不同耕作措施下旱地春小麥產量應對氣候變化的效應分析

鐘應娟 董莉霞 李 廣 逯玉蘭 燕振剛 聶志剛 王 鈞

（甘肅農業大學信息科學技術學院 甘肅蘭州 730070）

氣候變化對旱作雨養農業區作物生長有極大影響，近年來，氣候變暖造成了小麥（Triticum aestivum）減產、經濟收益低下［1］，關于作物生長模型已有較多研究，周少平等［2］利用APSIM 模型（Agricultural Production System Simulator）研究了隴東黃土高原地區玉米-小麥-大豆輪作產量和用水特性以及該地區用水動態。張建平等［3］利用世界糧食組織WOFOST （world food study）模型研究了河南省冬小麥產量灌漿過程以及干旱對產量的影響。薛佳欣等［4］利用APSIM 模型研究海河平原地區不同灌溉系統對小麥產量的影響。Araya A等［5］利用APSIM 模型模擬和評估了氣候變化對埃塞俄比亞北部地區小麥產量的影響，為當地小麥制定氣候變化適應戰略提供了理論指導。

APSIM 模型可全面囊括耕作管理、氣候因子、作物養分等生長情景，使作物研究更深入、更多元。由于黃土高原溝壑區降水量少，降水時間不均，小麥產量波動較大，因此，開展了小麥產量影響因素研究［6-8］，目前已有較多耕作措施、氣候變化對小麥產量影響的研究［9-11］，但兩者互作效應的研究并不多見。本文以黃土丘陵區旱地春小麥為研究對象，運用APSIM 模型定量評估耕作措施與氣候變化對小麥產量的互作效應，分析不同耕作措施下小麥產量對氣候變化響應的敏感性，為該地區小麥種植應對氣候變化情況提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本試驗區位于甘肅省定西市安定區李家堡鎮（35°35'N，104°38'E），該區屬隴中黃土高原典型無灌溉旱作農業區，年均氣溫為6.4 ℃，年均≥0 ℃積溫為2 933.5 ℃，年均≥10 ℃積溫為2 239.1 ℃，日照充足，晝夜溫差大，年均降水量不足400 mm，7～9月降水占全年降水量60%以上，該區為無灌溉區，一年一熟制春小麥為主要種植作物［12］。

1.2 模型簡介

APSIM 模型以土壤模塊為核心，以土壤、耕作、灌溉等農田管理措施為框架，以日記錄作物生長動態模擬情況，可組合架構滿足多種模擬需求，近年來廣泛應用于農作物生產與氣候變化關系、水肥管理等方面。本研究采用APSIM V7.7版本，將APSIM-Wheat 模塊本土化，根據氣候、土壤、小麥屬性等數據進行試驗環境搭建，動態模擬耕作措施與氣候條件變化對小麥產量的互作效應。

1.3 試驗參數及數據處理

本研究使用1970～2017 年定西市氣象觀測站自動測定的氣象數據。試驗小麥品種為‘定西42號’，播種量為187.5 kg/hm2，行距為0.25 m，小區面積為6 m×4 m，保護行為0.5 m，3 次重復，隨機區組設置。小麥生育期為3 月中旬至7 月下旬。小麥參數如表1 所示、土壤參數如表2 所示，結合前期大田試驗數據［13］，采用Excel 2016 進行數據處理，用DPS 9.0 軟件進行回歸、通徑分析，Origin 2021和Visio 2016進行繪圖。

表1 ‘定西42號’小麥參數

表2 試驗區土壤參數

1.4 試驗設計

以1970～2017 年自然環境下降水、溫度條件以及免耕管理措施作為小麥自然生長條件，以5%為梯度，逐日降水±10%范圍內，或以25 ℃為梯度，逐日溫度±1 ℃范圍內設計5×5 正交組，分別模擬傳統耕作+秸稈還田（TS）（在初次耕作時將前茬作物秸稈翻入土）；免耕（NT）（全年不耕作，使用免耕播種機一次性完成播種施肥）；免耕+秸稈覆蓋（NTS）［耕作播種方法同免耕，作物收獲后將前茬秸稈切碎（5 cm 左右）均勻覆蓋在種植區］3 種不同耕作措施（秸稈覆蓋用量均為4 000 kg/hm2，）對旱地小麥產量的影響。

