馮仰強(qiáng),聶志剛,王鈞,羅榮鑫
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,蘭州 730070)
甘肅省位于我國的西北地區(qū),屬于典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū),生態(tài)環(huán)境脆弱,作物生長發(fā)育對氣候變化極其敏感[1]。近幾十年來,甘肅省平均氣溫呈升高趨勢,年降水量呈減少趨勢,日照時(shí)數(shù)變化不顯著[2]。降水量減少導(dǎo)致小麥在生育期缺水,極大地限制了旱地小麥的生產(chǎn)潛力[3]。APSIM模型是根據(jù)氣候數(shù)據(jù),動(dòng)態(tài)模擬作物生長狀況,在氣候變化對作物生產(chǎn)調(diào)控上應(yīng)用廣泛,近年在黃土高原地區(qū)取得了一定的研究成果[4-6]。為更準(zhǔn)確地模擬氣候變化對小麥生長發(fā)育狀況和產(chǎn)量的影響,國內(nèi)很多學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。雷娟娟等[4]利用APSIM模型模擬小麥在不同生育期降水量變化的產(chǎn)量,得出在不同生育期小麥需水量的閾值;茹曉雅等[5]利用APSIM模型模擬在不同降水年型下降水變化和施氮條件對旱地小麥產(chǎn)量的影響,得出最優(yōu)小麥產(chǎn)量的降水和施氮量;李廣等[6]應(yīng)用APSIM模型模擬旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)降水季節(jié)分配對旱地小麥產(chǎn)量的影響,得到在當(dāng)年6—7月份降水對旱地小麥產(chǎn)量的影響最大。水分作為小麥最重要因素,對小麥的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成具有決定性影響,因此降水變化對干旱、半干旱地區(qū)且無灌溉條件地區(qū)的小麥生產(chǎn)影響很大。大量研究表明,在黃土高原地區(qū)降水量少且年內(nèi)分配不均,與小麥生育時(shí)期錯(cuò)位,這對小麥生產(chǎn)造成了眾多不利影響[7-9]。前人研究多采用回歸統(tǒng)計(jì)分析法分析年降水量和溫度對旱地小麥產(chǎn)量的影響,而針對不同降水年型下降水變化對旱地小麥產(chǎn)量影響的研究較少。因此,本研究通過對甘肅省定西市1979—2018年的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理,確定不同降水年型,利用APSIM模型模擬不同降水年型下降水變化在-20%~20%范圍內(nèi)對旱地小麥產(chǎn)量的影響,從而為甘肅黃土高原區(qū)小麥生產(chǎn)應(yīng)對氣候變化提供理論支持。
APSIM模型是由隸屬于澳大利亞聯(lián)邦科工組織和昆士蘭州政府的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)組(APARU)開發(fā)研制[10]。主要由生物物理模塊、管理模塊、輸入輸出模塊和中心引擎四個(gè)模塊組成,并且由在此四個(gè)模塊中所需的氣候、土壤屬性、作物屬性和農(nóng)田管理參數(shù)構(gòu)成。本研究采用的模型已經(jīng)過李廣等[11-15]的檢驗(yàn),模型的相對均方根誤差(NRMSE)為4.85%,有效性參數(shù)(ME)為0.908,且有很多學(xué)者[5,11,12]應(yīng)用校準(zhǔn)后的模型研究了逐日最高溫與最低溫、光照與CO2及降水量與氮肥等對春小麥產(chǎn)量的影響。
研究區(qū)位于甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn),地處甘肅中部,是典型無灌溉條件的旱作農(nóng)業(yè)區(qū),海拔2 000 m,年均太陽輻射592.9 kJ/cm2,年均氣溫6.4℃,無霜期140 d,1979—2018年年平均降水量383.08 mm,年潛在蒸發(fā)量為降水量的4倍,春小麥的生育期一般集中在當(dāng)年的3—7月。
