基于AquaCrop模型的北京地区冬小麦水分利用效率

删除或更新信息，请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

本站小编 Free考研考试/2021-12-26

邢会敏, 徐新刚, 冯海宽, 李振海, 杨福芹, 杨贵军, 贺鹏, 陈召霞. 基于AquaCrop模型的北京地区冬小麦水分利用效率[J]. , 2016, 49(23): 4507-4519 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.23.004
XING Hui-min, XU Xin-gang, FENG Hai-kuan, LI Zhen-hai, YANG Fu-qin, YANG Gui-jun, HE Peng, CHEN Zhao-xia. Water Use Efficiency of Winter Wheat Based on AquaCrop Model in Beijing[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2016, 49(23): 4507-4519 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.23.004

0 引言

【研究意义】水是人类赖以生存和发展的重要资源,水资源匮乏和污染日益严峻,已成为制约中国可持续发展的重要因素^[1]。目前,全球农业灌溉用水已经占淡水资源的72%^[2],中国农业因灌溉方式不当造成的农业用水浪费现象极为严重。HSIAO等^[3]、MOLDEN等^[4]提出水分利用效率（Water use efficiency,WUE）的概念分析作物的水分使用情况,为保证农业生产正常进行,制定合理的灌溉制度,同时兼顾产量和水分利用效率^[5],是目前需解决的重要问题。冬小麦是华北地区的主要粮食作物,同时华北平原又是中国主要粮食生产基地,该地区粮食能否正常供应影响着中国粮食安全。近年来,随着华北地区干旱不断加剧,该地区的水资源渐渐不能满足冬小麦整个生长发育过程所需水分,限制了该地区冬小麦产量,对当地农业生产造成了严重影响。同时随着城市化和工业化进程加快,城市生活用水和工业化用水增加,华北平原地区地下水位下降趋势加快。农业种植中,冬小麦灌溉用水量大,是高耗水作物,因此,及时、准确地获取冬小麦需水量信息,可以为合理制定灌溉用水决策提供技术支持,促进农业节水和提高水资源利用效率。【前人研究进展】AquaCrop（FAO Crop Model to Simulate Yield Response to Water）模型是由国际粮农组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO）免费向全球推广的水生产力驱动模型^[3,6-7],该模型从微观层面上模拟作物产量对水的响应机制,适用于水作为关键限制因子地区,并且以较少的参数和较高的精度受到了各国****的青睐。国外****对小麦^{[5, 7-8]}、玉米^{[7, 9-11]}、甜菜^[11]、向日葵^[11]、土豆^[12] 、棉花^[13]、水稻^[14]和甘薯^[15]等多种作物的冠层覆盖度、生物量、籽粒产量、土壤水含量、产量水分利用效率和水分生产力进行了验证和评价,获得了较高的精度。在国内,朱秀芳等^[16]和王亮等^[17]对该模型的原理和应用做了详细的介绍,其他****也应用AquaCrop模型也对华北平原小麦^[18-21]、夏玉米^[22]、大葱^[23]、松嫩平原春小麦^[24]、西北胡麻^[25]等多种作物进行模型校正,验证和评价了生物量、产量、水生产力、土壤水含量和水分利用效率等方面的精度和适用性。【本研究切入点】AquaCrop是FAO推出的水生产力驱动模型,它计算每一天的水分平衡,相对于光驱动的DSSAT模型和二氧化碳驱动的WOFOST 模型,在模拟水分对产量的影响方面更有优势^[6-7]。目前关于AquaCrop模拟水分利用率方面的研究,国外开展的比较多。ANDARZIAN等^[5]比较分析了不同降雨年型灌溉频次对春小麦籽粒产量和产量水分利用效率的影响;STRICEVIC等^[11]通过评估不同作物不同气候条件下的灌溉水分利用效率来确定作物是否需要灌溉;HUSSEIN等^[13]分析了滴灌模式下不同灌溉量对作物水分利用效率的影响。国内关于AquaCrop模型水分利用率的研究较缺乏,尤其是北京地区。【拟解决的关键问题】北京市位于华北平原北部,属于重度缺水地区。2013年北京市水务局（http://www.bjwater. gov.cn）公布的数据显示北京年均用水总量达到36亿m³,现有年均水资源总量21亿m³,农业用水9.09亿m³,超过全市用水的25%,而冬小麦需水总量约在2.03—3.12亿m³,用水量惊人,农业用水浪费现象普遍存在。因此,在制定冬小麦灌溉策略时,要平衡产量和产量水分利用效率之间的关系,做到产量和产量水分利用效率兼顾。本研究结合北京地区实际情况,于2011—2012、2012—2013和2013—2014年在国家精准农业研究示范基地进行冬小麦大田试验,首先对AquaCrop模型进行本地化,然后模拟不同降雨年型不同灌溉策略下的冬小麦籽粒产量和产量水分利用效率的关系,为该地区田间灌溉进行指导和决策。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2011—2012、2012—2013和2013—2014年在国家精准农业研究示范基地（40°00′—40°21′N,116°34′—117°00′E,海拔高度36 m）进行。基地位于北京市昌平区小汤山镇东北部。土壤类型为壤土,试验期间研究区平均降雨量约602 mm,夏季平均气温约26.2℃,冬季平均气温约-4.5℃,全年无霜期平均180 d,冬小麦的生育期一般为当年9月下旬（播种）至次年6月中旬（收获）。

