郭 峰

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

當(dāng)前，受到氣候變化影響，主要是光溫的影響，農(nóng)作物生產(chǎn)潛力受到不同程度的影響[1]。而農(nóng)作物的生產(chǎn)潛力和區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展關(guān)系十分密切，對于農(nóng)作物生產(chǎn)潛力的合理評估，有助于提高區(qū)域農(nóng)作物的產(chǎn)量[2]。當(dāng)前對區(qū)域農(nóng)作物生產(chǎn)潛力主要的評估方法為DSSAT模型，通過DSSAT模型模擬作物產(chǎn)量，結(jié)合作物產(chǎn)量定量計算其光溫、氣候以及灌溉生產(chǎn)潛力，從而綜合分析作物的生產(chǎn)潛力。DSSAT模型在我國不同區(qū)域得到應(yīng)用，研究成果均表明模型可較好地模擬區(qū)域作物產(chǎn)量，并對農(nóng)作物生產(chǎn)潛力進行合理、定量的評估，是對區(qū)域農(nóng)作物生產(chǎn)潛力分析的重要且較為有效的方式[3- 10]。近些年來，一些學(xué)者研究結(jié)果表明[11- 14]農(nóng)作物生產(chǎn)潛力不僅受氣候變化影響，還和其水分滿足率有較為明顯的相關(guān)性，在分析作物生產(chǎn)潛力時，不但需要考慮氣候影響，而且應(yīng)結(jié)合其水分滿足率進行綜合分析。為提高作物生產(chǎn)潛力評估精度，本文以遼寧主要糧食產(chǎn)區(qū)鞍山地區(qū)為研究實例，結(jié)合DSSAT模型并綜合考慮其水分滿足率，對區(qū)域主要農(nóng)作物玉米的生產(chǎn)潛力時空分布進行模擬。研究成果對于更為精準(zhǔn)地評估區(qū)域農(nóng)作物生產(chǎn)潛力提供一種思路和方法。

1 研究方法

本文主要采用DSSAT模型對鞍山地區(qū)玉米產(chǎn)量進行模擬，并結(jié)合模擬結(jié)果對其光溫、氣候以及灌溉生產(chǎn)潛力進行分析，并綜合考慮其作物水分的滿足率。DSSAT模型是當(dāng)前應(yīng)用較為成熟的農(nóng)作物生產(chǎn)模擬方法，由于在國內(nèi)應(yīng)用已較為成熟，本文不再對其方法進行描述，其具體模擬原理可詳見參考文獻[15]。本文主要對其生產(chǎn)潛力的計算進行介紹，DSSAT模型主要結(jié)合作物的光合作用來模擬生長過程，計算作物吸收的光溫，計算方程為：

YT=YP×f(T)

(1)

式中，YT—光溫生產(chǎn)潛力，kg/hm2；YP—光合生產(chǎn)潛力，kg/hm2；f(T)—溫度修訂系數(shù)。

(2)

式中，T—作物的積溫，℃。

在光溫生產(chǎn)潛力分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合作物產(chǎn)量及形成過程，分析其氣候生產(chǎn)潛力，其計算方程為：

YW=YT×f(W)

(3)

式中，YW—氣候生產(chǎn)潛力，kg/hm2；f(W)—水分滿足率，%；其他變量含義同前。氣候生產(chǎn)潛力和光溫生產(chǎn)潛力的插值即為灌溉生產(chǎn)潛力值。

2 模型參數(shù)設(shè)置

模型主要通過模擬農(nóng)作物的積溫，建立積溫和產(chǎn)量之間的關(guān)系，來對其產(chǎn)量進行動態(tài)模擬，因此模型主要需要參數(shù)為溫度、生理特性參數(shù)，為對試驗區(qū)玉米的生理特性參數(shù)進行分析，進行野外采樣后，到室內(nèi)進行參數(shù)的分析，試驗場景如圖1所示。并對試驗區(qū)玉米的特征屬性進行分析，主要分析采樣玉米品種株高、穗位、籽粒容重等參數(shù)，并綜合分析其產(chǎn)量及栽培的特點，試驗區(qū)玉米的主要生理參數(shù)見表1，在生理特性參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗區(qū)域氣象站點觀測的溫度數(shù)據(jù)，建立DSSAT模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