使用歸一化方法統一溫度與降水量綱、量級，無量綱化編碼［14］后組合設計。

式（1）中xij為原始數據，yij為無量綱化后數據，降水與溫度的模擬試驗設計［15］及編碼如表3所示。為更好理解小麥產量受降水、溫度影響的程度，選擇降水變化情景（即從-10%至+10%遞增，依次記為R1，R2，R3，R4，R5），溫度變化情景（即從-1℃至+1℃遞增，依次記為T1，T2，T3，T4，T5）作為梯度。

表3 降水與溫度的模擬試驗設計及編碼

1.5 模型有效性檢驗

采用RMSE、NRMSE及Me檢驗模擬有效性。

（1）決定系數（R2）反映模型實測值、模擬值間的真正偏差。

式（2）中，Mi和Sj分別表示實測值和模擬值；Ma和Sa分別表示實測值和模擬值的平均值；n為實測值的樣本個數［16］。

（2）均方根誤差（RMSE）和歸一化均方根誤差（NRMSE）反應模型模擬值與實測值間的絕對誤差量和誤差百分比，其值越小，表明模擬精度越高。

（3）模型有效性（Me）反應模型模擬值與實測值間擬合效果，其值越接近1，說明擬合效果越好。

1.6 敏感性分析

小麥產量敏感性是指小麥產量因降水或溫度變化而發生顯著變化，其敏感性指數可直接體現在產量變化率［17］。氣候因子變化造成的產量變化越大，說明小麥對該因子越敏感。本研究以溫度±1 ℃，降水±10%為梯度，研究小麥產量對降水、溫度變化的敏感性及因氣候變異風險導致的小麥產量變化率，明確春小麥產量對降水、溫度變化的敏感強度。

2 結果與分析

2.1 APSIM模型檢驗

根據2016～2017 年實測產量和模擬產量進行模型有效性檢驗，由圖1 可知，數據點分布在±15%誤差線內，產量模擬值與實測值呈顯著正相關，相關系數R為0.878，決定系數R2為0.771，模 型 有 效 性Me為0.875，RMSE在5% 以 內，NRMSE為3.6%～7.8%，表明APSIM 模型擬合性良好，可用于模擬隴中旱地春小麥產量。

圖1 小麥實測值與模擬值關系

2.2 不同耕作措施下小麥產量變化

以當年自然降水、溫度及相應耕作措施下所獲小麥產量作為CK對照，計算NT、NTS、TS下小麥平均產量分別為1 856.3、2 275.4、2 221.0 kg/hm2。從降水、溫度變化對小麥產量的響應（圖2）可看出：當溫度不變，降水增多，小麥產量增加，與平均產量相比，3 種耕作措施下小麥增產最大幅度分別為30.69%、15.30%、27.70%，最小增產幅度分別為12.20%、5.10%、10.89%，平均增產幅度分別為22.56%、9.80%、20.80%；當降水不變，溫度升高，小麥產量下降，與平均產量值相比，最大減產幅度分別為7.66%、12.76%、8.68%；最小減產幅度分別為4.73%、9.50%、5.10%；平均減產幅度分別為2.56%、5.74%、2.90%。

圖2 溫度降水變化對小麥產量的響應

由圖3 可知，NTS 方式減少了水分徑流和蒸發，增強了生物酶活性，進而提高了小麥產量；而NT 方式小麥產量變化幅度最小，這可能是由于免耕方式，土壤結構穩定性更高，但這種方式土壤容易板結不利于小麥出苗，導致整體增產效果不佳。

圖3 不同耕作措施下的小麥平均產量值

2.3 回歸分析

為進一步研究溫度、降水對小麥產量的交互影響，設置溫度（X1）與降水（X2）為自變量，產量（Y）為因變量，用DPS 軟件建立不同耕作措施下小麥產量與溫度、降水的二次回歸方程（表4）。

表4 產量與耕作措施的回歸方程

表4 中，F＞F0.05表明回歸方程達到顯著水平，由回歸方程可知，3 種耕作措施下溫度（X1）一次項偏回歸系數為-92.64、-392.58、-295.47，均為負值，降水（X2）一次項偏回歸系數為269.03、640.45、509.9，均為正值，表明溫度對產量產生負效應，降水對產量產生正效應；降水一次項偏回歸系數遠大于溫度一次項偏回歸系數，表明降水帶來的增產效應遠大于溫度帶來的減產效應。

