田瑋瑋 ，李劉軍 ，何 真 ，連 晉 ，毛巧巧 ，蘆艷珍 ，楊三維

（1.安澤縣農(nóng)業(yè)委員會，山西安澤042500；2.山西絳山種業(yè)公司，山西絳縣043699；3.山西省農(nóng)業(yè)科學院，山西太原030031）

CERES-Wheat模型分析山西省中部地區(qū)冬小麥需水量

田瑋瑋1，李劉軍2，何 真3，連 晉3，毛巧巧1，蘆艷珍3，楊三維3

（1.安澤縣農(nóng)業(yè)委員會，山西安澤042500；2.山西絳山種業(yè)公司，山西絳縣043699；3.山西省農(nóng)業(yè)科學院，山西太原030031）

以2010—2015年6個完整小麥生育期的田間試驗數(shù)據(jù)為材料，采用情景分析方法，運用CERES-Wheat模型分析了晉中地區(qū)冬小麥需水量與產(chǎn)量的關系以及小麥蒸散量、土壤蒸發(fā)量與產(chǎn)量的關系，比較不同生育期需水量和產(chǎn)量的最佳預測模型。結果表明，該模型對冬小麥生長季的大田蒸散量預測較為準確；晉中地區(qū)小麥生長期灌溉水和土壤水的需要量為318 mm；在計算山西省中部地區(qū)多年平均蒸散量值和降雨量差值的基礎上得出，該地區(qū)小麥返青期、拔節(jié)期和灌漿期小麥平均需水量分別為250，310，343 mm。

小麥；CERES-Wheat；需水量；晉中地區(qū)

作物生長模擬模型以實時、快速和非破壞性等優(yōu)勢成為當前精準農(nóng)業(yè)技術之一，在作物含水量和土壤含水量的監(jiān)測方面表現(xiàn)出良好的應用前景[6-7]。吳華兵等[8]提出了基于導數(shù)光譜的比值光譜指數(shù)建立小麥水氮監(jiān)測模型，可顯著地提高模型精確度和可靠性。YANG等[9]研究發(fā)現(xiàn)，CERES-Wheat模型能夠較為有效地指導華北平原太行山地區(qū)小麥灌溉，可節(jié)約20%以上的灌溉水資源。房全孝等[10]利用RZWQMCERES模型對小麥—玉米間作地區(qū)開展模擬分析，提出了華北地區(qū)具有較高操作性的灌溉策略。上述研究表明，基于生長模型監(jiān)測土壤灌溉的可行性和可靠性，但關于山西省中部地區(qū)冬小麥生長季水分管理和需水量的研究尚未見報道。

本研究以晉中地區(qū)2010—2015年6個完整的小麥生育期的田間試驗數(shù)據(jù)為對象，通過情景分析的方法，運用CERES-Wheat模型分析晉中地區(qū)冬小麥需水量與產(chǎn)量的關系以及小麥蒸散量、土壤蒸發(fā)量與產(chǎn)量的關系，比較不同生育時期需水量和產(chǎn)量的最佳預測模型，旨在為該地區(qū)小麥生產(chǎn)以及合理灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

冬小麥需水量研究在山西省晉中市東陽試驗基地進行。該地區(qū)位于山西省中部，地處黃土高原東部邊緣，地理坐標為東經(jīng) 111°23′～114°28′，北緯36°39′～38°06′。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候，季節(jié)變化明顯，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷少雪。全年日照時數(shù)平均為2 530 h左右，輻射總量為545～581 kJ/cm2，年平均氣溫9.4℃。供試土壤類型為褐土性土，土壤呈中性、微堿性反應，礦物質(zhì)、有機質(zhì)積累較多，腐殖質(zhì)層較厚，肥力較高。土壤耕層有機質(zhì)含量11.75 g/kg，全氮含量0.59 g/kg，堿解氮含量25.77 mg/kg，速效磷含量13.46 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試材料為中麥175小麥。

1.3 研究方法

選擇DSSAT系統(tǒng)中的CERES-Wheat模型對試驗數(shù)據(jù)進行分析，相關參數(shù)校正后驗證參考文獻[9]進行。通過對歷年小麥生育期的田間管理方式進行模型的設定，2010—2015年的氣象資料通過GENCALC程序和試錯法算法進行模擬。小區(qū)面積15 m2，設3個水平的灌水處理，P1.返青期、拔節(jié)期和灌漿期灌水量分別為70，80，90 mm；P2.返青期、拔節(jié)期和灌漿期灌水量分別為90，80，70 mm；P3.返青期、拔節(jié)期和灌漿期灌水量分別為70，90，80mm。其他管理同大田（降雨量和日照時數(shù)等氣象數(shù)據(jù)來自山西省氣象局）。

1.4 統(tǒng)計分析

通過偏差、均方根誤差（RMSE）和標準均方根誤差（NRMSE）評價蒸散量模擬值與實測值之間的關系。利用SPSS 18.0軟件對水分生產(chǎn)率與蒸散量進行回歸分析。

