APSIM模型在河北山前平原农业耗水研究中的应用

赵彦茜， 安 塞， 齐永青， 朱 骥

(1.河北地质大学，河北石家庄 050031； 2.河北科技大学，河北石家庄 050018；3.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室，河北石家庄 050021)

河北山前平原主要是指河北省境内京津以南的河北山前平原，属暖温带半干旱半湿润大陆性季风气候，雨热同期，降水主要集中于夏季，适合多种作物生长。

冬小麦—夏玉米一年两熟制是河北山前平原主要的种植制度[1]，但该地区大部分区域的降水量无法满足一年两熟制下作物对水分的要求，原因在于冬小麦生育期内水分亏缺非常严重[2]。通常情况下，该地区多年平均降水量为400～550 mm，冬小麦生育期内降水量为90～130 mm，夏玉米生育期内降水量为300～360 mm，而冬小麦年平均耗水量为380～450 mm，夏玉米年平均耗水量则为270～330 mm[3-5]，冬小麦生育期水分亏缺为250～320 mm，须要进行多次灌溉来保证产量，而夏玉米只要适时播种，自然降水可满足其对水分的要求，生育期内基本不须要灌溉或者仅须要灌溉1次出苗水，只有在极少的尤其干旱的年份须要进行二次灌溉，以缓解“卡脖旱”的影响。河北山前平原作物高产主要是靠提取地下水灌溉来保证，而长期的灌溉已经造成河北山前平原地下水资源的严重亏损，导致河北山前平原地下水位持续下降[6]。所以，农业生产耗水研究对于供水问题突出的河北山前平原来说十分重要，而应用于这一研究的主要就是进行田间定位试验和利用作物模型模拟这2种方法，本研究主要是在已有田间试验资料的基础上应用APSIM模型对河北山前平原的农业耗水状况进行研究分析。

作物模型可以在已有研究资料基础上对在多种模拟条件下的作物生长情况进行模拟，预测未知风险，优化农业资源管理措施，为农业生产的管理经营提供科学指导，APSIM模型就是作物模型中的典型代表。APSIM模型是一种可用于模拟农业生产系统中各主要组成部分的机制模型，它是由澳大利亚的联邦科工组织以及昆士兰州政府的农业生产系统组(agricultural production systems research unit，简称APSRU)所开发建立的优秀作物模型[7-8]。APSIM模型建立最初的目的是在农业系统里进行长期资源管理试验时，对在气候变化、作物的遗传特征、土壤环境以及管理措施等因子影响下的作物生产力提供一个更准确地预测[9]。在国外，APSIM模型关于水资源-产量综合效应和水分利用的研究较多，涉及面较广[10-13]。Acua等利用APSIM模型对澳大利亚塔斯马尼亚岛上农业用地的地表水平衡、水分利用效率和小麦产量进行模拟，分析了灌溉、施肥等因素对产量和水分利用效率的影响[10]。而在国内，关于APSIM模型的应用研究也渐趋增多[14-24]。Sun等利用APSIM模型在华北平原量化灌溉对于地下水和产量的影响[17]。van Oort等利用APSIM模型模拟了华北平原种植制度变化下地下水的变化情况[18]。

为研究河北山前平原的农业耗水状况，以中国科学院栾城农业生态系统试验站2009—2013年的冬小麦和夏玉米实测资料对APSIM模型进行率定和验证，对河北山前平原水资源-产量综合效应进行研究分析。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

中国科学院栾城农业生态系统试验站位于河北省石家庄市栾城区，地处37°53′N、114°41′E，海拔为50.1 m。该试验站位于河北平原北部的太行山山前平原，属暖温带半湿润季风气候，年降水量为400～550 mm，其中7—9月为雨季，降水量为300～360 mm，占年降水量60%以上，年均温为10～13 ℃，无霜期为180～230 d，主要作物种植模式为冬小麦—夏玉米一年两熟。

