不同耕作措施下旱地春小麦产量应对气候变化的效应分析

钟应娟 董莉霞 李 广 逯玉兰 燕振刚 聂志刚 王 钧

（甘肃农业大学信息科学技术学院 甘肃兰州 730070）

气候变化对旱作雨养农业区作物生长有极大影响，近年来，气候变暖造成了小麦（Triticum aestivum）减产、经济收益低下［1］，关于作物生长模型已有较多研究，周少平等［2］利用APSIM 模型（Agricultural Production System Simulator）研究了陇东黄土高原地区玉米-小麦-大豆轮作产量和用水特性以及该地区用水动态。张建平等［3］利用世界粮食组织WOFOST （world food study）模型研究了河南省冬小麦产量灌浆过程以及干旱对产量的影响。薛佳欣等［4］利用APSIM 模型研究海河平原地区不同灌溉系统对小麦产量的影响。Araya A等［5］利用APSIM 模型模拟和评估了气候变化对埃塞俄比亚北部地区小麦产量的影响，为当地小麦制定气候变化适应战略提供了理论指导。

APSIM 模型可全面囊括耕作管理、气候因子、作物养分等生长情景，使作物研究更深入、更多元。由于黄土高原沟壑区降水量少，降水时间不均，小麦产量波动较大，因此，开展了小麦产量影响因素研究［6-8］，目前已有较多耕作措施、气候变化对小麦产量影响的研究［9-11］，但两者互作效应的研究并不多见。本文以黄土丘陵区旱地春小麦为研究对象，运用APSIM 模型定量评估耕作措施与气候变化对小麦产量的互作效应，分析不同耕作措施下小麦产量对气候变化响应的敏感性，为该地区小麦种植应对气候变化情况提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验区位于甘肃省定西市安定区李家堡镇（35°35'N，104°38'E），该区属陇中黄土高原典型无灌溉旱作农业区，年均气温为6.4 ℃，年均≥0 ℃积温为2 933.5 ℃，年均≥10 ℃积温为2 239.1 ℃，日照充足，昼夜温差大，年均降水量不足400 mm，7～9月降水占全年降水量60%以上，该区为无灌溉区，一年一熟制春小麦为主要种植作物［12］。

1.2 模型简介

APSIM 模型以土壤模块为核心，以土壤、耕作、灌溉等农田管理措施为框架，以日记录作物生长动态模拟情况，可组合架构满足多种模拟需求，近年来广泛应用于农作物生产与气候变化关系、水肥管理等方面。本研究采用APSIM V7.7版本，将APSIM-Wheat 模块本土化，根据气候、土壤、小麦属性等数据进行试验环境搭建，动态模拟耕作措施与气候条件变化对小麦产量的互作效应。

1.3 试验参数及数据处理

本研究使用1970～2017 年定西市气象观测站自动测定的气象数据。试验小麦品种为‘定西42号’，播种量为187.5 kg/hm2，行距为0.25 m，小区面积为6 m×4 m，保护行为0.5 m，3 次重复，随机区组设置。小麦生育期为3 月中旬至7 月下旬。小麦参数如表1 所示、土壤参数如表2 所示，结合前期大田试验数据［13］，采用Excel 2016 进行数据处理，用DPS 9.0 软件进行回归、通径分析，Origin 2021和Visio 2016进行绘图。

表1 ‘定西42号’小麦参数

表2 试验区土壤参数

1.4 试验设计

以1970～2017 年自然环境下降水、温度条件以及免耕管理措施作为小麦自然生长条件，以5%为梯度，逐日降水±10%范围内，或以25 ℃为梯度，逐日温度±1 ℃范围内设计5×5 正交组，分别模拟传统耕作+秸秆还田（TS）（在初次耕作时将前茬作物秸秆翻入土）；免耕（NT）（全年不耕作，使用免耕播种机一次性完成播种施肥）；免耕+秸秆覆盖（NTS）［耕作播种方法同免耕，作物收获后将前茬秸秆切碎（5 cm 左右）均匀覆盖在种植区］3 种不同耕作措施（秸秆覆盖用量均为4 000 kg/hm2，）对旱地小麦产量的影响。

