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        華北平原不同等級(jí)干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

        2021-10-12 10:52:42楊曉光張鎮(zhèn)濤劉志娟
        關(guān)鍵詞:總產(chǎn)減產(chǎn)冬小麥

        孫 爽,楊曉光,張鎮(zhèn)濤,趙 錦,劉志娟

        (1.中國氣象科學(xué)研究院,北京 100081;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100193)

        0 引 言

        小麥?zhǔn)鞘澜缛蠹Z食作物之一,2019年全世界小麥種植面積約為 2.2億 hm2,占世界谷物總面積的30%[1]。中國小麥在世界上占有重要地位,2019年小麥播種面積和總產(chǎn)分別占世界的11%和17%[1]。華北平原是中國小麥主產(chǎn)區(qū),2019年該區(qū)域小麥產(chǎn)量占全國小麥總產(chǎn)的59%和播種面積的51%[2],區(qū)域小麥產(chǎn)量的高低直接決定著中國口糧安全,對(duì)國家糧食安全具有重要作用。

        干旱是影響中國華北平原冬小麥產(chǎn)量穩(wěn)定的最主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[3]。氣候變化背景下華北平原降水波動(dòng)性大,干旱發(fā)生的頻率和強(qiáng)度呈增加態(tài)勢(shì)[4-7],直接影響冬小麥生長發(fā)育進(jìn)程和產(chǎn)量形成[8],造成冬小麥產(chǎn)量下降[9-11]。此外,干旱脅迫導(dǎo)致產(chǎn)量的下降程度不僅取決于干旱的嚴(yán)重程度,還取決于干旱發(fā)生的生育階段[12-17],不同生育階段干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響也不同[18],其中小麥拔節(jié)后期到孕穗期受旱主要影響穗粒數(shù),缺水造成小花退化不孕,穗粒數(shù)減少。灌漿期是小麥需水最大的時(shí)期,受旱主要影響千粒質(zhì)量,缺水導(dǎo)致粒小而癟[10,17],同時(shí)明顯影響小麥的灌漿速率[13-14]。前人在干旱對(duì)小麥產(chǎn)量影響評(píng)估方面主要采用農(nóng)田水分控制試驗(yàn)[19-23]、作物生長模型[24-28]和統(tǒng)計(jì)分析[29-31]3種方法,但方法各有局限性,需要多種方法相結(jié)合開展研究,才能減少干旱影響評(píng)估的不確定性。其中,農(nóng)田水分控制試驗(yàn)方法受限于時(shí)間、地點(diǎn),其結(jié)果難以外推;作物生長模型方法需要基于水分控制試驗(yàn)資料進(jìn)行模型校正之后,才能用于干旱影響評(píng)估;統(tǒng)計(jì)分析方法主要通過構(gòu)建作物干旱指標(biāo)與作物產(chǎn)量之間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)而評(píng)估干旱對(duì)產(chǎn)量的影響,無法揭示干旱對(duì)作物影響過程和機(jī)理。農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)包括降水量指標(biāo)、土壤含水率指標(biāo)、綜合性指標(biāo)等[32]。綜合性指標(biāo)概念明確,考慮全面,具有較強(qiáng)的理論和實(shí)用價(jià)值,其中作物水分虧缺指數(shù)(Crop Water Deficit Index,CWDI)綜合考慮了氣象、作物和土壤三方面因素,計(jì)算簡便,且較為準(zhǔn)確,所需氣象要素易于獲取,適用性強(qiáng)[33-34]。

        前人在干旱指標(biāo)構(gòu)建、干旱對(duì)冬小麥影響等方面有很多研究積累,然而綜合干旱指標(biāo)以及干旱對(duì)產(chǎn)量影響方面研究仍需進(jìn)一步加強(qiáng),特別是將干旱指標(biāo)與作物模型以及遙感資料有機(jī)結(jié)合,明確干旱分布規(guī)律基礎(chǔ)上,評(píng)估干旱對(duì)單產(chǎn)和總產(chǎn)影響程度。本文以華北平原冬小麥為研究對(duì)象,基于農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)CWDI評(píng)估冬小麥不同生育階段干旱等級(jí),結(jié)合APISM-Wheat模型進(jìn)行干旱模擬的有效性評(píng)估,基于調(diào)參驗(yàn)證后的模型解析不同等級(jí)干旱對(duì)冬小麥單產(chǎn)和總產(chǎn)的影響程度,以期為中國定量評(píng)估干旱對(duì)區(qū)域冬小麥產(chǎn)量影響、制定抗災(zāi)減災(zāi)應(yīng)對(duì)措施及保障糧食安全提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)域

