基于_WO_FO_ST模型的京津冀地区冬小麦生产潜力评价

第25卷 第3期自 然 资 源 学 报Vol125 No13 2010年3月JOURNAL OF NATURAL RESOURCESMar ., 2010 收稿日期: 2009- 06- 10;修订日期: 2009- 12- 03。 基金项目: 863课题(2008AA10Z215) ;“ 十一五 ” 支撑课题(2006BAB15B02)。 第一作者简介:王涛( 1981- ) ,男,山东胶州人,博士生,主要从事土地变化与食物安全研究。 3 通信作者简介:吕昌河(1962- ) ,男,研究员。E2mail: luchigsnrr1ac1cn 基于WOFOST模型的京津冀地区冬小麦生产潜力评价 王 涛 1, 2 ,吕昌河 13 ,于伯华 1 (1. 中国科学院 地理科学与资源研究所,北京100101; 2.中国科学院 研究生院,北京100049) 摘要:研究利用近40年的逐日气候数据,借助WOFOST作物模型模拟分析了京津冀地区冬小 麦的生产潜力,通过与实际产量的比较,探讨了提高冬小麦产量的潜力与措施。研究表明: 京 津冀地区(除张家口和承德地区)冬小麦光温潜力介于6 9349 143 kg/hm2之间,从冀中南部 向京津地区和冀东北地区逐渐增大,区域平均生产潜力为8 037 kg/hm2; 冬小麦雨养潜力介 于4 5156 639 kg/hm2之间,由东部和南部随降水量降低依次向西北递减,到冀西北区降至最 低,区域平均产量为5 771 kg/hm2; 影响冬小麦产量的自然因子中,水分是关键限制要素,北 部地区也受低温霜冻的影响; 京津冀中部和南部地区的冬小麦生产潜力年际变化波动相对较 小,东北部变化波动相对较大;20052007年研究区冬小麦的实际单产在2 7217 300 kg/ hm2之间,区域平均5 247 kg/hm2,相当于潜在产量的50%80% ,其中石家庄地区附近实际产 量达到潜在产量的80%以上,天津和沧州地区以及邯郸地区,实际产量与潜在产量的差距较大。 关 键 词: WOFOST模型;冬小麦潜在产量;冬小麦雨养产量;京津冀地区 中图分类号: S512. 1 文献标志码: A 文章编号: 1000 - 3037(2010) 03 - 0475 - 13 作物生产潜力是科学评价区域粮食生产能力和人口承载能力的重要参照指标。作物生 产潜力是在养分充分供应、 病虫害和杂草得到完全控制、 耕作技术和管理水平等都处于最佳 状态时的作物生产能力。当水分充分供应(如通过灌溉)时,作物产量仅取决于光照和温 度,称为光温潜力或潜在产量;当水分供应不足时(无灌溉 ) , 作物产量取决于光照、 温度和 降水,称为水分限制产量或雨养潜力。开展作物生产潜力研究可以准确地评价农业系统的 基本特征,明确作物生产力的开发前景,揭示影响作物产量的限制因素,对合理开发利用农 业资源、 指导农业生产具有重要意义。 作物生产潜力的有关研究最早可追溯到德国化学家Liebig 1840年提出的“ 最小养分 律 ” 1 。进入 20世纪后,一些学者从辐射、 反射、 呼吸消耗等方面来计算作物的光合生产潜 力 223 。再后来 ,学者们考虑到温度、 降水和养分对光合生产潜力的影响,对作物生产潜力的 研究逐步转移到光温、 光温水、 光温水土生产潜力等 426 。作物光温生产潜力和气候生产潜 力研究早期以基于机制法的简单公式概算为主,不仅计算结果普遍偏高,而且结果相差悬 殊,难以定论。随着作物生长动力学理论的创立及计算机专用模拟语言的诞生,作物生长模 拟模型的研究应运而生。作物模型能够详细地量化描述作物基本生理生态过程,较为精确 地描述光、 温、 水等因素对作物生长发育的影响,并能够模拟温度、 水分对作物生长发育和产 量形成的胁迫时期与胁迫程度,因此,模拟结果较早期的公式概算法精确性高。荷兰的 MACROS、WOFOST等 729 主要强调模型生物机理性特征 ,美国的CERES、EPIC等 10211模型 476 自 然 资 源 学 报25卷 则主要基于经验公式和实用为特征。