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摘 要： 摘要：利用根區水質模型(RZWQM2)，結合過去56年(1956～2012年)基本氣象因子的變化規律，研究黃土高原旱地冬小麥生長、產量和水分利用對氣候變化的響應及其關鍵氣象因子。結果表明：在過去56年中，冬小麥生育期內暖干趨勢明顯，冬小麥生育期內日平均氣溫和有
摘要：利用根區水質模型(RZWQM2)，結合過去56年(1956～2012年)基本氣象因子的變化規律，研究黃土高原旱地冬小麥生長、產量和水分利用對氣候變化的響應及其關鍵氣象因子。結果表明：在過去56年中，冬小麥生育期內“暖干”趨勢明顯，冬小麥生育期內日平均氣溫和有效積溫(GDD)均呈增加趨勢，增幅每10年分別達0.2℃、44.5℃·d，1983年以后增加趨勢更為顯著，每10年分別達0.52℃、140.7℃·d，而降水量和太陽輻射整體隨著時間變化呈緩慢減小趨勢。冬小麥生育期內GDD的增加，顯著縮短冬小麥生育期時間，1983年以后，冬小麥返青期、開花期和成熟期歷時每10年分別縮短4.7、5.6和5.7d，出苗-越冬期縮短的時間占整個縮短時間的80.7%，返青-開花期縮短的時間占整個縮短時間的17.5%。冬小麥營養生長期縮短使得小麥植株干物質累積時間和累積量相應減少，進而影響冬小麥穗的形成和籽粒對氮素的吸收，導致冬小麥產量和水分利用效率均減小。降水資源是該區域冬小麥生長的決定性氣象因子，同時太陽光熱資源的變化則進一步限制冬小麥產量潛力和水分利用效率的提升。
關鍵詞：根區水質模型;冬小麥;氣候變化;黃土高原;氣象因子
氣候變化是除快速增加的人口數量、水分短缺和土地退化之外，又一個對糧食生產安全的重要威脅因子。氣溫升高已顯著加快作物各生育期的發展，改變作物的種植模式和種植區域[1-2]，甚至引起多種作物的減產[3-5]。因此，如何在全球氣候變化的大背景下提高糧食作物產量是擺在科研人員面前的重要課題。
黃土高原地區位于我國西北內陸，降水量少且集中，干旱災害頻發，生態環境脆弱。隨著氣候變化的發展，黃土高原生態環境和農業生產系統對當地氣候資源的依賴性逐漸加強，全球變暖對當地農業生產的影響日益顯著。該地區冬小麥種植面積達500萬hm2，冬小麥產量占全國冬小麥總產量的10%左右[6-7]。冬小麥作為當地居民的主要食物來源，其產量決定著當地糧食供應安全。然而，黃土高原地區生態環境非常脆弱，氣候干旱，有效降水量少而集中，且降水量的年際波動大，時空分布差異顯著。在這種背景下，當地農業生產受全球氣候變化的影響更為突出。
近年來氣候變化的影響日益顯著，綜合考慮作物生長限制因子之間的影響，協調氣象因子與其他因子的互作關系，已成為全球科學家熱門研究方向之一。不同學者[8-13]在黃土高原旱地冬小麥生長發育和水分利用對氣候變化的響應方面進行了大量研究工作。不同的作物模型，如AquaCrop[14]、DSSAT[15]、RZWQM2(RootZoneWaterQualityModel2)[16]等，已較好地應用于研究作物產量對降水和氣溫變化的響應規律、適應氣候變化的途徑以及作物產量對干旱氣象的響應上。有研究[17]表明，RZWQM2模型可適應黃土高原干旱的氣候環境，能較好地模擬氣候變化條件下作物的生長發育、產量和水分利用。然而，前人較少利用作物模型結合長期氣象數據，研究氣候變化對黃土高原旱地冬小麥生長的影響。冬小麥的蒸發蒸騰量(ET)和作物水分利用效率(WUE)對氣候變化的響應規律尚不清楚，其關鍵氣象因子有待于進一步明確。
