秦雅倩 孫嘉玥 王巖 張志勇 馬新明 時雷

摘要：利用氣候資料、農(nóng)業(yè)氣象站作物資料和統(tǒng)計年鑒資料，在WOFOST模型標定與區(qū)域化的基礎(chǔ)上，使用WOFOST模型模擬河南省冬小麥主要種植區(qū)18個代表性站點2015—2019年不同水平產(chǎn)量潛力，結(jié)合實際產(chǎn)量量化冬小麥產(chǎn)量差，并分析其時空分布特征。研究結(jié)果表明，2015—2019年河南省冬小麥光溫生產(chǎn)潛力平均值為 6 608～10 525 kg/hm2，呈現(xiàn)北高南低、東高西低的空間分布特征;氣象生產(chǎn)潛力為3 094～6 383 kg/hm2，空間呈現(xiàn)南高北低分布趨勢;各區(qū)域冬小麥增產(chǎn)潛力的排序為豫北種植區(qū)>豫西淺山丘陵較適宜種植區(qū)>豫南稻茬麥區(qū)>南陽盆地-淮北平原適宜氣候區(qū)>豫中種植區(qū)>豫東種植區(qū)。

關(guān)鍵詞：WOFOST模型;冬小麥;生產(chǎn)潛力;產(chǎn)量差;時空分布;河南省

中圖分類號： S162.5+3文獻標志碼： A

文章編號：1002-1S1302（2022）05-0191-08

收稿日期：2021-05-23

項目基金：國家自然科學基金（編號：31501225）;河南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（編號：S2010-01-G04）。

作者簡介：秦雅倩（1997—），女，湖北隨州人，碩士研究生，主要從事作物模型農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究。E-mail：2067522787@qq.com。

通信作者：時 雷，博士，教授，主要從事數(shù)據(jù)挖掘、計算機農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究。E-mail：sleicn@126.com。

近年來，受人類活動影響，耕地面積減少，全球氣候發(fā)生巨大變化，干旱、洪澇災(zāi)害、晚霜凍害、病蟲草害等自然災(zāi)害對我國的糧食安全造成了一定影響[1]。降水、溫度、太陽輻射等氣候因子的變化影響著作物生育期長短以及生長發(fā)育過程，最終影響作物產(chǎn)量。研究表明，不同地區(qū)的作物增產(chǎn)潛力有很大的不同，當前在一些適宜作物生長的區(qū)域仍存在著較大的增產(chǎn)空間[2]。因此，量化不同區(qū)域的作物增產(chǎn)空間，明晰區(qū)域冬小麥生產(chǎn)潛力和產(chǎn)量差的限制因素及時空分布特征，對合理開發(fā)利用農(nóng)業(yè)資源、充分挖掘冬小麥生產(chǎn)潛力、科學指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義[3]。

作物產(chǎn)量差的研究在20世紀90年代成為國際作物學研究領(lǐng)域的重點。1981年，研究者首次提出了產(chǎn)量差的概念，即試驗田可得產(chǎn)量與農(nóng)民生產(chǎn)實際產(chǎn)量的差值，隨后產(chǎn)量差的概念得到不斷完善[4-5]。目前，產(chǎn)量差的研究方法為田間試驗法、參與式評估法、統(tǒng)計分析法、作物模型法等[6-9]。田間試驗法能夠準確地反映各個因素對作物產(chǎn)量的影響程度，結(jié)果令人信服，但田間試驗布置工作量大，難以綜合分析多種因素對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響。農(nóng)戶調(diào)研法可以從用戶角度了解作物實際生產(chǎn)過程中限制產(chǎn)量的主要因素，可以更好地指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但調(diào)查是主觀的，結(jié)果有待進一步的驗證。統(tǒng)計分析法能較好地分析國家和全球等大范圍上產(chǎn)量差的限制因子，但無法從作物生理學的角度揭示造成作物產(chǎn)量差的原因，故該方法具有一定的局限性。作物模型方法可以動態(tài)、定量地描述外界條件對作物生長和發(fā)育的影響，作物模型因此成為研究產(chǎn)量差的主要方法[10]。近年來，王濤等通過應(yīng)用模型模擬了京津冀地區(qū)冬小麥的生產(chǎn)潛力，探究該地區(qū)冬小麥的生產(chǎn)潛力及其空間變化規(guī)律[11]。張巖利用作物模型估算了黃淮海地區(qū)夏玉米潛在產(chǎn)量，并分析了各層次產(chǎn)量差的限制因素[12]。劉建剛等利用作物模型估算了華北地區(qū)不同氮肥管理水平下冬小麥的產(chǎn)量差[7]。侯鵬等采用作物模型估測了黑龍江省春玉米灌溉增產(chǎn)潛力，為黑龍江省建立合理的水利設(shè)施建設(shè)提供了參考[13]。劉志娟等在氣候變化背景下，運用模型模擬和數(shù)理統(tǒng)計方法研究并分析了東北三省春玉米產(chǎn)量的時間和空間分布特征[14]。Deng等借助作物模型模擬全國尺度上的水稻產(chǎn)量潛力，結(jié)合統(tǒng)計實際產(chǎn)量估算產(chǎn)量差，并評估了2023年我國水稻的供需情況[15]。

