孫 爽，楊曉光，張鎮(zhèn)濤，趙 錦，劉志娟

（1.中國氣象科學研究院，北京 100081；2.中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193）

0 引 言

小麥是世界三大糧食作物之一，2019年全世界小麥種植面積約為 2.2億 hm2，占世界谷物總面積的30%[1]。中國小麥在世界上占有重要地位，2019年小麥播種面積和總產(chǎn)分別占世界的11%和17%[1]。華北平原是中國小麥主產(chǎn)區(qū)，2019年該區(qū)域小麥產(chǎn)量占全國小麥總產(chǎn)的59%和播種面積的51%[2]，區(qū)域小麥產(chǎn)量的高低直接決定著中國口糧安全，對國家糧食安全具有重要作用。

干旱是影響中國華北平原冬小麥產(chǎn)量穩(wěn)定的最主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[3]。氣候變化背景下華北平原降水波動性大，干旱發(fā)生的頻率和強度呈增加態(tài)勢[4-7]，直接影響冬小麥生長發(fā)育進程和產(chǎn)量形成[8]，造成冬小麥產(chǎn)量下降[9-11]。此外，干旱脅迫導致產(chǎn)量的下降程度不僅取決于干旱的嚴重程度，還取決于干旱發(fā)生的生育階段[12-17]，不同生育階段干旱對冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響也不同[18]，其中小麥拔節(jié)后期到孕穗期受旱主要影響穗粒數(shù)，缺水造成小花退化不孕，穗粒數(shù)減少。灌漿期是小麥需水最大的時期，受旱主要影響千粒質(zhì)量，缺水導致粒小而癟[10,17]，同時明顯影響小麥的灌漿速率[13-14]。前人在干旱對小麥產(chǎn)量影響評估方面主要采用農(nóng)田水分控制試驗[19-23]、作物生長模型[24-28]和統(tǒng)計分析[29-31]3種方法，但方法各有局限性，需要多種方法相結(jié)合開展研究，才能減少干旱影響評估的不確定性。其中，農(nóng)田水分控制試驗方法受限于時間、地點，其結(jié)果難以外推；作物生長模型方法需要基于水分控制試驗資料進行模型校正之后，才能用于干旱影響評估；統(tǒng)計分析方法主要通過構(gòu)建作物干旱指標與作物產(chǎn)量之間的函數(shù)關(guān)系進而評估干旱對產(chǎn)量的影響，無法揭示干旱對作物影響過程和機理。農(nóng)業(yè)干旱指標包括降水量指標、土壤含水率指標、綜合性指標等[32]。綜合性指標概念明確，考慮全面，具有較強的理論和實用價值，其中作物水分虧缺指數(shù)（Crop Water Deficit Index，CWDI）綜合考慮了氣象、作物和土壤三方面因素，計算簡便，且較為準確，所需氣象要素易于獲取，適用性強[33-34]。

前人在干旱指標構(gòu)建、干旱對冬小麥影響等方面有很多研究積累，然而綜合干旱指標以及干旱對產(chǎn)量影響方面研究仍需進一步加強，特別是將干旱指標與作物模型以及遙感資料有機結(jié)合，明確干旱分布規(guī)律基礎(chǔ)上，評估干旱對單產(chǎn)和總產(chǎn)影響程度。本文以華北平原冬小麥為研究對象，基于農(nóng)業(yè)干旱指標CWDI評估冬小麥不同生育階段干旱等級，結(jié)合APISM-Wheat模型進行干旱模擬的有效性評估，基于調(diào)參驗證后的模型解析不同等級干旱對冬小麥單產(chǎn)和總產(chǎn)的影響程度，以期為中國定量評估干旱對區(qū)域冬小麥產(chǎn)量影響、制定抗災(zāi)減災(zāi)應(yīng)對措施及保障糧食安全提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本文以華北平原冬小麥為研究對象，綜合考慮華北平原范圍、行政區(qū)以及作物種植體系相對一致性，研究區(qū)域包括北京市、天津市、河北省、山東省和河南省，沒有考慮江蘇省和安徽省北部地區(qū)，地理位置為 31°～43°N，110°～123°E。其中河北省北部地區(qū)年積溫小于4 200 ℃·d[35]，作物為一年一熟，故不在本文的研究范圍內(nèi)（圖1）。研究區(qū)域氣象站點及農(nóng)業(yè)氣象試驗站點分布均勻，能夠代表區(qū)域的氣候特點，如圖1所示。將研究區(qū)域分為3個亞區(qū)進行分析，分別為京津冀地區(qū)JJJ（北京市、天津市、河北省北部）、河南省HN和山東省SD。

