韓聰穎，張寶忠，劉 鈺

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2. 國(guó)家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京 100048)

土壤肥力是作物生長(zhǎng)和生產(chǎn)的主要養(yǎng)分來(lái)源，土壤肥力受土壤質(zhì)地、田間管理、種植結(jié)構(gòu)等因素的影響，其在大區(qū)域范圍內(nèi)具有時(shí)空變異性。因此，充分了解土壤肥力狀況是制定施肥策略的前提。傳統(tǒng)方法通過(guò)田間試驗(yàn)探索土壤肥力和施肥量對(duì)作物生長(zhǎng)的影響機(jī)制，但該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且受試驗(yàn)設(shè)置及外界因素限制較大，試驗(yàn)結(jié)果具有局限性。作物模型能夠綜合環(huán)境狀況和土壤管理措施來(lái)預(yù)測(cè)作物產(chǎn)量，并能分析不同因素對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，從而找到最佳的管理措施，大幅度簡(jiǎn)化和縮短農(nóng)業(yè)生長(zhǎng)系統(tǒng)研究的進(jìn)程。目前，主要的作物模型有ASPIM[1]、CROPSYST[2]、DSSAT[3]、WOFOST等。這些模型利用養(yǎng)分平衡的方法量化了各種土壤養(yǎng)分對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，為田間施肥管理提供了有效工具。但這些模型需要大量的輸入數(shù)據(jù)，包括土壤初始養(yǎng)分含量、有機(jī)質(zhì)含量、肥料施加量(包括氮肥、磷肥、鉀肥等)等，繁雜的輸入數(shù)據(jù)限制了這些模型在數(shù)據(jù)資料缺乏和大區(qū)域范圍的應(yīng)用和推廣。

AquaCrop模型是由世界糧農(nóng)組織(FAO)推廣的作物水分生產(chǎn)模型。該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸入數(shù)據(jù)易獲取[4]，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。AquaCrop模型利用半定量的方法[5]，即不考慮無(wú)機(jī)肥(氮肥、磷肥、鉀肥等)和有機(jī)肥的具體使用量，而是通過(guò)作物指標(biāo)，即相對(duì)干物質(zhì)量(Brel)和最大冠層覆蓋度(CCx)對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程中受到的整體肥脅迫狀況進(jìn)行描述，簡(jiǎn)化了田間施肥管理對(duì)作物生長(zhǎng)的影響。目前已有學(xué)者[5,6]對(duì)該模型的肥脅迫水平進(jìn)行了對(duì)應(yīng)實(shí)際施肥量的標(biāo)定，但是在我國(guó)西北旱區(qū)極少有關(guān)于該模型田間施肥管理應(yīng)用的研究。

本文利用2 a的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)AquaCrop模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，并進(jìn)一步模擬了不同土壤肥脅迫狀況下制種玉米冠層增長(zhǎng)和干物質(zhì)量累積過(guò)程，旨在說(shuō)明AquaCrop模型半定量方法及作物生長(zhǎng)對(duì)土壤肥脅迫的反饋機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)該模型的區(qū)域應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)在2012年4月至2013年9月進(jìn)行，試驗(yàn)田位于甘肅省張掖市盈科灌區(qū)(見(jiàn)圖1)。該區(qū)地處北緯38°50′～38°58′, 東經(jīng)100°17′～100°34′。屬典型的大陸性溫帶干旱、半干旱氣候。灌區(qū)年平均氣溫6.5～8.5 ℃，多年平均降雨量133 mm，參考作物年蒸散發(fā)量1 200 mm左右。日照時(shí)數(shù)達(dá)到3 000 h以上，無(wú)霜期140 d左右，為蔬菜、制種玉米、春小麥及其他經(jīng)濟(jì)作物的生長(zhǎng)提供了豐富的光熱資源。本文選取當(dāng)?shù)靥厣魑镏品N玉米為研究對(duì)象，該作物分別在2012年和2013年4月22日左右播種，9月23日左右收獲，全生育期150 d左右。試驗(yàn)按照當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的灌溉制度及灌溉方式進(jìn)行灌溉。

