全 文 ：中国生态农业学报 2009年 9月 第 17卷 第 5期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Sept. 2009, 17(5): 984−991
* 国家重点基础研究发展计划(973 计划)项目(2007CB109305)、948 国外技术引进与创新研究项目(2006-G52A-03)、国家高技术研究发
展计划(863计划)资助项目(2006AA100206, 2006AA100220)、948引进国际先进农业科学技术重点项目(2006-G56)、国际科技合作项
目(2006DFB32180)、国家自然科学基金项目(40571151)、国家财政部土壤有机质提升试点补贴项目(1251610721336)、中央级公益性
科研院所基本科研业务费专项资金(2008-9, 2009-15)资助
** 通讯作者: 武雪萍(1966~), 女, 汉, 博士, 副研究员, 主要从事土壤与节水农业研究。E-mail: xpwu@caas.ac.cn
姜志伟(1981~), 男, 汉, 硕士研究生, 主要从事生态环境与调控机制研究。E-mail: zhiweijt@163.com
收稿日期: 2008-08-14 接受日期: 2008-12-19
DOI: 10. 3724/SP.J.1011.2009.00984
洛阳孟津冬小麦生产潜力长周期定量模拟与评价*
姜志伟 1,2 武雪萍 1,3** 华 珞 2 蔡典雄 1,3 逄焕成 1
吴会军 1 姜 涛 4 郑 妍 1 李银坤 1
(1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 北京 100081; 2. 首都师范大学资源环境与旅游学院 北京 100048;
3. 农业部旱作节水农业重点开放实验室 北京 100081; 4. 中国科学院地球化学研究所 贵阳 550002)
摘 要 以洛阳孟津地区气象数据库、土壤数据库、作物数据库和多年田间试验数据库为基础, 应用 DSSAT
作物生长模型估算了当地冬小麦光温生产潜力和光温水生产潜力, 并对节水潜力及途径进行了分析。结果表
明, 洛阳孟津地区 46年冬小麦光温生产潜力为 7 571~10 965 kg·hm−2, 平均 9 209 kg·hm−2, 此值可作为当地
补灌区产量的上限参考值; 光温水生产潜力为 3 957~7 450 kg·hm−2, 平均 5 510 kg·hm−2, 仅占光温生产潜力
的 59.8%, 此值可作为雨养冬小麦产量的上限参考值。冬小麦生育期内平均降水量为 226.29 mm, 不及需水量
的一半, 平均水分亏缺量占生育期降水量比例高达 72.5%, 平均水分满足率为 66.4%, 生育期水分亏缺成为影
响洛阳孟津地区旱作冬小麦生产发展的首要障碍。不同土壤类型及不同降雨年型冬小麦潜在水分利用效率变
幅较大, 波动范围为 12.06~22.94 kg·hm−2·mm−1, 46年均值为 16.94 kg·hm−2·mm−1。近 8年旱作冬小麦现
实水分利用效率仅占潜在水分利用效率的 58.5%, 平均光温水生产潜力开发度为 60.5%。结果表明, 洛阳孟津
地区冬小麦节水潜力较大, 采用合理的节水农业措施, 加强农田建设, 改善地力, 增强土壤储水蓄水能力, 高
效利用降水资源, 提高水分利用效率是今后提高冬小麦产量的重要途径。
关键词 DSSAT模型 冬小麦 生产潜力 潜在水分利用效率 现实水分利用效率 开发度 洛阳孟津
中图分类号: S513; S162.5 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2009)05-0984-08
Long-term quantitative simulation and evaluation of potential productivity
of winter wheat in Mengjin, Luoyang
JIANG Zhi-Wei1,2, WU Xue-Ping1,3, HUA Luo2, CAI Dian-Xiong1,3, PANG Huan-Cheng1,
WU Hui-Jun1, JIANG Tao4, ZHENG Yan1, LI Yin-Kun1
(1. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
2. College of Resources Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China; 3. Key Laboratory
of Dryland Farming, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China; 4. Institute of Geochemistry, Chinese Academy
of Sciences, Guiyang 550002, China)
Abstract DSSAT crop growth model was used to estimate potential productivity of photo-temperature and photo-tempera-
ture-precipitation of winter wheat using weather, soil, crop variety and field trial data in Mengjin, Luoyang. Potential productivity
development status as well as the developmental measures of winter wheat was analyzed. From the study, the range of photo-
temperature productivity of winter wheat is 7 571~10 965 kg·hm−2 with a mean of 9 209 kg·hm−2. This can serve as reference value
for maximum yield in irrigated fields. The range of photo-temperature-precipitation productivity is 3 957~7 450 kg·hm−2 with a
mean of 5 510 kg·hm2. This accounts for 59.8% photo-temperature productivity, and can serve as reference value for maximum
yield in rainfed fields. The average precipitation is 226.29 mm during the development stage of winter wheat, which is less than half
of crop water requirement. Average water deficit is 72.5% of the precipitation at winter wheat development stage with an average
第 5期 姜志伟等: 洛阳孟津冬小麦生产潜力长周期定量模拟与评价 985
water content ratio of 66.4%. This indicates that water deficit during growth is the primary obstacle to winter wheat development in
Mengjin. As soil type and annual rainfall are different in the region, potential range of water use efficiency changes significantly
—12.06~22.94 kg·hm−2·mm−1, with a mean of 16.94 kg·hm−2·mm−1 for the soil types and 46-year period. In the past eight years,
the actual water use efficiency of winter wheat only accounts for 58.5% potential water use efficiency, while the exploitation degree
of potential photo-temperature-precipitation productivity is 60.5%. The study shows that winter wheat has a very high water-saving
potential in Mengjin. In order to enhance future winter wheat production, it is quite essential that reasonable agricultural water-saving
measures are taken and water use efficiency are augmented by increasing use efficiency of precipitation and improving field
conditions that enhances soil water storage capacity.