1.2 数据获取

1.2.1 气象数据试验站点的气象数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn/）,获取了从2011— 2014年北京地区的气象数据,包含北京地区降雨量、最高温度、最低温度（图1）、相对湿度、风速和总日照时数的日值数据;2004年至2014年冬小麦生育期降雨量总和见图2。
冬小麦生育期参考蒸散量（Reference evapotranspiration,ETo）参考1998年FAO的灌排水56号文件,由ALLEN和RAES^[26-27]等改进的Penman- Monteith公式和ETo计算器计算获得。蒸散文件（*.ETo）、降雨量文件（*.PLU）、温度文件（*.TMP）和模型自带的二氧化碳浓度文件（GlobalAverage. CO₂）共同建立AquaCrop模型的气象数据文件（*.CLI）。
1.2.2 土壤数据冬小麦播种前,均匀选取10个样点,用土钻分别在0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm 5个深度取土壤样品放入自封袋中,烘干后分别测量永久萎蔫点、田间持水量、饱和含水量、有机质含量、黏粒含量、沙粒含量、酸碱度和总氮含量8个指标(表1).将测得的土壤数据输入到AquaCrop模型中,生成土壤数据文件(.SOL).

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图12011—2014北京日降雨量、最高温度和最低温度
-->Fig. 1Daily precipitation, the maximum temperature and the minimum temperature of Beijing
-->

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图22004—2014年北京地区冬小麦生育期降雨量总和
-->Fig. 2Total precipitation of winter wheat growing season in Beijing from 2004 to 2014
-->

Table 1
表1
表1土壤参数数据
Table 1Data of soil parameters

土壤质地 Soil texture	深度 Depth (cm)	水分含量Moisture content (%)			有机碳含量 Org.C (%)	黏粒含量 Clay (%)	砂粒含量 Silt (%)	pH	总氮 Total N (%)
土壤质地 Soil texture	深度 Depth (cm)	PWP	FC	Sat	有机碳含量 Org.C (%)	黏粒含量 Clay (%)	砂粒含量 Silt (%)	pH	总氮 Total N (%)
黏壤土Clay loam	0-20	8.8	27.3	51.1	1.04	23.5	53.9	8.00	0.11
黏壤土Clay loam	20-40	8.7	27.3	51.3	1.01	23.4	54.1	8.08	0.10
黏壤土Clay loam	40-60	12.3	34.8	54.7	0.68	37.3	47.8	7.94	0.08
壤黏土Loam clay	60-80	12.3	34.8	54.7	0.66	37.3	47.8	7.98	0.08
壤黏土Loam clay	80-100	12.3	34.8	54.7	0.59	40.3	43.0	8.03	0.07

PWP：永久萎蔫点;FC：田间持水量;Sat：饱和含水量 PWP: Permanent wilting point; FC: Field capacity; Sat: Saturation