統(tǒng)計(jì)研究區(qū)日降水量得到小麥生育期的降水量總和,并求出1979—2018年降水?dāng)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差(公式1),將試驗(yàn)區(qū)40年的降水?dāng)?shù)據(jù)劃分為干旱年、平水年和豐水年3種年型,降水年型由公式2求出。
式中:R為干旱指數(shù),Pg表示年降水量,Mp表示年均降水量。
具體降水年型劃分見表1。
表1 降水年型劃分Table 1 Annual precipitation classification
在應(yīng)用APSIM模型模擬時(shí),作物品種、土壤屬性、田間管理措施均采用已校準(zhǔn)的參數(shù)[5,6,9,11]。本研究利用甘肅省1979—2018年的氣象數(shù)據(jù),降水?dāng)?shù)據(jù)以近40年的逐日降水為基準(zhǔn),比較不同降水年型下降水變化對旱地小麥產(chǎn)量的影響,將降水變化0%設(shè)置為小麥生產(chǎn)中自然條件生長(實(shí)驗(yàn)對照組)。在降水變化±20%的變化范圍內(nèi),以5%為梯度設(shè)置9組實(shí)驗(yàn),其他數(shù)據(jù)均采用研究年份實(shí)際數(shù)據(jù)為準(zhǔn),分別模擬在3種不同降水年型下降水增減對旱地小麥產(chǎn)量的影響。
在確定3種降水年型后,研究不同降水年型對小麥產(chǎn)量的影響。結(jié)合1979-2018年當(dāng)?shù)氐臍夂驍?shù)據(jù),使用APSIM模型進(jìn)行模擬39年間3種年型下小麥的平均產(chǎn)量(表2)。干旱年下小麥的平均產(chǎn)量為1 598.62 kg/hm2,平水年和豐水年分別為1 906.94、2 246.48 kg/hm2,豐水年小麥產(chǎn)量顯著高于平水年和干旱年,且分別為平水年和干旱年的1.18和1.41倍,說明降水對小麥產(chǎn)量的增長有明顯促進(jìn)作用。
表2 不同降水年型下旱地小麥產(chǎn)量Table 2 Dryland wheat yield under different precipitation years
在土壤、作物屬性和田間管理參數(shù)等要素不變的情形下,改變APSIM模型中輸入模塊降水比例參數(shù),分別以5%為梯度,模擬旱地小麥在不同降水年型下的平均產(chǎn)量。模型模擬結(jié)果表明,旱地小麥產(chǎn)量隨干旱年、平水年和豐水年3種年型逐步增加;在3種不同降水年型下,旱地小麥產(chǎn)量隨降水比例增加呈上升趨勢。降水變化比例每增加5%,干旱年旱地小麥產(chǎn)量最高增產(chǎn)幅度18.7%,最低增產(chǎn)幅度14.5%,平均增產(chǎn)幅度17.9%;平水年旱地小麥產(chǎn)量最高增產(chǎn)幅度19.6%,最低增產(chǎn)幅度14.3%,平均增產(chǎn)幅度17.7%;豐水年旱地小麥產(chǎn)量最高增產(chǎn)幅度15.5%,最低增產(chǎn)幅度12.1%,平均增產(chǎn)幅度14.4%(表3)。
表3 降水變化下不同降水年型的旱地小麥產(chǎn)量_Table 3 Effects of precipitation change on wheat yield in dryland under different precipitation types kg·hm2
以旱地小麥產(chǎn)量為因變量,降水變化比例為自變量,應(yīng)用DPS軟件進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析,建立回歸方程如下:
