基于DSSAT 模型的晋南小麦节水灌溉应用

孙晶京，杨武德，冯美臣，肖璐洁

（1.山西农业大学农学院，山西太谷030801；2.山西农业大学文理学院，山西太谷030801）

小麦是山西省的第二大粮食作物，在农业生产、消费和流通中占有重要的地位。近年来，由于退耕还林、生产效益低下和其他项目的土地占用，造成全省小麦播种面积持续下降，总产减少，不能满足山西小麦市场的需求，造成全省小麦消费缺口达3.0×109kg[1]。山西省60%的小麦是旱地小麦；70%的小麦生产主要集中在晋南麦区（占全省小麦产量的80%），该区域地势比较平坦，海拔300～600 m，年平均气温10～14 ℃，年降水量500～650 mm，无霜期160～220 d。但60%的降水主要集中在7—9 月，由于降水分布的不均匀性，易形成季节性干旱，导致小麦生育关键期水分匮乏，严重影响小麦产量，进而威胁到粮食安全和社会稳定。

目前，针对山西小麦生产的特点，已有许多学者开展了山西小麦生理生态特性和品质[2-4]、抗旱品种的选育[5]、旱地栽培技术[6-7]等方面的研究，但这些传统的研究方法不仅试验周期长、成本高，而且由于气候条件和土壤环境的时空变异性，使得取得的试验成果往往不具备普适性，难以推广应用。而作物生长模拟模型（作物模型）不仅能够克服传统农业研究中所存在的一些问题，而且还开辟了一种新的试验途径。

作物模型是一种机理性模型，是描述作物在整个生长季内的生理过程（作物生长发育、光合生产、干物质积累分配和产量形成）及其与环境（气候、土壤）和栽培管理技术之间动态关系的计算机程序[8]。它主要用于农业试验研究、农业生产风险评估、气候变化对农业生产的影响评价等。目前，主要的作物模型有荷兰瓦赫宁根大学开发的WOFOST 模型[9]、美国IBSNAT（International Benchmark Sites Network for Agrotechnology Transfer）提出的DSSAT 模型[8]、澳大利亚APSRU（Agricultural Production Systems Research Unit）开 发 的APSIM 模 型[10]和 我 国的高亮之等[11]提出的CCSODS（Crop Computer Simulation，Optimization，Decision Making System）模型等。

近几年，已经有很多学者相继引入并应用了这些作物模型，其中，DSSAT 模型应用较为广泛。在模型调参和适用性评价方面[12-16]，研究主要集中在从不同地域不同作物不同管理措施方面验证DSSAT模型在当地的适用性。其中，邹龙等[14]和姚宁等[15]研究认为，DSSAT 模型在模拟旱区冬小麦生境过程时存在着一定的局限性。在水肥管理方面[17-19]，主要研究如何确定小麦的最佳施氮量和最优灌溉制度。其中，刘建刚等[17]应用DSSAT 模型分析了吴桥不同氮肥水平下冬小麦的生长过程，最后确定222 kg/hm2为最佳氮肥施用量。由于研究结果受地域和气候的影响较大，一个地区的模型参数并不一定能很好地推广到其他地区；另外，该研究区域是一个典型的丘陵沟壑地区，水资源极度匮乏，如何制定合理的灌溉制度就显得尤为重要。

本研究主要利用2004—2005 年和2005—2006 年的小麦试验数据来评价DSSAT-CERESWheat 模型在当地的适用性，旨在为当地农业生产提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

田间试验在山西省农业科学院小麦研究所试验基地进行。当地气候为暖温带半干旱大陆性气候，四季分明，雨热同期，全年日照2 186 h，年均温度12.6 ℃，年均降水量468 mm，无霜期平均195 d。供试土壤为褐土[20]。