        本文以華北平原冬小麥為研究對(duì)象,綜合考慮華北平原范圍、行政區(qū)以及作物種植體系相對(duì)一致性,研究區(qū)域包括北京市、天津市、河北省、山東省和河南省,沒有考慮江蘇省和安徽省北部地區(qū),地理位置為 31°~43°N,110°~123°E。其中河北省北部地區(qū)年積溫小于4 200 ℃·d[35],作物為一年一熟,故不在本文的研究范圍內(nèi)(圖1)。研究區(qū)域氣象站點(diǎn)及農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站點(diǎn)分布均勻,能夠代表區(qū)域的氣候特點(diǎn),如圖1所示。將研究區(qū)域分為3個(gè)亞區(qū)進(jìn)行分析,分別為京津冀地區(qū)JJJ(北京市、天津市、河北省北部)、河南省HN和山東省SD。

        1.2 資料來源

        數(shù)據(jù)資料包括氣象資料、作物資料、土壤資料和田間管理資料。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局,涵蓋了研究區(qū)域內(nèi)44個(gè)氣象站點(diǎn)1981—2017年37 a的逐日氣象數(shù)據(jù),主要包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速等。氣象站點(diǎn)分布見圖1。

        作物資料主要包括研究區(qū)域內(nèi)20個(gè)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(京津冀地區(qū)5個(gè),河南省8個(gè),山東省7個(gè))1981—2010年觀測(cè)資料,包括冬小麥品種信息、生育時(shí)期(播種期、開花期、成熟期)、生物量、產(chǎn)量等數(shù)據(jù),以及田間管理措施。研究區(qū)域冬小麥的實(shí)際種植面積和產(chǎn)量來自農(nóng)業(yè)部種植業(yè)司、國家統(tǒng)計(jì)局等。

        APSIM-Wheat模型調(diào)參驗(yàn)證輸入的土壤數(shù)據(jù)來源于各農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站,進(jìn)行產(chǎn)量模擬時(shí)輸入模型內(nèi)的土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院南京土壤研究所10 km×10 km的格點(diǎn)數(shù)據(jù)。

        1.3 模型情景設(shè)置

        本文選用APISM 7.6版本進(jìn)行模擬。選取決定系數(shù)(R2)、均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)、歸一化均方根誤差(Normalized RMSE,NRMSE)和d指標(biāo)(Willmott’s index of agreement,d-value)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)模型模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。前期研究工作已經(jīng)驗(yàn)證了該模型在中國冬小麥主產(chǎn)區(qū)的適用性,結(jié)果表明參數(shù)本土化后的模型能夠較好地模擬中國各冬麥區(qū)冬小麥的生育進(jìn)程和產(chǎn)量形成[36-37],驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。因此,本文基于驗(yàn)證后的APSIM模型模擬干旱對(duì)華北平原冬小麥產(chǎn)量的影響。研究中每10 a選擇一個(gè)較有代表性的品種代表該區(qū)域當(dāng)時(shí)條件下的品種潛力,模型內(nèi)各品種參數(shù)設(shè)置參見 Sun 等[36-37],具體如表1所示。

        表1 APSIM-Wheat模型中冬小麥品種參數(shù)及模型驗(yàn)證結(jié)果Table 1 Parameters of winter wheat cultivars used in the APSIM-Wheat model and results of model validation

        APSIM 7.6模型提供了自動(dòng)灌溉模塊,同時(shí)在管理模塊中也提供了不同的灌溉情景,為研究冬小麥不同生育階段干旱提供了可能。本研究在模擬干旱時(shí)選用了Irrigate on sw deficit灌溉模塊,該模塊主要基于土壤水分虧缺程度而進(jìn)行自動(dòng)灌溉。為分析模型模擬干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響的敏感性,研究中首先利用 APSIM-Wheat模型提供的灌溉模塊,模擬并評(píng)估冬小麥4個(gè)生育階段干旱對(duì)產(chǎn)量的影響,模擬情景設(shè)置如表2所示,其中在模擬某生育階段干旱時(shí)該階段設(shè)置為不灌溉,其他生育階段設(shè)置為當(dāng)發(fā)生土壤水分虧缺時(shí)自動(dòng)灌溉到田間持水量。

        表2 APSIM-Wheat模型中不同生育階段干旱模擬情景設(shè)置Table 2 Simulation scenarios settings for drought during different growing stages in APSIM-Wheat model

        1.4 農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)及干旱特征分析方法

        1.4.1 作物水分虧缺指數(shù)

        作物水分虧缺指數(shù)CWDI是作物需水量與實(shí)際供水量的差值與作物需水量的比值,是表征作物水分虧缺程度常用的指標(biāo)之一,其計(jì)算公式如下[33-34]

        式中CWDIi為第i旬的作物水分虧缺指數(shù),%;ETCi為第i旬的作物需水量,mm;Pi為第i旬的降水量,mm。

        作物水分虧缺指數(shù)綜合考慮了前期水分虧缺的累積效應(yīng),在計(jì)算某旬作物水分虧缺時(shí)考慮了前 4旬水分盈虧對(duì)該旬的影響,計(jì)算公式如下:

        式中CWDI為冬小麥生長季內(nèi)按旬計(jì)算的累計(jì)水分虧缺指數(shù);CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分別為第i旬及以第i旬為基礎(chǔ)的前4旬水分虧缺指數(shù)。a、b、c、d、e為對(duì)應(yīng)旬的累計(jì)權(quán)重系數(shù),一般取值分別為0.3、0.25、0.2、0.15 和 0.1[33-34]。