1.2 資料來源

數(shù)據(jù)資料包括氣象資料、作物資料、土壤資料和田間管理資料。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局，涵蓋了研究區(qū)域內(nèi)44個氣象站點1981—2017年37 a的逐日氣象數(shù)據(jù)，主要包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、日照時數(shù)、降水量、平均相對濕度、平均風速等。氣象站點分布見圖1。

作物資料主要包括研究區(qū)域內(nèi)20個農(nóng)業(yè)氣象試驗站（京津冀地區(qū)5個，河南省8個，山東省7個）1981—2010年觀測資料，包括冬小麥品種信息、生育時期（播種期、開花期、成熟期）、生物量、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)，以及田間管理措施。研究區(qū)域冬小麥的實際種植面積和產(chǎn)量來自農(nóng)業(yè)部種植業(yè)司、國家統(tǒng)計局等。

APSIM-Wheat模型調(diào)參驗證輸入的土壤數(shù)據(jù)來源于各農(nóng)業(yè)氣象觀測站，進行產(chǎn)量模擬時輸入模型內(nèi)的土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學院南京土壤研究所10 km×10 km的格點數(shù)據(jù)。

1.3 模型情景設(shè)置

本文選用APISM 7.6版本進行模擬。選取決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）、歸一化均方根誤差（Normalized RMSE，NRMSE）和d指標（Willmott’s index of agreement，d-value）作為判斷標準來評價模型模擬的準確性和可靠性。前期研究工作已經(jīng)驗證了該模型在中國冬小麥主產(chǎn)區(qū)的適用性，結(jié)果表明參數(shù)本土化后的模型能夠較好地模擬中國各冬麥區(qū)冬小麥的生育進程和產(chǎn)量形成[36-37]，驗證結(jié)果如表1所示。因此，本文基于驗證后的APSIM模型模擬干旱對華北平原冬小麥產(chǎn)量的影響。研究中每10 a選擇一個較有代表性的品種代表該區(qū)域當時條件下的品種潛力，模型內(nèi)各品種參數(shù)設(shè)置參見 Sun 等[36-37]，具體如表1所示。

表1 APSIM-Wheat模型中冬小麥品種參數(shù)及模型驗證結(jié)果Table 1 Parameters of winter wheat cultivars used in the APSIM-Wheat model and results of model validation

APSIM 7.6模型提供了自動灌溉模塊，同時在管理模塊中也提供了不同的灌溉情景，為研究冬小麥不同生育階段干旱提供了可能。本研究在模擬干旱時選用了Irrigate on sw deficit灌溉模塊，該模塊主要基于土壤水分虧缺程度而進行自動灌溉。為分析模型模擬干旱對冬小麥產(chǎn)量影響的敏感性，研究中首先利用 APSIM-Wheat模型提供的灌溉模塊，模擬并評估冬小麥4個生育階段干旱對產(chǎn)量的影響，模擬情景設(shè)置如表2所示，其中在模擬某生育階段干旱時該階段設(shè)置為不灌溉，其他生育階段設(shè)置為當發(fā)生土壤水分虧缺時自動灌溉到田間持水量。

表2 APSIM-Wheat模型中不同生育階段干旱模擬情景設(shè)置Table 2 Simulation scenarios settings for drought during different growing stages in APSIM-Wheat model

1.4 農(nóng)業(yè)干旱指標及干旱特征分析方法

1.4.1 作物水分虧缺指數(shù)

作物水分虧缺指數(shù)CWDI是作物需水量與實際供水量的差值與作物需水量的比值，是表征作物水分虧缺程度常用的指標之一，其計算公式如下[33-34]

式中CWDIi為第i旬的作物水分虧缺指數(shù)，%；ETCi為第i旬的作物需水量，mm；Pi為第i旬的降水量，mm。

作物水分虧缺指數(shù)綜合考慮了前期水分虧缺的累積效應(yīng)，在計算某旬作物水分虧缺時考慮了前 4旬水分盈虧對該旬的影響，計算公式如下：

式中CWDI為冬小麥生長季內(nèi)按旬計算的累計水分虧缺指數(shù)；CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分別為第i旬及以第i旬為基礎(chǔ)的前4旬水分虧缺指數(shù)。a、b、c、d、e為對應(yīng)旬的累計權(quán)重系數(shù)，一般取值分別為0.3、0.25、0.2、0.15 和 0.1[33-34]。

其中作物需水量的計算采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）推薦的“參考作物蒸散量乘以作物系數(shù)法”計算[38]：

