聶志剛，任新莊，李 廣，董莉霞，馬維偉，唐 潔，劉小娥，羅永忠

?

基于APSIM的黃土丘陵區(qū)旱地小麥氣候適宜性評(píng)價(jià)*

聶志剛1，任新莊2，李 廣3**，董莉霞1，馬維偉3，唐 潔1，劉小娥3，羅永忠3

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，蘭州 730070； 3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，蘭州 730070）

為提高旱地小麥氣候適宜程度動(dòng)態(tài)分析的能力，利用黃土丘陵典型區(qū)域定西1971-2005年逐日氣象資料及大田資料，建立小麥日氣候適宜度模型，計(jì)算各生長(zhǎng)階段（營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段、營(yíng)養(yǎng)與生殖生長(zhǎng)并進(jìn)階段、生殖生長(zhǎng)階段）及全生育期綜合氣候適宜度，確定氣候適宜性綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)本土化APSIM（Agricultural Production System Simulator）平臺(tái)，模擬小麥逐日生物量，采用動(dòng)態(tài)逼近誤差平方和方法，確定氣候適宜性診斷分析標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)等級(jí)百分比比較的方法，檢驗(yàn)診斷分析標(biāo)準(zhǔn)，并定量、動(dòng)態(tài)分析2002-2005年旱地小麥各生長(zhǎng)階段及全生育期氣候適宜程度。結(jié)果表明，基于APSIM的診斷分析標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)結(jié)果與基于綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果相比，氣候適宜性等級(jí)相同和級(jí)差為1的占86%～90%；2002-2005年旱地小麥各生長(zhǎng)階段及全生育期診斷分析結(jié)果均為較適宜，與研究區(qū)實(shí)際情況基本相符。該優(yōu)化方法為旱地小麥氣候適宜性分析的動(dòng)態(tài)跟蹤提供了一定技術(shù)支持。

APSIM；綜合評(píng)價(jià)；動(dòng)態(tài)診斷；小麥；模擬

地處新絲路經(jīng)濟(jì)帶甘肅段的定西是典型的黃土丘陵溝壑區(qū)域，生態(tài)環(huán)境屬干旱、半干旱過(guò)渡帶，農(nóng)作物生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的敏感性較高[1]。小麥?zhǔn)窃搮^(qū)域重要的糧食作物，其高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)約和環(huán)境友好性生產(chǎn)對(duì)經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)的推進(jìn)具有戰(zhàn)略性的作用。然而，近20a的氣候變暖抑制了黃土丘陵區(qū)小麥的穩(wěn)產(chǎn)與高效，因此，研究旱地小麥生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成對(duì)氣候變化的適宜程度，對(duì)有效的田間管理具有十分重要的意義[2-4]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者因地制宜建立作物氣候適宜度模型，并對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物氣候適宜程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。李秀芬等[5]結(jié)合WOFOST開(kāi)展了東北地區(qū)玉米的氣候適宜度評(píng)價(jià)，魏瑞江等[6]建立了河北省冬小麥氣候適宜度動(dòng)態(tài)模型并對(duì)其氣候適宜程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，侯英雨等[7]建立了東北地區(qū)春玉米氣候適宜度模型并開(kāi)展應(yīng)用，任玉玉等[8]對(duì)農(nóng)作物氣候適宜度模型開(kāi)展研究，并進(jìn)行了河南省棉花的氣候適宜程度評(píng)價(jià)工作，代立芹等[9]基于河北省夏玉米氣候適宜度模型分析了氣候適宜度的變化特征。從農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)轉(zhuǎn)換角度來(lái)看，上述氣候適宜度模型以溫度、降水和光照等氣候因素為自變量，以產(chǎn)量為應(yīng)變量，描述了氣候因素與產(chǎn)量之間的穩(wěn)態(tài)性能，但是從能量流動(dòng)原理考慮，模型對(duì)于作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成等動(dòng)態(tài)過(guò)程的跟蹤和估算水平有待進(jìn)一步提高[5,10]。

