基于dssat模型的河南省小麦生产潜力定量模拟与分析-李国强.pdf
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1、麦类作物学报2016,36(4):507515Journal of Triticeae Crops doi:107606jissn1009104120160417网络出版时间:20160401网络出版地址:http:wwwcnkinetkcmsdetail611359S201604011534034html基于DSSAT模型的河南省小麦生产潜力定量模拟与分析李国强1,陈丹丹1,张建涛1,冯晓1,任德超2,郑国清1(1河南省农业科学院农业经济与信息研究所,河南郑州450002;2商丘市农林科学院,河南商丘476000)摘 要:为定量评估气候变化背景下河南省小麦生产潜力和增产空间的变化特征,应用D
2、SSAT模型估算了河南省15个生态点连续50年(19632012年)的冬小麦光温生产潜力和气候生产潜力,并分析了生产潜力的分布规律。结果表明,河南省小麦光温生产潜力为8 3509 996 kghm ,总体呈现北高南低、东高西低的趋势,而气候生产潜力为2 5907 943 kghm,总体呈现南高北低的趋势。河南大部分麦区光温生产潜力变化范围为9 1739 446 kghm,约占全省小麦总面积的435。光温生产潜力高于9 447kghml的地区主要分布在豫北麦区(安阳、新乡西北部)及豫中麦区(许昌、西华),约占全省小麦总面积的336。河南省大部分麦区气候生产潜力变化范围为4 3757 050 kg
3、hm,约占全省小麦总面积的595。河南省15个地点的水分满足率为2891,大部分地区水分满足率不到60;河南小麦灌溉增产潜力变化范围为7236 573 kghrn ,其中三门峡、郑州、开封、商丘等地以北地区的灌溉增产潜力在4 623 kghml以上,约占全省小麦总面积的494,而驻马店以南及信阳地区的灌溉增产潜力低于2 673kghm,约占全省小麦总面积的175。关键词:小麦;DSSAT;生产潜力;时空分布中图分类号:$5121;S314 文献标识码:A 文章编号:10091041(2016)04050709Quantitative Simulation and Analysis of Win
4、terWheat Production Potential in Henan ProvinceLI Guoqian91,CHEN Dandanl,ZHANG Jianta01,FENG Xia01,REN Decha02,ZHENG Guoqin91(1Agricultural EconomyInformation Research Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou,Henan 450002,China;2Shangqiu Research Institute of Agricultural Science,S
5、hangqiu,Henan 476000,China)Abstract:Henan province is a major production area of winter wheatTo quantitatively evaluate thevariation characteristics of wheat production potential and yieldincreasing potential in Henan provinceunder climate change,DSSAT model was employed to estimate lighttemperature
6、 potential productivitv(LTPP)and climatic potential productivity(CPP)of wheat based on meteorological data and wheatgrowth data at 15 sites of Henen province during 19632012The distribution of LTPP and CPP thenwas analyzedThe result showed that LTPP of wheat was between 8 350 and 9 996 kghm,thedistr
7、ibution of which was lower in the southern and western regions but higher in the northern andeastern regionsCPP of wheat was between 2 590 and 7 943 kghm,the distribution of which waslower in the northern regions but higher in the southern regionsLTPP in most regions were 9 173kghm-2 to 9 446 kghm,t
8、aking up nearly 435of the Henan wheatgrowing areasRegions收稿日期:20151023 修回日期:20151I-29基金项目:河南省农科院优秀青年基金项目(2013YQ23);河南省财政预算项目(豫财贸201239号);河南省重大科技专项(121100110900)第一作者Email:gqlihnagriorgcn(李国强和陈丹丹为共同第一作者)通讯作者:郑国清(Email:zgqzxhnagriorgon)万方数据麦类作物学报 第36卷with higher than 9 447 kghm一2 of LTPP were mostly in
