黄土高原地区小麦生产潜力模拟研究_地理论文

提　要　分析了作物生产潜力常规研究方法的不足，探讨了作物生长模型模拟方法的优势，在模型验证和气象、土壤和作物数据库组建的基础上，应用 DSSAT3 中的 CERES 小麦模型模拟研究了黄土高原地区 28 个代表点冬小麦和春小麦的光温生产潜力和气候生产潜力，统计计算了各点小麦产量潜力多年平均值、标准差、最高值和最低值，分析了潜力值年际变异与地区分布差异，并计算了小麦的水分满足率。黄土高原冬小麦光温生产潜力、气候生产潜力和水分满足率分别为 7970～8647kg/hm²、2219～7545kg/hm² 和 0.278～0.872，春小麦分别为 7436～9127kg/hm²、0～7598kg/hm² 和 0.192～0.961。

关键词　黄土高原；小麦；生产潜力；CERES小麦模型；小麦产量模拟

中图分类号　S126；S162.5；S512

文献标识码　A

文章编号　1000－3037(2001)02－0161－05

　　小麦是黄土高原地区最主要的粮食作物之一，播种面积达 430万hm² 左右，占粮食作物的 40%，占农作物总播种面积的 32%。长期以来，黄土高原地区小麦产量低而不稳，平均单位面积产量 2845kg/hm²，旱作农田产量更低。探查光、热、水资源的生产潜力，揭示潜力开发的障碍因素，是提高黄土高原小麦产量的重要途径。

1 黄土高原小麦生产潜力研究方法

1.1 作物生产潜力常规研究方法的不足

　　作物光温生产潜力 (TPP) 和气候生产潜力 (CPP) 研究早期以公式推导为主，不仅计算结果普遍偏高，可望而不可及，而且采用不同公式估算时，结果相差悬殊，难以定论。80 年代以来，在北方旱区旱作农田水分生产潜力研究中广泛采用了“公式概算、田区定位试验与高产记录值相结合”的方法，研究结果生产应用价值较高，但仍存在一些不足之处^[1]。

　　公式概算法通常多考虑光、温、水等环境因素，较少涉及作物生长发育机理，忽略了产量潜力形成的主体——作物本身，计算过程多以作物发育阶段或旬为时间步长，常常掩盖了短时期极端光、温、水条件对作物生长和产量形成的胁迫作用，通常采用多年平均气候资料进行估算，难以获得不同气候年型的作物产量潜力，通常未考虑地形和土壤因素对降水有效性的影响。

　　田区定位试验法受试验技术条件的限制，难以达到生产潜力试验要求“采用最佳的品种和最佳栽培管理措施，只有光温或光温水为限制因素”的前提条件，田区定位试验难以覆盖不同的气候年型和不同的气候类型区，代表性不强，需要花费大量人力、物力和时间，试验投资较大。

　　高产记录值调查法只代表了某些有利气候年型的产量潜力，不能反映不同气候年型（有利、正常、不利年型）的产量潜力，只代表了当时栽培技术条件下的产量潜力，未能反映光温水资源的真实潜力。

　　上述 3 种方法虽然在一定程度上可以相互验证，但通常三者取值差异较大，不易取舍，作物生产潜力的确定受人为主观因素的影响较大，而且近年来某些地区作物实际产量已达到或超过过去研究获得的潜力值，理论上难以解释。

1.2 作物生长模型在作物生产潜力研究中的优势

　　作物生长模型指能定量地和动态地描述作物生长、发育和产量形成过程及其对环境反应的计算机模拟程序。它能够详细的量化描述作物基本生理生态过程，把“作物一土壤一气候”作为一个整体加以描述，以天为时间步长，能较为精确的描述光、温、水存在状况（包括极端状态）对作物生长发育的影响，较通常的公式概算法精确性高，能够利用多年逐日气象资料进行模拟研究，可覆盖各种类型的气候年型，取得不同气候年型下的作物产量潜力，并能够得出温度、水分、养分对作物生长发育和产量的胁迫时期与胁迫程度。能够选择生产潜力不同的作物品种进行模拟研究，考虑了品种遗传特性差异对作物生产潜力的影响，能够通过不断重复的模拟试验，确定最佳的品种、播期、密度等田间管理措施，得到田间栽培技术较为理想状态下的作物生产潜力。只要土壤、作物和气候资料获得后，就能覆盖各种生态类型区，得出任何地点、任何年份的产量潜力，通用性强，覆盖面广，方法简单，可节省大量人力与物力。将作物生长模型法与前述常规研究方法相结合，有利于取长补短，准确合理的评价一个地区的作物生产潜力。

1.3 黄土高原地区小麦生产潜力模拟研究方法

　　作者从美国引进了作物生长模型 DSSAT3，经过模型验证和气象、土壤和作物数据库组建，利用 DSSAT3 中 CERES 小麦模型模拟研究了黄土高原地区小麦的生产潜力。

