摘要：利用根区水质模型(RZWQM2)，结合过去56年(1956～2012年)基本气象因子的变化规律，研究黄土高原旱地冬小麦生长、产量和水分利用对气候变化的响应及其关键气象因子。结果表明：在过去56年中，冬小麦生育期内“暖干”趋势明显，冬小麦生育期内日平均气温和有效积温(GDD)均呈增加趋势，增幅每10年分别达0.2℃、44.5℃·d，1983年以后增加趋势更为显著，每10年分别达0.52℃、140.7℃·d，而降水量和太阳辐射整体随着时间变化呈缓慢减小趋势。冬小麦生育期内GDD的增加，显著缩短冬小麦生育期时间，1983年以后，冬小麦返青期、开花期和成熟期历时每10年分别缩短4.7、5.6和5.7d，出苗-越冬期缩短的时间占整个缩短时间的80.7%，返青-开花期缩短的时间占整个缩短时间的17.5%。冬小麦营养生长期缩短使得小麦植株干物质累积时间和累积量相应减少，进而影响冬小麦穗的形成和籽粒对氮素的吸收，导致冬小麦产量和水分利用效率均减小。降水资源是该区域冬小麦生长的决定性气象因子，同时太阳光热资源的变化则进一步限制冬小麦产量潜力和水分利用效率的提升。
关键词：根区水质模型;冬小麦;气候变化;黄土高原;气象因子
气候变化是除快速增加的人口数量、水分短缺和土地退化之外，又一个对粮食生产安全的重要威胁因子。气温升高已显著加快作物各生育期的发展，改变作物的种植模式和种植区域[1-2]，甚至引起多种作物的减产[3-5]。因此，如何在全球气候变化的大背景下提高粮食作物产量是摆在科研人员面前的重要课题。
黄土高原地区位于我国西北内陆，降水量少且集中，干旱灾害频发，生态环境脆弱。随着气候变化的发展，黄土高原生态环境和农业生产系统对当地气候资源的依赖性逐渐加强，全球变暖对当地农业生产的影响日益显著。该地区冬小麦种植面积达500万hm2，冬小麦产量占全国冬小麦总产量的10%左右[6-7]。冬小麦作为当地居民的主要食物来源，其产量决定着当地粮食供应安全。然而，黄土高原地区生态环境非常脆弱，气候干旱，有效降水量少而集中，且降水量的年际波动大，时空分布差异显著。在这种背景下，当地农业生产受全球气候变化的影响更为突出。
近年来气候变化的影响日益显著，综合考虑作物生长限制因子之间的影响，协调气象因子与其他因子的互作关系，已成为全球科学家热门研究方向之一。不同学者[8-13]在黄土高原旱地冬小麦生长发育和水分利用对气候变化的响应方面进行了大量研究工作。不同的作物模型，如AquaCrop[14]、DSSAT[15]、RZWQM2(RootZoneWaterQualityModel2)[16]等，已较好地应用于研究作物产量对降水和气温变化的响应规律、适应气候变化的途径以及作物产量对干旱气象的响应上。有研究[17]表明，RZWQM2模型可适应黄土高原干旱的气候环境，能较好地模拟气候变化条件下作物的生长发育、产量和水分利用。然而，前人较少利用作物模型结合长期气象数据，研究气候变化对黄土高原旱地冬小麦生长的影响。冬小麦的蒸发蒸腾量(ET)和作物水分利用效率(WUE)对气候变化的响应规律尚不清楚，其关键气象因子有待于进一步明确。
鉴此，本研究选取黄土高原典型的旱地冬小麦种植区域，在分析黄土高原旱作区历史气象因子(1956～2012年)变化特征的基础上，利用经过率定和验证的RZWQM2模型模拟研究冬小麦物候期、ET、WUE、地上部生物量和产量对气候变化的响应规律，进一步分析引起旱地冬小麦生长、产量和水分利用变化的关键气象因子，以期为黄土高原旱地农业稳定、健康发展提供理论支持和科学依据，为当地政府部门应对气候变化提供决策支持。
1材料与方法
1.1试验区概况
试验区域地处黄土高原中南部渭北旱塬，海拔1220m，为暖温带半干旱湿润性季风气候，塬面平坦，为典型的黄土高原沟壑地貌。年平均气温9.2℃，年日照时数2230h，多年平均降水量为584.1mm，是典型的雨养旱作农业区。土壤为黏壤质黑垆土，土质疏松，土层深厚，具体实测土壤理化性质参见文献[18]。
1.2试验设计
试验在中国科学院长武黄土高原农业生态试验站(107°40′E、35°12′N)综合观测场进行。试验从1998年开始，以“春玉米-冬小麦-冬小麦”方式轮作种植，鉴于2004年开始作物生理指标数据记录比较完整，故本试验采用2004～2011年的数据[18]开展相关研究。基于干旱指数评价，在研究时间内，2004、2008和2011年为干旱年，其余年份为丰水年[16]。