9、 the north of Henan(egthe northwest ofAnyang and Xinxiang),and in the center of Henan(egXuchang and Xihua),which account for336of Henan wheatgrowing areasCPP in most regions were 4 375 kghm-2 to 7 050kghm,accounting for nearly 595of the Henan wheatgrowing areasMoisture requirementrate of 15 sites we
10、re 28to 91,which of most regions in Henan were lower than 60The yieldincreasing potential by irrigation(YIPI)were 723 kghm一2 to 6 573 kghmYIPI in the north ofSanmenxia,Zhengzhou。Kaifeng and Shangqiu were higher than 4 623 kghm,taking up 494ofHenan wheatgrowing areasYIPI in Xinyang and the north of Z
11、humadian were lower than 2 673kghm,taking up 1 75of Henan wheatgrowing areasKey words:Wheat;DSSAT model;Potential productivity;Spatialtemporal distribution河南省是我国小麦主产区,常年播种面积在530万hm2以上,约占全国小麦面积的16,总产量突破3 000万t。河南也是我国小麦商品粮生产基地,每年输出原粮和制成品150亿k矿1|。因此,研究河南省小麦生产潜力、高产区域分布及增产潜力,对优化河南省小麦种植布局、促进河南小麦的可持续发展、提高河
12、南省小麦生产水平、确保国家粮食安全、增加农民收入具有重要的战略意义。长期以来,许多学者从全国或者局部区域尺度,对区域整体或者个别作物类型的生产潜力进行了分析。涉及到的分析方法主要有逐级递减机制法、农业生态区划法和作物模型法。其中,逐级递减机制法模型又叫潜力衰减法、环境因子逐段订正模型,即通过对光合生产潜力一光温生产潜力一气候生产潜力一土地生产潜力几个阶段的逐步订正来计算。该模型简单易行,适合大范围区域,计算结果更接近于实际。马新明等2、余强毅等31和韩伟锋等41采用机制法研究了河南省小麦光合、光温、气候、土地等自然生产潜力。在逐级递减的计算过程中,不同学者对各阶段的修正不尽相同。农业生态区划法
13、(agroecological zoning,AEZ)模型是目前世界上应用范围最广的一个农业生产潜力评估模型,属机制法范畴。AEZ是在传统机制法的基础上,通过逐级对影响作物产量形成的光、温、水、土等因素进行修正5,估算作物生产潜力的方法。该方法由于对标准化作物生长模型进行了环境要素的修正和匹配,因此适合于进行区域、国家和全球尺度上的作物生产力评估63;该方法思路严谨,其结果能够较好地反映地区作物生产潜力的多年平均状况。王学强等71采用AEZ模型对河南省小麦的光温生产潜力、气候生产潜力进行了估算。作物模型法是应用作物生长模型估算作物的光温和气候生产潜力。作物模型以作物生理生态原理为基础8,定量描
14、述“作物一土壤一气候”系统中光、温、水存在状况(包括极端状态)对作物生长发育的影响1 01。利用多年逐日气象资料,作物模型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。李军等11、居烽等121和姜志伟等131利用DSSAT模型分别模拟了黄土高原地区、北方旱区和洛阳市小麦的光温和气候生产潜力。在机制法应用过程中,基于研究角度、公式参数取值的不同,光合生产潜力、作物光温生产潜力、作物温水生产潜力等作物生产潜力估算公式间的估值差异过大1 4。此外,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11。为此,本研究首先验证DSSAT模型
15、在河南省的适用性,然后模拟河南省15个生态点连续50年(19632012)的光温和气候生产潜力,分析不同地区冬小麦增产潜力及限制因素,以期为河南省合理利用自然资源、充分挖掘冬小麦生产能力、指导农业生产提供参考。1 材料与方法11研究站点及基础数据111 气象数据本研究气象数据来自中国气象科学数据共享服务网(http:cdcnmiccnhomedo)提供的河南省19632012年连续50年间逐日气象数据,包括逐日降雨量、日最高气温和日最低气温、日照时数、太阳辐射量等。模型运行所需的最小数据集包括SRAD(逐日太阳辐射量)、TMAX(逐日最高气温)、TMIN(逐日最低气温)以及RAIN(逐日降水量