　　CERES 小麦模型所需气象资料包括逐日太阳辐射量、逐日最高气温、逐日最低气温、逐日降水量。气象资料来源于有关气象台站和世界气象组织计算机网站，各台站资料年限为 1978～1992 年期间 6～l5 年不等。其中，逐日太阳辐射量资料难以获得，采用多年平均逐月太阳辐射值内插计算，虽有误差，但潜力值仍较通常的公式概算法准确。逐日太阳辐射值也可由逐日日照百分率求得，但多年逐日日照时数也不易获得。

　　CERES 小麦模型所需土壤资料来源于《中国土种志》等有关土壤普查
资料^[2、3]，选择了黄土高原地区分布面积较大具有代表性的农耕土壤，逐项输入农田坡度、土壤颜色、质地组成、剖面层次等 16 项指标，生成土壤特性参数数据库，计算土壤温度和土壤水分平衡。

　　CERES 小麦模型所需小麦品种资料来源于 80 年代末期至 90 年代初期黄土高原各地生产上主栽品种的有关试验资料^[4～6]，通过模拟试验与实测值的对比分析，逐项确定了各品种春化作用特性参数 P1V、光周期特性参数 P1D、灌溉期特性参数 P5、籽粒特性参数 G1、潜在灌浆速率参数 G2、花期潜在单茎穗重参数 G3 及出叶间隔特性参数 PHINT，建立了小麦品种遗传特性参数数据库。

　　各地小麦播期、种植密度等田间管理措施按各地大田小麦丰产栽培方案要求执行。根据上述参数选择结果分别生成 28 个地点小麦光温生产潜力和气候生产潜力模拟试验控制文件^[7、8]，采用实时逐日气象资料、实际土壤特性资料、小麦品种资料等有关参数，逐年模拟小麦的光温生产潜力和气候生产潜力，多年模拟试验结果总结归纳列于后面。

2 黄土高原地区小麦光温生产潜力与气候生产潜力模拟结果与分析

2.1 冬小麦

　　黄土高原东南部属我国北方晚熟和中熟冬麦区，包括晋中南、豫西北、关中、渭北、陇东、陇中与陕北南部等地区。本文选取了西安、宝鸡、天水、平凉、西峰、铜川、洛川、延安、隰县、太原、长治、运城、洛阳共 13 个代表点，模拟研究黄土高原冬小麦光温生产潜力 (TPP) 与气候生产潜力 (CPP)，结果统计归纳于表 1。表 1 中模拟年限代表该地点小麦产量模拟的年数，潜力的平均值、标准差、最高值和最低值分别表示模拟时段内产量潜力多年平均值、标准差与潜力的上、下限，表示各点不同气候年型潜力的变化范围。

表 1 黄土高原冬小麦生产潜力多年模拟结果统计值
Table 1 Statical value of multi-year simulation results of winter wheat potential productivity on the Loess Plateau

　　表 1 结果表明，黄土高原冬小麦光温生产潜力 (TPP) 各点多年平均值变化范围 7970～8647kg/hm²，最高值 8608～9875kg/hm²，最低值 7129～7939kg/hm²。各点冬小麦光温潜力年际变化差异不大，标准差为 322～644kg/hm²，最高值为最低值的 1.108～1.283 倍，平均 1.202 倍。13 个点光温潜力平均值的平均值为
8291kg/hm²，标准差为 189kg/hm²，可见各点冬小麦光温潜力地区间差异也不大。其中长治、宝鸡是光温生产潜力的高值区，达 8600kg/hm² 以上，而太原为冬小麦光温生产潜力低值区。由于太原已达冬小麦分布的北界边缘，气候严寒，产量潜力较低，其余各点冬小麦光温潜力差异较小。

　　冬小麦气候生产潜力 (CPP) 各点多年平均值为 2219～7545kg/hm²，最高值为 4880～8827kg/hm²，最低值为 272～4220kg/hm²。各点冬小麦气候生产潜力年际变化差异较大，标准差为 1422～2210kg/hm²。最高值为最低值的 1.951～17.941 倍，其中大于 5 倍以上的有延安、西峰、隰县、太原等地，3～5 倍的有西安、铜川、平凉、天水、洛阳等地，只有宝鸡、洛川、长治等地为降水高值区，气候生产潜力相对较稳定。13 个点气候生产潜力平均值的平均值为 4666kg/hm²，标准差
1381kg/hm²，说明冬小麦气候生产潜力地区之间差异也较大。其中以宝鸡为高值区，各年平均气候潜力值达 7500kg/hm² 以上，最低值也达 4220kg/hm²，西安、洛川、运城、洛阳、长治等地为 5000～5700kg/hm²，铜川、西峰、天水等地为 4200～4700kg/hm²，平凉、延安、隰县等地为 3200～3500kg/hm²，太原为低值区，仅为 2200kg/hm²。