回歸方程降維處理后得到單因素方程，如表5所示。由圖3可知，在自然降水的基礎上降水每增加5%，小麥產量均呈二次曲線上升趨勢；在自然溫度基礎上溫度每升高0.25 ℃，小麥產量均呈二次曲線下降趨勢。由圖4可知，NTS的變化效應優于TS、NT。

圖4 單因素效應

表5 單因素效應方程

2.4 通徑分析

以春小麥產量（Y）為因變量，降水（X1）和溫度（X2）為自變量進行通徑分析。由圖5 可知，NTS、NT、TS3 種耕作措施下X1→Y的直接通徑系數分別為-0.479、-0.340、-0.473，說明溫度升高產生負效應，造成小麥減產；X2→Y的直接通徑系數分別為0.780、0.938、0.817，說明降水增加產生正效應，使小麥增產；X1X2→Y的直接通徑系數分別為-0.186、-0.055、-0.251，表明溫度、降水交互產生負效應，降水增多只能補償溫度升高帶來的部分減產。

圖5 NTS、NT、TS下降水溫度對小麥產量的通徑分析

2.5 敏感性分析

為研究小麥產量對降水、溫度變化的敏感性，將免耕自然降水溫度條件作為試驗對照組CK，用敏感性曲線法［16］分析3 種耕作措施下溫度、降水變化導致的小麥產量變化率。由圖6～7 可看出，3種耕作措施下降水均呈正敏感性，溫度均呈負敏感性，NTS 增減產效應優于NT、TS 耕作方式，這是因為NTS 免耕能使土壤結構更穩定、土壤水分流失少，秸稈覆蓋有效降低地表溫度，讓小麥生長獲取更充足的水分，籽粒發育飽滿，從而高效增產。綜合考慮，NTS 為經濟效益最佳的耕作方式。

圖6 NTS、NT、TS下降水對小麥產量的敏感性分析

圖7 NTS、NT、TS下溫度小麥產量的敏感性分析

3 討論

前期采用APSIM 模型進行不同氣候、灌溉、耕作條件對小麥產量影響的研究均取得不錯的成果［18-25］。本研究發現，同種耕作措施下降水增加，小麥產量增加，溫度升高，小麥產量下降，這與王妍等［26］認為高溫導致小麥被催熟、籽粒數不飽滿而造成減產的研究結論一致；本研究認為降水變化對小麥產量影響更大，這與郭春強等［27］結論不一致，可能是由于研究區地況環境不同所致；陳超等［28］認為免耕+覆蓋是甘肅地區作物較佳種植方式，與本文研究結論一致。黃土高原地區土層深厚，土壤松沃，但常年干旱，無灌溉條件，降水量增加可利于續水保肥，促進小麥根系發育，免耕+秸稈覆蓋可改善耕層土壤溫濕度，減少水分徑流［29-31］；雖然組內對比差異得出免耕小麥產量波動更小，但長期免耕導致土層硬化，降低了土壤孔隙度，影響作物根系發育，繼而影響作物整體產量。

APSIM 模型雖能在理想環境下模擬作物生長與氣候的關系，但近年來極端天氣頻發，與試驗環境下所能反映的情況有一定偏差，本研究模擬只考慮降水、氣溫對小麥全生育期的影響，并未深入研究各生育期內溫度降水影響小麥抽穗、灌漿，同時未考慮太陽輻射等其他氣候因素，因此，在今后研究過程中，要深入開展氣候環境變化對不同生育期內的具體影響以及關鍵生育期的調控措施研究，將極端天氣、病蟲害［32］等納入考慮范圍，提高模擬精度，做出更可靠的影響評估。

4 結論

在相同耕作措施下，小麥產量隨降水量增多呈二次曲線上升趨勢，隨溫度升高呈二次曲線下降趨勢，整體表現為NTS＞TS＞NT；表明秸稈覆蓋更適宜黃土高原區旱地春小麥的生長環境。

從3 種耕作措施下溫度與降水之間的互作效應可知，降水量增加可補償部分高溫帶來的減產效應，無法平衡春小麥產量出現邊際遞減效應，數據顯示免耕覆蓋（NTS）耕作方式的增減產效應最佳。

溫度與降水對于小麥產量的敏感性分析可證明秸稈覆蓋、免耕應對干旱能力更強，可使小麥增產，NTS 正負敏感性最佳，是黃土丘陵區小麥種植最合適的耕作方式。