鑒此，本研究選取黃土高原典型的旱地冬小麥種植區域，在分析黃土高原旱作區歷史氣象因子(1956～2012年)變化特征的基礎上，利用經過率定和驗證的RZWQM2模型模擬研究冬小麥物候期、ET、WUE、地上部生物量和產量對氣候變化的響應規律，進一步分析引起旱地冬小麥生長、產量和水分利用變化的關鍵氣象因子，以期為黃土高原旱地農業穩定、健康發展提供理論支持和科學依據，為當地政府部門應對氣候變化提供決策支持。
1材料與方法
1.1試驗區概況
試驗區域地處黃土高原中南部渭北旱塬，海拔1220m，為暖溫帶半干旱濕潤性季風氣候，塬面平坦，為典型的黃土高原溝壑地貌。年平均氣溫9.2℃，年日照時數2230h，多年平均降水量為584.1mm，是典型的雨養旱作農業區。土壤為黏壤質黑壚土，土質疏松，土層深厚，具體實測土壤理化性質參見文獻[18]。
1.2試驗設計
試驗在中國科學院長武黃土高原農業生態試驗站(107°40′E、35°12′N)綜合觀測場進行。試驗從1998年開始，以“春玉米-冬小麥-冬小麥”方式輪作種植，鑒于2004年開始作物生理指標數據記錄比較完整，故本試驗采用2004～2011年的數據[18]開展相關研究�；诟珊抵笖翟u價，在研究時間內，2004、2008和2011年為干旱年，其余年份為豐水年[16]。
試驗作物除施氮肥(尿素)外，冬小麥每次施磷肥(P2O5)90kg·hm-2;春玉米在2004、2007和2010年分別施磷肥(P2O5)39.3、90.0和38.7kg·hm-2;全部肥料作為底肥于播種前一次性施入。試驗期內作物無灌水，耕作和田間管理措施與當地農民習慣方式一致。
1.3試驗取樣與測定
試驗利用中子探測儀測量1m深土層的水分含量變化。觀察記錄冬小麥和春玉米各物候期，在越冬期、返青期、拔節期和抽穗期分別測定計算冬小麥葉面積指數(LAI)和地上部生物量干質量;分別于5葉期、拔節期、抽雄期和成熟期測定玉米的LAI和地上部生物量干質量。試驗期間氣象資料由長武黃土高原農業生態試驗站的自動氣象站獲取。
1.4模型簡介、驗證與參數設置
RZWQM2由美國農業部大平原系統研究所研發，集成了土壤物理、化學及相關生物過程，包括物理運移模塊、化學反應模塊、養分循環模塊、殺蟲劑反應模塊、作物生長模塊和管理操作模塊在內的6個子模塊�，F有RZWQM2模型兼容了DSSAT4.0作物模型，用于模擬作物的生長過程，并嵌入PEST軟件對模型參數進行調試。作物的ET是由改進的Shuttleworth-Wallace公式計算而得[18-19]，其中主要考慮作物殘茬動態變化對大田空氣動力阻力和能量交換的影響。RZWQM2能較好地模擬農業生產系統，在國內外得到了廣泛應用。
本研究率定和驗證過程采用RZWQM2中內嵌的PEST軟件[21]和試錯法[22]相結合的方式。在模型作物模塊參數率定過程中以土壤剖面水分、作物物候期、產量和生物量為主要率定參數，部分率定和驗證結果見文獻[12]。模型參數調試以水分模塊、養分模塊和作物模塊依次迭代進行，未觀測參數采用模型缺省值。率定后的氮素轉化參數見表1。
在冬小麥-春玉米田間試驗(2004～2011年)利用PEST調參過程中，冬小麥和春玉米均只設置1個品種參數;PEST調參結束后，利用試錯法對針對不同品種參數進行微調;最后在模型的率定和驗證過程中，冬小麥品種長武89134和長旱58使用同樣的作物遺傳特性參數(表2)。