隨著智能計(jì)算和信息技術(shù)的快速發(fā)展，作物模擬模型作為一種系統(tǒng)分析方法，已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)定量分析的有效手段之一[4,11]。APSIM（Agricultural Production System Simulator）是由澳大利亞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)研究組（APSRU）1991年研制的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬平臺(tái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用APSIM在地域的適用性、氣候變化對(duì)作物的影響效應(yīng)、水土保持評(píng)價(jià)以及水肥管理等領(lǐng)域取得了大量的研究成果[12-17]。本研究利用APSIM模型可逐日、定量、動(dòng)態(tài)模擬作物生長(zhǎng)過(guò)程的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展旱地小麥生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)氣候變化適宜程度的研究，探討APSIM在旱地小麥氣候適宜度評(píng)價(jià)中的應(yīng)用效果，以期為旱地小麥氣候適宜性分析的動(dòng)態(tài)跟蹤提供技術(shù)支持。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鄉(xiāng)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱農(nóng)試驗(yàn)站，為半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)典型區(qū)域，一年一熟制，春小麥?zhǔn)窃搮^(qū)域種植面積較大的作物。大田試驗(yàn)時(shí)間跨度2002-2005年，試驗(yàn)區(qū)域地處甘肅省中部偏南，海拔2000m，屬中溫帶半干旱區(qū)；年平均氣溫6.4℃，年均≥0℃積溫2933.5℃·d，年均≥10℃積溫2239.1℃·d，年均太陽(yáng)輻射592.9kJ×m-2，日照時(shí)數(shù)2476.6h，日照充足，溫差較大；無(wú)霜期140d；研究區(qū)域地勢(shì)平坦，無(wú)灌溉條件，多年平均降水量391.0mm，主要集中在7、8、9月，且多以暴雨形式出現(xiàn)，年蒸發(fā)量1531mm，干燥度2.53，80%保證率的降水量為365mm；試驗(yàn)地土壤為黃綿土，土壤容重1.17g×cm-3，pH8.36，土壤有機(jī)質(zhì)12.01g×kg-1，全氮0.76g×kg-1，全磷1.77g×kg-1[13-15]。

1.2 資料來(lái)源

研究區(qū)氣象站點(diǎn)設(shè)置在距試驗(yàn)地西2km的定西縣李家堡試驗(yàn)站，1971-2005年日均氣溫（℃）、日最高氣溫（℃）、日最低氣溫（℃）、日降水量（mm）和日照時(shí)數(shù)（h）等氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于甘肅省氣象局歷史資料。

供試作物為定西35號(hào)春小麥，小麥生長(zhǎng)過(guò)程中各項(xiàng)觀測(cè)資料來(lái)自甘肅省定西市安定區(qū)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱農(nóng)試驗(yàn)站2002-2005年田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。每年3月中旬播種，7月底收獲，小麥生育期共124d左右，依小麥產(chǎn)量形成過(guò)程，將其劃分為3個(gè)主要生長(zhǎng)階段，即營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段（3月19日-5月20日）、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)并進(jìn)階段（分5月21日-6月20日），以及生殖生長(zhǎng)階段（6月21日-7月21日）[18]。

1.3 評(píng)價(jià)方法與檢驗(yàn)

1.3.1評(píng)價(jià)方法

首先，基于試驗(yàn)站1971-2005年逐日氣象資料和大田資料，建立黃土丘陵區(qū)旱地小麥逐日氣候適宜度模型，計(jì)算各生長(zhǎng)階段及全生育期綜合適宜度，確定氣候適宜性綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，通過(guò)本土化的APSIM模型，模擬小麥逐日生物量，采用動(dòng)態(tài)逼近誤差平方和方法，確定氣候適宜性診斷分析標(biāo)準(zhǔn)。采用等級(jí)百分比比較的方法驗(yàn)證基于綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與診斷分析標(biāo)準(zhǔn)的小麥3個(gè)主要生長(zhǎng)階段及全生育期的多年評(píng)價(jià)結(jié)果。

1.3.2 APSIM模型簡(jiǎn)介

APSIM模擬平臺(tái)以研究區(qū)氣候和土壤資料為基本知識(shí)庫(kù)，以作物屬性模塊APSIM-Wheat為通用生長(zhǎng)模擬框架[17]。模擬實(shí)驗(yàn)中，APSIM平臺(tái)參數(shù)（表1和表2）[13]均源于李廣等在黃土丘陵溝壑區(qū)APSIM適用性研究中經(jīng)過(guò)反復(fù)本土化修訂的參數(shù)，以d為單位，模擬1971-2005年小麥逐日生物量，模擬結(jié)果有較高精度[13]。

表1 用于APSIM模擬的研究區(qū)主要土壤屬性參數(shù)

Note: BD is bulk density, WC is wilting coefficient, DU is drainage upper limit, SM is saturated moisture, CA is coefficient of air-dry, CS is conductivity of soil water, LW is lower water limit of wheat.

