。虽然科学界对气候变化的历史演变和未来气候的变化趋势还存在着争论，但气候变化已经深刻影响了农业生产活动，这不仅关系到全球粮食生产和安全供应，而且可能也会对农产品品质和食物安全有一定的影响[3]。已有研究发现，气候变化对中国农业有一定的小幅增产作用；而有研究通过气象与作物模型结合分析，发现气候变化下中国农业的总体生产力呈降低趋势，降低幅度在5%～30%[4]，这种不同研究结果严重制约着中国应对气候变化的决策选择。

AquaCrop模型是FAO为解决现有作物模型存在结构复杂、所需参数繁多、校准工作量大等不足研发的一种水分驱动作物模型[5]。作物模型在研究农业灾害损失和评估中已被广泛应用，其中Todisco等[6]采用AquaCrop模型对水分亏缺条件下作物产量的变化进行了分析，以便评估旱灾风险对农业生产的影响。本研究主要针对小地区气候类型研究其在近50 a的变化趋势，结合作物模型模拟评估不同年际该地区小麦（Triticum aestivum L.）产量，并结合气候因素的变化探讨分析了小麦的生产潜力和产量变化趋势的原因，为实现农业气象灾害定量实时分析及采取相对应的农业管理措施有重要作用。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区选择在甘肃省张掖市高台县，位于河西走廊中部，黑河中游下段，东邻临泽县，西与酒泉市、金塔县和肃南县明花区相连，南与肃南县大河区接壤，北依合黎山与内蒙古阿拉善右旗相邻。介于东经98°57′27″-100°06′42″、北纬39°03′50″-39°59′52″，海拔在1 260～3 140 m。全县面积约4 346.61 km2，其中耕地面积2.13万hm2，占全县面积的4.8%。属于冷温带大陆性干旱气候，全年无霜期150 d左右，近30 a年平均降水量112.3 mm，蒸发量为1 638.2 mm，年均气温8.1 ℃，其中最高气温在7月，月平均气温为22.3 ℃，最低气温在1月，月平均气温为-8.9 ℃；川区和沿山区地形地貌差异较大，平均全年日照时间分别为3 105和2 683 h。该地属典型旱作农业区，土壤类型主要为盐土和风沙土，表层土壤盐渍化较为严重，有机质含量0.13%～1.08%，全氮含量0.005%～0.060%，碳酸钙含量2.7%～6.2%，pH 7.7～9.3。endprint

1.2 资料来源

气象数据来源于高台国家基本气象站（99°50′E，39°22′N，海拔1 332.2 m），高台国家基本气象站建于1952年8月13日，座落于高台县府街延伸东段，系国家基本气象观测站，观测的项目有云、能见度、天气现象、气压、气温、湿度、风向风速、0～320 cm地温、降水量、日照、蒸发量、雪深、雪压、冻土。

考虑各种人为因素引起的气象资料非均一性问题，有针对性地对观测资料进行均一性检验和订正[7]，本研究在分析过程中对明显错误的数据进行了检验，尤其对各气象因素的极大值进行了合理性判断。

1.3 AquaCrop模型参数输入

模型在运行时步长有1 d、10 d、1个月3种，所需气象参数主要为降雨量、最高和最低气温、参考作物蒸腾量、大气CO2浓度，其中参考作物蒸腾量用ETo表示，可由FAO组织提供的ETo Calculator软件通过提供的现有降雨量、最高和最低气温等参数计算求出，而大气CO2浓度在模型中根据全球地理位置可供几种选择，一般定好地理位置的经纬度模型会自动推荐默认值[8]。

作物参数首先确定种植作物类型和种植方式（C3还是C4，移栽还是直播），然后在模型中输入具体作物物候期（种植密度、作物播种期、出苗期、拔节期、灌浆期、衰老和成熟时间），最后通过采用试错法确定冠层增长系数（CGC）、冠层衰老系数（CDC）、参考作物收获指标等具体参数，结合文献[9，10]整理得到旱区AquaCrop模型小麦参数，如表1所示。

管理參数模块包括田间措施和大田灌溉两部分。其中，灌溉部分包括灌溉方式（漫灌、滴灌、喷灌等）和灌水制度（灌水时间、次数以及灌水量）；田间管理措施包括施肥水平、农田覆盖度以及覆盖材料、田间地表措施。本研究中试验期内均无灌水措施，作物所需水分全靠降雨；土壤施肥水平均选择为肥沃90%，田间用有机秸秆覆盖10%，田间无起垄、地表径流。

土壤参数模块主要指土壤的理化特性，包括土层数、土层厚度、容重，土壤特性包括永久凋萎点、田间持水量、饱和导水率等，本研究的土壤初始参数如表2所示。

1.4 试验方法

气象变化趋势中研究的主要对象为降雨、气温、日照时间。其中，气温变化特征指标为年平均气温、年最高气温、年最低气温，降雨量变化特征指标为年总降雨量，日照时间变化特征指标为年总日照时间。

