不同耕作措施下旱地春小麦产量应对气候变化的效应分析.pdf
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1、2023 年8 月Aug.2023第 47 卷第 4 期Vol.47,No.4热 带 农 业 工 程TROPICAL AGRICULTURAL ENCINEERING不同耕作措施下旱地春小麦产量应对气候变化的效应分析钟应娟董莉霞李广逯玉兰燕振刚聂志刚王钧(甘肃农业大学信息科学技术学院甘肃兰州 730070)摘要为定量评估不同耕作措施下气候变化对春小麦产量的影响,以甘肃省定西市安定区李家堡镇大田试验为基础,利用定西市安定区19702017年逐日气象数据,运用APSIM模型模拟3种耕作措施(NT免耕、NTS免耕+秸秆覆盖、TS传统耕作+秸秆覆盖)下小麦产量对降水(逐日降水10%、5%、0%)、温度
2、(逐日温度1、0.5、0)变化的响应,采用二次多项式回归、单因素分析、通径分析等方法研究验证温度、降水量对旱地春小麦产量的影响。结果发现,3种耕作措施下,春小麦产量模拟值与实测值误差为15%,模型有效性ME为0.875,说明模型拟合度良好,具有一定适应性;NT、NTS、TS 3种耕作措施下小麦平均产量分别为1 856.3、2 275.4、2 221.0 kg/hm2,免耕+秸秆覆盖耕作方式产量最高,增减产效应总体结果表现为NTSTSNT,综合考虑,免耕+秸秆覆盖是黄土高原地区最佳耕作方式。关键词春小麦;APSIM模型;耕作措施;气候变化;敏感性中图分类号S512.1Analysis on th
3、e Effect of Spring Wheat Yield on Climate Change in Dryland UnderDifferent Tillage MeasuresZHONG YingjuanDONG LixiaLI GuangLU YulanYAN ZhengangNIE ZhigangWANG Jun(College of information science and technology.Gansu Agricultural University.Lanzhou,Gansu 730070.China)AbstractTo quantitatively evaluate
4、 theinfluence of climate change on spring wheat yield underdifferent tillage measures,based on the field experiment in Lijiabao Town,Anding District,Dingxi City,Gansu Province,using daily meteorological data from 1970 to 2017 in Anding District,Dingxi City,thispaper quantitatively evaluates the infl
5、uence mechanism of climate change on spring wheat yield underdifferent tillage practices.APSIM model is used to simulate the response of wheat yield to precipitation(daily precipitation 10%,5%,0%)and temperature(daily temperature 1,0.5,0)and sensitivityanalysis under three tillage methods,including
6、NT no-tillage,NTS no-tillage+straw mulch,TS traditionaltillage+straw mulch.Quadratic polynomial regression,single factor analysis,and path analysis are used toverify the effect of temperature and precipitation on dryland spring wheat yield.The results show that underthe three tillage measures,the er
7、ror between simulated and measured spring wheat yield is within 15%,and the model validity MEis 0.875,indicating that the model has a good fit and had certain adaptability.Theaverage yield of wheat under these three tillage types is 1 856.3,2 275.4,2 221.0 kg/hm2,respectively.Thehighest yield could
8、be reached under NTS,and the overall effect of increase and decrease was NTSTS基金项目:甘肃省高等学校创新基金项目(No.2022A-057)甘肃省重点研究发展计划(No.22YF7FA116)、甘肃省重点研究发展计划(20YF8NA135)、甘肃省财政专项(No.GSCZZ 20160909)、甘肃省高等学校产业支撑项目(No.2021CYZC-15)、甘肃省高等学校产业支撑项目(2022CYZC-41).收稿日期:2022-10-28;投稿邮箱:;责任编辑:汪全伟。作者简介:钟应娟(1998),女,甘肃省兰州市人
9、,在读硕士研究生.通讯作者:董莉霞(1981),女,甘肃省泾川县人,副教授,主要研究方向为农业信息化。-108钟应娟等不同耕作措施下旱地春小麦产量应对气候变化的效应分析NT.so no-tillage+straw mulching is the best tillage method in the Loess Plateau area.Keywordsspring wheat;APSIM model;cultivation measures;climate change;Sensitivity气候变化对旱作雨养农业区作物生长有极大影响,近年来,气候变暖造成了小麦(Triticumaestivu
10、m)减产、经济收益低下1,关于作物生长模型已有较多研究,周少平等2利用APSIM模型(Agricultural Production System Simulator)研究了陇东黄土高原地区玉米-小麦-大豆轮作产量和用水特性以及该地区用水动态。张建平等3利用世界粮食组织WOFOST(world food study)模型研究了河南省冬小麦产量灌浆过程以及干旱对产量的影响。薛佳欣等4利用APSIM模型研究海河平原地区不同灌溉系统对小麦产量的影响。Araya A等5利用APSIM模型模拟和评估了气候变化对埃塞俄比亚北部地区小麦产量的影响,为当地小麦制定气候变化适应战略提供了理论指导。APSIM模型
11、可全面囊括耕作管理、气候因子、作物养分等生长情景,使作物研究更深入、更多元。由于黄土高原沟壑区降水量少,降水时间不均,小麦产量波动较大,因此,开展了小麦产量影响因素研究6-8,目前已有较多耕作措施、气候变化对小麦产量影响的研究9-11,但两者互作效应的研究并不多见。本文以黄土丘陵区旱地春小麦为研究对象,运用APSIM模型定量评估耕作措施与气候变化对小麦产量的互作效应,分析不同耕作措施下小麦产量对气候变化响应的敏感性,为该地区小麦种植应对气候变化情况提供一定参考。1材料与方法1.1研究区概况本试验区位于甘肃省定西市安定区李家堡镇(3535N,10438E),该区属陇中黄土高原典型无灌溉旱作农业区
12、,年均气温为6.4 ,年均0 积温为 2 933.5 ,年均10 积温为 2 239.1,日照充足,昼夜温差大,年均降水量不足400 mm,79月降水占全年降水量60%以上,该区为无灌溉区,一年一熟制春小麦为主要种植作物12。1.2模型简介APSIM模型以土壤模块为核心,以土壤、耕作、灌溉等农田管理措施为框架,以日记录作物生长动态模拟情况,可组合架构满足多种模拟需求,近年来广泛应用于农作物生产与气候变化关系、水肥管理等方面。本研究采用APSIM V7.7版本,将APSIM-Wheat模块本土化,根据气候、土壤、小麦属性等数据进行试验环境搭建,动态模拟耕作措施与气候条件变化对小麦产量的互作效应。
13、1.3试验参数及数据处理本研究使用19702017年定西市气象观测站自动测定的气象数据。试验小麦品种为定西42号,播种量为187.5 kg/hm2,行距为0.25 m,小区面积为 6 m4 m,保护行为 0.5 m,3 次重复,随机区组设置。小麦生育期为 3 月中旬至 7 月下旬。小麦参数如表1所示、土壤参数如表2所示,结合前期大田试验数据13,采用 Excel 2016进行数据处理,用DPS 9.0软件进行回归、通径分析,Origin 2021和Visio 2016进行绘图。表1定西42号小麦参数参数从灌浆到成熟的积温最大单个籽粒重最大灌浆速率分蘖重单株重株高参数值5800.0412.31.
