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1、 中国农业气象（Chinese Journal of Agrometeorology） 2018年 doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2018.02.005 赵俊芳,李宁,候英雨,等.基于APSIM模型评估北方八省春玉米生产对气候变化的响应J.中国农业气象,2018,39(2):108-118 基于APSIM模型评估北方八省春玉米生产对气候变化的响应*1赵俊芳1，李 宁1,2，候英雨3，张 祎1，徐精文2，蒲菲堉2，潘志华4，郭建平1（1中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081；2.四川农业大学资源学院，成都 611130；3.国家气象中心农业气象中
2、心，北京 100081；4.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193） 摘要：基于北方地区农业气象试验站春玉米多年田间试验数据和逐日气象数据，分析农业生产系统模型APSIM在北方八省春玉米产区的适用性，在区域尺度上识别春玉米发育期和产量的关键气象响应因子，模拟过去 54a（19612014 年）该地区春玉米的生长发育和产量形成过程，探讨春玉米发育期和产量对气候变化的响应规律。结果表明：验证后的 APSIM 玉米模型在北方八省春玉米产区具有较好的适用性。气温和土壤温度是北方各地春玉米发育期的首要关键气象响应因子，其中北方春播区春玉米各关键发育期对最高气温响应最明显，西北内陆区春玉米各关键发
3、育期对最低气温响应最明显。平均气温、日最高气温、日最低气温和土壤温度的升高均会导致春玉米生育期（出苗、开花和成熟）日序提前，发育天数减少，春玉米提前成熟。北方春播区春玉米产量对温度、降水、日照时数响应明显，西北内陆区春玉米产量对温度和g9520在g14988g6967响应明显，g3835g18108分地区温度的升高和g9520在g14988g6967的g3698g2164会g5353g17227玉米产量的显g14891g991降。 关键词：APSIM模型g727北方春玉米g727发育期g727关键气象因子 Evaluation of Response of Spring Maize Produ
4、ction to Climate Change in the Eight Provinces of Northern China Based on APSIM Model ZHAO Jun-fang1, LI Ning1, 2, HOU Ying-yu3, ZHANG Yi1, XU Jing-wen2, PU Fei-yu2, PAN Zhi-hua4, GUO Jian-ping1（1.State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, Chi
5、na; 2.Resources College, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130;3.China National Meteorological Center, Beijing 100081; 4.College of Resources & Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193） Abstract: Based on the spring maize field trial data from agro-meteorologic
6、al experiment stations in the northern China and daily meteorological data, the adaptability of agricultural production system model APSIM in the maize producing areas of the eight provinces in the northern China was analyzed. The critical meteorological response factors for the development stage an
7、d yield of spring maize were determined at the regional scale. The growth and yield formation of spring maize in the past 54 years (19612014) were simulated based on APSIM. Response laws of spring maize to climate change were explored. The results showed that, (1) the validated APSIM model had bette
8、r adaptability in the maize producing areas of the eight provinces in the northern China. (2) Air temperature and soil temperature were the most important meteorological response factors for the development stages of spring maize in the eight provinces of northern China. In the northern spring sowin