        其中作物需水量的計(jì)算采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的“參考作物蒸散量乘以作物系數(shù)法”計(jì)算[38]:

        式中 ETc為充分供水條件下的作物需水量,mm/d;ET0為參考作物蒸散量,mm/d,采用 FAO(1998)推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算[38];Kc為作物系數(shù),采用FAO推薦的冬小麥發(fā)育初期、中期和后期的 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)值:初期為 0.7(越冬期為 0.4),中期為 1.15,后期為0.4,并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和田間實(shí)測(cè)資料訂正冬小麥生育中期和后期作物系數(shù)[38-39]。

        1.4.2 干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

        研究中采用張玉靜等[40]在華北平原冬小麥干旱研究中基于作物水分虧缺指數(shù)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),該干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)能夠較好地反映區(qū)域冬小麥的實(shí)際旱情,可以用于對(duì)華北平原冬小麥干旱等級(jí)劃分,具體劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

        表3 華北平原冬小麥基于作物水分虧缺指數(shù)的農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)Table 3 The grade of agricultural drought based on Crop Water Deficit Index (CWDI) for winter wheat in North China Plain

        1.4.3 干旱站次比

        站次比是評(píng)價(jià)干旱發(fā)生范圍的指標(biāo),用某區(qū)域內(nèi)發(fā)生某等級(jí)干旱的臺(tái)站數(shù)占總臺(tái)站數(shù)的比例表示,計(jì)算公式如下:

        式中Pj′為干旱站次比,%;M為研究區(qū)域總臺(tái)站數(shù);m為研究區(qū)域發(fā)生某等級(jí)干旱的臺(tái)站數(shù)。

        1.4.4 減產(chǎn)率

        用減產(chǎn)率反映不同程度水分脅迫對(duì)冬小麥產(chǎn)量造成的損失程度,計(jì)算公式如下:

        式中yp為減產(chǎn)率,%;Y為全生育期無水肥限制條件下的產(chǎn)量,即潛在產(chǎn)量(表2中對(duì)照情景下模擬得到),kg/hm2;y為肥料不加限制、某生育階段為雨養(yǎng)條件下的產(chǎn)量,即水分虧缺條件下產(chǎn)量(表2中4個(gè)干旱模擬階段情景下模擬得到),kg/hm2。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 APSIM-Wheat模型對(duì)干旱模擬的有效性評(píng)估

        綜合考慮各亞區(qū)站點(diǎn)空間分布及數(shù)據(jù)的時(shí)間連續(xù)性,從3個(gè)亞區(qū)中各選擇1個(gè)典型站點(diǎn)對(duì)APSIM-Wheat模型模擬干旱的有效性進(jìn)行評(píng)估,京津冀地區(qū)選擇樂亭站(39.43°N,118.88°E),河南省選擇許昌站(34.02°N,113.85°E),山東省選擇朝陽站(36.03°N,115.58°E)?;谡{(diào)參驗(yàn)證后的 APSIM-Wheat模型分別模擬播種-越冬、返青-拔節(jié)、拔節(jié)-開花和開花-成熟4個(gè)生育階段冬小麥干旱,模型模擬不同生育階段干旱的灌溉情景設(shè)置見表2?;诖朔治龆←湼珊翟斐傻臏p產(chǎn)率與作物水分虧缺指數(shù)的關(guān)系如圖2所示。由圖可以看出,除樂亭站返青-拔節(jié)階段外,其他區(qū)域各站點(diǎn)冬小麥播種-越冬階段和返青-拔節(jié)階段干旱造成的減產(chǎn)率與作物水分虧缺指數(shù)無顯著關(guān)系,表明該階段干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響較小,減產(chǎn)較低。拔節(jié)-開花階段和開花-成熟階段干旱造成的冬小麥減產(chǎn)率與作物水分虧缺指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系,表明APSIM-Wheat模型能有效反映華北平原冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱對(duì)產(chǎn)量的影響,同時(shí)這2個(gè)生育階段干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響較大,減產(chǎn)較高,明顯高于冬小麥前期干旱的影響。

        通過對(duì) 4個(gè)生育階段(播種-越冬、返青-拔節(jié)、拔節(jié)-開花和開花-成熟)3個(gè)亞區(qū)所選站點(diǎn)干旱造成冬小麥的減產(chǎn)率與作物水分虧缺指數(shù)的關(guān)系分析可以看出,冬小麥生長發(fā)育前期(播種-越冬和返青-拔節(jié)階段)干旱對(duì)產(chǎn)量影響較小,干旱造成的冬小麥減產(chǎn)率與作物水分虧缺指數(shù)無顯著相關(guān)關(guān)系,而冬小麥生長發(fā)育中后期(拔節(jié)-開花和開花-成熟階段)干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響較大,干旱造成的減產(chǎn)率與作物水分虧缺指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。前人研究表明,作物在生殖生長階段,特別是在生殖生長初期遇到災(zāi)害性或不利天氣條件對(duì)產(chǎn)量影響較大,甚至絕收[41]。拔節(jié)-開花和開花-成熟階段發(fā)生干旱會(huì)對(duì)產(chǎn)量造成嚴(yán)重影響。因此,本研究重點(diǎn)考慮冬小麥生長發(fā)育中后期干旱對(duì)產(chǎn)量的影響。