1.2 试验材料

供试小麦品种为临汾138、临优145 和临优2018。

1.3 试验设计

大田试验时间为2004—2005 年和2005—2006年，采用裂区设计，主区为播期，分别为9 月25 日、10 月2 日、10 月9 日和10 月16 日；第1 副区为种植密度，分别为225 万、300 万、375 万株/hm2，第2 副区为品种，分别为临汾138、临优145 和临优2018。区组内随机排列，区组重复3 次，小区面积为3 m2。肥料施用纯氮225 kg/hm2，基追比为6∶4，于拔节期追肥；P2O5165 kg/hm2，K2O 180 kg/hm2，磷、钾肥全部作为底肥一次性施入。全生育期浇水3 次。6 月11 日收获。

1.4 模型输入数据

DSSAT 模型运行所需的最小数据集包括气象数据、土壤数据、作物遗传参数数据和田间管理数据。本研究所用气象数据均由中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）提供，包括逐日日照时数（h）、最高和最低气温（℃）、降雨量（mm）。模型运行所需的逐日太阳辐射量由日照时数通过Angstyon 经验公式估算[21]得出。

其中，Rs为太阳总辐射（MJ/m2）；Rmax为天文辐射（MJ/m2）；as、bs为经验系数，n 为逐日日照时数（h），N 为逐日可照时数（h）。

土壤数据来自山西土壤[22]，模型运行所需输入的土壤数据主要包括土壤的机械组成、土壤水分参数，具体参数值列于表1。

运行模型的田间试验数据包括小麦的物候期数据（开花期和成熟期的日期）、拔节期（3 月28 日）和抽穗期（4 月30 日）的叶面积指数、地上生物量和最终的产量（产量构成因素包括千粒质量、穗数、穗粒数）。在DSSAT 模型中，小麦的品种遗传参数的含义和取值范围如表2 所示。

表1 模型运行所需土壤参数

表2 小麦的品种遗传及取值范围

1.5 模型的校正及其评价指标

模型校正是应用模型的关键，模型校正的过程实质就是通过调整模型参数，使模型模拟值逼近实测值的过程。本研究采用模型自带的GLUE 和试错法二者结合的形式进行。采用2004—2005 年共36 个处理的数据作为校正集、2005—2006 年共36 个处理作为验证集。

1.6 模型评价指标

本研究采用绝对误差（AE）、D 指数（D-index）[23]、均方根误差（RMSE）、相对均方根误差（RRMSE）和残差系数（CRM）[24]统计参量来衡量校正后模型的精确性。其中，RMSE、RRMSE 和CRM的值越接近0，模拟效果越好；D-index 和CD 的值越接近1，模拟效果越好。

其中，pi为模型模拟值，oi为实测值，o¯为实测值的平均值，n 为样本总数。

1.7 模型的节水管理应用

为了更好地将DSSAT 模型运用于节水灌溉实践中，本试验通过设置不同的灌溉情况（表3）来模拟土壤水分的动态变化，进而寻找最佳的灌溉时期，为农业节水灌溉提供参考。采用的方法是将所设置的灌溉情况代入模型，得到对应的土壤水分动态变化和小麦最终产量，通过分析土壤水分动态变化和产量的变化规律，找出最佳的灌溉时期。

表3 不同灌溉情况设置

2 结果与分析

2.1 品种参数的校正

表4 各品种的遗传参数取值

模型校正的过程实质就是对模型中作物品种遗传参数本地化的过程，校正时，首先利用GLUE运行模型6 000 次，然后适当地小范围手动调节参数，使其模拟值和观测值更接近。校正后得到各品种的参数如表4 所示。

2.2 小麦生育期的模拟

在模型校正过程中，小麦生育期的模拟值和实测值基本吻合。各品种随着播期的推后，开花期和成熟期提前，生育期缩短。从表5 可以看出，模型模拟的开花期和成熟期与实测值的最大误差均为3 d，而且播期在10 月2 日和10 月9 日的模拟最大误差只有1 d，模拟效果较好。在模型验证过程中，具有类似的结果。