新窗口打开
1.2.3 管理数据本次试验冬小麦播种日期、收获日期和供试品种见表2,2011—2012年供试品种为农大211、中麦175、京9843和中优206,播种时间为2011年9月25日,收获时间为2012年6月18日,试验小区总面积20 430 m²（90 m×227 m）,正常水肥处理;2012—2013年供试品种为农大211、中麦175、京9843和中优206,播种密度为300万株/hm²,播种时间为2012年9月28日,收获时间为2013年6月20日,试验设8个种植小区,每小区90 m²（10 m×9 m）,正常水肥管理;2013—2014年供试小麦品种为京9843、中麦175,播种时间为2013年10月4日,收获日期为2014年6月17日,水分设雨养、正常灌溉、过量灌溉3个处理,重复3次,每小区面积150 m²（10 m×15 m）。试验分别于越冬期、返青期、拔节期、挑旗期和灌浆期灌溉,灌溉量见表3,获取的作物数据包括地上干生物量和籽粒产量。其余按当地冬小麦大田管理规范进行（杂草控制、病虫害管理和肥料的应用）。
Table 2
表2
表2小汤山冬小麦试验品种、播种日期和收获日期
Table 2The cultivation, sowing date and harvest date of winter wheat

生育期 Growing season	处理 Treatment	品种 Cultivation	播种日期 Sowing date	收获日期 Harvest date
2011—2012	正常灌溉Normal irrigation	农大211 NongDa211,中麦175 ZhongMai175, 京9843 Jing9843,中优206 ZhongYou206	2011.9.25	2012.6.19
2012—2013	正常灌溉Normal irrigation	农大211 NongDa211,中麦175 ZhongMai175, 京9843 Jing9843,中优206 ZhongYou206	2012.9.28	2013.6.20
2013—2014	雨养Rainfall	京9843 Jing9843,中麦175 ZhongMai175	2013.10.4	2014.6.17
	正常灌溉Normal irrigation		2013.10.4	2014.6.17
	过量灌溉Over irrigation		2013.10.4	2014.6.17

新窗口打开
Table 3
表3
表3小汤山试验区不同年份生育期灌溉量和总降雨量
Table 3Irrigation and precipitation of different years (mm)

年份 Year		灌溉量Irrigation					降雨量 Precipitation	总水量 Total
年份 Year		越冬期 Over Wintering	返青期 Turn green	拔节期 Stem elongation	挑旗期 Flag leaf	灌浆期 Grain filing	降雨量 Precipitation	总水量 Total
2011—2012 正常灌溉Normal irrigation		50	36	36	45	45	184.7	396.7
2012—2013 正常灌溉Normal irrigation		25	36	36	45	45	246.3	433.3
2013—2014	雨养Rainfall	0	0	0	0	0	276.2	276.2
	正常灌溉Normal irrigation	25	25	25	36	60	276.2	447.2
	过量灌溉Over irrigation	50	50	50	72	120	276.2	618.2

新窗口打开
1.2.4 生物量和产量数据本研究生物量仅指地上干生物量,由样点随机选取能够代表作物长势的小麦进行取样,装入准备好的袋子,置于烘箱105℃杀青30 min,然后70℃烘干至恒重（24—48 h）,记录干重,除以取样面积即为单位面积生物量。产量是在冬小麦成熟期,由样点随机选取能够代表作物长势的成熟小麦进行取样,脱粒,晒干,然后称重（电子天平精度为0.01 g）,每个样点的小麦质量除以取样面积即为单位面积产量。

1.3 方法

1.3.1 AquaCrop模型主要参数校正 AquaCrop模型作物参数校正采用2012—2013和2013—2014年实测地上干生物量和籽粒产量数据,模型验证采用2011—2012年数据。在FAO提供的AquaCrop4.0作物参数附件^[28]里,提供了包括棉花、玉米、小麦、土豆、水稻等14种典型作物的生理参数。其中部分参数不随地理位置、种植时间和管理措施变化而发生变化,这部分参数称为保守参数,因此,在参数校正时,保守参数采用模型手册上的推荐值。非保守参数则采用“试错法”结合试验实测值修正,部分参数详见表4。
Table 4
表4
表4AquaCrop模型作物参数表
Table 4The crop parameters of AquaCrop model