Key words DSSAT model, Winter wheat, Potential productivity, Potential water use efficiency, Actual water use efficiency,
Exploitation degree, Mengjin in Luoyang
(Received Aug. 14, 2008; accepted Dec. 19, 2008)
河南省洛阳市孟津地处豫西旱区腹地, 属半湿
润偏旱区, 耕地面积 42.70万 hm2, 丘陵旱地占 70%
以上。该地区四季分明, 光热充沛, 年均温 14.6 ℃,
年均降雨量 646.2 mm, 全年无霜期 218 d, 总体上对
各种农作物生长十分有利。但是, 近年来相关研究
表明 , 洛阳地区年降水在 450~520 mm 的年份达
80%以上, 作物生长表现为一季有余, 两季不足, 干
旱发生频率较高, 平均在 40%以上, 旱作农田在一
般情况下难以实现一年两熟, 不能充分发挥光热资
源。尤为突出的是, 冬小麦全生育期基本处于干旱
期, 自然气候条件下, 水分不足, 且年际变化大, 导
致冬小麦生产潜力年际波动较大, 气候单产呈减少
趋势。本文从光温和光温水生产潜力的动态变化方
面分析该地区影响冬小麦生产发展的主导限制因
子, 客观地评价旱作冬小麦的潜力及前景, 确定适
宜的开发对策, 以期为该区合理利用自然资源、发
展节水农业提供理论依据, 同时也为该地区冬小麦
生产规划和决策提供新的研究方法和思路。
以前作物生产潜力的研究主要是基于大区域 ,
缺乏区域内部气候资源时空分布差异的考虑, 对具
体小区域无明确具体的指导作用。同时, 这些研究
多以公式概算为主, 缺乏长周期变化规律的探讨和
对作物自身遗传特性及气候、土壤、管理措施等因
素综合作用的考虑, 这大大削弱了对农业生产的指
导作用和现实可行性。与以往采用公式估算作物生
产潜力不同, 本研究采用美国引进的 DSSAT 模型,
基于土壤数据库、气象数据库、作物数据库和多年
田间试验数据库进行模拟运算, 更注重光、温、水、
土以及作物生长发育机理等因素的综合作用, 更为
突出生产潜力形成的主体——作物及其对影响因素
的响应机制。因此, 本研究结果更能客观地估算冬
小麦光温和光温水生产潜力, 评价当地农业资源利
用状况, 揭示影响冬小麦生产发展的障碍因子及其
制约程度, 为当地农业生产和粮食安全起到积极的
指导作用。
1 DSSAT模型简介
农业技术转移决策支持系统 DSSAT(Decision
Support System for Agro-technology Transfer)是在农
业 技 术 转 移 国 际 基 准 网 IBSNAT(International
Benchmark Sites Network for Agro-technology Trans-
fer)计划的资助下开发研制出来的综合计算机系
统[1,2]。DSSAT模型是由作物模拟模型支持的决策支
持系统, 除了数据支持外, 还提供计算、解题的方
法, 并为决策者提供决策结果。DSSAT 能通过作物
模拟技术和系统分析方法估测作物的产量, 为农民
在不同气候年景下确定栽培管理措施(如施肥、灌水)
提供科学决策的依据[3]。从 20 世纪 80 年代中期起,
IBSNAT 将 DSSAT 向世界 30 多个国家与地区推广
应用, 又根据反馈的应用结果, 对其不断改进和完
善, 以加速农业技术的推广, 为发展中国家合理有
效地利用自然资源提供决策依据和对策。
模型现已发展到 DSSAT4.0 版本(本研究采用
DSSAT4.0.2 版本 ), 可对 26 种作物进行模拟。
DSSAT4.0模型分为数据模块、模型模块、分析模块
和工具模块几大部分。作为模型的子模块之一 ,
CERES-小麦模块可建立其独立的作物遗传参数数
据、试验管理数据 , 并通过访问集成于 DSSAT
CSM(Cropping System Model)的土壤剖面数据模块、
气象数据模块、土壤水分平衡模块、氮和碳平衡模
块等进行模拟, 预测冬小麦生长、发育和产量形成,
而分析模块为冬小麦的灌溉、施肥等管理决策评价
提供支持。
2 作物生产潜力模拟研究数据库的建立
DSSAT模型以日为时间步长模拟各种作物在某
一地点实施单一或多季节农田管理方式下整个生育
期内的生长发育和产量形成过程, 以及土壤水分、
碳氮过程和管理实践。该模型的良好应用, 首先需
要逐日气象数据、土壤剖面数据、作物品种遗传参
数数据以及农田管理实践数据等基础数据的支持。
986 中国生态农业学报 2009 第 17卷
2.1 气象数据库建立
DSSAT模型中设置有逐日气象要素变量以进行
逐日作物生理生态数据计算和模拟。最基本(最少)
的一组逐日气象要素 (变量 )是逐日太阳辐射量
(SRAD)、逐日最高气温(TMAX)、逐日最低气温(TMIN)
和逐日降水量(RAIN)。针对研究需要, 本研究收集整
理了洛阳孟津地区 1961~2007 年气象数据。在逐日
