江曉東, 張 濤, 常 亮, 楊沈斌

(1.中國氣象局農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點開放實驗室，鄭州 450003；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044； 3.南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，南京 210044)

2013年，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)布的第五次評估報告(AR5)顯示：全球氣候正在變暖，1880—2012年，全球平均氣溫上升了0.85 ℃[1]。受全球變暖影響，中國近100年來氣溫也明顯增加，增溫幅度約為0.5～0.8 ℃[2]。氣候變暖導(dǎo)致中國農(nóng)業(yè)氣候資源分布發(fā)生變化，直接影響了小麥的生長發(fā)育[3-5]。王位泰等[6]研究表明，增溫可導(dǎo)致冬小麥發(fā)育期提前；鄧振鏞等[7]研究發(fā)現(xiàn)氣候變暖使中國西北地區(qū)冬小麥種植面向向西、向北擴展，播期延后；譚凱炎等[8]指出，增溫導(dǎo)致的花后高溫不利于麥穗的發(fā)育和籽粒灌漿，顯著降低小麥產(chǎn)量；周林等[9]研究表明，春季溫度上升對黃淮海地區(qū)小麥生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響，而秋季和冬季溫度適度增加則對可以提高小麥產(chǎn)量；史印山等[10]研究發(fā)現(xiàn)，當平均氣溫變化變化幅度在-1.2～1.2 ℃，冬小麥氣候產(chǎn)量增加，溫度變化超過該范圍則引起冬小麥產(chǎn)量減少，以高溫影響最大。綜上可知，氣候變暖使冬小麥產(chǎn)量變化的不穩(wěn)定性增加[11]。

作物模型是研究氣候變化對作物生長發(fā)育影響的重要工具。WOFOST模型是荷蘭瓦赫寧根大學(xué)和世界糧食研究中心共同開發(fā)的一種動態(tài)的、機理性作物生長模型。WOFOST模型以日為步長，定量模擬氣象因子、環(huán)境要素及田間管理措施對作物生長發(fā)育的影響。WOFOST 模型以氣象要素數(shù)據(jù)驅(qū)動，通過輸入的土壤特性、作物和管理措施等數(shù)據(jù)，動態(tài)模擬作物的潛在生長、養(yǎng)分和水分限制條件下的生長發(fā)育和產(chǎn)量。模型模擬內(nèi)容主要包括作物的發(fā)育期、光合與呼吸作用、干物質(zhì)積累與分配、產(chǎn)量等。模型輸入的氣象數(shù)據(jù)主要為日最高和最低氣溫、降水量、太陽輻射量、風速等；土壤數(shù)據(jù)主要為模擬地點土壤的田間持水量、導(dǎo)水率、飽和含水率、凋萎系數(shù)等；作物管理數(shù)據(jù)主要為播種期、灌溉日期、灌溉量、施肥日期、施肥量等；作物參數(shù)主要為作物不同發(fā)育階段的起始時間、干物質(zhì)積累量、同化物轉(zhuǎn)化效率、CO2同化效率等。因WOFOST模型基于作物的生理生態(tài)過程，故可通過改變相關(guān)模型參數(shù)，實現(xiàn)對不同環(huán)境條件下作物生長發(fā)育及產(chǎn)量的模擬。該模型在中國小麥研究中已得到廣泛應(yīng)用[12-13]。

冬小麥是蘇南地區(qū)的主要作物之一，該地區(qū)小麥生長季已出現(xiàn)了明顯的增溫現(xiàn)象，氣候變暖正在影響該地區(qū)的小麥生產(chǎn)[14]。2016年，《巴黎協(xié)定》締約方為減少氣候變化引起的影響和風險，同意以工業(yè)化前全球平均地表溫度為標準，在世紀末將升溫幅度控制在2.0 ℃內(nèi)，并努力控制在1.5 ℃內(nèi)[15]。以往氣候變化對長江中下游作物的影響多集中于水稻，利用WOFOST模型結(jié)合氣候變化情景模擬蘇南地區(qū)小麥產(chǎn)量并解釋產(chǎn)量變化機理的研究較少。為此，以WOFOST模型為基礎(chǔ)，以南京地區(qū)為代表，結(jié)合田間的觀測數(shù)據(jù)，對模型的相關(guān)參數(shù)進行標定校準，使之適用于模擬蘇南地區(qū)冬小麥的生長發(fā)育，在此基礎(chǔ)上，進一步模擬不同發(fā)育階段增溫對該地區(qū)冬小麥生長發(fā)育過程的影響，探明不同發(fā)育階段0～2 ℃增溫對蘇南地區(qū)小麥產(chǎn)量的影響，以期為該地區(qū)小麥生產(chǎn)應(yīng)對氣候變暖提供建議。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