尽管国内对生产潜力模型研究的历史较短,但也产生 了丰硕的成果 12221。到目前为止 ,还未见到基于作物生长模型、 针对京津冀地区作物生产 潜力的分析评估成果报道。 冬小麦是京津冀(北京-天津-河北)地区最主要的粮食作物之一,主要种植在长城以 南的平原地区。京津冀平原区是全国冬小麦主产区之一,小麦常年可以自给,丰年可以外 调,在保障周边地区和国家粮食安全方面发挥重要作用。冬小麦同时还是非草业区冬季覆 盖物,是防止风沙不可或缺的作物。但是由于受气候条件、 灌溉以及管理等因素的影响,粮 食作物特别是冬小麦的产量存在很大的地域差异,一些地区产量不高且年际波动大。该文 的目的是采用WOFOST模型,利用过去40年的气候资料,分析气候因素对冬小麦的影响, 模拟其光温和雨养潜力,并通过与实际产量的对比分析,揭示京津冀地区冬小麦的增产潜力 及其空间差异,为改善管理水平、 提高作物产量提供支持。 WOFOST是由荷兰瓦赫宁根大学开发研制、 得到广泛应用的机理模型 9。文献资料显 示该模型在我国具有很好的适用性 22223 ,可用于区域粮食生产能力的模拟评估 24 。由于作 物模型是基于单站点的模拟系统,要将模拟结果空间化,需要借助GIS技术和空间插值方 法 25 。本研究首先利用 WOFOST模型模拟了京津冀地区及周边40个站点的作物产量,然 后采用ArcGIS通过空间插值,探讨了京津冀地区冬小麦生产潜力的空间分布特征。 1 研究区概况与研究方法 1. 1 研究区概况 京津冀地区地处北纬3605 4237和东经11311 11945之间,位于华北平原和燕 图1 冬小麦产区范围 Fig . 1 Distribution map ofwinter wheat in the BHT region 山、 太行山山地和内蒙古高原东南侧。地势西北高、 东南低,由 西北向东南倾斜。西北部为山区、 丘陵和高原,占全区面积的 53. 83% ,中部和东南部为广阔的平原,占46. 17%。本区四季 分明,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥,属华北平原暖温带大陆性湿 润、 半湿润气候。全区年平均气温在3. 813. 1 之间,以1月 份最低, 7月份最高。年降水量在319696 mm之间,季节分配 极不均匀, 65%75%的降水集中在雨季 (6 9月份 ) ; 降雨年 际变化大,多雨年与少雨年的降水量相差12倍,最大相差4 5倍之多。该区土壤类型复杂多样,其中分布较广、 面积较大 的主要有潮土、 褐土、 棕壤等。在平原地区主要以潮土和褐土 为主,在西北山区以栗钙土为主。京津冀地区粮食作物类型以 小麦和玉米为主,兼有谷子、 高粱和大豆的种植,其中冬小麦播 种面积约为2. 610 6 hm 2 ,除河北省张家口和承德地区外,其它 地区均有种植,种植区主要集中在平原,在平原向山地过渡的 丘陵地带也有种植(图 1) 。 1. 2 研究方法 本文的研究方法和思路见图2。基本资料包括气候、 土壤和作物数据。根据这些资料, 首先运用WOFOST模型对典型站点的冬小麦潜在产量和雨养产量进行模拟,然后采用Arc2 GIS和空间插值和分区统计法,对站点模拟数据进行空间分析。通过代表性站点逐年的潜 在与雨养模拟产量,分析气温和降水对冬小麦产量的影响。通过对模拟产量与现实产量对 3期王 涛等:基于WOFOST模型的京津冀地区冬小麦生产潜力评价477 比分析,揭示实际生产中限制冬小麦产量的因素以及提高冬小麦产量的途径。 图2 京津冀地区冬小麦生产潜力的研究方法和步骤 F i g .2 S chematic presentation of the research procedure for assessing the potential production ofwinterwheat in the BTH region 历年冬小麦单产、 灌溉、 施肥和机械化统计数据由京津冀地区各地级市统计年鉴获得。 1. 2. 