9、g area, the response of the development stage of spring maize to the maximum temperature was the most obvious. However, in the northwestern inland region, the response of the development stage of spring maize to the minimum temperature was the most obvious. The increase *收稿日期：2017-06-12 基金项目：中国气象科学研
10、究院基本科研业务费专项（2017R001）；公益性行业（气象）科研专项（GYHY201506016） 作者简介：赵俊芳（1977-），女，博士，研究员，研究方向为气候变化对农业的影响。E-mail： 万方数据第2期 赵俊芳等：基于APSIM模型评估北方八省春玉米生产对气候变化的响应 109in daily average temperature, daily maximum temperature, daily minimum temperature and daily soil temperature advanced the day of year (DOY) of spring maiz
11、e growth stage (emergence, flowering and maturation) and decreased the days of development, causing spring maize mature ahead of time. (3) The key meteorological response factors for spring maize yield in the northern spring maize region were temperature, precipitation and sunshine hours. The key me
12、teorological response factors for spring maize yield in the northwestern inland maize region were mainly temperature and potential evapotranspiration. In most areas, the increase in temperature and potential evapotranspiration significantly decreased in spring maize yield. Key words: APSIM model; Sp
13、ring maize in the northern China; Development stage; Key meteorological factors 全球气候的复杂变化已对中国北方旱地农业生产造成了重大影响1-2。随着气候变暖和降水差异的加剧，复杂的气候变化单独或与其它因素一起对农业生产造成严重影响，将会危害粮食生产安全3。因此，加强区域尺度上气候变化对农业生产影响的研究，保证粮食生产安全至关重要。 玉米（Zea mays L.）是世界上分布最广的作物之一，从栽培面积和总产量看，仅次于小麦和水稻居第 3 位4-5。玉米集粮食、饲料、加工原料和能g9316等g3822g12193g11
14、004g17896于一g17535，g3324全球粮食安全和国g8677g13475g8994g2469g4649中g1867g7389g1042g17287g17743重的地位6。中国是世界上仅次于g13666国的第g1120大玉米生产国，g2528g7114g1075是玉米最大g9052g17165国，g9052g17165量90%g1209上g19764国g1881生产7。中国春玉米g12193g7905区g1039要分布g3324北方，g2265g6336北方春g6785玉米区和g16211北g1881g19482春玉米区，其中北方春g6785玉米区g2356全国玉米g6785g121
15、93面积的42.2%。北方地区水g17176g9316g11468对g2306g1059，气候g7477g1226g11468对g17751差，g6227g6297了g5052大的粮食生产g2399g2159，g2528g7114，g2475气候变化的影响g17751大。g3822重g2399g2159g991，g4600其是全球变暖g13984g7235g991，玉米等作物面g1032g1955产g20130g19517，对粮食安全g5114g7481严重g4053g13973。因此，g17839一g8505加强北方春玉米生产对气候变化的响应研究，是g7393g2165和g1431g1783
16、9北方农业g2499g6357g13505g2469g4649的g17855g2011g19668要，对于保g19568g16825地区粮食安全、g1039g2172g17878应气候变化等g1867g7389g2325分重要的g10628g4466g5859g1053。 中国g5332g4649气候变化对北方玉米生产影响的研究已g7389g1972g2325g5192的g2394g2502，研究成g7536g1075g19762g5132g1028g45128-17。Liu等研究g2469g10628，气候变化g14280g1363中国g1008北地区春玉米的g9520g3324产量g718