描述 Describe	值 Value	单位 Unit
作物从播种到成熟时长Total length of crop cycle in growing degree-days	2499	GDD
基底温度Base temperature	0.0	℃
上限温度Upper temperature	26.0	℃
冠层扩展上限阈值Upper threshold for canopy expansion	0.20	%TAW
冠层扩展下限阈值Lower threshold for canopy expansion	0.65	%TAW
冠层扩展胁迫系数的曲线形状Leaf expansion stress coefficient curve shape	3.0	—
气孔关闭的上限阈值Upper threshold for stomatal closure	0.65	%TAW
气孔导度水胁迫因子Water stress factor of stomatal conductance	2.5	—
冠层衰老胁迫系数Canopy senescence stress coefficient	0.70	%TAW
冠层衰老胁迫系数形状曲线Shape of canopy senescence stress coefficient	3	—
授粉开始失效的最小温度Minimum air temperature below which pollination starts to fail	5	℃
授粉开始失效的最大温度Maximum air temperature above which pollination starts to fail	35	℃
最小有效根深Minimum effective rooting depth	0.30	m
最大有效根深Maximum effective rooting depth	1.2	m
根区扩展形状因子Shape factor describing root zone expansion	15	%
冠层增长系数Canopy growth coefficient	0.595	%GDD^-1
最大冠层覆盖度Maximum canopy cover	95	%
冠层衰减系数Canopy decline coefficient	0.4	%GDD^-1
归一化水分生产力Normalized water productivity	16	gm^-2
参考收获指数Reference harvest index	47	%
指定的HI允许最大的增加幅度Allowable maximum increase of specified HI	15	%

HI: Reference harvest index; GDD: Growing degree-days; TAW: Total available soil water in the root zoneHI：参考收获指数;GDD：生长度日;TAW：总的根区土壤有效水

新窗口打开
采用决定系数（R²,式（1））、均方根误差（RMSE,式（2））和Willmott^[29]的一致性指数d（式（3））作为模型校正和验证精度评定指标,R²、RMSE和d由以下公式计算得到：

（1）

（2）

（3）

式中,n 是总观测值的个数;M_i和S_i分别为实测值和模拟值;

是所有实测值的平均值。R²表示实测值与模拟值的拟合程度,其值在0—1,越接近于1表示模型模拟效果越好;RMSE表示实测值与模拟值的偏离程度,其值越小,模型精度越高;d∈（-∞,1）,d越接近1,表示模拟值与实测值一致性越好,模型的模拟结果越可靠。
1.3.2 水分利用效率 ALI^[30]定义水分利用效率为单位水分消耗获得的生物量或产量,本研究的产量水分利用效率（Grain-WUE）可参考文献[31]获得公式（4）：
Grain-WUE=

（4）
式中,GY为籽粒产量（t·hm^-2）,ET为作物蒸腾量,由Aquacrop模型决定。
1.3.3 不同降雨年型确定利用Pearson-Ⅲ型分布^[32]模型可以进行极端降雨量分析,其分布密度函数为：

（5）

式中,

,C_v为离差系数,C_S为偏差系数,x为生育期降雨量值,

为1951—2010年生育期降雨量均值,

。
对（5）式积分,得到不小于相应指定频率（P）的对应降雨量x_p的累计频率P：

（6）

当P已知时,即可求出对应频率的降雨量x_p：

（7）

北京地区2004—2014年的日降雨数据从中国气象数据网（http://data.cma.cn/）获取,根据日降雨量数据统计出北京地区冬小麦生育期（当年9月下旬至次年6月中旬）的降雨量总和（图2）,利用 Pearson-Ⅲ型分布划分了3种降雨年型：湿润年、平水年和干旱年。选取生育期内降雨量频率为25%、50%和75%的年份为湿润年、平水年和干旱年^[33]。由统计数据知,湿润年（25%）对应的降雨量和降雨年份分别为246.3 mm和2012—2013年冬小麦生育期,平水年（50%）对应的降雨量和降雨年份分别为208.4 mm和2009—2010年冬小麦生育期,干旱年（75%）对应的降雨量和降雨年份分别159.3 mm和2004—2005年冬小麦生育期,生育期内日降雨量见图3。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图3北京地区湿润年、平水年和干旱年冬小麦生育期日降雨量
-->Fig. 3Daily precipitations in winter wheat growing periods of wet year, normal year and dry year
-->

