趙丹玥，楊志鵬，徐 燦，張紫淇，劉 耿，周始威，胡笑濤

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

0 引 言

自20 世紀(jì)中期以來，全球氣候急劇變化，已對世界許多地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了重大的影響[1]。在我國西北地區(qū)，干旱少雨，生態(tài)較為脆弱，對氣候的變化更為敏感。西北地區(qū)氣溫呈上升趨勢，升溫的強度高于全國平均水平[2]。西北地區(qū)年太陽輻射總量呈下降趨勢[3]，但王柳等[4]發(fā)現(xiàn)春玉米生育期內(nèi)總輻射量呈上升趨勢。氣溫與太陽輻射變化對西北地區(qū)春玉米產(chǎn)量的影響已被廣泛討論。劉明春等[2]研究表明，氣溫上升對春玉米產(chǎn)量的影響大體呈正效應(yīng)，氣溫每升高1 ℃，增產(chǎn)約204.0～876.0 kg/hm2。而劉穎杰[5]研究發(fā)現(xiàn)氣溫升高對西北地區(qū)春玉米產(chǎn)量形成具有抑制作用。輻射量下降會導(dǎo)致作物的光合有效輻射降低，從而影響產(chǎn)量構(gòu)成，可能會造成減產(chǎn)[6]。以上關(guān)于單一氣候因子對產(chǎn)量影響的研究更多是在氣候因子間彼此獨立的前提下[2,4]，而事實上，氣候因子之間彼此并非完全獨立，存在較強相關(guān)性且相互響應(yīng)，關(guān)系復(fù)雜[7]。以往研究中，通過一階差分剝離相關(guān)因子進行單因素影響分析，可能會在一定程度上夸大單一氣候因子對產(chǎn)量的影響[4,6]。

Chen 等[8]提出全局組合方法，基于多年歷史氣象資料，將一年中的各氣候因子作為獨立的時間序列，然后對不同因子時間序列進行年際組合，進而生成大量新的氣候情景，借助作物模型對各氣候情景下的作物生長進行模擬有效減弱氣候因子間的相關(guān)性，從而得到單一氣候因子變化對作物潛在產(chǎn)量的影響。本研究基于石羊河流域1987—2016 年逐日氣象資料對該地區(qū)日太陽輻射及日氣溫（日最高、最低及平均氣溫）的變化趨勢進行分析，借助全局組合方法構(gòu)建模擬情景，采用根區(qū)水質(zhì)模型（RZWQM2）分析氣溫及太陽輻射變化對春玉米潛在產(chǎn)量的影響，為更好地應(yīng)對氣候變化對西北玉米生產(chǎn)的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和試驗設(shè)計

試驗于2016 年、2018 年在農(nóng)業(yè)部作物高效用水武威科學(xué)觀測試驗站（37°57′20"N，102°50′50"E）進行。試驗站位于甘肅省武威市涼州區(qū)，海拔高度1 580 m。該站為大陸性溫帶干旱氣候，多年平均降水量為164 mm，多年平均水面蒸發(fā)量超2 000 mm，是典型荒漠綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。試驗選用春玉米品種為先玉335，于2016 年4 月28 日、2018 年5 月1 日播種，播種方式為人工穴播，播種行距為40 cm，株距為30 cm，每穴留苗1 株。收獲日期分別為2016 年9月25 日、2018 年9 月24 日。本試驗共有3 個灌水處理（W1、W2、W3），設(shè)置不同計劃濕潤層深度。3 個處理中的計劃濕潤層深度為40 cm（W1）、50 cm（W2）及60 cm（W3）。對于所有處理，當(dāng)0～40 cm土層內(nèi)土壤含水率低于60%田間持水率時進行灌溉。通過灌溉補充各處理相應(yīng)計劃濕潤層深度內(nèi)土壤水分至田間持水率。每個處理設(shè)3 個重復(fù)，共9 個試驗小區(qū)，小區(qū)面積均為36 m2（6 m×6 m），采用田間隨機排列。小區(qū)間設(shè)置1 m 寬的隔離帶。試驗地塊采用統(tǒng)一施肥管理。播種前，所有試驗小區(qū)施基肥216 kg/hm2N、238 kg/hm2P2O5和90 kg/hm2K2O。此外，為確保整個生長期有充足氮供應(yīng)，在抽雄期施加N 168 kg/hm2。2016 年、2018 年各處理相應(yīng)的灌水時間及灌水量見表1。