17、6g14891g991降，g991降g8616g1375g20652g1781022%g79426%8。气g9213g2331g20652g14280g1363g1008北大g18108分地区玉米生g13958期g5322g19283，玉米g6785g12193期g7234g17953g6564g2081。积g9213g5114北g12239g1363玉米作物g2709g12193g11013中g7214g10099g2709g12193g7379g6454g1038g7101中g10099g2709g1219314。气g9213g2331g20652对玉米生物量的作g11004g1209g1
18、7139面g1038g1039，CO2g13945g6940对生物量g7389一g4462的g15929g1619作g1100413。气候变化g13984g7235g991，g7097照g7114数和g9213度的变化g14280g1363华北地区玉米产量g9520g2159g991降15。g11468关研究成g7536g1038科学安排、指挥农业生产g6564供了很g7389价值的参考依据。然而，针对气候变化对中国北方春玉米生产影响的研究仍g17751薄弱，无法g17878应稳g4462农业生产、保g19568国家粮食安全和农业防灾g1955灾的g19668求。 一般g7481说，气候变化对
19、农业影响的研究g1039要集中g3324观测试验和模型模拟两方面12。作物模型是目g2081g4462量化研究气候变化及其影响的g17751科学和理想的方法。APSIM（Agricultural Production Systems Simulator）模型是g11013澳大利亚学者研究g5332g2469，是一个成功的旱田作物系统模型，g2499g1209g1209模型g1039体g1038基础构建不g2528的作物模型系统。g16825模型已g13475g3324g3822个国家和地区的应g11004g4466g1375中得到验证，对于干旱地区的作物生产模拟g6940g7536良好。国g1
20、881对APSIM模型的应g11004研究还未得到广泛应g11004，目g2081仅对华北平原、g1008北平原和黄土g20652原等地的g17878g11004性作了研究6,8-9。但区域尺度上基于APSIM 模型识别中国北方地区气候变化对农作物生产影响的运g11004还鲜见报道。鉴于此，本研究g3324已g7389研究的基础上，基于 19612014 g5192逐g7097气象数据和北方八省农业气象试验站春玉米田间试验数据，对农业生产系统模型APSIMg3324北方八省玉米产区的g17878应性g17839行验证，模拟过去54ag16825地区春玉米的生g19283g2469g13958和
21、产量形成过程，运g11004一阶差分法g6564取影响春玉米关键g2469g13958期和产量的“优势因子”，识别春玉米生g19283g2469g13958及产量的关键气象响应因子，探讨各地春玉米g2469g13958期和产量对气候变化的响应规律，g1209期g1038北方各地玉米g12193g7905结构调整、玉米生产的合理布局g1209及制g4462g17878应气候变化的管理措施g6564供理论依据。 1 材料与方法 1.1 研究区域概况 中国春玉米g12193g7905区g1039要分布g3324北方，g2265g6336北方春g6785玉米区和g16211北g1881g19482春玉
22、米区，g12193g7905制度g1038一g5192一g1009916。北方春g6785玉米区横跨全国g1008g16211，地形狭g19283，生态环境复杂，大g18108分位于北纬40og1209北，g2265g6336黑龙万方数据 中 国 农 业 气 象 第39卷 110 江、吉林、辽宁、g1881蒙古、宁夏全省（区），g8839北、g19497g16211两省的北g18108，g4677g16211省大g18108和g10988g13911省g18108分地区。g16825地区g4658g4518g9213g5114或g9213g5114g9299g9082、g2334g9299g9
23、082气候g5114，g1920g4407g1314g9213干g10169，降水差异g7138g7186，其中60%集中g332479g7388g727g16211北g1881g19482玉米g12193g7905区g2265g6336g7044g11098的全g18108，g10988g13911和宁夏的一g18108分。g16825区g4658大g19482性干g10169气候g5114，大g18108分地区气g9213g17751g1314，410g7388平g3355气g9213g332415g263g1209上g727全g5192降水量g3324150g794300mm，g7097
24、照g1817g17287，干旱g4581g19644，玉米g6785g12193面积g458116。g2475g17176料g19492制，本研究g1039要g2265g6336g1881蒙古、黑龙江、吉林、辽宁、g4677g16211、g10988g13911、宁夏和g7044g11098八省区（g32821），其中 20042013g5192g178378个省区玉米平g3355g6785g12193面积g2356全国的 46%，平g3355总产量g2356全国的49%，g3324中国玉米生产中g2356重要地位。本研究g1209北方八省（区）15 个农业气象试验站春玉米田间试验数 据g10