式中 ETc為充分供水條件下的作物需水量，mm/d；ET0為參考作物蒸散量，mm/d，采用 FAO（1998）推薦的Penman-Monteith公式計算[38]；Kc為作物系數(shù)，采用FAO推薦的冬小麥發(fā)育初期、中期和后期的 3個標準作物系數(shù)值：初期為 0.7（越冬期為 0.4），中期為 1.15，后期為0.4，并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和田間實測資料訂正冬小麥生育中期和后期作物系數(shù)[38-39]。

1.4.2 干旱等級劃分標準

研究中采用張玉靜等[40]在華北平原冬小麥干旱研究中基于作物水分虧缺指數(shù)的等級劃分標準，該干旱等級劃分標準能夠較好地反映區(qū)域冬小麥的實際旱情，可以用于對華北平原冬小麥干旱等級劃分，具體劃分標準如表3所示。

表3 華北平原冬小麥基于作物水分虧缺指數(shù)的農(nóng)業(yè)干旱等級Table 3 The grade of agricultural drought based on Crop Water Deficit Index (CWDI) for winter wheat in North China Plain

1.4.3 干旱站次比

站次比是評價干旱發(fā)生范圍的指標，用某區(qū)域內(nèi)發(fā)生某等級干旱的臺站數(shù)占總臺站數(shù)的比例表示，計算公式如下：

式中Pj′為干旱站次比，%；M為研究區(qū)域總臺站數(shù)；m為研究區(qū)域發(fā)生某等級干旱的臺站數(shù)。

1.4.4 減產(chǎn)率

用減產(chǎn)率反映不同程度水分脅迫對冬小麥產(chǎn)量造成的損失程度，計算公式如下：

式中yp為減產(chǎn)率，%；Y為全生育期無水肥限制條件下的產(chǎn)量，即潛在產(chǎn)量（表2中對照情景下模擬得到），kg/hm2；y為肥料不加限制、某生育階段為雨養(yǎng)條件下的產(chǎn)量，即水分虧缺條件下產(chǎn)量（表2中4個干旱模擬階段情景下模擬得到），kg/hm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 APSIM-Wheat模型對干旱模擬的有效性評估

綜合考慮各亞區(qū)站點空間分布及數(shù)據(jù)的時間連續(xù)性，從3個亞區(qū)中各選擇1個典型站點對APSIM-Wheat模型模擬干旱的有效性進行評估，京津冀地區(qū)選擇樂亭站（39.43°N，118.88°E），河南省選擇許昌站（34.02°N，113.85°E），山東省選擇朝陽站（36.03°N，115.58°E）。基于調(diào)參驗證后的 APSIM-Wheat模型分別模擬播種-越冬、返青-拔節(jié)、拔節(jié)-開花和開花-成熟4個生育階段冬小麥干旱，模型模擬不同生育階段干旱的灌溉情景設(shè)置見表2?；诖朔治龆←湼珊翟斐傻臏p產(chǎn)率與作物水分虧缺指數(shù)的關(guān)系如圖2所示。由圖可以看出，除樂亭站返青-拔節(jié)階段外，其他區(qū)域各站點冬小麥播種-越冬階段和返青-拔節(jié)階段干旱造成的減產(chǎn)率與作物水分虧缺指數(shù)無顯著關(guān)系，表明該階段干旱對冬小麥產(chǎn)量的影響較小，減產(chǎn)較低。拔節(jié)-開花階段和開花-成熟階段干旱造成的冬小麥減產(chǎn)率與作物水分虧缺指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明APSIM-Wheat模型能有效反映華北平原冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱對產(chǎn)量的影響，同時這2個生育階段干旱對冬小麥產(chǎn)量影響較大，減產(chǎn)較高，明顯高于冬小麥前期干旱的影響。

通過對 4個生育階段（播種-越冬、返青-拔節(jié)、拔節(jié)-開花和開花-成熟）3個亞區(qū)所選站點干旱造成冬小麥的減產(chǎn)率與作物水分虧缺指數(shù)的關(guān)系分析可以看出，冬小麥生長發(fā)育前期（播種-越冬和返青-拔節(jié)階段）干旱對產(chǎn)量影響較小，干旱造成的冬小麥減產(chǎn)率與作物水分虧缺指數(shù)無顯著相關(guān)關(guān)系，而冬小麥生長發(fā)育中后期（拔節(jié)-開花和開花-成熟階段）干旱對冬小麥產(chǎn)量影響較大，干旱造成的減產(chǎn)率與作物水分虧缺指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。前人研究表明，作物在生殖生長階段，特別是在生殖生長初期遇到災(zāi)害性或不利天氣條件對產(chǎn)量影響較大，甚至絕收[41]。拔節(jié)-開花和開花-成熟階段發(fā)生干旱會對產(chǎn)量造成嚴重影響。因此，本研究重點考慮冬小麥生長發(fā)育中后期干旱對產(chǎn)量的影響。