表2 小麥模塊的初始參數(shù)值

1.3.3 旱地小麥綜合氣候適宜度模型

（1）根據(jù)李秀芬等[5, 19-21]的研究，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，建立旱地小麥日氣候適宜度模型分別為

（2）

（3）

（5）

（2）將某生長(zhǎng)階段的逐日溫度、降水和光照適宜度求和并取算術(shù)平均值得到某生長(zhǎng)階段溫度、降水和光照適宜度，進(jìn)而建立旱地小麥綜合氣候適宜度模型，即

（7）

（8）

綜合氣候適宜度模型從氣候因素貢獻(xiàn)和生長(zhǎng)時(shí)間權(quán)重兩方面衡量。采用5a滑動(dòng)平均法，將春小麥產(chǎn)量進(jìn)行趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量分離，將春小麥各生長(zhǎng)階段溫度、降水、光照適宜度設(shè)為自變量，氣象產(chǎn)量即為因變量，通過(guò)線性回歸計(jì)算，得到相關(guān)系數(shù)與通徑系數(shù)，計(jì)算三要素對(duì)氣象產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，并歸一化處理，得到貢獻(xiàn)效率系數(shù)如表3[24]；將各生長(zhǎng)階段綜合氣候適宜度對(duì)氣象產(chǎn)量貢獻(xiàn)率進(jìn)行歸一化處理，即得時(shí)間權(quán)重系數(shù)如表4[24]。

表3 旱地小麥各生長(zhǎng)階段溫度、降水和光照適宜度貢獻(xiàn)效率系數(shù)

表4 旱地小麥全生育期氣候適宜度時(shí)間權(quán)重系數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 旱地小麥氣候適宜性綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由綜合氣候適宜度模型式（7）和式（8），計(jì)算研究區(qū)近30a（1971-2005年）小麥各生長(zhǎng)階段及全生育期多年平均綜合氣候適宜度，即黃土丘陵區(qū)旱地小麥3個(gè)主要生長(zhǎng)階段及全生育期的氣候適宜性綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)業(yè)氣候適宜性劃分標(biāo)準(zhǔn)的研究[25-26]，參照農(nóng)業(yè)部門(mén)有關(guān)糧食作物產(chǎn)量的豐歉指標(biāo)，即當(dāng)年產(chǎn)量與前5a產(chǎn)量均值的距平百分率大于10%，為豐年，小于-10%為歉年[5]，以綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為基準(zhǔn)，初步設(shè)定旱地小麥綜合評(píng)價(jià)分級(jí)值，并將適宜程度劃分為4級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。3表示非常適宜，高于綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的120%；2表示較適宜，高于綜合評(píng)價(jià)指數(shù)但低于非常適宜標(biāo)準(zhǔn)；1表示基本適宜，低于綜合評(píng)價(jià)指數(shù)但高于綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的80%；0表示不適宜，低于綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的80%。根據(jù)上述數(shù)字化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，建立黃土丘陵區(qū)旱地小麥氣候適宜性綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表5）。依據(jù)綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算綜合氣候適宜度，進(jìn)而得到研究區(qū)第j年小麥各生長(zhǎng)階段及全生育期的氣候適宜性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，用表示，取值分別為3（非常適宜）、2（較適宜）、1（基本適宜）以及0（不適宜），取值為1、2、3和4，分別表示營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段、營(yíng)養(yǎng)和生殖并進(jìn)階段、生殖生長(zhǎng)階段以及全生育期。

表5 黃土丘陵區(qū)旱地小麥氣候適宜性綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 旱地小麥氣候適宜性診斷分析標(biāo)準(zhǔn)

黃土丘陵區(qū)旱地小麥氣候適宜性診斷分析標(biāo)準(zhǔn)確定辦法為：

（1）基于APSIM模型，模擬研究區(qū)1971-2005年小麥逐日地上生物量。

（2）以多年逐日模擬生物量為基礎(chǔ)，按滑動(dòng)平均方法，計(jì)算第j年逐日生物量與前5a同日平均值的距平百分率，將逐日距平百分率按階段求平均值，得到第j年各生長(zhǎng)階段及全生育期的距平百分率，記為。

（5）利用綜合氣候適宜度模型式（7）和式（8），基于旱地小麥氣候適宜性綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表5），計(jì)算近30a來(lái)研究區(qū)小麥各生長(zhǎng)階段及全生育期氣候適宜性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)（）；根據(jù)，已知多年、和的表達(dá)式，基于窮舉算法，利用VB.NET語(yǔ)言，目標(biāo)函數(shù)（）最小時(shí)的X即為最適診斷分級(jí)值，計(jì)算得到X值為0.09。

由此得到黃土丘陵區(qū)旱地小麥氣候適宜性診斷分析標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)?shù)趈年各生長(zhǎng)階段及全生育期的距平百分率＞0.18時(shí)氣候適宜性診斷分析指標(biāo)為3（非常適宜），0.09＜≤0.18時(shí)為2（較適宜），-0.09≤≤0.09 時(shí)為1（基本適宜），＜-0.09時(shí)為0（不適宜）。