　　在自然降水条件下，水分的满足程度可用气候生产潜力 (CPP) 平均值与光温生产潜力 (TPP) 平均值之比表示，即水分满足率 WCR=CPP／TPP，它的意义一方面表示平均每年降水满足作物需水的程度，另一方面表示研究时段内，降水能满足作物需水的年份所占比例。13 个代表点中，太原水分满足程度最低，只有 0.278，平凉、延安、隰县只有 0.400 左右，天水、西峰、铜川为 0.500～0.600，西安、洛川、长治、运城、洛阳为 0.600～0.700，宝鸡水分满足率最高达 0.872，13 个点平均为 0.563。

2.2 春小麦

　　黄土高原地区春小麦主要分布在长城沿线及以北地区，占据黄土高原西北部，包括晋西北、陕北的榆林地区、内蒙古的鄂尔多斯高原和河套平原、宁夏全部、甘肃陇中大部和青海海东全部。本文选取了榆林、朔州、呼和浩特、鄂托克、银川、中宁、盐池、固原、西吉、临洮、兰州、靖远、民和、西宁、门源等 15 个代表点，模拟研究黄土高原春小麦光温生产潜力和气候生产潜力，模拟结果统计于表 2。

表 2 黄土高原春小麦生产潜力多年模拟结果统计值
Table 2 Statistical value of multi-year simulation results of winter spring potential productivity on the Loess Plateau

　　黄土高原春小麦光温生产潜力各点多年平均值为 7436～9127kg/hm²，最高值 8217～9823kg/hm²，最低值为 5922～7785kg/hm²。各点春小麦光温潜力年际变化不太大，标准差为 260～706kg/hm²，最高值与最低值之比为 1.090～1.456，平均为 1.268，说明春小麦光温生产潜力稳定性也较好。15 个点春小麦光温生产潜力平均值的平均值为 7955kg/hm²，标准差为 462kg/hm²，可见各点春小麦光温生产潜力地区间差异明显，高于冬小麦地区间差异，其中地处甘青高原的临洮、民和和西宁三点光温潜力值高达 8300kg/hm² 以上，为光温潜力高值区。甘肃、宁夏黄河沿岸及晋西北地区 8000kg/hm² 左右，宁南山区、鄂尔多斯高原与河套平原 7500kg/hm² 左右。

　　黄土高原春小麦气候生产潜力各点多年平均值为 0～7598kg/hm²，最高值 0～8524kg/hm²，最低值 0～6150kg/hm²。其中银川、中宁为干旱区，旱作条件下春小麦不能生长形成产量。春小麦气候生产潜力的高值区为宁南山区、甘青高原等海拔较高、降水较多、蒸发较少的地区，达 4000 kg/hm²以上，其中门源高达 7500 kg/hm²以上，其余各点 1500～3000kg/hm² 之间（银川、中宁除外）。15 个点春小麦气候潜力平均值的平均值为 3022kg/hm²，标准差为 2097kg/hm²。春小麦区由于降水年际变幅较大，春小麦气候生产潜力年际变化差异显着，标准差 720～2620kg/hm²，最高值为最低值的 1.298～39.070 倍。其中静远春小麦气候潜力最低值为零。春小麦水分满足率为 0.192～0.961，西吉、固原、临洮、门源均大于 0.600，其余各点水分满足率均低于 0.500，说明黄土高原春小麦水分满足程度普遍较低。

2.3 模拟值与前人研究结果的比较

　　将西安等 5 点小麦生产潜力模拟值的平均值与有关学者研究结果^[9]对比分析列于表 3。模型模拟值普遍低于公式概算值（固原和榆林 CPP 除外），与高产记录值和田区试验值较接近。

表 3 黄土高原小麦生产潜力模拟值与前人研究结果比较
Table 3 Comparison of simulated yield and former research results of wheat potential productivity on Loess Plateau

3 小结

　　通过对黄土高原地区 28 个点 5～15 年小麦光温生产潜力与气候生产潜力的模拟研究，得到了各点研究年限内小麦生产潜力的统计特征，反映了各点小麦生产潜力的高低水平和潜力的稳定程度。就光温生产潜力而言，冬小麦潜力值和稳定性都高于春小麦，就气候生产潜力而言，冬小麦的潜力为 4666kg/hm²，也高于春小麦的 3022kg/hm²，冬小麦水分满足率平均 0.563，也远高于春小麦水分满足率 0.380，说明在黄土高原春麦区除高海拔地区外，旱作农田春小麦受制于水分不足，气候产量潜力十分有限，产量的稳定性较低。此外，小麦生产潜力的模型模拟值低于常规的公式概算值，但接近于田区试验值和高产记录值。

　　本研究通过较大范围长时段的小麦生产潜力模拟研究，初步尝试了作物生长模型 CERES 小麦在小麦生产潜力研究中的应用，说明利用作物生长模型研究作物生产潜力具有广阔的前景。存在的主要问题是逐日气象资料的获取较为困难，特别是逐日太阳辐射值在气象台站也几乎难以得到。此外，小麦品种遗传特性参数的确定也较困难，需要进行大量的模拟试验。今后需要加强组建模型所需气象与作物品种遗传特性参数数据库，促进作物生长模型在作物科学研究中的广泛应用。

参考文献