2.2 華北平原冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱對單產(chǎn)影響評估

2.2.1 干旱對單產(chǎn)影響的空間分布

基于調(diào)參驗證后的APSIM-Wheat模型模擬華北平原冬小麥生長發(fā)育中后期干旱對單產(chǎn)的影響，模擬情景設(shè)置如表2所示，利用式（5）得到冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱造成的冬小麥減產(chǎn)率，其空間分布如圖3所示。由圖3可以看出，2個生育階段干旱造成的減產(chǎn)率空間上均呈北高南低的分布特征。其中，冬小麥拔節(jié)-開花階段干旱引起的減產(chǎn)率平均為19.1%，高值區(qū)主要集中在河北北部和北京市、天津市，減產(chǎn)率在0～40.4%之間；低值區(qū)主要集中在河南南部西峽-寶豐-商丘-駐馬店-固始一帶，減產(chǎn)率小于10.5%。從圖3c中可以看出，京津冀地區(qū)冬小麥的減產(chǎn)率最大，減產(chǎn)率全區(qū)平均為31.3%；河南省冬小麥的減產(chǎn)率最小，減產(chǎn)率全區(qū)平均為10.2%；山東省冬小麥的減產(chǎn)率全區(qū)平均為15.7%。冬小麥開花-成熟階段干旱引起的減產(chǎn)率平均為26.8%，高于拔節(jié)-開花階段干旱引起的減產(chǎn)率；高值區(qū)主要集中在河北北部和北京市、天津市，減產(chǎn)率達到 40%以上，低值區(qū)主要集中在河南南部鄭州-商丘-西華-固始-南陽-欒川一帶，減產(chǎn)率小于20.4%。從圖3d中可以看出，京津冀地區(qū)冬小麥的減產(chǎn)率最大，減產(chǎn)率全區(qū)平均為41.4%；河南省冬小麥的減產(chǎn)率最小，減產(chǎn)率全區(qū)平均為15.4%；山東省冬小麥的減產(chǎn)率全區(qū)平均為23.7%。

表4為華北平原冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟2個生育階段干旱各減產(chǎn)區(qū)間內(nèi)的站次比。由表4可以看出，在拔節(jié)-開花階段，減產(chǎn)率在0～10%內(nèi)集中了全區(qū)29.3%的站點，減產(chǎn)率在＞10%～20%內(nèi)集中了全區(qū) 26.8%的站點，減產(chǎn)率在＞20%～30%內(nèi)集中了全區(qū) 19.5%的站點，減產(chǎn)率在＞30%～40%內(nèi)集中了全區(qū) 24.4%的站點。在開花-成熟階段，減產(chǎn)率在不同區(qū)間均有分布，主要集中在＞10%～20%和＞40%～50%區(qū)間，站次比分別為 24.4%和22.0%。對比2個生育階段各減產(chǎn)率區(qū)間站次比可以看出，冬小麥拔節(jié)-開花階段區(qū)域內(nèi)所有站點由于干旱造成的減產(chǎn)率均低于40%，76%的站點由于干旱造成的減產(chǎn)率低于30%，而開花-成熟階段73%的站點減產(chǎn)率低于40%，且減產(chǎn)率小于40%的4個減產(chǎn)區(qū)間內(nèi)，拔節(jié)-開花階段的站點比例均高于開花-成熟階段。

表4 華北平原冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱造成產(chǎn)量減產(chǎn)率不同區(qū)間的站次比Table 4 Station ratio of different yield reduction rate intervals due to drought during the stages of jointing to flowering and flowering to maturity for winter wheat in North China Plain %

由此可見，冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱造成冬小麥產(chǎn)量減產(chǎn)率空間上均呈北高南低的分布特征，且冬小麥開花-成熟階段干旱引起的減產(chǎn)率（26.8%）高于拔節(jié)-開花階段干旱引起的減產(chǎn)率（19.1%）；區(qū)域間比較均表現(xiàn)為干旱對京津冀地區(qū)冬小麥單產(chǎn)影響最大，對河南省冬小麥單產(chǎn)影響最小。