25、38基础，基于 APSIM模型探讨各地春玉米g2469g13958期和产量对气候变化的响应规律，站g9869基本g5785g1929见g159321和g32821。 图1 研究区域和15个农业气象站点的分布 Fig. 1 Distribution of study area and 15 agricultural meteorological stations 表1 所选15个气象站点的基本信息 Table 1 Basic information of 15 meteorological sites in the northern China 省份Province 站点Station 站点类型
26、Station type 经度Longitude（ E） 纬度Latitude（ N） 海拔高度Altitude（m）新疆Xinjiang 伊宁Yining 基本站BS 81.33 43.95 662.5 昌吉Changji 一般站GS 87.43 44.01 579.3 山西Shanxi 河曲Hequ 基本站BS 111.15 39.38 861.5 忻州Xinzhou 一般站GS 112.70 38.42 797.7 宁夏Ningxia 中卫Zhongwei 基本站BS 105.18 37.53 1225.7 内蒙古Inner Mongolia 临河Linhe 基本站BS 111.47 4
27、1.08 1039.3 突泉Tuquan 一般站GS 121.58 45.38 311.7 黑龙江Heilongjiang 安达Anda 基本站BS 125.32 46.38 149.3 富锦Fujin 基本站BS 131.98 47.23 66.4 吉林Jinlin 桦甸Huadian 基本站BS 126.45 42.59 263.3 农安Nongan 基本站BS 125.09 44.23 170.2 辽宁Liaoning 本溪Benxi 基本站BS 124.12 41.3 211.9 海城Haicheng 基本站BS 122.72 40.88 25.3 甘肃Gansu 张掖Zhangye
28、基本站BS 100.42 38.92 1482.7 成县Chengxian 一般站GS 105.72 33.75 970 Note: GS is general station, BS is basic station. 1.2 APSIM模型简介 APSIM 模型（Agricultural Production System Simulator）是g11013g19594g4658澳大利亚g13864g18042科工g13464g13467和g7130g3775g1860g5042g6931g5232的APSRU（Agricultural Production System Research
29、 Unit）研制的一g12193农业生产系统模型，g16825模型g1867g7389模g3371化g10317g9869，g11013g2265g6336气候、g1871分、水分、作物、土g3768、系统g6523制和管理等模g3371g13464成，g17902过中g3842g5353g6818将各模g3371g7389g7438结合g3324一起18-19。g17902过“g6566g6312”的功能g4466g10628模g3371之间的g17935g17765g17842g6521，g11004g6155g2499g7693据研究目的g13464合作物、土g3768及其它模g3371
30、g17839行各g12193管理g1927g12586模拟。APSIM模型的g7692g5527是土g3768，g3837气和管理措施的变化g5353起土g3768g10378g1929的变化，g17839而影响作物生g19283g2469g13958，能g3827模拟生g19283g3324g9213g5114和g9921g5114地区的大g3822数g16907物和g13432g13512作物，g3926玉米、大麦、小麦、g7837g14469等，对于干旱地区作物水分关系g1867g7389g17751强的分g7524能g2159，g2499g1209模拟g17730作系统作物g2469g
31、13958期、生物量和产量、不g2528g13801作措施与各生g19283g2469g13958阶g8585气象因子、土g3768水分的g2172态关系20，g1817分说g7138了模型的强大功能和广泛万方数据第2期 赵俊芳等：基于APSIM模型评估北方八省春玉米生产对气候变化的响应 111的g17878g11004性。APSIM模型的g10317g9869是能g3827模拟作物产量对不g2528基因型、气候和管理g7477g1226的g2465应，评价g17730作g5219g2027中土g3768g13945g2159指g7643和作物产量，g3324g3822变的气候g7477g12
32、26g991，g2465g7156旱作农业区农业生产系统各g13464分的g10378态和应对21。目g2081，APSIM模型已g3324全球不g2528地区得到了广泛g5353g1100422，g14270g5353g17839中国g1209g7481，g3324g1008北、g16211g2347、g16211北黄土g20652原等地区g17839行了大量调参验证工作，模型本地化取得一g4462g17839g4649，g1867g7389g17751好的g17878应性。但区域尺度上基于 APSIM 模型识别中国北方地区气候变化对农作物生产影响的运g11004还鲜见报道。 1.3 模型参
33、数初始化和调试 APSIM-maize 模型运行g6164g19668的最基本气象要素g2265g6336：g5415地的纬度、g7388平g3355气g9213和g7388g3355g9213变化，g1209及逐g7097g3838g19463总g17764g4568量（MJm-2）、逐g7097最g20652气g9213（g263）、逐g7097最g1314气g9213（g263）和逐g7097降水量（mm）等参数g20045。本研究g6164g1363g11004的 19612014 g5192逐g7097气象数据g7481g9316于中国气象科学数据g1861g1151g7393g21