1 WOFOST模型及需要的数据 WOFOST模型是一个动态的解释性模型,以日为步长模拟在气候和其他环境因子(如 土壤水肥)影响下的作物生长过程,如光合作用、 呼吸作用、 蒸腾、 叶面积变化、 干物质分配 以及产量形成等(图 3) 。该模型可以模拟水肥充分供应(潜在生长条件)、 水分限制(雨养 条件)和养分限制 (N 、P、K供应不足)三种条件下的作物生长过程和作物产量 9 。运行模型 需要的数据包括气候和土壤数据,气候数据可以是月值或日值,包括最高气温()、 最低气 温()、 太阳辐射强度(kJ /m 2 d) 、 水汽压(kPa)、 平均风速(m /s)和降水量(mm /d) ;土壤 数据包括田间持水量 (cm 3 /cm 3 )、 枯萎系数 (cm 3 /cm 3 )、 饱和含水量 (cm 3 /cm 3 )、 土壤容重 (g/cm)和有机质含量(mg/kg)等。 1. 2. 2 数据来源 本研究收集的数据包括历年小麦生产主要指标基本统计数据、 气象数据、 土壤数据和作物 参数。小麦生产主要指标基本统计数据包括冬小麦单产、 灌溉面积、 施肥量等,来源于京津冀 地区各地市统计年鉴 。气象数据来自国家气象信息中心的中国地面气候资料日值数据集 , 从中选取19682007年间京津冀地区及周边40个站点(图 4) 的逐日数据。此数据无太阳辐 射和水汽压资料,需根据公式估算 26228。对于太阳辐射 ,依据埃斯屈朗公式进行计算: RA=RAMXa+b(n /N ) (1) 478 自 然 资 源 学 报25卷 3期王 涛等:基于WOFOST模型的京津冀地区冬小麦生产潜力评价479 式中,RA是逐日太阳辐射量(kJ /m 2 ) , RAMX是逐日晴天最大可能太阳辐射量(kJ /m 2 ) , a、b 是与大气质量状况有关的参数,本研究区位于温带地区,分别采用FAO为温带地区推荐的 0. 18和0. 55,n和N分别为逐日实际日照时数和逐日可照时数(h)。 水汽压通过原始数据中的日最高温度、 最低温度和相对湿度,通过式(2)计算。其中ea 为实际水汽压(kPa) ,RHm ean为平均相对湿度(% ) ,Tx、Tn分别为最高、 最低温度, e o ( T)为饱 和水汽压(kPa)。 ea= RHm ean 100 e o (T x) + e o (T n) 2 (2) 土壤数据来自中国科学院南京土壤研究所1100万数字化中国土壤图及相关参考文 献 29230 ,本研究只利用WOFOST模型计算了潜在产量和雨养产量。由于潜在产量仅取决于 光照和温度,土壤的保水和供水能力对潜在产量没有影响,但影响雨养产量,考虑土壤性状 和分布面积,选取潮土、 褐土、 棕壤、 风沙土和盐土作为研究区代表性土壤,根据不同土壤各 个土层的质地平均值设定参数(表 1) 。 表1 WOFOST主要土壤参数 29230 Table 1 Main soil parameters used inWOFOST 枯萎系数 / (cm3/cm3) 饱和含水量 / (cm3/cm3) 田间持水量 / (cm3/cm3) 土壤容重 / (g/cm3) 饱和导水率 / (cm /d) 沙壤土0. 060. 350. 281. 54722. 6 轻壤土0. 090. 340. 281. 47219. 3 中壤土0. 110. 340. 281. 41318. 1 所需的基本机理参数参照WOFOST模型中与京津冀地区相同纬度的冬小麦的参数进 行设定 9 ,并结合中国科学院地理科学与资源研究所生态网络中心对华北平原的测定值对 部分参数进行修正 31 (表 2) 。由于WOFOST模型不能模拟作物的越冬休眠期,因此冬小麦 的生长模拟一般是从返青开始。在研究区,冬小麦的播种日期由南部的10月中旬逐渐向北 提前到10月上旬 32 ,冬小麦从返青到开花所需的积温是600,从开花到成熟所需的积温 是750 33 ,依据冬小麦返青时间,由南向北依次设定在2月中旬至3月中旬 34235 。 