目前，已有的利用作物模型估算產(chǎn)量差的研究主要集中在某一具體的或某些少量的實驗站點以及超大區(qū)域范圍，如整個黃淮海區(qū)域等，而針對某一大區(qū)域進行較為細致地劃分，并結(jié)合生態(tài)類型區(qū)域、作物種植區(qū)域等多因素綜合地分析研究尚不多見。河南省是全國冬小麥糧食生產(chǎn)核心區(qū)，素有中原糧倉之稱，故其冬小麥的高產(chǎn)對于保障國家糧食安全具有積極意義。河南省地處我國暖溫帶與北亞熱帶2個生物氣候帶的過渡地區(qū)，且因其地形多樣，具有盆地、平原、丘陵、山地等多種地貌，因此其氣候變化顯著，具有區(qū)域特殊性。為了使估算結(jié)果更精準，本研究根據(jù)地形、土壤、氣候條件特點以及長期的歷史形成原因，在前人的基礎(chǔ)[16-17]上，將河南省劃分為6個冬小麥種植區(qū)，使用世界糧食作物研究（WOFOST）模型估算6個冬小麥主產(chǎn)區(qū)的光溫和氣候生產(chǎn)潛力，結(jié)合實際產(chǎn)量計算和分析冬小麥產(chǎn)量差，揭示河南省冬小麥種植區(qū)產(chǎn)量差的空間分布特征和其受氣候變化影響的規(guī)律，以期為各麥區(qū)冬小麥種植管理和生產(chǎn)潛力挖掘提供理論支撐和決策支持。同時，在區(qū)域性產(chǎn)量的模擬與產(chǎn)量差的分析方面做出積極探索。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

河南省地理位置為31°23′～36°22′N、110°21′～116°39′E，在地理上處于暖溫帶與北亞熱帶2個生物氣候帶的過渡區(qū)，氣候溫和，季風性強，復(fù)雜多樣。全省南北各地氣候存在顯著差異，山地和平原氣候差異也較為明顯。該研究區(qū)年日照時數(shù) 1 200～1 400 h，全生育期大于等于0 ℃積溫為 1 900～2 400 ℃。冬小麥生育期間，氣候資源豐富，作物生產(chǎn)潛力較大。該區(qū)域地貌復(fù)雜多樣，主要有地勢東高西低及地表形態(tài)復(fù)雜多樣2個特點。由于受地貌和季風的影響，河南省土壤類型繁多、氣候資源地域差異大，造成不同地區(qū)作物產(chǎn)量差異明顯。

