基于APSIM 模型的黄土旱塬区苜蓿——小麦轮作系统深层土壤水分及水分利用效率研究

古丽娜扎尔·艾力，陶海宁，王自奎，沈禹颖

（兰州大学草地农业科技学院，草地农业生态系统国家重点实验室，草业科学国家级实验教学示范中心，甘肃兰州730020）

黄土旱塬区地处黄土高原中部和南部，属于半湿润和半干旱气候类型区，降水较少且年际和年内分布不均［1−2］，是我国典型的旱作农业区。该区土质疏松，生态环境脆弱，高强度耕作、不完善的种植制度和粗放的农业管理等使得农业资源利用效率低、土壤退化严重［3］。紫花苜蓿（Medicago sativa）是世界上栽培历史最悠久、种植面积最广泛的深根系多年生豆科牧草，具有良好的生态适应性和较高的经济价值。与粮食作物相比，紫花苜蓿覆盖度大且覆盖地表时间长，可有效减少土壤水分无效蒸发和地表径流、固持土壤，具有良好的水土保持功能；此外，被誉为牧草之王的紫花苜蓿营养价值高、适口性好、产量较高，是黄土高原地区粮改饲和发展草食畜牧业的主栽饲草［4−5］。但由于紫花苜蓿属于多年生深根系植物，耗水量高，随着多年连续种植，深层土壤水分会出现强烈亏缺，土壤干燥化普遍发生。土壤水分含量的减少进一步使得苜蓿生长逐渐趋缓，产草量持续下降，最终出现严重的苜蓿草地退化现象，并制约后续植被或作物生长［6−8］。因此，如何有效利用苜蓿的生产及生态保护优势，而有效防止和治理其引起的深层土壤水分过耗，是旱塬区苜蓿种植中需要解决的重要问题。

草田轮作是一种重要的粮食和饲草作物协调种植的生产模式，是可持续性农业生产系统中的一个重要组成部分，粮草并重、农牧结合是世界许多发达国家实行的农业生产模式［9］。研究发现通过与耗水量较小的粮食作物轮作，能够缓解和恢复苜蓿草地的水分过耗状况［10］，并随着种植作物年限的延长，土壤水分恢复深度加深，土壤干燥化程度降低［11］。因此研究苜蓿不同轮作周期对苜蓿草地土壤水分的恢复效应具有重要的现实指导意义。苜蓿和冬小麦（Triticum aestivum）分别是黄土旱塬区最重要的饲草和粮食作物，苜蓿−小麦轮作系统是当地普遍采用的一种草田轮作模式，由于轮作周期较长，不同轮作周期对系统土壤水分环境和生产效率的试验研究较少。作物生长模型已广泛运用在农业生产系统研究中，在作物栽培优化管理、气候变化对粮食生产影响效应的预测、区域粮食安全评估等方面发挥着日益重要的作用［12］。农业生产系统模拟模型（agricultural production systems simulator，APSIM）是澳大利亚联邦科工组织研发的作物生长系统模拟模型，在世界各地得到了广泛的应用，其在我国黄土旱塬区也已经被校准、验证和应用［13−14］。

基于上述背景和研究进展，本研究的目的是在黄土旱塬区长期试验数据的基础上，首先验证APSIM 模型模拟长周期苜蓿连作和苜蓿−小麦轮作系统深层土壤水分和苜蓿产量的可行性，然后在模型的基础上评估不同轮作模式对农田深层土壤水分、生产力及水分利用效率的影响，以期为黄土旱塬区苜蓿高效持续生产和农业结构优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄土高原南部的黄土旱塬区，本研究选择黄土旱塬区具有长期观测数据的3 个研究站，分别为位于董志塬的甘肃省庆阳市西峰区研究站（兰州大学庆阳试验站，35°39′N，107°51′E，海拔1297 m）、庆阳市镇原县研究站（甘肃省农业科学院镇原试验站，35°30′N，107°29′E，海拔1279 m）及位于渭北旱塬的陕西省长武县研究站（西北农林科技大学长武试验站，35°12′N，107°41′E，海拔1220 m）。3 个研究站相互之间的直线距离在50 km 以内，气象和土壤信息极为接近。不同研究区不同时期的多年平均降水量为540～579 mm，年均气温为9.1～10.0 ℃。土壤类型为黑垆土，0～10 m 土层土壤质地均为粉壤土，粉粒含量60%～70%，黏粒含量在20%～30%，砂粒含量小于10%。土壤田间持水量在28%～30%，凋萎系数在9%～13%。