1.4 模拟情景设计

本次不同降雨年型条件下利用AquaCrop模型模拟冬小麦产量水分利用效率,降雨量采用1.3.3选择的3种不同降雨年型（湿润年（2012—2013年冬小麦生育期）、平水年（2009—2010年冬小麦生育期）和干旱年（2004—2005年冬小麦生育期））对应的日降雨量,其他气象条件均采用当年实际气象条件,播种日期为当年的9日至28日,收获期以AquaCrop模型模拟为准。情景设计分为3种降雨年型下各14个灌溉梯度（0、10、20、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75和80 mm/期）,共14×3种灌溉情景,每个情景分别在越冬期、返青期、拔节期、开花期和灌浆期5个关键生育期进行灌溉。

2 结果

2.1 冬小麦生物量模拟结果

AquaCrop模型模拟冬小麦生物量的模拟值与实测值关系如图4所示。其中图4-a为2011—2012年生物量模拟结果,图4-b为2012—2013年生物量模拟结果,图4-c, d, e分别为2013—2014年雨养、正常灌溉和过量灌溉条件下生物量模拟结果。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图4不同年份不同灌溉处理条件下冬小麦生物量模拟值和实测值
-->Fig. 4The simulated and measured values of biomass for winter wheat under different years and irrigation treatments
-->

最终生物量模拟值和实测值见表5。2011—2012年冬小麦生物量的模拟值和实测值的R²、RMSE和d分别为0.92、1.58 t·hm^-2和0.90;2012—2013年冬小麦模拟值和实测值的R²、RMSE和d分别为0.99、1.60 t·hm^-2、0.88;2013—2014年的3个不同灌溉条件下（雨养、正常灌溉和过量灌溉）的冬小麦生物量模拟值与实测值的R²、RMSE和d分别为0.96、1.44 t·hm^-2、0.91,0.97、1.59 t·hm^-2、0.95和0.96、1.66 t·hm^-2、0.95。2011—2012、2012—2013和2013—2014年3年生物量的模拟值与实测值R²、RMSE和d分别为0.92、1.70 t·hm^-2、0.96,相关关系如图5所示。
Table 5
表5
表5不同年份不同灌溉处理条件下小汤山冬小麦最终生物量模拟值和实测值
Table 5Simulated and measured values of winter wheat final biomass under different years and irrigation treatments

年份 Year	处理 Treatment	生物量Biomass
年份 Year	处理 Treatment	实测值 Measured (t·hm^-2)	模拟值 Simulated (t·hm^-2)	R²	RMSE (t·hm^-2)	d
2011—2012	正常灌溉 Normal irrigation	10.699	10.69	0.92	1.58	0.90
2012—2013	正常灌溉 Normal irrigation	10.947	10.821	0.99	1.60	0.88
2013—2014	雨养 Rainfall	7.792	8.505	0.96	1.44	0.91
	正常灌溉 Normal irrigation	11.544	10.484	0.97	1.59	0.95
	过量灌溉 Over irrigation	12.466	12.355	0.96	1.66	0.95

新窗口打开

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图5不同年份不同灌溉处理条件下冬小麦生物量模拟值与实测值关系
-->Fig. 5Relationship between simulated and measured biomass of winter wheat under different years and different treatments
-->

2.2 冬小麦产量模拟结果

AquaCrop模型模拟的冬小麦籽粒产量和实测值有非常好的一致性（图6,表6）,2011—2012、2012—2013和2013—2014年3年模拟产量从2.524 t·hm^-2到6.878 t·hm^-2,实测产量从3.14 t·hm^-2到6.951 t·hm^-2,3年产量的模拟值与实测值高的R²、d和低的RMSE说明AquaCrop可以很好预测该地区不同年份不同灌溉条件下冬小麦籽粒产量。
Table 6
表6
表6不同年份不同灌溉处理条件下小汤山冬小麦籽粒产量模拟值和实测值
Table 6Simulated and measured values of winter wheat grain yield under different years and irrigation treatments