        2.2 華北平原冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱對(duì)單產(chǎn)影響評(píng)估

        2.2.1 干旱對(duì)單產(chǎn)影響的空間分布

        基于調(diào)參驗(yàn)證后的APSIM-Wheat模型模擬華北平原冬小麥生長發(fā)育中后期干旱對(duì)單產(chǎn)的影響,模擬情景設(shè)置如表2所示,利用式(5)得到冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱造成的冬小麥減產(chǎn)率,其空間分布如圖3所示。由圖3可以看出,2個(gè)生育階段干旱造成的減產(chǎn)率空間上均呈北高南低的分布特征。其中,冬小麥拔節(jié)-開花階段干旱引起的減產(chǎn)率平均為19.1%,高值區(qū)主要集中在河北北部和北京市、天津市,減產(chǎn)率在0~40.4%之間;低值區(qū)主要集中在河南南部西峽-寶豐-商丘-駐馬店-固始一帶,減產(chǎn)率小于10.5%。從圖3c中可以看出,京津冀地區(qū)冬小麥的減產(chǎn)率最大,減產(chǎn)率全區(qū)平均為31.3%;河南省冬小麥的減產(chǎn)率最小,減產(chǎn)率全區(qū)平均為10.2%;山東省冬小麥的減產(chǎn)率全區(qū)平均為15.7%。冬小麥開花-成熟階段干旱引起的減產(chǎn)率平均為26.8%,高于拔節(jié)-開花階段干旱引起的減產(chǎn)率;高值區(qū)主要集中在河北北部和北京市、天津市,減產(chǎn)率達(dá)到 40%以上,低值區(qū)主要集中在河南南部鄭州-商丘-西華-固始-南陽-欒川一帶,減產(chǎn)率小于20.4%。從圖3d中可以看出,京津冀地區(qū)冬小麥的減產(chǎn)率最大,減產(chǎn)率全區(qū)平均為41.4%;河南省冬小麥的減產(chǎn)率最小,減產(chǎn)率全區(qū)平均為15.4%;山東省冬小麥的減產(chǎn)率全區(qū)平均為23.7%。

        表4為華北平原冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟2個(gè)生育階段干旱各減產(chǎn)區(qū)間內(nèi)的站次比。由表4可以看出,在拔節(jié)-開花階段,減產(chǎn)率在0~10%內(nèi)集中了全區(qū)29.3%的站點(diǎn),減產(chǎn)率在>10%~20%內(nèi)集中了全區(qū) 26.8%的站點(diǎn),減產(chǎn)率在>20%~30%內(nèi)集中了全區(qū) 19.5%的站點(diǎn),減產(chǎn)率在>30%~40%內(nèi)集中了全區(qū) 24.4%的站點(diǎn)。在開花-成熟階段,減產(chǎn)率在不同區(qū)間均有分布,主要集中在>10%~20%和>40%~50%區(qū)間,站次比分別為 24.4%和22.0%。對(duì)比2個(gè)生育階段各減產(chǎn)率區(qū)間站次比可以看出,冬小麥拔節(jié)-開花階段區(qū)域內(nèi)所有站點(diǎn)由于干旱造成的減產(chǎn)率均低于40%,76%的站點(diǎn)由于干旱造成的減產(chǎn)率低于30%,而開花-成熟階段73%的站點(diǎn)減產(chǎn)率低于40%,且減產(chǎn)率小于40%的4個(gè)減產(chǎn)區(qū)間內(nèi),拔節(jié)-開花階段的站點(diǎn)比例均高于開花-成熟階段。

        表4 華北平原冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱造成產(chǎn)量減產(chǎn)率不同區(qū)間的站次比Table 4 Station ratio of different yield reduction rate intervals due to drought during the stages of jointing to flowering and flowering to maturity for winter wheat in North China Plain %

        由此可見,冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱造成冬小麥產(chǎn)量減產(chǎn)率空間上均呈北高南低的分布特征,且冬小麥開花-成熟階段干旱引起的減產(chǎn)率(26.8%)高于拔節(jié)-開花階段干旱引起的減產(chǎn)率(19.1%);區(qū)域間比較均表現(xiàn)為干旱對(duì)京津冀地區(qū)冬小麥單產(chǎn)影響最大,對(duì)河南省冬小麥單產(chǎn)影響最小。