2012年11月—2014年5月在江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室農(nóng)試站(32°03′N，118°51′E)進行了田間試驗。試驗站地處屬亞熱帶季風氣候區(qū)，年均降雨量約1 100 m，年均氣溫為15.6 ℃。試驗田0～20 cm土壤為壤質(zhì)黏土，黏粒含量為26.1%，pH為6.2，有機碳含量為19.4 g/kg，全氮含量為11.5 g/kg。

試驗設(shè)置2個處理：T1(不增溫處理)、T2(白天和夜間均增溫2 ℃)。采用外源主動加熱的方式對T2處理麥田進行增溫。在試驗小區(qū)的試驗上方均勻放置4盞紅外加熱燈，用單片機控制加熱溫度，并動態(tài)調(diào)整紅外加熱燈的高度，使之與加熱區(qū)內(nèi)小麥植株頂部保持50 cm左右，以避免小麥灼傷，小區(qū)中增溫面積為2.25 m2(1.5 m×1.5 m)，小區(qū)間隔距離為2 m，以避免不同加熱小區(qū)之間的干擾(圖1)。T1處理安裝相同的紅外加熱燈，保持斷電狀態(tài)，以確保T1與T2處理的差異僅由增溫引起。每個處理在冬小麥第三片葉伸出時開始試驗處理，至冬小麥收獲后結(jié)束，陰雨天不增溫。試驗結(jié)果表明，T2處理小區(qū)平均溫度較T1高2.21 ℃，符合試驗設(shè)計要求(圖2)。試驗種植的冬小麥為揚麥15，在每年的11月14日播種。冬小麥播種方式為條播，行距25 cm，播種密度為3.0×106苗/hm2，試驗小區(qū)面積為4 m2(2 m×2 m)，每年每處理種植重復(fù)3次，試驗田施用純N 168 kg/hm2、P2O5105 kg/hm2，K2O 135 kg/hm2，磷肥和鉀肥以基肥的形式在播前施用，氮肥分別在播前和小麥拔節(jié)時施用，兩次用量各為84 kg/hm2，其田間管理措施與當?shù)馗弋a(chǎn)田相同。

↓為溫度傳感器安裝在圖中箭頭所示位置

圖2 不同處理麥田溫度變化

1.2 觀測項目及方法

氣象數(shù)據(jù)：2012—2013年實驗所用氣象數(shù)據(jù)及土壤數(shù)據(jù)由試驗站提供。1980—2010年南京氣象數(shù)據(jù)由中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)提供。

按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[16]進行小麥發(fā)育期、干物質(zhì)積累及產(chǎn)量測定。

1.3 冬小麥籽粒灌漿動態(tài)模擬

采用Logistic模型對冬小麥籽粒灌漿動態(tài)進行模擬[17]，分析籽粒的灌漿特性：

W=K(1+Be-At)-1

(1)

式(1)中：W為冬小麥不同時期籽粒干重，kg/hm2；K為最大理論籽粒干重，kg/hm2；t為冬小麥開花后天數(shù)，d；A和B均為系數(shù)。W達到99%,K的時間為籽粒干物質(zhì)有效積累時間T99,單位為d，計算公式為

(2)

K除以T99的值為籽粒干物質(zhì)平均積累速率Rave, 單位為kg/(hm2·d)，計算公式為

(3)

W達到K的5%～95%所經(jīng)歷的天數(shù)為籽粒干物質(zhì)活躍積累期D(單位為d)的計算公式如式(4)所示：

(4)

對式(1)中的t一階求導(dǎo)，可以求得籽粒干物質(zhì)積累速率R，單位為kg/(hm2·d)，計算公式如式(5)所示：

R=KBAe-At(1+Be-At)-2

(5)