2 結果與分析

2.1 冬小麥蒸散量模擬值分析

采用冬小麥品種中麥175，于2013—2014年度使用CERES-Wheat模型參數(shù)校正，得到不同灌溉條件下蒸散量模擬值，并與實際測量值進行了對比。由圖1可知，在不同生長發(fā)育時期模擬大田蒸散量與實際測量值基本分布在1∶1附近，表明預測值較為準確，與實際測量值基本相符。2013—2014年度冬小麥苗期、拔節(jié)期和灌漿期處理均方根誤差和標準均方根誤差分別為40.31，47.21，43.16和0.19，0.24，0.21，標準均方根誤差值均小于0.3，表明CERES-Wheat模型可較為準確地對晉中地區(qū)冬小麥生長季的大田蒸散量進行預測。

2.2 2010—2015年度冬小麥在不同灌溉條件下產(chǎn)量的模擬分析

根據(jù)東陽地區(qū)2010—2015年度氣象數(shù)據(jù)，采用CERES-Wheat模型對不同灌溉條件小麥產(chǎn)量進行預測，結果如圖2所示。由圖2可知，小麥產(chǎn)量與灌溉量呈正相關，其中，2014年產(chǎn)量最高，達到7.62t/hm2。不同灌溉處理下2010—2015年度小麥產(chǎn)量平均值分別為 7.12，7.06，7.54，7.50，7.62，7.32 t，其中，不同灌溉條件下，P1處理的小麥產(chǎn)量最高，說明在灌漿期加大對小麥的灌溉量對產(chǎn)量增幅最大。

2.3 2010—2015年度小麥生長蒸散量和土壤蒸發(fā)量的模擬分析

由圖3，4可知，2010—2015年度小麥生長蒸散量和土壤蒸發(fā)量呈正相關，蒸散量隨灌溉量的增加而增加，年際間表現(xiàn)一致，其中，2011—2012年度P1處理的蒸散量最大，為442 mm。不同生育期中，以P1處理的土壤蒸發(fā)量較大，年際間表現(xiàn)一致。田間土壤蒸發(fā)量2013年最高，3個處理在年際間變化無明顯規(guī)律。

2.4 晉中地區(qū)小麥生長季經(jīng)濟蒸散量的估算

作物經(jīng)濟蒸散量又稱經(jīng)濟耗水量，是指作物水分生產(chǎn)率達到最大時的蒸散量值。相關文獻研究表明，冬小麥產(chǎn)量隨著大田蒸散量的增加而增加，水分生產(chǎn)率在一定范圍內(nèi)隨著大田蒸散量的增加而增加；當水分生產(chǎn)率達到一定水平后，隨著大田蒸散量的增加，水分生產(chǎn)率呈現(xiàn)下降趨勢[11-12]，本研究結果也大致符合這一規(guī)律。利用SPSS軟件對非線性回歸方程進行擬合，建立經(jīng)濟蒸散量（ET）與水分生產(chǎn)率（WP）的模型：WP＝0.008 137ET2＋0.052ET－2.166（R2＝0.731，P＜0.01）。

2.5 晉中地區(qū)冬小麥生長灌溉水和土壤水需要量分析

晉中地區(qū)年平均降水量480 mm左右，小麥生育期內(nèi)平均降水約為180 mm。利用建立的水分生產(chǎn)率非線性回歸模型計算出水分生產(chǎn)率為最大值時的經(jīng)濟蒸散量，再減去生育期平均降雨量的降水補償，可計算出小麥生長期灌溉水和土壤水的需要量為318 mm。對小麥返青期、拔節(jié)期和灌漿期進行單獨的模型計算，根據(jù)多年平均蒸散量值與多年平均降雨量之間的差值得到小麥返青期、拔節(jié)期和灌漿期灌溉水量分別為250，310，343 mm。

3 討論

本研究采用CERES-Wheat模型分析不同灌溉條件下蒸散量模擬值，并與實際測量值進行了對比。通過2013—2014年度不同生育期模擬大田蒸散量與實際測量值基本分布在1∶1附近，表明預測值較為準確。此外，該年度小麥不同生長時期各處理的NRMSE值均小于0.3，初步說明，CERES-Wheat模型可較為準確地對晉中冬小麥生長季的經(jīng)濟蒸散量值進行預測。但本研究僅采用2013—2014年度的氣候條件進行模擬，尚具有一定的局限性。此外，在小麥整個生育期內(nèi)病蟲害、倒伏、品種特性等因素都容易導致預測模型發(fā)生計算偏差，從而影響預測結果的準確性。因此，通過多年多點的氣象數(shù)據(jù)，并結合優(yōu)良品種重要農(nóng)藝性狀和節(jié)水特性的特點對CERES-Wheat模型各參數(shù)進行校正是下一步研究的重點。