本研究對春玉米生育期（開花期，成熟期）進行監(jiān)測，各生育期的確定以1/2 以上植株進入某生育期為依據(jù)。待收獲時，隨機選取靠近小區(qū)中間的10 株春玉米，取地上部分，在75 ℃恒溫下烘干，然后稱質(zhì)量得10 株春玉米生物量，參考小區(qū)株數(shù)，折算出整個小區(qū)生物量。對整個小區(qū)玉米穗進行脫粒，風(fēng)干后測定標(biāo)準(zhǔn)含水率（14%）下籽粒產(chǎn)量，以相同處理數(shù)據(jù)平均值表示實際產(chǎn)量。

1.2 模型率定與驗證

RZWQM2（Root Zone Water Quality Model 2）是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究所開發(fā)，于1992 年推出的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和資源管理模型。它融合了物理運移模塊，化學(xué)反應(yīng)模塊、養(yǎng)分循環(huán)模塊、殺蟲劑反應(yīng)模塊、作物生長模塊和管理操作模塊等6 個子模塊。該模型在我國也有大量的驗證與應(yīng)用。RZWQM2 模型嵌套了DSSAT4.0 模型，用來模擬作物生長發(fā)育過程和最終產(chǎn)量[10]。模型的輸入數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)、作物品種參數(shù)、土壤物理化學(xué)性質(zhì)及初始的土壤數(shù)據(jù)及田間管理措施。氣象數(shù)據(jù)由站內(nèi)自動氣象站采集，包括最低氣溫、最高氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、太陽輻射、相對濕度、降雨時間及降雨量等。距地表0～1 m 剖面內(nèi)各土層土壤水力特征參數(shù)（土壤粒級組成、飽和導(dǎo)水率、田間持水率、凋萎系數(shù)）通過實地測驗獲得，結(jié)果見文獻[9]。

表1 2016、2018 年春玉米生長期灌水時間及灌水量 Table 1 Irrigation timing and amount during the growing season for spring maize in 2016 and 2018

在模型率定過程中，本研究主要對作物遺傳參數(shù)進行調(diào)節(jié)以實現(xiàn)最優(yōu)的模擬效果。作物遺傳參數(shù)的準(zhǔn)確性，直接影響著模型對作物生長過程和產(chǎn)量的模擬。作物遺傳參數(shù)主要由P1、P2、P5、G2、G3 及PHINT組成，各參數(shù)的定義見表2?；?016 年的田間試驗數(shù)據(jù)（生育期、地上部生物量、產(chǎn)量），采用試錯法，在表2 給定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)作物遺傳參數(shù)，將模擬精度調(diào)校至率定的要求。然后使用率定后的參數(shù)對2018 年田間作物生長狀況進行模擬，以此驗證率定所得參數(shù)的適用性。在模型的率定與驗證過程中，使用均方誤差RMSE（t/hm2）、相對均方誤差RRMSE（%）及相對誤差RAE（%）評價模型的模擬效果[11]。

表2 RZWQM2 模型中春玉米品種遺傳參數(shù) Table 2 Genetic coefficients developed for spring maize in the RZWQM2

1.3 模型的應(yīng)用

基于甘肅省武威地區(qū)近30 年（1987—2016 年）逐日氣象數(shù)據(jù)，借助率定后的RZWQM2 評價日氣溫及日太陽輻射變化對春玉米產(chǎn)量的影響。模擬在不受水、氮脅迫的情境下進行，所得產(chǎn)量為春玉米潛在產(chǎn)量（籽粒不含水分）。模擬情景設(shè)計中，基于Chen 等[8]提出的全局組合方法，將每年生育期內(nèi)（5—9 月）的氣候因子分為日平均氣溫因子（Ti）、日太陽輻射因子（Si）及其余氣象因子（Xi）3 個獨立的時間序列，第i 年氣象資料可看作集合[Ti, Si, Xi]，然后分別對集合[Ti, (X, S)i]及[Si, (X, T)i]中的因子進行年際組合，進而生成1 800 個氣候情景。分別進行以下3 方面模擬：