        2.2.2 不同等級(jí)干旱對(duì)單產(chǎn)的影響

        利用表3中的干旱等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)域及各亞區(qū)不同等級(jí)干旱在冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟 2個(gè)生育階段對(duì)產(chǎn)量的影響程度,如圖4所示。由圖4可以看出,研究區(qū)域及各亞區(qū)冬小麥2個(gè)生育階段各等級(jí)干旱均表現(xiàn)為,隨著干旱等級(jí)增加,冬小麥減產(chǎn)率上升。在拔節(jié)-開花階段,研究區(qū)域內(nèi)冬小麥輕旱、中旱和重旱等級(jí)下的減產(chǎn)率平均值分別為10.3%(2.1%~25.3%)、18.8%(5.4%~36.0%)和28.6%(10.6%~45.9%)(圖4a);開花-成熟階段內(nèi),輕旱、中旱和重旱等級(jí)下的減產(chǎn)率平均值分別為16.5%(3.0%~47.8%)、32.8%(9.9%~54.2%)和44.9%(11.9%~63.5%)(圖4e)。開花-成熟階段各等級(jí)干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響要明顯大于拔節(jié)-開花階段干旱的影響程度,且減產(chǎn)率數(shù)值分布更離散。

        為了分析各亞區(qū)不同等級(jí)干旱造成冬小麥減產(chǎn)率的差異,研究中進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了3個(gè)亞區(qū)各等級(jí)干旱減產(chǎn)率,如圖4所示。由圖可以看出,各等級(jí)干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響區(qū)域間比較表現(xiàn)為,京津冀地區(qū)產(chǎn)量損失較大,輕旱、中旱和重旱等級(jí)下的減產(chǎn)率平均值分別為 17.1%(4.1%~25.3%)、27.1%(12.6%~36.0%)和 36.3%(19.8%~45.0%)(圖4b),而在河南省和山東省損失較小,且河南省各等級(jí)干旱造成的減產(chǎn)率數(shù)值分布更集中,輕旱、中旱和重旱等級(jí)下的減產(chǎn)率平均值分別為 5.5%(2.1%~12.6%)、12.8%(6.0%~24.0%)和23.0%(10.6%~45.9%),山東省冬小麥輕旱、中旱和重旱等級(jí)下的減產(chǎn)率平均值分別為9.2%(6.5%~17.1%)、15.9%(5.4%~22.9%)和25.2%(13.0%~33.7%)。相同干旱等級(jí)下干旱對(duì)產(chǎn)量的影響均表現(xiàn)為京津冀地區(qū)最大,山東省次之,河南省影響最小。

        圖4f~圖4h分別為京津冀地區(qū)、河南省和山東省3個(gè)亞區(qū)冬小麥開花-成熟階段各等級(jí)干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響程度,可以看出,各亞區(qū)干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響均較大,且隨著干旱等級(jí)的增加減產(chǎn)程度也在增大,升高幅度較大。各等級(jí)干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響區(qū)域間比較表現(xiàn)為京津冀地區(qū)產(chǎn)量損失最大,輕旱、中旱和重旱等級(jí)下的減產(chǎn)率平均值分別為24.9%(6.5%~47.8%)、43.6%(20.9%~54.2%)和 54.5%(41.3%~63.1%)(圖4f),重旱減產(chǎn)率達(dá)到54.5%,輕旱的減產(chǎn)率也在10%以上;山東省次之,輕旱、中旱和重旱等級(jí)下的減產(chǎn)率平均值分別為 15.5%(4.4%~31.4%)、31.1%(11.3%~42.9%)和 40.5%(11.9%~63.5%);河南省冬小麥產(chǎn)量損失最小,輕旱、中旱和重旱等級(jí)下的減產(chǎn)率平均值分別為7.6%(3.0%~15.9%)、23.8%(9.9%~45.0%)和39.0(23.7%~56.1%)。相同干旱等級(jí)在不同區(qū)域間比較結(jié)果均表現(xiàn)為京津冀地區(qū)最大,山東省次之,河南省影響最小。

        總體而言,研究區(qū)域內(nèi)冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段隨著干旱等級(jí)的加重減產(chǎn)率增大;相同干旱等級(jí)在不同區(qū)域間比較表現(xiàn)為京津冀地區(qū)影響最大,河南省影響最小。

        2.3 華北平原冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱對(duì)總產(chǎn)影響評(píng)估

        2.3.1 干旱對(duì)總產(chǎn)影響的空間分布

        基于中國華北平原冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱對(duì)冬小麥單產(chǎn)的影響,結(jié)合各區(qū)冬小麥 1981—2010年實(shí)際種植面積平均值,得到干旱對(duì)冬小麥總產(chǎn)的影響,評(píng)估區(qū)域冬小麥生長發(fā)育中后期各等級(jí)干旱對(duì)總產(chǎn)的影響。