16、)。后三者可经过简单处理直接使用,逐日太阳辐射量根据国际上公认的Angstron万方数据第4期 李国强等:基于DSSAT模型的河南省小麦生产潜力定量模拟与分析(埃斯屈朗)经验公式计算:QQo(口+6寿)Qo 2叫10。Ii(w,singsin3+cosgcos艿si呦;)N一:式中,Q为太阳总辐射(MJm_2);q0为天文辐射,即晴天太阳辐射量(MJm-2);口、b为经验系数,与大气质量状况有关,河南省属温带地区,根据FAO推荐,取a=025,b一050;挖为逐日太阳日照时数(h);N为逐日可照时数,即最大时长(h)。J。为太阳常数,J。=1367 Wm;叫为地球自转速率,729210-5弧度
17、S;,一cU t。为日出时角,其中t。为日出至正午或正午至日没的时间;艿为太阳赤纬;妒为地理纬度;户为日地平均距离。112土壤数据CERE孓Wheat模型所需输人的土壤信息包括土壤类型和土壤剖面特征,即土壤名称、颜色、农田坡度、矿化度,各层土壤质地(黏粒、粉粒、砂粒百分比)、土壤容重、田间持水量、凋萎系数、饱和含水量、有机碳含量、全氮含量、pH值等。部分物理特性参数(土壤容重、全氮含量、pH值)参考中国土壤数据库网站中国土种数据库(新),其他参数取自l:100万中国土壤属性数据库及中国土种志1 5|,其中有机碳通过有机质乘以058换算系数得到1 6|。113 田间试验数据以豫麦34为研究对象,
18、收集整理郑州、商丘、驻马店、中牟4个地点的6个田间试验数据(表1)。表1 田间试验数据来源Table 1 Source of field experiment data12冬小麦品种参数调试与模型检验利用DSSAT中的GLUE参数估计模块,并结合“试错法”,对豫麦34小麦遗传参数进行率定,以试验1的数据为依据进行参数调试。以试验2、试验3、试验4、试验5和试验6数据对模型参数进行验证。首先通过模型模拟结果和实测值的图形直观比较,对模型进行定性的总体评价。其后采用均方根误差(RMSE)和归一化均方根差(normalized root mean square error,NRMSE)来度量模拟值与
19、实测值的相对差异程度。RMSE一E?=I(S-Ri)2一NRMSE:RMFSE100 瓜式中,Si为模拟值,R。为实测值,哀为实测值平均值,咒为模拟值的样本数。一般认为,NRMSE30为差。13不同生态点冬小麦生产潜力模拟根据河南省地理位置及生态气候类型的不同,在全省N31。23至N36。22之间选择15个代表性的县(市)作为试验点。不同地点播期数据(表2)来源于河南省气候中心19812010年冬万方数据510 麦类作物学报 第36卷小麦播种期的平均值2引。应用DSSAT模型估算河南省15个地点的冬小麦光温生产潜力和光温水生产潜力,然后计算水分满足率和灌溉增产潜力。水分满足率表示雨养条件下降水
20、满足作物需水的程度,即气候生产潜力CPP与光温生产潜力LTPP的比值。灌溉增产潜力表示通过灌溉措施可获得的增产潜力,即光温生产潜力与气候生产潜力的差值。表2河南省不同生态站点冬小麦播种日期Table 2 Wheat sowing date in different sites in Henan province站点Site 播期Sowing date 站点Site 播期Sowing date 站点Site 播期Sowing date安阳Anyang 10月6日October 6 栾川Luanchuan 10月14日October 14 西峡Xixia 10月20日October 20新乡Xin
21、xiang 10月9日October 9 南阳Nanyang 10月22日October 22 信阳Xinyang 10月25日October 25固始Gushi 10月31日October 31 三门峡Sanmenxia 10月7日October 7 许昌Xuchang 10月9日October 9开封Kaifeng 10月15日October 15 商丘Shangqiu 10月13日October 13 郑州Zhengzhou 10月15日October 15卢氏Lushi 10月15日October 15 西华Xihua 10月13日Octoberl3 驻马店Zhumadian 10月1
22、5日October 152 结果与分析 别59为587k59、hlml-8z,2和16主3和,表2明8产g,量NR模M拟S结E萎21模型参数调试及模型验证 和实测值的一致性较好,品种参数能够较准确地调试后品种参数见表3。豫麦34验证试验 反映作物品种的主要遗传特征,可用于作物生产的产量、每平方米粒数和千粒重的RMSE分别为 潜力模拟研究。表3小麦品种豫麦34调试后的遗传参数值Table 3 Model parameters of wheat cultivar Yumai 34P1V:春化敏感系数Vernalization sensitivity coefficient;P1D:光周期敏感系数P
23、hotoperiod sensitivity coefficient;P5:灌浆期特性系数Thermaltimefromthe onset oflinearfilltOmaturity;G1:籽粒数特性系数Kernel number per unit canopyweight at anthesis;G2:标准籽粒重系数Standard kernel weight under optimum conditions;G3:成熟期单株茎穗重系数Standard,nonstressed dry weight(total,including grain)of a single tiller at ma
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