基于APSIM 模型探讨耕作措施对春小麦产量的影响①

2020-12-10马楚奇茹晓雅

热带农业工程 2020年2期

马楚奇李广王钧茹晓雅

（甘肃农业大学信息科学技术学院甘肃兰州 730070）

黄土结构疏松、多孔性、富垂直节理，易被流水侵蚀。保护耕作措施被认为能有效解决水土流失问题，进而维持稳定的生态环境，减少黄土高原地区的生态损失与经济损失[1]。前人对保护性耕作措施在土壤与作物方面做了大量研究，如研究不同耕作措施对土壤理化性质、土壤水分动态变化、土壤微生物及酶活性、土壤温室气体排放、土壤团聚体稳定性，以及团聚体中有机碳全氮全磷、土壤容重、孔隙度、土壤饱和导水率、土壤水热条件及养分状况等方面的影响[2-3]。有关降水与不同耕作措施对土壤水分与春小麦产量之间的交互机理研究较少。受限于地理位置、地域条件、试验条件等方面的不足与作物生长周期长等缺点，前人研究结果缺少大量数据样本支持[4]。作物模拟和仿真技术弥补了这一缺陷，并成为现代农业研究的重要课题与时代趋势。目前主要的土壤贮水保墒预测模型有多元回归模型、土壤水动力模型以及作物模型等。APSIM（Agricultural Production System Simulator）模型被认为在模拟作物动态生长变化过程中模拟效果较好，国内学者已对其进行本土化的验证与调试[5]。为探究降水与不同耕作措施对土壤水分、土壤水分利用效率和春小麦产量之间的交互机理，本研究于2017 ～2018 年在典型黄土丘陵沟壑区的定西试验点进行试验。运用大田试验数据对APSIM 模型本土化，模拟1971 ～2018 年降水与四种耕作措施（T，TS，NT，NTS）下土壤水分的动态变化与小麦产量，分析不同降水与耕作措施下土壤水分的差异及小麦产量之间的内在规律，以提高黄土丘陵沟壑区农作物水分利用效率（WUE）与作物产量，为耕地的可持续化生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

甘肃省定西市安定区李家堡乡（34°26′～35°35′E，103°52′～105°13′N，海拔2 000 m）为典型黄土丘陵沟壑区。黄绵土，典型雨养农业区，年际降雨量变异系数为18.02%。1971 ～2018 年年均降水量约375.44 mm。年均气温6.4 ℃，无霜期平均140 d。试验采用定西地区常用4种耕作措施，分别为传统耕作（T）、免耕（NT）、传统耕作+小麦秸秆覆盖（TS）和免耕+小麦秸秆覆盖（NTS）。播种日期为3 月15 日，肥料在播种前一次性施入土壤，不用农家肥，氮肥均为尿素（105 kg/hm2，含纯N 46%），磷肥均为普通过磷酸钙（105 kg/hm2，含P2O512%）。供试作物为‘定西42 号’，播量187.5 kg/hm2，播种深度30 mm，秸秆覆盖量为4 000 kg/hm2，行距0.25 m，除锄草外无其他作业。

1.2 数据来源与处理

APSIM 模型中的作物品种数据与生理数据源于李广等早期研究模拟校正数据。1971 ～2018 年气象资料由定西水保所气象观测站自动测定。土壤水分与产量数据来源于2017～2018年大田实测数据。运用Microsoft Excel 2016 软件对数据初步整理和处理，通过Origin 9.0 软件对模拟值与实测值进行相关性分析和回归方程分析并作图，使用SPSS 软件对数据进行频率统计分析、方差分析挖掘数据间内在规律。根据全年降雨量的不同将1971 ～2018 年48年划分为干旱年、平水年和丰水年3 种年型。降水年型划分中DI为干旱指数，PAn为年降雨量（mm），M1为1971 ～2018 年年平均降雨量（mm），σ为标准差，计算公式为：DI=（PAn-M1）/σ。运用变异系数（Coeffcient of variationCV）对土壤体积含水量与产量的稳定性进行分析，该系数可衡量同一品种作物不同年份间的变异程度，σ 为标准差；Smean为平均土壤体积含水量，计算公式为：CV= σ /Smean。运用可持续性采用可持续指标（Sustainable indexSI）对土壤体积含水量、产量进行分析，Smax为所有年份中土壤含水量的最大值，计算公式为：SI= （Smean-σ） /Smax。

1.3 模型参数设置与校准检验方法

根据2017 ～2018 年大田实测数据设置APSIM 小麦参数，收获期以模型模拟为准。在模拟各个处理过程中，除耕作措施因素发生改变，其他田间管理措施参数、作物参数与土壤参数均不变。基于剩余误差的标准统计方法，研究实测值和模拟值之间内在联系；采用归一化均方根误差（NRMSE）和模型有效性指标（ME）对模型的性能进行评价。

2 结果与分析

2.1 模型的校准与验证

研究表明模拟与实测的土壤含水量呈显著正相关，R2为0.959 ～0.973，归一化均方根误差NRMSE为5.563%～9.892%，模型有效参数ME为0.991 ～0.999。模拟结果表明，APSIM 模型模拟土壤水分有较高的准确性。