1.5 数据统计与分析

试验结果采用Excle和SPSS软件进行数据整理、显著性检验和回归分析。

2 结果与分析

2.1 气候因素变化趋势

将1957-2006年高台县逐日气温、降雨量、日照时间进行统计得到年平均气温、年最高气温、年最低气温、年总降雨量、年总日照时间，以年际变化为横坐标，气象特征指标为纵坐标，得到其变化趋势，如图1所示。

该地区在1957-2006年气温变化趋势如图1a所示，年平均气温范围为6.28～9.06 ℃、年最高气温范围为14.03～17.27 ℃、年最低气温范围为-0.16～3.29 ℃；通过添加气温特征与年际变化之间的趋势线可直观地看出，不同年际的气温在趋势线的上下附近，所有气温特征均有所增加，其中年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温的增加幅度分别为0.021 5、0.012 4、0.014 5 ℃/a，气温虽然随着年际变化有所增加，但是整体增加幅度非常小。

该地区降雨量变化趋势如图1b所示，不同年际降雨量差异较大，降雨主要集中在5-7月，年总降雨量在54.9～209.9 mm，50 a平均降雨量为105.61 mm，降雨量严重低于250 mm，属于典型的旱区气候类型。通过变化趋势线得到降雨量随着年际变化有所增加，其中增加幅度为0.220 2 mm/a，整体增加幅度较小。

日照时间是指太阳每天在垂直于其光线的平面上的辐射强度超过或等于120 W/m2的时间长度，与白昼长度、云量和地形等条件有关[11]，由于属于高海拔区，在1957-2006年年日照时间差异较大，为 2 791.1～3 338.3 h，平均年日照时间为3 116.4 h，日照时间变化趋势不同于气温和降雨，随着年际变化日照时间逐渐有所降低，降低幅度为1.328 8 h/a。

2.2 AquaCrop模型评估近30 a小麦产量变化趋势

利用该地土壤类型、逐日气象资料和旱区AquaCrop模型小麦参数进行模拟得到该地不同年份的小麦产量，结果如表3所示。对不同年份的模拟产量做方差分析，结果如表4所示。

由表3可知，高台县在1957-2006年小麦模拟产量为4 084.2～8 354.5 kg/hm2，最高和最低模拟产量分别出现在1979和1968年，而且通过分析降雨量这两年分别为丰雨年和贫雨年，50 a平均模拟产量为5 807.5 kg/hm2，说明在该地区气候类型下小麦总体生产潜力较低。而且通过方差分析得到不同年际小麦模拟产量差异极显著，说明不同年份气候对小麦产量的形成有重要影响。

为了研究小麦产量的变化趋势，用年份作为横坐标，模拟产量为纵坐标，做小麦产量随年际变化的带平滑的散点图，并得到其线性变化趋势线和拟合公式，结果如图2所示。由图2可知，不同年份的模拟产量趋势线的拟合公式为y=10.168x-14 340，整体上模拟产量随年际变化呈增长趋势。在模拟时土壤和管理措施不变，因此增产的原因主要是由气象因素所致，在气候变化趋势中得到年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温均呈增长趋势，在生长周期不变的情况下，气温的升高有助于提高作物的有效积温和光合作用，使作物积累更多的光合产物[12]；其次由于生育期总耗水量与产量之间存在着密切的关系，通过降雨量变化趋势中发现年总降雨量也呈增长趋势，在水分生产力不变的情况下，降雨量增多，即生育期内作物可利用的水分增多，提高了作物在生物量和产量积累过程中所需水分的供给[13]；最后因为日照时间有所降低，夜间时长增多，而且该地区夜间温度较低，降低了作物的有氧呼吸消耗。endprint

3 结论

本研究通过分析甘肃省张掖市高台县近50 a气象资料变化趋势得到，随着年际变化，年平均气温、年平均最高气温、年平均最低温度均呈增长趋势，增长幅度为0.021 5、0.012 4、0.014 5 ℃/a，年总降雨量也呈增长趋势，增长幅度为0.220 2 mm/a，而日照时间呈降低趋势，降低幅度为1.328 8 h/a。利用AquaCrop模型评估该地区小麦生产潜力，得到1957-2006年小麦产量在4 084.2～8 354.5 kg/hm2，不同年份小麦产量差异极显著，平均模拟产量为 5 807.5 kg/hm2，随着年际变化产量有所增加，增加幅度为10.168 kg/（hm2·a），但整体上受该地区气候影响，产量整体较低。以上研究成果可为极其干旱缺水的绿洲生态环境改善和农业生产发展奠定科学基础。

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