3 研究成果

3.1 產(chǎn)量驗證結(jié)果

在模型參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，應(yīng)用DSSAT模型對試驗區(qū)6個采樣點的玉米產(chǎn)量進行模擬，并結(jié)合實際產(chǎn)量對模型進行驗證，驗證結(jié)果如圖2所示。

從產(chǎn)量驗證結(jié)果可看出，DSSAT模型在試驗區(qū)玉米產(chǎn)量具有較好的模擬精度，各采樣點模擬的相關(guān)系數(shù)均在0.5以上，其中采樣點5和采樣點6的相關(guān)系數(shù)達到0.6以上，這2個采樣點相關(guān)系數(shù)較高的原因在于2個采樣點玉米積溫計算精度效果較好，這和采樣點區(qū)域太陽輻射和光照強度是具有較為直接的相關(guān)性。從驗證精度可看出，DSSAT模型在鞍山地區(qū)玉米作物產(chǎn)量具有較好的模擬精度，可以用來分析各采樣點區(qū)域生產(chǎn)潛力的時空分布。

圖1 試驗區(qū)玉米生理參數(shù)的獲取

表1 試驗田玉米的主要生理參數(shù)

圖2 試驗區(qū)玉米采樣點產(chǎn)量驗證結(jié)果(單位：kg·hm-2)

3.2 光溫生產(chǎn)潛力分析結(jié)果

應(yīng)用DSSAT模型，結(jié)合光溫生產(chǎn)潛力計算方程，對試驗區(qū)各玉米采樣點的光溫生產(chǎn)潛力進行分析，分析結(jié)果見表2，如圖3所示。

表2 光溫生產(chǎn)潛力特征統(tǒng)計結(jié)果

從表2中可看出，不同水分滿足率下光溫生產(chǎn)潛力最大值和最小值均有所不同，總體標(biāo)準(zhǔn)差和均值差異程度較小，可見水分滿足率對試驗區(qū)玉米生產(chǎn)潛力的影響程度也較高。從各采樣點計算的逐年光溫生產(chǎn)潛力可以看出，各采樣點光溫生產(chǎn)潛力逐年有遞減的變化趨勢，5a滑動平均值為35.5kg/hm2。光溫是玉米作物積溫的重要表征因子，且和作物的產(chǎn)量有關(guān)，鞍山地區(qū)從2000年以后太陽輻射和日照時數(shù)有所下降，也影響了區(qū)域玉米的積溫，使得其光溫生產(chǎn)潛力存在遞減的變化。

3.3 氣候生產(chǎn)潛力分析結(jié)果

在光溫生產(chǎn)潛力計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合氣候生產(chǎn)潛力計算方程對區(qū)域各采樣點的玉米氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢進行分析，分析結(jié)果見表3，如圖4所示。

表3 氣候生產(chǎn)潛力特征統(tǒng)計結(jié)果

圖3 試驗區(qū)玉米光溫生產(chǎn)潛力年變化過程

從氣候生產(chǎn)潛力統(tǒng)計結(jié)果可看出，不同水分滿足率條件下各采樣點氣候生產(chǎn)潛力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差變化幅度較小，可見水分滿足率對區(qū)域玉米氣候生產(chǎn)潛力影響程度較小。從各采樣點氣候生產(chǎn)潛力的年變化趨勢可看出，相比于光溫生產(chǎn)潛力，各采樣點玉米氣候生產(chǎn)潛力遞減趨勢更為明顯，這主要是因為氣候變化影響下，鞍山地區(qū)玉米產(chǎn)量有所減少，氣候變化影響的兩個因素分別為溫度和降水，溫度有所增高，但太陽輻射和日照時數(shù)有所減少，使得其光溫生產(chǎn)潛力遞減，而降水量偏少，直接影響鞍山地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力，從各采樣點變化過程可看出，2000年以后，各采樣點氣候生產(chǎn)潛力變化率高于2000年以前，且這種趨勢有逐步增加的變化特征。