1.5數據計算與分析
RZWQM2模型中冬小麥的物候期時間是由有效積溫(GDD)確定。冬小麥GDD是基于冬小麥生長期內每天的最低氣溫和最高氣溫計算而得。本研究中冬小麥生育期內GDD的計算公式為GDD=∑[](Tmax+Tmin/2)-Tbase。其中，Tmax和Tmin分別為每天的最高氣溫和最低氣溫(℃);Tbase為冬小麥生長的基礎氣溫，取0℃[23]。
本研究利用相關分析和通徑分析確定影響作物生理指標、產量和水分利用的主要氣象因子。以冬小麥產量、成熟時間、ET和WUE分別為因變量，冬小麥生育期內(9月1日到次年6月30日)有效積溫、降水量、平均相對濕度、風速和太陽凈輻射量為自變量。此外，本研究以線性擬合來表示氣象因子、作物生理指標、產量和水分利用的變化趨勢，利用SPSS16.0進行雙變量相關分析和顯著性檢驗，利用Excel2010進行通徑分析[24]。
2結果與分析
2.1RZWQM2模型的率定和驗證
RZWQM2模型能較好地模擬冬小麥出苗期、開花期和成熟期的時間(表3)，表明RZWQM2能較好地反映冬小麥生長過程中關鍵生育期時間隨積溫和土壤水分的動態變化。2004～2005年度冬小麥開花期模擬較差原因可能是越冬期-拔節期嚴重干旱，使得冬小麥生育期時間提前，但模型模擬中未能反映出干旱對物候期的影響;2007年春玉米開花和成熟期模擬較差的原因可能是模型模擬過程中不同玉米品種采用相近的作物遺傳參數，而實際上不同品種在作物物候期存在較大不同，這種情況導致模擬與實測的生育期長短存在較大差異。
2.2氣象因子變化分析
黃土高原旱作區年平均氣溫隨著年份的推移呈增加趨勢，計算結果表明，過去56年冬小麥生育期內(9月1日到次年6月30日)日平均氣溫增加幅度每10年為0.2℃(P<0.01，圖1.a)。隨著日平均氣溫的增加，冬小麥生育期內GDD也隨之增加，過去56年中冬小麥GDD的增加幅度每10年為44.5℃·d(P<0.01，圖1.b)。
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由圖1可知，冬小麥的增溫趨勢以1983年為界，可分為前后2個部分。1983年以前，平均氣溫增加不明顯，冬小麥GDD變化也不明顯;1983年以后，平均氣溫極顯著增加，增加量每10年達0.5℃(P<0.01，圖1.a);GDD也隨之增加，1983年以后GDD增加量每10年達140.7℃·d(P<0.01，圖1.b)。冬小麥生育期內降水量總體呈減少趨勢，降水量減少率每10年為4.3mm(圖1.c)。平均凈輻射隨著時間的推移，在過去56年總體呈減少趨勢，平均減少率每10年為5.4MJ·m-2(圖1.d)。
2.3氣候變化對冬小麥物候期的影響
由圖2可知，1956～1983年冬小麥返青期、開花期和成熟期時間處于相對穩定狀態，返青期天數在205d附近波動，開花期天數在250d附近波動，成熟期天數在280d附近波動。1983年以后，受冬小麥生育期內GDD顯著升高的影響，冬小麥不同生育期天數隨年份的推移均呈現出極顯著減少的趨勢，其中冬小麥返青期每10年減少4.7d，開花期每10年減少5.6d，成熟期每10年減少5.7d。具體分析可知，旱地冬小麥生育期縮短的時間主要集中在冬小麥生長前期，即出苗-越冬期，占整個縮短時間的80.7%，在返青-開花期階段，生育期時間進一步縮短，占整個縮短時間的17.5%;在開花-成熟期階段，生育期時間縮短不明顯。氣溫的變化在2006年以后趨于平緩，而在2010年以后出現波動(圖2.a、b)，這使得冬小麥返青期、開花期和成熟期時間在2010年以后也隨之呈現波動。