表5 不同播期小麦品种物候期的比较 d

2.3 小麦产量的模拟

从表6 可以看出，模型具有较好的模拟效果。各品种校正集和验证集的RRMSE 均小于10%；CD值除了临优2018 表现欠佳外，另外2 个品种基本上接近于1；CRM值都非常靠近0，可以看出，这几个指标的验证结果具有很好的一致性，说明模型模拟效果较好。表明DSSAT 模型在当地的适应性很好，能为当地的生产服务提供参考。

表6 几种评价模型精度指标的比较

2.4 土壤水分动态的模拟

模型运行结果显示，同一播期不同品种冬小麦土壤水分状态曲线基本一致。以2004—2005 年种植的临汾138（播期为9 月25 日，播种密度为300 万株/hm2）为例，小麦生育期各土层的土壤含水量如图1 所示。模拟后第6 天出苗，第18 天开始分蘖，第67 天进入越冬期，第117 天进入拔节期，第232 天进入抽穗期，第237 天灌浆开始。由图1 可知，3 个峰值分别代表模拟开始后第67、188、230 d进行灌溉后土壤的含水量，可以看出，灌溉对0～60 cm 土层的土壤含水量变化影响较大，但对60 cm以下土层的土壤含水量变化影响很小，说明当年每次灌溉量（70 mm）只能影响到0～60 cm 土层；另外，0～40 cm 土层的土壤含水量波动较大，一方面是因为小麦根系吸水主要集中在该土层，另一方面可能是受自然环境的影响较大。由图1 还可知，小麦生育关键需水期，土壤含水量曲线下降速度快，生育期间的灌溉和降水使土壤含水量有所改善。

不同播期同一品种冬小麦土壤水分状态曲线基本相似，但仍存在一定差异。以2004—2005 年种植的临汾138 为例，其土壤水分动态变化曲线如图2 所示。由图2 可知，越冬前和拔节前0～40 cm 土层土壤含水量随播期的不同而不同，随着播期的推后，土壤储水量呈递增的趋势，其他阶段播期对该层土壤水分影响没有差异；拔节到灌浆期，不同播期对40～60 cm 土层的土壤水分影响有明显差异，播期越靠后耗水量越少，灌浆到成熟期间，不同播期虽然对该土层含水量有一定的影响，但差异不明显；从拔节到成熟期，不同播期对60～80 cm 土层的土壤水分影响比较明显，尤其是在拔节到灌浆期。总体来说，在拔节期前，播期的不同会导致0～40 cm 土层土壤水分的差异；在拔节期后，播期的不同会导致40～80 cm 土层土壤水分差异，这会对播期的选择提供一定的指导作用。另外，随着播期的推后，小麦耗水量减小，产量呈降低趋势。拔节之前小麦的耗水量不大，主要以消耗0～40 cm 土层的土壤水分为主，拔节期到灌浆期是小麦耗水量最大时期，各土层的含水量急剧下降，而该时期气温较高，也使得土壤蒸散发加剧，导致土壤储水量急剧下降。拔节期前后是播期对不同土层土壤水分变化影响的一个转折点。

由于年际间降水的不同，不同年份同一播期的土壤水分状态曲线也有差异。以临汾138（播期为9 月25 日，播种密度为300 万株/hm2）为例，其对比的土壤水分状态曲线如图3 所示。从图3 可以看出，小麦在进入越冬期前，2005—2006 年0～40 cm土层的土壤含水量明显高于2004—2005 年，这对小麦的生长有利，可增加分蘖数，进而增加产量；从越冬期到拔节期前，2005—2006 年0～20 cm 土层的土壤含水量明显比2004—2005 年小，导致20～80 cm 土层的土壤含水量下降速度比2004—2005年要快，但产量并没有降低，反而增加，表明这段时间0～20 cm 土层水分的亏缺对小麦产量有利，促使小麦根系向下生长。从拔节期到成熟期，2005—2006 年40～80 cm 土层的土壤含水量的变化率非常小，说明小麦已经不能从该层吸收更多的土壤水分供作物生长，只能依靠消耗80 cm 以下土层的土壤水分来达到产量的增加。

