全 文 ：第 11卷 第 4期
2 0 0 3年 1 0月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
VO1．11 NO．4
OCt．， 2003
我国华北冬小麦生产影响评估模型的研究
冯利平 孙 宁 刘 荣花 汪永钦
(中国农业大学资源与环境学院 北京 100094)(河南省气象科学研究所 郑州 450003)
摘 要 研 究建 立了我国华北冬小麦生产影响评估模型(WHTMOD)，该模型由小麦发育期模拟模型、光合生产模
拟模型 、产量形成模拟模型、土壤水分平衡和 N素平衡动态模型等组成 ，综合考虑 了光合作用、呼 吸作用和同化物
在器 官中分配等生理过程 以及 温度、日长、CO2、水分、N素等因子的影响，可模拟小麦生长发育与产量形成动态，反
映气候异常对研究区域小麦生产的影响，模型检验模拟值 与实测值相符。
关键 词 小麦 模型 评 估 气候 异 常
An assessment model for effects of climate abnormity on wheat production in North China Plain．FENG Li—Ping，SUN
Ning(College of Resources and Environmental Sciences，China Agricultural University，Beijing 100094)，LIU Rong—
Hua，WANG Yong—Qin(Henan Institute of Meteorology，Zhengzhou 450003)，CJEA，2003，11(4)：73～76
Abstract An assessment model for effects of climate abnormity on wheat production in North China Plain(WHTMOD)
was built．W HTM OD consists of whea t phonology simulation mod el，photosynthesis simulation model，yield formation
simulation mod el，water balance mod el，and nitrogen dynamic mod e1．The physiological processes such as crop photosyn—
thesis，respiration，and distribution of biomass among organs in wheat are considered in the model，and the effects of tem—
perature，daylength，C02，water，and nitrogen are also considered．W HTMOD can be used tO simulate the whea t
growth，development and yield form ation，and to express the effects of climate abnormity on wheat prod uction for studied
areas．Validation of mod el shows that there is a good agreement between the simulated and observed values ．
Key words W heat，Mod el，Assessment，Climate abnorm ity
小麦作物生长模拟模型研究国内外已多见报道 一 ，但其机理性 、准确性 、适应性及实用性等诸问题 尚
需进 一步研究 。本研究研制 出适于我 国华 北冬小麦生 产特点 ，可反映气候 变化 对华北 冬小 麦生 产 影响 的评
估模 型(WHTMOD)，为分析和评 估气候异 常对冬小麦生 产的影响提供模 型软件 工具 。
l 研究方法
本研究以小麦生长发育模拟模型系统(WheatSM)为模型内核，根据小麦田间试验实测数据和代表华北
地区冬小麦生产品种、土壤特性及气候资料 ，改进、验证模型并确定模型参数以及进行参数区域化，建立了我
国华北冬小麦 生产影响评估 模型 。
田间试验 于 1997年 9月 ～2000年 6月在北京 市 昌平县北郊农 场进行 ，该 区为华北 北部 山前 冲积平原 ，
属暖温带半湿润半干旱大 陆性 季风气候 ，供试土壤 以中壤 为主，0～200cm 土层平均凋萎 湿度为 0．125
ClTI crn ，土壤肥力中上等。供试小麦品种 1997～1998年为“京核 3号”，1999～2000年为“9428”。试验地