2.2 不同年型处理下耕作措施与日平均降雨量、日平均土壤含水量规律分析

研究表明，日平均土壤含水量的分布趋势随年降雨量的不同呈显著差异。依据土壤含水量的变化特点可以分为稳定期（1 ～120 d）、变化期（121 ～270 d）、回落期（271 ～365 d）。稳定期土壤体积含水量变化不大，波动范围在4.14%～15.42%；变化期土壤体积含水量变化最大，波动范围在41.79%～99.34%；回落期土壤体积含水量变化程度为18.48%～24.10%。在稳定期下，干旱年、平水年与丰水年的土壤体积含水量波动状况为14.72%、5.11%和4.27%。在变化期下，干旱年、平水年和丰水年的土壤体积含水量波动状况为98.99%、42.11%和56.12%。在回落期下，干旱年、平水年与丰水年的土壤体积含水量波动状况为23.89%、19.01%和18.59%。耕作措施对土壤体积含水量的影响为NTS＞TS＞NT、T。在干旱年，耕作措施对土壤体积含水量的影响为NTS＞TS＞NT、T。在平水年，耕作措施对土壤体积含水量的影响为NTS、TS＞T、NT。在丰水年，耕作措施对土壤体积含水量的影响为NTS＞TS＞T＞NT。因此在黄土丘陵沟壑区最佳的耕作措施为NTS。降雨主要集中在6 ～8 月；在干旱年降雨主要集中在7 ～8 月；平水年降雨主要集中在5 ～8 月；而丰水年降雨主要集中在4 ～8 月，以强降雨为主。

2.3 不同耕作措施对土壤含水率、水分利用率与产量的影响

NTS 有保持土壤水分的作用。研究结果表明，NTS 处理下的土壤含水率均大于TS、T、NT 其值分别为15.24%、14.82%、14.73%、14.63%；4 种耕作措施下土壤含水率的CV 值为NTS、T＜TS＜NT 分别为0.14、0.14、0.15、0.16，CV 值越小土壤含水率越稳定；4 种耕作措施下土壤含水率的SI 值为NT＞NTS、T＞TS 分别为0.76、0.73、0.73、0.72，指数越高土壤含水率的稳定性和持续性越好。虽然NTS 的SI 指数略低于NT，但CV系数较其他处理更稳定，并且其保水作用显著高于其他处理。NTS 有增产效果，并且稳定性与持续性好。NTS 处理下的产量均大于TS、T、NT，分别为1 025.473、1 006.93、967.003，965.313 kg/hm2；4 种耕作措施下产量的CV 值为NTS、TS＜NT＜T 分别为0.55、0.55、0.57、0.58；4 种耕作措施下土壤含水率的SI 值为NTS、NT＜ T＜TS 分别为0.22、0.22、0.23、0.24；结果表明，NTS 处理下的产量均高于其他处理，并且其CV 值和SI 值均优于其他处理。NTS 处理下，水分利用率高。四种耕作措施下产量的WUE 值为NTS ＞T＞TS＞NT 分别为6.12、6.00、5.78、5.76；结果表明，NTS 处理下的WUE 均大于TS、T、NT。

3 讨论

研究结果表明APSIM 模型可以有效模拟小麦的产量与土壤含水率。土壤含水量能极显著地影响春小麦的生长发育。黄土丘陵沟壑区在稳定期降雨少，土壤水无稳定补充来源；温度低，使土壤中的水分不易散发；作物生长缓慢或是停止生长，对土壤水分需求不大，因此在稳定期土壤体积含水量波动不大。在变化期，温度升高，地表水分蒸发；作物进行蒸腾作用，需从土壤中吸收大量的水分，而此时降水相对较少，土壤水分补偿量小于土壤水分消耗量，因此出现土壤水分减少现象。随着降雨量的增加以及作物成熟对水分需求量减少，土壤水分补偿量大于土壤水分消耗量，进而土壤水分增加。干旱年降水主要集中在210 ～270 d，此时春小麦生长变缓，对土壤水分需求下降，补偿量大于消耗量，因此在250 d 前后达到土壤水分最高值。丰水年降水主要集中在150 ～210 d，温度高、作物需水量大，使土壤水分并未出现明显上升；而在210 ～270 d，降水量减少，因而在此期间干旱年的土壤含水量大于丰水年土壤含水量。在271 ～365 d 的回落期，由于降水量减少，导致土壤体积含水量下降。高鹏程[6]等研究表明，土壤水分不仅受降雨的影响，温度升高也会导致土壤最大有效含水量降低。

通过试验发现，NTS 为保持土壤体积含水量最佳耕作措施。在平水年和干旱年，四种耕作措施对土壤体积含水量的影响程度分别为NTS ＞ TS、NT ＞ T，表明秸秆覆盖可提高土壤含水量，且NT处理较T 处理保水效果更好；NTS 有增产效果，并且稳定性与持续性好。NTS 处理下，土壤水分利用率比其他处理高。殷文等[7]研究结果表明，少耕秸秆还田可降低春小麦田耗水量，具有抑制土壤蒸发，减小棵间蒸发占总耗水量（E/ET）的比重，提高水分利用有效性的作用。

本文仅对降雨和不同耕作措施对小麦地的土壤体积含水量的影响进行分析，并未对作物蒸腾作用与温度对土壤含水量的影响等方面进行研究和验证。其次，本文仅使用APSIM 模型模拟降水和不同耕作处理对土壤含水量的影响，在模型模拟过程中忽略田间杂草管理、病虫害、土壤养分等情况及其差异性对土壤含水量的影响；温度、作物品种变化和作物生育期需水量等因素对土壤含水量的影响需要后续进一步探讨。