5.作物模型模擬氣候變化對寧夏農業的影響

寧夏南部地區為半干旱山區及六盤山陰濕氣候區，多年平均降水量在350mm以上，糧食產量低，波動較大。春小麥是主要的糧食作物之一，其種植面積占當地農作物種植面積的14.4%。近一百年來全球地表溫度上升了0.74℃，寧夏地處中高緯度，是近20年氣候顯著變暖的區域之一。1961～2010年寧夏各地氣溫為增加的趨勢，每十年增加0.4℃，大部分地區年降水量呈減少趨勢；無霜期和作物生長季天數隨著氣候變暖逐漸延長，這對春小麥生長發育必然產生影響。最近54年春小麥生育期及產量是如何變化的，對于不同的氣候變化情景春小麥生育期及產量又是如何變化的，是我們所關心的問題。

首先對APSIM（農業生產系統模型）在寧夏南部地區的適用性進行了驗證，基于驗證后的模型模擬了寧夏固原地區1957～2010年春小麥的生長發育狀況及對栽培管理措施的響應；并模擬了不同氣候情景下春小麥生育期、生物量、產量和籽粒蛋白含量的變化。所需固原市1957～2010年逐日氣象數據來自寧夏農業氣象綜合業務系統（包括最高溫度、最低溫度、平均溫度、降水量、日照時數、風速等）；模型所需參考蒸散量和逐日太陽輻射采用FAO在1998年推薦的Penman-Monteith公式計算。

5.1　APSIM模型在寧夏南部地區的適用性評價

農業生產系統模型（Agricultural Production System Simulator，簡稱APSIM）是由隸屬澳大利亞聯邦科工組織和昆士蘭州政府的農業生產系統組（APARU）1991年開發研制的。對干旱地區作物水分關系具有較強的分析能力，采用圖形對比和統計方法對模型的有效性進行評價，從而對該模型在寧夏的適用性進行驗證。

5.1.1　模型評價方法

主要依據均方根誤差（RMSE）、歸一化均方根誤差（NRMSE）對模型進行評價，計算公式如下：

為實測值，為模擬值，為實測平均值。n為樣本數。RMSE、

NRMSE值越小，表明模擬值與觀測值之間的一致性越好。如果NRMSE＜10%，可以認為模擬結果非常好；如果10%≤NRMSE＜20%，就可以認為模擬結果較好。

5.1.2　生育期的模擬值與實測值對比分析

圖35為模型模擬的寧夏南部地區春小麥生育期與實測值對比，通過圖形對比發現APSIM模型模擬的寧夏南部地區春小麥各生育期比較均勻的分布于1：1兩側，斜率較接近于1，歸一化均方根誤差小于2%。尤其對于出苗期的模擬效果很好，成熟期稍差。

5.1.3　產量的模擬值與實測值對比分析

圖36為模型模擬的寧夏南部地區春小麥產量與實測值對比，如圖所示：除1996年外，APSIM模型模擬的產量的變化趨勢與實測值的變化趨勢相同；模型模擬的產量與觀測值間的決定系數為0.78較接近于1，均方根誤差為247，相對均方根誤差為19.46%，小于20%，說明模型對寧夏南部地區春小麥具有較好的模擬能力。

5.1.4　葉面積指數的模擬值與實測值對比分析

圖37為葉面積指數的動態模擬結果，如圖所示：模型對1997年和2001年的葉面積指數模擬較好，對1998年葉面積指數孕穗期模擬結果偏高，其他生育階段與實測值較接近。

5.1.5　生物量的模擬值與實測值對比分析

模型對生物量的模擬效果在生育前期較好，生育后期稍差。其中模型模擬的1997年和2001年成熟期的生物量高于實測值，而模擬的1998年的生物量卻低于實測值（見圖38）。

5.1.6　土壤含水量的模擬值與實測值對比分析

APSIM能夠很好地模擬寧夏南部春小麥土壤水分含量，尤其是對作物生育期內土壤水分的模擬效果較好，對于作物收獲后土壤水分含量的模擬值略高于實測值（見圖39）。

綜上所述模型能夠較好地模擬寧夏南部地區春小麥的生長發育及土壤水分動態，可以用于模擬該地區春小麥的生長發育。

5.2　寧夏南部地區春小麥產量潛力變化特征

假設單一品種連續模擬1957～2010年固原地區春小麥產量潛力與雨養產量的變化。如圖40（a）所示：1957～2010年寧夏固原地區春小麥產量潛力和雨養產量都呈現不顯著的降低的趨勢，多年平均分別為3369 kg/hm2和2061 kg/hm2，其中產量潛力年際間波動較小，在2460～4056 kg/hm2之間，而雨養產量受降水量影響年際間波動較大，在602～3300 kg/hm2之間。如圖40（b）所示：雨養產量與生長季內降水量變化趨勢具有一致性，相關系數為0.39。