（10）

式中，j表示年份，i取值為1、2、3和4，分別表示營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段、營(yíng)養(yǎng)和生殖并進(jìn)階段、生殖生長(zhǎng)階段及全生育期。

診斷分析標(biāo)準(zhǔn)的建立，由小麥生長(zhǎng)過(guò)程逐日生物量切入，以生物量與前5a平均值的距平百分率為氣候適宜性診斷分析指標(biāo)確定依據(jù)，其本質(zhì)是在分析小麥生長(zhǎng)過(guò)程中生物量對(duì)氣候變化的適宜程度，而生物量是小麥生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成動(dòng)態(tài)過(guò)程的重要衡量指標(biāo)之一，所以診斷分析方法的估算，已不再是單純考慮氣候因素與產(chǎn)量的關(guān)系，而是關(guān)注到作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程。其中，診斷分析指數(shù)（）的計(jì)算，采用逐日距平百分率階段性平均值的算法，主要是考慮到將綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和診斷分析標(biāo)準(zhǔn)放在相同時(shí)間區(qū)間內(nèi)，使目標(biāo)函數(shù)（）的建立和診斷分級(jí)值X的計(jì)算有依據(jù)、可實(shí)現(xiàn)，況且實(shí)際大田耕作中也是有針對(duì)性地改善小麥各生長(zhǎng)階段的適宜程度，所以，此算法盡管對(duì)第j年小麥生長(zhǎng)過(guò)程的逐日動(dòng)態(tài)跟蹤不利，但仍然具有一定實(shí)際意義，今后可在動(dòng)態(tài)跟蹤方面進(jìn)一步優(yōu)化。

2.3 旱地小麥氣候適宜性診斷標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)

基于綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和診斷分析標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算研究區(qū)近30a（1971-2005年）的逐年各生長(zhǎng)階段及全生育期的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)（）和診斷分析指標(biāo)（）。比較近30a來(lái)小麥各生長(zhǎng)階段及全生育期氣候適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，如表6所示，利用APSIM進(jìn)行的小麥氣候適宜性動(dòng)態(tài)診斷，各生長(zhǎng)階段及全生育期與評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)相同的占51%～74%，等級(jí)相同和級(jí)差為1的占86%～90%。表明檢驗(yàn)結(jié)果整體擬合度較好，但個(gè)別評(píng)價(jià)點(diǎn)等級(jí)相差大于2，結(jié)果差異明顯，這主要是由于多年逐日生物量是基于本土化APSIM平臺(tái)的模擬實(shí)驗(yàn)獲得，增加了誤差來(lái)源。但總體來(lái)看，基于APSIM的診斷方法可用于小麥生長(zhǎng)對(duì)氣候變化適宜程度的分析。

表6 多年綜合評(píng)價(jià)法()與診斷分析法()評(píng)價(jià)結(jié)果的比較（用百分比表示，%）

Table 6 Comparison of evaluation results between andfrom 1971 to 2005 (percent,%)

表6 多年綜合評(píng)價(jià)法()與診斷分析法()評(píng)價(jià)結(jié)果的比較（用百分比表示，%）

生長(zhǎng)階段Growth stage等級(jí)相同Grade same相差1級(jí)±1 Grade相差2級(jí)±2 Grade相差大于2級(jí)>±2 Grade 營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段Nutrition513577 并進(jìn)階段Nutrition and reproduction632692 生殖生長(zhǎng)階段Reproduction7416100 全生育期Whole growth stage721486

2.4 旱地小麥氣候適宜性診斷結(jié)果分析

利用APSIM平臺(tái)模擬2002-2005年小麥逐日生物量，進(jìn)行旱地小麥氣候適宜性動(dòng)態(tài)診斷分析。 結(jié)果顯示，2002-2005年小麥3個(gè)主要生長(zhǎng)階段及全生育期內(nèi)，氣候適宜性動(dòng)態(tài)診斷結(jié)果均為較適宜（表7）。

表7 2002-2005年診斷分析法（）評(píng)價(jià)結(jié)果（適宜性等級(jí)）

Table 7 The evaluation results of from 2002 to 2005（suitability grade）

表7 2002-2005年診斷分析法（）評(píng)價(jià)結(jié)果（適宜性等級(jí)）

生長(zhǎng)階段Growth stage2002200320042005 營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段Nutrition2222 并進(jìn)階段Nutrition and reproduction2222 生殖生長(zhǎng)階段Reproduction2222 全生育期Whole growth stage2222