2.2.2 不同等級干旱對單產(chǎn)的影響

利用表3中的干旱等級分級標準，統(tǒng)計分析研究區(qū)域及各亞區(qū)不同等級干旱在冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟 2個生育階段對產(chǎn)量的影響程度，如圖4所示。由圖4可以看出，研究區(qū)域及各亞區(qū)冬小麥2個生育階段各等級干旱均表現(xiàn)為，隨著干旱等級增加，冬小麥減產(chǎn)率上升。在拔節(jié)-開花階段，研究區(qū)域內(nèi)冬小麥輕旱、中旱和重旱等級下的減產(chǎn)率平均值分別為10.3%（2.1%～25.3%）、18.8%（5.4%～36.0%）和28.6%（10.6%～45.9%）（圖4a）；開花-成熟階段內(nèi)，輕旱、中旱和重旱等級下的減產(chǎn)率平均值分別為16.5%（3.0%～47.8%）、32.8%（9.9%～54.2%）和44.9%（11.9%～63.5%）（圖4e）。開花-成熟階段各等級干旱對冬小麥產(chǎn)量的影響要明顯大于拔節(jié)-開花階段干旱的影響程度，且減產(chǎn)率數(shù)值分布更離散。

為了分析各亞區(qū)不同等級干旱造成冬小麥減產(chǎn)率的差異，研究中進一步統(tǒng)計了3個亞區(qū)各等級干旱減產(chǎn)率，如圖4所示。由圖可以看出，各等級干旱對冬小麥產(chǎn)量影響區(qū)域間比較表現(xiàn)為，京津冀地區(qū)產(chǎn)量損失較大，輕旱、中旱和重旱等級下的減產(chǎn)率平均值分別為 17.1%（4.1%～25.3%）、27.1%（12.6%～36.0%）和 36.3%（19.8%～45.0%）（圖4b），而在河南省和山東省損失較小，且河南省各等級干旱造成的減產(chǎn)率數(shù)值分布更集中，輕旱、中旱和重旱等級下的減產(chǎn)率平均值分別為 5.5%（2.1%～12.6%）、12.8%（6.0%～24.0%）和23.0%（10.6%～45.9%），山東省冬小麥輕旱、中旱和重旱等級下的減產(chǎn)率平均值分別為9.2%（6.5%～17.1%）、15.9%（5.4%～22.9%）和25.2%（13.0%～33.7%）。相同干旱等級下干旱對產(chǎn)量的影響均表現(xiàn)為京津冀地區(qū)最大，山東省次之，河南省影響最小。

圖4f～圖4h分別為京津冀地區(qū)、河南省和山東省3個亞區(qū)冬小麥開花-成熟階段各等級干旱對冬小麥產(chǎn)量的影響程度，可以看出，各亞區(qū)干旱對冬小麥產(chǎn)量的影響均較大，且隨著干旱等級的增加減產(chǎn)程度也在增大，升高幅度較大。各等級干旱對冬小麥產(chǎn)量的影響區(qū)域間比較表現(xiàn)為京津冀地區(qū)產(chǎn)量損失最大，輕旱、中旱和重旱等級下的減產(chǎn)率平均值分別為24.9%（6.5%～47.8%）、43.6%（20.9%～54.2%）和 54.5%（41.3%～63.1%）（圖4f），重旱減產(chǎn)率達到54.5%，輕旱的減產(chǎn)率也在10%以上；山東省次之，輕旱、中旱和重旱等級下的減產(chǎn)率平均值分別為 15.5%（4.4%～31.4%）、31.1%（11.3%～42.9%）和 40.5%（11.9%～63.5%）；河南省冬小麥產(chǎn)量損失最小，輕旱、中旱和重旱等級下的減產(chǎn)率平均值分別為7.6%（3.0%～15.9%）、23.8%（9.9%～45.0%）和39.0（23.7%～56.1%）。相同干旱等級在不同區(qū)域間比較結(jié)果均表現(xiàn)為京津冀地區(qū)最大，山東省次之，河南省影響最小。

總體而言，研究區(qū)域內(nèi)冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段隨著干旱等級的加重減產(chǎn)率增大；相同干旱等級在不同區(qū)域間比較表現(xiàn)為京津冀地區(qū)影響最大，河南省影響最小。

2.3 華北平原冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱對總產(chǎn)影響評估

2.3.1 干旱對總產(chǎn)影響的空間分布

基于中國華北平原冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱對冬小麥單產(chǎn)的影響，結(jié)合各區(qū)冬小麥 1981—2010年實際種植面積平均值，得到干旱對冬小麥總產(chǎn)的影響，評估區(qū)域冬小麥生長發(fā)育中后期各等級干旱對總產(chǎn)的影響。

