5.作物模型模拟气候变化对宁夏农业的影响

宁夏南部地区为半干旱山区及六盘山阴湿气候区，多年平均降水量在350mm以上，粮食产量低，波动较大。春小麦是主要的粮食作物之一，其种植面积占当地农作物种植面积的14.4%。近一百年来全球地表温度上升了0.74℃，宁夏地处中高纬度，是近20年气候显著变暖的区域之一。1961～2010年宁夏各地气温为增加的趋势，每十年增加0.4℃，大部分地区年降水量呈减少趋势；无霜期和作物生长季天数随着气候变暖逐渐延长，这对春小麦生长发育必然产生影响。最近54年春小麦生育期及产量是如何变化的，对于不同的气候变化情景春小麦生育期及产量又是如何变化的，是我们所关心的问题。

首先对APSIM（农业生产系统模型）在宁夏南部地区的适用性进行了验证，基于验证后的模型模拟了宁夏固原地区1957～2010年春小麦的生长发育状况及对栽培管理措施的响应；并模拟了不同气候情景下春小麦生育期、生物量、产量和籽粒蛋白含量的变化。所需固原市1957～2010年逐日气象数据来自宁夏农业气象综合业务系统（包括最高温度、最低温度、平均温度、降水量、日照时数、风速等）；模型所需参考蒸散量和逐日太阳辐射采用FAO在1998年推荐的Penman-Monteith公式计算。

5.1　APSIM模型在宁夏南部地区的适用性评价

农业生产系统模型（Agricultural Production System Simulator，简称APSIM）是由隶属澳大利亚联邦科工组织和昆士兰州政府的农业生产系统组（APARU）1991年开发研制的。对干旱地区作物水分关系具有较强的分析能力，采用图形对比和统计方法对模型的有效性进行评价，从而对该模型在宁夏的适用性进行验证。

5.1.1　模型评价方法

主要依据均方根误差（RMSE）、归一化均方根误差（NRMSE）对模型进行评价，计算公式如下：

为实测值，为模拟值，为实测平均值。n为样本数。RMSE、

NRMSE值越小，表明模拟值与观测值之间的一致性越好。如果NRMSE＜10%，可以认为模拟结果非常好；如果10%≤NRMSE＜20%，就可以认为模拟结果较好。

5.1.2　生育期的模拟值与实测值对比分析

图35为模型模拟的宁夏南部地区春小麦生育期与实测值对比，通过图形对比发现APSIM模型模拟的宁夏南部地区春小麦各生育期比较均匀的分布于1：1两侧，斜率较接近于1，归一化均方根误差小于2%。尤其对于出苗期的模拟效果很好，成熟期稍差。

5.1.3　产量的模拟值与实测值对比分析

图36为模型模拟的宁夏南部地区春小麦产量与实测值对比，如图所示：除1996年外，APSIM模型模拟的产量的变化趋势与实测值的变化趋势相同；模型模拟的产量与观测值间的决定系数为0.78较接近于1，均方根误差为247，相对均方根误差为19.46%，小于20%，说明模型对宁夏南部地区春小麦具有较好的模拟能力。

5.1.4　叶面积指数的模拟值与实测值对比分析

图37为叶面积指数的动态模拟结果，如图所示：模型对1997年和2001年的叶面积指数模拟较好，对1998年叶面积指数孕穗期模拟结果偏高，其他生育阶段与实测值较接近。

5.1.5　生物量的模拟值与实测值对比分析

模型对生物量的模拟效果在生育前期较好，生育后期稍差。其中模型模拟的1997年和2001年成熟期的生物量高于实测值，而模拟的1998年的生物量却低于实测值（见图38）。

5.1.6　土壤含水量的模拟值与实测值对比分析

APSIM能够很好地模拟宁夏南部春小麦土壤水分含量，尤其是对作物生育期内土壤水分的模拟效果较好，对于作物收获后土壤水分含量的模拟值略高于实测值（见图39）。

综上所述模型能够较好地模拟宁夏南部地区春小麦的生长发育及土壤水分动态，可以用于模拟该地区春小麦的生长发育。

5.2　宁夏南部地区春小麦产量潜力变化特征

假设单一品种连续模拟1957～2010年固原地区春小麦产量潜力与雨养产量的变化。如图40（a）所示：1957～2010年宁夏固原地区春小麦产量潜力和雨养产量都呈现不显著的降低的趋势，多年平均分别为3369 kg/hm2和2061 kg/hm2，其中产量潜力年际间波动较小，在2460～4056 kg/hm2之间，而雨养产量受降水量影响年际间波动较大，在602～3300 kg/hm2之间。如图40（b）所示：雨养产量与生长季内降水量变化趋势具有一致性，相关系数为0.39。