根據(jù)農(nóng)業(yè)氣象部門(mén)監(jiān)測(cè)公報(bào)（表8），2002-2005年定西地區(qū)小麥全生育期內(nèi)，光照和溫度與歷年情況變化不大，光照充分，溫度波動(dòng)較小，基本處于較適宜水平以上，能夠確保小麥正常生長(zhǎng)需要。降水是影響小麥正常生長(zhǎng)的主要因素[14]，2002、2004和2005年降水量分別為328.6、326.9和428.6mm，且集中在7-9月，為研究區(qū)典型降水量及分布狀況，降水適宜性基本保持在較適宜水平，滿足小麥生長(zhǎng)發(fā)育；2003年降水量達(dá)到564.5mm，顯著高于其它年份，50%的降水分布在小麥?zhǔn)斋@后(8-10月)，降水量為非典型性，但是降水季節(jié)分布具有典型的研究區(qū)氣候特征。根據(jù)2002-2005年田間試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段平均氣溫（9.4、9.6、10.2、10.2℃）均在最適宜溫度以下，但未低于下限溫度，有效降水次數(shù)和降水總量均較少，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段內(nèi)由于小麥植株較小，加之氣溫不高，所以較少的有效降水并不會(huì)對(duì)小麥生長(zhǎng)造成大的影響，氣候條件仍較適宜小麥生長(zhǎng)；并進(jìn)生長(zhǎng)階段平均氣溫（16.8、17.1、15.5、17.1℃）略低于最適溫度，有效降水次數(shù)和降水總量較少，但相比營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段有所增加，氣候條件較適宜小麥生長(zhǎng)；生殖生長(zhǎng)階段平均氣溫（20.4、18.2、19.1、19.2℃）接近最適溫度，有效降水次數(shù)和降水總量相比前兩個(gè)階段有較大幅度增加，基本能滿足小麥在該階段的水分消耗，氣候條件較適宜小麥生長(zhǎng)。2003年降水較多，但是該年小麥產(chǎn)量?jī)H1645.4kg×hm?2，并非1971-2005年的最高值[14]，這主要是由于降水季節(jié)分布不合理，因此，該年小麥生長(zhǎng)對(duì)氣候因素的適宜程度未達(dá)到非常適宜水平，為較適宜。

表8 2002-2005年定西地區(qū)氣象數(shù)據(jù)

綜上所述，2002-2005年基于APSIM的旱地小麥氣候適宜性診斷分析結(jié)果與農(nóng)業(yè)氣象部門(mén)監(jiān)測(cè)公報(bào)結(jié)果基本相符，說(shuō)明基于APSIM的診斷分析標(biāo)準(zhǔn)可用于黃土丘陵地區(qū)旱地小麥的氣候適宜性評(píng)價(jià)。

3 結(jié)論與討論

（1）利用APSIM平臺(tái)模擬近30a（1971-2005年）小麥逐日生物量，采用動(dòng)態(tài)逼近誤差平方和的方法，確定基于模擬量的旱地小麥氣候適宜性診斷分析標(biāo)準(zhǔn)，與基于實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)的旱地小麥綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較檢驗(yàn)。結(jié)果表明，評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)相同的占51%～74%，等級(jí)相同和級(jí)差為1的占86%～90%，說(shuō)明基于APSIM的診斷分析方法可用于小麥生長(zhǎng)對(duì)氣候變化適宜程度的分析，這與李秀芬等[5]基于WOFOST模型建立東北地區(qū)玉米氣候適宜性診斷分析方法的研究成果一致。盡管檢驗(yàn)結(jié)果整體擬合度較好，但級(jí)差≥2的仍占10%～14%，這主要是由于田間數(shù)據(jù)的積累和獲取難度較大，降低了APSIM模型的本土化程度，而診斷分析標(biāo)準(zhǔn)的建立又依賴模擬數(shù)據(jù)，從而增加了誤差來(lái)源；加之由于APSIM模型未考慮極端氣候條件的模擬，并且診斷分析標(biāo)準(zhǔn)建立時(shí)，被跟蹤量?jī)H有生物量，反映小麥生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)過(guò)程存在局限性。今后將在氣象、田間數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高APSIM的模擬精度，并通過(guò)多因素跟蹤優(yōu)化診斷分析標(biāo)準(zhǔn)，提高該方法的適用性。

（2）利用APSIM平臺(tái)模擬2002-2005年小麥逐日生物量，進(jìn)行旱地小麥氣候適宜性動(dòng)態(tài)診斷分析的結(jié)果表明，小麥全生育期內(nèi)，光照和溫度與歷年情況較一致，光照充分，溫度波動(dòng)較小，基本處于較適宜水平以上，能夠確保小麥正常生長(zhǎng)需要，降水是影響小麥正常生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蛩?，這與李廣等[14]關(guān)于降水量分配對(duì)旱地小麥產(chǎn)量影響的研究結(jié)論一致。

