基于APSIM模型的旱地春小麦生育期的播期和耕作效应分析

雒翠萍，聂志刚，王 钧，董莉霞，逯玉兰，李 广

(1.甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃兰州 730070；2.甘肃农业大学林学院，甘肃兰州 730070)

小麦从播种到成熟的生长发育是产量形成的基础，全生育期持续时间与最终产量密切相关[1]，因而小麦生育期是小麦生产实践和科学研究关注的一个重要内容。随着信息技术的快速发展，作物模型作为定量分析农作物生产调控的方法已得到广泛应用。不同的生育时期作物生理和形态性状表现出不同的特征，各生长阶段持续天数的准确量化也是利用作物模型进行模拟研究的基础。RiceGrow水稻生长模拟模型以生理发育时间作为定量分析水稻发育进程的通用尺度，描述了温度、光周期及品种遗传特性的共同作用对小麦生理发育时间的影响[2]。CERES-Wheat模型中作物生育阶段模拟包括了春化作用和光周期的调节，以取最小值法计算光温系数间的互作效应[3]。ORYZA2000水稻生育期模型采用生育阶段作为衡量水稻发育进程的尺度，由每日发育速率累积形成，充分量化了温度、光周期、移栽及品种遗传特性对发育的影响及因素间的相互关系[4]。众多学者因地制宜构建作物生育期模型，为当地农作物生产的预测调控提供了决策依据。APSIM(agricultural production systems simulator)模型以作物属性模块(APSIM-Wheat)为通用作物生长模拟框架[5]，依据研究区作物生长阶段生理生态特性进行APSIM-Wheat模块参数本土化率定，并以研究区土壤参数库为基础，气象参数库为驱动，实现作物生长发育过程的动态模拟。近些年来，APSIM模型在黄土丘陵区春小麦生长模拟适用性及气候变化效应分析的研究中取得了一定成果[6-7]，但是在该区域利用模型开展旱地春小麦全生育期和各生长阶段持续天数机理的研究报道较少。本研究依据甘肃省定西市安定区凤翔镇安家沟村2015-2016年大田试验数据及研究区1971-2017年气象资料，对APSIM中与旱地春小麦全生育期相关的参数进行本土化率定，开展不同播期和耕作措施对旱地春小麦全生育期的影响分析，以期为旱地春小麦各生长阶段持续天数的预测及小麦生产应对气候的变化提供一定的技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验概况

2015-2016年在甘肃省定西市安定区凤翔镇安家沟村进行大田试验。试验区为黄土丘陵典型雨养农业区，海拔1 980 m，属中温带半干旱气候；光照充足，年均日照时数2 408.6 h；年均气温6.4 ℃，年均≥10 ℃积温2 239.1 ℃；多年平均降雨量385.0 mm，降水量季节分配不均。

供试春小麦品种为甘春32号，播种量187.5 kg·hm-2，免耕播种机播种，播深7 cm，行距25 cm。试验采用随机区组设计，除试验因素外其他田间管理同普通大田，基肥在播种时一次性施入，7月下旬收获。试验共设3个播期处理，分别是3月19日正常播期(NSW)、3月6日早播(ESW)、3月30日晚播(LSW)；设4种耕作措施，分别是传统耕作(T)、传统耕作+秸秆覆盖(TS)、免耕(NT)和免耕+秸秆覆盖(NTS)。小区面积 24 m2(6 m×4 m)，3次重复，边行外设0.5 m宽保护带。

1.2 数据来源

APSIM模型气象参数库(Dingxi.met)中逐日数据包括太阳辐射、最高气温、最低气温和降水量。数据来源于甘肃省气象局的定西市安定区1971-2017年资料，太阳辐射利用日照时间转换计算法计算[6]。