年份 Year	处理 Treatment	籽粒产量Grain yield
年份 Year	处理 Treatment	实测值 Measured (t·hm^-2)	模拟值 Simulated (t·hm^-2)	相对偏差 Deviation (%)
2011—2012	正常灌溉Normal irrigation	5.66	5.607	-0.9
2012—2013	正常灌溉Normal irrigation	5.82	6.050	4.0
2013—2014	雨养Rainfall	3.14	2.524	-19.6
	正常灌溉Normal irrigation	5.767	5.753	-0.2
	过量灌溉Over irrigation	6.951	6.878	-1.05

相对偏差=100×（模拟值-实测值）/实测值 Deviation=100×(simulated-measured)/measured

新窗口打开

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图6不同年份不同灌溉处理条件下冬小麦产量模拟值与实测值关系
-->Fig. 6Relationship between simulated and measured yield of winter wheat under different years and different treatments
-->

2.3 冬小麦籽粒产量水分利用效率

由2.1和2.2可知,AquaCrop模型可以很好地模拟北京地区冬小麦干生物量和籽粒产量,因此,可以利用该模型模拟冬小麦的产量水分利用效率。AqauCrop模型模拟的小汤山地区冬小麦产量水分利用效率如表7所示。2013—2014年雨养条件下的产量水分利用效率最低,正常灌溉条件下产量水分利用效率最高。
Table 7
表7
表7不同年份不同灌溉处理条件下小汤山冬小麦产量水分利用率
Table 7Grain-WUE of winter wheat grain yield under different years and irrigation treatments

年份Year	处理Treatment	籽粒产量Grain yield (t·hm^-2)	ET (mm)	Grain-WUE (kg·m^-3)
2011—2012	正常灌溉Normal irrigation	5.66	328.5	1.72
2012—2013	正常灌溉Normal irrigation	5.82	348	1.67
2013—2014	雨养Rainfall	3.14	248.0	1.27
	正常灌溉Normal irrigation	5.767	330.2	1.74
	过量灌溉Over irrigation	6.951	423.3	1.64

新窗口打开

2.4 不同降雨年型籽粒产量和产量水分利用效率情景模拟

湿润年、平水年和干旱年3种不同降雨年型冬小麦产量水分利用效率模拟结果（图7,表8）表明：
湿润年,灌溉量从0 mm增加到35 mm,籽粒产量和产量水分利用效率增加幅度较大,当灌溉量为35 mm时,籽粒产量为6.381 t·hm^-2,此时产量水分利用效率达到最大值1.64 kg·m^-3,继续增加灌溉量,籽粒产量增加幅度变小,产量水分利用效率逐渐下降,当灌溉量增加到50 mm时,冬小麦籽粒产量达到最高6.795 t·hm^-2,此时产量水分利用效率为1.58 kg·m^-3,之后再增加灌溉量,产量减少。
平水年,灌溉量从0 mm增加到35 mm,籽粒产量和产量水分利用效率增加幅度较大,当灌溉量为35 mm时,籽粒产量为6.652 t·hm^-2,此时产量水分利用效率达到最大值1.67 kg·m^-3,继续增加灌溉量,籽粒产量增加幅度变小,产量水分利用效率逐渐下降,当灌溉量增加到40 mm时,冬小麦籽粒产量达到最高6.796 t·hm^-2,此时产量水分利用效率为1.66 kg·m^-3,之后再增加灌溉量,产量减少。
干旱年,灌溉量从0 mm增加到65 mm和70 mm时,籽粒产量和产量水分利用效率增加,当灌溉量为65 mm和70 mm时,籽粒产量和产量水分利用效率同时达到最大值6.792 t·hm^-2和1.77 kg·m^-3,继续增加灌溉量,产量和产量水分利用效率降低。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图7不同年型不同灌溉量与籽粒产量和产量水分利用效率关系
-->Fig. 7Relationship between irrigations with yield, Grain-WUE under wet year, normal year and dry year
-->

Table 8
表8
表8不同年型不同灌溉处理产量水分利用效率模拟
Table 8Simulated Grain-WUE in alternating irrigation treatments under wet year, normal year and dry year