1）基于實測氣象數(shù)據(jù)，對1987—2016 年的春玉米潛在產(chǎn)量進行模擬，對潛在產(chǎn)量的年際變化及其影響因素進行分析。

2）單一日氣溫變化對春玉米潛在產(chǎn)量影響分析：當(dāng)分析某年/某氣溫（Ti）下作物的潛在產(chǎn)量時，令該年Ti分別與Xn、Sn（n=1，2，3，…，30）進行組合，共生產(chǎn)30 個模擬情景。對該30 個模擬情景進行模擬，以其均值作為該氣溫水平下春玉米的潛在產(chǎn)量。然后按上述方法對30年/30個日氣溫水平下的春玉米潛在產(chǎn)量進行模擬，通過分析1987—2016 年30 個氣溫水平下潛在產(chǎn)量的變化來確定單一氣溫變化對春玉米潛在產(chǎn)量的影響。

3）單一日太陽輻射變化對春玉米潛在產(chǎn)量影響分析：當(dāng)分析某年/某輻射（Si）下作物的潛在產(chǎn)量時，令該年Si分別與Xn、Tn（n=1，2，3，…，30）進行組合，共生產(chǎn)30 個模擬情景。對該30 個模擬情景進行模擬，以其均值作為該太陽輻射水平下春玉米的潛在產(chǎn)量。然后按上述方法對30 年/30 個日太陽輻射水平下的春玉米潛在產(chǎn)量進行模擬，通過分析1987—2016 年30 個輻射水平下潛在產(chǎn)量的變化來確定單一太陽輻射變化對春玉米潛在產(chǎn)量的影響。

以1987—2016 年春玉米潛在產(chǎn)量平均值作為討論產(chǎn)量變化的基準(zhǔn)值，同時，以生育期內(nèi)平均日最高氣溫（TH）、平均日最低氣溫（TL）、平均日均氣溫（TM）、平均日太陽輻射在1987—2016 年的均值作為討論相應(yīng)氣候因子變化的基準(zhǔn)值，記為TBH、TBL、TBM及SB。

2 結(jié)果與分析

2.1 日太陽輻射及氣溫的變化趨勢

1987—2016 年石羊河流域春玉米生育期內(nèi)（5—9月）日平均太陽輻射及TH、TL、TM 的年際變化見圖1。圖1 中各年氣溫/太陽輻射值為對應(yīng)年份生育期內(nèi)的日氣溫/日太陽輻射平均值。為更好分析各氣候因子年際變化趨勢，對1987—2016 年生育期內(nèi)日氣象因子年均值進行線性擬合。圖1 中*、**分別表示變化趨勢顯著（P<0.05）與極顯著（P<0.01）。圖1（a）顯示，生育期內(nèi)平均日太陽輻射總體以0.02 MJ/(m2?d?a)的傾向率呈上升趨勢，波動范圍為14.6～17.4 MJ/(m2?d)，多年生育期內(nèi)平均水平為16.1 MJ/(m2?d)，增幅不顯著（P>0.05）。圖1（b）顯示，TH、TL 及TM 分別以0.4、1.4 ℃/10a 和0.9 ℃/10a的傾向率呈上升趨勢，多年平均TH、TL 及TM 分別為26.3、12.4 ℃及19.4 ℃。其中TH 增幅顯著（P<0.05），TL 與TM 增幅極顯著（P<0.01）。

2.2 RZWQM2 模型的率定與驗證

通過對比春玉米物候期（開花和成熟期）、地上部生物量及籽粒產(chǎn)量的實測值與模擬值來評價該模型的適用性，結(jié)果見表3。在模型的率定與驗證過程中，作物物候期（開花和成熟期）的模擬值與實測值的誤差均不超過2 d。模型對于地上部生物量及籽粒產(chǎn)量的模擬也有很好的表現(xiàn)。地上部生物量的模擬誤差RMSE、RRMSE 分別為2.10 t/hm2、8.01%。籽粒產(chǎn)量的模擬誤差RMSE、RRMSE 分別為0.88 t/hm2、6.44%。Jamieson 等[14]認為，當(dāng)模擬誤差RRMSE 小于20%時，模擬效果可評價為“良好”。可見，RZWQM2 模型可較準(zhǔn)確的模擬該地區(qū)春玉米生長及產(chǎn)量，可用于探究太陽輻射及氣溫變化對作物產(chǎn)量的影響。

圖1 1987—2016 年石羊河流域春玉米生育期內(nèi)（5—9 月）日平均太陽輻射及日氣溫的年際變化 Fig.1 Interannual variation of daily solar radiation and daily air temperature during the growth period (May to September) of spring maize in Shiyang River Basin from 1987 to 2016

表3 春玉米生育期、生物量及產(chǎn)量的模擬值與實測值比較 Table 3 Comparison between simulated and observed growing stage, above ground biomass and grain of spring maize