APSIM模型土壤参数库(Dingxi.soils)借鉴李广等[6]在黄土丘陵区APSIM适用性研究中长期积累的研究区土壤属性数据，结合大田测定数据组建。APSIM-Wheat模块控制文件(Wheat.xml)中待测参数包括春小麦种子萌发阶段(播种-出苗)、幼苗阶段(出苗-拔节)、器官建成阶段(拔节-开花)以及籽粒形成阶段(开花-成熟)植株茎和叶片氮素含量。采用半微量凯氏定氮法[8]，在春小麦各生长阶段3次采样测定的植株茎和叶片氮素平均含量分别为1.08%和1.15%(出苗-拔节)、2.77%和3.47%(拔节-开花)、1.23%和1.95%(开花-成熟)。

APSIM-Wheat模块控制文件(Wheat.xml)中待估计参数借鉴李广等[6]前期积累的作物属性数据，并基于田间试验，通过穷举试错法反复手动修改和校准得到本土化作物基本属性参数(表1)。其中，春小麦种子萌发阶段、幼苗阶段、器官建成阶段及籽粒形成阶段有效积温利用基本温度、日均温度计算，将一天划分8个温度段估算日均温度。APSIM模型以各生长阶段累积积温为依据，通过达到累积积温来预测春小麦某一生长阶段持续天数。在模型组件“padock”的耕作措施工具包“Manage folder”下菜单“Crop Management”设置与大田试验相对应的4种耕作措施，在表层覆盖工具包“Surface Organic Matter”设置与大田试验相对应的秸秆覆盖量(2 250 kg·hm-2)。

表1 APSIM平台中供试小麦基本属性参数

1.3 模型构建

APSIM模型中对作物生长阶段持续天数的模拟是基于作物完成某一生长阶段积温恒定原理，假设在理想条件下，春小麦生长阶段的累积积温达到潜在最大值，采用光周期效应、春化作用以及水分、氮素胁迫的限制来修正累积积温。APSIM模型中对旱地春小麦全生育期描述的表达式[9]如下：

TT=∑[△TT×min(fD,fV) ×min(fW,pheno,fN,pheno)]

(1)

式中，TT为某生育阶段的累积积温。考虑到的小麦品种遗传特性主要包括春化作用(fV)和光周期效应(fD)，环境因素主要包括水分亏缺(fW,pheno)和氮素胁迫(fN,pheno)。

(2)

Tc=(Tcmax+Tcmin)/2

(3)

(4)

(5)

式中，△TT为日积温；Tc、Tcmax和Tcmin为日积温算子平均值、最大值和最小值，日积温算子与温度的关系借鉴Ritchie等[10]在CERES-Wheat模型中关于日积温的计算经验，其中Tmax和Tmin为日最高温和日最低温，来源于气象参数库(Dingxi.met)。

推荐理由:作者曾获以色列布伦纳奖、以色列总理奖、美国犹太图书奖等奖项，这部小说被他视为自己创作成熟的标志。中文译本首次出版。小说讲述了1930年代巴勒斯坦的一个小村庄里，朱迪斯与她的三个爱慕者之间发生的故事。作者从宗教故事和神话传说中汲取灵感，并融入犹太乡村的风土人情，用魔幻现实主义的高超技法，将这个《雅歌》般的传奇娓娓道来。

fD=1-0.02×Rp×(20-Lp)2

(6)

式中，fD为光周期敏感度因子，描述了幼苗阶段光周期效应对生长阶段持续天数的影响，其他生育阶段无影响，即取值为1；Rp为光周期敏感度；Lp为日照时长(h)，取值于气象数据库Dingxi.met。

fv=1-(0.00545Rv+0.0003)(50-V)

(7)

V=∑(△V-△Vd)

(8)

△V=min{1.4-0.0778Tc,0.5+13.44×[Tc/(Tmax-Tmin+3)2]}

Tmax<30 ℃ andTmin<15 ℃

(9)

△Vd=min[0.5×(Tmax-30),V]

(10)