另外，与2004—2005 年不同，2005—2006 年是随着播期的推后，小麦产量增加，可能主要是因为拔节期后80 cm 以下土层的土壤含水量无法补充也无法满足后续小麦生长的需求。

2.5 节水灌溉应用

土壤水分的动态变化受多方面因素的影响，是一个极其复杂的过程。本试验只讨论降水、灌溉和作物用水的影响。土壤水分动态变化分析以2004—2005 年和2005—2006 年临汾138 播期为9 月25 日的处理为例，小麦产量以不同灌溉情况下所有处理的均值来描述。从图4 可以看出，雨养条件下，2004—2005 年土壤水分除了在0～20 cm有显著波动外，其他土层的土壤水分含量持续下降而且其水分变化率比较平缓，可见，土壤水分不能满足小麦在各个时期的生长，产量最低，反映出当年降水量的不足，只能缓解0～20 cm 土层的土壤水分。2005—2006 年在小麦播种期有2 次强降水，最高达80 mm，土壤墒情较2004—2005 年好，而且在进入越冬期前，0～40 cm 土层的土壤含水量有一个快速下降区，极有可能与小麦分蘖数的增加有关，有利于小麦增产。如果只考虑一次灌水，最佳灌水应该在拔节时期，在拔节前后土壤水分迅速下降，是小麦关键需水期，相比雨养情况产量大幅上升。越冬水虽然能持续到拔节期，但已经不足以维持拔节到灌浆的作物用水，至于灌浆水，由于前期小麦缺水严重，阻碍了小麦的生长发育，对产量的贡献不大。如果考虑小麦生育期2 次灌水，结果表明，2004—2005 年越冬水＋拔节水最好，其次是拔节水＋灌浆水，最后是越冬水＋灌浆水；2005—2006 年拔节水＋灌浆水最好，其次是越冬水+拔节水，最后是越冬+灌浆水。主要是因为2005—2006 年小麦播种期土壤墒情好，越冬期到拔节期0～20 cm土层水分的亏缺致使小麦根系向下生长，有利于利用深层土壤水分。灌浆期到成熟期是小麦的一大需水期，但是其对应的土壤水分变化率却很低，影响粒质量，进而影响产量；拔节到灌浆期也是小麦的重要需水期，其对应的土壤水分变化率也小，影响粒数，进而影响产量（图5）。如果考虑3 次灌水，2004—2005 年小麦产量继续增加，但2005—2006 年小麦产量并没有增加，表现出播期晚的产量继续增加，播期早的产量开始下降。主要是因为在拔节和灌浆期的灌溉足以满足2004—2005 年小麦生长的需要，而不能满足2005—2006 年。而且播期越早，2005—2006 年60 cm 土层以下的土壤含水量越早被消耗，影响小麦产量的增长。总之，合理有效灌溉既能节约水资源又能达到作物增产。从图5 可以看出，灌1 次拔节水与无灌溉相比，2 a 产量可增加3 500 kg/hm2左右，灌2 次水（越冬水＋拔节水或者拔节水＋灌浆水）比灌1 次水（拔节水）增产2 000 kg/hm2左右，灌3 次水产量增产不明显。

3 结论

不同的小麦品种具有不同的品种特征参数，品种参数选取的合适与否是模型应用的关键。本研究应用模型自带的GLUE 方法和试错法来确定3 个品种的遗传参数，校正后的模型能够很好地模拟小麦物候期和产量，说明DSSAT 模型在该地区具有较好的适应性。另外，通过不同灌溉情况模拟，得出如果只考虑1 次灌溉，应浇拔节水；如果考虑2 次灌溉且播种时墒情好，浇拔节水和灌浆水，墒情不好灌越冬水和拔节水。节水灌溉研究是一项复杂的工程，本研究只是进行了定性的分析，未来还有很多工作要做，比如降水量如何统计，灌溉量如何定量来保证节水最大化等。总之，DSSAT 模型是机理性模型，它能动态地模拟作物的生长过程，在该地区能够很好地模拟小麦的生长，可以为当地农业生产和节水灌溉提供一定参考。