太阳辐射量获取困难的情况下, 根据该地区的逐日
日照时数及其相关天文参数 , 利用 0 (Q Q a= +
0/ )bS S 经验公式(式中, Q0为天文辐射, S 为太阳实
测日照时数, S0为太阳可照时数, a、b值为大区统一
公式[4]中的 0.105、0.708)估算了逐日太阳辐射量(Q)。
公式计算的孟津太阳辐射量结果与同纬度的郑州气
象站点实测结果(中国气象局国家气象信息中心提
供)的月平均误差为 11.9%, 公式计算值与实测值吻
合度较高。
2.2 土壤数据库建立
DSSAT模型要求输入农田土壤剖面层次的理化
性状数据。本研究收集整理了洛阳孟津地区黄土质
褐土、洪积潮土、红黄土质褐土、覆盖褐土性土、
洪积褐土、壤质潮土、黄土质石灰性褐土、废墟潮
褐土、洪积石灰性褐土、粘质灌淤潮土、洪积潮褐
土、壤质脱潮土、红黄土质石灰性褐土等 13种土属
1~100 cm剖面的 5个土层(每层 20 cm)的相关数据,
主要包括农田坡度(%), 土壤名称和质地, 剖面土层
数目、颜色, 各层粘粒含量(%)、粉砂粒含量(%)、
砂粒含量(%)、>2 mm 石砾含量(%), 各层有机碳含
量(g·kg−1)、养分含量(g·kg−1)、阳离子交换量 CMC
(cmol·kg−1)及 pH等。
2.3 作物参数调试与数据库建立
应用河南省洛阳农业科学研究所 1992~2006 年
旱作“豫麦 48”产量及相应田间管理数据, 采用“试
错法”[5]对作物品种参数进行调试, 直至模型模拟输
出结果与实测值吻合。经数千次调试, 最终确定“豫
麦 48 号”作物品种参数(表 1), 并应用该作物品种参
数进行了产量模拟值与实测值一致性检验。
本文引入归一化均方根差 RMSE(Normalized
root mean square error)来度量模拟值与实测值的相
对差异程度, 一致性指数 d(Index of agreement)和相
关系数 r来检验模拟值和实测值的吻合度。
2
1
( )
100
n
i i
i
P O
RMSE
n M
=
−
= ×
∑
(1)
2
1
2
1
( )
1
(| | | |)
n
i i
i
n
i i
i
P O
d
P O
=
=
⎡ ⎤−⎢ ⎥⎢ ⎥= − ⎢ ⎥′ ′+⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦
∑
∑
(2)
式中, Pi为模拟值, Oi为实测值, M为实测值平均值,
,i iP P M′ = − i iO O′ = − M。一般认为, RMSE<10%, 为
极好; 10%
拟值和实测值一致性越好, 否则相反。
1992~2006 年“豫麦 48”产量模拟值与实测值
对比分析结果表明(图 1), RMSE为 8%, d为 0.910, r
为 0.842。说明冬小麦产量模拟结果达到理想水平,
其品种参数能够准确地反映实际作物品种的主要遗
传特征, 可用于作物生产潜力模拟研究。
图 1 1992~2006年“豫麦 48”年产量模拟值与实测值的关系
Fig. 1 Relationship between observed and simulated yield
of “Yumai 48” during 1992~2006
3 冬小麦生产潜力的估算结果
利用建立的气象数据库、土壤数据库、作物数
据库及多年田间试验数据, 应用 DSSAT模型对冬小
麦光温生产潜力和光温水生产潜力进行估算。土壤
为洛阳市耕地面积比重较大的典型农作土壤褐土和
表 1 冬小麦“豫麦 48”的作物品种遗传参数
Tab. 1 Genetic parameters of winter wheat “Yumai 48”
参数 Parameter P1V P1D P5 G1 G2 G3 PHINT
均值 Average 25 45 560 23 55 1.8 95
范围 Range[5,6] 0~90 0~120 300~800 10~35 20~60 1~2 60~95
P1V: 春化敏感系数 Vernalization sensitivity coefficient; P1D: 光周期敏感系数 Photoperiod sensitivity coefficient; P5: 灌浆期特性系数
Thermal time from the onset of linear fill to maturity; G1: 籽粒数特性系数Kernel number per unit canopy weight at anthesis; G2: 标准籽粒重系数 Standard
kernel weight under optimum conditions; G3: 成熟期单株茎穗重系数 Standard, non-stressed dry weight (total, including grain) of a single tiller at ma-
turity; PHINT: 出叶间隔特性参数 Thermal time between the appearance of leaf tips.