使用归一化方法统一温度与降水量纲、量级，无量纲化编码［14］后组合设计。

式（1）中xij为原始数据，yij为无量纲化后数据，降水与温度的模拟试验设计［15］及编码如表3所示。为更好理解小麦产量受降水、温度影响的程度，选择降水变化情景（即从-10%至+10%递增，依次记为R1，R2，R3，R4，R5），温度变化情景（即从-1℃至+1℃递增，依次记为T1，T2，T3，T4，T5）作为梯度。

表3 降水与温度的模拟试验设计及编码

1.5 模型有效性检验

采用RMSE、NRMSE及Me检验模拟有效性。

（1）决定系数（R2）反映模型实测值、模拟值间的真正偏差。

式（2）中，Mi和Sj分别表示实测值和模拟值；Ma和Sa分别表示实测值和模拟值的平均值；n为实测值的样本个数［16］。

（2）均方根误差（RMSE）和归一化均方根误差（NRMSE）反应模型模拟值与实测值间的绝对误差量和误差百分比，其值越小，表明模拟精度越高。

（3）模型有效性（Me）反应模型模拟值与实测值间拟合效果，其值越接近1，说明拟合效果越好。

1.6 敏感性分析

小麦产量敏感性是指小麦产量因降水或温度变化而发生显著变化，其敏感性指数可直接体现在产量变化率［17］。气候因子变化造成的产量变化越大，说明小麦对该因子越敏感。本研究以温度±1 ℃，降水±10%为梯度，研究小麦产量对降水、温度变化的敏感性及因气候变异风险导致的小麦产量变化率，明确春小麦产量对降水、温度变化的敏感强度。

2 结果与分析

2.1 APSIM模型检验

根据2016～2017 年实测产量和模拟产量进行模型有效性检验，由图1 可知，数据点分布在±15%误差线内，产量模拟值与实测值呈显著正相关，相关系数R为0.878，决定系数R2为0.771，模 型 有 效 性Me为0.875，RMSE在5% 以 内，NRMSE为3.6%～7.8%，表明APSIM 模型拟合性良好，可用于模拟陇中旱地春小麦产量。

图1 小麦实测值与模拟值关系

2.2 不同耕作措施下小麦产量变化

以当年自然降水、温度及相应耕作措施下所获小麦产量作为CK对照，计算NT、NTS、TS下小麦平均产量分别为1 856.3、2 275.4、2 221.0 kg/hm2。从降水、温度变化对小麦产量的响应（图2）可看出：当温度不变，降水增多，小麦产量增加，与平均产量相比，3 种耕作措施下小麦增产最大幅度分别为30.69%、15.30%、27.70%，最小增产幅度分别为12.20%、5.10%、10.89%，平均增产幅度分别为22.56%、9.80%、20.80%；当降水不变，温度升高，小麦产量下降，与平均产量值相比，最大减产幅度分别为7.66%、12.76%、8.68%；最小减产幅度分别为4.73%、9.50%、5.10%；平均减产幅度分别为2.56%、5.74%、2.90%。

图2 温度降水变化对小麦产量的响应

由图3 可知，NTS 方式减少了水分径流和蒸发，增强了生物酶活性，进而提高了小麦产量；而NT 方式小麦产量变化幅度最小，这可能是由于免耕方式，土壤结构稳定性更高，但这种方式土壤容易板结不利于小麦出苗，导致整体增产效果不佳。

图3 不同耕作措施下的小麦平均产量值

2.3 回归分析

为进一步研究温度、降水对小麦产量的交互影响，设置温度（X1）与降水（X2）为自变量，产量（Y）为因变量，用DPS 软件建立不同耕作措施下小麦产量与温度、降水的二次回归方程（表4）。

表4 产量与耕作措施的回归方程

表4 中，F＞F0.05表明回归方程达到显著水平，由回归方程可知，3 种耕作措施下温度（X1）一次项偏回归系数为-92.64、-392.58、-295.47，均为负值，降水（X2）一次项偏回归系数为269.03、640.45、509.9，均为正值，表明温度对产量产生负效应，降水对产量产生正效应；降水一次项偏回归系数远大于温度一次项偏回归系数，表明降水带来的增产效应远大于温度带来的减产效应。