2.4氣候變化對冬小麥產量和水分利用的影響
隨著時間的推移和氣候變化的發展，冬小麥地上部生物量和產量均呈現出減小的趨勢，地上部生物量和產量的減少幅度每10年分別為530.3、363.8kg·hm-2，1983年以后其減少趨勢更加顯著，減少幅度每10年分別達1321、819.5kg·hm-2(圖3.a、b)。對比分析表明，地上部生物量和產量的減少趨勢，與冬小麥GDD的增加趨勢，以及生育期時間縮短的趨勢基本同步。
冬小麥ET值客觀地反映了冬小麥整個生育期內的耗水情況。隨著冬小麥生育期時間的縮短，其整個生育期內的ET逐年減小，減小幅度每10年為6.5mm(圖3.c)。雖然冬小麥產量和ET隨時間的推移均呈現減小趨勢，由于產量減小比例比ET減少得更為劇烈，導致冬小麥WUE隨著年份推移呈現減小趨勢，減小值每10年為0.65kg·(mm·hm2)-1(圖3.d)。
氣候變化的發展也影響冬小麥產量的構成及籽粒對氮素的吸收。穗粒數是構成冬小麥產量的主要因子，隨著時間的推移，整體呈減少趨勢，減少幅度每10年為0.346粒·穗-1，1983年以后減少趨勢更加顯著，減少幅度每10年達1.14粒·穗-1。冬小麥籽粒吸氮量隨著氣溫的升高呈逐年減小的趨勢，1983年以后減少趨勢更加明顯，每10年達12.53kg·hm-2。
2.5主要氣象因子相關性分析
由表4可知，冬小麥產量與平均相對濕度和降水量呈極顯著正相關關系，與有效積溫呈極顯著負相關關系。冬小麥成熟時間與有效積溫呈極顯著負相關關系，且相關系數最大;太陽凈輻射量次之(P<0.01)。冬小麥的ET與降水量和平均相對濕度呈顯著正相關關系，與有效積溫呈顯著負相關。冬小麥的WUE的相關分析結果與產量相似，其中與平均相對濕度和降水量呈極顯著正相關關系，且相關系數較大;與有效積溫和風速呈極顯著負相關關系。
進一步分析發現(表4)，冬小麥生育期內降水量增加，極顯著促進冬小麥產量的形成和WUE的提高;降水量增加有助于冬小麥生育期時間的延長(P<0.05)，進而促進冬小麥ET值顯著增加。冬小麥生育期內有效積溫增加，極顯著縮短冬小麥的生育期時間，造成冬小麥ET值顯著減小;冬小麥生育期時間的縮短嚴重限制著冬小麥產量的形成，導致冬小麥產量極顯著下降，進而導致冬小麥WUE值極顯著減小。
氣象因子之間相關分析結果(表5)表明，有效積溫與太陽凈輻射量呈極顯著正相關關系，與降水量和平均相對濕度呈極顯著負相關關系;降水量與平均相對濕度呈極顯著正相關關系，與太陽凈輻射量呈顯著負相關關系;太陽凈輻射量與風速呈極顯著正相關關系，與平均相對濕度呈極顯著負相關關系;平均相對濕度與風速呈顯著負相關關系。
通徑分析結果(表6)表明，降水量和平均相對濕度對產量的通徑系數較大(絕對值)，其次是有效積溫和太陽凈輻射量，平均風速的通徑系數最小。冬小麥的成熟時間受有效積溫影響最大，其次是太陽凈輻射量。冬小麥的ET受降水量、平均相對濕度和有效積溫的影響較大。WUE通徑分析結果與產量的相似，影響程度從大到小依次為平均相對濕度、降水量、有效積溫、太陽凈輻射量和風速。