第 5期 姜志伟等: 洛阳孟津冬小麦生产潜力长周期定量模拟与评价 987
潮土。冬小麦模拟生育期为 10月 1日~翌年 5月 31
日, 种植密度为 150株·m−2, 模拟运行 46年, 重复
4次。
3.1 光温生产潜力
冬小麦光温生产潜力模拟结果(图 2)表明, 冬小
麦光温生产潜力总体相对稳定 , 在 7 571~10 965
kg·hm−2间波动, 均值为 9 209 kg·hm−2, 标准偏差
为 867 kg·hm−2, 变异系数为 0.094。生育期累积辐
射量变化趋势明显 , 波动范围为 2 635.2~3 394.4
MJ·m−2·d−1, 均值为 3 065.8 MJ·m−2·d−1, 标准
偏差为 160.8 MJ·m−2·d−1, 对冬小麦光温生产潜力
的影响较大。生育期积温变化比较稳定, 波动范围
为 1 971~2 479 ℃·d, 均值为 2 190 ℃·d, 标准偏
差为 94 ℃·d, 对冬小麦光温生产潜力同样产生重
要影响。模拟结果表明, 作物本身的遗传特性、种
植密度和生育期天数等对光温生产潜力也有一定的
影响。
据洛阳市农业科学院冬小麦高产记录, 补灌区
小麦产量可达 7 799 kg·hm−2, 达到光温生产潜力的
84.7%。目前洛阳孟津地区的冬小麦多以旱作为主,
平均产量 4 000~5 500 kg·hm−2, 仅达光温生产潜力
的 43.4%~59.7%。可见, 洛阳孟津地区的光温生产潜
力可开发的空间非常大。
生育期太阳辐射量和积温对冬小麦光温生产潜
力的影响主要是通过对生物量累积过程的影响来实
现。以 2006~2007 年冬小麦生长季为例, 日光温累
积生物量(Y1)与生育期日累积太阳辐射量(X1)和日积
温(X2)回归分析的复相关系数为 0.98, 拟合方程为
Y1=−4 639.5+5.7X1+5.4X2。太阳辐射量与作物光合作
用联系紧密, 太阳辐射量决定着光能转化和生物量
累积的程度; 而温度直接影响作物生长发育的速度,
进而影响作物生育期的长短和生育期内光合时间的
多少, 尤其是对作物灌浆的影响。作物光温生产潜
力的高低是太阳辐射和温度综合作用的结果。此外,
作物本身的遗传特性、种植密度等其他因素对生产
潜力也同样产生一定的影响。
3.2 光温水生产潜力
为深入研究孟津地区冬小麦光温水生产潜力
(也称气候生产潜力), 选择褐土和潮土的 13 个土属
进行分析。表 2 为 1961~2007 年孟津地区不同土壤
类型冬小麦光温水生产潜力的模拟结果, 不同土壤
类型的光温水生产潜力差异较显著, 说明仅考虑光、
温、水对作物影响的条件下, 同一地区具有不同剖面
理化性质的土壤对有效地保持水分并将其最大限度
地供给作物吸收表现出显著的差异性, 不同土壤类
型冬小麦光温水生产潜力的可开发利用潜力不同。
模拟结果表明, 洛阳孟津地区冬小麦光温水生
产潜力为 3 957~7 450 kg·hm−2, 平均为 5510
kg·hm−2。其中, 大于 6 000 kg·hm−2的土壤类型有
洪积石灰性褐土、覆盖褐土性土、粘质灌淤潮土 ,
5 000~6 000 kg·hm−2的有黄土质褐土、洪积褐土、
红黄土质褐土、黄土质石灰性褐土、红黄土质石灰
性褐土、洪积潮褐土、废墟褐土和洪积潮土, 4 000~
5 000 kg·hm−2的为壤质潮土; 3 000~4 000 kg·hm−2
的为壤质脱潮土。尽管洪积石灰性褐土、覆盖褐土
性土、粘质灌淤潮土所对应的生产潜力较高, 但其
占耕作面积比重较小, 对洛阳孟津地区冬小麦开发
潜力并不能起主导作用。黄土质褐土、洪积褐土和
红黄土质褐土是孟津地区比重最大的土壤类型, 如
何开发其潜力对冬小麦生产尤为重要, 其相应的冬
图 2 不同年份冬小麦光温生产潜力及生育期累积太阳辐射量、积温变化
Fig. 2 Winter wheat potential photo-temperature productivity and accumulative solar radiation, temperature in winter
wheat developing period during 1961~2007
988 中国生态农业学报 2009 第 17卷
表 2 不同土壤类型冬小麦光温水生产潜力模拟结果
Tab. 2 Winter wheat potential photo-temperature-precipitation
productivity in different soil types during 1961~2007
kg·hm−2
土壤类型
Soil type
均值
Mean
标准偏差
Standard
error
范围
Range
黄土质褐土
Loess cinnamon soil
5 949 2 269.4 3 165~8 716
洪积褐土
Diluvial cinnamon soil
5 427 2 143.9 2 910~8 065
红黄土质褐土
Red- loess cinnamon soil
5 196 2 104.1 2 773~7 791
黄土质石灰性褐土