34、65g13605，g9097g11434g7044g11098、g10988g13911、宁夏、g1881蒙古、g4677g16211、黑龙江、吉林、辽宁8省（区），一g186115个农业气象试验站，g1039要g2265g6336g7097最g20652g9213、g7097最g1314气g9213、g7097平g3355气g9213、g11468对g9299度、降水量、g7097照g7114数、平g3355g20130g17907等。本研究中，模型g6164g19668的地g15932总g17764g4568g17902过Penman-Monteithg1856g5347g16757g12
35、651得到。 APSIM-maize 模型g6164g19668要的土g3768参数g1039要g2265g6336土g3768g4493重BD（gcm-3）、g20130干系数AirDry（mmmm-1）、g1951g14818系数 LL15（mmmm-1）、田间g6357水量 DUL（mmmm-1）、g20293和g2559水量SAT（mmmm-1）、g7389g7438g17148g2559量和pH值。数据g1039要g7481g14270中国气象局农业气象观测站和g2081g1166研究成g753623。 APSIM 模型g18331g11004g17902g11004作物生g1928
36、3模型g7481模拟各g121931a 生和g3822g5192生作物的生g19283，但是针对不g2528作物g19668要g17767g1849对应的模型参数值。g1038此，g17902过中国气象局各省g5078农业气象观测站g6922集北方地区 20082014 g5192田间g4462位研究的春玉米g4658性g17176料，建g12447春玉米g4658性参数，g1039要g2265g6336g2709g12193g17963g1268g10317性参数、作物生g19283g2469g13958g17839程、g7905g7678形态与产量形成等春玉米参数。g2528一站g9869
37、春玉米g2709g12193保g6357不变。考g15397到g17829g5192g7481g5415地作物数据g6922集g17751全面，因此，将玉米田间试验数据分g1038两g13464，20082010 g5192数据g11004于g17767g1849 APSIM-maize 模型中g6164g19668的基本作物参数，20112013 g5192数据g11004于验证模型。作物数据g1039要g6564取g2528一个地g9869春玉米g8611g5192g5332g14469与成g10099的g7097期，g18331g11004“试g19181法”g3324单g9869尺度上
38、对研究区春玉米的g2709g12193参数g17839行调整，目的是g1363模拟值与g4466测值之差g4625g2499能小，将模型g17767g1998结g7536与对应的试验站g9869g5415g5192的田间g4466测结g7536g17839行对照g727调试模型g11464至模拟g17767g1998的生g13958g7114期（g1998g14507、g5332g14469和成g10099）和产量数值等与g4466测数据g11468g1253820。 1.4 模型适用性评价 g18331g11004g1209g991统g16757量作g1038检验 APSIM-maize 模
39、型的指g764320：模拟值与g4466测值之间的g1927g4462系数（R2）、一g14280性指g7643（D指g7643）、g3355方g7693差（RMSE）、平g3355绝对误差（MAE）、g11468对g3355方g7693差（NRMSE）和模型的g7389g6940性（ME）。即 n2iii1(O S )RMSEN=（1） RMSENRMSE 100%O=（2） 2iiE 2i(O S )M1(O O)=（3） 2ii2ii(S O )D1(S O O O )=+ （4） iiSOMAEn=（5） g5347中，Sig1038模拟值g727Oig1038g4466测值g727O
40、 g1038g4466测平g3355值g727Ng1038样本数g727RMSEg1038模拟值与g4466测值之间的绝对误差，数值越小，g15932g7138模拟值与g4466际观测值的偏差越小g727NRMSEg1038模拟值与g4466测值之间的g11468对误差，g6523制g3324 10%g1209g1881说g7138模型的模拟g7389g17751g20652精度g727MEg1038模型的g7389g6940性指数，g5415ME0.5g7114，说g7138模型的模拟结g7536g17751好g727R2和D指g7643g2499g2465g7156模拟值与g4466测值之
41、间的一g14280性，对系统模拟误差的响应更敏感，其值愈g6521g178291说g7138模拟g6940g7536愈好g727MAEg1038平g3355绝对误差。 1.5 一阶差分法评估北方春玉米发育期和产量对关键气象因子的响应 一阶差分法就是离散函数中g17842g13505g11468邻两g20045之差，本文利g11004一阶差分法识别影响北方春玉米g2469g13958期和产量的g1039要气象因子。首先g16757g12651北方春玉米g12193g7905区各气象站g9869春玉米产量、春玉米g2469g13958期（g1998g14507、g5332g14469和成g1009