        圖5為冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱造成冬小麥總產(chǎn)影響的空間分布,可以看出,2個(gè)生育階段干旱對(duì)華北平原冬小麥減產(chǎn)量的影響呈現(xiàn)由西南向東北逐漸增加的趨勢(shì)。華北地區(qū)各站點(diǎn)冬小麥因干旱引起的減產(chǎn)量平均為3.7萬t;其中京津冀地區(qū)和山東省各站點(diǎn)冬小麥的減產(chǎn)量較大,減產(chǎn)量全區(qū)站點(diǎn)平均值均為4.4萬t;河南省各站點(diǎn)冬小麥減產(chǎn)量最低,全區(qū)站點(diǎn)平均為2.6萬t。拔節(jié)-開花階段干旱對(duì)總產(chǎn)影響較大的區(qū)域主要集中在河北保定一帶和山東省濰坊、惠民縣、莘縣一帶,減產(chǎn)量達(dá)到8.0萬t以上;影響較小的區(qū)域主要集中在河南南部欒川-寶豐-駐馬店一帶,減產(chǎn)量小于2.0萬t。

        冬小麥開花-成熟階段因干旱引起的減產(chǎn)量平均為5.9 萬t,高于拔節(jié)-開花階段干旱引起的減產(chǎn)量;其中山東省各站點(diǎn)冬小麥的減產(chǎn)量較大,全區(qū)站點(diǎn)平均為7.0萬t;京津冀地區(qū)次之,全區(qū)站點(diǎn)平均為6.0萬t;河南各站點(diǎn)冬小麥的減產(chǎn)量最低,全區(qū)站點(diǎn)平均為4.9萬t。開花至成熟階段干旱對(duì)總產(chǎn)影響較大的區(qū)域主要集中在河北保定-黃驊一帶、北京和山東省莘縣-惠民縣-濰坊-莒縣一帶,減產(chǎn)量達(dá)到8.0萬t以上;影響較小的區(qū)域主要集中在河北省遵化-青龍一帶和河南省寶豐-欒川一帶,減產(chǎn)量小于4.0萬t。

        表5為華北平原冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟2個(gè)生育階段干旱造成減產(chǎn)量不同區(qū)間站次比。由表5可以看出,在拔節(jié)-開花階段,減產(chǎn)量在0~5萬t內(nèi)集中了全區(qū)72.5%的站點(diǎn),減產(chǎn)量在5萬~10萬t內(nèi)集中了全區(qū)25.0%的站點(diǎn),減產(chǎn)量在10萬~15萬t內(nèi)集中了全區(qū)2.5%的站點(diǎn)。在開花-成熟階段,減產(chǎn)量在0~5萬t內(nèi)集中了全區(qū)45.0%的站點(diǎn),減產(chǎn)量在5萬~10萬t內(nèi)集中了全區(qū)40.0%的站點(diǎn),減產(chǎn)量在 10萬~15萬 t內(nèi)集中了全區(qū)12.5%的站點(diǎn),減產(chǎn)量在15萬~20萬t內(nèi)集中了全區(qū)2.5%的站點(diǎn)。對(duì)比 2個(gè)生育階段各減產(chǎn)量區(qū)間站次比可以看出,冬小麥拔節(jié)-開花階段減產(chǎn)量區(qū)間0~5萬t內(nèi)的站點(diǎn)比例要比開花-成熟階段絕對(duì)值高27.5百分點(diǎn),而在其他區(qū)間內(nèi)的站點(diǎn)比例均低于開花-成熟階段。冬小麥拔節(jié)-開花階段97.5%的站點(diǎn)由于干旱造成的減產(chǎn)量低于10萬t,而開花-成熟階段85%的站點(diǎn)減產(chǎn)量低于10萬t。

        表5 華北平原冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱造成減產(chǎn)量不同區(qū)間站次比Table 5 The station ratio in different production reduction intervals due to drought during the stages of jointing to flowering and flowering to maturity for winter wheat in North China Plain %

        由此可見,冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱對(duì)減產(chǎn)量的影響呈現(xiàn)由西南向東北逐漸增加的趨勢(shì),且冬小麥開花-成熟階段干旱引起的減產(chǎn)量(5.9萬t)高于拔節(jié)-開花階段干旱引起的減產(chǎn)量(3.7萬t);區(qū)域間比較均表現(xiàn)為干旱對(duì)山東省冬小麥總產(chǎn)影響最大,對(duì)河南省冬小麥總產(chǎn)影響最小。

        2.3.2 不同等級(jí)干旱對(duì)總產(chǎn)的影響

        基于研究區(qū)域及各亞區(qū)不同等級(jí)干旱在冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟 2個(gè)生育階段對(duì)單產(chǎn)的影響程度,結(jié)合冬小麥實(shí)際種植面積,得到不同等級(jí)干旱對(duì)總產(chǎn)的影響,如圖6所示。由圖6可以看出,在拔節(jié)-開花階段,研究區(qū)域內(nèi)冬小麥輕旱、中旱和重旱等級(jí)下的減產(chǎn)量平均值分別為1.6萬t (0.1萬~6.5萬t)、3.4萬t(0.1萬~8.3萬t)和5.6萬t(0.1萬~14.2萬t)(圖6a);開花-成熟階段內(nèi),輕旱、中旱和重旱等級(jí)下的減產(chǎn)量平均值分別為2.9萬t(0.1萬~12.4萬t)、6.5萬t(0.2萬~17.7萬t)和9.1萬t(0.4萬~23.7萬t)(圖6e)。