假設模擬過程中品種不變，模擬寧夏南部地區1957～2010年春小麥生長（見圖41），結果表明：春小麥開花期和成熟期在最近的54年里表現為提前的趨勢，開花期每10年提前1.1天，成熟期每10年提前1.7天。

5.3　氣候變化對寧夏南部春小麥的影響

5.3.1　氣候變化對寧夏南部春小麥生育期的影響

基于1957～2010年的氣象數據包括最高最低氣溫，日照時數，降水量，分別設置不同的情景對寧夏南部地區春小麥進行模擬。情景設計如下：

（1）CO2=350ppm，在降水和太陽輻射不變的情況下，小麥生長季最高溫度、最低溫度、平均溫度分別增加0.5℃、1℃、1.5℃、2℃、3℃；

（2）CO2=350ppm，在溫度和太陽輻射不變的情況下，小麥生長季降水增加或者減少5%、10%、20%、30%。

（3）CO2=350ppm，在溫度和降水不變的情況下，小麥生長季太陽輻射增加或者減少5%、10%、20%、30%。

圖42為寧夏南部地區春小麥生育期對溫度的響應。如圖所示：在其他條件不變，當生長季內平均氣溫增加，全生育期長度為縮短的趨勢，播種到開花的天數也在縮短。當平均氣溫增加0.5℃時，播種到開花期的天數和全生育期長度分別縮短0.9天和1.3天。平均氣溫增加越多，生育期縮短越多。

5.3.2　氣候變化對寧夏南部春小麥生物量和產量的影響

圖43為寧夏南部地區春小麥生物量及產量對溫度的響應，如圖所示：隨著最高溫度和平均溫度的增加，生物量和產量都為減少的趨勢，溫度增加越多，生物量和產量減少幅度越大。當溫度變化相同，增加最高溫度生物量和產量的減少幅度大于平均溫度的增加生物量和產量的減少幅度。當最高溫度增加1℃時，生物量和產量分別降低12.1%和8.8%。而當平均溫度增加1℃（最高最低溫度分別增加0.5℃）時，生物量和產量分別降低6.2%和4.1%。當最低溫度增加時，生物量表現為增加的趨勢，但增加幅度較小，小于1%。當最低溫度增加0.5℃和3℃時對產量為負面影響，當最低溫度增加1～2℃對產量為正面影響。

當降水量增加時，生物量表現為增加的趨勢，增加幅度為2%左右。當降水量減少生物量和產量減少幅度較大，降水量減少10%時，生物量和產量分別減少12.6%和3.7%。當降水量降低30%時，生物量和產量分別降低49.9%和44.5%。太陽輻射增加，生物量和產量增加，反之則相反。太陽輻射按一定比例降低時生物量和產量的降低量大于太陽輻射同比例增加時生物量和產量的增加量。

5.3.3　氣候變化對寧夏南部春小麥籽粒蛋白含量的影響

圖44為寧夏南部地區春小麥籽粒蛋白含量對溫度的響應。如圖44最高最低溫度、平均溫度的升高春小麥籽粒蛋白含量為增加趨勢，溫度增加對春小麥品質為正面影響。最高溫度升高對于品質的提高大于平均溫度的增加的貢獻，而最低溫度增加籽粒蛋白含量變化較小，在5%以內。因為最高溫度增加日較差也相應的增加，利于籽粒蛋白的形成；而平均溫度增加日較差沒有變化。最低溫度升高，縮小了日較差。

降水量增加，籽粒蛋白含量降低，當降水量增加越多，籽粒蛋白含量降低比例越大。降水量降低時籽粒蛋白含量為增加趨勢且幅度較大。同樣太陽輻射降低對小麥品質有負面的影響。

5.4　栽培管理措施對寧夏南部春小麥的影響

5.4.1　寧夏南部春小麥雨養產量對不同播期和密度的響應（見圖45）

當播種日期推遲到3月29日時，產量隨著播種日期的推遲開始降低。隨著播種日期從3月3日推遲到3月27日，產量的年際間變異不斷增加。在3月27日到4月11日期間播種，雨養產量年際間變異穩定在0.3左右，之后隨播期推遲產量穩定性開始降低。

隨著播種密度增加，產量略微增加，播種密度從200株/m2增加到700株/m2時產量從1950 kg/hm2增加到2216 kg/hm2。年際間變異也在增加。

需要注意的是，本研究只考慮了單一氣象要素的改變對作物生長發育的影響，并且只考慮了全生育氣象要素變化，未來需要考慮不同生育階段氣象要素變化對作物生長發育的影響。