圖5為冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱造成冬小麥總產(chǎn)影響的空間分布，可以看出，2個生育階段干旱對華北平原冬小麥減產(chǎn)量的影響呈現(xiàn)由西南向東北逐漸增加的趨勢。華北地區(qū)各站點冬小麥因干旱引起的減產(chǎn)量平均為3.7萬t；其中京津冀地區(qū)和山東省各站點冬小麥的減產(chǎn)量較大，減產(chǎn)量全區(qū)站點平均值均為4.4萬t；河南省各站點冬小麥減產(chǎn)量最低，全區(qū)站點平均為2.6萬t。拔節(jié)-開花階段干旱對總產(chǎn)影響較大的區(qū)域主要集中在河北保定一帶和山東省濰坊、惠民縣、莘縣一帶，減產(chǎn)量達到8.0萬t以上；影響較小的區(qū)域主要集中在河南南部欒川-寶豐-駐馬店一帶，減產(chǎn)量小于2.0萬t。

冬小麥開花-成熟階段因干旱引起的減產(chǎn)量平均為5.9 萬t，高于拔節(jié)-開花階段干旱引起的減產(chǎn)量；其中山東省各站點冬小麥的減產(chǎn)量較大，全區(qū)站點平均為7.0萬t；京津冀地區(qū)次之，全區(qū)站點平均為6.0萬t；河南各站點冬小麥的減產(chǎn)量最低，全區(qū)站點平均為4.9萬t。開花至成熟階段干旱對總產(chǎn)影響較大的區(qū)域主要集中在河北保定-黃驊一帶、北京和山東省莘縣-惠民縣-濰坊-莒縣一帶，減產(chǎn)量達到8.0萬t以上；影響較小的區(qū)域主要集中在河北省遵化-青龍一帶和河南省寶豐-欒川一帶，減產(chǎn)量小于4.0萬t。

表5為華北平原冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟2個生育階段干旱造成減產(chǎn)量不同區(qū)間站次比。由表5可以看出，在拔節(jié)-開花階段，減產(chǎn)量在0～5萬t內(nèi)集中了全區(qū)72.5%的站點，減產(chǎn)量在5萬～10萬t內(nèi)集中了全區(qū)25.0%的站點，減產(chǎn)量在10萬～15萬t內(nèi)集中了全區(qū)2.5%的站點。在開花-成熟階段，減產(chǎn)量在0～5萬t內(nèi)集中了全區(qū)45.0%的站點，減產(chǎn)量在5萬～10萬t內(nèi)集中了全區(qū)40.0%的站點，減產(chǎn)量在 10萬～15萬 t內(nèi)集中了全區(qū)12.5%的站點，減產(chǎn)量在15萬～20萬t內(nèi)集中了全區(qū)2.5%的站點。對比 2個生育階段各減產(chǎn)量區(qū)間站次比可以看出，冬小麥拔節(jié)-開花階段減產(chǎn)量區(qū)間0～5萬t內(nèi)的站點比例要比開花-成熟階段絕對值高27.5百分點，而在其他區(qū)間內(nèi)的站點比例均低于開花-成熟階段。冬小麥拔節(jié)-開花階段97.5%的站點由于干旱造成的減產(chǎn)量低于10萬t，而開花-成熟階段85%的站點減產(chǎn)量低于10萬t。

表5 華北平原冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱造成減產(chǎn)量不同區(qū)間站次比Table 5 The station ratio in different production reduction intervals due to drought during the stages of jointing to flowering and flowering to maturity for winter wheat in North China Plain %

由此可見，冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱對減產(chǎn)量的影響呈現(xiàn)由西南向東北逐漸增加的趨勢，且冬小麥開花-成熟階段干旱引起的減產(chǎn)量（5.9萬t）高于拔節(jié)-開花階段干旱引起的減產(chǎn)量（3.7萬t）；區(qū)域間比較均表現(xiàn)為干旱對山東省冬小麥總產(chǎn)影響最大，對河南省冬小麥總產(chǎn)影響最小。

2.3.2 不同等級干旱對總產(chǎn)的影響

基于研究區(qū)域及各亞區(qū)不同等級干旱在冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟 2個生育階段對單產(chǎn)的影響程度，結(jié)合冬小麥實際種植面積，得到不同等級干旱對總產(chǎn)的影響，如圖6所示。由圖6可以看出，在拔節(jié)-開花階段，研究區(qū)域內(nèi)冬小麥輕旱、中旱和重旱等級下的減產(chǎn)量平均值分別為1.6萬t （0.1萬～6.5萬t）、3.4萬t（0.1萬～8.3萬t）和5.6萬t（0.1萬～14.2萬t）（圖6a）；開花-成熟階段內(nèi)，輕旱、中旱和重旱等級下的減產(chǎn)量平均值分別為2.9萬t（0.1萬～12.4萬t）、6.5萬t（0.2萬～17.7萬t）和9.1萬t（0.4萬～23.7萬t）（圖6e）。