式中，fV为春化作用敏感度因子，描述了幼苗阶段春化作用对生长阶段持续天数的影响，其他生长阶段无影响，即取值为1；RV为春化作用敏感度；V为总春化，通过累加幼苗阶段日春化与再春化的差值来量化总春化；△V为日春化，△Vd为再春化，当日最高温大于30 ℃并且总春化小于10，再春化作用发生。

fW,pheno=ESWactua/ESWpoten

(11)

式中，fW,pheno为水分亏缺系数，描述了种子萌发阶段，土壤有效水分对持续天数的影响，其他生长阶段无影响，即取值为1；ESWactua和ESWpoten分别为根部实际可获取的土壤水分和根部潜在可获取的土壤水分，由APSIM内部水分平衡子模型计算。

(12)

式中：fN,pheno为氮素胁迫系数，描述了氮素胁迫对生长阶段持续天数的影响，对种子萌发阶段无影响，即取值为1，其他生长阶段可根据进入植株茎和叶片的氮素含量(%)计算；CN为实际进入茎和叶片的氮素积累含量(%)。根据生长阶段的不同，由APSIM模型内部氮素平衡子模型确定CNcrit和CNmin，CNcrit为临界氮含量(%)，CNmin为茎和叶片自由生长结构性氮素需求[9]下限(%)。

1.4 模型检验方法

采用相关系数(R)和均方根误差(RMSE)、归一化均方根误差(NRMSE)对模型模拟效果进行检验。RMSE的值越小，表明模拟值与实测值之间误差越小，NRMSE控制在10%以内，表明模型的模拟有较高精度[6]。计算公式如下：

(13)

(14)

式中，YObs为实测值，YSim为模拟值，YMean为实测平均值。

2 结果与分析

2.1 模型检验

基于作物完成某一生育阶段积温恒定的原理，对1971-2017年不同播期和耕作措施下春小麦全生育期及各生长阶段持续天数进行模拟试验。相关分析表明，2015-2016年实测值(表2)与1971-2017年平均模拟值(表3)呈线性正相关，相关系数(R)大于0.9，误差控制在±15%以内；均方根误差(RMSE)为0.7～3.0 d，归一化均方根误差(NRMSE)为2.34%～6.93%，控制在10%以内(图1和图2)。这说明APSIM模型对旱地春小麦全生育期及各生长阶段持续天数的模拟有较高精度。

图1 旱地春小麦各生长阶段持续天数模拟值与实测值关系

图2 旱地春小麦全生育期模拟值与实测值关系

表2 2015-2016年旱地春小麦生长阶段持续天数实测平均值

2.2 播期和耕作措施对旱地春小麦全生育期的影响

从模拟值(表3)可以看出，播期对旱地春小麦生长发育持续天数影响显著。不同耕作措施下，早播(3月6日)的全生育持续天数最长，为136.5～138.2 d；晚播(3月30日)的全生育期持续天数最短，为116.2～120.5 d；早播与晚播之间相差16.0～22.0 d。从种子萌发阶段到器官建成阶段(播种-开花)，早播平均需要110.6～111.1 d，晚播平均需要92.8～95.0 d，早播与晚播之间差距15.6～18.3 d。耕作措施对春小麦生长阶段持续天数影响都不显著。

表3 1971-2017年旱地春小麦生长阶段持续天数模拟平均值

3 讨 论

APSIM模型基于作物完成某一生育阶段积温恒定原理，充分考虑小麦品种对春化、光周期等的遗传作用。本研究立足田间试验，依据旱地春小麦生长发育机理理论，对APSIM-Wheat中与旱地春小麦全生育期相关的待估计参数(播种-出苗积温、出苗-拔节积温、拔节-开花积温、开花-成熟积温、光周期敏感度、春化作用敏感度)，反复进行穷举试错手动校准，获得了适宜于黄土丘陵区域的旱地春小麦全生育期本土化参数集合，有效地提高了该模型对黄土丘陵区旱地春小麦各生长阶段持续天数的模拟精度，模拟结果的均方根误差(RMSE)达到0.7～3.0 d，归一化均方根误差(NRMSE)为2.34%～6.93%。模型构建中关注到了温度、水分和氮素等环境因素，但是对于土壤磷对黄土丘陵区旱地春小麦生长发育的限制，将在进一步田间试验的基础上，对模型进行 改进。