對式(5)求極值，可得到籽粒干物質(zhì)最大積累速率Rmax，單位為kg/(hm2·d)，計算公式如式(6)所示：

(6)

Rmax所對應(yīng)的t值，即為籽粒到達最大干物質(zhì)積累速率的時間Tmax, 單位為d,計算公式如式(7)所示：

(7)

1.4 模型驗證

采用平均絕對百分比誤差(MAPE)和均方根誤差(RMSE)對模型模擬效果進行檢驗：

(8)

(9)

式中：n為樣本容量；Oi為實測值；Pi為模擬值。MAPE和RMSE越小，說明模型模擬效果越好。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用WOFOST Control Centre、MATLAB 2014及Microsoft Excel進行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 WOFOST模型參數(shù)調(diào)整

利用2012—2013年的田間實驗觀測數(shù)據(jù)進行WOFOST模型參數(shù)的本地化調(diào)整。根據(jù)前人的研究結(jié)果[9,12-14,18-19]，表1所示為WOFOST模型中部分參數(shù)的取值范圍和單位。根據(jù)表1，將實測數(shù)據(jù)帶入WOFOST模型計算得到與發(fā)育階段(DVS)相關(guān)的比葉面積(SLATB)、葉的分配系數(shù)(FLTB)、貯藏器官的分配系數(shù)(FOTB)、莖的分配系數(shù)(FSTB)，如表2所示。將氣象數(shù)據(jù)輸入模型，結(jié)合文獻[16]的敏感性分析結(jié)果，對部分參數(shù)調(diào)高10%，對葉干物重(WLV)、莖干物重(WST)、總貯藏器官干物重(WSO)、總地上部分干物質(zhì)重(TAGP)、最大葉面積指數(shù)(LAIM)的敏感性進行分析，結(jié)果如表3所示。表3中最大CO2同化速率(AMAXTB)、莖同化物轉(zhuǎn)化效率(CVS)、葉同化物轉(zhuǎn)化效率(CVL)、溫度升高10 ℃呼吸作用變化速率(Q10)等參數(shù)的敏感性較高，作為主要的調(diào)參對象。對于敏感性分析結(jié)果中不敏感的參數(shù)或表中未列舉的參數(shù)通過查閱文獻或使用WOFOST模型中提供的默認值。對于可以通過田間試驗所獲得數(shù)據(jù)進行計算的參數(shù)，在保證準確、可靠的前提下先輸入，再進行微調(diào)。對于取值范圍較窄的敏感性較高的參數(shù)或已被公認的參數(shù)，通過查閱文獻或者直接使用WOFOST模型中提供的默認值。對于有敏感性較高，但又難以計算和借鑒文獻資料的，利用試錯法進行適當?shù)恼{(diào)整。

表1 WOFOST模型部分參數(shù)取值范圍

表2 WOFOST模型部分與DVS相關(guān)的參數(shù)

表3 WOFOST部分參數(shù)的敏感性分析結(jié)果

注：表3只列舉出部分敏感性較高的參數(shù)分析結(jié)果。

2.2 WOFSOT模型檢驗

利用2013—2014年的觀測數(shù)據(jù)對參數(shù)本地化的WOFOST模型進行檢驗，地上部干物重模擬結(jié)果和實測結(jié)果如圖2所示，生育期和產(chǎn)量的模擬結(jié)果如表4所示。經(jīng)計算，模型對地上部分干物質(zhì)重的模擬結(jié)果的MAPE為0.24，RMSE為937 kg/hm2(圖3)，生育期的模擬與實測結(jié)果誤差都小于1 d，實際產(chǎn)量為模擬產(chǎn)量的91.67%，說明模型模擬精度較高，因此可以認為WOFOST模型的參數(shù)本地化成功。