假设模拟过程中品种不变，模拟宁夏南部地区1957～2010年春小麦生长（见图41），结果表明：春小麦开花期和成熟期在最近的54年里表现为提前的趋势，开花期每10年提前1.1天，成熟期每10年提前1.7天。

5.3　气候变化对宁夏南部春小麦的影响

5.3.1　气候变化对宁夏南部春小麦生育期的影响

基于1957～2010年的气象数据包括最高最低气温，日照时数，降水量，分别设置不同的情景对宁夏南部地区春小麦进行模拟。情景设计如下：

（1）CO2=350ppm，在降水和太阳辐射不变的情况下，小麦生长季最高温度、最低温度、平均温度分别增加0.5℃、1℃、1.5℃、2℃、3℃；

（2）CO2=350ppm，在温度和太阳辐射不变的情况下，小麦生长季降水增加或者减少5%、10%、20%、30%。

（3）CO2=350ppm，在温度和降水不变的情况下，小麦生长季太阳辐射增加或者减少5%、10%、20%、30%。

图42为宁夏南部地区春小麦生育期对温度的响应。如图所示：在其他条件不变，当生长季内平均气温增加，全生育期长度为缩短的趋势，播种到开花的天数也在缩短。当平均气温增加0.5℃时，播种到开花期的天数和全生育期长度分别缩短0.9天和1.3天。平均气温增加越多，生育期缩短越多。

5.3.2　气候变化对宁夏南部春小麦生物量和产量的影响

图43为宁夏南部地区春小麦生物量及产量对温度的响应，如图所示：随着最高温度和平均温度的增加，生物量和产量都为减少的趋势，温度增加越多，生物量和产量减少幅度越大。当温度变化相同，增加最高温度生物量和产量的减少幅度大于平均温度的增加生物量和产量的减少幅度。当最高温度增加1℃时，生物量和产量分别降低12.1%和8.8%。而当平均温度增加1℃（最高最低温度分别增加0.5℃）时，生物量和产量分别降低6.2%和4.1%。当最低温度增加时，生物量表现为增加的趋势，但增加幅度较小，小于1%。当最低温度增加0.5℃和3℃时对产量为负面影响，当最低温度增加1～2℃对产量为正面影响。

当降水量增加时，生物量表现为增加的趋势，增加幅度为2%左右。当降水量减少生物量和产量减少幅度较大，降水量减少10%时，生物量和产量分别减少12.6%和3.7%。当降水量降低30%时，生物量和产量分别降低49.9%和44.5%。太阳辐射增加，生物量和产量增加，反之则相反。太阳辐射按一定比例降低时生物量和产量的降低量大于太阳辐射同比例增加时生物量和产量的增加量。

5.3.3　气候变化对宁夏南部春小麦籽粒蛋白含量的影响

图44为宁夏南部地区春小麦籽粒蛋白含量对温度的响应。如图44最高最低温度、平均温度的升高春小麦籽粒蛋白含量为增加趋势，温度增加对春小麦品质为正面影响。最高温度升高对于品质的提高大于平均温度的增加的贡献，而最低温度增加籽粒蛋白含量变化较小，在5%以内。因为最高温度增加日较差也相应的增加，利于籽粒蛋白的形成；而平均温度增加日较差没有变化。最低温度升高，缩小了日较差。

降水量增加，籽粒蛋白含量降低，当降水量增加越多，籽粒蛋白含量降低比例越大。降水量降低时籽粒蛋白含量为增加趋势且幅度较大。同样太阳辐射降低对小麦品质有负面的影响。

5.4　栽培管理措施对宁夏南部春小麦的影响

5.4.1　宁夏南部春小麦雨养产量对不同播期和密度的响应（见图45）

当播种日期推迟到3月29日时，产量随着播种日期的推迟开始降低。随着播种日期从3月3日推迟到3月27日，产量的年际间变异不断增加。在3月27日到4月11日期间播种，雨养产量年际间变异稳定在0.3左右，之后随播期推迟产量稳定性开始降低。

随着播种密度增加，产量略微增加，播种密度从200株/m2增加到700株/m2时产量从1950 kg/hm2增加到2216 kg/hm2。年际间变异也在增加。

需要注意的是，本研究只考虑了单一气象要素的改变对作物生长发育的影响，并且只考虑了全生育气象要素变化，未来需要考虑不同生育阶段气象要素变化对作物生长发育的影响。