圖1 試驗(yàn)區(qū)空間位置

1.2 觀測(cè)項(xiàng)目

(1)氣象要素。氣象資料來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。由于試驗(yàn)田在張掖市甘州區(qū)，因此本文以張掖站氣象資料為基礎(chǔ)進(jìn)行研究。主要的氣象數(shù)據(jù)包括日最高和日最低溫度、日降雨量、平均風(fēng)速、平均相對(duì)濕度、日輻射等。

(2)土壤含水率。本文綜合采用Trime法和烘干法進(jìn)行土壤含水率測(cè)定，測(cè)定深度分別為0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm，每15 d測(cè)量一次，降雨和灌水前后進(jìn)行加密觀測(cè)。

(3)作物指標(biāo)。本試驗(yàn)的作物觀測(cè)指標(biāo)包括葉面積指數(shù)(采用冠層分析儀ACCUPAR-LP80直接測(cè)量，按照模型規(guī)定轉(zhuǎn)化為冠層覆蓋度)、地上干物質(zhì)量(采用烘干法進(jìn)行測(cè)量)、產(chǎn)量(抽樣考種測(cè)量)及作物各生育期的起止時(shí)間(追蹤觀測(cè)記錄)。

(4)土壤物理性質(zhì)。本文利用馬爾文激光粒度儀分別對(duì)各土層的土壤質(zhì)地進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)的土壤水力學(xué)參數(shù)利用Rosetta[7]軟件基于土壤粒徑組成進(jìn)行估算[8,9]。由于研究區(qū)域土壤主要為粉沙壤土，各土層的物理性質(zhì)差別較小，因此為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本文取0～80 cm土層物理屬性的均值進(jìn)行計(jì)算，其中飽和含水率為42%，田間持水率為33%，凋萎含水率為17%，飽和導(dǎo)水率為140 mm/d。0～80 cm土層土壤質(zhì)地見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)0～80 cm深度土壤質(zhì)地

1.3 半定量方法

AquaCrop模型通過(guò)半定量的方法實(shí)現(xiàn)了不同施肥水平對(duì)作物生長(zhǎng)和生產(chǎn)的影響[5]。這種半定量方法利用作物在有肥脅迫環(huán)境中的地上干物質(zhì)量與最優(yōu)生長(zhǎng)環(huán)境中的地上干物質(zhì)量的比值(Brel)來(lái)表示作物生長(zhǎng)過(guò)程中受到的肥脅迫程度，本文利用土壤肥壓力(Stress)來(lái)表示。Brel通過(guò)最大冠層覆蓋度壓力系數(shù)KsCCx和冠層覆蓋度衰減系數(shù)fCDecline直接影響作物生育中期冠層覆蓋度能達(dá)到的最大值(CCx)，同時(shí)通過(guò)冠層膨脹壓力系數(shù)Ksexp,f、水分生產(chǎn)率壓力系數(shù)KsWP分別影響冠層膨脹率(CGC)和標(biāo)準(zhǔn)化水分生產(chǎn)率(WP*)。模型通過(guò)相對(duì)干物質(zhì)量(Brel)和最大冠層覆蓋度(CCx)對(duì)肥壓力曲線的形狀進(jìn)行標(biāo)定，并通過(guò)優(yōu)化算法對(duì)不同肥脅迫程度下的肥壓力系數(shù)自動(dòng)調(diào)整，使之達(dá)到最優(yōu)。Brel反映了作物生長(zhǎng)過(guò)程中所受到的整體肥脅迫程度，模型將根據(jù)作物生長(zhǎng)過(guò)程中受到的其他因素的脅迫狀況，自動(dòng)調(diào)整作物各生長(zhǎng)時(shí)期的Brel，使Brel最終達(dá)到初始輸入值。

(1)

CGCadj=Ksexp,fCGC

(2)

CCx,adj=KsCCxCCx

(3)

(4)

(5)