42、9）g7097g5219和各气象因子的一阶差分值，即后一g5192值与g5415g5192值之差，然后分别建g12447产量的变化量Y和g2469g13958期g7097g5219的变化量D与各气象因子变化量 Xn之间的线性回归方程，并g11004 F 检验g7481判断其g7186g14891性，分g7524春玉米生g13958期和产量对各气候因子变化的响应。 万方数据 中 国 农 业 气 象 第39卷 112 Dm=aXmn+b （6） Ym=aXmn+b （7） g5347中，mg1038各气象站g9869g727ag1038单因子回归方程的一次g20045系数g727n分别g15932
43、示春玉米生g19283g4407g1881平g3355g9213度、g7097最g20652g9213度、g7097最g1314g9213度、g2399强、g7097照g7114数、降水量、g9299度、土g3768g9213度、g3838g19463g17764g4568和g9520g3324蒸散量g727bg1038单因子回归方程g5132数g20045。g5415 F 检验判断气象因子g7186g14891后，g8616g17751单因子回归方程的一次g20045系数，找g1998影响春玉米g2469g13958期和产量的g1039要气象因子。g11004单因子分g7524g7114g1
44、7902过 0.05 水平g7186g14891性检验的气象因子构建生g13958期、产量一阶差分值的g3822元回归方程，即 Dm=a+bXn1+cXn2+dXn3+ （8） Ym=a+bXn1+cXn2+dXn3+ （9） g5347中，n1、n2、n3等分别g15932示g17902过0.05水平g7186g14891性检验的气象因子g727ag1038综合回归方程g5132数g20045g727b、c、dg15932示回归系数。 2 结果与分析 2.1 APSIM-maize模型在北方八省春玉米产区适用性的验证 作物数据g1039要g6564取g2528一个地g9869春玉米g8611
45、g5192g5332g14469与成g10099的g7097期，g18331g11004“试g19181法”g3324单g9869尺度上对北方八省春玉米的g2709g12193参数g17839行调整。APSIM 模型中春玉米g2709g12193g6523制参数g1039要分g1038两类：一类g6523制作物的生g19283g2469g13958g17839程g727一类是g6523制作物最终产量的形成（g159322）。影响春玉米生g19283g2469g13958期的作物参数g2265g6336g1998g14507营g1871生g19283结束的积g9213、顶叶g5332g14469
46、的积g9213、g5332g14469灌浆的积g9213、g5332g14469成g10099期的积g9213、光周期g1032界值 1、光周期g1032界值2、光周期斜率和g9520g3324灌浆g17907率等。 分g7524北方八省各农业气象试验站g9869春玉米 3 个关键g2469g13958阶g8585（g1998g14507、g5332g14469和成g10099），得g1998平g3355模拟g7097g5219分别g1038第129、202和263g3837（g7097g5219g12091g73881g7097g1038第1g3837，依次类推），g4466测g7097g5
47、219分别g1038第135、205和264g3837，其中g1998g14507阶g8585g11468差6d，g5332g14469阶g8585g11468差3d，成g10099阶g8585g11468差 1d，3 个关键g2469g13958阶g8585模拟值误差g3355g17751小，g3324g2499g6521g2475范围g1881。3个g2469g13958阶g8585g4466测和模拟g7097g5219的g1927g4462系数R2分别g10380.91、0.52和0.72g727g3355方g7693误差RMSE分别g10387.34、6.84和5.67g727归一化g
48、3355方g7693误差 NRMSE 分别g1038 5.44%、3.35%和 2.15%g727D值分别g10380.87、0.8和0.91，模拟结g7536良好（g32822）。g2528g7114对g8616分g7524g16825地春玉米模拟产量与g4466测产量得g1998，g1927g4462系数（R2）值g10380.92，g11468对g3355方g7693误差NRMSE值g1038 7.09%，D 值g1038 0.98，g15932g7138 APSIM-maize 模型模拟的北方地区春玉米模拟产量和g4466测产量g7389很好的一g14280性（g3282 3）。g24
49、99见，APSIM-maize 模型能g3827g17751好地模拟北方地区春玉米的生g19283g2469g13958和产量，g15932g7138APSIM-maize 模型g3324北方八省春玉米产区g7389g17751好的g17878g11004性。 2.2 模拟春玉米发育期对单一关键气象因子变化的响应 春玉米g2469g13958期g1039要划分g1038g1998g14507期、g6312节期、抽雄期、g5332g14469期、吐丝期和成g10099期，g11013于g17176料的g19492制，本文g1039要研究g1998g14507期、g5332g14469期和成g10099期对关键气象因子的响应。春玉米生g19283g2469g13958和产量对气象因子的响应并不是单一的，g1038了g6