        研究中進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了3個(gè)亞區(qū)各等級(jí)干旱下的減產(chǎn)量,如圖6所示。從圖6b~圖6d可以看出,京津冀地區(qū)輕旱、中旱和重旱等級(jí)下的減產(chǎn)量平均為2.1萬t(0.1萬~5.4萬t)、3.7萬t(0.1萬~8.3萬t)和5.0萬t(0.1萬~10.0萬t);河南省輕旱、中旱和重旱等級(jí)下的減產(chǎn)量平均為 1.0萬 t(0.3 萬~2.4萬t)、3.0萬t(1.1萬~5.8萬t)和5.7萬t(2.0萬~10.1萬 t);山東省輕旱、中旱和重旱等級(jí)下的減產(chǎn)量平均為1.7萬t(0.1萬~6.5萬t)、3.5萬t(0.1萬~8.1萬t)和6.1萬t(0.1萬~14.2萬t)。其中,輕旱和中旱對(duì)冬小麥總產(chǎn)的影響區(qū)域間表現(xiàn)為京津冀地區(qū)最大,山東省次之,河南省影響最小,而重旱對(duì)冬小麥總產(chǎn)的影響區(qū)域間表現(xiàn)為山東省最大,河南省次之,京津冀地區(qū)影響最小。

        由圖6f~圖6h可以看出,京津冀地區(qū)輕旱、中旱和重旱等級(jí)下的減產(chǎn)量平均為3.6萬t(0.1萬~7.4萬t)、6.1 萬 t(0.2 萬~13.7 萬 t)和 7.4 萬 t(0.4 萬~14.1 萬 t);河南省輕旱、中旱和重旱等級(jí)下的減產(chǎn)量平均為 1.4萬 t(0.5 萬~4.4萬t)、5.9萬t(2.7萬~12.8萬t)和9.7萬t(3.6萬~16.6萬t);山東省輕旱、中旱和重旱等級(jí)下的減產(chǎn)量平均為4.0萬t(0.1萬~12.4萬t)、7.9萬t(0.6 萬~17.7萬t)和10.8萬t(0.7萬~23.7萬t)。其中,輕旱和中旱對(duì)冬小麥總產(chǎn)的影響區(qū)域間表現(xiàn)為山東省最大,京津冀地區(qū)次之,河南省影響最小,而重旱對(duì)冬小麥總產(chǎn)的影響區(qū)域間表現(xiàn)為山東省最大,河南省次之,京津冀地區(qū)影響最小。

        總體而言,冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段重旱對(duì)冬小麥總產(chǎn)的影響區(qū)域間表現(xiàn)為山東省最大,河南省次之,京津冀地區(qū)影響最??;拔節(jié)-開花階段輕旱和中旱對(duì)冬小麥總產(chǎn)的影響區(qū)域間表現(xiàn)為京津冀地區(qū)最大,山東省次之,河南省影響最小,而開花-成熟階段輕旱和中旱對(duì)冬小麥總產(chǎn)的影響區(qū)域間表現(xiàn)為山東省最大,京津冀地區(qū)次之,河南省影響最小。

        3 討 論

        本文以中國華北平原冬小麥為研究對(duì)象,基于 1981—2017年研究區(qū)域內(nèi)的氣象觀測(cè)資料和農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站的生育時(shí)期資料,以作物水分虧缺指數(shù)作為農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo),結(jié)合調(diào)參驗(yàn)證后的APSIM-Wheat模型,解析了冬小麥生長發(fā)育中后期和不同等級(jí)干旱對(duì)冬小麥單產(chǎn)的影響程度,結(jié)合1981—2010年冬小麥實(shí)際播種面積平均值,進(jìn)一步評(píng)估了干旱對(duì)冬小麥總產(chǎn)的影響程度,為中國定量評(píng)估干旱對(duì)區(qū)域冬小麥產(chǎn)量影響程度、制定抗災(zāi)減災(zāi)應(yīng)對(duì)措施提供科學(xué)依據(jù)。但由于實(shí)際生產(chǎn)的復(fù)雜性以及數(shù)據(jù)資料的局限性,本研究在實(shí)際應(yīng)用中還存在以下不足:

        1)利用APSIM-Wheat模型模擬的潛在產(chǎn)量時(shí),仍存在不足。首先在播期的確定上,由于很難獲取各氣象站點(diǎn)從1981—2017年37 a的冬小麥播期資料,模擬中采用的是區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站的平均值,沒有考慮播種期的變化。而實(shí)際生產(chǎn)中冬小麥推遲播種,大概每 10 a推遲1.5 d[42]。其次,為了反映近 37年品種更替對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響,在模型模擬過程中每10 a更換一次品種來表示品種更替對(duì)過去37 a冬小麥產(chǎn)量提升的貢獻(xiàn),與實(shí)際生產(chǎn)中品種的更替周期仍有差異。以上潛在產(chǎn)量模擬中的不足將在接下來的工作中進(jìn)一步完善,使得結(jié)果更準(zhǔn)確。