1.4 模型參數(shù)率定

本文利用2012年和2013年的田間觀測(cè)數(shù)據(jù)、灌溉資料及氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建模型需要的數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用2012年田間觀測(cè)的冠層覆蓋度、地上干物質(zhì)量和0～80 cm土層土壤儲(chǔ)水量為監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)模型進(jìn)行率定，同時(shí)利用2013年的田間觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文擬采用決定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE對(duì)模型模擬效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中決定系數(shù)亦稱為擬合優(yōu)度，是指回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度，R2越接近1，說(shuō)明模型模擬效果越好，反之，R2值越小，說(shuō)明模型模擬效果越差。均方根誤差也稱為標(biāo)準(zhǔn)誤差，能用來(lái)衡量觀測(cè)值和模擬值之間的偏差。評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式如下：

(6)

(7)

2 結(jié)果與討論

2.1 參數(shù)率定結(jié)果

本文僅對(duì)模型中隨播種時(shí)間、田間管理措施及地理位置發(fā)生變化的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，其他參數(shù)均采用模型推薦的默認(rèn)值，率定后的模型參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 盈科灌區(qū)制種玉米模型參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 土壤儲(chǔ)水量

圖2所示為制種玉米生育期0～80 cm土層土壤儲(chǔ)水量模擬值和觀測(cè)值擬合效果圖。由圖2可知，2012年和2013年土壤儲(chǔ)水量觀測(cè)值和模擬值均勻分布在1∶1線兩側(cè)，其中2012年和2013年決定系數(shù)R2分別達(dá)到0.83和0.89，RMSE均在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明模型率定后可以對(duì)制種玉米根系層土壤儲(chǔ)水量變化進(jìn)行比較好的模擬。

圖2 制種玉米生育期0～80 cm土層土壤儲(chǔ)水量(SWC)模擬值和觀測(cè)值擬合

2.2.2 作物生長(zhǎng)指標(biāo)

圖3所示為2012年和2013年制種玉米生育期冠層覆蓋度和地上累積干物質(zhì)量模擬值和觀測(cè)值擬合效果圖。由圖3(a)和圖3(c)可知，2012年和2013年冠層覆蓋度模擬值和觀測(cè)值的決定系數(shù)R2均大于0.90，RMSE分別為7.50%和7.90%，模擬誤差較小。對(duì)比2012年和2013年地上累積干物質(zhì)量模擬值和觀測(cè)值[圖3(b)和圖3(d)]可知，2012年的決定系數(shù)R2達(dá)到了0.97，雖然2013年的決定系數(shù)R2相對(duì)較低，但仍在可接受范圍內(nèi)。2013年的均方根誤差RMSE相對(duì)較大，主要由于模型在驗(yàn)證過(guò)程中仍然采用了2012年率定的肥壓力參數(shù)Brel和CCx，這與2013年田間實(shí)際情況有所不符，造成模擬誤差偏大。綜上所述，率定后的模型基本可以對(duì)制種玉米的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行較好的模擬。但是值得注意的是，在對(duì)不同年份和不同地區(qū)的作物進(jìn)行模擬時(shí)，需要對(duì)肥壓力參數(shù)及田間肥管理水平進(jìn)行重新率定，以確保模型參數(shù)能真實(shí)反映當(dāng)時(shí)、當(dāng)?shù)氐姆拭{迫狀況，使模擬結(jié)果能更加接近作物實(shí)際的生長(zhǎng)狀況。

圖3 制種玉米生育期冠層覆蓋度(CC)和地上累積干物質(zhì)量(Biomass)模擬值和觀測(cè)值擬合

2.3 不同肥脅迫水平情景模擬

本文設(shè)置了4種不同的肥脅迫水平，即無(wú)肥脅迫、現(xiàn)狀、中等肥脅迫、重度肥脅迫，分別模擬了不同肥脅迫水平下冠層覆蓋度和地上累積干物質(zhì)量的發(fā)展進(jìn)程，以探尋不同肥脅迫水平對(duì)冠層覆蓋度和地上累積干物質(zhì)量的影響及不同肥脅迫水平下肥壓力系數(shù)的變化規(guī)律。不同肥脅迫水平對(duì)冠層覆蓋度和干物質(zhì)量影響的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4，對(duì)應(yīng)肥壓力系數(shù)見(jiàn)表3。