Loess calcic cinnamon soil
5 306 2 072.5 2 651~8 625
洪积石灰性褐土
Diluvial calcic cinnamon soil
6 666 2 408.4 3 468~8 556
红黄土质石灰性褐土
Red- loess calcic cinnamon soil
5 306 2 072.5 2 651~8 625
洪积潮褐土
Diluvial aquic cinnamon soil
5 053 2 078.8 2 691~7 562
废墟潮褐土
Ruins aquic cinnamon soil
5 639 2 164.2 3 103~8 393
覆盖褐土性土
Mantle weakly developed cin-
namon soil
6 499 2 378.4 3 438~8 326
壤质潮土
Loam fluvo-aquic soil
4 142 1 748.1 2 126~6 074
洪积潮土
Diluvial fluvo-aquic soil
5 035 1 895.7 2 918~8 264
粘质灌淤潮土
Clay cumulated irrigated fluvo-
aquic soil
7 450 2 620.2 3 830~8 587
壤质脱潮土
Loam demoisted fluvo-aquic soil
3 957 1 815.7 1 300~6 011
平均 Average 5 510 1 369.2 3 957~7 450
小麦光温水生产潜力均值分别为 5 949 kg·hm−2、
5 427 kg·hm−2、5 196 kg·hm−2。因此, 占比重最大
的黄土质褐土光温水生产潜力可反映该地区光温水
生产潜力的整体状况。
冬小麦生育期太阳辐射量、气温和降水量对光
温水生产潜力的影响主要通过影响生物量累积过程
来体现, 如 2006~2007年日光温水累积生物量(Y2)与
生育期日累积太阳辐射量(X1)、日积温(X2)和日降水
量(X3)回归分析的复相关系数为 0.99, 拟合方程为
Y2=−511.5+4.4X1−0.5X2+17.8X3。相对于生育期累积
太阳辐射量和积温, 生育期降水量年际间波动较大,
对光温水生产潜力的影响更为突出(图 3)。
洛阳孟津地区典型耕作土壤冬小麦光温水生产
潜力与生育期降水量年际关系分析结果表明, 冬小
麦光温水生产潜力年际变化随相应年份生育期内降
水量变化而明显波动, 相关系数为 0.7, 生育期降水
量是影响冬小麦光温水生产潜力的 3 个主要气象要
素中的主导因素。
3.3 光温生产潜力与光温水生产潜力对比分析
冬小麦光温生产潜力与光温水生产潜力比率
(图 4)为 0.339~1.000, 波幅较大, 变异系数为 0.3, 均
值为 0.598。可见, 洛阳孟津地区光温资源丰富, 而
水分亏缺严重限制了光温生产潜力的发挥, 光温资
源利用效率较低, 水资源短缺是制约当地冬小麦生
产的首要问题。
3.4 潜在水分利用效率
表 3 为应用 DSSAT 模型模拟 1961~2007 年 46
年冬小麦水分平衡结果。其中, 潜在水分利用效率
为作物光温水生产潜力与生育期实际耗水量之比 ,
即作物消耗单位水量所形成的潜在经济产量, 其更
能确切地表示同一地点、相同作物在不同降水年份
的光温水生产潜力, 同时可用一个特定年份的潜力
值确认其他年份可能实现的潜力, 可作为光温水生
产潜力的判断指标。潜在蒸散量是指在最适宜的土
壤水分和肥力条件下, 田间正常生长发育、无病虫
害并达到高产水平的特定作物的农田蒸散量 , 该
图 3 典型土壤冬小麦光温水生产潜力与生育期降水量关系
Fig. 3 Winter wheat potential photo-temperature-precipitation productivity and precipitation on typical soil
第 5期 姜志伟等: 洛阳孟津冬小麦生产潜力长周期定量模拟与评价 989
图 4 冬小麦光温生产潜力与光温水生产潜力比率关系
Fig. 4 Ratio of photo-temperature productivity to photo-temperature-precipitation productivity of winter wheat
值为模型根据输入实测气象数据应用彭曼公式计算
所得。作物耗水量为自然条件下, 模型输出的土壤
蒸发量与作物蒸腾量之和。作物需水量指大面积无
病虫害作物在土壤水分和肥力条件适宜时, 能取得
最高生产潜力的情况下, 为满足植物生长的蒸腾、
棵间土壤蒸发、组成植株体水量之和 , 该值可由
ETC=KC·ET0 计算所得, 其中 ETC 为作物需水量,
ET0为潜在蒸散量, KC为作物系数(取值为 0.85[7])。
水分亏缺量为作物需水量与耗水量之差。水分满足
率为生育期耗水量与需水量之比, 以此对作物水分
满足状况作定量评价。
多年水分平衡模拟结果(表 3)表明, 小麦生育期
内降水量为 226.29 mm, 需水量为 480.94 mm, 水分