3.4 灌溉生產(chǎn)潛力分析結(jié)果

在氣候和光溫生產(chǎn)潛力分析的基礎(chǔ)上，計算2種生產(chǎn)潛力的差值即為試驗區(qū)玉米的灌溉生產(chǎn)潛力，分析結(jié)果見表4，如圖5所示。

表4 灌溉生產(chǎn)潛力特征統(tǒng)計結(jié)果

從表4中可以看出，不同水分滿足率灌溉生產(chǎn)潛力的平均值標(biāo)準(zhǔn)差變化度較大，可見水分滿足率對灌溉生產(chǎn)潛力的影響要高于光溫和氣候生產(chǎn)潛力，水分滿足率和玉米的灌溉生產(chǎn)潛力相關(guān)度較高。從試驗區(qū)各采樣點玉米的灌溉生產(chǎn)潛力變化過程可看出，灌溉生產(chǎn)潛力的變化趨勢不同，有的采樣點灌溉生產(chǎn)潛力逐年遞增，而有的采樣點灌溉生產(chǎn)潛力逐年遞減，這主要是因為不同采樣點灌溉能力有所不同，灌溉能力較高的區(qū)域，灌溉潛力相對較小，而灌溉能力較低的區(qū)域，灌溉生產(chǎn)潛力較大，因此變化趨勢有所不同。

圖4 試驗區(qū)玉米氣候生產(chǎn)潛力年變化過程

圖5 試驗區(qū)玉米灌溉生產(chǎn)潛力年變化過程

圖6 試驗區(qū)玉米生產(chǎn)潛力空間模擬結(jié)果

3.5 試驗區(qū)生產(chǎn)潛力空間模擬結(jié)果

結(jié)合區(qū)域各氣象站點數(shù)據(jù)，對溫度、太陽輻射、日照時數(shù)、降水量進行空間插值，并結(jié)合區(qū)域水分滿足度插值分析，對鞍山地區(qū)水分滿足率、玉米生產(chǎn)潛力的空間進行動態(tài)模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可看出，在空間上，受作物水分滿足率和氣候綜合影響，灌溉和氣候生產(chǎn)潛力從西向東逐步遞減，而光溫生產(chǎn)潛力從北向南逐步遞增。在光溫生產(chǎn)潛力較高的區(qū)域，應(yīng)增加玉米的種植面積，而在光溫生產(chǎn)潛力較小的區(qū)域，應(yīng)逐步較少玉米的種植面積。而對于氣候生產(chǎn)潛力較高的區(qū)域，可以綜合考慮加大其種植的面積，而對于氣候生產(chǎn)潛力較小的區(qū)域，可以改種植其他經(jīng)濟類作物。對于灌溉生產(chǎn)潛力較大的區(qū)域，可以適當(dāng)轉(zhuǎn)變灌溉方式，提高灌溉用水效率，而對于灌溉生產(chǎn)潛力較小的區(qū)域如鞍山的東部地區(qū)，可進行節(jié)水灌溉方式的優(yōu)化。

4 主要結(jié)論

(1)在鞍山北部，建議加大玉米的種植面積，提高光溫生產(chǎn)潛力、在南部地區(qū)可適當(dāng)減少玉米種植面積，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)。

(2)在鞍山東部，應(yīng)優(yōu)化灌溉方式，加大節(jié)水措施，提高玉米灌溉生產(chǎn)潛力，在西部區(qū)域，應(yīng)改變原有灌溉方式，提高灌溉效率。

(3)本文評估方法可為區(qū)域作物生產(chǎn)潛力，灌溉方式和農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方式提供有效的評估方式。

(4)DSSAT模型參數(shù)庫部分采用默認(rèn)值，存在不足，在以后的研究中還應(yīng)結(jié)合更多調(diào)查數(shù)據(jù)，對其參數(shù)庫進行本地化設(shè)置。