情景 Scene	灌溉量 Irrigation (mm/stage)	湿润年Wet year		平水年Normal year		干旱年Dry year
情景 Scene	灌溉量 Irrigation (mm/stage)	模拟产量 Sim-yield (t·hm^-2)	Grain-WUE (kg·m^-3)	模拟产量 Sim-yield (t·hm^-2)	Grain-WUE (kg·m^-3)	模拟产量 Sim-yield (t·hm^-2)	Grain-WUE (kg·m^-3)
1	0	1.278	0.54	4.228	1.61	0.096	0.05
2	10	4.088	1.48	4.992	1.62	1.165	0.57
3	20	5.068	1.55	5.709	1.64	3.576	1.44
4	30	6.030	1.63	6.360	1.66	4.696	1.54
5	35	6.381	1.64	6.652	1.67	4.906	1.55
6	40	6.590	1.62	6.796	1.66	5.287	1.58
7	45	6.747	1.61	6.712	1.63	5.669	1.61
8	50	6.795	1.58	6.604	1.61	6.046	1.64
9	55	6.787	1.55	6.542	1.59	6.367	1.66
10	60	6.726	1.52	6.491	1.58	6.654	1.74
11	65	6.659	1.50	6.465	1.57	6.792	1.77
12	70	6.619	1.50	6.443	1.57	6.792	1.77
13	75	6.599	1.49	6.439	1.57	6.703	1.75
14	80	6.584	1.49	6.437	1.57	6.632	1.73

新窗口打开
各生育期灌溉量为0 mm时,平水年的冬小麦籽粒产量和产量水分利用效率高于湿润年和干旱年,增加灌溉量至35 mm,湿润年和平水年的产量水分利用效率同时达到最大值1.64 kg·m^-3和1.67 kg·m^-3,干旱年的灌溉量为65 mm时产量水分利用效率达到最大值1.77 kg·m^-3;继续增加灌溉量,3种不同降雨年型的产量水分利用效率均下降,湿润年下降幅度较大,平水年次之,干旱年下降幅度最小,产量水分利用效率的大小顺序依次为干旱年、平水年和湿润年。