亏缺量为 163.99 mm。生育期内降水量不及需水量
的一半 , 平均水分亏缺量占生育期降水量高达
72.5%。冬小麦水分满足率均值为 45.4%~95.0%, 潜
在水分利用效率为 12.06~22.94 kg·hm−2·mm−1, 不
同降雨年份间变异系数较大。模拟结果进一步说明,
洛阳孟津地区旱作农业受水分影响较大, 农业缺水
是未来冬小麦生产发展的首要障碍。
1961~2007 年不同土壤类型冬小麦潜在水分利
用效率模拟结果(表 4)表明, 不同土壤类型冬小麦潜
在水分利用率为 12.06~22.94 kg·hm−2·mm−1。其
中, 潜在水分利用效率不小于 20 kg·hm−2·mm−1
的耕作土壤有洪积石灰性褐土、覆盖褐土性土、粘
质灌淤潮土。除壤质潮土和壤质脱潮土潜在水分利
用效率低于 15 kg·hm−2·mm−1外, 其余各耕作土壤
类型均在 15~20 kg·hm−2·mm−1之间。
4 冬小麦光温水生产潜力开发现状分析
对 1998~2006 年冬小麦 8 个模拟生长季水分平
衡状况和光温水生产潜力开发状况分析表明, 冬小
麦生育期内平均降水量为 190.91 mm, 需水量为
470.16 mm, 水分满足率为 62.0%, 降水满足率为
40.6%, 其中仅有 2年降水满足率超过 50%, 冬小麦
生育期降水量短缺严重制约光温生产潜力的开发。
从表 5 可以看出, 该时段内, 旱作冬小麦历史产量
均值为 3 769 kg·hm−2, 光温水生产潜力均值为 6 542
kg·hm−2, 不同年份开发程度差异较大, 最高值为
73.1%, 最低开发度仅为 32.6%, 平均光温水生产潜
表 3 1961~2007年冬小麦生育期水分平衡分析
Tab. 3 Water balance analysis during winter wheat development period from 1961 to 2007
水分平衡参数
Water balance
parameter
全生育期天数
Development
period duration
(d)
生育期降水
Precipitation in
development
period (mm)
潜在蒸散量
Potential
evapotranspira-
tion (mm)
作物耗水量
Crop water
consumption
(mm)
作物需水量
Crop water
requirement
(mm)
水分亏缺量
Water defi-
ciency
(mm)
水分满足率
Water con-
tent ratio
(%)
潜在水分利用效率
Potential water use
efficiency
(kg·hm−2·mm−1)
均值 Mean 242 226.29 486.12 316.95 480.94 163.99 66.4 16.94
标差
Standard error
5.90 67.09 623.72 49.75 28.58 66.21 12.6 3.99
最小值 Min. 227 127.70 565.81 239.90 413.20 22.00 45.4 12.06
最大值 Max. 252 425.30 33.62 443.81 530.16 289.01 95.0 22.94
变异系数
Variation
coefficient
0.024 0.296 0.06 0.157 0.059 0.404 0.189 0.24
潜在水分利用效率为 13种土壤类型的平均值 Potential water use efficiency is the mean potential water use efficiency on all soil types.
990 中国生态农业学报 2009 第 17卷
表 4 1961~2007年不同土壤类型冬小麦的平均潜在水分利用效率
Tab. 4 Average potential water use efficiency of winter wheat on different soil types form 1961 to 2007 kg·hm−2·mm−1
潜在水分利用效率
Potential water use efficiency
潜在水分利用效率
Potential water use efficiency 土壤类型
Soil type 均值
Mean
标准差
Standard
error
范围
Range
土壤类型
Soil type 均值
Mean
标准差
Standard
error
范围
Range
黄土质褐土
Loess cinnamon soils
18.28 4.11 12.73~32.23 洪积潮土
Diluvial fluvo-aquic soils
15.51 3.50 10.02~28.29
红黄土质褐土
Red- loess cinnamon soils
15.94 3.89 10.97~30.16 覆盖褐土性土
Mantle weakly developed cinnamon soils