（3）針對(duì)旱地小麥生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的適宜程度，通過(guò)基于實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行的綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)采用本土化APSIM模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行的診斷分析的研究發(fā)現(xiàn)，前者從溫度、降水、光照適宜度出發(fā)，以產(chǎn)量為落腳點(diǎn)，通過(guò)滑動(dòng)平均與線性回歸確定氣候三要素及生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)量的權(quán)重系數(shù)，計(jì)算綜合氣候適宜度，進(jìn)而確定綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該方法強(qiáng)調(diào)三因素與產(chǎn)量的直接聯(lián)系，描述了氣候因素與產(chǎn)量的穩(wěn)態(tài)性能。后者通過(guò)逐日生物量的距平處理，采用動(dòng)態(tài)逼近誤差平方和的方法，確定旱地小麥氣候適宜性診斷分析標(biāo)準(zhǔn)，該方法側(cè)重描述小麥生長(zhǎng)過(guò)程中生物量隨氣候三要素的變化情況，其實(shí)質(zhì)是生物量對(duì)氣候變化的適宜性分析，其中，診斷分析指數(shù)的計(jì)算，能夠反映被跟蹤量與前5a的動(dòng)態(tài)比較結(jié)果，逐日距平百分率階段性平均值的算法，將綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和診斷分析標(biāo)準(zhǔn)放在相同時(shí)間區(qū)間內(nèi)進(jìn)行比較，盡管不能實(shí)現(xiàn)小麥生長(zhǎng)過(guò)程的逐日動(dòng)態(tài)跟蹤，但實(shí)際大田管理目標(biāo)也是階段性改善小麥生長(zhǎng)的適宜程度，所以診斷分析方法仍然具有一定實(shí)際意義，今后將在動(dòng)態(tài)跟蹤方面進(jìn)一步優(yōu)化。

[1]張調(diào)風(fēng),張勃,梁蕓,等.黃土高原地區(qū)生長(zhǎng)季參考作物蒸散量對(duì)主要?dú)庀笠氐拿舾行苑治鯷J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2013,34(2):162-169.

Zhang T F,Zhang B,Liang Y,et al.Sensitivity analysis of reference crop evapotranspiration to key meteorological factors during growing season in Loess Plateau[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2013,34(2):162-169.(in Chinese)

[2]趙俊芳,郭建平,張艷紅,等.氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)影響研究綜述[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2010,31(2):200-205.

Zhao J F,Guo J P,Zhang Y H,et al.Advances in research of impacts of climate change on Agriculture[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2010,31(2):200-205.(in Chinese)

[3]鄧浩亮,周紅,張恒嘉,等.氣候變化下黃土高原耕作系統(tǒng)演變與適應(yīng)性管理[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2015,36(4):393-405.

Deng H L,Zhou H,Zhang H J,et al.Simulated the impact of climate change on net primary production in hilly area of Loess Plateau[J].Acta Ecologica Sinica,2015,36(4):393-405.(in Chinese)

[4]李廣.APSIM模型模擬與應(yīng)用研究:基于旱地小麥、豌豆保護(hù)性耕作定位試驗(yàn)[D].蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2006:9-17.

Li G.Study on simulation and application of APSIM model:based on the conservation tillage of dryland wheat and pea[D].Lanzhou:Gansu Agricultural University,2006:9-17.(in Chinese)

[5]李秀芬,馬樹(shù)慶,宮麗娟,等.基于WOFOST的東北地區(qū)玉米生育期氣象條件適宜度評(píng)價(jià)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2013,34(1):43-49.

Li X F,Ma S Q,Gong L J,et al.Evaluation of meteorological suitability degree during maize growth period based on WOFOST in Northeast China[J].Chinese Journal of Agrome- teorology,2013,34(1):43-49.(in Chinese)

[6]魏瑞江,張文宗,康西言,等.河北省冬小麥氣候適宜度動(dòng)態(tài)模型的建立及應(yīng)用[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2007,25(6):5-9.

Wei R J,Zhang W Z,Kang X Y.Corn yield dynamic forecast method based on climate suitability[J].Journal of Applied Meteorological Science,2007,25(6):5-9.(in Chinese)

[7]侯英雨,張艷紅,王良宇,等.東北地區(qū)春玉米氣候適宜度模型[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2013,24(11):3207-3212.

Hou Y Y,Zhang Y H,Wang L Y,et al.Climate suitability model of spring maize in northeast China[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2013,24(11):3207-3212.(in Chinese)

[8]任玉玉,千懷遂.河南省棉花氣候適宜度變化趨勢(shì)分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2006,17(1):87-93.