随着播期的变化，作物所处生长阶段的局部气候条件发生改变[11]，使得作物群体对光、温、水、气等气候资源的利用率产生差异[12]。本研究中，在1971-2017年旱地春小麦的种子萌发阶段，日平均温度为5.1 ℃，年均降水量为22.4 mm，年均太阳辐射量6.8 MJ·m-2，低温寡照，春小麦根系发育缓慢，早播春小麦种子萌发阶段延长；随着温度逐渐升高，春小麦根系生长活跃，晚播春小麦种子萌发阶段缩短；在种子萌发阶段，早播较晚播春小麦生长持续天数平均延长13.6～15.9 d。在幼苗阶段，日长夜短，日平均温度为12.2 ℃，年均降水量为72.5 mm，年均太阳辐射量 7.7 MJ·m-2，太阳辐射量逐渐增加，叶片光合作用延长，有利于生物量的积累，使得生长速度加快[13]，在幼苗阶段，晚播春小麦生长持续天数较早播平均缩短2.5～4.1 d。由此可见，温度、光照与旱地春小麦生育持续天数呈负相关。在籽粒形成阶段，各播期春小麦生长发育持续天数均较短，早播与晚播之间相差0.2～2.5 d，该阶段日平均温度为18.8 ℃，年均降水量为41.6 mm，年均太阳辐射量7.5 MJ·m-2，研究区降水较少，温度高，湿度低，植株正常水分代谢受限，灌浆过程缩短，生长进程加速[1]，早播和正常播小麦提早进入成熟，晚播小麦成熟期持续天数缩短，说明降水增加有利于旱地春小麦生长发育持续天数延长。随着播期的推迟，春小麦从种子萌发阶段到器官建成阶段持续天数明显减少，播期对籽粒形成阶段持续天数影响不大，这与杨文雄[1]、张凯[14]的研究结果相一致。不同耕作措施下，低温寡照会延长旱地春小麦生育持续天数，降水则具有正效应，且随着播期的推迟，生育持续天数明显减少，这与杨月[13]、李玥[15]的研究结果一致。在4种耕作措施、3个播期下春小麦各生长阶段持续天数与光、温、水的关系如图3所示。开展播期对作物生长发育持续天数的影响研究将为研究区作物应对气候变化适宜对策的选择提供一定理论 依据。

图3 4种耕作措施、3个播期下旱地春小麦各生长阶段持续天数与光、温、水的关系

黄土丘陵区域常采取的主要保护性耕作措施可分为秸秆覆盖方式(TS和NTS)和不覆盖方式(T和NT)，秸秆覆盖方式(TS和NTS)对土壤理化性能的改良效果明显，可有效提高土壤的保肥和供肥能力[16]，但光温气水等气候因素对于作物生长阶段持续天数的作用效果不明显。因此，不同播期下，耕作措施对生长发育持续天数影响都不显著。

4 结 论

基于作物完成某一生育阶段积温恒定原理，APSIM模型对旱地春小麦全生育期模拟效果较好，模拟值与实测值呈线性正相关，相关系数大于0.9，均方根误差为0.7～3.0 d，归一化均方根误差为2.34%～6.93%。从模拟结果看，随着播期的推迟，春小麦从种子萌发阶段到器官建成阶段(播种-开花)持续天数明显减少，播期对籽粒形成阶段(开花-成熟)持续天数影响不大。不同播期下，耕作措施对生长阶段持续天数影响都不 显著。