试验作物除施氮肥(尿素)外，冬小麦每次施磷肥(P2O5)90kg·hm-2;春玉米在2004、2007和2010年分别施磷肥(P2O5)39.3、90.0和38.7kg·hm-2;全部肥料作为底肥于播种前一次性施入。试验期内作物无灌水，耕作和田间管理措施与当地农民习惯方式一致。
1.3试验取样与测定
试验利用中子探测仪测量1m深土层的水分含量变化。观察记录冬小麦和春玉米各物候期，在越冬期、返青期、拔节期和抽穗期分别测定计算冬小麦叶面积指数(LAI)和地上部生物量干质量;分别于5叶期、拔节期、抽雄期和成熟期测定玉米的LAI和地上部生物量干质量。试验期间气象资料由长武黄土高原农业生态试验站的自动气象站获取。
1.4模型简介、验证与参数设置
RZWQM2由美国农业部大平原系统研究所研发，集成了土壤物理、化学及相关生物过程，包括物理运移模块、化学反应模块、养分循环模块、杀虫剂反应模块、作物生长模块和管理操作模块在内的6个子模块。现有RZWQM2模型兼容了DSSAT4.0作物模型，用于模拟作物的生长过程，并嵌入PEST软件对模型参数进行调试。作物的ET是由改进的Shuttleworth-Wallace公式计算而得[18-19]，其中主要考虑作物残茬动态变化对大田空气动力阻力和能量交换的影响。RZWQM2能较好地模拟农业生产系统，在国内外得到了广泛应用。
本研究率定和验证过程采用RZWQM2中内嵌的PEST软件[21]和试错法[22]相结合的方式。在模型作物模块参数率定过程中以土壤剖面水分、作物物候期、产量和生物量为主要率定参数，部分率定和验证结果见文献[12]。模型参数调试以水分模块、养分模块和作物模块依次迭代进行，未观测参数采用模型缺省值。率定后的氮素转化参数见表1。
在冬小麦-春玉米田间试验(2004～2011年)利用PEST调参过程中，冬小麦和春玉米均只设置1个品种参数;PEST调参结束后，利用试错法对针对不同品种参数进行微调;最后在模型的率定和验证过程中，冬小麦品种长武89134和长旱58使用同样的作物遗传特性参数(表2)。
1.5数据计算与分析
RZWQM2模型中冬小麦的物候期时间是由有效积温(GDD)确定。冬小麦GDD是基于冬小麦生长期内每天的最低气温和最高气温计算而得。本研究中冬小麦生育期内GDD的计算公式为GDD=∑[](Tmax+Tmin/2)-Tbase。其中，Tmax和Tmin分别为每天的最高气温和最低气温(℃);Tbase为冬小麦生长的基础气温，取0℃[23]。
本研究利用相关分析和通径分析确定影响作物生理指标、产量和水分利用的主要气象因子。以冬小麦产量、成熟时间、ET和WUE分别为因变量，冬小麦生育期内(9月1日到次年6月30日)有效积温、降水量、平均相对湿度、风速和太阳净辐射量为自变量。此外，本研究以线性拟合来表示气象因子、作物生理指标、产量和水分利用的变化趋势，利用SPSS16.0进行双变量相关分析和显著性检验，利用Excel2010进行通径分析[24]。
2结果与分析
2.1RZWQM2模型的率定和验证
RZWQM2模型能较好地模拟冬小麦出苗期、开花期和成熟期的时间(表3)，表明RZWQM2能较好地反映冬小麦生长过程中关键生育期时间随积温和土壤水分的动态变化。2004～2005年度冬小麦开花期模拟较差原因可能是越冬期-拔节期严重干旱，使得冬小麦生育期时间提前，但模型模拟中未能反映出干旱对物候期的影响;2007年春玉米开花和成熟期模拟较差的原因可能是模型模拟过程中不同玉米品种采用相近的作物遗传参数，而实际上不同品种在作物物候期存在较大不同，这种情况导致模拟与实测的生育期长短存在较大差异。
2.2气象因子变化分析
黄土高原旱作区年平均气温随着年份的推移呈增加趋势，计算结果表明，过去56年冬小麦生育期内(9月1日到次年6月30日)日平均气温增加幅度每10年为0.2℃(P<0.01，图1.a)。随着日平均气温的增加，冬小麦生育期内GDD也随之增加，过去56年中冬小麦GDD的增加幅度每10年为44.5℃·d(P<0.01，图1.b)。