小麥在整個生長發(fā)育過程中都受周圍環(huán)境的影響，故小麥的生長發(fā)育受自然生態(tài)條件的影響和制約，在一些生態(tài)條件較好的地區(qū)，小麥產(chǎn)量較高，冬小麥生產(chǎn)存在區(qū)域差異性。為了提高冬小麥產(chǎn)量的計算精度，本研究依據(jù)地形、土壤和氣候條件以及長期的歷史形成原因等多種因素，將河南省劃分為6個冬小麥種植區(qū)（圖1）：豫北種植區(qū)（Ⅰ），站點主要包括安陽、鶴壁、濮陽、新鄉(xiāng)、焦作以及濟源;豫西淺山丘陵較適宜種植區(qū)（Ⅱ），站點主要包括三門峽與洛陽;豫中種植區(qū)（Ⅲ），站點主要包括鄭州、平頂山、許昌與漯河;豫東種植區(qū)（Ⅳ），站點主要包括開封、周口與商丘;南陽盆地-淮北平原適宜氣候區(qū)（Ⅴ），站點主要包括駐馬店、南陽;豫南稻茬麥區(qū)（Ⅵ），站點主要為信陽。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究中，WOFOST模型所需的氣象數(shù)據(jù)來源于NASA POWER數(shù)據(jù)庫（https：//power.larc.nasa.gov/），包括18個氣象站點（圖1）2015—2019年的逐日氣象數(shù)據(jù)，主要包括的氣象因子為最高氣溫（℃）、最低氣溫（℃）、累計降水量（mm）、累計太陽輻射（kJ/m2）、風速（m/s）等。冬小麥實際產(chǎn)量數(shù)據(jù)從《河南統(tǒng)計年鑒》（2015—2019）年上獲取;土壤數(shù)據(jù)由農(nóng)業(yè)氣象觀測站和中國土壤數(shù)據(jù)庫獲取，包括土壤含水率、田間持水量、萎蔫系數(shù)、水分特征曲線、飽和導水率。作物數(shù)據(jù)來源于實地測量、WOFOST模型默認值以及文獻資料[18-20];農(nóng)田管理數(shù)據(jù)及冬小麥生育期來源于采樣數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

根據(jù)相關(guān)資料（氣候、土壤、作物、田間管理），運用WOFOST模型模擬冬小麥光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力，并結(jié)合統(tǒng)計產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行產(chǎn)量差的計算，使用python語言在PCSE（Python Crop Simulation Environment）環(huán)境下編程實現(xiàn)生產(chǎn)潛力及產(chǎn)量差的計算;然后用ArcGIS軟件對模擬結(jié)果進行空間差值，得到河南全省冬小麥產(chǎn)量差的空間分布圖。通過選取具有代表性的站點的產(chǎn)量差，分析氣候和降水對冬小麥產(chǎn)量的影響，揭示各個生態(tài)區(qū)冬小麥的生產(chǎn)水平和增產(chǎn)區(qū)間。

1.3.1 WOFOST模型介紹

WOFOST模型是由荷蘭瓦赫寧根大學開發(fā)研制的基于過程的動態(tài)解釋模型[21]。以“日”為步長模擬作物生長過程，揭示氣候及其他環(huán)境因子對作物生長過程的影響。該模型能夠模擬潛在限制、水分限制和養(yǎng)分限制3種不同情景下的作物生長狀況和作物產(chǎn)量。本研究主要對河南省6個麥區(qū)潛在條件與水分限制條件下的作物產(chǎn)量進行研究，潛在條件下作物生長模型模擬認為作物水肥供應(yīng)充分，該模擬情景下，作物產(chǎn)量取決于光照和溫度;水分限制條件則認為作物養(yǎng)分處于理想狀態(tài)，其生長發(fā)育僅受制于土壤水分，該水平的模擬情景下，作物產(chǎn)量取決于光照、溫度和降水因素。

PCSE是作物生長模型進行模擬時所需的1個Python環(huán)境包，被用于構(gòu)建作物模擬模型，包括WOFOST作物模型和LINTUL3模型。它提供了作物模型模擬的環(huán)境、讀取輸入天氣、土壤和田間管理等的工具以及用于模擬作物生理過程（物候、呼吸、蒸發(fā)等）眾多組件。PCSE已經(jīng)在世界范圍內(nèi)實現(xiàn)廣泛的運用，主要應(yīng)用于區(qū)域產(chǎn)量動態(tài)預(yù)報、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策和氣候變化影響等領(lǐng)域。