回归方程降维处理后得到单因素方程，如表5所示。由图3可知，在自然降水的基础上降水每增加5%，小麦产量均呈二次曲线上升趋势；在自然温度基础上温度每升高0.25 ℃，小麦产量均呈二次曲线下降趋势。由图4可知，NTS的变化效应优于TS、NT。

图4 单因素效应

表5 单因素效应方程

2.4 通径分析

以春小麦产量（Y）为因变量，降水（X1）和温度（X2）为自变量进行通径分析。由图5 可知，NTS、NT、TS3 种耕作措施下X1→Y的直接通径系数分别为-0.479、-0.340、-0.473，说明温度升高产生负效应，造成小麦减产；X2→Y的直接通径系数分别为0.780、0.938、0.817，说明降水增加产生正效应，使小麦增产；X1X2→Y的直接通径系数分别为-0.186、-0.055、-0.251，表明温度、降水交互产生负效应，降水增多只能补偿温度升高带来的部分减产。

图5 NTS、NT、TS下降水温度对小麦产量的通径分析

2.5 敏感性分析

为研究小麦产量对降水、温度变化的敏感性，将免耕自然降水温度条件作为试验对照组CK，用敏感性曲线法［16］分析3 种耕作措施下温度、降水变化导致的小麦产量变化率。由图6～7 可看出，3种耕作措施下降水均呈正敏感性，温度均呈负敏感性，NTS 增减产效应优于NT、TS 耕作方式，这是因为NTS 免耕能使土壤结构更稳定、土壤水分流失少，秸秆覆盖有效降低地表温度，让小麦生长获取更充足的水分，籽粒发育饱满，从而高效增产。综合考虑，NTS 为经济效益最佳的耕作方式。

图6 NTS、NT、TS下降水对小麦产量的敏感性分析

图7 NTS、NT、TS下温度小麦产量的敏感性分析

3 讨论

前期采用APSIM 模型进行不同气候、灌溉、耕作条件对小麦产量影响的研究均取得不错的成果［18-25］。本研究发现，同种耕作措施下降水增加，小麦产量增加，温度升高，小麦产量下降，这与王妍等［26］认为高温导致小麦被催熟、籽粒数不饱满而造成减产的研究结论一致；本研究认为降水变化对小麦产量影响更大，这与郭春强等［27］结论不一致，可能是由于研究区地况环境不同所致；陈超等［28］认为免耕+覆盖是甘肃地区作物较佳种植方式，与本文研究结论一致。黄土高原地区土层深厚，土壤松沃，但常年干旱，无灌溉条件，降水量增加可利于续水保肥，促进小麦根系发育，免耕+秸秆覆盖可改善耕层土壤温湿度，减少水分径流［29-31］；虽然组内对比差异得出免耕小麦产量波动更小，但长期免耕导致土层硬化，降低了土壤孔隙度，影响作物根系发育，继而影响作物整体产量。

APSIM 模型虽能在理想环境下模拟作物生长与气候的关系，但近年来极端天气频发，与试验环境下所能反映的情况有一定偏差，本研究模拟只考虑降水、气温对小麦全生育期的影响，并未深入研究各生育期内温度降水影响小麦抽穗、灌浆，同时未考虑太阳辐射等其他气候因素，因此，在今后研究过程中，要深入开展气候环境变化对不同生育期内的具体影响以及关键生育期的调控措施研究，将极端天气、病虫害［32］等纳入考虑范围，提高模拟精度，做出更可靠的影响评估。

4 结论

在相同耕作措施下，小麦产量随降水量增多呈二次曲线上升趋势，随温度升高呈二次曲线下降趋势，整体表现为NTS＞TS＞NT；表明秸秆覆盖更适宜黄土高原区旱地春小麦的生长环境。

从3 种耕作措施下温度与降水之间的互作效应可知，降水量增加可补偿部分高温带来的减产效应，无法平衡春小麦产量出现边际递减效应，数据显示免耕覆盖（NTS）耕作方式的增减产效应最佳。

温度与降水对于小麦产量的敏感性分析可证明秸秆覆盖、免耕应对干旱能力更强，可使小麦增产，NTS 正负敏感性最佳，是黄土丘陵区小麦种植最合适的耕作方式。