表4 生育期日期和產(chǎn)量模擬值與實測比較

圖3 地上部分干物質(zhì)重模擬值與實測值比較

2.3 不同增溫情景下的冬小麥的發(fā)育期

利用參數(shù)本地化后的WOFOST模型，對1980—2010年不同增溫情景下冬小麥的發(fā)育期進行了模擬，模擬結(jié)果表明(表5)，增溫使冬小麥的發(fā)育期普遍提前，且隨著增溫的幅度變大和增溫時間的延長，發(fā)育期提前幅度增大，以出苗-成熟期增溫對冬小麥生育期縮短最為明顯。與CK相比，出苗-成熟期增溫1 ℃，開花期平均提前了6 d，成熟期提前11 d；出苗-成熟期增溫2 ℃，開花期平均提前了13 d，成熟期提前14 d。在開花后增溫，開花-成熟期持續(xù)時間縮短，增溫1 ℃時，開花-成熟期持續(xù)天數(shù)比CK縮短2 d，增溫2 ℃縮短4 d。

表5 1980—2010年不同增溫情景下冬小麥的發(fā)育期

2.4 不同增溫情景下的冬小麥的產(chǎn)量

表6所示為利用WOFOST模型模擬的1980—2010年不同增溫情景下冬小麥的產(chǎn)量。由表6可知，在增溫1 ℃情景下，出苗-開花期和出苗-成熟期增溫處理，小麥產(chǎn)量分別比CK增加19.55%、12.48%；在增溫2 ℃情景下，出苗-開花期和出苗-成熟期增溫處理，小麥產(chǎn)量分別比CK增加38.00%、32.18%。結(jié)果表明，在增溫1 ℃、增溫2 ℃情景下，在出苗-開花期和出苗-成熟期增溫均可以提高小麥產(chǎn)量， 2 ℃增溫情景較1 ℃增溫情景更有利于小麥產(chǎn)量增產(chǎn)。同時，出苗-開花期增溫對小麥產(chǎn)量的提高影響大于出苗-成熟期增溫，兩個增溫情景下平均，出苗-開花期增溫冬小麥產(chǎn)量比出苗-成熟期增溫高5.27%。在開花-成熟期增溫會導(dǎo)致冬小麥減產(chǎn)，減產(chǎn)幅度隨著溫度的上升而增加，增溫1 ℃，小麥產(chǎn)量比CK降低4.90%，增溫2 ℃，小麥產(chǎn)量比CK降低10.86%。

表6 1980—2010年不同增溫情景下冬小麥的產(chǎn)量

2.5 不同增溫情景下的冬小麥群體籽粒灌漿動態(tài)

利用WOFSOT對不同增溫處理下冬小麥籽粒干物質(zhì)積累進行了模擬(圖4)。在籽粒形成期，籽粒干物質(zhì)積累緩慢增加，不同增溫處理籽粒干物質(zhì)積累開始出現(xiàn)差異；在灌漿期，籽粒干物質(zhì)積累量增加迅速，處理間差異明顯，在增溫1 ℃和增溫2 ℃情景下，不同處理冬小麥籽粒干物質(zhì)積累量依次為出苗-成熟期增溫>出苗-開花期增溫>開花-成熟期增溫>CK；在灌漿末期，各處理籽粒干物質(zhì)積累速率減慢，出苗-成熟和開花-成熟兩個增溫處理籽粒灌漿結(jié)束早，影響籽粒干物質(zhì)的積累，各處理最終籽粒干物質(zhì)積累量依次為出苗-開花期增溫>出苗-成熟期增溫> CK >開花-成熟期增溫。由圖5可知，不同增溫情景下，開花-成熟期增溫籽粒干物質(zhì)積累速率最大值出現(xiàn)均早于其他處理，而且籽粒灌漿時間短，出苗-開花期和出苗-成熟期增溫處理籽粒灌漿速率均大于開花-成熟期增溫和CK兩個處理，而且籽粒灌漿持續(xù)期長。

圖4 不同增溫情景籽粒干物質(zhì)積累動態(tài)