本研究使用WOFOST 7.1.1，模型的運行使用PCSE程序?qū)崿F(xiàn)，模擬了潛在、水分2種條件下的河南省6個冬小麥主要種植區(qū)18個研究站點的冬小麥產(chǎn)量，并結(jié)合實際產(chǎn)量計算冬小麥的產(chǎn)量差。

1.3.2 產(chǎn)量差計算方法

冬小麥產(chǎn)量差是潛在產(chǎn)量與實際產(chǎn)量間的差值，即作物的增產(chǎn)空間。在本研究中，冬小麥產(chǎn)量差是WOFOST模型模擬的TWSO值與實際產(chǎn)量的差值。本研究主要分析光溫和氣候2個水平的產(chǎn)量差：YG2-3 （光溫生產(chǎn)潛力與實際產(chǎn)量之間的差值）、YG2-1（光溫生產(chǎn)潛力與氣候生產(chǎn)潛力之間的差值）。其中2種生產(chǎn)潛力主要由WOFOST模型模擬得到。YG2-3表示灌溉農(nóng)田在最高投入水平下達到的增產(chǎn)潛力上限;YG2-1 表示農(nóng)田通過灌溉措施作物產(chǎn)量增長空間，即水分增產(chǎn)力。計算公式如下：

YG2-3=YG2-YG3;（1）

YG2-1=YG2-YG1。（2）

式中：YG1為氣候生產(chǎn)潛力;YG2為光溫生產(chǎn)潛力;YG3為實際大田產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省冬小麥大田平均產(chǎn)量

從河南省18個地市2015—2019年冬小麥實際平均單位面積產(chǎn)量來看（圖2），各市近5年來平均產(chǎn)量變化趨勢不明顯，趨向穩(wěn)定。不同冬小麥生產(chǎn)區(qū)平均產(chǎn)量差異較大，高產(chǎn)市主要出現(xiàn)在豫北種植區(qū)的北部、中部與東部地區(qū)，豫中種植區(qū)的東部地區(qū)與豫東種植區(qū)，這些地區(qū)的光熱資源充足，農(nóng)田基本建設(shè)好，灌溉滿足率高;低產(chǎn)區(qū)主要集中于豫西淺山丘陵種植區(qū)與豫南稻茬麥區(qū)，原因主要是豫西地區(qū)地形復(fù)雜，水資源缺乏且灌溉條件較差，冬小麥生長發(fā)育需要水分不足，同時由于該地區(qū)海拔高，溫度較低，致使冬小麥產(chǎn)量長期低;而豫南稻茬麥區(qū)降雨充沛，耕作作物以稻麥為主，且其種植制度為兩熟，前茬種植水稻使農(nóng)田長期浸水，致使土地具有黏、濕、薄的特點，并不適宜冬小麥的生長，該生產(chǎn)區(qū)內(nèi)冬小麥病害發(fā)生頻繁，對冬小麥生產(chǎn)影響較大。