表2 冬小麦主要参数值 9, 31 Table 2 Main parameter values ofwinterwheat 参数单位含义取值 TBASEM TEFFMX TSUM1 TSUM2 基点温度0 最高温度30 返青到开花的积温600 开花到成熟的积温750 SPANd叶片在35 时的生命期28 AMAXTBkg CO2/hm2h最大CO2同化速率35. 83 Q10kg/hm2温度升高10 时呼吸作用变化的速率2. 0 RGRLA Ihm2/hm2d叶面积指数最大相对增长率0. 008 17 PERDLkg/kgd由于水分胁迫引起的叶片最大死亡速率0. 030 CVL CVO CVR CVS RML RMO RMR RMS kg/kg同化物转化成干物质重的效率 kg CH2O /kgd同化物维持呼吸消耗 叶0. 685 籽粒0. 709 根0. 694 茎0. 662 叶0. 03 籽粒0. 01 根0. 015 茎0. 015 480 自 然 资 源 学 报25卷 1. 2. 3 数据处理与分析 利用WOFOST、Python、ArcGIS、Excel等软件对数据进行处理分析。具体做法是, 数据 准备和模拟:利用Python编写程序,将气象数据转化成WOFOST模型可以识别的格式:选择 模型中冬小麦的参数文件,利用W I NDOWS文本编辑软件修改相关作物和土壤参数,然后利 用WOFOST模型,对所有站点冬小麦的潜在产量和雨养产量以及影响产量的各种限制因素 进行模拟和分析; 模拟产量的空间插值:由于先模拟后内插到所有栅格的方法比先插值后 模拟的方法准确 36237 ,因此先将WOFOST模拟的产量数据导入ArcGIS,建立各站点气候信 息和产量的空间关系,再采用区域变量优化和无偏估计较好的克里金插值法进行插值 38 , 生成潜在产量与雨养产量的空间分布图,并根据土壤类型修正雨养产量的空间分布; 分区 统计:结合行政区划图,比较雨养产量与潜在产量,并将比值分类区统计,求得各个县域雨养 产量与潜在产量的比值,分析比值大小分布规律以及原因; 模拟年际变化:利用Excel分 析各个区域代表性站点逐年的模拟产量,讨论区域潜在产量与雨养产量的年际变化趋势; 产量差距分析:利用各县的实际产量数据,对比分析现实产量与潜在产量的差距及其原因, 揭示县域冬小麦产量的挖潜空间。 含河北省香河县、 三河市和大厂回族自治县。 2 结果与讨论 2. 1 模拟产量的空间分布 考虑到与实际行政区划的结合,通过相关参考文献 39 ,将京津冀地区划分为京津区 、 冀北及西北区(张家口、 承德)、 冀东北区(唐山、 秦皇岛)和冀中南区(河北省其它地区)。 冀北和西北张家口承德地区由于地处山区,气温低,不适宜冬小麦的生长,目前该地区没有 冬小麦的种植,模拟结果也显示该地区不适宜冬小麦生长,模拟产量极低。因此,下文只对 京津地区、 冀东北及冀中南地区冬小麦的模拟产量进行分析。在对模拟产量进行插值时,略 去了翁牛特旗、 赤峰、 化德、 多伦、 张北和围场等6个站点,使用剩下的34个站点的模拟结果 进行插值。 京津冀地区冬小麦的潜在产量介于6 9349 143 kg/hm 2 之间,平均产量为8 037 kg/hm 2 , 冬小麦雨养产量介于4 5156 639 kg/hm 2 之间,平均产量5 771 kg/hm 2。京津冀地区冬小麦 的潜在产量和雨养产量在空间上的分布都呈现一定的规律性。对于潜在产量而言,大致从冀 中南部向京津地区和冀东北地区逐渐增大,在冀东北区出现最大值,呈现一定的纬度地带性特 征图5(a) 。出现这种变化的原因,主要是由于温度降低、 冬小麦的生育期延长所致 40。从 模拟结果看,冬小麦从返青期到成熟所需时间由冀南的131 d,向北逐渐增加到147 d。 表3 冬小麦生长期温度和水分限制天数 Table 3 Days of temperature and water stress in the growing season ofwinterwheat 低温霜冻限制缺水限制 冀东北区081030 京津区0103040 冀北及西北区30404050 冀中南区062030 3期王 涛等:基于WOFOST模型的京津冀地区冬小麦生产潜力评价481 图5 京津冀地区冬小麦潜在产量(a)和雨养产量(b)分布 Fig . 