        2)本研究將干旱等級(jí)與其減產(chǎn)程度結(jié)合,明確不同等級(jí)干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響,為區(qū)域合理制定灌溉措施提供理論依據(jù)。由于研究側(cè)重點(diǎn)不同,本文僅考慮自然降水對(duì)作物的水分供應(yīng),而沒有考慮各地區(qū)灌溉的影響。而灌溉是華北平原冬小麥水分的主要來源,實(shí)際生產(chǎn)中灌溉對(duì)旱情的緩解作用,使干旱的發(fā)生頻率以及對(duì)產(chǎn)量影響與模型分析的結(jié)果存在差距。此外,本文也沒有考慮降水及灌溉后作物對(duì)土壤水分利用的有效性。

        3)由于干旱形成和影響的復(fù)雜性,難以利用模型完全反演實(shí)際生產(chǎn)中干旱的發(fā)生情景。本文在利用APSIM-Wheat模型模擬各生育階段干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響時(shí),所模擬的階段為雨養(yǎng)不灌溉,其他生育階段是自動(dòng)灌溉,沒有考慮到作物生長發(fā)育各階段之間的影響。此外,研究中僅考慮冬小麥單一生育階段發(fā)生干旱對(duì)產(chǎn)量的影響,沒有考慮各生育階段發(fā)生連續(xù)干旱的情況,將在以后的研究中加以考慮。

        華北平原冬小麥干旱對(duì)單產(chǎn)影響的區(qū)域差異性較大,主要與不同地區(qū)降水量與小麥各生育時(shí)期的需水量配合度有關(guān)。此外,不同地區(qū)發(fā)生干旱對(duì)小麥產(chǎn)量三要素的影響存在差異性,也是造成華北平原冬小麥干旱對(duì)單產(chǎn)影響區(qū)域差異性較大的原因之一。

        4)由于研究區(qū)域內(nèi)干旱災(zāi)情資料的局限性,在評(píng)估冬小麥 2個(gè)生長發(fā)育階段干旱對(duì)總產(chǎn)的影響時(shí),采用的是研究時(shí)段內(nèi)冬小麥的實(shí)際播種面積,并結(jié)合 GIS中的空間分析工具將播種面積提取到氣象站點(diǎn)上,并假定研究區(qū)域內(nèi)氣象站點(diǎn)均勻分布,因此每個(gè)站點(diǎn)僅代表一定范圍內(nèi)的區(qū)域特征,區(qū)域間數(shù)值的差異性不僅體現(xiàn)了干旱對(duì)單產(chǎn)影響的差異,也體現(xiàn)了區(qū)域間小麥種植面積的差異。在今后的研究中將進(jìn)一步收集數(shù)據(jù)并結(jié)合遙感資料,基于冬小麥實(shí)際播種面積和各生育階段的氣候特征,定量干旱受災(zāi)面積,進(jìn)而評(píng)估干旱對(duì)冬小麥總產(chǎn)的影響。

        4 結(jié) 論

        本文以作物水分虧缺指數(shù)為農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo),基于調(diào)參驗(yàn)證后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型(Agricultural Production Systems Simulater,APSIM),評(píng)估了冬小麥生長發(fā)育中后期各生育階段不同等級(jí)干旱對(duì)冬小麥單產(chǎn)和總產(chǎn)的影響。主要結(jié)論如下:

        1)冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱造成冬小麥減產(chǎn)率空間上均呈北高南低的分布特征,區(qū)域間比較均表現(xiàn)為干旱對(duì)京津冀地區(qū)冬小麥單產(chǎn)影響最大,對(duì)河南省冬小麥單產(chǎn)影響最小。拔節(jié)-開花階段區(qū)域內(nèi)所有站點(diǎn)由于干旱造成的減產(chǎn)率均低于 40%,而開花-成熟階段 73%的站點(diǎn)減產(chǎn)率低于40%。隨著干旱等級(jí)的加重減產(chǎn)率增大,開花-成熟階段輕旱、中旱和重旱的減產(chǎn)率分別為 16.5%(3.0%~47.8%)、32.8%(9.9%~54.2%)和44.9%(11.9%~63.5%),拔節(jié)-開花階段輕旱、中旱和重旱的減產(chǎn)率分別為10.3%(2.1%~25.3%)、18.8%(5.4%~36.0%)和28.6%(10.6%~45.9%)。相同干旱等級(jí)在不同區(qū)域間比較表現(xiàn)為京津冀地區(qū)影響最大,河南省影響最小。

        2)冬小麥拔節(jié)-開花和開花-成熟階段干旱造成冬小麥減產(chǎn)量空間上均呈現(xiàn)由西南向東北逐漸增加的趨勢(shì),區(qū)域間比較均表現(xiàn)為干旱對(duì)山東省冬小麥總產(chǎn)影響最大,對(duì)河南省冬小麥總產(chǎn)影響最小。相同干旱等級(jí)在不同區(qū)域間比較結(jié)果各不相同。

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