本研究在模型验证和轮作情景分析中使用的气象数据均为从国家气象数据共享网下载的1981−2018 年西峰的气象资料，由于西峰距离3 个站点的距离均较近，所以气象数据对模型模拟结果的误差可忽略。如图1 所示，西峰站的年降水量为333.8～828.2 mm，38 年平均降水量为543.1 mm。年均气温自1981 年以来以每年0.067 ℃的速度持续升高，最低年均温出现在1984 年，为8.0 ℃，最高年均温出现在2013 年，高达11.6 ℃，38 年平均温度为10.0 ℃。

图1 甘肃省庆阳市西峰区气象站1981-2018 年降水量及年均气温的变化趋势Fig.1 Annual precipitation and mean temperature from1981 to 2018 at Xifeng meteorological station

1.2 研究数据的获取

本研究从3 个研究站开展的试验中选择6 个较为完整的苜蓿连作试验及苜蓿−作物轮作长期试验数据。庆阳试验站的数据从试验站数据库中获取，其他研究站的试验数据通过Getdata Graph Digitizer 软件（版本2.24）从已经发表文献的图表中获取。本研究选取的6 个试验的地点、试验类型、试验年限、获取的主要数据、数据用途以及数据来源等信息列于表1 中。

表1 黄土旱塬区苜蓿连作及苜蓿-作物轮作试验信息Table 1 Information about the continuous alfalfa and alfalfa-wheat rotation experiment

1.3 APSIM 模型参数校准及验证

APSIM 模型所需要输入的参数包括气象参数、土壤参数、作物生长参数、管理参数等。气象参数包括逐日太阳辐射量、最高气温、最低气温、降水量等，数据根据国家气象数据共享网下载的西峰站气象资料计算。土壤参数，包括土壤水分参数（各土层容重、体积含水量、田间持水量、萎蔫系数、作物有效水分下限、作物可利用水量）和土壤关键养分参数（有机质和初始含氮量）。APSIM 所采用的分层土壤水量平衡模块是在PERFECT 模型的基础上发展的，假定当某土层含水量小于田间持水量时，非饱和水分在相邻土层中的运动用Richard 方程描述；当土壤含水量达到田间持水量后，饱和水分将移向下层。作物参数，包括作物主要各生育期有效积温、光能利用效率、光周期系数、最大植株高度及最大潜在收获指数等。模型的输出数据包括作物生长过程、产量和土壤水分养分平衡等各种指标。

陇东地区常用的小麦品种为西峰24 号，苜蓿品种为陇东苜蓿，小麦和苜蓿的作物参数是沈禹颖［19］和Chen等［20］根据庆阳研究区的试验数据校准的，后来被写入APSIM−小麦模型的作物参数库中。西峰24 冬小麦从播种到开始灌浆所需积温为617.5 ℃·d−1，灌浆至成熟所需积温为650 ℃·d−1，春化作用系数设置为2.0，光周期系数设置为2.0，最大株高设置为1500 mm。陇东紫花苜蓿出苗到幼苗期结束所需积温为700 ℃·d−1，从幼苗期结束到初花期所需积温为660 ℃·d−1，初花期到花期积温260 ℃·d−1，最大株高为500 mm，最大潜在收获指数为1.0。陇东紫花苜蓿辐射利用效率由默认值降低为生长期 0.6 g·MJ−1、开花初期 0.6 g·MJ−1、盛花期 0.5 g·MJ−1。

模型的可靠性使用实测值和模拟值回归关系的决定系数（determination of coefficient，R2）、相对误差（relative error，RE）、平均绝对误差（mean absolute error，MAE）、均方根误差（root mean square error，RMSE）以及归一化均方根误差（normalized root mean square error，NRMSE）等几个参数量化，计算公式为：