14、2241 000单位/dgmg/grain/dg/tillergmm1.4试验设计以19702017年自然环境下降水、温度条件以及免耕管理措施作为小麦自然生长条件,以5%为梯度,逐日降水10%范围内,或以 25 为梯度,逐日温度1 范围内设计55正交组,分别模拟传统耕作+秸秆还田(TS)(在初次耕作时将前茬作物秸秆翻入土);免耕(NT)(全年不耕作,使用免耕播种机一次性完成播种施肥);免耕+秸秆覆盖(NTS)耕作播种方法同免耕,作物收获后将前茬秸秆切碎(5 cm 左右)均匀覆盖在种植区 3 种不同耕作措施(秸秆覆盖用量均为 4 000 kg/hm2,)对旱地小麦产量的影响。使用归一化方法统一温
15、度与降水量纲、量级,无量纲化编码14后组合设计。-1092023 年8 月第 47 卷 第 4 期热带农业工程yij=xijmi=1xij(1)式(1)中xij为原始数据,yij为无量纲化后数据,降水与温度的模拟试验设计15及编码如表3所示。为更好理解小麦产量受降水、温度影响的程度,选择降水变化情景(即从-10%至+10%递增,依次记为R1,R2,R3,R4,R5),温度变化情景(即从-1至+1递增,依次记为 T1,T2,T3,T4,T5)作为梯度。表3降水与温度的模拟试验设计及编码编号12345降水变化比例/%-10-50+5+10编码-2-1012温度变化量/-1-0.50+0.5+1编码
16、-2-10121.5模型有效性检验采用RMSE、NRMSE及Me检验模拟有效性。(1)决定系数(R2)反映模型实测值、模拟值间的真正偏差。R2=r2=n1()Mi-Ma()Si-San1()Mi-Ma2n1()Si-Sa22(2)式(2)中,Mi和Sj分别表示实测值和模拟值;Ma和Sa分别表示实测值和模拟值的平均值;n为实测值的样本个数16。(2)均方根误差(RMSE)和归一化均方根误差(NRMSE)反应模型模拟值与实测值间的绝对误差量和误差百分比,其值越小,表明模拟精度越高。RMSE=n1()Mi-Si2n(3)NRMSE=RMSEMa 100%(4)(3)模型有效性(Me)反应模型模拟值与
17、实测值间拟合效果,其值越接近1,说明拟合效果越好。Me=1-()Mi-Si2()Mi-Ma2(5)1.6敏感性分析小麦产量敏感性是指小麦产量因降水或温度变化而发生显著变化,其敏感性指数可直接体现在产量变化率17。气候因子变化造成的产量变化越大,说明小麦对该因子越敏感。本研究以温度1,降水10%为梯度,研究小麦产量对降水、温度变化的敏感性及因气候变异风险导致的小麦产量变化率,明确春小麦产量对降水、温度变化的敏感强度。产量变化率=(预测产量-基准产量)/基准产量100%(6)2结果与分析2.1APSIM模型检验根据20162017年实测产量和模拟产量进行模型有效性检验,由图 1 可知,数据点分布在
18、15%误差线内,产量模拟值与实测值呈显著正相关,相关系数 R 为 0.878,决定系数 R2为 0.771,模 型 有 效 性 Me 为 0.875,RMSE 在 5%以 内,表2试验区土壤参数参数田间最大持水量/(mm mm-1)小麦有效水分下限/(mm mm-1)容重/(g cm-3)萎蔫系数/(mm mm-1)饱和含水量/(mm mm-1)05 cm土层0.270.091.290.080.46510 cm土层0.270.091.230.080.491030cm土层0.270.091.320.080.453050cm土层0.270.091.20.080.55080cm土层0.260.091
19、.140.090.5280110cm土层0.270.101.140.090.52110140cm土层0.270.111.130.110.48140170cm土层0.270.131.120.130.53170200cm土层0.270.151.110.130.53-110钟应娟等不同耕作措施下旱地春小麦产量应对气候变化的效应分析NRMSE为3.6%7.8%,表明APSIM模型拟合性良好,可用于模拟陇中旱地春小麦产量。60080010001200140016001800200022006008001000120014001600180020002200 NT NTS TS+15%-15%1:1模拟值
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