Ren Y Y,Qian H S.Climatic suitability of cotton and its changes in Henan province[J].Journal of Applied Meteoro- logical Science,2006,17(1):87-93.(in Chinese)

[9]代立芹,李春強(qiáng),魏瑞江.河北省夏玉米氣候適宜度及其變化特征分析[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2011,20(6-7):1031-1036.

Dai L Q,Li C Q,Wei R J.Climatic suitability of summer corn and its changes in Hebei province[J].Ecology and Environ- mental Sciences,2011,20(6-7):1031-1036.(in Chinese)

[10]馬玉平,王石立,王馥棠.作物模擬模型在農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用中的研究初探[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2005,16 (3):293-303.

Ma Y P,Wang S L,Wang F T.A preliminary study on the application of crop simulation models in agrometeorological services[J].Journal of Applied Meteorological Science,2005,16(3):293-303.(in Chinese)

[11]王偉,黃義德,黃文江,等.作物生長(zhǎng)模型的適用性評(píng)價(jià)及冬小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(3):233-237.

Wang W,Huang Y D,Huang W J,et al.Applicability evaluation of CERES-Wheat model and yield prediction of winter wheat[J].Transactions of the CSAE,2010,26(3):233-237.(in Chinese)

[12]何亮,趙剛,靳寧,等.不同氣候區(qū)和不同產(chǎn)量水平下APSIM-Wheat模型的參數(shù)全局敏感性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(14):148-157.

He L,Zhao G,Jin N,et al.Global sensitivity analysis of APSIM-Wheat parameters in different climate zones and yield levels[J].Transactions of the CSAE,2015,31(14):148-157.(in Chinese)

[13]李廣,黃高寶,William Bellotti,等.APSIM模型在黃土丘陵溝壑區(qū)不同耕作措施中的適用性[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2009,29(5):2655-2663.

Li G, Huang G B,William B,et al.The applicability of APSIM model in different tillage measures in hilly gully region of Loess Plateau[J].Acta Ecologica Sinica,2009,29(5):2655-2663.(in Chinese)

[14]李廣,黃高寶.基于APSIM模型的降水量分配對(duì)旱地小麥和豌豆產(chǎn)量影響的研究[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2010,18(2):342-347.

Li G,Huang G B.Determination of the effect al of precipitation distribution on yield of wheat and pea in dryland using APSIM[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2010,18(2):342-347.(in Chinese)

[15]李廣,李玥,黃高寶,等.基于APSIM模型旱地春小麥產(chǎn)量對(duì)溫度和CO2濃度升高的響應(yīng)[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2012,20(8):1088-1095.

Li G,Li Y,Huang G B,et al.Response of dryland spring wheat yield to elevated CO2concentration and temperature by APSIM Model[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2012,20(8):1088-1095.(in Chinese)

[16]董朝陽(yáng),劉志娟,楊曉光.北方地區(qū)不同等級(jí)干旱對(duì)春玉米產(chǎn)量影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(11):157-164.

Dong C Y,Liu Z J,Yang X G.Effect of different grade drought on grain yield of spring maize in Northern China[J].Transactions of the CSAE,2015,31(11):157-164.(in Chinese)

[17]聶志剛,李廣.基于APSIM的旱地小麥葉面積指數(shù)模擬模型構(gòu)建[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2013,31(4):94-98.

Nie Z G,Li G.Modeling of APSIM- based simulation of leaf area index of wheat in dryland[J].Agricultural Research in the Arid Areas,2013,31(4):94-98.(in Chinese)

[18]胡立勇,丁艷鋒.作物栽培學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2013:156-168.

Hu L Y,Ding Y F.Crop cultivation[M].Beijing:Higher Education Press,2013:156-168.(in Chinese)

[19]孫小龍,閆偉兄,武榮盛,等.基于氣候適宜度建立河套灌區(qū)玉米生育期模擬模型[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2014,35(1):62-67.

Sun X L,Yan W X,Wu R S,et al.Simulation model for maize developmental stages in Hetao irrigation area based on climate suitability[J].Chinese Journal of Agrometeoro- logy,2014,35(1):62-67.(in Chinese)

[20]宋秋洪,千懷遂,俞芬,等.全球氣候變化下淮河流域冬小麥氣候適宜度評(píng)價(jià)[J].自然資源學(xué)報(bào),2009,24(5):890-897.

Song Q H,Qian H S,Yu F,et al.Evaluation of climate suitability of winter wheat in Huaihe Basin under global climate change[J].Journal of Natural Resources,2009,24(5):890-897.(in Chinese)

[21]魏瑞江,宋迎波,王鑫.基于氣候適宜度的玉米產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)方法[J].應(yīng)用氣象報(bào),2009,20(5):622-627.