1.4 轮作情景设置

根据黄土旱塬区农业生产实践，苜蓿在轮作系统中的轮作周期一般在2～20 年，大于20 年的苜蓿草地产量低，实践中较少使用。所以苜蓿的轮作周期以2 年为梯度，共设计了9 个周期处理。小麦也设计了相应的9 个处理，共81 个轮作情景（表2），以研究轮作系统的产量和水分利用效率随苜蓿的轮作周期及小麦轮作周期的变化趋势。研究使用1981−2018 年的气象数据，所以38 年中18 年苜蓿轮作18 年小麦的模式轮作次数最少，为1.06次，而2 年苜蓿轮作2 年小麦的模式轮作次数最多，为9.5 次。在情景模拟结果分析中，将38 年苜蓿或者小麦的产量、耗水量等进行平均，按年均值计算系统的产量、耗水量及水分利用效率等指标。

表2 苜蓿-小麦轮作系统轮作周期情景设置Table 2 Scenarios of rotation phases in the alfalfa and wheat rotation systems

2 结果与分析

2.1 产量的验证

利用庆阳研究区2001−2010 年轮作试验中冬小麦和苜蓿的产量，验证了APSIM 模型模拟冬小麦和短期连作苜蓿产量的有效性。冬小麦和紫花苜蓿产量模拟值与实测值之间线性回归关系的决定系数R2分别为0.93 和0.77。归一化均方根误差（NRMSE）主要反映模型对高值的模拟效果，2 种作物产量对应的NRMSE 分别为11.4%和22.4%。所以，APSIM 模型可以有效地模拟研究区西峰24 冬小麦和陇东紫花苜蓿的产量。

利用镇远不同年份苜蓿的产量和长武长期连作苜蓿的产量验证APSIM 模型模拟长期种植条件下苜蓿产量的可靠性。如图2 所示，模型在镇原地区的模拟效果很好，准确地反映了苜蓿的产量随种植年限的变化趋势，3～8 年生苜蓿的年产量为 8～10 t·hm−2，而 10 年龄以后的苜蓿产量在 6 t·hm−2以下。长武连作试验中，APSIM 模型在第1、2 和9 年模拟误差较大，其他年份表现均较好。1～8 年生苜蓿的产量较高，9 年之后产量急剧下降。综合两个地方的模拟结果，模拟值和实测值回归线的决定系数为0.65，RMSE 和MAE 分别为0.23 和0.17 t·hm−2，NRMSE 为29.2%。

图2 黄土旱塬区长期连作苜蓿干物质产量实测值与模拟值的比较Fig.2 Comparison of measured and simulated alfalfa biomass production on the dryland of Loess Plateau

2.2 深层土壤水分的验证

通过对镇原和长武地区连作苜蓿地0～1000 mm 土壤水分的实测值和APSIM 模型模拟值的比较发现（图3），镇原 3～26 年生苜蓿地土壤剖面 0～500 mm 土壤水分在取样期均低于 0.2 cm3·cm−3。3～4 年生苜蓿 500～1000 mm 土层土壤水分大于 0.2 cm3·cm−3，6～8 年生苜蓿土壤水分大致分布在 0.15～0.20 cm3·cm−3，而 12、18 和26 年生苜蓿1～1000 mm 整个土层的土壤水分基本稳定在0.15 cm3·cm−3左右，为苜蓿可利用水分的最低值。长武连作苜蓿地的土壤水分表现出了相同的趋势，随苜蓿年龄的增大深层土壤水分不断降低，6 年以后200～1000 mm 土层的土壤水分基本稳定在0.15 cm3·cm−3左右。两个地区模拟值和实测值吻合程度很好，APSIM 模型准确模拟出了不同年龄苜蓿地不同土层的土壤水分。图4 显示了各土层实测值与模拟值的散点图，可以看出所有散点均匀分布在1∶1 线两侧，说明模型总体模拟效果较好。统计结果表明，模拟值与实测值回归线的决定系数为0.730，模 拟 值 的 RMSE、MAE 及 NRMSE 分 别 为 0.021 t·hm−2、0.017 t·hm−2和 11.7%，模 拟 精 度 较 高 。 所 以APSIM 模型的作物模块及土壤水分运动模块均可精确地模拟长期连作苜蓿地深层土壤水分动态。