1.2 试验方法

本次试验研究模拟验证时间段为2009—2013年，熟制是冬小麦—夏玉米一年两熟制，冬小麦品种为科农199，夏玉米品种为郑单958。冬小麦播种日期为10月5—15日，夏玉米播种日期为6月9—17日，冬小麦生育期内进行3～4次灌溉，夏玉米生育期内进行0～2次灌溉。

1.3 模型参数

1.3.1 气象参数 本研究所需的气象参数包括最高气温、最低气温、相对湿度、降水量、日照时数等，均来源于中国科学院栾城农业生态系统试验站田间Milos520自动气象站。

1.3.2 土壤参数 APSIM模型土壤参数主要包括各土层容重(BD)、饱和体积含水量(SAT)、萎蔫系数(LL15)、风干系数(AirDry)等参数(表1)。

表1 土壤水分参数

1.3.3 作物参数 作物参数主要是根据田间观测数据来确定，研究中的APSIM模型作物属性模块主要包括该研究区域冬小麦和夏玉米品种遗传特性参数、作物生长发育进程、植株形态以及产量形成等相关参数(表2)。

表2 冬小麦和夏玉米作物参数

1.4 降水年型分类

为研究河北山前平原降水对农业生产的影响，根据栾城站试验区的降水资料对该地区的降水年型进行分类，采用的标准为国内常用的降水保证率分类标准[25-28]。降水保证率表示降水量某一界限值出现的可靠程度，根据降水保证率将降水年份划分为不同的年型：25%保证率的降水年份为湿润年，50%保证率的降水年份作为平水年，75%保证率的降水年份为干旱年。

1.5 模型检验方法

模型检验方法主要是以下2个国际上统一的指标：确定系数R2和均方根误差(root mean square error，简称RMSE)。计算公式如下：

(1)

(2)

2 结果与分析

2.1 APSIM模型验证

利用APSIM模型对试验区0～1.8 m土壤含水量SWC、产量、蒸散量ET等进行模拟，模拟结果表明，SWC模拟结果的决定系数为0.79(图1)，冬小麦和夏玉米产量模拟结果的均方根误差和确定系数分别为502 kg/hm2和0.83(图2)，作物蒸散量ET模拟结果的均方根误差和决定系数分别为32.7 mm 和0.88(图2)，每月蒸散量ET模拟结果的均方根误差和确定系数分别为13.2 mm和0.925(图3)。这些结果表明，APSIM模型适合应用于研究分析河北山前平原水资源消耗和粮食生产的综合效应。

APSIM模型对0.0～1.8 m的土壤含水量的模拟结果较好。根据实测资料，可以观察到土壤含水量在1年中的7、8月达到全年最大值，超过600 mm，之后随着小麦生育期的到来，土壤含水量维持在450～550 mm这个略低的水平，APSIM模型的模拟结果可以将土壤含水量的这一动态变化趋势很清楚地展现出来，对研究农业生产和土壤水动态变化的关系有重要意义。

APSIM模型在一定程度上可以模拟出气候风险对作物生长的影响以及相应的产量波动，相关性分析拟合精度达0.83。冬小麦和夏玉米生育期内蒸散量ET的年际变化较为明显，在APSIM模型的模拟结果中，这一动态变化模拟得也较为准确，拟合精度达到0.91。

通过2009—2013年的每月蒸散量ET实测数据可以发现，冬小麦生育期内月蒸散量ET的峰值是在5月，夏玉米生育期内月ET的峰值是在8月，这分别对应的是冬小麦和夏玉米的灌浆期，而月ET全年谷值则是在6月和冬季月，全年呈现出“两峰一谷”的特点。APSIM模型的模拟结果非常明显地把这一特点表现出来，确定系数达到0.89，模拟效果较好。

2.2 河北山前平原1986—2015年不同降水年型情况下冬小麦—夏玉米一年两熟制的作物生产耗水分析

根据研究区域1986—2015年的降水资料，可以计算出年降水丰水年的分类界限为570 mm，枯水年分类界限为 400 mm，小麦季丰水年的分类界限为170 mm，枯水年分类界限为105 mm，玉米季丰水年的分类界限为400 mm，枯水年分类界限为250 mm。根据上述分类标准，可将1986—2015年这30年分成丰水年、平水年、枯水年等3个类型(图4)。