20.00 4.28 14.33~33.26
洪积褐土
Diluvial cinnamon soils
16.66 3.92 11.46~30.95 壤质潮土
Loam fluvo-aquic soils
12.67 3.30 8.08~24.29
黄土质石灰性褐土
Loess calcic cinnamon soils
16.39 4.35 9.13~28.24 废墟潮褐土
Ruins aquic cinnamon soils
17.33 3.90 12.20~31.20
洪积石灰性褐土
Diluvial calcic cinnamon soils
20.52 4.31 14.46~33.44 粘质灌淤潮土
Clay cumulated irrigated fluvo-aquic soils
22.94 4.60 15.75~35.15
洪积潮褐土
Diluvial aquic cinnamon soils
15.49 3.85 10.54~29.59 壤质脱潮土
Loam demoisted fluvo-aquic soils
12.06 3.53 7.07~24.99
红黄土质石灰性褐土
Red- loess calcic cinnamon soils
16.39 4.35 9.13~28.24 平均 Average 16.49 3.99 12.06~22.94
表 5 1998~2006年冬小麦光温水生产潜力开发状况分析
Tab. 5 Exploitation situation analysis of winter wheat photo-temperature-precipitation productivity from 1998 to 2006
年份
Year
旱作产量
Real
productivity
(kg·hm−2)
光温水生产潜力
Potential
photo-temperature-precipi-
tation productivity
(kg·hm−2)
光温水生产潜力开发程度
Exploitation degree of
potential photo-
temperature-precipitation
productivity (%)
潜在水分利用效
率 Potential water
use efficiency
(kg·hm−2·mm−1)
现实水分利用效率
Actual water use
efficiency
(kg·hm−2·mm−1)
1998~1999 3 168 5 953 53.2 22.78 12.13
1999~2000 3 249 4 790 67.8 18.44 12.51
2000~2001 3 523 4 852 72.6 17.72 12.86
2001~2002 2 849 8 737 32.6 27.10 8.84
2002~2003 4 348 9 517 45.7 28.42 12.98
2003~2004 4 371 5 978 73.1 20.39 14.91
2004~2005 4 132 5 691 72.6 21.30 15.47
2005~2006 4 515 6 816 66.2 22.73 15.06
均值 Mean 3 769 6 542 60.5 22.36 13.09
标差
Standard error
646.36 1 734.46 15.07 3.81 2.15
变异系数
Variance coefficient
0.171 0.265 0.249 0.170 0.164
旱作小麦产量数据来源于《洛阳统计年鉴》和《河南统计年鉴》, 光温水生产潜力开发程度为现实产量与光温水生产潜力的比值, 潜在
水分利用效率为作物光温水生产潜力与生育期实际耗水量之比, 现实水分利用效率为现实产量与生育期实际耗水量之比。Winter wheat yield
data come form《Statistical Yearbook of Luoyang》and 《Statistical Yearbook of Henan》. Exploitation degree of potential photo-temperature-pre-
cipitation productivity is the ratio of real production to potential photo-temperature-precipitation productivity; Potential water use efficiency is the
ratio of potential photo-temperature-precipitation productivity to water consumption during development period; Actual water use efficiency is the
ratio of actual productivity to precipitation in development period.