图3 黄土旱塬区连作苜蓿地0~1000 cm 土壤水分的实测值和APSIM 模型模拟值的比较Fig.3 Measured and simulated soil water content in the 0-1000 cm soil layer in alfalfa field on the dryland of Loess Plateau

图4 黄土旱塬区连作苜蓿地0~1000 cm 土壤水分的实测值和APSIM 模型模拟值的比较Fig. 4 Measured and simulated soil water content in the 0-1000 cm soil layer in alfalfa field on the dryland of Loess Plateau

由镇原地区8 年苜蓿轮作3 年作物、12 年苜蓿轮作15 年作物、13 年苜蓿轮作4 年作物及11 年苜蓿轮作10 年作物之后土壤水分的分布状况可知（图5a～d），轮作3 年之后，0～400 cm 的土壤水分恢复到0.25 cm3·cm−3左右，400～700 cm 的水分也恢复0.2 cm3·cm−3左右。轮作15 年以后的处理，整个0～700 cm 剖面的水分恢复到0.25～0.30 cm3·cm−3。13 年苜蓿轮作4 年作物以及11 年苜蓿轮作10 年作物以后，深层土壤水分依然都没有得到恢复，在0.15 cm3·cm−3左右。由图5e～h 可知，轮作1 年小麦之后，50～300 cm 的水分没有得到恢复，但是休闲1 年以后200 cm 以上的水分基本都恢复到了0.2 cm3·cm−3以上。轮作和休闲2 年以后，200 cm 以上的水分恢复到0.25～0.30 cm3·cm−3，休闲地深层的水分也得到了恢复，但是轮作小麦地250～300 cm 的水分依然没有恢复。两个地区不同土层模拟值和实测值吻合程度都很好，表明模型准确模拟出了不同年限轮作或休闲以后苜蓿地的土壤水分。

图5 黄土旱塬区苜蓿-作物轮作地0~1000 cm 土壤水分的实测值和APSIM 模型模拟值的比较Fig. 5 Measured and simulated soil water content in the 0-1000 cm soil layer in alfalfa and grain crops rotation field on the dryland of Loess Plateau

图6 显示了苜蓿地轮作作物及休闲以后各土层实测值与模拟值的散点图，从图中可以看出所有散点依然均匀分布在1∶1 线两侧，说明APSIM 模拟长期轮作系统土壤水分的模拟效果较好。统计结果表明，模拟值与实测值回归线的决定系数为 0.834，模拟值的 RMSE、MAE 及 NRMSE 分别为 0.024 t·hm−2、0.018 t·hm−2和 11.8%，模拟精度较高。

图6 黄土旱塬区苜蓿-小麦轮作地0~1000 mm 土壤水分的实测值和APSIM 模型模拟值的比较Fig. 6 Measured and simulated soil water content in the 0-1000 mm soil layer in alfalfa and grain crops rotation on the dryland of Loess Plateau

2.3 轮作周期情景分析

图7 显示了81 个苜蓿−小麦轮作周期下轮作38 年后0～1000 cm 剖面土壤水分的分布。苜蓿轮作2 年的9 个处理土壤剖面的水分都在0.25～0.30 cm3·cm−3。苜蓿轮作周期为4 年的处理出现了土壤水分小于0.20 cm3·cm−3的 区 域以 及 水 分极 度 缺 乏（0.10～0.15 cm3·cm−3，图中蓝色区域）的区域，轮作小麦为 2、4、6 年时在400～500 cm 的土层出现了极低值，随着小麦轮作年限的增加，极低区域消失。随着苜蓿轮作年限的增加，水分极度缺乏的区域不断扩大，当苜蓿轮作年限大于12 年时，所有与不同小麦轮作周期的9 个处理（L12W2～18）都出现了大范围水分缺乏。需要指出的是，所有处理0～200 cm 土层的水分都大于0.20 cm3·cm−3，深层的极度干燥化可能不会影响浅根系作物的种植与生长。