面积 1．8hm ，设喷灌 、渗灌 和少灌 (干旱 )3个处 理。测定小麦生育期 、干物质 积累 、群体 动态 、产量 结构及 产
量等，并采用中子仪测定 0～200cm土层 内各层土壤体积含水量。研究采用 1985～1993年小麦北部 区试资
料 ，1990～1993年小麦一玉米吨粮田定点建设资料及河南省小麦气候生态试验资料等，包括小麦产量及其结
构、生育期 、叶面积增长和干物质积累等生物学资料 ，土壤理化性状及同期逐 日气象和土壤含水量等资料。
供试小麦为“豫麦 18”、“郑 791”、“宝丰 7228”、“西安 8号”、“百农 7023”等 20个品种。并按 Access数据库格
式建立资料数据库。模型建立与调试所用资料为北京 、天津、唐山、邯郸 、运城、石家庄、临汾、济南、烟台、藤
县、濮 阳、郑州、商丘和许昌、太谷相应年份资料。模型软件应用面向对象的程序设计方法，结构化、模块化程
序设计，采用 Visual Basic 6．0软件编程实现。以数据库管理系统 Visual FoxPro和 ACCESS设计数据库结构。
*国家 自然科学基金项 目(39600087、39970418)和“九五”国家重中之重科技攻关项 目(96—908—03—01)共同资助
收稿 日期 ：2002—12—20 改 回 日期 ：2003一O1—18
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74 中 国 生 态 农 业 学 报 第 ll卷
在进行研究区域分区与确定各区域代表点基础上 ，利用 MapInfo绘制分区数据化地图，建立 MapInfo表文件
并与 VB编程结合 ，实现模拟计算结果的区域 GIS显示表达。
2 华北冬小麦生产影响评估模型 的构建
我国华北冬小麦 生产影响评估模 型 由小麦发 育期模拟 模型 、光合 生产模 拟模 型 、产量 形成模 拟模 型 、土
壤水分平衡及 N素平衡动态模型等上百个模拟模型或子模型有机衔接组成 ，综合考虑了光合作用 、呼吸作
用和同化物在各器官中分配等生理过程以及温度 、日长、CO 、水分和 N素等因子的影响。
2．1 小麦发育期模拟模型(WDSM)
小麦生育过程分为播种～出苗期(第 1阶段)、出苗 ～拔节期(第 Ⅱ阶段)、拔节～抽穗期 (第 Ⅲ阶段)、抽
穗 ～成熟期(第 Ⅳ阶段)，其中出苗～拔节期又包括春化阶段和光照阶段。采用生育时期指数将小麦生育期
指标量化为播种期 0．0，出苗期 1．0，三叶期 1．1，分蘖期 1．2，越冬期 1．3，返青期 1．4，拔节期 2．0，孕穗期
2．1，抽穗期 3．0，开花期 3．1，乳熟期 4．0，蜡熟期 4．1和完熟期 4．2。考虑遗传特性与环境因子(温度、日长)
对小麦发育进程的影响，构建析因指数形式的小麦发育期动态模拟模型为：
=
1
= eki×(TE ×(PE ×f(EC) (1)
式中，D 为小麦生育阶段 日数， 为生育阶段内发育进程，生育完成时 M =1，aM,／dt为生育阶段 内发育速
度，f(EC)为肥料、播种深度等可控栽培措施因子影响函数 ，其形式为各因子影响函数的乘积，k，为基本发育系
数 ，由品种 自身遗传特性决定 ， 为温度效应 因子，反 映温度对 小麦发育的非线性影响 ，P 为温度反应特性遗
传 系数(简称温 度系数 )，反映该 品种该 生育阶段 内对温度反应的敏感性 ，PE 为光周期效应 因子 ，q 为光周期反
应特性遗传系数(简称光周期系数)，反映该品种该生育阶段内对光周期反应的敏感性。TE确定式为：
TE = {TZ i ；
PlE 确定式为 ：
PE=一PLi-PLbi{PLi Pg bi(凡PL i ：； c3，
式 中 ，T 为第 生育 阶段 内平均气温 (℃ )， 为该 生育阶段 内生长 下限温度 ， 为该生育 阶段 内小麦生长
最适温度 ，PL 为生育阶段 内平 均光长 (h)，PL 为生育阶段 内最 适光长 ，PL 为生育 阶段 内临界光长 。
小麦播种 ～出苗期(阶段 I)基本模型可表述为：
= 击=ekl×(TE ×f(DEP) (4)
式 中 ，f(DEP)为播 种 深 度影 响 函数 ，TE 由式 (2)确 定 ，且 取 T。 = 20*(2，T = I*C。f(DEP)由下 式
确定 ：
f(DEP)= 1．5299e。。。帅 唧 (R = 0．9922，／．／= 17) (5)
式中，DEP为播种深度(cm)，为模型的 1个输入值(模型中缺省值为 3)。
小麦出苗～拔节期(阶段 I)基本模型。小麦春化作用期间每 日获得的春化程度用春化效应因子(VE，
春化 日／d)表示，其值为 0～1。冬型、半冬型小麦春化效应因子(VE)表达式为：