根据调整验证后的模型参数，本研究运用APSIM模型对河北山前平原1986—2015年的农业生产耗水进行模拟(图5)。小麦生长阶段为每年10月15日至次年6月14日，生长阶段内灌溉4次，每次灌溉量为80 mm；玉米生长阶段为每年6月15日至10月5日，生长阶段内灌溉2次，每次灌溉量为60 mm。通过模拟研究降水对农业生产的影响，并从全年、小麦生育期、玉米生育期等3个角度分析河北山前平原近30年的农业生产耗水规律。

根据模拟结果，可计算得出丰水年平均年产量为 13 622 kg/hm2，平水年平均年产量为13 698.8 kg/hm2，枯水年平均年产量为12 814 kg/hm2，30年总平均年产量为 13 444.9 kg/hm2。根据上述验证所用实测数据，这个模拟结果是较为符合实际的。模拟结果表明，平水年和丰水年年产量水平均比较高，枯水年产量水平最低，且丰水年年产量水平略低于平水年，这主要是因为丰水年部分年份降水分配较差或者夏季暴雨集中对作物生产产生了不利影响， 例如根据验证所用实测数据，2009年年降水量为609.5 mm，但年产量仅为 11 163.9 kg/hm2，这主要是因为夏季“9.20暴雨”使得玉米产量大幅减产。而且虽然降水量大小对农业生产有一定程度的影响，但由于灌溉量大，所以产量水平差异不大。

为了解河北山前平原水分亏缺严重的详细情况，首先必须要根据该地区种植制度来进行具体分析。图6模拟结果表明，小麦年平均产量为6 613.8 kg/hm2，玉米年平均产量为 6 831.1 kg/hm2，玉米年平均产量高于小麦年平均产量，但小麦年平均蒸散量为402.7 mm，多于玉米年平均蒸散量 321.0 mm。小麦生育期内平均水分入渗量为39.5 mm，玉米生育期内平均水分入渗量为132.7 mm，这主要是由于河北山前平原玉米生育期平均降水量为354.7 mm，小麦生育期平均降水量为136.4 mm，河北山前平原降水主要集中在玉米生育期。水分亏损量(水分亏损量=蒸散量-降水量)是衡量作物耗水的重要指标，小麦生育期内平均水分亏损量远大于玉米生育期内平均水分亏损量(表3)。

由表3可知，玉米生育期内土壤水分大致处于盈余状态，年平均亏损量为-33.7 mm，只有在枯水年有少量亏损。而无论枯水年还是丰水年，小麦生育期内水分亏损量都比较大，年平均亏损量为266.3 mm，生育期内降水根本无法满足作物生长需求。小麦耗水量极大，生育期内必须要大量灌溉才能满足其生长需求，这不利于该地区水资源的可持续利用。因此，调整冬小麦—夏玉米一年两熟制这一耗水严重的种植制度对于河北山前平原地区就显得十分重要。

表3 小麦玉米不同年型水分亏损量

3 结论

APSIM模型可以较好地模拟河北山前平原冬小麦和夏玉米的产量、蒸散量ET以及土壤水储量的动态变化，适用于研究分析河北山前平原水资源消耗和产量水平的综合效应。本研究利用APSIM模型模拟不同年型下的小麦和玉米生产耗水状况，模拟结果表明，在河北山前平原地区，冬小麦生育期内的降水量远远低于冬小麦的耗水量，冬小麦—夏玉米一年两熟制这一耗水严重的种植制度不利于河北山前平原水资源的持续利用，河北山前平原地区种植制度的调整势在必行。

此外，APSIM模型无法考虑病虫害的影响，同时由于一些人为因素和自然灾害的缘故，实测数据资料出现了偏差，这些均在一定程度上降低了APSIM模型的模拟精度。但从总体上看，这对APSIM模型的整体模拟效果影响不大，APSIM模型在河北山前平原产量水平、水资源消耗的模拟研究上仍然有较好的适应性。