图7 黄土旱塬区不同苜蓿-小麦轮作周期下轮作38 年后0~1000 cm 剖面土壤水分的分布Fig. 7 Soil water content distribution in the 0-1000 cm soil layer in alfalfa-wheat rotation field with different rotation patterns on the dryland of Loess Plateau

图8 显示了不同苜蓿−小麦轮作周期下轮作38年平均干物质产量，氮素吸收和水分利用效率。干物质产量随着苜蓿轮作周期的增加而增加，苜蓿轮作12 年以后，干物质产量随着苜蓿轮作周期的增加不断减小，同一苜蓿轮作周期内，随着小麦轮作周期的增加总干物质先增加后减小。最高干物质产量出现在12 年苜蓿轮作14年小麦的处理，为11333.0 kg·hm−2，其次为12 年苜蓿轮作16 年小麦及8 年苜蓿轮作16 年小麦的处理，产量分别达到了11297.0 和11227.0 kg·hm−2。而轮作系统氮素的吸收量随着苜蓿轮作周期的增加而增加，在同一苜蓿轮作周期内，随着小麦轮作周期的增加而减小，18 年苜蓿轮作2 年小麦的处理，氮素吸收量达到了最大值，为277.9 kg·hm−2。轮作系统的水分利用效率在苜蓿轮作周期为 2、4、6、8 年的处理下变化较为相似，除了小麦轮作周期为2 和4 年的处理的水分利用效率均在20 kg·hm−2·mm−1以上。苜蓿的轮作周期达到 10 年以后，系统的水分利用效率随着苜蓿轮作周期的增加不断降低。水分利用效率最高的处理为8 年苜蓿轮作16 年小麦的处理，达到 21.5 kg·hm−2·mm−1。

图8 黄土旱塬区不同苜蓿-小麦轮作周期处理38 年平均干物质产量、氮素吸收量及水分利用效率Fig. 8 Biomass yield，nitrogen uptake and soil water content in alfalfa-wheat rotation field with different rotation patterns on the dryland of Loess Plateau

3 讨论

农业系统对气候变化和耕作管理的响应是当代农业科学的重要研究主题之一，农业研究亟须结合大数据及先进技术方法解决一些田间试验较难解决的问题，为生产管理和政府决策提供依据。作为集农学、生态学、数学等基本理论与计算机技术的作物模型，可提供大量长时间尺度、多因素处理的情景数据，是农业综合研究预测有效工具［21］。相比其他的作物模型，APSIM 能定量、动态地描述作物生长、发育和产量形成的过程及其对环境变化和耕作管理的响应，具有良好的灵活性和可操作性［13］。APSIM 模型已经在黄土高原地区被用于模拟小麦、玉米、紫花苜蓿等主要作物的生产。本研究利用庆阳、镇原和长武等3 个试验点的数据验证其模拟长期苜蓿连作、苜蓿−作物轮作系统产量和深层土壤水分的可靠性。结果表明模拟作物产量的NRMSE 均小于30%，模拟土壤水分的NRMSE 均小于15%，模拟效果较好。以往研究也表明APSIM 模型模拟产量NRMSE 低于30%则表明模拟结果较好，模型在研究地区具有适应性［14］。王琳［22］应用APSIM 模型模拟华北平原冬小麦和夏玉米连作系统的产量，模拟结果的NRMSE 值为24.6%，戴彤等［23］在重庆小麦产区分析了APSIM 模型在该地区的适应性，其模拟产量与实测值间NRMSE 值也低于30%。APSIM 在模拟田间水分在不同土层之间的水分运移动态、作物水分利用和田间水分损失等方面具有较强的功能［20］。本研究也表明，APSIM 模型模拟长期连作及轮作系统深层的土壤水分的精度较好，为轮作周期的情景分析奠定了坚实的基础。土壤水分验证过程中，模型有低估长武试验站的土壤水分的趋势，可能是因为长武靠近黄土高原南部，土壤黏粒含量和凋萎系数较高，而模型输入的凋萎系数以庆阳研究站的测定数据为准，土壤参数更加贴近庆阳站和镇原站的真值。同时，我们必须注意APSIM是一个理论模型，需要大量的输入参数，包括作物参数、土壤参数和管理参数等。由于作物参数需要根据大田试验校准，本研究采用陇东旱塬区广泛使用的西峰24 号和陇东苜蓿的作物参数，可能会影响镇原和长武地区采用其他品种作物试验的产量和水分数据的验证结果。同时，采用西峰的历史气象资料可能也会对其他两个试验点的模拟结果造成误差。以后的模拟研究中，应该更加详尽的输入参数。