f( T+4)／7 (一4℃ < 丁≤ 3℃)
VE= 0_ ㈦
【0 (VT≤一4"C， T≥ 18℃)
春型小 麦春化效应 因子(VE)则 为 ：
VE
VT／5 (Ol；< VT≤ 5℃ )
1．0 (5℃ < 丁 ≤ 18℃ )
(30一VT)I12 (18℃< T之30 ) (7)
0 (VT≤ o*c， T≥ 30*(2)
式中，VT为春化期间的 日均温度。小麦春化效应因子(VE)累积值称最短累计春化 日 (A m 1at d Verna1
Days，AVD)或春 化量 ，并认 为当某 品种小麦 春化效应 因子 累计 达最短 累计春 化 日时
， 即完成 小麦 春化反 应 ，
T ～ — — ～ ～ ⋯ ⋯ 一 一 一
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第 4期 冯利平等 ：我 国华北冬小麦生产影响评估模型的研究 75
该 日期称为小麦理论春化反应结束 日(简称春化 日)。不同类型小麦品种其最短累计春化 日不 同，模 型将出
苗～理论春化反应结束 日作为小麦春化阶段，其发育模型为：
_
dM zt ： ： P × (VE) (8)
d t U 21
式 中 ，k 。、P 。为模 型参 数 ，P 。为春化反应 特性遗传 系数 (简称春化 系数)，AVD或 系数是z。及 Pz·反 映小 麦品
种对春化 反应 的敏感性 。光照 阶段温度效应 因子 (TE )由式 (2)确定 ，取 To： = 2012，丁 = 3℃ ，光周 期效
应因子(PE)由式(3)计算 ，光长(PL)包括曙暮光在内，取 PL =8h，PL。= 18h，该阶段发育模型为 ：
T
d~1 22 ： ： P zz×( ) ×(PE)。： (9)
Q Z U 22
小 麦拔节 ～抽穗期 (阶段 Ⅲ)基本模 型为 ：
—
dM
『 _
3 ： ： P × (TE 3) (10)
(i t U 3
式 中 ，TE 由式 (2)确定 ，且 取 To =20℃ ，丁 ，= 3℃。
小 麦抽穗 ～成 熟期(阶段 Ⅳ )基本模 型为 ：
—
dM 4
： ： P × (丁E 4) (11)
Q Z U 4
式 中 ，TE 由式 (2)确定 ，且 取 To =22℃ ，丁 = 9℃。
利用全国小麦生态试验资料对小麦生育期模型检验并与积温法和 CERES—Wheat模拟误差 比较结果表
明 ，播 种 ～出苗期 3种方法模拟误 差无 明显 差异 ，出苗 ～抽 穗期模 拟误 差较 积温法 少 7．8～40．7d，较 CER—
ES—Wheat模拟误 差少 4．2d。在全 国范 围内模拟误差 <7d，绝大多 数地点模拟误差 为 2～4d。
2．2 小麦光合生产模拟模型(WPSM)
小麦群体光合生产动态模拟模型综合考虑了小麦群体叶面积动态、光能截获及光合作用、呼吸消耗、同
化物向各器官分配等主要生理过程及 c02、温度、水分和 N素等因子的影响。光合生产模型中单叶光合作
用强度采用门司、佐伯法计算。群体光合作用 日总量(P ，c02g／m ·d)公式为 ：
： 了 × = [ 寺 等 面]
式中，a为麦田群体反射率(％)，取 a=8％；参数 a(CO2g／MJ)为光一光合作用曲线初始斜率 ，其变化较小 ，取
a=15(c02g／MJ)；参数 P一 (c02g／m ·h)为光饱和点下最大光合作用强度 ，k为消光系数，s为每小时平
均辐射量 ，为逐 日太 阳总辐射 Q 与 日长DL之 比，即 S： Q／DL。呼吸作用模 型考虑 了光 呼吸 、暗呼吸及温度
对呼吸作用的影响。小麦群体叶面积通过分配给叶片干物质量和比叶重计算，模型中考虑了开花后叶片衰老
状况。小麦作物 日净光合产物量(CO2g／m ·d)为 日总光合强度与呼吸消耗之差。由 c02同化量转换为干物
质 量应乘 以比例系数 ( = 0．682)和 由葡萄糖合成各类植株 干物质 的转换 系数 口。
2．3 小麦产量形成模拟模型(WYSM)
小麦产量形成模拟模型分别考虑抽穗前后光合生产对产量的贡献 ，用抽穗前后期 的干物质积累量 YD
( )、YD(ae)分别乘以不同转移率求出经济产量。其形式为：
YD = YD(be)+ YD(ae) (13)
YD：[∑Tr。×M(d)+∑ Tr ×M(d)]× (D>de) (14)
式中，YD为小麦经济产量 ，de为至抽穗期天数 ，D 为全生育期天数 ，叩为单位换算系数，丁r 为抽穗前茎鞘
储存物向籽粒的转移率 ，丁r 为抽穗后光合产物向籽粒的转移率 ，丁r。、丁r 可由试验资料求得。根据 1992～
1993年小麦田问试验及同期天气资料 ，利用光合生产与产量形成子模型进行产量模拟验证 ，二者趋势表现
一 致 ，误差为 一5．7％～10．2％，模拟产量与实测产量相关系数为 0．812，达 5％显著水平。