圖4 不同肥壓力水平下作物指標(biāo)變化規(guī)律

肥脅迫水平Brel/%Stress/%KsCCx/%Ksexp,f/%fCDecline/(%·d-1)KsWP/%無(wú)肥脅迫10001001000100現(xiàn)狀851595970.0169中等肥脅迫603983890.0536重度肥脅迫405867800.1320

由圖4可知，制種玉米最大冠層覆蓋度和地上累積干物質(zhì)量均隨著肥脅迫程度的增加呈現(xiàn)出明顯減小的趨勢(shì)，且冠層和干物質(zhì)量增長(zhǎng)速率也隨之變緩。結(jié)合表3可知，在不同肥脅迫水平下，與肥脅迫相關(guān)的壓力系數(shù)均呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)。雖然模型中提供的Brel和Stress呈線性關(guān)系，但是在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中由于受水壓力、溫度壓力等因素的影響，肥壓力曲線并非是嚴(yán)格的直線，因此，表3中Brel和Stress之和并不完全滿足100%。將盈科灌區(qū)現(xiàn)狀條件下作物冠層發(fā)展過(guò)程、地上干物質(zhì)量累積過(guò)程與其他肥脅迫水平下的指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比可知，該地區(qū)制種玉米生長(zhǎng)過(guò)程中仍然受到一定程度的肥脅迫的影響，施肥管理水平仍有待提高。

在作物冠層覆蓋度達(dá)到最大值之前，較嚴(yán)重的土壤肥脅迫使冠層膨脹壓力系數(shù)Ksexp,f偏小，限制了冠層膨脹速率，減緩了冠層的增長(zhǎng)。同時(shí)，由圖4(a)可知，不同肥脅迫水平下，冠層覆蓋度達(dá)到最大值CCx的時(shí)間基本一致，因此，增長(zhǎng)比較緩慢的冠層最終能達(dá)到的最大值也因此受到限制，這與最大冠層覆蓋度壓力系數(shù)KsCCx隨著肥脅迫程度增加而減小相符。同樣，隨著肥脅迫程度的增加，冠層覆蓋度衰減系數(shù)fCDecline隨之增大，冠層衰老時(shí)間提前，且衰老進(jìn)程加快。作物冠層的發(fā)展直接影響作物蒸騰速率，因此，隨著肥脅迫程度的增加，標(biāo)準(zhǔn)化水分生產(chǎn)率KsWP減小，作物干物質(zhì)量累積速率減緩，且限制了最終干物質(zhì)量的形成。

了解模型對(duì)田間施肥管理措施的運(yùn)行機(jī)制有助于指導(dǎo)區(qū)域施肥管理。本研究的下一步工作將設(shè)計(jì)田間試驗(yàn)，率定不同施肥管理水平對(duì)應(yīng)的田間實(shí)際施肥量，建立起AquaCrop模型在我國(guó)西北旱區(qū)田間施肥管理措施的指標(biāo)體系，為模型區(qū)域應(yīng)用及區(qū)域施肥管理提供理論支持。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)盈科灌區(qū)制種玉米試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)AquaCrop模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，并對(duì)模型精度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，進(jìn)一步利用模型半定量方法對(duì)施肥情景進(jìn)行了模擬和分析，結(jié)論如下。

(1)AquaCrop模型能夠?qū)ξ鞅焙祬^(qū)制種玉米根系層土壤儲(chǔ)水量、冠層覆蓋度和地上干物質(zhì)量進(jìn)行比較好的模擬。

(2)模型可以利用作物參數(shù)Brel和CCx簡(jiǎn)化田間施肥管理措施對(duì)作物生長(zhǎng)的影響。

(3)作物對(duì)土壤肥脅迫的反饋與作物類型、土壤質(zhì)地、氣候等條件密切相關(guān)，因此利用該模型對(duì)大區(qū)域范圍內(nèi)作物生長(zhǎng)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，需要結(jié)合土壤肥脅迫程度的空間差異性對(duì)模型進(jìn)行空間率定。

(4)Brel和CCx可以通過(guò)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，因此，AquaCrop模型和遙感數(shù)據(jù)耦合可以彌補(bǔ)其他模型區(qū)域應(yīng)用的不足，為模型研究大區(qū)域范圍作物生長(zhǎng)的空間變異性提供可能。