5 Map of potential and water2limited yield ofwinterwheat in the BTH region 在京津和冀东北向冀北及西北过渡地区,模拟产量出现下降,其原因是由于海拔的升 高,低温霜冻频繁,影响了冬小麦的生长。模拟结果显示其返青至成熟期内,有3040 d存 在低温制约(表 3) 。温度降低到常有霜冻出现时,虽然可使冬小麦的生育期延长,但低温降 低了冬小麦的光合速率,使冬小麦的潜在产量呈现了快速递减。 图6 京津冀地区县域冬小麦雨养 产量与潜在产量的比值 Fig . 6 Spatial distribution of the ratio water2limited to potential yield ofwinterwheat in the BTH region 雨养产量的分布趋势受降水、 土壤和干湿度的 影响。偏东、 偏南地区气候相对湿润,雨养产量较 高;随降水量降低,由东北部和西南部依次向中间递 减,到了冀西北区以及中部偏东一带降到最低值图 5 (b) 。 通过雨养产量与潜在产量之间比值的变幅,能 了解降水因素对冬小麦产量的影响程度。通过地图 代数计算雨养产量与潜在产量的比值,再结合县域 行政区划图进行分类区统计,得到了京津冀地区各 县域冬小麦雨养产量与潜在产量的比值图(图 6) 。 京津冀地区雨养产量与潜在产量之间的比值介于 59. 47%94. 52%之间,加权平均为71. 95% ,说明 降水不足对该地区冬小麦产量的影响显著。 2. 2 冬小麦生产潜力年际变化与气候因子的影响 由于气候各要素匹配组合的差异,导致气候资 源年际变化很大。根据站点的区域分布及代表性情 况,本研究选取秦皇岛站、 天津站和邢台站分别作为 冀东北区、 京津区和冀中南区的代表,分析三个地区 19682007年间冬小麦生产潜力的变化及其趋势 482 自 然 资 源 学 报25卷 (图7) ,以逐年模拟产量序列中的最大值和最小值分别作为优年生产潜力和劣年生产潜力, 并计算了冬小麦逐年模拟产量的变异系数(表 4) 。 图7 京津冀地区部分站点冬小麦潜力年际变化及趋势 Fig . 7 The annual variation coefficient ofwinterwheat potential yield and the trend at representative weather stations of the BTH region 表4 京津冀地区部分站点冬小麦模拟产量年际变化比较 Table 4 Variation of simulated potential and water2limited yield ofwinterwheat at representative weather stations of the BTH region 优年产量/ (kg/hm2)劣年产量/ (kg/hm2)平均产量/ (kg/hm2)变异系数/% 潜在雨养潜在雨养潜在雨养潜在雨养 秦皇岛9 9788 7098 3035 8339 1717 2535. 3910. 61 天津8 7247 4757 5455 3478 1676 4754. 879. 88 邢台8 2317 4947 1715 3777 6906 3354. 478. 25 从图7可以看出,近40 a来冬小麦的潜在产量呈现出小幅波动的现象,变异系数在 4. 47%5. 39%之间,雨养产量波动幅度稍大,变异系数在8. 25%10. 61%之间。对各个 站点的潜在产量和雨养产量添加趋势线,发现R 2 值均小于0. 4,因此各站点的潜在产量和 雨养产量均未表现出确定性的增长或降低的趋势。不过,对模拟潜在产量的距平分析显示, 该地区存在多年连续正距平与负距平的交替现象,如秦皇岛19901998年连续9年模拟产 量高于均值,之后到2007年大部分年份低于均值,天津地区也出现了类似的现象。位于中 南部的邢台其周期要短,大致以34 a为周期交替变化。 