力开发度为 60.5%, 现实水分利用效率仅占潜在水
分利用效率的 58.5%。连续 8 年的现实水分利用效
率均比潜在水分利用效率低 , 相差 4.9~18.3
kg·hm−2·mm−1, 平均相差 9.3 kg·hm−2·mm−1。
可见, 冬小麦节水潜力非常大, 采用合理措施将有
助于提高光温水生产潜力的开发度, 提高水分利用
效率。
5 结论与讨论
本研究结果表明, 洛阳孟津冬小麦 46年光温生
产潜力为 7 571~10 965 kg·hm−2, 平均 9 209 kg·hm−2,
此值可作为当地补灌区产量的上限参考值。不同土
壤类型和不同降雨年型光温水生产潜力变化幅度很
大, 为 3 957~7 450 kg·hm−2, 各耕作土壤类型冬小
麦多年光温水生产潜力均值为 5 510 kg·hm−2, 占光
温生产潜力的 59.8%, 该值可作为雨养冬小麦产量
上限的参考值。
受地形和降雨量时空变率影响, 洛阳孟津地区
冬小麦补灌区与旱作区产量差异明显。补灌区冬
小麦产量达 7 799 kg·hm−2, 占光温生产潜力的
第 5期 姜志伟等: 洛阳孟津冬小麦生产潜力长周期定量模拟与评价 991
84.7%; 而旱作区平均产量 4 000~5 500 kg·hm−2,
仅达光温生产潜力的 43.43%~59.7%。1961~2007年
模拟分析结果表明, 冬小麦生育期内平均降水量为
226.29 mm, 不及需水量的一半, 平均水分亏缺量占
生育期降水量比例高达 72.5%, 平均水分满足率为
66.4%, 生育期水分亏缺是影响洛阳孟津地区旱作
冬小麦生产发展的首要障碍。各土壤类型冬小麦平
均潜在水分利用效率为 16.94 kg·hm−2·mm−1, 波动
范围为 12.06~22.94 kg·hm−2·mm−1, 变异较大。
近8年来冬小麦生育期内平均降水量为190.91 mm,
水分满足率为 62.0%, 降水满足率为 40.6%。旱作冬
小麦历史产量均值为 3 769 kg·hm−2, 光温水生产潜
力均值为 6 542 kg·hm−2, 平均光温水生产潜力开发
度为 60.5%, 现实水分利用效率仅占潜在水分利用
效率的 58.5%, 节水潜力非常大, 采用合理的节水
措施, 高效利用降水资源, 提高水分利用效率是今
后提高冬小麦产量的重要途径。
生育期降水不足、年际波动性大及水分利用率
低在一定程度上制约了洛阳孟津地区冬小麦生产潜
力的开发利用, 而水分利用效率偏低是冬小麦现实
生产力低下的首要原因[8−10]。不同土壤类型冬小麦
生产潜力差异表明, 地力状况是影响冬小麦生产的
另一限制因子。建议今后应重点围绕提高水分利用
效率和改善地力来开发冬小麦生产潜力。因此, 合
理安排农时, 提高作物生长季与降水时间分布的吻
合度, 是有效提高水分利用效率的关键环节。而选
择耐旱与丰产性能较好的优良品种, 是提高作物生
产力和挖掘光温水生产潜力的另一关键措施。同时
增加耕地土壤改良投入、加强农田建设, 减少水土
流失 , 改变粗放型的栽培管理技术 , 培肥土壤 , 增
强水肥耦合度, 提高土壤储水蓄水稳定能力等是今
后进一步开发冬小麦生产潜力, 提高产量的重要途
径, 也是农业生产可持续发展的长久之计。
参考文献
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