圖2 1987—2016 年石羊河流域春玉米模擬潛在產(chǎn)量 Fig.2 Simulated potential grain yield of spring maize from 1987 to 2016 in the Shiyang River Basin

2.3 基于RZWQM2模型分析1987—2016 年氣候變化對潛在產(chǎn)量的影響

2.3.1 石羊河流域春玉米潛在產(chǎn)量年際變化及影響因素

基于石羊河流域1987—2016 年實測氣象資料，使用RZWQM2 模擬1987—2016 年該地區(qū)春玉米潛在產(chǎn)量，結(jié)果見圖2（模擬所得潛在產(chǎn)量為不含水分的籽粒產(chǎn)量）。由圖2 可知，潛在產(chǎn)量在7 261～11 248 kg/hm2間波動變化，隨時間先增加后減小，最大值出現(xiàn)在2002 年左右，其30 a 平均水平為9 406 kg/hm2。對春玉米潛在產(chǎn)量與日太陽輻射、日氣溫間相關(guān)關(guān)系進行統(tǒng)計分析（圖3），圖3 中各點為在其對應(yīng)的某一日氣溫/日太陽輻射水平，對該日氣溫/日太陽輻射水平下的30 個模擬情景模擬得到的產(chǎn)量均值相較于多年產(chǎn)量平均值變動的百分比。由圖3 可知，日太陽輻射與作物潛在產(chǎn)量間的統(tǒng)計關(guān)系并不緊密，R2僅為0.10。這也說明多年來太陽輻射的變化并不是引起作物潛在產(chǎn)量年際差異的主要原因。然而，TH、TL、TM 與作物潛在產(chǎn)量間的統(tǒng)計關(guān)系較為密切，其R2分別為0.48、0.30、0.51?？梢娪衩桩a(chǎn)量與TM 相關(guān)性最強。潛在產(chǎn)量隨TH、TL、TM 的變化趨勢大體相同。在當(dāng) TH/TL/TMTM>TL。當(dāng)TH/TL/TM>TB 時，潛在產(chǎn)量隨著TH/TL/TM 的增加而降低，減小趨勢為TH>TM>TL?？梢姡琓H 變化 對產(chǎn)量的影響最大。

圖3 春玉米模擬潛在產(chǎn)量與太陽輻射、氣溫的相關(guān)關(guān)系 Fig.3 Relationship between potential yield of spring maize and solar radiation, temperature

2.3.2 氣溫和太陽輻射單一因素對春玉米潛在產(chǎn)量的影響

本研究采用全局組合方法構(gòu)建模擬情景，借助RZWQM2 模擬，將日太陽輻射和日氣溫變化對潛在產(chǎn)量的影響分割開來，結(jié)果見圖4。圖4 中日太陽輻射、TH、TL、TM 與潛在產(chǎn)量的統(tǒng)計關(guān)系相較圖3 均有所增強，相應(yīng)的R2均增大?？梢娛褂萌纸M合方法可以有效分割日太陽輻射與日氣溫變化對潛在產(chǎn)量的影響。太陽輻射的增強有助于該地區(qū)春玉米潛在產(chǎn)量的增加（圖4（b））。太陽輻射每增加1 MJ/(m2·d)，潛在產(chǎn)量約增加271 kg/hm2。日氣溫變化對潛在產(chǎn)量的影響仍大于日太陽輻射變化對潛在產(chǎn)量的影響。潛在產(chǎn)量隨TH、TL、TM 的變化趨勢相較于圖3 未發(fā)生變化。當(dāng)TH/TL/TMTB 時，TH、TL、TM 每增加1 ℃，相應(yīng)的潛在產(chǎn)量約降低13%（1 250 kg/hm2）、10%（870 kg/hm2）、11%（1 010 kg/hm2）。

圖4 單一太陽輻射變化和溫度變化對模擬玉米潛在產(chǎn)量的影響 Fig.4 Solar radiation and air temperature variation on simulated potential grain yield of spring maize