干旱年、平水年和豐水年回歸方程的相關(guān)系數(shù)分別為0.999 2、0.999 8和0.997 5,F(xiàn)>F0.01,表明方程(3)、(4)、(5)均達(dá)到顯著性差異,能夠反映不同降水年型下降水變化對旱地小麥產(chǎn)量的影響。由方程可知,3種降水年型下降水變化與旱地小麥產(chǎn)量均呈開口向上的二次曲線。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi),不同降水年型下降水變化對旱地小麥產(chǎn)量的影響均為正效應(yīng)且未出現(xiàn)閾值。在干旱年,降水變化為-42.81%時(shí),旱地小麥產(chǎn)量有極小值,為166.14 kg/hm2;在平水年,降水變化為-31.09%時(shí),旱地小麥產(chǎn)量有極小值,為957.07 kg/hm2;在豐水年,降水變化為-41.03%時(shí),旱地小麥產(chǎn)量有極小值,為558.17 kg/hm2。
根據(jù)IPCC的氣候預(yù)測報(bào)告,西北地區(qū)的降水變化范圍為10%~20%[16]。本研究在現(xiàn)有氣象數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,模擬研究未來可能出現(xiàn)的降水變化對甘肅旱地小麥產(chǎn)量的影響,結(jié)果表明,在3種不同年型下,旱地小麥產(chǎn)量隨干旱年、平水年和豐水年依次增加,其中,豐水年型下旱地小麥產(chǎn)量分別為平水年和干旱年的1.18和1.41倍。在3種降水年型下,降水變化比例與旱地小麥產(chǎn)量呈正效應(yīng),這與許多學(xué)者的研究相一致[17-19]。降水作為研究區(qū)水分的唯一來源,降水變化比例的增加必定會(huì)改善土壤的水分條件。杜瑞英等[20]認(rèn)為,當(dāng)田間持水量低于旱地小麥的最適水分條件時(shí),降水增加不僅提高旱地小麥的水分利用效率,而且增加小麥的光合速率,實(shí)現(xiàn)旱地小麥增產(chǎn)。董志強(qiáng)等[21]發(fā)現(xiàn),土壤水分的增加會(huì)降低旱地小麥葉片的溫度,增加小麥的物質(zhì)運(yùn)輸速率,提高小麥的增產(chǎn)效果。本研究結(jié)果顯示,不同降水年型下降水變化與旱地小麥產(chǎn)量呈二次拋物線關(guān)系,且在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)隨降水增加遞增,降水變化比例增加,小麥產(chǎn)量增長幅度表現(xiàn)為干旱年>平水年>豐水年。高艷梅等[22]認(rèn)為,在不同降水年型下,干旱年更利于增加土壤蓄水量,且隨土壤蓄水量的增加,水分利用效率增加,增加旱地小麥產(chǎn)量。裴雪霞等[23]研究表明,降水是旱地小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵,播期對小麥籽粒產(chǎn)量及水分利用效率有顯著影響,在3種不同降水年型下小麥適播期分別是:豐水年在10月4日左右,平水年和枯水年在9月28日左右,此時(shí)旱地小麥水分利用率較高且產(chǎn)量最高。孫敏等[24]發(fā)現(xiàn),隨著降水增加,3種年型的土壤蓄水量增加效果表現(xiàn)為枯水年>平水年>豐水年,并提出旱地小麥在枯水年和平水年,以休閑期土層深翻產(chǎn)量最高;在豐水年以休閑期深松旱地小麥產(chǎn)量最高。
本研究采用的APSIM模型能較好模擬和表達(dá)氣候因子對旱地小麥生長發(fā)育的關(guān)系,并已經(jīng)達(dá)到大量學(xué)者驗(yàn)證。本研究在溫度、作物屬性、田間土壤數(shù)據(jù)和管理措施不變的前提下,模擬不同降水年型下降水比例變化對旱地小麥產(chǎn)量的影響,且降水變化比例以年降水量為衡量指標(biāo),未考慮小麥生育期水分需求敏感期等情況對旱地小麥產(chǎn)量的影響,對田間持水量、小麥生育期水分需求敏感期等因素需進(jìn)一步探討。
降水變化對旱地小麥產(chǎn)量的影響極顯著,豐水年小麥平均產(chǎn)量為2 246.48 kg/hm2,平水年和干旱年分別為1 906.94、1 598.62 kg/hm2,豐水年小麥產(chǎn)量顯著高于平水年和干旱年,且分別為平水年和干旱年的1.18和1.41倍。降水變化對旱地小麥產(chǎn)量的影響均為正效應(yīng),降水變化比例每增加5%,干旱年旱地小麥平均增產(chǎn)17.9%,平水年旱地小麥產(chǎn)量平均增產(chǎn)17.7%,豐水年旱地小麥產(chǎn)量平均增產(chǎn)14.4%。