3期王 涛等:基于WOFOST模型的京津冀地区冬小麦生产潜力评价483 受降水的影响,雨养产量的变幅大于潜在产量。京津冀地区冬小麦模拟产量变异系数 呈现出冀东北部稍大、 京津冀的中部和南部较小的特点。这表明,京津冀地区的中部和南部 生产潜力较为稳定,东北部地区虽然冬小麦产量高,但是其稳定性相对较差,说明东北部地 区气候波动较大。 2. 3 实际产量与模拟产量的对比 利用京津冀地区20052007年3年县域小麦单产的平均值作为当前的实际产量,冬小 麦的实际单产在2 7217 300 kg/hm 2 之间,区域平均5 247 kg/hm 2。结合 WOFOST模拟的 潜在产量,计算了实际产量与潜在产量的比值(图 8) 。由于该地区的冬小麦种植多为灌溉 农田,很少雨养种植,一部分地区的冬小麦实际产量已经超过了雨养产量,因此,本研究未做 实际产量与雨养产量的比较。 图8 京津冀地区县域冬小麦实际产量与潜在产量的比值 Fig . 8 Spatial distribution of the ratio of the actual and potential yield ofwinterwheat in the BTH region 实际产量与潜在产量的比值在空间上的分布规律不明显,比值介于28. 53%90. 96% 之间,说明各县市冬小麦生产的管理水平存在较大的差异。石家庄是传统高产区,因此该地 区比值最高,实际产量已达到潜在产量的80%以上。该地区施肥灌溉条件良好,有效灌溉 面积高于60% ,农用机械总动力也比其他地区高,冬小麦的生产水平已达到了较高的程度, 增产潜力已不大。其次是衡水以及沧州南部等地,经过长期的治理,这一区域灌溉条件较 好,实际产量已达潜在产量的70%80%。再次为冀东北部的秦皇岛和唐山地区,灌溉条 件稍差,如秦皇岛小麦种植区有效灌溉面积不足播种总面积的50% ,因此,实际产量波动较 大,多年平均值为潜在产量的60%70%。比值处于50%60%的地区比较分散,主要分 布于邢台、 泊头以及保定地区附近。这些地区地下水长期超采导致水资源匮乏、 灌溉条件较 差,以及钾肥施用不足是造成冬小麦实际产量不高的主要原因。 天津和沧州东北部地区为京津冀地区最低洼的地区,大部分麦田以盐化潮土为主,保水 484 自 然 资 源 学 报25卷 保肥能力差,邯郸地区还受干热风影响 41 ,这些地区成为研究区内冬小麦实际单产最低的 区域,部分县市冬小麦的实际产量不足潜在产量的50%。由此看来,这些县市冬小麦产量 尚有较大的挖潜空间,但是由于气候条件不匹配、 土壤质量差,挖潜难度也较大。 总体上,除了个别地区之外,京津冀大部分地区冬小麦的产量还存在20%50%的潜 力挖掘空间,加权平均值为38%。将模拟结果与本区域其他研究结果 19, 31, 42 进行比较 ,发 现不同的研究中,模拟产量的变化趋势大致相同,但是模拟产量的数值,可能由于使用方法 的不同,存在一些差异。本文利用分类区统计,将模拟产量具体到县域,并与实际产量比较, 可以更加明确各个县的增产潜力。 3 结论 WOFOST的模拟结果显示,京津冀地区冬小麦的光温潜力在6 9349 143 kg/hm 2 之 间,大致从冀中南部向京津地区和冀东北地区逐渐增大,呈现较明显的地带性特征,雨养潜 力在4 5156 639 kg/hm 2 之间,大致呈西南部和东北部高,而西北部和东南部低的趋势。 影响冬小麦潜力的因素主要是温度和水分,其中降水不足是该区关键限制因素。受气候因 素的影响,中部和南部地区冬小麦产量较为稳定,而冀东北部年际变化较大。与2005 2007年平均冬小麦的实际单产与潜在产量对比发现,小麦产量尚有20%50%的挖潜空 间。应改进作物栽培和管理,改善灌溉条件提高保证率,促进冬小麦高产稳产。 参考文献( References) : 1 Odum E P.生态学基础M .北京:人民教育出版社, 1981: 42261.Odum E P. 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