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)生育期內(nèi)日太陽輻射在14.6～17.4 MJ/（m2·d）間波動，呈不顯著上升趨勢（圖1）。王柳等[4]在對西北地區(qū)春玉米生育期內(nèi)日太陽輻射變化規(guī)律的研究中也證明其上升趨勢。而羅萬琦等[7]發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)1966—2016 年太陽輻射整體呈下降趨勢。以上結(jié)果的差異可能是由于統(tǒng)計的時間、空間尺度有所不同[15]。然而，生育期內(nèi)TH、TL 和TM 均呈顯著上升趨勢，上升速率分別為 0.4、1.4 ℃/10a 和0.9 ℃/10a（圖1）。西北地區(qū)氣溫的上升趨勢[2,4,6-7,15-16]已被廣泛認可。從全國尺度而言，TH、TL 及TM 的上升速率分別為0.37、0.40 ℃/10a 和0.39 ℃/10a[4]?？梢?，西北地區(qū)TH 升高速率同全國平均水平一致，而TL 及TM 升高速率高于全國平均水平，這與高蓉等[16]的研究結(jié)果相似。

RZWQM2 模型對于春玉米生育期的模擬誤差不超過2 d，對地上部生物量及產(chǎn)量的模擬誤差RRMSE均小于20%（表3），可用于探究石羊河流域日太陽輻射及日氣溫變化對作物產(chǎn)量的影響。Wang 等[17]已借助RZWQM2 模擬了不同氣候情境下玉米生長及氮素利用狀況。使用全局組合方法可以有效分離太陽輻射與氣溫變化對產(chǎn)量的影響，增強日太陽輻射、TH、TL、TM 與潛在產(chǎn)量的統(tǒng)計關(guān)系，相應(yīng)的R2均增大（圖3、圖4）。對比氣溫、太陽輻射與產(chǎn)量的相關(guān)性可知氣溫對產(chǎn)量的影響要大于太陽輻射（圖4），這與左曉晴[18]的研究結(jié)果一致。其中，玉米產(chǎn)量與TM 相關(guān)性最強（圖4），與高娟等[19]的研究結(jié)果相似。玉米為喜溫作物，適宜的氣溫升高可加快玉米籽粒灌漿速率，增加千粒質(zhì)量[20]。而氣溫的持續(xù)上升可能會降低作物光合酶活性，破壞葉綠體結(jié)構(gòu)而引起氣孔關(guān)閉，導(dǎo)致光合作用降低直至停滯[21]，也可能縮短玉米生育期，從而減少玉米對養(yǎng)分的吸收，導(dǎo)致玉米的產(chǎn)量降低[4]。氣溫的持續(xù)性升高已造成潛在產(chǎn)量的降低（圖1、圖2），潛在產(chǎn)量對TM 的升高更為敏感（圖4）。王柳等[4]也曾指出TM 的變化對玉米產(chǎn)量的影響最大。相較于多年平均水平，TH、TL、TM 每增加1 ℃，相應(yīng)的減產(chǎn)幅度大致相同，約10%～13%（圖4）。與本研究結(jié)論相似，Kucharik 等[22]對Wisconsin 地區(qū)30年氣候變化與玉米產(chǎn)量的分析發(fā)現(xiàn)，氣溫每上升1 ℃，減產(chǎn)約13%。黃土高原及周邊地區(qū)平均氣溫上升1 ℃，玉米產(chǎn)量降低約21.6%[4]?？梢?，氣溫的持續(xù)升高已嚴(yán)重影響到西北地區(qū)玉米的穩(wěn)定生產(chǎn)。為有效應(yīng)對氣候變暖，該地區(qū)應(yīng)積極研究、嘗試引進晚熟品種，選擇合理播期，為玉米種植贏得有利氣候條件。

4 結(jié) 論

1）石羊河流域1987—2016 年TH、TL、TM 均呈顯著上升趨勢，增加速率為0.04、0.14、0.09 ℃/a。生育期內(nèi)日太陽輻射在14.6～17.4 MJ/（m2·d）間波動，呈不顯著上升趨勢。

2）1987—2016 年該地區(qū)春玉米潛在產(chǎn)量（不含水分）在7 261～11 248 kg/hm2間波動變化，隨時間先增加后減小，最大值出現(xiàn)在2002 年左右，其30 a 平均水平約為9 406 kg/hm2。

3）日太陽輻射與作物潛在產(chǎn)量間統(tǒng)計關(guān)系不密切，太陽輻射的變化并不是引起作物潛在產(chǎn)量年際差異的主要原因。TH、TL、TM 與作物潛在產(chǎn)量間的統(tǒng)計關(guān)系較為密切，其中TM 與春玉米潛在產(chǎn)量的相關(guān)性最強。氣溫的持續(xù)升高已造成潛在產(chǎn)量的降低，其中TH 變化對產(chǎn)量的影響最大。