2.2 河南省冬小麥生產(chǎn)潛力、產(chǎn)量差分析及空間分布

2.2.1 光溫生產(chǎn)潛力

圖3表明，河南省2015—2019年18個研究站點冬小麥光溫生產(chǎn)潛力范圍為6 608～10 525 kg/hm2，年際差異范圍為0～2 087 kg/hm2。在研究站點中，光溫生產(chǎn)潛力的最大值主要出現(xiàn)在豫北種植區(qū)的相關(guān)站點，低值區(qū)主要出現(xiàn)在豫南稻茬麥區(qū)、豫西淺山丘陵種植區(qū)及南陽盆地-淮北平原種植區(qū)。造成該結(jié)果的主要原因是豫北種植區(qū)的光溫條件好，全生育期大于等于0 ℃積溫為1 900～2 100 ℃，冬季溫度適宜，全生育期日照時數(shù)為1 400～1 600 h，光照充足，有利于培育冬前壯苗和安全越冬。南陽盆地-淮北平原種植區(qū)冬小麥前期光照充足，但中后期光照低于豫北與豫東種植區(qū)。而豫南稻茬麥區(qū)冬小麥前期光照充足，區(qū)內(nèi)春季降雨豐富，但中后期光照不足50%，嚴重制約了小麥生長，導致籽粒灌漿差，千粒質(zhì)量偏低，因此光溫生產(chǎn)潛力值不高。豫西淺山丘陵種植區(qū)海拔較高，熱量資源不充足導致光溫生產(chǎn)潛力值偏低。從圖4可知，河南省冬小麥光溫生產(chǎn)潛力在空間分布上整體表現(xiàn)出北高南低、東高西低的特征。

2.2.2 氣候生產(chǎn)潛力

通過圖5可知，2015—2019年河南省18個研究站點冬小麥氣候生產(chǎn)潛力范圍為3 094～6 383 kg/hm2，年際差異范圍為61～4 880 kg/hm2，比光溫生產(chǎn)潛力年際差異大，穩(wěn)定性差，主要是由河南省不同地區(qū)年際降水差異造成的。在研究區(qū)域中，氣候生產(chǎn)潛力較大值主要出現(xiàn)在南陽盆地-淮北平原麥區(qū)和豫南稻茬麥區(qū)的站點，主要包括駐馬店、周口、信陽站點，較小值主要出現(xiàn)在豫北種植區(qū)、豫西淺山丘陵種植區(qū)的站點，主要包括安陽、新鄉(xiāng)、三門峽等地區(qū)。呈現(xiàn)該結(jié)果的原因是南陽盆地-淮北平原種植區(qū)與豫南稻茬麥區(qū)降雨充沛，光熱資源比較豐富;豫北種植區(qū)冬小麥全生育期降水量偏少，降水量為160～250 mm，不滿足冬小麥正常生長發(fā)育所需的水分;豫西淺山丘陵種植區(qū)地形復(fù)雜，地勢起伏大，嚴重影響水熱資源分配，是河南省主要旱地區(qū)。

由圖6可知，河南省冬小麥氣候生產(chǎn)潛力在空間分布上呈現(xiàn)出自南向北遞減、自東向西遞減變化趨勢，與全省降水東高西低，南高北低的空間分布特點基本符合。

2.2.3 冬小麥不同水平產(chǎn)量差空間分布特征

圖7為冬小麥產(chǎn)量上限與實際產(chǎn)量之間的差值，表示冬小麥最大增產(chǎn)空間，反映氣候、實際生產(chǎn)條件對冬小麥實際產(chǎn)量的綜合制約程度。研究區(qū)域內(nèi)該層次產(chǎn)量差空間差異較大，為485～3 986 kg/hm2，表明研究區(qū)域大部分地區(qū)冬小麥產(chǎn)量可提升的空間較大，如采取更新品種、改良土壤、適量灌溉、合理增施氮肥等措施，實際產(chǎn)量可能會有較大提升空間。從圖8可知，河南省冬小麥平均產(chǎn)量差從大到小YG2-3為Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅵ區(qū)>Ⅴ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅳ區(qū)，冬小麥平均產(chǎn)量差呈由西向東遞減趨勢，說明氣候以及生產(chǎn)條件對冬小麥實際產(chǎn)量的綜合影響程度由東向西增加。