3 讨论

本研究使用AquaCrop模型对北京地区冬小麦进行校正和验证,模拟的冬小麦地上干生物量和籽粒产量和实测值一致性高,说明AquaCrop模型可以很好地模拟北京地区冬小麦的籽粒产量和产量水分利用效率。另外模拟不同降雨年型不同灌溉处理下北京地区冬小麦籽粒产量和产量水分利用效率,说明AquaCrop模型可以为北京地区冬小麦田间灌溉和决策提供指导。
2011—2012年和2012—2013年地上干生物量模拟值的实测值验证的d值偏小,精度偏低,可能是因为2011—2012年和2012—2013年冬小麦都是有4个品种,不同品种之间是有差异的,AquaCrop模型不能考虑不同品种的差异、种植制度对输出变量的影响^[6]。而2013—2014冬小麦全生育期的品种只有2个,所以验证精度高于2011—2012年和2012—2013年。
WANG等^[34]指出小麦开花期至成熟期是耗水高峰期,也是决定小麦产量高低的重要时期,如果该时期供水不足将导致植株早衰、光合能力下降和灌浆期缩短;贾殿勇^[35]指出,冬小麦在拔节期至成熟期需水量最多,该阶段需水量约占整个生育期总需水量的 60%—70%;贾树龙等^[36]指出,拔节期至灌浆期水分胁迫对产量的影响尤为严重,若该时期缺水,将导致小麦减产约27.53%—47.51%,是小麦减产的主要原因。因此,本研究将冬小麦整个生育期划分为3个阶段,从播种第1天至拔节期为第1阶段,拔节期至灌浆初期为第2阶段,灌浆初期至成熟期为第3阶段,分别统计3个阶段在3种不同降雨年型的降雨量。第1阶段,湿润年、平水年和干旱年3种年型的降雨量分别为132.2、72.7、50.7 mm;第2阶段降雨量分别为5.2、28.5、27.7 mm;第3阶段降雨量分别为108.9、107.2、80.9 mm。第1阶段水分胁迫对产量影响不明显,约为1.04%—4.36%^[36],第3阶段水分胁迫对产量的影响约为6.76%—8.99%,与第2阶段相比较小,并且3种不同年型在该阶段降雨量相差不大,因此讨论时不考虑,仅考虑第2阶段降雨量差异。
模拟的湿润年、平水年和干旱年3种降雨年型不同灌溉条件下冬小麦籽粒产量和产量水分利用效率显示,当灌溉量为0 mm时,平水年冬小麦籽粒产量和产量水分利用效率高于湿润年和干旱年,这是因为在冬小麦生长的第2阶段,湿润年降雨量仅为5.2 mm,造成湿润年产量和产量水分利用效率低;当灌溉量增加至35 mm时,湿润年的产量水分利用效率增幅高于平水年,并且湿润年和平水年的产量水分利用效率同时达到最大值1.64 kg·m^-3和1.67 kg·m^-3,当灌溉量为40 mm时,平水年的籽粒产量达到最大值6.796 t·hm^-2。并且平水年的产量和产量水分利用效率高于湿润年、干旱年。这是由于小麦从拔节期到挑旗期,营养生长和生殖生长同时进行,植株的大部分器官集中在这一阶段建成,分蘖和小花的两极分化也主要在这个时期进行,这个时期是决定植株壮弱程度、单位面积穗数和小花结实率的关键时期^[3,7],也是保花增粒的关键时期,必须加大灌溉量。在平水年的第2阶段降雨量为28.5 mm,湿润年仅为5.2 mm,相当于在该阶段增加了灌溉量,说明在相同灌溉条件下,拔节期至灌浆期的降雨量对冬小麦的籽粒产量和产量水分利用效率影响显著,这与腾晓伟等^[37]和李全起等^[38]得到的在拔节期和抽穗期灌溉可以提高籽粒产量和产量水分利用效率的结论是一致的。当灌溉量继续增加到40 mm、50 mm和65 mm时,平水年、湿润年和干旱年的籽粒产量达到最大值。之后,随着各个生育期的灌溉量的继续增加,冬小麦拔节期以后灌溉量大,会造成冬小麦抽穗延迟、灌浆速度慢、光合产物向籽粒转运的少,造成小麦贪青、秕粒、减产。并且在干旱情况下,植物通过自身适应策略会提高水分利用效率,随着水分的增加,水分利用率将降低,因此3种不同年型的产量水分利用效率的大小顺序依次为干旱年、平水年和湿润年。ANDARZIAN等^[5]利用AquaCrop模型模拟的春小麦3种不同降雨年型不同生育期不同灌溉频次的产量利用效率干旱年>平水年>湿润年,与本研究结果一致。

4 结论

（1）Aquacrop模型模拟的北京地区不同年份不同灌溉处理条件下冬小麦地上最大干生物量和籽粒产量的模拟值和实测值一致性好,精度高,说明AquaCrop可以很好预测北京地区不同年份不同灌溉条件下冬小麦地上干生物量和籽粒产量。
（2）模型模拟的北京地区冬小麦2011—2012年和2012—2013年正常灌溉以及2013—2014年的雨养、正常灌溉、过量灌溉条件下的产量水分利用效率,结果表明正常灌溉条件下产量水分利用效率最高,其次是过量灌溉,雨养条件下产量水分利用效率最低。
（3）模型模拟的北京地区湿润年、平水年和干旱年3种不同降雨年型不同灌溉条件下冬小麦籽粒产量和产量水分利用效率,在湿润年,达到最大的灌溉量分别为35 mm和50 mm;在平水年,达到最大的灌溉量分别为35 mm和40 mm;在干旱年,达到最大的灌溉量均为65 mm。说明,随着灌溉量的增加,籽粒产量与产量水分利用效率先增后减,灌溉量不是越多越好。因此,在制定冬小麦灌溉策略时,要做到产量和产量水分利用效率兼顾。
关于降雨年型本研究仅对湿润年、平水年和干旱年3种年型在越冬期、返青期、拔节期、开花期和灌浆期不同灌溉量和籽粒产量和产量水分利用效率之间的关系进行模拟,对于不同时期不同灌溉量对籽粒产量和产量水分利用效率的影响没有考虑,在下一步的工作中,将会进一步研究验证。
The authors have declared that no competing interests exist.