小麥蒸散量可分解為作物蒸騰和土壤蒸發(fā)，在田間生產(chǎn)與研究中往往將小麥蒸散量作為整體進行研究，將植物蒸騰和土壤蒸發(fā)作為獨立因子進行研究的報道很少。作物模型根據(jù)不同算法可以對植物蒸騰和土壤蒸發(fā)進行較為準確的估算，這對于水分和栽培管理措施的選擇至關重要。本研究利用CERES-Wheat模型對2010—2015年度小麥生長蒸散量和土壤蒸發(fā)量分析后發(fā)現(xiàn)，其呈正相關趨勢，蒸散量隨灌溉量的增加而增加。李夢哲等[13]在海河平原進行的冬小麥研究中發(fā)現(xiàn)，微膜覆蓋可以控制土壤蒸發(fā)耗水，通過減少麥田蒸散量降低大田需水量，獲得了與本研究相似的結果。周麗麗等[14]采用CERES-Wheat模型對河北滄州地區(qū)冬小麥蒸散量、植物蒸騰和土壤蒸發(fā)量等參數(shù)和指標進行綜合研究，根據(jù)年際間降雨量的差異，估算出經(jīng)濟蒸散量以及不同水分管理下該地區(qū)冬小麥需水量。然而，滄州地區(qū)屬于黑龍港流域，水文生態(tài)條件極為復雜，在實際生產(chǎn)過程中常因地膜覆蓋、秸稈還田等措施降低麥田蒸散量，這些因素限制了模型預測的精確度，影響了研究結果的推廣和應用。本研究對晉中地區(qū)麥田需水量進行研究，該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候，季節(jié)變化明顯，生態(tài)條件較為規(guī)律，使得CERES-Wheat模型在該地區(qū)冬小麥生產(chǎn)中具有較高的預測能力和準確度，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導價值。

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Analysis of Water Demand for Winter Wheat Production in Middle of Shanxi Province Using CERES-Wheat Model

TIAN Weiwei1，LI Liujun2，HE Zhen3，LIANJin3，MAO Qiaoqiao1，LU Yanzhen3，YANG Sanwei3
（1.Agricultural Committee of Anze，Anze 042500，China；2.Shanxi Jiangshan Seeds Company，Jiangxian 043699，China；3.Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

Crop growth simulation model provides a new method for water resources analysis of farmland and optimization of management measures for water use efficiency improvement in crop production.The characteristics of annual variation of simulated yield,evapotranspiration,plant transpiration,soil evaporation,and water productivity of winter wheat in Jinzhong area in the North China Plain during 2010-2015 were analyzed using a calibrated CERES-Wheat model.The results showed that the amount of field evapotranspiration model of winter wheat growing season prediction was accurate.The average rainfall was deducted from the average EP,the average water demand for the green stage,jointing stage,grain filling stage were 250,310,343 mm,respectively.

wheat;CERES-Wheat;water demand;Jinzhongarea

S512.1＋1

A

1002-2481（2017）10-1651-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.10.19

小麥是山西省主要的糧食作物，其總產(chǎn)量和消費量皆居首位，在保障山西省糧食安全、促進社會發(fā)展與維護社會穩(wěn)定方面具有重要的作用。我國是一個干旱缺水嚴重的國家，山西屬于極度缺水區(qū)，450萬hm2的耕地中水地只占30%，而且呈逐年減少趨勢，因此，節(jié)水研究刻不容緩[1-2]。目前，山西省小麥水澆地常采用漫灌的方式，造成了水資源極大的浪費。明確山西省不同麥區(qū)各生育期的需水量已成為當前精準農(nóng)業(yè)的主要目標之一。實時、準確地獲取小麥不同生長時期的需水量可以做到合理灌溉，對于提高水分利用率及作物產(chǎn)量、品質(zhì)的形成，對于指導農(nóng)田灌溉策略具有重要的意義。目前，已有關于小麥需水量的研究，李新波等[3]在大田試驗條件下優(yōu)化了冬小麥灌溉制度，使太行山前平原農(nóng)業(yè)灌溉更為合理；張喜英等[4]在大田模式下研究了太行山山前平原區(qū)蒸散量和灌溉需水量對當?shù)囟←満拖挠衩坠喔戎笜说挠绊?；郭步慶等[5]通過系統(tǒng)比較3種不同種植模式單季和周年作物水分利用效率以及水量平衡方程，對在華北地區(qū)通過調(diào)整種植模式實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水的潛力進行了研究。這些方法多是采用田間試驗對灌溉量和作物不同生理指標進行研究，需要耗費大量的財力、物力和人力。此外，由于地域和土壤質(zhì)地的評價指標不一，有些研究只反映一個生育期或一個地域，而不同生育期和不同地域的生態(tài)環(huán)境下對需水量要求不同，造成不同地域小麥需水量難以精確評價。因此，尋找簡便、準確的試驗方法對不同地區(qū)主栽作物生育期內(nèi)的需水量進行估計具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

2017-04-05

山西省農(nóng)業(yè)科技攻關項目（20150311001-5；201603D221001-3）

田瑋瑋（1982-），男，山西臨汾人，農(nóng)藝師，主要從事作物栽培與推廣工作。楊三維為通信作者。