研究中進一步統(tǒng)計了3個亞區(qū)各等級干旱下的減產(chǎn)量，如圖6所示。從圖6b～圖6d可以看出，京津冀地區(qū)輕旱、中旱和重旱等級下的減產(chǎn)量平均為2.1萬t（0.1萬～5.4萬t）、3.7萬t（0.1萬～8.3萬t）和5.0萬t（0.1萬～10.0萬t）；河南省輕旱、中旱和重旱等級下的減產(chǎn)量平均為 1.0萬 t（0.3 萬～2.4萬t）、3.0萬t（1.1萬～5.8萬t）和5.7萬t（2.0萬～10.1萬 t）；山東省輕旱、中旱和重旱等級下的減產(chǎn)量平均為1.7萬t（0.1萬～6.5萬t）、3.5萬t（0.1萬～8.1萬t）和6.1萬t（0.1萬～14.2萬t）。其中，輕旱和中旱對冬小麥總產(chǎn)的影響區(qū)域間表現(xiàn)為京津冀地區(qū)最大，山東省次之，河南省影響最小，而重旱對冬小麥總產(chǎn)的影響區(qū)域間表現(xiàn)為山東省最大，河南省次之，京津冀地區(qū)影響最小。

由圖6f～圖6h可以看出，京津冀地區(qū)輕旱、中旱和重旱等級下的減產(chǎn)量平均為3.6萬t（0.1萬～7.4萬t）、6.1 萬 t（0.2 萬～13.7 萬 t）和 7.4 萬 t（0.4 萬～14.1 萬 t）；河南省輕旱、中旱和重旱等級下的減產(chǎn)量平均為 1.4萬 t（0.5 萬～4.4萬t）、5.9萬t（2.7萬～12.8萬t）和9.7萬t（3.6萬～16.6萬t）；山東省輕旱、中旱和重旱等級下的減產(chǎn)量平均為4.0萬t（0.1萬～12.4萬t）、7.9萬t（0.6 萬～17.7萬t）和10.8萬t（0.7萬～23.7萬t）。其中，輕旱和中旱對冬小麥總產(chǎn)的影響區(qū)域間表現(xiàn)為山東省最大，京津冀地區(qū)次之，河南省影響最小，而重旱對冬小麥總產(chǎn)的影響區(qū)域間表現(xiàn)為山東省最大，河南省次之，京津冀地區(qū)影響最小。

總體而言，冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段重旱對冬小麥總產(chǎn)的影響區(qū)域間表現(xiàn)為山東省最大，河南省次之，京津冀地區(qū)影響最??；拔節(jié)-開花階段輕旱和中旱對冬小麥總產(chǎn)的影響區(qū)域間表現(xiàn)為京津冀地區(qū)最大，山東省次之，河南省影響最小，而開花-成熟階段輕旱和中旱對冬小麥總產(chǎn)的影響區(qū)域間表現(xiàn)為山東省最大，京津冀地區(qū)次之，河南省影響最小。

3 討 論

本文以中國華北平原冬小麥為研究對象，基于 1981—2017年研究區(qū)域內(nèi)的氣象觀測資料和農(nóng)業(yè)氣象觀測站的生育時期資料，以作物水分虧缺指數(shù)作為農(nóng)業(yè)干旱指標，結(jié)合調(diào)參驗證后的APSIM-Wheat模型，解析了冬小麥生長發(fā)育中后期和不同等級干旱對冬小麥單產(chǎn)的影響程度，結(jié)合1981—2010年冬小麥實際播種面積平均值，進一步評估了干旱對冬小麥總產(chǎn)的影響程度，為中國定量評估干旱對區(qū)域冬小麥產(chǎn)量影響程度、制定抗災(zāi)減災(zāi)應(yīng)對措施提供科學依據(jù)。但由于實際生產(chǎn)的復(fù)雜性以及數(shù)據(jù)資料的局限性，本研究在實際應(yīng)用中還存在以下不足：

1）利用APSIM-Wheat模型模擬的潛在產(chǎn)量時，仍存在不足。首先在播期的確定上，由于很難獲取各氣象站點從1981—2017年37 a的冬小麥播期資料，模擬中采用的是區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)氣象觀測站的平均值，沒有考慮播種期的變化。而實際生產(chǎn)中冬小麥推遲播種，大概每 10 a推遲1.5 d[42]。其次，為了反映近 37年品種更替對冬小麥產(chǎn)量的影響，在模型模擬過程中每10 a更換一次品種來表示品種更替對過去37 a冬小麥產(chǎn)量提升的貢獻，與實際生產(chǎn)中品種的更替周期仍有差異。以上潛在產(chǎn)量模擬中的不足將在接下來的工作中進一步完善，使得結(jié)果更準確。