光溫生產(chǎn)潛力與氣候生產(chǎn)潛力間差值（YG2-1）的平均值，可反映自然降水對產(chǎn)量的影響程度，即水分增產(chǎn)力，這種增產(chǎn)可通過灌溉和精細管理實現(xiàn)。經(jīng)計算，2015—2019年河南省18個站點冬小麥平均YG2-1為1 246～7 402 kg/hm2，最大值出現(xiàn)在豫北種植區(qū)的安陽站點，最小值在豫南稻茬麥區(qū)信陽站點。從圖8-b可知，河南省冬小麥產(chǎn)量平均產(chǎn)量差（YG2-1）在空間分布上呈現(xiàn)自北向南遞減的特點，在一定程度上反映出河南省降水條件對當?shù)囟←湲a(chǎn)量的限制自北向南遞減的現(xiàn)象，符合河南省自然降雨南多北少特征。隨著科技與經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)田灌溉措施較為健全，在實際生產(chǎn)過程中，某些降水量相對不足的地區(qū)由于澆水灌溉等因素，其冬小麥實際產(chǎn)量已經(jīng)高于氣候生產(chǎn)潛力。對降水資源不足地區(qū)的旱地及灌溉農(nóng)田作物而言，YG2-1 具有較大的現(xiàn)實生產(chǎn)價值，其主要用于反映現(xiàn)階段這些地區(qū)冬小麥生產(chǎn)能力的最大提升空間，但是在降水量豐富的麥區(qū)中則有極大的局限性。

3 結(jié)論與討論

本研究的2種不同水平生產(chǎn)潛力與產(chǎn)量差時空變化趨勢方面與姬興杰等的研究結(jié)果[22-24]具有較好的一致性。本研究結(jié)果顯示：從空間變化上看，由于受地貌和季風等因素的影響，河南省氣候資源具有較為明顯的地域差異性，例如以氣候為主導因素的南北和以地質(zhì)地貌為主導因素的東西分異，這些差異導致河南省6個麥區(qū)不同生產(chǎn)潛力與其對應(yīng)產(chǎn)量差不盡相同。河南省2015—2019年18個研究站點的冬小麥平均光溫生產(chǎn)潛力為6 608～10 525 kg/hm2，呈現(xiàn)自東向西、自南向北逐漸遞減的空間分布趨勢;平均氣候生產(chǎn)潛力范圍為3 094～6 383 kg/hm2，同一站點的年際差異較大，最高達4 880 kg/hm2，該現(xiàn)象符合河南省降水年際間差異較大的特點。冬小麥產(chǎn)量差（YG2-3）自西向東逐漸遞減，在一定層次上說明河南省氣候和生產(chǎn)條件對冬小麥實際產(chǎn)量的共同限制影響由東向西逐漸增加，整體上符合河南省人口密度以及經(jīng)濟水平東部高于西部的特點。河南省冬小麥產(chǎn)量差（YG2-1）在空間分布上大致具有自南向北遞增的特點，反映了河南省降水條件對冬小麥實際產(chǎn)量的限制是自北向南逐漸遞減的，與河南省降水量“南富北貧”的特點基本吻合。

依據(jù)上述結(jié)果，本研究針對河南省冬小麥主要生產(chǎn)區(qū)提出以下建議：豫北種植區(qū)地處河南北部，光熱資源豐富，且農(nóng)田基本設(shè)施基本完善，但降水少且分布不均勻，因此在冬小麥生長期補充灌溉可縮小產(chǎn)量差，提升產(chǎn)量。豫西淺山丘陵較適宜種植區(qū)地形復(fù)雜，地勢起伏大，水資源缺乏且灌溉條件較差，且其人口密度較低，經(jīng)濟與技術(shù)條件較其他地區(qū)不發(fā)達，因此，可以通過加強政府扶持，加強水利設(shè)施建設(shè)，提高種植與田間管理技術(shù)，優(yōu)化種植方式來縮小該區(qū)域的產(chǎn)量差。豫中許昌、漯河種植區(qū)以及豫東平原麥區(qū)，人口密度大，經(jīng)濟發(fā)展較好，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)較為先進，因此需要優(yōu)化耕作管理制度，精益求精。南陽盆地-淮北平原種植區(qū)的溫度及降水條件較好，但土壤肥力較差，若要縮小冬小麥的產(chǎn)量差，提高當?shù)囟←湹膯萎a(chǎn)需合理施用有機肥和無機肥。豫南稻茬麥區(qū)光熱資源較好，水資源豐富，其氣候及其他資源條件更適宜種植水稻作物，因此合理選擇種植作物的品種是極為重要的規(guī)劃。

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