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由图1可知，冬小麦的增温趋势以1983年为界，可分为前后2个部分。1983年以前，平均气温增加不明显，冬小麦GDD变化也不明显;1983年以后，平均气温极显著增加，增加量每10年达0.5℃(P<0.01，图1.a);GDD也随之增加，1983年以后GDD增加量每10年达140.7℃·d(P<0.01，图1.b)。冬小麦生育期内降水量总体呈减少趋势，降水量减少率每10年为4.3mm(图1.c)。平均净辐射随着时间的推移，在过去56年总体呈减少趋势，平均减少率每10年为5.4MJ·m-2(图1.d)。
2.3气候变化对冬小麦物候期的影响
由图2可知，1956～1983年冬小麦返青期、开花期和成熟期时间处于相对稳定状态，返青期天数在205d附近波动，开花期天数在250d附近波动，成熟期天数在280d附近波动。1983年以后，受冬小麦生育期内GDD显著升高的影响，冬小麦不同生育期天数随年份的推移均呈现出极显著减少的趋势，其中冬小麦返青期每10年减少4.7d，开花期每10年减少5.6d，成熟期每10年减少5.7d。具体分析可知，旱地冬小麦生育期缩短的时间主要集中在冬小麦生长前期，即出苗-越冬期，占整个缩短时间的80.7%，在返青-开花期阶段，生育期时间进一步缩短，占整个缩短时间的17.5%;在开花-成熟期阶段，生育期时间缩短不明显。气温的变化在2006年以后趋于平缓，而在2010年以后出现波动(图2.a、b)，这使得冬小麦返青期、开花期和成熟期时间在2010年以后也随之呈现波动。
2.4气候变化对冬小麦产量和水分利用的影响
随着时间的推移和气候变化的发展，冬小麦地上部生物量和产量均呈现出减小的趋势，地上部生物量和产量的减少幅度每10年分别为530.3、363.8kg·hm-2，1983年以后其减少趋势更加显著，减少幅度每10年分别达1321、819.5kg·hm-2(图3.a、b)。对比分析表明，地上部生物量和产量的减少趋势，与冬小麦GDD的增加趋势，以及生育期时间缩短的趋势基本同步。
冬小麦ET值客观地反映了冬小麦整个生育期内的耗水情况。随着冬小麦生育期时间的缩短，其整个生育期内的ET逐年减小，减小幅度每10年为6.5mm(图3.c)。虽然冬小麦产量和ET随时间的推移均呈现减小趋势，由于产量减小比例比ET减少得更为剧烈，导致冬小麦WUE随着年份推移呈现减小趋势，减小值每10年为0.65kg·(mm·hm2)-1(图3.d)。
气候变化的发展也影响冬小麦产量的构成及籽粒对氮素的吸收。穗粒数是构成冬小麦产量的主要因子，随着时间的推移，整体呈减少趋势，减少幅度每10年为0.346粒·穗-1，1983年以后减少趋势更加显著，减少幅度每10年达1.14粒·穗-1。冬小麦籽粒吸氮量随着气温的升高呈逐年减小的趋势，1983年以后减少趋势更加明显，每10年达12.53kg·hm-2。
2.5主要气象因子相关性分析
由表4可知，冬小麦产量与平均相对湿度和降水量呈极显著正相关关系，与有效积温呈极显著负相关关系。冬小麦成熟时间与有效积温呈极显著负相关关系，且相关系数最大;太阳净辐射量次之(P<0.01)。冬小麦的ET与降水量和平均相对湿度呈显著正相关关系，与有效积温呈显著负相关。冬小麦的WUE的相关分析结果与产量相似，其中与平均相对湿度和降水量呈极显著正相关关系，且相关系数较大;与有效积温和风速呈极显著负相关关系。
进一步分析发现(表4)，冬小麦生育期内降水量增加，极显著促进冬小麦产量的形成和WUE的提高;降水量增加有助于冬小麦生育期时间的延长(P<0.05)，进而促进冬小麦ET值显著增加。冬小麦生育期内有效积温增加，极显著缩短冬小麦的生育期时间，造成冬小麦ET值显著减小;冬小麦生育期时间的缩短严重限制着冬小麦产量的形成，导致冬小麦产量极显著下降，进而导致冬小麦WUE值极显著减小。
气象因子之间相关分析结果(表5)表明，有效积温与太阳净辐射量呈极显著正相关关系，与降水量和平均相对湿度呈极显著负相关关系;降水量与平均相对湿度呈极显著正相关关系，与太阳净辐射量呈显著负相关关系;太阳净辐射量与风速呈极显著正相关关系，与平均相对湿度呈极显著负相关关系;平均相对湿度与风速呈显著负相关关系。
通径分析结果(表6)表明，降水量和平均相对湿度对产量的通径系数较大(绝对值)，其次是有效积温和太阳净辐射量，平均风速的通径系数最小。冬小麦的成熟时间受有效积温影响最大，其次是太阳净辐射量。冬小麦的ET受降水量、平均相对湿度和有效积温的影响较大。WUE通径分析结果与产量的相似，影响程度从大到小依次为平均相对湿度、降水量、有效积温、太阳净辐射量和风速。