2）本研究將干旱等級與其減產(chǎn)程度結(jié)合，明確不同等級干旱對冬小麥產(chǎn)量的影響，為區(qū)域合理制定灌溉措施提供理論依據(jù)。由于研究側(cè)重點不同，本文僅考慮自然降水對作物的水分供應(yīng)，而沒有考慮各地區(qū)灌溉的影響。而灌溉是華北平原冬小麥水分的主要來源，實際生產(chǎn)中灌溉對旱情的緩解作用，使干旱的發(fā)生頻率以及對產(chǎn)量影響與模型分析的結(jié)果存在差距。此外，本文也沒有考慮降水及灌溉后作物對土壤水分利用的有效性。

3）由于干旱形成和影響的復(fù)雜性，難以利用模型完全反演實際生產(chǎn)中干旱的發(fā)生情景。本文在利用APSIM-Wheat模型模擬各生育階段干旱對冬小麥產(chǎn)量的影響時，所模擬的階段為雨養(yǎng)不灌溉，其他生育階段是自動灌溉，沒有考慮到作物生長發(fā)育各階段之間的影響。此外，研究中僅考慮冬小麥單一生育階段發(fā)生干旱對產(chǎn)量的影響，沒有考慮各生育階段發(fā)生連續(xù)干旱的情況，將在以后的研究中加以考慮。

華北平原冬小麥干旱對單產(chǎn)影響的區(qū)域差異性較大，主要與不同地區(qū)降水量與小麥各生育時期的需水量配合度有關(guān)。此外，不同地區(qū)發(fā)生干旱對小麥產(chǎn)量三要素的影響存在差異性，也是造成華北平原冬小麥干旱對單產(chǎn)影響區(qū)域差異性較大的原因之一。

4）由于研究區(qū)域內(nèi)干旱災(zāi)情資料的局限性，在評估冬小麥 2個生長發(fā)育階段干旱對總產(chǎn)的影響時，采用的是研究時段內(nèi)冬小麥的實際播種面積，并結(jié)合 GIS中的空間分析工具將播種面積提取到氣象站點上，并假定研究區(qū)域內(nèi)氣象站點均勻分布，因此每個站點僅代表一定范圍內(nèi)的區(qū)域特征，區(qū)域間數(shù)值的差異性不僅體現(xiàn)了干旱對單產(chǎn)影響的差異，也體現(xiàn)了區(qū)域間小麥種植面積的差異。在今后的研究中將進一步收集數(shù)據(jù)并結(jié)合遙感資料，基于冬小麥實際播種面積和各生育階段的氣候特征，定量干旱受災(zāi)面積，進而評估干旱對冬小麥總產(chǎn)的影響。

4 結(jié) 論

本文以作物水分虧缺指數(shù)為農(nóng)業(yè)干旱指標，基于調(diào)參驗證后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型（Agricultural Production Systems Simulater，APSIM），評估了冬小麥生長發(fā)育中后期各生育階段不同等級干旱對冬小麥單產(chǎn)和總產(chǎn)的影響。主要結(jié)論如下：

1）冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱造成冬小麥減產(chǎn)率空間上均呈北高南低的分布特征，區(qū)域間比較均表現(xiàn)為干旱對京津冀地區(qū)冬小麥單產(chǎn)影響最大，對河南省冬小麥單產(chǎn)影響最小。拔節(jié)-開花階段區(qū)域內(nèi)所有站點由于干旱造成的減產(chǎn)率均低于 40%，而開花-成熟階段 73%的站點減產(chǎn)率低于40%。隨著干旱等級的加重減產(chǎn)率增大，開花-成熟階段輕旱、中旱和重旱的減產(chǎn)率分別為 16.5%（3.0%～47.8%）、32.8%（9.9%～54.2%）和44.9%（11.9%～63.5%），拔節(jié)-開花階段輕旱、中旱和重旱的減產(chǎn)率分別為10.3%（2.1%～25.3%）、18.8%（5.4%～36.0%）和28.6%（10.6%～45.9%）。相同干旱等級在不同區(qū)域間比較表現(xiàn)為京津冀地區(qū)影響最大，河南省影響最小。

2）冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱造成冬小麥減產(chǎn)量空間上均呈現(xiàn)由西南向東北逐漸增加的趨勢，區(qū)域間比較均表現(xiàn)為干旱對山東省冬小麥總產(chǎn)影響最大，對河南省冬小麥總產(chǎn)影響最小。相同干旱等級在不同區(qū)域間比較結(jié)果各不相同。