2．4 土壤水分动态模型(WATMOD)
麦田土壤水分动态模型综合考虑了降水量、灌水量、麦田潜在和实际蒸散量、水分径流和作物对降水截
留量等过程，可模拟麦 田0～lOOcm土层土壤水分变化动态。采用简化土壤水分平衡模式，某层第(t+1)天
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76 中 国 生 态 农 业 学 报 第 11卷
土壤含水量[w(t+1)]可表示为：
W (t+1)= W (t)+P(t)+ I(t)一ETA(t)一RU(t)一C(t) (15)
式中，W(t)为第 t天土壤初始含水量(mm)，P(t)为第 t天降水量(mm)， (t)为第 t天灌溉量(mm)，
ETA(t)为第 t天实际蒸散量(mm)，RU(t)为第 t天径流量(mm)，c(t)为第 t天作物对降水截流量(mm)。模
型中潜在蒸散的计算采用 Priestley—Taylor模型 。用 1998 1999年北京市北郊农场冬小麦大田试验资料验证
所建土壤水分动态模型，模拟渗灌方式土层(0-60cm、0～100cm)贮水量并与实测值比较表明，该模型模拟值与
实测值吻合较好 ，麦 田 0~60cm 土层贮水量模 拟值与实测值相对误差为 0％～10％，0～100cm土层贮水量模拟
值与实测值相对误差为 0％～8％，除遇异常高温或低温天气外其模拟值与实测值相对误差一般<5％。
2．5 气象数据处理
小麦模型模拟步长为 ld，输入天气数据为 日太阳辐射、日最高气温 、日最低气温和 日降水量。模型中还
需进行必要的气象数据处理如 日平均气温取最高气温和最低气温平均值 ，无辐射观测站点太阳总辐射量以
日照时数计算等 。逐 日日长计算式 为 ：
DL=2cos一 (一tan ×tan3)／15 (16)
式 中 ，DL 为 日长(h)， 为所 在地 点纬度 ， 为太 阳赤纬 ，由下式求得 ：
= 23．5sin{360。[(t+284)／365]} (17)
式 中 ，t为 日序 ，指 由元月 1日始计全 年天数所排次序 。用 埃斯特棱姆 (Angstron)公式 由某地 日照 时数计 算
出该地 太阳辐射总量 ，表达式 为 ：
Q(t)= Q (t)×(a+b×S(t)／DL) (18)
式中，Q(t)为模拟第 t天太阳总辐射(~U／n12·d)，Q (t)为该 日天文辐射量(MJ／m ·d)，S(t)为该 日日照
时数(h)，DL为该 日日长(h)，a、b为模型参数并根据气候区域取值 ，计算精度要求较低时一般取 a=0．23，
b=0．48，精度要求较高时 n，b值须根据文献或实际资料计算确定。
3 模型输入输出与数据库
启动模型进入主操作界面，模型模拟时首先进行模拟初始化 ，即模拟条件、模拟地点与有关参数输入、选
择或设置 ，如选择小麦品种名称 、播种期和种植地点 ，调用小麦品种和天气、土壤参数数据文件等。模型输出
可 以图形 、数据表 和区域 GIS形式显示 ，结 果 可打 印或保存 为 文件 。输 出内容包 括 模 拟 日期 、生育 天数 、总
生物量 、地上部 生物量 、叶重 、根重 、穗 重 、叶 面积系 数 和经 济产量 等 ，区域结 果包 括 省市 名称 、分区 名称 、地
名、成熟期、全生育期和产量等，并将运行结果保存文件中。
华北冬小麦生产影响评估模型系统使用 MS ACCESS数据库格式 ，包括运行文件数据库和结果文件数
据库，前者包括品种参数 、天气 、土壤 、地名和栽培措施 5个数据库文件 ，其中天气数据库有常年逐 日天气 、历
年逐 日天气和常年逐月天气 3个数据表文件 ，结果文件数据库有生物性状和区域结果 2个表文件。由于作
物一环境系统的复杂性及观测资料不充分等限制因素 ，模型对小麦一些生理过程如源库关系、同化物分配和
土壤养分过程模拟等尚待深入研究和完善 ，以提高系统的机理性、综合性和应用性。
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参 考 文 献
曹卫星，江海东 ．小麦温光反应及小麦发育进程的模拟．南京农业大学学报 ，1996，19(1)：9～16
张 宇，陶炳炎等．冬小麦生长发育的模拟模式．南京气象学院学报 ，1991，14(1)：113～121
汪永钦 ，王信理等．冬小麦生长和产量形成与气象条件关系及其动态模拟的研究．气象学报，1991，49(2)：205～214
高亮之，金之庆 ，郑国清等 ．小麦栽培模拟优化决策系统(WC_．_RODS)．江苏农业学报，2000，16(2)：65-72
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