Wei R J,Song Y B,Wang X.Corn yield dynamic forecast method based on climate suitability[J].Journal of Applied Meteorological Science,2009,20(5):622-627.(in Chinese)

[22]Beven K.Sensitivity analysis of the Penman-Monteith actual evapotranspiration estimates[J].Journal of Hydrology,1979,44(3):169-190.

[23]張強(qiáng),王文玉,陽(yáng)伏林,等.典型半干旱區(qū)干旱脅迫作用對(duì)春小麥蒸騰及其作物系數(shù)的影響特征[J].科學(xué)通報(bào),2015,60(15):1384-1394.

Zhang Q,Wang W Y,Yang F L,et al.The influence of drought stress on spring wheat evapotranspiration and crop coeffi- cients in semi-arid areas[J].Chinese Science Bulletin,2015,60(15):1384-1394.(in Chinese)

[24]李玥,?？×x,李廣,等.黃土丘陵區(qū)旱地春小麥氣候適宜度及其變化特征:以定西市李家堡鄉(xiāng)麻子川村為例[J].干旱區(qū)研究,2014,31(4):627-635.

Li Y,Niu J Y,Li G,et al.Climate suitability degree and its change for spring wheat in dryland in the hilly-gully region of the Loess Plateau:a case study in Mazichuan village,Lijiabao township,Dingxi city[J].Arid Zone Research,2014,31(4):627-635.(in Chinese)

[25]Brussaard L,Behan-pelletier V M,Bignell D E,et al.Biodiveraity and ecosystem functioning in soil[J].Ambio,1997,26(8):563-570.

[26]劉國(guó)成,楊長(zhǎng)保,劉萬(wàn)菘,等.基于模糊數(shù)學(xué)的農(nóng)業(yè)氣候適宜度劃分研究及應(yīng)用[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(4):460-463.

Liu G C,Yang C B,Liu W S,et al.Study and application of cropper climate suitability partition based on fuzzy mathe- matics[J].Journal of Jilin Agricultural University,2007,29(4):460-463.(in Chinese)

APSIM-based Evaluation of Climate Suitability on Wheat in Dryland in the Hill-gullied Region of the Loess Plateau

NIE Zhi-gang1, REN Xin-zhuang2, LI Guang3, DONG Li-xia1,MA Wei-wei3, TANG Jie1,LIU Xiao-e3, LUO Yong-zhong3

（1.College of Information Science and Technology/College of Resources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China;2.College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou, 730070;3.College of Forestry, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070）

In order to improve the dynamic analysis ability about climate suitability level of drylang wheat, based on daily meteorolosical data of Dingxi experimental station, field experimental data from 1971 to 2005, the daily climate suitability degree model of dryland wheat was established in the hilly-gullied region of the Loess Plateau. By using the model, the comprehensive climate suitabilityindices were calculated and the comprehensive evaluation standards were confirmed during each growth stage(nutrition growth stage, nutrition and reproduction growth stage, reproduction growth stage) and whole stage of wheat. The wheat daily biomass was simulated by applying suitable APSIM. The diagnosis analysis standards of climate suitability were determined by methods of dynamic approximation error sum of squares and were verified by comparing the evaluation results based on APSIM and those based on the daily climate suitability degree model with grade percentage method. During the main growth stage of wheat from 2002 to 2005, the climate suitability level of dryland wheat was analyzed and evaluated by using diagnosis analysis standards. The results showed that the evaluation results based on APSIM and those based on the daily climate suitability degree model were in substantial agreement grade identical and differ by one grade accounted for 86%-90%.The diagnosis analysis results of each growth stage and whole stage of dryland wheat were more suitable from 2002 to 2005, and that was basically consistent with actual circumstances of experimental region. The APSIM-based optimization method could improve the tracing analysis ability about climate suitability level of wheat and could provide technical assistance for wheat production adapting to climatic change.

APSIM; Comprehensive evaluation; Dynamic diagnosis; Wheat; Simulation

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.06.005

2016-09-28

甘肅省高等學(xué)校科研項(xiàng)目（2014A-058；2016A-067）；國(guó)家自然科學(xué)基金（31660348；31560378；31560343；41561022）；甘肅省自然科學(xué)基金（1506RJZA015）；甘肅省青年科技基金計(jì)劃項(xiàng)目（1506RJYA005）

聶志剛（1980-），博士生，副教授，主要從事作物生長(zhǎng)模擬模型研究。E-mail：niezg@gsau.edu.cn

聶志剛,任新莊,李廣,等.基于APSIM的黃土丘陵區(qū)旱地小麥氣候適宜性評(píng)價(jià)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(6):369-377

**通訊作者。E-mail：lig@gsau.edu.cn