草田轮作具有提高农业系统稳定性和土壤肥力的效应。与冬小麦连作相比，豆禾轮作系统可提高土壤表层的有机质、全氮和碳氮比［24］。特别是将苜蓿引入粮食作物种植系统，实行草田轮作，具有挖掘土壤水库、充分利用有限水资源的优势，同时由于苜蓿的经济价值较好，可大幅提高农民的经济收入。刘沛松等［25］在黄土高原地区的研究也表明合理的籽粒作物与紫花苜蓿轮作相比连作有提升土壤有机质和土壤氮的优势。水分是黄土旱塬区限制作物生产的主要环境因子。将苜蓿引入粮食作物种植系统，实行草田轮作，具有挖掘土壤水库、充分利用有限水资源的优势，同时由于苜蓿的经济价值较好，可大幅提高农民的经济收入。例如毛桂莲等［26］评价了苜蓿连作、紫花苜蓿−玉米轮作和紫花苜蓿−高粱（Sorghum bicolor）轮作的水分利用效率和产量，结果表明轮作系统的水分利用效率比连作平均增加0.98 倍。苜蓿轮作周期过长其效应类似于苜蓿长期连作，所以轮作系统中苜蓿的生长年限不能过长，苜蓿的产量会随着年龄逐渐下降，并且苜蓿长期加入会大幅降低土壤贮水，降低作物系统应对干旱的能力。本研究通过模拟黄土旱塬区长期轮作系统产量和水分动态表明，当苜蓿加入年限大于10 年以后，系统的水分利用效率逐渐降低。苜蓿的蛋白质含量较高，所以苜蓿轮作周期较长的系统吸氮量较高，其经济价值也较高。但是高经济收益是建立在消耗大量土壤贮水的基础上的，土壤深层干燥化可能对旱塬区生态环境和流域水循环具有潜在的危害，农业生产中应当尽量避免和消除［27−28］。综合土壤剖面水分、产量和水分利用效率，本研究建议苜蓿的轮作周期为4～6 年，小麦轮作年限大于4 年但不要超过10 年。轮作模式的选择需要考虑系统产量和经济收益，也要兼顾资源利用的可持续性，以后的研究应针对不同区域社会经济状况、自然资源条件等提出高效持续的苜蓿−粮食作物轮作管理模式。

4 结论

1）APSIM 模拟黄土旱塬区苜蓿长期连续种植产量的精度较高，长武和镇原所有苜蓿产量数据模拟值和实测值的R2为 0.65，RMSE、MAE 分别为 0.23 t·hm−2和 0.17 t·hm−2，NRMSE 为 29.2%，MRE 为 7.9%。

2）APSIM 模拟长武、镇原和庆阳3 个研究区苜蓿长期连作农田0～1000 cm 的土壤含水量的R2为0.73，RMSE、MAE 及 NRMSE 分别为 0.021 t·hm−2、0.017 t·hm−2和 11.7%；模拟 3 个研究区苜蓿后茬轮作不同年限粮食作物农田 0～1000 cm 的土壤含水量R2为 0.83，RMSE、MAE 及 NRMSE 分别为 0.024 t·hm−2、0.018 t·hm−2和11.8%。

3）随着苜蓿在系统中轮作年限的增加，0～1000 cm 土壤剖面干燥化区不断扩大，当苜蓿轮作年限大于12 年时，所有轮作周期的处理都出现了大范围土壤干燥化。

4）12 年苜蓿轮作 14 年小麦（L12W14）、L12W16 和 L8W16 等 3 个处理的总产量最大，系统中苜蓿轮作周期大于8 年以后系统水分利用效率随着苜蓿轮作年限的增加不断能降低。综合考虑土壤水分环境和水分利用效率，建议研究区苜蓿−小麦轮作系统中苜蓿轮作年限为4～6 年，小麦轮作年限大于4 年。