圖5 不同增溫情景籽粒干物質(zhì)積累速率

由表7可知，各增溫處理籽粒干物質(zhì)最大積累速率(Rmax)和籽粒干物質(zhì)積累平均速率(Rave)均大于CK，增溫1 ℃，出苗-開花期增溫的Rave比CK高15.65%，出苗-成熟期增溫比CK高12.18%，開花-成熟期增溫比CK高5.48%；增溫2 ℃，出苗-開花期增溫的Rave比CK高22.00%，出苗-成熟期增溫比CK高40.67%，開花-成熟期增溫比CK高6.72%。相同增溫階段，增溫2 ℃的Rave高于增溫1 ℃。分析籽粒干物質(zhì)積累活躍期(D)，相對于CK，開花-成熟期增溫縮短了D，增溫1 ℃縮短1.87 d，增溫2 ℃縮短2.69 d，而出苗-開花期和出苗-成熟期增溫延長了D，增溫1 ℃，出苗-開花期和出苗-成熟期增溫的D分別比CK長0.62、0.32 d，增溫2 ℃情景下，出苗-開花期增溫的D比CK長2.83 d，出苗-成熟期增溫縮短0.97 d。由此可見，出苗-開花期和出苗-成熟期增溫明顯提高了籽粒的干物質(zhì)積累速率和持續(xù)天數(shù)，提高了籽粒質(zhì)量，以出苗-開花期增溫2 ℃的效果最明顯，而開花-成熟期增溫則明顯縮短了籽粒的灌漿時間，不利于籽粒干物質(zhì)積累，導(dǎo)致減產(chǎn)。

表7 不同增溫條件下籽粒干物質(zhì)積累特征參數(shù)

注：Tmax為達到籽粒干物質(zhì)積累最大速率的時間；T99籽粒干物質(zhì)積累的有效增長時間；D籽粒干物質(zhì)積累活躍期。

3 討論

大量研究表明溫度增加會導(dǎo)致冬小麥生育期持續(xù)時間縮短[6,8,20-21]。研究結(jié)果也表明，增溫可以導(dǎo)致冬小麥生育期縮短，這與前人研究結(jié)果相同。關(guān)于氣候變暖對冬小麥產(chǎn)量的影響，中外學(xué)者有著不同的研究結(jié)果。房世波等[22]、Hatfield等[23]、張凱等[24]認為增溫會造成小麥產(chǎn)量降低，而Tack等[25]、田云錄等[26]研究結(jié)果表明，適當范圍內(nèi)的增溫可以提高冬小麥產(chǎn)量，居輝等[5]和千懷遂等[27]指出不同氣候區(qū)域種植的冬小麥的產(chǎn)量對增溫的響應(yīng)存在差異。

造成上述研究結(jié)果差異的主要原因除溫度條件外，水分和農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害等也是制約小麥產(chǎn)量的主要因素。周林等[9]研究結(jié)果表明，在土壤水分適宜的情況下，適度增溫有利于冬小麥生長、提高產(chǎn)量。田云錄等[26]指出，當溫度變化在2 ℃以內(nèi)水分等的變化影響較小，而長江下游屬于亞熱帶季風域，年降水量在1 000～1 500 mm，小麥生產(chǎn)基本無干旱發(fā)生，因此，研究中未考慮干旱脅迫。研究結(jié)果表明，出苗-開花或者出苗-成熟期在1～2 ℃增溫，可以提高冬小麥的產(chǎn)量。出苗期開始的增溫，有助于冬小麥播種后早發(fā)壯苗，可減少凍害、增加分蘗數(shù)量[27-28]，提高籽粒干物質(zhì)積累速率，延長籽粒干物質(zhì)活躍積累期，增加產(chǎn)量。同時，冬小麥開花期的提前，降低了花后遭遇花后高溫的幾率，這也是產(chǎn)量提高的原因。研究結(jié)果表明開花-成熟期增溫，縮短了籽粒干物質(zhì)積累活躍期，同時過高的溫度，不利于穎花和籽粒的發(fā)育以及籽粒的灌漿，降低冬小麥產(chǎn)量[8]。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，增溫提前了冬小麥的開花期，提高了冬小麥籽粒干物質(zhì)積累的平均速率，延長了籽粒干物質(zhì)積累活躍期，增加了冬小麥產(chǎn)量，以出苗-開花期增溫2 ℃產(chǎn)量提高最大。開花-成熟期增溫縮短開花-成熟期的持續(xù)天數(shù)，縮短籽粒干物質(zhì)積累活躍期，降低產(chǎn)量，以增溫2 ℃減產(chǎn)幅度最大。